结合Bi-LSTM-CNN的语音文本双模态情感识别模型

针对单一模态情感识别精度低的问题,提出了基于Bi-LSTM-CNN的语音文本双模态情感识别模型算法.该算法采用带有词嵌入的双向长短时记忆网络(bi-directional long short-term memory network,Bi-LSTM)和卷积神经网络(convolutional neural networ...     

密集连接卷积网络图像去模糊

目的 非均匀盲去运动模糊是图像处理和计算机视觉中的基础课题之一。传统去模糊算法有处理模糊种类单一、耗费时间两大缺点,且一直未能有效解决。随着神经网络在图像生成领域的出色表现,本文把去运动模糊视为图像生成的一种特殊问题,提出一种基于神经网络的快速去模糊方法。方法 首先,将图像分类方向表现优异的密集连接卷积网络（dense connected convolutional network, DenseNets）应用到去模糊领域,该网络能充分利用中间层的有用信息。在损失函数方面,采用更符合去模糊目的的感知损失（perceptual loss）,保证生成图像和清晰图像在内容上的一致性。采用生成对抗网络（generative adversarial network,GAN）,使生成的图像在感官上与清晰图像更加接近。结果 通过测试生成图像相对于清晰图像的峰值信噪比 （peak signal to noise ratio,PSNR）,结构相似性 （structural similarity,SSIM）和复原时间来评价算法性能的优劣。相比DeblurGAN（blind motion deblurring using conditional adversarial networks）,本文算法在GOPRO测试集上的平均PSNR提高了0.91,复原时间缩短了0.32 s,能成功恢复出因运动模糊而丢失的细节信息。在Kohler数据集上的性能也优于当前主流算法,能够处理不同的模糊核,鲁棒性强。结论 本文算法网络结构简单,复原效果好,生成图像的速度也明显快于其他方法。同时,该算法鲁棒性强,适合处理各种因运动模糊而导致的图像退化问题。     

结合GAN的轻量级模糊车牌识别算法

目的 模糊车牌识别是车牌识别领域的难题,针对模糊车牌图像收集困难、车牌识别算法模型太大、不适用于移动或嵌入式设备等不足,本文提出了一种轻量级的模糊车牌识别方法,使用深度卷积生成对抗网络生成模糊车牌图像,用于解决现实场景中模糊车牌难以收集的问题,在提升算法识别准确性的同时提升了部署泛化能力。方法 该算法主要包含两部分,即基于优化卷积生成对抗网络的模糊车牌图像生成和基于深度可分离卷积网络与双向长短时记忆（long short-term memory,LSTM）的轻量级车牌识别。首先,使用Wasserstein距离优化卷积生成对抗网络的损失函数,提高生成车牌图像的多样性和稳定性;其次,在卷积循环神经网络的基础上,结合深度可分离卷积设计了一个轻量级的车牌识别模型,深度可分离卷积网络在减少识别算法计算量的同时,能对训练样本进行有效的特征学习,将特征图转换为特征序列后输入到双向LSTM网络中,进行序列学习与标注。结果 实验表明,增加生成对抗网络生成的车牌图像,能有效提高本文算法、传统车牌识别和基于深度学习的车牌识别方法的识别率,为进一步提高各类算法的识别率提供了一种可行方案。结合深度可分离卷积的轻量级车牌识别模型,识别率与基于标准循环卷积神经网络（convolutional recurrent neural network,CRNN）的车牌识别方法经本文生成图像提高后的识别率相当,但在模型的大小和识别速度上都优于标准的CRNN模型,本文算法的模型大小为45 MB,识别速度为12.5帧/s,标准CRNN模型大小是82 MB,识别速度只有7帧/s。结论 使用生成对抗网络生成图像,可有效解决模糊车牌图像样本不足的问题;结合深度可分离卷积的轻量级车牌识别模型,具有良好的识别准确性和较好的部署泛化能力。     

