自动化学报  2017, Vol. 43 Issue (8): 1289-1305   PDF    
深度学习在目标视觉检测中的应用进展与展望
张慧1,2, 王坤峰1,3, 王飞跃1,4     
1. 中国科学院自动化研究所复杂系统管理与控制国家重点实验室 北京 100190;
2. 中国科学院大学 北京 100049;
3. 青岛智能产业技术研究院 青岛 266000;
4. 国防科学技术大学军事计算实验与平行系统技术研究中心 长沙 410073
摘要: 目标视觉检测是计算机视觉领域的一个重要问题,在视频监控、自主驾驶、人机交互等方面具有重要的研究意义和应用价值.近年来,深度学习在图像分类研究中取得了突破性进展,也带动着目标视觉检测取得突飞猛进的发展.本文综述了深度学习在目标视觉检测中的应用进展与展望.首先对目标视觉检测的基本流程进行总结,并介绍了目标视觉检测研究常用的公共数据集;然后重点介绍了目前发展迅猛的深度学习方法在目标视觉检测中的最新应用进展;最后讨论了深度学习方法应用于目标视觉检测时存在的困难和挑战,并对今后的发展趋势进行展望.
关键词: 目标视觉检测     深度学习     计算机视觉     平行视觉    
Advances and Perspectives on Applications of Deep Learning in Visual Object Detection
ZHANG Hui1,2, WANG Kun-Feng1,3, WANG Fei-Yue1,4     
1. State Key Laboratory of Management and Control for Complex Systems, Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190;
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049;
3. Qingdao Academy of Intelligent Industries, Qingdao 266000;
4. Research Center for Computational Experiments and Parallel Systems Technology, National University of Defense Technology, Changsha 410073
Manuscript received : December 15, 2016, accepted: March 16, 2017.
Foundation Item: Supported by National Natural Science Foundation of China (61533019, 61304200) and China Scholarship Council (201504910397)
Author brief: ZHANG Hui    Ph. D. candidate at the State Key Laboratory of Management and Control for Complex Systems, Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences. Her research interest covers intelligent transportation systems, object vision detection, and deep learning.E-mail:zhanghui2015@ia.ac.cn;
WANG Kun-Feng    Associate professor at the State Key Laboratory of Management and Control for Complex Systems, Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences. His research interest covers intelligent transportation systems, intelligent vision computing, and machine learning.E-mail:kunfeng.wang@ia.ac.cn
Corresponding author. WANG Fei-Yue    Professor at the State Key Laboratory of Management and Control for Complex Systems, Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences. Director of the Research Center for Computational Experiments and Parallel Systems Technology, National University of Defense Technology. His research interest covers modeling, analysis, and control of intelligent systems and complex systems. Corresponding author of this paper.E-mail:feiyue.wang@ia.ac.cn
Recommended by Associate Editor ZHOU Tao
Abstract: Visual object detection is an important topic in computer vision, and has great theoretical and practical merits in applications such as visual surveillance, autonomous driving, and human-machine interaction. In recent years, significant breakthroughs of deep learning methods in image recognition research have arisen much attention of researchers and accordingly led to the rapid development of visual object detection. In this paper, we review the current advances and perspectives on the applications of deep learning in visual object detection. Firstly, we present the basic procedure for visual object detection and introduce some newly emerging and commonly used data sets. Then we detail the applications of deep learning techniques in visual object detection. Finally, we make in-depth discussions about the difficulties and challenges brought by deep learning as applied to visual object detection, and propose some perspectives on future trends.
Key words: Visual object detection     deep learning     computer vision     parallel vision    

目标视觉检测是计算机视觉领域中一个非常重要的研究问题.随着电子设备的应用在社会生产和人们生活中越来越普遍, 数字图像已经成为不可缺少的信息媒介, 每时每刻都在产生海量的图像数据.与此同时, 对图像中的目标进行精确识别变得越来越重要[1].我们不仅关注对图像的简单分类, 而且希望能够准确获得图像中存在的感兴趣目标及其位置[2], 并将这些信息应用到视频监控、自主驾驶等一系列现实任务中, 因此目标视觉检测技术受到了广泛关注[3].

目标视觉检测具有巨大的实用价值和应用前景.应用领域包括智能视频监控、机器人导航、数码相机中自动定位和聚焦人脸的技术、飞机航拍或卫星图像中道路的检测、车载摄像机图像中的障碍物检测等.同时, 目标视觉检测也是众多高层视觉处理和分析任务的重要前提, 例如行为分析、事件检测、场景语义理解等都要求利用图像处理和模式识别技术, 检测出图像中存在的目标, 确定这些目标对象的语义类型, 并且标出目标对象在图像中的具体区域[4].

在自然环境条件下, 目标视觉检测经常遇到以下几个方面的挑战:

1) 类内和类间差异

对于很多物体, 它们自身就存在很大的差异性, 同类物体的不同实例在颜色、材料、形状等方面可能存在巨大的差异, 很难训练一个能够包含所有类内变化的特征描述模型.另外, 不同类型物体之间又可能具有很大的相似性, 甚至非专业人员从外观上很难区分它们.类内差异可能很大, 而类间差异可能很小, 给目标视觉检测提出了挑战.

2) 图像采集条件

在图像采集过程中, 由于环境、光照、天气、拍摄视角和距离的不同、物体自身的非刚体形变以及可能被其他物体部分遮挡, 导致物体在图像中的表观特征具有很大的多样性, 对视觉算法的鲁棒性提出了很高要求.

3) 语义理解的差异

对同一幅图像, 不同的人可能会有不同的理解, 这不仅与个人的观察视角和关注点有关, 也与个人的性格、心理状态和知识背景等有关, 这明显增加了从仿生或类脑角度来研究视觉算法的难度.

4) 计算复杂性和自适应性

目标视觉检测的计算复杂性主要来自于待检测目标类型的数量、特征描述子的维度和大规模标记数据集的获取.由于在真实世界中存在大量的目标类型, 每种类型都包含大量的图像, 同时识别每种类型需要很多视觉特征, 这导致高维空间稀疏的特征描述[4].另外, 目标模型经常从大规模标记数据集中学习得到, 在许多情况下, 数据采集和标注很困难, 需要耗费大量的人力物力.这些情况导致目标检测的计算复杂性很高, 需要设计高效的目标检测算法.同时, 在动态变化的环境中, 为了提高目标检测精度, 还需要探索合适的机制来自动更新视觉模型, 提高模型对复杂环境的自适应能力.

为了克服上述挑战, 已经提出了许多目标视觉检测算法, 它们在目标区域建议、图像特征表示、候选区域分类等步骤采用了不同的处理策略.近年来, 随着深度学习技术的发展, 很多基于深度学习的目标视觉检测方法陆续被提出, 在精度上显著优于传统方法, 成为最新的研究热点.本文首先介绍目标视觉检测的基本流程, 然后重点介绍深度学习在目标视觉检测中的应用进展.

本文内容安排如下:第1节介绍目标视觉检测的基本流程; 第2节对目标视觉检测研究常用的公共数据集进行概述; 第3节介绍深度学习技术在目标视觉检测中的最新应用进展; 第4节讨论深度学习技术应用于目标视觉检测时存在的困难和挑战, 并对今后的发展趋势进行展望; 第5节对本文进行总结.

