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。     

伪激光点云增强的道路场景三维目标检测

目的 针对激光雷达点云稀疏性导致小目标检测精度下降的问题,提出一种伪激光点云增强技术,利用图像与点云融合,对稀疏的小目标几何信息进行补充,提升道路场景下三维目标检测性能。方法 首先,使用深度估计网络获取双目图像的深度图,利用激光点云对深度图进行深度校正,减少深度估计误差;其次,采用语义分割的方法获取图像的前景区域,仅将前景区域对应的深度图映射到三维空间中生成伪激光点云,提升伪激光点云中前景点的数量占比;最后,根据不同的观测距离对伪激光点云进行不同线数的下采样,并与原始激光点云进行融合作为最终的输入点云数据。结果 在KITTI （Karlsruhe Institute of Technology and Toyota Technological Institute at Chicago）数据集上的实验结果表明,该方法能够提升多个最新网络框架的小目标检测精度,以典型网络SECOND（sparselyembedded convolutional detection）、MVX-Net （multimodal voxelnet for 3D object detection）、Voxel-RCNN为例,在困难等级下,三维目标检测精度分别获得8.65%、7.32%和6.29%的大幅提升。结论 该方法适用于所有以点云为输入的目标检测网络,并显著提升了多个目标检测网络在道路场景下的小目标检测性能。该方法具备有效性与通用性。     

SSD与时空特征融合的视频目标检测

目的 视频目标检测旨在序列图像中定位运动目标,并为各个目标分配指定的类别标签。视频目标检测存在目标模糊和多目标遮挡等问题,现有的大部分视频目标检测方法是在静态图像目标检测的基础上,通过考虑时空一致性来提高运动目标检测的准确率,但由于运动目标存在遮挡、模糊等现象,目前视频目标检测的鲁棒性不高。为此,本文提出了一种单阶段多框检测（single shot multibox detector,SSD）与时空特征融合的视频目标检测模型。方法 在单阶段目标检测的SSD模型框架下,利用光流网络估计当前帧与近邻帧之间的光流场,结合多个近邻帧的特征对当前帧的特征进行运动补偿,并利用特征金字塔网络提取多尺度特征用于检测不同尺寸的目标,最后通过高低层特征融合增强低层特征的语义信息。结果 实验结果表明,本文模型在ImageNet VID （Imagelvet for video object detetion）数据集上的mAP （mean average precision）为72.0%,相对于TCN （temporal convolutional networks）模型、TPN+LSTM （tubelet proposal network and long short term memory network）模型和SSD+孪生网络模型,分别提高了24.5%、3.6%和2.5%,在不同结构网络模型上的分离实验进一步验证了本文模型的有效性。结论 本文模型利用视频特有的时间相关性和空间相关性,通过时空特征融合提高了视频目标检测的准确率,较好地解决了视频目标检测中目标漏检和误检的问题。     

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。     

深度卷积网络卫星图像水泥厂目标检测

目的 水泥厂作为重要的污染源企业需要对其进行统计和监管,近几年随着卫星遥感技术的发展和遥感影像分辨率的提高,使得基于卫星影像进行水泥厂目标检测成为可能。但是由于遥感图像中建筑目标的环境复杂多变,同时各个水泥厂在生产规模、设备构成、厂区结构、坐落方位上存在较大差异,图像表观上的形态各异和复杂环境干扰使得传统图像识别方法难以设计和提取有效特征。鉴于深度学习在视觉目标检测领域的成功应用,本文将研究应用深度卷积神经网络方法,实现在卫星图像上识别与定位水泥厂目标,为环保部门提供一种高效便捷的水泥厂目标检测和统计方法。方法 基于面向目标检测与定位的Faster R-CNN深度学习框架,以准确检测与定位水泥厂区域为目的,以京津冀地区的水泥厂位置作为训练和测试数据集,选用3种结构不同的提取特征卷积神经网络模型进行了对比实验。并针对小样本训练容易出现的过拟合和误检问题,采用图像去雾预处理、数据扩充、引入负样本等技术进一步提升模型能力。结果 测试集实验结果表明ResNet特征提取网络效果最好,准确率达到74%。为了进一步提高检出率并降低误检率,引入3种模型能力提升方法,在扩充检测数据集中的检出率达到94%,误检率降低到14%;在全球水泥厂数据集中的图像检出率达到96%,万幅随机图像的误检数量为30幅（0.3%）。对上海地区的卫星图像进行扫描检测,结果检测出11个已登记的水泥厂（共登记16个）,另外还检测出17个未登记的水泥厂。结论 对于卫星地图上水泥厂这种具有特殊建筑构造但也存在厂区几何形状各异、所处地理环境复杂、随季节性变化等特点,本文提出的基于深度卷积网络的卫星图像水泥厂检测方法,能够自动学习提取有效的图像特征并对目标进行准确检测。针对小样本训练问题,引入3种方法显著提高了模型的检测精度。在模型泛化能力测试中,经过优化后的模型在水泥厂建筑目标检测任务中表现良好,具有重要的应用价值。     

