自适应感受野机制遥感图像分割模型

目的 遥感图像中存在大小、形态不一的目标,增加了目标分割任务的困难性。感受野代表了特征图中每个像素对应输入图像的区域,若感受野与目标形状的契合度较高,则特征图中包含的目标特征更加完整,有利于分割。在现有的分割方法中,通常采用的是正方形的感受野,而遥感图像中目标形状多变,导致感受野无法较好地契合目标形状,在提取目标特征时会引入过多的无用特征,从而影响分割精度。为此,本文提出基于自适应感受野机制的遥感图像分割模型。方法 在编码—解码网络结构的基础上,引入自适应感受野机制。首先在编码器上提取不同大小和宽高比的感受野特征,然后在特征融合时使用通道注意力模块自适应地获取通道权重,通过加权强化与目标形状契合度高的感受野的特征,弱化与目标形状契合度低的感受野的特征,在保留目标特征的同时减少背景特征的干扰,进而提升模型的分割精度。结果 在Inria Aerial Image Labeling数据集与DeepGlobe Road Extraction数据集上进行实验并与相关方法比较,在两个数据集上的平均交并比分别为76.1%和61.9%,平均F1值分别为86.5%和76.5%。结论 本文模型能够提取不同形状感受野的特征,并自适应地获取通道权重,使模型能提取更加完整的目标特征,从而提升目标分割效果。     

融合残差注意力机制的UNet视盘分割

目的 青光眼和病理性近视等会对人的视力造成不可逆的损害,早期的眼科疾病诊断能够大大降低发病率。由于眼底图像的复杂性,视盘分割很容易受到血管和病变等区域的影响,导致传统方法不能精确地分割出视盘。针对这一问题,提出了一种基于深度学习的视盘分割方法RA-UNet（residual attention UNet）,提高了视盘分割精度,实现了自动、端到端的分割。方法 在原始UNet基础上进行了改进。使用融合注意力机制的ResNet34作为下采样层来增强图像特征提取能力,加载预训练权重,有助于解决训练样本少导致的过拟合问题。注意力机制可以引入全局上下文信息,增强有用特征并抑制无用特征响应。修改UNet的上采样层,降低模型参数量,帮助模型训练。对网络输出的分割图进行后处理,消除错误样本。同时,使用DiceLoss损失函数替代普通的交叉熵损失函数来优化网络参数。结果 在4个数据集上分别与其他方法进行比较,在RIM-ONE（retinal image database for optic nerve evaluation）-R1数据集中,F分数和重叠率分别为0.957 4和0.918 2,比UNet分别提高了2.89%和5.17%;在RIM-ONE-R3数据集中,F分数和重叠率分别为0.969和0.939 8,比UNet分别提高了1.5%和2.78%;在Drishti-GS1数据集中,F分数和重叠率分别为0.966 2和0.934 5,比UNet分别提高了1.65%和3.04%;在iChallenge-PM病理性近视挑战赛数据集中,F分数和重叠率分别为0.942 4和0.891 1,分别比UNet提高了3.59%和6.22%。同时还在RIM-ONE-R1和Drishti-GS1中进行了消融实验,验证了改进算法中各个模块均有助于提升视盘分割效果。结论 提出的RA-UNet,提升了视盘分割精度,对有病变区域的图像也有良好的视盘分割性能,同时具有良好的泛化性能。     

