【2020工业图像异常检测文献】PaDiM

news2024/11/16 3:50:13

PaDiM: a Patch Distribution Modeling Framework for Anomaly Detection and Localization

1、Background

在单类学习（仅使用正常数据（即“单一类”）来训练模型）环境中的异常检测和定位任务方法中，要么需要深度神经网络训，要么在测试时使用K-最近邻（K-NN）算法对整个训练数据集进行操作。K-NN算法的线性复杂度随着训练数据集的大小而增加，增加了时间和空间复杂度。

基于重建的方法通常使用自动编码器（AE）、变分自动编码器（VAE）或生成对抗网络（GAN）等神经网络架构，仅训练正常类图像。因此，异常图像由于无法良好地重建而被识别为异常。常用的方法包括使用重建误差作为异常分数，虽然基于重构的方法非常直观且可解释，但由于 AE 有时也会对异常图像产生良好的重构结果，因此其性能受到限制。

基于嵌入相似度的方法利用深度神经网络提取有意义的特征向量，这些向量用于检测整个图像的异常。异常分数通常是测试图像嵌入向量与正常参考向量之间的距离。这些方法在检测精度上表现良好，但通常缺乏对异常区域的可解释性。推理复杂度与数据集的规模成线性关系。这可能会阻碍该方法的工业应用。

为了解决上述问题，提出了 PaDiM（Patch Distribution Modeling）方法，利用预训练的卷积神经网络（CNN）进行嵌入提取，并具有以下两个特性：

（1）每个补丁位置由多元高斯分布描述；

（2）PaDiM 考虑了预训练CNN不同语义层次之间的相关性。

2、Method

PaDiM 算法 利用预训练的卷积神经网络（CNN）进行补丁嵌入，并使用多元高斯分布来获得正常类的统计表示，并利用CNN不同语义层次之间的相关性来更好地定位异常。

预训练的CNN用于特征提取
- PaDiM使用预训练的CNN模型（如ResNet、Wide-ResNet或EfficientNet）来提取图像特征。这些模型已经在大规模数据集（如ImageNet）上进行了训练，能够学习到丰富的视觉特征。
- 在训练阶段，将正常图像输入到CNN中，提取特定层的激活图（feature maps）。这些激活图包含了图像的多尺度和多语义层次的特征。
补丁嵌入提取
- 从CNN的激活图中，将图像划分为多个小块（补丁），每个补丁对应于激活图中的一个区域。
- 每个补丁的激活向量被提取出来，这些向量包含了该补丁的视觉特征。通过从不同层次的激活图中提取特征并进行拼接，可以获得包含不同语义信息的嵌入向量。
多元高斯分布建模
- 对于训练集中的每个补丁位置，收集来自多个正常图像的嵌入向量，形成一个嵌入向量的集合。
- 假设这些嵌入向量的集合遵循多元高斯分布。计算该分布的参数，即均值向量（µ）和协方差矩阵（Σ）。均值向量是所有嵌入向量的平均值，协方差矩阵描述了向量之间的线性关系和变异程度。
正则化处理
- 为了避免协方差矩阵不可逆的问题，引入一个小的正则化项（ϵI），其中I是单位矩阵，ϵ是一个小的常数。这确保了协方差矩阵始终是满秩的，可以进行逆运算。
异常检测和定位
- 在测试阶段，对于输入的测试图像，重复上述的补丁嵌入提取过程。
- 使用马氏距离（Mahalanobis distance）来计算测试图像中每个补丁与学习到的多元高斯分布之间的距离。马氏距离考虑了数据的协方差结构，能够更准确地反映数据点与分布中心的相似度。
- 根据马氏距离的大小，生成异常图（anomaly map），图中的高值区域表示可能的异常位置。

在这里插入图片描述

pseudo-code

# 伪代码：PaDiM方法实现

# 从图像中提取所有补丁 extract_patches(image)
# 使用CNN提取补丁的特征嵌入 extract_embeddings(cnn, patch)
# 计算嵌入向量的均值 calculate_mean(embeddings)
# 计算嵌入向量的协方差矩阵 calculate_covariance(embeddings, mean)
# 计算马氏距离 calculate_mahalanobis_distance(embedding, mean, covariance)
# 更新异常图 update_anomaly_map(anomaly_map, position, score)
# 显示异常图 display_anomaly_map(anomaly_map)

# 步骤1: 预训练CNN模型加载
pretrained_cnn = load_pretrained_cnn()

# 步骤2: 训练阶段 - 正常图像特征提取
for each normal_image in normal_images_dataset:
    patches = extract_patches(normal_image)
    for patch in patches:
        embeddings = extract_embeddings(pretrained_cnn, patch)
        store_embedding(patch_position, embeddings)

# 步骤3: 计算每个补丁位置的均值和协方差
for each patch_position in patch_positions:
    embeddings = get_embeddings_for_position(patch_position)
    mean = calculate_mean(embeddings)
    covariance = calculate_covariance(embeddings, mean)
    store_normal_model(patch_position, mean, covariance)

# 步骤4: 测试阶段 - 异常检测和定位
for each test_image in test_images_dataset:
    patches = extract_patches(test_image)
    anomaly_map = initialize_anomaly_map(test_image)
    for patch in patches:
        embedding = extract_embeddings(pretrained_cnn, patch)
        for each patch_position in patch_positions:
            mean = get_mean_for_position(patch_position)
            covariance = get_covariance_for_position(patch_position)
            mahalanobis_distance = calculate_mahalanobis_distance(embedding, mean, covariance)
            anomaly_score = update_anomaly_map(anomaly_map, patch_position, mahalanobis_distance)
    display_anomaly_map(anomaly_map)