双重对偶生成对抗网络的跨年龄素描—照片转换

目的 跨年龄素描-照片转换旨在根据面部素描图像合成同一人物不同年龄阶段的面部照片图像。该任务在公共安全和数字娱乐等领域具有广泛的应用价值,然而由于配对样本难以收集和人脸老化机制复杂等原因,目前研究较少。针对此情况,提出一种基于双重对偶生成对抗网络（double dual generative adversarial networks,D-DualGANs）的跨年龄素描-照片转换方法。方法 该网络通过设置4个生成器和4个判别器,以对抗训练的方式,分别学习素描到照片、源年龄组到目标年龄组的正向及反向映射。使素描图像与照片图像的生成过程相结合,老化图像与退龄图像的生成过程相结合,分别实现图像风格属性和年龄属性上的对偶。并增加重构身份损失和完全重构损失以约束图像生成。最终使输入的来自不同年龄组的素描图像和照片图像,分别转换成对方年龄组下的照片和素描。结果 为香港中文大学面部素描数据集（Chinese University of Hong Kong（CUHK）face sketch database,CUFS）和香港中文大学面部素描人脸识别技术数据集（CUHK face sketch face recognition technology database,CUFSF）的图像制作对应的年龄标签,并依据标签将图像分成3个年龄组,共训练6个D-DualGANs模型以实现3个年龄组图像之间的两两转换。同非端到端的方法相比,本文方法生成图像的变形和噪声更小,且年龄平均绝对误差（mean absolute error,MAE）更低,与原图像相似度的投票对比表明1130素描与3150照片的转换效果最好。结论 双重对偶生成对抗网络可以同时转换输入图像的年龄和风格属性,且生成的图像有效保留了原图像的身份特征,有效解决了图像跨风格且跨年龄的转换问题。     

CGAN样本生成的遥感图像飞机识别

目的 基于深度学习的飞机目标识别方法在遥感图像解译领域取得了很大进步,但其泛化能力依赖于大规模数据集。条件生成对抗网络（conditional generative adversarial network,CGAN）可用于产生逼真的生成样本以扩充真实数据集,但对复杂遥感场景的建模能力有限,生成样本质量低。针对这些问题,提出了一种结合CGAN样本生成的飞机识别框架。方法 改进条件生成对抗网络,利用感知损失提高生成器对遥感图像的建模能力,提出了基于掩膜的结构相似性（structural similarity,SSIM）度量损失函数（masked-SSIM loss）以提高生成样本中飞机区域的图像质量,该损失函数与飞机的掩膜相结合以保证只作用于图像中的飞机区域而不影响背景区域。选取一个基于残差网络的识别模型,与改进后的生成模型结合,构成飞机识别框架,训练过程中利用生成样本代替真实的卫星图像,降低了对实际卫星数据规模的需求。结果 采用生成样本与真实样本训练的识别模型在真实样本上的进行实验,前者的准确率比后者低0.33%;对于生成模型,在加入感知损失后,生成样本的峰值信噪比（peak signal to noise ratio,PSNR）提高了0.79 dB,SSIM提高了0.094;在加入基于掩膜的结构相似性度量损失函数后,生成样本的PSNR提高了0.09 dB,SSIM提高了0.252。结论 本文提出的基于样本生成的飞机识别框架生成了质量更高的样本,这些样本可以替代真实样本对识别模型进行训练,有效地解决了飞机识别任务中的样本不足问题。     

