全网首发，Swin Transformer+FaceNet实现人脸识别

旧城等待， 2023-09-29 13:10 1阅读 0赞

**目录**

一、 简介

二、Swin Transformer作为Backbone

1.Swin Transformer整体结构

2.PatchEmbed = Patch Partition + Linear Embedding

3.Swin Transformer Block

（1）Window Partition

（2）Shifted Window based Self-Attention

三、Triplet Loss

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## 一、 简介 ##

与其他的深度学习方法在人脸上的应用不同，FaceNet并没有用传统的softmax的方式去进行分类学习，然后抽取其中某一层作为特征，而是直接进行端对端学习一个从图像到欧式空间的编码方法，然后基于这个编码再做人脸识别、人脸验证和人脸聚类等。

FaceNet主要有两个重点：Backbone和Triplet loss。我们也将主要从这两个方面介绍。

代码：[oaifaye/facenet-swim-transformer][oaifaye_facenet-swim-transformer]

## 二、Swin Transformer作为Backbone ##

FaceNet论文使用了两个Backbone：Zeiler&Fergus架构和Google的Inception v1。随之时代的发展，已经不会有人再使用这两个模型了，基本所有优秀的模型都可以作为FaceNet的Backbone，想大Inception+ResNet足够了，想小MobileNet很优秀。这些模型都很棒，于是我们今天使用Swin Transformer。

目前Transformer应用到图像领域主要有两大挑战：  
1.目标尺寸多变。不像NLP任务中token大小基本相同，目标检测中的目标尺寸不一，用单层级的模型很难有好的效果。  
2.图片的高分辨率。高分辨率会使得计算复杂度呈现输入图片大小的二次方增长，这显然是不能接受的。

顾名思义，Hierarchical(多层级)解决第一个问题；Shifted Windows(滑窗)解决第二个问题。

### 1.Swin Transformer整体结构 ###

先看模型整体结构，论文中的结构图跟代码有削微的差别，我以代码为准重画了结构图。因为原版FaceNet的输入是160x160,输出是128x128，所以我将输入改为了160x160，输出层加了全连接层将768映射成128.

![952690ddd96f491db817df6c9f77d471.png][]

图1

整个模型采取层次化的设计，一共包含4个Stage，每个stage都会缩小输入特征图的分辨率，像CNN一样逐层扩大感受野。

### 2.PatchEmbed = Patch Partition + Linear Embedding ###

PatchEmbed包含了两个功能：Patch Partition 和 Linear Embedding，Patch Partition负责将图片切成Patch； Linear Embedding负责对Patch做Embedding。结构图如下：

![ad5db845c91440deb89c8e4af8b9f4b5.png][]

上面的96代表Embedding的维度，我们使用默认值96，代码及中文注释如下：

class PatchEmbed(nn.Module):
        r""" 将图片分割成不重叠的小patch,并做Embedding，尺寸下采样尺寸为patch_size的大小。
        Args:
            img_size (int): 输入图像大小.  默认: 224.我们使用160
            patch_size (int): Patch token 的大小，默认为 4*4. 
            in_chans (int): 输入图像的通道数，默认为 3.
            embed_dim (int): 线性 projection 输出的通道数，默认为 96.
            norm_layer (nn.Module, optional): 归一化层， 默认为N None.
        """
    
        def __init__(self, img_size=224, patch_size=4, in_chans=3, embed_dim=96, norm_layer=None):
            super().__init__()
            img_size = to_2tuple(img_size)
            patch_size = to_2tuple(patch_size)
            patches_resolution = [img_size[0] // patch_size[0], img_size[1] // patch_size[1]]
            self.img_size = img_size
            self.patch_size = patch_size
            self.patches_resolution = patches_resolution
            self.num_patches = patches_resolution[0] * patches_resolution[1]
    
            self.in_chans = in_chans
            self.embed_dim = embed_dim
    
            self.proj = nn.Conv2d(in_chans, embed_dim, kernel_size=patch_size, stride=patch_size)
            if norm_layer is not None:
                self.norm = norm_layer(embed_dim)
            else:
                self.norm = None
    
        def forward(self, x):
            B, C, H, W = x.shape
            # FIXME look at relaxing size constraints
            assert H == self.img_size[0] and W == self.img_size[1], \
                f"Input image size ({H}*{W}) doesn't match model ({self.img_size[0]}*{self.img_size[1]})."
            x = self.proj(x)
            x = x.flatten(2)
            x = x.transpose(1, 2)  # 结构为 [B, num_patches=patche_h*patche_w, C]
            if self.norm is not None:
                x = self.norm(x)
            return x
    
        def flops(self):
            Ho, Wo = self.patches_resolution
            flops = Ho * Wo * self.embed_dim * self.in_chans * (self.patch_size[0] * self.patch_size[1])
            if self.norm is not None:
                flops += Ho * Wo * self.embed_dim
            return flops

