(Unsupervised Anomaly Detection)无监督异常检测领域最新研究进展 - Part 3 基于嵌入的方法_multiresolution knowledge distillation for anomaly

前言

异常检测领域中，基于嵌入的方法指的是：将图像送入模型，提取特征，并在特征空间中构造分界面/评分规则。与重构方法的主要不同在于，其不在RGB图像空间而是在高维的特征空间中进行异常检测；与自监督的方法不同，其不过于依赖额外的负样本的构造 / 代理任务的设计，主要考虑的特征空间中的差异。

1. 基于预训练模型

1.1 SPADE (CVPR2021)

SPADE本身不是CVPR的工作，很早就挂在arxiv，但之后一直没有正式发表，最后与其他的创新点结合后在CVPR上发表:
论文：PANDA: Adapting Pretrained Features for Anomaly Detection and Segmentation (以色列,耶路撒冷希伯来大学)
但这篇文章其实跟SPADE方法本身关系不大了，要了解SPADE方法本身的话，最好参考下面这篇文章：
论文：Sub-Image Anomaly Detection with Deep Pyramid Correspondences
原文地址：https://arxiv.org/abs/2005.02357
代码地址：https://github.com/byungjae89/SPADE-pytorch?utm_source=catalyzex.com

SPADE指的是Semantic Pyramid Anomaly Detection，方法本身非常简单，但对于异常定位的效果却异常的好。

SPADE首先在ImageNet预训练的网络对所有正常样本(训练集)都进行特征提取，并存储所有特征(特征池)。在测试时，用同样的网络提取到特征后，在特征池中检索到K个最近的模板特征，利用下式得到异常得分：

对于异常定位任务，需要更精细的像素级特征，因此使用相同的网络(Wide ResNet50x2)得到多层级特征(前3个stage的特征图)，将对应位置的特征进行concatenate（编码局部特征和全局特征）作为像素级特征。同样，提取所有正常样本的像素级特征构造特征池。在测试时，对测试样本的每个像素级特征进行KNN索引，计算每个像素点的异常得分，上采样到原图尺寸得到最终的anomaly map：

MVTec 性能： Image-Level AUC：85.5, Pixel-Level AUC：96.5，PRO-score：91.7

优缺点：

• Pros：方法简单，效果好。只使用固定的预训练网络提取特征，无需训练。
• Cons：测试时，时间复杂度与数据量称线性关系，训练采用的正常图像越多，存储的特征也就越多，测试时的KNN复杂度越高。

1.2 PaDiM（ICPR2020）

论文：PaDiM: a Patch Distribution Modeling Framework for Anomaly Detection and Localization
论文地址：https://arxiv.org/pdf/2011.08785.pdf
代码地址：https://github.com/xiahaifeng1995/PaDiM-Anomaly-Detection-Localization-master

基于SPADE之上，PaDiM主要的改进就是不再构造特征池，执行KNN进行异常检测。而是提取每个位置上的多层级特征（和SPADE一样，concat三个stage的特征），为每个位置上估计一个分布（多元高斯分布）。

"每个位置"指的是(i,j)∈[H,W]，HxW是网络提取的最大特征图的尺寸

具体来说，训练有N张正常图像，那么每个位置上可以收集到N个特征，根据这N个特征估计一个协方差矩阵，构造多元高斯分布。测试时，用同样的网络提取得到一个HxW的特征图，计算每个位置上的特征与对应分布之间的马氏距离，作为该位置的异常得分，从而可以得到Anomaly map。对于图像级的异常得分，选取anomaly map中的最大值。

特征维度越高，估计分布所需的时间就会越长，因此作者也探讨了PCA和random reduce两种降维策略，维持性能的同时，降低了训练时间。

MVTec 性能： Image-Level AUC：95.3, Pixel-Level AUC：97.5，PRO-score：92.1

优缺点

• Pros：引入了训练步骤(估计分布)，图像级的异常检测性能得到提升，并且大大减少了测试的复杂度。类似模板匹配的思想：为每个位置构造一个正常模板(分布)。
• Cons：PaDiM为HxW个位置单独估计分布，而每个位置上的像素并不是严格对齐的，比如screw这一类，每张训练图像的朝向都不一样。

