集成注意力机制和扩张卷积的道路提取模型

目的 为解决当前遥感影像道路提取方法普遍存在的自动化程度低、提取精度不高和由于样本数量不平衡导致的模型训练不稳定等问题,本文提出一种集成注意力机制和扩张卷积的道路提取模型（attention and dilated convolutional U-Net,A&D-UNet）。方法 A&D-UNet聚合网络模型以经典U-Net网络结构为基础,在编码部分引入残差学习单元（residual learning unit,RLU）,降低深度卷积神经网络在训练时的复杂度;应用卷积注意力模块（convolutional block attention module,CBAM）从通道和空间维度两个方面优化分配权重,突出道路特征信息;并使用扩张卷积单元（dilated convolutional unit,DCU）感受更大范围的特征区域,整合道路的上下文信息。采用二进制交叉熵（binary cross entropy,BCE）和Dice相结合的复合损失函数训练模型,减轻遥感影像中样本数量不平衡导致的模型不稳定。结果 在公开的美国马萨诸塞州和Deep Globe道路数据集上进行模型验证实验,并与传统的U-Net、LinkNet和D-LinkNet图像分割模型对比分析。在美国马萨诸塞州道路测试集上,本文构建的A&D-UNet模型的总体精度、F1分数和交并比等评价指标分别为95.27%、77.96%和79.89%,均优于对比算法,在测试集中对线性特征明显、标签遗漏标记以及存在树木遮挡的道路区域具有更好的识别效果;在Deep Globe道路测试集上,A&D-UNet模型的总体精度、F1分数和交并比分别为94.01%、77.06%和78.44%,且对线性特征明显的主干道路、标签未标记的狭窄道路以及阴影遮挡的城市道路都具有较好的提取效果。结论 本文提出的A&D-UNet道路提取模型,综合了残差学习、注意力机制和扩张卷积的优点,有效提升了目标分割的性能,是一种提取效果较好、值得推广的聚合网络模型。     

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。     

卷积神经网络在掌纹识别中的性能评估

目的 掌纹识别技术作为一种新兴的生物特征识别技术越来越受到广泛重视。深度学习是近10年来人工智能领域取得的重要突破。但是,基于深度学习的掌纹识别相关研究还比较初步,尤其缺乏深入的分析和讨论,且已有的工作使用的都是比较简单的神经网络模型。为此,本文使用多种卷积神经网络对掌纹识别进行性能评估。方法 选取比较典型的8种卷积神经网络模型,在5个掌纹数据库上针对不同网络模型、学习率、网络层数、训练数据量等进行性能评估,展开实验,并与经典的传统掌纹识别方法进行比较。结果 在不同卷积神经网络识别性能评估方面,ResNet和DenseNet超越了其他网络,并在PolyU M_B库上实现了100%的识别率。针对不同学习率、网络层数、训练数据量的实验发现,5×10^-5为比较合适的识别率;网络层数并非越深越好,VGG-16与VGG-19的识别率相当,ResNet层数由18层逐渐增加到50层,识别率则逐渐降低;参与网络训练的数据量总体来说越多越好。对比传统的非深度学习方法,卷积神经网络在识别效果方面还存在一定差距。结论 实验结果表明,对于掌纹识别,卷积神经网络也能获得较好的识别效果,但由于训练数据量不充分等原因,与传统算法的识别性能还有差距。基于卷积神经网络的掌纹识别研究还需要进一步深入开展。     

