基于条件深度卷积生成对抗网络的图像识别方法

生成对抗网络（Generative adversarial networks,GAN）是目前热门的生成式模型.深度卷积生成对抗网络（Deep convolutional GAN,DCGAN）在传统生成对抗网络的基础上,引入卷积神经网络（Convolutional neural networks,CNN）进行无监督训练;条件生成对抗网络（Conditional GAN,CGAN）在GAN的基础上加上条件扩展为条件模型.结合深度卷积生成对抗网络和条件生成对抗网络的优点,建立条件深度卷积生成对抗网络模型（Conditional-DCGAN,C-DCGAN）,利用卷积神经网络强大的特征提取能力,在此基础上加以条件辅助生成样本,将此结构再进行优化改进并用于图像识别中,实验结果表明,该方法能有效提高图像的识别准确率.     

并行生成网络的红外—可见光图像转换

目的 针对现有图像转换方法的深度学习模型中生成式网络（generator network）结构单一化问题，改进了条件生成式对抗网络（conditional generative adversarial network，CGAN）的结构，提出了一种融合残差网络（ResNet）和稠密网络（DenseNet）两种不同结构的并行生成器网络模型。方法 构建残差、稠密生成器分支网络模型，输入红外图像，分别经过残差、稠密生成器分支网络各自生成可见光转换图像，并提出一种基于图像分割的线性插值算法，将各生成器分支网络的转换图像进行融合，获取最终的可见光转换图像；为防止小样本条件下的训练过程中出现过拟合，在判别器网络结构中插入dropout层；设计最优阈值分割目标函数，在并行生成器网络训练过程中获取最优融合参数。结果 在公共红外-可见光数据集上测试，相较于现有图像转换深度学习模型Pix2Pix和CycleGAN等，本文方法在性能指标均方误差（mean square error，MSE）和结构相似性（structural similarity index，SSIM）上均取得显著提高。结论 并行生成器网络模型有效融合了各分支网络结构的优点，图像转换结果更加准确真实。     

Edge-guided GAN：边界信息引导的深度图像修复

目的 目前大多数深度图像修复方法可分为两类：色彩图像引导的方法和单个深度图像修复方法。色彩图像引导的方法利用色彩图像真值,或其上一帧、下一帧提供的信息来修复深度图像。若缺少相应信息,这类方法是无效的。单个深度图像修复方法可以修复数据缺失较少的深度图像。但是,无法修复带有孔洞（数据缺失较大）的深度图像。为解决以上问题,本文将生成对抗网络（generative adversarial network,GAN）应用于深度图像修复领域,提出了一种基于GAN的单个深度图像修复方法,即Edge-guided GAN。方法 首先,通过Canny算法获得待修复深度图像的边界图像,并将此两个单通道图像（待修复深度图像和边界图像）合并成一个2通道数据;其次,设计Edge-guided GAN高性能的生成器、判别器和损失函数,将此2通道数据作为生成器的输入,训练生成器,以生成器生成的深度图像（假值）和深度图像真值为判别器的输入,训练判别器;最终得到深度图像修复模型,完成深度图像修复。结果 在Apollo scape数据集上与其他4种常用的GAN、不带边界信息的Edge-guided GAN进行实验分析。在输入尺寸为256×256像素,掩膜尺寸为32×32像素情况下,Edge-guided GAN的峰值信噪比（peak signal-to-noise ratio,PSN）比性能第2的模型提高了15.76%;在掩膜尺寸为64×64像素情况下,Edge-guided GAN的PSNR比性能第2的模型提高了18.64%。结论 Edge-guided GAN以待修复深度图像的边界信息为其修复的约束条件,有效地提取了待修复深度图像特征,大幅度地提高了深度图像修复的精度。     

