高分辨率极化SAR图像水平集分割

目的 传统的极化SAR图像分割方法中,由于采用的统计分布模型不能较好地描述高分辨率的图像纹理特征,导致高分辨率极化SAR图像分割效果较差。针对这个问题,本文将具有广泛适用性的KummerU分布嵌入到水平集极化SAR图像分割方法中,提出了一种新的极化SAR图像分割算法。方法 将KummerU分布作为高分辨率极化SAR图像的统计模型,定义一种适用于极化SAR图像分割的能量泛函;利用最大似然法对各个区域的KummerU分布进行参数估计,并通过数值偏微分方程的方法求解水平集函数,实现极化SAR图像的区域分割。结果 分别对仿真全极化数据,真实全极化数据进行分割实验,结果表明本文提出的方法其分割精度高于传统方法,分割精度高于95%,从而验证了新方法的有效性。结论 本文算法能够对各向同质区和各向异质区的极化SAR图像都能取得良好的分割效果,并适应于多种场景,有效地分割出背景和目标。     

全卷积神经网络下的多光谱遥感影像分割

目的 传统的遥感影像分割方法需要大量人工参与特征选取以及参数选择,同时浅层的机器学习算法无法取得高精度的分割结果。因此,利用卷积神经网络能够自动学习特征的特性,借鉴处理自然图像语义分割的优秀网络结构,针对遥感数据集的特点提出新的基于全卷积神经网络的遥感影像分割方法。方法 针对遥感影像中目标排列紧凑、尺寸变化大的特点,提出基于金字塔池化和DUC（dense upsampling convolution）结构的全卷积神经网络。该网络结构使用改进的DenseNet作为基础网络提取影像特征,使用空间金字塔池化结构获取上下文信息,使用DUC结构进行上采样以恢复细节信息。在数据处理阶段,结合遥感知识将波段融合生成多源数据,生成植被指数和归一化水指数,增加特征。针对遥感影像尺寸较大、采用普通预测方法会出现拼接痕迹的问题,提出基于集成学习的滑动步长预测方法,对每个像素预测14次,每次预测像素都位于不同图像块的不同位置,对多次预测得到的结果进行投票。在预测结束后,使用全连接条件随机场（CRFs）对预测结果进行后处理,细化地物边界,优化分割结果。结果 结合遥感知识将波段融合生成多源数据可使分割精度提高3.19%;采用基于集成学习的滑动步长预测方法可使分割精度较不使用该方法时提高1.44%;使用全连接CRFs对预测结果进行后处理可使分割精度提高1.03%。结论 针对宁夏特殊地形的遥感影像语义分割问题,提出基于全卷积神经网络的新的网络结构,在此基础上采用集成学习的滑动步长预测方法,使用全连接条件随机场进行影像后处理可优化分割结果,提高遥感影像语义分割精度。     

ProMIS:概率图采样图像增广驱动的弱监督物体检测方法

目的 弱监督物体检测是一种仅利用图像类别标签训练物体检测器的技术。近年来弱监督物体检测器的精度不断提高,但在如何提升检出物体的完整性、如何从多个同类物体中区分出单一个体的问题上仍面临极大挑战。围绕上述问题,提出了基于物体布局后验概率图进行多物体图像增广的弱监督物体检测方法ProMIS（probability-based multi-object image synthesis）。方法 将检出物体存储到物体候选池,并将候选池中的物体插入到输入图像中,构造带有伪边界框标注的增广图像,进而利用增广后的图像训练弱监督物体检测器。该方法包含图像增广与弱监督物体检测两个相互作用的模块。图像增广模块将候选池中的物体插入一幅输入图像,该过程通过后验概率的估计与采样对插入物体的类别、位置和尺度进行约束,以保证增广图像的合理性;弱监督物体检测模块利用增广后的多物体图像、对应的类别标签、物体伪边界框标签训练物体检测器,并将原始输入图像上检到的高置信度物体储存到物体候选池中。训练过程中,为了避免过拟合,本文在基线算法的基础上增加一个并行的检测分支,即基于增广边界框的检测分支,该分支利用增广得到的伪边界框标注进行训练,原有基线算法的检测分支仍使用图像标签进行训练。测试时,本文方法仅使用基于增广边界框的检测分支产生检测结果。本文提出的增广策略和检测器的分支结构在不同弱监督物体检测器上均适用。结果 在Pascal VOC（pattern analysis, statistical modeling and computational learning visual object classes）2007和Pascal VOC 2012数据集上,将该方法嵌入到多种现有的弱监督物体检测器中,平均精度均值（mean average precision,mAP）平均获得了2.9%和4.2%的提升。结论 本文证明了采用弱监督物体检测伪边界框标签生成的增广图像包含丰富信息,能够辅助弱监督检测器学习物体部件、整体以及多物体簇之间的区别。     