1.3 PatchCore（2021）

论文：Towards Total Recall in Industrial Anomaly Detection (图宾根大学，亚马逊)
论文地址：https://arxiv.org/pdf/2106.08265v1.pdf
代码地址：https://github.com/hcw-00/PatchCore_anomaly_detection

PatchCore主要解决了SPADE测试速度太慢的问题，并且在特征提取部分做了一些探索。

如上图所示，训练阶段只使用stage2、stage3的特征图(SPADE使用了stage1,2,3)，但同样使用了多层级特征融合机制。如下图的消融实验所示，使用2+3的操作在检测和定位任务上表现最好。

此外，引入了local neighborhood aggregation操作，其实就是average pooling，实现采用一个窗口大小为3，步长为1，padding为1的AvgPool2d实现，不损失空间分辨率的同时增大感受野。如下图的消融实验所示，引入local neighborhood aggregation操作后，两个任务上都提升了不少性能。（可以提取更深层的特征图来增大感受野，比如引入stage3/4/5的感受野，但这也会损失空间分辨率并且引入更多的ImageNet class bias）。

实验说明，感受野对于异常检测任务来说是非常重要的，但ImagNet预训练的网络在深层会提取到一些高级语义特征，具有ImageNet class bias，不益于异常检测

PatchCore在测试仍然采用KNN来衡量异常得分，为了提升检测效率，作者采用greedy coreset subsampling来选取最具代表性的特征点，缩减特征池的大小。算法流程大致如下，并证明只保留1%也能获得很好的检测性能，但大大缩减了测试时间。

还有一点改进是在计算Image-Level的异常得分时，采用了re-weighting策略，这比直接取max要更鲁棒。详见原文。

MVTec 性能： Image-Level AUC：99.0, Pixel-Level AUC：98.1，PRO-score：93.5 【PatchCore-10%】

优缺点：

• Pros：简单高效，进行了一些结构上的探索，采用coreset selection优化测试速度
• Cons：思想不够新颖，总体来说是一个较工程化的工作

1.4 Focus Your Distribution（2021）

论文：Focus Your Distribution: Coarse-to-Fine Non-Contrastive Learning for Anomaly Detection and Localization (商汤, PAMI在投)
论文地址：https://arxiv.org/pdf/2110.04538.pdf

SPADE，PaDiM都是使用预训练模型提取特征，而这篇文章会根据异常定位的任务进行fine-tuning。针对PaDiM存在特征不对齐的问题，第一个改进点就是引入STN模块进行粗对齐，如上图所示：

① 图像级的粗对齐(ICA)，会额外引入一个L2 loss：

② 特征级的粗对齐(FCA)，在预训练网络中的每个stage引入一个STN模块，引导特征图对齐，但这里没有引入额外的损失(只受到Fine Alignment模块的监督)。

关于STN可以参考我的另一篇博客：神经网络中的空间转换模块STN

第二个改进点是执行细粒度对齐，作者借鉴了Simsame网络，采用一种非对比学习(无需负样本)的自监督学习范式来进行特征对齐。网络结构如上图所示，从batch中随机选取两个图片，分别送到两个不对称的分支中，提取特征(其中f是权重共享的)，为了防止模型崩塌，采取了stop gradient策略。使用下述loss进行像素级对齐：

算法流程如下所示：

这部分主要是为了缩小HxW个位置上每个分布的内部差异（认为同一位置上的像素级特征应该足够接近），为每个位置编码唯一的表征(encoding a unique vector representation for each position in the feature map, as well as narrowing its distribution for all normal images)。

经过上述训练之后，剩余操作就与PaDiM一致了：将正常图像送入网络提取特征，concat每个位置上不同层级的特征，为每个位置估计分布。测试时，计算每个像素特征与对应分布之间的马氏距离，构造anomaly map。

MVTec 性能： Image-Level AUC：97.7, Pixel-Level AUC：98.2，PRO-score：93.0

优缺点：

• Pros：考虑到了特征对齐的问题，在PaDiM的基础上进一步提升了性能；
• Cons：有些图像本身是无法对齐的，其次从可视化来看，检测效果其实并不是很好，主要得益于评价指标(pixel-level AUCROC，对于小区域的异常很宽容)
  

