聪明的人脸识别1——Keras 搭建自己的Facenet人脸识别平台

我不是女神ヾ 2023-03-01 05:51 261阅读 0赞

### 聪明的人脸识别1——Keras 搭建自己的Facenet人脸识别平台 ###

*  学习前言
 *  什么是Facenet
 *  源码下载
 *  Facenet的实现思路
 *   *  一、预测部分
     *   *  1、主干网络介绍
         *  2、根据初步特征获得长度为128的特征向量
         *  3、l2标准化
         *  4、构建分类器（用于辅助Triplet Loss的收敛）
     *  二、训练部分
     *   *  1、数据集介绍
         *  2、LOSS组成
 *  训练自己的Facenet人脸识别算法

# 学习前言 #

最近又学了我最喜欢的retinaface，以前也了解过facenet，但是没有训练过，可以去学习一下！  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NDc5MTk2NA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

# 什么是Facenet #

谷歌人脸识别算法，发表于 CVPR 2015，利用相同人脸在不同角度等姿态的照片下有高内聚性，不同人脸有低耦合性，提出使用 cnn + triplet mining 方法，在 LFW 数据集上准确度达到 99.63%。

通过 CNN 将人脸映射到欧式空间的特征向量上，实质上：**不同图片人脸特征的距离较大**；通过相同个体的人脸的距离，总是小于不同个体的人脸这一先验知识训练网络。

测试时只需要计算人脸特征EMBEDDING，然后计算距离使用阈值即可判定两张人脸照片是否属于相同的个体。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NDc5MTk2NA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]  
简单来讲，在使用阶段，facenet即是：  
1、输入一张人脸图片  
2、通过深度卷积网络提取特征  
3、L2标准化  
4、得到一个长度为128特征向量。

# 源码下载 #

[https://github.com/bubbliiiing/facenet-keras][https_github.com_bubbliiiing_facenet-keras]

# Facenet的实现思路 #

## 一、预测部分 ##

### 1、主干网络介绍 ###

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NDc5MTk2NA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]  
facenet的主干网络起到提取特征的作用，原版的facenet以Inception-ResNetV1为主干特征提取网络。

本文一共提供了两个网络作为主干特征提取网络，分别是mobilenetv1和Inception-ResNetV1，二者都起到特征提取的作用，为了方便理解，本博文中会使用mobilenetv1作为主干特征提取网络。

MobilenetV1模型是Google针对手机等嵌入式设备提出的一种轻量级的深层神经网络，其使用的核心思想便是depthwise separable convolution（深度可分离卷积块）。

**深度可分离卷积块由两个部分组成，分别是深度可分离卷积和1x1普通卷积，深度可分离卷积的卷积核大小一般是3x3的，便于理解的话我们可以把它当作是特征提取，1x1的普通卷积可以完成通道数的调整。**

下图为深度可分离卷积块的结构示意图：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NDc5MTk2NA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2]  
**深度可分离卷积块的目的是使用更少的参数来代替普通的3x3卷积。**

我们可以进行一下普通卷积和深度可分离卷积块的对比：

对于普通卷积而言，**假设有一个3×3大小的卷积层，其输入通道为16、输出通道为32。具体为，32个3×3大小的卷积核会遍历16个通道中的每个数据，最后可得到所需的32个输出通道，所需参数为16×32×3×3=4608个。**

对于深度可分离卷积结构块而言，**假设有一个深度可分离卷积结构块，其输入通道为16、输出通道为32，其会用16个3×3大小的卷积核分别遍历16通道的数据，得到了16个特征图谱。在融合操作之前，接着用32个1×1大小的卷积核遍历这16个特征图谱，所需参数为16×3×3+16×32×1×1=656个。**