### 3.Swin Transformer Block ###

重点来了，先看Swin Transformer Block结构图：

![f66f466f3e074c4ea14ddd81c8d63d3b.png][]

图2

图1中可以看到Stage1、2、4都有两个Swin Transformer Block，Stage3有6个Swin Transformer Block。我们以Stage1为例，输入和输出是一样的，都是1,1600,96。这块的重点两个个部分：

#### （1）Window Partition ####

根据window\_size分窗，这里window\_size=5，那们40x40的一个featuremap就能分成8个window，有点类似于YOLYv5中的focus结构，示意图如下：

![2a225f12ea76412892ba3166000faa28.webp][]

相关代码:

class WindowAttention(nn.Module):
        r""" 基于有相对位置偏差的多头自注意力窗口，支持移位的(shifted)或者不移位的(non-shifted)窗口.
    
        输入:
            dim (int): 输入特征的维度.
            window_size (tuple[int]): 窗口的大小.
            num_heads (int): 注意力头的个数.
            qkv_bias (bool, optional): 给 query, key, value 添加可学习的偏置，默认为 True.
            qk_scale (float | None, optional): 重写默认的缩放因子 scale.
            attn_drop (float, optional): 注意力权重的丢弃率，默认为 0.0.
            proj_drop (float, optional): 输出的丢弃率，默认为 0.0.
        """
    
        def __init__(self, dim, window_size, num_heads, qkv_bias=True, qk_scale=None, attn_drop=0., proj_drop=0.):
    
            super().__init__()
            self.dim = dim # 输入特征的维度
            self.window_size = window_size  # 窗口的高 Wh,宽 Ww
            self.num_heads = num_heads  # 注意力头的个数
            head_dim = dim // num_heads  # 注意力头的维度
            self.scale = qk_scale or head_dim ** -0.5  # 缩放因子 scale
    
            # 定义相对位置偏移的参数表，结构为 [2*Wh-1 * 2*Ww-1, num_heads]
            self.relative_position_bias_table = nn.Parameter(
                torch.zeros((2 * window_size[0] - 1) * (2 * window_size[1] - 1), num_heads))
    
            # 获取窗口内每个 token 的成对的相对位置索引
            coords_h = torch.arange(self.window_size[0])  # 高维度上的坐标 (0, 7)
            coords_w = torch.arange(self.window_size[1])  # 宽维度上的坐标 (0, 7)
            coords = torch.stack(torch.meshgrid([coords_h, coords_w]))  # 坐标，结构为 [2, Wh, Ww]
            coords_flatten = torch.flatten(coords, 1)  # 重构张量结构为 [2, Wh*Ww]
            relative_coords = coords_flatten[:, :, None] - coords_flatten[:, None, :]  # 相对坐标，结构为 [2, Wh*Ww, Wh*Ww]
            relative_coords = relative_coords.permute(1, 2, 0).contiguous()  # 交换维度，结构为 [Wh*Ww, Wh*Ww, 2]
            relative_coords[:, :, 0] += self.window_size[0] - 1  # 第1个维度移位
            relative_coords[:, :, 1] += self.window_size[1] - 1  # 第1个维度移位
            relative_coords[:, :, 0] *= 2 * self.window_size[1] - 1  # 第1个维度的值乘以 2倍的 Ww，再减 1
            relative_position_index = relative_coords.sum(-1)  # 相对位置索引，结构为 [Wh*Ww, Wh*Ww]
            self.register_buffer("relative_position_index", relative_position_index)  # 保存数据，不再更新
    
            self.qkv = nn.Linear(dim, dim * 3, bias=qkv_bias)  # 线性层，特征维度变为原来的 3倍
            self.attn_drop = nn.Dropout(attn_drop)  # 随机丢弃神经元，丢弃率默认为 0.0
            self.proj = nn.Linear(dim, dim)  # 线性层，特征维度不变
    
            self.proj_drop = nn.Dropout(proj_drop)  # 随机丢弃神经元，丢弃率默认为 0.0
    
            trunc_normal_(self.relative_position_bias_table, std=.02)  # 截断正态分布，限制标准差为 0.02
            self.softmax = nn.Softmax(dim=-1)  # 激活函数 softmax
    