1 目标视觉检测的基本流程

目标视觉检测的根本问题是估计特定类型目标出现在图像中的哪些位置.如图 1所示, 目标视觉检测技术在流程上大致分为三个步骤:区域建议(Region proposal)、特征表示(Feature representation)和区域分类(Region classification).首先对图像中可能的目标位置提出建议, 也就是提出一些可能含有目标的候选区域.然后采用合适的特征模型得到特征表示.最后借助分类器判断各个区域中是否含有特定类型的目标, 并且通过一些后处理操作, 例如非极大值抑制、边框位置回归等, 得到最终的目标边框.该基本流程被许多工作所采用, 例如文献[5]提出的HOG-SVM检测方法、文献[6]提出的Selective search区域建议方法、目前在PASCAL VOC、MS COCO、ImageNet等数据集上取得领先精度的Faster R-CNN[7]检测方法以及Faster R-CNN采用的特征表示和区域分类方法ResNet[8]等.

图 1 目标视觉检测的基本流程 Figure 1 Basic procedure for object detection

本节接下来从区域建议、特征表示和区域分类三个方面来总结目标视觉检测的关键技术.

1.1 区域建议

目标检测要求获得目标的位置和尺度信息, 这需要借助区域建议来实现.区域建议是指在输入图像中搜寻特定类型目标的可能区域的一种策略.传统的区域建议策略包括三种[4]:基于滑动窗的区域建议、基于投票机制的区域建议和基于图像分割的区域建议.

1.1.1 基于滑动窗的区域建议

基于滑动窗的方法是在输入图像所有可能的子窗口中执行目标检测算法来定位潜在的目标.在文献[5]中, 检测窗口是一个给定大小的矩形框, 在整幅图像的所有位置和尺度上进行扫描, 并对区域分类结果做非极大值抑制.基于滑动窗的区域建议方法采用穷举搜索, 原理简单, 易于实现, 但是计算复杂性高, 太过耗时.于是一些研究者提出加快窗口搜索的方法. Lampert等[9]提出了一种高效的子窗口搜索策略(简称为ESS), 采用分支限界法来减少搜索范围.但是它的性能在很大程度上取决于输入图像中的物体, 当没有物体出现时, 该算法退化到穷举搜索. An等[10]提出一种改进的ESS算法. Wei等[11]提出一种在直方图维度上具有常数复杂度的滑动窗口策略. Van de Sande等[12]引入图像分割信息, 将其作为目标假设区域, 从而只对这些假设区域进行目标检测.

1.1.2 基于投票机制的区域建议

基于投票机制的方法主要用于基于部件的模型, 通常投票机制的实现可归纳为两步[13-14]: 1) 找到输入图像与模型中各个局部区域最匹配的区域, 并最大化所有局部区域的匹配得分; 2) 利用拓扑评价方法取得最佳的结构匹配.由于投票机制是一种贪心算法, 可能得不到最优的拓扑假设, 并且部件匹配通常采用穷举搜索来实现, 计算代价很高.

1.1.3 基于图像分割的区域建议

基于图像分割的区域建议建立在图像分割的基础上, 分割的图像区域就是目标的位置候选.语义分割是一种最直接的图像分割方法, 需要对每个像素所属的目标类型进行标注[15].目前主要采用的方法是概率图模型, 例如采用CRF[16]或MRF[17]方法来鼓励相邻像素之间的标记一致性.图像分割是一个耗时而又复杂的过程, 而且很难将单个目标完整地分割出来.

不同于以上策略, 文献[6]先将图片分割成若干小区域, 然后再聚合, 通过对聚合后的区域打分并排序, 获得较有可能是目标区域的窗口.文献[18-19]中采用生成大量窗口并打分, 然后过滤掉低分的方法.文献[20]对这些方法进行了讨论和比较.这些方法存在的主要问题是, 采样数目较少时召回率不高、定位精度较低等.对于一个目标检测系统来说, 少量的候选区域不仅可以减少运行时间, 而且使得检测准确率更高, 因此保证采样数目少的情况下召回率仍然很高是至关重要的.为了解决这些问题, 一些研究者开始采用深度学习方法来产生候选区域.在MultiBox[21-22]中, 通过采用深度神经网络回归模型定位出若干可能的包围边框.在Deepbox[23]中, Kuo等采用训练卷积神经网络模型来给通过EdgeBoxes[19]产生的候选区域进行排序.在DeepProposal[24]中, Ghodrati等评估了用卷积神经网络产生目标候选区域的质量, 发现最后一层卷积层可以以很高的召回率找到感兴趣的目标, 但是定位精度很低, 而第一层网络可以很好地定位目标, 但是召回率很低.基于此发现, 他们设计了一种通过多层CNN特征由粗到细地串联来产生候选区域的方法.文献[7]提出区域建议网络(Region proposal network, RPN), 把产生候选区域和区域分类联合到一个深度神经网络, 通过端到端训练, 在提高精度的同时降低了计算时间.最近, Gidaris等[25]使用概率预测方式来进一步提高目标检测的定位精度, 不同于边框位置回归的方法, 该方法首先将搜索区域划分成若干个水平区域和竖直区域, 然后给搜索区域的每列或每行分配概率, 利用这些概率信息来不断迭代获得更精确的检测框.

1.2 特征表示

特征表示是实现目标视觉检测必备的步骤, 选择合适的特征模型将图像区域映射为特征向量, 然后利用从训练样本学习到的分类器对该特征向量进行分类, 判断其所属类型.特征的表达能力直接影响分类器精度, 决定了算法的最终性能.特征模型主要分为手工设计的特征和自动学习的特征.

1.2.1 手工设计的特征

在深度学习热潮之前, 主要采用手工设计的特征.手工特征数目繁多, 可以分为三大类:基于兴趣点检测的方法、基于密集提取的方法和基于多种特征组合的方法.

1) 基于兴趣点检测的方法

兴趣点检测方法通过某种准则, 选择具有明确定义并且局部纹理特征比较明显的像素、边缘和角点等[3].其中Sobel、Prewitt、Roberts、Canny和LoG (Laplacian of Gaussian)等是典型的边缘检测算子[26-29].而Harris、FAST (Features from accelerated segment test)、CSS (Curvature scale space)和DOG (Difference of Gaussian)等是典型的角点检测算子[30-32].兴趣点检测方法通常具有一定的几何不变性, 能够以较小的计算代价得到有意义的表达.

2) 基于密集提取的方法

密集提取方法主要提取局部特征.区别于颜色直方图等全局特征, 局部特征有利于处理目标部分遮挡问题.常用的局部特征有SIFT (Scale-invariant feature transform)[33]、HOG (Histogram of oriented gradient)[5]、Haar-like[34]和LBP (Local binary pattern)[35-36]等.局部特征包含的信息丰富、独特性好, 并且具有较强的不变性和可区分性, 能够最大程度地对图像进行底层描述.但是其计算一般比较复杂, 近些年图像的局部特征正在向快速和低存储方向发展.