融合密集残差块和GAN变体的医学图像非刚性配准

目的 现有的医学图像配准算法在处理较大非刚性形变的医学图像时,存在配准精度低和泛化能力不足的问题。针对该问题,提出结合密集残差块和生成对抗网络（generative adversarial network,GAN）的图像配准方法,用于多模态医学图像的非刚性配准。方法 将密集残差块引入到生成器,提取待配准图像对的更多高层特征,从而提高配准精度;在GAN中采用最小二乘损失代替逻辑回归构造的交叉熵损失,由于最小二乘损失的收敛条件更严格,同时能缓解梯度消失和过拟合,从而提高配准模型的稳定性;在判别器网络中引入相对平均GAN（relative average GAN,RaGAN）,即在标准判别器的基础上增加一项梯度惩罚因子,降低判别器的判别误差,从而相对减少配准模型的配准误差,有助于稳定配准精度。结果 在DRIVE（digital retinal images for vessel extraction）数据集上进行训练和验证,在Sunybrook Cardiac数据集和Brain MRI数据集上进行泛化性能测试,并与几种主流医学图像非刚性配准算法进行对比实验,表明,本文配准模型在精度和泛化能力上均有一定程度的提升,相比其他方法,视网膜图像、心脏图像和脑部图像的配准Dice值分别提升了3.3%、3.0%、1.5%。结论 提出的配准方法能够获取更多高层特征信息,从而提升配准精度;同时基于最小二乘法构建损失函数并对判别器进行加强,能够使得配准模型在训练阶段快速收敛,提高了配准模型的稳定性和泛化能力,适合存在较大非刚性形变的医学图像的配准。     

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。     

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。     

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。     

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。     

生成式对抗网络及其计算机视觉应用研究综述

目的 生成式对抗网络（GAN）的出现为计算机视觉应用提供了新的技术和手段,它以独特零和博弈与对抗训练的思想生成高质量的样本,具有比传统机器学习算法更强大的特征学习和特征表达能力。目前在机器视觉领域尤其是样本生成领域取得了显著的成功,是当前研究的热点方向之一。方法 以生成式对抗网络的不同模型及其在计算机视觉领域的应用为研究对象,在广泛调研文献特别是GAN的最新发展成果基础上,结合不同模型的对比试验,对每种方法的基本思想、方法特点及使用场景进行分析,并对GAN的优势与劣势进行总结,阐述了GAN研究的现状、在计算机视觉上的应用范围,归纳生成式对抗网络在高质量图像生成、风格迁移与图像翻译、文本与图像的相互生成和图像的还原与修复等多个计算机视觉领域的研究现状和发展趋势,并对每种应用的理论改进之处、优点、局限性及使用场景进行了总结,对未来可能的发展方向进行展望。结果 GAN的不同模型在生成样本质量与性能上各有优劣。当前的GAN模型在图像的处理上取得较大的成就,能生成以假乱真的样本,但是也存在网络不收敛、模型易崩溃、过于自由不可控的问题。结论 GAN作为一种新的生成模型具有很高的研究价值与应用价值,但目前存在一些理论上的桎梏亟待突破,在应用方面生成高质量的样本、逼真的场景是值得研究的方向。     

对抗型长短期记忆网络的雷达回波外推算法

目的 雷达回波外推是进行短临降水预测的一种重要方法,相较于传统的数值天气预报方法能够实现更快、更准确的预测。基于卷积长短期记忆网络（convolutional long short-term memory network,ConvLSTM）的回波外推算法的效果优于其他的深度学习外推算法,但是忽略了普通卷积运算在面对局部变化特征时的局限性,并且在外推过程中将损失函数简单定义为均方误差（mean squared error,MSE）,忽略了外推图像与原始图像的分布相似性,容易导致信息丢失。为解决以上不足,提出了一种基于对抗型光流长短期记忆网络（deep convolutional generative adversarial flow based long short-term memory network,DCF-LSTM）的回波外推算法。方法 首先,采用光流追踪局部特征的方式改进ConvLSTM,突破了一般卷积核面对局部变化特征的限制。然后,以光流长短期记忆网络（flow based long short-term memory network, FLSTM）作为基本模块构建外推模型。最后,引入对抗网络,与外推模型组成端到端的博弈系统DCF-LSTM,两者交替训练实现外推图像分布向原图像分布的拟合。结果 在4种不同的反射率强度下进行了消融研究,并与3种主流的气象业务算法进行了对比。实验结果表明,DCF-LSTM在所有评价指标中表现最优,尤其在反射率为35 dBZ的条件下。结论 由实验结果可知,引入光流法能够使模型具有更好的抗畸变性,引入深度卷积生成对抗网络（deep convolutional generative adversarial network,DCGAN）判别模块能进一步增加结果的准确性。本文提出的DCF-LSTM回波外推算法相比于其他算法,雷达外推准确率获得了进一步提升。     

