Keras搭建孪生神经网络Siamese network比较图片相似性-编程学习网

什么是孪生神经网络

最近学习了一下如何比较两张图片的相似性，用到了孪生神经网络，一起来学习一下。

简单来说，孪生神经网络（Siamese network）就是“连体的神经网络”，神经网络的“连体”是通过共享权值来实现的，如下图所示。

所谓权值共享就是当神经网络有两个输入的时候，这两个输入使用的神经网络的权值是共享的（可以理解为使用了同一个神经网络）。

很多时候，我们需要去评判两张图片的相似性，比如比较两张人脸的相似性，我们可以很自然的想到去提取这个图片的特征再进行比较，自然而然的，我们又可以想到利用神经网络进行特征提取。

如果使用两个神经网络分别对图片进行特征提取，提取到的特征很有可能不在一个域中，此时我们可以考虑使用一个神经网络进行特征提取再进行比较。

这个时候我们就可以理解孪生神经网络为什么要进行权值共享了。

孪生神经网络有两个输入（Input1 and Input2），利用神经网络将输入映射到新的空间，形成输入在新的空间中的表示。通过Loss的计算，评价两个输入的相似度。

代码下载

孪生神经网络的实现思路

一、预测部分

1、主干网络介绍

孪生神经网络的主干特征提取网络的功能是进行特征提取，各种神经网络都可以适用，本文使用的神经网络是VGG16。关于VGG的介绍大家可以看我的另外一篇博客

https://www.jb51.net/article/246968.htm

这是一个VGG被用到烂的图，但确实很好的反应了VGG的结构：

1、一张原始图片被resize到指定大小，本文使用105x105。

2、conv1包括两次[3,3]卷积网络，一次2X2最大池化，输出的特征层为64通道。

3、conv2包括两次[3,3]卷积网络，一次2X2最大池化，输出的特征层为128通道。

4、conv3包括三次[3,3]卷积网络，一次2X2最大池化，输出的特征层为256通道。

5、conv4包括三次[3,3]卷积网络，一次2X2最大池化，输出的特征层为512通道。

6、conv5包括三次[3,3]卷积网络，一次2X2最大池化，输出的特征层为512通道。

实现代码为：

import keras
from keras.layers import Input,Dense,Conv2D
from keras.layers import MaxPooling2D,Flatten
from keras.models import Model
import os
import numpy as np
from PIL import Image
from keras.optimizers import SGD
class VGG16:
    def __init__(self):
        self.block1_conv1 = Conv2D(64,(3,3),activation = 'relu',padding = 'same',name = 'block1_conv1')
        self.block1_conv2 = Conv2D(64,(3,3),activation = 'relu',padding = 'same', name = 'block1_conv2')
        self.block1_pool = MaxPooling2D((2,2), strides = (2,2), name = 'block1_pool')
        self.block2_conv1 = Conv2D(128,(3,3),activation = 'relu',padding = 'same',name = 'block2_conv1')
        self.block2_conv2 = Conv2D(128,(3,3),activation = 'relu',padding = 'same',name = 'block2_conv2')
        self.block2_pool = MaxPooling2D((2,2),strides = (2,2),name = 'block2_pool')
        self.block3_conv1 = Conv2D(256,(3,3),activation = 'relu',padding = 'same',name = 'block3_conv1')
        self.block3_conv2 = Conv2D(256,(3,3),activation = 'relu',padding = 'same',name = 'block3_conv2')
        self.block3_conv3 = Conv2D(256,(3,3),activation = 'relu',padding = 'same',name = 'block3_conv3')
        self.block3_pool = MaxPooling2D((2,2),strides = (2,2),name = 'block3_pool')
        self.block4_conv1 = Conv2D(512,(3,3),activation = 'relu',padding = 'same', name = 'block4_conv1')
        self.block4_conv2 = Conv2D(512,(3,3),activation = 'relu',padding = 'same', name = 'block4_conv2')
        self.block4_conv3 = Conv2D(512,(3,3),activation = 'relu',padding = 'same', name = 'block4_conv3')
        self.block4_pool = MaxPooling2D((2,2),strides = (2,2),name = 'block4_pool')
        # 第五个卷积部分
        self.block5_conv1 = Conv2D(512,(3,3),activation = 'relu',padding = 'same', name = 'block5_conv1')
        self.block5_conv2 = Conv2D(512,(3,3),activation = 'relu',padding = 'same', name = 'block5_conv2')
        self.block5_conv3 = Conv2D(512,(3,3),activation = 'relu',padding = 'same', name = 'block5_conv3')   
        self.block5_pool = MaxPooling2D((2,2),strides = (2,2),name = 'block5_pool')
        self.flatten = Flatten(name = 'flatten')
    def call(self, inputs):
        x = inputs
        x = self.block1_conv1(x)
        x = self.block1_conv2(x)
        x = self.block1_pool(x)
        x = self.block2_conv1(x)
        x = self.block2_conv2(x)
        x = self.block2_pool(x)
        x = self.block3_conv1(x)
        x = self.block3_conv2(x)
        x = self.block3_conv3(x)
        x = self.block3_pool(x)
        x = self.block4_conv1(x)
        x = self.block4_conv2(x)
        x = self.block4_conv3(x)
        x = self.block4_pool(x)
        x = self.block5_conv1(x)
        x = self.block5_conv2(x)
        x = self.block5_conv3(x)
        x = self.block5_pool(x)
        outputs = self.flatten(x)
        return outputs

