基于熵增强的无监督域适应遥感图像语义分割

为了实现利用有标注源数据获得在无标注目标数据上可用的遥感图像语义分割模型,提出了一种基于熵增强的域适应端到端语义分割方法.首先,为了充分利用遥感图像多尺度信息并且减少域之间传感器分辨率带来的域偏移,采用空洞空间金字塔池化模块作为分类器;其次,为了使无标注的目标域类别正确对应,使用了两个分类器进行协同训练;将像素点预测值的信息熵当做分类置信度的度量,将其作为对抗损失的权重,从而使训练能专注于难分类的像素,降低域偏移.在ISPRS(WGII/4)2D数据集上进行实验,所提方法相对于直接使用分割模型和使用传统对抗方法,mIoU分别提高了18％和12％.实验结果表明,所提方法在遥感图像域适应语义分割表现上优于直接使用分割模型或使用传统对抗域适应分割方法.     

流形正则化的交叉一致性语义分割算法

目的 为有效解决半监督及弱监督语义分割模型中上下文信息缺失问题,在充分考虑模型推理效率的基础上,提出基于流形正则化的交叉一致性语义分割算法。方法 首先,以交叉一致性训练模型作为骨架网络,通过骨架网络获得预测分割图像。其次,对输入域图像和输出域图像进行子图像块划分,以获取具有相同几何结构的数据对。再次,通过原始图像和分割图像的子图像块,计算输入数据与预测结果所处流形曲面上的潜在几何约束关系,并根据不同的训练方式分别设计半监督及弱监督的正则化算法。最后,利用流形约束的结果进一步优化图像分割网络中的参数,并通过反复迭代使半监督或弱监督的语义分割模型达到最优。结果 通过加入流形正则化约束,捕获了图像中上下文信息,降低了网络前向计算过程中造成的本征结构的损失,在不改变网络结构的前提下提高了算法精度。为验证算法的有效性,实验分别在半监督和弱监督两种不同类型的语义分割中进行了对比,在PASCAL VOC 2012(pattern analysis, statistical modeling and computational learning visual object classes 2012)数据集上,对半监督语义分割任务,本文算法比原始网络提高了3.7%,对弱监督语义分割任务,本文算法比原始网络提高了1.1%。结论 本文算法在不改变原有网络结构的基础上,提升了半监督及弱监督图像语义分割模型的精度,尤其对图像中几何特征明显的目标与区域,精度提升更加明显。     

面向医学图像分割的半监督条件生成对抗网络

医学图像分割是计算机辅助诊断的关键技术.青光眼作为全球第二大致盲眼病,其早期筛查和临床诊断依赖于眼底图的视盘和视杯的准确分割.但传统的视盘和视杯分割方法采用人工构建特征,模型泛化能力差.近年来,基于卷积神经网络的端对端学习模型可通过自动发现特征来分割视盘和视杯,但由于标注样本有限,模型难以训练.提出一个基于半监督条件生成对抗网络的视盘和视杯两阶段分割模型——CDR-GANs.该模型的每个分割阶段均由语义分割网络、生成器和判别器构成,通过对抗学习,判别器引导语义分割网络和生成器学习眼底图及其分割图的联合概率分布.在真实数据集ORIGA上的实验结果表明,CDR-GANs在均交并比（mean intersection over union,简称MIoU）、CDR绝对误差（absolute CDR error）和实际分割效果这些指标上明显优于现有模型.     

融合深度信息的室内场景分割算法

针对室内复杂场景中, 图像语义分割存在的特征损失和双模态有效融合等问题, 提出了一种基于编码器-解码器架构的融合注意力机制的轻量级语义分割网络. 首先采用两个残差网络作为主干网络分别对RGB和深度图像进行特征提取, 并在编码器中引入极化自注意力机制, 然后设计引入双模态融合模块在不同阶段对RGB特征和深度特征进行有效融合, 接着引入并行聚合金字塔池化以获取区域之间的依赖性. 最后, 采用3个不同尺寸的解码器将前面的多尺度特征图进行跳跃连接并融合解码, 使分割结果含有更多的细节纹理. 将本文提出的网络模型在NYUDv2数据集上进行训练和测试, 并与一些较先进RGB-D语义分割网络对比, 实验证明本文网络具有较好分割性能.     

