AI前沿 | 计算机如何正确识别人脸？
Microsoft
2022/5/9
编者按：计算机视觉软件到底能不能正确识别人脸呢？以前的CNN网络虽然能识别五官，却无法判断五官的相对位置，比如把眼睛和鼻子调换下位置，CNN网络就“傻掉了”，而胶囊网络弥补了这一缺陷。今天微软智汇学院就给我们介绍了胶囊网络。
胶囊网络（CapNet）
胶囊网络（CapsNet）于2011年在Geoffrey Hinton的一篇名为《Transforming Autoencoders》的论文中首次出现。
2017年底，Geoffrey Hinton等人又发表了一篇名为《Dynamic Routing between Capsules》的论文，其中介绍了胶囊架构。这是一种新的深度神经网络模型。目前这种模型主要应用在图像识别领域。
所谓“胶囊（capsules）”指的是人脑中的一种结构，它们能够很好的处理不同类型的视觉刺激并对诸如位置、形制、速度等信息进行编码。
在深度学习中，胶囊则是嵌入的神经元集合。一个胶囊网络是由胶囊而不是由神经元构成。
© IC photo
胶囊网络的作用
那么为什么需要CapsNet，CapsNet对现有模型有哪些改进呢？
首先，在图像识别领域，目前是各种CNN网络的天下，不过CNN网络有其自身的局限性，这一点Hinton之前也提到过。CNN的不足主要体现在下面两方面 ：
1.CNN中，对不同特征的相对位置并不关注。
2.池化操作虽然效果很好，增加了模型的鲁棒性，但同时丢失了模型的很多细节。
CapsNet详解
CapsNet是一种思路，Hinton也说了论文中的实验方式只是一种最直接的实现方式。其核心思路包括以下两点：
1. 与传统神经元不同，Capsule的输入和输出都是一个向量，我们可以将向量长度理解为传统神经元中的概率，向量的方向来表示其他信息（包括位置信息）。
2. 使用基于约定的动态路由（后面会有解释）来代替传统CNN中的Max-Pool（也可以理解为一种原始的路由机制）。
Capsule的结构
下面是一个capsule和传统神经元的对比图，右边部分我们已经很熟悉了。下面来简单介绍一下测三个公式。
1.第一个Eq.2 中， W是一组通过训练获得的参数。它和传统神经元类似，只是从一维向量变为二维。
2.第二个Eq.2中， C是通过动态路由计算得到，不需要训练，具体动态路由的算法后面会介绍。
3.Eq.1是一个非线性函数，分为两部分。右边部分负责将向量转换成一个近似的单位向量；左边部分是一个被称为Squashing的函数，使得输出的长度被压缩在0到1之间。前面我们提到过，这里输出的长度可以被理解为特征的概率。
动态路由
动态路由的思路就是将第I-1层变换后的输出（上图中的Uj|i）和第I层的输出（上图中的V）做点积，点积的结果代表两个向量的相似度。
我们约定，第I-1层输出到到第I层的权重于两层之间的相似度成正比，并且权重总和为1。下图是动态路由过程的伪代码, 其中的迭代次数r是一个超参数，Hinton的论文中建议将其设为3。
完整网络结构
了解了Capsule单元的结构之后，我们来看一下论文中给出的参考网络模型。参考网络实现了对MNIST手写数据集的图像识别，下图是模型的结构，可以看到这个胶囊网络模型只有三层，比传统模型的层数少了许多。
网络的第一层仍然是一个卷基层，第二层为主胶囊层，在主胶囊层中我们仍然使用了CNN中滑动窗口的概念。第三层为数字胶囊层，他的输出为1610的向量，其中每一个 161的向量对应着一个类的可能性。
原文使用了一个额外的图像重建结构来对模型进行训练，重建结构使用DiitCaps中活动的输出（可能性最大的）来重建出原始图像，通过这种方式强迫网络记住更多的图像特征。重建网络只是简单地使用了三个全连接层来实现，其结构如下图所示：
结语
胶囊网络中的胶囊单元给了我们构建深度神经网络时一个新的选型，通过动态路由机制网络也较好的解决了复杂网络难以训练的问题。
相信胶囊网络的推出只是一个开始，随着越来越多的人对这种网络的关注，更多的可能性将被不断地发掘出来。
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