计算机视觉 01（介绍）

一、深度学习

1.1 人工智能

1.2 人工智能，机器学习和深度学习的关系

机器学习是实现人工智能的一种途径，深度学习是机器学习的一个子集，也就是说深度学习是实现机器学习的一种方法。与机器学习算法的主要区别如下图所示[参考：黑马]:

• 传统机器学习算术依赖人工设计特征，并进行特征提取
• 深度学习方法不需要人工，而是依赖算法自动提取特征

深度学习模仿人类大脑的运行方式，从经验中学习获取知识。这也是深度学习被看做黑盒子，可解释性差的原因。随着计算机软硬件的飞速发展，现阶段通过深度学习来模拟人脑来解释数据，包括图像，文本，音频等内容。目前深度学习的主要应用领域有: 语音识别，计算机视觉，自动驾驶

卷积神经网络(Convolutional Neural Network)
循环神经网络(Recurrent Neural Network)

生成对抗网络(Generative Adversarial Networks)
深度强化学习(Deep Reinforcement Learning)

1.3 深度学习发展

• 深度学习所需要的神经网络技术起源于20世纪50年代，叫做感知机。

当时也通常使用单层感知机，尽管结构简单，但是能够解决复杂的问题。后来感知机被证明存在严重的问题，因为只能学习线性可分函数，连简单的异或(XOR)等线性不可分问题都无能为力，1969年Marvin Minsky写了一本叫做《Perceptrons》的书，他提出了著名的两个观点:

1.单层感知机没用，我们需要多层感知机来解决复杂问题

2.没有有效的训练算法。

• 20世纪80年代未期，用于人工神经网络的反向传播算法(也叫Back Propagation算法或者BP算法)的发明，给机器学习带来了希望，掀起了基于统计模型的机器学习热潮。

这个热潮一直持续到今天。人们发现，利用BP算法可以让一个人工神经网络模型从大量训练样本中学习统计规律，从而对未知事件做预测。这种基于统计的机器学习方法比起过去基于人工规则的系统，在很多方面显出优越性。这个时候的人工神经网络，虽也被称作多层感知机 (Multi-layerPerceptron)，但实际是种只含有一层隐层节点的浅层模型。

• 20世纪90年代，各种各样的浅层机器学习模型相继被提出

例如支撑向量机 (SVM，SupportVector Machines)、Boosting、最大熵方法(如LR，Logistic Regression)等。这些模型的结构基本上可以看成带有一层隐层节点 (如SVM、Boosting)，或没有隐层节点 (如LR)这些模型无论是在理论分析还是应用中都获得了巨大的成功。相比之下，由于理论分析的难度大，训练方法又需要很多经验和技巧，这个时期浅层人工神经网络反而相对沉寂.

• 2006年，杰弗里·辛顿以及他的学生鲁斯兰·萨拉赫丁诺夫正式提出了深度学习的概念。

他们在世界顶级学术期刊《科学》发表的一篇文章中详细的给出了“梯度消失”问题的解决方案--通过无监督的学习方法逐层训练算法，再使用有监督的反向传播算法进行调优。该深度学习方法的提出，立即在学术圈引起了巨大的反响，以斯坦福大学、多伦多大学为代表的众多世界知名高校纷纷投入巨大的人力、财力进行深度学习领域的相关研究。而后又迅速蔓延到工业界中

• 2012年，在著名的ImageNet图像识别大赛中，杰弗里·辛顿领导的小组采用深度学习模型AlexNet一举夺冠。

AlexNet采用ReLU激活函数，从根本上解决了梯度消失问题，并采用GPU极大的提高了模型的运算速度。同年，由斯坦福大学著名的吴恩达教授和世界顶尖计算机专家Jeff Dean共同主导的深度神经网络--DNN技术在图像识别领域取得了惊人的成绩，在lmageNet评测中成功的把错误率从26%降低到了15%。深度学习算法在世界大赛的脱颖而出，也再一次吸引了学术界和工业界对于深度学习领域的关注。

• 2016年，随着谷歌公司基于深度学习开发的AphaGo以4:1的比分战胜了国际顶尖围棋高手李世石，深度学习的热度一时无两。后来，AlphaGo又接连和众多世界级围棋高手过招，均取得了完胜。这也证明了在围棋界，基于深度学习技术的机器人已经超越了人类。

2017年，基于强化学习算法的AlphaGo升级版AlphaGo Zero横空出世。其采用“从零开始”、“无师自通”的学习模式，以100:0的比分轻而易举打败了之前的AphaGo。除了围棋，它还精通国际象棋等其它棋类游戏，可以说是真正的棋类”天才”。此外在这一年，深度学习的相关算法在医疗、金融、艺术、无人驾驶等多个领域均取得了显著的成果。所以，也有专家把2017年看作是深度学习甚至是人工智能发展最为突飞猛进的一年。