基于卷积自编码生成式对抗网络的 高分辨率破损图像修复

目的 破损图像修复是一项具有挑战性的任务,其目的是根据破损图像中已知内容对破损区域进行填充。许多基于深度学习的破损图像修复方法对大面积破损的图像修复效果欠佳,且对高分辨率破损图像修复的研究也较少。对此,本文提出基于卷积自编码生成式对抗网络(convolutional auto-encoder generative adversarial network,CAE-GAN)的修复方法。方法 通过训练生成器学习从高斯噪声到低维特征矩阵的映射关系,再将生成器生成的特征矩阵升维成高分辨率图像,搜索与待修复图像完好部分相似的生成图像,并将对应部分覆盖到破损图像上,实现高分辨率破损图像的修复。结果 通过将学习难度较大的映射关系进行拆分,降低了单个映射关系的学习难度,提升了模型训练效果,在4个数据集上对不同破损程度的512×512×3高分辨率破损图像进行修复,结果表明,本文方法成功预测了大面积缺失区域的信息。与CE(context-encoders)方法相比,本文方法在破损面积大的图像上的修复效果提升显著,峰值信噪比(peak signal to noise ratio,PSNR)和结构相似性(structural similarity,SSIM)值最高分别提升了31.6% 和18.0%,与DCGAN(deep convolutional generative adversarial network)方法相比,本文方法修复的图像内容符合度更高,破损区域修复结果更加清晰,PSNR和SSIM值最高分别提升了24.4% 和50.0%。结论 本文方法更适用于大面积破损图像与高分辨率图像的修复工作。     

风格强度可变的人脸风格迁移网络

目的 针对人脸风格迁移算法StarGAN （star generative adversarial network）、MSGAN （mode seeking generative adversarial network）等存在细节风格学习不佳、迁移效果单一和生成图像失真等缺点，提出一种能够降低失真并生成不同风格强度图像的人脸风格迁移算法MStarGAN （multilayer StarGAN）。方法 首先，通过特征金字塔网络（feature pyramid network，FPN）构建前置编码器，生成蕴含有图像细节特征的多层特征向量，增强生成图像在风格传输时能学习到的风格图像的细节风格；其次，使用前置编码器对原图像及风格图像各生成一个风格向量并进行组合，利用组合后的风格向量进行风格传输，使生成图像具有不同的风格迁移强度；最后，采用权重解调算法作为生成器中的风格传输模块，通过对卷积权重的操作代替在特征图上的归一化操作，消除特征图中的特征伪影，减少生成图像中的失真。结果 在Celeba_HQ数据集上进行实验，与MSGAN、StarGAN v2等对比算法相比，在参考引导合成实验中，MStarGAN的FID （Frechét inception distance score）指标分别降低了18.9和3.1，LPIPS （learnedperceptual image patch similarity）指标分别提升了0.094和0.018。在潜在引导合成实验中，MStarGAN的FID指标分别降低了20.2和0.8，LPIPS指标分别提升了0.155和0.92，并能够生成具有不同风格强度的结果图像。结论 提出的算法能够传输图像的细节风格，生成具有不同强度的输出图像，并减少生成图像的失真。     

Re-GAN：残差生成式对抗网络算法

目的 生成式对抗网络（generative adversarial network,GAN）是一种无监督生成模型,通过生成模型和判别模型的博弈学习生成图像。GAN的生成模型是逐级直接生成图像,下级网络无法得知上级网络学习的特征,以至于生成的图像多样性不够丰富。另外,随着网络层数的增加,参数变多,反向传播变得困难,出现训练不稳定和梯度消失等问题。针对上述问题,基于残差网络（residual network,ResNet）和组标准化（group normalization,GN）,提出了一种残差生成式对抗网络（residual generative adversarial networks,Re-GAN）。方法 Re-GAN在生成模型中构建深度残差网络模块,通过跳连接的方式融合上级网络学习的特征,增强生成图像的多样性和质量,改善反向传播过程,增强生成式对抗网络的训练稳定性,缓解梯度消失。随后采用组标准化（GN）来适应不同批次的学习,使训练过程更加稳定。结果 在Cifar10、CelebA和LSUN数据集上对算法的性能进行测试。Re-GAN的IS （inception score）均值在批次为64时,比DCGAN （deep convolutional GAN）和WGAN （Wasserstein-GAN）分别提高了5%和30%,在批次为4时,比DCGAN和WGAN分别提高了0.2%和13%,表明无论批次大小,Re-GAN生成图像具有很好的多样性。Re-GAN的FID （Fréchet inception distance）在批次为64时比DCGAN和WGAN分别降低了18%和11%,在批次为4时比DCGAN和WGAN分别降低了4%和10%,表明Re-GAN生成图像的质量更好。同时,Re-GAN缓解了训练过程中出现的训练不稳定和梯度消失等问题。结论 实验结果表明,在图像生成方面,Re-GAN的生成图像质量高、多样性强;在网络训练方面,Re-GAN在不同批次下的训练具有更好的兼容性,使训练过程更加稳定,梯度消失得到缓解。     

