OpenVINO 101：从图像识别到视频识别（上）

　　笔者：梁羽

　　计算机视觉（CV）是人工智能研究的热点方向之一，其核心在于如何让机器“看见”和“理解”——通过算法从照片、视频等媒介中提取高层次信息并加以利用。

　　随着全球计算能力和数据量的双增长，计算机视觉取得了长足的进展，在自动驾驶、智能安防、体育运动（如记录分析运动员跑姿就使用了AI助力的人体姿势估计）等领域遍地开花。

运动生物力学专家分析苏炳添训练时的跑姿

英特尔3DAT技术¹（三维运动员跟踪），基于OpenVINO框架开发

　　一般来说，常见的计算机视觉任务基于静止的单帧图像进行，主要采用机器学习和深度学习两类方法。

　　在GPU算力足以支持复杂神经网络之前，机器学习方法一度是计算机视觉领域的金标准，作为代表的有用于图像分类的支持向量机（SVM）、用于特征提取的Bag-of-Features模型（SIFT、MSER等）、用于人脸识别的Viola-Jones算法等。这些经典算法大多在开源计算机视觉库OpenCV中有实现，可以参考网上的入门资料（比如这篇【OpenCV+Python计算机视觉导学】²）进行学习，在此不再展开。

　　而后，以2015年为界，神经网络在ImageNet图片分类比赛中超越人类水平³，拉开了深度学习在计算机视觉领域大量应用的序幕。基于深度学习的图片识别以卷积神经网络（CNN）进行特征提取、多层感知机（MLP）进行分类，并在其上衍生出了注意力机制、FPN、Transformer、NAS等新架构和研究方法，在计算机视觉任务的准确度、运行速度和泛用性上都有很大提升。

使用深度学习进行对象检测/对象跟踪

　　设备算力的增长也带来了另一个好处，计算机视觉学者们得以将目标从图片转向视频，让算法端到端地捕捉视频每一帧之间的关系。通过单帧图像，算法能知道某一瞬间的情况（场景里有哪些物体、户外是晴天还是雨天），而基于视频的识别能够挖掘出更多信息，例如让计算机理解一段时间内发生的事件：

　　图片识别：“场景里有两个运动员。”

　　视频识别：“场景里的两个运动员正在打羽毛球。”

　　在开始介绍视频相关的算法前，我们将先从图像识别开始，对基于深度学习的计算机视觉有些概念上的认识。

主流图像识别算法

典型的图像分类网络（VGG-16）

　　众多图像识别算法中，图片分类任务最基础也最重要：通过为图片分类任务训练神经网络，可以得到在其他任务也能使用的主干网络（base network/backbone network）。主干网络负责从图像中抽取出高层的抽象特征，基于这些抽象特征可实现分类、检测、分割等任务。如上图架构中输出224*224*64的卷积层到输出14*14*512的卷积层就是一种主干网络（VGG-16）。

　　对神经网络算法进行选型，一般考虑两组指标：准确率，以及网络的参数量（params）和浮点运算次数（FLOPs）。准确率是量化算法本身效果的指标，而浮点运算次数和参数量可以被用来衡量模型的复杂度，前者描述了神经网络需要的计算能力，后者描述了运行神经网络需要的内存大小（也表明了部署模型需要的硬盘空间/网络带宽）。

　　在终端设备部署神经网络时，不同类型的设备（桌面GPU/桌面CPU/Movidus等专用VPU/树莓派等ARM架构设备）对复杂度有不同的要求。对于嵌入式设备部署，如一些人脸识别和智慧安防类应用，就应选择尽可能轻量的模型来达到实时处理的目标。其他情况下，就需要因地制宜地在模型准确度和复杂度中取得平衡，挑选最适合自己应用的算法模型。

　　实际使用中，我们都希望使用运算量尽可能小、而准确度尽可能高的神经网络。为了实现这堪称刁难的需求，深度学习学家们使用了网络架构搜索（NAS）技术来自动化地进行神经网络的设计。

