基于改进深度神经网络的遥感影像语义分割

研究了基于深度学习的遥感图像语义分割问题,将建筑物作为遥感图像中的待分割目标,采用语义分割算法将建筑物提取出来.提出了一种改进的U-net网络,根据分割实际需求,保持网络对目标提取特征能力的前提下,将原U-net网络的卷积核数量适当减少,降低了网络参数数量和计算复杂度;增加了Batch Normalization层抑制过拟合问题;在上采样部分增加特征图的局部信息以优化网络对于细节的分割效果.使用公开的数据集INRIA Aerial Image Dataset来评估改进的U-net网络的实际效果,和原U-net相比,单张图片训练速度提升了8％,分割精度也明显提升,训练中的过拟合情况得到改善.证明了本文改进的U-net网络具有对遥感图像的语义分割任务的有效性和可行性.     

基于空间分频的超声图像分割注意力网络

针对医学超声影像噪点多、边界模糊,器官轮廓很难界定的问题,提出了一种基于空间分频的超声图像分割注意力网络（SFDA-Net）。首先,借助Octave卷积在整个网络中对图像实现了高、低频并行处理,从而获得更加多元的信息。然后,加入卷积块注意模块（CBAM）,使图像特征恢复时更加关注有效信息,以减小分割目标整体区域的缺失。最后,使用Focal Tversky Loss作为目标函数,从而降低简单样本的权重并加强对困难样本的关注,以及降低各个类别间因像素误判而引入的误差。通过多组对比实验可知,SFDA-Net的参数量低于原UNet++,而分割精度提高了6.2个百分点,Dice得分提高了8.76个百分点,类别平均像素准确率（mPA）提升至84.09%,平均交并比（mIoU）提升至75.79%。SFDA-Net在降低参数量的同时稳步提高了网络性能,实现了更为准确的超声心动图分割。     

基于模型压缩与重构U-net的胰腺分割

基于卷积神经网络的U-net模型广泛应用于胰腺分割任务,但该类方法对硬件计算能力要求过高,制约了其临床应用。为解决该问题,提出一个基于模型压缩与重构U-net的端到端框架(comprehension prune-reconstructed U-net network,CPRUN),以完成实时胰腺图像分割任务。通过通道剪枝技术实现了对卷积神经网络模型的压缩,利用重构U-net保障胰腺的分割精度。实验结果表明,使用CPRUN模型能够在保持分割精度的前提下有效减少模型参数量,其模型压缩程度与分割精度均优于同类算法。     

融合多尺度和边界优化的图像语义分割网络

针对卷积神经网络在多卷积层叠加造成的图像内小尺度目标丢失和类别边界模糊问题,提出一种基于多尺度特征融合和边界优化的阶梯型图像语义分割网络结构。该网络以提升网络模型的准确率为目标,对Deeplab V3+网络中空间池化金字塔模块进行优化,使用针对视觉任务的新激活函数Funnel ReLU（FReLU）替换原有非线性激活函数获取精度补偿,增添优化分支构建阶梯型网络,通过对各类别边界的精确预测提升整体图像分割准确率,减少预测结果中类内误识别和小尺度目标丢失问题。在Cityscapes数据集上的实验结果表明,改进后的网络各类别平均交并比指标均取得明显提升。     

基于深度学习的轻量级道路图像语义分割算法

针对深度学习中道路图像语义分割模型参数量巨大以及计算复杂,不适合于部署在移动端进行实时分割的问题,提出了一种使用深度可分离卷积构建的轻量级对称U型编码器-解码器式的图像语义分割网络MUNet。首先设计出U型编码器-解码器式网络;其次,在卷积块之间设计稀疏短连接;最后,引入了注意力机制与组归一化（GN）方法,从而在减少模型参数量以及计算量的同时提升分割精度。针对道路图像CamVid数据集,在1 000轮训练后,MUNet模型分割结果在测试图像裁剪为720×720大小时的平均交并比（MIoU）为61.92%。实验结果表明,和常见的图像语义分割网络如金字塔场景分析网络（PSPNet）、RefineNet、全局卷积网络（GCN）和DeepLabv3+相比较,MUNet的参数量以及计算量更少,同时网络分割性能更好。     