3) 基于多种特征组合的方法

手工特征具有良好的可扩展性, 将兴趣点检测与密集提取相结合的多种特征组合方法, 能够弥补利用单一特征进行目标表示的不足. DPM (Deformable part-based model)[2]提出了一种有效的多种特征组合模型, 被广泛应用于目标检测任务并取得了良好效果, 例如行人检测[37-38]、人脸检测[39-40]和人体姿态估计[41]等.另外, 文献[42]提出了一种改进的DPM方法, 大大提升了检测速度.

依靠手工设计特征, 需要丰富的专业知识并且花费大量的时间.特征的好坏在很大程度上还要依靠经验和运气, 往往整个算法的测试和调节工作都集中于此, 需要手工完成, 十分费力.与之相比, 近年来受到广泛关注的深度学习理论中的一个重要观点就是手工设计的特征描述子作为视觉计算的第一步, 往往过早地丢失掉有用信息, 而直接从图像中学习到与任务相关的特征表示, 比手工设计特征更加有效[3].

1.2.2 自动学习的特征

近年来, 深度学习在图像分类和目标检测等领域取得了突破性进展, 成为目前最有效的自动特征学习方法.深度学习模型具有强大的表征和建模能力, 通过监督或非监督的方式, 逐层自动地学习目标的特征表示, 将原始数据经过一系列非线性变换, 生成高层次的抽象表示, 避免了手工设计特征的繁琐低效.深度学习在目标视觉检测中的研究现状是本文的核心内容, 将在第3节进行详细介绍.

1.3 区域分类

区域分类是指把候选区域的特征向量作为分类器输入, 预测候选区域所属的目标类型.分类器在目标检测中的作用可以概括为:先利用训练数据集进行模型学习, 然后利用学习到的模型对新的候选区域进行类型预测.分类器一般是利用监督学习方法训练得到的, 常用的有支持向量机(Support vector machine, SVM)、Adaboost、随机森林、神经网络等.目前, 图像识别任务中广泛采用一对多(One-vs-others)的分类器训练方式[43], 就是把其中一类模式作为正样本, 其余模式作为负样本, 针对每一类模式分别训练一个分类器; 在测试阶段, 将图像特征分别输入到所有的分类器, 选择分类器响应最大的一类模式作为类型预测. Girshick等[44]就是采用这种方式, 提取候选区域的特征表示, 利用一对多SVM分类器实现对PASCAL VOC图像集20种目标的检测.

2 目标视觉检测的公共数据集

为了促进目标视觉检测的研究进展, 建设大规模的公共数据集成为必然要求.目前, 目标视觉检测研究常用的公共数据集有ImageNet、PASCAL VOC、SUN和MS COCO等.下面将从这些数据集包含的图像数目、类型数目、每类样本数等方面对它们进行介绍.直观对比如图 2所示.

图 2 几种公共数据集的对比图 Figure 2 Comparison of several common datasets

1) ImageNet数据集[45]

该数据集是目前世界上最大的图像分类数据集, 包含1 400万幅图像、2.2万个类型, 平均每个类型包含1 000幅图像.此外, ImgeNet还建立了一个包含1 000类物体, 有120万图像的数据集, 并将该数据集作为图像识别竞赛的数据平台.

2) PASCAL VOC数据集[46]

2005 ~ 2012年, 该数据集每年都发布关于图像分类、目标检测和图像分割等任务的数据集, 并在相应数据集上举行算法竞赛, 极大地推动了计算机视觉领域的研究进展.该数据集最初只提供了4个类型的图像, 到2007年稳定在20个类; 测试图像的数量从最初的1 578幅, 到2011年稳定在11 530幅.虽然该数据集类型数目比较少, 但是由于图像中物体变化极大, 每幅图像可能包含多个不同类型目标对象, 并且目标尺度变化很大, 因而检测难度非常大.

3) SUN数据集[47]

该数据集是一个覆盖较大场景、位置、物体变化的数据集, 其中的场景名主要是从WorldNet中描述场景、位置、环境等任何具体的名词得来. SUN数据集包含两个评测集:一个是场景识别数据集, 称为SUN 397, 共包含397类场景, 每类至少包含100幅图像, 总共有108 754幅图像; 另一个评测集为物体检测数据集, 称为SUN 2012, 包含16 873幅图像.

4) MS COCO数据集[48]

该数据集包含约30多万幅图像、200多万个标注物体、91个物体类型.虽然比ImageNet和SUN包含的类型少, 但是每一类物体的图像多, 另外图像中包含精确的分割信息, 是目前每幅图像平均包含目标数最多的数据集. MS COCO不但能够用于目标视觉检测研究, 还能够用来研究图像中目标之间的上下文关系.

3 深度学习在目标视觉检测中的应用进展 3.1 深度学习简介

深度学习模型具有强大的表征和建模能力, 通过监督或非监督的训练方式, 能够逐层、自动地学习目标的特征表示, 实现对物体层次化的抽象和描述. 1986年, Rumelhart等[49]提出人工神经网络的反向传播(Back propagation, BP)算法. BP算法指导机器如何从后一层获取误差而改变前一层的内部参数, 深度学习能够利用BP算法发现大数据中的复杂结构, 把原始数据通过一些简单的非线性函数变成高层次的抽象表达[50], 使计算机自动学习到模式特征, 从而避免了手工设计特征的繁琐低效问题. Hinton等[51-52]于2006年首次提出以深度神经网络为代表的深度学习技术, 引起学术界的关注.之后, Bengio[53]、LeCun[54]和Lee[55]等迅速开展了重要的跟进工作, 开启了深度学习研究的热潮.深度学习技术首先在语音识别领域取得了突破性进展[56].在图像识别领域, Krizhevsky等[57]于2012年构建深度卷积神经网络, 在大规模图像分类问题上取得了巨大成功.随后在目标检测任务中, 深度学习方法[7, 44, 58]也超过了传统方法.

目前应用于图像识别和分析研究的深度学习模型主要包括堆叠自动编码器(Stacked auto-encoders, SAE)[53]、深度信念网络(Deep belief network, DBN)[51-52]和卷积神经网络(Convolutional neural networks, CNN)[59]等.

SAE模型的实质是多个自动编码器(Auto-encoder, AE)的堆叠.一个自动编码器是由编码器和解码器两部分组成, 能够尽可能复现输入信号.作为一种无监督学习的非线性特征提取方法, 其输出与输入具有相同的维度, 隐藏层则被用来进行原始数据的特征表示或编码. SAE模型将前一层自动编码器的输出作为后一层自动编码器的输入, 逐层地对自动编码器进行预训练, 然后利用BP算法对整个网络进行微调.目前基于SAE的扩展模型有很多, 例如, 堆叠去噪自动编码器(Stacked denoising autoencoders, SDA)[60], 以及堆叠卷积自动编码器(Stacked convolutional auto-encoders, SCAE)[61].

DBN类似于SAE, 它的基本单元是受限玻尔兹曼机(Restricted Boltzmann machines, RBM), 整个网络的训练分为两个阶段:预训练和全局微调.首先以原始输入为可视层, 训练一个单层的RBM, 该RBM训练完成后, 其隐层输出作为下一层RBM的输入, 继续训练下一层RBM.以此类推, 逐层训练, 直至将所有RBM训练完成, 通过这种贪婪式的无监督训练, 使整个DBN模型得到一个比较好的初始值, 然后加入数据标签对整个网络进行有监督的微调, 进一步改善网络性能.

