遥感图像中尺度海洋锋及涡旋提取方法研究进展

目的 中尺度海洋锋及涡旋均是重要的中尺度海洋环境特征。中尺度海洋锋及涡旋的提取及其时空分布、变化的研究对海洋生态系统的研究、渔业资源评估、渔情预报及军事等都有重要意义。遥感技术能在同一时间获取大面积海洋要素观测数据,遥感数据具有优良的连续性、同步性,因此遥感数据被广泛应用于中尺度海洋锋及涡旋提取的研究中。方法 对基于遥感数据进行中尺度海洋锋提取的梯度法、Canny算法、小波分析法和基于引力模型的方法,以及涡旋的提取的Okubo-Weiss法（OW法）、Winding-Angle法（WA法）、基于海面高度的无阈值等值线法和Hybird Detection（HD法）进行总结和分析,并提出对中尺度海洋锋面及涡旋提取方法的见解及新思路。结果 利用2014年2月南海北部海表温度（SST）数据,分别采用梯度法中的Gradient法、Sobel算法以及Canny算法对南海北部温度锋进行提取并得到该区域温度锋分布图。结果 明在多种锋面提取方法中,Canny算法具有较高的效率且其提取结果的连续性和精度更好。中尺度涡的提取方法中,WA法的提取结果具有更好的准确性。早期的中尺度涡提取方法忽略了多中心结构涡旋存在的情况,而后来的HD法能较好地识别多中心结构涡旋。结论 阈值选取是中尺度海洋锋及涡旋提取的难点和提取结果好坏的关键。然而海洋要素图像弱边缘的特点使得传统边缘检测方法不一定适用于中尺度锋提取。文章通过对不同锋面及涡旋提取方法的总结与分析,为海洋锋面及涡旋提取的研究提供了参考依据。     

结合深度学习与支持向量机的金属零件识别

目的 在视觉引导的工业机器人自动拾取研究中，关键技术难点之一是机器人抓取目标区域的识别问题。特别是金属零件，其表面的反光、随意摆放时相互遮挡等非结构化因素都给抓取区域的识别带来巨大的挑战。因此，本文提出一种结合深度学习和支持向量机的抓取区域识别方法。方法 分别提取抓取区域的方向梯度直方图（HOG）和局部二进制模式（LBP）特征，利用主成分分析法（PCA）对融合后的特征进行降维，以此来训练支持向量机（SVM）分类器。通过训练Mask R-CNN（regions with convolutional neural network）神经网络完成抓取区域的初步分割。然后利用SVM对Mask R-CNN识别的抓取区域进行二次分类，完成对干扰区域的剔除。最后计算掩码完成实例分割，以此达到对抓取区域的精确识别。结果 对于随机摆放的铜质金属零件，本文算法与单一的Mask R-CNN及多特征融合的SVM算法就识别准确率、错检率、漏检率3个指标进行了比较，结果表明本文算法在识别准确率上较Mask R-CNN和SVM算法分别提高了7%和25%，同时有效降低了错检率与漏检率。结论 本文算法结合了Mask R-CNN与SVM两种方法，对于反光和遮挡情况具有一定的鲁棒性，同时有效地提升了目标识别的准确率。     

基于深度学习的空间非合作目标特征检测与识别

针对空间非合作目标检测与识别任务的智能化要求,本文将深度学习方法Mask R-CNN(mask region-based convolutional neural network)应用于任务中,并借鉴R-FCN(region-based fully convolutional networks)和Light-head R-CNN (light-head region-based convolutional neural network)对其进行优化改进,提升检测速度,以满足空间任务实时性要求。实验结果表明,与传统的Mask R-CNN相比,改进的Mask R-CNN可缩短20%的检测时间。针对深度神经网络需要大样本数据集进行训练的特点,本文基于迁移学习提出搭建虚拟环境进行样本采集,构造空间目标特征检测与识别数据集的方法。实验结果表明,网络在虚拟环境生成的数据集上可以很好地学习到相应特征,从而具备迁移到实际任务的能力。     

