让剁手更便捷，蘑菇街视觉搜索技术架构实践
【大咖・来了 第7期】10月24日晚8点观看《智能导购对话机器人实践》
本次峰会以人工智能为主题，来自于美丽联合集团的宋宏亮给大家介绍《视觉搜索技术系统与业务应用》。
本次分享将从如下三个部分展开：
- 视觉分享的背景与现状
- 蘑菇街视觉搜索技术架构与研发
- 系统及业务应用
视觉分享的背景与现状
基于文本的图像检索方法始于上世纪70年代，它利用文本标注的方式对图像中的内容进行描述，从而为每张图像产生内容描述的关键词，包括图像中的物体和场景等。
这种方式既可以采用人工标注，也可以通过图像识别技术,来实现半自动化的标注。在检索时，系统可以根据用户所提供的查询关键字，找出那些与关键字相对应的图片，并返回给用户。
由于具有易于实现的优点，因此在一些中小型规模的图像搜索应用中，该方法仍在被继续使用着。
当然，该方式也存在着如下缺陷：
- 对于大规模的图像数据而言，由于在标注过程中需要有人工的介入，因此不但耗时耗力，而且持续涌入的新图像也会干扰到人工标注。
- 在需要精确查询时，用户可能很难用简短的关键字，来描述出自己真正想要获取的图像。
- 人工标注的过程，不可避免地会受到标注者的认知水平、言语使用、以及主观判断等方面的影响，因此会产生文字描述的差异性。
随着图像数据的快速增长，上述针对基于文本检索方法的问题日益凸现。因此，业界普遍认为：索引图像信息的最有效方式应该基于图像内容自身。
此类方式是将对于图像内容的表达和相似性，交给计算机自行处理，充分发挥其计算优势，并大幅提升检索的效率。
不过，基于内容检索方法也存在着一项主要缺点：特征描述与高层语义之间存在着难以填补的鸿沟。
由于受到环境的干扰较大，因此我们需要选择那些抗干扰性较强的、具有不变性局部特征的方法，如SIFT。同时，我们也要求此类方法应具有较高的特征维度。
近年来，以深度学习(尤其是卷积神经网络CNN)为主的自动化图像特征检索方法，得以广泛应用。
它能够极大地提高检索的精度。而且，我们可以使用PCA等降维手段，来构建出高效合理的快速检索机制，以适应大规模或海量图像的检索任务。
上图是基于内容图像检索的基本框架。我们可以事先建立好图像特征矢量的描述，并存入图像特征库中。
当用户输入一张待查询的图像时，它会使用相同的方法，提取待查询图像的特征，并得到查询的向量。
然后在某种相似性的度量准则下，计算查询向量与特征库中各个特征的相似性大小。最后按照相似性的大小进行排序，并顺次输出对应的图片。
对于我们的电商场景而言，各种数据的来源一般分成两块：
- 卖家端：普通卖家，上传商品主图、附图、SKU图、以及各种详情图。主播，生产直播内容，包含商品截图和视频等。
- 用户端：普通用户，上传对应的UGC内容、以及买家秀图片等。达人，产生PGC之类的内容。
这些图像数据不但体量庞大，而且具有“天然”的结构化信息。商家在上传时，便能通过填写图片所对应的类目和属性，完成明晰的标注。
而有了基础的数据来源，我们就能通过构建后台图像数据库，来进行款式属性的识别，OCR文字的识别、以及图像特征的检索等操作。
在此基础上，结合各种运营活动与策略，我们就能够在前端将商品展现出去，对便用户进行浏览和购买。
众所周知，物体容易受拍摄环境的影响。比如：光照变化、尺度变化、视角变化、遮挡以及背景杂乱等因素，都会对检索结果造成较大的影响。
此外，电商还面临着来自如下方面的挑战：
- 电商平台每天都有频繁的上、下架商品，它们给索引的整体构建带来了巨大挑战。
- 规模是把双刃剑，虽然我们拥有了足够多的数据进行模型训练，但是庞大的数据也对整体搜索构成了巨大的压力。
- 数据质量无法保障，尤其是那些用户上传的各种买家show图片，以及商家打错类目标签的问题。
- 用户的查询也会存在着多样性，包括对于各种上传商品图、视频截图、以及实拍图的需求。
蘑菇街视觉搜索技术架构与研发
基于上面提到的数据特点与挑战，我们研发了自己的视觉搜索技术架构。如上图所示，其流程为：
- 在接到用户的查询请求之后，我们会对类目进行预测。
- 通过目标检测，我们得到所需的内容。
- 通过特征提取器，提取图像的特征表达。
- 基于ANN检索，得到充分的检索结果。
- 通过Rerank方式，得到检索的最终结果。