过参数卷积与CBAM融合的胸腔积液肿瘤细胞团块分割网络

目的 胸腔积液肿瘤细胞团块的分割对肺癌的筛查有着积极作用。胸腔积液肿瘤细胞团块显微图像存在细胞聚集、对比度低和边界模糊等问题，现有网络模型进行细胞分割时无法达到较高精度。提出一种基于UNet网络框架，融合过参数卷积与注意力机制的端到端语义分割模型DOCUNet （depthwise over-parameterized CBAM UNet）。方法 将UNet网络中的卷积层替换为过参数卷积层。过参数卷积层结合了深度卷积和传统卷积两种卷积，保证网络深度不变的同时，提高模型对图像特征的提取能力。在网络底端的过渡区域，引入结合了通道注意力与空间注意力机制的注意力模块CBAM （convolutional block attention module），对编码器提取的特征权重进行再分配，增强模型的分割能力。结果 在包含117幅显微图像的胸腔积液肿瘤细胞团块数据集上进行5折交叉实验。平均IoU （intersection over union）、Dice系数、精确率、召回率和豪斯多夫距离分别为0.858 0、0.920 4、0.928 2、0.920 3和18.17。并且与UNet等多种已存在的分割网络模型进行对比，IoU、Dice系数和精确率、召回率相较于UNet提高了2.80%、1.65%、1.47%和1.36%，豪斯多夫距离下降了41.16%。通过消融实验与类激活热力图，证明加入CBAM注意力机制与过参数卷积后能够提高网络分割精度，并能使网络更加专注于细胞的内部特征。结论 本文提出的DOCUNet将过参数卷积和注意力机制与UNet相融合，实现了胸水肿瘤细胞团块的有效分割。经过对比实验证明所提方法提高了细胞分割的精度。     

基于MAU-Net的CT多器官分割

基于计算机断层扫描(CT)图像的多器官精准分割能够准确诊断病灶, 快速制定治疗计划, 提高临床工作的效率. 传统分割算法针对形变大、体积较小且边缘模糊的器官分割效果相对较差. 本文提出了一种改进的U-Net的医学图像分割网络(MAU-Net), 通过引入两个模块, 旨在实现对多器官的精准分割. 多尺度空洞卷积模块通过不同内核大小实现捕捉目标器官多尺度特征. 动态注意力模块精确提取重要特征实现分支间的权重平衡. 通过消融实验和其他主流网络的对比实验, 验证了MAU-Net的优越性. 相比于传统的U-Net模型, MAU-Net在所有器官上平均Dice相关系数(DSC)提高了3.39%, 平均95%豪斯多夫距离(HD)降低了4.84 mm. MAU-Net在多器官分割任务中展现了出色的鲁棒性和应用潜力, 有助于提高临床工作效率和医疗诊断的准确性.     

基于BM-TransUNet的咽后壁识别分割

图像分割经历了从基于传统的阈值分割等方法逐步发展到基于卷积神经网络的方法. 传统的卷积神经网络在分割领域中表现突出, 但训练速度慢、分割精度不够高等局限性也逐渐显现. 为了克服这些局限性, 本文在TransUNet网络的基础上进行改进, 提出了基于BM-TransUNet网络的图像分割识别方法, 在TransUNet网络的在第1层之后加上深度可分离卷积模块, 并在编码器下采样的卷积层后引入注意力机制模块, 让算法更好地探索分割对象特征, 同时在编码器与解码器之间引入多尺度特征融合模块FPN. 本文基于自制的咽后壁数据集, 用于图像分割训练, 并将训练后的BM-TransUNet网络与多种传统分割网络的效果进行对比. 实验结果表明, 相比于其他传统的深度学习模型, BM-TransUNet网络的识别方法具有较高的分类准确性和泛化能力, 精确度Precision和Dice系数分别达到了93.61%和90.76%, 显示出较好的计算效率, 能有效地应用于分割任务.     

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。     

基于改进UNet网络的室内运动目标阴影分割

针对室内环境下智能监控视频对光照变化产生的阴影难以识别、分割困难等问题,提出一种结合迁移学习方式和SENet通道注意力机制的UNet网络.首先,针对阴影特征模糊难以有效提取的问题,在UNet模型的上采样部分,添加SENet通道注意力机制,在不增加网络参数的同时,提高有效区域的特征权重;并将预训练好的VGG16网络迁移到UNet模型中,实现特征迁移和参数共享,提高模型的泛化能力,减少训练成本;最后通过解码器得到分割结果.实验结果表明,改进的UNet算法相比于原UNet算法在对运动目标的分割精度上达到了96.09%,对阴影的分割精度上达到92.24%,平均交并比(MIOU)达到92.58%,算法性能指标有显著提升.     

