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Ch08 计算机视觉 · 考研/期末复习大纲

承接 Ch07 口诀开篇: "Ch07 给语言应用 — Attention=QK^T/√d_k V, Perplexity=2^H, RLHF=PPO+奖励模型. Ch08 给视觉应用 — 卷积=空间共享参数, IoU=交集/并集, ViT=Transformer 搬到图像" 跨章承接: Ch05 §05 KL/perplexity → CLIP 损失; Ch06 §03 CNN+激活函数 → Ch08 经典 CNN; Ch07 §04 Transformer → Ch08 §05 ViT


一、考点分级速览 (🔴必考 13 / 🟡常考 8 / 🟢拓展 7, 共 28 考点)

考频 考点 说明
🔴必考 卷积运算公式 Ch08 §01 核心, CNN 基础
🔴必考 输出尺寸公式 \((I-K+2P)/S+1\) 面试高频
🔴必考 IoU 公式 检测核心指标
🔴必考 mAP 计算方法 检测标准评估
🔴必考 ResNet 残差连接 152 层深度 CNN 关键
🔴必考 经典 CNN 演化 (LeNet→ResNet) 5 个里程碑
🔴必考 池化作用 (下采样+平移不变) CNN 标配
🔴必考 BN 公式与作用 训练深度 CNN 关键
🔴必考 YOLO 单阶段检测原理 实时检测主流
🔴必考 anchor-free vs anchor-based YOLOv5 vs YOLOv8
🔴必考 U-Net 编码-解码+跳跃 分割标准结构
🔴必考 Dice 损失 类别不平衡稳定
🔴必考 ViT patch 切分 Transformer 搬图像
🟡常考 3×3 vs 5×5 参数对比 VGG 极简设计
🟡常考 AlexNet 三大创新 (ReLU/Dropout/GPU) 2012 ImageNet 突破
🟡常考 GoogLeNet Inception 多尺度并行 22 层 5M 参数
🟡常考 YOLOv8 C2f + TAL 2023 主流
🟡常考 1×1 卷积 降维 跨通道信息融合
🟡常考 Mask R-CNN 实例分割 RoIAlign + FCN
🟡常考 Dice vs IoU 公式对比 类别不平衡
🟡常考 CLIP 对比学习损失 文本-图像对齐
🟡常考 DETR 端到端检测 无 anchor 无 NMS
🟢拓展 BN 在训练 vs 推理模式 全局滑动平均
🟢拓展 SAM 零样本分割 提示驱动
🟢拓展 ConvNeXt 现代化 CNN 2022 ImageNet 87.8%
🟢拓展 MobileNet 深度可分离卷积 移动端轻量
🟢拓展 EfficientNet 复合缩放 神经架构搜索
⭐拓展 多模态大模型 (LLaVA/GPT-4V) 视觉指令微调

二、考点详解 (精选 13 必考)

🔴考点 1 · 卷积运算公式 (§01)

  • 出处: §01 图像基础
  • 公式: \((I*K)[i,j] = \sum_{m=0}^{k-1} \sum_{n=0}^{k-1} I[i+m,j+n] \cdot K[m,n]\)
  • 数字例: 5×5 图, 3×3 Sobel 核, valid padding → 输出 3×3
  • 典型题型: 算卷积结果 (Ch08 面试高频)
  • 易错点: 互相关 vs 严格卷积区别
  • 连接: Ch08 §02 经典 CNN 都基于卷积

🔴考点 2 · ResNet 残差连接 (§02)

  • 出处: §02 经典 CNN
  • 公式: \(y = \mathcal{F}(x, \{W_i\}) + x\)
  • 数字例: ResNet-152, 60M 参数, ImageNet 3.57% top-5 错误率
  • 典型题型: 解释为何残差连接让深度 CNN 可训练 (L5 评价题)
  • 易错点: 维度不匹配时必须 \(W_s x\) 投影
  • 连接: Ch06 §05 PPO 用过类似"恒等捷径"思想

🔴考点 3 · IoU 公式 (§03)

  • 出处: §03 目标检测
  • 公式: \(\text{IoU}(A, B) = \dfrac{|A \cap B|}{|A| + |B| - |A \cap B|}\)
  • 数字例: 两框完全重合 IoU=1, 不相交 IoU=0
  • 典型题型: 手算 IoU + NMS 应用 (L5 反例识别)
  • 易错点: 中心点距离不能代替 IoU
  • 连接: Dice 系数 (Ch05 §05 信息论) 公式与 IoU 转换

🔴考点 4 · mAP 评估 (§03)

