车辆检测新突破：VFM-Det 如何用大模型提升识别精度

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一、摘要

二、引言

三、相关工作

四、Coovally AI模型训练与应用平台

五、方法

概述

综述：基于区域建议的检测

基于VehicleMAE的感知器

六、实验分析

数据集与评估指标

实现细节

属性预测模块预训练

与SOTA检测器的对比实验

消融实验

VehicleMAE编码器的影响

VAtt2Vec模块的影响

可学习标记数量的影响

不同属性编码器的比较

不同特征融合策略的比较

属性向量不同使用方法的比较

不同对比学习损失函数的比较

不同微调方法的比较

可视化

局限性分析

结论

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一、摘要

现有的车辆检测器通常是基于预先训练好的骨干网（如ResNet、ViT），通过在车辆图像上训练典型的检测器（如YOLO、RCNN、DETR系列）获得的。一些研究人员还利用预训练的大型基础模型来提高检测性能。不过，我们认为这些检测器可能只能获得次优结果，因为它们使用的大型模型并不是专门为车辆设计的。此外，它们的结果严重依赖视觉特征，很少考虑车辆语义信息与视觉表征之间的一致性。在这项工作中，我们提出了一种基于预训练基础车辆模型（VehicleMAE）和大型语言模型（T5）的全新车辆检测范式，称为VFM-Det。它遵循基于区域提案的检测框架，每个提案的特征都可以通过VehicleMAE得到增强。更重要的是，我们提出了一个新的VAtt2Vec模块，可预测这些建议的车辆语义属性，并将其转换为特征向量，通过对比学习增强视觉特征。在三个车辆检测基准数据集上进行的广泛实验充分证明了我们的车辆检测器的有效性。具体来说，在城市景观数据集上，我们的模型在 AP0.5、AP0.75指标上分别比基线方法提高了+5.1%、+6.2%。

论文链接：

https://arxiv.org/pdf/2408.13031

项目地址：

https://github.com/Event-AHU/VFM-Det

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二、引言

车辆检测是细粒度车辆分析的前提，在智能视频监控中发挥着重要作用。目前，有许多物体检测器可用于车辆检测，如 YOLO 系列、R-CNN 系列 、DETR 系列以及其他检测器。虽然这些模型已经取得了不错的性能，但在具有挑战性的场景中的检测性能仍不尽如人意。许多研究人员采用多模态数据来解决这些问题，然而多模态设备的普及率仍然很低，这限制了他们的方法的使用范围。

最近，预训练和微调技术在人工智能（AI）领域非常流行。研究人员通常先以自监督或无监督的方式预训练一个大型骨干网络（例如，BERT、GPT 系列、ViT、CLIP），然后使用参数高效微调（PEFT）策略（例如，提示微调 、适配器、侧微调]等）使其适应各种下游任务。受这些工作的启发，一些研究人员尝试调整这些预先训练好的大模型来进行物体检测。具体来说，Li 等人利用普通和非层次视觉Transformer-based为物体检测任务开发了一个骨干网络。Lin 等人使用预先训练好的大型视觉模型解决了多领域通用检测问题。Fang 等人使用预先训练好的 vanilla ViT 网络进行物体检测和实例分割。即使与Swin-Transformer、MViTv2 和 ConvNeXt 等强分层架构相比，他们也能取得更好的结果。

虽然可以获得更好的检测性能，但这些模型仍可能受到以下问题的限制： 1). 通用大型模型与大型车辆模型： 目前基于预训练大视觉模型的物体检测器是为通用或一般物体检测而提出的，它们通常采用通用的预训练大型骨干模型进行工作。然而，对于车辆检测问题这一特定的下游任务，这些大型模型可能只能取得次优结果。2). 语义差距问题：现有的车辆检测算法主要依赖于利用纯粹的预训练大型视觉模型获得的特征表征，但忽略了语义之间的差距。