融合改进ASPP和极化自注意力的自底向上全景分割

目的 针对ASPP（atrous spatial pyramid pooling）在空洞率变大时空洞（atrous）卷积效果会变差的情况,以及图像分类经典模型ResNet （residual neural network）并不能有效地适用于细粒度图像分割任务的问题,提出一种基于改进ASPP和极化自注意力的自底向上全景分割方法。方法 重新设计ASPP模块,将小空洞率卷积的输出与原始输入进行拼接（concat）,将得到的结果作为新的输入传递给大空洞率卷积,然后将不同空洞率卷积的输出结果拼接,并将得到的结果与ASPP中的其他模块进行最后拼接,从而改善ASPP中因空洞率变大导致的空洞卷积效果变差的问题,达到既获得足够感受野的同时又能编码多尺度信息的目的;在主干网络的输出后引入改进的极化自注意力模块,实现对图像像素级的自我注意强化,使其得到的特征能直接适用于细粒度像素分割任务。结果 本文在Cityscapes数据集的验证集上进行测试,与复现的基线网络Panoptic-DeepLab（58.26%）相比,改进ASPP模块后分割精度PQ（panoptic quality）（58.61%）提高了0.35%,运行时间从103 ms增加到124 ms,运行速度没有明显变化;通过进一步引入极化自注意力,PQ指标（58.86%）提高了0.25%,运行时间增加到187 ms;通过对该注意力模块进一步改进,PQ指标（59.36%）在58.86%基础上又提高了0.50%,运行时间增加到192 ms,速度略有下降,但实时性仍好于大多数方法。结论 本文采用改进ASPP和极化自注意力模块,能够更有效地提取适合细粒度像素分割的特征,且在保证足够感受野的同时能编码多尺度信息,从而提升全景分割性能。     

基于稠密扩张卷积的图像语义分割模型

为解决图像语义分割任务中面对的分割场景的复杂性、分割对象的多样性及分割对象空间位置的差异性问题, 提高语义分割模型的精度, 提出基于稠密扩张卷积的双分支多层级语义分割网络(double branch and multi-stages network, DBMSNet). 首先采用主干网络提取输入图像的4个不同分辨率的特征图(De1、De2、De3、De4), 其次采用特征精炼(feature refine, FR)模块对De1和De3这两个特征图进行特征精炼处理, 特征精炼处理之后的输出分支经过混合扩张卷积模块(mixed dilation module, MDM)编码空间位置特征, De4分支采用金字塔池化模块(pyramid pooling module, PPM)编码高级语义特征, 最后将两个分支进行融合, 输出分割结果. 在数据集CelebAMask-HQ和Cityscapes中进行实验, 分别得到mIoU精度为74.64%、78.29%. 结果表明, 本文方法的分割精度高于对比方法, 且具有更少的参数量.     

U-Net通道变换网络在腺体图像分割中的应用

目的 腺体医学图像分割是将医学图像中的腺体区域与周围组织分离出来的过程,对分割精度有极高要求。传统模型在对腺体医学图像分割时,因腺体形态多样性和小目标众多的特点,容易出现分割不精细或误分割等问题,对此根据腺体医学图像的特点对U-Net型通道变换网络分割模型进行改进,实现对腺体图像更高精度分割。方法 首先在U-Net型通道变换网络的编码器前端加入ASPP_SE （spatial pyramid pooling_squeeze-and-excitation networks）模块与ConvBatchNorm模块的组合,在增强编码器提取小目标特征信息能力的同时,防止模型训练出现过拟合现象。其次在编码器与跳跃连接中嵌入简化后的密集连接,增强编码器相邻模块特征信息融合。最后在通道融合变换器（channel cross fusion with Transformer,CCT）中加入细化器,将自注意力图投射到更高维度,提高自注意机制能力,增强编码器全局模块特征信息融合。简化后的密集连接与CCT结合使用,模型可以达到更好效果。结果 改进算法在公开腺体数据集MoNuSeg （multi-organ nuclei segmentation challenge）和Glas （gland segmentation）上进行实验。以Dice系数和IoU （intersection over union）系数为主要指标,在MoNuSeg的结果为80.55%和67.32%,在Glas数据集的结果为92.23%和86.39%,比原U-Net型通道变换网络分别提升了0.88%、1.06%和1.53%、2.43%。结论 本文提出的改进算法在腺体医学分割上优于其他现有分割算法,能满足临床医学腺体图像分割要求。     

