caffe源码解读(11)-triplet_loss_layer.cpp_三元组损失 caffe-程序员宅基地

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定义

TripletLoss T r i p l e t L o s s 的提出,是在这篇论文中——FaceNet: A Unified Embedding for Face Recognition and Clustering,论文中对 TripletLoss T r i p l e t L o s s 的定义如下:

如上图所示, triplet t r i p l e t 是一个三元组,这个三元组是主要构成的:从训练样本中随机选取一个样本,称为 anchor(xa) a n c h o r ( x a ) ,然后再随机分别选取一个和 anchor a n c h o r 类别相同的样本 positive(xp) p o s i t i v e ( x p ) 以及和 anchor a n c h o r 类别不同的样本 negative(xn) n e g a t i v e ( x n ) ,因此构成了[ anchor,positive,negative a n c h o r , p o s i t i v e , n e g a t i v e ]三元组。 TripletLoss T r i p l e t L o s s 的作用就是让特征表达 xa x a xp x p 之间的距离尽可能小,让 xa x a xn x n 的距离尽可能大。

公式

参考博文链接
同时,要让 xa x a xn x n 之间的距离和 xa x a xp x p 之 间 的 距 离 有 一 个 最 小 的 间 隔 α α ,公式化的表示即:

f(xai)f(xpi)22+α<f(xai)f(xni)22,(f(xai),f(xpi,f(xni))ϵτ ‖ f ( x i a ) − f ( x i p ) ‖ 2 2 + α < ‖ f ( x i a ) − f ( x i n ) ‖ 2 2 , ∀ ( f ( x i a ) , f ( x i p , f ( x i n ) ) ϵ τ

对应的目标函数 L L :这里距离用欧式距离度量, + 表示[.]内的值大于0的时候,取该值为损失,小于0的时候,损失为0。
iN[f(xai)f(xpi)22f(xai)f(xni)22+α]+ ∑ i N [ ‖ f ( x i a ) − f ( x i p ) ‖ 2 2 − ‖ f ( x i a ) − f ( x i n ) ‖ 2 2 + α ] +

对目标函数 L L 求导:
L f ( x i a ) = 2 ( f ( x i a ) f ( x i p ) ) 2 ( f ( x i a ) f ( x i n ) ) = 2 ( f ( x i n ) f ( x i p ) )

Lf(xpi)=2(f(xai)f(xpi))(1))=2(f(xpi)f(xai)) ∂ L ∂ f ( x i p ) = 2 ⋅ ( f ( x i a ) − f ( x i p ) ) ⋅ ( − 1 ) ) = 2 ⋅ ( f ( x i p ) − f ( x i a ) )

Lf(xni)=2(f(xai)f(xni))(1))=2(f(xai)f(xni)) ∂ L ∂ f ( x i n ) = − 2 ⋅ ( f ( x i a ) − f ( x i n ) ) ⋅ ( − 1 ) ) = 2 ⋅ ( f ( x i a ) − f ( x i n ) )

代码

参数:
anchor>bottom[0]:NC11 a n c h o r − − > b o t t o m [ 0 ] : N ∗ C ∗ 1 ∗ 1
positive>bottom[1]:NC11 p o s i t i v e − − > b o t t o m [ 1 ] : N ∗ C ∗ 1 ∗ 1
negative>bottom[2]:NC11 n e g a t i v e − − > b o t t o m [ 2 ] : N ∗ C ∗ 1 ∗ 1
(1)caffe.proto
层参数定义文件位于src/caffe/proto/caffe.proto

optional TripletLossParameter triplet_loss_param = 6667;
message TripletLossParameter {
  //margin for negative triplet
  optional float margin = 1 [default = 1.0];
}

(2)LayerSetUp

 template <typename Dtype>
  void TripletLossLayer<Dtype>::LayerSetUp(
    const vector<Blob<Dtype>*>& bottom, const vector<Blob<Dtype>*>& top) {
    LossLayer<Dtype>::LayerSetUp(bottom, top);
    //输入数据维度保持一致
    CHECK_EQ(bottom[0]->num(), bottom[1]->num());
    CHECK_EQ(bottom[1]->num(), bottom[2]->num());
    CHECK_EQ(bottom[0]->channels(), bottom[1]->channels());
    CHECK_EQ(bottom[1]->channels(), bottom[2]->channels());
    CHECK_EQ(bottom[0]->height(), 1);
    CHECK_EQ(bottom[0]->width(), 1);
    CHECK_EQ(bottom[1]->height(), 1);
    CHECK_EQ(bottom[1]->width(), 1);
    CHECK_EQ(bottom[2]->height(), 1);
    CHECK_EQ(bottom[2]->width(), 1);

    diff_ap_.Reshape(bottom[0]->num(), bottom[0]->channels(), 1, 1);
    diff_an_.Reshape(bottom[0]->num(), bottom[0]->channels(), 1, 1);
    diff_pn_.Reshape(bottom[0]->num(), bottom[0]->channels(), 1, 1);

    diff_sq_ap_.Reshape(bottom[0]->num(), bottom[0]->channels(), 1, 1);
    diff_sq_an_.Reshape(bottom[0]->num(), bottom[0]->channels(), 1, 1);
    dist_sq_ap_.Reshape(bottom[0]->num(), 1, 1, 1);
    dist_sq_an_.Reshape(bottom[0]->num(), 1, 1, 1);
    // vector of ones used to sum along channels
    summer_vec_.Reshape(bottom[0]->channels(), 1, 1, 1);
    for (int i = 0; i < bottom[0]->channels(); ++i)
      summer_vec_.mutable_cpu_data()[i] = Dtype(1);
    dist_binary_.Reshape(bottom[0]->num(), 1, 1, 1);
    for (int i = 0; i < bottom[0]->num(); ++i)
      dist_binary_.mutable_cpu_data()[i] = Dtype(1);
  }

