相似图片搜索算法介绍

前言

之前对图片聚类有一丢丢的研究，最近发现，使用一些相似图片搜索算法也可以实现图片聚类的目标：将同类别或差不多的图片聚在一起。所以整理出相似图片搜索算法介绍这篇文章，主要介绍AutoEncoder、based CNN、Hash等算法，细分又包括：AutoEncoder、Siamese Network、2-channel、Central-surround two-stream network、aHash、pHash、dHash等算法。

AutoEncoder

AE作为一种无监督算法，通过encode和decode两个过程实现，当encode和decode过程均为一层时，AE很类似PCA；多层时，又有些类似神经网络。



如上图所示，code左侧的为encode层，右侧为decode层，目的是使得输入的x和输出的x_head越接近越好，所以在误差反向传播时需要优化x和x_head的差异值。通过encode和decode两个过程，AE可以提取图片特征，不断的训练之后就可以通过得到的特征参数对相似图片进行搜索。AutoEncoder详细介绍点击这里。
我的一篇文章实现了AutoEncoder对MNIST数据集的特征提取；另一篇文章实现了AutoEncoder对相似图片的搜索。

Based CNN

这个板块中的算法来自这篇论文，主要介绍了Siamese Network、2-channel、Central-surround two-stream network、SSP几种算法，并对比他们之间的联系和区别。

Siamese Network

这个算法最初用于手写签字的识别，之后又应用在相似图片的处理上面，如下图所示，patch1和patch2为输入图片，两张图片分别经过卷积层（包括卷积、ReLU、最大池化等过程），得到两个特征向量，接着进入黄色的全连接层，最后输出两个图片的相似度。在Siamese Network算法中，两个patch在卷积层中的权值共享。
论文中有对Siamese Network算法进行改进，变为Pseudo-siamese算法，这个算法与Siamese Network的区别为：卷积层中的权值不共享，在下图中间部分可以看到。

2-channel

channel这个词最先是在图片灰度上面提到的，像MNIST数据集，图片都是黑白的，channel为1，彩色图片channel为3，分为R、G、B三个channel，顾名思义，这个算法就是由两个channel组成，这两个channel就是要比较的两张图片，如下图所示，与上面Siamese Network算法的不同之处在于，这个算法合并了上面的两个卷积层，使两张图片编程一张，举个例子，有两张（1，32，32）的黑白图片，放在这个算法中，就相当于是对卷积层输入一个（2，32，32）的图片，然后在经过一层全连接，输出一个值，这个输出的值就表示两张图片的差异。

Central-surround two-stream network

这个算法在2-channel的基础上进行了改进，对比上下两张图，如果不考虑右侧蓝色块，仅考虑左侧的结构，和2-channel是一样的，这个算法的改进之处在于：
首先，左侧输入的图片不再是原图，而是经过了处理，如图所示，经过了下采样，使得图像变小，Paper中介绍的原图patch大小为64*64，那么在左侧的输入为32*32。其次，右侧的输入图片为原始图片的中心部分，大小也是32*32，这样一来，左右两侧的输入图片大小相等。

SSP

我们平时的输入图片多为32*32、64*64、128*128这种，图片的长和宽都是确定的，如果原始图片的长和宽不确定，我们使用前需要进行预处理，这样就影响了图片的精度，SSP算法就是为了解决这个问题。

Hash Method

Hash算法作为大多图片搜索引擎的核心算法，其准确率和效率均很高，本板块将介绍Hash的三种核心算法：aHash、pHash、dHash。

aHash

此算法是基于比较灰度图每个像素与平均值来实现的。

步骤：

1.缩放图片：为了保留结构去掉细节，去除大小、横纵比的差异，把图片统一缩放到8*8，共64个像素的图片。

2.转化为灰度图：把缩放后的图片转化为256阶的灰度图。

3.计算平均值： 计算进行灰度处理后图片的所有像素点的平均值。

4.比较像素灰度值：遍历灰度图片每一个像素，如果大于平均值记录为1，否则为0.

5.得到信息指纹：组合64个bit位，顺序随意保持一致性即可。

6.对比指纹：计算两幅图片的指纹，计算汉明距离（从一个指纹到另一个指纹需要变几次），汉明距离越大则说明图片越不一致，反之，汉明距离越小则说明图片越相似，当距离为0时，说明完全相同。（通常认为距离>10 就是两张完全不同的图片）

pHash

平均哈希算法过于严格，不够精确，更适合搜索缩略图，为了获得更精确的结果可以选择感知哈希算法，它采用的是DCT（离散余弦变换）来降低频率的方法

步骤：

1.缩小图片：32 * 32是一个较好的大小，这样方便DCT计算

2.转化为灰度图：把缩放后的图片转化为256阶的灰度图。（具体算法见平均哈希算法步骤）

3.计算DCT:DCT把图片分离成分率的集合

4.缩小DCT：DCT是32*32，保留左上角的8*8，这些代表的图片的最低频率

5.计算平均值：计算缩小DCT后的所有像素点的平均值。

6.进一步减小DCT：大于平均值记录为1，反之记录为0.

7.得到信息指纹：组合64个信息位，顺序随意保持一致性即可。

8.对比指纹：计算两幅图片的指纹，计算汉明距离（从一个指纹到另一个指纹需要变几次），汉明距离越大则说明图片越不一致，反之，汉明距离越小则说明图片越相似，当距离为0时，说明完全相同。（通常认为距离>10 就是两张完全不同的图片）

dHash

相比pHash，dHash的速度要快的多，相比aHash，dHash在效率几乎相同的情况下的效果要更好，它是基于渐变实现的。

步骤：

1.缩小图片：收缩到9*8的大小，一遍它有72的像素点

2.转化为灰度图：把缩放后的图片转化为256阶的灰度图。（具体算法见平均哈希算法步骤）

3.计算差异值：dHash算法工作在相邻像素之间，这样每行9个像素之间产生了8个不同的差异，一共8行，则产生了64个差异值

4.获得指纹：如果左边的像素比右边的更亮，则记录为1，否则为0.

参考资料

http://www.phash.org/download/
http://soledede.iteye.com/blog/1940910

https://github.com/hjaurum/DHash/blob/master/dHash.py

http://python.jobbole.com/81277/