粒子群优化神经网络在动态手势识别中的应用

为了提高动态手势学习训练速度和识别准确率,本文提出一种基于粒子群优化BP神经网络的动态手势识别方法。首先基于自然人机交互需要,定义一套基于机器视觉的动态手势模型;在获取指尖运动轨迹的基础上,提取动态手势的特征向量作为神经网络的输入;利用改进的PSO算法训练BP神经网络,得到神经网络的权值和阈值;最后利用训练过的神经网络识别基于机器视觉的动态手势。测试结果表明:改进的PSO算法能够提高神经网络训练速度和精度,进而提高动态手势识别准确率。     

基于改进YOLOv3的手势实时识别方法

针对基于人工建模方式的手势识别方法准确率低、速度慢的问题,提出一种基于改进YOLOv3的静态手势实时识别方法。采用卷积神经网络YOLOv3模型,将通过Kinect设备采集的IR、Registration of RGB、RGB和Depth图像代替常用的RGB图像作为数据集,并融合四类图像的识别结果以提高识别准确率。采用k-means聚类算法对YOLOv3中的初始候选框参数进行优化,从而加快识别速度。在此基础上,利用迁移学习的方法对基础特征提取器进行改进,以缩短模型的训练时间。实验结果表明,该方法对流式视频静态手势的平均识别准确率为99.8%,识别速度高达52 FPS,模型训练时间为12 h,与Faster R-CNN、SSD、YOLOv2等深度学习方法相比,其识别精度更高,识别速度更快。     

基于快速密度聚类的RBF神经网络设计

针对径向基函数（radial basis function,RBF）神经网络隐含层结构难以确定的问题,提出一种基于快速密度聚类的网络结构设计算法。该算法将快速密度聚类算法良好的聚类特性用于RBF神经网络结构设计中,通过寻找密度最大的点并将其作为隐含层神经元,进而确定隐含层神经元个数和初始参数;同时,引入高斯函数的特性,保证了每个隐含层神经元的活性;最后,用一种改进的二阶算法对神经网络进行训练,提高了神经网络的收敛速度和泛化能力。利用典型非线性函数逼近和非线性动态系统辨识实验进行仿真验证,结果表明,基于快速密度聚类设计的RBF神经网络具有紧凑的网络结构、快速的学习能力和良好的泛化能力。     

切比雪夫正交基神经网络的权值直接确定法

经典的BP神经网络学习算法是基于误差回传的思想.而对于特定的网络模型,采用伪逆思想可以直接确定权值进而避免以往的反复迭代修正的过程.根据多项式插值和逼近理论构造一个切比雪夫正交基神经网络,其模型采用三层结构并以一组切比雪夫正交多项式函数作为隐层神经元的激励函数.依据误差回传(BP)思想可以推导出该网络模型的权值修正迭代公式,利用该公式迭代训练可得到网络的最优权值.区别于这种经典的做法,针对切比雪夫正交基神经网络模型,提出了一种基于伪逆的权值直接确定法,从而避免了传统方法通过反复迭代才能得到网络权值的冗长训练过程.仿真结果表明该方法具有更快的计算速度和至少相同的工作精度,从而验证了其优越性.     

基于3D卷积神经网络的动态手势识别

传统的2D卷积神经网络在进行视频识别时容易丢失目标在时间维度上的相关特征信息,导致识别准确率降低。针对该问题,本文采用3D卷积网络作为基本的网络框架,使用3D卷积核进行卷积操作提取视频中的时空特征,同时集成多个3D卷积神经网络模型对动态手势进行识别。为了提高模型的收敛速度和训练的稳定性,运用批量归一化（BN）技术优化网络,使优化后的网络训练时间缩短。实验结果表明,本文方法对于动态手势的识别具有较好的识别结果,在Sheffield Kinect Gesture (SKIG)数据集上识别准确率达到98.06%。与单独使用RGB信息、深度信息以及传统2D CNN相比,手势识别率均有所提高,验证了本文方法的可行性和有效性。     

