計(jì)算機(jī)視覺的演變
計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)在日常產(chǎn)品中的應(yīng)用非常廣泛，從可以識(shí)別手勢的游戲機(jī)到可以自動(dòng)對焦的手機(jī)攝像頭。計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)影響著我們生活的方方面面。
事實(shí)上，計(jì)算機(jī)視覺在政府方面以及商業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)應(yīng)用多年。可以在各種光譜范圍內(nèi)感測光波的光學(xué)傳感器被部署在許多應(yīng)用中：比如制造業(yè)中的質(zhì)量保證，用于環(huán)境管理的遠(yuǎn)程傳感技術(shù)或者在戰(zhàn)場上收集情報(bào)的高分辨率相機(jī)。其中有一些傳感器是靜態(tài)的，也有另外一些傳感器是動(dòng)態(tài)的，它們被連接到諸如衛(wèi)星、無人機(jī)和車輛等移動(dòng)物體上。
在過去，許多計(jì)算機(jī)視覺應(yīng)用程序僅限于某些封閉平臺(tái)。但是隨著與互聯(lián)網(wǎng)連接技術(shù)的結(jié)合，他們創(chuàng)造了一套過去難以實(shí)現(xiàn)的新應(yīng)用。計(jì)算機(jī)視覺加上互聯(lián)網(wǎng)連接，高級(jí)數(shù)據(jù)分析和人工智能，它們將成為彼此的催化劑，在物聯(lián)網(wǎng)（IoT）創(chuàng)新和應(yīng)用方面帶來革命性的飛躍。
推動(dòng)計(jì)算機(jī)視覺多領(lǐng)域的發(fā)展
視覺環(huán)境設(shè)計(jì)
視覺是人類五種感官中最為發(fā)達(dá)的。我們每天都用它來辨別我們的朋友，發(fā)現(xiàn)路上的障礙物，完成任務(wù)和學(xué)習(xí)新事物。我們?yōu)槲覀兊囊曈X設(shè)計(jì)周邊環(huán)境，比如：有路牌和信號(hào)燈幫助我們從一個(gè)地方到另一個(gè)地方；商店有標(biāo)志牌幫助我們找到它們；電腦和電視屏幕顯示各種資訊和娛樂節(jié)目。鑒于視覺的重要性，將其擴(kuò)展到計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化系統(tǒng)顯然是勢在必行。
計(jì)算機(jī)視覺
計(jì)算機(jī)視覺首先捕獲并存儲(chǔ)圖像，然后將這些圖像轉(zhuǎn)換成可以進(jìn)一步執(zhí)行的信息。它由多種技術(shù)組合而成，如下圖所示。
計(jì)算機(jī)視覺工程是一個(gè)跨學(xué)科領(lǐng)域，需要多種技術(shù)中跨職能和跨系統(tǒng)的專家。
例如，Microsoft Kinect 使用3D計(jì)算機(jī)圖形算法實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)視覺來分析和理解三維場景。它允許游戲開發(fā)人員將實(shí)時(shí)全身運(yùn)動(dòng)捕捉與人造3D環(huán)境結(jié)合起來。除了游戲，這在機(jī)器人、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）應(yīng)用等領(lǐng)域開辟了新的可能性。
傳感器技術(shù)的進(jìn)步也在傳統(tǒng)攝像機(jī)傳感器以外的許多層面得到迅速發(fā)展。最近的一些例子包括：
- 紅外傳感器和激光結(jié)合起來感測深度和距離，這是自動(dòng)駕車和3D地圖應(yīng)用的關(guān)鍵推動(dòng)因素之一
- 非接觸式傳感器可以在無需身體接觸的情況下跟蹤患者的生命體征
- 高頻攝像機(jī)可以捕捉到人眼無法覺察的微妙動(dòng)作，以幫助運(yùn)動(dòng)員分析其步態(tài)
- 超低功耗和低成本的視覺傳感器可部署在任何地方并長期使用
計(jì)算機(jī)視覺更加智能
早期應(yīng)用
監(jiān)控行業(yè)是圖像處理技術(shù)和視頻分析技術(shù)的早期應(yīng)用領(lǐng)域之一。視頻分析是計(jì)算機(jī)視覺的一個(gè)特殊用例，它能夠從長達(dá)數(shù)小時(shí)的視頻中找出我們需要的片段。 自動(dòng)檢測和識(shí)別現(xiàn)實(shí)中預(yù)定義模式的能力能夠應(yīng)用到數(shù)百個(gè)場景中，帶來巨大的市場機(jī)會(huì)。
第一個(gè)視頻分析工具使用手工算法來識(shí)別圖像和視頻中的特定功能。它們在實(shí)驗(yàn)室設(shè)置條件下和模擬環(huán)境中都是準(zhǔn)確的。然而，當(dāng)輸入數(shù)據(jù)（如照明條件和攝像機(jī)視圖）偏離設(shè)計(jì)假設(shè)時(shí)，性能急速下降。