基于半监督编码生成对抗网络的图像分类模型

在实际应用中,为分类模型提供大量的人工标签越来越困难,因此,近几年基于半监督的图像分类问题获得了越来越多的关注.而大量实验表明,在生成对抗网络(Generative adversarial network,GANs)的训练过程中,引入少量的标签数据能获得更好的分类效果,但在该类模型的框架中并没有考虑用于提取图像特征的结构,为了进一步利用其模型的学习能力,本文提出一种新的半监督分类模型.该模型在原生成对抗网络模型中添加了一个编码器结构,用于直接提取图像特征,并构造了一种新的半监督训练方式,获得了突出的分类效果.本模型分别在标准的手写体识别数据库MNIST、街牌号数据库SVHN和自然图像数据库CIFAR-10上完成了数值实验,并与其他半监督模型进行了对比,结果表明本文所提模型在使用少量带标数据情况下得到了更高的分类精度.     

基于生成对抗网络的CT图像数据扩增

训练基于深度学习的计算机辅助诊断系统可以有效地从肺部CT图像中检测出是否受到COVID-19感染, 但目前面临的主要问题是缺乏高质量带标注的CT图像用于训练. 为了有效的解决该问题, 本文提出了一种基于生成对抗网络来扩增肺部CT图像的方法. 新方法通过生成不同感染区域的标签并通过泊松融合以增加生成图像的多样性; 通过训练对抗网络模型实现图像的转换生成, 以达到扩增CT图像的目的. 为验证生成数据的有效性, 基于扩增数据进一步做了分割实验. 通过图像生成实验和分割实验, 结果都表明, 本文提出的图像生成方法取得了较好的效果.     

基于条件能量对抗网络的肝脏和肝肿瘤分割

从图像中分割出肝脏和肝肿瘤是肝部疾病诊断重要手段之一,现有基于卷积神经网络（Convolutional Neural Network,CNN）方法通过为输入图像中每个像素分配类别标签来实现肝脏和肝肿瘤分割。CNN在对每个像素分类过程中没有使用邻域内其他像素类别信息,容易出现小目标漏检和目标边界分割模糊问题。针对这些问题,提出了条件能量对抗网络用于肝脏和肝肿瘤分割。该方法基于能量生成对抗网络（Energy-Based Generative Adversarial Network,EBGAN）和条件生成对抗网络（Conditional Generative Adversarial Network,CGAN）,使用一个基于CNN的分割网络作为生成器与一个自编码器作为判别器,通过将判别器作为一种损失函数来度量并提升分割结果与真实标注之间的相似度。在对抗训练过程中,判别器将生成器输出的分割结果作为输入并将原始图像作为条件约束,通过学习像素类别之间的高阶一致性提高分割精度,使用能量函数作为判别器避免了对抗网络训练中容易出现的梯度消失或梯度爆炸,更易于训练。在MICCAI 2017肝肿瘤分割（LiTS）挑战赛的数据集和3DIRCADb数据集上对提出的方法进行验证,实验结果表明,该方法不仅实现了肝脏与肝肿瘤的自动分割,还利用像素类别之间的高阶一致性提升了肿瘤和肝脏边界的分割精度,减少了小体积肿瘤的漏检。     

面向图像语义分割的生成对抗网络模型

图像语义分割一直是计算机视觉中具有挑战性的任务之一。目前多数基于卷积神经网络的语义分割算法存在分割结果不精确,不连续等问题。为了提高图像分割效果,提出了基于生成对抗学习的图像语义分割网络模型。该模型由生成网络和判别网络两部分组成。生成网络含有五个模块,主要作用是生成语义分割图,判别网络与生成网络进行对抗训练,优化生成网络以使生成图像更加接近于Ground Truth。通过在Pascal VOC 2012数据集上对图像进行语义分割的分析,验证了该算法可以有效提高图像语义分割的精度。     

