论文笔记：A Model of Saliency-Based Visual Attention for Rapid Scene Analysis

论文信息

  1. 题目：A Model of Saliency-Based Visual Attention for Rapid Scene Analysis
  2. 作者：Laurent Itti, Christof Koch, and Ernst Niebur
  3. 领域：视觉显著性
  4. 类型：新问题，新方法

相关背景

灵长类动物的视觉系统能够快速地定位出场景中的显著目标，如何借鉴地让计算机快速定位出图像中的显著性位置，以此将复杂的场景理解问题简化。

问题是什么

寻找图像中的能够优先引起人类关注的位置。

已有解决方案

通过分析人眼的运动来研究人类视觉关注点的特征，以此做进一步分析。

作者的核心思想、创新点

从人类视觉心理学的角度入手来研究该问题，采用方法包含了两部分，一是提取显著图(Saliency Map, SM)，二是动态更新关注点(Focus of Attention, FOA)。

提取显著图

受生物学启发，该方法模仿人类自下而上的视觉选择性注意过程，提取图像的底层特征，构造相应的显著图。

显著图的构造基于“特征集成理论”(feature integration theory)，每一种特征都会有自己的显著图，在某个特征下，不同位置的像素之间互相竞争，最终会有一些像素脱颖而出，成为该特征中的显著点。作者根据“中心-周围”拮抗理论，算出每一个像素点（作为中心点）相对于周围的像素点的显著值，所有点的显著值就构成了一副显著图。而不同特征下的显著图经过某种方式，汇集成最终的场景显著图。

系统框架结构

作者在这里采用了三种特征：亮度，颜色（根据“颜色双对立”系统[color double-opponent]），角度（使用Gabor滤波器），为了生成这些特征的显著图(Conspicuity Maps)，作者先对原图像进行尺度变换，生成九层高斯金字塔，这一方面增强了该方法的尺度不变性，另一方面也模拟了层级感受野的机制。我们可以把金字塔中的低层级图像的像素点看成“中心”，把高层级图像的对应像素点看成“周围”。然后把高层级图像通过插值的方式变成和低层级图像相同的大小，最后，把两个图像对应像素点的某种特征的值，进行逐点相减，产生一个尺度下某种特征的显著图。

最后还要把得到的不同特征的不同尺度的显著图进行合并，得到最终的显著图。

首先是合并同一特征不同尺度的显著图。作者把它们都缩小到金字塔的第四层级（最开始选择的时候，中心点只取2,3,4这三级，所以得到的显著图只有这三级的，因此在这里就是把这些级通过降采样缩小到第四级），然后把每张显著图的每一个像素点的显著值进行归一化。作者归一化的方式比较特别，原则就是去除不同特征因为幅值不同而带来的不均衡性，以及尽可能地让最显著的点突出出来（加大“贫富差距”）。最后，把所有图对应点的显著值相加，得到最终该特征的显著图。要注意的是，对于角度特征，作者采用了四个角度，因此实际上可以看成是四个特征，所以在对角度特征进行显著图合并时，作者是先对各个角度做一次显著图合并，然后把合并好的四个图直接叠加起来得到角度特征的显著图。

归一化的直观表示

接下来是合并不同特征的显著图。作者先把三个特征的显著图都做再一次上述的归一化，然后进对三者求平均，便得到最终的显著图。有趣的是，作者把得到的结果记为S，而不是SM (Saliency Map)，这是因为重头戏在接下来的部分。

动态更新关注点

一般而言，我们得到上一步的显著图就完事了，而作者又增加了一个动态更新关注点的过程，目的就是为了模拟人类视觉注意力转移的过程，从而生成更具表现力的显著图。此处，作者把真·显著图(SM)类比成一个动态更新的神经层，它的初始输入是上一步得到的静态显著图(S)，然后作者又定义了一个激活神经网络：“胜者为王”网(winner-take-all)，S、SM、WTA网络三者的大小是一致的，并且每一个点都是一一对应的。初始时，SM的值由S决定（通过类似神经信号传导的方式），而之后它又会在WTA网络的影响下进行更新。S中最显著的点会给SM中对应的点最大的初始激励值。SM中每一个点又会刺激WTA网络中对应的点，当WTA网络中的某个点首先达到激活阈值时，一个真·注视点(FOA)就产生了，这个机制很好地模拟了当有多个显著点时，人类是怎样产生注意的：第一个引起注意的就是注视点（至于哪个会是第一个，就仁者见仁智者见智了，毕竟WTA网络的激活方式并没有指定，比如可以所有的点同步变更，也可以先变更中心区域的点）。当WTA网络出现了一个胜者时，将会同时执行以下三个过程：

  1. 将FOA转移到胜者对应的点上，即更新注视点
  2. 重置WTA网络（清零），为下一次注视点变更做准备
  3. 在SM中对注视点周围的区域做一定时间的局部抑制，确保能够发生注视点转移，并且确保注视点不会立刻返回来。

为了模拟“近邻优先”(proximity preference)的原则，作者还在SM上对注视点周围（除了抑制区域外）的点加了一个短时间的激励。

当然作者对它的模型进行调参了，以便使注视点转移的过程更接近人类视觉系统的行为。

如何实验与验证

眼见为实！让程序跑出来的结果和我们人类的判断作比较就好。作者将他人做过的根据眼动观测仪的结果(Spatial Frequency Content)，与自己用程序跑出来的结果进行对比，可以看出来结果还是不错的。当然这个模型也是有缺点的，就是太依赖特征的选择了，没有考虑到的特征就不会产生出显著性，太过于human-design，比较适合专用系统。此外，由于最终的显著图是在第四级高斯金字塔下呈现的，这就导致了分辨率的降低，也就损失了一些图像的信息。作者之所以这样做，是因为他不关心精确的分割问题，只是找出显著点，然后大致画一块区域。

启发

这一篇论文仅仅六页，但是把整个框架搭得很清楚，为什么？因为简单！为什么简单？因为自然！而且作者并没有说详细的实现过程，这就让人读起来如丝顺滑，同时给读者自己发挥的空间（完全可以用其它的特征和别的理论来构造相应的显著图），论文就应该这样写啊！

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