8. Visión artificial

Modelos de inteligencia artificial

Introducción

• La visión artificial es una de las áreas más antiguas de la inteligencia artificial.
• Los primeros sistemas de visión artificial se desarrollaron en la década de 1960.
• Los sistemas de visión artificial analizan imágenes y vídeos para extraer información.
• Veremos los conceptos básicos de la visión artificial y cómo se aplican en la práctica.

Visión

• Proceso de percepción mediante el cual el sistema visual construye una representación (imagen) a partir de la información que capta la retina.
• Este proceso puede ser activo (cuando quien observa mueve los ojos) o pasivo (cuando no los mueve).
• La visión artificial básica es un proceso pasivo. Sin embargo, algunas tareas, como la localización o la reconstrucción 3D, requieren un proceso activo.

Enfoques

• Hay dos enfoques principales en visión artificial:
  • Extracción de características:
    • Se aplican varias transformaciones a la imagen para extraer características relevantes (bordes, textura, flujo óptico, segmentos, entre otras).
  • Basado en modelos:
    • Se utilizan modelos matemáticos (geométricos o estadísticos) para representar la imagen.
• En la práctica, ambos enfoques suelen combinarse.

El color (I)

• Propiedad de la luz que depende de su longitud de onda.
• Los seres humanos lo percibimos mediante unas células receptoras de la retina llamadas conos.
  • Hay tres tipos de conos:
    • L (longitud de onda larga)
    • M (longitud de onda media)
    • S (longitud de onda corta)
  • Cada tipo de cono responde a un rango de longitudes de onda y, por tanto, a una gama de colores.

El color (II)

• Principio de tricromía: cualquier color puede representarse como una combinación de tres colores primarios.
• Colores primarios
  • No se pueden descomponer en otros colores.
  • azul, verde y rojo.
• Espacios de color: RGB, HSV, YUV, etc.
• El más utilizado en visión artificial es RGB (Red, Green, Blue).

Características de las imágenes

Definición

• Una imagen contiene mucha información que no es relevante.
• En visión artificial se suelen utilizar características de las imágenes.
• Las características son las partes de la imagen relevantes para la tarea que se quiere realizar.
• Nos centraremos en cuatro características que suelen ser relevantes.
  • Bordes, textura, flujo óptico y segmentación.

Bordes

• Líneas que separan regiones de distinta intensidad.
• Permiten identificar objetos.
• Simplifican la imagen y permiten reducir la cantidad de información.
• Pasamos de una imagen compleja a una matriz de bordes

Detección de bordes

• Tarea de visión artificial que consiste en detectar los bordes de una imagen.
• Hay muchos algoritmos para detectar bordes, pero uno de los más utilizados es el algoritmo de Canny, publicado por John F. Canny en 1986.
• Objetivos:
  • Buena detección: detectar todos los bordes.
  • Buena localización: los bordes detectados deben estar lo más cerca posible de los bordes reales.
  • Minimizar las detecciones falsas

Algoritmo de Canny

• Consta de cuatro pasos principales:
  1. Se reduce el ruido con un filtro gaussiano.
  2. Se calcula el gradiente de la imagen con el filtro de Sobel.
  3. Se detectan los bordes mediante la supresión de no máximos.
  4. Se decide qué bordes son válidos mediante histéresis.

Textura

• En visión artificial, una textura es un patrón de píxeles que puede observarse en una imagen.
  • Ejemplos: ventanas de un edificio, manchas de una vaca, etc.
• Al igual que los bordes, ayudan a identificar objetos.

Características de la textura

• La textura puede ser más o menos regular. Para describirla se suele utilizar un modelo de teselas. Veamos algunas características:

  • Tesela: patrón que se repite en una imagen.
  • Teselación: proceso de cubrir una superficie con teselas.
  • Tipos:
    • Regulares: se repiten siempre de la misma manera.
    • Irregulares: no siguen un patrón claro de repetición.
  • Escala: la textura puede tener un tamaño mayor o menor.

Aplicaciones de la textura

• Identificación: permite distinguir objetos. Ejemplo: la textura de un caballo es distinta de la de una cebra.
• Correspondencia: permite encontrar zonas equivalentes en distintas imágenes. Es importante para la reconstrucción 3D.
• Segmentación: permite dividir la imagen en distintas regiones.
• Reconstrucción: permite reconstruir la imagen a partir de las teselas.
• Clasificación: permite clasificar objetos.