双光流网络指导的视频目标检测

目的 卷积神经网络广泛应用于目标检测中,视频目标检测的任务是在序列图像中对运动目标进行分类和定位。现有的大部分视频目标检测方法在静态图像目标检测器的基础上,利用视频特有的时间相关性来解决运动目标遮挡、模糊等现象导致的漏检和误检问题。方法 本文提出一种双光流网络指导的视频目标检测模型,在两阶段目标检测的框架下,对于不同间距的近邻帧,利用两种不同的光流网络估计光流场进行多帧图像特征融合,对于与当前帧间距较小的近邻帧,利用小位移运动估计的光流网络估计光流场,对于间距较大的近邻帧,利用大位移运动估计的光流网络估计光流场,并在光流的指导下融合多个近邻帧的特征来补偿当前帧的特征。结果 实验结果表明,本文模型的mAP（mean average precision）为76.4%,相比于TCN（temporal convolutional networks）模型、TPN+LSTM（tubelet proposal network and long short term memory network）模型、D（&T loss）模型和FGFA（flow-guided feature aggregation）模型分别提高了28.9%、8.0%、0.6%和0.2%。结论 本文模型利用视频特有的时间相关性,通过双光流网络能够准确地从近邻帧补偿当前帧的特征,提高了视频目标检测的准确率,较好地解决了视频目标检测中目标漏检和误检的问题。     

基于一维卷积循环神经网络的深度强化学习算法

针对现有深度强化学习算法在状态空间维度大的环境中难以收敛的问题,提出了在时间维度上提取特征的基于一维卷积循环网络的强化学习算法;首先在深度Q网络(DQN,deep Q network)的基础上构建一个深度强化学习系统;然后在深度循环Q网络(DRQN,deep recurrent Q network)的神经网络结构基础上加入了一层一维卷积层,用于在长短时记忆(LSTM,long short-term memory)层之前提取时间维度上的特征;最后在与时序相关的环境下对该新型强化学习算法进行训练和测试;实验结果表明这一改动可以提高智能体的决策水平,并使得深度强化学习算法在非图像输入的时序相关环境中有更好的表现。     

面向类内差距表情的深度学习识别

目的 为解决真实环境中由类内差距引起的面部表情识别率低及室内外复杂环境对类内差距较大的面部表情识别难度大等问题,提出一种利用生成对抗网络（generative adversarial network,GAN）识别面部表情的方法。方法 在GAN生成对抗的思想下,构建一种IC-GAN（intra-class gap GAN）网络结构,使用卷积组建编码器、解码器对自制混合表情图像进行更深层次的特征提取,使用基于动量的Adam（adaptive moment estimation）优化算法进行网络权重更新,重点针对真实环境面部表情识别过程中的类内差距较大的表情进行识别,使其更好地适应类内差异较大的任务。结果 基于Pytorch环境,在自制的面部表情数据集上进行训练,在面部表情验证集上进行测试,并与深度置信网络（deep belief network,DBN）和GoogLeNet网络进行对比实验,最终IC-GAN网络的识别结果比DBN网络和GoogLeNet网络分别提高11%和8.3%。结论 实验验证了IC-GAN在类内差距较大的面部表情识别中的精度,降低了面部表情在类内差距较大情况下的误识率,提高了系统鲁棒性,为面部表情的生成工作打下了坚实的基础。     

