多尺度密集网络在红外和可见光图像融合应用

为了进一步提升红外和可见光图像的融合效果,提出了一种基于多尺度卷积算子和密集连接网络的图像融合模型.该模型首先使用多尺度卷积算子计算图像的直接多尺度特征,然后使用密集连接网络计算图像的间接多尺度特征.为了得到图像像素信息在不同尺度下的融合权重,通过叠加的方式将各个尺度密集连接网络的输出进行融合,并使用活动图方法计算两类图像的融合权重,最后根据权重计算结果得到融合图像,实验在THO数据集和CMA数据集获得较好的识别率.     

自适应卷积的残差修正单幅图像去雨

目的 雨天户外采集的图像常常因为雨线覆盖图像信息产生色变和模糊现象。为了提高雨天图像的质量,本文提出一种基于自适应选择卷积网络深度学习的单幅图像去雨算法。方法 针对雨图中背景误判和雨痕残留问题,加入网络训练的雨线修正系数（refine factor,RF）,改进现有雨图模型,更精确地描述雨图中各像素受到雨线的影响。构建选择卷积网络（selective kernel network,SK Net）,自适应地选择不同卷积核对应维度的信息,进一步学习、融合不同卷积核的信息,提高网络的表达力,最后构建包含SK Net、refine factor net和residual net子网络的自适应卷积残差修正网络（selective kernel convolution using a residual refine factor,SKRF）,直接学习雨线图和残差修正系数（RF）,减少映射区间,减少背景误判。结果 实验通过设计的SKRF网络,在公开的Rain12测试集上进行去雨实验,取得了比现有方法更高的精确度,峰值信噪比（peak signal to noise ratio,PSNR）达到34.62 dB,结构相似性（structural similarity,SSIM）达到0.970 6。表明SKRF网络对单幅图像去雨效果有明显优势。结论 单幅图像去雨SKRF算法为雨图模型中的雨线图提供一个额外的修正残差系数,以降低学习映射区间,自适应选择卷积网络模型提升雨图模型的表达力和兼容性。     

基于倍频卷积和注意力机制的图像去雨

针对机器视觉场景图像中由于雨线影响导致背景信息模糊、损失的问题,提出一种基于倍频卷积和注意力机制的图像去雨方法.首先,建立基于空-频域去雨模型,设计基于空间尺度变换和倍频卷积的频率特征分解模块,通过学习得到频率特征和雨线特征的映射关系,降低低频特征空间冗余,提高网络运行效率;其次,设计多层通道注意力模块映射雨线层权重信息,增强重要特征,挖掘雨线层之间的亮度差异,提高雨线检测性能;最后,通过序列操作迭代分解出不同成分的雨线信息,进而完成场景图像去雨.实验结果表明,所提方法对不同方向、形状的雨线和雨滴具有良好的去除性能,同时对于背景图像的细节与边缘信息也具有较好的保护作用.     

多尺度密集残差网络的单幅图像超分辨率重建

目的 近几年应用在单幅图像超分辨率重建上的深度学习算法都是使用单种尺度的卷积核提取低分辨率图像的特征信息,这样很容易造成细节信息的遗漏。另外,为了获得更好的图像超分辨率重建效果,网络模型也不断被加深,伴随而来的梯度消失问题会使得训练时间延长,难度加大。针对当前存在的超分辨率重建中的问题,本文结合GoogleNet思想、残差网络思想和密集型卷积网络思想,提出一种多尺度密集残差网络模型。方法 本文使用3种不同尺度卷积核对输入的低分辨率图像进行卷积处理,采集不同卷积核下的底层特征,这样可以较多地提取低分辨率图像中的细节信息,有利于图像恢复。再将采集的特征信息输入残差块中,每个残差块都包含了多个由卷积层和激活层构成的特征提取单元。另外,每个特征提取单元的输出都会通过短路径连接到下一个特征提取单元。短路径连接可以有效地缓解梯度消失现象,加强特征传播,促进特征再利用。接下来,融合3种卷积核提取的特征信息,经过降维处理后与3×3像素的卷积核提取的特征信息相加形成全局残差学习。最后经过重建层,得到清晰的高分辨率图像。整个训练过程中,一幅输入的低分辨率图像对应着一幅高分辨率图像标签,这种端到端的学习方法使得训练更加迅速。结果 本文使用两个客观评价标准PSNR（peak signal-to-noise ratio）和SSIM（structural similarity index）对实验的效果图进行测试,并与其他主流的方法进行对比。最终的结果显示,本文算法在Set5等多个测试数据集中的表现相比于插值法和SRCNN算法,在放大3倍时效果提升约3.4 dB和1.1 dB,在放大4倍时提升约3.5 dB和1.4 dB。结论 实验数据以及效果图证明本文算法能够较好地恢复低分辨率图像的边缘和纹理信息。     

