基于边缘检测的卷积核数量确定方法

针对卷积神经网络中卷积核数量多凭经验确定的问题,提出了一种统计图像边缘信息来确定卷积核数量的方法。首先,采用边缘检测算子对训练图像进行边缘检测,并依据卷积层的卷积核尺寸对边缘图像进行边缘块提取;然后,统计提取到的边缘块以获得边缘特征矩阵;最后,计算边缘特征矩阵各列的方差,将方差排序且归一化,选择方差较大部分边缘类型的个数作为卷积核数量。在Mnist和Chars74K数据集上的实验结果表明,本文方法能依数据集特点自适应地确定卷积核数量,构造的卷积神经网络模型大小适应于特定数据集,且能获得较高分类准确率。     

基于全卷积编解码网络的单目图像深度估计

针对传统方法在单目图像深度估计时精度低、速度慢等问题,提出一种全卷积编码-解码网络模型,该模型将稀疏的深度样本集和RGB图像作为输入,编码层由Resnet和一个卷积层组成,解码层由两个上采样层和一个双线性上采样层组成,上采样层采用上卷积模块和上投影模块交叉使用,有效降低了棋盘效应并保留了预测深度图像的边缘信息。同时,模型中使用了全卷积,使得参数减少,提升了预测速度。在NYU-Depth-v2数据集上验证了网络模型的有效性与优越性。实验结果表明,在仅使用RGB图像进行深度预测的情况下,与多尺度卷积神经网络相比,该模型在精度[δ<1.25]上提高约4%,均方根误差指标降低约11%;与仅使用RGB图像相比,添加100个空间随机深度样本,均方根误差降低约26%。     

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。     

基于特征增强与时空信息嵌入的涡扇发动机剩余寿命预测

针对现有的剩余寿命预测方法对原始数据利用率不高以及多维数据特征提取能力不足的问题,提出了一种基于特征增强和时空信息嵌入的卷积神经模型。首先,通过特征增强模块在原始数据基础上进一步提取工况特征与手工特征作为辅助特征;其次,提出了时空嵌入模块,对原始数据进行时空信息编码以嵌入时间序列信息和空间特征信息;最后,拼接上述特征并通过回归预测模块捕获数据内在关系得到回归预测结果。在通用的涡扇发动机模拟数据集(C-MAPSS)上对该模型预测效果进行了测试。实验结果表明,与现有主流深度学习方法相比,该模型在四个子集上的均方根误差平均减少了8.8%,且在多工况的运行条件和故障类型下,其预测精度均优于现有先进算法,充分证明了该模型在涡扇发动机剩余使用寿命预测方面的有效性和准确性。     

基于图注意力机制的交通流预测模型

针对现有交通流预测模型在预测精度上的不足,提出一种基于注意力机制的图模型。首先,利用多头注意力机制在交通图中编码高阶邻域结构,提取交通网络中的高阶空间特征。然后,嵌入长距离时间结构注意力机制提取长期性的历史周期信息。模型采用注意力机制替代传统的局部卷积核结构,可以有效提取长距离时空依赖关系。在METR-LA(洛杉矶路网)、PeMS-BAY(加州湾区路网)、PeMS-S(加州小型路网)三个真实的交通数据集上进行实验证明,模型在预测未来60 min的交通流精度上较传统深度学习方法,RMSE(均方根误差)平均降低3.1%、3.9%和1.8%,表明所提模型的长时间预测能力优势明显。     

基于时空长短时记忆神经网络的地基云图预测算法

针对传统云运动轨迹预测方法存在的预测精度差、空间结构细节信息丢失等问题,提出一种基于时空长短时记忆（ST-LSTM）神经网络的地基云图预测模型。首先使用卷积编码网络提取输入视频流的高维图像特征;然后在特征提取模型中对图像潜在信息进行多分支获取,一部分使用ST-LSTM神经网络提取不同帧之间的时空特征,另一部分将图像序列进行分解,并通过基于门控机制的记忆融合网络来获取分解后图像中的结构细节信息;最后将得到的分支特征进行组合后经过解码网络输出最终的预测视频流。在地基云图、Moving MNIST和Human 3.6M数据集上的实验结果表明,在图像预测准确率、结构细节信息保留效果以及人眼主观感受上,该预测模型均优于对比模型。与基准模型TaylorNet相比,所提模型在Moving MNIST数据集上均方误差指标和平均绝对误差指标分别降低15.7%和11.8%,在地基云图数据集上,其结构相似性指标与峰值信噪比指标分别提升1%和3.2%,且生成的视频流数据更为清晰,能够更准确地描述云层未来的运动状况,从而更可靠地预测光伏电站未来的输出功率。     