2. 知识蒸馏(knowledge Distillation)

2.1 Uninformed Students（CVPR20）

论文：Uninformed Students: Student–Teacher Anomaly Detection with Discriminative Latent Embeddings（MVTec Software GmbH - MVTec AD数据集作者团队）
论文地址：地址太长，直接点就行

这篇文章我之前额外写过一篇博客进行详细技术介绍，因此这里只介绍大体的思路框架，具体技术细节请参照Uninformed Students。

主要的思想如上图所示，利用一个Teacher网络指导多个Student网络进行学习，在测试时，通过比较T网络与S网络之间输出的差异来判断是否异常。【注意：本文的T和S采用相同的网络结构】

训练：训练阶段主要分为Teacher的预训练和Student的学习，训练T网络时需要三个监督：① 知识蒸馏：利用另一个预训练模型中进行蒸馏；② 度量学习：如果预训练模型不好获取，则使用自监督学习进行预训练【triplet loss】；③ 描述符紧凑性：最小化一个batch内的特征描述符相似度来增加紧凑度。

上述的训练均不是在下游任务（异常检测数据集）上进行的，而是在一个大数据集上进行的，这里作者使用ImageNet

经过上述的过程，就已经获取到了一个富有知识的T网络，可以以此来指导S网络更新。S网络的监督只有一项，如下式所示，计算描述符之间的l2 loss（进行归一化后的）。

此外，为了进行精确的定位，网络采用patch输入，并构造了多尺度的S网络。

测试：测试时，用T和S网络去提取每个像素点对应的patch-level特征描述符，计算两个误差：回归误差（与T输出的差异）和不确定性误差（S之间的输出差异）。

MVTec 性能： PRO-score：85.7(单尺度)，91.4(ensemble)

优缺点：

• Pros：引入了多种新技术：知识蒸馏、度量学习等等，并针对pixel AUC存在的问题，提出了一个新的指标用于评价像素级异常定位任务；
• Cons：方法整体上显得很笨重，而且效果也不算好，训练和测试都需要花费较多时间。

2.2 Multiresolution Knowledge Distillation for Anomaly Detection（CVPR21）

论文：Multiresolution Knowledge Distillation for Anomaly Detection（谢里夫科技大学）
原文地址：链接过长，直接点我就行

该工作的核心思想同样是知识蒸馏，但相比于上一个工作显得额外清爽。整体框架如上所示，利用一个富有知识的预训练模型Source网络，构造一个轻量级的Cloner网络来模仿S网络的输出。与原始的知识蒸馏只学习最后logits的差异不同，这里会让C学习S中间层的输出，使得C更充分地汲取S的知识，并且有助于异常定位。

训练：输入同一个样本到S和C网络，让C去拟合S网络的中间层特征，所谓的中间层就是不同stage输出的特征（本文使用VGG不同pooling层后的输出）。网络不止特征的value要接近，还控制其direction要一致，因此采用了两个loss进行约束。第一个loss采用欧氏距离约束，使每个像素级特征都要足够接近：

第二个loss采用余弦距离进行优化，注意这里考虑的是特征图级的余弦距离，其中vec(·)表示flatten操作：

主要注意的是，与uniform-std不同，这里C比S网络要更轻量，迫使网络去学习更主要的特征，这有助于检测细微的异常（比如MVTec中的screw类，通过实验证明，见原文3.3.2节）。

测试：输入同一张测试图像，通过衡量$L_{val}$和$L_{val}$之间的差异来得到Anomaly Score。为了进行像素级异常定位，利用梯度计算得到attribution map，如下所示：

此外，为了消除自然噪声的影响，使用高斯滤波 + opening操作(先腐蚀再扩张)进行后处理。

此外，作者还尝试了其他的一些基于梯度的可解释性算法进行实验：

MVTec 性能： Image-Level AUC：87.74, Pixel-Level AUC：90.71

优缺点：

• Pros：相比uniform-stu，方法显得更加简单。
• Cons：并没有在MVTec AD数据集上与uniform-stu进行直接对比，并且效果也不算太好。

效果不好的原因可能在于：S和T对于同一个异常区域的响应也非常像。