注意力迁移的联合平衡领域自适应

目的 现有的图像识别方法应用于从同一分布中提取的训练数据和测试数据时具有良好性能,但这些方法在实际场景中并不适用,从而导致识别精度降低。使用领域自适应方法是解决此类问题的有效途径,领域自适应方法旨在解决来自两个领域相关但分布不同的数据问题。方法 通过对数据分布的分析,提出一种基于注意力迁移的联合平衡自适应方法,将源域有标签数据中提取的图像特征迁移至无标签的目标域。首先,使用注意力迁移机制将有标签源域数据的空间类别信息迁移至无标签的目标域。通过定义卷积神经网络的注意力,使用关注信息来提高图像识别精度。其次,基于目标数据集引入网络参数的先验分布,并且赋予网络自动调整每个领域对齐层特征对齐的能力。最后,通过跨域偏差来描述特定领域的特征对齐层的输入分布,定量地表示每层学习到的领域适应性程度。结果 该方法在数据集Office-31上平均识别准确率为77.6%,在数据集Office-Caltech上平均识别准确率为90.7%,不仅大幅领先于传统手工特征方法,而且取得了与目前最优的方法相当的识别性能。结论 注意力迁移的联合平衡领域自适应方法不仅可以获得较高的识别精度,而且能够自动学习领域间特征的对齐程度,同时也验证了进行域间特征迁移可以提高网络优化效果这一结论。     

遥感图像飞机目标分类的卷积神经网络方法

目的 遥感图像飞机目标分类,利用可见光遥感图像对飞机类型进行有效区分,对提供军事作战信息有重要意义。针对该问题,目前存在一些传统机器学习方法,但这些方法需人工提取特征,且难以适应真实遥感图像的复杂背景。近年来,深度卷积神经网络方法兴起,网络能自动学习图像特征且泛化能力强,在计算机视觉各领域应用广泛。但深度卷积神经网络在遥感图像飞机分类问题上应用少见。本文旨在将深度卷积神经网络应用于遥感图像飞机目标分类问题。方法 在缺乏公开数据集的情况下,收集了真实可见光遥感图像中的8种飞机数据,按大致4∶1的比例分为训练集和测试集,并对训练集进行合理扩充。然后针对遥感图像与飞机分类的特殊性,结合深度学习卷积神经网络相关理论,有的放矢地设计了一个5层卷积神经网络。结果 首先,在逐步扩充的训练集上分别训练该卷积神经网络,并分别用同一测试集进行测试,实验表明训练集扩充有利于网络训练,测试准确率从72.4%提升至97.2%。在扩充后训练集上,分别对经典传统机器学习方法、经典卷积神经网络LeNet-5和本文设计的卷积神经网络进行训练,并在同一测试集上测试,实验表明该卷积神经网络的分类准确率高于其他两种方法,最终能在测试集上达到97.2%的准确率,其余两者准确率分别为82.3%、88.7%。结论 在少见使用深度卷积神经网络的遥感图像飞机目标分类问题上,本文设计了一个5层卷积神经网络加以应用。实验结果表明,该网络能适应图像场景,自动学习特征,分类效果良好。     

域自适应城市场景语义分割

目的 域自适应分割网（AdaptSegNet）在城市场景语义分割中可获得较好的效果,但是该方法直接采用存在较大域差异（domain gap）的源域数据集GTA（grand theft auto）5与目标域数据集Cityscapes进行对抗训练,并且在网络的不同特征层间的对抗学习中使用固定的学习率,所以分割精度仍有待提高。针对上述问题,提出了一种新的域自适应的城市场景语义分割方法。方法 采用SG-GAN（semantic-aware grad-generative adversarial network（GAN））方法对虚拟数据集GTA5进行预处理,生成新的数据集SG-GTA5,其在灰度、结构以及边缘等信息上都更加接近现实场景Cityscapes,并用新生成的数据集代替原来的GTA5数据集作为网络的输入。针对AdaptSegNet加入的固定学习率问题,在网络的不同特征层引入自适应的学习率进行对抗学习,通过该学习率自适应地调整不同特征层的损失值,达到动态更新网络参数的目标。同时,在对抗网络的判别器中增加一层卷积层,以增强网络的判别能力。结果 在真实场景数据集Cityscapes上进行验证,并与相关的域自适应分割模型进行对比,结果表明：提出的网络模型能更好地分割出城市交通场景中较复杂的物体,对于sidewalk、wall、pole、car、sky的平均交并比（mean intersection over union, mIoU）分别提高了9.6%、5.9%、4.9%、5.5%、4.8%。结论 提出方法降低了源域和目标域数据集之间的域差异,减少了训练过程中的对抗损失值,规避了网络在反向传播训练过程中出现的梯度爆炸问题,从而有效地提高了网络模型的分割精度;同时提出基于该自适应的学习率进一步提升模型的分割性能;在模型的判别器网络中新添加一个卷积层,能学习到图像的更多高层语义信息,有效地缓解了类漂移的问题。     

