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一种写法统一人脸Loss：Pytorch实现及Mnist可视化

2020 年 11 月 18 日 极市平台

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作者丨赵赫 Mccree

来源丨 Smarter

编辑丨极市平台

极市导读

本文主要总结了softmax、Modified Softmax、NormFace、SphereFace、InsightFace、Center Loss六种loss的Pytorch实现以及Mnist的可视化实验，让大家能够借助代码更深刻的理解Loss的设计以及直观的比较各种Loss的有效性。 >>加入极市CV技术交流群，走在计算机视觉的最前沿

写在前面

这篇文章的重点不在于讲解FR的各种Loss，因为知乎上已经有很多，搜一下就好，本文主要提供了各种Loss的Pytorch实现以及Mnist的可视化实验，一方面让大家借助代码更深刻地理解Loss的设计，另一方面直观的比较各种Loss的有效性，是否涨点并不是我关注的重点，因为这些Loss的设计理念之一就是增大收敛难度，所以在Mnist这样的简单任务上训练同样的epoch，先进的Loss并不一定能带来点数的提升，但从视觉效果可以明显的看出特征的分离程度，而且从另一方面来说，分类正确不代表一定能能在用欧式/余弦距离做1:1验证的时候也正确。

本文主要仿照CenterLoss文中的实验结构，使用了一个相对复杂一些的LeNet升级版网络，把输入图片Embedding成2维特征向量以便于可视化。

对了，代码里用到了TensorBoardX来可视化，当然如果你没装，可以注释掉相关代码，我也写了本地保存图片，虽然很不喜欢TensorFlow，但TensorBoard还是真香，比Visdom强太多了。

早就想写这篇文章了，趁着五一假期终于...

具体代码在Github：

github.com/MccreeZhao/F

有兴趣的话点个Star呀~虽然刚起步还没什么东西

文章里只展示loss写法

Softmax

公式推导

Pytorch代码实现

  
  
    
   
   
     class Linear(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Linear, self).__init__()
        self.weight = nn.Parameter(torch.Tensor(2, 10))  # (input,output)
        nn.init.xavier_uniform_(self.weight)

    def forward(self, x, label):
        out = x.mm(self.weight)
        loss = F.cross_entropy(out, label)
        return out, loss

emmm...现实生活中根本没人会这么写好吧！明明就有现成的Linear层啊喂！

写成这样只是为了方便统一框架...

可视化

这一张图是二维化的特征，注意观察不同两类任意点之间的余弦距离和欧氏距离。

这张图是将特征归一化的结果，能更好的反映余弦距离，竖线是该类在最后一个FC层的权重，等同于类别中心（这一点对于理解loss的发展还是挺关键的）。

后面的图片也都是这种形式，大家可以比较着来看。

Modified Softmax

公式推导

去除了权重的模长和偏置对loss的影响，将特征映射到了超球面，同时避免了样本量差异带来的预测倾向性（样本量大可能导致权重模长偏大）。

Pytorch代码实现

  
  
    
   
   
     class Modified(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Modified, self).__init__()
        self.weight = nn.Parameter(torch.Tensor(2,10))#(input,output)
        nn.init.xavier_uniform_(self.weight)
        self.weight.data.uniform_(-1,1).renorm_(2,1,1e-5).mul_(1e5)
        #因为renorm采用的是maxnorm，所以先缩小再放大以防止norm结果小于1

    def forward(self, x):
        w=self.weight
        ww=w.renorm(2,1,1e-5).mul(1e5)
        out = x.mm(ww)
        return out

可视化

这里要提一句，如果大家留心的话可以发现，虽然modified loss并没有太好的聚拢效果，但确让类别中心准确地落在了feature的中心，这对于网络的性能是有很大好处的，但是具体原因我没想出来...希望能有大佬在评论区给解释一下...