研究人員和工程師花費(fèi)了多年開發(fā)和調(diào)優(yōu)算法，或者用新的方法來處理不同的條件。然而，使用這些算法的攝像頭或者錄像機(jī)仍然不夠穩(wěn)健。盡管多年來取得了一些進(jìn)步，但現(xiàn)實(shí)世界的糟糕表現(xiàn)限制了該技術(shù)的應(yīng)用和推廣。
深度學(xué)習(xí)的興起
近年來深度學(xué)習(xí)算法的出現(xiàn)促進(jìn)了計(jì)算機(jī)視覺的發(fā)展。深度學(xué)習(xí)使用人造神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）算法，模擬人腦神經(jīng)元。
從2010年初開始，由圖形處理單元（GPU）加速的計(jì)算機(jī)性能已經(jīng)越來越強(qiáng)大，足以使研究人員實(shí)現(xiàn)復(fù)雜 ANN 的功能。此外，在部分視頻站點(diǎn)和 IoT 設(shè)備支持下，研究人員擁有大量不同的視頻庫和圖像數(shù)據(jù)來訓(xùn)練其神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。
在2012年，一種被稱為卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DNN）在精度方面展示了巨大的飛躍。這一飛躍推動(dòng)了計(jì)算機(jī)視覺工程領(lǐng)域的發(fā)展。現(xiàn)在，在需要圖像分類和面部識(shí)別的應(yīng)用中，深度學(xué)習(xí)算法甚至可以應(yīng)用到人類以外。更重要的是，就像人類一樣，這些算法具有學(xué)習(xí)和適應(yīng)不同條件的能力。
通過深度學(xué)習(xí)，我們正在進(jìn)入一個(gè)認(rèn)知技術(shù)的時(shí)代，計(jì)算機(jī)視覺和深度學(xué)習(xí)融合在一起，解決人類大腦層面的高層次的復(fù)雜問題。我們目前的研發(fā)成果還浮于表面。這些系統(tǒng)將會(huì)持續(xù)改進(jìn)，使用更快的處理器，更先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，更深入地集成到邊緣設(shè)備。計(jì)算機(jī)視覺將改變物聯(lián)網(wǎng)。
更多應(yīng)用案例
其他有趣的用例包括：
- 監(jiān)測作物健康的農(nóng)業(yè)無人機(jī)（http：//www.slantrange.com/）
- 交通設(shè)施管理（http：//www.vivacitylabs.com/）
- 無人機(jī)安全檢測（http：//industrialskyworks.com/drone-inspections-services/）
- 下一代家庭安全攝像頭（https：//buddyguard.io/）
這些只是計(jì)算機(jī)視覺大大提高許多領(lǐng)域生產(chǎn)力的一些小例子。我們正在進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)化的下一個(gè)階段。在第一階段，我們專注于連接設(shè)備，搜集數(shù)據(jù)并建立大型數(shù)據(jù)平臺(tái)。在第二階段，重點(diǎn)將轉(zhuǎn)移到通過計(jì)算機(jī)視覺和深度學(xué)習(xí)等技術(shù)使“事物”更加智能，從而產(chǎn)生更多可操作的數(shù)據(jù)。
挑戰(zhàn)
增強(qiáng)該技術(shù)的實(shí)用性并進(jìn)行商業(yè)化的過程中，還有很多問題需要克服：
- 嵌入式平臺(tái)需要集成深度神經(jīng)設(shè)計(jì)。在能源消耗、成本、準(zhǔn)確性、靈性方面都需要認(rèn)真設(shè)計(jì)。
- 行業(yè)需要標(biāo)準(zhǔn)化，以允許智能設(shè)備和系統(tǒng)相互通信并共享元數(shù)據(jù)。
- 系統(tǒng)不再只是一個(gè)單純的數(shù)據(jù)收集器。它們能夠支持人們對這些數(shù)據(jù)的操作。系統(tǒng)能夠自動(dòng)學(xué)習(xí)和成長。整個(gè)軟件、固件更新過程在機(jī)器學(xué)習(xí)時(shí)代具有新的意義。
- 黑客可以利用計(jì)算機(jī)視覺和 AI 中新的安全漏洞。設(shè)計(jì)人員需要考慮到這一點(diǎn)。
結(jié)論
在這篇文章中，我們簡要介紹了計(jì)算機(jī)視覺，以及它是如何成為許多連接設(shè)備和應(yīng)用程序的重要組成部分。最重要的是，我們預(yù)測其即將爆發(fā)式增長，并列出了實(shí)際應(yīng)用中的一些障礙。在接下來的系列文章中，我們將探索新的框架、最佳實(shí)踐和設(shè)計(jì)方法，以克服一些挑戰(zhàn)。
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