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一文了解Siamese network

2021-06-28 18:35

前言:

本文介紹了Siamese (連體)網(wǎng)絡(luò)的主要特點(diǎn)、訓(xùn)練和測(cè)試Siamese網(wǎng)絡(luò)的步驟、Siamese網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場(chǎng)合、Siamese網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)缺點(diǎn)、為什么Siamese被稱(chēng)為One-shot分類(lèi),以及Siamese的損失函數(shù)。

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Siamese Network的主要特點(diǎn)

1． Siamese 網(wǎng)絡(luò)采用兩個(gè)不同的輸入,通過(guò)兩個(gè)具有相同架構(gòu)、參數(shù)和權(quán)重的相似子網(wǎng)絡(luò)。

2．這兩個(gè)子網(wǎng)互為鏡像,就像連體雙胞胎一樣。因此,對(duì)任何子網(wǎng)架構(gòu)、參數(shù)或權(quán)重的任何更改也適用于其他子網(wǎng)。

3．兩個(gè)子網(wǎng)絡(luò)輸出一個(gè)編碼來(lái)計(jì)算兩個(gè)輸入之間的差異。

4． Siamese 網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)是使用相似度分?jǐn)?shù)對(duì)兩個(gè)輸入是相同還是不同進(jìn)行分類(lèi)�？梢允褂枚徊骒亍�(duì)比函數(shù)或三元組損失來(lái)計(jì)算相似度分?jǐn)?shù),這些都是用于一般距離度量學(xué)習(xí)方法的技術(shù)。

5． Siamese 網(wǎng)絡(luò)是一種one-shot分類(lèi)器,它使用判別特征從未知分布中概括不熟悉的類(lèi)別。

Siamese network總結(jié)

訓(xùn)練 Siamese 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

1．加載包含不同類(lèi)的數(shù)據(jù)集

2．創(chuàng)建正負(fù)數(shù)據(jù)對(duì)。當(dāng)兩個(gè)輸入相同時(shí)為正數(shù)據(jù)對(duì),當(dāng)兩個(gè)輸入不同時(shí)為負(fù)數(shù)據(jù)對(duì)。

3．構(gòu)建卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),它使用全連接層輸出特征編碼。我們將通過(guò)姊妹 CNN傳遞兩個(gè)輸入。姐妹 CNN 應(yīng)該具有相同的架構(gòu)、超參數(shù)和權(quán)重。

4．構(gòu)建差分層以計(jì)算兩個(gè)姐妹 CNN 網(wǎng)絡(luò)編碼輸出之間的歐幾里得距離。

5．最后一層是具有單個(gè)節(jié)點(diǎn)的全連接層,使用 sigmoid 激活函數(shù)輸出相似度分?jǐn)?shù)。

6．使用二元交叉熵作為損失函數(shù)。

測(cè)試 Siamese 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

1．向訓(xùn)練模型發(fā)送兩個(gè)輸入以輸出相似度分?jǐn)?shù)。

2．由于最后一層使用 sigmoid 激活函數(shù),它輸出一個(gè)范圍在 0 到 1 之間的值。接近 1 的相似度得分意味著兩個(gè)輸入是相似的。接近 0 的相似度得分意味著兩個(gè)輸入不相似。一個(gè)好的經(jīng)驗(yàn)法則是使用 0．5 的相似性截止閾值。

Siamese 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

1．簽名驗(yàn)證

2．面部識(shí)別

3．比較指紋

4．根據(jù)臨床分級(jí)評(píng)估疾病嚴(yán)重程度

5．工作資料的文本相似度以恢復(fù)匹配

6．用于配對(duì)相似問(wèn)題的文本相似度

為什么Siamese神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)被稱(chēng)為one-shot分類(lèi)?