关联子域对齐网络的跨域高光谱图像分类

目的 近年来,深度网络成功应用于高光谱图像分类。然而,难以获取充足的标记数据大大限制了深度网络的充分训练,进而导致网络对高光谱图像的分类能力下降。为解决以上困难,提出一种关联子域对齐网络的高光谱图像迁移分类方法。方法 基于深度迁移学习方法,通过对两域分布进行多角度、全面领域适应的同时将两域分类器进行差异适配。一方面,利用关联对齐从整体上对齐了两域的二阶统计量信息,适配了两域的全局分布;另一方面,利用局部最大均值差异对齐了相关子域的一阶统计量信息,适配了两域的局部分布。另外,构造一种分类器适配模块并将其加入所提网络中,通过对两域分类器差异进行适配,进一步增强网络的领域适应效果。结果 从4组真实高光谱数据集上的实验结果可看出：在分别采集于不同区域的高光谱图像数据对上,所提方法的精度比排名第2的分类方法高出1.01%、0.42%、0.73%和0.64%。本文方法的Kappa系数也取得最优结果。结论 与现有主流算法相比较,所提网络能够在整体和局部、一阶和二阶统计量上分别对两域进行有效对齐,进而充分利用在源域上训练好的分类器完成对目标域高光谱数据的跨域分类。     

多源域混淆的双流深度迁移学习

目的 针对深度学习严重依赖大样本的问题,提出多源域混淆的双流深度迁移学习方法,提升了传统深度迁移学习中迁移特征的适用性。方法 采用多源域的迁移策略,增大源域对目标域迁移特征的覆盖率。提出两阶段适配学习的方法,获得域不变的深层特征表示和域间分类器相似的识别结果,将自然光图像2维特征和深度图像3维特征进行融合,提高小样本数据特征维度的同时抑制了复杂背景对目标识别的干扰。此外,为改善小样本机器学习中分类器的识别性能,在传统的softmax损失中引入中心损失,增强分类损失函数的惩罚监督能力。结果 在公开的少量手势样本数据集上进行对比实验,结果表明,相对于传统的识别模型和迁移模型,基于本文模型进行识别准确率更高,在以DenseNet-169为预训练网络的模型中,识别率达到了97.17%。结论 利用多源域数据集、两阶段适配学习、双流卷积融合以及复合损失函数,构建了多源域混淆的双流深度迁移学习模型。所提模型可增大源域和目标域的数据分布匹配率、丰富目标样本特征维度、提升损失函数的监督性能,改进任意小样本场景迁移特征的适用性。     

对抗学习遥感图像场景识别

目的 在高分辨率遥感图像场景识别问题中,经典的监督机器学习算法大多需要充足的标记样本训练模型,而获取遥感图像的标注费时费力。为解决遥感图像场景识别中标记样本缺乏且不同数据集无法共享标记样本问题,提出一种结合对抗学习与变分自动编码机的迁移学习网络。方法 利用变分自动编码机（variational auto-encoders,VAE）在源域数据集上进行训练,分别获得编码器和分类器网络参数,并用源域编码器网络参数初始化目标域编码器。采用对抗学习的思想,引入判别网络,交替训练并更新目标域编码器与判别网络参数,使目标域与源域编码器提取的特征尽量相似,从而实现遥感图像源域到目标域的特征迁移。结果 利用两个遥感场景识别数据集进行实验,验证特征迁移算法的有效性,同时尝试利用SUN397自然场景数据集与遥感场景间的迁移识别,采用相关性对齐以及均衡分布适应两种迁移学习方法作为对比。两组遥感场景数据集间的实验中,相比于仅利用源域样本训练的网络,经过迁移学习后的网络场景识别精度提升约10%,利用少量目标域标记样本后提升更为明显;与对照实验结果相比,利用少量目标域标记样本时提出方法的识别精度提升均在3%之上,仅利用源域标记样本时提出方法场景识别精度提升了10%~40%;利用自然场景数据集时,方法仍能在一定程度上提升场景识别精度。结论 本文提出的对抗迁移学习网络可以在目标域样本缺乏的条件下,充分利用其他数据集中的样本信息,实现不同场景图像数据集间的特征迁移及场景识别,有效提升遥感图像的场景识别精度。     