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三、相关工作

在本节中，我们将介绍与我们最相关的工作，包括物体检测、预训练大模型和属性表示学习。

• 物体检测

基于深度学习的物体检测主要分为三类：一阶段检测器、两阶段检测器、和基于Transformer-based的检测器、。其中，基于滑动窗口的单级检测器通过密集采样对语义目标进行分类和定位，避免了筛选图像中潜在目标区域的步骤。YOLO采用直接回归的方法获得检测结果，有效提高了检测速度。RetinaNET提出了一种焦点损失函数，很好地解决了前景-背景不平衡问题。YOLO-V3采用多尺度特征图提取，显著提高了 YOLO 系列对小目标的检测效果。之后，一系列后续工作的提出进一步改进了 YOLO 检测器。两阶段目标检测首先从图像中提取提案，然后在提案的基础上进行二次修改，从而得到检测结果。R-cnn首次尝试使用神经网络解决检测任务，并显著提高了整体性能。Faster RCNN 提出了一个 RPN 模块来生成候选框，很好地解决了选择性搜索带来的问题。Mask RCNN 引入了 RoI 对齐层，而不是 RoI 池算子，以避免空间量化造成的像素级错位。

随着变形网络在许多领域的出色表现，一些研究人员开始考虑将变形网络与物体检测相结合。具体来说，基于 Transformer 的探测器和DETR首次将 Transformer引入物体检测。Zhu 等人提出了可变形注意力模块，提高了原 DETR 算法的训练速度和对小物体的检测性能。DINO 采用对比去噪训练和混合查询选择方法，进一步提高了 DETR 模型的性能。VITDET 使用 SFP 代替特征金字塔结构，消除了骨干网络的层次限制。与这些工作不同的是，在本文中，我们提出使用预先训练好的大型视觉和语言模型来增强车辆检测，并取得了明显高于我们基线的性能。

• 预训练大模型

自监督/非监督预训练是目前研究的重点。目前，有两种主流的自监督/无监督预训练算法：对比学习和基于重构的预训练。具体来说，对比学习法旨在训练网络分辨给定输入对是否一致。对于单模态输入预训练，SimCLR、MoCo等通过数据增强策略生成一组相似样本。BYOL通过学习对正样本的相似性进行编码来构建表征。对于多模态输入预训练，CLIP和ALIGN对图像-文本对进行了预训练，而 VideoCLIP则将其扩展到了视频-文本对。基于重构的方法试图训练网络重构输入中被遮蔽的部分，以学习重现。BERT及其扩展方法使用双向Transformer-based，并通过屏蔽语言建模实现了少量学习功能。MAE提出了掩码自动编码器，通过简单地重新构建像素来学习视觉表征。VideoMAE和 VideoMAE-v2进一步将其应用到视频领域，而 MultiMAE则将输入扩展到多模态，学习更丰富的几何和语义信息。还有一些针对特定目标设计的预训练方法，如 HCMoCo、HumanBench、SOLIDER等，它们侧重于以人为中心的预训练，而 VehicleMAE则侧重于基于车辆的预训练。受这些研究成果的启发，我们在研究中利用预训练的大型模型来进一步改进车辆检测器。

• 属性表征学习

目标对象的属性可以充分反映关键线索，如纹理、颜色、形状等，而且也很容易获得。因此，许多研究者利用语义属性来完成任务，例如重新识别。Lin等人提出了一种利用属性信息提高再识别性能的方法。张等人提出了一种属性注意块来解决噪声属性对模型的干扰。通过采用强化学习，他们旨在去除噪声属性并提高模型的鲁棒性。Jeong等人引入了学习跨模态嵌入的损失函数。这种方法将一组属性视为一类具有相同特征的个体，从而缩小了属性与图像之间的模态差距。Li等人充分利用了 CLIP 的跨模态描述能力，为每个个体ID提供了一组可学习的文本标记。这些文本标记被输入文本编码器以生成模糊描述，从而促进更好的视觉呈现。此外，Zhai等人引入了细粒度属性描述作为提示信息，为再识别任务提供更丰富的语义信息。Zhang 等设计了一种基于属性的非最大抑制算法，以解决拥挤场景中行人漏检的问题。该算法通过对行人属性信息建模，捕捉人群之间的高级语义差异。Tian 等人利用语义任务来辅助行人检测，包括行人和场景属性，以帮助对阳性样本和阴性样本进行分类。在这项工作中，我们估算了提取建议的属性，并学习了统一的属性表示，以便在语义线索和视觉特征之间进行对比学习。我们的实验充分证明了我们提出的策略在高性能车辆检测中的有效性。

