Instanssegmentering

Instanssegmentering innebærer å oppdage og avgrense hvert enkelt objekt av interesse som vises i et bilde. I motsetning til tradisjonell objektdeteksjon, som gir avgrensende bokser rundt objekter, går instanssegmentering et steg videre ved å identifisere den eksakte piksellokasjonen til hvert enkelt objekt, noe som gir en mer presis og detaljert forståelse av bildeforholdet.

Instanssegmentering er avgjørende i situasjoner der det er viktig ikke bare å oppdage objekter, men også å skille mellom flere instanser av samme objektsklasse og forstå deres nøyaktige former og posisjoner i et bilde.

Forståelse av instanssegmentering

For å forstå instanssegmentering fullt ut, er det nyttig å sammenligne det med andre typer bildesegmenteringsoppgaver: semantisk segmentering og panoptisk segmentering.

Forskjellen mellom instanssegmentering og semantisk segmentering

Semantisk segmentering innebærer å klassifisere hver piksel i et bilde i henhold til et sett med forhåndsdefinerte kategorier eller klasser. Alle piksler som tilhører en bestemt klasse (f.eks. “bil”, “person”, “tre”) merkes tilsvarende, uten å skille mellom ulike forekomster av samme klasse.

Instanssegmentering, på den annen side, klassifiserer ikke bare hver piksel, men differensierer også mellom separate instanser av samme klasse. Hvis det er flere biler i et bilde, vil instanssegmentering identifisere og avgrense hver bil individuelt, og tildele unike identifikatorer til hver enkelt. Dette er avgjørende i applikasjoner hvor individuell objektsgjenkjenning og -sporing er nødvendig.

Forskjellen mellom instanssegmentering og panoptisk segmentering

Panoptisk segmentering kombinerer målene til både semantisk og instanssegmentering. Det gir en fullstendig scene-forståelse ved å tilordne en semantisk etikett og en instans-ID til hver piksel i bildet. Det håndterer både “ting”-klasser (tellbare objekter som personer og biler) og “stoff”-klasser (amorfose områder som himmel, vei eller gress). Instanssegmentering fokuserer primært på “ting”, ved å oppdage og segmentere individuelle objektinstanser.

Hvordan fungerer instanssegmentering?

Instanssegmenteringsalgoritmer benytter vanligvis dyp læring, spesielt konvolusjonsnevrale nettverk (CNN), for å analysere bilder og generere segmenteringsmasker for hver objektinstans.

Nøkkelkomponenter i instanssegmenteringsmodeller

1. Funksjonsekstraksjon (Encoder): Første steg er funksjonsekstraksjon. Et encoder-nettverk, ofte en CNN, prosesserer inngangbildet for å trekke ut trekk som representerer det visuelle innholdet.
2. Region Proposal (Regionforslag): Modellen foreslår områder i bildet som sannsynligvis inneholder objekter, ofte ved å bruke Region Proposal Networks (RPN).
3. Klassifisering og lokalisering: For hvert foreslåtte område klassifiserer modellen objektet (f.eks. “bil”, “person”) og forbedrer avgrensningsboksen.
4. Maskeprediksjon (Segmenteringshode): Siste steg genererer en segmenteringsmaske for hver objektinstans—en pikselsvis representasjon som indikerer hvilke piksler som tilhører objektet.

Populære instanssegmenteringsmodeller

Mask R-CNN

Mask R-CNN er en av de mest brukte arkitekturene for instanssegmentering. Den utvider Faster R-CNN-modellen ved å legge til en gren for å forutsi segmenteringsmasker på hver Region of Interest (RoI) parallelt med den eksisterende grenen for klassifisering og avgrensningsboks-regresjon.

Slik fungerer Mask R-CNN:

• Funksjonsekstraksjon: Et inngangsbilde sendes gjennom en backbone-CNN (f.eks. ResNet) for å generere et funksjonskart.
• Region Proposal Network (RPN): Funksjonskartet brukes til å generere regionforslag som potensielt inneholder objekter.
• RoI Align: Regioner hentes ut fra funksjonskartet ved hjelp av RoI Align, og bevarer romlig justering.
• Prediksjonshoder:
  • Klassifiserings- og avgrensningshode: For hver RoI forutsier modellen objektklassen og forbedrer koordinatene til avgrensningsboksen.
  • Maskehode: Et konvolusjonsnettverk forutsier en binær maske for hver RoI, som indikerer de nøyaktige pikslene som tilhører objektet.

Andre modeller

• YOLACT: En sanntids instanssegmenteringsmodell som kombinerer hastigheten til single-shot deteksjon med instanssegmentering.
• SOLO & SOLOv2: Fullt konvolusjonelle modeller som segmenterer objekter ved å tilordne instanskategorier til hver piksel uten objektforslag.
• BlendMask: Kombinerer top-down og bottom-up tilnærminger, og blander grove og fine trekk for høy-kvalitets masker.