Flujo óptico

• El flujo óptico es la velocidad aparente a la que se mueven los objetos entre dos imágenes.
• Los algoritmos de visión artificial pueden calcular el flujo óptico a partir de varias imágenes.
• Es importante en tareas como la reconstrucción 3D, la compensación del movimiento y la compresión.

Segmentos

• Llamamos segmentos a las regiones de una imagen que comparten alguna propiedad (color, textura, forma, etc.).
• Para definir los segmentos hay dos enfoques principales:
  • Basado en límites: se buscan los límites de las regiones. Puede plantearse como un problema de clasificación en el que se decide si cada píxel pertenece a un segmento, utilizando técnicas de aprendizaje automático y modelos preentrenados.
  • Basado en regiones: se agrupan los píxeles según alguna propiedad común. Puede plantearse como un problema de clustering y utilizar técnicas como k-means.

Tareas de visión artificial

Tareas

• Las tareas de visión artificial son aquellas que pueden realizarse a partir de imágenes.
• Hay muchas tareas de visión artificial, pero todas se basan en el análisis de imágenes.
• Veremos algunas de las más importantes:
  • Procesamiento de imágenes
  • Clasificación de imágenes
  • Reconocimiento de objetos
  • Segmentación

Procesamiento de imágenes

• El procesamiento de imágenes reúne las técnicas que se aplican para mejorar su calidad o extraer información.
• Históricamente, el procesamiento de imágenes era la única forma de obtener resultados en visión artificial. Con la aparición de las redes neuronales, esta tarea perdió protagonismo.
• Aun así, sigue siendo importante en tareas tradicionales de visión artificial o cuando no hay GPU disponibles.
• Veremos algunas de las técnicas más comunes.

Histogramas

• El histograma de una imagen representa gráficamente la distribución de los píxeles según su intensidad.
• Los histogramas son útiles para comprender la distribución de los píxeles de una imagen.
• Se utilizan mucho para normalizar imágenes durante el preprocesamiento.
• Se pueden calcular histogramas para cada canal de color (R, G, B) o para la imagen en escala de grises.
• Se utilizan mucho para la normalización de imágenes.

Ecualización del histograma

• La ecualización del histograma es una técnica para mejorar el contraste de una imagen.
• Su objetivo es que la distribución de los píxeles sea más uniforme.
• Se divide el histograma en bins y se redistribuyen los píxeles para uniformar la distribución.
• El resultado puede no parecer realista, pero puede ser útil para tareas de visión artificial.

Filtrado

• El filtrado es una técnica para mejorar la calidad de una imagen.
• Hay muchos tipos de filtros, pero los más comunes son los de suavizado y realce.
• Los filtros de suavizado ayudan a reducir el ruido de la imagen.
• Los filtros de realce ayudan a mejorar el contraste de la imagen.
• Los filtros pueden aplicarse a toda la imagen o a una región concreta.

Filtros de suavizado

• El ruido es un problema habitual en las imágenes.
• Podemos reducir el ruido aplicando filtros de suavizado. Los más comunes son el filtro de media y el filtro gaussiano.
• Filtro de media: sustituye cada píxel por la media de los píxeles que lo rodean.
• Filtro gaussiano: sustituye cada píxel por la media ponderada de los píxeles que lo rodean.
  • Los píxeles más cercanos al píxel central tienen mayor peso.

Filtros de realce

• Los filtros de realce ayudan a mejorar el contraste de la imagen y se utilizan mucho para detectar bordes.
• Los filtros más comunes son:
  • Filtro de Sobel:
    • Calcula el gradiente de la imagen, es decir, la intensidad de sus cambios.
  • Filtro de Laplace:
    • Calcula el laplaciano de la imagen, es decir, su segunda derivada.

Umbralización (thresholding)

• La umbralización (thresholding) es una técnica para binarizar una imagen.
• Se aplica un umbral a la imagen: los píxeles con una intensidad superior se vuelven blancos y los que quedan por debajo, negros.
• Es una forma sencilla de segmentación: se separa la imagen en objeto y fondo.
• Para binarizar, suele ser mejor opción que ajustar el brillo y el contraste.

