基于深度学习的轻量级道路图像语义分割算法

针对深度学习中道路图像语义分割模型参数量巨大以及计算复杂,不适合于部署在移动端进行实时分割的问题,提出了一种使用深度可分离卷积构建的轻量级对称U型编码器-解码器式的图像语义分割网络MUNet。首先设计出U型编码器-解码器式网络;其次,在卷积块之间设计稀疏短连接;最后,引入了注意力机制与组归一化（GN）方法,从而在减少模型参数量以及计算量的同时提升分割精度。针对道路图像CamVid数据集,在1 000轮训练后,MUNet模型分割结果在测试图像裁剪为720×720大小时的平均交并比（MIoU）为61.92%。实验结果表明,和常见的图像语义分割网络如金字塔场景分析网络（PSPNet）、RefineNet、全局卷积网络（GCN）和DeepLabv3+相比较,MUNet的参数量以及计算量更少,同时网络分割性能更好。     

增强语义信息与多通道特征融合的裂缝检测

路面裂缝检测是用以判断道路安全与否的关键技术,由于裂缝的背景复杂多样,传统的裂缝检测算法难以准确检测裂缝。提出了一种增强语义信息与多通道特征融合的裂缝自动检测算法。网络整体为编码器-解码器结构,在编码器部分引入扩张卷积模块,扩大特征图有效感受野,整合图像上下文信息,增强特征语义表达能力,提高像素分类精度。在解码器部分搭建了一个基于注意力机制的多通道特征融合模块,利用高层全局注意力信息指导高层语义特征与低层细节特征的逐级融合,有利于恢复图像细节信息,进一步提升对裂缝的像素级检测精度。实验结果表明,在CRACK500公开数据集上训练的模型在测试集上取得72.5%的平均交并比（Intersection over Union,IoU）和96.8%的F1score,该模型直接用于CrackForest数据集测试,平均IoU和F1score分别提升2.0个百分点和1.1个百分点,表明模型具有很好的泛化性能,可用于复杂道路场景下的裂缝检测与质量评估。     

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。     

基于路径聚合扩张卷积的图像语义分割方法

基于编码器-解码器的深度全卷积神经网络在图像语义分割中取得了重大的进展,但是深度网络中网络低层定位信息传播到网络高层路径过长,导致解码阶段难以利用低层定位信息来恢复物体边界结构,针对这一问题,提出了一种应用在分割网络解码器部分的路径聚合结构。该结构缩短了分割网络中低层信息到高层信息的传播路径并提供多尺度的上下文语义信息,使得分割网络能产生更为精细的边界分割结果。针对语义分割中常使用的Softmax交叉熵损失函数对外观相似样本区分能力不足的问题,对Softmax交叉熵损失函数进行改造,提出了双向交叉熵损失函数。本文提出的路径聚合扩张卷积网络结合新的损失函数方法在PASCAL VOC2012Aug数据集上获得了更好的效果,将mIoU值从78.77%提升到了80.44%。     

结合序列学习和U型网络的海马体分割方法

针对普通二维语义分割网络难以精确分割海马体磁共振图像的问题,提出结合序列学习和U型网络的海马体分割方法.该方法中,U型网络由编码器和解码器2部分组成,编码器提取并编码图像特征,解码器组合特征并输出分割掩码;序列学习使用双向卷积长短期记忆网络引入相邻切片间的依赖信息以提升分割精度.在ADNI数据集上的实验结果表明,文中方法的分割性能较通常的U型网络更优,且网络的可视化结果表现出可解释性,与专家知识相符合.     

结合全局注意力机制的实时语义分割网络

针对轻量化网络结构从特征图提取有效语义信息不足,以及语义信息与空间细节信息融合模块设计不合理而导致分割精度降低的问题,本文提出一种结合全局注意力机制的实时语义分割网络(global attention mechanism with real time semantic segmentation network ,GaSeNet)。首先在双分支结构的语义分支中引入全局注意力机制,在通道与空间两个维度引导卷积神经网来关注与分割任务相关的语义类别,以提取更多有效语义信息;其次在空间细节分支设计混合空洞卷积块,在卷积核大小不变的情况下扩大感受野,以获取更多全局空间细节信息,弥补关键特征信息损失。然后重新设计特征融合模块,引入深度聚合金塔池化,将不同尺度的特征图深度融合,从而提高网络的语义分割性能。最后将所提出的方法在CamVid数据集和Vaihingen数据集上进行实验,通过与最新的语义分割方法对比分析可知,GaSeNet在分割精度上分别提高了4.29%、16.06%,实验结果验证了本文方法处理实时语义分割问题的有效性。     

