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深度学习之图像简史

[日期:2017-12-05] 来源:csdn  作者: [字体: ]

  人,是感官的动物。

  我们的大脑,像一块复杂度极高的CPU,每天在接收着各种格式的数据,进行着无休止的计算,我们以各种感官接触着这个世界,抽取着不同感官下的信息,从而认知了世界。而图像作为承载信息最为丰富的一种媒介,在人类探索智慧的历史中,一直占据着重要的位置。人用这样一双肉眼如何识别不同类别的图像(image classification and pattern recognition),如何在图像中分割出形形色色的物体(semantic segmentation and object detection),如何从模糊的图像中想象出物体的轮廓(image super-resolution),如何创作出天马行空的图画(image synthesis),都是目前机器视觉图像处理领域关注的热点问题。全世界的研究者都希望有朝一日,计算机能代替人眼来识别这一幅幅图像,发现在图像中隐藏的密码。

  图像分类

  图像分类是图像处理中的一个重要任务。在传统机器学习领域,去识别分类一个一个图像的标准流程是特征提取、特征筛选,最后将特征向量输入合适的分类器完成特征分类。直到2012年Alex Krizhevsky突破性的提出AlexNet的网络结构,借助深度学习的算法,将图像特征的提取、筛选和分类三个模块集成于一体,设计5层卷积层加3层全连接层的深度卷积神经网络结构,逐层对图像信息进行不同方向的挖掘提取,譬如浅层卷积通常获取的是图像边缘等通用特征,深层卷积获取的一般是特定数据集的特定分布特征。AlexNet以15.4%的创纪录低失误率夺得2012年ILSVRC(ImageNet大规模视觉识别挑战赛)的年度冠军,值得一提的是当年亚军得主的错误率为26.2%。AlexNet超越传统机器学习的完美一役被公认为是深度学习领域里程碑式的历史事件,一举吹响了深度学习在计算机领域爆炸发展的号角。

 (图为李飞飞博士和她的ImageNet数据集)

  时间转眼来到了2014年,GoogleNet横空出世,此时的深度学习,已经历ZF-net, VGG-net的进一步精炼,在网络的深度,卷积核的尺寸,反向传播中梯度消失问题等技术细节部分已有了详细的讨论,Google在这些技术基础上引入了Inception单元,大破了传统深度神经网络各计算单元之间依次排列,即卷积层->激活层->池化层->下一卷积层的范式,将ImageNet分类错误率提高到了6.7%的高水平。

  在网络越来越深,网络结构越来越复杂的趋势下,深度神经网络的训练越来越难,2015年Microsoft大神何恺明(现就职于Facebook AI Research)为了解决训练中准确率先饱和后降低的问题,将residual learning的概念引入深度学习领域,其核心思想是当神经网络在某一层达到饱和时,利用接下来的所有层去映射一个f(x)=x的函数,由于激活层中非线性部分的存在,这一目标几乎是不可能实现的。

  但ResNet中,将一部分卷积层短接,则当训练饱和时,接下来的所有层的目标变成了映射一个f(x)=0的函数,为了达到这一目标,只需要训练过程中,各训练变量值收敛至0即可。Resdiual learning的出现,加深网络深度提高模型表现的前提下保证了网络训练的稳定性。2015年,ResNet也以3.6%的超低错误率获得了2015年ImageNet挑战赛的冠军,这一技术也超越了人类的平均识别水平,意味着人工智能在人类舞台中崛起的开始。

  图像中的物体检测

  图像分类任务的实现可以让我们粗略的知道图像中包含了什么类型的物体,但并不知道物体在图像中哪一个位置,也不知道物体的具体信息,在一些具体的应用场景比如车牌识别、交通违章检测、人脸识别、运动捕捉,单纯的图像分类就不能完全满足我们的需求了。

  这时候,需要引入图像领域另一个重要任务:物体的检测与识别。在传统机器领域,一个典型的案例是利用HOG(Histogram of Gradient)特征来生成各种物体相应的“滤波器”,HOG滤波器能完整的记录物体的边缘和轮廓信息,利用这一滤波器过滤不同图片的不同位置,当输出响应值幅度超过一定阈值,就认为滤波器和图片中的物体匹配程度较高,从而完成了物体的检测。这一项工作由Pedro F. Felzenszalb,Ross B. Girshick, David Mcallester还有Deva Ramanan以Object Detection with Discriminatively Trained Part-Based Models共同发表在2010年9月的IEEETransactions on Pattern Analysis and Machine Interlligence期刊上。

