对抗学习遥感图像场景识别

目的 在高分辨率遥感图像场景识别问题中,经典的监督机器学习算法大多需要充足的标记样本训练模型,而获取遥感图像的标注费时费力。为解决遥感图像场景识别中标记样本缺乏且不同数据集无法共享标记样本问题,提出一种结合对抗学习与变分自动编码机的迁移学习网络。方法 利用变分自动编码机（variational auto-encoders,VAE）在源域数据集上进行训练,分别获得编码器和分类器网络参数,并用源域编码器网络参数初始化目标域编码器。采用对抗学习的思想,引入判别网络,交替训练并更新目标域编码器与判别网络参数,使目标域与源域编码器提取的特征尽量相似,从而实现遥感图像源域到目标域的特征迁移。结果 利用两个遥感场景识别数据集进行实验,验证特征迁移算法的有效性,同时尝试利用SUN397自然场景数据集与遥感场景间的迁移识别,采用相关性对齐以及均衡分布适应两种迁移学习方法作为对比。两组遥感场景数据集间的实验中,相比于仅利用源域样本训练的网络,经过迁移学习后的网络场景识别精度提升约10%,利用少量目标域标记样本后提升更为明显;与对照实验结果相比,利用少量目标域标记样本时提出方法的识别精度提升均在3%之上,仅利用源域标记样本时提出方法场景识别精度提升了10%~40%;利用自然场景数据集时,方法仍能在一定程度上提升场景识别精度。结论 本文提出的对抗迁移学习网络可以在目标域样本缺乏的条件下,充分利用其他数据集中的样本信息,实现不同场景图像数据集间的特征迁移及场景识别,有效提升遥感图像的场景识别精度。     

适合跨域目标检测的雾霾图像增强

目的 室外监控在雾霾天气所采集图像的成像清晰度和目标显著程度均会降低,当在雾霾图像提取与人眼视觉质量相关的自然场景统计特征和与目标检测精度相关的目标类别语义特征时,这些特征与从清晰图像提取的特征存在明显差别。为了提升图像质量并且在缺乏雾霾天气目标检测标注数据的情况下提升跨域目标检测效果,本文综合利用传统方法和深度学习方法,提出了一种无监督先验混合图像特征级增强网络。方法 利用本文提出的传统先验构成雾气先验模块;其后连接一个特征级增强网络模块,将去散射图像视为输入图像,利用像素域和特征域的损失实现场景统计特征和目标类别语义相关表观特征的增强。该混合网络突破了传统像素级增强方法难以表征抽象特征的制约,同时克服了对抗迁移网络难以准确衡量无重合图像域在特征空间分布差异的弱点,也减弱了识别算法对于低能见度天候采集图像标注数据的依赖,可以同时提高雾霾图像整体视觉感知质量以及局部目标可识别表现。结果 实验在两个真实雾霾图像数据集、真实图像任务驱动的测试数据集(real-world task-driven testing set, RTTS)和自动驾驶雾天数据集(foggy driving dense)上与最新的5种散射去除方法进行了比较,相比于各指标中性能第2的算法,本文方法结果中梯度比指标R值平均提高了50.83%,属于感知质量指标的集成自然图像质量评价指标(integrated local natural image quality evaluator, IL-NIQE)值平均提高了6.33%,属于跨域目标检测指标的平均精准率(mean average precision, MAP)值平均提高了6.40%,平均查全率Recall值平均提高了7.79%。实验结果表明,本文方法结果在视觉质量和目标可识别层面都优于对比方法,并且本文方法对于高清视频的处理速度达50帧/s,且无需标注数据,因而在监控系统具有更高的实用价值。结论 本文方法可以同时满足雾霾天候下对采集视频进行人眼观看和使用识别算法进行跨域目标检测的需求,具有较强的应用意义。     