基于对象位置线索的弱监督图像语义分割方法

深度卷积神经网络使用像素级标注,在图像语义分割任务中取得了优异的分割性能.然而,获取像素级标注是一项耗时并且代价高的工作.为了解决这个问题,提出一种基于图像级标注的弱监督图像语义分割方法.该方法致力于使用图像级标注获取有效的伪像素标注来优化分割网络的参数.该方法分为3个步骤：（1）首先,基于分类与分割共享的网络结构,通过空间类别得分（图像二维空间上像素点的类别得分）对网络特征层求导,获取具有类别信息的注意力图;（2）采用逐次擦除法产生显著图,用于补充注意力图中缺失的对象位置信息;（3）融合注意力图与显著图来生成伪像素标注并训练分割网络.在PASCAL VOC 2012分割数据集上的一系列对比实验,证明了该方法的有效性及其优秀的分割性能.     

集成模糊LSA与MIL的图像分类算法

针对自然图像的分类问题,提出一种基于模糊潜在语义分析(LSA)与直推式支持向量机(TSVM)相结合的半监督多示例学习(MIL)算法.该算法将图像当作多示例包,分割区域的底层视觉特征当作包中的示例.为了将MIL问题转化成单示例问题进行求解,首先利用K-Means方法对训练包中所有的示例进行聚类,建立"视觉词汇表";然后根据"视觉字"与示例之间的距离定义模糊隶属度函数,建立模糊"词-文档"矩阵,再采用LSA方法获得多示例包(图像)的模糊潜在语义模型,并通过该模型将每个多示例包转化成单个样本;采用半监督的TSVM训练分类器,以利用未标注图像来提高分类精度.基于Corel图像库的对比实验结果表明,与传统的LSA方法相比,模糊LSA的分类准确率提高了5.6%,且性能优于其他分类方法.     

基于路径聚合扩张卷积的图像语义分割方法

基于编码器-解码器的深度全卷积神经网络在图像语义分割中取得了重大的进展,但是深度网络中网络低层定位信息传播到网络高层路径过长,导致解码阶段难以利用低层定位信息来恢复物体边界结构,针对这一问题,提出了一种应用在分割网络解码器部分的路径聚合结构。该结构缩短了分割网络中低层信息到高层信息的传播路径并提供多尺度的上下文语义信息,使得分割网络能产生更为精细的边界分割结果。针对语义分割中常使用的Softmax交叉熵损失函数对外观相似样本区分能力不足的问题,对Softmax交叉熵损失函数进行改造,提出了双向交叉熵损失函数。本文提出的路径聚合扩张卷积网络结合新的损失函数方法在PASCAL VOC2012Aug数据集上获得了更好的效果,将mIoU值从78.77%提升到了80.44%。     

基于半监督对抗学习的图像语义分割

目的 将半监督对抗学习应用于图像语义分割,可以有效减少训练过程中人工生成标记的数量。作为生成器的分割网络的卷积算子只具有局部感受域,因此对于图像不同区域之间的远程依赖关系只能通过多个卷积层或增加卷积核的大小进行建模,但这种做法也同时失去了使用局部卷积结构获得的计算效率。此外,生成对抗网络（generative adversarial network,GAN）中的另一个挑战是判别器的性能控制。在高维空间中,由判别器进行的密度比估计通常是不准确且不稳定的。为此,本文提出面向图像语义分割的半监督对抗学习方法。方法 在生成对抗网络的分割网络中附加两层自注意模块,在空间维度上对语义依赖关系进行建模。自注意模块通过对所有位置的特征进行加权求和,有选择地在每个位置聚合特征。因而能够在像素级正确标记值数据的基础上有效处理输入图像中广泛分离的空间区域之间的关系。同时,为解决提出的半监督对抗学习方法的稳定性问题,在训练过程中将谱归一化应用到对抗网络的判别器中,这种加权归一化方法不仅可以稳定判别器网络的训练,并且不需要对唯一的超参数进行密集调整即可获得满意性能,且实现简单,计算量少,即使在缺乏互补的正则化技术的情况下,谱归一化也可以比权重归一化和梯度损失更好地改善生成图像的质量。结果 实验在Cityscapes数据集及PASCAL VOC 2012（pattern analysis,statistical modeling and computational learning visual object classes）数据集上与9种方法进行比较。在Cityscapes数据集中,相比基线模型,性能提高了2.3%~3.2%。在PASCAL VOC 2012数据集中,性能比基线模型提高了1.4%~2.5%。同时,在PASCAL VOC 2012数据集上进行消融实验,可以看出本文方法的有效性。结论 本文提出的半监督对抗学习的语义分割方法,通过引入的自注意力机制捕获特征图上各像素之间的依赖关系,应用谱归一化增强对抗生成网络的稳定性,表现出了较好的鲁棒性和有效性。     