神经网络规则优化建模与应用

神经网络应用于复杂系统时存在隐含层节点确定和参数随机选择的困难,对此研究探索了一种规则优化建模方法。首先,应用粗决策树耦合算法实现增量式的动态规则提取;其次,基于获取的动态规则计算最简规则数,作为确定网络隐含层节点的依据,实现网络规则建模;再次,优化网络初始参数,规避局部极小问题并提高模型训练速度和精度;最后,将优化模型应用于空气质量预报中,性能测试和对比分析结果显示,该模型收敛速度快且误差控制在4%以内,学习速度和预报精度明显优于传统模型。该研究成果实现了动态增量模式下的规则模型构建与优化,为动态数据处理提供了一种新的研究思路。     

基于非负矩阵分解的语音深层低维特征提取方法

作为一种基于深层神经网络提取的低维特征,瓶颈特征在连续语音识别中取得了很大的成功。然而训练瓶颈结构的深层神经网络时,瓶颈层的存在会降低网络输出层的帧准确率,进而反过来影响该特征的性能。针对这一问题,本文基于非负矩阵分解算法,提出一种利用不包含瓶颈层的深层神经网络提取低维特征的方法。该方法利用半非负矩阵分解和凸非负矩阵分解算法对隐含层权值矩阵分解得到基矩阵,将其作为新的特征层权值矩阵,然后在该层不设置偏移向量的情况下,通过数据前向传播提取新型特征。实验表明,该特征具有较为稳定的规律,且适用于不同的识别任务和网络结构。当使用训练数据充足的语料进行实验时,该特征表现出同瓶颈特征几乎相同的识别性能;而在低资源环境下,基于该特征识别系统的识别率明显优于深层神经网络混合识别系统和瓶颈特征识别系统。     

基于表面肌电图像的灵巧假手控制系统

设计了一种通过佩戴阵列型表面肌电传感器,实时识别受试者的8种手势,并控制一个自主研发的六自由度灵巧操作假手进行同步动作的人–机协同控制系统.控制假手的手势识别策略基于神经网络算法,受试者仅需在首次训练阶段重复完成预先设定的8种手势动作(分别为放松、手腕外翻、手腕内翻、握拳、伸掌、手势2、手势3和竖大拇指),之后该系统即能够实时识别受试者随机完成8种手势中的任意一种手势.本文提出的网络参数随机搜索算法和梯度下降算法,与目前同规模的神经网络相比提高了网络的训练速度和手势预测精度;该手势识别算法使用Tensorflow机器学习框架学习权值并进行了可视化分析;采用经过优化的手势训练方式既缩短了受试者的手势训练时间,同时提高了手势训练的熟练度.本文对一名肌肉无损伤的受试者进行表面肌电信号采集、训练和预测,对8种手势的综合预测精度达到97%,且再次佩戴时不再需要进行训练.受试者实际控制假手时,使用投票算法对实时手势预测结果进行深度优化,最终假手的动作同步率到达99%.     

改造前向神经网络结构以求网络权值直接确定——Jacobi正交基神经网络实例

根据多项式插值与逼近理论,以一组零阀值特例Jacobi正交多项式(第二类Chebyshev正交多项式)作为隐层神经元的激励函数,构造一种基于Jacobi正交基的前向神经网络模型.该神经网络模型采用三层前向结构,其中输入、输出层神经元采用零阀值线性激励函数.为改进传统神经网络收敛速度较慢及其局部极小点问题,针对该Jacobi正交基前向神经网络模型,提出了一种基于伪逆的直接计算神经网络权值的方法(即,一步确定法),并利用该神经网络进行预测.计算机仿真结果表明,相对比传统的BP迭代训练方法,权值直接确定法计算速度更快、预测精度更高.     

改进卷积神经网络的动态手势识别

针对现有的单目视觉下动态手势识别率低、识别手势种类少等问题提出一种联合卷积神经网络和支持向量机分类（CNN-Softmax-SVM）的动态手势识别算法.首先采用一种基于YCbCr颜色空间和HSV颜色空间的快速指尖检测跟踪,能在复杂背景下实时获取指尖运动轨迹;其次将指尖运动轨迹作为联合CNN-Softmax-SVM网络的输入,最终通过训练网络来识别动态手势.测试结果显示,采用联合CNN-Softmax-SVM算法能够很好地识别动态手势.     