多源域混淆的双流深度迁移学习

目的 针对深度学习严重依赖大样本的问题,提出多源域混淆的双流深度迁移学习方法,提升了传统深度迁移学习中迁移特征的适用性。方法 采用多源域的迁移策略,增大源域对目标域迁移特征的覆盖率。提出两阶段适配学习的方法,获得域不变的深层特征表示和域间分类器相似的识别结果,将自然光图像2维特征和深度图像3维特征进行融合,提高小样本数据特征维度的同时抑制了复杂背景对目标识别的干扰。此外,为改善小样本机器学习中分类器的识别性能,在传统的softmax损失中引入中心损失,增强分类损失函数的惩罚监督能力。结果 在公开的少量手势样本数据集上进行对比实验,结果表明,相对于传统的识别模型和迁移模型,基于本文模型进行识别准确率更高,在以DenseNet-169为预训练网络的模型中,识别率达到了97.17%。结论 利用多源域数据集、两阶段适配学习、双流卷积融合以及复合损失函数,构建了多源域混淆的双流深度迁移学习模型。所提模型可增大源域和目标域的数据分布匹配率、丰富目标样本特征维度、提升损失函数的监督性能,改进任意小样本场景迁移特征的适用性。     

融合视觉感知特性的场景分类算法

目的 目前对于场景分类问题,由于其内部结构的多样性和复杂性,以及光照和拍摄角度的影响,现有算法大多通过单纯提取特征进行建模,并没有考虑场景图像中事物之间的相互关联,因此,仍然不能达到一个理想的分类效果。本文针对场景分类中存在的重点和难点问题,充分考虑人眼的视觉感知特性,利用显著性检测,并结合传统的视觉词袋模型,提出了一种融合视觉感知特性的场景分类算法。方法 首先,对图像进行多尺度分解,并提取各尺度下的图像特征,接着,检测各尺度下图像的视觉显著区域,最后,将显著区域信息与多尺度特征进行有机融合,构成多尺度融合窗选加权SIFT特征（WSSIFT）,对场景进行分类。结果 为了验证本文算法的有效性,该算法在3个标准数据集SE、LS以及IS上进行测试,并与不同方法进行比较,分类准确率提高了约3%~17%。结论 本文提出的融合视觉感知特性的场景分类算法,有效地改善了单纯特征描述的局限性,并提高了图像的整体表达。实验结果表明,该算法对于多个数据集都具有较好的分类效果,适用于场景分析、理解、分类等机器视觉领域。     

多尺度深度特征提取的肝脏肿瘤CT图像分类

目的 肝脏肿瘤是人体最具侵袭性的恶性肿瘤之一,传统的肿瘤诊断依靠观察患者的CT（computed tomography）图像,工作量大时易造成疲劳,难免会产生误诊,为此使用计算机辅助的方法进行诊断,但现有的深度学习方法中存在肿瘤分类准确率低、网络的特征表达能力和特征提取能力较弱等问题。对此,本文设计了一种多尺度深度特征提取的分类网络模型。方法 首先在原始CT图像中选取感兴趣区域,然后根据CT图像的头文件进行像素值转换,并进行数据增强来扩充构建数据集,最后将处理后的数据输入到本文提出的分类网络模型中输出分类结果。该网络通过多尺度特征提取模块来提取图像的多尺度特征并增加网络的感受野,使用深度特征提取模块降低背景噪声信息,并着重关注病灶区域有效特征,通过集成并行的空洞卷积使得尺度多元化,并将普通卷积用八度卷积替换来减少参数量,提升分类性能,最终实现了对肝脏肿瘤的精确分类。结果 本文模型达到了87.74%的最高准确率,比原始模型提升了9.92%;与现有主流分类网络进行比较,多项评价指标占优,达到了86.04%的召回率,87%的精准率,86.42%的F1分数;此外,通过消融实验进一步验证了所提方法的有效性。结论 本文方法可以较为准确地对肝脏肿瘤进行分类,将此方法结合到专业的医疗软件当中去,能够为医生早期的诊断和治疗提供可靠依据。     

密集挤压激励网络的多标签胸部X光片疾病分类

目的 X射线光片是用于诊断多种胸部疾病常用且经济的方法。然而,不同疾病的位置及病灶区域大小在X光片上差异较大且纹理表现存在多样性,是胸部疾病分类任务面临的主要挑战。此外,样本数据类别不平衡进一步增加了任务的困难。针对以上挑战以及目前算法识别精度有待提升的问题,本文采用深度学习方法提出一种基于密集挤压激励网络的多标签胸部疾病分类算法。方法 将挤压激励模块同样以密集连接的方式加入密集连接网络中作为特征通道高度注意模块,以增强对于网络正确判断疾病有用信息的传递同时抑制无用信息的传递;使用非对称卷积块增强网络的特征提取能力;采用焦点损失函数,增加难识别疾病的损失权重而减小易识别疾病的损失权重,以增强网络对难识别样本的学习。结果 在ChestX-ray14数据集上的实验结果表明,本文算法对14种胸部疾病的分类精度较目前3种经典及先进算法有所提升,平均AUC（area under ROC curve）值达到0.802。另外本文将算法模型在诊断时依据的病灶区域进行可视化,其结果进一步证明了模型的有效性。结论 本文提出的基于密集挤压激励网络的多标签分类算法,在胸部疾病识别上的平均AUC值较高,适用于胸部X光片的疾病分类。     

