使用深度学习搜索相似的产品

在电商铺货过程中，每天都会新增几十甚至几百个新品。由于产品数量众多，难免会遇到相同的SKU。为了避免重复上架，我们需要用到深度学习算法进行图片相似度比较，实现类似Google Lens的效果。

图为Google Lens搜索结果

今天要用到的模型和算法：

Faster R-CNN
OpenAI CLIP
Cosine Similarity

在之前的文章中提到，余弦相似度（Cosine Similarity）在数据科学中可以被用来比较两个向量之间的相关性，从而达到相似度对比。详情可以看Phil Miesle的Exploring the Real-world Applications of Cosine Similarity

什么是Faster R-CNN?

Faster R-CNN（Region-based Convolutional Neural Network）是一种应用于对象检测（Object Detection）任务的深度学习模型。Faster R-CNN 通过引入区域建议网络（RPN），提高了对象检测的速度和准确性。RPN 生成一系列候选区域，这些区域随后由 Fast R-CNN 检测器进行分类和边界框回归，从而确定每个对象的类别和精确位置。

Faster R-CNN 的工作流程如下：

特征提取：使用卷积神经网络（如 ResNet）从输入图像中提取特征。
区域建议：RPN 生成可能包含对象的候选区域（Anchor）。
区域分类和回归：Fast R-CNN 检测器对这些候选区域进行分类，并精确调整边界框的位置。

model = models.detection.fasterrcnn_resnet50_fpn(pretrained=True)
def detect_objects(image):
    with torch.no_grad():
        prediction = model([transform(image)])[0]
    return prediction

用fasterrcnn_resnet50_fpn进行预测，会输出由以下元素组成的Python dictionary:

boxes: 输出包含[y_min, x_min, y_max, x_max]的张量(Tensor). 可以理解为图片中的框框

labels: 输出由整数组成的张量，如tensor([28, 63, 64, 62, 28]). 这些整数代表了训练数据集的类目，由于fasterrcnn_resnet50_fpn是从COCO数据集训练的，数字对应的类别可以参考：https://github.com/amikelive/coco-labels/blob/master/coco-labels-paper.txt

scores: 每个框框的置信度（confidence score), 代表了框框中的object和预测类目的相似度

以Aosom.com的场景图片作为例子，以下是模型输出后的boxes：

通过fasterrcnn_resnet50_fpn进行预测后的boxes

在不加任何限制条件时，模型会输出检测到的所有框框。假设我们现在的任务是匹配沙发的相似度，在coco-labels-paper.txt中找到63 = couch （沙发），那我们就可以在boxes中匹配labels = 63的box：

提取label=63之后的输出图像

什么是OpenAI CLIP?

CLIP 通过多模态对比学习（Contrastive Learning）来训练（text image pairs)，在训练时同时学习了大量图像和文本，CLIP 能够捕捉更丰富的语义信息，从而在图像向量表示中包含更多的上下文和语义信息。CLIP拥有不错的零样本学习能力(Zero Shot Learning)，也就是说我们可以直接通过预训练模型进行预测:

clip_model = CLIPModel.from_pretrained("openai/clip-vit-base-patch32")
clip_processor = CLIPProcessor.from_pretrained("openai/clip-vit-base-patch32")

# 使用上文预测的main_object
inputs = clip_processor(images=main_object, return_tensors="pt")
with torch.no_grad():
    image_features = clip_model.get_image_features(**inputs)

模型会输出这个图像的嵌入(embeddings)：

tensor([[-2.9532e-01, 2.1558e-01, 4.4454e-02, -3.7444e-01, 3.6188e-01, -1.9132e-01, -2.2710e-01, 4.9299e-01, -4.9231e-02, -1.9174e-01, 5.0825e-01, 1.1113e-01, -4.0802e-02, -5.4021e-01, 3.3626e-01, -7.0196e-02, -5.7222e-01, -2.7112e-02, 1.4611e-01, -1.1657e-02, 4.0651e-01, 1.7071e-01, 1.5620e-01, … -8.3940e-02]])

余弦相似度 Cosine Similarity:

回归最经典的余弦相似度进行两张图对比：

from sklearn.metrics.pairwise import cosine_similarity
similarities = cosine_similarity(image_features, target_image_features)

轻松找到重合产品:

图片1：Credenza con Motivo a Spina di Pesce

图片2：HOMCOM Credenza Moderna in Truciolato e Metallo con 2 Armadietti a 2 Ante con Ripiani e 3 Cassetti

相似度：94.8%

Faster R-CNN裁剪出方框，有没有更精准的裁剪算法？

有，Mask R-CNN 在 Faster R-CNN 的基础上增加了一个用于实例分割的分支，能够为每个对象生成像素级的分割掩码。Mask R-CNN 优势在于实例分割能力，能够提供对象的精确边界，而不仅仅是边界框。这对于需要精确对象形状信息的任务（如医学图像分析、自动驾驶中的障碍物检测）尤为重要。

原图：

通过maskrcnn_resnet50_fpn检测主体并裁切后的图片：

Mask R-CNN能更加精确的识别主体。但需要注意的是，Mask的算法需要更长时间。在电商铺品这个环境下，需要找到两者之间的平衡。