多尺度卷积特征融合的SSD手势识别算法

为了提高对中小占比手势识别的准确性与稳定性,提出了一种多尺度卷积特征融合的SSD(single shot multibox detector)手势识别方法。该方法突出表现在两大方面,其一,在原始的SSD算法的多尺度卷积检测方法基础上,引入了不同卷积层的特征融合思想,经过空洞卷积下采样操作与反卷积上采样操作,实现网络结构中的浅层视觉卷积层与深层语义卷积层的融合,代替原有的卷积层用于手势识别,以提高模型对中小目标手势的识别精度;其二,为了解决正负样本不均衡导致分类性能差的问题,提出一种改进的损失函数,以提升模型对目标手势的分类能力。在手势识别公开的数据集上的实验结果表明,与SSD和Faster R-CNN等识别方法相比,能够在保持较高的手势检测精度的同时,又具有较好的鲁棒性与检测速度。     

基于深度神经网络的sEMG手势识别研究

为了提高表面肌电信号（sEMG）手势识别算法的准确性,并解决人为提取大量特征具有局限性的问题,提出了一种基于深度神经网络的手势识别方法。将MYO臂环采集到的8通道sEMG数据,采用活动段分割的方法探测到有效动作;设计出一种融合卷积神经网络（CNN）和长短时记忆（LSTM）网络的神经网络;实验的结果表明手势识别准确率为91.6%,验证了提出的方案高效可行。     

基于残差双注意力与跨级特征融合模块的静态手势识别

为解决卷积神经网络提取特征遗漏、手势多特征提取不充分问题, 本文提出基于残差双注意力与跨级特征融合模块的静态手势识别方法. 设计了一种残差双注意力模块, 该模块对ResNet50网络提取的低层特征进行增强, 能够有效学习关键信息并更新权重, 提高对高层特征的注意力, 然后由跨级特征融合模块对不同阶段的高低层特征进行融合, 丰富高级特征图中不同层级之间的语义和位置信息, 最后使用全连接层的Softmax分类器对手势图像进行分类识别. 本文在ASL美国手语数据集上进行实验, 平均准确率为99.68%, 相比基础ResNet50网络准确率提升2.52%. 结果验证本文方法能充分提取与复用手势特征, 有效提高手势图像的识别精度.     

融合YOLO v3与改进ReXNet的手势识别方法研究

工程应用中的手势识别需要较高的实时性和准确性，而现场环境通常无法提供足够的计算能力，采用轻量化神经网络在解决了上述问题的同时，还能达到与深度神经网络相当的识别效果。为此，提出一种基于改进轻量化神经网络的手势识别方法。该方法改进用于手部关键点检测的ReXNet网络结构，以改善骨骼点的局部关注；同时将关键点检测损失函数MSE替换为Huber loss，以提升离群点的抗干扰性。实验环境搭建基于普通单目镜头捕获图像后，经YOLO v3手部识别模型和改进的ReXNet关键点检测模型，并根据约束手部骨骼关键点的向量角而定义的不同手势，最后达到实时检测的效果。改进模型在RWTH公开数据集上的测试结果表明，改进后的手势识别方法的检测准确度较改进前整体提升2.62%，达到了96.18%，且收敛速度更快。     

Gesture recognition based on skeletonization algorithm and CNN with ASL database

In the field of human-computer interaction, vision-based gesture recognition methods are widely studied. However, its recognition effect depends to a large extent on the performance of the recognition algorithm. The skeletonization algorithm and convolutional neural network (CNN) for the recognition algorithm reduce the impact of shooting angle and environment on recognition effect, and improve the accuracy of gesture recognition in complex environments. According to the influence of the shooting angle on the same gesture recognition, the skeletonization algorithm is optimized based on the layer-by-layer stripping concept, so that the key node information in the hand skeleton diagram is extracted. The gesture direction is determined by the spatial coordinate axis of the hand. Based on this, gesture segmentation is implemented to overcome the influence of the environment on the recognition effect. In order to further improve the accuracy of gesture recognition, the ASK gesture database is used to train the convolutional neural network model. The experimental results show that compared with SVM method, dictionary learning + sparse representation, CNN method and other methods, the recognition rate reaches 96.01%.

     

遗传神经网络在语音识别中的应用研究

针对语音识别的特点,对BP神经网络在语音识别技术中的应用进行了探索性研究,进而结合人工智能领域较为有效的方法——遗传(GA)算法,针对传统BP算法识别准确率高但训练速度慢的缺点,对BP网络进行改进,构建了一种基于遗传神经网络的语音识别算法(GABP),并建立相应的语音识别系统。仿真实验表明,该算法有效地缩短了识别时间,提高了网络训练速度和语音的识别率。