计算机视觉CV期末总复习

1.计算机视觉基础

数字图像表示

二值图像

仅包含黑白两种颜色的图像，只使用1个比特为（0黑或1白）表示

彩色图像：分不同的颜色空间

gray灰度图像

每个像素只有一个采样颜色，取值范围0--255，为8比特位，0为黑，255为白

RGB颜色空间

(0,0,0)为黑，(255,255,255)为白，对机器友好的色彩模式，没那么人性化

CMY/CMYK颜色空间

C青、M洋红（品红）、Y黄色、K黑色

HSV颜色空间

H色调S饱和度V明度

YUV 颜色空间

Y明亮度、U色度、V浓度（饱和度）

储存格式：

平面格式
紧凑格式

2.opencv

通用开源功能强大的图像处理和计算机视觉库

主要功能及模块

内置了基本数据结构和输入输出结构
图像处理操作
圆形界面操作
视频分析
3D重建

基本操作

读写显示图像

读就是imread()将图片读入内存，支持jpg、png

img.shape(512，512，3)中图像三个数代表高、宽、通道数，分辨率为512x512，三个数代表彩色图像为三维数组。

img.dtype结果输出为uint8,说明每个数组用1个字节（8位）表示，每个数组元素为rgb通道值

img.size输出为shape中三个数的乘积

写就是imwrite，将数组转化为图像保存

显示图像imshow

waitkey

没有按键返回-1，有的话返回对应按键的ASCII码（A 65 Z90 a97 z122）。负数或零表示无限等待。设置数字参数等待时间结束返回-1，单位为毫秒，1秒 = 1000毫秒。

读写播放视频

把VideoCapture参数设置为0调用摄像头

写入文件：

图像平滑

概念：平滑也称作模糊。为抑制遥感图像因传感器和大气因素影响出现的噪声，使图像亮度趋于平缓的方法。目的是使图像亮度平缓渐变，减小突变梯度，改善图片质量。

图像滤波

均值滤波

dst = cv2.blur(src,ksize,anchor,borderType)

src原图形、ksize卷积核大小（高宽通常相同，为正奇数）、a锚点（可选参数）、b边界值处理方式（可选参数）

import cv2

img=cv2.imread('lena.jpg')

cv2.imshow('img',img)

img2=cv2.blur(img,(5,5))

cv2.imshow('imgBlur',img2)

cv2.waitKey(0)

方框滤波

dst=cv2.boxFilter(src,ddepth,ksize[,anchor[,normalize[,borderType]])

ddepth目标图像深度，一般用-1表示与原图像深度一致，n归一化

import cv2

img=cv2.imread('lena2.jpg')

cv2.imshow('img',img)

img2=cv2.boxFilter(img,-1,(3,3),normalize=False)

cv2.imshow('imgBlur',img2)

cv2.waitKey(0)

高斯滤波

import cv2

img=cv2.imread('lena2.jpg')

cv2.imshow('img',img)

img2=cv2.GaussianBlur(img,(5,5),0,0)

cv2.imshow('imgBlur',img2)

cv2.waitKey(0)

中值滤波

dst = cv2.medianBlur(src,ksize)

ksize为整形，>1的正奇数

import cv2
img=cv2.imread('lena2.jpg')
cv2.imshow('img',img)
img2=cv2.medianBlur(img,9)
cv2.imshow('imgBlur',img2)
cv2.waitKey(0)

双边滤波

import cv2
img=cv2.imread('lena2.jpg')
cv2.imshow('img',img)
img2=cv2.bilateralFilter(img,9,100,100)
cv2.imshow('imgBlur',img2)
cv2.waitKey(0)

卷积

上述五个滤波均通过参数设置卷积核，但2D卷积可自定义卷积核

图像分割

概念：把图像分为具有若干特性的、具有独特性质的区域，并提出感兴趣目标的技术和过程。

感兴趣的为前景或目标，其余为背景

主要方法：基于阈值的分割、基于边缘、基于区域、基于聚类、基于图论、基于深度学习

基于阈值的分割

即把前景和背景进行划分

全局阈值分割
自适应阈值处理
迭代法阈值分割

边缘检测

检测出图像中所有灰度值变化较大的点，点连接成线条，即为图像边缘。

目的是标识数字图像中变化明显的点，减少数据量，剔除不相关信息，保留结构属性。

作用：提取物体重要特征

常见边缘检测方法：

soble边缘检测

边缘：像素值发生跃迁的地方（变化率、导数最大处）。

图像梯度：导数差分。图像是二维离散函数，导数为差分，该差分称为图像梯度。

求原图边缘信息可以将原图像和一阶导数算子进行卷积

sobel算子：又称一阶微分算子。缺点：易受影响，用高斯滤波降噪

sobel边缘检测就是把高斯滤波和微分结合执行卷积，抗噪

x = cv2.Sobel(img,cv2.CV_16S,1,0)
y = cv2.Sobel(img,cv2.CV_16S,0,1)