  • 出处: §03 目标检测
  • 公式: AP = precision-recall 曲线下面积 (现代插值法), mAP = 各类 AP 平均
  • 数字例: YOLOv8x COCO mAP@0.5:0.95 = 53.9
  • 典型题型: mAP@0.5 vs mAP@0.5:0.95 区别
  • 易错点: 用准确率代替 mAP (掩盖漏检)
  • 连接: Ch05 §05 perplexity (LM 评估) 类似 AP 评估

🔴考点 5 · YOLO 单阶段检测 (§03)

  • 出处: §03 目标检测
  • 公式: 输出 7×7×30 张量, 每格 2 框 + 20 类
  • 数字例: YOLOv1 45 FPS, mAP 63.4
  • 典型题型: YOLO vs Faster R-CNN 速度-精度权衡
  • 易错点: 7×7 网格太粗, 小目标检测差
  • 连接: Ch06 §02 GD 回归思想贯穿 YOLO 损失

🔴考点 6 · U-Net 编码-解码+跳跃 (§04)

  • 出处: §04 图像分割
  • 公式: 4 次下采样 + 4 次上采样 + skip connection (concat)
  • 数字例: ISBI 错误率 3% (vs SOTA 25%)
  • 典型题型: 为什么 skip 传浅层细节 (L5 评价题)
  • 易错点: skip 是 concat (拼接) 不是 add (加法, ResNet 风格)
  • 连接: Ch08 §02 ResNet 加法跳过 vs U-Net 拼接跳过

🔴考点 7 · Dice 损失 (§04)

  • 出处: §04 图像分割
  • 公式: \(\text{Dice} = \dfrac{2|P \cap G|}{|P| + |G|}\)
  • 数字例: 4×4 验证 Dice = 0.8 (IoU 0.67 推算)
  • 典型题型: 为什么 Dice 比 BCE 抗类别不平衡 (L5 评价)
  • 易错点: \(\epsilon\) 防除零不能省
  • 连接: Ch05 §05 KL 散度也是类别不平衡相关

🔴考点 8 · ViT patch 切分 (§05)

  • 出处: §05 视觉 Transformer
  • 公式: \(N = HW/P^2\) 个 patch, \(P=16, 224×224 \Rightarrow N=196\) tokens
  • 数字例: ViT-L/16 ImageNet 88.55% (超 CNN SOTA)
  • 典型题型: ViT vs CNN 归纳偏置对比
  • 易错点: ViT 需大数据集 (JFT-300M), 小数据集 CNN 占优
  • 连接: Ch07 §04 Transformer QK^T/√d_k V 直接搬到 ViT

🔴考点 9 · CLIP 对比损失 (§05)

  • 出处: §05 视觉 Transformer
  • 公式: \(\mathcal{L} = -\log \frac{\exp(\text{sim}(I_i, T_i)/\tau)}{\sum_j \exp(\text{sim}(I_i, T_j)/\tau)}\)
  • 数字例: CLIP 4 亿图文对训练
  • 典型题型: zero-shot 分类流程
  • 易错点: \(\tau\) 温度对 zero-shot 迁移性能影响大
  • 连接: Ch05 §05 KL 散度/perplexity

🔴考点 10 · BN 训练-推理模式切换 (§01)

  • 出处: §01 图像基础
  • 公式: \(\hat x_i = (x_i - \mu_B)/\sqrt{\sigma_B^2 + \epsilon}\), \(y_i = \gamma \hat x_i + \beta\)
  • 数字例: ResNet-50 训练 50 epoch (无 BN 需 100+)
  • 典型题型: 训练-推理模式切换 (L4 分析)
  • 易错点: batch_size=1 时 \(\sigma=0\) 除零
  • 连接: Ch07 §04 LayerNorm 替代方案

🔴考点 11 · 池化 vs 卷积降采样 (§01)

  • 出处: §01 图像基础
  • 公式: \(P[i,j] = \max_{(m,n)\in[0,2)^2} I[2i+m, 2j+n]\)
  • 数字例: 4×4 → 2×2 max pool
  • 典型题型: 为什么需要池化 (平移不变)
  • 易错点: stride 1 浪费计算
  • 连接: Ch08 §02 ResNet 用 stride 2 替代池化

🔴考点 12 · 经典 CNN 演化时间线 (§02)

  • 出处: §02 经典 CNN
  • 数字: LeNet 1998 5层 → AlexNet 2012 8层 → VGG 2014 16层 → GoogLeNet 2014 22层 → ResNet 2015 152层
  • 典型题型: 5 个里程碑的关键创新
  • 易错点: 深度 ≠ 准确率 (无残差时 100 层不如 22 层)
  • 连接: Ch07 §04 Transformer 演化同模式 (深度↔性能)

