DeepLabv3plus-IRCNet：小目标特征提取的图像语义分割

目的 为了解决经典卷积神经网络无法满足图像中极小目标特征提取的准确性需求问题,本文基于DeepLabv3plus算法,在下采样过程中引入特征图切分模块,提出了DeepLabv3plus-IRCNet（IR为倒置残差（inverted residual,C为特征图切分（feature map cut））图像语义分割方法,支撑图像极小目标的特征提取。方法 采用由普通卷积层和多个使用深度可分离卷积的倒置残差模块串联组成的深度卷积神经网络提取特征,当特征图分辨率降低到输入图像的1/16时,引入特征图切分模块,将各个切分特征图分别放大,通过参数共享的方式提取特征。然后,将每个输出的特征图进行对应位置拼接,与解码阶段放大到相同尺寸的特征图进行融合,提高模型对小目标物体特征的提取能力。结果 本文方法引入特征图切分模块,提高了模型对小目标物体的关注,充分考虑了图像上下文信息,对多个尺度下的各个中间层特征进行融合,提高了图像分割精度。为验证方法的有效性,使用CamVid（Cambridge-driving labeled video database）数据集对提出的方法进行验证,平均交并比（mean intersection over union,mIoU）相对于DeepLabv3plus模型有所提升。验证结果表明了本文方法的有效性。结论 本文方法充分考虑了图像分割中小目标物体的关注度,提出的DeepLabv3plus-IRCNet模型提升了图像分割精度。     

结合上下文特征与CNN多层特征融合的语义分割

目的 针对基于区域的语义分割方法在进行语义分割时容易缺失细节信息,造成图像语义分割结果粗糙、准确度低的问题,提出结合上下文特征与卷积神经网络（CNN）多层特征融合的语义分割方法。方法 首先,采用选择搜索方法从图像中生成不同尺度的候选区域,得到区域特征掩膜;其次,采用卷积神经网络提取每个区域的特征,并行融合高层特征与低层特征。由于不同层提取的特征图大小不同,采用RefineNet模型将不同分辨率的特征图进行融合;最后将区域特征掩膜和融合后的特征图输入到自由形式感兴趣区域池化层,经过softmax分类层得到图像的像素级分类标签。结果 采用上下文特征与CNN多层特征融合作为算法的基本框架,得到了较好的性能,实验内容主要包括CNN多层特征融合、结合背景信息和融合特征以及dropout值对实验结果的影响分析,在Siftflow数据集上进行测试,像素准确率达到82.3%,平均准确率达到63.1%。与当前基于区域的端到端语义分割模型相比,像素准确率提高了10.6%,平均准确率提高了0.6%。结论 本文算法结合了区域的前景信息和上下文信息,充分利用了区域的语境信息,采用弃权原则降低网络的参数量,避免过拟合,同时利用RefineNet网络模型对CNN多层特征进行融合,有效地将图像的多层细节信息用于分割,增强了模型对于区域中小目标物体的判别能力,对于有遮挡和复杂背景的图像表现出较好的分割效果。     

结合特征图切分的图像语义分割

目的 基于全卷积神经网络的图像语义分割研究已成为该领域的主流研究方向。然而,在该网络框架中由于特征图的多次下采样使得图像分辨率逐渐下降,致使小目标丢失,边缘粗糙,语义分割结果较差。为解决或缓解该问题,提出一种基于特征图切分的图像语义分割方法。方法 本文方法主要包含中间层特征图切分与相对应的特征提取两部分操作。特征图切分模块主要针对中间层特征图,将其切分成若干等份,同时将每一份上采样至原特征图大小,使每个切分区域的分辨率增大;然后,各个切分特征图通过参数共享的特征提取模块,该模块中的多尺度卷积与注意力机制,有效利用各切块的上下文信息与判别信息,使其更关注局部区域的小目标物体,提高小目标物体的判别力。进一步,再将提取的特征与网络原输出相融合,从而能够更高效地进行中间层特征复用,对小目标识别定位、分割边缘精细化以及网络语义判别力有明显改善。结果 在两个城市道路数据集CamVid以及GATECH上进行验证实验,论证本文方法的有效性。在CamVid数据集上平均交并比达到66.3%,在GATECH上平均交并比达到52.6%。结论 基于特征图切分的图像分割方法,更好地利用了图像的空间区域分布信息,增强了网络对于不同空间位置的语义类别判定能力以及小目标物体的关注度,提供更有效的上下文信息和全局信息,提高了网络对于小目标物体的判别能力,改善了网络整体分割性能。     

