深度学习与计算机视觉(11)_基于deep learning的快速图像检索系统

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作者：寒小阳
时间：2016年3月。
出处：http://blog.csdn.net/han_xiaoyang/article/details/50856583
声明：版权所有，转载请联系作者并注明出处

1.引言

本系统是基于CVPR2015的论文《Deep Learning of Binary Hash Codes for Fast Image Retrieval》实现的海量数据下的基于内容图片检索系统，250w图片下，对于给定图片，检索top 1000相似时间约为1s，其基本背景和原理会在下文提到。

2.基本问题与技术

大家都知道，基于内容的图像检索系统是根据图像的内容，在已有图像集中找到最『相近』的图片。而这类系统的效果(精准度和速度)和两个东西直接相关：

  • 图片特征的表达能力
  • 近似最近邻的查找

根据我们这个简单系统里的情况粗浅地谈谈这两个点。

首先说图像特征的表达能力，这一直是基于内容的图像检索最核心却又困难的点之一，计算机所『看到』的图片像素层面表达的低层次信息与人所理解的图像多维度高层次信息内容之间有很大的差距，因此我们需要一个尽可能丰富地表达图像层次信息的特征。我们前面的博客也提到了，deep learning是一个对于图像这种层次信息非常丰富的数据，有更好表达能力的框架，其中每一层的中间数据都能表达图像某些维度的信息，相对于传统的Hist，Sift和Gist，表达的信息可能会丰富一下，因此这里我们用deep learning产出的特征来替代传统图像特征，希望能对图像有更精准的描绘程度。

再说『近似最近邻』，ANN(Approximate Nearest Neighbor)/近似最近邻一直是一个很热的研究领域。因为在海量样本的情况下，遍历所有样本，计算距离，精确地找出最接近的Top K个样本是一个非常耗时的过程，尤其有时候样本向量的维度也相当高，因此有时候我们会牺牲掉一小部分精度，来完成在很短的时间内找到近似的top K个最近邻，也就是ANN，最常见的ANN算法包括局部敏感度哈希/locality-sensitive hashing，最优节点优先/best bin first和Balanced box-decomposition tree等，我们系统中将采用LSH/局部敏感度哈希来完成这个过程。有一些非常专业的ANN库，比如FLANN，有兴趣的同学可以了解一下。

3. 本检索系统原理

图像检索系统和关键环节如下图所示：
基于内容的图像检索

图像检索过程简单说来就是对图片数据库的每张图片抽取特征(一般形式为特征向量)，存储于数据库中，对于待检索图片，抽取同样的特征向量，然后并对该向量和数据库中向量的距离，找出最接近的一些特征向量，其对应的图片即为检索结果。

基于内容的图像检索系统最大的难点在上节已经说过了，其一为大部分神经网络产出的中间层特征维度非常高，比如Krizhevsky等的在2012的ImageNet比赛中用到的AlexNet神经网，第7层的输出包含丰富的图像信息，但是维度高达4096维。4096维的浮点数向量与4096维的浮点数向量之间求相似度，运算量较大，因此Babenko等人在论文Neural codes for image retrieval中提出用PCA对4096维的特征进行PCA降维压缩，然后用于基于内容的图像检索，此场景中效果优于大部分传统图像特征。同时因为高维度的特征之间相似度运算会消耗一定的时间，因此线性地逐个比对数据库中特征向量是显然不可取的。大部分的ANN技术都是将高维特征向量压缩到低维度空间，并且以01二值的方式表达，因为在低维空间中计算两个二值向量的汉明距离速度非常快，因此可以在一定程度上缓解时效问题。ANN的这部分hash映射是在拿到特征之外做的，本系统框架试图让卷积神经网在训练过程中学习出对应的『二值检索向量』，或者我们可以理解成对全部图先做了一个分桶操作，每次检索的时候只取本桶和临近桶的图片作比对，而不是在全域做比对，以提高检索速度。

论文是这样实现『二值检索向量』的：在Krizhevsky等2012年用于ImageNet中的卷积神经网络结构基础上，在第7层(4096个神经元)和output层之间多加了一个隐层(全连接层)。隐层的神经元激励函数，可以选用sigmoid，这样输出值在0-1之间值，可以设定阈值(比如说0.5)之后，将这一层输出变换为01二值向量作为『二值检索向量』，这样在使用卷积神经网做图像分类训练的过程中，会『学到』和结果类别最接近的01二值串，也可以理解成，我们把第7层4096维的输出特征向量，通过神经元关联压缩成一个低维度的01向量，但不同于其他的降维和二值操作，这是在一个神经网络里完成的，每对图片做一次完整的前向运算拿到类别，就产出了表征图像丰富信息的第7层output(4096维)和代表图片分桶的第8层output(神经元个数自己指定，一般都不会很多，因此维度不会很高)。引用论文中的图例解释就是如下的结构：

图像检索系统的卷积神经网络架构

上方图为ImageNet比赛中使用的卷积神经网络；中间图为调整后，在第7层和output层之间添加隐层(假设为128个神经元)后的卷积神经网络，我们将复用ImageNet中得到最终模型的前7层权重做fine-tuning，得到第7层、8层和output层之间的权重。下方图为实际检索过程，对于所有的图片做卷积神经网络前向运算得到第7层4096维特征向量和第8层128维输出(设定阈值0.5之后可以转成01二值检索向量)，对于待检索的图片，同样得到4096维特征向量和128维01二值检索向量，在数据库中查找二值检索向量对应『桶』内图片，比对4096维特征向量之间距离，做重拍即得到最终结果。图上的检索例子比较直观，对于待检索的”鹰”图像，算得二值检索向量为101010，取出桶内图片(可以看到基本也都为鹰)，比对4096维特征向量之间距离，重新排序拿得到最后的检索结果。

