文章來源：計(jì)算機(jī)書童。

在計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域，無監(jiān)督圖像異常檢測(cè)（UOD）一直是極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。想象一下，當(dāng)你面對(duì)一個(gè)完全未標(biāo)記的數(shù)據(jù)集，既不知道正常樣本的分布規(guī)律，也不清楚異常樣本的比例（污染因子）時(shí)，如何準(zhǔn)確識(shí)別出那些"不合群"的異常圖像？傳統(tǒng)方法往往在不同污染因子場景下表現(xiàn)得忽好忽壞，而今天要介紹的FlexUOD框架，正是為解決這一痛點(diǎn)而來。

論文信息 題目：FlexUOD: The Answer to Real-world Unsupervised Image Outlier Detection FlexUOD：解決現(xiàn)實(shí)世界中無監(jiān)督圖像異常檢測(cè)的方法 作者：Zhonghang Liu、Kun Zhou、Changshuo Wang、Wen-Yan Lin、Jiangbo Lu 為何現(xiàn)有方法總是"水土不服"？

現(xiàn)實(shí)世界中的數(shù)據(jù)集往往復(fù)雜多變，異常樣本的比例（污染因子γ）可能從1%到50%不等。當(dāng)γ較低時(shí)（大部分是正常樣本），基于正常樣本流形學(xué)習(xí)的方法效果顯著；可當(dāng)γ較高時(shí)（異常樣本占比大），這些方法就會(huì)"集體失靈"，因?yàn)閷W(xué)習(xí)到的正常模式已經(jīng)被大量異常樣本帶偏。

不同污染因子下方法性能差異

上圖清晰展示了現(xiàn)有方法的局限性：沒有一種方法能在所有污染因子場景下保持穩(wěn)定性能。這就像用同一把鑰匙去開不同的鎖，顯然難以奏效。

FlexUOD框架：見招拆招的智慧

FlexUOD的核心思想非常直觀：針對(duì)不同污染因子，采用不同的檢測(cè)策略。就像醫(yī)生會(huì)根據(jù)病人的癥狀調(diào)整治療方案，這個(gè)框架能自動(dòng)感知數(shù)據(jù)中的異常比例，靈活切換最優(yōu)檢測(cè)模式。

總體架構(gòu)：三部分協(xié)同工作
FlexUOD框架總體結(jié)構(gòu)

整個(gè)框架由三個(gè)關(guān)鍵組件構(gòu)成：

1. 低污染因子檢測(cè)器（f_low） ：擅長處理異常樣本少的場景

2. 高污染因子檢測(cè)器（f_high） ：專門應(yīng)對(duì)異常樣本多的情況

3. 污染因子估計(jì)器 ：判斷當(dāng)前場景屬于哪種類型，選擇合適的檢測(cè)器

當(dāng)數(shù)據(jù)中異常樣本很少時(shí)，正常樣本的分布規(guī)律相對(duì)容易捕捉。研究者發(fā)現(xiàn)，在高維空間中，正常樣本往往集中在一個(gè)超球體表面，這個(gè)特性成為檢測(cè)異常的關(guān)鍵。

高維空間超球體特性示意圖

為了更精準(zhǔn)地區(qū)分正常與異常樣本，f_low創(chuàng)新性地結(jié)合了兩種距離度量：

• 歐氏距離：測(cè)量樣本到均值的直線距離

• Bray-Curtis距離：一種非對(duì)稱度量，能有效避免對(duì)稱分布帶來的誤判

這種組合既利用了高維空間的幾何特性，又克服了傳統(tǒng)對(duì)稱度量的局限性，讓少量異常樣本無所遁形。

高污染因子場景的對(duì)策：f_high

當(dāng)異常樣本占比很高時(shí)，直接學(xué)習(xí)正常模式變得困難。這時(shí)f_high反其道而行之，先利用f_low找出潛在的異常樣本，再基于這些異常樣本的分布規(guī)律進(jìn)行檢測(cè)。

高污染因子檢測(cè)邏輯

這種方法借鑒了"殼理論"（Shell theory），通過對(duì)異常樣本進(jìn)行歸一化處理，增強(qiáng)了特征表示的判別能力。就像在人群中先找出明顯的陌生人，再根據(jù)這些陌生人的特征去識(shí)別隱藏的同伴，大大提高了檢測(cè)效率。

