结合迁移学习的轻量级指纹分类模型

目的 目前的指纹分类模型存在操作繁琐、参数较多、所需数据规模大、无法充分利用指纹特征信息等问题,而进行快速准确的指纹分类在大型指纹识别系统中至关重要。方法 传统的机器学习方法大多假设已标注数据与未标注数据的分布是相同的,而迁移学习允许源空间、任务空间在测试集和训练集中的分布是不同的,并且迁移学习仅专注目标任务的训练,使得网络模型根据需求更具个性化。因此,本文提出一种基于迁移学习的轻量级指纹分类模型。该模型结合迁移学习,首先采用梯度估计的方法求取指纹图像的方向场图并且做增强处理;然后将扩展的指纹方向场图数据集用于本文提出的轻量级Finger-SqueezeNet的预训练,使其达到一定的分类效果,从而初步实现网络模型参数的调整;最后保留预训练模型部分的网络参数不变,使用指纹图像数据集NIST-DB4对Finger-SqueezeNet网络进行参数微调（fine tuning）。结果 在使用相同的指纹数据集在本文提出的纯网络模型进行分类训练后发现,未采用迁移学习方法对网络模型进行预训练得到的平均分类结果为93%,而通过预训练后的网络模型可以达到98.45%,最终采用单枚指纹测试的方法得到的测试结果达到95.73%。对比同种类型的方法以及验证标准后可知,本文的指纹分类模型在大幅度减少网络参数的同时仍能达到较高的准确率。结论 采用指纹类内迁移学习方法和轻量级神经网络相结合进行分类,适当利用了指纹特征信息,而且有望使指纹分类模型拓展到移动端。     

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。     

结合孪生网络和像素配对的高光谱图像异常检测

目的 高光谱遥感中,通常利用像素的光谱特征来区分背景地物和异常目标,即通过二者之间的光谱差异来寻找图像中的异常像元。但传统的异常检测算法并未有效挖掘光谱的深层特征,高光谱图像中丰富的光谱信息没有被充分利用。针对这一问题,本文提出结合孪生神经网络和像素配对策略的高光谱图像异常检测方法,利用深度学习技术提取高光谱图像的深层非线性特征,提高异常检测精度。方法 采用像素配对的思想构建训练样本,与原始数据集相比,配对得到的新数据集数量呈指数增长,从而满足深度网络对数据集数量的需求。搭建含有特征提取模块和特征处理模块的孪生网络模型,其中,特征处理模块中的卷积层可以专注于提取像素对之间的差异特征,随后利用新的训练像素对数据集进行训练,并将训练好的分类模型固定参数,迁移至检测过程。用滑动双窗口策略对测试集进行配对处理,将测试像素对数据集送入网络模型,得到每个像素相较于周围背景像素的差异性分数,从而识别测试场景中的异常地物。结果 在异常检测的实验结果中,本文提出的孪生网络模型在San Diego数据集的两幅场景和ABU-Airport数据集的一幅场景上,得到的AUC （area under the curve）值分别为0.993 51、0.981 21和0.984 38,在3个测试集上的表现较传统方法和基于卷积神经网络的异常检测算法具有明显优势。结论 本文方法可以提取输入像素对的深层光谱特征,并根据其特征的差异性,让网络学习到二者的区分度,从而更好地赋予待测像素相对于周围背景的异常分数。本文方法相对于卷积神经网络的异常检测方法可以有效地降低虚警,与传统方法相比能够更加明显地突出异常目标,提高了检测率,同时也具有较强的鲁棒性。     

卷积神经网络提取风云影像土壤湿度

目的 时空分辨率较高的土壤湿度数据对于生产实践和科学研究具有重要意义。以国产的风云气象卫星为数据源,利用卷积神经网络自主学习输入变量间深层关联的优势,获取高质量土壤湿度数据,为科学研究和生产实践服务。方法 首先构建了一个土壤湿度提取卷积神经网络（soil moisture convolutional neural network,SMCNN）,SMCNN由温度子网络和土壤湿度子网络构成,每个子网络均包含特征提取器和编码器。特征提取器用于为每个像素生成一个特征向量,其中温度子网络的特征提取器由11个卷积层组成,湿度子网络的特征提取器由9个卷积层组成,卷积层均使用1×1的卷积核。编码器用于将提取到的特征拟合为目标变量。两个子网络均使用平均方差作为损失函数。使用随机梯度下降算法对模型进行训练,最后利用训练好的模型提取区域土壤湿度数据。结果 选择宁夏回族自治区为实验区,利用获取的2016-2019年风云3D影像和相应地面站点数据作为实验数据,选择线性回归模型、BP（back propagation）神经网络模型作为对比模型开展数据实验,选择均方根误差作为评价指标。实验结果表明,SMCNN的均方根误差为0.006 7,优于对比模型,SMCNN模型在从风云影像中提取土壤湿度方面具有优势。结论 本文利用卷积神经网络分别构建用于反演地表温度和土壤湿度的子网络,再组成一个完整的土壤湿度反演网络结构,从风云3D数据中获取数值精度、时空分辨率均较高的土壤湿度数据,满足了科学研究和生产实践对大范围高精度土壤湿度数据的需求。     

