深度学习定位与目标检测技术解析

定位与目标检测：计算机视觉的核心任务

定位与目标检测是计算机视觉中的两个核心任务，广泛应用于自动驾驶和机器人等实际场景。作为计算机视觉专家，深入理解这些技术至关重要。

基本术语解析

分类/识别：识别图像中的物体并将其归类到预定义类别中

定位：找出物体位置并用边界框标注

目标检测：检测图像中所有物体，为每个物体分配类别并绘制边界框

语义分割：根据上下文将图像中每个像素分类到特定类别

实例分割：将每个像素分配到不同物体实例

分类 + 定位

当已知物体数量时，解决方案相对简单：使用卷积神经网络同时输出分类结果和边界框的4个坐标值。这种方法将定位问题转化为回归问题。

实践中，可以借用成熟的模型架构（如ResNet或AlexNet），重新设计全连接层以同时输出类别和边界框。这种方法需要包含类别和边界框标注的训练数据集。

目标检测

当物体数量未知时，需要更复杂的解决方案。传统计算机视觉采用区域提议方法：使用边缘和形状检测等经典算法生成可能包含物体的窗口，然后将这些感兴趣区域输入CNN。

R-CNN架构

R-CNN使用选择性搜索等方法生成感兴趣区域，将区域调整为固定尺寸后输入卷积神经网络。网络使用SVM对每个区域进行分类，并预测边界框的回归修正。

虽然效果良好，但R-CNN存在速度慢、计算成本高的问题，平均需要处理2000个区域。

Fast RCNN改进

Fast RCNN将整张图像一次性通过卷积层生成特征图，然后将区域提议投影到特征图上。通过ROI层（一种特殊的最大池化层）处理区域，最后通过全连接层输出分类和边界框修正。

Faster RCNN进一步优化

Faster RCNN使用区域提议网络直接从卷积特征图中推断区域提议，而不是依赖外部系统。训练过程需要处理多个任务：区域提议网络需要判断区域是否包含物体并生成边界框坐标，同时整个模型需要对物体进行分类并预测边界框偏移。

技术发展趋势

定位与目标检测是极其活跃的研究领域，随着自动驾驶和机器人等应用对计算机视觉性能要求的提高，各研究机构不断提出新的精度提升方案。

单次检测器是另一类定位和目标检测模型，近年来因速度更快、计算成本更低而广受欢迎。虽然精度稍低，但非常适合嵌入式系统等对功耗敏感的应用场景。