领域自适应研究综述

经典机器学习算法假设训练数据和测试数据具有相同的输入特征空间和数据分布,但在很多现实应用中这一假设通常并不成立,导致经典机器学习算法失效。领域自适应是一种新的机器学习策略,其关键技术在于通过学习新的特征表达来对齐源域和目标域的数据分布,使得在有标签源域中训练的模型可以直接迁移到没有标签的目标域上,且不会引起模型性能的明显下降。介绍领域自适应的定义、分类和代表性算法,讨论基于度量学习和基于对抗学习的两类领域自适应算法。在此基础上,分析领域自适应的典型应用和现存挑战,并对其发展趋势及未来研究方向进行展望。     

自适应增强卷积神经网络图像识别

目的 为了进一步提高卷积神经网络的收敛性能和识别精度,增强泛化能力,提出一种自适应增强卷积神经网络图像识别算法。方法 构建自适应增强模型,分析卷积神经网络分类识别过程中误差产生的原因和误差反馈模式,针对分类误差进行有目的地训练,实现分类特征基于迭代次数和识别结果的自适应增强以及卷积神经网络权值的优化调整。自适应增强卷积神经网络与多种算法在收敛速度和识别精度等性能上进行对比,并在多种数据集上检测自适应卷积神经网络的泛化能力。结果 通过对比实验可知,自适应增强卷积神经网络算法可以在很大程度上优化收敛效果,提高收敛速度和识别精度,收敛时在手写数字数据集上的误识率可降低20.93%,在手写字母和高光谱图像数据集上的误识率可降低11.82%和15.12%;与不同卷积神经网络优化算法对比,误识率比动态自适应池化算法和双重优化算法最多可降低58.29%和43.50%;基于不同梯度算法的优化,误识率最多可降低33.11%;与不同的图像识别算法对比,识别率也有较大程度提高。结论 实验结果表明,自适应增强卷积神经网络算法可以实现分类特征的自适应增强,对收敛性能和识别精度有较大的提高,对多种数据集有较强的泛化能力。这种自适应增强模型可以进一步推广到其他与卷积神经网络相关的深度学习算法中。     

自监督深度残差函数映射网络的3维模型对应关系计算

目的 针对传统非刚性3维模型的对应关系计算方法需要模型间真实对应关系监督的缺点,提出一种自监督深度残差函数映射网络（self-supervised deep residual functional maps network,SSDRFMN）。方法 首先将局部坐标系与直方图结合以计算3维模型的特征描述符,即方向直方图签名（signature of histograms of orientations,SHOT）描述符;其次将源模型与目标模型的SHOT描述符输入SSDRFMN,利用深度函数映射（deep functional maps,DFM）层计算两个模型间的函数映射矩阵,并通过模糊对应层将函数映射关系转换为点到点的对应关系;最后利用自监督损失函数计算模型间的测地距离误差,对计算出的对应关系进行评估。结果 实验结果表明,在MPI-FAUST数据集上,本文算法相比于有监督的深度函数映射（supervised deep functional maps,SDFM）算法,人体模型对应关系的测地误差减小了1.45;相比于频谱上采样（spectral upsampling,SU）算法减小了1.67。在TOSCA数据集上,本文算法相比于SDFM算法,狗、猫和狼等模型的对应关系的测地误差分别减小了3.13、0.98和1.89;相比于SU算法分别减小了2.81、2.22和1.11,并有效克服了已有深度函数映射方法需要模型间的真实对应关系来监督的缺点,使得该方法可以适用于不同的数据集,可扩展性大幅增强。结论 本文通过自监督深度残差函数映射网络训练模型的方向直方图签名描述符,提升了模型对应关系的准确率。本文方法可以适应于不同的数据集,相比传统方法,普适性较好。     

