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发布时间: 2022-06-16
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DOI: 10.11834/jig.220069
2022 | Volume 27 | Number 6




    视觉理解与计算成像    




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基于深度学习的视觉目标检测技术综述
expand article info 曹家乐1, 李亚利2, 孙汉卿1, 谢今3, 黄凯奇4, 庞彦伟1
1. 天津大学, 天津 300072;
2. 清华大学, 北京 100084;
3. 重庆大学, 重庆 400044;
4. 中国科学院自动化研究所, 北京 100190
收稿日期: 2022-01-18; 修回日期: 2022-02-25; 预印本日期: 2022-03-04
基金项目: 国家重点研发计划资助(2018AAA0102800)；中国博士后科学基金项目(2021M700613)；中国人工智能学会—华为MindSpore学术奖励基金
作者简介: 曹家乐，1991年生，男，副研究员，主要研究方向为目标检测、语义分割、深度学习。E-mail: connor@tju.edu.cn
李亚利，女，助理研究员，主要研究方向为目标检测、场景理解、视觉认知。E-mail：liyali13@tsinghua.edu.cn
孙汉卿，男，博士研究生，主要研究方向为目标检测、双目视觉、深度学习。E-mail：HQSun@tju.edu.cn
谢今，男，副教授，主要研究方向为目标检测、图像增强、深度学习。E-mail：jinxie@tju.edu.cn
黄凯奇，男，研究员，主要研究方向为计算机视觉、模式识别、智能视觉监控、人的认知信息处理。E-mail：kaiqi.huang@ia.ac.cn
庞彦伟，通信作者，男，教授，主要研究方向为目标检测、图像增强、医学影像分析、深度学习。E-mail：pyw@tju.edu.cn
*通信作者: 庞彦伟  pyw@tju.edu.cn
中图法分类号: TP391.4
文献标识码: A
文章编号: 1006-8961(2022)06-1697-26

摘要

视觉目标检测旨在定位和识别图像中存在的物体，属于计算机视觉领域的经典任务之一，也是许多计算机视觉任务的前提与基础，在自动驾驶、视频监控等领域具有重要的应用价值，受到研究人员的广泛关注。随着深度学习技术的飞速发展，目标检测取得了巨大的进展。首先，本文总结了深度目标检测在训练和测试过程中的基本流程。训练阶段包括数据预处理、检测网络、标签分配与损失函数计算等过程，测试阶段使用经过训练的检测器生成检测结果并对检测结果进行后处理。然后，回顾基于单目相机的视觉目标检测方法，主要包括基于锚点框的方法、无锚点框的方法和端到端预测的方法等。同时，总结了目标检测中一些常见的子模块设计方法。在基于单目相机的视觉目标检测方法之后，介绍了基于双目相机的视觉目标检测方法。在此基础上，分别对比了单目目标检测和双目目标检测的国内外研究进展情况，并展望了视觉目标检测技术发展趋势。通过总结和分析，希望能够为相关研究人员进行视觉目标检测相关研究提供参考。

关键词

视觉目标检测; 深度学习; 单目; 双目; 锚点框

A survey on deep learning based visual object detection
expand article info Cao Jiale1, Li Yali2, Sun Hanqing1, Xie Jin3, Huang Kaiqi4, Pang Yanwei1
1. Tianjin University, Tianjin 300072, China;
2. Tsinghua University, Beijing 100084, China;
3. Chongqing University, Chongqing 400044, China;
4. Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China
Supported by: National Key R&D Program of China (2018AAA0102800);China Postdoctoral Science Foundation (2021M700613)

Abstract

Visual object detection aims to locate and recognize objects in images, which is one of the classical tasks in the field of computer vision and also the premise and foundation of many computer vision tasks. Visual object detection plays a very important role in the applications of automatic driving, video surveillance, which has attracted extensive attention of the researches in past few decades. In recent years, with the development of the technique of deep learning, visual object detection has also made great progress. This paper focuses on a deep survey on deep learning based visual object detection, including monocular object detection and stereo object detection. First, we summarize the pipeline of deep object detection during the training and inference. The training process is composed of data pre-processing, detection network design, and label assignment and loss function in common. Data pre-processing (e.g., multi-scale training and flip) aims to enhance the diversity of the given training data, which can improve detection performance of object detector. Detection network usually consists of three key parts like the backbone (e.g., Visual Geometry Group(VGG) and ResNet), feature fusion module (e.g., feature pyramid network(FPN)), and prediction network (e.g., region of interest head network(RoI head)). Label assignment aims to assign the true value for each prediction, and loss function can supervise the network training. During inference, we adopt the trained detector to generate the detection bounding-boxes and employ the post-processing step (e.g., non-maximum suppression(NMS)) to combine the bounding-boxes. Second, we illustrate a deep review on monocular object detection, including anchor-based, anchor-free, and end-to-end methods, respectively. Anchor-based methods design some default anchors and perform classification and regression based on these default anchors, which can be further split into two-stage and one-stage methods. Two-stage methods first generate some candidate proposals based on the default anchors, and second classify/regress these proposals. Compared to two-stage methods, one-stage methods directly perform classification and regression on default anchors directly, which usually have a faster inference speed. The representative two-stage methods are regional-based convolutional neural network (R-CNN) series, and the representative one-stage methods are you only look once (YOLO) and single shot detector (SSD). Compared to anchor-based methods, more robust anchor-free methods perform classification and regression without any hand-crafted default anchors. We split anchor-free methods into keypoint-based methods, and center-based methods. Keypoint-based methods predict multiple keypoints of objects for localization, while center-based methods predict the left, right, top, and bottom distances to the object boundary. The representative keypoint-based method is CornerNet, and the representative center-based methods are fully convolutional one-stage detector (FCOS) and CenterNet. The anchor-based methods and anchor-free methods mentioned above require the post-processing to remove the redundant detection results for each object in common. To solve this problem, the recently introduced end-to-end methods directly predict one bounding box for each object straightforward, which can avoid the post-processing. The representative end-to-end method is detection transformer (DETR) that performs prediction via a transformer module. In addition, we review some classical modules employed in monocular object detection, including feature pyramid structure, prediction network design, label assignment and loss function. The feature pyramid structure employs different layers to detect multi-scaled objects, which can deal with scale variance issue. Prediction network design contains the re-designs of classification and regression, which aims to better deal with these two sub-tasks. Label assignment and loss function aim to better guide detector training. Third, we introduce stereo object detection. According to the coordinate space of features, existing detectors are divided into two categories: frustum-based and inverse-projection-based approaches. Frustum-based approaches directly predict 3D objects on features in the image frustum space. Stereo R-CNN and StereoCenterNet construct stereo features in the image frustum space via concatenating a pair of unary features concatenation. Plane-sweeping is another method of constructing frustum features as cost volumes, which is used in instance-depth-aware 3D detection (IDA-3D) and YOLOStereo3D. In contrast to the frustum-based approaches, inverse-projection-based approaches explicitly project the pixels or frustum features into 3D Cartesian space. There are mainly three manners of the inverse projection: projecting all pixels to the full 3D space as a pseudo point cloud, projecting the cost volume features to 3D feature volume features, or projecting the pixels in each region proposal to an instance-level point cloud. Pseudo-LiDAR is a pioneer method that transforms stereo images to their point cloud representation, which embraces the advances in both disparity estimation and LiDAR-based 3D detection. Deep stereo geometry network (DSGN) projects the frustum-based cost volume features to 3D volume features and further squeezes them into bird's eye view (BEV) for detection. Disp R-CNN leverages Mask R-CNN, a representative 2D instance segmentation model, and generates a set of instance-level point clouds for each stereo image pair. Based on the summary of monocular and stereo object detection, we further compare the progress of domestic and foreign researches, and present some representative universities or companies on visual object detection. Finally, we present some development tendency in visual object detection, including efficient end-to-end object detection, self-supervised object detection, long-tailed object detection, few-shot and zero-shot object detection, large-scale stereo object detection dataset, weakly-supervised stereo object detection.

