人工智能们再也不用担心撞上玻璃橱窗了

简介：自动送货车撞上玻璃、扫地机器人撞碎玻璃伤行人……如今这些事件也即将成为过去式。大连理工大学等单位研发了一个玻璃检测神经网络，能够利用 AI 在真实环境下检测玻璃。

△ 图左为目标场景，图右黄色部分为玻璃检测

自动送货车撞上玻璃、扫地机器人撞碎玻璃伤行人……如今这些事件也即将成为过去式。

大连理工大学等单位研发了一个玻璃检测神经网络，能够利用AI在真实环境下检测玻璃。

从图中可见，神经网络能很好地将玻璃从实际场景中分割出来。

但事实上，玻璃检测绝非想象中那般简单，不仅因为它几乎是透明的，而且还具有反射性。

更何况，玻璃并没有固定的形状，无法根据外形判定某一区域是否存在玻璃。

既然如此，为什么人眼能这么准确地判定出玻璃的存在呢？

研究发现，人眼不仅能通过玻璃内外部颜色的差异来判断玻璃的存在，还能根据反射产生的光斑或重影发现玻璃。

这给了研究者们很大的启发，并最终设计了名为大视场上下文特征融合（ Large-field Contextual Feature Integration ，下简称 LCFI）的模块。

△ LCFI模块构造

LCFI 模块用来同时提取高级语义特征和颜色纹理等低级特征两种上下文特征，用于检测真实场景中玻璃的存在。

为了提取大量上下文信息，通常的做法是采用大卷积核或进行扩张卷积，但前者会导致大计算量，后者则会稀疏采样。

而且，这两种方法并非最优。

△ 实验对比效果

研究发现，采用非局部运算（non-local）可以同时解决这两个问题，便有了 LCFI 模块。

LCFI 模块采用空间可分离卷积，从水平和垂直两个维度分别对图像进行卷积。

由于图像中玻璃区域的信息非常复杂，且与非玻璃区域有一定的相似度，为了消除这种歧义，模块将再进行一遍卷积，不过这次是先从垂直、再从水平维度提取互补的上下文特征。

最后，将提取的特征进行融合。

而这个 LCFI 模块，是玻璃检测神经网络 GDNet 中最核心的部分。

△ GDNet 网络示意图

GDNet 网络整体工作原理如下：

第一步，使用预训练的 ResNeXt101 网络用于多级特征提取，目的是获得各种级别的特征。
第二步，在网络最后嵌入四层 LCFI 模块，目的是进行各级别大视场内上下文的特征学习。
第三步，将其中三个 LCFI 模块的输出通过注意模块（Attention Module）进行连接和融合，目的是生成大视场内上下文的高级特征。
第四步，从这些高级特征中学习 Attention Map，目的是引导大视场内上下文的低级特征（例如第一个 LCFI 模块的输出），以将更多注意力集中在玻璃区域。

最后，通过级联和注意力机制，合高级与低级特征，目的是生成最终的玻璃特征图。

GDNet 的创新之处在于，它设计的 LCFI 模块采用空间可分离卷积，更好地获取了图像中有关玻璃的特征。

虽然此前也有关于玻璃的目标检测研究，但基本集中在玻璃杯、器皿这样的小型玻璃物体上，检测方法也多从物体的形状入手。

这次研究通过玻璃本身的特征，设计了具普适性的玻璃检测网络，能有效防止自动驾驶车辆对玻璃幕墙或玻璃门进行误判，避免发生碰撞事故。

除此之外，对于机器学习中的深度预测、场景理解和去反射等技术任务，也有着重要的意义。