Transformaciones

• Las transformaciones permiten cambiar la forma de una imagen.
• Las transformaciones más comunes son la rotación, el escalado, el desplazamiento y los cambios de perspectiva.
• Se dividen en lineales y no lineales, según cómo modifican la forma de la imagen.

Extracción del flujo óptico (optical flow)

La extracción del flujo óptico puede realizarse con distintas técnicas, que se dividen en dos grandes grupos:

• Discretos: calculan el flujo óptico en puntos concretos de la imagen. Son rápidos, pero poco precisos.
  • Uno de los algoritmos más conocidos es Horn-Schunck.
• Densos: calculan el flujo óptico para cada píxel. Tienen un mayor coste computacional porque procesan más puntos.
  • Entre los algoritmos más conocidos están Lucas-Kanade y Farnebäck.

Extracción del flujo óptico (optical flow)

Bibliotecas

• Hay muchas bibliotecas que permiten preprocesar imágenes.
• Algunas de las más comunes son:
  • OpenCV: biblioteca de visión artificial y aprendizaje automático.
    • Es la biblioteca más utilizada para visión artificial.
  • Pillow: biblioteca de procesamiento de imágenes.
  • Scikit-image: biblioteca de procesamiento de imágenes.
  • Mahotas: biblioteca de procesamiento de imágenes.
  • SimpleCV: biblioteca de visión artificial.

Clasificación de imágenes y reconocimiento de objetos

• Estas tareas consisten en identificar los objetos que aparecen en una imagen.
• La clasificación de imágenes consiste en identificar el objeto que aparece en la imagen.
• El reconocimiento de objetos consiste en identificar los objetos de la imagen y localizarlos.
• Ambas tareas son fundamentales en visión artificial y sirven de base para muchas aplicaciones.

Clasificación de imágenes

• La mayoría de los sistemas actuales de clasificación de imágenes se basan en la apariencia del objeto (textura, color, forma, etc.), aunque algunos también utilizan su geometría.
• Hay dos dificultades principales:
  • Variabilidad del objeto: un mismo tipo de objeto puede tener apariencias muy distintas (por ejemplo, dos perros).
  • Variabilidad de la imagen: un objeto puede verse de formas diferentes según la luz, las sombras, etc.
• Las redes neuronales convolucionales son las más utilizadas para esta tarea.

Redes neuronales convolucionales

• Las redes neuronales convolucionales (CNN) están diseñadas para procesar datos en forma de matrices, como las imágenes.
• Son muy eficaces en tareas de clasificación de imágenes.
• Como las demás redes neuronales, necesitan entrenarse con muchos datos numéricos.
• A continuación veremos cómo se procesan las imágenes en la red.

Convolución

• La convolución reduce la cantidad de información de la imagen y permite enviar a la red solo las características más relevantes. Este proceso mejora la precisión y la velocidad de la red.
• La convolución se realiza con filtros que se aplican a la imagen (matrices pequeñas de 3 × 3, 5 × 5, etc.).
• El resultado es una imagen más pequeña que la original, llamada mapa de características.
• Si no queremos reducir el tamaño de la imagen, podemos utilizar padding.

Convolución

Funciones de activación

• Después de la convolución se aplica una función de activación.
• Las funciones de activación introducen una no linealidad en la red.
• Una de las más utilizadas en redes convolucionales es ReLU: convierte los valores negativos en cero y mantiene los positivos.
• La función de activación es importante para que la red conserve su capacidad de generalización.
• Después de la función de activación se puede aplicar pooling.

Pooling

• El pooling es una técnica para reducir aún más el tamaño de la imagen.
• Hay distintos tipos de pooling, pero el más común es max pooling.
• Se suele utilizar una ventana pequeña (2 × 2, 3 × 3, etc.) y se conserva su valor máximo.
• El resultado es un mapa de características reducido que se pasa a la siguiente capa.
• El pooling ayuda a que la red sea invariante ante pequeñas transformaciones.