基于多尺度注意力半监督学习的老照片划痕修复

老照片由于长时间的磨损或保存不当,会出现照片的划痕损伤。随着深度学习在图像重建中的应用,基于深度学习方法能够在纹理修复的基础上获取图像的语义信息并预测语义内容,使老照片修复的整体效果更加符合客观事实,但利用深度学习进行老照片划痕修复缺乏学习所需数据集。提出一种基于半监督学习的老照片划痕自动修复的方法,创建划痕合成数据集SynOld用于网络训练,同时搜集真实的划痕老照片用于训练和测试,将合成数据集和真实老照片加入网络学习,两者共享网络参数,并通过鉴别器来区分网络生成图像与真实图像。对于合成数据集有监督的分支采用均方差损失、感知损失和对抗损失约束训练,对于真实老照片无监督的分支采用总变差损失控制训练。实验结果表明,相比于多尺度特征注意力网络的监督学习方法,该方法在合成数据集SynOld和真实老照片上都具有较好的修复效果。     

显著性引导及不确定性监督的深度编解码网络

基于U-Net的编码-解码网络及其变体网络在医学图像语义分割任务中取得了卓越的分割性能.然而,网络在特征提取过程中丢失了部分空间细节信息,影响了分割精度.另一方面,在多模态的医学图像语义分割任务中,这些模型的泛化能力和鲁棒性不理想.针对以上问题,本文提出一种显著性引导及不确定性监督的深度卷积编解码网络,以解决多模态医学图像语义分割问题.该算法将初始生成的显著图和不确定概率图作为监督信息来优化语义分割网络的参数.首先,通过显著性检测网络生成显著图,初步定位图像中的目标区域;然后,根据显著图计算不确定分类的像素点集合,生成不确定概率图;最后,将显著图和不确定概率图与原图像一同送入多尺度特征融合网络,引导网络关注目标区域特征的学习,同时增强网络对不确定分类区域和复杂边界的表征能力,以提升网络的分割性能.实验结果表明,本文算法能够捕获更多的语义信息,在多模态医学图像语义分割任务中优于其他的语义分割算法,并具有较好的泛化能力和鲁棒性.     

生成对抗网络在肝脏肿瘤图像分割中的应用综述

由于肝脏肿瘤图像复杂多样且肝脏肿瘤图像数据集获取困难等问题,快速准确地诊断肝脏肿瘤疾病面临着诸多挑战,尤其是肝脏肿瘤的分割是其中的关键研究内容。生成对抗网络在半监督学习领域具有强大的优越性,因此其在医学图像处理中得到广泛应用。为了分析肝脏肿瘤图像在分割领域的现状以及未来发展,针对应用GAN的肝脏肿瘤图像分割方法进行研究,介绍GAN模型的网络结构与衍生模型,重点总结并分析生成对抗网络在肝脏肿瘤图像分割中的应用,包括基于网络结构改进的GAN方法、基于生成器或判别器改进的GAN方法和基于GAN的其他改进方法。最后在已有的研究进展和基础之上,对GAN在肝脏肿瘤图像分割中的应用进行总结,讨论GAN在肝脏肿瘤图像分割上所面临的挑战,并对其未来发展进行展望。     