(3)Forward

  template <typename Dtype>
  void TripletLossLayer<Dtype>::Forward_cpu(
    const vector<Blob<Dtype>*>& bottom,
    const vector<Blob<Dtype>*>& top) {
    int count = bottom[0]->count();

    //const Dtype* sampleW = bottom[3]->cpu_data();
    const Dtype sampleW = Dtype(1);
    caffe_sub(
      count,
      bottom[0]->cpu_data(),  // anchor
      bottom[1]->cpu_data(),  // positive
      diff_ap_.mutable_cpu_data());  // a_i-p_i
    caffe_sub(
      count,
      bottom[0]->cpu_data(),  // anchor
      bottom[2]->cpu_data(),  // negative
      diff_an_.mutable_cpu_data());  // a_i-n_i
    caffe_sub(
      count,
      bottom[1]->cpu_data(),  // positive
      bottom[2]->cpu_data(),  // negative
      diff_pn_.mutable_cpu_data());  // p_i-n_i
    const int channels = bottom[0]->channels();
    Dtype margin = this->layer_param_.triplet_loss_param().margin();//参数\alpha

    Dtype loss(0.0);
    for (int i = 0; i < bottom[0]->num(); ++i) {
    //dist_sq_ap_=diff_ap_.cpu_data*diff_ap_.cpu_data
    //即Loss表达式的前半部分
      dist_sq_ap_.mutable_cpu_data()[i] = caffe_cpu_dot(channels,
                                                        diff_ap_.cpu_data() + (i*channels), diff_ap_.cpu_data() + (i*channels));
   //dist_sq_an_=diff_an_.cpu_data*diff_an_.cpu_data
   //即Loss表达式的后半部分
      dist_sq_an_.mutable_cpu_data()[i] = caffe_cpu_dot(channels,
                                                        diff_an_.cpu_data() + (i*channels), diff_an_.cpu_data() + (i*channels));
      Dtype mdist = sampleW*std::max(margin + dist_sq_ap_.cpu_data()[i] - dist_sq_an_.cpu_data()[i], Dtype(0.0));//Loss公式
      loss += mdist;
      if (mdist < Dtype(1e-9)) {
        //dist_binary_.mutable_cpu_data()[i] = Dtype(0);
        //prepare for backward pass
        //对diff_ap_、diff_an_、diff_pn_进行初始化
        caffe_set(channels, Dtype(0), diff_ap_.mutable_cpu_data() + (i*channels));
        caffe_set(channels, Dtype(0), diff_an_.mutable_cpu_data() + (i*channels));
        caffe_set(channels, Dtype(0), diff_pn_.mutable_cpu_data() + (i*channels));
      }
    }
    loss = loss / static_cast<Dtype>(bottom[0]->num()) / Dtype(2);
    top[0]->mutable_cpu_data()[0] = loss;//将loss向前传播输出至top
  }

(4)Backward

template <typename Dtype>
  void TripletLossLayer<Dtype>::Backward_cpu(const vector<Blob<Dtype>*>& top,
                                             const vector<bool>& propagate_down, const vector<Blob<Dtype>*>& bottom) {
    //Dtype margin = this->layer_param_.contrastive_loss_param().margin();
    //const Dtype* sampleW = bottom[3]->cpu_data();
    const Dtype sampleW = Dtype(1);

    for (int i = 0; i < 3; ++i) {
   //3个输入bottom都需要做反向传播
      if (propagate_down[i]) {
        const Dtype sign = (i < 2) ? -1 : 1;
        const Dtype alpha = sign * top[0]->cpu_diff()[0] /
          static_cast<Dtype>(bottom[i]->num());
        int num = bottom[i]->num();
        int channels = bottom[i]->channels();
        for (int j = 0; j < num; ++j) {
          Dtype* bout = bottom[i]->mutable_cpu_diff();
          if (i == 0) { 
            //对输入bottom[0]anchor求导
            //caffe_cpu_axpby:Y=aX+bY
            //diff_pn_=alpha*sampleW*diff_pn_
            caffe_cpu_axpby(
              channels,
              alpha*sampleW,
              diff_pn_.cpu_data() + (j*channels),
              Dtype(0.0),
              bout + (j*channels)); 
          }
          else if (i == 1) { 
            //对输入bottom[1]positive求导
            //diff_ap_=alpha*sampleW*diff_ap_
            caffe_cpu_axpby(
              channels,
              alpha*sampleW,
              diff_ap_.cpu_data() + (j*channels),
              Dtype(0.0),
              bout + (j*channels));
          }
          else if (i == 2) {  
            // 对输入bottom[2]negative求导
            //diff_an_=alpha*sampleW*diff_an_
            caffe_cpu_axpby(
              channels,
              alpha*sampleW,
              diff_an_.cpu_data() + (j*channels),
              Dtype(0.0),
              bout + (j*channels));
          }
        } 
      } 
    } 
  }
版权声明:本文为博主原创文章,遵循 CC 4.0 BY-SA 版权协议,转载请附上原文出处链接和本声明。
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