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。     

基于双池化特征加权结构CNN的图像分类

传统的池化方式会造成特征信息丢失,导致卷积神经网络中提取的特征信息不足。为了提高卷积神经网络在图像分类过程中的准确率,优化其学习性能,本文在传统池化方式的基础上提出一种双池化特征加权结构的池化算法,利用最大池化和平均池化2种方式保留更多的有价值的特征信息,并通过遗传算法对模型进行优化。通过训练不同池化方式的卷积神经网络,研究卷积神经网络在不同数据集上的分类准确率和收敛速度。实验在遥感图像数据集NWPU-RESISC45和彩色图像数据集Cifar-10上对采用几种池化方式的卷积神经网络分类结果进行对比验证,结果分析表明：双池化特征加权结构使得卷积神经网络的分类准确率有很大程度的提高,同时模型的收敛速度得到进一步提高。     

卷积神经网络在掌纹识别中的性能评估

目的 掌纹识别技术作为一种新兴的生物特征识别技术越来越受到广泛重视。深度学习是近10年来人工智能领域取得的重要突破。但是,基于深度学习的掌纹识别相关研究还比较初步,尤其缺乏深入的分析和讨论,且已有的工作使用的都是比较简单的神经网络模型。为此,本文使用多种卷积神经网络对掌纹识别进行性能评估。方法 选取比较典型的8种卷积神经网络模型,在5个掌纹数据库上针对不同网络模型、学习率、网络层数、训练数据量等进行性能评估,展开实验,并与经典的传统掌纹识别方法进行比较。结果 在不同卷积神经网络识别性能评估方面,ResNet和DenseNet超越了其他网络,并在PolyU M_B库上实现了100%的识别率。针对不同学习率、网络层数、训练数据量的实验发现,5×10^-5为比较合适的识别率;网络层数并非越深越好,VGG-16与VGG-19的识别率相当,ResNet层数由18层逐渐增加到50层,识别率则逐渐降低;参与网络训练的数据量总体来说越多越好。对比传统的非深度学习方法,卷积神经网络在识别效果方面还存在一定差距。结论 实验结果表明,对于掌纹识别,卷积神经网络也能获得较好的识别效果,但由于训练数据量不充分等原因,与传统算法的识别性能还有差距。基于卷积神经网络的掌纹识别研究还需要进一步深入开展。     

复杂背景下的手势识别

目的 手势识别是人机交互领域的热点问题。针对传统手势识别方法在复杂背景下识别率低,以及现有基于深度学习的手势识别方法检测时间长等问题,提出了一种基于改进TinyYOLOv3算法的手势识别方法。方法 对TinyYOLOv3主干网络重新进行设计,增加网络层数,从而确保网络提取到更丰富的语义信息。使用深度可分离卷积代替传统卷积,并对不同网络层的特征进行融合,在保证识别准确率的同时,减小网络模型的大小。采用CIoU（complete intersection over union）损失对原始的边界框坐标预测损失进行改进,将通道注意力模块融合到特征提取网络中,提高了定位精度和识别准确率。使用数据增强方法避免训练过拟合,并通过超参数优化和先验框聚类等方法加快网络收敛速度。结果 改进后的网络识别准确率达到99.1%,网络模型大小为27.6 MB,相比原网络（TinyYOLOv3）准确率提升了8.5%,网络模型降低了5.6 MB,相比于YOLO（you only look once）v3和SSD（single shot multibox detector）300算法,准确率略有降低,但网络模型分别减小到原来的1/8和1/3左右,相比于YOLO-lite和MobileNet-SSD等轻量级网络,准确率分别提升61.12%和3.11%。同时在自制的复杂背景下的手势数据集对改进后的网络模型进行验证,准确率达到97.3%,充分证明了本文算法的可行性。结论 本文提出的改进Tiny-YOLOv3手势识别方法,对于复杂背景下的手势具有较高的识别准确率,同时在检测速度和模型大小方面都优于其他算法,可以较好地满足在嵌入式设备中的使用要求。     