智能切換的核心：污染因子估計(jì)

FlexUOD最巧妙的設(shè)計(jì)，是通過比較f_low和f_high的檢測(cè)結(jié)果來估計(jì)污染因子。研究者發(fā)現(xiàn)，兩種檢測(cè)器的排序一致性（用斯皮爾曼等級(jí)相關(guān)系數(shù)衡量）與污染因子呈近似線性關(guān)系。

排序一致性與污染因子關(guān)系

當(dāng)污染因子低時(shí)，兩種方法的一致性低；當(dāng)污染因子高時(shí)，一致性高?；谶@個(gè)特性，框架能自動(dòng)判斷：

• 一致性<0.1：用f_low

• 一致性>0.3：用f_high

• 中間值：融合兩種方法的結(jié)果

在多個(gè)基準(zhǔn)數(shù)據(jù)集上的實(shí)驗(yàn)證明，F(xiàn)lexUOD不僅性能優(yōu)異，而且穩(wěn)定性極強(qiáng)。

跨數(shù)據(jù)集的優(yōu)異表現(xiàn)

在經(jīng)典數(shù)據(jù)集如CIFAR-10、CIFAR-100上，F(xiàn)lexUOD相比現(xiàn)有方法分別提升了6%和3%的AUC分?jǐn)?shù)。即使是在低分辨率、類別復(fù)雜的數(shù)據(jù)集上，也保持著領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。

主要數(shù)據(jù)集實(shí)驗(yàn)結(jié)果 實(shí)際應(yīng)用場景的驗(yàn)證

在工業(yè)缺陷檢測(cè)（MVTec-AD）、醫(yī)學(xué)影像分析等實(shí)際場景中，F(xiàn)lexUOD同樣表現(xiàn)出色。例如在"皮革"類別上達(dá)到了1.0的完美AUC分?jǐn)?shù)，在"瓷磚"、"木材"等類別上也超過0.99。

工業(yè)缺陷檢測(cè)結(jié)果 與現(xiàn)有方法的對(duì)比

更令人驚喜的是，F(xiàn)lexUOD可以作為"增強(qiáng)插件"，顯著提升現(xiàn)有方法的穩(wěn)定性。下圖顯示，將FlexUOD與OCSVM、LVAD等方法結(jié)合后，這些方法在不同污染因子下的性能波動(dòng)明顯減小。

與現(xiàn)有方法結(jié)合效果 為什么FlexUOD如此高效？

1. 
   

   無需訓(xùn)練 ：不需要額外的標(biāo)注數(shù)據(jù)，直接對(duì)輸入特征進(jìn)行處理

2. 輕量級(jí)架構(gòu) ：計(jì)算成本低，適合實(shí)際部署

3. 即插即用 ：可以與現(xiàn)有大多數(shù)UOD方法結(jié)合，提升其性能

4. 廣泛適用 ：不僅限于圖像數(shù)據(jù)，在表格數(shù)據(jù)等領(lǐng)域也表現(xiàn)優(yōu)異

FlexUOD的出現(xiàn)為解決現(xiàn)實(shí)世界中的異常檢測(cè)問題提供了新思路。無論是工業(yè)生產(chǎn)線的缺陷檢測(cè)、醫(yī)學(xué)影像中的病灶識(shí)別，還是海量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)清理，這個(gè)框架都能發(fā)揮重要作用。

異常檢測(cè)定性結(jié)果示例

上圖展示了FlexUOD在飛機(jī)圖像數(shù)據(jù)清理中的效果，能夠有效識(shí)別出包含乘客、駕駛艙等"分布內(nèi)異常"的樣本，這對(duì)于構(gòu)建高質(zhì)量數(shù)據(jù)集具有重要意義。

總結(jié)

FlexUOD通過創(chuàng)新性地引入污染因子估計(jì)視角，打破了"一種方法適用于所有場景"的傳統(tǒng)范式。它像一位經(jīng)驗(yàn)豐富的決策者，能根據(jù)實(shí)際情況靈活選擇最優(yōu)策略，在各種復(fù)雜場景下都保持穩(wěn)定高效的表現(xiàn)。