可以看出来深度可分离卷积结构块可以减少模型的参数。

**如下就是MobileNet的结构，其中Conv dw就是分层卷积，在其之后都会接一个1x1的卷积进行通道处理，**  
![在这里插入图片描述][20191030153845940.png_pic_center]

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NDc5MTk2NA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 3]

import math
    import numpy as np
    import tensorflow as tf
    
    from keras import backend
    from keras import backend as K
    from keras.preprocessing import image
    from keras.models import Model
    from keras.layers.normalization import BatchNormalization
    from keras.layers import Conv2D, Add, ZeroPadding2D, GlobalAveragePooling2D, Dropout, Dense, Lambda
    from keras.layers import MaxPooling2D,Activation,DepthwiseConv2D,Input,GlobalMaxPooling2D
    from keras.applications import imagenet_utils
    from keras.applications.imagenet_utils import decode_predictions
    from keras.utils.data_utils import get_file
    
    def _conv_block(inputs, filters, kernel=(3, 3), strides=(1, 1)):
        x = Conv2D(filters, kernel,
                   padding='same',
                   use_bias=False,
                   strides=strides,
                   name='conv1')(inputs)
        x = BatchNormalization(name='conv1_bn')(x)
        return Activation(relu6, name='conv1_relu')(x)
    
    
    def _depthwise_conv_block(inputs, pointwise_conv_filters,
                              depth_multiplier=1, strides=(1, 1), block_id=1):
    
        x = DepthwiseConv2D((3, 3),
                            padding='same',
                            depth_multiplier=depth_multiplier,
                            strides=strides,
                            use_bias=False,
                            name='conv_dw_%d' % block_id)(inputs)
    
        x = BatchNormalization(name='conv_dw_%d_bn' % block_id)(x)
        x = Activation(relu6, name='conv_dw_%d_relu' % block_id)(x)
    
        x = Conv2D(pointwise_conv_filters, (1, 1),
                   padding='same',
                   use_bias=False,
                   strides=(1, 1),
                   name='conv_pw_%d' % block_id)(x)
        x = BatchNormalization(name='conv_pw_%d_bn' % block_id)(x)
        return Activation(relu6, name='conv_pw_%d_relu' % block_id)(x)
    
    def relu6(x):
        return K.relu(x, max_value=6)
    
    def MobileNet(inputs, embedding_size=128, dropout_keep_prob=0.8, alpha=1.0, depth_multiplier=1):
        x = _conv_block(inputs, 32, strides=(2, 2))
        x = _depthwise_conv_block(x, 64, depth_multiplier, block_id=1)
    
        x = _depthwise_conv_block(x, 128, depth_multiplier, strides=(2, 2), block_id=2)
        x = _depthwise_conv_block(x, 128, depth_multiplier, block_id=3)
    
        x = _depthwise_conv_block(x, 256, depth_multiplier, strides=(2, 2), block_id=4)
        x = _depthwise_conv_block(x, 256, depth_multiplier, block_id=5)
    
        x = _depthwise_conv_block(x, 512, depth_multiplier, strides=(2, 2), block_id=6)
        x = _depthwise_conv_block(x, 512, depth_multiplier, block_id=7)
        x = _depthwise_conv_block(x, 512, depth_multiplier, block_id=8)
        x = _depthwise_conv_block(x, 512, depth_multiplier, block_id=9)
        x = _depthwise_conv_block(x, 512, depth_multiplier, block_id=10)
        x = _depthwise_conv_block(x, 512, depth_multiplier, block_id=11)
    
        x = _depthwise_conv_block(x, 1024, depth_multiplier, strides=(2, 2), block_id=12)
        x = _depthwise_conv_block(x, 1024, depth_multiplier, block_id=13)

### 2、根据初步特征获得长度为128的特征向量 ###

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NDc5MTk2NA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]  
利用主干特征提取网络我们可以获得一个特征层，它的shape为(batch\_size, h, w, channels)，我们可以将其取全局平均池化，方便后续的处理(batch\_size, channels)。

