基于深度学习的数字病理图像分割综述与展望

数字病理图像分析对于乳腺癌、前列腺癌等良恶性分级诊断具有重要意义,其中组织基元的形态和目标测量是量化分析的重要依据.然而,由于病理数据多样性和复杂性等新特点,其分割任务面临着特征提取困难、实例分割困难等挑战.人工智能辅助病理量化分析,将复杂病理数据转化为可挖掘的图像特征,使得自动提取组织基元的定量化信息成为可能.特别是随着计算机计算能力的快速发展,深度学习技术凭借其强大的特征学习、设计灵活等特性在数字病理量化分析领域取得了突破性成果.本文系统概述目前代表性深度学习方法,包括卷积神经网络、全卷积网络、编码器—解码器模型、循环神经网络、生成对抗网络等方法体系,总结深度学习在病理图像分割等任务中的建模机理和应用,并梳理了现有方法的方法理论、关键技术、优缺点和性能分析.最后,本文讨论了未来数字病理图像分割深度学习建模的开放性挑战和新趋势.     

深度学习的舌体分割研究综述

舌体分割是智能医学诊断的重要组成部分,其目的是通过分割舌诊图像生成精准的舌体轮廓.近年来,深度学习方法在图像处理领域得到了广泛的应用并取得了较好的结果.随着医学图像分割对性能的要求越来越高,许多研究人员将深度学习运用到舌体分割中.主要对基于深度学习的舌体分割方法研究现状进行分析梳理和归纳总结.在舌体分割应用领域中,以各种深度学习方法作为研究对象,将基于深度学习的舌体分割方法划分为卷积神经网络(CNN)、全卷积网络(FCN)、卷积模型与图形模型、基于编解码器的模型、基于区域卷积网络模型、扩张卷积模型结构、迁移学习以及其他方法.在每类方法中,针对其改进和扩展的研究成果进行了全面的论述,总结分析其优势与不足;并对基于深度学习的舌体分割常用的数据集和评价指标进行了视觉比较与性能评估;最后讨论了未来研究工作中的发展潜力.     

基于深度卷积神经网络的脑电信号情感识别

为了点对点自动学习脑电信号（Electroencephalogram,EEG）空间与时间维度上的情感相关特征,提高脑电信号情感识别的准确率,基于DEAP数据集中EEG信号的时域、频域特征及其组合特征,提出一种基于卷积神经网络（Convolution Neural Network,CNN）模型的EEG情感特征学习与分类算法。采用包括集成决策树、支持向量机、线性判别分析和贝叶斯线性判别分析算法在内的浅层机器学习模型与CNN深度学习模型对DEAP数据集进行效价和唤醒度两个维度上的情感分类实验。实验结果表明,在效价和唤醒度两个维度上,深度CNN模型在时域和频域组合特征上均取得了目前最好的两类识别性能,在效价维度上比最佳的传统分类器集成决策树模型提高了3.58%,在唤醒度上比集成决策树模型的最好性能提高了3.29%。     

基于卷积神经网络的图像分类算法综述

卷积神经网络（CNN）是目前基于深度学习的计算机视觉领域中重要的研究方向之一。它在图像分类和分割、目标检测等的应用中表现出色,其强大的特征学习与特征表达能力越来越受到研究者的推崇。然而,CNN仍存在特征提取不完整、样本训练过拟合等问题。针对这些问题,介绍了CNN的发展、CNN经典的网络模型及其组件,并提供了解决上述问题的方法。通过对CNN模型在图像分类中研究现状的综述,为CNN的进一步发展及研究方向提供了建议。     

一种多尺度CNN的图像语义分割算法

针对目前多数图像语义分割方法需要人工设计图像特征的问题,借助卷积神经网络(Convolutional Neural Network,CNN)自动学习得到图像特征的优势,并综合考虑CNN的网络输入和物体上下文关系对图像语义分割结果的影响,以超像素为基本处理单元,结合多尺度技术和CNN网络设计了一种面向图像语义分割的多尺度CNN模型,并详细分析了该模型的结构以及模型推断。实验验证了所提出方法的有效性。     