CNN是图像和视觉识别中的研究热点, 近年来取得了丰硕成果. 图 3给出了由LeCun等[59]提出的用于数字手写体识别的CNN网络结构, CNN通常包含卷积层、池化层和全连接层.卷积层通过使用多个滤波器与整个图像进行卷积, 可以得到图像的多个特征图表示; 池化层实际上是一个下采样层, 通过求局部区域的最大值或平均值来达到降采样的目的, 进一步减少特征空间; 全连接层用于进行高层推理, 实现最终分类. CNN的权值共享和局部连接大大减少了参数的规模, 降低了模型的训练复杂度, 同时卷积操作保留了图像的空间信息, 具有平移不变性和一定的旋转、尺度不变性. 2012年, Krizhevsky等[57]将CNN模型用于ImageNet大规模视觉识别挑战赛(ImageNet large scale visual recognition challenge, ILSVRC)的图像分类问题, 使错误率大幅降低, 在国际上引起了对CNN模型的高度重视, 也因此推动了目标视觉检测的研究进展.

图 3 卷积神经网络的基本结构[59] Figure 3 Basic structure of convolutional neural network[59]
3.2 AlexNet及其改进模型

随着深度学习的发展, 人们将深度学习应用于图像分类和目标检测任务中, 在许多公开竞赛中取得了明显优于传统方法的结果. Krizhevsky等[57]提出了一种新型卷积神经网络模型AlexNet, 随后其他研究者相继提出ZFNet[62]、VGG[63]、GoogLeNet[64]和ResNet[8]等改进模型, 进一步提高了模型精度. 表 1显示了几种经典CNN模型在图像分类任务中的性能对比. ILSVRC的图像分类错误率每年都在被刷新, 如图 4所示.随着模型变得越来越深, 图像分类的Top-5错误率也越来越低, 目前已经降低到3.08%附近[65].而在同样的ImageNet数据集上, 人眼的辨识错误率大约在5.1%.尽管这些模型都是针对图像分类来做的, 但是都在解决一个最根本的问题, 即更强大的特征表示.采用这些CNN模型得到更强大的特征表示, 然后应用到目标检测任务, 可以获得更高的检测精度.

表 1 经典CNN模型在ILSVRC图像分类任务上的性能对比 Table 1 Performance comparison of classical CNN model in image classification task of ILSVRC
图 4 ILSVRC图像分类任务历年冠军方法的Top-5错误率(下降曲线)和网络层数(上升曲线) Figure 4 Top-5 error rate (descent curve) and network layers (rise curve) of the champion methods each year in image classification task of ILSVRC

AlexNet[57]在ILSVRC 2012图像分类任务上取得了Top-5错误率16.4%, 明显优于基于传统方法的第2名的结果(Top-5错误率26.2%). AlexNet神经网络由5个卷积层、最大池化层、Dropout层和3个全连接层组成, 网络能够对1 000个图像类型进行分类.由于AlexNet的成功, 许多研究人员开始关注和改进CNN结构. Zeiler等[62]通过可视化AlexNet网络, 发现第1层滤波器是非常高频和低频信息的混合, 很少覆盖中间频率.并且由于第2层卷积采用比较大的步长, 导致第2层出现混叠失真(Aliasing artifacts).为了解决这些问题, 他们将第1层滤波器的尺寸从11 × 11减小到7 × 7, 将步长从4减小到2, 形成ZFNet模型. ZFNet在网络的第1层和第2层保留了更多信息, 降低了分类错误率.

Simonyan等[63]随后提出VGG网络, 探索在网络参数总数基本不变的情况下, CNN随着层数的增加, 导致其性能的变化.不同于AlexNet, VGG采用的滤波器尺寸是3 × 3, 通过将多个3 × 3滤波器堆叠的方式来代替一个大尺寸的滤波器, 因为多个3 × 3尺寸的卷积层比一个大尺寸滤波器卷积层具有更高的非线性, 使模型更有判别能力, 而且多个3 × 3尺寸的卷积层比一个大尺寸的滤波器有更少的参数.通过加入1 × 1卷积层, 在不影响输入输出维数的情况下, 进一步增加网络的非线性表达能力.

Szegedy等[64]提出了一种新的深度CNN模型GoogLeNet, 习惯上称为Inception-v1.只利用了比AlexNet[57]少12倍的参数, 但分类错误率更低. GoogLeNet采用Inception结构, 上一层的输出经过$1\times 1$$3\times 3$$5\times 5$的卷积层和$3\times 3$的池化层, 然后拼接在一起作为Inception的输出.并且在$3\times 3$、5 × 5卷积层之前采用$1\times 1$卷积层来降维, 既增加了网络的深度, 又减少了网络参数. Inception结构既提高了网络对尺度的适应性, 又提高了网络计算资源的利用率.但是深度网络在训练时, 由于模型参数在不断更新, 各层输入的概率分布在不断变化, 因此必须使用较小的学习率和较好的参数初值, 导致网络训练很慢, 同时也导致采用饱和的非线性激活函数(例如Sigmoid)时训练困难.为了解决这些问题, 又出现了GoogLeNet的续作Inception-v2[66].它加入了批规范化(Batch normalization)处理, 将每一层的输出都进行规范化, 保持各层输入的分布稳定, 使得梯度受参数初值的影响减小.批规范化加快了网络训练速度, 并且在一定程度上起到正则化的作用. Inception-v2在ILSVRC 2012图像分类任务上的Top-5错误率降低到4.8%.随着Szegedy等研究GoogLeNet的深入, 网络的复杂度也逐渐提高. Inception-v3[67]变得更加复杂, 它通过将大的滤波器拆解成若干个小的滤波器的堆叠, 在不降低网络性能的基础上, 增加了网络的深度和非线性. Inception-v3在ILSVRC 2012图像分类任务上的Top-5错误率降低到3.5%.

2015年, He等[8]提出了深度高达上百层的残差网络ResNet, 网络层数(152层)比以往任何成功的神经网络的层数多5倍以上, 在ImageNet测试集上的图像分类错误率低至3.57%. ResNet使用一种全新的残差学习策略来指导网络结构的设计, 重新定义了网络中信息流动的方式, 重构了网络学习的过程, 很好地解决了深度神经网络层数与错误率之间的矛盾(即网络达到一定层数后, 更深的网络导致更高的训练和测试错误率). ResNet具有很强的通用性, 不但在图像分类任务, 而且在ImageNet数据集的目标检测、目标定位任务以及MS COCO数据集的目标检测和分割任务上都取得了当时最好的竞赛成绩.此后, Szegedy等[65]通过将Inception结构与ResNet结构相结合, 提出了Inception-ResNet-v1和Inception-ResNet-v2两种混合网络, 极大地加快了训练速度, 并且性能也有所提升.除了这种混合结构, 他们还设计了一个更深更优化的Inception-v4网络, 单纯依靠Inception结构, 达到与Inception-ResNet-v2相近的性能. Szegedy等[65]将3个Inception-ResNet-v2网络和1个Inception-v4网络相集成, 在ILSVRC 2012图像分类任务上的Top-5错误率降低到3.08%.