改进Faster R-CNN模型的CT图磨玻璃密度影目标检测

目的 针对Faster R-CNN （faster region convolutional neural network）模型在肺部计算机断层扫描（computed tomography，CT）图磨玻璃密度影目标检测中小尺寸目标无法有效检测与模型检测速度慢等问题，对Faster R-CNN模型特征提取网络与区域候选网络（region proposal network，RPN）提出了改进方法。方法 使用特征金字塔网络替换Faster R-CNN的特征提取网络，生成特征金字塔；使用基于位置映射的RPN产生锚框，并计算每个锚框的中心到真实物体中心的远近程度（用参数“中心度”表示），对RPN判定为前景的锚框进一步修正位置作为候选区域（region proposal），并将RPN预测的前景/背景分类置信度与中心度结合作为候选区域的排序依据，候选区域经过非极大抑制筛选出感兴趣区域（region of interest，RoI）。将RoI对应的特征区域送入分类回归网络得到检测结果。结果 实验结果表明，在新冠肺炎患者肺部CT图数据集上，本文改进的模型相比于Faster R-CNN模型，召回率（recall）增加了7%，平均精度均值（mean average precision，mAP）增加了3.9%，传输率（frames per second，FPS）由5帧/s提升至9帧/s。特征金字塔网络的引入明显提升了模型的召回率与mAP指标，基于位置映射的RPN显著提升了模型的检测速度。与其他最新改进的目标检测模型相比，本文改进的模型保持了双阶段目标检测模型的高精度，并拉近了与单阶段目标检测模型在检测速度指标上的距离。结论 本文改进的模型能够有效检测到患者肺部CT图的磨玻璃密度影目标区域，对小尺寸目标同样适用，可以快速有效地为医生提供辅助诊断。     

复杂背景下SAR近岸舰船检测

目的 船舶在合成孔径雷达（synthetic aperture radar, SAR）图像中的检测是研究热点,但目前适合近岸舰船检测的方法并不多。在SAR图像中,近岸舰船受到岸上建筑物的干扰严重,尤其是对于排列紧密的近岸船舶来说,其对比度相似,很难区分船舶与背景。为解决近岸舰船检测困难问题,提出了一种基于加权双向注意金字塔网络的近岸舰船检测方法。方法 本文在FCOS （fully convolutional one-stage）网络的基础上提出了一种新的双向特征金字塔网络。将卷积注意力机制模块（convolutional block attention module,CBAM）与金字塔网络的每个特征图进行连接,提取丰富的语义信息特征;借鉴PANet （path aggregation network）的思想,添加自下而上的金字塔模块,突出不同尺度船舶的显著特征。最后提出了一种加权特征融合方式,使特征图提取的特征信息的着重点不同,提高舰船检测精度。结果 本文在公开的SAR图像舰船数据集SSDD （SAR ship detection dataset）上进行实验。实验结果表明,相比原FCOS方法,本文方法的检测精度提高了9.5%;与对比方法相比,本文方法在同等条件下的检测精度达到90.2%。在速度方面,本文方法比SSD提高0.6 s,比Faster R-CNN （region convolutional neural network）提高1.67 s,明显优于对比方法。结论 本文通过改进特征网络和特征融合方式,提高了算法对SAR图像舰船目标检测中背景复杂、排列紧密的近岸舰船目标的定位效果,有效增强了对舰船目标定位的准确性。     