Key words

visual object detection; deep learning; monocular; stereo; anchor

0 引言

视觉目标检测是计算机视觉的经典任务，旨在定位图像中存在物体的位置并识别物体的具体类别。目标检测是许多计算机视觉任务及相关应用的基础与前提，直接决定相关视觉任务及应用的性能好坏。因此，视觉目标检测技术受到了学术界、工业界等各领域、乃至世界各国政府的广泛关注。在学术界，目标检测一直是各大计算机视觉会议及期刊的研究热点之一，每年有大量的目标检测相关论文发表。根据谷歌学术显示，研究人员近10年来在目标检测方面发表论文15 000余篇。在工业界，国内外科技巨头(如谷歌、脸书、华为和百度等)、初创公司(如商汤、旷视等)纷纷在目标检测相关领域投入大量人力财力。与此同时，目标检测技术是新一代人工智能的重要共性关键技术，世界各国竞相竞争。

在过去的几十年中，目标检测经历了基于手工设计特征的方法到基于深度特征的方法等不同发展阶段。早期，目标检测方法通常采用手工设计特征加浅层分类器的技术路线，例如支持向量机(support vector machines，SVM)和AdaBoost等，涌现了包括Haar特征(Viola和Jones，2004)、方向梯度直方图(histograms of oriented gradients，HOG)特征(Dalal和Triggs，2005)等一系列经典的目标检测特征描述子。2012年以来，深度学习技术取得了飞速的发展，并行计算资源不断迭代更新，大规模数据库及评测标准相继构建与公开。基于上述技术、算力和数据的铺垫，视觉目标检测开始在精度与效率等方面取得了显著的进展，先后涌现出区域卷积神经网络(region-based convolutional neural network，R-CNN)(Girshick等，2014)、SSD(single shot detector)(Liu等，2016)、YOLO(you only look once)(Redmon等，2016)、DETR(detection transformer)(Carion等，2020)等一系列经典的研究工作。相比于传统手工设计特征的方法，基于深度学习的方法避免了烦琐的手工设计过程，能够自动学习更具有区分力的深度特征。与此同时，基于深度学习的方法将特征提取和分类器学习统一在一个框架中，能够进行端到端的学习。

随着技术的不断发展与成熟，深度目标检测技术开始在实际应用中发挥重要作用。近些年，国内外涌现了一批以目标检测等视觉技术为核心技术的科技创业公司，如旷视科技、商汤科技等。同时，视觉目标检测是自动驾驶汽车环境感知重要的内容之一，以特斯拉为代表的一批科技公司甚至采用纯视觉目标感知的技术路线开展自动驾驶研究。尽管目标检测技术已经开始走向实际应用，但是当前目标检测的性能仍然无法到达人类视觉的性能，存在巨大改进与提升的空间。

鉴于基于深度学习的目标检测技术在学术界和产业界取得了巨大成功，本文对基于深度学习的视觉目标检测技术进行了系统的总结和分析，包括国内外研究现状以及未来的发展趋势等。根据视觉目标检测采用视觉传感器的数量不同，将视觉目标检测分为两类：基于单目相机的视觉目标检测和基于双目相机的视觉目标检测。相比于单目相机，双目相机能够提供3维信息。因此，基于双目相机的视觉目标检测能够提供精准的目标3维信息，在自动驾驶等领域能够更好地满足应用需求。

首先介绍目标检测的基本流程，包括训练和测试过程。接着，系统地总结和分析单目视觉目标检测。然后，介绍双目视觉目标检测。最终，对比国内外发展现状，并对发展趋势进行展望。

1 基于深度学习的目标检测基本流程

如图 1所示，基于深度学习的目标检测主要包括训练和测试两个部分。训练的主要目的是利用训练数据集进行检测网络的参数学习。训练数据集包含大量的视觉图像及标注信息(物体位置及类别)。如图 1(a)所示，训练阶段的主要过程包括数据预处理、检测网络以及标签匹配与损失计算等部分。



图 1 基于深度学习的视觉目标检测训练与测试
Fig. 1 Training and inference of deep learning based visual object detection
((a) training stage; (b) test stage)

1) 数据预处理。数据预处理旨在增强训练数据多样性，进而提升检测网络的检测能力。常用的数据增强手段有翻转、缩放、均值归一化和色调变化等。除此之外，研究人员在数据预处理方面做了大量的研究工作。一些研究人员提出从图像中擦除部分子区域，如CutOut(DeVries和Taylor，2017)、Random erasing(Zhong等，2020b)、HaS(hide-and-seek)(Singh和Lee，2017)、GridMask(Chen等，2020a)等。Zhang等人(2018a)通过将不同图像和标签进行差值表示提升分类性能，简称为MixUp。Yun等人(2019)认为直接擦除图像子区域会造成信息损失，提出将其他训练图像粘贴到擦除的子区域，简称为CutMix。类似地，Fang等人(2019)将其他图像的实例掩膜粘贴到当前图像用于实例分割。此外，研究人员提出将多个图像拼接在一起进行训练，提升检测器应对尺度变化的鲁棒性，如Mosaic(Bochkovskiy等，2020)、Montage(Zhou等，2020)、DST(dynamic scale training)(Chen等，2020d)。此后，Chen等人(2021e)提出自动搜索的尺度增强策略。

2) 检测网络。检测网络一般包括基础骨干、特征融合及预测网络3部分。目标检测器的基础骨干通常采用用于图像分类的深度卷积网络，如AlexNet(Krizhevsky等，2012)、VGGNet(Visual Geometry Group)(Simonyan和Zisserman，2014)、ResNet(He等，2016)和DenseNet(Huang等，2017)等。近期，研究人员开始采用基于Transformer(Vaswani等，2017)的基础骨干网络，如ViT(vision transformer)(Dosovitskiy等，2021；Beal等，2020)、Swin(Liu等，2021c)和PVT(pyramid vision transformer)(Wang等，2021c)等。通常将大规模图像分类数据库ImageNet (Russakovsky等，2015)(https://www.image-net.org/)上的预训练权重作为检测器骨干网络的初始权重。特征融合主要是对基础骨干提取的特征进行融合，用于后续分类和回归。常见的特征融合方式是特征金字塔结构(Lin等，2017a)。研究人员开始用基于Transformer编解码的特征融合方式进行目标检测。最后，预测网络进行分类和回归等任务。在两阶段目标检测方法中，分类和回归通常采用全连接的方式，而在单阶段的方法中，分类和回归等通常采用全卷积的方式。Guo等人(2020b)利用神经网络搜索技术同时搜索基础骨干、特征融合和预测网络等3部分。与此同时，检测器通常还需要一些初始化，如锚点框初始化、角点初始化和查询特征初始化等。

3) 标签分配与损失计算。标签分配主要是为检测器预测提供真实值。在目标检测中，标签分配的准则包括交并比(intersection over union，IoU)准则、距离准则、似然估计准则和二分匹配等。交并比准则通常用于基于锚点框的目标检测方法，根据锚点框与物体真实框之间的交并比将锚点框分配到对应的物体。距离准则通常用于无锚点框的目标检测方法，根据点到物体中心的距离将其分配到对应的物体。似然估计准则和二分匹配通常基于分类和回归的联合损失进行最优标签分配。基于标签分类的结果，采用损失函数计算分类和回归等任务的损失，并利用反向传播算法更新检测网络的权重。常用的分类损失函数有交叉熵损失函数、聚焦损失函数(Lin等，2017b)等，而回归损失函数有L1损失函数、平滑L1损失函数、交并比IoU损失函数、GIoU(generalized IoU)损失函数(Rezatofighi等，2019)和CIoU(complete-IoU)损失函数(Zheng等，2020b)等。

