自适应卷积的残差修正单幅图像去雨

目的 雨天户外采集的图像常常因为雨线覆盖图像信息产生色变和模糊现象。为了提高雨天图像的质量,本文提出一种基于自适应选择卷积网络深度学习的单幅图像去雨算法。方法 针对雨图中背景误判和雨痕残留问题,加入网络训练的雨线修正系数（refine factor,RF）,改进现有雨图模型,更精确地描述雨图中各像素受到雨线的影响。构建选择卷积网络（selective kernel network,SK Net）,自适应地选择不同卷积核对应维度的信息,进一步学习、融合不同卷积核的信息,提高网络的表达力,最后构建包含SK Net、refine factor net和residual net子网络的自适应卷积残差修正网络（selective kernel convolution using a residual refine factor,SKRF）,直接学习雨线图和残差修正系数（RF）,减少映射区间,减少背景误判。结果 实验通过设计的SKRF网络,在公开的Rain12测试集上进行去雨实验,取得了比现有方法更高的精确度,峰值信噪比（peak signal to noise ratio,PSNR）达到34.62 dB,结构相似性（structural similarity,SSIM）达到0.970 6。表明SKRF网络对单幅图像去雨效果有明显优势。结论 单幅图像去雨SKRF算法为雨图模型中的雨线图提供一个额外的修正残差系数,以降低学习映射区间,自适应选择卷积网络模型提升雨图模型的表达力和兼容性。     

面向人脸年龄估计的深度融合神经网络

目的 为了提高人脸图像年龄估计的精度,提出一种端对端可训练的深度神经网络模型来进行人脸年龄估计。方法 该网络模型由多个卷积神经网络（CNN）和一个深度置信网络（DBN）堆叠而成,称为深度融合网络（DFN）。首先使用多个并联的CNN提取人脸图像多个区域的外观特征,将得到的特征进行串接输入一个DBN网络进行非线性融合。为了实现DFN的端到端的整体训练,提出一种逐网络迭代训练（INWT）的机制。为了降低过拟合效应,那些对应人脸局部图像的CNN经过多次迭代迁移学习实现面向人脸年龄估计任务的训练。完成对DFN中所有CNN和DBN的预训练后,再进行全网络端到端的整体精调。结果 在两个人脸年龄图像库MORPHⅡ和FG-NET上对本文方法进行测试,实验结果显示基于DFN的人脸年龄估计方法能在两个人脸图像库中分别取得平均绝对误差（MAE）等于3.42和4.14的估计精度,与目前主流的年龄估计算法,如基于浅层学习的CA-SVR方法（两个数据库上取得的MAE分别等于5.88和4.75）,基于深度学习的DeepRank+方法（MORPHⅡ数据库上取得的MAE为3.49）和Deep-CS-LBMFL方法（FG-NET数据库上取得的MAE为4.22）等相比,估计精确度明显提高。结论 本文提出基于深度融合网络的人脸年龄估计方法与当前大部分基于深度神经网络的主流算法相比具有明显的优势。     

图注意力网络的场景图到图像生成模型

目的 目前文本到图像的生成模型仅在具有单个对象的图像数据集上表现良好，当一幅图像涉及多个对象和关系时，生成的图像就会变得混乱。已有的解决方案是将文本描述转换为更能表示图像中场景关系的场景图结构，然后利用场景图生成图像，但是现有的场景图到图像的生成模型最终生成的图像不够清晰，对象细节不足。为此，提出一种基于图注意力网络的场景图到图像的生成模型，生成更高质量的图像。方法 模型由提取场景图特征的图注意力网络、合成场景布局的对象布局网络、将场景布局转换为生成图像的级联细化网络以及提高生成图像质量的鉴别器网络组成。图注意力网络将得到的具有更强表达能力的输出对象特征向量传递给改进的对象布局网络，合成更接近真实标签的场景布局。同时，提出使用特征匹配的方式计算图像损失，使得最终生成图像与真实图像在语义上更加相似。结果 通过在包含多个对象的COCO-Stuff图像数据集中训练模型生成64×64像素的图像，本文模型可以生成包含多个对象和关系的复杂场景图像，且生成图像的Inception Score为7.8左右，与原有的场景图到图像生成模型相比提高了0.5。结论 本文提出的基于图注意力网络的场景图到图像生成模型不仅可以生成包含多个对象和关系的复杂场景图像，而且生成图像质量更高，细节更清晰。     