🔴考点 13 · anchor-free vs anchor-based 检测 (§03)

  • 出处: §03 目标检测
  • 定义: anchor-based 用预设 anchor (YOLOv5), anchor-free 直接预测中心点+宽高 (YOLOv8)
  • 数字例: YOLOv8n (3.2M) vs YOLOv5n (1.9M)
  • 典型题型: 为什么 anchor-free 简化超参
  • 易错点: 无 anchor 不是"没先验", 而是"少超参"
  • 连接: Ch08 §05 DETR 进一步去 anchor + NMS

三、易错点合集 (25 条)

# 症状 为何错 如何避坑
1 期望 ViT 完全超 CNN 错! ViT 需大数据, 小数据集 CNN 仍占优 视数据量定架构
2 用 mAP 评估语义分割 错! mAP 是检测, 分割用 mIoU/Dice 任务选指标
3 Dice 损失处理 0/0 边界 需 \(\epsilon\) 防除零 公式必加 \(\epsilon\)
4 U-Net skip 用 add (ResNet 风格) 错! U-Net 是 concat (通道堆叠) 区分两种 skip
5 YOLO 是单阶段所以简单 错! YOLO 损失函数设计极精巧 单阶段 ≠ 简单
6 把 BCE 当肿瘤分割损失 类别不平衡, 需 Dice 或 focal 小目标选 Dice
7 ResNet 残差 = 简单加法 维度不匹配需 \(W_s\) 投影 投影矩阵不可省
8 YOLOv8 anchor-free = 无先验 错! 仍是预测中心+宽高, 不用预设 anchor anchor ≠ prior
9 把 CLIP 当纯图像模型 错! CLIP 是文-图联合表征 联合 embedding
10 BN 测试时用 batch 统计 错! BN 测试用训练时滑动平均的全局 model.eval() 切换
11 Mask R-CNN Mask 头在所有类算损失 错! 只在 ground-truth 类上算 K=80 选 1 类
12 IoU=1 必是同一框 错! 形状不同 IoU 仍可=1 (退化情况) 检查面积
13 U-Net 输出 1×1×C 错! 输出 H×W×C (像素级) encoder-decoder
14 CNN vs Transformer 完全替代 错! 混合架构 (CoAtNet, EfficientFormer) 是主流 混合优于单一
15 Dice = IoU 错! Dice 永远 ≥ IoU, 公式不同 Dice = 2IoU/(1+IoU)
16 ViT 无卷积 错! ViT 有 patch embedding (Linear Projection) patch 内还是线性
17 Dice 损失对所有类别平衡 错! Dice 对所有类同等加权, 小目标仍吃亏 加 focal 或 class weighting
18 ResNet = 残差 + BN 错! ResNet 主要是残差, BN 是辅助 残差是核心创新
19 YOLO 不能检测小目标 错! YOLOv8-P2 用高分辨率特征层 多尺度特征图
20 把"卷积"和"互相关"混用 严格数学"卷积"需翻转核, DL 实际"互相关" 深度学习用"卷积"惯例
21 用普通交叉熵训练分割 错! 类别不平衡需 Dice 或 focal 改损失
22 YOLOv8 是 anchor-based 错! YOLOv5+ 是 anchor-free v8 = anchor-free
23 把"上采样"和"反卷积"混 上采样可用插值 (nearest/bilinear), 反卷积是转置卷积 上采样 ≠ 转置卷积
24 视 ViT 简单 错! ViT 缺 CNN 归纳偏置, 需大数据或蒸馏 训练数据要大
25 Dice loss 100% 取代 BCE 错! 实践常 Dice + BCE 联合 混合损失最稳

四、对比记忆表 (4 张)

表 1 · CNN vs Transformer (CV 领域)

维度 CNN (ResNet) Transformer (ViT)
归纳偏置 局部性 + 平移不变 无 (全图注意力)
数据需求 中 (ImageNet 即可) 大 (JFT-300M)
计算量 \(O(H \cdot W \cdot C^2 \cdot K^2)\) \(O((H \cdot W)^2 \cdot C)\)
小目标 优 (局部感受野) 弱 (patch 切分粗)
大目标 弱 (感受野有限) 优 (全局视野)
工程 成熟 (TensorRT) 新兴 (FlashAttention)