SAR图像目标识别的卷积神经网模型

目的 合成孔径雷达图像目标识别可以有效提高合成孔径雷达数据的利用效率。针对合成孔径雷达图像目标识别滤波处理耗时长、识别精度不高的问题,本文提出一种卷积神经网络模型应用于合成孔径雷达图像目标识别。方法 首先,针对合成孔径雷达图像特点设计特征提取部分的网络结构;其次,代价函数中引入L2范数提高模型的抗噪性能和泛化性;再次,全连接层使用Dropout减小网络的运算量并提高泛化性;最后研究了滤波对于网络模型的收敛速度和准确率的影响。结果 实验使用美国运动和静止目标获取与识别数据库,10类目标识别的实验结果表明改进后的卷积神经网络整体识别率（包含变体）由93.76%提升至98.10%。通过设置4组对比实验说明网络结构的改进和优化的有效性。卷积神经网络噪声抑制实验验证了卷积神经网络的特征提取过程对于SAR图像相干斑噪声有抑制作用,可以省去耗时的滤波处理。结论 本文提出的卷积神经网络模型提高了网络的准确率、泛化性,无需耗时的滤波处理,是一种合成孔径雷达图像目标识别的有效方法。     

构建并行卷积神经网络的表情识别算法

目的 表情识别在商业、安全、医学等领域有着广泛的应用前景,能够快速准确地识别出面部表情对其研究与应用具有重要意义。传统的机器学习方法需要手工提取特征且准确率难以保证。近年来,卷积神经网络因其良好的自学习和泛化能力得到广泛应用,但还存在表情特征提取困难、网络训练时间过长等问题,针对以上问题,提出一种基于并行卷积神经网络的表情识别方法。方法 首先对面部表情图像进行人脸定位、灰度统一以及角度调整等预处理,去除了复杂的背景、光照、角度等影响,得到了精确的人脸部分。然后针对表情图像设计一个具有两个并行卷积池化单元的卷积神经网络,可以提取细微的表情部分。该并行结构具有3个不同的通道,分别提取不同的图像特征并进行融合,最后送入SoftMax层进行分类。结果 实验使用提出的并行卷积神经网络在CK+、FER2013两个表情数据集上进行了10倍交叉验证,最终的结果取10次验证的平均值,在CK+及FER2013上取得了94.03%与65.6%的准确率。迭代一次的时间分别为0.185 s和0.101 s。结论 为卷积神经网络的设计提供了一种新思路,可以在控制深度的同时扩展广度,提取更多的表情特征。实验结果表明,针对数量、分辨率、大小等差异较大的表情数据集,该网络模型均能够获得较高的识别率并缩短训练时间。     

结合GAN的轻量级模糊车牌识别算法

目的 模糊车牌识别是车牌识别领域的难题,针对模糊车牌图像收集困难、车牌识别算法模型太大、不适用于移动或嵌入式设备等不足,本文提出了一种轻量级的模糊车牌识别方法,使用深度卷积生成对抗网络生成模糊车牌图像,用于解决现实场景中模糊车牌难以收集的问题,在提升算法识别准确性的同时提升了部署泛化能力。方法 该算法主要包含两部分,即基于优化卷积生成对抗网络的模糊车牌图像生成和基于深度可分离卷积网络与双向长短时记忆（long short-term memory,LSTM）的轻量级车牌识别。首先,使用Wasserstein距离优化卷积生成对抗网络的损失函数,提高生成车牌图像的多样性和稳定性;其次,在卷积循环神经网络的基础上,结合深度可分离卷积设计了一个轻量级的车牌识别模型,深度可分离卷积网络在减少识别算法计算量的同时,能对训练样本进行有效的特征学习,将特征图转换为特征序列后输入到双向LSTM网络中,进行序列学习与标注。结果 实验表明,增加生成对抗网络生成的车牌图像,能有效提高本文算法、传统车牌识别和基于深度学习的车牌识别方法的识别率,为进一步提高各类算法的识别率提供了一种可行方案。结合深度可分离卷积的轻量级车牌识别模型,识别率与基于标准循环卷积神经网络（convolutional recurrent neural network,CRNN）的车牌识别方法经本文生成图像提高后的识别率相当,但在模型的大小和识别速度上都优于标准的CRNN模型,本文算法的模型大小为45 MB,识别速度为12.5帧/s,标准CRNN模型大小是82 MB,识别速度只有7帧/s。结论 使用生成对抗网络生成图像,可有效解决模糊车牌图像样本不足的问题;结合深度可分离卷积的轻量级车牌识别模型,具有良好的识别准确性和较好的部署泛化能力。     

