引入注意力机制和多视角融合的脑肿瘤MR图像U-Net分割模型

目的 脑肿瘤核磁共振（magnetic resonance,MR）图像分割对评估病情和治疗患者具有重要意义。虽然深度卷积网络在医学图像分割中取得了良好表现,但由于脑胶质瘤的恶性程度与外观表现有巨大差异,脑肿瘤MR图像分割仍是一项巨大挑战。图像语义分割的精度取决于图像特征的提取和处理效果。传统的U-Net网络以一种低效的拼接方式集成高层次特征和低层次特征,从而导致图像有效信息丢失,此外还存在未能充分利用上下文信息和空间信息的问题。对此,本文提出一种基于注意力机制和多视角融合U-Net算法,实现脑肿瘤MR图像的分割。方法 在U-Net的解码和编码模块之间用多尺度特征融合模块代替传统的卷积层,进行多尺度特征映射的提取与融合;在解码模块的级联结构中添加注意力机制,增加有效信息的权重,避免信息冗余;通过融合多个视角训练的模型引入3维图像的空间信息。结果 提出的模型在BraTS18（Multimodal Brain Tumor Segmentation Challenge 2018）提供的脑肿瘤MR图像数据集上进行验证,在肿瘤整体区域、肿瘤核心区域和肿瘤增强区域的Dice score分别为0.907、0.838和0.819,与其他方法进行对比,较次优方法分别提升了0.9%、1.3%和0.6%。结论 本文方法改进了传统U-Net网络提取和利用图像语义特征不足的问题,并引入了3维MR图像的空间信息,使得肿瘤分割结果更加准确,具有良好的研究和应用价值。     

流形正则化约束的图像语义分割

目的 在基于深度学习的图像语义分割方法中,损失函数通常只考虑单个像素点的预测值与真实值之间的交叉熵并对其进行简单求和,而引入图像像素间的上下文信息能够有效提高图像的语义分割的精度,但目前引入上下文信息的方法如注意力机制、条件随机场等算法需要高昂的计算成本和空间成本,不能广泛使用。针对这一问题,提出一种流形正则化约束的图像语义分割算法。方法 以经过数据集ImageNet预训练的残差网络(residual network, ResNet)为基础,采用DeepLabV3作为骨架网络,通过骨架网络获得预测分割图像。进行子图像块的划分,将原始图像和分割图像分为若干大小相同的图像块。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。利用流形约束的结果优化分割网络中的参数。结果 通过加入流形正则化约束,捕获图像中上下文信息,降低了网络前向计算过程中造成的本征结构的损失,提高了算法精度。为验证所提方法的有效性,实验在Cityscapes和PASCAL VOC 2012(pattern analysis, statistical modeling and computational learning visual object classes)两个数据集上进行。在Cityscapes数据集中,精度值为78.0%,相比原始网络提高了0.5%;在PASCAL VOC 2012数据集中,精度值为69.5%,相比原始网络提高了2.1%。同时,在Cityscapes数据集中进行对比实验,验证了算法的有效性,对比实验结果证明提出的算法改善了语义分割的效果。结论 本文提出的语义分割算法在不提高推理网络计算复杂度的前提下,取得了较好的分割精度,具有极大的实用价值。     

结合注意力机制的双路径语义分割

目的 针对现有语义分割算法存在的因池化操作造成分辨率降低导致的分割结果变差、忽视特征图不同通道和位置特征的区别以及特征图融合时方法简单,没有考虑到不同感受视野特征区别等问题,设计了一种基于膨胀卷积和注意力机制的语义分割算法。方法 主要包括两条路径：空间信息路径使用膨胀卷积,采用较小的下采样倍数以保持图像的分辨率,获得图像的细节信息;语义信息路径使用ResNet（residual network）采集特征以获得较大的感受视野,引入注意力机制模块为特征图的不同部分分配权重,使得精度损失降低。设计特征融合模块为两条路径获得的不同感受视野的特征图分配权重,并将其融合到一起,得到最后的分割结果。结果 为证实结果的有效性,在Camvid和Cityscapes数据集上进行验证,使用平均交并比（mean intersection over union,MIoU）和精确度（precision）作为度量标准。结果显示,在Camvid数据集上,MIoU和精确度分别为69.47%和92.32%,比性能第2的模型分别提高了1.3%和3.09%。在Cityscapes数据集上,MIoU和精确度分别为78.48%和93.83%,比性能第2的模型分别提高了1.16%和3.60%。结论 本文采用膨胀卷积和注意力机制模块,在保证感受视野并且提高分辨率的同时,弥补了下采样带来的精度损失,能够更好地指导模型学习,且提出的特征融合模块可以更好地融合不同感受视野的特征。     