我们可以**将平铺后的特征层进行一个神经元个数为128的全连接**。**此时我们相当于利用了一个长度为128的特征向量代替输入进来的图片**。这个长度为128的特征向量就是输入图片的特征浓缩。

x = GlobalAveragePooling2D()(x)
    x = Dropout(1.0 - dropout_keep_prob, name='Dropout')(x)
    x = Dense(classes, use_bias=False, name='Bottleneck')(x)
    x = BatchNormalization(momentum=0.995, epsilon=0.001, scale=False,
                          name='BatchNorm_Bottleneck')(x)

### 3、l2标准化 ###

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NDc5MTk2NA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]  
**在获得一个长度为128的特征向量后，我们还需要进行l2标准化的处理。**

**这个L2标准化是为了使得不同人脸的特征向量可以属于同一数量级，方便比较。**

在进行l2标准化前需要首先计算2-范数：  
 ∣ ∣ x ∣ ∣ 2 = ∑ i = 1 N x i 2 ||\\textbf\{x\}||\_2 =\\sqrt\{\\sum\_\{i=1\}^Nx\_i^2\} ∣∣x∣∣2=∑i=1Nxi2，也就是欧几里得范数，即向量元素绝对值的平方和再开方。

L2标准化就是每个元素/L2范数；

在keras代码中，只需要一行就可以实现l2标准化的层。

x= Lambda(lambda  x: K.l2_normalize(x, axis=-1))(x)
    # 创建模型
    model = Model(inputs, x, name='inception_resnet_v1')

**到这里，我们输入进来的图片，已经变成了一个经过l2标准化的长度为128的特征向量了！**

### 4、构建分类器（用于辅助Triplet Loss的收敛） ###

**当我们完成第三步后，我们已经可以利用这个预测结果进行训练和预测了。**

但是由于仅仅只是用**Triplet Loss会使得整个网络难以收敛，本文结合Cross-Entropy Loss和Triplet Loss作为总体loss。**

**Triplet Loss用于进行不同人的人脸特征向量欧几里得距离的扩张，同一个人的不同状态的人脸特征向量欧几里得距离的缩小。  
Cross-Entropy Loss用于人脸分类，具体作用是辅助Triplet Loss收敛。**

想要利用Cross-Entropy Loss进行训练需要构建分类器，因此对第三步获得的结果再次进行一个全连接用于分类。

构建代码如下，当我们在进行网络的训练的时候，可使用分类器辅助训练，在预测的时候，分类器是不需要的：

def facenet(input_shape, num_classes=None, backbone="mobilenet", mode="train"):
        inputs = Input(shape=input_shape)
        if backbone=="mobilenet":
            model = MobileNet(inputs)
        elif backbone=="inception_resnetv1":
            model = InceptionResNetV1(inputs)
        else:
            raise ValueError('Unsupported backbone - `{}`, Use mobilenet, inception_resnetv1.'.format(backbone))
    
        if mode == "train":
            x = Dense(num_classes)(model.output)
            x = Activation("softmax", name = "Softmax")(x)
            combine_model = Model(inputs,[x, model.output])
            return combine_model
        elif mode == "predict":
            return model
        else:
            raise ValueError('Unsupported mode - `{}`, Use train, predict.'.format(mode))

## 二、训练部分 ##

### 1、数据集介绍 ###

**我们使用的数据集是CASIA-WebFace数据集，我已经对其进行了预处理，将其属于同一个人的图片放到同一个文件夹里面，并且进行了人脸的提取和人脸的矫正。**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NDc5MTk2NA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 4]  
数据集里面有很多的文件夹，**每一个文件夹里面存放同一个人的不同情况下的人脸**。不同文件夹存放不同人的脸。

这是\\0000045文件夹里面的人脸，属于同一个人。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NDc5MTk2NA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 5]  
这是\\0000099文件夹里面的人脸，属于同一个人。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NDc5MTk2NA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 6]