图片分类

常用的主干网络模型

（左图为ImageNet Top-1准确率，右图为模型准确率/浮点运算数对比）

　　具体到图像识别分类任务所使用的主干网络来看，作为结果之一，Google提出了EfficientNet⁴，一个对网络准确度和模型复杂度进行联合优化的神经网络家族。

EfficientNet的模型参数量-准确率对比

　　当然，网络设计只是第一步，真正要用起来还有训练、优化部署等步骤。一般来说，神经网络网络的训练是最为繁琐的，其中涉及到远远大于部署阶段的计算能力、大型数据集和超参数调优，因此对于通用目的的神经网络，采用公开的预训练模型是最常见的做法。

　　对于OpenVINO框架来说，预训练模型和神经网络的优化器都已经集成在框架中一起提供，前文提到的EfficientNet和其他主干网络的都可以从GitHub上的官方模型库下载得到。

对象检测

　　目标检测模型基于主干网络提取的特征来进行识别，而根据识别和分类物体的内部实现来说，主流对象检测网络可以分成Anchor-based的两阶段检测器和单阶段检测器，以及Anchor-Free的目标检测器。

Faster-RCNN（Anchor-based二阶段检测器代表）

Faster-RCNN模型架构图

　　两阶段检测器由候选区域网络（RPN）和分类器构成。候选区域网络基于主干网络生成的特征，在图片中划分出潜在的感兴趣区域（RoI），并将这些其余和先前得到的特征一并送进分类器，得到每个候选框的具体分类。

　　Faster-RCNN以模型的复杂度作为代价，换来了相对较高的识别准确度。其处理一张图片需要约200ms（5FPS），离实时处理还是有一些距离。

SSD/YOLO（Anchor-based一阶段检测器代表）

YOLO v3模型架构图

　　以YOLO v3为例，输入的图片会先被划分为数个单元格，每个单元格上会预测出一些识别框和对应的分类。在训练时，YOLO v3会根据训练集中检测框的大小和位置做预先学习，寻找出最常见的检测框位置，并根据这些线索来划分单元格。

　　与Faster-RCNN等二阶段检测器不同，YOLO和SSD会同时进行候选框和目标分类的预测，从而节省了性能开销。一般较小的YOLO模型都可以在30ms内处理完成一张图片，达到实时速度。

Anchor-free检测器

DETR模型架构图

　　无论是Anchor-based还是Anchor-free方法，目标检测器想要解决的核心问题都是如何预测检测框和类别。这一类的检测器代表有CenterNet等基于点的方法、FCOS等利用FPN进行多尺度预测的模型，以及上图DETR等基于Transformer的模型。

　　因为网络结构简单，Anchor-free对于工业应用会更加友好，而且其网络架构上和实例分割等任务更接近，有实现多功能的潜力。

小结

　　在这篇文章中，笔者简单介绍了图像识别，以及用深度学习进行计算机视觉任务的相关内容。图像识别的相关示例可以参考这篇【OpenVINO开发实战课程】中的录播教程进行学习，注册eepw账号后即可获取~

　　下篇中，我们会关注视频理解的相关算法，以及逐步教学如何使用OpenVINO进行视频识别，一定要关注哦！

参考资料

[1]腾讯网，2021/3/17报道，《摆脱传统监测手段，英特尔3DAT成体育训练数据分析“神器”》，https://new.qq.com/rain/a/20210317A03E6J00

[2]EEPW论坛，作者zhuzhaokun1987，【原创】【AI人工智能系列】OpenCV+Python计算机视觉导学——目录汇总（点击目录可跳转对应章节，长期更新），http://forum.eepw.com.cn/thread/337725/1

[3]微软亚洲研究院（MSRA）在2015年发表的工作，作者何恺明等，Delving Deep into Rectifiers:Surpassing Human-Level Performance on ImageNet Classification，https://arxiv.org/pdf/1502.01852.pdf

[4]Google于2019年发表在ICML上的工作，作者Mingxing Tan等，EfficientNet:Rethinking Model Scaling for Convolutional Neural Networks，https://arxiv.org/pdf/1905.11946v5.pdf