基于深度学习的声信号分类识别方法

提出了一种基于深度学习的声信号分类识别方法,将声场环境中声源目标的识别等效为声场信号—特定声源的端到端学习过程,建立一种以log-mel能量为声信号特征的预提取方法,以深度残差网络作为特征自动提取及分类的声信号分类识别模型。在两个大型数据集上对模型性能进行了验证,实验结果表明,本文提出的深度残差网络模型在DCASE2019数据集和UrbanSound8K数据集上能够实现80.2%和76.4%的识别精度,在声源探测领域具有一定的应用价值。     

一种针对无线电信号分类的对抗增强方法

深度学习模型依赖大量带类标的数据作为训练数据,实际应用的各种无线电环境中收集并标记无线电信号需要消耗大量的人力物力,极大地限制了深度学习模型在无线电信号识别中的应用。目前针对数据量不足带来的问题,研究者们主要采用数据增强的方法,即根据一些先验知识,在保持已知信息的前提下,对原始数据进行适当变换达到扩充数据集的效果。具体到分类任务,在保持数据类别不变的前提下,可以对训练集中的每个样本进行变换,如在一定程度内的随机旋转、缩放、裁剪、左右翻转等,这些变换对应着同一个目标在不同角度的观察结果,并且增强效果有限。此外,深度学习作为一个非常复杂的方法,会面对各种安全问题。深度神经网络很容易受到对抗样本的攻击,攻击者可以通过向良性数据中添加特定的扰动,生成对抗样本,使DNN模型出错。虽然这些伪造的样本对人类的判断没有影响,但是对于深度学习模型来说是一个致命性的误导。聚焦到深度学习领域,本论文提出一种针对无线电信号分类的对抗增强方法,将对抗训练方法引入信号领域,通过控制eps、iteration参数,在数据集中添加算法精心设计的细微扰动生成靠近决策边界面的边界样本实现数据增强,将边界样本与训练样本混合,重新训练识别模型,在提升模型识别精度的同时,提升模型的防御能力。最终在多个分类模型、多个实际无线电信号数据集上的分类性能都有显著的提高,同时防御性能也显著增强,验证了本文提出的信号增强识别方法的有效性。关键词深度学习;对抗训练;调制识别;数据增强     

基于小样本学习的SAR图像识别

深度学习已成为图像识别领域的一个研究热点。与传统图像识别方法不同,深度学习从大量数据中自动学习特征,并且具有强大的自学习能力和高效的特征表达能力。但在小样本条件下,传统的深度学习方法如卷积神经网络难以学习到有效的特征,造成图像识别的准确率较低。因此,提出一种新的小样本条件下的图像识别算法用于解决SAR图像的分类识别。该算法以卷积神经网络为基础,结合自编码器,形成深度卷积自编码网络结构。首先对图像进行预处理,使用2D Gabor滤波增强图像,在此基础上对模型进行训练,最后构建图像分类模型。该算法设计的网络结构能自动学习并提取小样本图像中的有效特征,进而提高识别准确率。在MSTAR数据集的10类目标分类中,选择训练集数据中10%的样本作为新的训练数据,其余数据为验证数据,并且,测试数据在卷积神经网络中的识别准确率为76.38%,而在提出的卷积自编码结构中的识别准确率达到了88.09%。实验结果表明,提出的算法在小样本图像识别中比卷积神经网络模型更加有效。     

