SphereFace: Deep Hypersphere Embedding for Face Recognition

3. Deep Hypersphere Embedding

3.1. Revisiting the Softmax Loss

通过研究软softmax loss的决策准则，我们重新讨论了softmax loss损失。在二元类情况下，通过softmax loss损失得到的后验概率

其中x为学习特征向量。W_i和b_i是与类i对应的最后一个全连通层的权值和偏差。如果p₁>p₂，则将预测标签分配给第1类;如果p₁<p₂，则将分配给第2类。通过比较p₁和p₂，我们可以清楚地看到$W^T_1x+b_1$和$W^T_2x+b_2$决定分类结果。决策边界为$(W_1-W_2)x+b_1-b_2=0$。然后我们重写$W^T_ix+b_i$为$\begin{Vmatrix}W^T_i\end{Vmatrix} \begin{Vmatrix}x\end{Vmatrix}cos(\theta_i)+b_i$其中$\theta_i$是$W_i和x$之间的角度。注意，如果我们将权重标准化，使偏差为零$(\begin{Vmatrix}W_i\end{Vmatrix}=1,b_i=0),$后验概率变成$p_1=\begin{Vmatrix}x\end{Vmatrix}cos(\theta_1)$和$p_2=\begin{Vmatrix}x\end{Vmatrix}cos(\theta_2)$。请注意，p1和p2共享相同的x，最终结果仅取决于角度$\theta_1$和$\theta_2$。决策边界也变$cos(\theta_1)-cos(\theta_2)=0$（即向量W₁和W₂的角平分线）。虽然上述分析建立在二进制类的案例上，但是将分析推广到多类的案例上是类似的。在训练中，修改了softmax loss$(\begin{Vmatrix}W_i\end{Vmatrix}=1,b_i=0),$鼓励第i类特征之间比与其他不同类特征具有更小的角度$\theta_1$（较大的余弦距离）。这使得w_i和特征之间的角度成为一个可靠的分类度量。

为了给出修改后的softmax loss的正式表达式，我们首先定义了输入特征x_i及其标签y_i。原始的softmax损失可以写成

其中f_j表示类得分向量f的第j个元素($j\in[1,K]$,K是类别数量),N是训练样本的个数。在CNNs中，f通常是一个全连通层的输出,所以$f_j=W^T_jx_i+b_j$，$f_{y_i}=W^T_{y_i}x_i+b_{y_i}$，其中，$x_i,W_j,W_{y_i}$分别为第i个训练样本，W的第j个列和第$y_i$个列。

我们进一步在公式(3)as中重新表述L_i:

其中$\theta_{j,i}(0\le\theta_{j,i}\le\pi)$是W_j和x_i之间的角度。如前所述，我们首先进行规范化$\begin{Vmatrix}W_i\end{Vmatrix}=1,\forall_j$在每次迭代中，使偏差为0。然后是修改后的softmax loss:

虽然我们可以通过改进的softmax loss来学习带有角边界的特征，但这些特征不一定具有很强的区分能力。由于我们使用角度作为距离度量，为了提高识别能力，自然会将角度裕度加入到学习特征中。为此，我们提出了一种合并角边的新方法。

3.2. Introducing Angular Margin to Softmax Loss

我们提出了一种更自然的方法来学习角裕度，而不是设计一种新的损失函数，并构造一个与softmax损失（类似于对比损失）的加权组合。通过前面对softmax损失的分析，我们了解到决策边界对特征分布的影响很大，所以我们的基本思想是操纵决策边界产生角裕度。我们首先给出一个二分类的例子来解释我们的想法是如何工作的。

