【深度学习】孪生网络（Siamese Network）的模式和训练过程

【深度学习】孪生网络（Siamese Network）的模式和训练过程

文章目录
1 概述
2 Siamese network 孪生神经网络
3 孪生神经网络和伪孪生神经网络分别适用于什么场景呢？
4 细节
5 网络训练
6 人脸检测—Siamese Network

1 概述

孪生神经网络（Siamese neural network），又名双生神经网络，是基于两个人工神经网络建立的耦合构架。孪生神经网络以两个样本为输入，其两个子网络各自接收一个输入，输出其嵌入高维度空间的表征，通过计算两个表征的距离，例如欧式距离，以比较两个样本的相似程度。

狭义的孪生神经网络由两个结构相同，且权重共享的神经网络拼接而成。广义的孪生神经网络，或伪孪生神经网络（pseudo-siamese network），可由任意两个神经网拼接而成。孪生神经网络通常具有深度结构，可由卷积神经网络、循环神经网络等组成，其权重可以由能量函数或分类损失优化。

孪生网络用于处理两个输入"比较类似"的情况。比如，两个句子或者词汇的语义相似度计算，指纹或人脸的比对识别等使用siamese network比较适合； 伪孪生神经网络适用于处理两个输入"有一定差别"的情况。如验证标题与正文的描述是否一致，或者文字是否描述了一幅图片，就应该使用伪孪生神经网络。
孪生神经网络可以用于解决类别很多（或者说不确定），然而训练样本的类别数较少的分类任务，即可以进行小样本（one-shot learning），且不容易被错误样本干扰，因此可用于对容错率要求严格的模式识别问题，例如人像识别、指纹识别、目标追踪等。

2 Siamese network 孪生神经网络

Siamese和Chinese有点像。Siam是古时候泰国的称呼，中文译作暹罗。Siamese也就是“暹罗”人或“泰国”人。Siamese在英语中是“孪生”、“连体”的意思，这是为什么呢？

简单来说，Siamese network就是“连体的神经网络”，神经网络的“连体”是通过共享权值来实现的，如下图所示。

大家可能会有疑问：共享权值是什么意思？左右两个神经网络的权重一模一样？

答：是的，在代码实现的时候，甚至可以是同一个网络，不用实现另外一个，因为权值都一样。对于siamese network，两边可以是lstm或者cnn，都可以。

大家可能还有疑问：如果左右两边不共享权值，而是两个不同的神经网络，叫什么呢？

答：pseudo-siamese network，伪孪生神经网络，如下图所示。对于pseudo-siamese network，两边可以是不同的神经网络（如一个是lstm，一个是cnn），也可以是相同类型的神经网络。

3 孪生神经网络和伪孪生神经网络分别适用于什么场景呢？

先上结论：孪生神经网络用于处理两个输入"比较类似"的情况。伪孪生神经网络适用于处理两个输入"有一定差别"的情况。比如，我们要计算两个句子或者词汇的语义相似度，使用siamese network比较适合；如果验证标题与正文的描述是否一致（标题和正文长度差别很大），或者文字是否描述了一幅图片（一个是图片，一个是文字），就应该使用pseudo-siamese network。也就是说，要根据具体的应用，判断应该使用哪一种结构，哪一种Loss。

Softmax当然是一种好的选择，但不一定是最优选择，即使是在分类问题中。传统的siamese network使用Contrastive Loss。损失函数还有更多的选择，siamese network的初衷是计算两个输入的相似度,。左右两个神经网络分别将输入转换成一个"向量"，在新的空间中，通过判断cosine距离就能得到相似度了。Cosine是一个选择，exp function也是一种选择，欧式距离什么的都可以，训练的目标是让两个相似的输入距离尽可能的小，两个不同类别的输入距离尽可能的大。其他的距离度量没有太多经验，这里简单说一下cosine和exp在NLP中的区别。

根据实验分析，cosine更适用于词汇级别的语义相似度度量，而exp更适用于句子级别、段落级别的文本相似性度量。其中的原因可能是cosine仅仅计算两个向量的夹角，exp还能够保存两个向量的长度信息，而句子蕴含更多的信息。

Siamese network是双胞胎连体，整一个三胞胎连体行不行？

4 细节

OK，我们回到本篇博文的主题，下面是paper所用的Siamese网络（shared weights）。在网络的最后顶层，由线性全连接和ReLU激活函数，构成输出层。在paper中，采用的最后是包含两个全连接层，每个隐层包含512个神经元。

除了Siamese网络，文献还提了另外一种Pseudo-siamese网络，这个网络与siamese network网络最大的区别在于两个分支是权值不共享的，是真正的双分支网络模型。Pseudo-siamese在网络的两个分支上，每个分支是不同的映射函数，也就是说它们提取特征的结构是不一样的，左右两个分支，有不同的权值、或者不同的网络层数等，两个函数互不相关，只是在最后的全连接层，将他们连接在一起了。这个网络相当于训练参数比Siamese网络的训练参数多了将近一倍，当然它比Siamese网络更加灵活。

5 网络训练

数据处理部分，一般就是数据扩充，也就是给图片加上旋转、镜像、等操作。Paper采用的数据扩充，包含水平翻转、垂直翻转、还有就是旋转，包含90、180、270角度的旋转。训练迭代终止的方法不是采用什么early stop，而是启动让电脑跑个几天的时间，等到闲的时候，回来看结果，做对比（ps：这个有点low）。如果你是刚入门CNN的，还没听过数据扩充，可以看看：http://blog.csdn.net/tanhongguang1/article/details/46279991。Paper也是采用了训练过程中，随机数据的扩充的方法。

在孪生神经网络（siamese network）中，其采用的损失函数是contrastive loss，这种损失函数可以有效的处理孪生神经网络中的paired data的关系。contrastive loss的表达式如下：

代表两个样本特征X 1和X 2 的欧氏距离（二范数）P 表示样本的特征维数，Y 为两个样本是否匹配的标签，Y=1 代表两个样本相似或者匹配，Y=0 则代表不匹配，m 为设定的阈值，N 为样本个数。

观察上述的contrastive loss的表达式可以发现，这种损失函数可以很好的表达成对样本的匹配程度，也能够很好用于训练提取特征的模型。

即当样本不相似时，其特征空间的欧式距离反而小的话，损失值会变大，这也正好符号我们的要求。
当 Y=0 (即样本不相似时），损失函数为

即当样本不相似时，其特征空间的欧式距离反而小的话，损失值会变大，这也正好符号我们的要求。

[注意这里设置了一个阈值ｍargin，表示我们只考虑不相似特征欧式距离在０～ｍargin之间的，当距离超过ｍargin的，则把其loss看做为０(即不相似的特征离的很远，其loss应该是很低的；而对于相似的特征反而离的很远，我们就需要增加其loss，从而不断更新成对样本的匹配程度)]

6 人脸检测—Siamese Network

将人脸通过若干层的卷积得到128维向量，用这128维向量代表一个人。两个人脸比对时，通过两个128维的元素方差和得到相似度。