深度卷积神经网络图像语义分割研究进展

在计算机视觉领域中,语义分割是场景解析和行为识别的关键任务,基于深度卷积神经网络的图像语义分割方法已经取得突破性进展。语义分割的任务是对图像中的每一个像素分配所属的类别标签,属于像素级的图像理解。目标检测仅定位目标的边界框,而语义分割需要分割出图像中的目标。本文首先分析和描述了语义分割领域存在的困难和挑战,介绍了语义分割算法性能评价的常用数据集和客观评测指标。然后,归纳和总结了现阶段主流的基于深度卷积神经网络的图像语义分割方法的国内外研究现状,依据网络训练是否需要像素级的标注图像,将现有方法分为基于监督学习的语义分割和基于弱监督学习的语义分割两类,详细阐述并分析这两类方法各自的优势和不足。本文在PASCAL VOC（pattern analysis, statistical modelling and computational learning visual object classes）2012数据集上比较了部分监督学习和弱监督学习的语义分割模型,并给出了监督学习模型和弱监督学习模型中的最优方法,以及对应的MIoU（mean intersection-over-union）。最后,指出了图像语义分割领域未来可能的热点方向。     

基于通道注意力与条件生成对抗网络的图像去雾

针对当前去雾方法存在雾残留、颜色失真等问题, 结合生成对抗网络在图像超分辨率重建的优势, 提出基于通道注意力与条件生成对抗网络图像去雾算法(CGAN-ECA). 网络基于编码-解码结构, 生成器设计多尺度残差模块(multi-scale residual block, MRBlk)和高效通道注意力模块(efficient channel attention, ECA)扩大感受野, 提取多尺度特征, 动态调整不同通道权重, 提高特征利用率. 使用马尔可夫判别器分块评价图像, 提高图像判别准确率. 损失函数增加内容损失, 减少去雾图像的像素和特征级损失, 保留图像更多的细节信息, 实现高质量的图像去雾. 在公开数据集RESIDE实验结果表明, 提出的模型相比于DCP、AOD-Net、DehazeNet和GCANet方法峰值信噪比和结构相似性分别平均提高36.36%, 8.80%, 改善了颜色失真和去雾不彻底的现象, 是一种有效的图像去雾算法.     

基于深度学习的自然灾害遥感影像语义分割

自然灾害种类繁多, 通过遥感影像语义分割相对比较困难. 为了能够更好实现遥感影像分割, 本文提出一种基于生成对抗网络的3层遥感影像语义分割模型, 针对不同场景的解析, 基于全卷积神经网络FCN, 设计一种多层次的遥感语义分割框架. 有效对遥感图像语义分割进行处理, 从而提高了模型的分割精度. 实验表明利用这种模型是有效的, 特别是受损建筑的分割结果, mIoU为82.28%, 通过该模型与其他网络模型进行对比, 其性能评价指标明显优于其他网络模型. 最后, 通过对自然灾害各种场景影像进行分析, 为应急管理部门提供一份可靠的数据报告.     

基于语义对比生成对抗网络的高倍欠采MRI重建

利用数据的稀疏性从随机欠采样的K空间重建图像,是解决磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI)因采集时间过长而应用受限问题的主要手段。然而,现有的方法重建高倍欠采图像时纹理细节丢失严重。针对这一问题,借鉴生成对抗网络的对抗学习思想,文中提出一种基于语义对比生成对抗网络的高倍欠采MRI重建方法(Semantic-Contrast Generative Adversarial Network,SC-GAN)。该方法由连续的两部分组成。第一部分将笛卡尔高倍随机欠采样MRI图像输入基于U-NET的生成器,与鉴别器不断博弈对抗生成初步重建图像,以此构建重建子网;另一部分是语义对比子网,通过VGG-16比较初步重建图像与全采样图像的语义信息,比较结果反馈给第一部分进行参数调优,直到生成最佳的重建图像。实验结果表明,在加速因子高达7(14%)时,获得了主客观评价结果均较好的重建图像。与先进的重建方法相比,所提方法的内存损耗更低、收敛速度更快且纹理细节更丰富,可为下一代MRI机器的研发提供算法支持。