关于机器学习:计算机视觉五大核心研究任务全解分类识别检测分割人体分析三维视觉视频分析

本篇文章深入探讨了计算视觉的定义和次要工作。内容涵盖了图像分类与辨认、物体检测与宰割、人体剖析、三维计算机视觉、视频了解与剖析等技术，最初展现了无监督学习与自监督学习在计算机视觉中的利用。

作者 TechLead，领有 10+ 年互联网服务架构、AI 产品研发教训、团队治理教训，同济本复旦硕，复旦机器人智能实验室成员，阿里云认证的资深架构师，项目管理专业人士，上亿营收 AI 产品研发负责人

一、引言

计算机视觉（Computer Vision）是一门将人类的视觉能力赋予机器的学科。它涵盖了图像识别、图像处理、模式识别等多个方向，并已成为人工智能钻研的重要组成部分。本文将具体介绍计算机视觉的定义、历史背景及倒退、和以后的应用领域概览。

1.1 计算机视觉的定义

计算机视觉不仅是一门钻研如何使机器了解和解释视觉世界的迷信，更是一种谋求让机器领有与人类相近视觉解决能力的技术。它通过剖析数字图像和视频，使得机器可能辨认、追踪和了解事实世界中的对象和场景。此外，计算机视觉还包含图像复原、三维重构等深刻的钻研方向。

1.1.1 核心技术

核心技术包含但不限于特征提取、指标检测、图像宰割、3D 重建等，通过多个技术的联合实现更为简单的视觉工作。

1.1.2 利用场景

计算机视觉被广泛应用于主动驾驶、医疗诊断、智能监控等泛滥畛域，推动了相干产业的疾速倒退。

1.2 历史背景及倒退

计算机视觉的倒退历程丰富多彩，从上世纪 60 年代初步摸索到现在的深度学习技术反动，能够分为以下几个次要阶段：

1.2.1 1960s-1980s: 初期阶段

• 图像处理: 次要关注简略的图像处理和特色工程，例如边缘检测、纹理辨认等。
• 模式识别: 诸如手写数字辨认等高级工作的实现。

1.2.2 1990s-2000s: 机器学习时代

• 特色学习: 通过机器学习办法使得特色学习和对象辨认变得更加简单和弱小。
• 反对向量机和随机森林的利用: 提供了新的解决方案。

1.2.3 2010s- 当初: 深度学习的反动

• 卷积神经网络: CNN 的广泛应用为计算机视觉带来了突破性停顿。
• 迁徙学习和强化学习的联合: 在计算机视觉工作上取得了重大进展。

1.3 应用领域概览

计算机视觉曾经渗透到了许多行业，其利用不仅仅局限于科技领域，更宽泛地影响了咱们的日常生活。

1.3.1 工业自动化

利用图像识别技术，自动化地进行产品质量检测、分类，进步了生产效率和精确度。

1.3.2 医疗图像剖析

计算机视觉联合深度学习进行疾病诊断和预测，扭转了传统医疗形式。

1.3.3 主动驾驶

计算机视觉在主动驾驶中起到关键作用，实时剖析周围环境，为车辆门路布局和决策提供精确信息。

1.3.4 虚拟现实与加强事实

通过计算机视觉技术创立沉迷式的虚拟环境，为娱乐和教育等畛域提供了全新的体验形式。

二、计算机视觉五大外围工作

当然，技术深度和内容的丰富性是十分重要的。以下是针对所提供内容的改良版本：

2.1 图像分类与辨认

图像分类与辨认是计算机视觉的外围工作之一，波及将输出的图像或视频帧调配到一个或多个预约义的类别中。本章节将深入探讨这一工作的要害概念、技术演进、最新的研究成果，以及将来可能的倒退方向。

2.1.1 图像分类与辨认的基本概念

图像分类是将图像调配到某个特定类别的工作，而图像识别则进一步将类别关联到具体的实体或对象。例如，分类工作可能会辨认图像中是否存在猫，而辨认工作会辨别不同品种的猫，从宠物猫到家养豹子的辨别。

2.1.2 晚期办法与技术演进

晚期的图像分类与识别方法重依赖于手工设计的特色和统计机器学习算法。这些办法的倒退历程包含：

• 特征提取： 采纳如 SIFT、HOG 等特色来捕获图像的部分信息。
• 分类器的利用： 利用 SVM、决策树等分类器进行图像的分级。

然而，这些办法在许多理论利用中的性能受限，因为特色工程的复杂性和泛化能力的限度。

2.1.3 深度学习的引入与变革

随着深度学习的呈现，图像分类与辨认获得了显著的停顿。尤其是卷积神经网络（CNN）的引入，为畛域内的钻研和理论利用带来了革命性的扭转。

卷积神经网络在图像分类中的利用

卷积神经网络通过层叠的卷积层、池化层和全连贯层来主动学习图像特色，打消了手工设计特色的须要。上面是一个简略的 CNN 构造示例：

from keras.models import Sequential
from keras.layers import Conv2D, MaxPooling2D, Flatten, Dense

