自适应成本量的抗遮挡光场深度估计算法

目的 光场相机通过一次成像同时记录场景的空间信息和角度信息,获取多视角图像和重聚焦图像,在深度估计中具有独特优势。遮挡是光场深度估计中的难点问题之一,现有方法没有考虑遮挡或仅仅考虑单一遮挡情况,对于多遮挡场景点,方法失效。针对遮挡问题,在多视角立体匹配框架下,提出了一种对遮挡鲁棒的光场深度估计算法。方法 首先利用数字重聚焦算法获取重聚焦图像,定义场景的遮挡类型,并构造相关性成本量。然后根据最小成本原则自适应选择最佳成本量,并求解局部深度图。最后利用马尔可夫随机场结合成本量和平滑约束,通过图割算法和加权中值滤波获取全局优化深度图,提升深度估计精度。结果 实验在HCI合成数据集和Stanford Lytro Illum实际场景数据集上展开,分别进行局部深度估计与全局深度估计实验。实验结果表明,相比其他先进方法,本文方法对遮挡场景效果更好,均方误差平均降低约26.8%。结论 本文方法能够有效处理不同遮挡情况,更好地保持深度图边缘信息,深度估计结果更准确,且时效性更好。此外,本文方法适用场景是朗伯平面场景,对于含有高光的非朗伯平面场景存在一定缺陷。     

聚焦性检测与彩色信息引导的光场图像深度提取

目的 光场相机可以通过一次拍摄,获取立体空间中的4D光场数据,渲染出焦点堆栈图像,然后采用聚焦性检测函数从中提取深度信息。然而,不同聚焦性检测函数响应特性不同,不能适应于所有的场景,且现有多数方法提取的深度信息散焦误差较大,鲁棒性较差。针对该问题,提出一种新的基于光场聚焦性检测函数的深度提取方法,获取高精度的深度信息。方法 设计加窗的梯度均方差聚焦性检测函数,提取焦点堆栈图像中的深度信息;利用全聚焦彩色图像和散焦函数标记图像中的散焦区域,使用邻域搜索算法修正散焦误差。最后利用马尔可夫随机场(MRF)将修正后的拉普拉斯算子提取的深度图与梯度均方差函数得到的深度图融合,得到高精确度的深度图像。结果 在Lytro数据集和自行采集的测试数据上,相比于其他先进的算法,本文方法提取的深度信息噪声较少。精确度平均提高约9.29%,均方误差平均降低约0.056。结论 本文方法提取的深度信息颗粒噪声更少;结合彩色信息引导,有效修正了散焦误差。对于平滑区域较多的场景,深度提取效果较好。     

RGB-D结构相似性度量下的多边自适应深度图像超分辨率重建

目的 深度相机能够对场景的深度信息进行实时动态捕捉,但捕获的深度图像分辨率低且容易形成空洞。利用高分辨率彩色图像作为引导,是深度图超分辨率重建的重要方式。现有方法对彩色边缘与深度不连续区域的不一致性问题难以有效解决,在深度图超分辨率重建中引入了纹理复制伪影。针对这一问题,本文提出了一种鲁棒的彩色图像引导的深度图超分辨率重建算法。方法 首先,利用彩色图像边缘与深度图像边缘的结构相关性,提出RGB-D结构相似性度量,检测彩色图像与深度图像共有的边缘不连续区域,并利用RGB-D结构相似性度量自适应选取估计像素点邻域的最优图像块。接着,通过提出的定向非局部均值权重,在图像块区域内建立多边引导下的深度估计,解决彩色边缘和深度不连续区域的结构不一致性。最后,利用RGB-D结构相似性度量与图像平滑性之间的对应关系,对多边引导权重的参数进行自适应调节,实现鲁棒的深度图超分辨率重建。结果 在Middlebury合成数据集、ToF和Kinect数据集以及本文自建数据集上的实验结果表明,相比其他先进方法,本文方法能够有效抑制纹理复制伪影。在Middlebury、ToF和Kinect数据集上,本文方法相较于次优算法,平均绝对偏差平均降低约63.51%、39.47 %和7.04 %。结论 对于合成数据集以及真实场景的深度数据集,本文方法均能有效处理存在于彩色边缘和深度不连续区域的不一致性问题,更好地保留深度边缘的不连续性。     

基尼指数成本量指导的抗遮挡光场深度估计方法

光场相机能够实现一次拍摄即获得三维场景的多视角信息,在深度估计领域中具有独特优势.但是,当场景中存在复杂遮挡时,现有深度估计方法提取深度信息的精度会明显降低.针对该问题,设计一种基尼指数成本量指导下的抗遮挡光场深度估计方法.首先,利用光场重聚焦方法获得焦栈图像;然后,构造中心视角与其他视角的基尼指数成本量,并根据成本最小原则计算得到初始深度图;最后,结合彩色图进行联合引导滤波,获得最终的高精度的深度图像.实验结果表明,所提方法对复杂场景更加鲁棒,能够在较小的算法复杂度下获取更好的深度估计结果.相比于其他先进方法,所提方法获取的深度图精度更高,图像边缘保留效果更好,在HCI数据集上的MSE₁₀₀指标平均降低约7.8%.     