面向SAR目标识别的深度卷积神经网络结构设计

目的 针对用于SAR （synthetic aperture radar） 目标识别的深度卷积神经网络模型结构的优化设计难题,在分析卷积核宽度对分类性能影响基础上,设计了一种适用于SAR目标识别的深度卷积神经网络结构。方法 首先基于二维随机卷积特征和具有单个隐层的神经网络模型-超限学习机分析了卷积核宽度对SAR图像目标分类性能的影响;然后,基于上述分析结果,在实现空间特征提取的卷积层中采用多个具有不同宽度的卷积核提取目标的多尺度局部特征,设计了一种适用于SAR图像目标识别的深度模型结构;最后,在对MSTAR （moving and stationary target acquisition and recognition） 数据集中的训练样本进行样本扩充基础上,设定了深度模型训练的超参数,进行了深度模型参数训练与分类性能验证。结果 实验结果表明,对于具有较强相干斑噪声的SAR图像而言,采用宽度更大的卷积核能够提取目标的局部特征,提出的模型因能从输入图像提取目标的多尺度局部特征,对于10类目标的分类结果（包含非变形目标和变形目标两种情况）接近或优于已知文献的最优分类结果,目标总体分类精度分别达到了98.39%和97.69%,验证了提出模型结构的有效性。结论 对于SAR图像目标识别,由于与可见光图像具有不同的成像机理,应采用更大的卷积核来提取目标的空间特征用于分类,通过对深度模型进行优化设计能够提高SAR图像目标识别的精度。     

基于PolyLoss的StarGAN图像样本自生长研究

在深度学习模型训练中,提高输入样本数量能够有效解决样本不均衡和训练过拟合问题。为更好地处理数据集的小样本场景,提出了一种基于PolyLoss的StarGAN小样本图像增强方法（PolyStarGAN）。相比传统样本增强方法,该网络具有更高的样本学习、生成能力。该方法使用训练生成器和判别器提取图像的特征信息,生成图像与输入图像的内容和结构一致。通过计算峰值信噪比、结构相似性与视觉信息保真度3个方面评估PolyStarGAN网络生成结果;在ResNet50目标识别模型训练中验证数据集质量。实验结果表明,提出的模型对不同场景图像的增强效果较好,提高了自生长数据集的ResNet50模型识别精度,可为样本自生长中的小样本问题提供参考方案与技术支持。     

改进Mask R-CNN在航拍灾害检测的应用研究

目标检测在众多领域具有极高的理论意义与应用价值，更稳定、更精确的目标检测方法是目前灾害检测领域研究的热点与难点。将基于深度学习的目标检测方法应用于灾害检测中，提出基于改进Mask R-CNN的航拍灾害检测方法。针对检测中出现的准确率较低，采用改进特征金字塔的结构，充分利用特征映射图的信息，提高各尺寸灾害目标的检测精度；并引入在线困难样本挖掘机制，解决正负样本不均衡的问题，减少误检率和漏检率。同时采用多部件结合的方法剔除误检目标。为验证该方法的有效性，在Tensorflow深度学习框架上，选取不同高度的森林火灾、滑坡、泥石流、地震航拍图像进行验证实验。结果表明，该方法能实现对不同类型的灾害进行快速而又准确的检测，同时对基于其他应用背景的目标识别研究也具有一定的参考意义。     

并行交叉的深度卷积神经网络模型

目的 图像分类与识别是计算机视觉领域的经典问题,是图像检索、目标识别及视频分析理解等技术的基础。目前,基于深度卷积神经网络(CNN)的模型已经在该领域取得了重大突破,其效果远远超过了传统的基于手工特征的模型。但很多深度模型神经元和参数规模巨大,训练困难。为此根据深度CNN模型和人眼视觉原理,提出并设计了一种深度并行交叉CNN模型(PCCNN模型)。方法 该模型在Alex-Net基础上,通过两条深度CNN数据变换流,提取两组深度CNN特征;在模型顶端,经过两次混合交叉,得到1024维的图像特征向量,最后使用Softmax回归对图像进行分类识别。结果 与同类模型相比,该模型所提取的特征更具判别力,具有更好的分类识别性能;在Caltech101上top1识别精度达到63%左右,比VGG16高出近5%,比GoogLeNet高出近10%;在Caltech256上top1识别精度达到46%以上,比VGG16高出近5%,比GoogLeNet高出2.6%。结论 PCCNN模型用于图像分类与识别效果显著,在中等规模的数据集上具有比同类其他模型更好的性能,在大规模数据集上其性能有待于进一步验证;该模型也为其他深度CNN模型的设计提供了一种新的思路,即在控制深度的同时,提取更多的特征信息,提高深度模型性能。     