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四、Coovally AI模型训练与应用平台

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五、方法

在本节中，我们将首先概述我们提出的 VFM-Det 框架，然后回顾基于区域建议的检测框架。然后，我们将介绍详细的网络架构，重点是基于VehicleMAE的感知器、视觉特征之间的对比学习和统一属性表示。最后，我们将介绍用于优化整个框架的检测头和损失函数。

• 概述

在这项工作中，基于上述基于区域建议的物体检测框架，我们建议将预先训练好的基础模型应用于车辆检测任务，如图2所示。具体来说，我们首先将输入图像输入 ResNet-50 骨干网络，以获得特征图。然后，RPN 生成一组候选边界框，并通过 RoI Align 层获得其特征。更重要的是，我们会裁剪出提案，并将其输入预训练的车辆基础模型 VehicleMAE，以提取更精细的车辆特定特征。这些特征与 RoI Align 沿通道维度输出的特征串联，然后输入检测头和分类头，以获得目标的位置和类别。此外，我们还提出了一个新的 VAtt2Vec 模块，以弥补用于车辆检测的视觉特征与能以高级语义特征描述车辆的语义标签之间的差距。具体来说，该模块将每个提案的视觉特征和所有已定义的车辆属性作为输入，并使用属性头预测属性。需要注意的是，给定的属性是使用大型语言模型 T5进行编码的。预测出的属性通过GRU模块进一步融合并转化为统一的特征表示。视觉特征和统一语义属性特征用于对比学习。在三个车辆检测基准数据集上进行的广泛实验表明，预先训练的大型视觉和语言模型可显著提高车辆检测性能。

• 综述：基于区域建议的检测

基于区域建议的检测框架工作的主要思想可分为两个阶段，即候选区域生成和分类。具体来说，我们首先使用一种高效算法生成一系列候选区域，其中包含正负对象。然后，对每个提议采用分类头和边界框回归头来判断目标对象是否存在，并更准确地预测其位置和尺度。我们可以发现，高质量候选区域的生成是基于区域建议的检测框架中的一个关键步骤，其广泛应用的模块包括选择性搜索、边框、RPN等。RPN通过训练神经网络来预测候选区域的位置和尺寸。基于区域提议的代表性检测器包括RCNN、Faster R-CNN、Mask R-CNN等。在本研究中，我们将提出的策略整合到Mask R-CNN检测器中以验证其有效性，具体实现细节将在后续小节展开阐述。

• 基于VehicleMAE的感知器

我们在Mask R-CNN框架基础上，引入专为车辆数据预训练的基础视觉模型VehicleMAE来提升车辆检测性能。具体而言，给定输入图像I和RPN模块生成的候选区域信息C（每张输入图像对应512个候选区域），首先根据候选区域信息C从输入图像中裁剪出所有提议区域，将其统一缩放至224×224分辨率，得到图像集合Ipro∈R^(224×224×3)。对于Ipro中的每幅图像，我们将其划分为196个不重叠的图像块，随后通过卷积核尺寸为16×16的卷积层将其投影为词嵌入向量P_pat∈R^(1×768)，j∈{1,2,...,196}。在整合CLS（classification）标记后，获得特征F_CLS^emb∈R^(197×768)。我们进一步引入位置编码Z_pos∈R^(197×768)来表征输入词嵌入的空间坐标信息，具体实现方式是将随机初始化的位置编码与词嵌入相加：F_pos^emb = Z_pos + F_CLS^emb。

值得注意的是，我们冻结了预训练VehicleMAE网络的参数，并引入8个可学习标记K∈R^(8×768)以实现更高效的微调。这些可学习标记被插入在CLS标记与图像块标记之间，最终形成特征F_emb∈R^(205×768)。获得视觉嵌入P_emb后，将其输入包含12个Transformer模块的VehicleMAE编码器（即ViT-B/16结构），输出特征F ̃∈R^(205×768)。为与ResNet50骨干网络输出的RoI Align特征F_roi∈R^(256×16×16)保持维度一致，我们采用256维线性投影层将VehicleMAE编码器输出映射为F ̄∈R^(205×16×16)。最终，沿通道维度拼接RoI Align特征F_roi与F ̄，得到用于车辆检测的视觉特征F_v∈R^(461×16×16)。