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。     

近岸海浪视频浪高自动检测

目的 目前基于视觉信息的海浪要素检测方法分为基于立体视觉和基于视频/图像特征的检测方法,前者对浪高的解析不稳定、模型复杂、鲁棒性较差、不能很好地满足实际应用的需求,后者主要检测海浪的运动方向和浪高等级,无法获取精确的浪高值,其中基于图像特征的检测受限于先验知识,检测稳定性较差。为此,本文结合深度学习的特征学习机制,提出了一种面向近岸海浪视频的浪高自动检测方法。方法 从近岸海浪监控视频中提取视频帧图像,计算相邻两帧差分获取差分图像,通过数据预处理对静态图像集和差分图像集进行数据扩充;针对两类图像集分别设计多层局部感知卷积神经网络NIN（network in network）结构并预训练网络模型;分别用预训练的网络模型提取静态图像和差分图像的高层特征来表达空间和时间维度的信息,并融合两类特征;通过预训练支持向量回归SVR（support vactor regerssion）模型完成浪高的自动检测。结果 实验结果表明,本文近岸海浪视频浪高检测方法在浪高检测上的平均绝对误差为0.109 5 m,平均相对误差为7.39%;从不同绝对误差范围内的测试集精度上可以看出,基于时间和空间信息融合的回归模型精度变化更加平稳,基于空间信息的NIN模型的精度变化幅度较大,因此本文方法有较好的检测稳定性。结论 通过预训练卷积神经网络提取近岸视频图像时间和空间信息融合的方式,有效弥补了人工设计特征的不完备性,对近岸视频的浪高检测具有较强的鲁棒性,在业务化检测需求范围内（浪高平均相对误差≤ 20%）有着较好的实用性。     

注意力迁移的联合平衡领域自适应

目的 现有的图像识别方法应用于从同一分布中提取的训练数据和测试数据时具有良好性能,但这些方法在实际场景中并不适用,从而导致识别精度降低。使用领域自适应方法是解决此类问题的有效途径,领域自适应方法旨在解决来自两个领域相关但分布不同的数据问题。方法 通过对数据分布的分析,提出一种基于注意力迁移的联合平衡自适应方法,将源域有标签数据中提取的图像特征迁移至无标签的目标域。首先,使用注意力迁移机制将有标签源域数据的空间类别信息迁移至无标签的目标域。通过定义卷积神经网络的注意力,使用关注信息来提高图像识别精度。其次,基于目标数据集引入网络参数的先验分布,并且赋予网络自动调整每个领域对齐层特征对齐的能力。最后,通过跨域偏差来描述特定领域的特征对齐层的输入分布,定量地表示每层学习到的领域适应性程度。结果 该方法在数据集Office-31上平均识别准确率为77.6%,在数据集Office-Caltech上平均识别准确率为90.7%,不仅大幅领先于传统手工特征方法,而且取得了与目前最优的方法相当的识别性能。结论 注意力迁移的联合平衡领域自适应方法不仅可以获得较高的识别精度,而且能够自动学习领域间特征的对齐程度,同时也验证了进行域间特征迁移可以提高网络优化效果这一结论。     

乳腺超声双模态数据的协同约束网络

目的 通过深度学习对乳腺癌早期的正确诊断能大幅提高患者生存率。现阶段大部分研究者仅采用B型超声图像作为实验数据,但是B型超声自身的局限性导致分类效果难以提升。针对该问题,提出了一种综合利用B型超声和超声造影视频来提高分类精度的网络模型。方法 针对B型超声图像及造影视频双模态数据的特性设计了一个双分支模型架构。针对传统提取视频特征中仅使用单标签的不足,制定了病理多标签预训练。并设计了一种新的双线性协同机制,能更好地融合B型超声和超声造影的特征,提取其中的病理信息并抑制无关噪声。结果 为了验证提出方法的有效性,本文设计了3个实验,前两个实验分别对B型超声和超声造影进行预训练。在造影分支,使用根据医学领域设计的病理多标签进行预训练。最后,采用前两个实验的预训练模型进行第3个实验,相比单独使用B型超声图像精度提升6.5%,比单用超声造影视频精度提高7.9%。同时,在使用双模态数据里,本文方法取得了最高精度,相比排名第2的成绩提高了2.7%。结论 本文提出的协同约束网络,能对不同模态的数据进行不同处理,以提取出其中的病理特征。一方面,多模态数据确实能从不同角度展示同一个病灶区,为分类模型提供更多的病理特征,进而提高模型的分类精度。另一方面,合适的融合方式也至关重要,能最大程度地利用特征并抑制噪声。     