AS-PANet:改进路径增强网络的重叠染色体实例分割

目的 染色体是遗传信息的重要载体,健康的人体细胞中包含46条染色体,包括22对常染色体和1对性染色体。染色体核型化分析是产前诊断和遗产疾病诊断的重要且常用方法。染色体核型化分析是指从分裂中期的细胞显微镜图像中,分割出染色体并根据染色体的条带进行分组排列的过程。染色体核型化分析通常由细胞学家手工完成,但是这个过程非常费时、繁琐且容易出错。由于染色体的非刚性特质,多条染色体之间存在重叠及交叉现象,致使染色体实例分割非常困难。染色体分割是染色体核型化分析过程中最重要且最困难的一步,因此本文旨在解决重叠、交叉染色体实例分割问题。方法 本文基于路径增强网络（PANet）模型,提出AS-PANet（amount segmentation PANet）模型用于解决重叠染色体实例分割问题。在路径增强网络的基础上引入染色体计数领域知识预测作为模型的一个预测分支,并改进了路径增强网络的模型结构和损失函数,使图像分类、目标检测、实例分割和染色体计数4个子任务共享卷积特征,进行联合训练。在临床染色体图像数据上进行标注并构建训练集和测试集,同时提出有效的数据增广方法用以扩充染色体标注训练数据集,提升模型的训练效果。结果 在临床染色体数据集中开展实证研究实验。实验结果表明,本文方法在临床染色体数据集中,平均分割精度mAP（mean average precision）为90.63%。该结果比PANet提升了1.18%,比基线模型Mask R-CNN提升了2.85%。分割准确率为85%,相比PANet提升了2%,相比Mask R-CNN（region with convolutional neural network）提升3.75%。结论 本文染色体实例分割方法能够更有效地解决临床染色体分割问题,相比现有的方法,分割效果更好。     

改进R-FCN模型的小尺度行人检测

目的 为了有效解决传统行人检测算法在分辨率低、行人尺寸较小等情境下检测精度低的问题,将基于区域全卷积网络（region-based fully convolutional networks,R-FCN）的目标检测算法引入到行人检测中,提出一种改进R-FCN模型的小尺度行人检测算法。方法 为了使特征提取更加准确,在ResNet-101的conv5阶段中嵌入可变形卷积层,扩大特征图的感受野;为提高小尺寸行人检测精度,在ResNet-101中增加另一条检测路径,对不同尺寸大小的特征图进行感兴趣区域池化;为解决小尺寸行人检测中的误检问题,利用自举策略的非极大值抑制算法代替传统的非极大值抑制算法。结果 在基准数据集Caltech上进行评估,实验表明,改进的R-FCN算法与具有代表性的单阶段检测器（single shot multiBox detector,SSD）算法和两阶段检测器中的Faster R-CNN（region convolutional neural network）算法相比,检测精度分别提高了3.29%和2.78%;在相同ResNet-101基础网络下,检测精度比原始R-FCN算法提高了12.10%。结论 本文提出的改进R-FCN模型,使小尺寸行人检测精度更加准确。相比原始模型,改进的R-FCN模型对行人检测的精确率和召回率有更好的平衡能力,在保证精确率的同时,具有更大的召回率。     

面向形状特征的多维度多层级点云分析

目的 3维点云是编码几何信息的主要数据结构,与2维视觉数据不同的是,点云中隐藏了3维物体中重要的形状特征。为更好地从无序的点云中挖掘形状特征,本文提出一种能够端到端且鲁棒地处理点云数据的多维度多层级神经网络（multi-dimensional multi-layer neural network,MM-Net）。方法 多维度特征修正与融合（multi-dimensional feature correction and fusion module,MDCF）模块从多个维度自适应地修正局部特征和逐点特征,并将其整合至高维空间以获得丰富的区域形状。另一方面,多层级特征衔接（multi-layer feature articulation module,MLFA）模块利用多个层级间的远程依赖关系,推理得到网络所需的全局形状。此外设计了两种分别应用于点云分类与分割任务的网络结构MM-Net-C （multi-dimensional multi-layer feature classification network）和MM-Net-S （multi-dimensional multi-layer feature segmentation network）。结果 在公开的ModelNet40数据集与ShapeNet数据集上进行测试,并与多种方法进行比较。在ModelNet40数据集中,MM-Net-C的分类精度较PointNet++和DGCNN （dynamic graph convolutional neural network）方法分别提高了2.2%和1.9%;在ShapeNet数据集中,MM-Net-S的分割精度较ELM （extreme learning machine）和A-CNN （annularly convolutional neural networks）方法分别提高了1.2%和0.4%。此外,在ModelNet40数据集中的消融实验验证了多维度多层级神经网络（MM-Net）架构的可靠性,消融实验的结果也表明了多维度特征修正与融合（MDCF）模块和多层级特征衔接（MLFA）模块设计的必要性。结论 本文提出的多维度多层级神经网络（MM-Net）在分类与分割任务中取得了优秀的性能。     