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。     

结合改进卷积神经网络与通道加权的轻量级表情识别

目的 表情是人机交互过程中重要的信息传递方式,因此表情识别具有重要的研究意义。针对目前表情识别方法存在背景干扰大、网络模型参数复杂、泛化性差等问题,本文提出了一种结合改进卷积神经网络(convolutional neural network,CNN)与通道加权的轻量级表情识别方法。方法 首先,采用标准卷积和深度可分离卷积组合神经网络结构,再利用全局平均池化层作为输出层,简化网络的复杂程度,有效降低网络参数;其次,网络引入SE(squeeze-and-excitation)模块进行通道加权,通过在不同卷积层后设置不同的压缩率增强表情特征提取能力,提升网络模型精度;最后,用softmax分类函数实现各类表情的准确分类。结果 本文网络参数量为6 108 519,相较于识别性能较好的Xception神经网络参数减少了63%,并且通过对网络模型的实时性测试,平均识别速度可达128 帧/s。在5个公开的表情数据集上验证网络模型对7种表情的识别效果,与7种卷积神经网络方法相比,在FER2013 (Facial Expression Recognition 2013)、CK+ (the extended Cohn-Kanade) 和JAFFE (Japanses Female Facial Expression) 3个表情数据集的识别精确度提高了5.72%、0.51%和0.28%,在RAF-DB (Real-world Affective Faces Database)、AffectNet这两个in-the-wild表情数据库的识别精确度分别提高了2.04%和0.68%。结论 本文提出的轻量级表情识别方法在不同通道具有不同的加权能力,获取更多表情关键特征信息,提高了模型的泛化性。实验结果表明,本文方法在简化网络的复杂程度、减少计算量的同时能够准确识别人脸表情,能够有效提升网络的识别能力。     

卷积神经网络的多字体汉字识别

目的 多字体的汉字识别在中文自动处理及智能输入等方面具有广阔的应用前景,是模式识别领域的一个重要课题。近年来,随着深度学习新技术的出现,基于深度卷积神经网络的汉字识别在方法和性能上得到了突破性的进展。然而现有方法存在样本需求量大、训练时间长、调参难度大等问题,针对大类别的汉字识别很难达到最佳效果。方法 针对无遮挡的印刷及手写体汉字图像,提出了一种端对端的深度卷积神经网络模型。不考虑附加层,该网络主要由3个卷积层、2个池化层、1个全连接层和一个Softmax回归层组成。为解决样本量不足的问题,提出了综合运用波纹扭曲、平移、旋转、缩放的数据扩增方法。为了解决深度神经网络参数调整难度大、训练时间长的问题,提出了对样本进行批标准化以及采用多种优化方法相结合精调网络等策略。结果 实验采用该深度模型对国标一级3 755类汉字进行识别,最终识别准确率达到98.336%。同时通过多组对比实验,验证了所提出的各种方法对改善模型最终效果的贡献。其中使用数据扩增、使用混合优化方法和使用批标准化后模型对测试样本的识别率分别提高了8.0%、0.3%和1.4%。结论 与其他文献中利用手工提取特征结合卷积神经网络的方法相比,减少了人工提取特征的工作量;与经典卷积神经网络相比,该网络特征提取能力更强,识别率更高,训练时间更短。     

自适应增强卷积神经网络图像识别

目的 为了进一步提高卷积神经网络的收敛性能和识别精度,增强泛化能力,提出一种自适应增强卷积神经网络图像识别算法。方法 构建自适应增强模型,分析卷积神经网络分类识别过程中误差产生的原因和误差反馈模式,针对分类误差进行有目的地训练,实现分类特征基于迭代次数和识别结果的自适应增强以及卷积神经网络权值的优化调整。自适应增强卷积神经网络与多种算法在收敛速度和识别精度等性能上进行对比,并在多种数据集上检测自适应卷积神经网络的泛化能力。结果 通过对比实验可知,自适应增强卷积神经网络算法可以在很大程度上优化收敛效果,提高收敛速度和识别精度,收敛时在手写数字数据集上的误识率可降低20.93%,在手写字母和高光谱图像数据集上的误识率可降低11.82%和15.12%;与不同卷积神经网络优化算法对比,误识率比动态自适应池化算法和双重优化算法最多可降低58.29%和43.50%;基于不同梯度算法的优化,误识率最多可降低33.11%;与不同的图像识别算法对比,识别率也有较大程度提高。结论 实验结果表明,自适应增强卷积神经网络算法可以实现分类特征的自适应增强,对收敛性能和识别精度有较大的提高,对多种数据集有较强的泛化能力。这种自适应增强模型可以进一步推广到其他与卷积神经网络相关的深度学习算法中。     