集成注意力机制和扩张卷积的道路提取模型

目的 为解决当前遥感影像道路提取方法普遍存在的自动化程度低、提取精度不高和由于样本数量不平衡导致的模型训练不稳定等问题,本文提出一种集成注意力机制和扩张卷积的道路提取模型（attention and dilated convolutional U-Net,A&D-UNet）。方法 A&D-UNet聚合网络模型以经典U-Net网络结构为基础,在编码部分引入残差学习单元（residual learning unit,RLU）,降低深度卷积神经网络在训练时的复杂度;应用卷积注意力模块（convolutional block attention module,CBAM）从通道和空间维度两个方面优化分配权重,突出道路特征信息;并使用扩张卷积单元（dilated convolutional unit,DCU）感受更大范围的特征区域,整合道路的上下文信息。采用二进制交叉熵（binary cross entropy,BCE）和Dice相结合的复合损失函数训练模型,减轻遥感影像中样本数量不平衡导致的模型不稳定。结果 在公开的美国马萨诸塞州和Deep Globe道路数据集上进行模型验证实验,并与传统的U-Net、LinkNet和D-LinkNet图像分割模型对比分析。在美国马萨诸塞州道路测试集上,本文构建的A&D-UNet模型的总体精度、F1分数和交并比等评价指标分别为95.27%、77.96%和79.89%,均优于对比算法,在测试集中对线性特征明显、标签遗漏标记以及存在树木遮挡的道路区域具有更好的识别效果;在Deep Globe道路测试集上,A&D-UNet模型的总体精度、F1分数和交并比分别为94.01%、77.06%和78.44%,且对线性特征明显的主干道路、标签未标记的狭窄道路以及阴影遮挡的城市道路都具有较好的提取效果。结论 本文提出的A&D-UNet道路提取模型,综合了残差学习、注意力机制和扩张卷积的优点,有效提升了目标分割的性能,是一种提取效果较好、值得推广的聚合网络模型。     

自监督E-Swin的输电线路金具检测

目的 输电线路金具种类繁多、用处多样，与导线和杆塔安全密切相关。评估金具运行状态并实现故障诊断，需对输电线路金具目标进行精确定位和识别，然而随着无人机巡检采集的数据逐渐增多，将全部数据进行人工标注愈发困难。针对无标注数据无法有效利用的问题，提出一种基于自监督E-Swin Transformer （efficient shifted windows Transformer）的输电线路金具检测模型，充分利用无标注数据提高检测精度。方法 首先，为了减少自注意力的计算量、提高模型计算效率，对Swin Transformer自注意力计算进行优化，提出一种高效的主干网络E-Swin。然后，为了利用无标注金具数据加强特征提取效果，针对E-Swin设计轻量化的自监督方法，并进行预训练。最后，为了提高检测定位精度，采用一种添加额外分支的检测头，并结合预训练之后的主干网络构建检测模型，利用少量有标注的数据进行微调训练，得到最终检测结果。结果 实验结果表明，在输电线路金具数据集上，本文模型的各目标平均检测精确度（AP⁵⁰）为88.6%，相比传统检测模型提高了10%左右。结论 本文改进主干网络的自注意力计算，并采用自监督学习，使模型高效提取特征，实现无标注数据的有效利用，构建的金具检测模型为解决输电线路金具检测的数据利用问题提供了新思路。     

煤矿井下安全监控分站的设计及其仿真实现

为了设计一种具有低成本、低功耗、易操作、功能强且可靠性高的煤矿井下安全分站,针对煤矿安全生产实际,文章提出了采用MCS-51系列单片机为核心、具有CAN总线通信接口的煤矿井下安全监控分站的设计方案;首先给出煤矿井下安全监控分站的整体构架设计,然后着重阐述模拟量输入信号处理系统的设计过程,最后说明单片机最小系统及其键盘、显示、报警、通信等各个组成部分的设计;为验证设计方案的可行性与有效性,使用Proteus软件对设计内容进行仿真验证,设计的煤矿井下安全监控分站具有瓦斯、温度等模拟量参数超标报警功能和电机开停、风门开闭等开关量指示功能;仿真结果表明:设计的煤矿井下安全监控分站具有一定的实际应用价值.     

