S2R2:基于相关性与冗余性分析的半监督特征选择

特征选择是模式识别与数据挖掘的关键问题之一,它可以移除数据集中的冗余和不相关特征以提升学习性能。基于最大相关最小冗余准则,提出一种新的基于相关性与冗余性分析的半监督特征选择方法(S2R2),S2R2方法独立于任何分类学习算法。该方法首先对无监督相关度信息度量进行分析与扩充,然后结合信息增益,设计一种半监督特征相关性与冗余性度量,可以有效识别与移除不相关和冗余特征,最后采用增量搜索技术贪婪地构建特征子集,避免搜索指数级大小的解空间,提高算法的运行效率。本文还提出S2R2方法的快速过滤版本,FS2R2,以更好地应对大规模特征选择问题。多个标准数据集上的实验结果表明了所提方法的有效性和优越性。     

基于排序学习算法的智能检索系统

本文旨在解决数据资产管理系统中信息检索效率低、检索结果准确率低下的痛点,基于排序学习算法构建智能检索系统,提升检索结果和用户请求的相关性。对排序学习算法理论进行研究,对常用的排序学习算法进行相关优化,将分类问题扩展到文本排序问题之上,定义相关的目标函数及损失函数,使用机器学习的方法来提升检索结果的准确度。基于垂直分布式搜索引擎技术及排序学习算法构建智能检索系统,通过相关性工程提升检索请求转化的效率。实验表明本系统可以在优化检索速率的基础之上,提升检索语句与返回结果之间的相关性和检索的准确度。     

主动迁移学习的海上任意方向船只目标检测

在基于深度学习的遥感图像目标检测任务中,船只目标通常呈现出任意方向排列的特性,而常见的水平框目标检测算法一般不能满足此类场景的应用需求。因此本文在单阶段Anchor-Free目标检测器CenterNet的基础上加入旋转角度预测分支,使其能输出旋转边界框,以用于海上船只目标的检测。同时针对海上船只遥感数据集仅有水平边界框标注,无法直接适用于旋转框目标检测,且人工手动标注旋转框标签成本较高的问题,提出一种主动迁移学习的旋转框标签生成方法。首先,提出一种水平框-旋转框约束筛选算法,通过水平真值边界框来对旋转预测框进行监督约束,筛选出检测精度较高的图像加入训练集,然后通过迭代这一过程筛选出更多的图像,最后通过标签类别匹配,完成对数据集的旋转框自动化标注工作。本文最终对海上船只遥感图像数据集BDCI中约65.59%的图片进行旋转框标注,并手动标注部分未标注的图片作为测试集,将本文方法标注的图片作为训练集进行验证,评估指标AP50达到90.41%,高于其他旋转框检测器,从而表明本文方法的有效性。     

改进Mask R-CNN模型的海洋锋检测

目的 海洋锋的高效检测对海洋生态环境变化、渔业资源评估、渔情预报及台风路径预测等具有重要意义。海洋锋具有边界信息不明显且多变的弱边缘性,传统基于梯度阈值法及边缘检测的海洋锋检测方法,存在阈值选择不固定、判定指标不一致导致检测精度较低的问题。针对上述问题,基于Mask R-CNN（region convolutional neural network）提出一种改进的海洋锋自动检测方法。方法 兼顾考虑海洋锋的小数据量及弱边缘性,首先对数据扩增,并基于不同算法对海表温度（sea surface temperatures,SST）遥感影像进行增强;其次,基于迁移学习的思想采用COCO（common objects in context）数据集对网络模型进行初始化;同时,对Mask R-CNN中残差神经网络（residual neural network,ResNet）和特征金字塔模型（feature pyramid network,FPN）分别进行改进,在充分利用低层特征高分辨率和高层特征的高语义信息的基础上,对多个尺度的融合特征图分别进行目标预测,提升海洋锋的检测精度。结果 为验证本文方法的有效性,从训练数据和实验模型上分别设计多组对比实验。实验结果表明,相比常用的Mask R-CNN和YOLOv3（you only look once）神经网络,本文方法对SST梯度影像数据集上的海洋锋检测效果最好,海洋锋的定位准确率（intersection over union,IoU）及检测平均精度均值（mean average precision,mAP）达0.85以上。此外,通过对比分析实验结果发现,本文方法对强海洋锋的检测效果明显优于弱海洋锋。结论 本文根据专家经验设立合理的海洋锋检测标准,更好地考虑了海洋锋的弱边缘性。通过设计多组对比实验,验证了本文方法对海洋锋的高精度检测效果。     

改进U-Net型网络的遥感图像道路提取

目的 遥感图像道路提取在城市规划、交通管理、车辆导航和地图更新等领域中发挥了重要作用,但遥感图像受光照、噪声和遮挡等因素以及识别过程中大量相似的非道路目标干扰,导致提取高质量的遥感图像道路有很大难度。为此,提出一种结合上下文信息和注意力机制的U-Net型道路分割网络。方法 使用Resnet-34预训练网络作为编码器实现特征提取,通过上下文信息提取模块对图像的上下文信息进行整合,确保对道路的几何拓扑结构特征的提取;使用注意力机制对跳跃连接传递的特征进行权重调整,提升网络对于道路边缘区域的分割效果。结果 在公共数据集Deep Globe道路提取数据集上对模型进行测试,召回率和交并比指标分别达到0.847 2和0.691 5。与主流方法U-Net和CE-Net（context encoder network）等进行比较,实验结果表明本文方法在性能上表现良好,能有效提高道路分割的精确度。结论 本文针对遥感图像道路提取中道路结构不完整和道路边缘区域不清晰问题,提出一种结合上下文信息和注意力机制的遥感道路提取模型。实验结果表明该网络在遥感图像道路提取上达到良好效果,具有较高的研究和应用价值。     