基于上述流程，我们来依次介绍其不同的环节。对于类目预测而言，我们分为三个方向：
- 由于输入数据较为杂乱，因此我们需要对图像进行质量评估，处理掉质量较差、或不宜于展示的图片，以提升用户的体验。
- 基于同图的过滤方式，处理掉数据库中的同图。
- 进行各种类目的分类工作。
图像质量评估
图像质量评估实际上是对图像美观度的识别。目前市面上的大部分图像质量分析，主要是在粗粒度层面上给出质量的分级，如：好的、中等的、差的。
因此，它们只是将问题归成了分类问题，并没有从细节上去模拟人类的审美，给出图像的优劣判定。
在此，我们借鉴了“Photo Aesthetics Ranking Network with Attributes and Content Adaptation”一文的思想，采用了文中提到的前两种网络结构。
首先，我们通过人工标注，从上图右侧所展示的多纬度属性方向去对数据进行打标，进而得出美观度的总体分值。接着，我们采用了单支和多分支两种回归网络。
单支回归网络训练的是一个回归模型的Reg，其lable为图片的总评分(score)。通过对某个图片上11个评分点的相加，构造出一个多分支，进而融合成一个得分制的回归网络Reg+Att。
在训练时，label的11个属性评分与最终的score，会将Reg所训练好的权重迁移到Reg+Att之中，并最终使用Reg+Att网络来进行预测。
有了该网络之后，我们便可以对于数据库中的图片数据进行美观度评分，进而过滤掉美观度分值较差的图片。
同图过滤
如果我们搜索出来的结果存在大量同图的话，势必会降低用户的体验度。因此，我们采用轻量化的pHash方式进行快速地同图过滤。
该方式的基本思想是：为每一张图片形成一个哈希值。整个计算过程为：
- 对一张图片进行resize，将其缩放成8×8的尺度，共有64个像素。
- 转成灰度图片，计算灰度平均值。
- 将每个像素的灰度值和平均值进行比较。如果是大于或者是等于该平均值，则记为1;若小于平均值，则记做0。
- 将这些0、1的结果进行串联，得到二进制的表达。
- 通过汉明距离进行距离计算，籍此判断是否为同一张图片。
- 结合包括销量、价格、上店时间、以及店铺星级在内的业务逻辑，进行同图的合并或过滤。
类目分类
类目分类的主要目的是缩小待检索的数据量，提升检索的精度。在电商的场景中，有着“类目数”的概念。例如：服饰鞋包、女装、上装、以及T恤，就构成了类目数的不同分支。
其中，服饰鞋包是一级类目，女装是二级类目，上装是三级类目，T恤则对应的是四级类目。如上图所示，我们针对于不同类目数的数据分布情况，以及用户对于类目的认知，整理出了上述十个大类，它们基本覆盖了我们系统中的所有叶子类目。
除了上述横向的十个大类，我们也结合了纵向的四级类目(共504个)，以便在后续的结果召回上实现弥补。
同时，由于各个任务之间存在着相关性，因此我们采用的是基于多任务的学习方式，通过彼此之间的促进，让模型具有更好的泛化能力。
如上图所示，此处的底层网络是ResNet18，后面的两个FC分支分别对应着两个不同的具体任务。通过迭代，该模型的top1，在十大类层面上可达92%，而在四级类目上则为84%。
主体检测
对于一张图片，我们可以采用两种主流的目标检测方式：
- Faster R-CNN之类的two-stages的方式
- SSD之类的one-stage的方式
由于是基于RNN，因此two-stages方式的精度更高些;同时，由于是串联方式，所以其计算性能略差。而one-stage方式则恰恰与此相反。
鉴于两类方法的优缺点，最终我们采用了基于Refinement网络的模型训练。其中，Anchor refine module类似于Faster R-CNN中的RPN，而Object detect module则类似于SSD。中间通过TCB模块进行特征转换，将上层的ARM特征上传到某个检测模块中。
同时，TCB具有一个类似于FPN金字塔形式的向前传递过程。因此，该网络相当于将RPN与后面的检测模块并行处理，进而保证了检索的性能。
而且，由于接入了FPN的特定制，因此它对于一些小目标的检测来说，会有比较好的效果。
我们基于该网络也制定了一些检测目标，例如：我们会检测某张图片中出现的上服、裤子、裙装、鞋子、包包和人脸等区域部分。