双向特征融合的数据自适应SAR图像舰船目标检测模型

目的 利用合成孔径雷达（synthetic aperture radar,SAR）图像进行舰船目标检测是实施海洋监视的重要手段。基于深度学习的目标检测模型在自然图像目标检测任务中取得了巨大成功,但由于自然图像与SAR图像的差异,不能将其直接迁移到SAR图像目标检测中。针对SAR图像目标检测实际应用中对速度和精度的需求,借鉴经典的单阶段目标检测模型（single shot detector,SSD）框架,提出一种基于特征优化的轻量化SAR图像舰船目标检测网络。方法 改进模型并精简网络结构,提出一种数据驱动的目标分布聚类算法,学习SAR数据集的目标尺度、长宽比分布特性,用于网络参数设定;对卷积神经网络（convolutional neural network,CNN）提取的特征进行优化,提出一种双向高低层特征融合机制,将高层特征的语义信息通过语义聚合模块加成到低层特征中,在低层特征中提取特征平均图,处理后作为高层特征的注意力权重图对高层特征进行逐像素加权,将低层特征丰富的空间信息融入到高层特征中。结果 利用公开的SAR舰船目标检测数据集（SAR ship detection dataset,SSDD）进行实验,与原始的SSD模型相比,轻量化结构设计在不损失检测精度的前提下,样本测试时间仅为SSD的65%;双向特征融合机制将平均精确度（average precision,AP）值由77.93%提升至80.13%,训练和测试时间分别为SSD的64.1%和72.6%;与公开的基于深度学习的SAR舰船目标检测方法相比,本文方法在速度和精度上都取得了最佳性能,AP值较精度次优模型提升了1.23%,训练和测试时间较精度次优模型分别提升了559.34 ms和175.35 ms。结论 实验充分验证了本文所提模型的有效性,本文模型兼具检测速度与精度优势,具有很强的实用性。     

局部双目视差回归的目标距离估计

目的 双目视觉是目标距离估计问题的一个很好的解决方案。现有的双目目标距离估计方法存在估计精度较低或数据准备较繁琐的问题,为此需要一个可以兼顾精度和数据准备便利性的双目目标距离估计算法。方法 提出一个基于R-CNN（region convolutional neural network）结构的网络,该网络可以实现同时进行目标检测与目标距离估计。双目图像输入网络后,通过主干网络提取特征,通过双目候选框提取网络以同时得到左右图像中相同目标的包围框,将成对的目标框内的局部特征输入目标视差估计分支以估计目标的距离。为了同时得到左右图像中相同目标的包围框,使用双目候选框提取网络代替原有的候选框提取网络,并提出了双目包围框分支以同时进行双目包围框的回归;为了提升视差估计的精度,借鉴双目视差图估计网络的结构,提出了一个基于组相关和3维卷积的视差估计分支。结果 在KITTI（Karlsruhe Institute of Technology and Toyota Technological Institute）数据集上进行验证实验,与同类算法比较,本文算法平均相对误差值约为3.2%,远小于基于双目视差图估计算法（11.3%）,与基于3维目标检测的算法接近（约为3.9%）。另外,提出的视差估计分支改进对精度有明显的提升效果,平均相对误差值从5.1%下降到3.2%。通过在另外采集并标注的行人监控数据集上进行类似实验,实验结果平均相对误差值约为4.6%,表明本文方法可以有效应用于监控场景。结论 提出的双目目标距离估计网络结合了目标检测与双目视差估计的优势,具有较高的精度。该网络可以有效运用于车载相机及监控场景,并有希望运用于其他安装有双目相机的场景。     