由粗到精的多尺度散焦模糊检测

目的 散焦模糊检测致力于区分图像中的清晰与模糊像素，广泛应用于诸多领域，是计算机视觉中的重要研究方向。待检测图像含复杂场景时，现有的散焦模糊检测方法存在精度不够高、检测结果边界不完整等问题。本文提出一种由粗到精的多尺度散焦模糊检测网络，通过融合不同尺度下图像的多层卷积特征提高散焦模糊的检测精度。方法 将图像缩放至不同尺度，使用卷积神经网络从每个尺度下的图像中提取多层卷积特征，并使用卷积层融合不同尺度图像对应层的特征；使用卷积长短时记忆（convolutional long-short term memory，Conv-LSTM）层自顶向下地整合不同尺度的模糊特征，同时生成对应尺度的模糊检测图，以这种方式将深层的语义信息逐步传递至浅层网络；在此过程中，将深浅层特征联合，利用浅层特征细化深一层的模糊检测结果；使用卷积层将多尺度检测结果融合得到最终结果。本文在网络训练过程中使用了多层监督策略确保每个Conv-LSTM层都能达到最优。结果 在DUT （Dalian University of Technology）和CUHK （The Chinese University of Hong Kong）两个公共的模糊检测数据集上进行训练和测试，对比了包括当前最好的模糊检测算法BTBCRL （bottom-top-bottom network with cascaded defocus blur detection map residual learning），DeFusionNet （defocus blur detection network via recurrently fusing and refining multi-scale deep features）和DHDE （multi-scale deep and hand-crafted features for defocus estimation）等10种算法。实验结果表明：在DUT数据集上，本文模型相比于DeFusionNet模型，MAE （mean absolute error）值降低了38.8%，F_0.3值提高了5.4%；在CUHK数据集上，相比于LBP （local binary pattern）算法，MAE值降低了36.7%，F_0.3值提高了9.7%。通过实验对比，充分验证了本文提出的散焦模糊检测模型的有效性。结论 本文提出的由粗到精的多尺度散焦模糊检测方法，通过融合不同尺度图像的特征，以及使用卷积长短时记忆层自顶向下地整合深层的语义信息和浅层的细节信息，使得模型在不同的图像场景中能得到更加准确的散焦模糊检测结果。     

动态概率卷积神经网络在雷达回波外推中的应用

雷达回波外推方法已广泛应用于短时强降水临近预报中.针对传统雷达回波外推方法未充分利用海量历史气象数据从而导致预报准确度不高的问题,提出了一个基于动态概率卷积神经网络(dynamic probability convolutional neural network,DPCNN)的雷达回波外推模型.该模型在卷积神经网络的基础上增加动态概率计算层,对不同的雷达回波输入序列计算对应的概率卷积核,并用于后续的外推计算中,使得网络在预测阶段仍然能够根据不同的输入序列作出相应的概率调整,从而增强了外推结果与已知序列的关联.经某局部地区短时强降水外推实验,从外推图像、CSI指数、FAR指数、POD指数四个方面验证了该模型的有效性.     

SAR图像目标识别的卷积神经网模型

目的 合成孔径雷达图像目标识别可以有效提高合成孔径雷达数据的利用效率。针对合成孔径雷达图像目标识别滤波处理耗时长、识别精度不高的问题,本文提出一种卷积神经网络模型应用于合成孔径雷达图像目标识别。方法 首先,针对合成孔径雷达图像特点设计特征提取部分的网络结构;其次,代价函数中引入L2范数提高模型的抗噪性能和泛化性;再次,全连接层使用Dropout减小网络的运算量并提高泛化性;最后研究了滤波对于网络模型的收敛速度和准确率的影响。结果 实验使用美国运动和静止目标获取与识别数据库,10类目标识别的实验结果表明改进后的卷积神经网络整体识别率（包含变体）由93.76%提升至98.10%。通过设置4组对比实验说明网络结构的改进和优化的有效性。卷积神经网络噪声抑制实验验证了卷积神经网络的特征提取过程对于SAR图像相干斑噪声有抑制作用,可以省去耗时的滤波处理。结论 本文提出的卷积神经网络模型提高了网络的准确率、泛化性,无需耗时的滤波处理,是一种合成孔径雷达图像目标识别的有效方法。     