基于辐照度的运动模糊图像去模糊

目的 已有的图像运动去模糊研究没有考虑模糊实际上发生在辐照度图像中的问题,也缺少自动检测成块饱和像素的方法。针对这两个问题,提出基于辐照度的运动模糊图像去模糊方法。方法 提出能量累积形成模糊的运动过程与摄像机响应函数相结合的摄像机响应函数求解方法,以及基于块的饱和像素自动检测算法并在此基础上,对辐照度图去除运动模糊和亮度还原,实现清晰原图恢复。结果 对单幅图像的定性去模糊取得了比直接去模糊等前人方法更小的振铃,较好的噪声抑制和清晰图像还原效果;采用信噪比的定量对比也取得较前人方法更高的数值。结论 基于辐照度的方法对图像运动去模糊效率有提升作用。     

融合3D注意力和Transformer的图像去雨网络

目的 因为有雨图像中雨线存在方向、密度和大小等各方面的差异,单幅图像去雨依旧是一个充满挑战的研究问题。现有算法在某些复杂图像上仍存在过度去雨或去雨不足等问题,部分复杂图像的边缘高频信息在去雨过程中被抹除,或图像中残留雨成分。针对上述问题,本文提出三维注意力和Transformer去雨网络(three-dimension attention and Transformer deraining network,TDATDN)。方法 将三维注意力机制与残差密集块结构相结合,以解决残差密集块通道高维度特征融合问题;使用Transformer计算特征全局关联性;针对去雨过程中图像高频信息被破坏和结构信息被抹除的问题,将多尺度结构相似性损失与常用图像去雨损失函数结合参与去雨网络训练。结果 本文将提出的TDATDN网络在Rain12000雨线数据集上进行实验。其中,峰值信噪比(peak signal to noise ratio,PSNR)达到33.01 dB,结构相似性(structural similarity,SSIM)达到0.927 8。实验结果表明,本文算法对比以往基于深度学习的神经网络去雨算法,显著改善了单幅图像去雨效果。结论 本文提出的TDATDN图像去雨网络结合了3D注意力机制、Transformer和编码器—解码器架构的优点,可较好地完成单幅图像去雨工作。     

选择性卷积特征融合的花卉图像分类

目的 针对花卉图像标注样本缺乏、标注成本高、传统基于深度学习的细粒度图像分类方法无法较好地定位花卉目标区域等问题,提出一种基于选择性深度卷积特征融合的无监督花卉图像分类方法。方法 构建基于选择性深度卷积特征融合的花卉图像分类网络。首先运用保持长宽比的尺寸归一化方法对花卉图像进行预处理,使得图像的尺寸相同,且目标不变形、不丢失图像细节信息;之后运用由ImageNet预训练好的深度卷积神经网络VGG-16模型对预处理的花卉图像进行特征学习,根据特征图的响应值分布选取有效的深度卷积特征,并将多层深度卷积特征进行融合;最后运用softmax分类层进行分类。结果 在Oxford 102 Flowers数据集上做了对比实验,将本文方法与传统的基于深度学习模型的花卉图像分类方法进行对比,本文方法的分类准确率达85.55%,较深度学习模型Xception高27.67%。结论 提出了基于选择性卷积特征融合的花卉图像分类方法,该方法采用无监督的方式定位花卉图像中的显著区域,去除了背景和噪声部分对花卉目标的干扰,提高了花卉图像分类的准确率,适用于处理缺乏带标注的样本时的花卉图像分类问题。     

循环生成对抗网络的线稿图像自动提取

目的 动漫制作中线稿绘制与上色耗时费力,为此很多研究致力于动漫制作过程自动化。目前基于数据驱动的自动化研究工作快速发展,但并没有一个公开的线稿数据集可供使用。针对真实线稿图像数据获取困难,以及现有线稿提取方法效果失真等问题,提出基于循环生成对抗网络的线稿图像自动提取模型。方法 模型基于循环生成对抗网络结构,以解决非对称数据训练问题。然后将不同比例的输入图像及其边界图输入到掩码指导卷积单元,以自适应选择网络中间特征。同时为了进一步提升网络提取线稿的效果,提出边界一致性约束损失函数,确保生成结果与输入图像在梯度变化上的一致性。结果 在公开的动漫彩色图像数据集Danbooru2018上,应用本文模型提取的线稿图像相比于现有线稿提取方法,噪声少、线条清晰且接近真实漫画家绘制的线稿图像。实验中邀请30名年龄在2025岁的用户,对本文以及其他4种方法提取的线稿图像进行打分。最终在30组测试样例中,本文方法提取的线稿图像被认为最佳的样例占总样例84%。结论 通过在循环生成对抗网络中引入掩码指导单元,更加合理地提取彩色图像的线稿图像,并通过对已有方法提取效果进行用户打分证明,在动漫线稿图像提取中本文方法优于对比方法。此外,该模型不需要大量真实线稿图像训练数据,实验中仅采集1 000幅左右真实线稿图像。模型不仅为后续动漫绘制与上色研究提供数据支持,同时也为图像边缘提取方法提供了新的解决方案。     