NormFace

既然权重的模长有影响，Feature的模长必然也有影响,具体还是看文章，另外，质量差的图片feature模长往往较短，做normalize之后消除了这个影响，有利有弊，还没有达成一致观点，目前主流的Loss还是包括feature normalize的

公式推导

可视化

就是一个字：猛！感觉有了NormFace，后面的花式Loss都体现不出来效果了...

Pytorch代码实现

  
  
    
   
   
     class NormFace(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(NormFace, self).__init__()
        self.weight = nn.Parameter(torch.Tensor(2, 10))  # (input,output)
        nn.init.xavier_uniform_(self.weight)
        self.weight.data.uniform_(-1, 1).renorm_(2, 1, 1e-5).mul_(1e5)
        self.s = 16
        # 因为renorm采用的是maxnorm，所以先缩小再放大以防止norm结果小于1

    def forward(self, x, label):
        cosine = F.normalize(x).mm(F.normalize(self.weight, dim=0))
        loss = F.cross_entropy(self.s * cosine, label)
        return cosine, loss

SphereFace：A-softmax

为了进一步约束特征向量之间的余弦距离，我们人为地增加收敛难度，给两个向量之间的夹角乘上一个因子:m

公式推导

Pytorch代码实现

  
  
    
   
   
     class SphereFace(nn.Module):
    def __init__(self, m=4):
        super(SphereFace, self).__init__()
        self.weight = nn.Parameter(torch.Tensor(2, 10))  # (input,output)
        nn.init.xavier_uniform_(self.weight)
        self.weight.data.renorm_(2, 1, 1e-5).mul_(1e5)
        self.m = m
        self.mlambda = [  # calculate cos(mx)
            lambda x: x ** 0,
            lambda x: x ** 1,
            lambda x: 2 * x ** 2 - 1,
            lambda x: 4 * x ** 3 - 3 * x,
            lambda x: 8 * x ** 4 - 8 * x ** 2 + 1,
            lambda x: 16 * x ** 5 - 20 * x ** 3 + 5 * x
        ]
        self.it = 0
        self.LambdaMin = 3
        self.LambdaMax = 30000.0
        self.gamma = 0

    def forward(self, input, label):
        # 注意，在原始的A-softmax中是不对x进行标准化的,
        # 标准化可以提升性能，也会增加收敛难度，A-softmax本来就很难收敛

        cos_theta = F.normalize(input).mm(F.normalize(self.weight, dim=0))
        cos_theta = cos_theta.clamp(-1, 1)  # 防止出现异常
        # 以上计算出了传统意义上的cos_theta，但为了cos(m*theta)的单调递减，需要使用phi_theta

        cos_m_theta = self.mlambda[self.m](cos_theta)
        # 计算theta，依据theta的区间把k的取值定下来
        theta = cos_theta.data.acos()
        k = (self.m * theta / 3.1415926).floor()
        phi_theta = ((-1) ** k) * cos_m_theta - 2 * k

        x_norm = input.pow(2).sum(1).pow(0.5)  # 这个地方决定x带不带模长，不带就要乘s
        x_cos_theta = cos_theta * x_norm.view(-1, 1)
        x_phi_theta = phi_theta * x_norm.view(-1, 1)

        ############ 以上计算target logit，下面构造loss，退火训练#####
        self.it += 1  # 用来调整lambda
        target = label.view(-1, 1)  # (B,1)

        onehot = torch.zeros(target.shape[0], 10).cuda().scatter_(1, target, 1)

        lamb = max(self.LambdaMin, self.LambdaMax / (1 + 0.2 * self.it))

        output = x_cos_theta * 1.0  # 如果不乘可能会有数值错误？
        output[onehot.byte()] -= x_cos_theta[onehot.byte()] * (1.0 + 0) / (1 + lamb)
        output[onehot.byte()] += x_phi_theta[onehot.byte()] * (1.0 + 0) / (1 + lamb)
        # 到这一步可以等同于原来的Wx+b=y的输出了，