基于训练阶段学习的检测网络，在测试阶段输出给定图像中存在物体的类别以及位置信息。如图 1(b)所示，主要包括输入图像、检测网络和后处理等过程。对于一幅给定的图像，先利用训练好的检测网络生成分类和回归结果。一般而言，大部分目标检测方法在同一物体周围会生成多个检测结果。因此，大部分目标检测方法需要一个后处理步骤，旨在为每个物体保留一个检测结果并去除其他冗余的检测结果。最常用的后处理方法为非极大值抑制方法(non-maximum suppression，NMS)。NMS试图为每个物体保留一个分类得分最高的检测结果。Bodla等人(2017)认为NMS方法容易将距离较近的多个物体检测结果合并，造成部分物体漏检的问题。为解决这一问题，Bodla等人(2017)对NMS进行改进并提出Soft-NMS。该方法通过降低交并比高的检测结果的分类得分来抑制冗余检测。Jiang等人(2018)提出IoUNet，预测检测框与物体真实框之间的交并比，并根据预测的交并比值进行非极大值抑制。He等人(2018)提出学习检测框的定位方差，并利用定位方差线性加权邻近检测框来提升当前检测框的定位精度。Pato等人(2020)通过对检测结果上下文推理实现对检测结果的重打分。

视觉目标检测在训练和测试过程相对烦琐。为了更好地促进目标检测技术的发展，方便不同方法进行公平比较，国内外研究人员先后发布了不同的目标检测开源平台，使用基于模块化设计的思想，方便支持不同目标检测方法的集成。国外比较有代表性的研究机构是美国FaceBook人工智能研究院，先后发布了Detectron(https://github.com/facebookresearch/Detectron)、maskrcnn-benchmark(https://github.com/facebookresearch/Detectron)和Detectron2(https://github.com/facebookresearch/detectron2)等目标检测与分割开源平台。国内比较有代表性的机构是商汤科技和图森科技，发布了mmdetection(https://github.com/open-mmlab/mmdetection)和SimpleDet(https://github.com/TuSimple/simpledet)等目标检测开源平台。上述目标检测平台大多基于国外深度学习核心架构Caffe2(https://github.com/facebookarchive/caffe2)、PyTorch(https://pytorch.org/)和MXNet(https://mxnet.apache.org/versions/1.8.0/)。与此同时，百度、华为和清华大学等国内科技公司与大学相继发布了深度学习核心架构PaddlePaddle(https://www.paddlepaddle.org.cn/)、MindSpore(https://www.mindspore.cn/)和Jittor(https://cg.cs.tsinghua.edu.cn/jittor)等，并提供了一些典型的目标检测方法接口，促进目标检测技术走向实际应用。

2 单目视觉目标检测

单目视觉目标检测是视觉目标检测的基础，旨在预测单幅图像中存在物体的位置以及类别信息。自2012年深度卷积神经网络在图像分类任务取得成功后(Krizhevsky等，2012)，研究人员开始尝试用深度卷积神经网络进行目标检测，如DetectorNet(Szegedy等，2013)和OearFeat(Sermanet等，2014)。此后，基于深度学习的目标检测开始主导目标检测的发展。图 2给出了近年基于深度学习的目标检测发展历程，并列出了一些具有代表性的深度网络模型及目标检测方法。灰色字体表示一些代表性的深度网络模型，黑色字体表示一些代表性的深度学习目标检测方法。将目标检测方法分为3类：基于锚点框的目标检测方法、无锚点框的目标检测方法以及端到端预测的目标检测方法。需要指出的是，端到端预测的目标检测方法属于无锚点框的目标检测方法。由于端到端预测的目标检测方法不需要后处理操作，大多采用转换器模型直接为每个目标预测一个检测结果，是一个更简洁的检测架构，将其单独归为一类进行详细介绍。



图 2 基于深度学习的视觉目标检测发展过程
(图中括号内为作者信息)
Fig. 2 Development process of visual object detection based on deep learning

2.1 基于锚点框的目标检测方法

基于锚点框的目标检测方法为空间每一个位置设定多个矩形框，以便尽可能地覆盖图像中所有存在的物体。基于锚点框的目标检测可以分为两类(赵永强等，2020)：两阶段目标检测方法和单阶段目标检测方法。图 3给出两类方法的基本架构图。两阶段方法(图 3(a))首先提取k个类别不具体的候选检测窗口，然后进一步对这些候选检测窗口进行分类和回归，生成最终的检测结果。与两阶段方法不同，单阶段方法(图 3(b))直接对锚点框进行分类和回归。一般而言，两阶段方法具有较高的检测精度，而单阶段方法具有较快的推理速度。



图 3 基于锚点框的目标检测方法基本架构
Fig. 3 Architectures of anchor-based object detection methods
((a) two-stage architecture; (b) one-stage architecture)

2.1.1 两阶段目标检测方法

区域卷积神经网络(region-based convolutional neural network，R-CNN)系列工作是两阶段目标检测方法的最主要代表性工作。R-CNN(Girshick等，2014)首先利用选择性搜索方法(Uijlings等，2013)生成2 000个最可能是物体的候选检测框，然后利用深度卷积神经网络提取这些候选检测框的深度特征，最后利用支持向量机进行分类和回归。该方法在当时取得了巨大的成功，大幅度提升了目标检测的精度。由于R-CNN分别提取每个候选框的深度特征，因此存在推理速度慢的问题。针对这一问题，He等人(2015)先通过特征共享的方式提取整幅图像的特征，然后利用空间金字塔池化(spatial pyramid pooling，SPP)操作, 将每个候选框对应的特征转换成固定长度的特征，进行后续SVM的分类和回归，该方法简称为SPPNet。Girshick(2015)认为R-CNN和SPPNet特征提取和预测(分类和回归)是一个多阶段的过程，限制了深度神经网络的性能，并提出了R-CNN的改进工作Fast R-CNN。Fast R-CNN首先提取整幅图像的深度特征，然后利用感兴趣区域(region of interest，RoI)池化操作将候选检测框的特征缩放至固定大小，最终利用全连接层进行分类和回归。由于感兴趣池化操作能够实现反向传播，Fast R-CNN能够联合训练整个网络。随后，Ren等人(2015)提出Faster R-CNN，进一步将候选窗口的生成同候选窗口的分类与回归统一到在一个网络中联合学习。

在Faster R-CNN的基础上，研究人员进行了大量的改进。一些研究人员关注RoI池化操作。Dai等人(2016)提出位置敏感感兴趣区域(position-sensitive RoI，PSRoI)池化操作，从特征图的不同通道累积空间对应位置的特征。Zhu等人(2017)认为RoI池化操作可以提取上下文信息，PSRoI能够捕获物体的局部信息。基于此假设，Zhu等人(2017)提出了CoupleNet，将RoI池化操作提取的特征和PSRoI池化操作提取的特征进行融合，用于后续的分类和回归。Dai等人(2017)提出了可变形RoI池化操作，能够更好地刻画物体的形变。He等人(2017)提出RoIAlign池化操作，解决RoI池化操作因量化误差带来的特征不匹配问题。此外，一些研究人员关注级联结构在两阶段方法中的应用。Cai和Vasconcelos(2018)提出级联目标检测架构Cascade R-CNN，将多个Fast R-CNN头网络级联起来，当前级对前一级的分类和回归结果进一步进行分类和回归。类似地，Zhong等人(2020a)和Vu等人(2019)将级联思想用于候选窗口生成。

为了应对物体尺度的变化，研究人员提出了基于图像金字塔的方法(Singh和Davis，2018；Singh等，2018)和基于特征金字塔的方法(Lin等，2017a)。基于图像金字塔的方法采用不同尺度的图像检测不同尺度的物体，如小尺度图像检测大尺度物体、大尺度图像检测小尺度物体。基于图像金字塔的方法需要利用检测网络分别检测多个不同尺度的图像，计算量相对较大。基于特征金字塔的方法采用单个检测网络内部不同层检测不同尺度的物体，计算量相对较少(李晖晖等，2020；姜文涛等，2019)。因此，研究人员更多关注基于特征金字塔的方法(姚群力等，2019)。

2.1.2 单阶段目标检测方法

YOLO(you only look once)系列工作是单阶段目标检测方法的代表性工作之一。YOLO(Redmon等，2016)直接将图像分成N×N大小的子区域，并预测每个子区域存在物体的概率、类别以及位置偏移量。YOLO结构十分简单，具有很快的运算速度。此后，YOLOv2(Redmon和Farhadi，2017)、YOLOv3(Redmon和Farhadi，2018)、YOLOv4(Bochkovskiy等，2020)和YOLOv5(https://github.com/ultralytics/yolov5)等相继提出，获得了广泛的关注(张伟等，2021)。YOLOv2引入包括批归一化操作、高分辨率输入和全卷积操作等改进，使其能够在保持较快检测速度的情况下提升目标检测精度。YOLOv3提出Darknet-53基础骨干网络和多尺度预测等改进。YOLOv4对数据预处理、检测网络设计和预测网络等过程进行系统的分析，并基于这些分析设计了适合单显卡的高效目标检测器。YOLOv5提供4种不同大小的目标检测器，以便满足不同应用的需求。