假设已知一个属于第1类的特征x和$\theta_i$是x和W_i之间的角度，已知，修改后的softmax loss需要$cos(\theta_1)>cos(\theta_2)$正确分类x。但如果我们要求$cos(m\theta_1)>cos(\theta_2)$其中m为大于等于2的整数来正确分类x呢？它本质上使决策比以前更严格。类1的决策边界为$cos(m\theta_1)=cos(\theta_2)$，类2也同样推理。假设所有训练样本都被正确分类，这样的决策边界将产生一个angular margin$\frac{m-1}{m+1}\theta^1_2$,其中$\theta^1_2$是W₁和W₂之间的角度。从angular的角度来看，正确地从identity 1中分类x需要$\theta_1<\frac{\theta_2}{m}$，正确地从identity 2中分类x是需要$\theta_2<\frac{\theta_1}{m}$。两者都比原来的$\theta_1<\theta_2和\theta_2<\theta_1$难。通过将这一思想直接表达到修正的softmax loss方程(5)中，我们得到了

$\theta_{y_i,i}$必须在$[0,\frac{\pi}{m}]$的范围内。为了摆脱这一限制，使其在CNNs中可优化，

我们扩展了的定义范围$cos(\theta_{y_i,i})$将其推广为单调递减的角函数$\psi(\theta_{y_i,i})$,这个在$[0,\frac{\pi}{m}]$的范围内与$cos(\theta_{y_i,i})$相等。因此，我们提出的A-Softmax loss为:

我们定义$\psi(\theta_{y_i,i})=(-1)^kcos(m\theta_{{y_i},i})-2k$，$\theta_{{y_i},i}\in[\frac{k\pi}{m},\frac{(k+1)\pi}{m}]$，$k\in[0,m-1].$m是一个大于等于1的整数，它控制了角边距的大小。当m=1时，为修正的softmax损失。也可以从决策边界的角度对A-Softmax损失进行论证。A-Softmax损失针对不同的类别采用不同的判决边界（每个边界比原始边界更严格），从而产生角裕度。决策边界的比较 表1。

从改进的softmax loss到a -softmax loss，使决策边界更加严格和分离。角裕度随着m的增大而增大，当m=1时为0。在A-Softmax损失的监督下，CNNs利用几何可解释的角度裕度来学习人脸特征。因为ASoftmax loss要求w_i =1;如果b_i=0，则预测结果只取决于样本x和w_i之间的夹角。所以x可以分为角度最小的恒等式。添加参数m是为了学习不同恒等式之间的角裕度。为了便于梯度计算和反向传播，我们将$cos(\theta_{y_i,i})$和$cos(m\theta_{y_i,i})$替换为只包含W和x_i的表达式，这很容易通过定义余弦和多角度公式来实现（这也是我们需要m是整数的原因）。没有$\theta$，我们可以计算x和W的导数，类似于softmax loss。

3.3. Hypersphere Interpretation of ASoftmax Loss

当$m \ge2$时，A-Softmax-loss对正确分类有更高的要求，它在不同类别的学习特征之间产生角度分类裕度。A-Softmax损失不仅通过角裕度对学习到的特征施加判别能力，而且给出了一种新颖的超球面解释方法。如图3所示，A-Softmax损失相当于在超球流形上具有区分性的学习特征，而欧几里德边缘损失相当于在欧几里德空间中学习特征。

图3:欧几里德边缘损失(如contrastive loss, triplet loss, center loss)、modified softmax loss和A-Softmax loss的几何解释。第一行是二维特征约束，第二行是三维特征约束。橙色区域表示类1的判别约束，绿色区域表示类2的判别约束。为了简化，我们采用二元情形来分析超球面解释。

考虑到来自1类和2列权重W₁，W₂的样本x，a-Softmax损失的分类规则是$cos(m\theta_1)>cos(\theta_2)$，相当于$m\theta_1<\theta_2$。值得注意的是$\theta_1,\theta_2$等于他们相应的弧长$\omega_1,\omega_2$在单位超球面$\begin{Bmatrix}v_j,\forall_j|\Sigma_jv^2_j=1,v\ge0\end{Bmatrix}$因为$\begin{Vmatrix}W\end{Vmatrix}_1=\begin{Vmatrix}W\end{Vmatrix}_2=1$，决策取决于弧长$\omega_1,\omega_2$。决策边界等价于$m\omega_1=\omega_2$，将x正确分类为第一类的约束区域为$m\omega_1<\omega_2$。从几何学上讲，这是一个位于超球面流形上的超圆形区域，例如，在三维情况下，它是单位球面上的一个圆形区域，如图3所示。注意，对于每一类，较大的m导致较小的超圆形区域，这是流形上的一个显式判别约束。为了更好地理解，图3提供2D和3D可视化。可以看出，A-Softmax loss在二维情况下对单位圆施加弧长约束，在三维情况下对单位球施加类圆区域约束。我们的分析表明，在A-Softmax损失下优化角度本质上使学习到的特征在超球面上更具区分性。

