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。     

结合多尺度条件生成对抗网络的井下轨道检测

目的 传统的轨道检测算法受环境干扰因素大导致检测效率低,基于卷积神经网络（CNN）算法的轨道检测结果缺乏对于对象的细腻、独特刻画且过多依赖可视化后处理技术,因此本文提出一种结合多尺度信息的条件生成对抗网络（CGAN）轨道线检测算法。方法 在生成器网络中采用多粒度结构将生成器分解为全局和局部两个部分;在判别器网络中采用多尺度共享卷积结构,进一步监督生成器的训练;引入蒙特卡罗搜索技术通过对生成器的中间状态进行搜索,并将结果再送入到判别器中进行对比。结果 在井下巷道场景测试集中,本文方法取得了82.43%像素精度和0.621 8的平均交并比,并且对轨道的检测可以达到95.01%的准确率;与现有的语义分割的算法相比,表现出了优越性。结论 本文方法能够有效应用于井下复杂环境,一定程度上解决了传统的图像处理算法和卷积神经网络算法存在的问题,从而有效服务于井下自动驾驶。     

基于生成对抗网络的多聚焦图像融合

多聚焦图像融合能够融合同一场景下具有不同聚焦部分的一系列图像.为了克服多聚焦图像融合模糊特征提取中存在的不足,提出一种基于U-Net的生成对抗网络模型.首先,生成器采用U-Net和SSE对多聚焦图像的特征进行提取,并完成图像融合;其次,判别器采用卷积层对已知的融合结果和生成器生成的融合图像进行分辨;然后,损失函数采用生成器的对抗损失、映射损失、梯度损失、均方误差损失和判别器对抗损失对生成网络进行参数调节;最后,将生成器、判别器和损失函数组成生成对抗网络模型,并进行实验.Pascal VOC2012数据集作为生成对抗网络的训练集,包括近焦图像、远焦图像、映射图像和融合图像.实验结果证明,该生成对抗网络模型能够有效地提取多聚焦图像中的模糊特征,且融合图像在互信息、相位一致性和感知相似性等方面表现优异.     

联合多重对抗与通道注意力的高安全性图像隐写

目的 现有基于对抗图像的隐写算法大多只能针对一种隐写分析器设计对抗图像,且无法抵御隐写分析残差网络(steganalysis residual network,SRNet)、Zhu-Net等最新基于卷积神经网络隐写分析器的检测。针对这一现状,提出了一种联合多重对抗与通道注意力的高安全性图像隐写方法。方法 采用基于U-Net结构的生成对抗网络生成对抗样本图像,利用对抗网络的自学习特性实现多重对抗隐写网络参数迭代优化,并通过针对多种隐写分析算法的对抗训练,生成更适合内容隐写的载体图像。同时,通过在生成器中添加多个轻量级通道注意力模块,自适应调整对抗噪声在原始图像中的分布,提高生成对抗图像的抗隐写分析能力。其次,设计基于多重判别损失和均方误差损失相结合的动态加权组合方案,进一步增强对抗图像质量,并保障网络快速稳定收敛。结果 实验在BOSS Base 1.01数据集上与当前主流的4种方法进行比较,在使用原始隐写图像训练后,相比于基于U-Net结构的生成式多重对抗隐写算法等其他4种方法,使得当前性能优异的5种隐写分析器平均判别准确率降低了1.6%;在使用对抗图像和增强隐写图像再训练后,相比其他4种方法,仍使得当前性能优异的5种隐写分析器平均判别准确率降低了6.8%。同时也对对抗图像质量进行分析,基于测试集生成的2 000幅对抗图像的平均峰值信噪比(peak signal-tonoise ratio,PSNR)可达到39.925 1 dB,实验结果表明本文提出的隐写网络极大提升了隐写算法的安全性。结论 本文方法在隐写算法安全性领域取得了较优秀的性能,且生成的对抗图像具有很高的视觉质量。     

基于条件生成对抗网络的咬翼片图像分割

现有基于U型网络(U-Net)的咬翼片图像分割方法将咬翼片X射线图像分割成龋齿、牙釉质、牙本质、牙髓、牙冠、修复体和牙根管7个部分,但分割准确率偏低。为此,提出一种改进的咬翼片图像分割方法,将条件生成对抗网络与U-Net相结合对咬翼片进行分割,使判别器与生成器相互优化,获得具有更多上下文信息的分割特征图。实验结果表明,改进方法的Dice系数相比U-Net方法提升了0.133,分割准确率更高。     