Regularización

• Después de las capas de convolución y pooling se suelen añadir capas de regularización.
• Las capas de regularización ayudan a la red a generalizar.
• Una técnica habitual de regularización es dropout.
• Estas capas desactivan temporalmente un porcentaje de las neuronas durante cada iteración.
• Así se reduce el sobreajuste de la red.

Aplanamiento y capas totalmente conectadas

• Entre las capas de regularización y las capas totalmente conectadas se realiza un aplanamiento.
• El aplanamiento convierte el mapa de características en un vector.
• Este vector se envía a las capas totalmente conectadas.
• Las capas totalmente conectadas se utilizan para clasificar la imagen.
• Estas capas reducen la dimensionalidad del vector de características.

Estructura de una red neuronal convolucional

Funcionamiento de una CNN (I)

• En una imagen, los píxeles individuales no suelen tener significado por sí solos.
  • Sabemos que un 8 tendrá píxeles negros en el centro, pero no exactamente en qué posiciones.
• Los patrones locales sí pueden ser importantes.
  • Por ejemplo, el 0 y el 8 tienen curvas, mientras que el 1 y el 7 tienen líneas, entre otros rasgos.
• Las relaciones entre patrones también aportan información.
  • Por ejemplo, el 1 tiene líneas y el 6 combina una línea con una curva.
• Estrategia general: extraer patrones locales y después combinarlos para obtener patrones más globales

Funcionamiento de una CNN (II)

• Las redes neuronales convolucionales (CNN) permiten realizar este proceso.
  • Una capa está formada por una convolución y una función ReLU.
  • La convolución mide la similitud entre un filtro y una ventana. Cada filtro detecta un patrón distinto.
  • ReLU convierte en cero los valores negativos y conserva los positivos, resaltando patrones.
  • Al añadir otra capa que combine la información de las anteriores, el efecto es similar a utilizar una ventana más grande.

Funcionamiento de una CNN (III)

• Si seguimos añadiendo capas, los campos receptivos serán mayores y más complejos.
• Así se pueden identificar patrones más globales.
• Por último, las capas totalmente conectadas combinan los patrones para clasificar la imagen.
• Esta es la idea básica de una CNN:
  • Extraer patrones locales.
  • Combinarlos para obtener patrones globales.
  • Clasificar la imagen.

Aumento de datos (data augmentation)

• El aumento de datos (data augmentation) es una técnica para mejorar la precisión de la red.
• Consiste en aumentar la cantidad de datos de entrenamiento.
• Se pueden utilizar distintas técnicas para ampliar los datos:
  • Rotación, traslación, escalado, reflejo, zoom, desplazamiento, distorsión, filtros, ruido, etc.
  • Estas técnicas mejoran la precisión de la red y ayudan a evitar el sobreajuste.
• A cambio, el entrenamiento será más lento.

Arquitecturas de redes neuronales convolucionales

• Existen muchas arquitecturas de redes neuronales convolucionales; algunas de las más conocidas son:
  • VGG-16: red de 16 capas. Alcanzó un 92,7 % de exactitud en el conjunto de datos ImageNet en 2014.
  • ResNet: red de 152 capas basada en el aprendizaje residual. Alcanzó un 96,4 % en ImageNet en 2015.
  • Inception: red de 22 capas basada en la factorización de convoluciones. Alcanzó un 97,3 % en ImageNet en 2015.

Reconocimiento de objetos

• El reconocimiento de objetos es una tarea más compleja que la clasificación de imágenes.
• Mientras que la clasificación de imágenes identifica el objeto principal, el reconocimiento de objetos identifica y localiza todos los objetos de la imagen (dibujando un rectángulo o bounding box alrededor de cada uno).
• Las clases de objetos que se deben identificar están predefinidas. Así, el sistema puede detectar, por ejemplo, perros, coches o personas.

Procedimiento básico

• El procedimiento básico para reconocer objetos es el siguiente:
  1. Definir una ventana que se desplace por toda la imagen.
  2. Desplazar la ventana por la imagen y procesar cada región con una CNN.
  3. Conservar las puntuaciones más altas e ignorar las demás.
  4. Resolver los conflictos y reducir el número de bounding boxes.