融合通道位置注意力机制和并行空洞卷积的人脸年龄合成

目的 人脸年龄合成旨在合成指定年龄人脸图像的同时保持高可信度的人脸,是计算机视觉领域的热门研究方向之一。然而目前主流人脸年龄合成模型过于关注纹理信息,忽视了与人脸相关的多尺度特征,此外网络存在对身份信息筛选不佳的问题。针对以上问题,提出一种融合通道位置注意力机制和并行空洞卷积的人脸年龄合成网络（generative adversarial network（GAN）composed of the parallel dilated convolution and channel-coordinate attention mechanism,PDA-GAN）。方法 PDA-GAN基于生成对抗网络提出了并行三通道空洞卷积残差块和通道—位置注意力机制。并行三通道空洞卷积残差块将3种膨胀系数空洞卷积提取的不同尺度人脸特征融合,提升了特征尺度上的多样性和总量上的丰富度;通道—位置注意力机制通过对人脸特征的长度、宽度和深度显著性计算,定位图像中与年龄高度相关的通道和空间位置区域,增强了网络对通道和空间位置上敏感特征的表达能力,解决了特征冗余问题。结果 实验在Flickr高清人脸数据集（Flickr-faces-high-quality,FFHQ）上训练,在名人人脸属性高清数据集（large-scale celebfaces attributes dataset-high quality,Celeba-HQ）上测试,将本文提出的PDA-GAN与最新的3种人脸年龄图像合成网络进行定性和定量比较,以验证本文方法的有效性。实验结果表明,PDA-GAN显著提升了人脸年龄合成的身份置信度和年龄估计准确度,具有良好的身份信息保留和年龄操控能力。结论 本文方法能够合成具有较高真实度和准确性的目标年龄人脸图像。     

联合多任务学习的人脸超分辨率重建

目的 人脸超分辨率重建是特定应用领域的超分辨率问题,为了充分利用面部先验知识,提出一种基于多任务联合学习的深度人脸超分辨率重建算法。方法 首先使用残差学习和对称式跨层连接网络提取低分辨率人脸的多层次特征,根据不同任务的学习难易程度设置损失权重和损失阈值,对网络进行多属性联合学习训练。然后使用感知损失函数衡量HR（high-resolution）图像与SR（super-resolution）图像在语义层面的差距,并论证感知损失在提高人脸语义信息重建效果方面的有效性。最后对人脸属性数据集进行增强,在此基础上进行联合多任务学习,以获得视觉感知效果更加真实的超分辨率结果。结果 使用峰值信噪比（PSNR）和结构相似度（SSIM）两个客观评价标准对实验结果进行评价,并与其他主流方法进行对比。实验结果显示,在人脸属性数据集（CelebA）上,在放大8倍时,与通用超分辨率MemNet（persistent memory network）算法和人脸超分辨率FSRNet（end-to-end learning face super-resolution network）算法相比,本文算法的PSNR分别提升约2.15 dB和1.2 dB。结论 实验数据与效果图表明本文算法可以更好地利用人脸先验知识,产生在视觉感知上更加真实和清晰的人脸边缘和纹理细节。     

类别信息生成式对抗网络的单图超分辨重建

目的 基于生成式对抗网络的超分辨模型（SRGAN）以感知损失函数作为优化目标,有效解决了传统基于均方误差（MSE）的损失函数导致重建图像模糊的问题。但是SRGAN的感知损失函数中并未添加明确指示模型生成对应特征的标志性信息,使得其无法精准地将数据的具体维度与语义特征对应起来,受此局限性影响,模型对于生成图像的特征信息表示不足,导致重建结果特征不明显,给后续识别处理过程带来困难。针对上述问题,在SRGAN方法的基础上,提出一种类别信息生成式对抗网络的超分辨模型（class-info SRGAN）。方法 对SRGAN模型增设类别分类器,并将类别损失项添加至生成网络损失中,再利用反向传播训练更新网络参数权重,以达到为模型提供特征类别信息的目的,最终生成具有可识别特征的重建图像。创新及优势在于将特征类别信息引入损失函数,改进了超分辨模型的优化目标,使得重建结果的特征表示更加突出。结果 经CelebA数据集测试表明：添加性别分类器的class-info SRGAN的生成图像性别特征识别率整体偏高（58%97%）;添加眼镜分类器的class-info SRGAN的生成图像眼镜框架更加清晰。此外,模型在Fashion-mnist与Cifar-10数据集上的结果同样表明其相较于SRGAN的重建质量更佳。结论 实验结果验证了本方法在超分辨重建任务中的优势和有效性,同时结果显示：虽然class-info SRGAN更适用于具有简单、具体属性特征的图像,但总体而言仍是一种效果显著的超分辨模型。     