新型雷达辐射源识别

目的 雷达辐射源识别是指先提取雷达辐射源信号特征,再将特征输入分类器进行识别。随着电子科技水平的提高,各种干扰技术应用于雷达辐射源信号中,使得信号个体特征差异越来越不明显,仅靠传统的模板匹配、分类器设计、决策匹配等辐射源识别技术难以提取信号可辨性特征。针对这一问题,利用深度学习良好的数据解析能力,提出了一种基于卷积神经网络的辐射源识别方法。方法 根据雷达辐射源信号的特点,对未知辐射源信号提取频域、功率谱、信号包络、模糊函数代表性切片等传统域特征,从中获得有效的训练样本特征集合,利用卷积神经网络自动获取训练样本深层个体特征得到辐射源识别模型,将其用于所有测试样本中,获得辐射源识别结果。结果 在不同域特征下对卷积神经网络的识别性能进行测试实验,并将本文方法与基于机器学习和基于深度强化学习的深度Q网络模型（depth Q network,DQN）识别算法进行对比,结果表明,当卷积神经网络的输入为频域特征时,本文方法的识别准确率达100%,相比支持向量机（support vector machine,SVM）提高了0.9%,当输入为模糊函数切片特征和频域时,本文方法的平均识别准确率与SVM模型、极限学习机（extreme learning machine,ELM）分类器和DQN算法相比,分别提高了16.13%、1.87%和0.15%。结论 实验结果表明本文方法能有效提高雷达辐射源信号的识别准确率。     

对抗学习遥感图像场景识别

目的 在高分辨率遥感图像场景识别问题中,经典的监督机器学习算法大多需要充足的标记样本训练模型,而获取遥感图像的标注费时费力。为解决遥感图像场景识别中标记样本缺乏且不同数据集无法共享标记样本问题,提出一种结合对抗学习与变分自动编码机的迁移学习网络。方法 利用变分自动编码机（variational auto-encoders,VAE）在源域数据集上进行训练,分别获得编码器和分类器网络参数,并用源域编码器网络参数初始化目标域编码器。采用对抗学习的思想,引入判别网络,交替训练并更新目标域编码器与判别网络参数,使目标域与源域编码器提取的特征尽量相似,从而实现遥感图像源域到目标域的特征迁移。结果 利用两个遥感场景识别数据集进行实验,验证特征迁移算法的有效性,同时尝试利用SUN397自然场景数据集与遥感场景间的迁移识别,采用相关性对齐以及均衡分布适应两种迁移学习方法作为对比。两组遥感场景数据集间的实验中,相比于仅利用源域样本训练的网络,经过迁移学习后的网络场景识别精度提升约10%,利用少量目标域标记样本后提升更为明显;与对照实验结果相比,利用少量目标域标记样本时提出方法的识别精度提升均在3%之上,仅利用源域标记样本时提出方法场景识别精度提升了10%~40%;利用自然场景数据集时,方法仍能在一定程度上提升场景识别精度。结论 本文提出的对抗迁移学习网络可以在目标域样本缺乏的条件下,充分利用其他数据集中的样本信息,实现不同场景图像数据集间的特征迁移及场景识别,有效提升遥感图像的场景识别精度。     

不同池化模型的卷积神经网络学习性能研究

目的 基于卷积神经网络的深度学习算法在图像处理领域正引起广泛关注。为了进一步提高卷积神经网络特征提取的准确度,加快参数收敛速度,优化网络学习性能,通过对比不同的池化模型对学习性能的影响提出一种动态自适应的改进池化算法。方法 构建卷积神经网络模型,使用不同的池化模型对网络进行训练,并检验在不同迭代次数下的学习结果。在现有算法准确率不高和收敛速度较慢的情况下,通过使用不同的池化模型对网络进行训练,从而构建一种新的动态自适应池化模型,并研究在不同迭代次数下其对识别准确率和收敛速度的影响。结果 通过对比实验发现,使用动态自适应池化算法的卷积神经网络学习性能最优,在手写数字集上的收敛速度最高可以提升18.55%,而模型对图像的误识率最多可以降低20%。结论 动态自适应池化算法不但使卷积神经网络对特征的提取更加精确,而且很大程度地提高了收敛速度和模型准确率,从而达到优化网络学习性能的目的。这种模型可以进一步拓展到其他与卷积神经网络相关的深度学习算法。     

基于时频域的卷积神经网络运动想象脑电信号识别方法

针对目前运动想象脑电（EEG）信号识别率较低的问题，考虑到脑电信号蕴含着丰富的时频信息，提出一种基于时频域的卷积神经网络（CNN）运动想象脑电信号识别方法。首先，利用短时傅里叶变换（STFT）对脑电信号的相关频带进行预处理，并将多个电极的时频图组合构造出一种二维时频图；然后，针对二维时频图的时频特性，通过一维卷积的方法设计了一种新颖的CNN结构；最后，通过支持向量机（SVM）对CNN提取的特征进行分类。基于BCI数据集的实验结果表明，所提方法的平均识别率为86.5%，优于其他传统运动想象脑电信号识别方法；同时将该方法应用在智能轮椅上，验证了其有效性。     

