CN109241315B - 一种基于深度学习的快速人脸检索方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于深度学习的快速人脸检索方法，属于计算机视觉目标识别应用领域。本发明主要利用深度神经网络和提取人脸二值特征，结合局部敏感哈希(Locality Sensitive Hashing,LSH)最近邻检索算法，提出了一种快速高效的人脸检索算法。首先通过大量标定人脸数据训练深度神经网络，然后将数据库中的所有图片代入神经网络进行计算，得到对应的二值特征库，然后设计哈希函数，构造哈希结构。对于待检索的图片，同样代入神经网络进行计算，得到二值特征后，通过LSH算法完成检索。通过大量的数据库测试发现，该方法检索准确率高，速度快，并在工程环境应用时有很好的鲁棒性。

Description

一种基于深度学习的快速人脸检索方法
技术领域
本发明涉及计算机视觉目标检索应用领域，具体涉及到大数据集中基于深度学习的快速人脸检索方法。
背景技术
人脸识别系统以人脸识别技术为核心，是一项新兴的生物识别技术，是当今国际科技领域攻关的高精尖技术。它广泛采用区域特征分析算法，融合了计算机图像处理技术与生物统计学原理于一体，利用计算机图像处理技术从视频中提取人像特征点，利用生物统计学的原理进行分析建立数学模型，具有广阔的发展前景。人脸检索技术广泛应用在刑侦、监控以及治安等多个领域和场景，有着非常高的研究价值。随着应用场景的复杂度不断增加，数据库的规模也越来越大，在数据库中快速检索出目标人脸的难度也随着增加。在实际的应用中，样本数一般比较大并且会频繁变化(如公民的身份证库)，所以对于人脸识别问题，大多数研究人员的重点在于验证，即比较两张图片是否属于同一个个体，然而验证算法的应用场景有限，对于海量数据库的检索只能通过一一比对的方式，效率比较低下，因此，如何在海量数据库中快速检索人脸是人脸识别的一个重点研究方向。
本文提出了一种基于深度学习的快速人脸检索算法，利用深度神经网络提取人脸二值特征，结合LSH算法，实现海量数据库中的人脸快速检索。
发明内容
本发明的目的在于:为解决目前基于二值特征的快速人脸检索方法的准确率不高的问题，本发明提供一种基于深度学习的二值特征提取算法，用于人脸快速检索。
为了解决上述技术问题，达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于深度学习的快速人脸检索方法，包括如下步骤：
步骤1：设计卷积神经网络结构和损失函数；
卷积神经网络以Inception-ResNet-v2为主要结构，以Sigmoid函数为激活函数，损失函数包括交叉熵损失函数、中心距离损失层损失函数和类间损失层损失函数；
(1)交叉熵损失函数：
交叉熵损失函数表达式如下：
Figure BDA0001779953490000011
其中a为网络实际的输出，y为期望值；
(2)中心距离损失层损失函数：
中心距离损失函数的表达式如下：
Figure BDA0001779953490000021
其中
Figure BDA0001779953490000022
表示数据块中第yi个个体所有样本的特征中心值，xi表示该个体的某一样本的特征值；
(3)类间损失层损失函数：
类间损失函数表达式如下：
Figure BDA0001779953490000023
其中，α为自定义常量，xn i代表第i个个体的第n张图片，xm j同理；
步骤2：通过损失函数训练卷积神经网络；
步骤3：对于检索数据库的所有图片，通过训练好的卷积神经网络计算人脸二值特征；
步骤4：根据二值特征设计哈希函数，构造哈希结构；
步骤5：对于待检索的图片，代入卷积神经网络中得到二值特征，通过LSH算法在检索数据中进行检索；
步骤6：根据步骤5中的检索结果，找到正确匹配的人脸图片，完成检索。
具体地，所述步骤2的具体步骤为：
步骤2.1：训练数据集和数据分块
