自動化在人臉識別研究中取得進展

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、門禁機等多種產(chǎn)品，產(chǎn)品系列達20多種類型，可以全面覆蓋煤礦、樓宇、銀行、軍隊、社會福利保障、電子商務(wù)及安全防務(wù)等領(lǐng)域，人臉識別的全面應(yīng)用時代已經(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的人數(shù)(約10萬人)，但每類平均樣本數(shù)很多(多于20個)。然而，實際應(yīng)用中的人臉識別系統(tǒng)通常只能獲取2張圖像，一張證件照，一張現(xiàn)場照。同時，系統(tǒng)需要面對的人臉個體數(shù)量可達到上百萬甚至是千萬級。因此，實際中人臉數(shù)據(jù)庫通常具有海量類別，但每類只有2個樣本，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)時會遇到巨大的挑戰(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)對計算設(shè)備的極端要求。為此，中國科學(xué)院自動化研究所針對真實場景下的人證核驗問題，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)計算壓力大的問題。

目前，深度學(xué)習(xí)在人臉識別界具有統(tǒng)治地位，基于分類的訓(xùn)練方法是主流，其將每個人當(dāng)作獨立的類別，并使用softmax進行分類訓(xùn)練。近兩年SphereFace，CosFace以及InsightFace進一步引入了邊界裕量(margin)來提高識別網(wǎng)絡(luò)的可擴展性，在公開測試集上取得了領(lǐng)先性能。然而，softmax的計算消耗與類別數(shù)直接相關(guān)。在實際應(yīng)用中，百萬類甚至千萬類的分類會對訓(xùn)練平臺產(chǎn)生極大壓力，普通訓(xùn)練平臺(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)方法包括兩個方面，一是提出了一種分類-驗證-分類(CVC)的訓(xùn)練策略來逐步提高實際場景中的性能，二是針對大規(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展性。

在分類-驗證-分類(CVC)訓(xùn)練策略中，研究人員將整個訓(xùn)練過程分為三個階段。第一個階段為Pre-learning(Classification)，首先在網(wǎng)圖人臉數(shù)據(jù)庫上訓(xùn)練一個深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，以得到一個較好的初始人臉識別性能。第二階段為Transfer Learning (Verification)，使用基于度量學(xué)習(xí)的人臉驗證方法如triplet loss在大規(guī)模雙樣本數(shù)據(jù)上進行微調(diào)，將人臉知識從自然環(huán)境遷移到人證場景下。第三階段為Fine-grained Learning (Classification)，構(gòu)建了一個特殊的分類層DP-softmax對百萬級類別進行分類，最終達到人證場景下的最優(yōu)性能。

DP-softmax極大降低了大規(guī)模分類的計算需求，首先通過CVC策略中第二階段的模型對訓(xùn)練數(shù)據(jù)抽取特征并構(gòu)建每個類別的類別模板(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)建臨時分類層來完成本次分類訓(xùn)練。整個過程可以在不影響訓(xùn)練效果的前提下，極大降低大規(guī)模分類的計算需求。研究人員對提出的方法進行了充分的實驗，表明在IvS場景下，該方法相比現(xiàn)有方法有了明顯提升。