图像异常检测是计算机视觉领域的一个热门研究课题, 其目标是在不使用真实异常样本的情况下, 利用现有的正常样本构建模型以检测可能出现的各种异常图像, 在工业外观缺陷检测, 医学图像分析, 高光谱图像处理等领域有较高的研究意义和应用价值. 本文首先介绍了异常的定义以及常见的异常类型. 然后, 本文根据在模型构建过程中有无神经网络的参与, 将图像异常检测方法分为基于传统方法和基于深度学习两大类型, 并分别对相应的检测方法的设计思路、优点和局限性进行了综述与分析. 其次, 梳理了图像异常检测任务中面临的主要挑战. 最后, 对该领域未来可能的研究方向进行了展望.

异常检测是机器学习领域中一项重要的研究内容. 它是一种利用无标注样本或者正常样本构建检测模型, 检测与期望模式存在差异的异常样本的方法. 异常检测在各种领域中都有广泛的应用, 如网络入侵检测, 信号处理, 工业大数据分析, 异常行为检测和图像与视频处理等.

早期的异常检测算法大多应用于数据挖掘领域, 而近年来随着计算机视觉和深度学习等相关技术的发展, 许多相关工作将异常检测引入到图像处理领域来解决样本匮乏情况下的目标检测问题.

传统的目标检测算法中很大一部分方法属于监督学习的范畴, 即需要收集足够的目标类别样本并进行精确的标注, 比如图像的类别、图像中目标的位置以及每一个像素点的类别信息等. 然而, 在许多应用场景下, 很难收集到足够数量的样本. 例如, 在表面缺陷检测任务当中, 实际收集到的图像大部分属于正常的无缺陷样本, 仅有少部分属于缺陷样本, 而需要检测的缺陷类型又十分多样, 这就使得可供训练的缺陷样本的数量十分有限. 又比如在安检任务当中, 不断会有新的异常物品出现. 而对于医学图像中病变区域的识别任务, 不仅带有病变区域的样本十分稀少, 对样本进行手工标注也十分耗时. 在这些情况下, 由于目标类别样本的缺乏, 传统的目标检测和图像分割的方法已不再适用.

而异常检测无需任何标注样本就能构建检测模型的特点, 使得其十分适用于上述几种情况. 在图像异常检测当中, 收集正常图像的难度要远低于收集异常图像的难度, 能显著减少检测算法在实际应用中的时间和人力成本. 而且, 在异常检测中模型是通过分析与正常样本之间的差异来检测异常样本, 这使得异常检测算法对各种类型甚至是全新的异常样本都具有检测能力. 虽然标注样本的缺失给图像异常检测带来了许多问题和挑战, 不过由于上述各种优点, 如表1所示, 已经有许多方法将图像异常检测应用在各种领域中.因此, 图像异常检测问题具有较高的研究价值和实际应用价值.

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