SSD(single shot detector)(Liu等，2016)是另一个代表性的单阶段目标检测方法。为了检测不同尺度的物体，SSD采用不同层的特征图检测不同尺度的物体。靠前分辨率高的特征图检测小尺度物体，靠后分辨率低的特征图检测大尺度物体。此后，研究人员在SSD的基础上开展了大量的工作。Fu等人(2017)和Kong等人(2018)通过去卷积操作为SSD引入上下文信息。Zhou等人(2018)提出尺度转换层，将高语义特征图转换成不同尺度的特征图检测不同尺度的物体，保持了特征图的语义一致性。受人类视觉系统启发，Liu等人(2018a)提出利用不同膨胀率的卷积层提取不同感受野的上下文信息。Zhao等人(2019)、Kim等人(2018)和Wang等人(2019b)分别提出多级结构、并行结构和图像金字塔结构增加特征金字塔结构的上下文信息。Zhang等人(2018b)、Cao等人(2019b)和Nie等人(2019)提出了基于级联结构的单阶段目标检测方法，提高目标检测定位精度。Zhang等人(2018c)、Dvornik等人(2017)和Cao等人(2019a)联合检测和分割两个任务，试图提升多任务学习的性能。Li等人(2020d)提出了尺度解混模块，使得不同层能够更好地关注不同尺度的物体。为了解决类别不平衡问题，Lin等人(2017b)提出了聚焦损失(focal loss)函数，在训练过程中增大难样本的损失权重。

2.2 无锚点框目标检测方法

基于锚点框的目标检测方法需要人为地根据数据库特性设定锚点框的尺度和长宽比等参数。因而，基于锚点框的目标检测方法存在检测器对参数敏感、检测器泛化能力差等问题。针对这一问题，研究人员提出了无锚点框的目标检测方法。无锚点框目标检测方法主要分为两类：基于关键点的目标检测方法和基于内部点的目标检测方法。图 4(a)给出了基于关键点方法的基本结构图。基于关键点的目标检测方法通常通过预测物体的多个关键点，并将关键点集成实现对物体的检测。图 4(b)给出了基于内部点方法的基本结构图。基于内部点的目标检测方法预测物体内部点到物体边界的上下左右偏移量及内部点所属的类别信息等。



图 4 无锚点框目标检测方法基本架构
Fig. 4 Architectures of anchor-free object detection methods
((a) keypoint-based method; (b) center-based method)

2.2.1 基于关键点的目标检测方法

2018年，Law和Deng(2018)创新性地提出了基于角点的目标检测方法CornerNet。基于全卷积神经网络Hourglass(Newell等，2016)输出的高分辨率特征图，CornerNet分别预测物体左上角点热图、右下角点热图以及两个角点的集成特征向量。基于集成特征的相似性度，CornerNet将属于同一物体的两个角点关联起来构成一个物体。此外，CornerNet预测类别敏感的角点热图来区分不同类别的物体，并提出角点池化层提升网络对角点的检测能力。该方法消除了单阶段检测方法需要设置锚点框的需求。为提升CornerNet推理有效性，Law等人(2020)从减少处理像素数及每个像素的运算量等两方面出发，提出了CornerNet的快速版本CornerNet-Lite。CornerNet-Lite主要包括两个模块：CornerNet-Saccade模块和CornerNet-Squeeze模块。CornerNet-Saccade从低分辨率输入图像中快速预测可能存在物体的候选区域，而CornerNet-Squeue采用轻量卷积神经网络从高分辨率候选区域中精准检测物体。

基于CornerNet的思想，研究人员进行了一些改进工作。Zhou等人(2019b)认为物体的角点通常位于物体外，缺少物体外观特征信息，为了解决这一问题，提出了基于极值点的目标检测器ExtremeNet，预测4个类别敏感的极值点热图和1个类别敏感的中心点热图，并通过判断4个极值点对应的中心点响应值是否大于预定阈值来集成极值点。4个极值点分别是左极值点、右极值点、上极值点和下极值点。为了能够获取更多物体外观信息，减少CornerNet生成的大量虚检点，Duan等人(2019)在CornerNet的基础上增加对中心点的预测。类似地，为了减少对角点错误匹配的数量，Dong等人(2020)在预测成对角点的同时预测成对角点的向心偏移量，并根据它们是否都靠近中心来判断是否属于同一物体。Duan等人(2020)利用角点目标检测提取网络提出候选检测框，进而利用Fast R-CNN头网络对这些候选框进行分类和回归。

上述方法都需要将不同关键点集成构成一个物体。Yang等人(2019)直接预测一组关键点表示物体，并利用这组关键点所对应的特征对物体进行分类，简称RepPoints。与CornerNet和ExtremeNet等自下而上的方法比，RepPoints不需要将不同关键点集成并采用了更准确的特征进行分类。在此基础上，Yang等人(2020)提出基于稠密关键点的RePoints，用于更精准的实例分割任务。Chen等人(2020e)通过引入两个辅助任务(即角点预测和前景预测)增强RepPoints提取的特征和微调RepPoints的检测框定位，进而提升RepPoints的物体检测准确率。Wei等人(2020)利用若干个初始关键点表示物体，基于这些初始关键点对物体进行回归和分类。

2.2.2 基于内部点的目标检测方法

2015年起，研究人员已经提出了基于内部点的目标检测方法(如DenseBox(Huang等，2015)和UnitBox(Yu等，2016))。但是，这些方法仅用于人脸检测等单一类别视觉目标检测任务上。自2019年开始，研究人员将基于内部点的方法用于一般目标检测任务中。Zhu等人(2019)率先提出特征选择性的无锚点目标检测方法FSAF(feature selective anchor-free)，预测物体中心区域到物体边界的偏移量，并根据分类和回归损失动态地将物体分配到最优的金字塔尺度上预测。Tian等人(2019)提出目标检测方法FCOS(fully convolutional one-stage detector)，预测物体所有内部点到其上下左右边界的距离及物体的类别。为了检测不同尺度的物体，FCOS根据物体的尺度将其分配到金字塔结构的不同层进行预测。同一时期，Kong等人(2019)提出无锚点框检测方法FoveaBox，仅利用部分中心区域点预测物体。Wang等人(2020b)提出基于网络架构搜索(neural architecture search，NAS)的检测方法NAS-FCOS，采用网络架构搜索的思想构建特征金字塔结构和预测头网络。Qiu等人(2020b)提出基于边界强化模块的目标检测方法BorderDet，提取FCOS输出提取边界框上局部最大特征值进行第2次分类和回归，巩固第1次分类和回归结果。Wang等人(2019a)提出预测物体的位置以及尺度等信息生成更聚焦在物体周围的锚点框，进而提取更好的候选窗口用于后续分类和回归。

与此同时，研究人员提出了快速高效的检测方法。Zhou等人(2019a)提出高效的无锚点框检测方法CenterNet，预测物体的中心点、中心点偏移量以及物体的宽高信息等。同时，CenterNet采用最大池化操作提取峰值点，避免了非极大值抑制后处理操作。Liu等人(2020b)改进高斯核对训练样本进行编码的方式，加快了CenterNet的训练速度。Lan等人(2020)在CenterNet的基础上增加角点学习监督，增强了对物体边界特征的学习。

此外，Qiu等人(2021)提出了基于十字线表示的目标检测方法CrossDet，采用一对交叉的水平线和竖直线表示物体。为了能够更好地捕获交叉线上的特征用于分类、水平回归以及竖直回归，CrossDet提出了基于水平池化和竖直池化的交叉线特征提取模块。

