HardNet 论文详解

HardNet

本文提供了相应的代码，是基于 pytorch。

主要思路

本文主要是提出了新的 loss 用于特征 metric 的学习。提出的 loss 可以最大化一个 training batch 中最近的正负样本之间的距离，而且对浅层以及深层的 CNN 网络都有作用。本文基于之前的 L2-Net 工作，把 loss 更换成本文提出的 loss，这里叫做 HardNet。

基本流程

采样和 loss

本文的目标函数模仿 SIFT 的匹配规则。采样过程如下图所示：

$\mathcal{X}={\left(A_i,P_i\right)}_{i=1..n}$ 表示一个 training batch，其中有 $2n$ 个batches，有 $n$ 个匹配 pair，$A_i$ 和 $P_i$ 代表匹配的 patch pair。

其中 L2 距离矩阵为

$$\begin{gathered} D=\mathrm{pdist}(a,p) \\ d\left(a_i,p_j\right)=\sqrt{2-2a_i{p}_j},i=1..n,j=1..n \end{gathered}$$

对于匹配 patch pair 的描述符 $a_i$ 和 $p_i$，距离它们各自最近的非匹配描述符，如上图所示分别为为 $p_4$ 和 $a_2$，相关定义如下：

$a_i$ 表示 anchor 描述符

$p_i$ 表示 positive 描述符

$p_{j_{min}}$ 表示距离 $a_i$ 最近的非匹配描述符，其中 $j_{\min }=\arg {\min }_{j=1..n,j̸=i}d\left(a_i,p_j\right)$

$a_{k_{min}}$ 表示距离 $p_i$ 最近的非匹配描述符，其中 $k_{\min }=\arg {\min }_{k=1..n,k̸=i}d\left(a_k,p_i\right)$

这样对于每个匹配的 patch pair 在都可以生成一个四元组 $(a_i,p_i,p_{j_{min}},a_{k_{min}})$，然后根据情况生成相应三元组如下：

$$\beta =\{\begin{array}{ll}(a_i,p_i,p_{j_{min}})& d\left(a_i,p_{j_{min}}\right)<d\left(a_{k_{min}},p_i\right)\\ \left(p_i,a_i,a_{k_{min}}\right)& \text{otherwise}\end{array}$$

所以每个 training batch 都生成了 $n$ 个三元组用于计算最后的 loss 函数，具体如下：

$$L=\frac{1}{n}\sum _{i=1,n}\max \left(0,1+d\left(a_i,p_i\right)-\min \left(d\left(a_i,p_{j_{min}}\right),d\left(a_{k_{min}},p_i\right)\right)\right)$$

其中 $\min (d\left(a_i,p_{j_{min}}\right),d\left(a_{k_{min}},p_i\right)$ 在上面三元组构建中已经预先计算。

和 L2-Net 不同，本文没使用学习过程中间的 feature maps 进行额外的监督也没现在描述符各个维度直接的关联性，利用上面的 loss 函数没有导致 overfitting 情况。

网络架构

本文是直接采用的是L2-Net的网络结构，这里把它展开了，如下图所示：

其他关于网络结构更详细的内容，参考L2-Net

本文中实验发现使用 pooling 层降维会降低描述符性能。

输入是 $32\times 32$ 灰度图，利用每个 patch 的 mean 和 标准差去归一化。

关于其他的训练超参参考论文。

试验

Brown

本文使用 Brown 数据集训练和测试。Brown 数据集包含 Liberty，Notre Dame 和 Yosemite 三个子集，每个子集包含 $400k$ 个 $64\times 64$ 的 patches。每个子集包含 $100k$ 的匹配和非匹配 patch pairs 用于测试，然后在该测试集上比较 FPR95(false positive rate at 95% recall)，结果如下图所示：

其中也比较了 FDR((false discovery rate)，主要是被比较的文中给出该指标，这里为了公平，在该基础上计算了 FPR 进行统一比较。

其中都是在一个子集上训练然后在另外两个子集上测试，后面试验比较的话都是在 Liberty 集合上训练。

HPatches

和其他传统特征和学习特征在 HPatches 基准测试集上进行了比较，结果如下图所示：

其中上面从左到右三个分别表示 HPatches 提供的三个互补的测试任务，包括 patch verification，patch matching和patch retrieval。

其中 verification 任务分了 SAMESEQ 和 DIFFSEQ 两个子任务，表示负样本是不是来自于同一个 seq 图像序列。

其中 matching 任务分了 VIEW 和 ILLUM 两个子任务，表示视角和光线的变换因素，同时根据几何扰动的级别区分了 EASY，HARD 和 TOUGH 三个不同的 patch groups。