轻量化卷积注意力特征融合网络的实时语义分割

轻量化卷积神经网络的出现促进了基于深度学习的语义分割技术在低功耗移动设备上的应用.然而,轻量化卷积神经网络一般不考虑融合特征之间的关系,常使用线性方式进行特征融合,网络分割精度有限.针对该问题,提出一种基于编码器-解码器架构的轻量化卷积注意力特征融合网络.在编码器中,基于MobileNetv2给出空洞MobileNet模块,以获得足够大的感受野,提升轻量化主干网络的表征能力;在解码器中,给出卷积注意力特征融合模块,通过学习特征平面通道、高度和宽度3个维度间的关系,获取不同特征平面之间的相对权重,并以此对特征平面进行加权融合,提升特征融合的效果.所提网络仅有0.68×106参数量,在未使用预训练模型、后处理和额外数据的情况下,使用NVIDIA 2080Ti显卡在城市道路场景数据集Cityscapes和CamVid上进行实验的结果表明,该网络的平均交并比分别达到了72.7%和67.9%,运行速度分别为86帧/s和105帧/s,在分割精度、网络规模与运行速度之间达到了较好的平衡.     

多尺度信息融合的遥感图像语义分割模型

遥感图像分割是目前学术界和工业界的一个研究热点,在城市规划、变化检测以及GIS信息构建等方面有着十分广泛的应用.然而,诸多复杂因素(如多变的尺度、多样化的拓扑形状以及复杂的背景和阴影等)使得遥感图像语义分割成为一项具有挑战性的任务.为此,提出一种基于多尺度信息融合的遥感图像语义分割深层卷积神经网络模型,该模型分为编码器和解码器2部分.在编码阶段,设计了基于DenseNet网络的跨卷积层级的多尺度特征融合策略,采用子区域全局平均池化及多尺度卷积处理复杂的背景区域;在解码阶段,为了准确地恢复图像的细节信息,设计了能够融合不同层级卷积特征的短解码器;最后,在整体模型构建方面设计了一种具有多输出的分层监督机制网络模型,从不同层级获取监督信息,可在充分利用监督信息的同时更好地引导网络的训练.在ISPRS公开数据集以及北京市遥感数据集上,通过实验验证了文中模型的有效性.     

基于编解码卷积神经网络的单张图像深度估计

摘 要：针对传统方法在单目视觉图像深度估计时存在鲁棒性差、精度低等问题,提出一 种基于卷积神经网络(CNN)的单张图像深度估计方法。首先,提出层级融合编码器-解码器网络, 该网络是对端到端的编码器-解码器网络结构的一种改进。编码器端引入层级融合模块,并通过 对多层级特征进行融合,提升网络对多尺度信息的利用率。其次,提出多感受野残差模块,其 作为解码器的主要组成部分,负责从高级语义信息中估计深度信息。同时,多感受野残差模块 可灵活地调整网络感受野大小,提高网络对多尺度特征的提取能力。在 NYUD v2 数据集上完 成网络模型有效性验证。实验结果表明,与多尺度卷积神经网络相比,该方法在精度 δ<1.25 上 提高约 4.4%,在平均相对误差指标上降低约 8.2%。证明其在单张图像深度估计的可行性。     

分级特征融合的图像语义分割

在图像语义分割中,利用卷积神经网络对图像信息进行特征提取时,针对卷积神经网络没有有效利用各层级间的特征信息而导致图像语义分割精度受损的问题,提出分级特征融合的图像语义分割方法。该方法利用卷积结构分级提取含有像素级的浅层低级特征和含有图像级的深层语义特征,进一步挖掘不同层级间的特征信息,充分获取浅层低级特征和深层语义特征中隐藏的特征信息,接着通过上采样操作细化浅层低级特征信息后对所有特征信息进行合并融合,最终实现分级特征融合的图像语义分割。在实验方面,通过多次分解实验验证了所提方法在不同阶段所提取的特征信息和不同网络深度时的特征信息对语义分割结果的影响。同时在公认的图像语义分割数据集PASCAL VOC 2012上,与3种主流方法进行实验对比,结果显示所提方法在客观评价指标和主观效果性能方面均存在优越性,从而验证了该方法可以有效地提升语义分割的精度。     