3.3 深度学习在目标视觉检测中的应用

深度学习技术的发展, 极大推动了目标视觉检测研究.目标检测与图像分类最主要的不同在于目标检测关注图像的局部结构信息, 而图像分类关注图像的全局表达.与图像分类一样, 目标检测的输入也是整幅图像.目标检测和图像分类在特征表示和分类器设计上有很大的相通性.

接下来, 我们从基于区域建议的方法和无区域建议的方法两方面来介绍深度学习在目标视觉检测中的研究现状.

3.3.1 基于区域建议(Proposal-based)的方法

Girshick等[44]提出的R-CNN (Region-based convolutional neural networks)方法, 是近年来基于深度学习的目标检测研究的重要参考方法. R-CNN将目标区域建议(Region proposal)和CNN相结合, 在PASCAL VOC 2012上的检测平均精度mAP (Mean average precision)达到53.3%, 比传统方法有了明显改进. R-CNN的基本流程如图 5所示, 首先对每一幅输入图像, 采用选择性搜索(Selective search)[6]来提取候选区域; %并且不考虑长宽比, 直接把每个区域都缩放到227*227的尺寸, 来适应CNN需要的输入尺寸, 然后用CNN网络从每个区域提取一个固定长度的特征向量, 这里采用AlexNet[57]结构, 图像经过5个卷积层和2个全连接层, 得到一个4 096维的特征向量; 接着把提取到的特征向量送入支持向量机进行分类.由于一些区域存在高度交叠, Girshick等采用非极大值抑制(Non-maximum suppression)来舍弃那些与更高得分区域的IoU (Intersection-over-Union)过大的区域.为了得到更精确的结果, 还采用了边框回归方法来进一步改善检测结果.在R-CNN模型的训练过程中, 由于目标检测标注数据集的规模不够, Girshick等先将网络在大规模数据集ImageNet上进行预训练, 然后用$N+1$类(N个目标类和1个背景类)的输出层来替换1 000类的Softmax层, 再针对目标检测任务, 用PASCAL VOC数据集进行微调.这种方法很好地解决了训练数据不足的问题, 进一步提升了检测精度.得益于CNN的参数共享以及更低维度的特征, 整个检测算法更加高效.但是, R-CNN也存在一些不容忽视的问题: 1) 候选区域之间的交叠使得特征被重复提取, 造成了严重的速度瓶颈, 降低了计算效率; 2) 将候选区域直接缩放到固定大小, 破坏了物体的长宽比, 可能导致物体的局部细节损失; 3) 使用边框回归有助于提高物体的定位精度, 但是如果待检测物体存在遮挡, 该方法将难以奏效.

图 5 R-CNN的计算流程[44] Figure 5 Calculation flow of R-CNN[44]

He等[68]针对R-CNN速度慢{以及要求输入图像块尺寸固定}的问题, 提出空间金字塔池化(Spatial pyramid pooling, SPP)模型.在R-CNN中, 要将提取到的目标候选区域变换到固定尺寸, 再输入到卷积神经网络, He等加入了一个空间金字塔池化层来避免了这个限制. SPP-net网络不论输入图像的尺寸大小, 都能产生固定长度的特征表示. SPP-net是对整幅图像提取特征, 在最后一层卷积层得到特征图后, 再针对每个候选区域在特征图上进行映射, 由此得到候选区域的特征.因为候选区域的尺寸各不相同, 导致它们映射所得到的特征图大小也不同, 但CNN的全连接层需要固定维度的输入, 因此引入了空间金字塔池化层来把特征转换到相同的维度.空间金字塔池化的思想来源于空间金字塔模型(Spatial pyramid model, SPM)[43], 它采用多个尺度的池化来替代原来单一的池化. SPP层用不同大小的池化窗口作用于卷积得到的特征图, 池化窗口的大小和步长根据特征图的尺寸进行动态计算. SPP-net对于一幅图像的所有候选区域, 只需要进行一次卷积过程, 避免了重复计算, 显著提高了计算效率, 而且空间金字塔池化层使得检测网络可以处理任意尺寸的图像, 因此可以采用多尺度图像来训练网络, 从而使得网络对目标的尺度有很好的鲁棒性.该方法在速度上比R-CNN提高24 ~ 102倍, 并且在PASCAL VOC 2007和Caltech 101数据集上取得了当时最好的成绩.但是它存在以下缺点: 1) SPP-net的检测过程是分阶段的, 在提取特征后用SVM分类, 然后还要进一步进行边框回归, 这使得训练过程复杂化; 2) CNN提取的特征存储需要的空间和时间开销大; 3) 在微调阶段, SPP-net只能更新空间金字塔池化层后的全连接层, 而不能更新卷积层, 这限制了检测性能的提升.

后来, Girshick等[58]对R-CNN和SPP-net进行了改进, 提出能够实现特征提取、区域分类和边框回归的端到端联合训练的Fast R-CNN算法, 计算流程如图 6所示.与R-CNN类似, Fast R-CNN首先在图像中提取感兴趣区域(Regions of Interest, RoI); 然后采用与SPP-net相似的处理方式, 对每幅图像只进行一次卷积, 在最后一个卷积层输出的特征图上对每个RoI进行映射, 得到相应的RoI的特征图, 并送入RoI池化层(相当于单层的SPP层, 通过该层把各尺寸的特征图统一到相同的大小); 最后经过全连接层得到两个输出向量, 一个进行Softmax分类, 另一个进行边框回归.在微调阶段, Fast R-CNN采用一种新的层级采样方法, 先采样图像, 再从采样出的图像中对RoI进行采样, 同一幅图像的RoI共享计算和内存, 使得训练更加高效. Fast R-CNN采用Softmax分类与边框回归一起进行训练, 省去了特征存储, 提高了空间和时间利用率, 同时分类和回归任务也可以共享卷积特征, 相互促进.与R-CNN相比, 在训练VGG网络时, Fast R-CNN的训练阶段快9倍, 测试阶段快213倍; 与SPP-net相比, Fast R-CNN的训练阶段快3倍, 测试阶段快10倍, 并且检测精度有一定提高.然而, Fast R-CNN仍然存在速度上的瓶颈, 就是区域建议步骤耗费了整个检测过程的大量时间.

图 6 Fast R-CNN的计算流程[58] Figure 6 Calculation flow of Fast R-CNN[58]

为了解决区域建议步骤消耗大量计算资源, 导致目标检测不能实时的问题, Ren等[7]提出区域建议网络(Region proposal network, RPN), 并且把RPN和Fast R-CNN融合到一个统一的网络(称为Faster R-CNN), 共享卷积特征. RPN将一整幅图像作为输入, 输出一系列的矩形候选区域.它是一个全卷积网络模型, 通过在与Fast R-CNN共享卷积层的最后一层输出的特征图上滑动一个小型网络, 这个网络与特征图上的小窗口全连接, 每个滑动窗口映射到一个低维的特征向量, 再输入给两个并列的全连接层, 即分类层(cls layer)和边框回归层(reg layer), 由于网络是以滑动窗的形式来进行操作, 所以全连接层的参数在所有空间位置是共享的.因此该结构由一个卷积层后连接两个并列的$1\times1$卷积层实现, 如图 7所示.对于每个小窗口, 以中心点为基准点选取k (作者采用$k = 9$)个不同尺度、不同长宽比的Anchor.对于每个Anchor, 分类层输出2个值, 分别表示其属于目标的概率与属于背景的概率; 边框回归层输出4个值, 表示其坐标位置. RPN的提出, 以及与Fast R-CNN进行卷积特征的共享, 使得区域建议步骤的计算代价很小.与以前的方法相比, 提取的候选区域数量大幅减少, 同时改进了候选区域的质量, 从而提高了整个目标检测网络的性能, 几乎可以做到实时检测.在PASCAL VOC 2007和2012、MS COCO等数据集上, Faster R-CNN取得了当时最高的检测精度.但是由于深度特征丢失了物体的细节信息, 造成定位性能差, Faster R-CNN对小尺寸物体的检测效果不好.

