自動(dòng)化在人臉識(shí)別研究中取得進(jìn)展

些年得益于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、訓(xùn)練策略以及人臉數(shù)據(jù)的發(fā)展，人臉識(shí)別技術(shù)取得了巨大的提升，越來越多地被推廣到安防領(lǐng)域，延伸出考勤機(jī)、門禁機(jī)等多種產(chǎn)品，產(chǎn)品系列達(dá)20多種類型，可以全面覆蓋煤礦、樓宇、銀行、軍隊(duì)、社會(huì)福利保障、電子商務(wù)及安全防務(wù)等領(lǐng)域，人臉識(shí)別的全面應(yīng)用時(shí)代已經(jīng)到來。

然而，現(xiàn)有方法主要關(guān)注自然環(huán)境下的人臉識(shí)別，其訓(xùn)練數(shù)據(jù)大都從網(wǎng)絡(luò)上收集而來，一般只包含中等量級(jí)的人數(shù)(約10萬人)，但每類平均樣本數(shù)很多(多于20個(gè))。然而，實(shí)際應(yīng)用中的人臉識(shí)別系統(tǒng)通常只能獲取2張圖像，一張證件照，一張現(xiàn)場(chǎng)照。同時(shí)，系統(tǒng)需要面對(duì)的人臉個(gè)體數(shù)量可達(dá)到上百萬甚至是千萬級(jí)。因此，實(shí)際中人臉數(shù)據(jù)庫通常具有海量類別，但每類只有2個(gè)樣本，一般被稱之為大規(guī)模雙樣本問題。

現(xiàn)有方法在訓(xùn)練這種數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)遇到巨大的挑戰(zhàn)，例如類內(nèi)變化不足使得訓(xùn)練難以收斂以及海量樣本數(shù)對(duì)計(jì)算設(shè)備的極端要求。為此，中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所針對(duì)真實(shí)場(chǎng)景下的人證核驗(yàn)問題，提出了基于深度學(xué)習(xí)的大規(guī)模雙樣本學(xué)習(xí)方法，解決了雙樣本數(shù)據(jù)帶來的類內(nèi)變化不足問題和海量樣本數(shù)計(jì)算壓力大的問題。

目前，深度學(xué)習(xí)在人臉識(shí)別界具有統(tǒng)治地位，基于分類的訓(xùn)練方法是主流，其將每個(gè)人當(dāng)作獨(dú)立的類別，并使用softmax進(jìn)行分類訓(xùn)練。近兩年SphereFace，CosFace以及InsightFace進(jìn)一步引入了邊界裕量(margin)來提高識(shí)別網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性，在公開測(cè)試集上取得了領(lǐng)先性能。然而，softmax的計(jì)算消耗與類別數(shù)直接相關(guān)。在實(shí)際應(yīng)用中，百萬類甚至千萬類的分類會(huì)對(duì)訓(xùn)練平臺(tái)產(chǎn)生極大壓力，普通訓(xùn)練平臺(tái)(如8卡TITANX)甚至無法訓(xùn)練，給主流方法的應(yīng)用帶來了困難。

自動(dòng)化所朱翔昱、雷震等研究人員提出的大規(guī)模雙樣本學(xué)習(xí)方法包括兩個(gè)方面，一是提出了一種分類-驗(yàn)證-分類(CVC)的訓(xùn)練策略來逐步提高實(shí)際場(chǎng)景中的性能，二是針對(duì)大規(guī)模分類問題提出了DP-softmax使得深度學(xué)習(xí)在超大規(guī)模類別的分類上具有可擴(kuò)展性。

在分類-驗(yàn)證-分類(CVC)訓(xùn)練策略中，研究人員將整個(gè)訓(xùn)練過程分為三個(gè)階段。第一個(gè)階段為Pre-learning(Classification)，首先在網(wǎng)圖人臉數(shù)據(jù)庫上訓(xùn)練一個(gè)深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，以得到一個(gè)較好的初始人臉識(shí)別性能。第二階段為Transfer Learning (Verification)，使用基于度量學(xué)習(xí)的人臉驗(yàn)證方法如triplet loss在大規(guī)模雙樣本數(shù)據(jù)上進(jìn)行微調(diào)，將人臉知識(shí)從自然環(huán)境遷移到人證場(chǎng)景下。第三階段為Fine-grained Learning (Classification)，構(gòu)建了一個(gè)特殊的分類層DP-softmax對(duì)百萬級(jí)類別進(jìn)行分類，最終達(dá)到人證場(chǎng)景下的最優(yōu)性能。

DP-softmax極大降低了大規(guī)模分類的計(jì)算需求，首先通過CVC策略中第二階段的模型對(duì)訓(xùn)練數(shù)據(jù)抽取特征并構(gòu)建每個(gè)類別的類別模板(prototype)，生成所有類別的類別模板庫。在訓(xùn)練過程中，針對(duì)當(dāng)前mini-batch中的樣本選擇與他們最相似的少量類別模板構(gòu)建臨時(shí)分類層來完成本次分類訓(xùn)練。整個(gè)過程可以在不影響訓(xùn)練效果的前提下，極大降低大規(guī)模分類的計(jì)算需求。研究人員對(duì)提出的方法進(jìn)行了充分的實(shí)驗(yàn)，表明在IvS場(chǎng)景下，該方法相比現(xiàn)有方法有了明顯提升。