改进U-Net网络的遥感影像道路提取方法研究

从遥感影像中提取道路目标对智慧城市建设具有重要意义。由于遥感数据中道路及背景特征复杂多样,使用深度学习方法对道路进行提取的准确性仍然受到限制。基于U-Net网络架构设计实现了用于遥感影像道路提取的深度语义分割模型AS-Unet,该模型分为编码器和解码器两部分。在编码器部分加入通道注意力机制,对提取的丰富低层特征进行筛选,突出目标特征,抑制背景噪声干扰,从而提高深浅层信息融合准确率;为解决网络对道路目标单一尺寸的敏感问题,在编码器最后一层卷积层后面加入空间金字塔池化模块来捕获不同尺度道路特征;在解码器部分加入空间注意力机制,进行位置关系信息学习和深层次语义特征筛选,提高特征图还原能力。在Massachusetts和DeepGlobe道路数据集上进行实验,结果证明,在召回率、精度、[F1]值等评估指标上,明显优于SegNet、FCN等语义分割网络。所设计的AS-Unet网络性能优良,具有更高的分割准确率,具备一定理论和实际应用价值。     

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。     

基于深度学习高分辨率遥感影像语义分割

高分辨率遥感影像含有丰富的地理信息. 目前基于传统神经网络的语义分割模型不能够对遥感影像中小物体进行更高维度的特征提取, 导致分割错误率较高. 本文提出一种基于编码与解码结构特征连接的方法, 对DeconvNet网络模型进行改进. 模型在编码时, 通过记录池化索引的位置并应用于上池化中, 能够保留空间结构信息; 在解码时, 利用编码与解码对应特征层连接的方式使模型有效地进行特征提取. 在模型训练时, 使用设计的预训练模型, 可以有效地扩充数据, 来解决模型的过拟合问题. 实验结果表明, 在对优化器、学习率和损失函数适当调整的基础上, 使用扩充后的数据集进行训练, 对遥感影像验证集的分割精确度达到95%左右, 相对于DeconvNet和UNet网络模型分割精确度有显著提升.     

基于多尺度特征融合双U型皮肤病变分割算法

针对皮肤病分割问题中皮肤病变区域大小不一且形状各异问题,提出一种基于多尺度特征融合的双U型皮肤病分割算法.该算法由粗分U型网络和细分U型网络两部分组成.首先粗分U型网络编码部分采用预训练VGG-19模型对相关特征进行多尺度特征提取;在解码阶段利用改进注意力残差块将底层与高层信息进行有效的映射融合,得到初步的Mask;然后将初步生成的Mask与原图像聚合,并输入多路特征提取编码器中进行二次特征蒸馏;而细分U型网络解码器同时与粗分U型网络编码部分和细分U型网络的编码部分特征映射进行融合,保证网络可以聚合更多的有效特征;最后利用Focal Tversky损失函数进一步提升分割效果.实验表明,所提算法在ISBI2016数据集上实验分割精度为96.11％、敏感度为93.59％、特异性为97.10％、Dice系数为93.14％、Jaccard系数为87.17％,能够有效地分割皮肤病病变区域.     

基于深度学习的涂层织物折皱识别与检测

涂层织物在生产制造和使用中易产生折皱损伤,人工折皱检测效率较低,传统图像处理方法的检测精度无法满足要求。提出一种基于深度卷积神经网络的涂层织物折皱识别和检测方法。通过标准揉搓试验建立数据集,网络编码和解码器分别采用多尺度特征融合结构和优化上采样模块,使用形态学方法进行折皱几何信息的实时统计。当前检测方法准确率达到95.78%,比传统语义分割技术及其他深度学习模型有很大的提升。     