基于仲裁机制的生成对抗网络改进算法

针对深度卷积生成对抗网络（DCGAN）中的对抗训练缺乏灵活性以及DCGAN所使用的二分类交叉熵损失（BCE loss）函数存在优化不灵活、收敛状态不明确的问题,提出了一种基于仲裁机制的生成对抗网络（GAN）改进算法,即在DCGAN的基础上引入了所提出的仲裁机制。首先,所提改进算法的网络结构由生成器、鉴别器和仲裁器组成;然后,生成器与鉴别器会根据训练规划进行对抗训练,并根据从数据集中感知学习到的特征分别强化生成图像以及辨别图像真伪的能力;其次,由上一轮经过对抗训练的生成器和鉴别器与度量分数计算模块一起组成仲裁器,该仲裁器将度量生成器与鉴别器对抗训练的结果,并反馈到训练规划中;最后,在网络结构中添加获胜限制以提高模型训练的稳定性,并使用Circle loss函数替换BCE loss函数,使得模型优化过程更灵活、收敛状态更明确。实验结果表明,所提算法在建筑类以及人脸数据集上有较好的生成效果,在LSUN数据集上,该算法的FID指标相较于DCGAN原始算法下降了1.04%;在CelebA数据集上,该算法的IS指标相较于DCGAN原始算法提高了4.53%。所提算法生成的图像具有更好的多样性以及更高的质量。     

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。     

PSWGAN-GP:改进梯度惩罚的生成对抗网络

生成对抗网络的出现对解决深度学习领域样本数据不足的研究起到了极大的促进作用。为解决生成对抗网络生成的图像出现轮廓模糊、前景背景分离等细节质量问题,提出一种改进梯度惩罚的Wasserstein生成对抗网络算法(PSWGAN-GP)。该算法在WGAN-GP的Wasserstein距离损失和梯度惩罚的基础上,在判别器中使用从VGG-16网络的3个池化层中提取的特征,并通过这些特征计算得出风格损失(Style-loss)和感知损失(Perceptual-loss)作为原损失的惩罚项,提升判别器对深层特征的获取和判别能力,对生成图像的细节进行修正和提升。实验结果表明,在生成器和判别器网络结构相同,并保证超参数相同的情况下,PSWGAN-GP的IS评分和FID评分相对于参与对比的其他图像生成算法有所提升,且可有效改善生成图片的细节质量。     

基于条件约束的胶囊生成对抗网络

生成式对抗网络(Generative adversarial networks,GAN)是主要的以无监督方式学习深度生成模型的方法之一.基于可微生成器网络的生成式建模方法,是目前最热门的研究领域,但由于真实样本分布的复杂性,导致GAN生成模型在训练过程稳定性、生成质量等方面均存在不少问题.在生成式建模领域,对网络结构的探索是重要的一个研究方向,本文利用胶囊神经网络(Capsule networks,CapsNets)重构生成对抗网络模型结构,在训练过程中使用了Wasserstein GAN(WGAN)中提出的基于Earth-mover距离的损失函数,并在此基础上加以条件约束来稳定模型生成过程,从而建立带条件约束的胶囊生成对抗网络(Conditional-CapsuleGAN,C-CapsGAN).通过在MNIST和CIF AR-10数据集上的多组实验,结果表明将CapsNets应用到生成式建模领域是可行的,相较于现有类似模型,C-CapsGAN不仅能在图像生成任务中稳定生成高质量图像,同时还能更有效地抑制模式坍塌情况的发生.     

