人脸识别 损失函数 centerloss arcfaceloss pytorch实现

本文介绍了人脸识别技术,从Softmax loss到Center loss、Triplet loss,再到L-softmax loss、SphereFace、CosFace和ArcFace等损失函数的发展,并通过PyTorch展示了它们的实现。ArcFace因其优化角度距离的优势在人脸识别中得到广泛应用。最后,概述了基于MTCNN和Arcface loss的人脸识别流程。

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人脸识别介绍

MTCNN 实现人脸检测,回答了“是不是人脸”和“人脸在哪”的问题,接下来人脸识别要解决的就是“人脸是谁”。
人脸识别是目标识别中的一种,本质上也是分类问题,只不过是同类(人脸)中的细分,因为人脸之间相似度很大,这对损失函数的分类能力提出了更高的要求。

损失函数发展

下面介绍分类损失函数的主要类型和发展历程,及部分pytorch代码。
效果图来自 MNIST 数据集,将网络模型倒数第二层输出通道数设为2,将二维分类特征可视化即可。

Softmax loss

在这里插入图片描述

经典的分类损失 Softmax loss,将正确类别的预测概率最大化。但这种方式只考虑了能否正确分类,没有考虑类间距离。

Center loss

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
Center loss 在 Softmax loss 基础上增加了 L C L_C LC项,给每个类都设置一个中心 c y i c_{yi} cyi,让该类尽量向中心靠拢,在保证分类的同时,最小化类内距离。

需要注意的是:

  1. Center loss 本身没有分类功能,需要配合 Softmax loss,不能单独使用。
  2. 中心 c y i c_{yi} cyi初始化是随机值,之后随着学习到的特征进行实时更新。
  3. 计算每一类的中心损失时,需要除以该类样本数计算均值,防止因样本失衡导致的不同类别梯度更新不同步。
  4. 参数 λ \lambda λ控制中心损失优化力度, λ \lambda λ越大区分度越高,但在人脸识别中,经验值一般取0.003即可。


Center loss 在人脸识别上的效果还是不错的,但还有许多不足

  1. 类内距优化效果还不理想。
    类内距还是较大,当类别较多时,无法清晰区分特征。
  2. 类别多时,对硬件要求较高。
    每个类别需要维护一个中心点,当类别很多时计算量大。
  3. L2范数的离群点难以优化。
    因为中心损失计算的是每一类损失的均值,离群点导致loss较大,难以下降,同理在loss下降过程中,离群点的优化力度不够,相对仍然离中心很远。
  4. 只适用于同类样本间差异较小的数据。
    将同类样本向一个中心点优化的前提是,这一类样本间相似度较大,中心点可以代表这一类样本的特征,如果差异很大,就相当于有很多离群点,自然难以优化。可以抽象理解为:一个人的一堆人脸取均值大概还能看出是人脸,而各种类别的狗取均值就完全认不出是什么了。
def center_loss(feat
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