结合特征图切分的图像语义分割

目的 基于全卷积神经网络的图像语义分割研究已成为该领域的主流研究方向。然而,在该网络框架中由于特征图的多次下采样使得图像分辨率逐渐下降,致使小目标丢失,边缘粗糙,语义分割结果较差。为解决或缓解该问题,提出一种基于特征图切分的图像语义分割方法。方法 本文方法主要包含中间层特征图切分与相对应的特征提取两部分操作。特征图切分模块主要针对中间层特征图,将其切分成若干等份,同时将每一份上采样至原特征图大小,使每个切分区域的分辨率增大;然后,各个切分特征图通过参数共享的特征提取模块,该模块中的多尺度卷积与注意力机制,有效利用各切块的上下文信息与判别信息,使其更关注局部区域的小目标物体,提高小目标物体的判别力。进一步,再将提取的特征与网络原输出相融合,从而能够更高效地进行中间层特征复用,对小目标识别定位、分割边缘精细化以及网络语义判别力有明显改善。结果 在两个城市道路数据集CamVid以及GATECH上进行验证实验,论证本文方法的有效性。在CamVid数据集上平均交并比达到66.3%,在GATECH上平均交并比达到52.6%。结论 基于特征图切分的图像分割方法,更好地利用了图像的空间区域分布信息,增强了网络对于不同空间位置的语义类别判定能力以及小目标物体的关注度,提供更有效的上下文信息和全局信息,提高了网络对于小目标物体的判别能力,改善了网络整体分割性能。     

多尺度特征融合工件目标语义分割

目的 目标语义特征提取效果直接影响图像语义分割的精度,传统的单尺度特征提取方法对目标的语义分割精度较低,为此,提出一种基于多尺度特征融合的工件目标语义分割方法,利用卷积神经网络提取目标的多尺度局部特征语义信息,并将不同尺度的语义信息进行像素融合,使神经网络充分捕获图像中的上下文信息,获得更好的特征表示,有效实现工件目标的语义分割。方法 使用常用的多类工件图像定义视觉任务,利用残差网络模块获得目标的单尺度语义特征图,再结合本文提出的多尺度特征提取方式获得不同尺度的局部特征语义信息,通过信息融合获得目标分割图。使用上述方法经多次迭代训练后得到与视觉任务相关的工件目标分割模型,并对训练权重与超参数进行保存。结果 将本文方法和传统的单尺度特征提取方法做定性和定量的测试实验,结果表明,获得的分割网络模型对测试集中的目标都具有较精确的分割能力,与单尺度特征提取方法相比,本文方法的平均交并比mIOU（mean intersection over union）指标在验证集上训练精度提高了4.52%,在测试集上分割精度提高了4.84%。当测试样本中包含的目标种类较少且目标边缘清晰时,本文方法能够得到更精准的分割结果。结论 本文提出的语义分割方法,通过多尺度特征融合的方式增强了神经网络模型对目标特征的提取能力,使训练得到的分割网络模型比传统的单尺度特征提取方式在测试集上具有更优秀的性能,从而验证了所提出方法的有效性。     

双核压缩激活神经网络艺术图像分类

目的 为了充分提取版画、中国画、油画、水彩画和水粉画等艺术图像的整体风格和局部细节特征,实现计算机自动分类检索艺术图像的需求,提出通过双核压缩激活模块（double kernel squeeze-and-excitation,DKSE）和深度可分离卷积搭建卷积神经网络对艺术图像进行分类。方法 根据SKNet（selective kernel networks）自适应调节感受野提取图像整体与细节特征的结构特点和SENet（squeeze-and-excitation networks）增强通道特征的特点构建DKSE模块,利用DKSE模块分支上的卷积核提取输入图像的整体特征与局部细节特征;将分支上的特征图进行特征融合,并对融合后的特征图进行特征压缩和激活处理;将处理后的特征加权映射到不同分支的特征图上并进行特征融合;通过DKSE模块与深度可分离卷积搭建卷积神经网络对艺术图像进行分类。结果 使用本文网络模型对有无数据增强（5类艺术图像数据增强后共25 634幅）处理的数据分类,数据增强后的分类准确率比未增强处理的准确率高9.21%。将本文方法与其他网络模型和传统分类方法相比,本文方法的分类准确率达到86.55%,比传统分类方法高26.35%。当DKSE模块分支上的卷积核为1×1和5×5,且放在本文网络模型第3个深度可分离卷积后,分类准确率达到87.58%。结论 DKSE模块可以有效提高模型分类性能,充分提取艺术图像的整体与局部细节特征,比传统网络模型具有更好的分类准确率。     

