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视觉、多模态与三维空间

这一页解决什么

视觉任务从"是什么"(分类)扩展到"在哪里"(检测、分割)、"多远多大"(深度、三维)和"怎么用语言描述"(视觉语言)。这是机器人感知和很多工业 AI 岗位的核心。P1 必修任务与指标,P2 按方向深入三维。

知识地图

层次 主题 需要理解什么
P1 分类、检测与分割 标签、框、像素掩码及对应指标;CNN / ViT、YOLO / DETR、提示式分割
P1 视觉语言与视频 图文对齐、VLM、时序上下文
P2 三维几何与表示 深度、点云、位姿、占据 / SDF、NeRF、3D 高斯泼溅
P2 空间与交互 几何重建、语义、可供性与动作条件

核心机制

分类到检测到分割:分类输出一个标签;检测输出框加类别(YOLO 单阶段、快;Faster R-CNN 两阶段、准;DETR 用 Transformer 直接预测框集合、无需 NMS);语义分割给每个像素分类,实例分割还区分同类的不同个体(Mask R-CNN、YOLO-seg)。

评价指标:IoU 是预测与真值区域的交并比;mAP 是按置信度排序得到 PR 曲线后积分、再对类别和 IoU 阈值平均。分割常用 mIoU。

ViT:把图像切成 16×16 的块当 token 送进 Transformer。数据少时不如 CNN(缺少局部性先验),数据多时更强;端侧部署 CNN 仍更友好。

提示式分割(SAM):给一个点或框,分割出对应物体,不需要针对类别训练。适合标注和机器人场景中的新物体。

深度与三维:单目深度估计(如 Depth Anything)、双目、RGB-D;三维表示有点云、网格、体素、SDF;NeRF 用网络隐式表示场景、可渲染新视角;3D 高斯泼溅用大量带颜色的高斯椭球显式表示,渲染快得多。

视觉语言:CLIP 对齐图文空间,VLM 把视觉 token 接入语言模型(见基础模型的多模态专题)。

精选资源

  • 主课选读 · Stanford CS231n 2026


    先掌握分类与迁移学习,再延伸到检测分割、自监督与 3D 视觉。

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  • 实践 · Ultralytics 检测与分割


    YOLO 的训练、验证、导出一条龙,最快跑通检测和实例分割。

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  • 三维选修 · Nerfstudio Splatfacto


    体验 3D 高斯泼溅重建,测新视角质量与渲染时延。

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跟随实验

  1. 先完成表示学习页的 AI-2;不要再建立一套重复的分类训练项目。
  2. 选检测、分割或三维任务之一,画出输入输出与评估流程。
  3. 选三维时按 Splatfacto 官方数据运行原例,留出新视角不参与训练。
  4. 测新视角效果、渲染时间和失败区域,区分视觉逼真与几何准确。

验收:三维报告须说明相机、数据、算力和评估视角,不能仅凭好看的重建图宣称空间理解。机器人方向的完整感知项目见下方 P1。

自测

检测模型的 mAP@0.5 和 mAP@0.5:0.95 有什么区别?

前者只要求 IoU ≥ 0.5 就算对;后者在 0.5 到 0.95 的十个阈值上取平均,对定位精度要求严格得多。

为什么小数据集上 ViT 常不如 CNN?

CNN 自带局部性和平移不变性先验,少量数据就能学好;ViT 先验弱,需要大数据或强预训练才能学到这些规律。

NeRF 和 3D 高斯泼溅的主要区别?

NeRF 用 MLP 隐式表示,渲染要对每条光线采样多次网络,慢;3DGS 用显式高斯椭球加光栅化,实时渲染,但存储更大。

相关专题

  • P1 · 6DoF 位姿估计(具身)


    检测分割加深度,得到可抓取的物体位姿。

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  • 多模态与行动接口(基础模型)


    视觉语言模型与 VLA。

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  • 表示学习


    AI-2 迁移学习实验。

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