# 定义模型
model = Sequential()
model.add(Conv2D(32, (3, 3), activation='relu', input_shape=(64, 64, 3)))
model.add(MaxPooling2D(pool_size=(2, 2)))
model.add(Flatten())
model.add(Dense(128, activation='relu'))
model.add(Dense(1, activation='sigmoid'))

# 输入模型构造
model.summary()

总结

图像分类与辨认作为计算机视觉的基石，其技术演进完满地反映了整个畛域的疾速停顿。从手工设计的特色到简单的深度学习模型，该畛域不仅展现了计算机视觉的弱小能力，还为将来的翻新和倒退奠定了松软的根底。随着更先进的算法和硬件的倒退，咱们期待将来图像分类与辨认可能在更多场景中发挥作用，满足人们日益增长的需要。

2.2 物体检测与宰割

物体检测与宰割在计算机视觉中具备外围位置，它不仅是对于辨认图像中的物体，更关乎精确定位和宰割这些物体。该畛域波及的挑战从根底的图像处理到简单的深度学习办法都有。本章节将深入探讨物体检测与宰割的要害概念、支流办法和最新进展。

2.2.1 物体检测

物体检测不仅要求辨认图像中的对象，还要准确确定其地位和类别。它的利用包含人脸识别、交通剖析、产品质检等。

晚期办法

晚期的物体检测办法次要依赖于手工特色和传统机器学习办法。

• 滑动窗口： 联合手工特色如 HOG，通过滑动窗口的形式在多个尺度和地位寻找对象。
• SVM 分类器： 通常与滑动窗口相结合，应用 SVM 分类器进行物体分类。

深度学习办法

深度学习技术的呈现极大地推动了物体检测畛域的停顿。

• R-CNN 系列: 从 R -CNN 到 Faster R-CNN，逐步演进，实现了对物体的准确检测，特地是在应用区域提议网络（RPN）和 ROI 池化方面的翻新。
• YOLO: YOLO（You Only Look Once）以其一次前向流传的实时检测能力而受到关注。
• SSD: SSD（Single Shot Multibox Detector）通过多尺度特色图来检测不同大小的对象，也具备实时检测的劣势。

# 应用 YOLO 进行物体检测的代码示例
from yolov3.utils import detect_image

image_path = "path/to/image.jpg"
output_path = "path/to/output.jpg"
detect_image(image_path, output_path)
# 输入图片包含检测到的物体的边界框

2.2.2 物体宰割

物体宰割工作则更为粗疏，波及到像素级别的对象剖析。

语义宰割

语义宰割旨在将图像中每个像素调配给一个特定的类别，不辨别同一类别的不同实例。

• FCN: FCN（全卷积网络）是语义宰割的开创性工作之一。
• U-Net: U-Net 通过对称的编码器和解码器构造，实现了准确的医学图像宰割。

实例宰割

实例宰割则进一步辨别同一类别的不同对象实例。

• Mask R-CNN: Mask R-CNN 在 Faster R-CNN 根底上减少了对象掩码生成分支，实现了实例宰割。

总结

物体检测与宰割联合了图像处理、机器学习和深度学习的多个方面，是计算机视觉中的简单和多面工作。其在主动驾驶、医疗诊断、智能监控等畛域有着宽泛的利用。将来的钻研将更多聚焦于多模态信息交融、少样本学习、实时高精度检测等前沿挑战，继续推动该畛域的翻新和倒退。

2.3 人体剖析

人体剖析是计算机视觉中一个重要且沉闷的钻研畛域，涵盖了对人体的辨认、检测、宰割、姿势预计和动作辨认等多方面工作。人体剖析的钻研和利用在许多畛域都有深远的影响，包含安全监控、医疗衰弱、娱乐、虚拟现实等。

2.3.1 人脸识别

人脸识别不仅是定位图像中人脸的技术，还波及了人脸的验证和辨认。

• 人脸检测： 通过应用如 Haar 级联等算法，准确地定位图像中的人脸地位。
• 人脸验证和辨认： 利用深度学习办法，例如 FaceNet，以判断两张人脸是否属于同一个人，或从大型数据库中找到匹配的人脸。