风格强度可变的人脸风格迁移网络

目的 针对人脸风格迁移算法StarGAN （star generative adversarial network）、MSGAN （mode seeking generative adversarial network）等存在细节风格学习不佳、迁移效果单一和生成图像失真等缺点，提出一种能够降低失真并生成不同风格强度图像的人脸风格迁移算法MStarGAN （multilayer StarGAN）。方法 首先，通过特征金字塔网络（feature pyramid network，FPN）构建前置编码器，生成蕴含有图像细节特征的多层特征向量，增强生成图像在风格传输时能学习到的风格图像的细节风格；其次，使用前置编码器对原图像及风格图像各生成一个风格向量并进行组合，利用组合后的风格向量进行风格传输，使生成图像具有不同的风格迁移强度；最后，采用权重解调算法作为生成器中的风格传输模块，通过对卷积权重的操作代替在特征图上的归一化操作，消除特征图中的特征伪影，减少生成图像中的失真。结果 在Celeba_HQ数据集上进行实验，与MSGAN、StarGAN v2等对比算法相比，在参考引导合成实验中，MStarGAN的FID （Frechét inception distance score）指标分别降低了18.9和3.1，LPIPS （learnedperceptual image patch similarity）指标分别提升了0.094和0.018。在潜在引导合成实验中，MStarGAN的FID指标分别降低了20.2和0.8，LPIPS指标分别提升了0.155和0.92，并能够生成具有不同风格强度的结果图像。结论 提出的算法能够传输图像的细节风格，生成具有不同强度的输出图像，并减少生成图像的失真。     

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。     

结合自监督学习和生成对抗网络的小样本人脸属性识别

目的 人脸属性识别是计算机视觉和情感感知等领域一个重要的研究课题。随着深度学习的不断发展,人脸属性识别取得了巨大的进步。目前基于深度学习的人脸属性识别方法大多依赖于包含完整属性标签信息的大规模数据集。然而,对于小样本数据集的属性标签缺失问题,人脸属性识别方法的准确率依然较低。针对上述问题,本文提出了一种结合自监督学习和生成对抗网络的方法来提高在小样本数据集上的人脸属性识别准确率。方法 使用基于旋转的自监督学习技术进行预训练得到初始的属性识别网络;使用基于注意力机制的生成对抗网络得到人脸属性合成模型,对人脸图像进行属性编辑从而扩充训练数据集;使用扩充后的训练数据集对属性识别网络进行训练得到最终模型。结果 本文在小样本数据集UMD-AED（University of Maryland attribute evaluation dataset）上进行了实验并与传统的有监督学习方法进行了比较。传统的有监督学习方法达到了63.24%的平均准确率,而所提方法达到了69.01%的平均准确率,提高了5.77%。同时,本文在CelebA（CelebFaces attributes dataset）、LFWA（labeled faces in the wild attributes dataset）和UMD-AED数据集上进行了使用自监督学习和未使用自监督学习的对比实验,验证了自监督学习在小样本数据集上的有效性。结论 本文所提出的结合自监督学习和生成对抗网络的人脸属性识别方法有效提高了小样本数据集上属性识别的准确率。     

基于属性分解融合的可控人脸图像合成算法

在现实生活中，人脸图像受隐私或安全因素的限制难以直接采集，因此可以考虑采用图像生成方法。当使用生成对抗网络进行图像生成时，容易出现分辨率低、边缘模糊、身份信息特征丢失等问题。针对上述问题，提出了一种新的人脸特征生成模型：通过将关键信息作为独立编码嵌入隐式空间，再与全局特征进行融合插值实现对人脸关键特征的可控生成；引入改进的注意力模块，在生成过程中关注局部特征和全局特征的相关性；将色差损失和人脸分量损失联合引入整体损失函数中，负责约束像素颜色和人脸纹理特征。该算法可以在人脸局部区域生成自然真实的外观特征，保留原始身份信息，并生成平滑的面部轮廓。使用预处理后的CelebA数据集的实验表明，该算法在主观视觉效果上有显著提升，同时与现有方法相比在PSNR和SSIM上有稳定的提升。     