对抗一致性约束的无监督域自适应绝缘子检测

目的 绝缘子检测是输电线路智能巡维工作的重要组成部分,然而大多数情况仅能获得单一类型的绝缘子样本。将单一类型的绝缘子样本训练得到的模型直接用于其他类型的绝缘子检测,会由于训练数据与目标数据之间存在的域偏移导致其检测性能急剧下降。因此,提高模型的泛化能力以保持良好的检测性能显得尤为必要。为此,提出一种新颖的对抗一致性约束的无监督域自适应绝缘子检测算法。方法 对源域样本与目标域样本分别设计了两个不同的分类器,并将网络的预测结果与对应的绝缘子进行类别约束,使模型能够提取到不同类型绝缘子独有的特征。此外,在对抗学习过程中引入一个额外的分类器用于将源域中绝缘子特征与从目标域中预测到的目标物特征分到同一类别下,从而使模型能提取不同类型绝缘子共有的鲁棒性特征。结果 实验表明本文方法显著提高了模型的跨域检测性能。在glass→composite和composite→glass任务上的平均精度均值(mean average precision, mAP)分别达到55.1%和23.4%,优于主流的无监督域自适应目标检测方法。在公开数据集COCO(common objects in context)上的实验结果也较为优异,平均精度均值(mean average precision,mAP)达到61.5%。消融实验中,在glass→composite和composite→glass任务上,本文方法在基准性能上分别提升了11.5%和6.4%,表明了所提方法的有效性。结论 本文方法减少了不同类型绝缘子间的差异带来的域偏移,提升了模型在跨域绝缘子检测任务中的泛化能力,提高了输电线路巡维工作的绝缘子检测效率。同时,在COCO数据集上的普适性实验表明本文方法同样适用于其他不同类物体的检测并且性能优异。     

基于多尺度特征多对抗网络的雾天图像识别

目的 当前的大型数据集,例如ImageNet,以及一些主流的网络模型,如ResNet等能直接高效地应用于正常场景的分类,但在雾天场景下则会出现较大的精度损失。雾天场景复杂多样,大量标注雾天数据成本过高,在现有条件下,高效地利用大量已有场景的标注数据和网络模型完成雾天场景下的分类识别任务至关重要。方法 本文使用了一种低成本的数据增强方法,有效减小图像在像素域上的差异。基于特征多样性和特征对抗的思想,提出多尺度特征多对抗网络,通过提取数据的多尺度特征,增强特征在特征域分布的代表性,利用对抗机制,在多个特征上减少特征域上的分布差异。通过缩小像素域和特征域分布差异,进一步减小领域偏移,提升雾天场景的分类识别精度。结果 在真实的多样性雾天场景数据上,通过消融实验,使用像素域数据增强方法后,带有标签的清晰图像数据在风格上更趋向于带雾图像,总的分类精度提升了8.2%,相比其他的数据增强方法,至少提升了6.3%,同时在特征域上使用多尺度特征多对抗网络,相比其他的网络,准确率至少提升了8.0%。结论 像素域数据增强以及多尺度特征多对抗网络结合的雾天图像识别方法,综合考虑了像素域和特征域的领域分布差异,结合了多尺度的丰富特征信息,同时使用多对抗来缩小雾天数据的领域偏移,在真实多样性雾天数据集上获得了更好的图像分类识别效果。     

Deep Domain-Adversarial Anomaly Detection With One-Class Transfer Learning

Despite the big success of transfer learning techniques in anomaly detection, it is still challenging to achieve good transition of detection rules merely based on the preferred data in the anomaly detection with one-class classification, especially for the data with a large distribution difference. To address this challenge,a novel deep one-class transfer learning algorithm with domain-adversarial training is proposed in this paper. First, by integrating a hypersphere adaptation constraint into...     

基于小样本学习的SAR图像识别

深度学习已成为图像识别领域的一个研究热点。与传统图像识别方法不同,深度学习从大量数据中自动学习特征,并且具有强大的自学习能力和高效的特征表达能力。但在小样本条件下,传统的深度学习方法如卷积神经网络难以学习到有效的特征,造成图像识别的准确率较低。因此,提出一种新的小样本条件下的图像识别算法用于解决SAR图像的分类识别。该算法以卷积神经网络为基础,结合自编码器,形成深度卷积自编码网络结构。首先对图像进行预处理,使用2D Gabor滤波增强图像,在此基础上对模型进行训练,最后构建图像分类模型。该算法设计的网络结构能自动学习并提取小样本图像中的有效特征,进而提高识别准确率。在MSTAR数据集的10类目标分类中,选择训练集数据中10%的样本作为新的训练数据,其余数据为验证数据,并且,测试数据在卷积神经网络中的识别准确率为76.38%,而在提出的卷积自编码结构中的识别准确率达到了88.09%。实验结果表明,提出的算法在小样本图像识别中比卷积神经网络模型更加有效。     

