物体检测、图像分割技术概述

       物体检测、图像分割是CV领域的两大任务，尤其是物体检测，其在各个领域和AI比赛中，更是占有举足轻重的位置。

1、概述

　　图1描述了起源于图像分类的主要计算机视觉类任务。

图1 发源于图像分类的计算机视觉任务

 

       为什么如此划分？因为在更早的时候，AI圈还停留在机器学习的时代，那时候的算法只有KNN、决策树、朴素贝叶斯和SVM等，外加AI界的设计模式：集成学习，搞出了一些组合式算法，比如随机森林、XGBoost等，这些算法大多只能对结构化(一张二维表)的数据进行处理，而对图像、音频、视频类的数据，往往不太胜任，要么是计算精度不够，要么就是计算速度太慢，对于那个时代的王者SVM算法，其计算速度是其致命的硬伤，无法规避，导致今天其已经很少使用，只留下了算法思想的价值。

      加上算力和算据的极大限制，因此早期机器学习类的算法，大多只能对图像类任务进行较为简单的处理，比如输入一张较小的图像，将其用决策树或SVM等进行分类，然后用模式匹配等算法，找找图像里有没物体。

      进入到互联网时代后，尤其是移动互联网时代，算据规模接近天文数字，英伟达显卡提供了充足的算力，深度学习的出现，正所谓天时、地利、人和三者合一，将时代推进到了AI变革的时代，图像分类任务就成了最基本的视觉类任务，在一张图像被成功分类后，自然而然就想进一步知道图像中某个物体的具体位置在哪，这个物体的类别是什么，这时候物体检测任务就呼之欲出了，而有了物体检测任务，又想更进一步将物体内容同背景区隔开，这个就是分割任务。

      分割任务又分为语义分割和实例分割，语义分割是不同类别的物体，用不同的颜色区分，相同类别的物体，用同一颜色，即语义分割，只区分不同物体的类别。而实例分割，无论物体间的类别是否相同，都将它们视为不同的，用不同颜色标识。Meta更是打着分割万物的旗号，推出了SAM模型，这种模型不再是简单的语义分割、实例分割和全景分割，而是这几种任务的结合体。

      在所有的计算机视觉任务中，物体检测是很核心的，也是很基础的任务，从物体检测派生出了图像分割、人脸检测、OCR和物体跟踪这些任务。

2、物体检测

       物体检测算法有基于锚框和不基于锚框两种，Faster RCNN、SSD、YOLO这些都是基于锚框的物体检测算法，而DLTR、FCOS这些算法是不基于锚框的。

2.1 物体检测套路

      不论哪种物体检测算法，其套路不外乎切、提、分三部曲，区别在于这三个步骤的执行顺序，以及如何切、如何提、如何分，不同的检测框架，其具体的切/提/分策略是不同的。

• 切

　　即切图，将原图中的某一部分切出来，进行该区域内的物体检测，至于具体切哪个位置，以及切图宽高大小，不同的物体检测算法不一样。切这个动作，其最终目的是构建图像金字塔，是提取多尺度特征的一个必要手段。

• 提

　　即提取特征，对原图或切下来的子图，采用CNN、Attention等进行特征提取。

• 分

　　即分类或回归，对原图或切下来的子图，分类其内所预测物体的类别，或回归其内所预测物体的偏移量。

2.2 基于anchor的物体检测算法

　　基于anchor的物体检测算法众多，本文以MTCNN和SSD为例，简要介绍一下。

2.2.1 MTCNN

　　MTCNN是一种人脸检测框架，本质上也是一种物体检测框架，稍加修改，也可用于其他物体检测任务，而MTCNN也是一种基于anchor的检测框架，相较于SSD、YOLO，其anchor种类比较单一，只有一种正方形的anchor，因为人脸都是类方形的，所以其逻辑和功耗相较SSD、YOLO就简洁许多。

　　MTCNN的核心思想是三个臭皮匠，顶得一个讲诸葛亮，即用三个简单模型(P-Net、 R-net、O-net)的串行联接，代替一个复杂的模型，通过实践验证，其效果还不错，即使性能上比复杂的单一模型稍差点，但效果也还不错，而且MTCNN模型非常简单，对存储、算力、功耗的要求极低，这是其他模型所不能比拟的。

　　其工作流程简要概括为切、提、分，即先从原图切下子图，然后对子图提取特征，最后基于提取的子图特征，预测子图中的物体分类及位置，如图2所示，MTCNN将原图按几种不同的比例进行压缩，再将压缩后的图片传给MTCNN的P-Net进行滑窗(CNN卷积核)处理，这就实现了多尺度特征的提取。

 

图2 MTCNN工作原理

2.2.2 SSD

      SSD英文全称Single Shot MultiBox Detect，是一种单阶段多任务的通用物体检测框架。

     SSD的工作流程是提、切、分，即上来先一顿猛如虎的提特征的操作，提取出不同层次的图像特征，然后基于这些不同深度的图像特征，将原图划分为大小不同的8732多个子图，图像特征深度越浅的，其感受野越小，对应原图的子区域范围越小，越能检测小的物体，反之则越大。每个特征图会相应地将原图像均分(切图)为特征图宽高乘积(宽*高)个子图，再然后会对这些子图预测其内包含的物体及其位置偏移。