基于高频小波损失的生成对抗人脸补全方法研究

基于生成对抗网络架构设计一种新的人脸补全模型.在生成网络中使用空洞卷积以增加特征图的感受野,提升网络性能;针对生成补全图像模糊,提出基于小波分解的损失函数设计方法,将图像转换到小波空间,提取高频信息作为l1小波损失,有效提升人脸图像补全的质量.对VGGFace2人脸数据集下半部分人脸进行遮挡,作为训练数据集,以LFW数...     

面向图像场景转换的改进型生成对抗网络

设计了新的生成器网络、判决器网络以及新的损失函数,用于图像场景转换.首先,生成器网络采用了带跨层连接结构的深度卷积神经网络,其中,多个跨层连接以实现图像结构信息的共享;而判决器网络采用了多尺度全域卷积网络,多尺度判决器可以区分不同尺寸下的真实和生成图像.同时,对于损失函数,该算法借鉴其他算法提出了4种损失函数的组合,并通过实验对比证明了新损失函数的有效性,包括GAN损失、L₁损失、VGG损失、FM损失.从实验结果显示,该算法能够实现多种转换,且转换后图像的细节保留较为完整,生成图像较为真实,明显消除了块效应.     

改进U-Net3+与跨模态注意力块的医学图像融合

目的 针对目前多模态医学图像融合方法深层特征提取能力不足,部分模态特征被忽略的问题,提出了基于U-Net3+与跨模态注意力块的双鉴别器生成对抗网络医学图像融合算法(U-Net3+ and cross-modal attention block dual-discriminator generative adversal network,UC-DDGAN)。方法 结合U-Net3+可用很少的参数提取深层特征、跨模态注意力块可提取两模态特征的特点,构建UC-DDGAN网络框架。UC-DDGAN包含一个生成器和两个鉴别器,生成器包括特征提取和特征融合。特征提取部分将跨模态注意力块嵌入到U-Net3+下采样提取图像深层特征的路径上,提取跨模态特征与提取深层特征交替进行,得到各层复合特征图,将其进行通道叠加、降维后上采样,输出包含两模态全尺度深层特征的特征图。特征融合部分通过将特征图在通道上进行拼接得到融合图像。双鉴别器分别对不同分布的源图像进行针对性鉴别。损失函数引入梯度损失,将其与像素损失加权优化生成器。结果 将UC-DDGAN与5种经典的图像融合方法在美国哈佛医学院公开的脑部疾病图像数据集上进行实验对比,其融合图像在空间频率(spatial frequency,SF)、结构相似性(structural similarity,SSIM)、边缘信息传递因子(degree of edge information,Q^AB/F)、相关系数(correlation coefficient,CC)和差异相关性(the sum of the correlations of differences,SCD)等指标上均有提高,SF较DDcGAN(dual discriminator generation adversative network)提高了5.87%,SSIM较FusionGAN(fusion generative adversarial network)提高了8%,Q^AB/F较FusionGAN提高了12.66%,CC较DDcGAN提高了14.47%, SCD较DDcGAN提高了14.48%。结论 UC-DDGAN生成的融合图像具有丰富深层特征和两模态关键特征,其主观视觉效果和客观评价指标均优于对比方法,为临床诊断提供了帮助。     

解纠缠表示学习在跨年龄人脸识别中的应用

跨年龄人脸识别因其在现实生活中的广泛应用而成为人脸识别领域的热门话题.针对跨年龄人脸识别精度较低的问题,引入解纠缠表示学习,提出了一个基于生成对抗网络的解纠缠表示学习(IPDRL)网络来实现人脸图像的识别.该网络由编码器、生成器和鉴别器构成.编码器在对特征中的年龄变化进行解纠缠的同时,对人脸图像的身份信息进行编码,提取只利于身份鉴别的特征,实现身份特征和年龄特征的解纠缠;生成器根据输入的年龄特征生成对应的身份保持的年龄图像;鉴别器通过对抗学习和多任务学习实现年龄和身份的类分布预测.通过将解纠缠表示学习、对抗学习和多任务学习相结合的方法,很好地保留了人脸图像的身份信息,并使跨年龄人脸图像识别的精度得到了提高.     