2.3 端对端预测的目标检测方法

上述基于锚点框的目标检测方法和无锚点框的目标检测方法通常存在一个物体对多个检测框的情况。实际中，同一物体只需要保留一个检测框即可。因此，上述方法一般都需要进行非极大值抑制处理的操作，以便去除同一物体的冗余检测。近期，研究人员开始研究端对端预测的目标检测方法。该类方法直接端对端地为每个物体预测一个检测框。其中，最具有代表性的方法是Carion等人(2020)提出的基于转换器Transformer的目标检测方法DETR(detection transformer)，如图 5所示。DETR利用卷积神经网络提取特征，并基于Transformer编解码网络直接预测物体的位置以及分类得分。具体地，DETR预先设定N个查询物体特征，然后将其与编码网络输出的特征共同送入解码网络生成N个预测的物体特征，最后利用预测头网络进行分类和回归。在训练过程中，为了能够将物体与预测结果一对一匹配，DETR采用基于匈牙利算法的二分匹配损失。



图 5 端到端预测的目标检测方法基本架构
Fig. 5 Architecture of end-to-end object detection

尽管DETR在目标检测上取得了巨大的成功，但是它存在收敛速度较慢、小尺度目标检测性能相对较差等问题。为了克服DETR存在的问题，Zhu等人(2021)受形变卷积(Dai等，2017)启发提出了Deformable DETR。与DETR采用基于全局的注意力机制不同，Deformable DETR提出了基于局部稀疏的可形变注意力模块。可形变注意力模块仅关注少量采样位置以及它们之间的关系。同时，可形变注意力模块可以扩展成多尺度可形变注意力模块，用在特征金字塔结构中。基于此，Deformable DETR具有更快的收敛速度、更好的小尺度目标检测性能。类似地，为了解决DETR训练慢、小尺度物体检测性能差等问题，Dai等人(2021b)提出基于可形变金字塔卷积的编码网络和基于RoI池化操作的动态解码网络。受预训练Transformer在自然语言中的成功启发，Dai等人(2021d)提出基于无监督预训练的检测器UP-DETR(unsupervised DETR)。在预训练过程中，UP-DETR随机从图像中选取一块区域，并将其特征添加到DETR解码网路的查询特征中预测该区域的位置及重建该特征。实验发现该无监督预训练能够加快DETR的收敛速度并提升其检测精度。为了减少DETR巨大的计算资源开销，Zheng等人(2020a)提出了基于自适应聚类Transformer的目标检测方法。该方法利用局部敏感哈希对查询特征进行聚类，并根据聚类结果近似计算注意力特征图，从而减少计算消耗量。为了加快训练速度，Sun等人(2021d)将DETR的思想应用到FCOS和R-CNN检测器中，通过两者的结合加快了DETR的收敛速度。

除此之外，研究人员通过对现有无锚点框目标检测器进行改进，同样实现了基于端到端预测的目标检测。Wang等人(2021a)基于全卷积网络实现了端到端目标检测器POTO(prediction-aware one-to-one)。在训练过程中，POTO采用预测敏感的一对一标签分配原则。与此同时，POTO提出了3D最大值滤波提升空间特征的可区分性，进而更好地压缩同一物体的冗余预测。Sun等人(2021b)提出了类似的端到端检测器，即根据分类和回归损失一对一分配训练标签。Sun等人(2021c)对提出可学习候选窗口的端到端检测器Sparse R-CNN。每个可学习候选框对应有分类得分、检测框位置以及候选框特征。该方法提取可学习候选框对应的RoI特征，并利用候选框特征动态生成用于分类和回归的特征。通过多次迭代，Sparse R-CNN能够实现端到端地检测物体。

2.4 检测子模块设计

深度目标检测方法存在一些常用的检测子模块，其设计方式对检测性能比较重要。本文简单地介绍一些研究人员主要关注的子模块。

2.4.1 特征金字塔结构设计

特征金字塔结构(feature pyramid network，FPN)是目标检测应对物体尺度变化的重要手段，近年来吸引了研究人员的广泛关注。早期，Lin等人(2017a)通过引入自上而下的连接，增强特征金字塔结构多个预测层的语义级别。此后，研究人员提出了一系列方法试图进一步增强特征融合质量。Liu等人(2018b)提出双向融合的特征金字塔结构PAFPN(path aggregation feature pyramid network)，同时进行自上而下和自下而上的双向融合加快不同层的信息交互。Pang等人(2019)提出将特征金字塔多层融合的共同特征用于增强特征金字塔的每一层。Cao等人(2020b)和Li等人(2019c)提出基于孪生网络的多分支金字塔结构，特征金字塔的每一层都经过数量相同参数共享的卷积层增强每个分支的语义级别。Qiao等人(2021)提出递归特征金字塔结构，将特征金字塔的输入融合到骨干网络二次特征提取。

上述方法在特征融合时大多采用固定融合的方式，如特征相加。基于此，研究人员提出了自适应融合的方法。Tan等人(2020b)、Liu等人(2019)和Guo等人(2020a)分别提出自适应加权的特征融合方法BiFPN(bi-directional FPN)、ASFF(adaptively spatial feature fusion)和AugFPN。Wang等人(2020c)通过可形变3维卷积将特征金字塔输入进行融合，生成不同尺度的特征图。Zhang等人(2020a)将Transformer用于特征金字塔不同尺度特征融合。Hu等人(2021)提出基于注意力机制的特征融合机制，增强上下文信息。Zhao等人(2021)通过建模层内和层间超像素之间的关系实现自适应特征融合。此外，一些研究人员利用网络搜索的方式试图得到最优的特征金字塔结构，如Auto-FPN(Xu等，2019)、NAS-FPN(Ghiasi等，2019)和OPA-FPN(one-shot path aggregation FPN)(Liang等，2021)。Chen等人(2021b)通过膨胀卷积模块和均匀标签分配策略，能够在不使用金字塔结构的情况下保持相当的精度并提升检测速度。

2.4.2 预测头网络设计

预测头网络主要进行分类和回归两类。在两阶段方法中，Faster R-CNN(Ren等，2015)主要采用共享全连接的方式进行分类和回归。研究人员认为共享全连接进行分类和回归不是最优方案，并提出一些改进方法。Lu等人(2019)将候选框区域进行扩增，并采用全卷积网络直接预测物体边界点的位置。Wu等人(2020b)采用全连接层进行分类、采用全卷积层进行回归。Cao等人(2020a)采用可区分RoI池化层进行分类、采用局部稠密预测进行回归。Song等人(2020)提出生成两个不同候选框分别进行分类和回归，进而从空间维度上将分类和回归任务解耦。Wang等人(2020a)提出边缘敏感的边界定位方式取代基于回归的方式。

大部分单阶段方法大多采用两个独立的卷积组(如4个卷积层)分别用于分类和回归。一些研究人员认为这种方法缺乏对两个任务的关联。Dai等人(2021a)提出一种动态注意力头网络统一分类和回归任务的特征生成过程，包含了尺度动态注意力机制、空间动态注意力机制以及任务动态注意力机制。任务动态注意力机制能够自适应地选择不同特征用于不同任务。为了更好地关联分类和回归(定位)两个任务，Li等人(2021b)提出基于边界框预测分布来估计边界框的不确定性，进而引导分类与检测质量估计。Feng等人(2021b)提出任务敏感的预测头网络。分类和回归任务首先共享多层特征，然后利用注意力机制和空间校准机制分别提取适合分类和回归的特征。Chi等人(2020)提出利用Transformer解码结构将不同类型的特征融合，提升现有检测器的检测能力。