结合深度学习和超像元的高分遥感影像变化检测

目的 随着遥感影像空间分辨率的提升,相同地物的空间纹理表现形式差异变大,地物特征更加复杂多样,传统的变化检测方法已很难满足需求。为提高高分辨率遥感影像的变化检测精度,尤其对相同地物中纹理差异较大的区域做出有效判别,提出结合深度学习和超像元分割的高分辨率遥感影像变化检测方法。方法 将有限带标签数据分割成切片作训练样本,按照样本形式设计一个多切片尺度特征融合网络并对其训练,获得测试图像的初步变化检测结果;利用超像元分割算法将测试图像分割成许多无重叠的同质性区域,并将分割结果与前述检测结果叠合,得到带分割标记的变化检测结果;用举手表决算法统计带分割标记的变化检测结果中超像元的变化状况,得到最终变化检测结果。结果 在变化检测实验结果中,本文提出的多切片尺度特征融合卷积网络模型在广东数据集和香港数据集上,优于单一切片尺度下卷积神经网络模型,并且结合超像元的多切片尺度特征融合卷积网络模型得到的Kappa系数分别达到80%和82%,比相应的非超像元算法分别提高了6%和8%,在两个测试集上表现均优于长短时记忆网络、深度置信网络等对比算法。结论 本文提出的卷积神经网络变化检测方法可以充分学习切片的空间信息和其他有效特征,避免过拟合现象;多层尺度切片特征融合的方法优于单一切片尺度训练神经网络的方法;结合深度学习和超像元分割算法,检测单元实现了由切片到超像元的转变,能对同物异谱的区域做出有效判决,有利于提升变化检测精度。     

高分辨率遥感影像的边缘损失增强地物分割

目的 针对高分辨率遥感影像语义分割中普遍存在的分割精度不高、目标边界模糊等问题,提出一种综合利用边界信息和网络多尺度特征的边缘损失增强语义分割方法。方法 对单幅高分辨率遥感影像,首先通过对VGG-16（visual geometry group 16-layer net）网络引入侧边输出结构,提取到图像丰富的特征细节;然后使用深度监督的短连接结构将从深层到浅层的侧边输出组合起来,实现多层次和多尺度特征融合;最后添加边缘损失增强结构,用以获得较为清晰的目标边界,提高分割结果的准确性和完整性。结果 为了验证所提方法的有效性,选取中国北方种植大棚遥感影像和Google Earth上的光伏板组件遥感影像进行人工标注,并制作实验数据集。在这两个数据集上,将所提方法与几种常用的语义分割方法进行对比实验。实验结果表明,所提方法的精度在召回率为00.9之间时均在0.8以上,在2个数据集上的平均绝对误差分别为0.079 1和0.036 2。同时,通过消融实验分析了各个功能模块对最终结果的贡献。结论 与当前先进方法相比,本文提出的边缘损失增强地物分割方法能够更加精确地从遥感影像的复杂背景中提取目标区域,使分割时提取到的目标拥有更加清晰的边缘。     