基于多通道分离整合的多尺度单幅图像去雨算法

由于密度不同的雨对图像造成的遮挡不同,图像去雨一直都是一项极具挑战性的任务。目前,基于深度学习的图像去雨算法已经成为主流。然而,多数深度学习的架构都是通过堆叠卷积层来设计的,执行去雨任务后图像仍存在着大小不一的雨痕,这些方法并不能很好地关注训练中雨图的局部信息和上下文信息。为了解决上述问题,本文设计一种基于多通道分离整合的卷积神经网络用于图像去雨。第一步通过通道分离,再利用卷积层间的层级连接,构成多尺度模块,最终将不同通道的输出进行整合。该模块可以增大感受野,探索特征图之间的空间信息,更好地提取特征。第二步利用渐进网络来反复计算挖掘上下文信息,能够很好关联到全局特征。整体模型易于实施,可以端对端训练。在常用的数据集以及自建的自动驾驶雨天数据集上的大量实验表明,本文方法比现有方法取得了明显的改进。     

基于编码—解码结构的多阶段图像去雨滴方法

针对附着镜头或玻璃表面的雨滴会造成图像退化的问题,提出了一种多阶段渐进式图像去雨滴方法。整个去雨滴过程被分解为多个更易于实现的阶段。首先在每个阶段设计多尺度融合的编码—解码网络以学习雨滴特征,通过构建带有门控循环单元的多尺度扩张卷积来细化内部传递的空间特征。然后引入无降维的通道注意力机制对特定空间特征下的通道信息进行提取。最后为加强每个阶段各部分之间的信息交换,采用跨阶段特征融合机制,在每个阶段的编码—解码网络之间加入横向连接,以实现特征信息的横向传递。在每个阶段之间加入监督注意模块,以增强不同阶段之间的信息传递,最终渐进地实现雨滴的去除。实验表明该方法能够有效地去除雨滴。     

一种新型的基于深度学习的单幅图像去雨方法

雨滴严重影响了图像的视觉效果和后续的图像处理应用。目前,基于深度学习的单幅图像去雨方法能够有效挖掘图像的深度特征,其去雨效果优于传统方法;然而,随着网络深度的增加,网络容易出现过拟合的现象,使得去雨效果遇到瓶颈。文中在继承深度学习优点的基础上,学习有雨/无雨图像之间的残差,然后将残差与源图像进行重构,从而获得无雨图像。该方式大幅增加了网络深度,并加快了算法的收敛速度。分别利用通过不同方式获取的雨滴图像对所提方法进行实验验证,并将该方法与当前最新的去雨滴方法作比较,结果表明所提算法的去雨效果更好。     

一种基于深度学习的多尺度深度网络的场景标注算法

针对场景标注中如何产生良好的内部视觉信息表达和有效利用上下文语义信息两个至关重要的问题,提出一种基于深度学习的多尺度深度网络监督模型。与传统多尺度方法不同,模型主要由两个深度卷积网络组成:首先网络考虑全局信息,提取大尺度图像低层特征;其次网络利用图像局部信息,结合低层特征获取一组稠密的、完备的图像特征,有效地捕获图像像素的纹理特征、颜色特征和上下文信息。对比许多经典方法,该算法不依赖图像分割技术和人工制作特征,在Stanford Background Dataset取得了很好的效果。     

融合3D注意力和Transformer的图像去雨网络

目的 因为有雨图像中雨线存在方向、密度和大小等各方面的差异,单幅图像去雨依旧是一个充满挑战的研究问题。现有算法在某些复杂图像上仍存在过度去雨或去雨不足等问题,部分复杂图像的边缘高频信息在去雨过程中被抹除,或图像中残留雨成分。针对上述问题,本文提出三维注意力和Transformer去雨网络(three-dimension attention and Transformer deraining network,TDATDN)。方法 将三维注意力机制与残差密集块结构相结合,以解决残差密集块通道高维度特征融合问题;使用Transformer计算特征全局关联性;针对去雨过程中图像高频信息被破坏和结构信息被抹除的问题,将多尺度结构相似性损失与常用图像去雨损失函数结合参与去雨网络训练。结果 本文将提出的TDATDN网络在Rain12000雨线数据集上进行实验。其中,峰值信噪比(peak signal to noise ratio,PSNR)达到33.01 dB,结构相似性(structural similarity,SSIM)达到0.927 8。实验结果表明,本文算法对比以往基于深度学习的神经网络去雨算法,显著改善了单幅图像去雨效果。结论 本文提出的TDATDN图像去雨网络结合了3D注意力机制、Transformer和编码器—解码器架构的优点,可较好地完成单幅图像去雨工作。     