自上而下注意图分割的细粒度图像分类

目的 针对细粒度图像分类中的背景干扰问题,提出一种利用自上而下注意图分割的分类模型。方法 首先,利用卷积神经网络对细粒度图像库进行初分类,得到基本网络模型。再对网络模型进行可视化分析,发现仅有部分图像区域对目标类别有贡献,利用学习好的基本网络计算图像像素对相关类别的空间支持度,生成自上而下注意图,检测图像中的关键区域。再用注意图初始化GraphCut算法,分割出关键的目标区域,从而提高图像的判别性。最后,对分割图像提取CNN特征实现细粒度分类。结果 该模型仅使用图像的类别标注信息,在公开的细粒度图像库Cars196和Aircrafts100上进行实验验证,最后得到的平均分类正确率分别为86.74%和84.70%。这一结果表明,在GoogLeNet模型基础上引入注意信息能够进一步提高细粒度图像分类的正确率。结论 基于自上而下注意图的语义分割策略,提高了细粒度图像的分类性能。由于不需要目标窗口和部位的标注信息,所以该模型具有通用性和鲁棒性,适用于显著性目标检测、前景分割和细粒度图像分类应用。     

基于迷你卷积神经网络的停车场空车位检测方法

针对日益严峻的停车难问题,提出一种基于改进卷积神经网络停车场空车位检测方法。首先,根据车位只需用两种状态来表示其占空的特点,对传统卷积神经网络结构进行改进,提出迷你卷积神经网络（MCNN）的概念;然后,通过减少网络参数来减少训练和识别时间,并在网络中加入局部响应归一化层以加强对明度的校正,以及使用小卷积核来获取更多图像细节;最后,对视频帧图进行手动掩码设置,通过边缘检测切割成单个车位图,并使用训练好的MCNN进行车位识别。实验结果表明,与传统机器学习方式相比,基于MCNN的检测方法识别率能提高3~8个百分点,同时网络参数仅为常规使用卷积模型的1/1 000,且在文中所述的几种不同环境中,识别率的均保持在92%以上。实验结果表明,MCNN可移植到低配置摄像头,实现停车场空车位自动检测。     

机械臂抓取任务的脑电分类

针对大脑认知完好无损的患者,却患有重度神经肌肉疾病导致肢体行动受限的问题,为使患者重新获取障碍肢体的自主控制能力,本文提出了一种机械臂抓取任务的脑电分类方法对患者进行障碍肢体运动康复训练.首先使用非侵入式脑电技术对运动想象脑电信号进行采集,通过预处理、特征提取以及多尺度特征融合卷积神经网络进行分类识别;最后利用分类模型得到的标签解码成机械臂能够识别的指令,控制机械臂完成特定任务.实验结果表明:实验选取的15名健康受试者运动想象实验采集的脑电数据具有可行性,平均准确率达到了82%以上;为机械臂抓取任务的脑电分类提供了一种新思路.     

CNN实现的运动想象脑电分类及人-机器人交互

基于脑电的脑机交互能帮助肢体运动障碍患者进行日常生活和康复训练,但是,由于脑电信号存在信噪比较低、个体差异性大等问题,导致脑电特征的提取与分类还需要进一步提高准确性和效率.因此,在减少脑电采集通道数目、增加分类数目的前提下,基于卷积神经网络对运动想象中的脑电信号进行分类.首先,基于已有方法进行探索实验,建立由3层卷积层、3层池化层和2层全连接层构成的卷积神经网络;然后针对想象左手、右手、脚的运动和静息态设计与开展了实验,获取了相关脑电数据;之后,利用脑电数据训练出基于卷积神经网络的分类模型,测试结果表明,该模型平均分类识别率达到了82.81%,且高于已有的相关分类算法;最后,将已建立的分类模型应用于运动想象信号的在线分类,设计与开发了脑机交互应用原型系统,驱动人-机器人之间的实时交互,帮助用户利用运动想象控制仿人机器人的抬手、前进等运动状态.进一步的测试结果表明,机器人对用户控制命令的平均识别率达到了80.31%,从而验证了所提方法可以对运动想象脑电数据进行较为精确的实时分类,可以促进脑机接口技术在人-机器人交互中的应用.     