特征融合网络：多通道信息融合的光场深度估计

摘 要：光场相机可以仅在一次拍摄中记录场景的空间和角度信息,所生成的图像与传统 二维图像相比包含了更多的信息,在深度估计任务方面更具有优势。为了利用光场图像获取高 质量的场景深度,基于其多视角的表征方式,提出了一种具有多通道信息高效融合结构的特征 融合网络。在人为选择特定视角的基础上,使用不同尺寸卷积核来应对不同的基线变化;同时 针对光场数据的多路输入特点搭建了特征融合模块,并利用双通道的网络结构整合神经网络的 前后层信息,提升网络的学习效率并减少信息损失。在 new HCI 数据集上的实验结果显示,该 网络在训练集上的收敛速度较快,可以在非朗伯场景中实现精确的深度估计,并且在 MSE 指 标的平均值表现上要优于所对比的其他先进的方法。     

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。     

融合通道位置注意力机制和并行空洞卷积的人脸年龄合成

目的 人脸年龄合成旨在合成指定年龄人脸图像的同时保持高可信度的人脸,是计算机视觉领域的热门研究方向之一。然而目前主流人脸年龄合成模型过于关注纹理信息,忽视了与人脸相关的多尺度特征,此外网络存在对身份信息筛选不佳的问题。针对以上问题,提出一种融合通道位置注意力机制和并行空洞卷积的人脸年龄合成网络（generative adversarial network（GAN）composed of the parallel dilated convolution and channel-coordinate attention mechanism,PDA-GAN）。方法 PDA-GAN基于生成对抗网络提出了并行三通道空洞卷积残差块和通道—位置注意力机制。并行三通道空洞卷积残差块将3种膨胀系数空洞卷积提取的不同尺度人脸特征融合,提升了特征尺度上的多样性和总量上的丰富度;通道—位置注意力机制通过对人脸特征的长度、宽度和深度显著性计算,定位图像中与年龄高度相关的通道和空间位置区域,增强了网络对通道和空间位置上敏感特征的表达能力,解决了特征冗余问题。结果 实验在Flickr高清人脸数据集（Flickr-faces-high-quality,FFHQ）上训练,在名人人脸属性高清数据集（large-scale celebfaces attributes dataset-high quality,Celeba-HQ）上测试,将本文提出的PDA-GAN与最新的3种人脸年龄图像合成网络进行定性和定量比较,以验证本文方法的有效性。实验结果表明,PDA-GAN显著提升了人脸年龄合成的身份置信度和年龄估计准确度,具有良好的身份信息保留和年龄操控能力。结论 本文方法能够合成具有较高真实度和准确性的目标年龄人脸图像。     

遮挡场景的光场图像深度估计方法

光场相机通过单次拍摄可获取立体空间中的4维光场数据,利用光场的多视角特性可从中提取全光场图像的深度信息.然而,现有深度估计方法很少考虑场景中存在遮挡的情况,当场景中有遮挡时,提取深度信息的精度会明显降低.对此,提出一种新的基于多线索融合的光场图像深度提取方法以获取高精度的深度信息.首先分别利用自适应散焦算法和自适应匹配算法提取场景的深度信息;然后用峰值比作为置信以加权融合两种算法获取的深度;最后,用具有结构一致性的交互结构联合滤波器对融合深度图进行滤波,得到高精度深度图.合成数据集和真实数据集的实验结果表明,与其他先进算法相比,所提出的算法获取的深度图精度更高、噪声更少、图像边缘保持效果更好.     