表 2 · YOLO 主流版本对比

版本 年份 创新 FPS mAP (COCO)
YOLOv1 2015 单阶段检测 45 63.4
YOLOv3 2018 多尺度 (FPN) 30 33.0
YOLOv5 2020 anchor-based 工程优化 140 (v5n) 45.7
YOLOv8 2023 anchor-free + C2f + TAL 280 (v8x) 53.9
YOLOv9 2024 PGI 可编程梯度信息 250 55.6

表 3 · 分割任务对比

类型 输出 例子 模型
语义分割 每像素类别 道路/建筑/天空 FCN, DeepLab, U-Net
实例分割 每像素 (类别, ID) 行人 A, 行人 B Mask R-CNN, YOLACT
全景分割 上述两者合一 COCO Panoptic Panoptic FPN, Mask2Former
视频分割 时空 mask 自动驾驶 SiamMask, XMem

表 4 · CNN 经典架构参数量

架构 年份 层数 参数量 top-5 错误率
LeNet-5 1998 5 60K (MNIST 99%)
AlexNet 2012 8 60M 16.4
VGG-16 2014 16 138M 7.3
GoogLeNet 2014 22 5M 6.7
ResNet-50 2015 50 25.6M 5.3
ResNet-152 2015 152 60M 3.57
ViT-L/16 2021 24 304M 88.55% acc

五、复习路径

3 天冲刺 (考前突击) - Day 1: §01 卷积/池化/BN + §02 LeNet→ResNet 5 个里程碑 - Day 2: §03 YOLO + IoU/mAP + §04 U-Net/Dice - Day 3: §05 ViT/CLIP + 全章 25 易错 + 对比表 4 张

7 天扎实 (期末标准) - Day 1: §01 卷积 + 手算 5×5 Sobel - Day 2: §02 LeNet/AlexNet + CIFAR-10 训练 - Day 3: §02 VGG/ResNet + 跑通 ImageNet 分类 - Day 4: §03 YOLO + 跑通自定义数据检测 - Day 5: §04 U-Net + Dice + 跑通医学影像分割 - Day 6: §05 ViT/CLIP + zero-shot 图像分类 - Day 7: §05 SAM + 跨章总复习

14 天精通 (考研 + 深度) - Day 1-2: §01 卷积变体 (深度可分离/空洞/转置) - Day 3-4: §02 经典 CNN 全家桶 + 轻量化 (MobileNet/EfficientNet) - Day 5-6: §03 检测器 (Faster R-CNN/DETR/DINO/Deformable DETR) - Day 7-8: §04 分割全家桶 (FCN/DeepLab/Mask2Former/SAM) - Day 9-10: §05 ViT 全家桶 (Swin/DeiT/MAE/DINOv2) - Day 11-12: §05 多模态大模型 (LLaVA/MiniGPT-4/CogVLM) - Day 13: 跨章桥接 (Ch05-Ch07 信息论+Transformer+ML) - Day 14: 总复习 + 错题本回顾


六、自测清单 (10 问, L1-L5)

  1. (L1 记忆) 写出 2D 卷积公式与输出尺寸公式。
  2. (L2 理解) ResNet 残差连接 \(y = F(x) + x\) 为何能训练 152 层?
  3. (L3 应用) 算两框 IoU: 框 A=(0,0,4,4), 框 B=(2,2,4,4), 求交集面积与 IoU。
  4. (L3 应用) ViT-L/16 输入 224×224, 求 patch 数 (P=16), 说明为何不需位置编码。
  5. (L4 分析) YOLO 单阶段 vs Faster R-CNN 两阶段的速度-精度权衡。
  6. (L4 分析) Dice 损失与 IoU 公式转换, 解释为什么 Dice 在小目标上更稳定。
  7. (L5 评价) 一学生说"用 ResNet-50 的 5×5 卷积替代 3×3 卷积能涨精度", 错在哪?
  8. (L5 评价) 一学生说"YOLOv8 比 YOLOv5 慢", 错在哪? 数字验证。
  9. (L5 评价) 一学生说"U-Net 与 ResNet 都是 skip connection, 等价", 错在哪?
  10. (L5 综合) 给定医疗影像二分类 (99% 正常, 1% 肿瘤), 选什么损失函数 + 评价指标? 解释为什么。

参考文件 (相对路径, 扫描 3 通过): - ../../第08章 - 计算机视觉/01-05.md - ../复习大纲/第07章.md - ../WRITING_TEMPLATE.md - ../QUALITY_PROCESS.md - ../../第06章 - 机器学习/ (Ch06 承接 CNN) - ../../第07章 - 计算语言学/ (Ch07 承接 Transformer) - ../../第05章 - 概率论/ (Ch05 承接 KL/perplexity)