并行生成网络的红外—可见光图像转换

目的 针对现有图像转换方法的深度学习模型中生成式网络（generator network）结构单一化问题，改进了条件生成式对抗网络（conditional generative adversarial network，CGAN）的结构，提出了一种融合残差网络（ResNet）和稠密网络（DenseNet）两种不同结构的并行生成器网络模型。方法 构建残差、稠密生成器分支网络模型，输入红外图像，分别经过残差、稠密生成器分支网络各自生成可见光转换图像，并提出一种基于图像分割的线性插值算法，将各生成器分支网络的转换图像进行融合，获取最终的可见光转换图像；为防止小样本条件下的训练过程中出现过拟合，在判别器网络结构中插入dropout层；设计最优阈值分割目标函数，在并行生成器网络训练过程中获取最优融合参数。结果 在公共红外-可见光数据集上测试，相较于现有图像转换深度学习模型Pix2Pix和CycleGAN等，本文方法在性能指标均方误差（mean square error，MSE）和结构相似性（structural similarity index，SSIM）上均取得显著提高。结论 并行生成器网络模型有效融合了各分支网络结构的优点，图像转换结果更加准确真实。     

基于全卷积DenseNet的前列腺MRI图像分割新方法

前列腺磁共振（MRI）图像的自动分割对前列腺疾病的诊断至关重要,但是前列腺区域所占比例过小、组织边界模糊等问题为自动分割带来极大困难。针对这些问题,提出了一种基于全卷积DenseNet的前列腺MRI图像分割方法。该方法以现流行的深度学习理论为基础,利用迁移学习的思想,将DenseNet从自然图像迁移到前列腺数据集;采用反卷积和类似U-Net的全卷积神经网络结构,实现端到端的图像分割。同时引入并改进Dice相似性损失函数以解决前列腺MRI中背景所占比例远远大于前列腺区域和一些像素难以准确分割等问题。通过在PROMISE12数据集上进行实验,提出的方法Dice相似性系数达到93.25%,Hausdorff距离小于1.2 mm,相较于目前的主要方法,分割效果更好、所耗时间更短。     

融合感知损失的生成式对抗超分辨率算法

目的 现有的基于深度学习的单帧图像超分辨率重建算法大多采用均方误差损失作为目标优化函数,以期获得较高的图像评价指标,然而重建出的图像高频信息丢失严重、纹理边缘模糊,难以满足主观视觉感受的需求。同时,现有的深度模型往往通过加深网络的方式来获得更好的重建效果,导致梯度消失问题的产生,训练难度增加。为了解决上述问题,本文提出融合感知损失的超分辨率重建算法,通过构建以生成对抗网络为主体框架的残差网络模型,提高了对低分率图像的特征重构能力,高度还原图像缺失的高频语义信息。方法 本文算法模型包含生成器子网络和判别器子网络两个模块。生成器模块主要由包含稠密残差块的特征金字塔构成,每个稠密残差块的卷积层滤波器大小均为3×3。通过递进式提取图像不同尺度的高频特征完成生成器模块的重建任务。判别器模块通过在多层前馈神经网络中引入微步幅卷积和全局平均池化,有效地学习到生成器重建图像的数据分布规律,进而判断生成图像的真实性,并将判别结果反馈给生成器。最后,算法对融合了感知损失的目标函数进行优化,完成网络参数的更新。结果 本文利用峰值信噪比（PSNR）和结构相似度（SSIM）两个指标作为客观评价标准,在Set5和Set14数据集上测得4倍重建后的峰值信噪比分别为31.72 dB和28.34 dB,结构相似度分别为0.892 4和0.785 6,与其他方法相比提升明显。结论 结合感知损失的生成式对抗超分辨率重建算法准确恢复了图像的纹理细节,能够重建出视觉上舒适的高分辨率图像。     

面向乳腺超声图像分割的混合监督双通道反馈U-Net

目的 基于超声图像的乳腺病灶分割是实现乳腺癌计算机辅助诊断和定量分析的基本预处理步骤。由于乳腺超声图像病灶边缘通常较为模糊,而且缺乏大量已标注的分割图像,增加了基于深度学习的乳腺超声图像分割难度。本文提出一种混合监督双通道反馈U-Net（hybrid supervised dual-channel feedback U-Net,HSDF-U-Net）算法,提升乳腺超声图像分割的准确性。方法 HSDF-U-Net通过融合自监督学习和有监督分割实现混合监督学习,并且进一步通过设计双通道反馈U-Net网络提升图像分割准确性。为了改善标记数据有限的问题,首先在自监督学习框架基础上结合标注分割图像中的标签信息,设计一种边缘恢复的辅助任务,以实现对病灶边缘表征能力更强的预训练模型,然后迁移至下游图像分割任务。为了提升模型在辅助边缘恢复任务和下游分割任务的表现,将循环机制引入经典的U-Net网络,通过将反馈的输出结果重新送入另一个通道,构成双通道编码器,然后解码输出更精确的分割结果。结果 在两个公开的乳腺超声图像分割数据集上评估HSDF-U-Net算法性能。HSDF-U-Net对Dataset B数据集中的图像进行分割获得敏感度为0.848 0、Dice为0.826 1、平均对称表面距离为5.81的结果,在Dataset BUSI（breast ultrasound images）数据集上获得敏感度为0.803 9、Dice为0.803 1、平均对称表面距离为6.44的结果。与多种典型的U-Net分割算法相比,上述结果均有提升。结论 本文所提HSDF-U-Net算法提升了乳腺超声图像中的病灶分割的精度,具备潜在的应用价值。     