结合局部平面参数预测的无监督单目图像深度估计

目的 无监督单目图像深度估计是3维重建领域的一个重要方向,在视觉导航和障碍物检测等领域具有广泛的应用价值。针对目前主流方法存在的局部可微性问题,提出了一种基于局部平面参数预测的方法。方法将深度估计问题转化为局部平面参数估计问题,使用局部平面参数预测模块代替多尺度估计中上采样及生成深度图的过程。在每个尺度的深度图预测中根据局部平面参数恢复至标准尺度,然后依据针孔相机模型得到标准尺度深度图,以避免使用双线性插值带来的局部可微性,从而有效规避陷入局部极小值,配合在网络跳层连接中引入的串联注意力机制,提升网络的特征提取能力。结果 在KITTI（Karlsruhe Institute of Technology and Toyota Technological Institute at Chicago）自动驾驶数据集上进行了对比实验以及消融实验,与现存无监督方法和部分有监督方法进行对比,相比于最优数据,误差性指标降低了10% 20%,准确性指标提升了2%左右,同时,得到的稠密深度估计图具有清晰的边缘轮廓以及对反射区域更优的鲁棒性。结论 本文提出的基于局部平面参数预测的深度估计方法,充分利用卷积特征信息,避免了训练过程中陷入局部极小值,同时对网络添加几何约束,使测试指标及视觉效果更加优秀。     

深度特征融合注意力与双尺度的运动去模糊

目的 拍摄运动物体时,图像易出现运动模糊,这将影响计算机视觉任务的完成。为提升运动图像去模糊的质量,提出了基于深度特征融合注意力的双尺度去运动模糊网络。方法 首先,设计了双尺度网络,在网络结构上设计高低尺度通路,在低尺度上增加对模糊区域的注意力,在高尺度上提升网络的高频细节恢复能力,增强了模型去模糊效果。其次,设计了深度特征融合注意力模块,通过融合全尺度特征、构建通道注意力,将编码的全尺度特征与解码的同级特征进行拼接融合,进一步增强了网络的去模糊性能和细节恢复能力。最后,在双尺度的基础上,引入多尺度损失,使模型更加关注高频细节的恢复。结果 在3个数据集上,与12种去模糊方法进行了对比实验。在GoPro数据集上得到了最优结果,相比SRN （scale-recurrent network）方法,平均峰值信噪比提升了2.29 dB,能够恢复出更多的细节信息。在Kohler数据集上,得到了最高的峰值信噪比（29.91 dB）。在Lai数据集上,视觉上有最好的去模糊效果。结论 实验结果表明,本文方法可以有效去除运动模糊并恢复细节。     

抗高光的光场深度估计方法

目的 光场相机一次成像可以同时获取场景中光线的空间和角度信息,为深度估计提供了条件。然而,光场图像场景中出现高光现象使得深度估计变得困难。为了提高算法处理高光问题的可靠性,本文提出了一种基于光场图像多视角上下文信息的抗高光深度估计方法。方法 本文利用光场子孔径图像的多视角特性,创建多视角输入支路,获取不同视角下图像的特征信息;利用空洞卷积增大网络感受野,获取更大范围的图像上下文信息,通过同一深度平面未发生高光的区域的深度信息,进而恢复高光区域深度信息。同时,本文设计了一种新型的多尺度特征融合方法,串联多膨胀率空洞卷积特征与多卷积核普通卷积特征,进一步提高了估计结果的精度和平滑度。结果 实验在3个数据集上与最新的4种方法进行了比较。实验结果表明,本文方法整体深度估计性能较好,在4D light field benchmark合成数据集上,相比于性能第2的模型,均方误差（mean square error,MSE）降低了20.24%,坏像素率（bad pixel,BP）降低了2.62%,峰值信噪比（peak signal-to-noise ratio,PSNR）提高了4.96%。同时,通过对CVIA （computer vision and image analysis） Konstanz specular dataset合成数据集和Lytro Illum拍摄的真实场景数据集的定性分析,验证了本文算法的有效性和可靠性。消融实验结果表明多尺度特征融合方法改善了深度估计在高光区域的效果。结论 本文提出的深度估计模型能够有效估计图像深度信息。特别地,高光区域深度信息恢复精度高、物体边缘区域平滑,能够较好地保存图像细节信息。     