通过引入预训练的车辆专用基础视觉模型，检测性能得以提升。然而，该检测器仍存在视觉特征与高层语义特征未充分对齐的问题，这可能导致次优结果。下一小节将探讨如何通过车辆属性引导的视觉特征学习来进一步提升整体性能。

• 车辆属性表征学习

为将车辆属性整合至检测框架，本研究基于CompCars数据集定义了47个车辆属性标签，并将其划分为6大类：颜色、车门数量、车型、排量、最高时速及座位数。我们利用预训练语言模型T5生成47个属性标签的文本嵌入tiemb∈R1×768tiemb∈R1×768（i∈{1,2,...,47}i∈{1,2,...,47}），通过拼接所有文本嵌入得到文本特征Ft∈R47×768Ft∈R47×768，并将其与VehicleMAE编码器输出的视觉特征Fve=F~Fve=F~共同输入属性预测头。

在属性预测头中，首先通过1×1卷积层将文本特征FtFt投影至与视觉特征FveFve相同维度（因T5模型输出维度与视觉特征一致，此处无需投影）。随后引入可学习的视觉嵌入evemb∈R1×768evemb∈R1×768与文本标记etemb∈R1×768etemb∈R1×768，分别与对应特征相加以保留模态信息。

• 检测头与损失函数

检测头保持与原始Mask R-CNN相同的结构。将拼接后的视觉特征FvFv输入检测头，先经两个MLP网络投影，再通过全连接层分别预测提案类别分数及候选框回归参数，后者用于计算最终框坐标。

在Mask R-CNN基础上，新增视觉特征与车辆语义属性的对比学习损失。首先对图像特征FvFv与文本特征VaVa进行L2归一化，随后计算归一化特征间的余弦嵌入损失：

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六、实验分析

• 数据集与评估指标

• 数据集

我们在三个车辆检测数据集上验证所提VFM-Det模型的性能：

Cityscapes：德国50个城市的3,257张高分辨率街景图像（2048×1024），涵盖昼夜不同光照条件。实验选取四类车辆目标（轿车、巴士、卡车、房车），包含2,846张训练图像与481张测试图像。

UA-DETRAC：城市道路多目标检测数据集。通过逐10帧采样视频构建车辆检测子集，含8,178训练图像与5,608测试图像，覆盖轿车、巴士、货车三类。

COCO2017：通用目标检测数据集。通过官方API筛选车辆类别（轿车、巴士、卡车），构建16,270训练图像与707测试图像的子集。

• 评估指标

采用目标检测通用指标：

AP[0.5:0.95]AP[0.5:0.95]：IoU阈值从0.5至0.95（步长0.05）的平均AP值’

AP计算公式为：

• 实现细节

训练参数：学习率0.02，动量0.9，权重衰减0.0001，SGD优化器，批量大小2，总训练轮数26。

硬件环境：基于PyTorch框架，使用RTX3090 GPU服务器。

属性头预训练：在CompCars数据集上重构属性标注（将最高时速划分为5区间，排量分为4类），形成6属性组47标签的44,481张图像，预训练20轮次。

• 属性预测模块预训练

在CompCars数据集上重构属性标注体系：

最高时速属性：将原始数值划分为五类（未知、<150km/h、150-200km/h、200-250km/h、>250km/h）

发动机排量属性：按行业标准划分为四类（未知、小排量、中排量、大排量）

最终构建包含6大属性组、47个细粒度标签的44,481张图像数据集（详见表III）。VAtt2Vec模块中的属性预测头在该数据集上预训练20个epoch。

• 与SOTA检测器的对比实验

• Cityscapes数据集结果（表I）

AP[0.5:0.95]=46.9%AP[0.5:0.95]=46.9%，

AP0.5=66.5%AP0.5=66.5%，
AP0.75=51.6%AP0.75=51.6%全面领先：较基线Mask R-CNN分别提升5.2%、5.1%、6.2%；优于VitDet检测器1.7%、2.4%、1.5%。