用于自动驾驶的轻量级语义分割神经网络

图像语义分割在自动驾驶领域有十分重要的应用，可以让机器人在环境中分割出语义信息，从而对下游的控制动作做出决策。但大部分的深度学习模型都比较大，需庞大的计算资源，很难在移动设备中使用。为了解决这个问题，提出了一种用于语义分割的轻量级神经网络模型，采用编码-解码型与二分支型相结合的网络架构，利用分组卷积、深度可分离卷积、多尺度特征融合模块与通道混洗技术减少网络参数量，提升模型预测精度。该模型训练结合Adam训练法与随机梯度下降法，使用Cityscapes数据集，设置1 000个训练周期。经测试，该模型参数量为3.5×10⁶，在单张显卡Nvidia GTX 1070Ti上的运算速度为每秒103帧图片，达到实时计算标准。在模型评估指标中，平均交并比为61.3%，像素准确率为93.4%，性能均优于Seg Net和ENet两种模型。     

结合卷积神经网络和超像素聚类的细胞图像分割方法

针对细胞图像尺寸大、细胞形状各异,导致从图像中分割出精准的细胞十分困难的问题,以卷积神经网络为基础,结合染色校正方法和简单线性迭代的超像素聚类算法,提出了一种新的结构来进行细胞图像分割。首先,利用染色校正方法对细胞图像进行预处理,提高图像的颜色对比度;然后利用卷积神经网络获得初步分割结果;最后再将简单线性迭代聚类获得的超像素边界信息反馈到初分割图像上进行改进提升。提出的算法可以有效地减少图像局部信息的冗余,更准确地获得目标区域的边界位置。实验表明,本文提出的算法细胞分割准确率达到了92.72%,与经典卷积神经网络、阈值分割等其他细胞分割算法相比,具有更好的分割效果。     

时域非填充网络视频行为识别算法研究

视频行为识别是图像和视觉领域的一个基础问题,在基于深度学习的行为识别模型中,2D卷积方法模型参数较少,但是准确率不高;3D卷积方法在一定程度上提高了准确率,但会产生较多的参数和计算量。为了在保持准确率的前提下降低3D卷积神经网络行为识别模型的参数量,减少计算资源消耗,提出了时域零填充卷积网络行为识别算法,对视频进行3D卷积时不在时间维度上填充额外数据,以此来保证时域信息的完整性。为了充分利用有限的时间信息,设计了适合此填充方式的网络结构：先以时域不填充的方式使用3D卷积提取时空信息,然后利网络重组结构将3D卷积变为2D卷积来进一步提取特征。实验表明,该网络的参数量为10.385×106,不使用预训练权重的情况下在UCF101数据集上准确率为60.28%,与其他3D卷积网络行为识别方法相比在资源占用和准确率上都有明显优势。     

基于轻量化卷积神经网络的陶瓷球表面缺陷快速识别方法

由于球的形状特点，视觉方法需要处理多个角度的图像才能实现对单个球进行完整的缺陷识别，对图像处理速度要求较高。此外，卷积神经网络的浮点运算量(FLOPs)高，推理速度通常较慢。针对上述问题，基于MobileNetV3设计了更轻量化的卷积神经网络。首先通过改变宽度因子、减少基本单元数量、使用Ghost模块代替标准卷积降低原始网络参数量。最后通过坐标注意力机制提高网络对缺陷的识别准确率。实验结果表明，在氮化硅陶瓷球表面缺陷数据集上，提出的轻量化卷积神经网络相较于原始网络仅有2.2%的准确率损失。网络浮点运算量和参数量分别为原始网络的10.4%和3.3%，在边缘计算设备Jetson AGX Xavier上的推理时间小于7ms，相较于原始网络提升超过40%，能够满足工业现场实时检测的需求。     