糖尿病性视网膜图像的深度学习分类方法

目的 糖尿病性视网膜病变（DR）是目前比较严重的一种致盲眼病,因此,对糖尿病性视网膜病理图像的自动分类具有重要的临床应用价值。基于人工分类视网膜图像的方法存在判别性特征提取困难、分类性能差、耗时费力且很难得到客观统一的医疗诊断等问题,为此,提出一种基于卷积神经网络和分类器的视网膜病理图像自动分类系统。方法 首先,结合现有的视网膜图像的特点,对图像进行去噪、数据扩增、归一化等预处理操作;其次,在AlexNet网络的基础上,在网络的每一个卷积层和全连接层前引入一个批归一化层,得到一个网络层次更复杂的深度卷积神经网络BNnet。BNnet网络用于视网膜图像的特征提取网络,对其训练时采用迁移学习的策略利用ILSVRC2012数据集对BNnet网络进行预训练,再将训练得到的模型迁移到视网膜图像上再学习,提取用于视网膜分类的深度特征;最后,将提取的特征输入一个由全连接层组成的深度分类器将视网膜图像分为正常的视网膜图像、轻微病变的视网膜图像、中度病变的视网膜图像等5类。结果 实验结果表明,本文方法的分类准确率可达0.93,优于传统的直接训练方法,且具有较好的鲁棒性和泛化性。结论 本文提出的视网膜病理图像分类框架有效地避免了人工特征提取和图像分类的局限性,同时也解决了样本数据不足而导致的过拟合问题。     

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。     

噪声鲁棒的轻量级深度遥感场景图像分类检索

目的 基于深度神经网络的遥感图像处理方法在训练过程中往往需要大量准确标注的数据,一旦标注数据中存在标签噪声,将导致深度神经网络性能显著降低。为了解决噪声造成的性能下降问题,提出了一种噪声鲁棒的轻量级深度遥感场景图像分类检索方法,能够同时完成分类和哈希检索任务,有效提高深度神经网络在有标签噪声遥感数据上的分类和哈希检索性能。方法 选取轻量级神经网络作为骨干网,而后设计能够同时完成分类和哈希检索任务的双分支结构,最后通过设置损失基准的正则化方法,有效减轻模型对噪声的过拟合,得到噪声鲁棒的分类检索模型。结果 本文在两个公开遥感场景数据集上进行分类测试,并与8种方法进行比较。本文方法在AID（aerial image datasets）数据集上,所有噪声比例下的分类精度比次优方法平均高出7.8%,在NWPU-RESISC45（benchmark created by Northwestern Polytechnical University for remote sensing image scene classification covering 45 scene classes）数据集上,分类精度比次优方法平均高出8.1%。在效率方面,本文方法的推理速度比CLEOT（classification loss with entropic optimal transport）方法提升了2.8倍,而计算量和参数量均不超过CLEOT方法的5%。在遥感图像哈希检索任务中,在AID数据集上,本文方法的平均精度均值（mean average precision,mAP）在3种不同哈希比特下比MiLaN（metric-learning based deep hashing network）方法平均提高了5.9%。结论 本文方法可以同时完成遥感图像分类和哈希检索任务,在保持模型轻量高效的情况下,有效提升了深度神经网络在有标签噪声遥感数据上的鲁棒性。     

3D卷积自编码器高光谱图像分类模型

目的 高光谱图像分类是遥感领域的基础问题，高光谱图像同时包含丰富的光谱信息和空间信息，传统模型难以充分利用两种信息之间的关联性，而以卷积神经网络为主的有监督深度学习模型需要大量标注数据，但标注数据难度大且成本高。针对现有模型的不足，本文提出了一种无监督范式下的高光谱图像空谱融合方法，建立了3D卷积自编码器（3D convolutional auto-encoder，3D-CAE）高光谱图像分类模型。方法 3D卷积自编码器由编码器、解码器和分类器构成。将高光谱数据预处理后，输入到编码器中进行无监督特征提取，得到一组特征图。编码器的网络结构为3个卷积块构成的3D卷积神经网络，卷积块中加入批归一化技术防止过拟合。解码器为逆向的编码器，将提取到的特征图重构为原始数据，用均方误差函数作为损失函数判断重构误差并使用Adam算法进行参数优化。分类器由3层全连接层组成，用于判别编码器提取到的特征。以3D-CNN （three dimensional convolutional neural network）为自编码器的主干网络可以充分利用高光谱图像的空间信息和光谱信息，做到空谱融合。以端到端的方式对模型进行训练可以省去复杂的特征工程和数据预处理，模型的鲁棒性和稳定性更强。结果 在Indian Pines、Salinas、Pavia University和Botswana等4个数据集上与7种传统单特征方法及深度学习方法进行了比较，本文方法均取得最优结果，总体分类精度分别为0.948 7、0.986 6、0.986 2和0.964 9。对比实验结果表明了空谱融合和无监督学习对于高光谱遥感图像分类的有效性。结论 本文模型充分利用了高光谱图像的光谱特征和空间特征，可以做到无监督特征提取，无需大量标注数据的同时分类精度高，是一种有效的高光谱图像分类方法。