• UA-DETRAC数据集结果（表I）

关键指标：AP0.5=73.7%AP0.5=73.7%（较Mask R-CNN提升3.7%），AP0.75=63.1%AP0.75=63.1%；

在严格指标AP0.75AP0.75上显著优于VitDet（+5.1%）、RetinaNet（+7.3%）。

• COCO2017数据集结果（表I）

突破性性能：AP0.5=75.3%AP0.5=75.3%（较Mask R-CNN提升7.3%）；

比VitDet在AP[0.5:0.95]AP[0.5:0.95]指标提升1.1%。

• 预训练模型对比（表II）：

VehicleMAE显著超越DINO（+1.9%/AP[0.5:0.95]AP[0.5:0.95]）与MAE（+4.5%）；车辆专用预训练使MAE性能提升3.2-3.8%；

无监督预训练对比（表II）：

较MoCoV3提升3.2%/AP0.5AP0.5，较MAE提升2.1%；较MoCoV3提升4%/AP0.5AP0.5；较MAE提升3.9%/AP0.5AP0.5。

• 消融实验

本节通过全面的消融研究验证各模块的有效性，帮助读者理解框架中每个组件的贡献。

• VehicleMAE编码器的影响

我们在论文中引入VehicleMAE编码器来增强候选区域特征，并将其与原始特征拼接。如表4所示，在Cityscapes数据集上的测试结果显示，引入VehicleMAE编码器后，三项指标分别提升至45.0%、65.4%和48.9%。这些实验结果表明增强的候选区域特征能够提升检测性能。

• VAtt2Vec模块的影响

在VAtt2Vec模块中，我们引入了Lva损失函数。如表4所示，基于VehicleMAE编码器，VAtt2Vec模块在Cityscapes数据集上将三项指标分别提升了1.9%、1.1%和2.7%。当同时引入VehicleMAE编码器和VAtt2Vec模块时，结果进一步提升至46.9%、66.5%和51.6%。实验结果证明了VAtt2Vec模块的有效性。由于属性头的输入特征来源于VehicleMAE编码器，我们未单独对VAtt2Vec进行消融研究。

• 可学习标记数量的影响

考虑到训练过程中产生的大量候选区域，我们在模型训练时固定了VehicleMAE编码器的参数以提高计算效率并节省资源。这一举措不仅有效降低了计算复杂度，还保留了大模型在先前训练中学到的重要特征和知识。然而，固定VehicleMAE编码器可能导致次优结果，因为预训练数据集与检测数据集之间存在差异。因此，我们引入了一定数量的可学习标记，使预训练的VehicleMAE编码器能更好地适应新数据和任务。我们深入研究了引入的可学习标记数量对模型性能的影响。如表5所示，当可学习标记数量为4时，各项指标分别为44.8%、64.5%和50.6%。当数量增加到8时，各项指标分别提升了2.1%、2.0%和1.0%。然而，当数量进一步增加到12时，各项指标分别下降了2.4%、2.8%和1.9%。基于这些实验结果，我们决定在VehicleMAE编码器中引入8个可学习标记。这些对比实验充分证明了引入可学习标记的有效性。

• 不同属性编码器的比较

在本文中，我们对每个候选区域图像预测一组对应的车辆属性。我们利用大语言模型从这些属性信息中提取特征，然后通过GRU模块将属性特征融合为统一的文本表示。模型通过计算文本特征和视觉特征之间的余弦相似度损失进行优化。因此，所选大语言模型的能力将直接影响检测器的性能。我们在表6中比较了五种大语言模型：T5、CLIP、BERT、ALBERT和MPNet。其中，T5在AP[0.5:0.95]和AP0.5指标上达到最佳性能，分别为46.9%和66.5%。然而，在AP0.95指标上略低于CLIP0.4%。因此，我们选择使用大语言模型T5作为文本编码器。

• 不同特征融合策略的比较

在本文中，我们保留了原始MaskR-CNN通过ResNet50提取的图像特征，同时将RPN生成的候选区域图像输入预训练的大规模车辆模型VehicleMAE，通过其编码器进行特征提取。最后，将这两组特征融合用于检测。因此，特征融合的方法对模型性能至关重要。我们比较了三种特征融合策略：拼接、加权融合和线性融合。效果评估结果总结在表7中。拼接两种特征实现了46.9%、66.5%和51.6%。与加权融合相比，拼接操作将指标提升了2%、3.2%和2%，与线性融合相比提升了1%、2.3%和0.7%。因此，本文选择拼接操作作为特征融合方法。