基于深度学习方法的复杂场景下车辆目标检测

近年来,深度学习算法逐渐尝试应用于目标检测领域。本文针对实际交通场景下的车辆目标,应用深度学习目标分类算法中具有代表性的Faster R-CNN框架,结合ImageNet中的车辆数据集,把场景中的目标检测问题转化为目标的二分类问题,进行车辆目标的检测识别。相比传统机器学习目标检测算法,基于深度学习的目标检测算法在检测准确度和执行效率上优势明显。通过本实验结果分析表明,该方法在识别精度以及速度上均取得了显著的提高。     

基于深度贝叶斯主动学习的高光谱图像分类

针对高光谱图像分类中标记样本获取费时费力,无标记数据难以得到有效利用以及主动学习与深度学习结合难等问题,结合贝叶斯深度学习与主动学习的最新进展,提出一种基于深度贝叶斯的主动学习高光谱图像分类算法。利用少量标记样本训练一个卷积神经网络模型,根据与贝叶斯方法结合的主动学习采样策略从无标记样本中选择模型分类最不确定性的样本,选取的样本经人工标记后加入到训练集重新训练模型,减小模型不确定性,提高模型分类精度。通过PaviaU高光谱图像分类的实验结果表明,在少量的标记样本下,提出的方法比传统的方法分类效果更好。     

深度置信网络在极化SAR图像分类中的应用

目的 深度置信网络能够从数据中自动学习、提取特征,在特征学习方面具有突出优势。极化SAR图像分类中存在海量特征利用率低、特征选取主观性强的问题。为了解决这一问题,提出一种基于深度置信网络的极化SAR图像分类方法。方法 首先进行海量分类特征提取,获得极化类、辐射类、空间类和子孔径类四类特征构成的特征集;然后在特征集基础上选取样本并构建特征矢量,用以输入到深度置信网络模型之中;最后利用深度置信网络的方法对海量分类特征进行逐层学习抽象,获得有效的分类特征进行分类。结果 采用AIRSAR数据进行实验,分类结果精度达到91.06%。通过与经典Wishart监督分类、逻辑回归分类方法对比,表现了深度置信网络方法在特征学习方面的突出优势,验证了方法的适用性。结论 针对极化SAR图像海量特征的选取与利用,提出了一种新的分类方法,为极化SAR图像分类提供了一种新思路,为深度置信网络获得更广泛地应用进行有益的探索和尝试。     

语义匹配网络的小样本学习

针对深度学习领域内通过少量样本难以实现视觉识别的小样本学习问题，提出一种新的语义匹配网络。利用双注意力机制匹配图像的语义信息，并在多尺度分类网络下匹配图像的相似度，提升同类别样本之间的语义相关性，从而获得更加准确的样本类别。实验结果表明，与Siamese Net、Matching Net等网络相比，该语义匹配网络可有效提取样本间的语义信息，提升小样本分类准确率。     

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。     

基于多尺度特征多对抗网络的雾天图像识别

目的 当前的大型数据集,例如ImageNet,以及一些主流的网络模型,如ResNet等能直接高效地应用于正常场景的分类,但在雾天场景下则会出现较大的精度损失。雾天场景复杂多样,大量标注雾天数据成本过高,在现有条件下,高效地利用大量已有场景的标注数据和网络模型完成雾天场景下的分类识别任务至关重要。方法 本文使用了一种低成本的数据增强方法,有效减小图像在像素域上的差异。基于特征多样性和特征对抗的思想,提出多尺度特征多对抗网络,通过提取数据的多尺度特征,增强特征在特征域分布的代表性,利用对抗机制,在多个特征上减少特征域上的分布差异。通过缩小像素域和特征域分布差异,进一步减小领域偏移,提升雾天场景的分类识别精度。结果 在真实的多样性雾天场景数据上,通过消融实验,使用像素域数据增强方法后,带有标签的清晰图像数据在风格上更趋向于带雾图像,总的分类精度提升了8.2%,相比其他的数据增强方法,至少提升了6.3%,同时在特征域上使用多尺度特征多对抗网络,相比其他的网络,准确率至少提升了8.0%。结论 像素域数据增强以及多尺度特征多对抗网络结合的雾天图像识别方法,综合考虑了像素域和特征域的领域分布差异,结合了多尺度的丰富特征信息,同时使用多对抗来缩小雾天数据的领域偏移,在真实多样性雾天数据集上获得了更好的图像分类识别效果。     