拉普拉斯边缘检测

使用图像矩阵和拉普拉斯核进行卷积。本质是计算该点水平垂直四个相邻点平均点的差值。和sobel一样通过卷积计算边缘。

求原图边缘信息利用二阶差分计算

dst = cv2.Laplacian(img,cv2.CV_8U)
8位无符号整数，这是一种常见的数据类型，用于表示像素值。

canny边缘检测

多阶段检测方法，比较复杂

高斯滤波去除噪声
sobel核进行滤波，计算梯度
边缘使用非极大值预测
双阈值筛选：检测边缘双阈值去除假阳性（误检）
分析边缘连接性，保留真正的，消除不明显的边缘

dst  = cv2.Canny(img,threshold1=50,threshold2=150)

当噪声很大时可通过高斯滤波提升效果：

几何变换

色彩空间

img2 = cv2.cvtColor(img,cv2.COLOR_BGR2GRAY)灰度图

img2 = cv2.cvtColor(img,cv2.COLOR_BGR2RGB)RGB色彩

img2 = cv2.cvtColor(img,cv2.COLOR_BGR2HSV)HSV色彩空间

img2 = cv2.cvtColor(img,cv2.COLOR_BGR2YCrCb)YUV/YCrCb色彩空间

图像变换

读图像：img = cv2.imread('1.png')显示：cv2.('img',img),注意这里的引号图像名必须有

缩放

通过cv2.resize(img,dsize,dx=x,dy=y)dsize代表转换后图像大小

当为None时dxdy不能为0，且此时转换后图像宽度为：原图像宽度xdx，高度xdy
不为None时转换后大小以dsize为准，其格式为元组，（width，height），代表宽高。

还有一个插值方式：interpolation ：

最近邻：cv2.INTERNEAREST
双线性：cv2.LINEAR

翻转

cv2.flip（img，flipcode），flipcode有三种：

0：x轴，垂直翻转
>0：y轴，水平翻转
<0：水平垂直翻转

仿射变换

包括了平移、旋转、缩放、映射。基本思想就是获得变换矩阵m

再通过cv2.warpAffine(img,m,dsize)仿射变换

平移m：np.float32([[1,0,100],[0,1,50]])，右移100，下移50
缩放：[[0.5,0,0],[0,0.5,0]]

旋转：通过cv2.getRoatation.Martix2D(center,angle,scale)获得m:

中心：(width/2，heigh/2)
旋转角度
目标图与原图比例

三点映射：通过cv2.AffineTransform(src，dst)获得m：

src：原图三点坐标：np.float32([[0,0],[],[]])
dst：目标图三点坐标

透视：通过cv2.warpPerspective（img，m，dsize）

m通过cv2.getPerspectiveTransform(src，dst)获得m：

src：原图四点坐标：np.float32([[0,0],[],[]])
dst：目标图四点坐标

3.深度学习基础

基础

全连接：该层的某一个神经元与下一层的每一个神经元都连接

卷积：提取特征过程：

无跨步strides=1 边界填充padding分：

arbitrary padding 任意填充
half padding 半填充
full padding 全填充

二维卷积：

卷积层nn.Conv2d(in_channels=1,out_channels=2,kernel_size=5,stride=2,padding=2)

激活函数：nn.ReLU()线性整流单元

池化层：nn.MaxPool2d(kernel_size=(2,2),stride=2,padding=0) 作用：降低维度，减小特征图尺寸

avg_pool = nn.AvgPool2d(kernel_size=2, stride=2)  # 池化窗口大小为 2x2，步幅为 2

关于激活函数：激活函数

分组卷积：通过一个参数 groups来确定分组

深度可分离卷积：DSC

两部分：逐通道depthwise卷积，逐行逐列卷积（逐点pointwise卷积）

逐通道卷积就是把输入的k个通道分别通过单个卷积得到k个输出

逐点卷积：

通过1x1卷积和把逐通道卷积得到的k个特征图进行融合
能够通过改变卷积核的数量改变最终输出通道数

转置卷积和反卷积：反卷积即转置卷积的另一种表达。本质就是上采样增加特征图尺寸。应用如：图像分割、对抗网络

3D卷积：即读视频，添加了一个时间维度。4,3,3分别代表时间维度，高，宽

训练可视化


writer = SummaryWriter(log_dir="./log", 
        comment='test_tensorboard', 
        filename_suffix="test")

writer.add_scaler()标量数据可视化
writer.add_histogram()数据分布可视化
writer.add_image()特征图可视化
writer.add_graph()模型可视化