View-based model-driven architecture for enhancing maintainability of data access services

In modern service-oriented architectures, database access is done by a special type of services, the so-called data access services (DAS). Though, particularly in data-intensive applications, using and developing DAS are very common today, the link between the DAS and their implementation, e.g. a layer of data access objects (DAOs) encapsulating the database queries, still is not sufficiently elaborated, yet. As a result, as the number of DAS grows, finding the desired DAS for reuse and/or associated documentation can become an impossible task. In this paper we focus on bridging this gap between the DAS and their implementation by presenting a view-based, model-driven data access architecture (VMDA) managing models of the DAS, DAOs and database queries in a queryable manner. Our models support tailored views of different stakeholders and are scalable with all types of DAS implementations. In this paper we show that our view-based and model driven architecture approach can enhance software development productivity and maintainability by improving DAS documentation. Moreover, our VMDA opens a wide range of applications such as evaluating DAS usage for DAS performance optimization. Furthermore, we provide tool support and illustrate the applicability of our VMDA in a large-scale case study. Finally, we quantitatively prove that our approach performs with acceptable response times.     

A pragmatic multi-method investigation of discrepant technological events: Coping,attributions, and ‘accidental’ learning

Discrepant technological events or situations that entail a problem, a misunderstanding or a difficulty with the Information Technology (IT) being employed, are common in the workplace, and can lead to frustration and avoidance behaviors. Little is known, however, about how individuals cope with these events. This paper examines these events by using a multi-method pragmatic approach informed by coping theory. The results of two studies – a critical incident study and an experiment – serve to build and test, respectively, a theoretical model that posits that individuals use a variety of strategies when dealing with these events: they experience negative emotions, make external attributions, and adopt engagement coping strategies directed at solving the event, eventually switching to a disengagement coping strategy when they feel they have no control over the situation. Furthermore, users’ efforts may result in ‘accidental’ learning as they try to overcome the discrepant IT events through engagement coping. The paper ends with a discussion of the results in light of existing literature, future opportunities for research, and implications for practice.     

The Distributed Time-Triggered Simulation Scheme: Core Principles and Supporting Execution Engine

Distributed real-time simulation is a young technology field but its practice is under increasing demands. In recent years the author and his collaborators have been establishing a new approach called the distributed time-triggered simulation (DTS) scheme which is conceptually simple and easy to use but widely applicable. The concept was initiated in the course of developing a new-generation object-oriented real-time programming scheme called the time-triggered message-triggered object (TMO) programming scheme. Some fundamental issues inherent in distributed real-time simulation that were learned during recent experimental studies are discussed along with some approaches for resolving the issues. An execution engine developed to support both the TMOs engaged in control computation and the TMOs engaged in DTS is also discussed along with its possible extensions that will enable significantly larger-scale DTSs.     

Software-Konfigurationsmanagement in großen Softwareprojekten

Zusammenfassung Mit zunehmender Größe der Softwaresysteme verschärfen sich die für die Software-Herstellung typischen Probleme: Beherrschen großer Objektmengen, Erhalten der Systemkonsistenz, Kontrolle der ständigen Änderungseinflüsse und Gewährleisten einer langen Lebensdauer. Die Disziplin Konfigurationsmanagement bildet den methodischen Ansatz, diese Probleme besser zu beherrschen. Software-Konfigurationsmanagement faßt die Herstellung von Softwaresystemen als eine Abfolge von kontrollierten Änderungen an gesicherten Zwischen- und Endergebnissen auf. Dargestellt werden die Objekte und Funktionen des Software-Konfigurationsmanagements sowie die hierfür in großen Software-Projekten benötigten Methoden, Instanzen und Hilfsmittel.     

Information for Authors

正http://www.zju.edu.cn/jzus http://www.springerlink.com Aim The Journals of Zhejiang University-SCIENCE(A/B/C)are edited by the international board of distinguished Chinese and foreign scientists,and are aimed to present the latest developments and achievements in scientific research in China and     

Editorial:Brain-machine interface(BMI) and cyborg intelligence

正Brain-machine interfaces(BMIs)aim at building a direct communication pathway between the brain and an external device,and represent an area of research where significant progress has been made during the past decade.Based on BMIs,mind information can be read out by neural signals to control     

Information for Authors

正http://www.zju.edu.cn/jzus http://www.springerlink.com Aim The Journals of Zhejiang University-SCIENCE(A/B/C)are edited by the international board of distinguished Chinese and foreign scientists,and are aimed to present the latest developments and achievements in scientific research in China and overseas to the world’s scientific circles,especially to stimulate     

SCIENCE CHINA Information Sciences SUBJECT INDEX TO VOLUME 57(2014)

正~~     

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正http://www.zju.edu.cn/jzus http://www.springerlink.com Aim The Journals of Zhejiang University-SCIENCE(A/B/C)are edited by the international board of distinguished Chinese and foreign scientists,and are aimed to present the latest developments and achievements in scientific research in China and overseas to the world’s scientific circles,especially to stimulate