图 7 区域建议网络的基本结构[7] Figure 7 Basic structure of region proposal network[7]

Bell等[69]提出的ION (Inside-outside net)也是基于区域建议的目标检测方法.为了提高检测精度, ION同时利用RoI的内部和外部信息.其中内部信息是指多尺度的信息提取.不同于以前的方法将最后一层卷积层输出作为特征图, Bell等将不同卷积层的特征连接在一起, 作为一个多尺度特征用来预测, 这样做的目的是对于一些很小的物体, 不会丢失在低层的高分辨率信息. RoI的外部信息是指上下文信息, 在视觉识别中上下文信息具有很重要的作用.为了得到上下文特征, Bell等采用沿着图像的横轴或纵轴独立地使用RNN的方法, 并把它们的输出组合在一起, 重复该过程得到的输出作为上下文特征.最后把这两种特征组合在一起, 并调整到固定的大小输入到全连接层, 进行Softmax分类和边框回归.该方法在检测小物体上的性能比以前的方法更好, 在PASCAL VOC 2012目标检测任务上将平均精度mAP从73.9 %提高到76.4 %, 在MS COCO 2015目标检测任务上取得第3名的成绩.

Yang等[70]为了处理不同尺度的目标, 并且提高对候选区域的计算效率, 提出了两个策略, 统称为SDP-CRC.一个策略是采用与尺度相关的池化层(Scale-dependent pooling, SDP), 由于不同尺寸的物体可能在不同的卷积层上得到不同的响应, 小尺寸物体会在浅层得到强响应, 而大尺寸物体可能在深层得到强响应.基于这一思想, SDP根据每个候选区域的尺寸, 从对应的卷积特征图上池化特征.对于小尺度的候选区域, 从第三层卷积特征图上池化特征; 对于中等尺度的候选区域, 从第四层卷积特征图上池化特征; 对于大尺度的候选区域, 从第五层卷积特征图上池化特征.另一个策略是采用级联拒绝分类器(Cascaded rejection classifier, CRC), 快速排除一些明显不包含目标的候选区域, 只保留那些更可能包含目标的候选区域, 交由Fast R-CNN做最终分类.与Fast R-CNN相比, 该方法能够更加准确地检测小尺寸目标, 在平均检测精度和检测速度上都有很大提升.

为了提高Fast R-CNN训练时的效率, Shrivastava等[71]提出了困难样本在线挖掘(Online hard example mining, OHEM)的思想, 该方法利用Bootstrapping[72]技术, 对随机梯度下降算法进行修改, 使得在训练过程中加入在线挖掘困难样本的策略. OHEM机制的加入提高了Fast R-CNN方法在PASCAL VOC 2007和2012上的检测精度.

在Faster R-CNN基础上, Kong等[73]提出了HyperNet, 计算流程如图 8所示.通过把不同卷积层得到的特征图像聚集起来得到超特征(Hyper feature)来获得质量更高的候选区域.由于不同卷积层的输出尺寸不同, 较浅层的特征图像分辨率较高, 边框定位精度高, 但是召回率低; 较深层的特征图像分辨率低, 对小尺寸物体的边框定位精度低, 但是这些特征有利于提高召回率.因此, 他们通过多层特征的融合, 解决了对小物体很难提取到精细特征的问题.该方法在每幅图像中仅提取100个候选区域, 在PASCAL VOC 2007和2012数据集上获得了很好的检测效果.

图 8 HyperNet的计算流程[73] Figure 8 Calculation flow of HyperNet[73]

许多基于区域建议的目标检测方法存在一个共同问题, 就是有一部分子网络需要重复计算.例如最早提出的R-CNN, 每一个候选区域都要经历一次CNN网络提取特征, 这导致目标检测速度非常慢.之后提出的Fast R-CNN和Faster R-CNN等方法, 在最后一个卷积层通过RoI pooling把每一个候选区域变成一个尺寸一致的特征图, 但是对于每一个特征图, 还要经过若干次全连接层才能得到结果.于是, Dai等[74]提出了一种新的基于区域的全卷积网络检测方法R-FCN.为了给网络引入平移变化, 用专门的卷积层构建位置敏感的分数图(Position-sensitive score maps), 编码感兴趣区域的相对空间位置信息.该网络解决了Faster R-CNN由于重复计算全连接层而导致的耗时问题, 实现了让整个网络中所有的计算都可以共享.

最近, Kim等[75]提出PVANET网络, 在TITAN X上实现了基于轻量级模型的目标检测, 处理一幅图像仅需要46 ms, 在PASCAL VOC 2012数据集上的检测平均精度达到82.5 %.为了减少网络参数, PVANET采用了Concatenated ReLU[76]结构, 在不损失精度的情况下使通道数减少一半, 并在拼接操作之后加入了尺度变化和偏移.网络中还加入了Inception[64]模型来更有效地捕捉各种尺度的物体, 以及HyperNet[73]中多尺度特征融合的思想, 来增加对细节的提取.

3.3.2 无区域建议(Proposal-free)的方法

基于区域建议的目标检测方法不能利用局部目标在整幅图像中的空间信息, 所以一些研究者开展了无区域建议的目标检测研究, 主要采用回归的思想.早期提出的无区域建议的方法, 检测效果不太理想.

DPM模型[2]是一种性能较好的传统目标检测模型.它对目标内在部件进行结构化建模, 可以更好地适应非刚体目标的较大形变, 大大提高了检测性能.但是DPM模型的构建需要关于物体结构的先验知识(例如部件个数), 并且模型训练也比较复杂. Szegedy等[1]将目标检测看做一个回归问题, 估计图像中的目标位置和目标类型概率.作者通过采用基于深度神经网络(Deep neural network, DNN)的回归来输出目标包围窗口的二元掩膜(Mask), 从掩膜中提取目标窗口.该方法的运行框架如图 9所示, 网络中采用的卷积神经网络是AlexNet结构, 但是用回归层代替最后一层.基于DNN的回归不仅能学习到有利于分类的特征表示, 还能捕获到很强的目标几何信息, Szegedy等还采用DNN定位器进一步提高了定位准确度.由于用单一的掩膜很难区分出识别的前景是单个物体还是粘连的多个物体, 作者采用了多个掩膜, 为每种掩膜训练一个单独的DNN, 这也使得网络训练复杂度很高, 很难扩展到多种目标类型.