融合深度特征和多核增强学习的显著目标检测

目的 针对现有基于手工特征的显著目标检测算法对于显著性物体尺寸较大、背景杂乱以及多显著目标的复杂图像尚不能有效抑制无关背景区域且完整均匀高亮显著目标的问题,提出了一种利用深度语义信息和多核增强学习的显著目标检测算法。方法 首先对输入图像进行多尺度超像素分割计算,利用基于流形排序的算法构建弱显著性图。其次,利用已训练的经典卷积神经网络对多尺度序列图像提取蕴含语义信息的深度特征,结合弱显著性图从多尺度序列图像内获得可靠的训练样本集合,采用多核增强学习方法得到强显著性检测模型。然后,将该强显著性检测模型应用于多尺度序列图像的所有测试样本中,线性加权融合多尺度的检测结果得到区域级的强显著性图。最后,根据像素间的位置和颜色信息对强显著性图进行像素级的更新,以进一步提高显著图的准确性。结果 在常用的MSRA5K、ECSSD和SOD数据集上与9种主流且相关的算法就准确率、查全率、F-measure值、准确率—召回率（PR）曲线、加权F-measure值和覆盖率（OR）值等指标和直观的视觉检测效果进行了比较。相较于性能第2的非端到端深度神经网络模型,本文算法在3个数据集上的平均F-measure值、加权F-measure值、OR值和平均误差（MAE）值,分别提高了1.6%,22.1%,5.6%和22.9%。结论 相较于基于手工特征的显著性检测算法,本文算法利用图像蕴含的语义信息并结合多个单核支持向量机（SVM）分类器组成强分类器,在复杂图像上取得了较好的检测效果。     

引入注意力机制和多视角融合的脑肿瘤MR图像U-Net分割模型

目的 脑肿瘤核磁共振（magnetic resonance,MR）图像分割对评估病情和治疗患者具有重要意义。虽然深度卷积网络在医学图像分割中取得了良好表现,但由于脑胶质瘤的恶性程度与外观表现有巨大差异,脑肿瘤MR图像分割仍是一项巨大挑战。图像语义分割的精度取决于图像特征的提取和处理效果。传统的U-Net网络以一种低效的拼接方式集成高层次特征和低层次特征,从而导致图像有效信息丢失,此外还存在未能充分利用上下文信息和空间信息的问题。对此,本文提出一种基于注意力机制和多视角融合U-Net算法,实现脑肿瘤MR图像的分割。方法 在U-Net的解码和编码模块之间用多尺度特征融合模块代替传统的卷积层,进行多尺度特征映射的提取与融合;在解码模块的级联结构中添加注意力机制,增加有效信息的权重,避免信息冗余;通过融合多个视角训练的模型引入3维图像的空间信息。结果 提出的模型在BraTS18（Multimodal Brain Tumor Segmentation Challenge 2018）提供的脑肿瘤MR图像数据集上进行验证,在肿瘤整体区域、肿瘤核心区域和肿瘤增强区域的Dice score分别为0.907、0.838和0.819,与其他方法进行对比,较次优方法分别提升了0.9%、1.3%和0.6%。结论 本文方法改进了传统U-Net网络提取和利用图像语义特征不足的问题,并引入了3维MR图像的空间信息,使得肿瘤分割结果更加准确,具有良好的研究和应用价值。     

全局注意力门控残差记忆网络的图像超分重建

目的 随着深度卷积神经网络的兴起,图像超分重建算法在精度与速度方面均取得长足进展。然而,目前多数超分重建方法需要较深的网络才能取得良好性能,不仅训练难度大,而且到网络末端浅层特征信息容易丢失,难以充分捕获对超分重建起关键作用的高频细节信息。为此,本文融合多尺度特征充分挖掘超分重建所需的高频细节信息,提出了一种全局注意力门控残差记忆网络。方法 在网络前端特征提取部分,利用单层卷积提取浅层特征信息。在网络主体非线性映射部分,级联一组递归的残差记忆模块,每个模块融合多个递归的多尺度残差单元和一个全局注意力门控模块来输出具备多层级信息的特征表征。在网络末端,并联多尺度特征并通过像素重组机制实现高质量的图像放大。结果 本文分别在图像超分重建的5个基准测试数据集（Set5、Set14、B100、Urban100和Manga109）上进行评估,在评估指标峰值信噪比（peak signal to noise ratio,PSNR）和结构相似性（structural similarity,SSIM）上相比当前先进的网络模型均获得更优性能,尤其在Manga109测试数据集上本文算法取得的PSNR结果达到39.19 dB,相比当前先进的轻量型算法AWSRN（adaptive weighted super-resolution network）提高0.32 dB。结论 本文网络模型在对低分图像进行超分重建时,能够联合学习网络多层级、多尺度特征,充分挖掘图像高频信息,获得高质量的重建结果。     