FGSC-23：面向深度学习精细识别的高分辨率光学遥感图像舰船目标数据集

目的 基于光学遥感图像的舰船目标识别研究广受关注,但是目前公开的光学遥感图像舰船目标识别数据集存在规模小、目标类别少等问题,难以训练出具有较高舰船识别精度的深度学习模型。为此,本文面向基于深度学习的舰船目标精细识别任务研究需求,搜集公开的包含舰船目标的高分辨率谷歌地球和GF-2卫星水面场景遥感图像,构建了一个高分辨率光学遥感图像舰船目标精细识别数据集（fine-grained ship collection-23,FGSC-23）。方法 将图像中的舰船目标裁剪出来,制作舰船样本切片,人工对目标类别进行标注,并在每个切片中增加舰船长宽比和分布方向两类属性标签,最终形成包含23个类别、4 052个实例的舰船目标识别数据集。结果 按1：4比例将数据集中各类别图像随机划分为测试集和训练集,并展开验证实验。实验结果表明,在通用识别模型识别效果验证中,VGG16（Visual Geometry Group 16-layer net）、ResNet50、Inception-v3、DenseNet121、MobileNet和Xception等经典卷积神经网络（convolutional neural network,CNN）模型的整体测试精度分别为79.88%、81.33%、83.88%、84.00%、84.24%和87.76%;在舰船目标精细识别的模型效果验证中,以VGG16和ResNet50模型为基准网络,改进模型在测试集上的整体测试精度分别为93.58%和93.09%。结论 构建的FGSC-23数据集能够满足舰船目标识别算法的验证任务。     

注意力机制改进卷积神经网络的遥感图像目标检测

目的 遥感图像目标检测是遥感图像处理的核心问题之一,旨在定位并识别遥感图像中的感兴趣目标。为解决遥感图像目标检测精度较低的问题,在公开的NWPU_VHR-10数据集上进行实验,对数据集中的低质量图像用增强深度超分辨率（EDSR）网络进行超分辨率重构,为训练卷积神经网络提供高质量数据集。方法 对原Faster-RCNN （region convolutional neural network）网络进行改进,在特征提取网络中加入注意力机制模块获取更多需要关注目标的信息,抑制其他无用信息,以适应遥感图像视野范围大导致的背景复杂和小目标问题;并使用弱化的非极大值抑制来适应遥感图像目标旋转;提出利用目标分布之间的互相关对冗余候选框进一步筛选,降低虚警率,以进一步提高检测器性能。结果 为证明本文方法的有效性,进行了两组对比实验,第1组为本文所提各模块间的消融实验,结果表明改进后算法比原始Faster-RCNN的检测结果高了12.2%,证明了本文所提各模块的有效性。第2组为本文方法与其他现有方法在NWPU_VHR-10数据集上的对比分析,本文算法平均检测精度达到79.1%,高于其他对比算法。结论 本文使用EDSR对图像进行超分辨处理,并改进Faster-RCNN,提高了算法对遥感图像目标检测中背景复杂、小目标、物体旋转等情况的适应能力,实验结果表明本文算法的平均检测精度得到了提高。     