2.3.2 人体姿势预计

人体姿势预计波及了辨认人体的要害关节地位和整体姿势，它在静止剖析、衰弱监测等畛域有着重要利用。

• 单人姿势预计： 通过辨认单个人体的要害关节，例如应用 OpenPose 等办法。
• 多人姿势预计： 针对简单场景，可同时辨认多个人体的要害关节。

# 应用 OpenPose 预计人体姿势的代码示例
import cv2
body_model = cv2.dnn.readNetFromTensorflow("path/to/model")
image = cv2.imread("path/to/image.jpg")
body_model.setInput(cv2.dnn.blobFromImage(image))
points = body_model.forward()
# points 中包含了人体的要害关节信息

2.3.3 动作辨认

动作辨认从图像或视频中辨认特定的人体动作或行为。

• 基于序列的办法： 应用 RNN 或 LSTM 剖析一系列图像，以捕获动作的时序特点。
• 基于三维卷积的办法： 利用 3D CNN 剖析视频中的时空特色，获取更丰盛的动作信息。

2.3.4 人体宰割

人体宰割是从背景和其余对象中拆散人体的技术。

• 语义宰割： 将整个人体与背景离开，无需辨别个体。
• 实例宰割： 进一步辨别不同的人体实例，实用于

2.4 三维计算机视觉

三维计算机视觉不仅是一个令人兴奋的钻研畛域，也为许多理论利用提供了根底，包含虚拟现实（VR）、加强事实（AR）、3D 建模、机器人导航等。本章节将深入探讨三维计算机视觉的次要概念和办法。

2.4.1 三维重建

三维重建是从一组二维图像中重建出三维场景的过程。这个过程波及多个简单的技术和算法。

平面视觉

平面视觉是通过比拟来自两个或多个相机的图像，以预计场景的深度信息。这为进一步的 3D 重建提供了根底。

多视图几何

多视图几何是一种利用多个视图的几何关系来重建三维构造的办法。通过对极几何和三角测量的利用，能够实现准确的三维重建。

点云生成和交融

点云生成和交融办法如 SLAM（同时定位和映射）技术，能够从多视角图像生成准确的三维构造。

2.4.2 3D 物体检测和辨认

3D 物体检测和辨认不仅波及辨认物体的类别，还确定其在三维空间中的方位和姿势。

基于 2D 图像的办法

这些办法利用 2D 图像和深度信息进行 3D 推理，例如应用 3D CNN 来辨认和定位 3D 对象。

基于点云的办法

一些先进的办法，如 PointNet，间接解决三维点云数据，能够在更简单的场景中实现准确检测和辨认。

2.4.3 三维语义宰割

三维语义宰割波及将 3D 场景宰割成有意义的局部，并为每个局部调配语义标签。

基于体素的办法

如 3D U-Net，这些办法将 3D 空间划分为体素并进行宰割，提供了弱小的三维宰割能力。

基于点云的办法

基于点云的办法，如 PointNet，可能间接解决点云数据，实现准确的三维语义宰割。

2.4.4 三维姿势预计

三维姿势预计波及预计物体在三维空间中的地位和方向。

单视图办法

从单个图像预计 3D 姿势，尽管挑战较大，但在一些特定利用中足够无效。

多视图办法

联合多个视角的信息进行准确预计，为许多先进的三维视觉工作提供了关键技术。

总结

三维计算机视觉是一门充斥挑战和时机的畛域。从根底的三维重建到简单的 3D 物体辨认和语义宰割，这个畛域的钻研对许多先进技术和利用产生了深远影响。随着硬件和算法的不断进步，三维计算机视觉将持续推动许多前沿技术的倒退，如主动驾驶、智能城市建设、虚构与加强事实等。将来，咱们能够期待这一畛域将产生更多翻新和冲破。

2.5 视频了解与剖析

视频了解与剖析是计算机视觉的一个重要分支，不仅波及对视频内容的辨认和解释，还包含时空构造的推理。相比繁多的图像剖析，视频剖析更能深刻开掘视觉信息的连续性和内在联系，从而开辟了计算机视觉的新畛域。

2.5.1 视频分类

视频分类的目标是辨认和标记视频的整体内容，它能够进一步细分为不同的工作。

• 短片分类： 次要关注视频中的特定流动或场景，如辨认动作、表情等。该工作广泛应用于社交媒体内容分析、广告举荐等。
• 长片分类： 针对整部电影或电视剧进行剖析，可能波及情感、格调、主题等多方面的辨认。此项技术可用于举荐零碎、内容审查等。

2.5.2 动作辨认

动作辨认是从视频中捕获特定动作或行为的过程。

• 基于 2D 卷积的办法： 通过捕获工夫维度上的连续性，例如应用 C3D 模型，实用于短时间的动作辨认。
• 基于 3D 卷积的办法： 如 I3D 模型，更好地捕获时空信息，用于更简单的场景。