基于混合网络模型的多维时间序列预测

为捕捉时间序列中潜在的特征依赖关系并实现高维时序数据的快速模糊预测,构建基于时间卷积网络（TCN）与自注意力机制的两种混合网络模型：TSANet和TSANet-MF。TSANet模型通过全局和局部两个并行卷积分量结构提取特征后,利用自注意力机制增强特征点关联程度,并结合并行的TCN增大卷积的感受野范围,最大程度地捕捉多维时序数据的周期性特征。TSANet-MF模型将TSANet作为矩阵分解算法的正则化项,使高维数据转化为具有更多时序特征的低维数据,减少计算复杂度,实现高维数据的快速模糊预测。在4种不同领域的时间序列数据集上的实验结果表明,TSANet模型在3种数据集上的预测性能均优于基准模型,尤其在高维Traffic数据集上相对平方根误差降低了19.52%~56.37%,TSANet-MF模型在Electricity和Traffic高维数据集上的训练时间相比于基准模型明显减少。上述实验结果验证了两种混合网络模型均具有较好的多维时间序列预测性能。     

增强可分离卷积通道特征的表情识别研究

针对目前人脸表情识别准确率不高、网络模型参数复杂等问题,提出一种增强可分离卷积通道特征的人脸表情识别研究方法。设计了一种轻量型卷积神经网络结构提取表情特征,在卷积层中采用深度可分离卷积减少网络参数;引入了压缩激发模块,对不同通道的特征进行权重分配,在不同的卷积层采用不同的压缩率来增强网络对人脸表情的特征提取能力;将提取到的特征送入分类器实现人脸表情分类,在CK+和FER2013数据集上进行实验并分析。实验结果表明：与现有方法相比,提出的网络结构在CK+和FER2013数据集上,识别率分别提高了0.15个百分点和3.29个百分点,且网络模型参数量降低了75%。所提方法在降低网络参数的同时,提高了表情识别准确率。     

基于多尺度多列卷积神经网络的密集人群计数模型

针对尺度和视角变化导致的监控视频和图像中的人数估计性能差的问题,提出了一种基于多尺度多列卷积神经网络（MsMCNN）的密集人群计数模型。在使用MsMCNN进行特征提取之前,使用高斯滤波器对数据集进行处理得到图像的真实密度图,并且对数据集进行数据增强。MsMCNN以多列卷积神经网络的结构为主干,首先从具有多尺度的多个列中提取特征图;然后,用MsMCNN在同一列上连接具有相同分辨率的特征图,以生成图像的估计密度图;最后,对估计密度图进行积分来完成人群计数的任务。为了验证所提模型的有效性,在Shanghaitech数据集和UCF_CC_50数据集上进行了实验,与经典模型Crowdnet、多列卷积神经网络（MCNN）、级联多任务学习（CMTL）方法、尺度自适应卷积神经网络（SaCNN）相比,所提模型在Shanghaitech数据集Part_A和UCF_CC_50数据集上平均绝对误差（MAE）分别至少减小了10.6和24.5,均方误差（MSE）分别至少减小了1.8和29.3;在Shanghaitech数据集Part_B上也取得了较好的结果。MsMCNN更注重特征提取过程中的浅层特征的结合以及多尺度特征的结合,可以有效减少尺度和视角变化带来的精确度偏低的影响,提升人群计数的性能。     

基于多头软注意力图卷积网络的行人轨迹预测

行人间交互作用的复杂性给行人轨迹预测带来了挑战,且现有算法难以捕获行人间有意义的交互信息,不能直观地建模行人间的交互作用。针对以上问题,提出多头软注意力图卷积网络。首先利用多头软注意力（MS ATT）结合内卷网络Involution分别从空间图和时间图输入中提取稀疏空间和稀疏时间邻接矩阵,生成稀疏空间和稀疏时间有向图;然后,利用图卷积网络（GCN）从稀疏空间和稀疏时间有向图中学习交互作用与运动趋势特征;最后,将学习到的轨迹特征输入时间卷积网络（TCN）以预测双高斯分布参数,生成行人预测轨迹。在ETH和UCY数据集上的实验结果表明：相较于空时社交关系池化行人轨迹预测模型（SOPM）,所提算法的平均位移误差（ADE）降低了2.78%;相较于稀疏图卷积网络（SGCN）,所提算法的最终位移误差（FDE）降低了16.92%。     