选择CASIA-WebFace人脸数据库作为训练集，随机选择10000个体约40w图片，首先进行对齐预处理，训练数据块大小为500，每个数据块包含12个个体，每个个体约有40个样本；
步骤2.2：交叉熵损失层训练
根据每个样本对应的类别，计算交叉熵损失层损失，进行训练；
步骤2.3：中心距离损失层训练
每个数据块所有样本前向传播得到Sigmoid层的特征值，再计算相同个体的特征均值，根据损失函数开始训练，并更新特征均值；
步骤2.4：类间距离损失层训练
先计算所有样本传播至Sigmoid层后的特征值，然后随机选择部分不同个体样本，根据损失函数进行训练。
具体地，所述步骤3具体为：
对检索数据库的所有图片，通过卷积神经网络计算得到128维的特征后，以0.5为阈值，将人脸特征二值化。
具体地，所述步骤4具体为：
根据LSH算法，设计哈希函数，根据哈希函数建立特征的哈希结构。
具体地，所述步骤5的具体流程为：
对于待检索的图片，代入卷积神经网络中得到二值特征，通过LSH算法在检索库中进行检索，根据相似度得到检索排序。
具体地，所述步骤6的具体流程为：
步骤5最终得到了检索的相似度排序，然后找到正确匹配人脸的排序作为评价标准，完成检索。
因为本发明采用上述技术方案，因此具备以下有益效果：
(1)本发明创新性的提出一种类间损失层，结合交叉熵损失和中心距离损失，使得最终得到的二值特征更为稳定和可区分性，最后结合最近邻检索算法，提升目前人脸检索算法检索效率并拓展应用场景。
(2)算法鲁棒性较好，人脸特征提取稳定在复杂背景下的应用十分稳定。
附图说明
图1为人脸检索流程图；
图2为神经网络结构图；
图3为通过神经网络计算图片特征示意图；
图4为根据特征相似度进行检索示意图。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的描述。
如图1所示，一种基于深度学习的快速人脸检索方法，包括如下步骤：
步骤1：如图2所示，设计卷积神经网络结构和损失函数；
卷积神经网络以Inception-ResNet-v2为主要结构，以Sigmoid函数为激活函数，损失函数包括交叉熵损失函数、中心距离损失层损失函数和类间损失层损失函数；
(1)交叉熵损失函数：
交叉熵损失函数表达式如下：
Figure BDA0001779953490000031
其中a为网络实际的输出，y为期望值。
(2)中心距离损失层损失函数：
中心距离损失函数的表达式如下：
Figure BDA0001779953490000041
其中
Figure BDA0001779953490000042
表示数据块中第yi个个体所有样本的特征中心值，xi表示该个体的某一样本的特征值；
(3)类间损失层损失函数：
类间损失函数表达式如下。
Figure BDA0001779953490000043
其中，α为自定义常量，xn i代表第i个个体的第n张图片，xm j同理，通过引入类间损失层，有效的增大类间距离；
步骤2：通过损失函数训练卷积神经网络；具体地，所述步骤2的具体步骤为：
步骤2.1：训练数据集和数据分块
选择CASIA-WebFace人脸数据库作为训练集，随机选择10000个体约40w图片，首先进行对齐预处理，训练数据块大小为500，每个数据块包含12个个体，每个个体约有40个样本；
步骤2.2：交叉熵损失层训练
根据每个样本对应的类别，计算交叉熵损失层损失，进行训练；
步骤2.3：中心距离损失层训练
每个数据块所有样本前向传播得到Sigmoid层的特征值，再计算相同个体的特征均值，根据损失函数开始训练，并更新特征均值；
步骤2.4：类间距离损失层训练
先计算所有样本传播至Sigmoid层后的特征值，然后随机选择部分不同个体样本，根据损失函数进行训练。
步骤3：对于检索数据库的所有图片，通过训练好的卷积神经网络计算人脸二值特征；所述步骤3具体为：
对检索数据库的所有图片，通过卷积神经网络计算得到128维的特征后，以0.5为阈值，将人脸特征二值化，如图3所示。
步骤4：据LSH算法，设计哈希函数，根据哈希函数建立特征的哈希结构。