基于改进原型网络的P300脑电信号检测

从脑电信号中检测P300电位是实现P300脑机接口的关键. 由于不同个体间的脑电信号存在较大差异, 现有的基于深度学习的P300检测方法均需要大量的脑电数据来训练模型. 对于小样本的患者数据, 至今仍没有令人满意的解决方案. 本文提出了一种改进的适用于小样本P300脑电信号检测的原型网络方法. 该模型通过卷积神经网络提...     

基于图卷积网络的运动想象识别

运动想象识别将大脑的神经活动信号转为编码输出以实现意念控制,是脑机接口的一个重要研究方向。近年来深度学习算法的应用进一步提高了运动想象识别的准确率,但是当前基于深度学习的运动想象分析都将多路脑电信号作为二维矩阵信号,忽视了不同节点的空间关联信息。为了解决这个问题,将图卷积网络算法应用到运动想象分类中,通过多个节点脑电信号的相关系数建立脑电图结构,提取脑电信号的时频域特征信息作为输入,再经过图卷积网络进行节点特征聚合以学习谱域特征,最后通过全连接层输出分类结果。该方法在BCI Competition IV Dataset 2a数据集上取得80.9%的准确率和0.74的kappa系数,相比其他方法可以充分学习时、频、谱域的特征信息,取得更好的识别效果,为运动想象脑机接口提供一种新的思路和方法。     

脑电信号多维特征融合与分类算法研究

针对目前运动想象脑电信号特征提取单一,分类识别准确率低等现象,结合卷积神经网络分类器,提出了一种多维度特征加权融合的特征融合算法来提高运动想象脑电识别率。对预处理后的脑电信号进行小波包变换,提取其共空间特征、能量特征、边际谱熵特征以及非线性动力学特征,然后加权融合,使用卷积神经网络分类器分类。为验证算法的合理性,使用BCI-IV Dataset 2a数据集对提出的特征融合算法进行验证分析,结果表明,所提出的加权特征融合算法结合CNN分类器可以有效提高运动想象识别准确率。实验中,9位志愿者平均分类准确率达到75.88%,平均Kappa系数为0.70。     

基于多类运动想象任务的EEG信号分类研究

针对多类运动想象脑电信号个体差异性强和分类正确率比较低的问题,提出了一种时-空-频域相结合的脑电信号分析方法:首先利用小波包对EEG原始信号进行分解,根据EEG信号的频域分布提取出运动想象脑电节律,通过“一对多”共空间模式(CSP)算法对不同运动想象任务的脑电节律进行空间滤波提取特征;然后将特征向量输入到“一对多”模式下的支持向量机(SVM)中,并利用判断决策函数值的方法对SVM的输出结果进行融合;最后通过引入时间窗对脑电信号进行时域滤波,消除运动想象开始和结束时脑电的波动,进一步提高信号信噪比和算法的分类效果;实验结果显示:在时间窗为2 s时,平均最大Kappa系数达到了0.72,比脑机接口竞赛第一名提高了0.15,验证了该算法能够有效减小脑电信号个体差异性影响,提高多类识别正确率。     

基于卷积注意力机制的运动想象脑电信号识别

针对多类别运动想象脑电信号识别精度不高的问题,提出了一种融合注意力模块的卷积神经网络模型。该模型利用注意力模块充分挖掘脑电信号的通道和空间特征,建立其与识别任务之间的重要程度关系,从而提高运动想象脑电信号的识别准确率。信号经过共空间模式提高信噪比,利用小波变换将信号转换成二维时频图,通过注意力模块中通道和空间两个维度进行特征的调整,以强化有用特征弱化无用特征,使卷积网络充分提取更高层次的抽象特征,并最终执行运动想象任务的识别。分别在BCI竞赛IV Datasets 2a和BCI竞赛III-IIIa数据集上进行了有效性评价,并与卷积神经网络以及其他算法进行了比较。实验结果表明,提出的方法可达到良好的准确率,能够有效提高脑电信号运动想象任务的识别准确率。