2.4.3 标签匹配与损失函数设计

大多数目标检测方法根据交并比准则或者距离准则判定样本(如锚点框)的标签(属于哪个物体)。这些匹配准则虽然简单，但不是最优的。Zhang等人(2020b)系统地分析了基于锚点框的方法和无锚点框的方法，发现基于锚点框的方法和无锚点框的方法定义正负样本方式是造成它们性能差异的重要原因。基于此，Zhang等人(2020b)提出了基于自适应训练样本选择策略的检测器ATSS(adaptive training sample selection)。此后，研究人员进一步提出了许多改进方案。Zhang等人(2019)提出基于学习匹配的FreeAnchor方法，实现锚点框与物体动态匹配。基于分类和回归的预测结果，FreeAnchor构建基于最大似然估计的损失函数实现动态匹配。Ke等人(2020)提出多锚点框学习方法MAL(multiple anchor learning)，根据分类和回归的联合分数进行锚点框分配，并提出选择—抑制优化策略防止陷入局部最优。Kim和Lee(2020)提出利用混合高斯模型建模物体的概率分布，并根据这个概率进行锚点框的分配。Ma等人(2021)提出预测样本的检测质量分布，根据检测质量分布进行标签匹配。Ge等人(2021)将匹配问题转化为最优传输问题，为模糊样本寻找全局最优匹配。端到端预测的目标检测方法(Carion等，2020)采用匈牙利算法实现一对一最优匹配。Yoo等人(2021)提出不进行标签匹配，将目标检测转为密度估计问题。

在标签匹配后，检测器基于损失函数进行网络的学习。常用的分类损失函数为交叉熵损失函数和聚焦损失函数(Lin等，2017b)等。一些研究人员(Chen等，2019；Qian等，2020a；Liu等，2021a；Oksuz等，2021)将分类问题转换成排序问题，以便更好地解决类别不均衡问题。一些研究人员(Li等，2021b；Zhang等，2021a)在设计分类损失函数时考虑其定位精度，以便更好地将分类和回归关联起来。针对回归问题，一些研究人员(Li等，2020c；Qiu等，2020a)将回归的偏移量预测转换成边界概率分布预测问题。除了单独关注分类和回归任务外，一些研究人员(Cao等，2020c；Wang和Zhang，2021b；Gao等，2021b)研究检测和分类任务的一致性和关联性，其核心思想是希望分类得分高的检测框具有较高的定位精度，以便更好地满足目标检测评测标准。不准确或者错误的标签匹配容易对检测器学习产生不好的影响。针对这一问题，研究人员(Li等，2019a, 2020b；Cai等，2020)提出一些动态权重调整分类和回归损失的策略减少这些匹配带来的不利影响。

2.4.4 知识蒸馏

知识蒸馏旨在让大网络去引导小网络的学习，帮助小网络在具备较快速度的情况下具有大网络的检测精度。早期，Chen等人(2017)提出在特征层和预测层进行多层级全特征图逼近。一些研究人员(Li等，2017；Wang等，2019c；Sun等，2020b)认为全特征图逼近容易忽略物体区域，并提出基于物体附近区域的特征逼近方法。研究人员认为背景区域、上下文信息同样有助于辅助提升知识蒸馏的效果。Zhang和Ma(2021b)提出注意力引导蒸馏机制和非局部蒸馏机制，缓解前背景信息不平衡和关系利用不充分的问题。Guo等人(2021a)提出对前景区域和背景区域去耦，分别进行蒸馏。Dai等人(2021c)提出提取图像中具有可区分力的前景或背景区域进行蒸馏。Chen等人(2021d)构建候选区域图网络，并对图网络进行蒸馏。Yao等人(2021)认为两个网络逼近的特征不一定位于金字塔结构的同一层，提出语义引导的自适应特征逼近策略。

3 双目视觉目标检测

单目图像是3维世界中一个视锥的2维投影，丢失了深度信息。双目视觉可以根据物体投影在左右图像上的位置差异计算出视差，并在已知相机参数的情况下根据极线约束计算出像素的深度。在得到每个像素的深度值后，可以逆投影得到视锥中每个像素的3维坐标。因此，双目视觉系统不仅能够预测物体的2维位置和类别信息，还能够预测物体在3维空间中的位置，实现3维目标检测，从而为自动驾驶、工业机器人等任务提供更高层次的场景信息。类似地，利用激光雷达点云检测同样能够实现3维目标检测。与双目视觉目标检测相比，激光雷达点云检测具有更高的检测精度，但是其成本相对昂贵，对雨雪中等天气变化敏感。本文主要关注双目视觉目标检测方法。受益于深度学习技术的发展，双目目标检测取得了巨大进展。

类似于单目目标检测网络，双目检测网络也可以分为基础骨干、特征融合和预测网络3部分。首先，双目检测通常采用两个权重共享的基础骨干分别得到左右目的单目特征。然后，双目检测进行特征融合，除上文提到的构建特征金字塔外，一般还需要构建双目特征。双目特征构建的方式主要包括直接串接(concatenation)和平面扫描法(plane-sweeping)，构建的特征坐标空间属于视锥投影空间。最后，预测网络可以直接使用融合后的视锥空间特征，也可将视锥空间特征显式逆投影到3维空间进行分类和回归。

根据预测网络所使用的特征空间，本文将双目视觉目标检测方法分为两类：基于直接视锥空间的目标检测方法和基于显式逆投影空间的目标检测方法。基于直接视锥空间的检测过程一般不包含逆投影变换，直接使用基于视锥空间的双目特征进行检测；而基于显式逆投影空间的检测方法一般需要将双目特征进行逆投影变换，生成3维空间上均匀的特征，适合构造体素或转换为俯视图进行检测。图 6给出了上述两类方法的发展历程，并给出了一些代表性方法。时间轴上侧为基于直接视锥空间的方法，时间轴下侧为基于显式逆投影空间的方法。图中箭头越长表示该方法在KITTI(Karlsruhe Institute of Technology and Toyota Technological Institute at Chicago)数据集(Geiger等，2012)上中等难度(moderate)车辆类别上的平均精度(average precision，AP)越高。



图 6 基于深度学习的双目视觉目标检测方法的发展历程
(箭头的长度表示方案在KITTI数据集中的车辆3维检测性能, 图中括号内为作者信息)
Fig. 6 Development process of stereo object detection based on deep learning
(longer arrow indicates higher Car detection AP on KITTI)

3.1 基于直接视锥空间的双目目标检测方法

基于直接视锥空间的双目目标检测不需要进行额外的坐标空间转换，只需要使用基础骨干提取的两个单目特征构造双目特征。现有方法主要通过串接和平面扫描两种方式构造视锥空间的双目特征。

3.1.1 基于串接构造视锥空间特征的方法

基于串接构造视锥空间特征的方法将基础骨干提取的两个单目视锥空间特征串接起来，利用卷积神经网络强大的拟合能力提取候选框或直接检测3维目标。串接操作不改变原单目特征的坐标空间，是一种简单快速的视锥空间双目特征构造方式。

Li等人(2019b)提出两阶段方法Stereo R-CNN。如图 7(a)，在第1阶段，Stereo R-CNN利用串接特征得到左右两个成对的候选框。在第2阶段，Stereo R-CNN分别提取左右目的RoI特征，再次串接特征进行回归。为了得到3维框顶点在左目RoI特征内的投影，Stereo R-CNN引入了一种简化的关键点检测网络，利用得到的关键点信息对最小化投影误差进行数值求解，从而得到质量较高的3维目标检测结果。Shi等人(2022)借鉴Stereo R-CNN双目候选框定义双目包围框，并提出类似于CenterNet(Zhou等，2019a)的单阶段无锚点框双目检测方法StereoCenterNet。StereoCenterNet在串接的双目特征上预测双目2维框和3维框的朝向、尺寸、底面顶点等信息。预测这些信息后，StereoCenterNet根据物体遮挡程度不同采用对应的策略来进行最小化投影误差求解，提高了严重遮挡物体的检测精度。



图 7 基于直接视锥空间的双目目标检测方法
Fig. 7 Frustum-based stereo 3D detectors
((a) concatenation based method; (b) plane-sweeping based method)

Qin等人(2019)提出了一种基于3维锚点框的两阶段方法。首先，Qin等人(2019)将3维锚点框投影到左右目特征上，得到成对的2维候选框。然后，Qin等人(2019)认为同一目标的左右目RoI特征应该相似，提出用余弦相似性对两组特征的每个特征图重新加权，从而增强左右相似的特征图、抑制左右差异较大的特征图。最后，Qin等人(2019)使用权重调整后的特征进行分类和回归，并在视锥空间对预测结果进行监督，完成3维目标检测。