SSD原理如图3所示，图中红框表示SSD通过特征图金字塔的方式，构建了对图像多尺度特征的提取，即每个特征图对应原图的一个切分粒度，比如8*8的feature map，将原图近似平均地划分为8*8=64个子图，然后SSD对这64个子图进行物体检测，其他层级的特征图工作方式以此类推。

图3 SSD原理图

2.2.2.1 SSD多尺度特征

       SSD的多尺度特征提取，基于不同层次的特征图实现，图3中一张300*300的图像，先经SSD backbone各CNN层次的卷积计算，再依次通过6层自定义卷积层，依次得到38*38、19*19、10*10、5*5、3*3、1*1共计6张特征图，这6张图用来对原图进行不同scale尺寸的子图切割，以38*38特征图为例，其将原图300*300大小的图像，近似均匀地切分为38*38=1444个子图，每个子图大小约为(300/38, 300/38)的大小而这1444个子图从上到下、从左到右地排布在原图上，在此基础上，SSD对每个子图设计了高矮胖瘦各不相同的4个anchor，然后SSD就对每一个anchor预测其内是否有物体，以及物体是哪个分类，以及物体位置相对于子图的偏移。

       所以，特征图越大，其能分辨的特征越局部，而特征图越小，其能分辨的特征就越全局，对于小物体检测，需要增加尺寸大的特征图数量，减少尺寸小的特征图数量。

 

2.2.2.2 SSD anchor

       SSD提出了8732个大小不一的anchor，兼顾大小不同、高矮胖瘦不同的物体检测，如图4所示。

 

图4 SSD锚框分布

 

2.2.2.3 SSD损失函数

       SSD损失函数包含2个部分，一部分是物体类别预测损失的交叉熵Loss1，一部分是预测物体位置偏移的损失Loss2。

• 物体类别预测的Loss1损失

　　这类损失，采用的是交叉熵计算，采用了一个trick，用于平衡正负样本不均衡的问题，即对每张图像，正样本为n，则对应选取3n的负样本，也即正样本的权重为1。

       对于正负样本不均衡的问题，也可借鉴Focus Loss的思路，给正负样本的loss，分别设置一个权重，以减轻样本不均衡带来的问题。

• 物体位置偏移预测的Loss2损失

　　SSD采用的是L1SmoothLoss，L1SmoothLoss是对L1损失函数的改进，将0附近的点变得可导且光滑，更容易使模型训练收敛，如图5所示。

图5 L1损失、L1SmoothLoss效果对比

2.2 无anchor的物体检测算法

 　 此类物体检测算法，规避了因引入anchor而带来的额外的庞大计算开销，实际运行效果也还不错，代表算法有DETR、FCOS、Yolov8等。

2.3.1 DETR算法

　  DETR算法全称为Detection Transformer，是一种基于Transformer的物体检测框架，先通过传统CNN提取图像特征为一个Contextual Vector，经位置编码后，利用Transformer encoder对Contextual Vector进行特征提取，然后使用Transformer decoder结合object queries生成式地输出目标物体的位置和物体类别，算法原理如图6所示。

图6 DETR算法原理

       DETR算法的缺点是训练慢、所需的数据规模也比较大，在小物体检测上表现还有所欠缺，但其优点是算法架构灵活，很容易地应用于全景分割，在较大物体的检测上效果不错。

2.3.2 FCOS算法

　　FCOS算法是基于anchor-based算法衍生出的一种anchor-free算法，图7描述了FCOS算法原理。

图7 FCOS算法原理

       从算法原理图上看，FCOS同SSD、YOLO差异似乎不是太大，至少在特征提取、多尺度这块，三者差异不大，都是通过特征图实现多尺度，以及通过提取局部区域感受野的特征，作为后续物体类别、位置偏移的预测提供依据。

       FCOS与SSD、YOLO的不同，在于对特征图上点的处理，SSD会基于特征图的每个点，设定一些anchor，然后做后续GT框的分配和预测后的NMS处理等等，而FCOS对于特征图点的处理，是将其映射回原图中的一个点，如果这个点恰好在某个GT框的内部，则该特征图点对应子块在原图中的位置，则为一个正样本。之后FCOS基于每个特征图的每个特征点，通过Head分支预测其对应块的物体类别、center_ness、l、t、r、b，center_ness是一个权重项，用来抑制预测目标同GT框中心点相距很远，从而使预测质量低下的情况。

3、图像分割

　　图像分割是基于物体检测任务，自然而然派生出来的任务，物体检测本质上还是一种粒度较为粗糙的检测任务，只是对物体所在位置画了一个检测方框，而物体本身面积可能在该检测框内所占面积还不到1/10。

       图像分割是一种精度要求较高的任务，本质是像素级的分类任务，即对图像中的每个像素进行分类，经典框架有UNet，以及后续的Deeplab、Yolact等。

       UNet框架采用的是一种Encoder-Decoder，如图8所示，UNet的左半边是不断CNN及降采样的过程，这个过程是Encoder的编码过程，而UNet的右半边，是不断转置CNN和上采样的过程，这个过程是Decoder的解码过程，编码过程和解码过程会有shortcut短接的数据连接，以使用上采样时可以访问原始的低层特征。

 

图8 UNet架构

       UNet框架虽然简单，但其应用价值非常重要，后面扩散模型Stable Diffusion Model(LDM)等很多地方都会用到。

4、总结

　　计算机视觉类的常见任务有图像分类、物体检测和图像分割，这些任务已经派生出了非常多的经典框架，可根据任务的实际情况，酌情使用。

 

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