分层特征融合注意力网络图像超分辨率重建

目的 深层卷积神经网络在单幅图像超分辨率任务中取得了巨大成功。从3个卷积层的超分辨率重建卷积神经网络（super-resolution convolutional neural network,SRCNN）到超过300层的残差注意力网络（residual channel attention network,RCAN）,网络的深度和整体性能有了显著提高。然而,尽管深层网络方法提高了重建图像的质量,但因计算量大、实时性差等问题并不适合真实场景。针对该问题,本文提出轻量级的层次特征融合空间注意力网络来快速重建图像的高频细节。方法 网络由浅层特征提取层、分层特征融合层、上采样层和重建层组成。浅层特征提取层使用1个卷积层提取浅层特征,并对特征通道进行扩充;分层特征融合层由局部特征融合和全局特征融合组成,整个网络包含9个残差注意力块（residual attention block,RAB）,每3个构成一个残差注意力组,分别在组内和组间进行局部特征融合和全局特征融合。在每个残差注意力块内部,首先使用卷积层提取特征,再使用空间注意力模块对特征图的不同空间位置分配不同的权重,提高高频区域特征的注意力,以快速恢复高频细节信息;上采样层使用亚像素卷积对特征图进行上采样,将特征图放大到目标图像的尺寸;重建层使用1个卷积层进行重建,得到重建后的高分辨率图像。结果 在Set5、Set14、BSD（Berkeley segmentation dataset）100、Urban100和Manga109测试数据集上进行测试。当放大因子为4时,峰值信噪比分别为31.98 dB、28.40 dB、27.45 dB、25.77 dB和29.37 dB。本文算法比其他同等规模的网络在测试结果上有明显提升。结论 本文提出的多层特征融合注意力网络,通过结合空间注意力模块和分层特征融合结构的优势,可以快速恢复图像的高频细节并且具有较小的计算复杂度。     

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。     

编码—解码结构的语义分割

目的 语义分割是计算机视觉中一项具有挑战性的任务,其核心是为图像中的每个像素分配相应的语义类别标签。然而,在语义分割任务中,缺乏丰富的多尺度信息和足够的空间信息会严重影响图像分割结果。为进一步提升图像分割效果,从提取丰富的多尺度信息和充分的空间信息出发,本文提出了一种基于编码-解码结构的语义分割模型。方法 运用ResNet-101网络作为模型的骨架提取特征图,在骨架末端附加一个多尺度信息融合模块,用于在网络深层提取区分力强且多尺度信息丰富的特征图。并且,在网络浅层引入空间信息捕获模块来提取丰富的空间信息。由空间信息捕获模块捕获的带有丰富空间信息的特征图和由多尺度信息融合模块提取的区分力强且多尺度信息丰富的特征图将融合为一个新的信息丰富的特征图集合,经过多核卷积块细化之后,最终运用数据依赖的上采样（DUpsampling）操作得到图像分割结果。结果 此模型在2个公开数据集（Cityscapes数据集和PASCAL VOC 2012数据集）上进行了大量实验,验证了所设计的每个模块及整个模型的有效性。新模型与最新的10种方法进行了比较,在Cityscapes数据集中,相比于RefineNet模型、DeepLabv2-CRF模型和LRR（Laplacian reconstruction and refinement）模型,平均交并比（mIoU）值分别提高了0.52%、3.72%和4.42%;在PASCAL VOC 2012数据集中,相比于Piecewise模型、DPN（deep parsing network）模型和GCRF（Gaussion conditional random field network）模型,mIoU值分别提高了6.23%、7.43%和8.33%。结论 本文语义分割模型,提取了更加丰富的多尺度信息和空间信息,使得分割结果更加准确。此模型可应用于医学图像分析、自动驾驶、无人机等领域。     