残差密集空间金字塔网络的城市遥感图像分割

目的 遥感图像语义分割是根据土地覆盖类型对图像中每个像素进行分类,是遥感图像处理领域的一个重要研究方向。由于遥感图像包含的地物尺度差别大、地物边界复杂等原因,准确提取遥感图像特征具有一定难度,使得精确分割遥感图像比较困难。卷积神经网络因其自主分层提取图像特征的特点逐步成为图像处理领域的主流算法,本文将基于残差密集空间金字塔的卷积神经网络应用于城市地区遥感图像分割,以提升高分辨率城市地区遥感影像语义分割的精度。方法 模型将带孔卷积引入残差网络,代替网络中的下采样操作,在扩大特征图感受野的同时能够保持特征图尺寸不变;模型基于密集连接机制级联空间金字塔结构各分支,每个分支的输出都有更加密集的感受野信息;模型利用跳线连接跨层融合网络特征,结合网络中的高层语义特征和低层纹理特征恢复空间信息。结果 基于ISPRS （International Society for Photogrammetry and Remote Sensing） Vaihingen地区遥感数据集展开充分的实验研究,实验结果表明,本文模型在6种不同的地物分类上的平均交并比和平均F₁值分别达到69.88%和81.39%,性能在数学指标和视觉效果上均优于SegNet、pix2pix、Res-shuffling-Net以及SDFCN （symmetrical dense-shortcut fully convolutional network）算法。结论 将密集连接改进空间金字塔池化网络应用于高分辨率遥感图像语义分割,该模型利用了遥感图像不同尺度下的特征、高层语义信息和低层纹理信息,有效提升了城市地区遥感图像分割精度。     

显著性引导的目标互补隐藏弱监督语义分割

目的 图像级弱监督语义分割方法利用类别标签训练分割网络,可显著降低标注成本。现有方法大多采用类激活图定位目标物体,然而传统类激活图只能挖掘出物体中最具辨识性的区域,直接将其作为伪标签训练的分割网络精度较差。本文提出一种显著性引导的弱监督语义分割算法,可在获取更完整类激活图的基础上提高分割模型的性能。方法 首先通过显著图对目标进行互补随机隐藏,以获得互补图像对,然后融合互补图像对的类激活图作为监督,提高网络获取完整类激活图的能力。其次引入双重注意力修正模块,利用全局信息修正类激活图并生成伪标签训练分割网络。最后使用标签迭代精调策略,结合分割网络的初始预测、类激活图以及显著图生成更精确的伪标签,迭代训练分割网络。结果 在PASCAL VOC 2012（pattern analysis,statistical modeling and computational learning visual object classes2012）数据集上进行类激活图生成实验与语义分割实验,所生成的类激活图更加完整,平均交并比有10.21%的提升。语义分割结果均优于对比方法,平均交并比提升6.9%。此外在COCO2014（common object in context2014）数据集上进行了多目标的语义分割实验,平均交并比提升0.5%。结论 该算法可获得更完整的类激活图,缓解了弱监督语义分割中监督信息不足的问题,提升了弱监督语义分割模型的精度。     

基于串联空洞卷积神经网络的网球场景语义分割

室外网球场实景环境下的语义分割是开发网球运动服务机器人需要解决的一项关键技术.针对室外网球场环境由于光照、视角等因素的变化导致难以进行精细分割的问题,提出一种基于Deeplabv3架构的串联空洞卷积神经网络SACNet.该模型扩展了空洞卷积的多尺度模块,通过奇偶混合扩张率增大训练中特征图感受野,利用分组卷积减小SACNet模型时空复杂度.为克服小样本训练容易过拟合的问题,在经过预训练残差神经网络ResNet-50的基础上,通过冻结批量归一化(BN)层进行迁移学习.在自制小样本网球场数据集上进行实验结果表明,SACNet比现有Deeplabv3模型在测试精度提高了10.22%,且对于网球场边界和小目标语义分割结果更加准确.     

