流形正则化的交叉一致性语义分割算法

目的 为有效解决半监督及弱监督语义分割模型中上下文信息缺失问题,在充分考虑模型推理效率的基础上,提出基于流形正则化的交叉一致性语义分割算法。方法 首先,以交叉一致性训练模型作为骨架网络,通过骨架网络获得预测分割图像。其次,对输入域图像和输出域图像进行子图像块划分,以获取具有相同几何结构的数据对。再次,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,并根据不同的训练方式分别设计半监督及弱监督的正则化算法。最后,利用流形约束的结果进一步优化图像分割网络中的参数,并通过反复迭代使半监督或弱监督的语义分割模型达到最优。结果 通过加入流形正则化约束,捕获了图像中上下文信息,降低了网络前向计算过程中造成的本征结构的损失,在不改变网络结构的前提下提高了算法精度。为验证算法的有效性,实验分别在半监督和弱监督两种不同类型的语义分割中进行了对比,在PASCAL VOC 2012(pattern analysis, statistical modeling and computational learning visual object classes 2012)数...     

编码—解码结构的语义分割

目的 语义分割是计算机视觉中一项具有挑战性的任务,其核心是为图像中的每个像素分配相应的语义类别标签。然而,在语义分割任务中,缺乏丰富的多尺度信息和足够的空间信息会严重影响图像分割结果。为进一步提升图像分割效果,从提取丰富的多尺度信息和充分的空间信息出发,本文提出了一种基于编码-解码结构的语义分割模型。方法 运用ResNet-101网络作为模型的骨架提取特征图,在骨架末端附加一个多尺度信息融合模块,用于在网络深层提取区分力强且多尺度信息丰富的特征图。并且,在网络浅层引入空间信息捕获模块来提取丰富的空间信息。由空间信息捕获模块捕获的带有丰富空间信息的特征图和由多尺度信息融合模块提取的区分力强且多尺度信息丰富的特征图将融合为一个新的信息丰富的特征图集合,经过多核卷积块细化之后,最终运用数据依赖的上采样（DUpsampling）操作得到图像分割结果。结果 此模型在2个公开数据集（Cityscapes数据集和PASCAL VOC 2012数据集）上进行了大量实验,验证了所设计的每个模块及整个模型的有效性。新模型与最新的10种方法进行了比较,在Cityscapes数据集中,相比于RefineNet模型、DeepLabv2-CRF模型和LRR（Laplacian reconstruction and refinement）模型,平均交并比（mIoU）值分别提高了0.52%、3.72%和4.42%;在PASCAL VOC 2012数据集中,相比于Piecewise模型、DPN（deep parsing network）模型和GCRF（Gaussion conditional random field network）模型,mIoU值分别提高了6.23%、7.43%和8.33%。结论 本文语义分割模型,提取了更加丰富的多尺度信息和空间信息,使得分割结果更加准确。此模型可应用于医学图像分析、自动驾驶、无人机等领域。     

多尺度融合增强的图像语义分割算法

针对现有的图像语义分割算法存在小尺度目标丢失和分割不连续的问题,提出多尺度融合增强的图像语义分割算法,该算法在DeeplabV3+网络模型的基础上,通过构建多尺度特征提取和融合增强网络提高了对小目标特征的描述能力,使网络在分割大目标的同时也能获得小目标的特征信息,从而解决了语义分割时小尺度目标丢失和分割不连续的问题。在Cityscapes数据集上实验的结果表明,改进后的算法明显提升了小目标分割精度,解决了分割不连续的问题。最后在公开数据集PASCAL VOC 2012上进一步验证了改进算法的泛化性。     

基于可变形卷积技术的街景图像语义分割算法

目前图像语义分割算法中可能会出现分割图像的不连续与细尺度目标丢失的缺陷,故提出可变形卷积融合增强图像的语义分割算法。算法集HRNet网络框架、Xception Module以及可变形的卷积于一体,用轻量级Xception Module优化HRNet原先存在的Bottleneck模块,同时在网络的第一阶段串联融合可变形卷积,通过建立轻量级融合加强网络从而增强针对细尺度目标特征物的辨识精度,从而使得该轻量级融合增强网络在粗尺度目标物被分割时取得相对多的细尺度目标的语义特征信息,进一步缓解语义分割图像的不连续与细尺度的目标丢失。使用Cityscapes数据集,实验结果可以说明,优化后的算法对于细尺度目标分割精度得到了显著的增强,同时解决了图像语义分割导致的分割不连续的问题。然后进行实验使用的是公开数据集PASCAL VOC 2012,实验进一步的验证了优化算法的鲁棒性以及泛化能力。     