融合分割先验的多图像目标语义分割

目的 在序列图像或多视角图像的目标分割中，传统的协同分割算法对复杂的多图像分割鲁棒性不强，而现有的深度学习算法在前景和背景存在较大歧义时容易导致目标分割错误和分割不一致。为此，提出一种基于深度特征的融合分割先验的多图像分割算法。方法 首先，为了使模型更好地学习复杂场景下多视角图像的细节特征，通过融合浅层网络高分辨率的细节特征来改进PSPNet-50网络模型，减小随着网络的加深导致空间信息的丢失对分割边缘细节的影响。然后通过交互分割算法获取一至两幅图像的分割先验，将少量分割先验融合到新的模型中，通过网络的再学习来解决前景/背景的分割歧义以及多图像的分割一致性。最后通过构建全连接条件随机场模型，将深度卷积神经网络的识别能力和全连接条件随机场优化的定位精度耦合在一起，更好地处理边界定位问题。结果 本文采用公共数据集的多图像集进行了分割测试。实验结果表明本文算法不但可以更好地分割出经过大量数据预训练过的目标类，而且对于没有预训练过的目标类，也能有效避免歧义的区域分割。本文算法不论是对前景与背景区别明显的较简单图像集，还是对前景与背景颜色相似的较复杂图像集，平均像素准确度（PA）和交并比（IOU）均大于95%。结论 本文算法对各种场景的多图像分割都具有较强的鲁棒性，同时通过融入少量先验，使模型更有效地区分目标与背景，获得了分割目标的一致性。     

Seg-CapNet：心脏MRI图像分割神经网络模型

目的 针对现有神经网络模型需要对左心室心肌内膜和外膜单独建模的问题,本文提出了一种基于胶囊结构的心脏磁共振图像（magnetic resonance imaging,MRI）分割模型Seg-CapNet,旨在同时提取心肌内膜和外膜,并保证两者的空间位置关系。方法 首先利用胶囊网络将待分割目标转换成包含目标相对位置、颜色以及大小等信息的向量,然后使用全连接将这些向量的空间关系进行重组,最后采用反卷积对特征图进行上采样,将分割图还原为输入图像尺寸。在上采样过程中将每层特征图与卷积层的特征图进行连接,有助于图像细节还原以及模型的反向传播,加快训练过程。Seg-CapNet的输出向量不仅有图像的灰度、纹理等底层图像特征,还包含目标的位置、大小等语义特征,有效提升了目标图像的分割精度。为了进一步提高分割质量,还提出了一种新的损失函数用于约束分割结果以保持多目标区域间的相对位置关系。结果 在ACDC（automated cardiac diagnosis challenge）2017、MICCAI（medical image computing and computer-assisted intervention）2013和MICCAI2009等3个心脏MRI分割竞赛的公开数据集上对Seg-CapNet模型进行训练和验证,并与神经网络分割模型U-net和SegNet进行对比。实验结果表明,相对于U-Net和SegNet,Seg-CapNet同时分割目标重叠区域的平均Dice系数提升了3.5%,平均豪斯多夫距离（Hausdorff distance,HD）降低了18%。并且Seg-CapNet的参数量仅为U-Net的54%、SegNet的40%,在提升分割精度的同时,降低了训练时间和复杂度。结论 本文提出的Seg-CapNet模型在保证同时分割重叠区域目标的同时,降低了参数量,提升了训练速度,并保持了较好的左心室心肌内膜和外膜分割精度。     