多尺度特征融合工件目标语义分割

目的 目标语义特征提取效果直接影响图像语义分割的精度,传统的单尺度特征提取方法对目标的语义分割精度较低,为此,提出一种基于多尺度特征融合的工件目标语义分割方法,利用卷积神经网络提取目标的多尺度局部特征语义信息,并将不同尺度的语义信息进行像素融合,使神经网络充分捕获图像中的上下文信息,获得更好的特征表示,有效实现工件目标的语义分割。方法 使用常用的多类工件图像定义视觉任务,利用残差网络模块获得目标的单尺度语义特征图,再结合本文提出的多尺度特征提取方式获得不同尺度的局部特征语义信息,通过信息融合获得目标分割图。使用上述方法经多次迭代训练后得到与视觉任务相关的工件目标分割模型,并对训练权重与超参数进行保存。结果 将本文方法和传统的单尺度特征提取方法做定性和定量的测试实验,结果表明,获得的分割网络模型对测试集中的目标都具有较精确的分割能力,与单尺度特征提取方法相比,本文方法的平均交并比mIOU（mean intersection over union）指标在验证集上训练精度提高了4.52%,在测试集上分割精度提高了4.84%。当测试样本中包含的目标种类较少且目标边缘清晰时,本文方法能够得到更精准的分割结果。结论 本文提出的语义分割方法,通过多尺度特征融合的方式增强了神经网络模型对目标特征的提取能力,使训练得到的分割网络模型比传统的单尺度特征提取方式在测试集上具有更优秀的性能,从而验证了所提出方法的有效性。     

语义拉普拉斯金字塔多中心乳腺肿瘤分割网络

目的 乳腺肿瘤分割对乳腺癌的辅助诊疗起着关键作用,但现有研究大多集中在单中心数据的分割上,泛化能力不强,无法应对临床的复杂数据。因此,本文提出一种语义拉普拉斯金字塔网络（semantic Laplacian pyramids network,SLAPNet）,实现多中心数据下乳腺肿瘤的准确分割。方法 SLAPNet主要包含高斯金字塔和语义金字塔两个结构,前者负责得到多尺度的图像输入,后者负责提取多尺度的语义特征并使语义特征能在不同尺度间传播。结果 网络使用Dice相似系数（Dice similarity coefficient,DSC）作为优化目标。为了验证模型性能,采用多中心数据进行测试,与AttentionUNet、PSPNet （pyramid scene parsing network）、UNet 3+、MSDNet （multiscale dual attention network）、PyConvUNet （pyramid convolutional network）等深度学习模型进行对比,并利用DSC和Jaccard系数（Jaccard coefficient,JC）等指标进行定量分析。使用内部数据集测试时,本文模型乳腺肿瘤分割的DSC为0.826;使用公开数据集测试时,DSC为0.774,比PyConvUNet提高了约1.3%,比PSPNet和UNet3+提高了约1.5%。结论 本文提出的语义拉普拉斯金字塔网络,通过结合多尺度和多级别的语义特征,可以在多中心数据上准确实现乳腺癌肿瘤的自动分割。     