基于卷积神经网络的图像验证码识别

验证码作为一种安全手段,被广泛应用于互联网领域.本文提出了一种基于卷积神经网络的图像验证码识别方法,通过卷积层级联、残差学习、全局池化、分组卷积等技术手段,在保证识别准确率不受影响的前提下,大大降低了网络的参数量.本文以铁路购票网站验证码和正方教务系统验证码为例来测试模型性能.对于铁路购票网站验证码,实验结果显示本文提出的识别方法参数量最少,对图形和中文词组验证码的识别准确率分别达到98.76%和99.14%;对于正方教务系统验证码,本文方法参数量最少且识别准确率为87.30%.     

降低参数规模的卷积神经网络模型压缩方法

针对卷积神经网络模型参数规模越来越大导致难以在计算与存储资源有限的嵌入式设备上大规模部署的问题,提出一种降低参数规模的卷积神经网络模型压缩方法。通过分析发现,卷积层参数量与输入输出特征图数量以及卷积核大小有关,而全连接层参数数量众多且难以大幅减少。通过分组卷积减少输入输出特征图数量,通过卷积拆分减小卷积核大小,同时采用全局平均池化层代替全连接层的方法来解决全连接层参数数量众多的问题。将上述方法应用于LeNet5和AlexNet进行实验,实验结果表明通过使用组合压缩方法对LeNet5模型进行最大压缩后,参数规模可减少97%,识别准确率降低了不到2个百分点,而压缩后的AlexNet模型参数规模可减少95%,识别准确率提高了6.72个百分点,在保证卷积神经网络精度的前提下,可大幅减少模型的参数量。     

结合全卷积网络和GrowCut的肾皮质分割算法

目的 肾脏图像分割对于肾脏疾病的诊断有着重要意义,临床上通过测量肾皮质的体积和厚度可判断肾脏是否有肿瘤、慢性动脉硬化性肾病和肾移植急性排斥反应等。现有的肾脏分割算法大多针对一种模态,且只能分割出肾脏整体。本文提出一种基于全卷积网络和GrowCut的肾皮质自动分割算法,用于多模态肾脏图像分割。方法 首先用广义霍夫变换对肾脏进行检测,提取出感兴趣区域,通过数据增强扩充带标签数据;然后用VGG-16预训练模型进行迁移学习,构建适用于肾皮质分割的全卷积网络,设置网络训练参数,使用扩充数据训练网络。最后用全卷积网络分割图像,提取最后一层卷积层的特征图得到种子点标记,结合肾脏图像的先验知识纠正错误种子点,将该标记图作为GrowCut初始种子点可实现肾皮质准确分割。结果 实验数据为30组临床CT和MRI图像,其中一组有标记的CT图像用于训练网络并测试算法分割准确性,该文算法分割准确率IU（region intersection over union）和DSC（Dice similarity coefficient）分别达到91.06%±2.34%和91.79%±2.39%。与全卷积网络FCN-32s相比,本文提出的网络参数减少,准确率更高,可实现肾皮质分割。GrowCut算法考虑像素间的邻域信息,与全卷积网络结合可进一步将分割准确率提高3%。结论 该方法可准确分割多模态肾脏图像,包括正常和变异肾脏的图像,说明该方法优于主流方法,能够为临床诊断提供可靠依据。     

基于神经网络的遥感图像海陆语义分割方法

针对海陆语义分割中陆地、码头形状多样,背景目标复杂等情况造成的像素分类错误、边界分割模糊等问题,提出了一种新的基于深度卷积神经网络的遥感图像海陆语义分割方法。该方法以端对端的训练方式实现了对目标的逐像素分类,为了解决海陆分割中像素分类错误,设计以不同尺度图像为输入的三个并行的编码结构,通过融合不同尺度的特征图,丰富特征代表算子的语义信息,增大像素分类准确率。为了解决海陆分割中边界分割模糊,通过设计能够融合编码结构中低层精细位置信息的解码结构,对特征图进行更加精确的上采样,恢复像素的密集位置信息,提高海陆分割准确度。为有效验证所提网络框架的优势,构建了海陆分割数据集HRSC2016-SL进行算法性能比较。与最新的语义分割算法相比,所提算法取得了更好的分割结果。     