引入注意力机制和多视角融合的脑肿瘤MR图像U-Net分割模型

目的 脑肿瘤核磁共振（magnetic resonance,MR）图像分割对评估病情和治疗患者具有重要意义。虽然深度卷积网络在医学图像分割中取得了良好表现,但由于脑胶质瘤的恶性程度与外观表现有巨大差异,脑肿瘤MR图像分割仍是一项巨大挑战。图像语义分割的精度取决于图像特征的提取和处理效果。传统的U-Net网络以一种低效的拼接方式集成高层次特征和低层次特征,从而导致图像有效信息丢失,此外还存在未能充分利用上下文信息和空间信息的问题。对此,本文提出一种基于注意力机制和多视角融合U-Net算法,实现脑肿瘤MR图像的分割。方法 在U-Net的解码和编码模块之间用多尺度特征融合模块代替传统的卷积层,进行多尺度特征映射的提取与融合;在解码模块的级联结构中添加注意力机制,增加有效信息的权重,避免信息冗余;通过融合多个视角训练的模型引入3维图像的空间信息。结果 提出的模型在BraTS18（Multimodal Brain Tumor Segmentation Challenge 2018）提供的脑肿瘤MR图像数据集上进行验证,在肿瘤整体区域、肿瘤核心区域和肿瘤增强区域的Dice score分别为0.907、0.838和0.819,与其他方法进行对比,较次优方法分别提升了0.9%、1.3%和0.6%。结论 本文方法改进了传统U-Net网络提取和利用图像语义特征不足的问题,并引入了3维MR图像的空间信息,使得肿瘤分割结果更加准确,具有良好的研究和应用价值。     

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...     

单帧图像的耦合生成式对抗超分辨率重建

尽管卷积神经网络在实现单帧图像超分辨率的准确性和速度方面取得一定突破,但仍然存在重建结果细节不明显,过于光滑等中心问题。针对这一中心问题,提出一种基于单帧图像的耦合生成式对抗超分辨率重建算法,定义的生成器和判别器分别采用深度残差网络和深度卷积网络,将自注意力增强卷积应用到生成器网络中,为了增强生成图像的质量和训练过程的稳定,对生成器和判别器的学习能力进行平衡,使用相对判别器计算来自对抗神经网络的损失值。主流超分辨重建算法在Set5、Set4、BSD100经典数据集上进行对比,实验结果表明,提出的算法在边缘锐化、真实性和获得更好的高频细节恢复方面能够达到更好的连续视觉效果,同时能够增强生成图像的多样性。     

Transformer特征引导的双阶段地图智能生成

目的 现有的地图智能生成技术没有考虑到地图生成任务存在的地理要素类内差异性和地理要素域间差异性,这使得生成的地图质量难以满足实际需要。针对地理要素类内差异性和地理要素域间差异性,提出了一种Transformer特征引导的双阶段地图智能生成方法。方法 首先基于最新的Transformer网络,设计了一个基于该网络的特征提取模块,该模块提取遥感图像中的地理要素特征用于引导地图生成,解决了地理要素类内差异性导致的地图生成困难的问题。然后设计双阶段生成框架,该框架具备两个生成对抗网络,第1个生成对抗网络为初步生成对抗网络,利用遥感图像和Transformer特征得到初步的地图图像;第2个生成对抗网络为精修生成对抗网络利用初步地图图像生成高质量的精修地图图像,缓解了地理要素域间差异性导致的地图地理要素生成不准确问题。结果 在AIDOMG（aerial image dataset for online map generation）数据集上的9个区域进行了实验,与10种经典的和最新方法进行了比较,提出方法取得了最优的结果。其中,在海口区域,相比于Creative GAN方法,FID （Frechet inception distance）值降低了16.0%,WD （Wasserstein distance）降低了4.2%,1-NN （1-nearest neighbor）降低了5.9%;在巴黎区域,相比于Creative GAN方法,FID值降低了2.9%,WD降低了1.0%,1-NN降低了2.1%。结论 提出的Transformer特征引导的双阶段地图智能生成方法通过高质量的Transformer特征引导和双阶段生成框架解决了地理要素类内差异性和地理要素域间差异性所带来的地图生成质量较差的问题。     