DeepLabv3plus-IRCNet：小目标特征提取的图像语义分割

目的 为了解决经典卷积神经网络无法满足图像中极小目标特征提取的准确性需求问题,本文基于DeepLabv3plus算法,在下采样过程中引入特征图切分模块,提出了DeepLabv3plus-IRCNet（IR为倒置残差（inverted residual,C为特征图切分（feature map cut））图像语义分割方法,支撑图像极小目标的特征提取。方法 采用由普通卷积层和多个使用深度可分离卷积的倒置残差模块串联组成的深度卷积神经网络提取特征,当特征图分辨率降低到输入图像的1/16时,引入特征图切分模块,将各个切分特征图分别放大,通过参数共享的方式提取特征。然后,将每个输出的特征图进行对应位置拼接,与解码阶段放大到相同尺寸的特征图进行融合,提高模型对小目标物体特征的提取能力。结果 本文方法引入特征图切分模块,提高了模型对小目标物体的关注,充分考虑了图像上下文信息,对多个尺度下的各个中间层特征进行融合,提高了图像分割精度。为验证方法的有效性,使用CamVid（Cambridge-driving labeled video database）数据集对提出的方法进行验证,平均交并比（mean intersection over union,mIoU）相对于DeepLabv3plus模型有所提升。验证结果表明了本文方法的有效性。结论 本文方法充分考虑了图像分割中小目标物体的关注度,提出的DeepLabv3plus-IRCNet模型提升了图像分割精度。     

树形结构卷积神经网络优化的城区遥感图像语义分割

目的 高分辨率遥感图像通常包含复杂的语义信息与易混淆的目标,对其语义分割是一项重要且具有挑战性的任务。基于DeepLab V3+网络结构,结合树形神经网络结构模块,设计出一种针对高分辨率遥感图像的语义分割网络。方法 提出的网络结构不仅对DeepLab V3+做出了修改,使其适用于多尺度、多模态的数据,而且在其后添加连接树形神经网络结构模块。树形结构通过建立混淆矩阵、提取混淆图、构建图分割,能够对易混淆的像素更好地区分,得到更准确的分割结果。结果 在国际摄影测量及遥感探测学会（International Society for Photogrammetry and Remote Sensing,ISPRS）提供的两个不同城市的遥感影像集上分别进行了实验,模型在整体准确率（overall accuracy, OA）这一项表现最好,在Vaihingen和Potsdam数据集上分别达到了90.4%和90.7%,其整体分割准确率较其基准结果有10.3%和17.4%的提升,对比ISPRS官方网站上的3种先进方法也有显著提升。结论 提出结合DeepLab V3+和树形结构的卷积神经网络,有效提升了高分辨率遥感图像语义分割整体精度,其中易混淆类别数据的分割准确率显著提高。在包含复杂语义信息的高分辨率遥感图像中,由于易混淆类别之间的像素分割错误减少,使用了树形结构的网络模型的整体分割准确率也有较大提升。     

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。     

空洞可分离卷积和注意力机制的实时语义分割

目的 为满足语义分割算法准确度和实时性的要求,提出了一种基于空洞可分离卷积模块和注意力机制的实时语义分割方法。方法 将深度可分离卷积与不同空洞率的空洞卷积相结合,设计了一个空洞可分离卷积模块,在减少模型计算量的同时,能够更高效地提取特征;在网络输出端加入了通道注意力模块和空间注意力模块,增强对特征的通道信息和空间信息的表达并与原始特征融合,以进一步提高特征的表达能力;将融合的特征上采样到原图大小,预测像素类别,实现语义分割。结果 在Cityscapes数据集和CamVid数据集上进行了实验验证,分别取得70.4%和67.8%的分割精度,速度达到71帧/s,而模型参数量仅为0.66 M。在不影响速度的情况下,分割精度比原始方法分别提高了1.2%和1.2%,验证了该方法的有效性。同时,与近年来的实时语义分割方法相比也表现出一定优势。结论 本文方法采用空洞可分离卷积模块和注意力模块,在减少模型计算量的同时,能够更高效地提取特征,且在保证实时分割的情况下提升分割精度,在准确度和实时性之间达到了有效的平衡。     