3.1.2 基于平面扫描构造视锥空间特征的方法

为了更好地基于左右目特征提取立体信息，双目深度估计(Chang和Chen，2018；Xu和Zhang，2020)广泛采用平面扫描法构造匹配代价体(cost volume)。通过逐视差平面或者逐深度平面地扫描一对2维特征，所得3维特征即匹配代价体。每一次扫描不改变2维特征的坐标空间，所以得到的匹配代价体仍然属于视锥空间。基于平面扫描的检测方法受益于双目深度估计方法的发展，能够直接利用点云监督取得更好的匹配结果，进而学习到每个视锥空间像素是否被物体占据的信息，辅助提高3维检测性能。

Peng等人(2020)提出两阶段的方法IDA-3D(instance-depth-aware 3D detection)，在双目候选框提取阶段使用了与Stereo R-CNN相同的提取方式，然后在串接后的左右目RoI特征上预测了物体2维和3维信息，没有再使用额外的关键点检测和投影误差最小化方法。此外，IDA-3D在左右目融合RoI特征上，基于平面扫描法构建了目标级的视差匹配代价体，使用3维卷积回归出目标的整体视差，并以此求得目标整体深度作为3维目标的深度坐标。

Liu等人(2021b)提出一种高效的单阶段方法YOLOStereo3D。YOLOStereo3D基于平面扫描法高效地构建了匹配代价体金字塔，使用Ghost模块(Han等，2020)来快速地增加各级匹配代价体特征的通道数，并在最小分辨率的特征上进行全图视差估计，最后融合同分辨率的左目特征进行2维和3维目标检测。

Choe等人(2021)提出3维目标检测辅助双目视差估计的方法SOMNet(stereo object matching network)。其使用的检测方案可视为基于3维候选框的两阶段目标检测。在候选框提取阶段，SOMNet使用平面扫描法构造视锥空间匹配代价体特征，并在其上预测3维候选框。在第2阶段，SOMNet提出基于空间占用的候选框特征融合机制，通过估计的视差获得3维RoI中每个像素是否被物体占用的信息，并构建目标级注意力特征增强视锥空间RoI，使之更加聚焦于目标表面和形状。

3.2 基于显式逆投影空间的双目目标检测方法

在自动驾驶等场景中，感兴趣的目标(如车辆、行人和骑行者等)在3维空间中没有重叠。因此，将存在尺度变化和遮挡问题的视锥空间图像逆投影到尺度均匀、不存在重叠遮挡的3维空间，能够缓解视锥投影带来的问题。此外，考虑俯视方向上不存在遮挡问题，还可以把3维空间压缩至俯视2维空间，在保证性能的同时进一步简化预测网络。逆投影变换主要可以应用在输入图像、特征和候选区域3个不同环节。图 8给出了3种方案的示意图。



图 8 基于显式逆投影空间的双目检测
Fig. 8 Inverse-projection-based stereo 3D detectors
((a) based on inverse-projecting raw disparity maps; (b) based on inverse-projecting feature volumes; (c) based on inverse-projecting instance-level disparity maps)

3.2.1 基于原始图像视差的逆投影方法

基于原始图像视差的逆投影先利用双目视差估计算法预测出逐像素的视差，将这些像素逆投影到3维空间生成点云形式，从而使用相对成熟的点云3维检测方法进行双目目标检测。将这种点云称为伪点云，这种双目目标检测方法称为伪雷达(pseudo-LiDAR，PL)方法。如图 8(a)所示，伪雷达方法级联了双目深度估计和点云3维目标检测两个模块，可以使用这两个领域的先进成果协同完成检测。

早期，研究人员先用传统方法完成3维候选框提取，然后用小规模卷积神经网络得到最终的3维检测结果。Chen等人(2015)提出3DOP(3D object proposal)，使用已有方法(Yamaguchi等，2014)从双目图像估计出点云，然后求解马尔可夫随机场能量函数最小化问题得到3维候选框，最后利用卷积神经网络对候选框进行优化和评分。在此基础上，Pham和Jeon(2017)提出DeepStereoOP网络, 结合图像和深度特征对候选框进行更准确排序。

作者提出MLF(multi-level fusion)，是首个使用深度学习技术完成全部预测过程的双目视觉目标检测方法。MLF使用DispNet(Mayer等，2016)从双目图像估计视差图，并逆投影成为深度图和点云，然后使用2维候选框和点云共同预测物体3维信息。对比了双目和单目输入对3维目标检测的影响，指出双目信息能够明显提高3维检测性能。

Wang等人(2019d)将深度估计和点云3维目标检测方法结合起来，先根据深度生成伪点云，再利用基于点云的检测方法检测3维目标。该方法利用深度估计和点云3维目标检测领域的先进成果，通过级联的方式完成双目3维目标检测任务，性能提升明显。但是，这种级联的方式容易造成误差累积。针对这一问题，You等人(2020)利用真实点云校正伪点云。Li等人(2020a)利用深度估计的置信度来引导深度估计网络，并加上额外的语义分割监督，显著提高了图像中前景深度估计的精度。Peng等人(2022)提出基于两分支网络的方法SIDE(structure-aware instance depth estimation)。一个分支进行基于伪雷达的双目目标检测。另一个分支进行基于视锥空间特征的目标级深度估计，取代点云监督。基于上述两分支结构，SIDE在不需要额外的点云监督的条件下提高了双目3维目标检测性能。上述伪雷达方法需要单独训练深度估计模块和3维目标检测模块，无法进行端到端训练。Qian等人(2020b)通过可微的采样和量化模块设计出端到端训练的伪雷达方法，称为PL-E2E(end-to-end PL)。

3.2.2 基于特征体的逆投影方法

上述基于原始图像视差的方法生成伪点云时丢弃了图像提供的颜色和纹理信息，而且没有利用视差估计网络的中间特征。基于特征体的逆投影方法则复用了这些图像特征。具体地，如图 8(b)所示，基于特征体逆投影的双目目标检测方法通过插值和采样的方式将平面扫描得到的匹配代价体变换到3维空间，利用图像特征提供的颜色和纹理信息，实现了端到端训练的双目目标检测。

Chen等人(2020c)提出一种单阶段的双目3维目标检测方法DSGN(deep stereo geometry network)，使用PSMNet(pyramid stereo matching network)(Chang和Chen，2018)提取匹配代价体并预测深度图，将匹配代价体逆投影得到基于3维空间的几何特征体，并通过3维卷积将其压缩成为俯视图，最后在俯视图上直接进行分类与回归。Guo等人(2021b)认为，双目视觉中经过特征体逆变换得到的3维空间特征应当与点云检测中的3维空间体素特征相似，同时二者的俯视图特征也应当相似。基于此，Guo等人(2021b)提出LIGA-Stereo(LiDAR geometry aware representations for stereo-based 3D detector)，设计了一种类似于知识蒸馏的技术，引导双目视觉目标检测的特征逼近性能更好的点云3维目标检测特征。Wang等人(2021d)提出PLUME(pseudo LiDAR feature volume)，将深度估计和3维目标检测两个任务所使用的特征统一到伪雷达特征空间，从而将原本需要两路神经网络完成的两个任务合并为单路网络，提高了检测速度。

Li等人(2021a)提出RTS3D(real-time stereo 3D detection)，以双目图像和单目3维检测的粗糙3维框作为输入，构造了一个面向感兴趣区域的特征一致性嵌入空间(feature-consistency embedding space，FCE空间)进行3维目标检测，并使用迭代的方式优化检测结果。Gao等人(2021a)改进了RTS3D的采样方式，提出基于目标形状先验的非均匀采样获取更多的物体表面和周围信息，并设计了一种利用抽象语义信息增强FCE空间特征。

3.2.3 基于候选像素视差的逆投影方法

基于原始图像视差的逆投影方法生成了全空间的点云，基于特征体的逆投影方法生成了全空间的3维特征。因此，二者逆投影得到的3维空间包含了前景目标部分和背景部分。基于候选像素视差的逆投影方法仅聚焦感兴趣目标区域的3维空间(如图 8(c)所示)，先利用实例分割等方案得到目标的前景像素，然后生成仅含前景区域的3维空间。这种逆投影方法生成的3维空间有效体素较少，可以在有限的检测时间内更灵活地控制特征的空间分辨率；聚焦于前景目标，能够避免不准确的深度估计带来的性能下降。