Problemas del procedimiento básico

• Tamaño de la ventana: si es demasiado grande, puede pasar por alto objetos pequeños; si es demasiado pequeña, no detectará bien los grandes.
• Selección de ventanas: analizar toda la imagen es lento; analizar pocas posiciones puede hacer que se pierdan objetos.
• Resolución de conflictos: si dos ventanas detectan el mismo objeto, ¿cuál es correcta?
• Determinación del bounding box: ¿cómo se eligen su tamaño y su posición?

Selección de ventanas

• En una imagen de tamaño N × N hay N⁴ ventanas posibles.
• Las ventanas que contienen objetos suelen presentar cierta coherencia de textura y color.
• En las ventanas que cortan objetos, algunas regiones o bordes atraviesan la ventana.
• Necesitamos un mecanismo eficiente para estimar la probabilidad de que una ventana contenga un objeto.
• Una opción es utilizar una RPN (Region Proposal Network o red de propuestas de región).

Resolución de conflictos

• Si dos ventanas detectan el mismo objeto, ¿cómo decidimos cuál es correcta?
• Una opción es utilizar un algoritmo de supresión de no máximos (non-maximum suppression).
• Este algoritmo elimina ventanas con puntuación baja, ordena las restantes y descarta las que se solapan demasiado con otra de mayor puntuación.
• Es un algoritmo eficiente que reduce el número de ventanas.

Determinación del bounding box

• ¿Cómo decidimos el tamaño y la posición del bounding box?
• La ventana que detecta el objeto no suele coincidir exactamente con el tamaño y la posición del objeto.
• Para determinar el tamaño y la posición del bounding box se utiliza un algoritmo de regresión.
• Este algoritmo estima el tamaño y la posición del bounding box a partir de la ventana y de las características extraídas por la CNN.

Modelos preentrenados

• Entrenar una CNN requiere muchos recursos.
  • A menudo se utilizan modelos preentrenados.
  • Son CNN entrenadas con muchos datos y que han obtenido buenos resultados.
• Ejemplos:
  • YOLO: red neuronal convolucional para detectar objetos en tiempo real. Solo necesita una pasada por la imagen y es muy rápida.
  • DETR: se basa en la arquitectura Transformer y puede detectar todos los objetos en una sola pasada.

Segmentación

• La segmentación consiste en dividir una imagen en distintas regiones significativas.
• Su objetivo principal es agrupar los píxeles en regiones que compartan alguna propiedad.
• Facilita la comprensión de la imagen y tareas como la clasificación, el reconocimiento de objetos, el seguimiento, el análisis de escenas y la reconstrucción 3D.

Tipos de segmentación (I)

• Algunos tipos de segmentación son:
  • Segmentación binaria o por umbral: divide la imagen en dos regiones, objeto y fondo (por ejemplo, thresholding).
  • Segmentación por bordes: divide la imagen en regiones separadas por bordes (por ejemplo, Canny).
  • Segmentación semántica: asigna una categoría predefinida a cada píxel (por ejemplo, Mask R-CNN).

Tipos de segmentación (II)

• Segmentación en superpíxeles: divide la imagen en regiones compactas y coherentes (por ejemplo, SLIC).
• Segmentación de instancias: distingue cada instancia de los objetos (por ejemplo, Mask R-CNN).
• Segmentación panóptica: combina las categorías semánticas con la segmentación de cada instancia de objeto.

Aplicaciones

Aplicaciones

• Hasta ahora hemos visto los conceptos básicos de la visión artificial y algunas de sus aplicaciones prácticas.
• Sus aplicaciones han crecido en los últimos años gracias a la disponibilidad de bibliotecas y modelos preentrenados.
• Esta facilidad de uso ha convertido la visión artificial en un área muy activa, aplicada a ámbitos como la medicina, la industria y la seguridad.
• A continuación veremos algunas de sus aplicaciones más importantes.

Percepción de personas

• Las personas son uno de los elementos más importantes de las imágenes.
• Comprender qué hacen las personas permite crear interfaces persona-máquina más naturales, observando sus acciones y respondiendo a ellas.
• Es una tarea muy compleja que combina distintas técnicas de visión artificial.
• Se ha avanzado mucho en los últimos años, pero aún quedan retos por resolver.
• A continuación veremos qué aplicaciones permite.