自注意力融合调制的弱监督语义分割

目的 现有图像级标注的弱监督分割方法大多利用卷积神经网络获取伪标签,其覆盖的目标区域往往过小。基于Transformer的方法通常采用自注意力对类激活图进行扩张,然而受其深层注意力不准确性的影响,优化之后得到的伪标签中背景噪声比较多。为了利用该两类特征提取网络的优点,同时结合Transformer不同层级的注意力特性,构建了一种结合卷积特征和Transformer特征的自注意力融合调制网络进行弱监督语义分割。方法 采用卷积增强的Transformer （Conformer）作为特征提取网络,其能够对图像进行更加全面的编码,得到初始的类激活图。设计了一种自注意力层级自适应融合模块,根据自注意力值和层级重要性生成融合权重,融合之后的自注意力能够较好地抑制背景噪声。提出了一种自注意力调制模块,利用像素对之间的注意力关系,设计调制函数,增大前景像素的激活响应。使用调制后的注意力对初始类激活图进行优化,使其覆盖较多的目标区域,同时有效抑制背景噪声。结果 在最常用的PASCAL VOC 2012（pattern analysis,statistical modeling and computational learning visual object classes 2012）数据集和COCO 2014 （common objectes in context 2014）数据集上利用获得的伪标签进行分割网络的训练,在对比实验中本文算法均取得最优结果,在PASCAL VOC验证集上,平均交并比（mean intersection over union,mIoU）达到了70.2%,测试集上mIoU值为70.5%,相比对比算法中最优的Transformer模型,其性能在验证集和测试集上均提升了0.9%,相比于卷积神经网络最优方法,验证集上mIoU提升了0.7%,测试集上mIoU值提升了0.8%。在COCO 2014验证集上结果为40.1%,与对比算法中最优方法相比分割精度提高了0.5%。结论 本文提出的弱监督语义分割模型,结合了卷积神经网络和Transformer的优点,通过对Transformer自注意力进行自适应融合调制,得到了图像级标签下目前最优的语义分割结果,该方法可应用于三维重建、机器人场景理解等应用领域。此外,所构建的自注意力自适应融合模块和自注意力调制模块均可嵌入到Transformer结构中,为具体视觉任务获取更鲁棒、更具鉴别性的特征。     

基于边缘特征和注意力机制的图像语义分割

在语义分割任务中, 编码器的下采样过程会导致分辨率降低, 造成图像空间信息细节的丢失, 因此在物体边缘会出现分割不连续或者错误分割的现象, 进而对整体分割性能产生负面影响. 针对上述问题, 提出基于边缘特征和注意力机制的图像语义分割模型EASSNet. 首先, 使用边缘检测算子计算原始图像的边缘图, 通过池化下采样和卷积运算提取边缘特征. 接着, 将边缘特征融合到经过编码器提取的深层语义特征当中, 恢复经过下采样的特征图像的空间细节信息, 并且通过注意力机制来强化有意义的信息, 从而提高物体边缘分割的准确性, 进而提升语义分割的整体性能. 最后, EASSNet在PASCAL VOC 2012和Cityscapes数据集上的平均交并比分别达到85.9%和76.7%, 与当前流行的语义分割网络相比, 整体分割性能和物体边缘的分割效果都具有明显优势.     

多尺度特征金字塔融合的街景图像语义分割

针对街景图像语义分割任务中的目标尺寸差异大、多尺度特征难以高效提取的问题, 本文提出了一种语义分割网络(LDPANet). 首先, 将空洞卷积与引入残差学习单元的深度可分离卷积结合, 来优化编码器结构, 在降低了计算复杂度的同时缓解梯度消失的问题. 然后利用层传递的迭代空洞空间金字塔, 将自顶向下的特征信息依次融合, 提高了上下文信息的有效交互能力; 在多尺度特征融合之后引入属性注意力模块, 使网络抑制冗余信息, 强化重要特征. 再者, 以通道扩展上采样代替双线插值上采样作为解码器, 进一步提升了特征图的分辨率. 最后, LDPANet方法在Cityscapes和CamVid数据集上的精度分别达到了91.8%和87.52%, 与近几年网络模型相比, 本文网络模型可以精确地提取像素的位置信息以及空间维度信息, 提高了语义分割的准确率.     