改进Stacking集成学习的指纹识别算法

针对传统卷积神经网络对多传感器指纹识别泛化能力降低、准确率不高的问题,提出改进的Stacking集成学习算法。首先将AlexNet进行改进,在AlexNet中引入深度可分离卷积减少参数量,加快训练速度;引入空间金字塔池化,提升网络获取全局信息的能力;引入批归一化,加快网络收敛速度,同时提升网络在测试集上的准确率;使用全局平均池化替代全连接层,防止过拟合。然后将DenseNet和改进的AlexNet 2种卷积神经网络作为Stacking的基学习器对指纹进行分类,获得预测结果。最后对相同基学习器训练得到的各个模型,根据预测精度对各预测结果赋权,得到的预测结果再由元分类器分类。改进的Stacking算法在多传感器指纹数据库上进行实验,最终识别准确率达98.43%,相对AlexNet提升了20.05%,相对DenseNet提升了4.25%。     

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。     

多通道卷积的图像超分辨率方法

目的 超分辨率技术在实际生活中具有较为广泛的应用。经典的基于卷积神经网络的超分辨率（SRCNN）方法存在重建图像纹理结构模糊以及网络模型训练收敛过慢等问题。针对这两个问题,在SRCNN的基础上,提出一种多通道卷积的图像超分辨率（MCSR）算法。方法 通过增加残差链接,选择MSRA初始化方法对网络权值进行初始化,加快模型收敛;引入多通道映射提取更加丰富的特征,使用多层3×3等小卷积核代替单层9×9等大卷积核,更加有效地利用特征,增强模型的超分辨率重构效果。结果 MCSR迭代4×10⁶次即可收敛,在Set5与Set14数据集上边长放大3倍后的平均峰值信噪比分别是32.84 dB和29.28 dB,与SRCNN相比提升显著。结论 MCSR收敛速度更快,并且可以生成轮廓清晰的高分辨率图像,超分辨率效果更加优秀。     

卷积神经网络的多字体汉字识别

目的 多字体的汉字识别在中文自动处理及智能输入等方面具有广阔的应用前景,是模式识别领域的一个重要课题。近年来,随着深度学习新技术的出现,基于深度卷积神经网络的汉字识别在方法和性能上得到了突破性的进展。然而现有方法存在样本需求量大、训练时间长、调参难度大等问题,针对大类别的汉字识别很难达到最佳效果。方法 针对无遮挡的印刷及手写体汉字图像,提出了一种端对端的深度卷积神经网络模型。不考虑附加层,该网络主要由3个卷积层、2个池化层、1个全连接层和一个Softmax回归层组成。为解决样本量不足的问题,提出了综合运用波纹扭曲、平移、旋转、缩放的数据扩增方法。为了解决深度神经网络参数调整难度大、训练时间长的问题,提出了对样本进行批标准化以及采用多种优化方法相结合精调网络等策略。结果 实验采用该深度模型对国标一级3 755类汉字进行识别,最终识别准确率达到98.336%。同时通过多组对比实验,验证了所提出的各种方法对改善模型最终效果的贡献。其中使用数据扩增、使用混合优化方法和使用批标准化后模型对测试样本的识别率分别提高了8.0%、0.3%和1.4%。结论 与其他文献中利用手工提取特征结合卷积神经网络的方法相比,减少了人工提取特征的工作量;与经典卷积神经网络相比,该网络特征提取能力更强,识别率更高,训练时间更短。     

自适应调节学习率和样本训练方式的场景分类

在基于卷积神经网络的场景分类方法中,当训练数据较少时,由于网络训练次数较多、收敛性较差等原因,容易造成过拟合.为了消除此影响,在卷积神经网络的框架下,文中提出可以自适应调节网络学习率和样本训练方式的场景分类算法.根据网络训练中误差函数的变化自适应调节学习率,当误差函数变化较小时,保持批次的学习率不变,当误差函数变化加大时,学习率的变化与误差函数的改变成反比.同时根据网络输出结果改变实验样本的训练方式,着重训练分类不准确的图像.在Scene-15、Cifar-10场景数据集上的实验表明,文中算法改善神经网络的收敛性,有效提高分类精度,特别是对于室内场景等特征复杂场景的分类精度.     