# 应用 I3D 模型进行动作辨认的代码示例
import tensorflow as tf
i3d_model = tf.keras.applications.Inception3D(include_top=True, weights='imagenet')
video_input = tf.random.normal([1, 64, 224, 224, 3])  # 随机输出
predictions = i3d_model(video_input)
# 输入预测后果
print(predictions)

2.5.3 视频物体检测与宰割

视频物体检测与宰割汇合了物体的检测、跟踪和宰割技术。

• 物体检测： 通过时序剖析，联合办法如 Faster R-CNN 与光流，可能在视频序列中精确定位物体。
• 实例宰割： 更粗疏地在视频中对单个实例进行宰割，利用场景包含医学影像、智能监控等。

2.5.4 视频摘要与高亮检测

视频摘要与高亮检测的目标是从大量视频数据中提取要害信息。

• 基于关键帧的办法： 抉择具备代表性的帧作为摘要，用于疾速浏览或索引。
• 基于学习的办法： 如应用强化学习抉择精彩片段，利用于主动生成较量精彩时刻回放等。

2.5.5 视频生成和编辑

视频生成和编辑波及更高层次的发明和定制。

• 视频格调转换： 通过神经格调迁徙技术，可实现不同格调的转换。
• 内容生成： 例如应用 GANs 技术，可能合成全新的视频内容，为艺术创作、娱乐产业提供了新的可能性。

总结

视频了解与剖析作为一个多维度、多层次的畛域，不仅推动了媒体和娱乐技术的提高，还在监控、医疗、教育等多个方向展现出宽泛的实用价值。它的钻研波及图像剖析、时空建模、机器学习等多个方面的穿插与交融。随着技术的一直倒退和深刻，将来的视频了解预计将实现更准确、更智能、更自动化的程度，为人们的生存和工作提供更广大的便当和可能。

三、无监督学习与自监督学习在计算机视觉中的利用

无监督学习和自监督学习在计算机视觉中的利用是目前的热门钻研方向。与有监督学习相比，这些办法不须要低廉且耗时的标注过程，具备微小的后劲。上面将深入探讨这两种学习办法在视觉中的次要利用。

3.1 无监督学习

聚类

无监督学习中的聚类工作关注如何将类似的数据分组。

• 图像聚类： 如应用 K -means 算法，能够通过色彩、纹理等个性对图像进行分组，用于图像检索和分类。
• 深度聚类： 如 DeepCluster，通过深度学习提取的特色进行聚类，可能捕获更简单的模式。

降维与示意学习

降维和示意学习能够揭示数据的外在构造。

• 主成分剖析（PCA）： PCA 是一种罕用的图像降维办法，有助于去除噪声，更好地了解图像的次要成分。
• 自编码器（AE）： 自编码器可能学习数据的压缩示意，罕用于图像去噪、压缩等工作。

3.2 自监督学习

自监督学习通过数据的一部分来预测其余部分，在无监督的环境中进行训练，涵盖了多种训练任务。

比照学习

比照学习通过比拟正例和负例来学习数据的示意。

• SimCLR： SimCLR 通过比拟正例和负例学习特色示意。

# SimCLR 的代码示例
from models import SimCLR
model = SimCLR(base_encoder)
loss = model.contrastive_loss(features)  # 比照损失

• MoCo： MoCo 应用队列和动量编码器进行更持重的比照学习，有助于训练更精确的模型。

预训练任务设计

• 预测色彩： 通过灰度图像预测原始色彩，有助于了解图像的色彩形成。
• 自回归预测： 如应用 PixelCNN 预测图像下一个像素的值，加强对图像生成的掌控力。

3.3 跨模态学习

• 图像与文本匹配： 如应用 CLIP 同时学习视觉和文本示意，推动了多模态的研究进展。
• 音频与图像匹配： 无监督的办法在音频和图像之间建设关联，开辟了多媒体剖析的新畛域。

4. 总结

无监督学习与自监督学习关上了一条不依赖低廉标注的新门路。通过丰盛的办法，如聚类、比照学习、自回归预测等，这一畛域在计算机视觉中的利用日益宽泛。最新的钻研展现了自监督学习在视觉表征学习方面与有监督办法越来越靠近甚至超过的能力，暗示了将来可能的钻研方向和宽泛的利用场景。

如有帮忙，请多关注
集体微信公众号：【TechLead】分享 AI 与云服务研发的全维度常识，谈谈我作为 TechLead 对技术的独特洞察。
TeahLead KrisChang，10+ 年的互联网和人工智能从业教训，10 年 + 技术和业务团队治理教训，同济软件工程本科，复旦工程治理硕士，阿里云认证云服务资深架构师，上亿营收 AI 产品业务负责人。