第1种逆投影策略是去除背景点云、仅保留前景点云。本文称为前景共享的3维空间策略。Königshof等人(2019)提出一种基于俯视网格图的方法。该方法先使用双目图像预测深度图、2维语义分割和2维包围框得到物体前景部分的深度信息，然后使用深度优先搜索(depth first search，DFS)求解3维空间的连通域，最后在前景共享的3维空间俯视图上回归目标的3维信息。Pon等人(2020)认为已有的深度估计方法得到的结果在目标边界和形状上并不准确，对3维目标检测有害无益。基于此，Pon等人(2020)提出面向目标(object-centric，OC)的伪雷达方法，通过增加实例分割模块提取前景共享的3维空间伪点云。

另外一种逆投影策略是为每个实例生成互相独立的3维子空间，即每个3维子空间仅检测单个目标。本文称为实例独立的3维子空间。Xu等人(2020)提出ZoomNet，利用2维实例分割和双目深度估计生成基于伪点云的实例独立子空间。图像中，小尺度目标覆盖的像素点比较少，生成点云图比较稀疏，不利于3维检测。为解决该问题，ZoomNet使用汽车通用3D模型自适应地生成密度一致的子空间点云，提升小尺度目标的检测效果。Sun等人(2020a)提出Disp R-CNN，基于候选区域逆投影生成实例独立子空间，并使用自动生成实例3D模型，避免手工标注汽车模型。

4 国内外研究进展比较

视觉目标检测是计算机视觉的经典任务，得到了国内外研究人员的广泛关注。本节简要分析和对比国内外在视觉目标检测方面的研究进展。

4.1 单目视觉目标检测技术

国内外研究机构在单目视觉目标检测方面开展了大量的研究工作。早期国外在基于深度学习的视觉目标检测技术方面开展了更多更具有代表性的研究工作，如两阶段目标检测器R-CNN系列、单阶段目标检测器YOLO、端到端目标检测器DETR。近年国内开始在深度目标检测技术方面，特别是单阶段目标检测技术和端到端目标检测技术方面，持续发力，当前已经取得了与国外相当的竞争力。当前国内高水平研究工作(如发表在会议CVPR(IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition)上)的论文数量方面存在一定的优势，但是在代表性工作方面相对欠缺，存在较大的发展与提升空间。在目标检测开源方面，国内香港中文大学开源的mmdetection和国外Facebook开源的detectron2是目前学术界比较流行的目标检测库。

国内在单目目标检测方面具有代表性的研究机构包括清华大学、中国科学院、香港中文大学、商汤、旷视和华为等。国外在单目目标检测方面具有代表性的研究机构包括斯坦福大学、牛津大学、加州大学伯克利分校、Google和Facebook等。

4.2 双目视觉目标检测技术

清华大学与加拿大多伦多大学合作，在2015年率先利用深度学习技术完成3维物体检测。2018年以来，以香港中文大学、中国科学院大学、中国科技大学、浙江大学和武汉大学为代表的国内研究机构，以美国康奈尔大学、德国信息技术研究中心和加拿大多伦多大学为代表的国外研究机构，基于显式逆投影空间设计了伪雷达、DSGN和Disp R-CNN等双目目标检测方法；2019年以来，香港科技大学、大连理工大学、北京科技大学、美国微软研究院和韩国科学技术院等研究机构提出了多种基于直接视锥空间的双目目标检测方法。

目前，双目视觉目标检测主要应用于无人机和自动驾驶等领域，国内的百度、大疆和美国Uber、Waabi等相关企业正在积极与上述科研机构合作，并取得了一定成果。总体上看，国内科研机构在基于深度学习的双目视觉目标检测领域不但取得了先机，且论文数量和检测性能也保持在先进水平，尤其是香港中文大学和香港科技大学分别在两类方法上达到了当前最佳的检测性能。

5 发展趋势与展望

当前基于深度学习的目标检测技术取得了巨大成功。尽管如此，目标检测技术仍然存在极大发展空间。展望总结目标检测技术的发展趋势如下：

1) 高效率的端到端目标检测。当前基于转换器Transformer的端到端目标检测技术取得了一定成功，为目标检测领域的发展注入了新的活力。相比于之前基于锚点框和无锚点框的目标检测方法，该类方法存在收敛减慢、计算资源消耗大等问题。同时，相比于卷积神经网络，Transformer在计算效率等方面存在一定的劣势。近期，相关研究工作Deformable DETR(Zhu等，2021)和TSP-FCOS(transformer-based set prediction with FCOS)(Sun等，2021d)在一定程度上缓解了这些问题，但是如果设计高效率的Transformer编解码网络乃至Transformer基础网络进行端到端目标检测仍是未来需要研究的内容之一。

2) 基于自监督学习的目标检测。自监督学习在大规模图像分类任务上取得了与全监督学习相当的分类性能(Chen等，2020b；He等，2020；Chen和He，2021c)。自监督学习用于图像分类任务的前提假设是图像内容被单一物体主导。与图像分类任务不同，目标检测任务中存在数量、尺度不确定的若干物体。因此，如何更好地将自监督学习间接或直接用于目标检测是一个挑战性问题。Xie等人(2021)提出局部和全局的多级监督训练策略提升无监督学习在检测任务上的性能。Liu等人(2020a)利用推土机距离度量不同变换局部位置的相似性，进而进行自监督目标检测。Dai等人(2021d)预测随机子区域在图像的位置并重建随机子区域，实现目标检测的自监督预训练。

3) 长尾分布目标检测。当前目标检测方法大多面向物体检测数据库MS COCO(Microsoft common objects in context)(https://cocodataset.org/)(Lin等，2014)和PASCAL VOC(pattern analysis, statistical modeling and computational learning visual object classes)(http://www.host.robots.ox.ac.uk/pascal/VOC)(Eve-ringham等，2010)。这两个数据库对于物体的类别有限且不同类别的目标相对均衡充足。然而，现实世界中，物体的类别数量十分庞大且不同类别的物体数量存在极度不平衡, 呈现长尾分布现象。针对这一现象，Gupta等人(2019)构建了包含1 000类物体的大规模长尾分布数据集(https://www.lvisdataset.org/)。研究人员开始研究相关问题，并在样本采样(Wu等，2020a)、分组训练(Wu等，2020a；Li等，2020e)、损失函数(Tan等，2020a, 2021；Feng等，2021a)等方面开展了相关工作。

4) 小样本、零样本目标检测。小样本、零样本目标检测主要关注如何提升训练样本较少甚至没有的物体类别在测试过程中的检测性能。目标检测方法在小样本或零样本情况下的检测能力是通用性的重要标志，是开放世界目标检测(Joseph等，2021)必备的能力。因此，小样本、零样本目标检测具有重要的研究价值。研究人员(Kang等，2019；Zhang等，2021c；Sun等，2021a；Chen等，2021a)在相关方面开展了大量研究，为小样本、零样本目标检测打下坚实的基础。

5) 大规模双目目标检测数据集。缺少大规模、高质量双目标注的公开数据集，是当前双目目标检测面临的主要挑战之一。双目目标检测数据集不仅需要标注物体的2维、3维信息，而且需要标注视差、相机参数等。此外，当前很多方法使用了雷达点云、语义分割和实例分割等额外标注信息。因此，建立大规模的双目视觉数据集，并提供高质量的双目标注、完善的评价体系以及开放的测试平台能够为未来双目目标检测发展提供基础性支撑。

6) 弱监督双目目标检测。如上所述，建立大规模高质量的双目目标检测数据集是一个复杂且昂贵的系统工程。研究如何在没有高质量双目标注的情况下利用双目数据实现精准3维目标检测十分必要。因此，弱监督的双目目标检测是一个十分重要且具有挑战性的研究方向。

致谢 本文由中国图象图形学学会视频图像与安全专业委员会组织撰写，该专委会更多详情请见链接：http://www.csig.org.cn/detail/2448。

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