条件生成对抗网络的低照度图像增强方法

目的 在日常的图像采集工作中,由于场景光照条件差或设备的补光能力不足,容易产生低照度图像。为了解决低照度图像视觉感受差、信噪比低和使用价值低（难以分辨图像内容）等问题,本文提出一种基于条件生成对抗网络的低照度图像增强方法。方法 本文设计一个具备编解码功能的卷积神经网络（CNN）模型作为生成模型,同时加入具备二分类功能的CNN作为判别模型,组成生成对抗网络。在模型训练的过程中,以真实的亮图像为条件,依靠判别模型监督生成模型以及结合判别模型与生成模型间的相互博弈,使得本文网络模型具备更好的低照度图像增强能力。在本文方法使用过程中,无需人工调节参数,图像输入模型后端到端处理并输出结果。结果 将本文方法与现有方法进行比较,利用本文方法增强的图像在亮度、清晰度以及颜色还原度等方面有了较大的提升。在峰值信噪比、直方图相似度和结构相似性等图像质量评价指标方面,本文方法比其他方法的最优值分别提高了0.7 dB、3.9%和8.2%。在处理时间上,本文方法处理图像的速度远远超过现有的传统方法,可达到实时增强的要求。结论 通过实验比较了本文方法与现有方法对于低照度图像的处理效果,表明本文方法具有更优的处理效果,同时具有更快的处理速度。     

基于双向约束的生成对抗网络

提高生成样本的质量和多样性一直是生成对抗网络(generative adversarial network, GAN)领域主要挑战任务之一.为此,提出了一种双向约束生成对抗网络(bidirectional constraint generative adversarial network, BCGAN).与传统GAN变体相比,该网络在架构设计上增加了一个生成器模块,两个生成器分别从两个不同方向逼近真实样本的数据分布.然后根据BCGAN的网络架构,设计了新的损失函数,并对其进行了理论分析及证明.在BCGAN的训练过程中,一方面通过增加两个生成样本数据分布之间的距离来丰富生成样本的多样性,另一方面通过减小鉴别器对两个生成样本数据分布之间的差异来稳定训练过程,提高生成样本的质量.最后,在1个合成数据集和3个不同公开挑战数据集上进行了实验.一系列实验证明,较其他生成方法相比,所提方法对真实数据分布具有更强的拟合能力,能够有效提升生成样本的质量和多样性.此外,所提方法的训练过程更加平滑稳定.     

多尺度生成式对抗网络图像修复算法

图像修复作为深度学习领域的一个研究热点,在人们现实生活中有着重要的意义。现有图像修复算法存在各种问题,导致视觉上无法达到人们的要求。针对现有图像修复算法精确度低、视觉一致性差以及训练不稳定等缺陷,提出了一种基于生成式对抗网络(GAN)模型的图像修复算法。该算法主要对判别器的网络结构进行改进,在全局判别器和局部判别器的基础上引入多尺度判别器。多尺度判别器在不同分辨率的图像上进行训练,不同尺度的判别器具有不同的感受野,能够引导生成器生成更全局的图像视图以及更精细的细节。针对GAN训练中经常出现的梯度消失或梯度爆炸问题,使用WGAN(Wasserstein GAN)的思想,采用EM距离模拟样本数据分布。在CelebA、ImageNet以及Place2图像数据集上对该算法的网络模型进行了训练和测试,结果显示与先前的算法模型相比,该算法提高了图像修复的精确度,能够生成更为逼真的修复图片,并且适用于多种类型图片的修复。     

对抗型半监督光伏面板故障检测

目的 传统的光伏面板故障检测主要依靠人工巡检,效率低下且误检率很高,而流行的基于机器视觉的智能检测方法又面临缺少大量负样例造成故障检测模型准确性偏低的问题。针对上述问题,本文提出一种基于对抗训练的半监督异常检测模型,通过应用梯度中心化（gradient centralization,GC）和Smooth L1损失函数,使模型具有更好的准确性和鲁棒性。方法 通过构建半监督异常检测模型并定义目标函数,将正常的光伏面板图像作为正样例原图输入半监督异常检测模型进行模型训练。然后将待测光伏面板图像输入到训练好的半监督异常检测模型,生成该待测图像对应的重建图像。最后通过计算待测原图像与其重建图像隐空间向量之间的误差来判断该待测光伏面板是否存在异常。结果 本文以浙江某光伏电站采集的光伏面板为实验对象,将本文方法与Pre-trained VGG16（Visual Geometry Group 16-layer network）、AnoGAN （anomaly generative adversarial network）、GANomaly等方法进行比较,AUC （area under curve）分别提高了0.12、0.052和0.033。结论 实验结果证明,本文提出的基于生成对抗网络的半监督异常检测模型大幅提高了光伏面板故障检测的准确率。