融合注意力机制和特征金字塔网络的CT图像肺结节检测

目的 针对现有肺结节检测算法存在的因肺部计算机断层扫描（computed tomography,CT）图像肺结节与周边组织复杂性导致结节本身结构差异性不明显的问题,以及特征提取网络多次下采样造成图像分辨率降低进而导致检测结果差、仅使用网络顶层特征图进行预测造成图像空间信息丢失进而导致小结节漏检等问题,提出了一种基于注意力机制和特征金字塔的肺结节检测算法。方法 根据语义与空间特征补偿机制以及卷积神经网络中网络深度所提取特征的信息量不同,在以ResNet为骨干网络的特征提取网络中设计通道—空间注意力机制,尽可能同时获取含有较多上下文语义以及空间位置信息的特征信息。在网络预测部分设计特征金字塔网络,将高维带有丰富语义信息的特征图与低维带有位置信息的特征图融合进行多尺度预测,增强网络对于小结节以及近血管结节等非显著性目标的检测性能。结果 在LUNA16（lung nodule analysis 16）数据集上进行十折交叉验证显示,当平均假阳性个数为25.99时敏感度达到了97.13%,与基准方法相比,敏感度提高了2.53%,平均假阳性降低了28.54,实现了高敏感度低假阳性;在0.125、0.25、0.5、1、2、4、8这7个假阳率点的敏感度平均值为0.854,其中在每个扫描4次和8次假阳性时敏感度分别达到了0.940和0.951,其效果优于主流的结节检测方法。结论 提出的结节检测模型,可以提高对3~10 mm小结节、近血管结节等非显著性目标的检测性能,并具有较低的假阳率。     

基于Fast R-CNN的车辆目标检测

目的 在传统车辆目标检测问题中,需要针对不同图像场景选择适合的特征。为此提出一种基于快速区域卷积神经网络（Fast R-CNN）的场景图像车辆目标发现方法,避免传统车辆目标检测问题中需要设计手工特征的问题。方法 该方法基于深度学习卷积神经网络思想。首先使用待检测车辆图像定义视觉任务。利用选择性搜索算法获得样本图像的候选区域,将候选区域坐标与视觉任务示例图像一起输入网络学习。示例图像经过深度卷积神经网络中的卷积层,池化层计算,最终得到深度卷积特征。在输入时没有规定示例图像的规格,此时得到的卷积特征规格不定。然后,基于Fast R-CNN网络结构,通过感兴趣区域池化层规格化特征,最后将特征输入不同的全连接分支,并行回归计算特征分类,以及检测框坐标值。经过多次迭代训练,最后得到与指定视觉任务强相关的目标检测模型,具有训练好的权重参数。在新的场景图像中,可以通过该目标检测模型检测给定类型的车辆目标。结果 首先确定视觉任务包含公交车,小汽车两类,背景场景是城市道路。利用与视觉任务强相关的测试样本集对目标检测模型进行测试,实验表明,当测试样本场景与视觉任务相关度越高,且样本中车辆目标的形变越小,得到的车辆目标检测模型对车辆目标检测具有良好的检测效果。结论 本文提出的车辆目标检测方法,利用卷积神经网络提取卷积特征代替传统手工特征提取过程,通过Fast R-CNN对由示例图像组成定义的视觉任务训练得到了效果良好的车辆目标检测模型。该模型可以对与视觉任务强相关新场景图像进行效果良好的车辆目标检测。本文结合深度学习卷积神经网络思想,利用卷积特征替代传统手工特征,避免了传统检测问题中特征选择问题。深层卷积特征具有更好的表达能力。基于Fast R-CNN网络,最终通过多次迭代训练得到车辆检测模型。该检测模型对本文规定的视觉任务有良好的检测效果。本文为解决车辆目标检测问题提供了更加泛化和简洁的解决思路。     