图 9 基于DNN回归的目标检测框架[1] Figure 9 Object detection framework based on DNN regression[1]

Sermanet等[77]提出Overfeat模型, 把一个卷积神经网络同时用于分类、定位和检测这几个不同的任务.卷积层作为特征提取层保持不变, 只需要针对不同的任务改变网络的最后几层为分类或回归层. Overfeat的模型结构与AlexNet结构[57]基本相同.其中, 前面5个卷积层为不同任务的共享层, 其余的层则根据任务进行相应的调整, 并对网络做了一些改动.为了避免图像的某些位置被忽略, Sermanet等采用偏置池化层来替换最后一层池化层, 既实现了池化操作, 也减小了采样间隔. Overfeat训练分类模型时只使用单个尺度($221 \times 221$)进行训练, 测试时使用多个尺度输入图像, 没有使用AlexNet中的对比归一化.对于检测问题, 传统的方法是采用不同尺寸的滑动窗对整幅图像进行密集采样, 然后对每一个采样所得的图像块进行检测, 从而确定目标物体的位置. Overfeat使用CNN来进行滑动窗操作, 避免了对各图像块的单独操作, 提高了算法效率; 而且将全连接层看作卷积层, 使得输入图像的尺寸不受限制.但是Overfeat对于较小尺寸目标的识别依然存在困难.

近年来, Redmon等[78]提出了一种新的无区域建议的目标检测方法, 称为YOLO (You only look once).作为一种统一的、实时的检测框架, YOLO的检测速度非常快, 可以达到45 fps (Frame per second). YOLO用一个单一的卷积网络直接基于整幅图像来预测包围边框的位置及所属类型, 首先将一幅图像分成$S \times S$个网格, 每个网格要预测B个边框, 每个边框除了要回归自身的位置之外, 还要附带预测一个置信度.置信度不仅反映了包含目标的可信程度, 也反映了预测位置的准确度.另外对每个网格还要预测C个类型的条件概率, 将这些预测结果编码为一个$S \times S \times (B \times 5 + C)$维的张量(Tensor).整个网络的结构类似于GoogLeNet, 包含24个卷积层和2个全连接层, 卷积层用来从图像中提取特征, 全连接层预测边框的位置坐标和类型概率. YOLO模型通过采用空间限制, 减少了对同一目标的重复检测, 大大提高了效率, 能够达到实时的效果.但是YOLO的整体性能不如Fast R-CNN和Faster R-CNN, 并且对于相邻的目标和成群的小尺寸目标(例如成群的鸟)的检测效果不好, 对于新的或异常尺度的目标泛化能力较差.

与YOLO类似, Najibi等[79]提出的G-CNN模型也着重于检测速度的提升.该方法将目标检测模型转化为迭代回归问题, 通过对整个图像进行不同尺度的网格划分得到初始检测框, 然后采用分段回归模型多次迭代, 不断提高边框准确度. G-CNN使用了约180个初始边框, 经过5次迭代达到与Fast R-CNN相当的检测精度, 但是计算速度比Fast R-CNN快5倍.

针对YOLO存在的不足, Liu等[80]提出SSD模型, 在提高mAP的同时兼顾实时性的要求. SSD使用卷积神经网络对图像进行卷积后, 在不同层次的特征图上生成一系列不同尺寸和长宽比的边框.在测试阶段, 该网络对每一个边框中分别包含各个类型的物体的可能性进行预测, 并且调整边框来适应目标物体的形状.在PASCAL VOC、MS COCO和ILSVRC数据集上的实验显示, SSD在保证精度的同时, 其速度要比用候选区域的方法快很多.与YOLO相比, 即使是在输入图像较小的情况下, SSD也能取得更高的精度.例如输入$300 \times 300$尺寸的PASCAL VOC 2007测试图像, 在单台Nvidia Titan X上的处理速度达到58 fps, 平均精度mAP达到72.1%;如果输入图像尺寸为$500 \times 500$, 平均精度mAP达到75.1%.

与基于候选区域的方法相比, YOLO定位准确率低且召回率不高.因此, Redmon等[81]提出了改进的YOLO模型, 记作YOLOv2, 主要目标是在保持分类准确率的同时提高召回率和定位准确度.通过采用多尺度训练、批规范化和高分辨率分类器等多种策略, 提升了检测准确率的同时速度超过其他检测方法, 例如Faster R-CNN和SSD. Redmon等还提出了一种新的联合训练算法, 同时在检测数据集和分类数据集上训练物体检测器, 用检测数据集的数据学习物体的准确位置, 用分类数据集的数据增加分类的类别量, 提升健壮性, 采用这种方法训练出来的YOLO9000模型可以实时地检测超过9 000种物体分类.

3.3.3 总结

基于区域建议的目标检测方法, 特别是R-CNN系列方法(包括R-CNN、SPPnet、Fast R-CNN和Faster R-CNN等), 取得了非常好的检测精度, 但是在速度方面还达不到实时检测的要求.在不损失精度的情况下实现实时检测, 或者在提高检测精度的同时兼顾速度, 逐渐成为目标检测的研究趋势. R-FCN比Faster R-CNN计算效率更高, 在检测精度和速度上平衡的很好. PVANET是一种轻量级的网络结构, 通过调整和结合最新的技术达到最小化计算资源的目标.无区域建议的方法(例如YOLO)虽然能够达到实时的效果, 但是其检测精度与Faster R-CNN相比有很大的差距. SSD对YOLO进行了改进, 同时兼顾检测精度和实时性的要求, 在满足实时性的条件下, 缩小了与Faster R-CNN检测精度的差距. YOLOv2在检测精度和速度上都超过了SSD.一些目标视觉检测方法在公共数据集上的性能对比如图 10所示.

图 10 一些目标视觉检测方法在公共数据集上的性能比较 Figure 10 Performance comparison of some object visual detection methods on public datasets
4 思考与展望

近年来, 由于深度学习技术的迅猛发展和应用, 目标视觉检测研究取得了很大进展.未来若干年, 基于深度学习的目标视觉检测研究仍然是该领域的主流研究方向.不同于传统方法利用手工设计的特征, 可能忽视掉一些重要的特征信息, 深度学习方法可以通过端到端训练自动学习与任务相关的特征, 通过多层的非线性变换获得图像的高层次抽象表示.尽管深度学习在目标视觉检测领域取得了一定成功, 但是还存在一些问题:

1) 深度学习理论还不完善

深度学习的优势之一是能够自动学习表达能力强的抽象特征, 不需要由专家手工进行特征设计和选择.但是, 将深度学习模型应用于目标检测时还缺乏足够的理论支撑, 学习到的模型的可解释性较弱.目前的研究通常是把深度学习模型当作一个黑盒子(Black box)来直接使用, 对于如何选择和构建模型、如何确定模型的深度以及深度学习的本质等基本问题还没有给出很好的解释.理论的不完善导致研究时缺乏充分的原理性指导, 在设计新的模型时往往只能凭借经验和运气. Pepik等[82]利用Pascal 3D+[83]数据集对R-CNN方法进行分析, 结果表明卷积神经网络对于场景和目标的各种外观因素的变化不具有视觉不变性, 目前大多数深度学习方法在处理多目标遮挡和小尺寸目标等困难问题时效果还不是很好, 增加额外的训练数据并不能克服这些缺陷, 有必要对模型结构做出改变.因此必须进一步完善深度学习理论, 为改进模型结构、加速模型训练和提高检测效果等提供指导.