通过迭代训练，我们最终可以达到0.95的MAP，而在K40上的检索性能则为25FPS，同时在P100上，会达到50多的FPS效果。
上面四张图展示的是我们在不同场景下目标检测的结果：第一张图来自商品搜索的结果;第二张图来自用户的实拍;第三张截图来自直播场景;最后一张图来自线下数据的实测情况。
图像特征学习
针对在真实的电商场景中存在着图像特征提取的需求，我们整理出了一套多位的标签体系。其中包括：类目的CID、SKU的颜色、图像本身的图案信息、Shape信息、以及其他扩展信息。
虽然在制定标签时，我们难免要进行大量的数据清洗和整理工作，但是，由于商家在上传图片时，已经给商品打上了Title等属性信息，因此我们可以直接通过这些文本描述，来拿到一些“天然”的标签。
另外，我们也可以通过诸如：款式属性模型、元素图案模型、以及一些细粒度的颜色模型，来对这些数据进行重新打标或予以校验。
有了上述两方面的基础，我们再结合一些人工的审核方式，最后就能得出相对完善的标签。如上图的右侧两行文字所示，它们分别代表了标签的具体含义。
在标签体系建成之后，我们就可以开始整理数据了。一般而言，类别应当越细越好，每类的数据也是越多越好。
但是在实践中，我们需要将每一类数据的体量设置为：上限2万、下限1千，以避免出现样本不均衡的问题。因此，在整理完成后，我们最终得到了2319个标签、约1000万个训练样本。
有了数据标签和可供训练的数据，下面我们便可以通过基于CNN网络的分类模型，来训练特征了。
为了得到更好的分类效果，我们引入了Triplet的网络结构。如上图所示，右侧图共有三个分支：中间为query、上面是positive、下面为negative。
而在最后，我们采用了两种loss：一种是分类的loss、另一种是基于Triplet的loss。通过此方式，我们既可以缩减类内距离，又能够拉大类间距离，进而增强特征学习的效果。可见，在基于Triplet loss的学习中，关键问题是对于上述三个分支的选择。
对于positive样本，我们会选择同一个标签的样本;而对于negative样本，则尽量选择那些移位不同所对应的标签图片。因此，通过迭代式训练，我们最终的分类效果(即top1)为68%。
有了上述基本特征的提取网络，我们接着需要考虑具体应选用哪些特征。如上图所示，我们分别对于res所对应的5a、5b、5c、以及res4的一些层(如fc层)进行了特征提取。通过验证，我们最终认为：基于res 5a层所得到的结果最好。
在res 5a层上，我们会结合GAP(全局平均池化，Global Average Pooling)的方式，进行特征的聚合。GAP主要被用来解决全连接的问题。
如上图，通过基于res 5a的512×7×7 feature map的处理，我们能得到一个1×512的512个特征。接着，我们进行各种平方与归一化的操作，进而得到最终的检索特征。
近似最近邻检索
接着，我们需要通过乘积量化的方式来进行近邻检索。乘积量化是在内存和效率之间实现平衡的一种方式。它既能为图像的检索结构提供足够的内存，又能保证检索的质量与速度。
其核心思想是对特征进行分组量化，即：将某个特征分成M组，对每一组进行细致的量化，进而通过每一组量化中心的卡尔积，得到最终的码本。
在检索过程中，我们需要构建索引的结构。上面左侧图是我们对于数据库采用的检索结构。输入Y对应的是数据库中某一张图片。
通过粗量化的中心计算，我们能够得到一个粗量化的QC，该QC即为对应的倒排文件入口。通过计算Y和QC之间的残差向量，我们便可得出一个RY。
RY再通过M分组，让每个分组对应一个细量化的中心。籍此，我们便可将该图片加入其对应的粗量化倒排链了。
如上面右侧图所示，在查询图像时，我们会先通过粗的量化，给X找到对应的检索入口，接着计算其残差，并根据既有的侯选查询集合，计算出该残差和集合的具体距离，最后再通过排序，以得到检索结果。
Reranking
为了得到更为全局的特征，我们需要采用Reranking，来挖掘图像的局部特征。此处，我们是通过结合RMAC特征，以及Attention方式来实现的。
RMAC方式是通过变窗口的方式来进行滑窗的。该滑窗过程不是在图像本身上进行的，而是在某个feature map上实现的。因此，它保障了特征提取的速度。