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。     

感受野特征增强的SSD目标检测算法

SSD （Single Shot multi-box Detector）算法是在不同层的特征图上,进行多尺度对象的检测,具有速度快和精度高的特点.但是,传统SSD算法的特征金字塔检测方法很难融合不同尺度的特征,并且由于底层的卷积神经网络层具有较弱的语义信息,也不利于小物体的识别,因此本论文提出了以SSD算法的网络结构为基础的一种新颖的目标检测算法RF_SSD,该算法将不同层及不同尺度的特征图以轻量级的方式相融合,下采样层生成新的特征图,通过引入感受野模块,提高网络的特征提取能力,增强特征的表征能力和鲁棒性.和传统SSD算法相比,本文算法在精度上有明显提升,同时充分保证了目标检测的实时性.实验结果表明,在PASCAL VOC测试集上测试,准确率为80.2%,检测速度为44.5 FPS.     

小目标检测研究综述

随着计算机视觉和人工智能技术的快速发展,目标检测受到了更加广泛的关注。由于小目标像素占比小、语义信息少、易受复杂场景干扰以及易聚集遮挡等问题,导致小目标检测一直是目标检测领域中的一大难点。目前,视觉的小目标检测在生活的各个领域中日益重要。为了进一步促进小目标检测的发展,提高小目标检测的精度与速度,优化其算法模型,本文针对小目标检测中存在的问题,梳理了国内外研究现状及成果。首先,分别从小目标可视化特征、目标分布情况和检测环境等角度对小目标检测的难点进行了分析,同时从数据增强、超分辨率、多尺度特征融合、上下文语义信息、锚框机制、注意力机制以及特定的检测场景等方面系统总结了小目标检测方法,并整理了在框架结构、损失函数、预测和匹配机制等方面发展的较为成熟的单阶段小目标检测方法。其次,本文对小目标检测的评价指标以及可用于小目标检测的各类数据集进行了详细介绍,并针对部分经典的小目标检测方法在MSCOCO(Microsoft common objects in context)、VisDrone2021(vision meets drones2021)和Tsinghua-Tencent100K等数据...     

基于课程学习思想的目标检测增强算法

目标检测算法性能优劣既依赖于数据集样本分布,又依赖于特征提取网络设计.从这2点出发,首先通过分析COCO 2017数据集各尺度目标属性分布,探索了数据集固有的导致小目标检测准确率偏低的潜在因素,据此提出CP模块,该模块以离线方式调整数据集小目标分布,一方面对包含小目标图片进行上采样,另一方面对图片内小目标进行复制粘贴....     

基于改进密集网络与二次回归的小目标检测算法

基于单激发探测器（SSD）的小目标检测算法实时性较差且检测精度较低。为提高小目标检测精度和鲁棒性,提出一种结合改进密集网络和二次回归的小目标检测算法。将SSD算法中骨干网络由VGG16替换为特征提取能力更强且速度更快的DenseNet,利用基于区域候选的检测算法中默认框由粗到细筛选的回归思想设计串级SSD网络结构,在区分目标和背景后进行常规目标分类和位置回归,以获取精确的默认框信息并达到小目标检测中正负样本比例均衡。在此基础上,使用特征图尺度变换方法在不增加参数量情况下完成特征图融合,同时通过K-means聚类方法得到默认框的最佳长宽比并重新设置其尺寸。实验结果表明,该算法的检测平均精度均值在PASCAL VOC2007公共数据集和自制航拍小目标数据集上分别为82.3%和87.6%,较改进前SSD算法分别提升5.1个百分点和9.5个百分点,检测速度达到58 frames/s,可有效实现小目标的实时性检测。     

边缘环境中目标检测算法的应用研究

为了满足对安防图像数据安全准确高效的处理需求,在低延迟、高可靠性的边缘计算环境中设计了一种实时性目标检测框架,按层次分为终端网络层、边缘服务器层与云层。在终端网络层采用BING（Binarized Normed Gradients）算法区分图像的目标区域与背景区域,对不同区域采取选择性压缩以减少数据传输量。在边缘服务器层,针对安防图像中小目标易漏检的问题提出了基于SSD（Single Shot Multibox Detector）的改进算法2FSSD,将SSD主干网络中具有高语义信息的深层特征与低层特征进行融合,形成新的特征提取层进行目标检测。实验表明,2FSSD算法在VOC数据集中检测精度可达79.5%,检测速度为27.3 frame/s。因此该研究方法可以在保证检测准确度的同时满足安防图像处理的实时性要求。     