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。     

改进ASPP及多层次特征语义融合分割方法

为解决图像语义分割中多尺度目标分割困难、类别边界预测不准确等问题，提出一种基于改进空洞空间金字塔池化的多层次特征语义融合分割方法。将深层次网络特征按通道分组，利用分组空洞空间金字塔池化模块捕获每个分组多尺度特征上下文信息；引入条状池化模块对上下文信息补充和完善，增强全局语义信息表达；根据语义引导融合模块建立不同层次特征像素间对应关系，将深层次语义信息以自底向上方式逐步融入到低层次高分辨率图像中。实验结果表明，该方法在PASCAL VOC 2012和Cityscapes公开数据集上分别获得73.1%、71.8%的平均交并比，且在相同精度下，该方法减少了39%的参数量。     

边界信息保持的全染色肾脏切片多粒度分割

目的 肾小球图像的准确分割对肾脏病理学的疾病诊断和定量分析起到关键作用,然而全染色肾脏切片图像存在由肾小球个体差异大导致的空间尺度和上下文形状变化大,以及图像分辨率过高的问题,给高精度、高性能分割任务带来挑战。为此,提出一种边界信息保持的全染色肾脏切片多粒度分割方法。方法 使用一种多粒度上下文的空间注意力机制生成多粒度和多形状变化的空间注意力图,以限制上下文特征,减弱背景对目标的影响,强化网络对目标的感知能力,使网络更多地关注小目标特征;将原图像切分为若干小图来解决全染色图像分辨率高的问题,使用增广路径边界补零策略处理卷积核存在的贡献偏移效应,解决了肾小球目标处于图像边界所导致的分割困难问题,保证图像块的信息无损失地向高层传递,提高处于图像块边界的肾小球目标的分割精度;进一步地,针对图像块拼接带来的边缘肾小球容易漏检、计算开销大的问题,采用特征复用的概率累积滑窗策略,同时提高了分割精度和效率。结果 在小鼠肾脏细胞切片和HuBMAP（human biomolecular atlas program）人体肾脏数据上,本文方法提高了分割精度,并使预测速度提高50%左右。结论 对于全染色肾脏切片的肾小球分割问题,多粒度上下文特征和增广路径边界补零策略解决了边界区域肾小球目标分割困难、分割精度低的问题,并通过概率累积滑窗策略提高分割速度,相较传统的分割方法有更优秀的性能。     

多特征融合与残差优化的点云语义分割方法

目的 当前的大场景3维点云语义分割方法一般是将大规模点云切成点云块再进行处理。然而在实际计算过程中,切割边界的几何特征容易被破坏,使得分割结果呈现明显的边界现象。因此,迫切需要以原始点云作为输入的高效深度学习网络模型,用于点云的语义分割。方法 为了解决该问题,提出基于多特征融合与残差优化的点云语义分割方法。网络通过一个多特征提取模块来提取每个点的几何结构特征以及语义特征,通过对特征的加权获取特征集合。在此基础上,引入注意力机制优化特征集合,构建特征聚合模块,聚合点云中最具辨别力的特征。最后在特征聚合模块中添加残差块,优化网络训练。最终网络的输出是每个点在数据集中各个类别的置信度。结果 本文提出的残差网络模型在S3DIS （Stanford Large-scale 3D Indoor Spaces Dataset）与户外场景点云分割数据集Semantic3D等2个数据集上与当前的主流算法进行了分割精度的对比。在S3DIS数据集中,本文算法在全局准确率以及平均准确率上均取得了较高精度,分别为87.2%,81.7%。在Semantic3D数据集上,本文算法在全局准确率和平均交并比上均取得了较高精度,分别为93.5%,74.0%,比GACNet （graph attention convolution network）分别高1.6%,3.2%。结论 实验结果验证了本文提出的残差优化网络在大规模点云语义分割的应用中,可以缓解深层次特征提取过程中梯度消失和网络过拟合现象并保持良好的分割性能。     