综合边界和纹理信息的合成孔径雷达图像目标分割

目的 针对传统Grab Cut算法需要人工交互操作,无法实现合成孔径雷达（SAR）图像的自动分割,且方式单一（仅利用边界或纹理信息中的一种）的问题,提出一种综合利用边界和纹理信息的改进Grab Cut算法,实现对SAR图像目标的自动分割。方法 首先将其他格式的彩色或灰度SAR图像转化为24 bit的位图,采用图形理论对整幅SAR图像建模,根据最大流算法找到描述图的能量函数最小的割集,从而分割出目标区域;然后采用中值滤波抑制相干噪声;最后通过邻域生长算法滤除图像斑点和小目标的干扰,从而达到目标边界的连接,实现自动对SAR图像中的目标进行分割。结果 在64位Window 7环境下采用MATLAB R2014处理平台,对楼房、车库、大树、汽车群等4幅分辨率不同的SAR图像进行目标分割实验,特征目标被自动分割出来,耗时分别为1.69 s、1.58 s、1.84 s和3.09 s,相比Mean-shift和Otsu算法,平均计算效率分别提升150%和3%,并且图像中的背景杂波、目标阴影和干扰小目标均被有效去除。结论 综合利用边界和纹理信息能够有效抑制相干噪声,去除图像斑点和小目标的干扰,从而达到目标边界的连接,实现对SAR图像目标的自动分割。实验结果表明,本文算法可以满足工程化应用要求,自适应性强,分割精度高,且具有较好的鲁棒性。     

字典学习和稀疏表示的海马子区图像分割

目的 海马子区体积极小且结构复杂,现有多图谱的分割方法难以取得理想的分割结果,为此提出一种字典学习和稀疏表示的海马子区分割方法。方法 该方法为目标图像中的每个体素点建立稀疏表示和字典学习模型以获取该点的标记。其中,字典学习模型由图谱灰度图像中的图像块构建。提出利用图谱标记图像的局部二值模式(LBP)特征增强训练字典的判别性;然后求解目标图像块在训练字典中的稀疏表示以确定该点标记;最后依据图谱的先验知识纠正分割结果中的错误标记。结果 与现有典型的多图谱方法进行定性和定量对比,该方法优于现有典型的多图谱分割方法,对较大海马子区的平均分割准确率可达到0.890。结论 本文方法适用于在大脑核磁共振图像中精确分割海马子区,且具有较强的鲁棒性,可为神经退行性疾病的诊断提供可靠的依据。     

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。     

融合T节点线索的图像物体分割

目的 图像分割是计算机视觉、数字图像处理等应用领域首要解决的关键问题。针对现有的单幅图像物体分割算法广泛存在的过分割和过合并现象,提出基于图像T型节点线索的图像物体分割算法。方法 首先,利用L0梯度最小化方法平滑目标图像,剔除细小纹理的干扰;其次,基于Graph-based分割算法对平滑后图像进行适度分割,得到粗糙分割结果;最后,借助于图像中广泛存在的T型节点线索对初始分割块进行区域合并得到最终优化分割结果。结果 将本文算法分别与Grabcut算法及Graph-based算法在不同场景类型下进行了实验与对比。实验结果显示,Grabcut算法需要人工定位边界且一次只能分割单个物体,Graph-based算法综合类内相似度和类间差异性,可以有效保持图像边界,但无法有效控制分割块数量,且分割结果对阈值参数过分依赖,极易导致过分割和过合并现象。本文方法在降低过分割和过合并现象、边界定位精确性和分割准确率方面获得明显改进,几组不同类型的图片分割准确率平均值达到91.16%,明显由于其他算法。处理图像尺寸800×600像素的图像平均耗时3.5 s,较之其他算法略有增加。结论 与各种算法对比结果表明,该算法可有效解决过分割和过合并问题,对比实验结果验证了该方法的有效性,能够取得具有一定语义的图像物体分割结果。     

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。