基于卷积神经网络的医学宫颈细胞图像的语义分割

显微细胞分割的精度直接影响疾病的判别诊断,特别在宫颈细胞的显微病理图像中,细胞核的形态大小、与细胞质之间的比例参数等对于病情的良恶诊断具有重大的意义。为提高宫颈细胞核质分割的精度,提出一种基于卷积神经网络的医学宫颈细胞图像的语义分割方法。标定宫颈细胞显微图像中的细胞核和细胞质轮廓,制作基于长沙市第二人民医院的基于新柏氏液基细胞学检测TCT(Thinprep cytologic test)制片技术的宫颈TCT细胞涂片的CCTCT数据集;通过卷积神经网络对核质分割模型进行训练,避免人工提取特征;通过反卷积达到图像的语义分割。实验结果表明,该算法在宫颈细胞的显微病理图像中的核质分割准确率高达94.7%,具有很高的鲁棒性和适应性。     

一种改进U型神经网络的医学细胞核图像分割方法

在细胞核分割任务中,存在细胞核的边缘轮廓信息模糊以及细胞核和背景的对比度低造成难以分割的问题.针对此问题,常规的U-Net模型通过跳跃连接在降采样和上采样过程中结合高低层次的信息,具有较好的分割效果.但是,在细胞核边界的分割上仍旧存在着一定程度的过分割、欠分割等缺陷.由此本文提出一种改进的U-Net网络模型.首先,该模型采用深度特征聚合结构和高级监督的学习方法,巧妙融合不同层级的信息,达到对目标的精准分割;其次在其架构上创新性的加入层次交融模块,该模块学习各个不同层次的重要性,将学到的权重加载到分割图上;同时在嵌套的卷积块中加入注意力机制,抑制冗余特征,使得细胞核和背景更好的分割开来;最后使用改进的混合损失函数解决类不平衡的问题.在dsb2018数据集上进行测试,本方法得到Dice系数为0.8719,交并比达到0.8853.结果表明本方法能够对细胞核进行更好的分割.     

基于深度卷积神经网络的心音分类算法

针对现有心音分类算法普适性差、依赖于对基本心音的精确分割、分类模型结构单一等问题,提出采用大量未经过精确分割的心音二维特征图训练深度卷积神经网络(CNN)的方法;首先采用滑动窗口方法和梅尔频率系数对心音信号进行预处理,得到大量未经过精确分割的心音特征图;然后利用深度CNN模型对心音特征图进行训练和测试;根据卷积层间连接方式的不同,设计了 3种深度CNN模型:基于单一连接的卷积神经网络、基于跳跃连接的卷积神经网络、基于密集连接的卷积神经网络;实验结果表明,基于密集连接的卷积神经网络比其他两种网络具备更大的潜力;与其他心音分类算法相比,该算法不依赖于对基本心音的精确分割,且在分类准确率、敏感性和特异性方面均有提升.     

卷积神经网络在肝包虫病CT图像诊断中的应用

探讨卷积神经网络(Convonlutional Neural Network,CNN)在肝包虫病CT图像诊断中的应用。选取两种类型的肝包虫病CT图像进行归一化、改进的中值滤波去噪和数据增强等预处理。以LeNet-5模型为基础提出改进的CNN模型CTLeNet,采用正则化策略减少过拟合问题,加入Dropout层减少参数个数,对二分类肝包虫图像进行分类实验,同时通过反卷积实现特征可视化,挖掘疾病潜在特征。结果表明,CTLeNet模型在分类任务中取得了较好的效果,有望通过深度学习方法对肝包虫病提供辅助诊断和决策支持。     