结合上下文特征与CNN多层特征融合的语义分割

目的 针对基于区域的语义分割方法在进行语义分割时容易缺失细节信息,造成图像语义分割结果粗糙、准确度低的问题,提出结合上下文特征与卷积神经网络（CNN）多层特征融合的语义分割方法。方法 首先,采用选择搜索方法从图像中生成不同尺度的候选区域,得到区域特征掩膜;其次,采用卷积神经网络提取每个区域的特征,并行融合高层特征与低层特征。由于不同层提取的特征图大小不同,采用RefineNet模型将不同分辨率的特征图进行融合;最后将区域特征掩膜和融合后的特征图输入到自由形式感兴趣区域池化层,经过softmax分类层得到图像的像素级分类标签。结果 采用上下文特征与CNN多层特征融合作为算法的基本框架,得到了较好的性能,实验内容主要包括CNN多层特征融合、结合背景信息和融合特征以及dropout值对实验结果的影响分析,在Siftflow数据集上进行测试,像素准确率达到82.3%,平均准确率达到63.1%。与当前基于区域的端到端语义分割模型相比,像素准确率提高了10.6%,平均准确率提高了0.6%。结论 本文算法结合了区域的前景信息和上下文信息,充分利用了区域的语境信息,采用弃权原则降低网络的参数量,避免过拟合,同时利用RefineNet网络模型对CNN多层特征进行融合,有效地将图像的多层细节信息用于分割,增强了模型对于区域中小目标物体的判别能力,对于有遮挡和复杂背景的图像表现出较好的分割效果。     

多通道融合可分离卷积神经网络下的脑部磁共振图像分割

目的 卷积神经网络方法可以提取到图像的深层次信息特征,在脑部磁共振图像（MRI）分割领域展现出优秀的性能。但大部分深度学习方法都存在参数量大,边缘分割不准确的问题。为克服上述问题,本文提出一种多通道融合可分离卷积神经网络（MFSCNN）模型分割脑图像。方法 首先,在训练集中增加待分割脑结构及其边缘像素点的权重,强制使网络学习如何分割脑结构边缘部分,从而提升整体脑结构分割的准确率。其次,引入残差单元,以避免梯度弥散,同时使用深度可分离卷积代替原始的卷积层,在不改变网络每个阶段特征通道数的情况下,减少了网络训练的参数数量和训练时间,降低了训练成本。最后,将不同阶段的特征信息合并在一起,进行通道混洗,得到同时包含深浅层次信息的增强信息特征,加入到网络中进行训练,每个阶段的输入特征信息更丰富,学习特征的速度和收敛速度更快,显著地提升了网络的分割性能。结果 在IBSR（internet brain segmentation repositor）数据集上的分割结果表明,MFSCNN的分割性能相对于普通卷积神经网络（CNN）方法要明显提高,且在边缘复杂的部分,分割效果更理想,Dice和IOU（intersection over union）值分别提升了0.9% 6.6%,1.3% 9.7%。在边缘平滑的部分,MFSCNN方法比引入残差块的神经网络模型（ResCNN）和引入局部全连接模块的神经网络模型（DenseCNN）分割效果要好,而且MFSCNN的参数量仅为ResCNN的50%,DenseCNN的28%,在提升分割性能的同时,也降低了运算复杂度,缩短了训练时间。同时,在IBSR、Hammer67n20、LPBA40这3个数据集上,MFSCNN的分割性能比现有的其他主流方法更出色。结论 本文提出的MFSCNN方法,加强了网络特征的信息量,提升了网络模型的训练速度,在不同数据集上均获得更精确的MR脑部图像分割结果。     

残差密集空间金字塔网络的城市遥感图像分割

目的 遥感图像语义分割是根据土地覆盖类型对图像中每个像素进行分类,是遥感图像处理领域的一个重要研究方向。由于遥感图像包含的地物尺度差别大、地物边界复杂等原因,准确提取遥感图像特征具有一定难度,使得精确分割遥感图像比较困难。卷积神经网络因其自主分层提取图像特征的特点逐步成为图像处理领域的主流算法,本文将基于残差密集空间金字塔的卷积神经网络应用于城市地区遥感图像分割,以提升高分辨率城市地区遥感影像语义分割的精度。方法 模型将带孔卷积引入残差网络,代替网络中的下采样操作,在扩大特征图感受野的同时能够保持特征图尺寸不变;模型基于密集连接机制级联空间金字塔结构各分支,每个分支的输出都有更加密集的感受野信息;模型利用跳线连接跨层融合网络特征,结合网络中的高层语义特征和低层纹理特征恢复空间信息。结果 基于ISPRS （International Society for Photogrammetry and Remote Sensing） Vaihingen地区遥感数据集展开充分的实验研究,实验结果表明,本文模型在6种不同的地物分类上的平均交并比和平均F₁值分别达到69.88%和81.39%,性能在数学指标和视觉效果上均优于SegNet、pix2pix、Res-shuffling-Net以及SDFCN （symmetrical dense-shortcut fully convolutional network）算法。结论 将密集连接改进空间金字塔池化网络应用于高分辨率遥感图像语义分割,该模型利用了遥感图像不同尺度下的特征、高层语义信息和低层纹理信息,有效提升了城市地区遥感图像分割精度。     