结合结构相似度的自适应多尺度SAR图像变化检测

目的 结合高斯核函数特有的性质,提出一种基于结构相似度的自适应多尺度SAR图像变化检测算法。方法 本文提出的算法包括差异图像获取、高斯多尺度分解、基于结构相似性的最优尺度选择、特征矢量构造以及模糊C均值分类。首先,通过对多时相SAR图像进行对数比运算获取差异图像,然后,利用基于图像的结构相似度估计高斯多尺度变换的最优尺度,继而在该最优尺度参数下逐像素构建变化检测特征矢量,最后通过模糊C均值聚类方法实现变化像素与未变化像素的分离,生成最终的变化检测结果图。结果 在两组真实的SAR图像数据上测试本文算法,正确检测率分别达到0.9952和0.9623,Kappa系数分别为0.8200和0.8540,相比传统算法有了较大的提高。结论 本文算法充分利用了尺度信息,对噪声的鲁棒性有所提高。实测SAR数据的实验结果表明,本文算法可以智能获取最优分解尺度,显著提高了SAR图像变化检测性能。     

多层校正的无监督领域自适应方法

目的 目前深度神经网络已成功应用于众多机器学习任务,并展现出惊人的性能提升效果。然而传统的深度网络和机器学习算法都假定训练数据和测试数据服从的是同一分布,而这种假设在实际应用中往往是不成立的。如果训练数据和测试数据的分布差异很大,那么由传统机器学习算法训练出来的分类器的性能将会大大降低。为了解决此类问题,提出了一种基于多层校正的无监督领域自适应方法。方法 首先利用多层校正来调整现有的深度网络,利用加法叠加来完美对齐源域和目标域的数据表示;然后采用多层权值最大均值差异来适应目标域,增加网络的表示能力;最后提取学习获得的域不变特征来进行分类,得到目标图像的识别效果。结果 本文算法在Office-31图像数据集等4个数字数据集上分别进行了测试实验,以对比不同算法在图像识别和分类方面的性能差异,并进行准确度测量。测试结果显示,与同领域算法相比,本文算法在准确率上至少提高了5%,在应对照明变化、复杂背景和图像质量不佳等干扰情况时,亦能获得较好的分类效果,体现出更强的鲁棒性。结论 在领域自适应相关数据集上的实验结果表明,本文方法具备一定的泛化能力,可以实现较高的分类性能,并且优于其他现有的无监督领域自适应方法。     

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。     

基于AT-PGGAN的增强数据车辆型号精细识别

目的 车型识别在智能交通、智慧安防、自动驾驶等领域具有十分重要的应用前景。而车型识别中，带标签车型数据的数量是影响车型识别的重要因素。本文以"增强数据"为核心，结合PGGAN（progressive growing of GANs）和Attention机制，提出一种基于对抗网络生成数据再分类的网络模型AT-PGGAN（attention-progressive growing of GANs），采用模型生成带标签车型图像的数量，从而提高车型识别准确率。方法 该模型由生成网络和分类网络组成，利用生成网络对训练数据进行增强扩充，利用注意力机制和标签重嵌入方法对生成网络进行优化使其生成图像细节更加完善，提出标签重标定的方法重新确定生成图像的标签数据，并对生成图像进行相应的筛选。使用扩充的图像加上原有数据集的图像作为输入训练分类网络。结果 本文模型能够很好地扩充已有的车辆图像，在公开数据集StanfordCars上，其识别准确率相比未使用AT-PGGAN模型进行数据扩充的分类网络均有1%以上的提升，在CompCars上与其他网络进行对比，本文方法在同等条件下最高准确率达到96.6%，高于对比方法。实验结果表明该方法能有效提高车辆精细识别的准确率。结论 将生成对抗网络用于对数据的扩充增强，生成图像能够很好地模拟原图像数据，对原图像数据具有正则的作用，图像数据可以使图像的细粒度识别准确率获得一定的提升，具有较大的应用前景。     