面向COVID-19疫情预测的图卷积神经网络时空数据学习

目的 当前的疾病传播研究主要集中于时序数据和传染病模型,缺乏运用空间信息提升预测精度的探索和解释。在处理时空数据时需要分别提取时间特征和空间特征,再进行特征融合得到较为可靠的预测结果。本文提出一种基于图卷积神经网络（graph convolutional neural network,GCN）的时空数据学习方法,能够运用空间模型端对端地学习时空数据,代替此前由多模块单元相集成的模式。方法 依据数据可视化阶段呈现出的地理空间、高铁线路、飞机航线与感染人数之间的正相关关系,将中国各城市之间的空间分布关系和交通连接关系映射成网络图并编码成地理邻接矩阵、高铁线路直达矩阵、飞机航线直达矩阵以及飞机航线或高铁线路直达矩阵。按滑动时间窗口对疫情数据进行切片后形成张量,依次分批输入到图深度学习模型中参与卷积运算,通过信息传递、反向传播和梯度下降更新可训练参数。结果 在新型冠状病毒肺炎疫情数据集上的实验结果显示,采用GCN学习这一时空数据的分布特征相较于循环神经网络模型,在训练过程中表现出了更强的拟合能力,在训练时间层面节约75%以上的运算成本,在两类损失函数下的平均测试集损失能够下降80%左右。结论 本文所采用的时空数据学习方法具有较低的运算成本和较高的预测精度,尤其在空间特征强于时间特征的时空数据中有着更好的性能,并且为流行病传播范围和感染人数的预测提供了新的方法和思路,有助于相关部门在公共卫生事件中制定应对措施和疾病防控决策。     

面向降雨预报的雷达回波预测序列外推方法

雷达回波外推方法广泛应用于降雨预报中。针对雷达回波中的预测精度不够高的问题,提出了一种基于循环神经网络的深度学习模型DIPredRNN。该模型通过引入空间和通道的双注意力机制,将长时间的时间信息和通道信息结合起来,提高了时间记忆的长期依赖;通过引入隐藏状态和输入的交互框架,保留了更多的特征,提高了时间记忆的短期依赖。该模型在HKO-7数据集和四川数据集上同经典模型以及诸多先进模型进行实验对比,该模型从外推图像、MSE、SSIM、CSI-30～50 dbz多个指标对比中都取得最佳效果。实验证明了DIPredRNN提高了雷达回波预测效果,拥有先进的性能。     

基于半监督对抗学习的图像语义分割

目的 将半监督对抗学习应用于图像语义分割,可以有效减少训练过程中人工生成标记的数量。作为生成器的分割网络的卷积算子只具有局部感受域,因此对于图像不同区域之间的远程依赖关系只能通过多个卷积层或增加卷积核的大小进行建模,但这种做法也同时失去了使用局部卷积结构获得的计算效率。此外,生成对抗网络（generative adversarial network,GAN）中的另一个挑战是判别器的性能控制。在高维空间中,由判别器进行的密度比估计通常是不准确且不稳定的。为此,本文提出面向图像语义分割的半监督对抗学习方法。方法 在生成对抗网络的分割网络中附加两层自注意模块,在空间维度上对语义依赖关系进行建模。自注意模块通过对所有位置的特征进行加权求和,有选择地在每个位置聚合特征。因而能够在像素级正确标记值数据的基础上有效处理输入图像中广泛分离的空间区域之间的关系。同时,为解决提出的半监督对抗学习方法的稳定性问题,在训练过程中将谱归一化应用到对抗网络的判别器中,这种加权归一化方法不仅可以稳定判别器网络的训练,并且不需要对唯一的超参数进行密集调整即可获得满意性能,且实现简单,计算量少,即使在缺乏互补的正则化技术的情况下,谱归一化也可以比权重归一化和梯度损失更好地改善生成图像的质量。结果 实验在Cityscapes数据集及PASCAL VOC 2012（pattern analysis,statistical modeling and computational learning visual object classes）数据集上与9种方法进行比较。在Cityscapes数据集中,相比基线模型,性能提高了2.3%~3.2%。在PASCAL VOC 2012数据集中,性能比基线模型提高了1.4%~2.5%。同时,在PASCAL VOC 2012数据集上进行消融实验,可以看出本文方法的有效性。结论 本文提出的半监督对抗学习的语义分割方法,通过引入的自注意力机制捕获特征图上各像素之间的依赖关系,应用谱归一化增强对抗生成网络的稳定性,表现出了较好的鲁棒性和有效性。     