注意力机制下密集空洞卷积的肺部图像分割

目的 卷积神经网络（convolutional neural network,CNN）在计算机辅助诊断（computer-aided diagnosis,CAD）肺部疾病方面具有广泛的应用,其主要工作在于肺部实质的分割、肺结节检测以及病变分析,而肺实质的精确分割是肺结节检出和肺部疾病诊断的关键。因此,为了更好地适应计算机辅助诊断系统要求,提出一种融合注意力机制和密集空洞卷积的具有编码—解码模式的卷积神经网络,进行肺部分割。方法 将注意力机制引入网络的解码部分,通过增大关键信息权重以突出目标区域抑制背景像素干扰。为了获取更广更深的语义信息,将密集空洞卷积模块部署在网络中间,该模块集合了Inception、残差结构以及多尺度空洞卷积的优点,在不引起梯度爆炸和梯度消失的情况下,获得了更深层次的特征信息。针对分割网络常见的特征丢失等问题,对网络中的上/下采样模块进行改进,利用多个不同尺度的卷积核级联加宽网络,有效避免了特征丢失。结果 在LUNA （lung nodule analysis）数据集上与现有5种主流分割网络进行比较实验和消融实验,结果表明,本文模型得到的预测图更接近于标签图像。Dice相似系数、交并比（intersection over union,IoU）、准确度（accuracy,ACC）以及敏感度（sensitivity,SE）等评价指标均优于对比方法,相比于性能第2的模型,分别提高了0.443%,0.272%,0.512%以及0.374%。结论 本文提出了一种融合注意力机制与密集空洞卷积的肺部分割网络,相对于其他分割网络取得了更好的分割效果。     

结合注意力机制的双路径语义分割

目的 针对现有语义分割算法存在的因池化操作造成分辨率降低导致的分割结果变差、忽视特征图不同通道和位置特征的区别以及特征图融合时方法简单,没有考虑到不同感受视野特征区别等问题,设计了一种基于膨胀卷积和注意力机制的语义分割算法。方法 主要包括两条路径：空间信息路径使用膨胀卷积,采用较小的下采样倍数以保持图像的分辨率,获得图像的细节信息;语义信息路径使用ResNet（residual network）采集特征以获得较大的感受视野,引入注意力机制模块为特征图的不同部分分配权重,使得精度损失降低。设计特征融合模块为两条路径获得的不同感受视野的特征图分配权重,并将其融合到一起,得到最后的分割结果。结果 为证实结果的有效性,在Camvid和Cityscapes数据集上进行验证,使用平均交并比（mean intersection over union,MIoU）和精确度（precision）作为度量标准。结果显示,在Camvid数据集上,MIoU和精确度分别为69.47%和92.32%,比性能第2的模型分别提高了1.3%和3.09%。在Cityscapes数据集上,MIoU和精确度分别为78.48%和93.83%,比性能第2的模型分别提高了1.16%和3.60%。结论 本文采用膨胀卷积和注意力机制模块,在保证感受视野并且提高分辨率的同时,弥补了下采样带来的精度损失,能够更好地指导模型学习,且提出的特征融合模块可以更好地融合不同感受视野的特征。     

融合注意力和多尺度特征的街景图像语义分割

为了解决在街道场景图像语义分割任务中传统U-Net网络在多尺度类别下目标分割的准确率较低和图像上下文特征的关联性较差等问题,提出一种改进U-Net的语义分割网络AS-UNet,实现对街道场景图像的精确分割.首先,在U-Net网络中融入空间通道挤压激励(spatial and channel squeeze&excitation block, scSE)注意力机制模块,在通道和空间两个维度来引导卷积神经网络关注与分割任务相关的语义类别,以提取更多有效的语义信息;其次,为了获取图像的全局上下文信息,聚合多尺度特征图来进行特征增强,将空洞空间金字塔池化(atrous spatial pyramid pooling, ASPP)多尺度特征融合模块嵌入到U-Net网络中;最后,通过组合使用交叉熵损失函数和Dice损失函数来解决街道场景目标类别不平衡的问题,进一步提升分割的准确性.实验结果表明,在街道场景Cityscapes数据集和Cam Vid数据集上AS-UNet网络模型的平均交并比(mean intersection over union, MIo U)相较于传统U-Net网络分别提...     