基于迁移学习的水声目标识别

海洋声场环境的时变空变特性、水声目标发声机理的多源性以及其他噪声源的干扰,给水声目标的检测和识别带来很多困难.常规的目标识别手段主要是基于音频时频域特征分析,在复杂海洋环境下的难以获取有效的表征特征及鲁棒的识别效果.为了解决这些问题,本文提出了基于迁移学习的水声目标识别,分别利用预训练网络VGG和VGGish提取深层声学特征及模型微调,实现水声目标的分类识别.实验表明,本文提出的识别算法有效提升了识别准确率,减少了训练时间,基于微调的迁移学习算法在水声目标识别上平均准确率为92.48%,取得了当前最好的识别结果.     

基于残差网络和随机森林的音频识别方法

环境声音分类(ESC)是音频处理领域的重要分支之一,在未来多媒体应用中有重要的作用。音频识别是提取音频中特定的声学特性,将音频分类至样本对应的正确场景,有助于感知和理解周围环境。现阶段音频识别主要是通过信号处理技术和机器学习方法达成。随着人工智能飞速发展,传统的音频处理技术以及机器学习方法面临着巨大的挑战,ESC的识别准确性有待进一步提高。结合残差网络和随机森林两种方法,将一维时域信号的音频数据转换为二维数据形式的梅尔声谱图,预训练残差网络获得一个精度较高的网络模型作为特征提取器,利用该网络模型提取音频中的深层特征,再利用随机森林对深层特征进行分类。该方法在ESC任务上识别率提升了近10%,取得了较好的分类结果。     

多层校正的无监督领域自适应方法

目的 目前深度神经网络已成功应用于众多机器学习任务,并展现出惊人的性能提升效果。然而传统的深度网络和机器学习算法都假定训练数据和测试数据服从的是同一分布,而这种假设在实际应用中往往是不成立的。如果训练数据和测试数据的分布差异很大,那么由传统机器学习算法训练出来的分类器的性能将会大大降低。为了解决此类问题,提出了一种基于多层校正的无监督领域自适应方法。方法 首先利用多层校正来调整现有的深度网络,利用加法叠加来完美对齐源域和目标域的数据表示;然后采用多层权值最大均值差异来适应目标域,增加网络的表示能力;最后提取学习获得的域不变特征来进行分类,得到目标图像的识别效果。结果 本文算法在Office-31图像数据集等4个数字数据集上分别进行了测试实验,以对比不同算法在图像识别和分类方面的性能差异,并进行准确度测量。测试结果显示,与同领域算法相比,本文算法在准确率上至少提高了5%,在应对照明变化、复杂背景和图像质量不佳等干扰情况时,亦能获得较好的分类效果,体现出更强的鲁棒性。结论 在领域自适应相关数据集上的实验结果表明,本文方法具备一定的泛化能力,可以实现较高的分类性能,并且优于其他现有的无监督领域自适应方法。     

基于孪生变分自编码器的小样本图像分类方法

当前深度学习大都基于大量数据通过构建深层次的网络实现自动识别,但在很多场景中难以获得大量的样本数据。针对这一问题,提出一种基于孪生变分自编码器(siamese variational auto-encoder,S-VAE)的小样本图像分类方法。通过变分自编码器提取原始训练数据的高层语义特征,然后由两个训练好的变分自编码器的编码器部分组建孪生网络的输入结构,最后通过分类器对样本进行识别。变分自编码器可以解决样本数据量少带来的过拟合问题,孪生网络的结构增加了样本数量较少的情况下的训练次数。在Omniglot数据集上进行的实验结果表明:本方法与原始孪生神经网络相比正确率平均提高了3.1%,模型收敛速度更快,证明了孪生变分自编码器能够较好地完成小样本数据分类任务。