标量数据可视化，区别在于add_scalars的dict是字典，而不是常量

模型优化

数据增强：

from torchvision import transforms
transforms.Compose([
    transforms.ToTensor(),
    transforms.Resize((224, 224)),
    transforms.Normalize((0.485, 0.456, 0.406), (0.229, 0.224, 0.225))
])

正则化：

L1正则化：权值向量w中各个元素的绝对值之和。比如向量A=[1，-1，3]，那么A的L1范数为 |1|+|-1|+|3|。L = L+λ |W|
L2正则化：权值向量中各个元素的平方和然后再求平方根，对参数进行二次约束，参数w变小，但不为零，不会形成稀疏解。它会使优化求解稳定快速，使权重平滑。所以L2适用于特征之间没有关联的情况。L(w) = Loss(y, y_pred) + λ * ||w||^2

通过weight_decay参数实现L2正则化。

optimizer = torch.optim.Adam(model.parameters(), 
                            lr=0.001, 
                            weight_decay=0.01)
这里的weight_decay参数就是L2正则化中的λ参数。

过拟合：解决方法：数据增强、正则化、早停、增加数据集大小

DenseNet

经典卷积

AlexNet，共8层，ReLu

VGG16，13层卷积3层全连接。通过增加网络层数能提高模型性能，且多个小卷积核替换大卷积核，softmax

GoogleNet 22层 softmax

ResNet 输入输出间引入恒等映射，解决网络退化问题

DenseNet

共121层，分4个DenseBlock，且每个DenseBlock(下左图)内部都采用稠密连接。可理解为：

更激进的残差连接，创新点即每层的输出都有前面所有层在channel维度上连接在一起，作为下一层的输入。

DenseNet121共四个DenseBlock，每个block间使用Transition Layer进行特征降维。

ResAttentionNet

ResNet

网络深度增加时，网络的表现先是逐渐增加至饱和，然后迅速下降，出现网络退化问题

两种残差结构：

ResNet18, 34（浅层网络）的残差块的基本单元是BasicBlock 3、ResNet50, 101, 152 （深层网络）的残差块的基本单元是Bottleneck。原因是bottleneck计算量是basicBlock的1/16，常用于更深的网络，目的是减少计算和参数量

ResAttentionNet

残差注意力网络，是一种结合了注意力机制和ResNet的卷积神经网络，旨在提升图像分类任务的性能。该网络由多个注意力模块堆叠而成，每个模块包含：

软掩膜分支（ soft mask branch）
主干分支（trunk branch）

软掩膜分支采用自底向上（bottom-up）和自顶向下（top-down）的结构，学习生成一个掩膜（mask），该掩膜作为权重的形式与主干分支的输出特征图相乘，从而生成最终的注意力感知特征图‌。 Mix Attention对每个通道和每个空间位置使用Sigmoid激活函数。

YOLO

目标检测：找出图像中所有感兴趣的目标，确定他们的位置和类别。图像识别的四大任务：

分类、定位、检测、分割

目标检测学习算法可分两类：单阶段onestage和双阶段twostage

twostage：

先进行区域生成RP（包含待检测目标物体的预选框），在进行卷积分类
任务流程：特征提取、生成RP、分类/定位回归
常见算法：R-CNN、Fast R-CNN、Faster R-CNN、R-FCN、SPP-Net

onestage：

无RP，直接在网络中提取特征预测物体类别和位置
流程：特征提取、分类/定位回归
常见算法：YOLO v1-YOLOv3、OverFeat、SSD、RetinaNet

onestage核心理念：

端到端的目标检测，经过一个CNN即可得到最终的检测结果（创新点）

端到端指的是整个系统的输入和输出通过一个统一的模型直接连接，无需中间步骤

核心：通过在原图密集抽样产生大量boundingbox（边界框），在进行分类和回归

YOLOv1

如何使用卷积进行目标检测的呢？三步：

卷积提取特征
对特征图分类预测得到分类信息
使用特征图进行物体位置检测得到bbox边界框坐标

模块1

在经过卷积后得到7x7x30的矩阵，7x7代表划分的网格数，30为2x5+20，2个框、5个结果、20个类别

卷积最后一层会输出SXS的特征图，映射到原始图像，原始图像就会被分成SXS的网格gridcell。如果样本的真实标签GroundTruth落在某个网格，该网格负责预测该物体，网格预测出B个边界框，最终使用和真实标签的IOU较大的框。