4. 预训练好的模型

一般说来，在自己的图片训练集上，针对特定的场景进行图像类别训练，得到的神经网络，中间层特征的表达能力会更有针对性一些。具体训练的过程可以第3节中的说明。对于不想自己重新费时训练，或者想快速搭建一个基于内容的图片检索系统的同学，这里也提供了100w图片上训练得到的卷积神经网络模型供大家使用。

这里提供了2个预先训练好的模型，供大家提取『图像特征』和『二值检索串』用。2个模型训练的数据集一致，卷积神经网络搭建略有不同。对于几万到十几万级别的小量级图片建立检索系统，请使用模型Image_Retrieval_20_hash_code.caffemodel，对于百万以上的图片建立检索系统，请使用模型Image_Retrieval_128_hash_code.caffemodel。

对于同一张图片，两者产出的特征均为4096维度，但用作分桶的『二值检索向量』长度，前者为20，后者为128。

模型下载地址为云盘地址。

傻瓜式环境配置手册

1.关于系统

这个说明是关于linux系统的，最好是centOS 7.0以上，或者ubuntu 14.04 以上。低版本的系统可能会出现boost，opencv等库版本不兼容问题。

2. centOS配置方法

2.1 配置yum源

配置合适的yum源是一种『偷懒』的办法，可以简化很多后续操作。不进行这一步的话很多依赖库都需要自己手动编译和指定caffe编译路径，耗时且经常编译不成功。
在国内的话用sohu或者163的源
rpm -Uvh http://mirrors.sohu.com/fedora-epel/7/x86_64/e/epel-release-7-2.noarch.rpm

如果身处国外的话，可以查一下fedora mirror list，找到合适的yum源添加。

接着我们让新的源生效：
yum repolist

2.2 安装依赖的库

该图像检索系统依赖于caffe深度学习框架，因此需要安装caffe依赖的部分库：比如protobuf是caffe中定义layers的配置文件解析时需要的，leveldb是训练时存储图片数据的数据库，opencv是图像处理库，boost是通用C++库，等等…

我们用yum install一键安装：
sudo yum install protobuf-devel leveldb-devel snappy-devel opencv-devel boost-devel hdf5-devel

2.3 安装科学计算库

这个部分大家都懂的，因为要训练和识别过程，涉及到大量的科学计算，因此必要的科学计算库也需要安装。同时python版本caffe中会依赖一些python科学计算库，pip和easy_install有时候安装起来会有一些问题，因此部分库这里也用yum install直接安装了。
yum install openblas-devel.x86_64 gcc-c++.x86_64 numpy.x86_64 scipy.x86_64 python-matplotlib.x86_64 lapack-devel.x86_64 python-pillow.x86_64 libjpeg-turbo-devel.x86_64 freetype-devel.x86_64 libpng-devel.x86_64 openblas-devel.x86_64

2.4 其余依赖

包括lmdb等：
sudo yum install gflags-devel glog-devel lmdb-devel
若此处yum源中找不到这些拓展package，可是手动编译(要有root权限)：

# glog
wget https://google-glog.googlecode.com/files/glog-0.3.3.tar.gz
tar zxvf glog-0.3.3.tar.gz
cd glog-0.3.3
./configure
make && make install
# gflags
wget https://github.com/schuhschuh/gflags/archive/master.zip
unzip master.zip
cd gflags-master
mkdir build && cd build
export CXXFLAGS="-fPIC" && cmake .. && make VERBOSE=1
make && make install
# lmdb
git clone https://github.com/LMDB/lmdb
cd lmdb/libraries/liblmdb
make && make install

2.5 python版本依赖

编译pycaffe的时候，我们需要更多的一些python的依赖库。这时候我们可以用pip或者easy_install完成。

pip和easy_install的配置方法为：

wget --no-check-certificate https://bootstrap.pypa.io/ez_setup.py
python ez_setup.py --insecure
wget https://bootstrap.pypa.io/get-pip.py
python get-pip.py

在caffe/python/requirements.txt中有pycaffe的python依赖包，如下：

Cython>=0.19.2
numpy>=1.7.1
scipy>=0.13.2
scikit-image>=0.9.3
matplotlib>=1.3.1
ipython>=3.0.0
h5py>=2.2.0
leveldb>=0.191
networkx>=1.8.1
nose>=1.3.0
pandas>=0.12.0
python-dateutil>=1.4,<2
protobuf>=2.5.0
python-gflags>=2.0
pyyaml>=3.10
Pillow>=2.3.0

通过以下shell命令可以全部安装：

for req in $(cat requirements.txt); do pip install $req; done

3. ubuntu配置方法

基本与centOS一致，这里简单列出需要执行的shell命令：

sudo apt-get install libprotobuf-dev libleveldb-dev libsnappy-dev libopencv-dev libhdf5-serial-dev protobuf-compiler
sudo apt-get install --no-install-recommends libboost-all-dev

sudo apt-get install libgflags-dev libgoogle-glog-dev liblmdb-dev

python部分的依赖包安装方式同上。

4. caffe的编译与准备

保证caffe所需依赖都安装完成后，在caffe目录下执行：
cp Makefile.config.example Makefile.config
根据自己的实际情况，修改Makefile.config的内容，主要修改的几个如下：

  • 如果没有GPU，只打算用CPU进行实验，将# CPU_ONLY := 1前的#号去掉。
  • 如果使用GPU，且有cuDNN加速，将# USE_CUDNN := 1前的#号去掉。
  • 如果使用openBLAS，将BLAS := atlas改成BLAS := open，并添加BLAS_INCLUDE := /usr/include/openblas(Caffe中默认的矩阵运算库为ATLAS，但是OpenBLAS有一些性能优化，因此建议换做OpenBLAS)

未完待续…