基于时空图卷积网络的交通事故风险预测研究

交通事故的预测是通过对过去路段发生的交通事故进行分析,在综合考虑影响交通事故的相关因素后,对未来路段的交通事故发生状态进行预测。以往的大多数研究通常采用传统机器学习方法或单一深度学习模型预测法,利用网格化确定预测空间的单位,忽略了影响交通事故的天气、路况等外部因素,导致模型的预测性能不佳。提出一种基于时空特性的城市交通事故风险预测模型,在模型中使用改进的时空图卷积网络,利用图卷积网络（GCN）提取空间相关特征,并加入批标准化层解决梯度消失爆炸问题。在时间维度上采用门控线性单元（GLU）实现一维卷积操作,提取时间相关特征,并将GCN和GLU组合成时空卷积模块提取时空相关特征,使用均方误差损失函数解决样本数据零膨胀问题。实验结果表明,与GLU、SDCAE和ConvLSTM模型相比,该模型的RMSE指标分别降低了28%、4.87%、4.19%,能有效捕获时空相关性,综合性能得到较大提升。     

基于多视图注意力机制的多维度价格预测模型研究

传统的股票价格预测模型只针对单一维度价格进行预测,忽略了多维度价格之间的复杂关系。因此,为了更好地对股票价格进行准确预测和为决策者提供前瞻性信息,提出了一种新的基于多视图注意力机制的多维度价格预测模型。通过多视图的深度可分离卷积网络学习多维度股票价格潜在的复杂的输入—输出关系,更好地提取股票价格的时空特征,实现时空数据的智能关联,并使用注意力机制进一步提升模型的预测性能,进而通过时空多维度的股价历史数据来预测单和多时间步长股票价格。该模型与其他四种模型在中国银行股价数据集上进行实验和比较,发现所提模型在不同预测时长下相比于表现最好的模型,平均绝对误差分别降低了0.4%、0.5%、4.2%、3.9%,均方误差分别降低了0.8%、2%、1.9%、1.9%,平均百分比误差分别降低了0.15%、0.21%、1.24%和1.34%。因此所提模型预测精度最高,预测性能最好,并且在对其他维度的股票价格预测上具有普适性。     

基于ACGRU模型的短时交通流预测

针对现有交通流预测模型未能充分利用交通流数据的时空特征以实现准确预测的问题,提出一种结合注意力机制的卷积门控循环单元预测模型（ACGRU）。该模型利用卷积神经网络（CNN）和门控循环单元（GRU）提取交通流的时空特征,然后使用注意力机制生成含有注意力概率分布的交通流特征表示,同时利用交通流的周相似性提取周期特征,将所有特征相互融合进行回归预测。在真实交通流数据集上的实验表明,提出的ACGRU模型具有更高的预测精度,预测误差相比其他预测模型平均降低了9%。     

基于多尺度融合的图像超分辨率重建北大核心CSCD

针对卷积神经网络在图像超分辨率重建任务上忽视提取多尺度特征的问题,提出了一种多尺度融合网络结构。该模型从不同空间尺寸的特征图中提取高频和低频特征,并引入注意力机制,能够自适应地调整不同通道和空间区域的权重。同时,利用不同尺寸的卷积核捕捉多尺度特征,以更好地恢复图像高频细节。在多个基准数据集上进行实验,结果表明,该模型在峰值信噪比、结构相似性和视觉效果上均优于其他几种先进的图像超分辨率重建模型。     

基于重构误差的同构图分类模型

目前深度学习方法应用于图分类模型的重点集中在将卷积神经网络迁移到图数据领域,包括重定义卷积层和池化层。卷积操作泛化到图数据上是有效的方法,但无论是卷积还是池化都存在较大的改进空间,尤其是在提取网络拓扑结构信息方面。提出一种基于重构误差的同构图分类模型,一方面利用改进的同构图卷积网络WaveGIC增强提取拓扑结构信息能力;另一方面利用多重注意力机制表征全图,使得模型能够关注关键节点信息。由于网络加深过程,局部拓扑结构的特征表达越来越不明显。在分类损失基础上添加重构误差损失,使分类器同时考虑图的节点特征和拓扑结构。在基准数据集上的实验结果表明,提出的方法具有较高的图分类准确度。     