IOU：预测框和真实框的交叠率，二者交集/并集，结果为1最佳，

缺点是无交集时永远为0，于是引入GIOU

模块二

NMS非极大值抑制：选取邻域分类数值最高的，抑制低的窗口

置信度：指的是模型对于检测到的目标属于特定类别的确定程度。即模型预测的边界框（bounding box）中确实存在目标的概率。

回归坐标

指的是bbox（预测边界框）的坐标

计算过程

col，row指的是中心坐标的框相对于原坐标的偏移量

训练过程

过程：根据图像的标注框（GroundTruth）与模型输出的7X7X30的预测结果进行比较，计算loss和梯度，反向调整参数

训练样本：一个网格会使用2个bbox回归预测，最终使用IOU（预测框和真实框的交叠率）较大的框检测物体

损失函数 3个：

关于坐标损失中根号作用：用于改善回归中相同距离，小框产生误差更大的问题，即对小框惩罚更重。

缺点

YOLOv5

模型结构

输入端

mosaic数据增强：四张图片进行随机缩放、裁剪、排布之后再拼接

letterbox自适应图片缩放：确保图片缩放时保持长宽比，同时填充空白部分适应模型输入要求

自适应锚框anchor box计算：anchor，用于预测框计算时的参考框，基于此预测只需再参考框上进行精修即可，好处：收敛更快、效果更好

Backbone结构

Focus结构

切片操作。举例演示如将4×4×3的图像切片后变成2×2×12的特征图。如下图左：

CSP

该结构将基础层的特征映射划分为两部分，然后通过跨阶段层次结构将它们合并，在减少了计算量的同时可以保证准确率。在Yolov5s中设计了两种CSP结构，以CSP1_X结构应用于Backbone主干网络，另一种CSP2_X结构则应用于Neck中。

Neck

Prediction

GIOU损失函数

优点

模型推理速度快
可进行实时检测，准确率高
促进了目标检测领域技术更新
促进卷积网络工业化应用的发展

U-Net

图像分割概述

概念：根据灰度、色彩、空间纹理、几何形状等图像将空间分成若干互不相交的区域。这些特征在同一区域表现相似性，不同区域表现明显不同。

方法主要分两种：语义分割、实例分割

图像分割广泛应用于医疗、自动驾驶、地质检测、人像美妆

UNET图像分割

主要成就

核心思想

模型结构

编码-解码，也称作下采样-上采样。可以总结为：收缩路径提取特征，扩张路径恢复像素。总体上就是同层跳跃连接的U型结构，能融合更多的空间和几何信息

编码就是典型的重复结构：卷积--ReLU激活--池化，且每次下采样都把通道的数量加倍。这里的下采样由卷积和最大池化实现。

蓝色箭头：卷积，编码的卷积是无填充的3x3，尺寸减2，通道数不变，用于特征提取。解码层的卷积是无填充的3x3，尺寸减2，但通道数减半，用于信息解析。
红色：2x2最大池化操作，步长为2，尺寸减半，用于降低维度
灰色：复制裁剪，裁剪同层压缩路径的特征尺寸使其与当前扩展路径特征尺寸一致，合并，用于信息补充
绿色：2x2转置卷积，尺寸加倍，通道数量减半，用于上采样
青色：无填充的1x1卷积，尺寸不变，通道数为分类数，用于分类

解码是上采样的过程，可以看到，每次卷积通道减小一半（128--64），两次卷积变成原来的1/4，但合并为1/2 ：

数据增强方式：

弹性形变，以获得形变不变性。通过模拟图像中可能出现的形变，如拉伸和压缩，来增强训练数据的多样性，从而使模型能够更好地泛化到未见过的形变。

Overlip-tile

处理需要保持输出尺寸与输入尺寸一致，以及需要为边界区域提供上下文信息的场景中。