        # 到这里使用了Focal Loss，如果直接使用cross_Entropy的话似乎效果会减弱许多
        log = F.log_softmax(output, 1)
        log = log.gather(1, target)

        log = log.view(-1)
        pt = log.data.exp()
        loss = -1 * (1 - pt) ** self.gamma * log

        loss = loss.mean()
        # loss = F.cross_entropy(x_cos_theta,target.view(-1))#换成crossEntropy效果会差
        return output, loss

可视化

InsightFace(ArcSoftmax)

公式推导

Pytorch代码实现

  
  
    
   
   
     class ArcMarginProduct(nn.Module):
    def __init__(self, s=32, m=0.5):
        super(ArcMarginProduct, self).__init__()
        self.in_feature = 2
        self.out_feature = 10
        self.s = s
        self.m = m
        self.weight = nn.Parameter(torch.Tensor(2, 10))  # (input,output)
        nn.init.xavier_uniform_(self.weight)
        self.weight.data.renorm_(2, 1, 1e-5).mul_(1e5)

        self.cos_m = math.cos(m)
        self.sin_m = math.sin(m)
        # 为了保证cos(theta+m)在0-pi单调递减：
        self.th = math.cos(3.1415926 - m)
        self.mm = math.sin(3.1415926 - m) * m

    def forward(self, x, label):
        cosine = F.normalize(x).mm(F.normalize(self.weight, dim=0))
        cosine = cosine.clamp(-1, 1)  # 数值稳定
        sine = torch.sqrt(torch.max(1.0 - torch.pow(cosine, 2), torch.ones(cosine.shape).cuda() * 1e-7))  # 数值稳定

        ##print(self.sin_m)
        phi = cosine * self.cos_m - sine * self.sin_m  # 两角和公式
        # # 为了保证cos(theta+m)在0-pi单调递减：
        # phi = torch.where((cosine - self.th) > 0, phi, cosine - self.mm)#必要性未知
        #
        one_hot = torch.zeros_like(cosine)
        one_hot.scatter_(1, label.view(-1, 1), 1)
        output = (one_hot * phi) + ((1.0 - one_hot) * cosine)

        output = output * self.s
        loss = F.cross_entropy(output, label)

        return output, loss

可视化

ArcSoftmax需要更久的训练，这个收敛还不够充分...颜值堪忧，另外ArcSoftmax经常出现类别在特征空间分布不均匀的情况，这个也有点费解，难道在训FR模型的时候先用softmax然后慢慢加margin有奇效？SphereFace那种退火的训练方式效果好会不会和这个有关呢...

Center Loss

乱入一个欧式距离的细作

公式推导

其中

是每个类别对应的一个中心，在这里就是一个二维坐标啦。

Pytorch代码实现

  
  
    
   
   
     class centerloss(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(centerloss, self).__init__()
        self.center = nn.Parameter(10 * torch.randn(10, 2))
        self.lamda = 0.2
        self.weight = nn.Parameter(torch.Tensor(2, 10))  # (input,output)
        nn.init.xavier_uniform_(self.weight)

    def forward(self, feature, label):
        batch_size = label.size()[0]
        nCenter = self.center.index_select(dim=0, index=label)
        distance = feature.dist(nCenter)
        centerloss = (1 / 2.0 / batch_size) * distance
        out = feature.mm(self.weight)
        ceLoss = F.cross_entropy(out, label)
        return out, ceLoss + self.lamda * centerloss

这里实现的是center的部分，还要跟原始的CEloss相加的，具体看github吧。

可视化

会不会配合weight norm效果更佳呢？以后再说吧...

总结

先写到这里，如果大家有兴趣可以去github点个star之类的...作为一个研一快结束的弱鸡刚刚学会使用github...也是没谁了...

参考文献： Wang M, Deng W. Deep face recognition: A survey[J]. arXiv preprint arXiv:1804.06655, 2018.

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