Bruksområder for instanssegmentering

Instanssegmentering gir detaljert objektdeteksjon og segmenteringskapasitet for komplekse oppgaver på tvers av mange bransjer.

Medisinsk bildediagnostikk

• Applikasjon: Automatisert analyse av medisinske bilder (MR, CT-skanninger, histopatologi).
• Bruksområde: Oppdage og avgrense individuelle celler, svulster eller anatomiske strukturer. For eksempel segmentering av kjerner i histopatologibilder for kreftdeteksjon.
• Eksempel: Segmentering av svulster i MR-bilder hjelper radiologer med å vurdere vekster for behandlingsplanlegging.

Autonom kjøring

• Applikasjon: Persepsjonssystemer i selvkjørende biler.
• Bruksområde: Gjør det mulig for autonome kjøretøy å oppdage og skille objekter som biler, fotgjengere, syklister og trafikkskilt.
• Eksempel: Gjør det mulig for en selvkjørende bil å skille flere fotgjengere som går tett sammen og forutsi deres bevegelser.

Robotikk

• Applikasjon: Objekthåndtering og interaksjon i robotsystemer.
• Bruksområde: Roboter gjenkjenner og samhandler med individuelle objekter i rotete miljøer (f.eks. plukke og sortere varer i varehus).
• Eksempel: En robotarm bruker instanssegmentering for å plukke ut bestemte komponenter fra en blandet haug.

Satellitt- og luftbilder

• Applikasjon: Analyse av satellitt-/dronebilder for miljøovervåking, byplanlegging og landbruk.
• Bruksområde: Segmentere bygninger, kjøretøy, avlinger eller trær for ressursstyring og katastroferespons.
• Eksempel: Telle individuelle trær i en frukthage for å vurdere helse og optimalisere innhøsting.

Kvalitetskontroll i produksjon

• Applikasjon: Automatisert inspeksjon og feiloppdagelse i produksjon.
• Bruksområde: Identifisere og isolere produkter eller komponenter for å oppdage feil og sikre kvalitetskontroll.
• Eksempel: Oppdage og segmentere mikrobrikker for å identifisere produksjonsfeil.

Utvidet virkelighet (AR)

• Applikasjon: Objektsgjenkjenning og interaksjon i AR-applikasjoner.
• Bruksområde: Gjenkjenne og segmentere objekter slik at virtuelle elementer kan samhandle med virkelige objekter.
• Eksempel: Segmentere møbler i et rom for at brukere skal kunne visualisere nye møbler og interaksjoner i AR.

Videoanalyse og overvåking

• Applikasjon: Bevegelsessporing og atferdsanalyse i sikkerhetssystemer.
• Bruksområde: Spore individuelle objekter i videoer over tid for bevegelsesmønstre og aktivitetsdeteksjon.
• Eksempel: Spore kunders bevegelser i butikklokaler for optimalisering av layout og tapsforebygging.

Eksempler og bruksområder

Medisinsk bildediagnostikk: Celletelling og analyse

• Prosess:
  • Mikroskopibilder mates inn i en instanssegmenteringsmodell.
  • Modellen identifiserer hver celle, selv om de overlapper eller har uregelmessig form.
  • Segmenterte celler telles og analyseres for størrelse og morfologi.
• Fordeler:
  • Økt nøyaktighet og effektivitet.
  • Muliggjør storskalastudier.
  • Gir kvantitative data for forskning eller diagnose.

Autonom kjøring: Fotgjengerdeteksjon

• Prosess:
  • Ombordkameraer fanger sanntidsbilder.
  • Instanssegmenteringsmodeller identifiserer og segmenterer hver fotgjenger.
  • Systemet forutsier bevegelse og tilpasser kjøretøyets atferd.
• Fordeler:
  • Økt sikkerhet og navigasjon.
  • Bedre overholdelse av sikkerhetsstandarder.

Robotikk: Varesortering i varehus

• Prosess:
  • Kameraer tar bilder av varer på et transportbånd.
  • Instanssegmenteringsmodeller identifiserer og segmenterer varer, selv om de overlapper.
  • Roboter bruker dataene til å plukke og sortere varer.
• Fordeler:
  • Økt sorteringseffektivitet og hastighet.
  • Redusert feilhåndtering eller skade.
  • Håndterer komplekse produktsammensetninger.

Satellittbilder: Overvåking av byutvikling

• Prosess:
  • Satellittbilder analyseres for å segmentere bygninger.
  • Endringer spores ved å sammenligne resultater fra ulike perioder.
• Fordeler:
  • Detaljerte data om byvekst.
  • Hjelper med planlegging og ressursfordeling.
  • Vurderer miljøpåvirkning.

