近年来随着智能移动终端和互联网的快速发展，视频数据呈现指数级增长。视频目标分割拥有众多的消费落地场景，特别是最近火爆的视频会议、视频直播、短视频制作等场景中的应用极为广泛，因此如何为用户打造更智能、更优质、更沉浸的体验，实现对视频中兴趣对象的高精度自动分割，成为了非常热门的研究方向。由阿里云视频云主办的全球视频云创新大赛，在算法赛道重点攻克视频目标分割方向，就此，我们展开了解这项技术的发展、价值和关键要素。
作者｜中间
业界公认的技术难点
视频目标分割（Video Object Segmentation，简称为 VOS）旨在在整个输入视频序列中对目标对象实例进行高质量的分割，获取目标对象像素级的蒙版，从而把目标从背景图像中精细的分割出来。相比于目标跟踪、检测等限位框级任务（用矩形框将目标框选出来），VOS 具有像素级精度，更利于准确定位目标以及勾勒目标边缘细节。
视频对象分割是计算机视觉领域的基本任务之一，也是业界公认的技术重点和难点，在视频理解和编辑，高清视频压缩，人机交互以及自动驾驶等领域具有广泛的应用价值和落地需求。同时，视频目标的分割结果也是视频内容生产二次创作的重要素材，能够赋能内容生产者，提升内容生产效率。
视频目标分割技术在自动驾驶领域的应用 图片来源：(CVPR), 2021。
图像分割算法有较长的研究历史，从最早的阈值化、直方图、区域生长、k - 均值聚类、分水岭方法，到更先进的主动轮廓模型、Graph-cuts、条件随机场和马尔可夫随机场等方法。
近年来随着深度学习的快速发展，基于深度神经网络产生了一批新一代的分割模型，其性能获得了显著提高，在流行的基准测试上通常都达到了最高的准确率。在视频场景下，相比于单纯地逐帧实现图像分割，视频目标分割依托于多帧间的连续性，可以实现分割结果的高平滑、高精度。
从应用条件和场景的角度出发，视频对象分割可分为无监督（弱监督）VOS、半监督 VOS 和交互式 VOS。
半监督 VOS 依托视频第一帧一个（多个）对象的真实分割蒙版，自动估算其余帧对象的细化蒙版。
交互式 VOS 依靠用户的简单互动，如涂鸦或点击，提供待分割目标的大致位置，进而估算、细化目标的精确蒙版。
无监督 VOS 是全自动的视频目标分割方法，最具挑战性，仅依靠视频输入（单目 RGB），分割视频中显著目标的精细蒙版，相比于半监督和交互式，无监督 VOS 需要定义显著性目标并提供额外的显著性物体检测模块。然而 VOS 算法除了要解决图像分割面临的视角变化、光照变化、目标尺度变化、遮挡等难点之外，视频场景下复杂的背景干扰、目标物体运动模糊以及目标周围复杂的附属物等，都对 VOS 算法提出了巨大的挑战。同时，视频数据处理数据量通常是几十倍于图像数据，因此 VOS 算法的计算量和复杂度也成了限制 VOS 能否成功应用的重要衡量标准，随着视频目标分割技术热度的持续增加，越来愈多的视频算法模型衍生出来。
图片来自论文 Video Object Segmentation with Re-identification,CVPR 2017
算法模型加速创新
近年来视频目标分割算法有基于第一帧的 mask 进行传播的，也有基于检测在线学习的，STM[1] 的出现融合了上述两种思想的优点，首次将 Memory Network 引入 VOS 领域，引申为一个 space-time 的 memory network，并实现了较好的分割准确率以及较快的速度。在业界著名的 DAVIS 2020 大赛中，很多优秀的模型都是根据 STM 进行改造的，可见其具有很棒的指导意义和研究价值。下面，我们就以 DAVIS 2020 大赛的优胜方案为例，介绍几种具有代表性的算法。
阿里达摩院提出的算法 [2] 是 DAVIS-20 半监督 VOS 赛道的冠军方案，它基于 STM，以 ResNeST101 为 backbone，增加空间约束模块（Spatial Constraint Module）以确保相邻帧之间的空间一致性，消除外观混淆，消除由同一类别的相似实例引起的错误预测，并在 segmentation head 中增加了 ASPP (Atrous Spatial Pyramid Pooling) 模块来解决尺度变化（scale variability）的问题，同时使用了额外的 refinement module 来提升分割图像边缘的精细度。