融合空洞卷积与注意力的胃癌组织切片分割

目的 病理组织切片检查是诊断胃癌的金标准,准确发现切片中的病变区域有助于及时确诊并开展后续治疗。然而,由于病理切片图像的复杂性、病变细胞与正常细胞形态差异过小等问题,传统的语义分割模型并不能达到理想的分割效果。基于此,本文提出了一种针对病理切片的语义分割方法ADEU-Net （attention-dilated-efficient U-Net++）,提高胃癌区域分割的精度,实现端到端分割。方法 ADEU-Net使用经过迁移学习的EfficientNet作为编码器部分,增强图像特征提取能力。解码器采用了简化的U-Net++短连接方式,促进深浅层特征融合的同时减少网络参数量,并重新设计了其中的卷积模块提高梯度传递能力。中心模块使用空洞卷积对编码器输出结果进行多尺度的特征提取,增强模型对不同尺寸切片的鲁棒性。编码器与解码器的跳跃连接使用了注意力模块,以抑制背景信息的特征响应。结果 在2020年“华录杯”江苏大数据开发与应用大赛（简称“SEED”大赛）数据集中与其他经典方法比较,验证了一些经典模型在该分割任务中难以拟合的问题,同时实验得出修改特征提取方式对结果有较大提升,本文方法在分割准确度上比原始U-Net提高了18.96%。在SEED数据集与2017年中国大数据人工智能创新创业大赛（brain of things,BOT）数据集中进行了消融实验,验证了本文方法中各个模块均有助于提高病理切片的分割效果。在SEED数据集中,本文方法ADEU-Net比基准模型在Dice系数、准确度、敏感度和精确度上分别提升了5.17%、2.7%、3.69%、4.08%;在BOT数据集中,本文方法的4项指标分别提升了0.47%、0.06%、4.30%、6.08%。结论 提出的ADEU-Net提升了胃癌病理切片病灶点分割的精度,同时具有良好的泛化性能。     

基于上下文和浅层空间编解码网络的图像语义分割方法

当前图像语义分割研究基本围绕如何提取有效的语义上下文信息和还原空间细节信息两个因素来设计更有效算法. 现有的语义分割模型, 有的采用全卷积网络结构以获取有效的语义上下文信息, 而忽视了网络浅层的空间细节信息; 有的采用U型结构, 通过复杂的网络连接利用编码端的空间细节信息, 但没有获取高质量的语义上下文特征. 针对此问题, 本文提出了一种新的基于上下文和浅层空间编解码网络的语义分割解决方案. 在编码端, 采用二分支策略, 其中上下文分支设计了一个新的语义上下文模块来获取高质量的语义上下文信息, 而空间分支设计成反U型结构, 并结合链式反置残差模块, 在保留空间细节信息的同时提升语义信息. 在解码端, 本文设计了优化模块对融合后的上下文信息与空间信息进一步优化. 所提出的方法在3个基准数据集CamVid、SUN RGB-D和Cityscapes上取得了有竞争力的结果.     

基于编码器-解码器的半监督图像语义分割

基于深度卷积神经网络的图像语义分割方法需要大量像素级标注的训练数据,但标注的过程费时又费力.本文基于生成对抗网络提出一种编码-解码结构的半监督图像语义分割方法,其中编码器-解码器模块作为生成器,整个网络通过耦合标准多分类交叉熵损失和对抗损失进行训练.为充分利用浅层网络包含的丰富的语义信息,本文将编码器中不同尺度的特征输入到分类器,并将得到的不同粒度的分类结果融合,进而优化目标边界.此外,鉴别器通过发现无标签数据分割结果中的可信区域,以此提供额外的监督信号,来实现半监督学习.在PASCAL VOC 2012和Cityscapes上的实验表明,本文提出的方法优于现有的半监督图像语义分割方法.     

基于深度残差学习的自动驾驶道路场景理解

随着道路场景理解技术的快速发展，自主驾驶领域取得了长足的进步。在相关任务中，包括道路分割、分类和车辆检测的实时性和准确性是安全性的一个关键问题。为此，提出了一个具有编/解码器网络结构的基于深度残差学习的方法。一方面，编码器网络结构使用不同层次的残差网络来提取高维中的抽象特征，这些特征在接下来的三个任务中共享使用；另一方面，解码器网络结构采用一种子任务的并行计算机制，即道路分割、车辆检测和道路分类任务同时执行。此外，全卷积神经网络用于对提取的图像特征进行上采样以解决道路分割问题。最终，实验结果表明在保证高精度的前提下处理帧率可达到15 fps以上。