### 2、LOSS组成 ###

facenet使用Triplet Loss作为loss。  
Triplet Loss的输入是一个三元组

*  a：anchor，基准图片获得的128维人脸特征向量
 *  p：positive，与基准图片属于同一张人脸的图片获得的128维人脸特征向量
 *  n：negative，与基准图片不属于同一张人脸的图片获得的128维人脸特征向量

**我们可以将anchor和positive求欧几里得距离，并使其尽量小。  
我们可以将negative和positive求欧几里得距离，并使其尽量大。**

我们所使用的公式为。  
 L = m a x ( d ( a , p ) − d ( a , n ) + m a r g i n , 0 ) L=max(d(a,p)−d(a,n)+margin,0) L=max(d(a,p)−d(a,n)\+margin,0)  
**d(a,p)就是anchor和positive的欧几里得距离。  
d(a,n)就是negative和positive的欧几里得距离。  
margin是一个常数。**

d(a,p)前面为正符号，所以我们期望其越来越小。  
d(a,n)前面为负符号，所以我们期望其越来越大。

**即我们希望，同一个人的不同状态的人脸特征向量欧几里得距离小。  
不同人的人脸特征向量欧几里得距离大。**

但是由于仅仅只是用Triplet Loss会使得整个网络难以收敛，本文结合Cross-Entropy Loss和Triplet Loss作为总体loss。

# 训练自己的Facenet人脸识别算法 #

博客中所使用的例子为CASIA-WebFace数据集。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NDc5MTk2NA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 7]  
下载数据集，放在根目录下的dataset文件夹下。![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NDc5MTk2NA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 4]  
运行根目录下的txt\_annotation.py，生成训练所需的cls\_train.txt。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NDc5MTk2NA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 8]  
**cls\_train.txt中每一行都存放了一张图片和它对应的类别（需要类别是因为训练时会用交叉熵损失辅助收敛。）**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NDc5MTk2NA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 9]

下载facenet\_inception\_resnetv1.h5或者facenet\_mobilenet.h5放在model\_data文件夹内。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NDc5MTk2NA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 10]  
在train.py中指定合适的模型预训练权重路径。**facenet\_inception\_resnetv1.h5是我已经训练过的基于inception\_resnetv1的facenet网络；**  
**facenet\_mobilenet.h5是我已经训练过的基于mobilenet的facenet网络。**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NDc5MTk2NA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 11]  
运行train.py开始训练。

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NDc5MTk2NA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]: /images/20230209/834334f8d9cc4930bdbd6b7ae7eb73c1.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NDc5MTk2NA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]: /images/20230209/0f62830fb40a48e6ab3f47e5f87a70e4.png
[https_github.com_bubbliiiing_facenet-keras]: https://github.com/bubbliiiing/facenet-keras
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NDc5MTk2NA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2]: /images/20230209/329d5b5a9dd6428984d6d608c13f129e.png
[20191030153845940.png_pic_center]: /images/20230209/062947e21f5e4e59894bfc0b4a3e34a6.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NDc5MTk2NA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 3]: /images/20230209/0e0552e3429e4f01ad04bc3d33c80a63.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NDc5MTk2NA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 4]: /images/20230209/6d39c646490946af81056eaf36f2e6c9.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NDc5MTk2NA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 5]: /images/20230209/18728311fe7146ce88f3b12a824c0900.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NDc5MTk2NA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 6]: /images/20230209/6ded4e5d96b94bc9b556eaba1349e203.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NDc5MTk2NA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 7]: /images/20230209/4a0e0d6d98f44602b36d882fda00fa86.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NDc5MTk2NA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 8]: /images/20230209/67687071248c425d8f9adb3de4746e80.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NDc5MTk2NA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 9]: /images/20230209/76ecef0620d641be9516403e286e9235.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NDc5MTk2NA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 10]: /images/20230209/1b55d6e9a6e8431b9cf5c307115374e6.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NDc5MTk2NA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 11]: /images/20230209/c58e0876c508495ba99596db27cc5037.png