深度学习多部位病灶检测与分割

目的 多部位病灶具有大小各异和类型多样的特点,对其准确检测和分割具有一定的难度。为此,本文设计了一种2.5D深度卷积神经网络模型,实现对多种病灶类型的计算机断层扫描（computed tomography,CT）图像的病灶检测与分割。方法 利用密集卷积网络和双向特征金字塔网络组成的骨干网络提取图像中的多尺度和多维度信息,输入为带有标注的中央切片和提供空间信息的相邻切片共同组合而成的CT切片组。将融合空间信息的特征图送入区域建议网络并生成候选区域样本,再由多阈值级联网络组成的Cascade R-CNN（region convolutional neural networks）筛选高质量样本送入检测与分割分支进行训练。结果 本文模型在DeepLesion数据集上进行验证。结果表明,在测试集上的平均检测精度为83.15%,分割预测结果与真实标签的端点平均距离误差为1.27 mm,直径平均误差为1.69 mm,分割性能优于MULAN（multitask universal lesion analysis network for joint lesion detection,tagging and segmentation）和Auto RECIST（response evaluation criteria in solid tumors）,且推断每幅图像平均时间花费仅91.7 ms。结论 对于多种部位的CT图像,本文模型取得良好的检测与分割性能,并且预测时间花费较少,适用病变类别与DeepLesion数据集类似的CT图像实现病灶检测与分割。本文模型在一定程度上能满足医疗人员利用计算机分析多部位CT图像的需求。     

自适应多模态特征融合胶质瘤分级网络

目的 胶质瘤的准确分级是辅助制定个性化治疗方案的主要手段,但现有研究大多数集中在基于肿瘤区域的分级预测上,需要事先勾画感兴趣区域,无法满足临床智能辅助诊断的实时性需求。因此,本文提出一种自适应多模态特征融合网络（adaptive multi-modal fusion net,AMMFNet）,在不需要勾画肿瘤区域的情况下,实现原始采集图像到胶质瘤级别的端到端准确预测。方法 AMMFNet方法采用4个同构异义网络分支提取不同模态的多尺度图像特征;利用自适应多模态特征融合模块和降维模块进行特征融合;结合交叉熵分类损失和特征嵌入损失提高胶质瘤的分类精度。为了验证模型性能,本文采用MICCAI （Medical Image Computing and Computer Assisted Intervention Society）2018公开数据集进行训练和测试,与前沿深度学习模型和最新的胶质瘤分类模型进行对比,并采用精度以及受试者曲线下面积（area under curve,AUC）等指标进行定量分析。结果 在无需勾画肿瘤区域的情况下,本文模型预测胶质瘤分级的AUC为0.965;在使用肿瘤区域时,其AUC高达0.997,精度为0.982,比目前最好的胶质瘤分类模型——多任务卷积神经网络同比提高1.2%。结论 本文提出的自适应多模态特征融合网络,通过结合多模态、多语义级别特征,可以在未勾画肿瘤区域的前提下,准确地实现胶质瘤分级预测。     

FGSC-23：面向深度学习精细识别的高分辨率光学遥感图像舰船目标数据集

目的 基于光学遥感图像的舰船目标识别研究广受关注,但是目前公开的光学遥感图像舰船目标识别数据集存在规模小、目标类别少等问题,难以训练出具有较高舰船识别精度的深度学习模型。为此,本文面向基于深度学习的舰船目标精细识别任务研究需求,搜集公开的包含舰船目标的高分辨率谷歌地球和GF-2卫星水面场景遥感图像,构建了一个高分辨率光学遥感图像舰船目标精细识别数据集（fine-grained ship collection-23,FGSC-23）。方法 将图像中的舰船目标裁剪出来,制作舰船样本切片,人工对目标类别进行标注,并在每个切片中增加舰船长宽比和分布方向两类属性标签,最终形成包含23个类别、4 052个实例的舰船目标识别数据集。结果 按1：4比例将数据集中各类别图像随机划分为测试集和训练集,并展开验证实验。实验结果表明,在通用识别模型识别效果验证中,VGG16（Visual Geometry Group 16-layer net）、ResNet50、Inception-v3、DenseNet121、MobileNet和Xception等经典卷积神经网络（convolutional neural network,CNN）模型的整体测试精度分别为79.88%、81.33%、83.88%、84.00%、84.24%和87.76%;在舰船目标精细识别的模型效果验证中,以VGG16和ResNet50模型为基准网络,改进模型在测试集上的整体测试精度分别为93.58%和93.09%。结论 构建的FGSC-23数据集能够满足舰船目标识别算法的验证任务。     

Intelligent fault diagnosis for rolling bearings based on graph shift regularization with directed graphs

Graph shift regularization is a new and effective graph-based semi-supervised classification method, but its performance is closely related to the representation graphs. Since directed graphs can convey more information about the relationship between vertices than undirected graphs, an intelligent method called graph shift regularization with directed graphs (GSR-D) is presented for fault diagnosis of rolling bearings. For greatly improving the diagnosis performance of GSR-D, a directed and weighted k-nearest neighbor graph is first constructed by treating each sample (i.e., each vibration signal segment) as a vertex, in which the similarity between samples is measured by cosine distance instead of the commonly used Euclidean distance, and the edge weights are also defined by cosine distance instead of the commonly used heat kernel. Then, the labels of samples are considered as the graph signals indexed by the vertices of the representation graph. Finally, the states of unlabeled samples are predicted by finding a graph signal that has minimal total variation and satisfies the constraint given by labeled samples as much as possible. Experimental results indicate that GSR-D is better and more stable than the standard convolutional neural network and support vector machine in rolling bearing fault diagnosis, and GSR-D only has two tuning parameters with certain robustness.