高分辨卫星图像卷积神经网络分类模型

目的 卫星图像往往目标、背景复杂而且带有噪声,因此使用人工选取的特征进行卫星图像的分类就变得十分困难。提出一种新的使用卷积神经网络进行卫星图像分类的方案。使用卷积神经网络可以提取卫星图像的高层特征,进而提高卫星图像分类的识别率。方法 首先,提出一个包含六类图像的新的卫星图像数据集来解决卷积神经网络的有标签训练样本不足的问题。其次,使用了一种直接训练卷积神经网络模型和3种预训练卷积神经网络模型来进行卫星图像分类。直接训练模型直接在文章提出的数据集上进行训练,预训练模型先在ILSVRC（the ImageNet large scale visual recognition challenge）-2012数据集上进行预训练,然后在提出的卫星图像数据集上进行微调训练。完成微调的模型用于卫星图像分类。结果 提出的微调预训练卷积神经网络深层模型具有最高的分类正确率。在提出的数据集上,深层卷积神经网络模型达到了99.50%的识别率。在数据集UC Merced Land Use上,深层卷积神经网络模型达到了96.44%的识别率。结论 本文提出的数据集具有一般性和代表性,使用的深层卷积神经网络模型具有很强的特征提取能力和分类能力,且是一种端到端的分类模型,不需要堆叠其他模型或分类器。在高分辨卫星图像的分类上,本文模型和对比模型相比取得了更有说服力的结果。     

提高小样本高光谱图像分类性能的变维卷积神经网络

目的 为了解决基于卷积神经网络的算法对高光谱图像小样本分类精度较低、模型结构复杂和计算量大的问题,提出了一种变维卷积神经网络。方法 变维卷积神经网络对高光谱分类过程可根据内部特征图维度的变化分为空—谱信息融合、降维、混合特征提取与空—谱联合分类的过程。这种变维结构通过改变特征映射的维度,简化了网络结构并减少了计算量,并通过对空—谱信息的充分提取提高了卷积神经网络对小样本高光谱图像分类的精度。结果 实验分为变维卷积神经网络的性能分析实验与分类性能对比实验,所用的数据集为Indian Pines和Pavia University Scene数据集。通过实验可知,变维卷积神经网络对高光谱小样本可取得较高的分类精度,在Indian Pines和Pavia University Scene数据集上的总体分类精度分别为87.87%和98.18%,与其他分类算法对比有较明显的性能优势。结论 实验结果表明,合理的参数优化可有效提高变维卷积神经网络的分类精度,这种变维模型可较大程度提高对高光谱图像中小样本数据的分类性能,并可进一步推广到其他与高光谱图像相关的深度学习分类模型中。     

遥感图像飞机目标分类的卷积神经网络方法

目的 遥感图像飞机目标分类,利用可见光遥感图像对飞机类型进行有效区分,对提供军事作战信息有重要意义。针对该问题,目前存在一些传统机器学习方法,但这些方法需人工提取特征,且难以适应真实遥感图像的复杂背景。近年来,深度卷积神经网络方法兴起,网络能自动学习图像特征且泛化能力强,在计算机视觉各领域应用广泛。但深度卷积神经网络在遥感图像飞机分类问题上应用少见。本文旨在将深度卷积神经网络应用于遥感图像飞机目标分类问题。方法 在缺乏公开数据集的情况下,收集了真实可见光遥感图像中的8种飞机数据,按大致4∶1的比例分为训练集和测试集,并对训练集进行合理扩充。然后针对遥感图像与飞机分类的特殊性,结合深度学习卷积神经网络相关理论,有的放矢地设计了一个5层卷积神经网络。结果 首先,在逐步扩充的训练集上分别训练该卷积神经网络,并分别用同一测试集进行测试,实验表明训练集扩充有利于网络训练,测试准确率从72.4%提升至97.2%。在扩充后训练集上,分别对经典传统机器学习方法、经典卷积神经网络LeNet-5和本文设计的卷积神经网络进行训练,并在同一测试集上测试,实验表明该卷积神经网络的分类准确率高于其他两种方法,最终能在测试集上达到97.2%的准确率,其余两者准确率分别为82.3%、88.7%。结论 在少见使用深度卷积神经网络的遥感图像飞机目标分类问题上,本文设计了一个5层卷积神经网络加以应用。实验结果表明,该网络能适应图像场景,自动学习特征,分类效果良好。     