如果想深入了解 HPatches 基准测试集或者指标，可以参考 HPatches 工作。

还针对 patch retrieval 中的 distractors 数目（测试集中非匹配 patches 的数目）变化性能的变化实验，结果如下图所示：

上面测试用的训练集之前说明了都是在 Brown 的 Liberty 进行训练，下面更换训练集做了一些对比实验，结果如下图所示：

Wide baseline stereo

在 wide baseline stereo 数据集 W1BS 上测试，结果如下图所示：

其中 A 表示 appearance 变化，可能由于天气、季节或者遮挡引起的； G 表示 viewpoint/geometry 变化，可能由于 scale，camera 位置或者物体位置变化引起的； L 表示 illumination 的变话；S 表示 sensor 传感器的变换；map2photo 表示 satellite 图像 和 map 图像。

其中主要比较 HPatches matching 任务的性能。

但是在 patches 级别上验证并不能代表在实际使用中效果最佳，在不同的 wide baseline stereo 数据集继续对比，结果如下图所示：

其中对比的是匹配上的 image pairs 的数据和匹配上的 pairs 上平均 inliers 的数目。

关于这部分试验细节需要进一步看一下。

Image retrieval

在基于 local features 的 image retrieval 方法中验证提出的描述符的效果。

基于 Bow 方法 image retrieval 的结果如下图所示：

其中 Oxford5k 和 Paris6k 是标准 image retrieval 数据集，Oxford5k 包含 5062 张图像，Paris6k 包含 6300 张图像，两个数据集总共包含 11 个 landmarks（当然有一些负样本在），然后这 11 个 landmarks 每个包含 5 个不同的 query regions。

其中用 k-means 方法构建 1 million visual vocabulary，如果在 Oxford5k 数据集上测试，那么就在 Paris6k 数据集的描述符上学习这个 vocabulary。

其中比较的是 mAP 的精度，每个测试图像根据上面的 visual vocabulary 转成 BoW 进行 image retrieval，SV 表示空间验证，QE 表示 标注查询扩展，主要用于进一步优化 image retrieval 的查询结果。

其中 HardNet++ 版本是在所有的 Brown 和 HPatches 的数据集上进行训练，达到最优的效果。

同时还对比了基于其他方法的 image retrieval 结果如下图所示：

关于这部分试验细节需要进一步看一下。

实用指南

Batch 大小的影响

这里探讨一下 batch 大小对最终描述符性能的影响，文中提测更小的 batch 大小会使训练更好收敛以及使模型泛化性能更高。不同 batch 大小下 FPR 性能对比结果如下图所示：

采样和 loss 作用

为了进一步验证本文提出的采样方法和 loss 函数的作用，进行了一些对比实验，结果如下图所示：

其中上面的结果是在 HPatches matching 任务上测试的。

其中 Hard negative mining 在一个 epoch 上选择最近的那个非匹配负样本。

其中 CPR 表示描述符各个维度之间关联度的惩罚项。

对于 loss，从中可以看出 softmin 对所有的采用策略都能得到稳定的结果，但是在本文提出的采用策略上效果不如后面的两个 loss。主要是因为 triplet margin loss 和 contrastive loss with a large margin 在正样本和负样本上都有非零导数值。从下图可以看出 contrastive loss with a small margin，很多负样本对优化并没有起作用（导数为0，绿色区域块）。而正样本的距离小于负样本距离时，softmin 的导数也会变的很小。具体比较

具体的公式也在这里列一下，就比较好理解了：

这里给定一个 triplet $(a,p,n)$，$a$ 表示 anchor 描述符，$p$ 表示 positive 描述符，$n$ 表示 negative 描述符。以及它们之间的欧几里得距离 $d(a,p)$ 和 d(a, n)。这里的描述符都是归一化过的，所以距离最小为 0 ，最大为 2.0。

那么 triplet margin loss 为：
$$L_{triplet\_margin}(d(a,p),d(a,n))=max(d(a,p)+margin-d(a,n),0.0)$$
softmin loss 为：
$$\begin{array}{rl}exp\_ap& =exp(2.0-d(a,p))\\ exp\_an& =exp(2.0-d(a,n))\\ exp\_all& =exp\_ap+exp\_an+eps\\ L_{softmin}(d(a,p),d(a,n))& =-log(exp\_ap/exp\_all)\end{array}$$
contrastive loss 为：
$$L_{contrastive}(d(a,p),d(a,n))=max(margin-d(a,n),0.0)+d(a,p)$$
有了上面的公式对于 metric loss 更好理解了。