论文阅读笔记（二十七）【AAAI2019】：A Bottom-Up Clustering Approach to Unsupervised Person Re-Identification

Introduction

本文有如下3个贡献：

① 提出了一个自下而上（bottom-up）的聚类框架（BUC）来解决无监督的ReID问题；

② 采用repelled损失来优化模型，repelled损失直接优化了样本、聚类之间的余弦距离，可以挖掘聚类之间的相似性以及最大化不同身份之间的差异性；

③ 提出了一个多样性正则化项来保证每个聚类内部图像数量的平衡性，使得聚类结果更符合真实环境下的分布规律。

开源【https://github.com/L1aoXingyu/Bottom-up-Clustering-Person-Re-identification】

 

Approach

（1）背景介绍：

假设训练集包含 N 张图片，目标是不带任何标记从 X 中学习一个特征映射函数。特征映射的测试集合（也就是gallery集合）为，query集合为。在评估过程中，使用query集合中的图片通过特征映射函数来搜寻test集合中的相似的图片特征，并用欧氏距离进行rank排序，即

传统的方法是采用手动标注的方法来学习参数，即每个 x 都对应一个标签 y，采用以下目标函数进行优化：

其中 l 为softmax交叉熵损失，f 为分类器。

但是在无监督学习中，y 并不能获得，因此需要重新构造损失函数。

 

（2）BUC框架：

① 总体框架：

 

② Repelled Loss：

初始化每张图片的标签：，定义图片 x 属于第 c 个聚类的概率值为：

其中 ，理解为这张图片的特征进行正规操作；是一个查找表（lookup table），存储各个聚类的特征，这里可以作为每个聚类的质心；C 为聚类的数量，在初始阶段，是控制分布的参数，这里设置为 0.1。

在前向传播过程中，计算余弦相似度；在反向传播中，更新第列的 V 为，可以理解为将分配到该聚类的特征和质心融合，获得新的质心。得到损失函数为：

 

③ 聚类合并：

最小距离标准（minimum distance criterion）把两个不同聚类中图片的最短距离作为两者的差异度，这种方式只考虑最近的两者，并不考虑除了最近图片外的其它图片。优点是：相同行人的图片在同一个摄像头下通常是相近的，容易划分到同一个聚类中。计算如下：

其中 

最大距离标准（maximum distance criterion）把两个不同聚类中图片的最大距离作为两者的差异度，存在缺点：同一个行人在不同摄像头下可能存在较大的差异，用最大距离标准难以划分到相同聚类中。

平均距离标准（centroid distance criterion）对每个聚类中的图片特征求均值，存在缺点：损失了聚类一些的特征信息。

在每次聚类合并过程中，限制单次迭代下降的聚类数为 m，定义，mp为聚类合并系数，在 t 次迭代后，聚类的数量为。

 

④ 动态网络更新：

 

（3）多样性正则化：

现实场景中，聚类之间的元素数量差异不会太大，为了避免出现聚类元素过多的情况，设置了多样性正则化项，即：

最终两个聚类之间的距离计算为：

 

Experiment

（1）实验设置：

① 数据集设置：Market1501、DukeMTMC-reID、MARS、DukeMTMC-VideoReID；

② 实验细节：采用ResNet-50来作为CNN的主干网络；

③ 参数设置：训练epoch数量 = 20，batch size = 16，dropout rate = 0.5，mp = 0.05，λ = 0.005，momentum = 0.9，learning rate = 0.1，并在15次迭代后降为0.01.

 

（2）实验结果：