结合超像素分割的多尺度特征融合图像语义分割算法

深度学习的发展加快了图像语义分割的研究.目前,最有效的图像语义分割研究方法大部分都是基于全卷积神经网络(FCNN),尽管现有的语义分割方法能有效地对图像进行整体分割,但对于图像中的重叠遮挡物体不能清晰地识别出边缘信息,也不能有效地融合图像高低层的特征信息.针对以上问题,在采用FCNN来解决图像语义分割问题的基础上,利用...     

基于金字塔场景分析网络改进的语义分割算法

图像语义分割是图像识别中的一个经典难题,是机器视觉研究的一个热点。但在实际应用中,会出现语义标签预测不准确、所分割对象与背景之间边缘信息损失问题,这已逐渐成为了图像理解的瓶颈。据此,提出了一种基于金字塔场景分析网络（PSPNet）的网络改进结构,在特征学习模块中将输入图在原残差网络（ResNet）的基础上通过在网络内部增加卷积、池化操作,进一步学习各个层次特征,将所学习到的多个低层次特征图与高层次特征图相加,得到新的具有更多空间位置信息的特征图;为得到丰富的上下文信息,利用PSPNet的金字塔池化结构,将特征图中全局上下文信息与不同尺度局部上下文信息相结合,进行卷积和上采样,得到最终预测图。仿真实验结果表明,所改进的方法在PASCAL VOC 2012测试集中平均交并比（Mean Intersection over Union,MIoU）达到78.5%,较基准算法提升了1.7%。     

基于多级特征图联合上采样的实时语义分割

视觉感知是无人驾驶技术中的重要一环,而语义分割技术又是实现视觉感知的主要技术手段之一.现在的语义分割技术多采用计算量大、内存占用高的空洞卷积来提取高分辨率特征图,从而导致现在主流的语义分割网络分割速度不足,无法有效应用于无人驾驶的场景中.针对这一问题,提出了一种实时性更好的语义分割网络.首先,采用了一种轻量级的卷积神经...     

结合上下文编码与特征融合的SAR图像分割

目的 图像分割的中心任务是寻找更强大的特征表示,而合成孔径雷达(synthetic aperture radar, SAR)图像中斑点噪声阻碍特征提取。为加强对SAR图像特征的提取以及对特征充分利用,提出一种改进的全卷积分割网络。方法 该网络遵循编码器—解码器结构,主要包括上下文编码模块和特征融合模块两部分。上下文编码模块(contextual encoder module, CEM)通过捕获局部上下文和通道上下文信息增强对图像的特征提取;特征融合模块(feature fusion module, FFM)提取高层特征中的全局上下文信息,将其嵌入低层特征,然后将增强的低层特征并入解码网络,提升特征图分辨率恢复的准确性。结果 在两幅真实SAR图像上,采用5种基于全卷积神经网络的分割算法作为对比,并对CEM与CEM-FFM分别进行实验。结果显示,该网络分割结果的总体精度(overall accuracy, OA)、平均精度(average accuracy, AA)与Kappa系数比5种先进算法均有显著提升。其中,网络在OA上表现最好,CEM在两幅SAR图像上OA分别为91.082%和90...     

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...     

改进DeepLabv2的实时图像语义分割算法

图像语义分割是计算机视觉感知系统的重要组成之一,针对现有的语义分割算法存在分割速度慢的问题提出基于DeepLabv2改进的实时图像语义分割算法。与DeepLabv2相比,改进后的算法使用轻量卷积神经网络Xception作为编码器,增加特征金字塔网络（Feature Pyramid Net,FPN）解码特征的过程,减少空洞金字塔池化网络（Atrous convolution Spatial Pyramid Pooling,ASPP）参数的数量,进而大幅度压缩了算法模型,提升了算法分割速度。此外,还对Focal Loss损失函数在多分类任务中难以选择超参数的问题做出改进,并用于提升算法分割精度。在Cityscapes和Pascal VOC2012数据集上的实验结果表明改进后的算法可达到实时分割速度且具有分割精度高的优点,同时还表明提出的超参数选择方法可进一步提升算法分割精度。