CFBI[3] 提出了一种前背景整合的协作式视频目标分割算法，也是一种基于匹配的半监督分割算法，与之前的方法只考虑前景目标特征学习不同的是，CFBI 开创性的同时、同等地处理前景和背景信息，不仅提取当前帧的嵌入特征并与参考帧中的前景目标进行匹配，而且还对背景区域进行匹配以缓解背景混乱，从而得到更好的分割结果。CFBI 进一步拓展了在多尺度特征上进行匹配，在 DAVIS2020 半监督分割赛道上与达摩院的算法性能接近，获得第 2 名。
Garg 等人提出的框架 [4] 是 DAVIS-20 无监督 VOS 赛道的冠军方案，主要结合了 Proposal 和 STM，首先利用 Mask-RCNN 生成第一帧中可能的目标分割 mask（proposal），接着利用 STM 将第一帧的 Proposal 顺序传导到其余帧，再将 STM 预测的 mask（带 ID）与第一帧的 Proposal 建立匹配关系，最后筛选出最准确的 mask 作为最终的分割结果。阿里提出的无监督 VOS 方案 法 [5] 与 [4] 一样利用了 Proposal 和 STM 来实现整个算法，主要是利用跟踪来融合不同的 proposal，在无监督 VOS 赛道中获得亚军。目前主流的无监督 VOS 跟上述两个工作的思路基本一致。
更精、更快、更融合
目前对视频目标分割的研究主要分为两方面，一是如何利用视频帧之间的时序信息提高图像分割的精度；二是如何利用视频帧之间的相似性确定关键帧，减少计算量，提升模型的运行速度。
在提升分割精度方面一般是设计新的模块，将新模块与现有的 CNNs 结合；在减少计算量方面，利用帧序列的低层特征相关性选择关键帧，同时减少操作时间。具体来说，视频目标分割这几年的发展代表了科研领域对 sequential data 的认识有了很大的进展，无论是视频数据还是文本数据本质上都是 sequential data，在 NLP 领域通过 attention 机制对全局信息进行建模之后，这种思路在视频领域也逐渐成为了一种共识。
所以，一个很重要的方向是多领域的融合，像视频目标跟踪（VOT）、检测（VOD）、ReID、视频理解以及更大的 meta learning、video representation learning、few-shot learning、metric learning 跟视频分割都是高度相关的。
第二个是找到一种统一的解决方案，比如用一个网络解决无监督和半监督 VOS，甚至是解决视频目标跟踪（VOT）、视频目标检测（VOD）和多目标跟踪（MOT）等问题。
第三个是探索一些更加高效的训练范式，视频数据的标注非常困难且成本很高，结合半监督或者无监督的学习方法，一定会为视频目标分割带来比较大的变革。
参考文献
[1] Oh S W, Lee J Y, Xu N, et al. Video object segmentation using space-time memory networks[C]//Proceedings of the IEEE/CVF International Conference on Computer Vision. 2019: 9226-9235.
[2] Zhang P, Hu L, Zhang B, et al. Spatial Consistent Memory Network for Semi-supervised Video Object Segmentation[C]//CVPR Workshops. 2020, 6.
[3] Yang Z, Wei Y, Yang Y. Collaborative video object segmentation by foreground-background integration[C]//European Conference on Computer Vision. Springer, Cham, 2020: 332-348.
[4] Garg S, Goel V, Kumar S. Unsupervised Video Object Segmentation using Online Mask Selection and Space-time Memory Networks[J].
[5] Zhou T, Wang W, Yao Y, et al. Target-Aware Adaptive Tracking for Unsupervised Video Object Segmentation[C]//The DAVIS Challenge on Video Object Segmentation on CVPR Workshop. 2020.
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