Hvordan instanssegmentering henger sammen med AI-automatisering og chatboter

Selv om instanssegmentering er en datamaskinsynsoppgave, spiller det en stor rolle i AI-automatisering ved å gi detaljert visuell forståelse slik at automatiseringssystemer kan samhandle intelligent med den fysiske verden.

Integrasjon med AI-automatisering

• Robotikk-automatisering:
  • Roboter bruker instanssegmentering for å forstå miljøer og utføre oppgaver autonomt.
  • Eksempel: Droner bruker segmentering for å navigere og unngå hindringer.
• Produksjonsautomatisering:
  • Automatisert inspeksjon bruker segmentering for å oppdage feil og sikre kvalitet.

Forbedre AI-funksjoner i chatboter og virtuelle assistenter

Selv om chatboter hovedsakelig er tekstbaserte, utvider integrering av instanssegmentering deres evner med visuelle grensesnitt.

• Visuelle chatboter: Chatboter tolker brukerinnsendte bilder og gir detaljert informasjon om objekter ved hjelp av instanssegmentering.
• Kundesupport: Brukere kan sende produktbilder med problemer; chatboter identifiserer problemområder og gir assistanse.
• Tilgjengelighetsverktøy: For synshemmede brukere kan AI-systemer beskrive scener i detalj ved å identifisere hvert objekt gjennom segmentering.

Fremskritt og fremtid for instanssegmentering

Instanssegmentering utvikler seg raskt med fremskritt innen dyp læring og beregningsmetodikk.

Sanntids instanssegmentering

• Teknikker: Nettverksoptimalisering for lavere beregningsbelastning, single-shot detektorer for raskere inferens.
• Utfordringer: Balansering av hastighet og nøyaktighet, håndtering av ressursbruk på edge-enheter.

Kombinere med andre modaliteter

• Multimodale data: Kombinere segmentering med lidar, radar eller termisk bildebehandling for robust persepsjon.
  • Eksempel: Flette kamerabilder og lidar i autonome kjøretøy.

Semi-supervised og usupervised læring

• Tilnærminger: Semi-supervised læring bruker noe merket og mye umerket data; usupervised læring finner mønstre uten etiketter.
• Fordeler: Lavere merkingskostnad, mer tilgjengelig for spesialiserte domener.

Edge computing og utrulling

• Applikasjoner: IoT-enheter og wearables utfører lokal segmentering for personvern og effektivitet.
• Vurderinger: Modelloptimalisering for lavt strømforbruk og begrenset beregning.

Instanssegmentering styrker AI-systemers evne til å samhandle med verden, og driver fremskritt på tvers av domener som medisinsk bildediagnostikk, autonome kjøretøy og robotikk. Etter hvert som teknologien utvikler seg, vil instanssegmentering bli enda mer sentral for AI-løsninger.

Forskning på instanssegmentering

Instanssegmentering er en viktig datamaskinsynsoppgave som innebærer å oppdage, klassifisere og segmentere hver objektinstans i et bilde. Den kombinerer objektdeteksjon og semantisk segmentering for å gi detaljerte innsikter. Viktige forskningsbidrag inkluderer:

1. Learning Panoptic Segmentation from Instance Contours
   Denne forskningen presenterte et fullt konvolusjonelt nevralt nettverk som lærer instanssegmentering fra semantisk segmentering og instanskonturer (objektgrenser). Instanskonturer og semantisk segmentering gir en grensebevisst segmentering. Connected component labeling gir deretter instanssegmentering. Evaluert på CityScapes-datasettet med flere studier.

   

2. Ensembling Instance and Semantic Segmentation for Panoptic Segmentation
   Denne artikkelen beskriver en løsning for COCO panoptisk segmenteringsoppgave 2019 ved å utføre instans- og semantisk segmentering separat, deretter kombinere dem. Ytelsen ble forbedret med ekspertmodeller av Mask R-CNN for dataskjevhet, og HTC-modellen for best instanssegmentering. Ensemble-strategier økte resultatene ytterligere og oppnådde en PQ-score på 47,1 på COCO panoptic test-dev-data.
   Les mer

3. Insight Any Instance: Promptable Instance Segmentation for Remote Sensing Images
   Denne studien tar for seg utfordringer ved instanssegmentering av fjernmålingsbilder (ubalansert forhold mellom forgrunn og bakgrunn, små instanser) ved å foreslå et nytt prompt-paradigme. Lokale og globale-til-lokale promptmoduler hjelper med å modellere kontekst, noe som gjør modellene mer promptable og forbedrer segmenteringsytelsen.
   Les mer