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1，什么时候需要多个输入

2，常见的多输入网络

2.1 Siamese网络(孪生网络)

 2.1 Triplet网络

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1，什么时候需要多个输入

       深度学习网络一般是输入都是一个，或者是一段视频切片，因为大部分的内容是对一张图像或者一段视频内容进行分析。但是也有任务需要输入图像对来得到相对结果，比如检测两个图像的相似度，通过目标跟踪得到相对位置。还有些网络也可以输入多张图像进行多尺度的特征提取。比如图像检测，目标跟踪，相对排序。

2，常见的多输入网络

2.1 Siamese网络(孪生网络)

典型的Siamese网络结构：如下图，其中网络1和网络2是两个一模一样的子网络。两者共享权值。在试使用该网络的时候，分别给这两个网络输入不同的图像，其完成特征提取之后会进行一些匹配工作。

 孪生网络的训练过程，如下图所示：

 

（1）    通过网络传递图像对的第一张图像。

（2）    通过网络传递图像对的第二张图像。

（3）    使用（1）和（2）中的输出来计算损失。

  其中，l12为标签，用于表示x1的排名是否高于x2。

训练过程中两个分支网络的输出为高级特征，可以视为quality score。在训练时，输入是两张图像，分别得到对应的分数，将分数的差异嵌入loss层，再进行反向传播。

（4）    返回传播损失计算梯度。

（5）    使用优化器更新权重。

 

 对比损失函数（Contrastive Loss function）

        孪生架构的目的不是对输入图像进行分类，而是区分它们。因此，分类损失函数（如交叉熵）不是最合适的选择，这种架构更适合使用对比函数。对比损失函数如下：

（以判断图片相似度为例）其中Dw被定义为姐妹孪生网络的输出之间的欧氏距离。Y值为1或0。如果模型预测输入是相似的，那么Y的值为0，否则Y为1。m是大于0的边际价值（margin value）。有一个边际价值表示超出该边际价值的不同对不会造成损失。

Siamese网络架构需要一个输入对，以及标签（类似/不相似）。

Siamese网络的代码地址：

https://github.com/xialeiliu/RankIQA

 2.1 Triplet网络

     Triplet网络作者在前人提出的多个特征提取方法的基础上提出该模型，通过比较距离来学习有用的变量（深度学习中拟合出函数），在多个不同的数据集显示Triplet network比直接计算方法的Siamese network模型效果更好。

Triplet network基本原理：

      在Siamese network中，会出现如下的问题，当使用随机对象的数据集时，一个对象可能被认为与另一个对象相似，但是当我们只想区分一组个体中的两个对象时，可能被认为与同样的另一个对象不相似。当选取特征时，并不能够足够判断两者之间的关系，在面对训练样本数量较少的简单分类问题，可能会产生误差。 因此，作者提出了Triplet network，利用三个样本组成一个训练组，从中获取拟合函数。

其基本结构如图1所示：

     该网络由3个具有相同前馈网络（共享参数）组成的，需要输入是3个样本，一个正样本和两个负样本，或者一个负样本和两个正样本。训练的目标是让相同类别之间的距离竟可能的小。让不同的类别之间距离竟可能的大。就是3个输入表示为x，x+和x-，并将网络的嵌入层表示表示为Net（x）。 简单来说，triplet是一个三元组，这个三元组是这样构成的：从训练数据集中随机选一个样本，该样本称为Anchor，然后再随机选取一个和Anchor (记为x)属于同一类的样本和不属于同一类的样本,这两个样本对应的称为Positive (记为x+)和Negative (记为x-)，由此构成一个（Anchor，Positive，Negative）三元组。他们之间的关系用欧氏距离表示，并通过训练参数使得x向x+靠近，远离x-，从而实现分类任务。

triplet loss：

      在有监督的机器学习领域，通常有固定的类别，这时就可以使用基于softmax的交叉熵损失函数进行训练。但有时，类别是一个变量，此时使用triplet loss就能解决问题。在人脸识别，Quora question pair任务中，triplet loss的优势在于细节区分，即当两个输入相似时，triplet loss能够更好地对细节进行建模，相当于加入了两个输入差异性差异的度量，学习到输入的更好表示，从而在上述两个任务中有出色的表现。当然，triplet loss的缺点在于其收敛速度慢，有时不收敛。

     Triplet loss的动机是要让属于同一个人的人脸尽可能地“近”（在embedding空间里），而与其他人脸尽可能地“远”。

Triplet loss 定义：

 

triplet loss的目标是:

两个具有同样标签的样本，他们在新的编码空间里距离很近。

两个具有不同标签的样本，他们在新的编码空间里距离很远。

进一步，我们希望两个positive examples和一个negative example中，negative example与positive example的距离，大于positive examples之间的距离，或者大于某一个阈值：margin。

triplet loss定义在下面三元组概念之上：

- an anchor(基准正例)

- a positive of the same class as the anchor （正例）

- a negative of a different class （负例）

对于（a,p,n）这个triplet(三元组)，其triplet loss就可以写作：

 这时可以通过最小化上述损失函数，a与p之间的距离d(a,p)=0，而a与n之间的距离d(a,n)大于d(a,p)+margin。当negative example很好识别时，上述损失函数为0，否则是一个比较大的值。