多尺度密集感受域的GAN图像去雾算法

基于先验的图像去雾算法依赖于大气散射模型，易受环境影响出现去雾不彻底、颜色失真等现象，针对上述问题本文基于深度学习，提出一种多尺度密集感受域的GAN图像去雾算法。首先构建一个多尺度学习的生成器网络，通过3种不同尺度提取图像的局部细节和全局信息后进行特征融合；然后通过感受密集块来增大感受野并获得丰富的上下文信息，将提取到的特征图在多个感受密集块中对特征进一步细化；接着使用一个多尺度的GAN判别器，由2个相同的子判别器D1和D2组成，2个子判别器联合指导生成器的训练；最后本文结合L1损失、感知损失和对抗损失，设计一个多元损失函数来收敛网络。在SOTS测试集上进行主观评价和客观评价，实验结果表明，本文算法取得了较优的效果，有效改善去雾不彻底的现象。     

提高小样本高光谱图像分类性能的变维卷积神经网络

目的 为了解决基于卷积神经网络的算法对高光谱图像小样本分类精度较低、模型结构复杂和计算量大的问题,提出了一种变维卷积神经网络。方法 变维卷积神经网络对高光谱分类过程可根据内部特征图维度的变化分为空—谱信息融合、降维、混合特征提取与空—谱联合分类的过程。这种变维结构通过改变特征映射的维度,简化了网络结构并减少了计算量,并通过对空—谱信息的充分提取提高了卷积神经网络对小样本高光谱图像分类的精度。结果 实验分为变维卷积神经网络的性能分析实验与分类性能对比实验,所用的数据集为Indian Pines和Pavia University Scene数据集。通过实验可知,变维卷积神经网络对高光谱小样本可取得较高的分类精度,在Indian Pines和Pavia University Scene数据集上的总体分类精度分别为87.87%和98.18%,与其他分类算法对比有较明显的性能优势。结论 实验结果表明,合理的参数优化可有效提高变维卷积神经网络的分类精度,这种变维模型可较大程度提高对高光谱图像中小样本数据的分类性能,并可进一步推广到其他与高光谱图像相关的深度学习分类模型中。     

高光谱图像小样本分类的卷积神经网络方法

目的 与传统分类方法相比,基于深度学习的高光谱图像分类方法能够提取出高光谱图像更深层次的特征。针对现有深度学习的分类方法网络结构简单、特征提取不够充分的问题,提出一种堆叠像元空间变换信息的数据扩充方法,用于解决训练样本不足的问题,并提出一种基于不同尺度的双通道3维卷积神经网络的高光谱图像分类模型,来提取高光谱图像的本质空谱特征。方法 通过对高光谱图像的每一像元及其邻域像元进行旋转、行列变换等操作,丰富中心像元的潜在空间信息,达到数据集扩充的作用。将扩充之后的像素块输入到不同尺度的双通道3维卷积神经网络学习训练集的深层特征,实现更高精度的分类。结果 5次重复实验后取平均的结果表明,在随机选取了10%训练样本并通过8倍数据扩充的情况下,Indian Pines数据集实现了98.34%的总体分类精度,Pavia University数据集总体分类精度达到99.63%,同时对比了不同算法的运行时间,在保证分类精度的前提下,本文算法的运行时间短于对比算法,保证了分类模型的稳定性、高效性。结论 本文提出的基于双通道卷积神经网络的高光谱图像分类模型,既解决了训练样本不足的问题,又综合了高光谱图像的光谱特征和空间特征,提高了高光谱图像的分类精度。     