        # 定义前向传播
        def forward(self, x, mask=None):
            """
            输入:
                x: 输入特征图，结构为 [num_windows*B, N, C]
                mask: (0/-inf) mask, 结构为 [num_windows, Wh*Ww, Wh*Ww] 或者没有 mask
            """
            B_, N, C = x.shape  # 输入特征图的结构
            # 将特征图的通道维度按照注意力头的个数重新划分，并再做交换维度操作
            qkv = self.qkv(x).reshape(B_, N, 3, self.num_heads, C // self.num_heads).permute(2, 0, 3, 1, 4)
            q, k, v = qkv[0], qkv[1], qkv[2]  # 方便后续写代码，重新赋值
    
            # q 乘以缩放因子
            q = q * self.scale
            # @ 代表常规意义上的矩阵相乘
            attn = (q @ k.transpose(-2, -1))  # q 和 k 相乘后并交换最后两个维度
    
            # 相对位置偏移，结构为 [Wh*Ww, Wh*Ww, num_heads]
            relative_position_bias = self.relative_position_bias_table[self.relative_position_index.view(-1)].view(
                self.window_size[0] * self.window_size[1], self.window_size[0] * self.window_size[1], -1)
            # 相对位置偏移交换维度，结构为 [num_heads, Wh*Ww, Wh*Ww]
            relative_position_bias = relative_position_bias.permute(2, 0, 1).contiguous()
            attn = attn + relative_position_bias.unsqueeze(0)  # 带相对位置偏移的注意力图
    
            if mask is not None:  # 判断是否有 mask
                nW = mask.shape[0]  # mask 的宽
                # 注意力图与 mask 相加
                attn = attn.view(B_ // nW, nW, self.num_heads, N, N) + mask.unsqueeze(1).unsqueeze(0)
                attn = attn.view(-1, self.num_heads, N, N)  # 恢复注意力图原来的结构
                attn = self.softmax(attn)  # 激活注意力图 [0, 1] 之间
            else:
                attn = self.softmax(attn)
    
            attn = self.attn_drop(attn)  # 随机设置注意力图中的部分值为 0
            # 注意力图与 v 相乘得到新的注意力图
            x = (attn @ v).transpose(1, 2).reshape(B_, N, C)
            x = self.proj(x)  # 通过线性层
            x = self.proj_drop(x)  # 随机设置新注意力图中的部分值为 0
            return x

## 三、T**riplet Loss** ##

损失函数公式：

![5bf5eaaed7c6f64b8c1e6e3f3ad03fd3.png][]

输入是一个三元组，包括锚（Anchor）示例、正（Positive）示例、负（Negative）示例，通过优化锚示例与正示例的距离小于锚示例与负示例的距离，实现样本之间的相似性计算。

a：anchor，锚示例；

p：positive，与a是同一类别的样本；

n：negative，与a是不同类别的样本；

margin是一个大于0的常数。最终的优化目标是拉近a和p的距离，拉远a和n的距离。设定一个margin常量，可以迫使模型努力学习，能让锚点a和负例n的distance值更大，同时让锚点a和正例p的distance值更小。

由于margin的存在，使得triplets loss多了一个参数，margin的大小需要调参。如果margin太大，则模型的损失会很大，而且学习到最后，loss也很难趋近于0，甚至导致网络不收敛，但是可以较有把握的区分较为相似的样本，即a和p更好区分；如果margin太小，loss很容易趋近于0，模型很好训练，但是较难区分a和p。

Triplet Loss代码实现：

def triplet_loss(alpha = 0.2):
        def _triplet_loss(y_pred,Batch_size):
            anchor, positive, negative = y_pred[:int(Batch_size)], y_pred[int(Batch_size):int(2*Batch_size)], y_pred[int(2*Batch_size):]
    
            pos_dist = torch.sqrt(torch.sum(torch.pow(anchor - positive,2), axis=-1))
            neg_dist = torch.sqrt(torch.sum(torch.pow(anchor - negative,2), axis=-1))
            
            keep_all = (neg_dist - pos_dist < alpha).cpu().numpy().flatten()
            hard_triplets = np.where(keep_all == 1)
    
            pos_dist = pos_dist[hard_triplets].cuda()
            neg_dist = neg_dist[hard_triplets].cuda()
    
            basic_loss = pos_dist - neg_dist + alpha
            loss = torch.sum(basic_loss)/torch.max(torch.tensor(1), torch.tensor(len(hard_triplets[0])))
            return loss
        return _triplet_loss

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[oaifaye_facenet-swim-transformer]: https://gitee.com/oaifaye/facenet-swim-transformer.git
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