基于改进HRNet架构的图像语义分割算法应用研究

针对当前主流图像语义分割算法提取的特征图分辨率过低,上采样过程中有效语义信息损失过大,易丢失像素点和目标物体区域相关性的问题,提出了一种基于HRNet-OCR联合交叉注意力机制的图像语义分割算法。该法先采用HRNet替代ResNet作为特征提取骨干网络,保留特征提取过程中的高分辨率信息;然后融合OCR算法对图像进行初步的粗略分割,确定目标对象的大致区域;最后,引入交叉注意力机制模块对像素和对象区域的关联程度加权计算,实现像素的精准分类,保留分割区域的边缘细节。实验结果表明,与常见的分割算法FCN、PSPNet、DeepLabv3+等相比,所提算法在ADE20K、Cityscapes、PASCAL VOC 2012数据集上的mIoU分别提升5.37%、3.09%和2.71%,且可以有效保留细节信息,大幅度改善分割精度。     

融合注意力机制的对抗式半监督语义分割

图像语义分割任务是计算机视觉领域重要研究课题之一。当前基于全卷积神经网络的语义分割算法存在像素之间缺乏关联性、卷积核感受野小于理论值、人工标记数据集标签成本大等问题。为了解决上述问题,提出了一种融合注意力机制的对抗式半监督语义分割模型。将生成对抗网络应用到图像语义分割中,增强像素点之间的关联性;提出模型在生成网络中加入自注意力模块和多核池化模块以对长距离语义信息进行融合,扩大了卷积核感受野;在PASCAL VOC2012增强数据集和Cityscapes数据集上进行了大量实验,实验结果证明了该方法在图像语义分割任务中的有效性和可靠性。     

多尺度条形池化与通道注意力的图像语义分割

目的 针对自然场景下图像语义分割易受物体自身形状多样性、距离和光照等因素影响的问题,本文提出一种新的基于条形池化与通道注意力机制的双分支语义分割网络(strip pooling and channel attention net, SPCANet)。方法 SPCANet从空间与内容两方面对图像特征进行抽取。首先,空间感知子网引入1维膨胀卷积与多尺度思想对条形池化技术进行优化改进,进一步在编码阶段增大水平与竖直方向上的感受野;其次,为了提升模型的内容感知能力,将在ImageNet数据集上预训练好的VGG16(Visual Geometry Group 16-layer network)作为内容感知子网,以辅助空间感知子网优化语义分割的嵌入特征,改善空间感知子网造成的图像细节信息缺失问题。此外,使用二阶通道注意力进一步优化网络中间层与高层的特征选择,并在一定程度上缓解光照产生的色差对分割结果的影响。结果 使用Cityscapes作为实验数据,将本文方法与其他基于深度神经网络的分割方法进行对比,并从可视化效果和评测指标两方面进行分析。SPCANet在目标分割指标mIoU(mean inter...     

基于深度特征融合的图像语义分割

在图像语义分割中使用卷积网络进行特征提取时,由于最大池化和下采样操作的重复组合引起了特征分辨率降低,从而导致上下文信息丢失,使得分割结果失去对目标位置的敏感性。虽然基于编码器-解码器架构的网络通过跳跃连接在恢复分辨率的过程中逐渐细化了输出精度,但其将相邻特征简单求和的操作忽略了特征之间的差异性,容易导致目标局部误识别等问题。为此,文中提出了基于深度特征融合的图像语义分割方法。该方法采用多组全卷积VGG16模型并联组合的网络结构,结合空洞卷积并行高效地处理金字塔中的多尺度图像,提取了多个层级的上下文特征,并通过自顶向下的方法逐层融合,最大限度地捕获上下文信息;同时,以改进损失函数而得到的逐层标签监督策略为辅助支撑,联合后端像素建模的全连接条件随机场,无论是在模型训练的难易程度还是预测输出的精度方面都有一定的优化。实验数据表明,通过对表征不同尺度上下文信息的各层深度特征进行逐层融合,图像语义分割算法在目标对象的分类和空间细节的定位方面都有所提升。在PASCAL VOC 2012和PASCAL CONTEXT两个数据集上获得的实验结果显示,所提方法分别取得了80.5%和45.93%的mIoU准确率。实验数据充分说明,并联框架中的深度特征提取、特征逐层融合和逐层标签监督策略能够联合优化算法架构。特征对比表明,该模型能够捕获丰富的上下文信息,得到更加精细的图像语义特征,较同类方法具有明显的优势。     