基于编码器-解码器的半监督图像语义分割

基于深度卷积神经网络的图像语义分割方法需要大量像素级标注的训练数据,但标注的过程费时又费力.本文基于生成对抗网络提出一种编码-解码结构的半监督图像语义分割方法,其中编码器-解码器模块作为生成器,整个网络通过耦合标准多分类交叉熵损失和对抗损失进行训练.为充分利用浅层网络包含的丰富的语义信息,本文将编码器中不同尺度的特征输入到分类器,并将得到的不同粒度的分类结果融合,进而优化目标边界.此外,鉴别器通过发现无标签数据分割结果中的可信区域,以此提供额外的监督信号,来实现半监督学习.在PASCAL VOC 2012和Cityscapes上的实验表明,本文提出的方法优于现有的半监督图像语义分割方法.     

局部可视对抗扰动生成方法

深度神经网络极易受到局部可视对抗扰动的攻击.文中以生成对抗网络为基础,提出局部可视对抗扰动生成方法.首先,指定被攻击的分类网络作为判别器,并在训练过程中固定参数不变.再构建生成器模型,通过优化欺骗损失、多样性损失和距离损失,使生成器产生局部可视对抗扰动,并叠加在不同输入样本的任意位置上攻击分类网络.最后,提出类别比较法,分析局部可视对抗扰动的有效性.在公开的图像分类数据集上实验表明,文中方法攻击效果较好.     

对抗型半监督光伏面板故障检测

目的 传统的光伏面板故障检测主要依靠人工巡检,效率低下且误检率很高,而流行的基于机器视觉的智能检测方法又面临缺少大量负样例造成故障检测模型准确性偏低的问题。针对上述问题,本文提出一种基于对抗训练的半监督异常检测模型,通过应用梯度中心化（gradient centralization,GC）和Smooth L1损失函数,使模型具有更好的准确性和鲁棒性。方法 通过构建半监督异常检测模型并定义目标函数,将正常的光伏面板图像作为正样例原图输入半监督异常检测模型进行模型训练。然后将待测光伏面板图像输入到训练好的半监督异常检测模型,生成该待测图像对应的重建图像。最后通过计算待测原图像与其重建图像隐空间向量之间的误差来判断该待测光伏面板是否存在异常。结果 本文以浙江某光伏电站采集的光伏面板为实验对象,将本文方法与Pre-trained VGG16（Visual Geometry Group 16-layer network）、AnoGAN （anomaly generative adversarial network）、GANomaly等方法进行比较,AUC （area under curve）分别提高了0.12、0.052和0.033。结论 实验结果证明,本文提出的基于生成对抗网络的半监督异常检测模型大幅提高了光伏面板故障检测的准确率。     

多尺度生成式对抗网络图像修复算法

图像修复作为深度学习领域的一个研究热点,在人们现实生活中有着重要的意义。现有图像修复算法存在各种问题,导致视觉上无法达到人们的要求。针对现有图像修复算法精确度低、视觉一致性差以及训练不稳定等缺陷,提出了一种基于生成式对抗网络(GAN)模型的图像修复算法。该算法主要对判别器的网络结构进行改进,在全局判别器和局部判别器的基础上引入多尺度判别器。多尺度判别器在不同分辨率的图像上进行训练,不同尺度的判别器具有不同的感受野,能够引导生成器生成更全局的图像视图以及更精细的细节。针对GAN训练中经常出现的梯度消失或梯度爆炸问题,使用WGAN(Wasserstein GAN)的思想,采用EM距离模拟样本数据分布。在CelebA、ImageNet以及Place2图像数据集上对该算法的网络模型进行了训练和测试,结果显示与先前的算法模型相比,该算法提高了图像修复的精确度,能够生成更为逼真的修复图片,并且适用于多种类型图片的修复。     

结合频谱规范化与自注意力机制的DCGAN研究

针对基于深度卷积对抗式生成网络的图像生成方法存在训练过程稳定性亟待提高、图像生成质量效果欠佳等问题,提出一种将频谱规范化、自注意力机制与深度卷积对抗式生成网络结合的图像生成方法.在网络结构中,将频谱规范化的权重标准技术引入判别器,使判别器的参数矩阵满足Lipschitz约束,提高网络模型训练过程的稳定性;将自注意力机制...