步骤5：对于待检索的图片，代入卷积神经网络中得到二值特征，通过LSH算法在检索库中进行检索，根据相似度得到检索排序。
步骤6：根据步骤5最终得到了检索的相似度排序，然后找到正确匹配人脸的排序作为评价标准，完成检索，如图4所示。
步骤6：根据步骤5中的检索结果，找到正确匹配的人脸图片，完成检索。通过引入Sigmoid层以及三种损失函数间的相互作用，本文提取到的二值特征在实际的应用中既简化了特征的复杂度，又保持了特征的可区分性，这种二值特征提取算法同样适用于其他场景。
按照上述步骤进行实验后，引入类间损失和不引入类间损失算法在LFW上的人脸验证准确率分别为92.3％和90.1％，在检索的过程中，也有更好的表现。

Claims (6)

1.一种基于深度学习的快速人脸检索方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：设计卷积神经网络结构和损失函数；
卷积神经网络以Inception-ResNet-v2为主要结构，以Sigmoid函数为激活函数，损失函数包括交叉熵损失函数、中心距离损失层损失函数和类间损失层损失函数；
(1)交叉熵损失函数：
交叉熵损失函数表达式如下：
Figure FDA0003287784290000011
其中a为网络实际的输出，y为期望值；
(2)中心距离损失层损失函数：
中心距离损失函数的表达式如下：
Figure FDA0003287784290000012
其中cyi表示数据块中第yi个个体所有样本的特征中心值，xi表示该个体的某一样本的特征值；
(3)类间损失层损失函数：
类间损失函数表达式如下：
Figure FDA0003287784290000013
其中，α为自定义常量，xn i代表第i个个体的第n张图片，xm j同理；
步骤2：通过损失函数训练卷积神经网络；
步骤3：对于检索数据库的所有图片，通过训练好的卷积神经网络计算人脸二值特征；
步骤4：根据二值特征设计哈希函数，构造哈希结构；
步骤5：对于待检索的图片，代入卷积神经网络中得到二值特征，通过LSH算法在检索数据中进行检索；
步骤6：根据步骤5中的检索结果，找到正确匹配的人脸图片，完成检索。
2.根据权利要求1所述的一种基于深度学习的快速人脸检索方法，其特征在于，所述步骤2的具体步骤为：
步骤2.1：训练数据集和数据分块
选择CASIA-WebFace人脸数据库作为训练集，随机选择10000个体，总共40万图片，首先进行对齐预处理，训练数据块大小为500，每个数据块包含12个个体，每个个体包含40个样本；
步骤2.2：交叉熵损失层训练
根据每个样本对应的类别，计算交叉熵损失层损失，进行训练；
步骤2.3：中心距离损失层训练
每个数据块所有样本前向传播得到Sigmoid层的特征值，再计算相同个体的特征均值，根据损失函数开始训练，并更新特征均值；
步骤2.4：类间距离损失层训练
先计算所有样本传播至Sigmoid层后的特征值，然后随机选择部分不同个体样本，根据损失函数进行训练。
3.根据权利要求1所述的一种基于深度学习的快速人脸检索方法，其特征在于，所述步骤3具体为：
对检索数据库的所有图片，通过卷积神经网络计算得到128维的特征后，以0.5为阈值，将人脸特征二值化。
4.根据权利要求1所述的一种基于深度学习的快速人脸检索方法，其特征在于，所述步骤4具体为：
根据LSH算法，设计哈希函数，根据哈希函数建立特征的哈希结构。
5.根据权利要求1所述的一种基于深度学习的快速人脸检索方法，其特征在于，所述步骤5的具体流程为：
对于待检索的图片，代入卷积神经网络中得到二值特征，通过LSH算法在检索库中进行检索，根据相似度得到检索排序。
6.根据权利要求1所述的一种基于深度学习的快速人脸检索方法，其特征在于，所述步骤6的具体流程为：
步骤5最终得到了检索的相似度排序，然后找到正确匹配人脸的排序作为评价标准，完成检索。
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