人体关键点检测的Mask R-CNN网络模型改进研究

由于在现有的人体关键点检测问题中,深度学习解决方案采用的掩膜区域卷积神经网络Mask R-CNN存在参数量大导致计算成本过高、迭代次数多导致训练时间过长等问题,提出了一种基于重组通道网络ShuffleNet改进 Mask R-CNN网络模型。通过引入ShuffleNet的网络结构,使用分组逐点卷积与通道重排的操作与联合边框回归和掩膜分割的计算结果对Mask R-CNN进行轻量化改进。使用该方法改进网络模型在进行单人或多人情况下的人体关键点检测中,在保留精度的前提下,可以加快运行速度,减少检测时间。     

基于改进Mask R-CNN的建筑钢筋尺寸检测算法

建筑施工现场钢筋图像背景复杂且干扰较多,传统图像检测算法无法有效利用特征信息,难以满足现阶段建筑智能监理行业中钢筋尺寸检测精度的验收要求。提出一种在Mask R-CNN模型基础上加入自下而上路径和注意力机制的改进模型BU-CS Mask R-CNN。在建筑工地现场拍摄图像后,整理自建钢筋数据集,并在此数据集上进行算法验证。实验结果表明,与Mask R-CNN模型相比,BU-CS Mask R-CNN模型的召回率、交并比和像素准确率分别提升了4.9%、6.8%、7.4%,钢筋直径和间距的尺寸检测精度分别提升了14.9%、4.4%,能得到更加准确的钢筋目标检测框和边缘分割掩膜,达到了行业中实际工程验收的精度要求。     

航空发动机损伤图像的二分类到多分类递进式检测网络

航空发动机损伤是影响飞行安全的重要因素。当前基于计算机视觉的发动机孔探图像损伤检测存在两个主要问题：一是孔探图像背景复杂,使得模型对损伤的检测精度较低;二是孔探图像数据来源受限,导致模型可检测类别较少。为解决这两个问题,提出了基于Mask R-CNN的二分类到多分类递进式航空发动机损伤图像检测网络。通过在Mask R-CNN中增加二分类检测分支,首先对图像中的损伤进行二分类检测并对定位坐标进行回归优化;其次使用原始检测分支递进地进行多分类检测,以进一步回归优化损伤的检测结果并确定损伤类型;最后根据多分类检测的结果,通过Mask分支对对损伤进行实例分割。为了增加模型检测类别及验证方法的有效性,构建了包含八种损伤类型,共1 315张孔探图像的数据集。在该集合上进行的训练和测试结果表明,多分类检测的平均精度（AP）和AP75与Mask R-CNN相比分别提高3.34%、9.71%,可见所提方法能够有效提高对孔探图像中的损伤的多分类检测精度。     

基于改进Mask R-CNN的卫星目标部位检测方法

针对卫星部件维修更换、燃料加注、废弃卫星回收等空间在轨服务中需解决的目标卫星部位检测问题,在Mask R-CNN的基础上,改进其主干网络结构并缩减分类回归、Mask分支通道数,提出了一种改进的实例分割网络模型Ring-Engine-Mask R-CNN,使用实物模型图像和3dsMax生成的仿真图像建立了专用数据集,给出了一种基于深度学习的卫星目标部位检测方法;实验结果表明,该方法能较好的完成卫星星箭对接环和远地点发动机喷管两种目标部位的检测分割,相较于传统的网络模型,在缩小了模型规模的同时,具有更高精度和更快的检测速度.     