空洞卷积的多尺度语义分割网络

计算机硬件的发展极大程度地促进了计算机视觉的发展,卷积神经网络在语义分割中取得了令人瞩目的成就,但多卷积层叠加难免造成图像中目标边界信息的丢失。为了尽可能保留边界信息,提高图像分割精度,提出一种多尺度空洞卷积神经网络模型。该模型利用多尺度池化适应图像中不同尺度目标,并利用空洞卷积学习目标特征,在更加准确识别目标的同时,提高目标边界的识别精度,在ISPRS Vaihingen数据集上的实验结果表明,提出的多尺度空洞卷积神经网络对于目标边界的拟合结果较为理想。     

基于深度特征融合的图像语义分割

在图像语义分割中使用卷积网络进行特征提取时,由于最大池化和下采样操作的重复组合引起了特征分辨率降低,从而导致上下文信息丢失,使得分割结果失去对目标位置的敏感性。虽然基于编码器-解码器架构的网络通过跳跃连接在恢复分辨率的过程中逐渐细化了输出精度,但其将相邻特征简单求和的操作忽略了特征之间的差异性,容易导致目标局部误识别等问题。为此,文中提出了基于深度特征融合的图像语义分割方法。该方法采用多组全卷积VGG16模型并联组合的网络结构,结合空洞卷积并行高效地处理金字塔中的多尺度图像,提取了多个层级的上下文特征,并通过自顶向下的方法逐层融合,最大限度地捕获上下文信息;同时,以改进损失函数而得到的逐层标签监督策略为辅助支撑,联合后端像素建模的全连接条件随机场,无论是在模型训练的难易程度还是预测输出的精度方面都有一定的优化。实验数据表明,通过对表征不同尺度上下文信息的各层深度特征进行逐层融合,图像语义分割算法在目标对象的分类和空间细节的定位方面都有所提升。在PASCAL VOC 2012和PASCAL CONTEXT两个数据集上获得的实验结果显示,所提方法分别取得了80.5%和45.93%的mIoU准确率。实验数据充分说明,并联框架中的深度特征提取、特征逐层融合和逐层标签监督策略能够联合优化算法架构。特征对比表明,该模型能够捕获丰富的上下文信息,得到更加精细的图像语义特征,较同类方法具有明显的优势。     

M-FFN: multi-scale feature fusion network for image captioning

In this work, we present a novel multi-scale feature fusion network (M-FFN) for image captioning task to incorporate discriminative features and scene contextual information of an image. We construct multi-scale feature fusion network by leveraging spatial transformation and multi-scale feature pyramid networks via feature fusion block to enrich spatial and global semantic information. In particular, we take advantage of multi-scale feature pyramid network to incorporate global contextual information by employing atrous convolutions on top layers of convolutional neural network (CNN). And, the spatial transformation network is exploited on early layers of CNN to remove intra-class variability caused by spatial transformations. Further, the feature fusion block integrates both global contextual information and spatial features to encode the visual information of an input image. Moreover, spatial-semantic attention module is incorporated to learn attentive contextual features to guide the captioning module. The efficacy of the proposed model is evaluated on the COCO dataset.