1． one-shot分類(lèi)模型僅使用每個(gè)新類(lèi)別的單個(gè)訓(xùn)練樣本即可正確進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2． Siamese 網(wǎng)絡(luò)使用有監(jiān)督的訓(xùn)練方法來(lái)學(xué)習(xí)通用輸入特征,然后根據(jù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)對(duì)未知的類(lèi)分布進(jìn)行預(yù)測(cè)。

3．受過(guò)訓(xùn)練的 Siamese 網(wǎng)絡(luò)使用一次性學(xué)習(xí)來(lái)預(yù)測(cè)兩個(gè)輸入之間的相似性或不相似性,即使這些新分布中的樣本很少。

Siamese 網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)

1． Siamese 網(wǎng)絡(luò)是一種one-shot分類(lèi)模型,只需一個(gè)訓(xùn)練樣本即可進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2．對(duì)類(lèi)別不平衡更魯棒,因?yàn)樗枰苌俚男畔ⅰ?它可以用于某些類(lèi)的樣本很少的數(shù)據(jù)集。

3． Siamese 網(wǎng)絡(luò)的one-shot學(xué)習(xí)特性不依賴(lài)于特定領(lǐng)域的知識(shí),而是利用了深度學(xué)習(xí)技術(shù)。

Siamese 網(wǎng)絡(luò)的缺點(diǎn)

僅輸出相似性分?jǐn)?shù)而不輸出概率。:互斥事件的概率總和為 1。而距離不限于小于或等于 1。

為什么姐妹網(wǎng)絡(luò)一定要一樣?

兩個(gè)姐妹卷積網(wǎng)絡(luò)((sister convolutional network))的模型架構(gòu)、超參數(shù)和權(quán)重必須相同。它確保它們各自的網(wǎng)絡(luò)不會(huì)將兩個(gè)極其相似的圖像映射到非常不同的特征空間,因?yàn)槊總€(gè)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算相同的函數(shù)。

Siamese 網(wǎng)絡(luò)使用的損失函數(shù)

1． Siamese 網(wǎng)絡(luò)使用相似度分?jǐn)?shù)來(lái)預(yù)測(cè)兩個(gè)輸入是相似還是不同,使用度量學(xué)習(xí)方法,該方法找到其輸入之間的相對(duì)距離。

2．可以使用二元交叉熵、對(duì)比函數(shù)或三重?fù)p失計(jì)算相似度分?jǐn)?shù)。

3． Siamese 網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行二元分類(lèi),將輸入分類(lèi)為相似或不相似;因此,默認(rèn)使用二元交叉熵?fù)p失函數(shù)。

對(duì)比損失函數(shù)

1．對(duì)比損失函數(shù)通過(guò)對(duì)比兩個(gè)輸入來(lái)區(qū)分相似和不同的圖像。當(dāng)你在訓(xùn)練時(shí)不了解所有類(lèi)別并且訓(xùn)練數(shù)據(jù)有限時(shí),它會(huì)有所幫助。它創(chuàng)建了一種數(shù)據(jù)編碼,可以在將來(lái)有新類(lèi)時(shí)使用。

2．對(duì)比損失需要一對(duì)正負(fù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)。正對(duì)包含一個(gè)anchor樣本和一個(gè)正樣本,負(fù)對(duì)包含一個(gè)anchor樣本和一個(gè)負(fù)樣本。

3．對(duì)比損失函數(shù)的目標(biāo)是使正對(duì)具有較小的距離,對(duì)負(fù)對(duì)具有較大的距離。

Siamese network總結(jié)

在上面的等式中,當(dāng)輸入來(lái)自同一類(lèi)時(shí),Y 為 0;否則,Y 的值為 1。

m 是定義半徑的余量,以指示超出此余量的不同對(duì)不會(huì)造成損失,并且始終大于 0。

Dw 是姐妹 siamese 網(wǎng)絡(luò)輸出之間的歐幾里得距離。

Triplet Loss

在 Triplet loss 中,我們使用數(shù)據(jù)的三元組而不是二元對(duì)。三元組由anchor、正樣本和負(fù)樣本組成,主要用于面部識(shí)別。

Siamese network總結(jié)

在 Triplet loss 中,anchor和正樣本編碼之間的距離被最小化,而anchor和負(fù)樣本編碼之間的距離被最大化。

Triplet loss 將 d(a,p) 推到 0 ,并且 d(a,n) 大于 d(a,p)+margin

結(jié)論

Siamese 網(wǎng)絡(luò)受到 Siamese twins 的啟發(fā),是一種one-shot分類(lèi),用于區(qū)分相似和不同的圖像。即使不知道所有訓(xùn)練時(shí)的類(lèi)別并且訓(xùn)練數(shù)據(jù)有限,它也可以應(yīng)用。 Siamese 網(wǎng)絡(luò)基于度量學(xué)習(xí)方法,該方法使用二元交叉熵或?qū)Ρ葥p失或三重?fù)p失找到其輸入之間的相對(duì)距離。