多尺度渐进式残差网络的图像去雨

目的 现有的去雨方法存在去雨不彻底和去雨后图像结构信息丢失等问题。针对这些问题,提出多尺度渐进式残差网络(multi scale progressive residual network, MSPRNet)的单幅图像去雨方法。方法 提出的多尺度渐进式残差网络通过3个不同感受野的子网络进行逐步去雨。将有雨图像通过具有较大感受野的初步去雨子网络去除图像中的大尺度雨痕。通过残留雨痕去除子网络进一步去除残留的雨痕。将中间去雨结果输入图像恢复子网络,通过这种渐进式网络逐步恢复去雨过程中损失的图像结构信息。为了充分利用残差网络的残差分支上包含的重要信息,提出了一种改进残差网络模块,并在每个子网络中引入注意力机制来指导改进残差网络模块去雨。结果 在5个数据集上与最新的8种方法进行对比实验,相较于其他方法中性能第1的模型,本文算法在5个数据集上分别获得了0.018、0.028、0.012、0.007和0.07的结构相似度(structural similarity, SSIM)增益。同时在Rain100L数据集上进行了消融实验,实验结果表明,每个子网络的缺失都会造成去雨性能的下降,提出的多尺度渐进式网...     

基于倍频卷积和注意力机制的图像去雨

针对机器视觉场景图像中由于雨线影响导致背景信息模糊、损失的问题,提出一种基于倍频卷积和注意力机制的图像去雨方法.首先,建立基于空-频域去雨模型,设计基于空间尺度变换和倍频卷积的频率特征分解模块,通过学习得到频率特征和雨线特征的映射关系,降低低频特征空间冗余,提高网络运行效率;其次,设计多层通道注意力模块映射雨线层权重信息,增强重要特征,挖掘雨线层之间的亮度差异,提高雨线检测性能;最后,通过序列操作迭代分解出不同成分的雨线信息,进而完成场景图像去雨.实验结果表明,所提方法对不同方向、形状的雨线和雨滴具有良好的去除性能,同时对于背景图像的细节与边缘信息也具有较好的保护作用.     

基于双注意力残差循环单幅图像去雨集成网络

降雨会严重降低拍摄图像质量和影响户外视觉任务.由于不同图像中,雨的形状、方向和密度不同,导致单幅图像去雨是一项困难的任务.提出一种新的基于双注意力的残差循环单幅图像去雨集成网络（简称RDARENet）.在网络中,因为上下文的信息对于去除雨痕十分重要,所以首先采用多尺度的扩张卷积网络去获得更大的感受野.雨痕信息可以认为是多个雨层特征的叠加,为了更好地提取雨痕的特征和恢复背景图层信息,运用了通道和空间注意力机制的残差网络.通道注意力能够反映不同雨层的权重,而空间注意力则通过相邻空间特征之间的关系增强区域的表征.随着网络的加深,防止低层信息的丢失,采用级联的残差网络和长短时间记忆网络,将低层特征信息传递到高层中去,逐阶段地去除雨痕.在网络的输出部分,采用集成学习的方式,将每个阶段的输出结果通过门控网络加权相加,得到最终的无雨图像.实验结果表明,去雨和恢复纹理细节的效果都得到较大提升.     

基于通道注意力和门控循环单元的图像去雨算法

在计算机视觉领域,雨线或者雨滴会使雨天拍摄的图像变得模糊,降低图像的质量.针对雨天图像质量低下的问题,提出了一种基于通道注意力和门控循环单元的图像去雨算法.该算法基本思路如下:首先将训练图像通过残差记忆模块提取特征;其次将提取的特征通过特征增强模块增加感受野,识别不同等级的雨线特征并将其增强,传递给后续的循环网络;最后网络循环过程中,通过门控循环单元块实现不同循环阶段之间的参数共享.实验结果利用客观评价指标和主观视觉效果进行评估,验证了该算法在较为复杂数据集上的有效性.     