基于一维卷积神经网络深度学习的工业过程故障检测

针对化工过程的非线性和动态性,以TE过程为背景,应用深度学习中的一维卷积神经网络算法对TE过程进行故障检测,解决了BP神经网络算法用于故障检测时测试识别率低的问题。用训练数据集分别对BP神经网络模型和一维卷积神经网络模型进行训练,将测试数据集输入已经训练好的神经网络,最后统计出了BP神经网络模型和卷积神经网络模型对故障的识别率。仿真结果表明BP神经网络和卷积神经网络对故障的检测具有较好的效果,但BP神经网络算法收敛速度慢,很容易就陷入局部最小值,从而会导致整体的检测性能下降,而卷积神经网络构建出的一维卷积模型能很好地解决存在的问题,通过比较充分体现了卷积神经网络在故障检测方面的优越性。     

结合Faster R-CNN的多类型火焰检测

目的 火焰检测可有效防止火灾的发生。针对目前火焰检测方法,传统图像处理技术的抗干扰能力差、泛化性不强,检测效果对数据波动比较敏感;机器学习方法需要根据不同的场景设定并提取合适火焰的特征,过程比较繁琐。为此提出一种基于Faster R-CNN的多类型火焰检测方法,避免复杂的人工特征提取工作,在面对复杂背景、光照强度变化和形态多样的火焰图像时依然保证较好的检测精度。方法 基于深度学习的思想,利用卷积神经网络自动学习获取图像特征。首先,利用自建数据集构建视觉任务。根据火焰的尖角特性、直观形态和烟雾量等,将火焰类数据划分为单尖角火焰、多尖角火焰和无规则火焰3类。此外,通过深度网络特征可视化实验发现,人造光源与火焰在轮廓上具有一定的相似性,为此建立了人造光源圆形和方形两个数据集作为干扰项来保证检测模型的稳定性;然后,细化训练参数并调整预训练的卷积神经网络结构,改动分类层以满足特定视觉任务。将经过深度卷积神经网络中卷积层和池化层抽象得到的图像特征送入区域生成网络进行回归计算,利用迁移学习的策略得到每一类目标物体相应的探测器;最后,得到与视觉任务相关的目标检测模型,保存权重和偏置参数。并联各类目标物体的子探测器作为整体探测器使用,检测时输出各类探测器的分数,得分最高的视为正确检测项。结果 首先,利用训练好的各探测器与相应测试集样本进行测试,然后,再利用各类目标物的测试集来测试其他类探测器的检测效果,以此证明各探测器之间的互异性。实验结果表明,各类探测器都具有较高的专一性,大大降低了误判的可能性,对于形变剧烈和复杂背景的火焰图像也具有良好的检测准确率。训练得到的检测模型在应对小目标、多目标、形态多样、复杂背景和光照变化等检测难度较大的情况时,均能获得很好的效果,测试集结果表明各类探测器的平均准确率提高了3.03% 8.78%不等。结论 本文提出的火焰检测方法,通过挖掘火焰的直观形态特征,细分火焰类别,再利用深度卷积神经网络代替手动特征设置和提取过程,结合自建数据集和根据视觉任务修改的网络模型训练得到了检测效果良好的多类型火焰检测模型。利用深度学习的思想,避免了繁琐的人工特征提取工作,在得到较好的检测效果的同时,也保证了模型具有较强的抗干扰能力。本文为解决火焰检测问题提供了更加泛化和简洁的解决思路。