Usos

• Seguridad: crear sistemas de vigilancia más eficaces y menos intrusivos.
• Urbanismo: analizar los desplazamientos de las personas para diseñar mejor las ciudades.
• Deporte: analizar vídeos de partidos para mejorar los entrenamientos y obtener estadísticas.
• Ahorro energético: activar o desactivar la climatización y la iluminación según la presencia de personas.

También se aplica en videojuegos, industria, medicina y muchos otros ámbitos.

Detección de la postura

• Algunas tareas, como la detección de la postura (localizar las articulaciones), están muy avanzadas.
• Es relativamente sencilla porque las articulaciones tienen formas y posiciones conocidas, y los efectos de la perspectiva son previsibles.
• En cambio, es mucho más difícil inferir qué está haciendo una persona.

Descripción de acciones

• La descripción de acciones es una tarea mucho más compleja.
• Consiste en entender qué hace una persona en una imagen.
• A menudo es necesario entender el contexto para saber qué está haciendo una persona.
• Esta dependencia del contexto dificulta garantizar el funcionamiento correcto de los sistemas.
  • Ejemplo: en una piscina es fácil inferir que alguien está nadando. ¿El sistema ha reconocido la acción o simplemente ha detectado la piscina?

Generación de imágenes

• Las redes neuronales pueden generar imágenes a partir de texto u otras imágenes.
• Una aplicación está relacionada con el aprendizaje autosupervisado (self-supervised learning).
  • Cuando hay pocos datos etiquetados, se pueden generar datos adicionales.
  • Estos datos pueden mejorar el rendimiento de las redes.
  • A continuación veremos cómo hacerlo.

Autoencoder

• Un autoencoder es una arquitectura neuronal que reconstruye la imagen de entrada, a veces con modificaciones.
• Un autoencoder tiene tres partes:
  • Codificador (encoder): convierte la imagen de entrada en un vector de características.
  • Cuello de botella (bottleneck): vector de características que constituye la parte central del autoencoder.
  • Decodificador (decoder): transforma el vector de características en una imagen.

Aplicaciones de los autoencoders

• Reducción de dimensionalidad: el autoencoder puede reducir la dimensionalidad de la imagen.
• Eliminación de ruido (denoising): el vector de características conserva la información importante de la imagen y elimina parte del ruido.
• Superresolución: convierte una imagen de baja resolución en otra de mayor resolución.
• Generación de imágenes: el decodificador puede generar imágenes a partir de vectores de características aleatorios.

Autoencoders variacionales

• Los autoencoders variacionales son una variante de los autoencoders que permite generar imágenes.
• El enfoque es parecido, pero en lugar de generar un vector de características, producen una distribución de probabilidad que se utiliza para generar imágenes.
• Así se generan imágenes similares a las de entrada, pero no idénticas.

GAN (redes generativas adversarias)

• Las GAN son redes neuronales utilizadas para generar imágenes.
• Las GAN están formadas por dos redes:
  • Generador: crea imágenes a partir de vectores de características aleatorios.
  • Discriminador: intenta distinguir las imágenes reales de las generadas.
  • Ambas redes se entrenan de forma adversaria: el generador intenta engañar al discriminador y este intenta no dejarse engañar.

GAN (redes generativas adversarias)

Control del movimiento

• Entre las aplicaciones más importantes de la visión están la manipulación de objetos y la navegación evitando obstáculos. Los vehículos autónomos son un ejemplo claro y requieren varias tareas:
  • Control lateral: mantenerse dentro del carril.
  • Control longitudinal: mantener la distancia de seguridad.
  • Evitar obstáculos: detectar y evitar otros vehículos, peatones, etc.
  • Respetar las señales: incluidos los semáforos y las indicaciones de los agentes.

Procedimiento

• El procedimiento básico genera una secuencia de órdenes (acelerar, frenar, girar, etc.) que permite al vehículo realizar esas tareas.
• Se necesita un modelo del mundo y de los objetos cercanos. En teoría puede construirse solo con visión, pero no es sencillo; por ejemplo, es difícil estimar la velocidad de un vehículo a partir de una imagen.
• En la práctica se combinan datos visuales y de otros sensores (radar, lidar, etc.).