基于注意力及生成对抗网络的遥感影像目标检测

针对传统目标检测算法在环境多变、背景复杂、目标聚集、小目标过多的航空遥感影像目标检测上效果不理想的问题, 本文提出了一种基于注意力机制及生成对抗网络的遥感影像目标检测模型Attention-GAN-Mask R-CNN. 该模型将注意力、生成对抗网络和Mask R-CNN结合起来, 用以解决遥感影像目标检测中存在的问题. 实验结果表明, 在复杂的遥感影像数据集中, 该方法提升了目标检测的效率和准确率.     

基于深度学习的车载导航导光板表面缺陷检测研究

针对车载导航导光板表面缺陷像素值分布不均且普遍较小、背景复杂多变等特点,提出了基于改进掩膜区域卷积神经网络(Mask Region-based Convolutional Neural Network,Mask R-CNN)模型检测车载导航导光板表面缺陷的检测方法.首先,引入PinFPN模块改进原有Mask R-CNN...     

弱监督深度语义分割网络的多源遥感影像水体检测

目的 深度语义分割网络的优良性能高度依赖于大规模和高质量的像素级标签数据。在现实任务中,收集大规模、高质量的像素级水体标签数据将耗费大量人力物力。为了减少标注工作量,本文提出使用已有的公开水体覆盖产品来创建遥感影像对应的水体标签,然而已有的公开水体覆盖产品的空间分辨率低且存在一定错误。对此,提出采用弱监督深度学习方法训练深度语义分割网络。方法 在训练阶段,将原始数据集划分为多个互不重叠的子数据集,分别训练深度语义分割网络,并将训练得到的多个深度语义分割网络协同更新标签,然后利用更新后的标签重复前述过程,重新训练深度语义分割网络,多次迭代后可以获得好的深度语义分割网络。在测试阶段,多源遥感影像经多个代表不同视角的深度语义分割网络分别预测,然后投票产生最后的水体检测结果。结果 为了验证本文方法的有效性,基于原始多源遥感影像数据创建了一个面向水体检测的多源遥感影像数据集,并与基于传统的水体指数阈值分割法和基于低质量水体标签直接学习的深度语义分割网络进行比较,交并比（intersection-over-union,IoU）分别提升了5.5%和7.2%。结论 实验结果表明,本文方法具有收敛性,并且光学影像和合成孔径雷达（synthetic aperture radar,SAR）影像的融合有助于提高水体检测性能。在使用分辨率低、噪声多的水体标签进行训练的情况下,训练所得多视角模型的水体检测精度明显优于基于传统的水体指数阈值分割法和基于低质量水体标签直接学习的深度语义分割网络。     

检测器和分类器级联的飞机发动机损伤检测

目的 基于深度学习的飞机发动机损伤检测是计算机视觉中的一个新问题。当前的目标检测方法没有考虑飞机发动机损伤检测问题的特殊性,将其直接用于发动机损伤检测的效果较差,无法满足实际使用的要求。为了提高损伤检测的精度,提出检测器和分类器级联的发动机损伤检测方法：Cascade-YOLO （cascade-you only look once）。方法 首先,将损伤区域作为正例、正常区域作为负例,训练损伤检测网络,初始化特征提取网络的网络参数;其次,固定特征提取网络,使用多个检测头分别检测不同类型的发动机损伤,每个检测头独立进行检测,从而提高单类别损伤的检测召回率;最后,对于置信度在一定范围内的损伤,训练一个多分类判别器,用于校正检测头输出的损伤类别。基于检测结果,利用语义分割分支可以准确分割出损伤区域。结果 构建了一个具有1 305幅且包含9种损伤类型的孔探图像数据集,并在该数据集上量化、对比了6个先进的目标检测方法。本文方法的平均精确率（mean average precision,MAP）、准确率、召回率相比单阶段检测器YOLO v5分别提高了2.49%、12.59%和12.46%。结论 本文提出的检测器和分类器级联的发动机损伤检测模型通过对每类缺陷针对性地训练单独的检测头,充分考虑了不同缺陷间的分布差异,在提高召回率的同时提升了检测精度。同时该模型易于扩展类别,并可以快速应用于分割任务,符合实际的应用需求。