结合自集成和对抗学习的域自适应城市场景语义分割

针对城市场景标签获取的高额成本问题,文中提出结合自集成和对抗学习的域自适应城市场景语义分割方法.对于源域和目标域的较大域间差异问题,采用风格转换的方法将源域数据集合成具有目标域风格的新数据集,作为新的源域数据集,从而有效减少源域与目标域的域间差异.对于目标域的域内差异问题,引入自集成方法,构造教师网络,利用教师网络在目标域分割图上通过一致性约束监督与指导学生网络,从而减小目标域的域内差异,提高分割精度.采用自训练的方法获得目标域的伪标签,将伪标签加入对抗学习方法中,重新训练网络模型,进一步提高模型的分割能力.在数据集上的分割实验表明文中方法的有效性.     

基于条件对抗域泛化的人脸活体检测方法

针对现存的跨场景人脸活体检测模型泛化性能差、类间重叠等问题,提出了一种基于条件对抗域泛化的人脸活体检测方法。首先,该方法使用嵌入注意力机制的U-Net网络和ResNet-18编码器提取多个源域的特征,然后将提取的特征送入辅助分类器,并将特征编码器的输出和分类器预测的结果通过多线性映射的方法进行融合,再输入到域判别器中进行对抗训练,以实现特征和类层面对齐多个源域。其次,为了减少预测不准确的难迁移样本对域泛化造成的影响,采用了熵函数来控制样本的优先级,以提高域泛化的性能。此外,通过添加人脸深度图以进一步抓取活体与假体的区别特征,通过非对称三元组损失约束作为辅助监督,进一步提高类内紧凑性和类间区分性。在公开活体检测数据集上的对比实验验证了所提方法的有效性。     

注意力迁移的联合平衡领域自适应

目的 现有的图像识别方法应用于从同一分布中提取的训练数据和测试数据时具有良好性能,但这些方法在实际场景中并不适用,从而导致识别精度降低。使用领域自适应方法是解决此类问题的有效途径,领域自适应方法旨在解决来自两个领域相关但分布不同的数据问题。方法 通过对数据分布的分析,提出一种基于注意力迁移的联合平衡自适应方法,将源域有标签数据中提取的图像特征迁移至无标签的目标域。首先,使用注意力迁移机制将有标签源域数据的空间类别信息迁移至无标签的目标域。通过定义卷积神经网络的注意力,使用关注信息来提高图像识别精度。其次,基于目标数据集引入网络参数的先验分布,并且赋予网络自动调整每个领域对齐层特征对齐的能力。最后,通过跨域偏差来描述特定领域的特征对齐层的输入分布,定量地表示每层学习到的领域适应性程度。结果 该方法在数据集Office-31上平均识别准确率为77.6%,在数据集Office-Caltech上平均识别准确率为90.7%,不仅大幅领先于传统手工特征方法,而且取得了与目前最优的方法相当的识别性能。结论 注意力迁移的联合平衡领域自适应方法不仅可以获得较高的识别精度,而且能够自动学习领域间特征的对齐程度,同时也验证了进行域间特征迁移可以提高网络优化效果这一结论。     

Convolutional neural network based heterogeneous transfer learning for remote-sensing scene classification

ABSTRACT

Deep convolutional neural network (CNN) transfer has recently shown strong performance in scene classification of high-resolution remote-sensing images. However, the majority of transfer learning solutions are categorized as homogeneous transfer learning, which ignores differences between target and source domains. In this paper, we propose a heterogeneous model to transfer CNNs to remote-sensing scene classification to correct input feature differences between target and source datasets. First, we extract filters from source images using the principal component analysis (PCA) method. Next, we convolute the target images with the extracted PCA filters to obtain an adopted target dataset. Then, a pretrained CNN is transferred to the adopted target dataset as a feature extractor. Finally, a classifier is used to accomplish remote-sensing scene classification. We conducted extensive experiments on the UC Merced dataset, the Brazilian coffee scene dataset and the Aerial Images Dataset to verify the effectiveness of the proposed heterogeneous model. The experimental results show that the proposed heterogeneous model outperforms the homogeneous model that uses pretrained CNNs as feature extractors by a wide margin and gains similar accuracies by fine-tuning a homogeneous transfer learning model with few training iterations.     