PSWGAN-GP:改进梯度惩罚的生成对抗网络

生成对抗网络的出现对解决深度学习领域样本数据不足的研究起到了极大的促进作用。为解决生成对抗网络生成的图像出现轮廓模糊、前景背景分离等细节质量问题,提出一种改进梯度惩罚的Wasserstein生成对抗网络算法(PSWGAN-GP)。该算法在WGAN-GP的Wasserstein距离损失和梯度惩罚的基础上,在判别器中使用从VGG-16网络的3个池化层中提取的特征,并通过这些特征计算得出风格损失(Style-loss)和感知损失(Perceptual-loss)作为原损失的惩罚项,提升判别器对深层特征的获取和判别能力,对生成图像的细节进行修正和提升。实验结果表明,在生成器和判别器网络结构相同,并保证超参数相同的情况下,PSWGAN-GP的IS评分和FID评分相对于参与对比的其他图像生成算法有所提升,且可有效改善生成图片的细节质量。     

生成式对抗网络及其计算机视觉应用研究综述

目的 生成式对抗网络（GAN）的出现为计算机视觉应用提供了新的技术和手段,它以独特零和博弈与对抗训练的思想生成高质量的样本,具有比传统机器学习算法更强大的特征学习和特征表达能力。目前在机器视觉领域尤其是样本生成领域取得了显著的成功,是当前研究的热点方向之一。方法 以生成式对抗网络的不同模型及其在计算机视觉领域的应用为研究对象,在广泛调研文献特别是GAN的最新发展成果基础上,结合不同模型的对比试验,对每种方法的基本思想、方法特点及使用场景进行分析,并对GAN的优势与劣势进行总结,阐述了GAN研究的现状、在计算机视觉上的应用范围,归纳生成式对抗网络在高质量图像生成、风格迁移与图像翻译、文本与图像的相互生成和图像的还原与修复等多个计算机视觉领域的研究现状和发展趋势,并对每种应用的理论改进之处、优点、局限性及使用场景进行了总结,对未来可能的发展方向进行展望。结果 GAN的不同模型在生成样本质量与性能上各有优劣。当前的GAN模型在图像的处理上取得较大的成就,能生成以假乱真的样本,但是也存在网络不收敛、模型易崩溃、过于自由不可控的问题。结论 GAN作为一种新的生成模型具有很高的研究价值与应用价值,但目前存在一些理论上的桎梏亟待突破,在应用方面生成高质量的样本、逼真的场景是值得研究的方向。     

融合密集残差块和GAN变体的医学图像非刚性配准

目的 现有的医学图像配准算法在处理较大非刚性形变的医学图像时,存在配准精度低和泛化能力不足的问题。针对该问题,提出结合密集残差块和生成对抗网络（generative adversarial network,GAN）的图像配准方法,用于多模态医学图像的非刚性配准。方法 将密集残差块引入到生成器,提取待配准图像对的更多高层特征,从而提高配准精度;在GAN中采用最小二乘损失代替逻辑回归构造的交叉熵损失,由于最小二乘损失的收敛条件更严格,同时能缓解梯度消失和过拟合,从而提高配准模型的稳定性;在判别器网络中引入相对平均GAN（relative average GAN,RaGAN）,即在标准判别器的基础上增加一项梯度惩罚因子,降低判别器的判别误差,从而相对减少配准模型的配准误差,有助于稳定配准精度。结果 在DRIVE（digital retinal images for vessel extraction）数据集上进行训练和验证,在Sunybrook Cardiac数据集和Brain MRI数据集上进行泛化性能测试,并与几种主流医学图像非刚性配准算法进行对比实验,表明,本文配准模型在精度和泛化能力上均有一定程度的提升,相比其他方法,视网膜图像、心脏图像和脑部图像的配准Dice值分别提升了3.3%、3.0%、1.5%。结论 提出的配准方法能够获取更多高层特征信息,从而提升配准精度;同时基于最小二乘法构建损失函数并对判别器进行加强,能够使得配准模型在训练阶段快速收敛,提高了配准模型的稳定性和泛化能力,适合存在较大非刚性形变的医学图像的配准。     