一种改进的室内场景语义分割网络

针对目前室内场景语义分割网络无法很好融合图像的RGB信息和深度信息的问题,提出一种改进的室内场景语义分割网络。为使网络能够有选择性地融合图像的深度特征和RGB特征,引入注意力机制的思想,设计了特征融合模块。该模块能够根据深度特征图和RGB特征图的特点,学习性地调整网络参数,更有效地对深度特征和RGB特征进行融合;同时使用多尺度联合训练,加速网络收敛,提高分割准确率。通过在SUNRGB-D和NYUDV2数据集上验证,相比于包含深度敏感全连接条件随机场的RGB-D全卷积神经网络（DFCN-DCRF）、深度感知卷积神经网络（Depth-aware CNN）、多路径精炼网络（RefineNet）等目前主流的语义分割网络,所提网络具有更高的分割精度,平均交并比（mIoU）分别达到46.6%和48.0%。     

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。     

应用于材料图像分割的Graph-UNet

小样本材料图像分割是图像分割领域的研究难点之一。材料图像的微观结构大多数形状各异、纹理复杂且边界模糊,会导致材料图像的分割不准确。Graph-UNet被提出融合U-Net和图卷积神经网络来解决小样本材料图像自动分割的挑战,它将卷积神经网络的多维特征融合和跳跃连接的思想迁移到图卷积神经网络中实现图卷积和图注意力的有效结合,并且建立了一个通用的模块实现特征图和图结构相互转换。在材料图像数据集上进行了对比和消融实验,证明了Graph-UNet的分割结果优于很多先进方法,准确地识别了多种材料结构,推动了探究材料结构和性能关系的发展。     

基于内卷U-Net的医学图像分割模型

图像分割技术的主要对象为自然图像和医学图像,相对于自然图像而言,医学图像的语义分割通常需要较高的精度以进行下一步的临床分析、诊断和规划治疗。目前用于医学图像语义分割的深度神经网络模型由于仅考虑位置的平移不变性,存在局部感受野较小、无法表达长范围依赖关系的问题。设计一种面向医学图像的分割模型,基于内卷U-Net网络,使用内卷操作代替传统的卷积操作,并将内卷结构作为基本的网络结构,提升模型对医学图像局部特征的学习能力。在模型的瓶颈层引入注意力机制模块来学习图像长范围的依赖关系,以提高医学图像语义分割的精度。在肺部CT数据集上的实验结果表明,该模型的Dice系数为0.998,较基于卷积神经网络的分割模型约提高5%,并且大幅缩短Hausdorff距离,具有更高的分割准确度以及较好的稳健性。     

基于组注意力卷积和特征重建的轻量分割算法

针对卷积神经网络的庞大参数量和计算量难以应用于移动设备或嵌入式设备的问题,提出冗余特征重建模块(redundant feature reconstruction,RFR)和组注意力卷积模块(group attention convolution,GAC),RFR模块使用较少的参数量提取重要的固有特征,通过线性算子重建冗...     

图卷积神经网络在点云语义分割中的研究综述

点云数据蕴含丰富的空间信息,可以通过激光雷达、3D传感器等设备大量采集,被广泛应用于自动驾驶、虚拟现实、城市规划和3D重建等领域。点云语义分割作为3D场景理解、识别和各种应用的基础而受到广泛关注。但不规则的点云数据无法直接作为传统卷积神经网络的输入,而图卷积神经网络可以利用图卷积算子直接对点云数据进行特征提取,使得图卷积神经网络已逐步成为点云语义分割领域的一个重要研究方向。基于此,对图卷积神经网络在3D点云语义分割应用中的研究进展进行综述,根据图卷积的类型对基于图卷积神经网络的点云语义分割方法进行分类,按照不同类别对比分析主流方法的模型架构及其特点,描述几个相关点云语义分割领域常用的公共数据集和评价指标,对点云语义分割方法进行总结和展望。     

