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机器视觉的主要问题与发展

机器视觉检测是工业生产中非常重要的一个环节。拥有极高准确度的机器视觉检测系统,可以自动处理大量的信息。机器视觉检测系统将传统的“简单工具+人眼”模式变成高速度高准确度的自动检测结果,节省了大量的监测工人,取代了密集型的人工检测。所以机器视觉检测技术在工业中的应用非常广泛,许多的视觉检测设备相继被研发.

 很多人都有这样的疑惑,就是一台机器它为什么能看到你?因为它有了自己的视觉。机器视觉技术是一门涉及人工智能、神经生物学、心理物理学、计算机科学、图像处理、模式识别等诸多领域的交叉学科。机器视觉主要用计算机来模拟人的视觉功能,从客观事物的图像中提取信息,进行处理并加以理解,最终用于实际检测、测量和控制,技术最大的特点是速度快、信息量大、功能多。

  机器视觉可以看作是与人工智能和模式识别密切相关的一个子学科或子领域。限制机器视觉发展的瓶颈是多方面的,其中最重要的可以归结为三个方面:计算能力不足、认知理论未明以及精确识别与模糊特征之间的自相矛盾。

  1.机器视觉面向的研究对象主要是图像和视频,其特点是数据量庞大、冗余信息多、特征空间维度高,同时考虑到真正的机器视觉面对的对象和问题的多样性,单一的简单特征提取算法(如颜色、空间朝向与频率、边界形状等等)难以满足算法对普适性的要求,因此在设计普适性的特征提取算法时对计算能力和存储速度的要求是十分巨大的,这就造成了开发成本的大幅度提高。

  2.如何让机器认知这个世界?这一问题目前没有成熟的答案,早期的人工智能理论发展经历了符号主义学派、行为主义学派、连接主义学派等一系列的发展但都没有找到令人满意的答案,目前较新的思想认为应该从分析、了解和模拟人类大脑的信息处理功能去构建智能机器视觉系统,但神经科学的发展目前只能做到了解和模拟大脑的一个局部,而不是整体(当然计算能力限制也是原因之一)。事实上,我们对人是如何对一个目标或场景进行认知的这一问题仍停留在定性描述而非定量描述上。

  3.机器视觉系统经常被人诟病的问题之一就是准确性。以十年前如火如荼的人脸识别算法为例,尽管一系列看似优秀的算法不断问世,但目前为止在非指定大规模样本库下进行人脸识别的准确率仍然无法满足实际应用的需求,因此无法取代指纹或虹膜等近距接触式生物特征识别方法。这一问题的出现并非偶然。因为目标越精细,越复杂,信息越大,则其模糊性和不确定性也越强。人类之所以能够较好的对人脸进行识别,其实也是以牺牲一定的准确性为代价的。而机器视觉在做的事情一方面想要借鉴人脑或人眼系统的灵感去处理复杂而庞大的信息流,另一方面又想摒除人脑在模式识别方面存在的精确性不足的缺陷。这显然是一种一厢情愿的做法。

    机器视觉是通过计算机算法自动理解图片内容的技术,十九世纪六十年代,它起源于人工智能和认知神经科学。为了“解决”机器视觉的问题,1966年,在麻省理工学院,这个问题作为一个夏季项目被提出,但是人们很快发现要解决这个问题可能还需要更长的路要走。在50年后的今天,一般的图像理解任务仍旧是不能得到解决。但是也已取得显着进展,并且随着机器视觉算法商业化的成功,机器视觉产品已经开始拥有广泛的用户,包括图像分割(例如微软office中去除图片背景的功能)、图像检索、人脸检测对焦和Kinect的人体行为捕获等。几乎可以确定的是机器视觉近的突飞猛进主要得益于近15到20年机器学习领域的快速发展。

   本主题的篇文章主要是探索一下机器视觉所面临的挑战和介绍一个非常重要的机器学习技术——像素智能分类决策树算法。

   图像分类

   想像一下并试着回答下面这个有关图像分类的问题:“在这张图片中有一辆汽车吗”。对于计算机来说,一张图片仅仅是由三原色(红、绿、蓝)构成的像素组成的格子,三原色中每一个颜色通道的值的范围都是0到255。这些值的改变不仅依赖于事物对象是否在图片中呈现,也依赖于一些干扰事件,比如摄像机的视角、灯光条件、背景和对象的形态。另外,一个必须处理的问题是不同类别的汽车呈现不同的形状。例如,这辆汽车可能是辆旅行车、或者小卡车、或者是辆跑车,这些都会对图片像素造成很大影响。

幸运的是监督机器学习算法提供了替代原本需要人工编码解决这些多可能性的问题的方式。通过收集图片的训练集和适当的人工标记每一张训练图片,我们能够使用好的机器学习算法找到哪些像素模式是同要识别的对象相关的以及哪些是干扰因素产生的。我们希望我们的算法终能够适用于识别以前没有经过训练的新的样本,并且对于噪声保持不变性。在新的机器视觉算法的发展和数据集的收集标注两个方面我们都取得了长足的进步。


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