提高小样本高光谱图像分类性能的变维卷积神经网络

目的 为了解决基于卷积神经网络的算法对高光谱图像小样本分类精度较低、模型结构复杂和计算量大的问题,提出了一种变维卷积神经网络。方法 变维卷积神经网络对高光谱分类过程可根据内部特征图维度的变化分为空—谱信息融合、降维、混合特征提取与空—谱联合分类的过程。这种变维结构通过改变特征映射的维度,简化了网络结构并减少了计算量,并通过对空—谱信息的充分提取提高了卷积神经网络对小样本高光谱图像分类的精度。结果 实验分为变维卷积神经网络的性能分析实验与分类性能对比实验,所用的数据集为Indian Pines和Pavia University Scene数据集。通过实验可知,变维卷积神经网络对高光谱小样本可取得较高的分类精度,在Indian Pines和Pavia University Scene数据集上的总体分类精度分别为87.87%和98.18%,与其他分类算法对比有较明显的性能优势。结论 实验结果表明,合理的参数优化可有效提高变维卷积神经网络的分类精度,这种变维模型可较大程度提高对高光谱图像中小样本数据的分类性能,并可进一步推广到其他与高光谱图像相关的深度学习分类模型中。     

基于CNN的改进行人重识别技术

针对行人重识别研究中训练样本的不足,为提高识别精度及泛化能力,提出一种基于卷积神经网络的改进行人重识别方法。首先对训练数据集进行扩充,使用生成对抗网络无监督学习方法生成无标签图像;然后与原数据集联合作半监督卷积神经网络训练,通过构建一个Siamese网络,结合分类模型和验证模型的特点进行训练;最后加入无标签图像类别分布方法,计算交叉熵损失来进行相似度量。实验结果表明,在Market-1501、CUHK03和DukeMTMC-reID数据集上,该方法相比原有的Siamese方法在Rank-1和mAP等性能指标上有近3～5个百分点的提升。当样本较少时,该方法具有一定应用价值。     

结合扰动约束的低感知性对抗样本生成方法

目的 对抗样本是指在原始数据中添加细微干扰使深度模型输出错误结果的合成数据。视觉感知性和攻击成功率是评价对抗样本的两个关键指标。当前大多数对抗样本研究侧重于提升算法的攻击成功率,对视觉感知性的关注较少。为此,本文提出了一种低感知性对抗样本生成算法,构造的对抗样本在保证较高攻击成功率的情况下具有更低的视觉感知性。方法 提出在黑盒条件下通过约束对抗扰动的面积与空间分布以降低对抗样本视觉感知性的方法。利用卷积网络提取图像中对输出结果影响较大的关键区域作为约束,限定扰动的位置。之后结合带有自注意力机制的生成对抗网络在关键区域添加扰动,最终生成具有低感知性的对抗样本。结果 在3种公开分类数据集上与多种典型攻击方法进行比较,包括7种白盒算法FGSM （fast gradient sign method）、BIM （basic iterative method）、DeepFool、PerC-C&W （perceptual color distance C&W）、JSMA （Jacobian-based saliency map attacks）、APGD （auto projected gradient descent）、AutoAttack和2种黑盒算法OnePixel、AdvGAN （adversarial generative adversarial network）。在攻击成功率（attack success rate,ASR）上,本文算法与对比算法处于同一水平。在客观视觉感知性对比中,本文算法较AdvGAN在低分辨率数据集上,均方误差（mean square error,MSE）值降低了42.1%,结构相似性值（structural similarity,SSIM）提升了8.4%;在中高分辨率数据集上,MSE值降低了72.7%,SSIM值提升了12.8%。与视觉感知性最好的对比算法DeepFool相比,在低分辨率数据集上,本文算法的MSE值降低了29.3%,SSIM值提升了0.8%。结论 本文分析了当前算法在视觉感知性上存在的问题,提出了一种对抗样本生成方法,在攻击成功率近似的情况下显著降低了对抗样本的视觉感知性。