3.4. Properties of ASoftmax Loss

属性1。A-Softmax loss定义了一个难度可调的大角度边距学习任务。m越大，角裕度越大，流形上的约束区域越小，相应的学习任务也越困难。我们知道m越大，角裕度A-Softmax损耗约束越大。存在一个最小m约束最大类内角距离小于最小类间角距离，这在我们的实验中也可以观察到。

定义1（所需特征分布的最小m）。m_min是最小值，当m>m_min时，ASoftmax loss定义一个学习任务，其中最大类内角特征距离被约束为小于最小类间角特征距离。

属性2（m_min的最低下界在二分类的情况下）。在二分类的情况下，我们有$m_{min}\ge2+\sqrt3$

证明。我们考虑w₁和w₂所跨越的空间。因为$m\ge2$，很容易得到类别1跨度的最大角度$\frac{\theta_{12}}{m-1}+\frac{\theta_{12}}{m+1}$，其中$\theta_{12}$是W₁和W₂之间的角度。

为了使类内最大特征角距离小于类间最小特征角距离，需要对其进行约束

解两不等式可以得到$m_{min}≥2+√3$。

属性2（m_min的最低下界在多分类的情况下）。假设W_i，$\forall_i$是均匀间隔的我们有欧几里德空间m_min$\ge3$。

证明：我们考虑二维k类（k$\ge 3$）情形的下界。因为W_i，$\forall_i$是均匀间隔的二维欧氏空间，我们有$\theta_i^{i+1}=\frac{2\pi}{k}$是W_i和W_i+1之间的角度。因为W_i，$\forall_i$是对称的，我们只需要分析其中一个。对于第i类(W_i)，我们需要约束

解这个不等式，我们有m_min$\ge3$,是多分类情况下的下界。基于此，我们使用m=4来近似期望的特征分布准则。由于下界不一定是紧的，在一定条件下给出一个更紧的下界和上界也是可能的，这要留给以后的工作。实验还表明，较大的m始终工作得更好，m=4通常就足够了。

3.5. Discussions

图2:softmax loss、修正softmax loss和A-softmax loss之间的比较。在这个玩具实验中，我们构建了一个CNN来学习CASIA人脸数据集的一个子集的二维特征。具体来说，我们将FC1层的输出维度设置为2，并将学习到的特征可视化。黄点代表类别1的人脸特征，紫点代表类别2的人脸特征。可以看出，由原始的softmax-loss学习到的特征不能简单地通过角度进行分类，而修正后的softmax-loss可以。我们的A-Softmax损耗可以进一步增加学习特征的角裕度。

为什么是 angular margin。首先也是最重要的一点是， angular margin直接与流形上的判别性相关，流形上的判别性本质上与人脸在流形上的先验相匹配。其次，将 angular margin与softmax loss结合起来实际上是一个更自然的选择。如图2所示，由原始softmax loss所学习的特征具有内在的角度分布。因此，直接将欧氏裕度约束（ Euclidean margin constraints）与softmax loss相结合是不合理的。

**与现有损失的比较。**在deep-FR任务中，最常用、性能最好的损失函数包括contrastive loss、triplet loss和center loss。首先，它们只将Euclidean margin强加给学习的特征（没有标准化），而我们的直接考虑angular margin，这是自然的动机。第二，contrastive loss和triplet loss在构成训练集的pairs/triplets时都会受到数据膨胀的影响，而我们的方法不需要样本挖掘，并且对整个mini-batches都施加了区分约束（相比之下，contrastive and triplet loss只影响少数有代表性的pairs/triplets）。