基于3D卷积神经网络的动态手势识别

传统的2D卷积神经网络在进行视频识别时容易丢失目标在时间维度上的相关特征信息,导致识别准确率降低。针对该问题,本文采用3D卷积网络作为基本的网络框架,使用3D卷积核进行卷积操作提取视频中的时空特征,同时集成多个3D卷积神经网络模型对动态手势进行识别。为了提高模型的收敛速度和训练的稳定性,运用批量归一化（BN）技术优化网络,使优化后的网络训练时间缩短。实验结果表明,本文方法对于动态手势的识别具有较好的识别结果,在Sheffield Kinect Gesture (SKIG)数据集上识别准确率达到98.06%。与单独使用RGB信息、深度信息以及传统2D CNN相比,手势识别率均有所提高,验证了本文方法的可行性和有效性。     

融合CNN-BiLSTM-Attention的集成学习价格预测

价格预测对于大宗农产品市场的稳定具有重要意义,但是大宗农产品价格与多种因素有着复杂的相关关系.针对当前价格预测中对数据完整性依赖性强与单一模型难以全面利用多种数据特征等问题,提出了一种将基于注意力机制的卷积双向长短期记忆神经网络(CNN-BiLSTM-Attention)、支持向量机回归(SVR)与LightGBM组合的增强式集成学习方法,并分别在包含历史交易、天气、汇率、油价等多种特征数据的数据集上进行了实验.实验以小麦和棉花价格预测为目标任务,使用互信息法进行特征选择,选择误差较低的CNN-BiLSTM-Attention模型作为基模型,与机器学习模型通过线性回归进行增强式集成学习.实验结果表明该集成学习方法在小麦及棉花数据集上预测结果的均方根误差(RMSE)值分别为12.812, 74.365,较之3个基模型分别降低11.00%, 0.94%、4.44%,1.99%与13.03%, 4.39%,能够有效降低价格预测的误差.     

一种新的高效轻量级卷积神经网络模型

针对目前食物识别系统中网络模型参数量多、模型较大的问题，提出一种23层结构、参数量只有204k的网络模型，使用基本构造块（7×7、5×5、3×3）生成特征图，用不同感受野的2个池化层来融合卷积层的特征图，再用1×1的卷积核进行非线性组合，然后连接到空间金字塔池化层，最后在softmax分类器中分类。在公开数据集上的实验表明，与ResNet50和GoogLeNet相比，本文网络模型在分类性能不降低的情况下，模型参数分别减少了99.14%和96.63%。     

基于多核学习卷积神经网络的稀疏数据推荐

针对当前稀疏数据推荐准确率低的问题,提出一种基于多核学习卷积神经网络的稀疏数据推荐算法.将项目的辅助信息送入卷积神经网络学习特征,将向量在可再生核希尔伯特空间组合,利用多核学习技术增强卷积神经网络的特征学习能力;基于学习的卷积特征集初始化非负矩阵模型,通过非负矩阵模型实现对缺失评分的预测.实验结果表明,该算法有效提高了稀疏数据集的推荐性能,验证了多核学习卷积神经网络的有效性.     

基于改进eRCNN的局部路网交通流预测

针对误差反馈循环卷积神经网络在运用到短时交通流预测时存在仅仅能接收时序误差序列,忽略交通流误差数据中隐含的空间拓扑特征,且在模型初始化时其采用的通用卷积神经网络初始化方法降低了模型训练效率的问题,本文提出一种优化的误差反馈循环卷积神经网络模型,在误差反馈循环卷积神经网络模型基础上根据预测误差数据的时空特性对误差反馈层进行结构强化,能够处理包含简单空间关系的误差序列。同时通过在模型训练的过程中分离模型产生的历史预测误差和训练误差,使得模型构建过程更加高效,加速了模型收敛速度。通过北京市四环道路交通数据的实验表明,优化的误差反馈循环卷积神经网络预测模型在预测精度、构建效率及鲁棒性上均得到有效提高。