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。     

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。     

3D遮挡模型引导的光场图像深度获取

目的 光场相机可以通过单次曝光同时从多个视角采样单个场景,在深度估计领域具有独特优势。消除遮挡的影响是光场深度估计的难点之一。现有方法基于2D场景模型检测各视角遮挡状态,但是遮挡取决于所采样场景的3D立体模型,仅利用2D模型无法精确检测,不精确的遮挡检测结果将降低后续深度估计精度。针对这一问题,提出了3D遮挡模型引导的光场图像深度获取方法。方法 向2D模型中的不同物体之间添加前后景关系和深度差信息,得到场景的立体模型,之后在立体模型中根据光线的传输路径推断所有视角的遮挡情况并记录在遮挡图（occlusion map）中。在遮挡图引导下,在遮挡和非遮挡区域分别使用不同成本量进行深度估计。在遮挡区域,通过遮挡图屏蔽被遮挡视角,基于剩余视角的成像一致性计算深度;在非遮挡区域,根据该区域深度连续特性设计了新型离焦网格匹配成本量,相比传统成本量,该成本量能够感知更广范围的色彩纹理,以此估计更平滑的深度图。为了进一步提升深度估计的精度,根据遮挡检测和深度估计的依赖关系设计了基于最大期望（exception maximization,EM）算法的联合优化框架,在该框架下,遮挡图和深度图通过互相引导的方式相继提升彼此精度。结果 实验结果表明,本文方法在大部分实验场景中,对于单遮挡、多遮挡和低对比度遮挡在遮挡检测和深度估计方面均能达到最优结果。均方误差（mean square error,MSE）对比次优结果平均降低约19.75%。结论 针对遮挡场景的深度估计,通过理论分析和实验验证,表明3D遮挡模型相比传统2D遮挡模型在遮挡检测方面具有一定优越性,本文方法更适用于复杂遮挡场景的深度估计。     

多层次特征融合的人群密度估计

目的 人群数量和密度估计在视频监控、智能交通和公共安全等领域有着极其重要的应用价值。现有技术对人群数量大,复杂环境下人群密度的估计仍存在较大的改进空间。因此,针对密度大、分布不均匀、遮挡严重的人群密度视觉检测,提出一种基于多层次特征融合网络的人群密度估计方法,用来解决人群密度估计难的问题。方法 首先,利用多层次特征融合网络进行人群特征的提取、融合、生成人群密度图;然后,对人群密度图进行积分计算求出对应人群的数量;最后,通过还原密度图上人群空间位置信息并结合估算出的人群数量,对人群拥挤程度做出量化判断。结果 在Mall数据集上本文方法平均绝对误差（MAE）降至2.35,在ShanghaiTech数据集上MAE分别降至20.73和104.86,与现有的方法进行对比估计精度得到较大提升,尤其是在环境复杂、人数较多的场景下提升效果明显。结论 本文提出的多层次特征融合的人群密度估计方法能有效地对不同尺度的特征进行提取,具有受场景约束小,人群数量估计精度高,人群拥挤程度评估简单可靠等优点,实验的对比结果验证了本文方法的有效性。     

RGB-D语义分割：深度信息的选择使用

目的 在室内场景语义分割任务中,深度信息会在一定程度上提高分割精度。但是如何更有效地利用深度信息仍是一个开放性问题。当前方法大都引入全部深度信息,然而将全部深度信息和视觉特征组合在一起可能对模型产生干扰,原因是仅依靠视觉特征网络模型就能区分的不同物体,在引入深度信息后可能产生错误判断。此外,卷积核固有的几何结构限制了卷积神经网络的建模能力,可变形卷积(deformable convolution,DC)在一定程度上缓解了这个问题。但是可变形卷积中产生位置偏移的视觉特征空间深度信息相对不足,限制了进一步发展。基于上述问题,本文提出一种深度信息引导的特征提取(depth guided feature extraction,DFE)模块。方法 深度信息引导的特征提取模块包括深度信息引导的特征选择模块(depth guided feature selection,DFS)和深度信息嵌入的可变形卷积模块(depth embedded deformable convolution,DDC)。DFS可以筛选出关键的深度信息,自适应地调整深度信息引入视觉特征的比例,在网络模型需要时将深度信息嵌入视觉特征。DDC在额外深度信息的引入下,增强了可变形卷积的特征提取能力,可以根据物体形状提取更相关的特征。结果 为了验证方法的有效性,在NYUv2(New York University Depth Dataset V2)数据集上进行一系列消融实验并与当前最好的方法进行比较,使用平均交并比(mean intersection over union,mIoU)和平均像素准确率(pixel accuracy,PA)作为度量标准。结果显示,在NYUv2数据集上,本文方法的mIoU和PA分别为51.9%和77.6%,实现了较好的分割效果。结论 本文提出的深度信息引导的特征提取模块,可以自适应地调整深度信息嵌入视觉特征的程度,更加合理地利用深度信息,且在深度信息的作用下提高可变形卷积的特征提取能力。此外,本文提出的深度信息引导的特征提取模块可以比较方便地嵌入当下流行的特征提取网络中,提高网络的建模能力。     