采用蒸馏训练的时空图卷积动作识别融合模型

目的 基于深度学习的动作识别方法识别准确率显著提升,但仍然存在很多挑战和困难。现行方法在一些训练数据大、分类类别多的数据集以及实际应用中鲁棒性较差,而且许多方法使用的模型参数量较大、计算复杂,提高模型准确度和鲁棒性的同时对模型进行轻量化仍然是一个重要的研究方向。为此,提出了一种基于知识蒸馏的轻量化时空图卷积动作识别融合模型。方法 改进最新的时空卷积网络,利用分组卷积等设计参数量较少的时空卷积子模型;为了训练该模型,选取两个现有的基于全卷积的模型作为教师模型在数据集上训练,在得到训练好的教师模型后,再利用知识蒸馏的方法结合数据增强技术训练参数量较少的时空卷积子模型;利用线性融合的方法将知识蒸馏训练得到的子模型融合得到最终的融合模型。结果 在广泛使用的NTU RGB + D数据集上与前沿的多种方法进行了比较,在CS(cross-subject)和CV(cross-view)两种评估标准下,本文模型的准确率分别为90.9%和96.5%,与教师模型2s-AGCN(two-stream adaptive graph convolutional networks for skeleton-based action)相比,分别提高了2.4%和1.4%;与教师模型DGNN(directed graph neural network)相比,分别提高了1.0%和0.4%;与MS-AAGCN(multi-stream attention-enhanced adaptive graph convolutional neural network)模型相比,分别提高了0.9%和0.3%。结论 本文提出的融合模型,综合了知识蒸馏、数据增强技术和模型融合的优点,使动作识别更加准确和鲁棒。     

卷积神经网络在验证码识别上的应用与研究

针对日前在互联网中被广泛使用的验证码,提出将卷积神经网络引入到验证码识别之中。通过设计新的卷积网络拓扑结构,针对可分割成语验证码提出基于k-means聚类的字符分割方法,以及仿真验证码图片自生成训练集,通过预训练过程使得卷积训练网络具有良好初值,加速收敛并提高模型泛化能力;针对不可分割验证码,省去字符分割操作直接将验证码整体作为卷积模型输入,引入仿射变换、水漫填充等预处理和SVM算法二分类,或者结合多标记学习方法设计卷积拓扑等。最终实验研究证实卷积神经网络对于可分割及不可分割验证码的平均识别准确率均收敛于99%左右。     

融合深度图像的卷积神经网络语义分割方法

该文提出了一种基于深度学习框架的图像语义分割方法,通过使用由相对深度点对标注训练的网络模型,实现了基于彩色图像的深度图像预测,并将其与原彩色图像共同输入到包含带孔卷积的全卷积神经网络中。考虑到彩色图像与深度图像作为物体不同的属性表征,在特征图上用合并连接操 作而非传统的相加操作对其进行融合,为后续卷积层提供特征图输入时保持了两种表征的差异。在两个数据集上的实验结果表明,该法可以有效提升语义分割的性能。     

基于非鲁棒特征的图卷积神经网络对抗训练方法

图卷积神经网络可以通过图卷积提取图数据的有效信息,但容易受到对抗攻击的影响导致模型性能下降。对抗训练能够用于提升神经网络鲁棒性,但由于图的结构及节点特征通常是离散的,无法直接基于梯度构造对抗扰动,而在模型的嵌入空间中提取图数据的特征作为对抗训练的样本,能够降低构造复杂度。借鉴集成学习思想,提出一种基于非鲁棒特征的图卷积神经网络对抗训练方法VDERG,分别针对拓扑结构和节点属性两类特征,构建两个图卷积神经网络子模型,通过嵌入空间提取非鲁棒特征,并基于非鲁棒特征完成对抗训练,最后集成两个子模型输出的嵌入向量作为模型节点表示。实验结果表明,提出的对抗训练方法在干净数据上的准确率平均提升了0.8%,在对抗攻击下最多提升了6.91%的准确率。