残差密集空间金字塔网络的城市遥感图像分割

目的 遥感图像语义分割是根据土地覆盖类型对图像中每个像素进行分类,是遥感图像处理领域的一个重要研究方向。由于遥感图像包含的地物尺度差别大、地物边界复杂等原因,准确提取遥感图像特征具有一定难度,使得精确分割遥感图像比较困难。卷积神经网络因其自主分层提取图像特征的特点逐步成为图像处理领域的主流算法,本文将基于残差密集空间金字塔的卷积神经网络应用于城市地区遥感图像分割,以提升高分辨率城市地区遥感影像语义分割的精度。方法 模型将带孔卷积引入残差网络,代替网络中的下采样操作,在扩大特征图感受野的同时能够保持特征图尺寸不变;模型基于密集连接机制级联空间金字塔结构各分支,每个分支的输出都有更加密集的感受野信息;模型利用跳线连接跨层融合网络特征,结合网络中的高层语义特征和低层纹理特征恢复空间信息。结果 基于ISPRS （International Society for Photogrammetry and Remote Sensing） Vaihingen地区遥感数据集展开充分的实验研究,实验结果表明,本文模型在6种不同的地物分类上的平均交并比和平均F₁值分别达到69.88%和81.39%,性能在数学指标和视觉效果上均优于SegNet、pix2pix、Res-shuffling-Net以及SDFCN （symmetrical dense-shortcut fully convolutional network）算法。结论 将密集连接改进空间金字塔池化网络应用于高分辨率遥感图像语义分割,该模型利用了遥感图像不同尺度下的特征、高层语义信息和低层纹理信息,有效提升了城市地区遥感图像分割精度。     

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。     

基于Fg-CarNet的车辆型号精细分类研究

车辆型号识别在智能交通系统、涉车刑侦案件侦破等方面具有十分重要的应用前景.针对车辆型号种类繁多、部分型号区分度小等带来的车辆型号精细分类困难的问题,采用车辆正脸图像为数据源,提出一种多分支多维度特征融合的卷积神经网络模型Fg-CarNet（Convolutional neural networks for car fine-grained classification,Fg-CarNet）.该模型根据车正脸图像特征分布特点,将其分为上下两部分并行进行特征提取,并对网络中间层产生的特征进行两个维度的融合,以提取有区分度的特征,提高特征表达能力,通过使用小卷积核以及全局均值池化,使在网络分类准确度提高的同时降低了网络模型参数大小.在CompCars数据集上进行验证,实验结果表明,Fg-CarNet提取的车辆特征在保证网络模型参数最小的同时,车辆型号识别率达到最高,实现了最好的分类效果.     

改进SegNet+CRF高分辨率遥感影像建筑物提取方法

将传统的语义分割SegNet网络用于高分辨率遥感影像的建筑物提取时,分割的建筑物存在边界模糊、精度较低、错检漏检等问题。为了解决上述问题,提出一种改进SegNet网络+CRF语义分割方法。编码阶段的最低分辨率层引入空洞金字塔池化模型,通过并行的空洞卷积操作扩大特征提取的感受野;解码阶段构建特征金字塔实现特征多尺度融合,弥补上采样过程中丢失的特征信息;最后,预测图像送入全连接条件随机场模型进行后处理,优化提取的建筑物边缘。实验表明,相较于原SegNet网络,改进方法的建筑物提取像素精度、召回率、平均交并比分别提高了0.48%、1.29%、2.36%。     