基于改进FCOS网络的光学遥感影像目标检测算法

针对当前遥感影像背景复杂、目标尺度小等情况导致的检测精度偏低的问题,基于FCOS网络提出了一种结合位置注意力和感受野增强的遥感影像目标检测算法PARF-FCOS;该算法构造了一种位置注意力模块,并利用该模块对特征提取网络进行改进,增强网络对目标信息的提取能力;在特征融合阶段使用感受野模块（RFB, receptive field block）增强浅层特征图,利用目标上下文信息进行辅助判断,提升网络对小尺度目标的检测能力;在训练过程中,引入距离交并比损失（DIoU loss,distance intersection over union loss）进行边界框回归,通过优化目标框与预测框中心点之间的距离,使回归过程更加平稳和准确;在公开数据集DIOR上评估了PARF-FCOS目标检测算法,实验结果表明,相较于原始FCOS,算法的平均精确度均值提高了4.3%,达到70.4%,检测速度达到23.2FPS。     

基于MultiResUNet-SMIS的皮肤黑色素瘤图像分割

针对现有的皮肤黑色素瘤病灶分割精度不高的问题,结合现有卷积神经网络方法提出皮肤黑色素瘤图像分割方法 MultiResUNet-SMIS.首先,依据皮肤黑色素瘤成像特点,引入不同空洞率的空洞卷积替换普通卷积,在参数量相同的前提下扩大感受野,使网络模型能够适用于多尺度病灶分割任务;其次加入空间和通道注意力机制以重新分配特征权重,扩大感兴趣特征影响,抑制无关特征;最后融合Focal loss与Dice loss提出一种新的loss函数FD loss用于计算回归损失,解决前景背景像素不均衡问题,进一步提高网络模型的分割精度.实验结果表明,MultiResUNet-SMIS在ISIC-2018数据集上的Dice指数、IoU指数以及Acc准确率分别达到了89.47%、82.67%、96.13%,与原MultiResUNet以及UNet、UNet++、DeepLab V3+等主流方法相比, MultiResUNet-SMIS在皮肤黑色素瘤图像分割中具有更好的效果.     

基于改进U-Net的下肢骨骼CT图像分割

针对骨骼CT图像对比度较低、特征不明显、现有算法对骨骼特征提取不充分的问题,本文提出了一种基于U-Net的改进网络来实现骨骼数据的精确分割.在网络编码阶段,使用密集连接的空洞卷积模块加强骨骼特征的提取;在网络解码阶段,使用结合注意力机制的融合模块充分利用空间信息与语义信息,改善骨骼信息丢失的问题.改进算法在人体下肢骨骼CT数据集中Dice系数达89.44%, IoU系数达80.55%.与U-Net模型相比, Dice系数提高了5.1%, IoU系数提高了7.63%.实验结果表明,提出的优化算法对下肢骨骼CT图像可以达到精确分割的效果,对骨科疾病的治疗与术前规划提供了参考.     

基于改进UNet网络的机制砂石粉分割量化方法

机制砂是机制砂混凝土的细骨料,其质量优劣对机制砂混凝土的强度、工作性、耐久性等性能影响十分显著,而其石粉含量决定着机制砂的质量优劣.由于传统的石粉检测方法程序存在繁琐、时间久、准确率低且难以量化等难题,本文提出了一种针对机制砂特征的改进型UNet网络的机制砂石粉分割量化方法.首先利用光学显微镜设备对机制砂颗粒进行图像采...     

基于改进YOLOv3的大尺寸导光板缺陷检测

单边侧入式大尺寸导光板存在网点分布不均、缺陷大小与形态不一、背景纹理复杂等特点, 而人工选取特征的传统机器视觉方法泛化能力不强. 基于此, 本文提出一种基于改进YOLOv3的大尺寸导光板缺陷检测方法. 首先, 在网络浅层特征层引入改进多分支RFB模块, 增大网络感受野, 丰富目标语义信息, 加强特征提取能力; 其次, 利用深度可分离卷积替换标准卷积, 缩减模型大小和计算量; 进而, 改进K-means算法, 对聚类出的锚框进行线性缩放, 使之更加贴近真实框; 最后, 利用在生产现场采集的大尺寸导光板缺陷图片进行了大量的实验研究. 实验结果表明, 本文提出的检测算法平均精度达到98.92%. 与YOLOv3相比, 平均准确率、F1值分别提升了8.55%、10.76%, 检测速度达到71.6 fps, 可满足工业生产检测要求.     

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。