A-Softmax与L-Softmax的区别
A-Softmax与L-Softmax的最大区别在于A-Softmax的权重归一化了。A-Softmax权重的归一化导致特征上的点映射到单位超球面上，而L-Softmax则不没有这个限制，这个特性使得两者在几何的解释上是不一样的。
如在训练时两个类别的特征输入在同一个区域时发生了区域的重叠，如图左边。A-Softmax只能从角度上分离这两个类别，也就是说它仅从方向上去分类，分类的结果如图中间；而L-Softmax不仅可以从角度上区别两个类，还能从权重的模（长度）上区别这两个类，结果如图右边。在数据集合大小固定的条件下，L-Softmax能有两个方法分类，训练可能没有使得它在角度与长度方向都分离，导致它的精确可能不如A-Softmax。

4. Experiments (more in Appendix)

4.1. Experimental Settings

测试结果

• 训练数据集：CASIA-WebFace，共有10575个人的494414张人脸图片。这些人脸图像水平翻转以进行数据增强。请注意，我们的训练数据（0.49m）的规模相对较小，特别是与DeepFace[30]（4M）、FaceNet[22]（200M）和VggFace[20]（2M）中使用的其他私有数据集相比。
• 训练参数：这些模型在四个GPU上以128的批量大小进行训练。学习率从0.1开始，在16K，24K迭代中除以10。训练以28k次迭代完成。
• SphereFace特征在角空间中具有很强的可分离性，m越大，特征内聚性越强，不同类别更容易区分开，正对和负对距离越远。第一行是CASIA-WebFace里的6个类投影在单位球面上的三维特征。第二行是正对和负对的角度分布(我们从子集中选择class 1和class 2来构造正对和负对)，所有的角都用弧度表示。

• m会影响性能：m越大，准确性越大。

• 卷积层数影响性能：卷积层数越大性能越大，A-Softmax比Softmax性能高很多

• LFW上99.42%，YTF上95.0%。不如FaceNet，和DeepID2+、DeepID3相当，但它的训练集比FaceNet的小，CASIA-WebFace有49万张图片，1万个人。SphereFace仅使用公开可用的小规模数据集实现最先进的性能， 而其它商业算法使用私有和大规模数据集

• MegaFace上Rank-1 Acc是75.766，Ver是89.142（TAR for 10^-6 FAR）。

• 用小数据集训练的算法的ROC比较

附录

• 移除最后一个relu层：标准CNNs通常将relu连接到fc1的底部，因此所学习的特性将只分布在非负分布中，范围为[0,+∞)，这限制了CNN的学习空间（角度）。为了解决这个缺点，SphereFace提出删除底部的relu非线性。直观地说，删除relu可以大大有利于特征学习，因为它提供了更大的可行学习空间（从角度度量学习角度考虑）。

• 将权重归一化可以隐式地减少训练数据不平衡问题（例如训练数据的长尾分布）带来的先验问题。
• 去除偏差：标准CNNs通常保留全连接层中的偏置项，但这些偏置项使得分析所提出的A-SoftMax loss 变得困难。这是因为SphereFace的目的是优化角度和产生角度间隔。实验得，将偏置归零对特征分布没有直接影响。有偏置和无偏置的学习特征都能充分利用学习空间。
• MNIST数据集上A-Softmax loss的二维可视化：很明显，随着m的增大，学习到的特征由于较大的类间角度间隔而变得更具辨别力。

ace的目的是优化角度和产生角度间隔。实验得，将偏置归零对特征分布没有直接影响。有偏置和无偏置的学习特征都能充分利用学习空间。**

• MNIST数据集上A-Softmax loss的二维可视化：很明显，随着m的增大，学习到的特征由于较大的类间角度间隔而变得更具辨别力。