     

基于卷积神经网络的语义分割算法研究

针对语义分割中残差网络并不能完好地提取图像信息和分割效果差的问题,提出一种联合特征金字塔模型(JFP)用来融合残差网络的输出特征,并结合暗黑空间金字塔池化模型(ASPP)进一步提取特征。在解码部分应用简单的解码结构,恢复图像尺寸完成语义分割;同时引入注意力模型作为辅助语义分割网络,辅助神经网络进行训练。该方法分别在Pascal VOC 2012数据集和增强的Pascal VOC 2012数据集上对网络进行训练,并在Pascal VOC 2012的验证集上进行测试,其平均交并集之比(mIoU)分别达到了78.55%和80.14%,表明该方法具有良好的语义分割性能。     

融合注意力和多尺度特征的街景图像语义分割

为了解决在街道场景图像语义分割任务中传统U-Net网络在多尺度类别下目标分割的准确率较低和图像上下文特征的关联性较差等问题,提出一种改进U-Net的语义分割网络AS-UNet,实现对街道场景图像的精确分割.首先,在U-Net网络中融入空间通道挤压激励(spatial and channel squeeze&excitation block, scSE)注意力机制模块,在通道和空间两个维度来引导卷积神经网络关注与分割任务相关的语义类别,以提取更多有效的语义信息;其次,为了获取图像的全局上下文信息,聚合多尺度特征图来进行特征增强,将空洞空间金字塔池化(atrous spatial pyramid pooling, ASPP)多尺度特征融合模块嵌入到U-Net网络中;最后,通过组合使用交叉熵损失函数和Dice损失函数来解决街道场景目标类别不平衡的问题,进一步提升分割的准确性.实验结果表明,在街道场景Cityscapes数据集和Cam Vid数据集上AS-UNet网络模型的平均交并比(mean intersection over union, MIo U)相较于传统U-Net网络分别提...     

编码—解码结构的语义分割

目的 语义分割是计算机视觉中一项具有挑战性的任务,其核心是为图像中的每个像素分配相应的语义类别标签。然而,在语义分割任务中,缺乏丰富的多尺度信息和足够的空间信息会严重影响图像分割结果。为进一步提升图像分割效果,从提取丰富的多尺度信息和充分的空间信息出发,本文提出了一种基于编码-解码结构的语义分割模型。方法 运用ResNet-101网络作为模型的骨架提取特征图,在骨架末端附加一个多尺度信息融合模块,用于在网络深层提取区分力强且多尺度信息丰富的特征图。并且,在网络浅层引入空间信息捕获模块来提取丰富的空间信息。由空间信息捕获模块捕获的带有丰富空间信息的特征图和由多尺度信息融合模块提取的区分力强且多尺度信息丰富的特征图将融合为一个新的信息丰富的特征图集合,经过多核卷积块细化之后,最终运用数据依赖的上采样（DUpsampling）操作得到图像分割结果。结果 此模型在2个公开数据集（Cityscapes数据集和PASCAL VOC 2012数据集）上进行了大量实验,验证了所设计的每个模块及整个模型的有效性。新模型与最新的10种方法进行了比较,在Cityscapes数据集中,相比于RefineNet模型、DeepLabv2-CRF模型和LRR（Laplacian reconstruction and refinement）模型,平均交并比（mIoU）值分别提高了0.52%、3.72%和4.42%;在PASCAL VOC 2012数据集中,相比于Piecewise模型、DPN（deep parsing network）模型和GCRF（Gaussion conditional random field network）模型,mIoU值分别提高了6.23%、7.43%和8.33%。结论 本文语义分割模型,提取了更加丰富的多尺度信息和空间信息,使得分割结果更加准确。此模型可应用于医学图像分析、自动驾驶、无人机等领域。     

基于空洞空间金字塔池化的雾天图像语义分割

针对雾天图像语义分割中分割精度不高的问题,基于空洞空间金字塔池化、Xception模块和残差网络,提出一种雾天图像语义分割算法.该算法一方面使用空洞空间金字塔池化和残差网络,以多个采样率的并行卷积以及卷积核大小为1×1的卷积对输入图像进行多尺度的上下文特征提取;另一方面,采用解码器结构使用预训练后的Xception模块对提取的特征进行分类,得到每一个像素的预测结果,用于增强分割边界的细化得到边界精细的分割结果.实验表明,所提算法在foggy cityscapes数据集上的平均交并比为73.03％、73.81％与74.50％,分割性能良好.