2) 大规模多样性数据集还很缺乏

深度学习模型主要是数据驱动的, 依赖于大规模多样性的标记数据集.对一个特定的任务, 增加训练数据的规模和多样性, 可以提高深度学习模型的泛化能力, 避免过拟合.但是目前缺乏可用于目标检测的大规模多样性数据集, 即便是最大的公共数据集也只提供了很有限的标记类型, 比如PASCAL VOC有20个类型, MS COCO有80个类型, ImageNet有1 000个类型.由人工采集和标注含有大量目标类型的大规模多样性数据集非常费时耗力, 并且由于光照、天气、复杂背景、目标外观、摄像机视角和物体遮挡等导致的复杂性和挑战性, 同一类型目标在不同图像中可能看起来非常不同, 使得人工标注变得困难甚至容易出错.虽然可以采用众包方法(例如Amazon MTurk[84])进行数据标注, 但是同样要耗费大量的人力财力, 并且标注困难.另外在一些特殊领域(例如在医疗和军事等领域)很难获得大规模实际图像.标记数据集的不足, 可能导致训练出的目标检测模型的可靠性和鲁棒性达不到要求.目前许多目标检测模型都采用先在ImageNet数据集上进行预训练, 再针对具体任务进行微调的方式.如果针对具体的目标检测任务, 有大规模多样性的标记数据集可供使用, 那么目标检测效果可以得到进一步提高.

为了解决上述问题, 我们认为可以采用平行视觉[85-86]的思路进行研究. 2016年, 王坤峰等[85]将复杂系统建模与调控的ACP (Artificial societies, computational experiments, and parallel execution)理论[87-89]推广到视觉计算领域, 提出平行视觉的基本框架和关键技术.其核心是利用人工场景来模拟和表示复杂挑战的实际场景, 通过计算实验进行各种视觉模型的设计与评估, 最后借助平行执行来在线优化视觉系统, 实现对复杂环境的智能感知与理解. 图 11显示了平行视觉的基本框架.为了解决复杂环境下的目标视觉检测问题, 我们可以按照平行视觉的ACP三步曲开展研究.

图 11 平行视觉的基本框架[85] Figure 11 Basic framework of parallel vision[85]

1) 人工场景(Artificial scenes)

构建色彩逼真的人工场景, 模拟实际场景中可能出现的环境条件, 自动得到精确的目标位置、尺寸和类型等标注信息, 生成大规模多样性数据集.另外, 实际场景通常不可重复, 而人工场景具有可重复性, 通过固定一些物理模型和参数, 改变另外一些, 可以定制图像生成要素, 以便从各种角度评价视觉算法.人工场景可以不受现有实际场景的限制, 预见未来的实际场景, 为视觉算法设计与评估提供超前信息.总之, 人工场景能够提供一种可靠的数据来源, 是对实际场景数据的有效补充.

2) 计算实验(Computational experiments)

结合人工场景数据集和实际场景数据集, 进行全面充分的计算实验, 把计算机变成视觉计算实验室, 设计和评价视觉算法, 提高其在复杂环境下的性能.与基于实际场景的实验相比, 在人工场景中实验过程可控、可观、可重复, 并且可以真正地产生实验大数据, 用于知识提取和算法优化.计算实验包含两种操作模式, 即学习与训练、实验与评估.学习与训练是针对视觉算法设计而言, 实验与评估是针对视觉算法评价而言.两种操作模式都需要结合人工场景数据集和实际场景数据集, 能够增加实验的深度和广度.

3) 平行执行(Parallel execution)

将视觉算法在实际场景与人工场景中平行执行, 使模型训练和评估在线化、长期化, 通过实际与人工之间的虚实互动, 持续优化视觉系统.由于应用环境的复杂性、挑战性和变化性, 不存在一劳永逸的解决方案, 只能接受这些困难, 在系统运行过程中不断调节和改善.平行执行基于物理和网络空间的大数据, 以人工场景的在线构建和利用为主要手段, 通过在线自举(Online bootstrapping)或困难实例挖掘(Hard example mining), 自动挖掘导致视觉算法失败或性能不佳的实例, 利用它们重新调节视觉算法和系统, 提高对动态变化环境的自适应能力.

目前, 已经有一些工作基于人工场景数据进行目标检测模型的训练.例如, Peng等[90]利用3D CAD模型自动合成2D图像, 使用这种虚拟图像数据来扩大深度卷积神经网络的训练集非常有效, 尤其是在真实的训练数据很有限或不能很好地匹配目标领域的情况下, 避免了代价昂贵的大规模手工标注. Johnson-Roberson等[91]利用游戏引擎生成逼真的虚拟图像, 用于目标检测模型的训练.实验表明, 在KITTI数据集上, 使用大规模的虚拟图像集训练的模型比基于较小规模的真实世界数据集训练的检测器精度更高.但是, 已有的工作主要集中在人工场景和计算实验, 忽视了平行执行.我们认为, 将视觉算法在实际场景与人工场景中平行执行, 持续优化视觉系统, 提高其在复杂环境下的鲁棒性和适应性是非常重要的.

许多机器学习算法假设训练数据与测试数据具有相同的数据分布以及特征空间[92], 然而使用ACP时会遇到虚拟数据与真实数据的分布差异问题.迁移学习[93]能够很好解决分布差异问题.通过迁移学习, 我们能够运用ACP中人工模拟出的虚拟数据来不断提高模型的精准度与鲁棒性.

另外, 在深度学习模型自身方面, 如何提高模型的可解释性, 改善模型结构, 设计新的优化方法, 降低模型训练和应用时的计算复杂性, 提高计算效率, 得到更加有用(More effective)和更加有效的(More efficient)深度学习模型, 这些问题都需要深入研究.目前, 基于候选区域的目标检测方法精度最高, 而基于回归的SSD方法在实时性上表现最好, 如何将这两类方法相结合, 借鉴和吸收彼此的优点, 在检测精度和速度上取得新的突破还有待研究.

5 结论

目标视觉检测在计算机视觉领域具有重要的研究意义和应用价值, 深度学习是目前最热门的机器学习方法, 被广泛研究和应用.本文综述了深度学习在目标视觉检测中的应用进展与展望.首先说明了目标视觉检测的基本流程和常用的公共数据集, 然后重点介绍了深度学习方法在目标视觉检测中的最新应用进展, 最后对深度学习在目标视觉检测研究中的困难和挑战进行了分析, 对未来的发展趋势进行了思考与展望.

在今后的工作中, 还需要进一步完善深度学习理论, 提高目标视觉检测的精度和效率.另外, 平行视觉作为一种新的智能视觉计算方法学, 通过人工场景提供大规模多样性的标记数据集, 通过计算实验全面设计和评价目标视觉检测方法, 通过平行执行在线优化视觉系统, 能够激发深度学习的潜力.我们相信, 深度学习与平行视觉相结合, 必将大力推动目标视觉检测的研究和应用进展.

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