Edge-guided GAN：边界信息引导的深度图像修复

目的 目前大多数深度图像修复方法可分为两类：色彩图像引导的方法和单个深度图像修复方法。色彩图像引导的方法利用色彩图像真值,或其上一帧、下一帧提供的信息来修复深度图像。若缺少相应信息,这类方法是无效的。单个深度图像修复方法可以修复数据缺失较少的深度图像。但是,无法修复带有孔洞（数据缺失较大）的深度图像。为解决以上问题,本文将生成对抗网络（generative adversarial network,GAN）应用于深度图像修复领域,提出了一种基于GAN的单个深度图像修复方法,即Edge-guided GAN。方法 首先,通过Canny算法获得待修复深度图像的边界图像,并将此两个单通道图像（待修复深度图像和边界图像）合并成一个2通道数据;其次,设计Edge-guided GAN高性能的生成器、判别器和损失函数,将此2通道数据作为生成器的输入,训练生成器,以生成器生成的深度图像（假值）和深度图像真值为判别器的输入,训练判别器;最终得到深度图像修复模型,完成深度图像修复。结果 在Apollo scape数据集上与其他4种常用的GAN、不带边界信息的Edge-guided GAN进行实验分析。在输入尺寸为256×256像素,掩膜尺寸为32×32像素情况下,Edge-guided GAN的峰值信噪比（peak signal-to-noise ratio,PSN）比性能第2的模型提高了15.76%;在掩膜尺寸为64×64像素情况下,Edge-guided GAN的PSNR比性能第2的模型提高了18.64%。结论 Edge-guided GAN以待修复深度图像的边界信息为其修复的约束条件,有效地提取了待修复深度图像特征,大幅度地提高了深度图像修复的精度。     

基于生成对抗网络的遮挡表情识别

针对实际应用中局部遮挡会影响人脸表情识别,提出一种基于生成对抗网络（GAN）的表情识别算法。先对遮挡人脸图像填补修复,再进行表情识别。其中GAN的生成器由卷积自动编码机构成,与鉴别器的对抗学习使得生成的人脸图像更加逼真;由卷积神经网络构成的鉴别器具有良好的特征提取能力,添加多分类层构成了表情分类器,避免了重新计算图像特征。为了解决训练样本不足的问题,将CelebA人脸数据集用于训练人脸填补修复,同时表情分类器的特征提取部分得到了预训练。在CK+数据集上的实验证明,填补后的人脸图像真实连贯,并取得了较高的表情识别率,尤其提高了人脸大面积遮挡的识别率。     

基于改进的GAN的局部遮挡人脸表情识别

针对实际应用中人脸图像存在局部遮挡的情况经常发生,会造成识别率下降和鲁棒性降低。因此针对目前存在的这种情况,提出一种基于改进生成式对抗网络（Generative Adversarial Network,GAN）的表情识别模型,先利用由自动编码器构成的生成器和两个鉴别器（局部鉴别器和全局鉴别器）的对抗学习对遮挡人脸图像填补修复,再在全局鉴别器后面添加多分类层,利用全局鉴别器的部分卷积层并在后面添加多分类层构成表情分类器进行表情识别。最后通过实验进行了不同遮挡面积的人脸图像在填补前后表情识别率的对比和不同算法的识别率对比,实验结果证明识别率会更高,尤其提高了人脸大面积遮挡的识别率。