一种基于雨线主方向自适应的全局稀疏去雨模型

针对现有单幅图像去雨算法较少考虑风力对雨线主方向产生影响的问题,当雨线偏离垂直方向时,现有方法未采取旋转或者只进行大致旋转,去雨后的结果图出现了雨线残留明显或背景模糊化的现象。因此,本文提出了一种基于雨线主方向自适应的全局稀疏去雨模型。首先,将方差最小的图像块与图像库的雨线图依据HOG特征进行匹配,将匹配度最高的雨线图主方向视作待处理雨图的雨线主方向,从而确定全局稀疏模型的旋转角。然后,通过3个包含旋转角的稀疏正则项构建全局稀疏模型进行去雨。最后,通过颜色掩膜对全局稀疏模型去雨后的部分背景进行保护,再与原来的CbCr通道重组,得到最终的去雨图。研究结果表明:在峰值信噪比和结构相似性方面,本文算法均比3种典型的对比算法有所提高,且运行时间相对短。本文算法在有效去除雨线的同时,可较大程度地保留图像的背景细节信息。     

基于半监督学习的单幅图像去雨算法

在雨天采集的图像通常存在背景物体被雨纹遮挡、图像变形等影响图像质量的现象,对后续图像分析及应用造成严重影响。近年来,已经提出了许多基于深度学习的去雨算法并获得了较好的效果。由于真实雨图的无雨纹干净背景图采集非常困难,大多数算法都采用监督学习即在含有配对标签的合成雨图数据集上进行模型训练。由于合成雨图和真实雨图中雨纹的亮度、透明度、形状等存在巨大差异,基于监督学习的去雨算法对真实雨图的泛化能力普遍较差。为提高去雨模型对真实雨图的去雨效果,提出了一种基于半监督学习的单幅图像去雨算法。该算法在模型训练过程中加入合成雨图和真实雨图并最小化两个输入图像转换成的特征向量的一阶信息和二阶统计信息差异,使两者特征分布一致。同时,针对雨纹复杂多样的特点,引入多尺度网络以获取更丰富的图像特征,并提高模型性能。实验结果表明,所提算法在Rain100H合成雨图测试集上相较JDNet、Syn2Real等算法在峰值信噪比（PSNR）和结构相似度（SSIM）上分别至少提升了0.66 dB、0.01,在去除雨纹的同时能最大限度保留图像细节和颜色信息;并且由于减少了分布差异,该算法在真实雨图测试集上的去雨效果明显优于现有的JDNet、Syn2Real等去雨算法,具有较强的泛化能力。所提算法可以应用于现有的基于监督学习的去雨算法并显著提高其去雨效果,拥有较高的独立性。     

单幅图像去雨数据集和深度学习算法的联合评估与展望

雨天会影响室外图像捕捉的质量,进而引起户外视觉任务性能下降。基于深度学习的单幅图像去雨研究因算法性能优越而引起了大家的关注,并且聚焦点集中在数据集的质量、图像去雨方法、单幅图像去雨后续高层任务的研究和性能评价指标等方面。为了方便研究者快速全面了解该领域,本文从上述4个方面综述了基于深度学习的单幅图像去雨的主流文献。依据数据集的构建方式将雨图数据集分为4类：基于背景雨层简单加和、背景雨层复杂融合、生成对抗网络 (generative adversarial network,GAN)数据驱动合成的数据集,以及半自动化采集的真实数据集。依据任务场景、采取的学习机制以及网络设计对主流算法分类总结。综述了面向单任务和联合任务的去雨算法,单任务即雨滴、雨纹、雨雾和暴雨的去除;联合任务即雨滴和雨纹、所有噪声去除。综述了学习机制和网络构建方式(比如:卷积神经网络 (convolutional neural network,CNN)结构多分支组合,GAN的生成结构,循环和多阶段结构,多尺度结构,编解码结构,基于注意力,基于Transformer)以及数据模型双驱动的构建方式。综述了单幅图像去雨后续高层任务的研究文献和图像去雨算法性能的评价指标。通过合成数据集和真实数据集上的综合实验对比,证实了领域知识隐式引导网络构建可以有效提升算法性能,领域知识显式引导正则化网络的学习有潜力进一步提升算法的泛化性。最后,指出单幅图像去雨工作目前面临的挑战和未来的研究方向。     

高效多尺度卷积自注意力单幅图像除雨方法

雨天作为较常见的一种自然天气情况,会极大地影响户外视觉系统所拍摄到的图像和视频数据的成像质量并制约后续高级计算机视觉任务的性能;针对目前除雨算法存在伪影残留、细节丢失等问题,为了充分提取图像特征,有效去除雨条纹,提高除雨效率,提出一种新颖的单阶段深度学习除雨方法;采用高效卷积和跨尺度自注意力相结合的方式,弥补纯卷积网络无法满足的全局特征建模能力;嵌入多尺度空间特征融合模块,有效增加网络的感受野,增强网络对不同分布的雨条纹特征的学习能力;设计了一种混合损失函数,利用各损失函数的优势来弥补单一损失函数表现出来的缺陷;经过在不同类型数据集上的大量实验证明,该算法不仅能够有效去除雨条纹,充分保留背景细节,而且处理速度也有显著的提升。