全卷积神经网络下的多光谱遥感影像分割

目的 传统的遥感影像分割方法需要大量人工参与特征选取以及参数选择,同时浅层的机器学习算法无法取得高精度的分割结果。因此,利用卷积神经网络能够自动学习特征的特性,借鉴处理自然图像语义分割的优秀网络结构,针对遥感数据集的特点提出新的基于全卷积神经网络的遥感影像分割方法。方法 针对遥感影像中目标排列紧凑、尺寸变化大的特点,提出基于金字塔池化和DUC（dense upsampling convolution）结构的全卷积神经网络。该网络结构使用改进的DenseNet作为基础网络提取影像特征,使用空间金字塔池化结构获取上下文信息,使用DUC结构进行上采样以恢复细节信息。在数据处理阶段,结合遥感知识将波段融合生成多源数据,生成植被指数和归一化水指数,增加特征。针对遥感影像尺寸较大、采用普通预测方法会出现拼接痕迹的问题,提出基于集成学习的滑动步长预测方法,对每个像素预测14次,每次预测像素都位于不同图像块的不同位置,对多次预测得到的结果进行投票。在预测结束后,使用全连接条件随机场（CRFs）对预测结果进行后处理,细化地物边界,优化分割结果。结果 结合遥感知识将波段融合生成多源数据可使分割精度提高3.19%;采用基于集成学习的滑动步长预测方法可使分割精度较不使用该方法时提高1.44%;使用全连接CRFs对预测结果进行后处理可使分割精度提高1.03%。结论 针对宁夏特殊地形的遥感影像语义分割问题,提出基于全卷积神经网络的新的网络结构,在此基础上采用集成学习的滑动步长预测方法,使用全连接条件随机场进行影像后处理可优化分割结果,提高遥感影像语义分割精度。     

基于生成对抗网络的地面新增建筑检测

针对传统的基于地物纹理和空间特征的方法很难精确识别地面新增建筑的问题，提出了一种基于生成对抗网络的新增建筑变化检测模型（CDGAN）。首先，使用Focal损失函数改进传统图像分割网络（U-net），并以此作为模型的生成器（G），用于生成遥感影像的分割结果；然后，设计了一个16层的卷积神经网络（VGG-net）作为鉴别器（D），用于区分生成的结果和人工标注（GT）的真实结果；最后，对生成器和判别器进行对抗训练，从而得到具有分割能力的生成器。实验结果表明，CDGAN模型的检测准确率达到92%，比传统U-net模型的平均区域重合度（IU）提升了3.7个百分点，有效地提升了遥感影像中地面新增建筑物的检测精度。     

前列腺磁共振图像分割的反卷积神经网络方法

目的 前列腺磁共振图像存在组织边界对比度低、有效区域少等问题,手工勾勒组织轮廓边界的传统分割方法无法满足临床实时性要求,针对这些问题提出了一种基于深度反卷积神经网络的前列腺磁共振图像分割算法。方法 基于深度学习理论,将训练图像样本输入设计好的卷积神经网络,提取具有高度区分性的前列腺图像特征,反卷积策略用于拓展特征图尺寸,使网络的输入尺寸与输出预测图大小匹配。网络生成的概率预测图通过训练一个softmax分类器,对预测图像取二值化,获得最终的分割结果。为克服原始图像中有效组织较少的问题,采用dice相似性系数作为卷积网络的损失函数。结果 本文算法以Dice相似性系数和Hausdorff距离作为评价指标,在MICCAI 2012数据集中,Dice相似性系数大于89.75%,Hausdorff距离小于1.3 mm,达到了传统方法的分割精度,并且将处理时间缩短在1 min以内,明显优于其他方法。结论 定量与定性的实验表明,基于反卷积神经网络的前列腺分割方法可以准确地对磁共振图像进行分割,相比于其他分割算法大幅度减小了处理时间,能够很好地适用于临床的前列腺图像分割任务。