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。     

多层次感知残差卷积网络的单幅图像超分重建

目的 单幅图像超分辨率重建的深度学习算法中,大多数网络都采用了单一尺度的卷积核来提取特征（如3×3的卷积核）,往往忽略了不同卷积核尺寸带来的不同大小感受域的问题,而不同大小的感受域会使网络注意到不同程度的特征,因此只采用单一尺度的卷积核会使网络忽略了不同特征图之间的宏观联系。针对上述问题,本文提出了多层次感知残差卷积网络（multi-level perception residual convolutional network,MLP-Net,用于单幅图像超分辨率重建）。方法 通过特征提取模块提取图像低频特征作为输入。输入部分由密集连接的多个多层次感知模块组成,其中多层次感知模块分为浅层多层次特征提取和深层多层次特征提取,以确保网络既能注意到图像的低级特征,又能注意到高级特征,同时也能保证特征之间的宏观联系。结果 实验结果采用客观评价的峰值信噪比（peak signal to noise ratio,PSNR）和结构相似性（structural similarity,SSIM）两个指标,将本文算法其他超分辨率算法进行了对比。最终结果表明本文算法在4个基准测试集上（Set5、Set14、Urban100和BSD100（Berkeley Segmentation Dataset））放大2倍的平均峰值信噪比分别为37.851 1 dB,33.933 8 dB,32.219 1 dB,32.148 9 dB,均高于其他几种算法的结果。结论 本文提出的卷积网络采用多尺度卷积充分提取分层特征中的不同层次特征,同时利用低分辨率图像本身的结构信息完成重建,并取得不错的重建效果。     

基于改进卷积神经网络的铁轨伤损图像识别

铁轨探伤技术的可靠性关系到铁路运行的安全性。分析BP神经网络、卷积神经网络算法在图片识别中的优势,提出一种结合BP、卷积网络的新算法应用于铁轨伤损检测。改进算法利用卷积神经网络对铁轨样本进行特征提取,仅一次前向运算获得低维度铁轨图,再由BP神经网络对低维度铁轨图特征进行分类训练与测试。实验结果表明,改进算法在已训练好的模型测试中得到较好的误差收敛曲线与较高的测试精度,与BP算法、卷积算法相比,该算法训练时间更少,对铁轨伤损图片识别效果更好,在铁轨伤损检测方面有较好的应用前景。     

密集连接卷积网络图像去模糊

目的 非均匀盲去运动模糊是图像处理和计算机视觉中的基础课题之一。传统去模糊算法有处理模糊种类单一、耗费时间两大缺点,且一直未能有效解决。随着神经网络在图像生成领域的出色表现,本文把去运动模糊视为图像生成的一种特殊问题,提出一种基于神经网络的快速去模糊方法。方法 首先,将图像分类方向表现优异的密集连接卷积网络（dense connected convolutional network, DenseNets）应用到去模糊领域,该网络能充分利用中间层的有用信息。在损失函数方面,采用更符合去模糊目的的感知损失（perceptual loss）,保证生成图像和清晰图像在内容上的一致性。采用生成对抗网络（generative adversarial network,GAN）,使生成的图像在感官上与清晰图像更加接近。结果 通过测试生成图像相对于清晰图像的峰值信噪比 （peak signal to noise ratio,PSNR）,结构相似性 （structural similarity,SSIM）和复原时间来评价算法性能的优劣。相比DeblurGAN（blind motion deblurring using conditional adversarial networks）,本文算法在GOPRO测试集上的平均PSNR提高了0.91,复原时间缩短了0.32 s,能成功恢复出因运动模糊而丢失的细节信息。在Kohler数据集上的性能也优于当前主流算法,能够处理不同的模糊核,鲁棒性强。结论 本文算法网络结构简单,复原效果好,生成图像的速度也明显快于其他方法。同时,该算法鲁棒性强,适合处理各种因运动模糊而导致的图像退化问题。     

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。     

改进的卷积神经网络单幅图像超分辨率重建

针对经典的基于卷积神经网络的单幅图像超分辨率重建方法网络较浅、提取的特征少、重建图像模糊等问题，提出了一种改进的卷积神经网络的单幅图像超分辨率重建方法，设计了由密集残差网络和反卷积网络组成的新型深度卷积神经网络结构。原始低分辨率图像输入网络，利用密集残差学习网络获取更丰富的有效特征并加快特征梯度流动，其次通过反卷积层将图像特征上采样到目标图像大小，再利用密集残差学习高维特征，最后融合不同卷积核提取的特征得到最终的重建图像。在Set5和Set14数据集上进行了实验，并和Bicubic、K-SVD、SelfEx、SRCNN等经典重建方法进行了对比，重建出的图像在整体清晰度和边缘锐度方面更好，另外峰值信噪比（PSNR）平均分别提高了2.69?dB、1.68?dB、0.74?dB和0.61?dB。实验结果表明，该方法能够获取更丰富的细节信息，得到更好的视觉效果，达到了图像超分辨率的增强任务。