结合轻量化骨干与多尺度融合的单阶段检测器

目的 基于卷积神经网络的单阶段目标检测网络具有高实时性与高检测精度,但其通常存在两个问题：1)模型中存在大量冗余的卷积计算;2)多尺度特征融合结构导致额外的计算开销。这导致单阶段检测器需要大量的计算资源,难以在计算资源不足的设备上应用。针对上述问题,本文在YOLOv5(you only look once version 5)的结构基础上,提出一种轻量化单阶段目标检测网络架构,称为E-YOLO(efficient-YOLO)。方法 利用E-YOLO架构构建了E-YOLOm(efficient-YOLO medium)与E-YOLOs(efficient-YOLO small)两种不同大小的模型。首先,设计了多种更加高效的特征提取模块以减少冗余的卷积计算,对模型中开销较大的特征图通过下采样、特征提取、通道升降维与金字塔池化进行了轻量化设计。其次,为解决多尺度特征融合带来的冗余开销,提出了一种高效多尺度特征融合结构,使用多尺度特征加权融合方案减少通道降维开销,设计中层特征长跳连接缓解特征流失。结果 实验表明,E-YOLOm、E-YOLOs与YOLOv5m、YOLOv5s相比,参数量分别下降...     

多层卷积特征的真实场景下行人检测研究

针对真实场景下的行人检测方法存在漏检、误检率高,以及小尺寸目标检测精度低等问题,提出了一种基于改进SSD网络的行人检测模型（PDIS）。PDIS通过引出更底层的输出特征图改进了原始SSD网络模型,并采用卷积神经网络不同层输出的抽象特征对行人目标分别做检测,融合多层检测结果,提升了小目标行人的检测性能。此外,针对数据集样本多样性能有效地提升检测算法的泛化能力,本文采集了不同光照、姿态、遮挡等复杂场景下的行人图像,对背景比较复杂的INRIA行人数据集进行了扩充,在扩增的行人数据集上训练的PDIS模型,提高了在真实场景下的行人检测精度。实验表明:PDIS在INRIA测试集上测试结果达到93.8%的准确率,漏检率低至7.4%。     

改进SSD算法及其在地铁安检中的应用

针对传统SSD算法在检测小目标时容易漏检且检测精度不高的问题,提出一种改进算法。对SSD算法中各尺度特征进行尺寸大小不变的卷积操作,将卷积前后对应的特征进行轻量级网络融合,从而生成新的金字塔特征层,并加入基于残差模块的检测单元避免增加网络模型容量和运算复杂度,同时增强对小尺度目标的检测能力。基于PASCAL-VOC2007小目标数据集的实验结果表明,与传统SSD、YOLOv3、Faster RCNN等算法相比,在PASCAL-VOC2007小目标数据集中,该算法的mAP指标较传统SSD算法提高8.5%,较Faster RCNN算法提高3.9%,较YOLOv3提高2%,FPS达到83 frame/s,其检测地铁安检图片的mAP达到77.8%。     

基于多尺度联合权重分配的目标检测算法

针对SSD(single shot multibox detector)算法在复杂交通场景下对交通标志小目标识别效果不佳的问题,提出一种基于多尺度特征互补和重点特征信息挖掘（multi-scale feature complementary fusion and key feature information mining SSD,MK-SSD）的目标检测改进算法。利用跨阶段局部网络设计多尺度特征互补模块,同时构建多路径特征融合网络,有效提升浅层网络对小目标的特征提取能力。设计联合权重分配模块,将感知域与重点信息挖掘相结合,更高效地利用重点特征信息并抑制对非重点信息的关注度。利用轻量化残差块对预测网络进行改进,提升目标检测能力。经实验分析,改进后的算法在自制交通标志数据集上平均准确率达到89.64%,在保证实时性的同时,相较于YOLO系列和SSD系列算法拥有更高的检测精度,能检测出大部分SSD网络漏检的小目标。