Modelo del mundo

• El modelo del mundo representa el entorno y permite al vehículo anticipar lo que puede ocurrir.
• Ejemplo: en verde aparecen las zonas por las que puede circular el vehículo y los objetos están delimitados con recuadros rojos.

Navegación autónoma

• La navegación autónoma consiste en desplazarse por un entorno sin intervención humana.
• Suele dividirse en dos tareas:
  • Mapeo: crear un mapa del entorno. Entre las técnicas habituales están SLAM (Simultaneous Localization and Mapping).
  • Planificación de trayectorias: cuando el robot tiene un mapa 3D y conoce su posición, debe planificar una trayectoria hasta su destino evitando colisiones.

Mapeo y planificación de trayectorias

Seguimiento de objetos

• El seguimiento de objetos consiste en seguir una serie de objetos a través de una secuencia de imágenes.
• La complejidad del seguimiento depende de la cantidad de imágenes de un vídeo.
  • 24 fps × 60 s × 60 min = 86 400 imágenes por hora.
  • Si se siguen entre 8 y 10 objetos, son más de 800 000 detecciones.
• Esta tarea es importante en aplicaciones como la vigilancia y los robots autónomos.

Tipos de seguimiento

• Veremos los siguientes tipos de seguimiento:
  • Seguimiento de un solo objeto (single object tracking, SOT).
  • Seguimiento de múltiples objetos (multiple object tracking, MOT).
  • Seguimiento semisupervisado de múltiples objetos sin clase, una extensión de SOT.
  • Segmentación de objetos en vídeo (VOS).
• Los dos primeros son los más habituales y los veremos con más detalle.

Seguimiento de un solo objeto

• El seguimiento de un solo objeto consiste en seguir un objeto en una secuencia de imágenes a partir de una anotación manual inicial.
• El primer fotograma anotado se denomina template y cada región de búsqueda posterior, search area.
• Las redes neuronales para estas tareas se entrenan para seguir cualquier objeto del primer fotograma.
  • Se denominan redes neuronales agnósticas a la clase (Class-Agnostic Neural Networks, CAN).

Seguimiento de múltiples objetos: definición

• El seguimiento de múltiples objetos NO consiste simplemente en repetir SOT para cada objeto.
• Consiste en identificar y seguir todos los objetos de un conjunto de clases predefinidas.
  • El usuario no puede corregir el modelo ni proporcionarle comentarios.
• Un uso habitual consiste en aplicar el modelo a un vídeo y extraer estadísticas.
  • Ejemplo: cuántas personas pasan por una calle en una hora.
• Se utiliza menos para etiquetar.

Seguimiento de múltiples objetos: funcionamiento

• Consta de dos pasos: detección (localizar los objetos de una imagen) y asociación (vincularlos con los de la imagen anterior mediante tracklets).
• Algunas redes neuronales realizan ambas tareas a la vez. Sin embargo, requieren vídeos etiquetados para entrenarse, que son costosos de producir.
• Es más habitual utilizar una red para detectar y otra para identificar y reidentificar: seguimiento por detección (tracking by detection). Su rendimiento puede ser menor.

Tracking by detection

Identificación y reidentificación

• La identificación asigna un identificador único a cada objeto detectado.
• La reidentificación asigna el mismo identificador al objeto en distintas imágenes.
  • Es la tarea más difícil porque la apariencia puede cambiar mucho; por ejemplo, si una persona se tapa la cara.
• Algunos algoritmos habituales son:
  • ByteTrack: algoritmo sencillo y rápido.
  • FairMOT: algoritmo más complejo, pero más preciso.

Reconocimiento facial

• El reconocimiento facial consiste en identificar a una persona a partir de una imagen o un vídeo.
• Se utiliza en aplicaciones de seguridad, control de acceso, vigilancia, entre otras.
• Aunque métodos como las huellas dactilares o el iris pueden ser más seguros, el reconocimiento facial resulta más cómodo y menos intrusivo.
• Por ello, se ha seguido investigando en esta área y se ha alcanzado un alto rendimiento.

Funcionamiento

• El reconocimiento facial funciona de forma parecida a la clasificación de imágenes.
• La diferencia principal es que, en lugar de clasificar un objeto, se clasifica a la persona.
• Esto hace que sea más complejo que la clasificación de imágenes: la apariencia de una persona cambia con la iluminación, la posición, la expresión, etc.
• Además, las personas pueden cambiar con el tiempo, por lo que hay que buscar características invariantes.