• 2019年，基于Transformer 的自然语言模型的持续增长和扩散，这是一种语言建模神经网络模型，可以在几乎所有任务上提高NLP的质量。Google甚至将其用作相关性的主要信号之一，这是多年来最重要的更新。

• 2020年，深度学习扩展到更多的应用场景，比如积水识别，路面塌陷等，而且疫情期间，在智能外呼系统，人群测温系统，口罩人脸识别等都有深度学习的应用。

二、 计算机视觉

计算机视觉是指用摄像机和电脑及其他相关设备，对生物视觉的一种模拟。"它的主要任务让计算机理解图片或者视频中的内容，就像人类和许多其他生物每天所做的那样。

我们可以将其任务目标拆分为:

• 目标分类：让计算机理解图片中的场景 (办公室，客厅，咖啡厅等)，让计算机识别场景中包含的物体 (宠物，交通工具，人等)
• 目标检测：让计算机定位物体在图像中的位置 (物体的大小，边界等)
• 让计算机理解物体之间的关系或行为 (是在对话，比赛或吵架等)，以及图像表达的意义(喜庆的，悲伤的等)

OpenCV阶段，主要学习图像处理，而图像处理主要目的是对图像的处理，比如平滑，缩放等，想、从而为其他任务 (比如“计算机视觉”) 做好前期工作。

2.1 任务

根据上述对计算机视觉目标任务的分解，可将其分为三大经典任务: 图像分类、目标检测、图像分割。

图像分类 (Classification): 即是将图像结构化为某一类别的信息，用事先确定好的类别(category)来描述图片。

目标检测 Detection):分类任务关心整体，给出的是整张图片的内容描述，而检测则关注特定的物体目标，要求同时获得这一目标的类别信息和位置信息 (classification+ocalization)

图像分割 (Segmentation): 分割是对图像的像素级描述，它赋予每个像素类别 (实例)意义，适用于理解要求较高的场景，如无人驾驶中对道路和非道路的分割。

2.2 计算机视觉的发展

1963年，Larry Roberts发表了CV领域的第一篇专业论文，用以对简单几何体进行边缘提取和三维重建。

1966年，麻省理工学院(MIT)发起了一个夏季项目，目标是搭建一个机器视觉系统，完成模式识别(pattern recognition)等工作。虽然未成功，但是计算机视觉作为一个科学领域的正式诞生的标志。

1982年，学者David Marr发表的著作《Vision》从严谨又长远的角度给出了CV的发展方向和-些基本算法，其中不乏现在为人熟知的"图层”的概念、边缘提取、三维重建等，标志着计算机视觉成为了一门独立学科。

1999年David Lowe提出了尺度不变特征变换 (SIFT,Scaleinvariant feature transform) 目标检测算法，用于匹配不同拍摄方向、纵深、光线等图片中的相同元素。

2009年，由Felzenszwalb教授在提出基于HOG的deformable parts model，可变形零件模型开发，它是深度学习之前最好的最成功的object detection & recognition算法。

Everingham等人在2006年至2012年间搭建了一个大型图片数据库，供机器识别和训练，称为PASCAL Visual object Challenge，该数据库中有20种类别的图片，每种图片数量在一千至-万张不等。
2009年，李飞飞教授等在CVPR2009上发表了一篇名为《ImageNet:ALarge-ScaleHierarchicallmage Database》的论文，发布了lmageNet数据集，这是为了检测计算机视觉能否识别自然万物，回归机器学习，克服过拟合问题。

2012年，Alex Krizhevsky、llya Sutskever 和 Geoffrey Hinton 创造了一个“大型的深度卷积神经网络”，也即现在众所周知的AlexNet，赢得了当年的ILSVRC。这是史上第一次有模型在lmageNet 数据集表现如此出色。自那时起，CNN才成了家喻户晓的名字。

2014年，蒙特利尔大学提出生成对抗网络(GAN):拥有两个相互竞争的神经网络可以使机器学习得更快。一个网络尝试模仿真实数据生成假的数据，而另一个网络则试图将假数据区分出来。随着时间的推移，两个网络都会得到训练，生成对抗网络 (GAN)被认为是计算机视觉领域的重大突破。

2018年末，英伟达发布的视频到视频生成(Video-to-Video synthesis)它通过精心设计的发生器、鉴别器网络以及时空对抗物镜，合成高分辨率、照片级真实、时间一致的视频，实现了让AI更具物理意识，更强大，并能够推广到新的和看不见的更多场景。
2019，更强大的GAN，BigGAN，是拥有了更聪明的学习技巧的GAN，由它训练生成的图像连它自己都分辨不出真假，因为除非拿显微镜看，否则将无法判断该图像是否有任何问题，因而，它更被誉为史上最强的图像生成器