2、比较网络

在获得主干特征提取网络之后，我们可以获取到一个多维特征，我们可以使用flatten的方式将其平铺到一维上，这个时候我们就可以获得两个输入的一维向量了

将这两个一维向量进行相减，再进行绝对值求和，相当于求取了两个特征向量插值的L1范数。也就相当于求取了两个一维向量的距离。

然后对这个距离再进行两次全连接，第二次全连接到一个神经元上，对这个神经元的结果取sigmoid，使其值在0-1之间，代表两个输入图片的相似程度。

实现代码如下：

import keras
from keras.layers import Input,Dense,Conv2D
from keras.layers import MaxPooling2D,Flatten,Lambda
from keras.models import Model
import keras.backend as K
import os
import numpy as np
from PIL import Image
from keras.optimizers import SGD
from nets.vgg import VGG16
def siamese(input_shape):
    vgg_model = VGG16()
    input_image_1 = Input(shape=input_shape)
    input_image_2 = Input(shape=input_shape)
    encoded_image_1 = vgg_model.call(input_image_1)
    encoded_image_2 = vgg_model.call(input_image_2)
    l1_distance_layer = Lambda(
        lambda tensors: K.abs(tensors[0] - tensors[1]))
    l1_distance = l1_distance_layer([encoded_image_1, encoded_image_2])
    out = Dense(512,activation='relu')(l1_distance)
    out = Dense(1,activation='sigmoid')(out)
    model = Model([input_image_1,input_image_2],out)
    return model

二、训练部分

1、数据集的格式

本文所使用的数据集为Omniglot数据集。

其包含来自 50不同字母（语言）的1623 个不同手写字符。

每一个字符都是由 20个不同的人通过亚马逊的 Mechanical Turk 在线绘制的。

相当于每一个字符有20张图片，然后存在1623个不同的手写字符，我们需要利用神经网络进行学习，去区分这1623个不同的手写字符，比较输入进来的字符的相似性。

本博客中数据存放格式有三级：

- image_background
	- Alphabet_of_the_Magi
		- character01
			- 0709_01.png
			- 0709_02.png
			- ……
		- character02
		- character03
		- ……
	- Anglo-Saxon_Futhorc
	- ……

最后一级的文件夹用于分辨不同的字体，同一个文件夹里面的图片属于同一文字。在不同文件夹里面存放的图片属于不同文字。