Enfoques para el reconocimiento facial

• Basados en la geometría: analizan la disposición de las características faciales.
• Enfoque holístico: analiza la imagen completa y las relaciones entre sus características.
• Basados en modelos: crean un vector de características a partir de la imagen y lo comparan con vectores predefinidos.
• Basados en redes neuronales: utilizan redes convolucionales para clasificar la imagen; hasta hace poco, requerían demasiados datos para resultar prácticos.

Modelos avanzados de visión artificial

Transformers y modelos de difusión

Transformers en visión artificial

• Los Transformers, diseñados originalmente para el procesamiento del lenguaje natural (PLN), también se han adaptado a la visión artificial.
• ViT (Vision Transformer): uno de los modelos más conocidos que aplica la arquitectura Transformer a las imágenes.
  • Divide la imagen en parches (patches) y los procesa como una secuencia.
  • Utiliza atención multicabeza (multi-head attention) para captar relaciones globales entre los parches.
• Aplicaciones:
  • Clasificación de imágenes.
  • Detección de objetos.
  • Segmentación semántica.

Visión con Transformers (ViT)

• Cómo funciona:
  1. Divide la imagen en parches pequeños (por ejemplo, de 16 × 16 píxeles).
  2. Aplana cada parche y lo proyecta en un espacio latente mediante una capa lineal.
  3. Añade embeddings posicionales para conservar la información espacial.
  4. Procesa la secuencia de parches con un codificador Transformer.
• Ventajas:
  • Capta dependencias a largo plazo entre las regiones de la imagen.
  • Escala mejor con grandes cantidades de datos.

Visión con Transformers (ViT)

Modelos de difusión

• Los modelos de difusión son una familia de modelos generativos con gran potencial para crear imágenes de alta calidad.
• Funcionamiento:
  • Se basan en un proceso de difusión que añade ruido a los datos (imágenes) en varios pasos.
  • Después, el modelo aprende a invertir el proceso para generar imágenes a partir del ruido.
• Ejemplos conocidos:
  • DALL·E: genera imágenes a partir de descripciones de texto.
  • Stable Diffusion: modelo eficiente que genera imágenes de alta calidad con menos recursos de cálculo.

Proceso de difusión

1. Proceso directo (forward process):
   • Añade ruido gaussiano a la imagen en pasos sucesivos.
   • Tras muchos pasos, la imagen se convierte en ruido.
2. Proceso inverso (reverse process):
   • El modelo aprende a retirar el ruido paso a paso para reconstruir la imagen.
3. Generación:
   • Se parte de ruido y se aplica el proceso inverso para generar imágenes nuevas.

Proceso de difusión

Aplicaciones de los modelos de difusión

• Generación de imágenes:
  • Crear imágenes realistas a partir de descripciones de texto.
  • Ejemplo: «Un perro sentado en un campo bajo un cielo azul».
• Edición de imágenes:
  • Modificar imágenes existentes añadiendo o eliminando objetos.
• Superresolución:
  • Mejorar la resolución de imágenes de baja calidad.
• Arte generativo:
  • Crear obras únicas combinando estilos y conceptos.

Comparativa entre Transformers y modelos de difusión

Característica	Transformers	Modelos de difusión
Enfoque	Atención global y secuencial.	Proceso iterativo de ruido.
Aplicaciones principales	Clasificación y detección.	Generación y edición de imágenes.
Complejidad	Alta (requiere muchos recursos).	Moderada (más eficiente).
Escalabilidad	Excelente con grandes datos.	Buena, aunque menor que ViT.

Futuro de la visión artificial

• Integración de modelos:
  • Combinar Transformers y modelos de difusión para tareas más complejas.
• Eficiencia computacional:
  • Desarrollar modelos más ligeros para dispositivos móviles e IoT.
• Aplicaciones emergentes:
  • Realidad aumentada, medicina personalizada y vehículos autónomos.
• Ética y privacidad:
  • Garantizar que los modelos de visión artificial se desarrollen de forma responsable.

¡Gracias!