 (传统机器学习典型案例,HOG特征滤波器完整的记录了人的整体轮廓以及一些如眼睛、躯干、四肢等特征部位的细节信息)

  时间如白驹过隙,惊鸿一瞥,四年过去,Ross B. Girishick已由当年站在巨人肩膀上的IEEE Student Member成长为了AI行业内独当一面的神级人物,继承了深度学习先驱的意志,在2014年CVPR会议上发表题为Rich Feature Hirarchies for Accurate Object Detection and SemanticSegmentation文章。RCNN,一时无两,天下皆知。

  (图为深度学习“上古四杰”,从左向右依次为[1]卷积神经网络的提出者Yan Lecun,[2]被誉为“深度学习之父”,深度学习领路人,近期逆流而行提出深度网络Capsule概念的Geoffery Hinton,[3]《Deep Learning》一书作者Yoshua Bengio, [4]前斯坦福人工智能实验室主任Andrew Ng(吴恩达))

  RCNN的核心思想在于将一个物体检测任务转化为分类任务,RCNN的输入为一系列利用selectivesearch算法从图像中抽取的图像块,我们称之为region proposal。

  经过warping处理,region proposals被标准化到相同的尺寸大小,输入到预先训练好并精细调参的卷积神经网络中,提取CNN特征。得到了每一个proposal的CNN特征后,针对每一个物体类别,训练一个二分类器,判断该proposal是否属于该物体类别。2015年,为了缩短提取每一个proposal的CNN特征的时间,Girishick借鉴了Spatial Pooling Pyramid Network(SPPnet)中的pooling技术,首先利用一整幅图像提取CNN特征图谱,再在这张特征图谱上截取不同的位置的proposal,从而得到不同尺寸的feature proposals,最后将这些feature proposals通过SPPnet标准化到相同的尺寸,进行分类。这种改进,解决了RCNN中每一个proposal都需要进行CNN特征抽取的弊端,一次性在整图上完成特征提取,极大的缩短了模型的运行时间,因而被称作“Fast R-CNN”,同名文章发表于ICCV 2015会议。

  2015年,Girishick大神持续发力,定义RPN(region-proposal-network)层,取代传统的regionproposal截取算法,将region proposal的截取嵌入深度神经网络中,进一步提高了fast R-CNN的模型效率,因而被称作“Faster R-CNN”,在NIPS2015上Girishick发表了题为“Faster R-CNN: Towards Real-Time Object Detection with RegionProposal Networks”的关键文章,完成了RCNN研究领域的三级跳壮举。

  (图为RCNN算法流程,最终可识别“马”以及骑在马背上的“人”)

  图像生成

  随着时代的发展,科学家们不仅仅是技术的研究者,更是艺术的创造者。

  在人工智能领域的另一位新一代灵魂人物,Ian Goodfellow在2014年提出了Generative Adversarial Net的概念,通过定义一个生成器(generator)和一个判别器(discriminator)来完成图像生成任务。其原理在于生成器的任务是从随机噪声中“创造”出接近目标图像的“假图像”去欺骗判别器,而判别器的任务是去甄别哪一些图像是来自于真实的数据集,哪一些图像是来自于生成器,在生成器和判别器的互相对抗中,通过合理的损失函数设计完成训练,最终模型收敛后,判别器的概率输出为常数0.5,即一幅图像来自于生成器和真实数据集的概率相同,生成器生成的图像的概率分布无限趋近于真实数据集。

  GAN技术成为2015,2016年深度学习研究的热门领域,在图像恢复、降噪、超分辨重建等方向获得了极佳的表现,衍生出一系列诸如WGAN,Info-GAN,DCGAN,Conditional-GAN等技术,引领了一波风潮。

  (图为利用Cycle-GAN技术,由一幅普通的照片生成莫奈、梵高等风格的油画)

  图像的故事才刚刚开始。

  当我们把一帧帧图像串联在一起,变成流动的光影,我们研究的问题就从空间维度上扩展到了时间维度,我们不仅需要关心物体在图像中的位置、类别、轮廓形状、语义信息,我们更要关心图像帧与帧之间的时间关系,去捕捉、识别一个物体的运动,去提取视频的摘要,去分析视频所表达的含义,去考虑除了图像之外的声音、文本标注,去处理一系列的自然语言,我们的研究一步一步,迈向了更广阔的星辰与大海。

  图像和视频,都是虚拟的一串串数字,一个个字节,但却让这个世界更加真实。

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