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【模型解讀】深度學習網絡只能有一個輸入嗎

繼續我們之前的專欄《模型解讀》，今天說多輸入網絡，很久沒寫了因為實在是有更重要的事情。

平常我們所見的深度學習模型，都是輸入一個圖像或者視頻序列，輸出分類，分割，目標檢測等結果，但是還有一種模型需要輸入兩張，或者多張圖片，這就是多輸入網絡結構。

作者?|?言有三

編輯?|?言有三

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01?多輸入網絡的應用背景

首先我們說說在什么情況下，需要多個輸入，只以純圖像應用為例。

1.1?圖像驗證與匹對

早在上個世紀90年代的時候，LeCun等研究人員就開始利用神經網絡陸續進行一些研究，比如我們熟知的大名鼎鼎的LeNet5，但這絕不是唯一，今天我們來說他們的另一種網絡結構，Siamese?Network，網絡細節我們后面這些，這里先說應用背景。

簽名驗證：

無獨有偶，還是從手寫字開始，同樣是用于銀行，用于驗證簽名是否一致。兩個網絡都是同樣規格的圖像輸入，最后輸出一個相似度。

看到這里，你應該能夠想起來如今它的更加廣泛的應用，沒錯，就是人臉驗證，或者說人臉識別了。

其實用的時候都不需要兩個輸入，因為可以建立一個離線數據集專門用于檢索匹配。

而且，你可以在此基礎上拓展出非常多的玩法，什么夫妻臉之類的。

1.2?目標跟蹤

目標跟蹤是一個什么過程？就是在時序幀中搜索目標的過程，本質上就是檢索。

不管是傳統的目標跟蹤中的生成模型和判別模型，還是用深度學習來做目標跟蹤，本質上都是來求取目標區域與搜索區域的相似度，這就是典型的多輸入。

用深度學習來做，就是一個小圖像和一個大圖像分別輸入網絡，輸出相似度。

1.3?排序

還有一類問題，可以用多輸入網絡來做，那就是排序。有的時候，我們很難估計一個人的實際年齡或者顏值，但是估計相對年齡和顏值就簡單多了。

而且，在此之上，做些什么誰更可愛，誰更成熟之類的，可以想出無數花樣，解釋的通就行了。

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02?多輸入網絡

在這里，給大家介紹兩個常見的網絡，一個是siamese網絡，一個是triplet網絡。

2.1?siamese?network????????????????????????

Siamese本意是“暹羅”人或“泰國”人，后在英語中指“孿生”、“連體”，這是一個外來詞，來源于十九世紀泰國出生的一對連體嬰兒，具體的故事我們就不說了，挺有看頭，大家可以自己去了解。

顧名思義，有兩個輸入，兩個網絡，根據這兩個網絡是否共享權重，可以分為真孿生網絡siamese?network和偽孿生網絡pseudo-siamese?network。

真孿生網絡siamese?network的結構示意圖如下：

偽孿生網絡pseudo-siamese?network的結構示意圖如下：

可以看出差別就在于是否共享權重，loss的選擇就多了，相似度計算方法就多少，它的計算方法就有多少，交叉熵，歐式距離，余弦距離等都很常用。

那么是否需要共享權重呢？這就看研究的問題而定了，很明顯不共享權重有更大的發揮空間，這個問題本文不展開講。

2.2?triplet?network

如果將上面的二輸入拓展為三輸入怎么樣？做人臉識別的同學想必不陌生。

沒錯，就是triplet?network。

大家都知道，訓練人臉識別網絡的時候需要輸入圖像對來判斷是不是同一個人，loss是兩個樣本之間的相似度。不過，光是相似度是不夠的。

我們以前有一篇文章，專門講述了人臉識別中的softmax損失的變種，可以回顧。

【技術綜述】一文道盡softmax loss及其變種

大家在研究的是同一個問題，如果想得到更優良的性能，不僅要將正負樣本區分開，還要讓類內更加緊湊（方差小），類間更加疏遠（方差大）。

triplet?network將輸入改成三個，訓練的時候使用一個正例+兩個負例，或者一個負例+兩個正例。

訓練的目標就是上面的：同類別間的距離盡可能的小，不同類別間的距離盡可能的大。

基準樣本x和負樣本x-之間的距離定義如下：

基準樣本x和正樣本x+之間的距離定義如下：

然后優化目標就等于：

我們假如網絡訓練的特別好，令margin=1，此時

那么上面的距離：

損失也就趨向于0，當然這種要求是不可能達到的，也不合理，因為有的正樣本的確不那么相似，有的負樣本的確很相似，強行學習過擬合風險就增加了。

所以實際用的時候，這個margin應該取一個合理的值，而且樣本的選擇也很有技巧，所以triplet?network沒有看起來那么好訓練。Anyway，這還是很優雅的思想的。

今天就這么多，更多的并行的輸入也是有的，就作為大家的延伸閱讀吧。

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總結

好像文章越寫越簡單了，不過這是好事。

咱們這個系列未完待續，盡情期待，不要忘了領取我們的卡片噢。

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深度學習模型

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本系列的完整目錄：

【模型解讀】從LeNet到VGG，看卷積+池化串聯的網絡結構

【模型解讀】network in network中的1*1卷積，你懂了嗎

【模型解讀】GoogLeNet中的inception結構，你看懂了嗎

【模型解讀】說說移動端基準模型MobileNets

【模型解讀】pooling去哪兒了？

【模型解讀】resnet中的殘差連接，你確定真的看懂了？

【模型解讀】“不正經”的卷積神經網絡

【模型解讀】“全連接”的卷積網絡，有什么好？

【模型解讀】從“局部連接”回到“全連接”的神經網絡

【模型解讀】深度學習網絡只能有一個輸入嗎

【模型解讀】從2D卷積到3D卷積，都有什么不一樣

【模型解讀】淺析RNN到LSTM

感謝各位看官的耐心閱讀，不足之處希望多多指教。后續內容將會不定期奉上，歡迎大家關注有三公眾號 有三AI！

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的【模型解读】深度学习网络之Siamese Network网络的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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