• 属性向量不同使用方法的比较

利用在CompCars数据集上预训练的属性头，我们对每个候选区域进行属性预测，获得一组由T5编码的属性特征。随后，这些特征通过GRU模块融合，得到候选区域的文本特征。我们比较了两种不同的属性向量使用方法，总结在表8中。当文本特征直接与图像特征拼接后输入分类和回归头时，结果分别为45.9%、64.6%和50.3%。而引入余弦相似度损失进行图像-文本对比学习时，结果为46.9%、66.5%和51.6%。与拼接方法相比，对比学习方法将指标分别提升了1%、1.9%和1.3%。我们认为这种提升的主要原因在于对比学习能够减少冗余信息和噪声，同时利用特征之间的互补性。此外，CompCars数据集与候选区域之间存在领域差距，对比学习方法相比拼接能更有效地缓解这种影响。因此，我们的方法采用对比学习方法。

• 不同对比学习损失函数的比较

在本文中，为了缓解视觉特征与语义类别之间的语义鸿沟，我们提出通过对比学习的思路将视觉特征与统一的属性表示对齐。我们在表9中比较了两种对比学习损失函数，即CLIP损失和余弦嵌入损失。从结果来看，余弦嵌入损失在三项指标上达到最佳性能，分别为46.9%、66.5%和51.6%。然而，使用交叉熵损失会导致AP[0.5:0.95]和AP0.5指标下降。我们认为这是由于存在许多具有相同目标的候选区域，而交叉熵损失将批次内所有其他候选区域视为负样本。因此，我们选择使用余弦嵌入损失。

• 不同微调方法的比较

在我们提出的VAtt2Vec模块中，我们使用大语言模型T5获取车辆属性嵌入。在论文中，我们尝试对大语言模型使用不同的参数高效微调（PEFT）策略。实验结果如表10所示。当不进行微调时，模型在AP[0.5:0.95]和AP0.5指标上均达到最佳性能。相反，对大语言模型进行微调实际上会损害模型的性能。因此，我们选择不在模型中对大语言模型进行微调。

• 可视化

在本节中，我们可视化了我们的模型VFM-Det的检测结果、VAtt2Vec模块检测到的候选区域属性结果，以及VehicleMAE骨干网络处理的候选区域特征图。

我们在道路图像上展示了检测结果，其中绿色框表示我们提出的算法的检测结果，白色框表示Mask R-CNN的检测结果，红色框表示真实标注。如图5所示，我们的方法能够准确检测车辆目标。在图6中，我们展示了VAtt2Vec模块对候选区域属性的检测结果。此外，如图7所示，我们使用GradCAM2可视化VehicleMAE编码器最后一个Transformer块的注意力图。可以观察到注意力主要集中在车辆目标上，这表明我们的VehicleMAE编码器能够提取更有效的候选区域特征。

• 局限性分析

基于上述实验，我们发现引入预训练的车辆专用基础模型VehicleMAE显著提升了车辆检测性能。然而，由于候选区域数量庞大，即使我们固定了VehicleMAE编码器的参数，仍然引入了更多的计算开销。因此，进一步降低检测器的复杂度是一个重要的研究方向。另一方面，属性预测头是在小规模数据集上训练的，这可能会限制属性预测的性能。该模块还使我们的检测器无法进行端到端优化。我们将在未来的工作中解决这两个问题。

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结论

本文提出了一种新型车辆检测范式VFM-Det，通过基于预训练基础视觉与语言模型扩展区域提议检测器来实现。对于输入图像，我们首先将其输入ResNet50骨干网络获取图像特征，并通过区域提议网络生成一组候选区域。随后，我们从图像中裁剪这些候选区域，并利用在大规模车辆图像数据集上预训练的VehicleMAE编码器提取候选区域特征，从而增强原始特征。更重要的是，我们引入了创新的VAtt2Vec模块，该模块基于VehicleMAE编码器提取的特征预测这些候选区域的车辆语义属性。这些属性随后被转化为统一特征向量，并通过计算与视觉特征的相似性约束来优化模型。我们在三个车辆检测数据集上评估和比较了VFM-Det，大量实验充分证明了我们提出的车辆检测器的有效性和优越性。