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。     

基于采样汇集网络的场景深度估计

针对现有场景深度估计方法中,由于下采样操作引起的复杂物体边界定位不准确,而造成物体边界处的场景深度估计模糊的问题,受密集网络中特征汇集过程的启发,本文提出一种针对上;下采样过程的汇集网络模型.在下采样过程中,使用尺度特征汇集策略,兼顾不同尺寸物体的估计;在上采样过程中,使用上采样反卷积恢复图像分辨率;同时,引入采样跨层汇集策略,提供下采样过程中保存的物体边界的有效定位信息.本文提出的采样汇集网络(Sampling aggregate network,SAN)中使用的尺度特征汇集和采样跨层汇集,都可以有效缩短特征图到输出损失之间的路径,从而有利于避免模型的参数优化时陷入局部最优解.在公认场景深度估计NYU-Depth-v2数据集上的实验说明,本文方法能够有效改善复杂物体边界等干扰情况下的场景深度估计效果,并在深度估计误差和准确性上,优于当前场景深度估计的主流方法.     

结合全卷积神经网络的室内场景分割

目的 视觉假体通过向盲人体内植入电极刺激视神经产生光幻视,盲人所能感受到的物体只是大体轮廓,对物体识别率低,针对视觉假体中室内应用场景的特点,提出一种快速卷积神经网络图像分割方法对室内场景图像进行分割,通过图像分割技术把物品大致的位置和轮廓显示出来,辅助盲人识别。方法 构建了用于室内场景图像分割的FFCN（fast fully convolutional networks）网络,通过层间融合的方法,避免连续卷积对图像特征信息的损失。为了验证网络的有效性,创建了室内环境中的基本生活物品数据集（以下简称XAUT数据集）,在原图上通过灰度标记每个物品的类别,然后附加一张颜色表把灰度图映射成伪彩色图作为语义标签。采用XAUT数据集在Caffe（convolutional architecture for fast feature embedding）框架下对FFCN网络进行训练,得到适应于盲人视觉假体的室内场景分割模型。同时,为了对比模型的有效性,对传统的多尺度融合方法FCN-8s、FCN-16s、FCN-32s等进行结构微调,并采用该数据集进行训练得到适用于室内场景分割的相应算法模型。结果 各类网络的像素识别精度都达到了85%以上,均交并比（MIU）均达到60%以上,其中FCN-8s at-once网络的均交并比最高,达到70.4%,但其分割速度仅为FFCN的1/5。在其他各类指标相差不大的前提下,FFCN快速分割卷积神经网络上平均分割速度达到40帧/s。结论 本文提出的FFCN卷积神经网络可以有效利用多层卷积提取图像信息,避免亮度、颜色、纹理等底层信息的影响,通过尺度融合技术可以很好地避免图像特征信息在网络卷积和池化中的损失,相比于其他FCN网络具有更快的速度,有利于提高图像预处理的实时性。     

基于对抗式扩张卷积的多尺度人群密度估计

目的 人群密度估计任务是通过对人群特征的提取和分析,估算出密度分布情况和人群计数结果。现有技术运用的CNN网络中的下采样操作会丢失部分人群信息,且平均融合方式会使多尺度效应平均化,该策略并不一定能得到准确的估计结果。为了解决上述问题,提出一种新的基于对抗式扩张卷积的多尺度人群密度估计模型。方法 利用扩张卷积在不损失分辨率的情况下对输入图像进行特征提取,且不同的扩张系数可以聚集多尺度上下文信息。最后通过对抗式损失函数将网络中提取的不同尺度的特征信息以合作式的方式融合,得到准确的密度估计结果。结果 在4个主要的人群计数数据集上进行对比实验。在测试阶段,将测试图像输入训练好的生成器网络,输出预测密度图;将密度图积分求和得到总人数,并以平均绝对误差（MAE）和均方误差（MSE）作为评价指标进行结果对比。其中,在ShanghaiTech数据集上Part_A的MAE和MSE分别降至60.5和109.7,Part_B的MAE和MSE分别降至10.2和15.3,提升效果明显。结论 本文提出了一种新的基于对抗式扩张卷积的多尺度人群密度估计模型。实验结果表明,在人群分布差异较大的场景中构建的算法模型有较好的自适应性,能根据不同的场景提取特征估算密度分布,并对人群进行准确计数。