deeplearning.ai 卷积神经网络 Week 4 特殊应用：人脸识别和神经风格转换
本周课程的主题是两大应用：人脸检测和风格迁移。
1. Face verification vs. face recognition
Verification: 一对一的问题。
1) 输入：image, name/ID.
2) 输出：image是否对应这个name/ID。
Recognition: 一对多的问题。
1) 数据库存了K个人。
2）输入：图片。
3）输出：如果图片中的人属于数据库，则输出ID；否则显示“not recognized”。
Verification是基础组建，正确率足够高之后，则可以用于recognition。
2. One-shot learning
人脸检测比较难的地方在于只能通过一个样本来进行学习。对于常规的卷积神经网络（CONV -> softmax），表现很差，因为单个样本不足以训练鲁棒的神经网络；另一方面，如果加入新人，softmax的输出就得多一个元素，这意味着要重新训练网络。
解决的办法是学习“similarity”函数：d(img1, img2) = degree of difference between images. 如果d(img1, img2)小于某个阈值（这是一个超参数），则判断同一个人；否则判断是不同的人。
3. Siamese network（Taigman et. al., 2014. DeepFace closing the gap to human level performance.）
常规的卷积神经网络在卷积层、池化层、全连接层等之后会得到n*1的向量，然后把这个向量送入softmax函数，得到具体分类。Siamese network舍弃了最后的softmax层，把n*1（比如128*1）的向量 f(x(k)) 作为输入图片 x(k) 的编码，两张图片的相似性就用这个编码的差的范数 d(img i, img j)=||f(x(i))-f(x(j))||2 来表征。神经网络不同的权重参数，可以计算出不同的编码。我们训练网络的目的就是训练出一组编码，使得对于相同得人的图片d(img i, img j)足够高，对于不同的人的图片d(img i, img j)足够低。
4. Triplet loss（Schroff et al., FaceNet: A unified embedding for face reconition and clustering.）
叫triplet的原因是会同时看三张图片，一张是参照图片Anchor，一张是正例（Positive），一张是反例（Negative）。我们希望 d(A, P)+α≤d(A, N)，其中d(A, P)=||f(A)-f(P)||2，d(A, N)=||f(A)-f(N)||2，α是margin。
单个样本的 Loss function： L(A, P, N) = max( ||f(A)-f(P)||2 - ||f(A)-f(N)||2 + α, 0)，这里加上max的意思是只要小于等于0就可以了，不在乎让loss function更小。
整个网络的 Cost function：J = ∑L(A(i), P(i), N(i))。训练集可能是1000个人的10k张图片，把这10k张图片组合成(A, P, N)的三元组来训练网络。注意，这里需要同一个人的一对图片A和P，如果训练集里每个人只有一张图片，这个算法是训练不了的。训练好网络之后，可以每个人只有一张照片。
如何组合(A, P, N)三元组？如果随机选择，那么d(A, P)+α≤d(A, N)太容易训练了。所以我们要找难训练的，即d(A, P) ≈ d(A, N)的情况，神经网络会努力让左边的变小，右边的变大。
5. 二分类的算法（Taigman et. al., 2014. DeepFace closing the gap to human level performance.）
不同于triplet loss的算法，也可以把人脸检测定义为二分类问题，用同一个神经网络把任意两张图片分别转成编码，然后用sigmoid处理编码，如果是同一个人则输出1，否则输出0。
预测的分类 y_hat = σ( ∑wk|f(x(i))k - f(x(j))k| +b)，这里σ()是sigmoid函数，f(x(i))k表示图片x(i)的编码f(x(i))的第k个元素，如果编码一共128个元素，则求和符号就是做128次加法。也可以选择其他的预测函数，比如 y_hat = σ( ∑wk (f(x(i))k - f(x(j))k)2 / (f(x(i))k + f(x(j))k)+b)，这是χ2相似度（Kai平方）。
实际部署的时候，x(i)是要检测的新图片，x(j)是数据库里的图片，数据库里的图片可以不用每次都计算，可以直接预先计算（precompute）好编码f(x(j))，这样只需要每次计算x(i)的编码就行了。
6. 风格迁移（Gatys et. al., 2015. A neural algorithm of artistic style.）
一张内容（Content）图片C，一张风格（Style）图片S，生成（Generate）一张新的图片G。
Cost function: J(G) = αJcontent(C, G)+βJstyle(S, G)。前者评估C和G的相似度，后者评估S和G的相似度，α和β是权重（NG说这边一个超参数就够了，但原文作者使用了两个）。具体算法是：1）用随机数初始化G，得到一张白噪声的图片；2）梯度下降最小化J(G)。
Content cost function：用一个预训练过得卷积神经网络（比如VGG），选其中不要太浅（会非常具体地要求两张图片尽量相同）也不要太深（会非常抽象地检测图片中是否有狗）的隐藏层l。假设a[l](C)和a[l](C)分别表示内容图片C和生成图片G在第l层的激活函数值，如果这两个激活值相似，则两张图片内容相似。Jcontent(C, G) = 1/2*||a[l](c) - a[l](G)||2，对应元素的差的平方和。
Style cost function：图片的风格是用图片不同通道间的相关性来表征的。计算出两张图片在每一个隐藏层的style matrix的差，然后把所有层的都加起来。
7. 卷积神经网络主要针对2D的图像，但也可以推广到1D和3D的情况
1D的例子：心电图诊断，1*14的信号和1*5的filter做卷积（和图像一样，这里其实也是相关，因为信号没有flip），在信号中找filter类似的特征。如果信号有不同的通道，则filter对应的也有那么多通道。
3D的例子：CT诊断，14*14*14*1的数据和5*5*5*1的filter做卷积，最后一个数字1是指通道数量。另一个应用是视频中检测物体、人物行为等。