显著性引导的目标互补隐藏弱监督语义分割

目的 图像级弱监督语义分割方法利用类别标签训练分割网络,可显著降低标注成本。现有方法大多采用类激活图定位目标物体,然而传统类激活图只能挖掘出物体中最具辨识性的区域,直接将其作为伪标签训练的分割网络精度较差。本文提出一种显著性引导的弱监督语义分割算法,可在获取更完整类激活图的基础上提高分割模型的性能。方法 首先通过显著图对目标进行互补随机隐藏,以获得互补图像对,然后融合互补图像对的类激活图作为监督,提高网络获取完整类激活图的能力。其次引入双重注意力修正模块,利用全局信息修正类激活图并生成伪标签训练分割网络。最后使用标签迭代精调策略,结合分割网络的初始预测、类激活图以及显著图生成更精确的伪标签,迭代训练分割网络。结果 在PASCAL VOC 2012(pattern analysis,statistical modeling and computational learning visual object classes 2012)数据集上进行类激活图生成实验与语义分割实验,所生成的类激活图更加完整,平均交并比有10.21%的提升。语义分割结果均优于对比方法,平均交并比提升6.9%。此外在...     

融合多尺度上下文信息的实例分割

目的 实例分割通过像素级实例掩膜对图像中不同目标进行分类和定位。然而不同目标在图像中往往存在尺度差异,目标多尺度变化容易错检和漏检,导致实例分割精度提高受限。现有方法主要通过特征金字塔网络(feature pyramid network,FPN)提取多尺度信息,但是FPN采用插值和元素相加进行邻层特征融合的方式未能充分挖掘不同尺度特征的语义信息。因此,本文在Mask R-CNN(mask region-based convolutional neural network)的基础上,提出注意力引导的特征金字塔网络,并充分融合多尺度上下文信息进行实例分割。方法 首先,设计邻层特征自适应融合模块优化FPN邻层特征融合,通过内容感知重组对特征上采样,并在融合相邻特征前引入通道注意力机制对通道加权增强语义一致性,缓解邻层不同尺度目标间的语义混叠;其次,利用多尺度通道注意力设计注意力特征融合模块和全局上下文模块,对感兴趣区域(region of interest,RoI)特征和多尺度上下文信息进行融合,增强分类回归和掩膜预测分支的多尺度特征表示,进而提高对不同尺度目标的掩膜预测质量。结果 在MS ...     

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.     

基于可分离金字塔的轻量级实时语义分割算法

针对现有语义分割算法参数量过多、内存占用巨大导致其很难满足自动驾驶需要等现实应用的问题,提出一种基于可分离金字塔模块（SPM）的新颖、有效且轻量的实时语义分割算法。首先,利用特征金字塔形式的分解卷积和扩张卷积来构建瓶颈结构,从而以一种简单但有效的方式提取局部和上下文信息;然后,提出基于计算机视觉注意力的上下文通道注意力（CCA）模块,来利用深层语义修改浅层特征图通道权重优化分割效果。实验结果显示：所提出的算法在Cityscapes测试集上以每秒91帧的速度达到了71.86%的平均交并比（mIoU）。相较高效残差分解卷积网络（ERFNet）,所提算法mIoU提高了3.86个百分点,处理速度是其2.2倍;与最新的非局部高效实时算法（LRNNet）相比,所提算法mIoU略低0.34个百分点,但处理速度每秒上升了20帧。实验结果表明,所提算法有助于完成如自动驾驶中要求的高效、准确的街道场景图像分割任务。     

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...     

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。