不过，虽然RMAC可以提取许多局部区域特征，但是它并未考虑到不同region之间的重要性。而且在某些情况下，由于某些图片包含了较多的背景区域，从而干扰了检索效果。因此，我们需要结合Regional attention来进行学习，以得出特征的重要性。
具体做法如上图所示：通过前面训练出来的网络结构，我们可以得出图像的Res维特征。接着，我们基于不同的scale，进行局部特征的提取。
通过该四个scale的特征选取，我们能够保证相邻窗口具有40%的overlap。之后，会配有两个分支：
- R-MAC模块。其中包含了Max spooling和后处理过程(Post-processing)。该后处理过程包括：L2-normalization和PCA-whitening。此后通过sum-pooling和L2-normalization得到Global feature vector的表达。
- Regional attention模块。鉴于这些局部特征的重要性，我们需要结合Regional attention模块，来学习不同的权重。具体过程是：我们将区域特征(Regional feature)和全局特征(Global feature)进行融合(Mean pooled)，以实现对上下文的感知(Context-aware)。在Attention模块中，我们在Channel space中进行了Concat，之后进入Attention network(其中包括两个线性层和两个非线性层)，以得到Attention的权重。
结合上述RMAC的特征，我们通过加权，以得到基于局部特征的表达。接着，我们会基于topN的结果执行Reranking。当然，我们也会结合扩展查询(Query expansion)的方式，以进一步提升检索的效果。
如上图所示，左侧是RNN网络提取的全局的特征，右侧是RMAC+Attention网络提取的局部特征。
评测集及指标
为了评测效果，我们准备了如下评测数据：
- Query图片，包括：商品主图、买家秀、以及直播截图。
- Similar图片，包括：商品附图和详情图。
- 共2000组、1对1形式(商品的主图对应着商品的详情图)和1对N形式(一张主图片对应N张详细图片)。
- 搜索测试DB：200万。
在结果上，我们分别设置了两个算法测试指标：TopN的召回结果和TopN的mAP结果。
上图展示了可视化搜索的效果。
系统及业务应用
上面是蘑菇街视觉搜索的系统架构图。它分为四个层级：
- 基础网络模型，包括：类目的识别、目标的检测和特征提取的深度学习。同时它也包括基于PQ量化的模型。
- 算法模块，分为离线和线上两个部分：
- 离线数据的处理，包括：目标检测、特征提取、生成索引库、以及通过Dump过程生成一些echo文件和数据。
- 线上的搜索过程，对应了前面提到的那张表。
- 中间接口层，灰色为Dump数据的生成，右边白色在线部分是针对不同算法模块所给出接口。
- 业务应用层，此处罗列了各种业务。目前，除了http接口，我们还接入了ZSerach和推荐引擎，以丰富推送结果。
下面具体介绍几个业务应用：
运营选品业务：导购运营基于流行服饰等图片，利用视觉搜索技术，查找到蘑菇街相应的商品。通过接入选品的后台，我们根据运营输入的图片，搜索出来各种相似的商品图片。
这些图片附带有价格、销量、折扣、上架时间等商品信息。运营筛选需要的商品，通过APP前端推给用户，从而避免了人工找图的工作量，同时提升了运营效率。
同款审核：电商的基础业务需要对商家上传的商品图片进行同款审核，并提供商家对于审核结果的在线查询。
因此，在接入了视觉搜索技术之后，我们通过识别系统来判断同款商品，并返回结果数据。在该算法上线之后，我们通过结合业务数据的实测，整体系统的准确率达到了99.06%，而漏检率仅有3%。
搜图购类产品：我们在2017年底上线了该产品的App端，而在2018年初上线了微信女装小程序。该产品的整体情况为：日均UV可达50万左右。
搭配TAB：为了给用户推荐各种搭配商品，我们基于现有图像数据库，结合目标检测算法，对全身图商品进行了检测。系统通过区分不同区块，以获取相似商品的搜索结果。
如上图所示，用户在点击了首页里的搭配图之后，便可获取详细的展示信息，进而在第三层的页面上，看到不同区块的相似性推荐结果。