面向多模态自监督特征融合的音视频对抗对比学习

目的 同一视频中的视觉与听觉是两个共生模态,二者相辅相成,同时发生,从而形成一种自监督模式。随着对比学习在视觉领域取得很好的效果,将对比学习这一自监督表示学习范式应用于音视频多模态领域引起了研究人员的极大兴趣。本文专注于构建一个高效的音视频负样本空间,提高对比学习的音视频特征融合能力。方法 提出了面向多模态自监督特征融合的音视频对抗对比学习方法：1)创新性地引入了视觉、听觉对抗性负样本集合来构建音视频负样本空间;2)在模态间与模态内进行对抗对比学习,使得音视频负样本空间中的视觉和听觉对抗性负样本可以不断跟踪难以区分的视听觉样本,有效地促进了音视频自监督特征融合。在上述两点基础上,进一步简化了音视频对抗对比学习框架。结果 本文方法在Kinetics-400数据集的子集上进行训练,得到音视频特征。这一音视频特征用于指导动作识别和音频分类任务,取得了很好的效果。具体来说,在动作识别数据集UCF-101和HMDB-51(human metabolome database)上,本文方法相较于Cross-AVID(cross-audio visual instance discrimination...     

遥感图像语义分割中的弱监督域自适应算法

近年来,遥感图像的语义分割得到广泛应用。虽然基于深度学习的方法极大程度地提高了遥感图像的语义分割精度,但由于遥感图像的多样性（不同的地理位置、地形和天气条件）以及像素级标签的缺乏,该算法难以适用于跨多个域的任务。而若重新训练新的域则需要消耗大量人力资源来收集相应的像素级标签。为了解决这一跨域问题,基于对抗学习提出了一种目标域图像级标签已知的弱监督域自适应方法：利用图像级标签,提出多类域判别器,使目标域各个类别自适应地对齐到源域;为保持训练过程的平稳,一种基于熵值产生目标域像素级伪标签的方法被提出以监督特征提取器,提升模型表现。在ISPRS Vaihingen与ISPRS Potsdam数据集上的大量实验表明,改进后的算法优于其他遥感图像语义分割中的基于对抗学习域自适应算法。     

基于多对多生成对抗网络的非对称跨域迁移行人再识别

无监督跨域迁移学习是行人再识别中一个非常重要的任务. 给定一个有标注的源域和一个没有标注的目标域, 无监督跨域迁移的关键点在于尽可能地把源域的知识迁移到目标域. 然而, 目前的跨域迁移方法忽略了域内各视角分布的差异性, 导致迁移效果不好. 针对这个缺陷, 本文提出了一个基于多视角的非对称跨域迁移学习的新问题. 为了实现这种非对称跨域迁移, 提出了一种基于多对多生成对抗网络(Many-to-many generative adversarial network, M2M-GAN)的迁移方法. 该方法嵌入了指定的源域视角标记和目标域视角标记作为引导信息, 并增加了视角分类器用于鉴别不同的视角分布, 从而使模型能自动针对不同的源域视角和目标域视角组合采取不同的迁移方式. 在行人再识别基准数据集Market1501、DukeMTMC-reID和MSMT17上, 实验验证了本文的方法能有效提升迁移效果, 达到更高的无监督跨域行人再识别准确率.     

基于dropout正则化的半监督域自适应方法

针对机器学习中训练样本和测试样本概率分布不一致的问题,提出了一种基于dropout正则化的半监督域自适应方法来实现将神经网络的特征表示从标签丰富的源域转移到无标签的目标域。此方法从半监督学习的角度出发,在源域数据中添加少量带标签的目标域数据,使得神经网络在学习到源域数据特征分布的同时也能学习到目标域数据的特征分布。由于有了先验知识的指导,即使没有丰富的标签信息,神经网络依然可以很好地拟合目标域数据。实验结果表明,此算法在几种典型的数字数据集SVHN、MNIST和USPS的域自适应任务上的性能优于现有的其他算法,并且在涵盖广泛自然类别的真实数据集CIFAR-10和STL-10的域自适应任务上有较好的鲁棒性。