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。     

特征注意金字塔调制网络的视频目标分割

目的 视频目标分割是在给定第1帧标注对象掩模条件下,实现对整个视频序列中感兴趣目标的分割。但是由于分割对象尺度的多样性,现有的视频目标分割算法缺乏有效的策略来融合不同尺度的特征信息。因此,本文提出一种特征注意金字塔调制网络模块用于视频目标分割。方法 首先利用视觉调制器网络和空间调制器网络学习分割对象的视觉和空间信息,并以此为先验引导分割模型适应特定对象的外观。然后通过特征注意金字塔模块挖掘全局上下文信息,解决分割对象多尺度的问题。结果 实验表明,在DAVIS 2016数据集上,本文方法在不使用在线微调的情况下,与使用在线微调的最先进方法相比,表现出更具竞争力的结果,J-mean指标达到了78.7%。在使用在线微调后,本文方法的性能在DAVIS 2017数据集上实现了最好的结果,J-mean指标达到了68.8%。结论 特征注意金字塔调制网络的视频目标分割算法在对感兴趣对象分割的同时,针对不同尺度的对象掩模能有效结合上下文信息,减少细节信息的丢失,实现高质量视频对象分割。     

基于多级特征图联合上采样的实时语义分割

视觉感知是无人驾驶技术中的重要一环,而语义分割技术又是实现视觉感知的主要技术手段之一.现在的语义分割技术多采用计算量大、内存占用高的空洞卷积来提取高分辨率特征图,从而导致现在主流的语义分割网络分割速度不足,无法有效应用于无人驾驶的场景中.针对这一问题,提出了一种实时性更好的语义分割网络.首先,采用了一种轻量级的卷积神经...     

基于深度特征融合的图像语义分割

在图像语义分割中使用卷积网络进行特征提取时,由于最大池化和下采样操作的重复组合引起了特征分辨率降低,从而导致上下文信息丢失,使得分割结果失去对目标位置的敏感性。虽然基于编码器-解码器架构的网络通过跳跃连接在恢复分辨率的过程中逐渐细化了输出精度,但其将相邻特征简单求和的操作忽略了特征之间的差异性,容易导致目标局部误识别等问题。为此,文中提出了基于深度特征融合的图像语义分割方法。该方法采用多组全卷积VGG16模型并联组合的网络结构,结合空洞卷积并行高效地处理金字塔中的多尺度图像,提取了多个层级的上下文特征,并通过自顶向下的方法逐层融合,最大限度地捕获上下文信息;同时,以改进损失函数而得到的逐层标签监督策略为辅助支撑,联合后端像素建模的全连接条件随机场,无论是在模型训练的难易程度还是预测输出的精度方面都有一定的优化。实验数据表明,通过对表征不同尺度上下文信息的各层深度特征进行逐层融合,图像语义分割算法在目标对象的分类和空间细节的定位方面都有所提升。在PASCAL VOC 2012和PASCAL CONTEXT两个数据集上获得的实验结果显示,所提方法分别取得了80.5%和45.93%的mIoU准确率。实验数据充分说明,并联框架中的深度特征提取、特征逐层融合和逐层标签监督策略能够联合优化算法架构。特征对比表明,该模型能够捕获丰富的上下文信息,得到更加精细的图像语义特征,较同类方法具有明显的优势。     

基于卷积神经网络的语义分割算法研究

针对语义分割中残差网络并不能完好地提取图像信息和分割效果差的问题,提出一种联合特征金字塔模型(JFP)用来融合残差网络的输出特征,并结合暗黑空间金字塔池化模型(ASPP)进一步提取特征。在解码部分应用简单的解码结构,恢复图像尺寸完成语义分割;同时引入注意力模型作为辅助语义分割网络,辅助神经网络进行训练。该方法分别在Pascal VOC 2012数据集和增强的Pascal VOC 2012数据集上对网络进行训练,并在Pascal VOC 2012的验证集上进行测试,其平均交并集之比(mIoU)分别达到了78.55%和80.14%,表明该方法具有良好的语义分割性能。