基于Dropout-多尺度空洞卷积神经网络的轴承故障诊断

为了提高故障诊断模型对故障轴承低信噪比信号的特征提取能力,使模型在强噪声环境下仍能发挥作用,提出了一种基于Dropout-多尺度空洞卷积神经网络(D-MDCNN)的滚动轴承故障诊断模型。首先,通过Dropout数据预处理,对训练数据进行“损坏”,强迫模型仅依靠少量特征便可进行故障诊断,以提高模型的抗噪声能力;然后,使用不同扩张率的空洞卷积扩充了多尺度信息,并利用CNN模块来完成对特征的提取与故障诊断;同时,在模型中加入批量归一化处理操作,用来加快模型训练的收敛速度,提高了模型的性能;最后,利用美国凯斯西储大学轴承数据集和东南大学齿轮箱数据集对基于D-MDCNN的模型进行了实验验证,并将实验结果与采用其他深度学习模型所得的实验结果进行了对比分析。实验结果表明:在无噪声至4dB的噪声环境下,D-MDCNN在西储大学和东南大学两个数据集上均可取得99%的诊断准确率;相比于其他同类模型,基于D-MDCNN的模型具有更高的诊断准确率和抗噪声能力。研究结果表明:基于D-MDCNN的模型是一种有效的轴承故障诊断模型。

基于多尺度注意力卷积神经网络的苹果叶部病害识别方法

针对传统苹果叶部病害识别方法识别率低和现有卷积神经网络(CNN)训练时间长的问题,提出一种基于多尺度注意力卷积神经网络的苹果叶部病害识别方法。该方法由多尺度空洞卷积模块Inception与改进的残差模块组成,其中,多尺度空洞卷积模块Inception用于图像的多尺度特征提取,在卷积模块中引入双注意力机制增强网络模型,显著表示图像中叶部病斑区域特征,降低非病斑区域与背景区域对识别结果的干扰,在原始残差模块上引入卷积层与非线性激活函数改进的残差模块,增加鲁棒性判别特征的跨层融合,在苹果病害叶片图像数据集上的识别准确率达96%以上。结果表明,所提出的方法具有参数量少、占用内存小以及性能好的优势,可进一步应用于田间苹果叶部病害智能识别系统。

空洞卷积结合全局池化的卷积神经网络识别作物幼苗与杂草

针对传统Alex Net模型参数大、特征尺度单一的问题,该文提出一种空洞卷积与全局池化相结合的多尺度特征融合卷积神经网络识别模型。通过对初始卷积层的卷积核进行膨胀,以增大其感受野而不改变参数计算量,并采用全局池化代替传统的全连接层来减少模型的参数。通过设置不同膨胀系数的初始卷积层卷积核与全局池化层类型,以及设置不同Batch Size,得到8种改进模型,用于训练识别共12种农作物幼苗与杂草,并从建立的模型中选出最优模型。改进后的最优模型与传统Alex Net模型相比,仅经过4次训练迭代,就能达到90%以上的识别准确率,平均测试识别准确率达到98.80%,分类成功指数达到96.84%,模型内存需求减少为4.20 MB。实际田间预测野芥与雀麦幼苗的准确率都能达到75%左右,说明该文最优模型对正常情况下的幼苗识别性能较好,但对复杂黑暗背景下的甜菜幼苗准确率为60%,对恶劣背景下的识别性能还有待提升。由于模型使用了更宽的网络结构,增加了特征图的多尺度融合,保持对输入空间变换的不变性,故对正常情况下不同作物幼苗与杂草的识别能力较强。该文改进模型能达到较高的平均识别准确率及分类成功率,可为后续深入探索复杂田间背景下的杂草识别以及杂草与幼苗识别装置的研制打下基础。

一种阶梯型多尺度神经网络条带噪声降噪模型

针对遥感影像上存在的复杂条带噪声问题,提出一种阶梯型多尺度卷积神经网络降噪模型(SmCNN)。该模型采用一种阶梯型网络结构轻量化设计,高度融合高、低层等多层网络特征,对影像上的非均质、高覆盖、多尺度条带噪声具备优秀的识别、去除能力。模型主要通过3*3空洞卷积构建多尺度网络和残差网络融合多尺度特征信息,增强多尺度条带噪声的检测能力、弥补深度网络退化缺点;采用锯齿状混合空洞卷积网络结构解决图像信息不连续问题;设计阶梯型多尺度网络结构、引入1*1卷积以轻量化神经网络模型,降低模型复杂度。实验结果表明,SmCNN降噪性能明显优于传统图像降噪方法,比经典的前馈去噪卷积神经网络(DnCNN)降噪模型在均方误差、峰值信噪比、结构相似性三项图像降噪质量评价指标上,分别提高了61.2%、11.8%和0.7%,且网络结构轻量化效果显著,节约了53.11%的模型训练时间。

基于深度卷积神经网络的运动模糊去除算法

为了提高图像去模糊的复原效果和处理速度,提出了基于深度卷积神经网络的运动模糊去除算法。以多尺度图像为依据,构建了基于自动编码器的网络模型。在扩大感受野方面,采用空洞卷积模块提取图像多尺度特征信息,采用残差模块拓宽网络深度,以解决训练过程中图像细节丢失的问题,实现了图像的端到端运动模糊去除任务。在GOPRO数据集和真实测试集上的实验结果表明,该文算法在参数量仅为3.24×106的情况下的峰值信噪比(PSNR)和结构相似性(SSIM)指标分别为28.53和0.9141,运行时间为0.3 s。

基于卷积神经网络的害虫分类

农作物病虫害是一种严重的自然灾害,需要对其进行及时预测和监控,以保证农作物产量。由于害虫种类繁多以及作物在生长初期的形态相似,农业工作者难以准确识别各类作物昆虫,给病虫害的防治工作带来巨大挑战。针对这一问题,提出一种基于多尺度特征融合的网络模型(FFNet)对作物害虫进行精准识别与分类。首先,采用空洞卷积设计多尺度特征提取模块(MFEM),获取害虫图像的多尺度特征图;然后,使用深层特征提取模块(DFEM)提取图像的深层特征信息;最后,将分别由多尺度特征提取模块(MFEM)和深层特征提取模块(DFEM)提取到的特征图进行融合,从而实现以端到端的方式对作物害虫进行精准分类与识别。试验表明:所提出的方法在12类害虫的数据集上获得优异的分类性能,分类准确率(ACC)达到98.2%,损失函数Loss为0.031,模型训练时间为197 min。

基于卷积神经网络的图像分割算法

在计算机视觉领域中,图像分割技术为基础的部分之一,图像分割的精确与否对后续图像处理存在重要的影响。对全卷积网络进行改进,将卷积网络、多尺度特征提取和空洞卷积进行结合,将不同卷积层抓取到的具有更强描述力的特征进行融合,并且增加网络的层数来提升网络的泛化能力。对网络在CamVid数据集上进行测试,其测试结果与FCN-16s的测试结果进行对比,证明了网络的精确度有所提升。

面向复杂验证码识别任务的轻量神经网络设计

深层神经网络拥有更强特征表达能力的同时,也带来了优化难、训练成本高及梯度弥散等问题;参数数量的激增则导致模型过于臃肿,不利于其在移动端及工业控制设备等算力弱、存储小的平台上的部署.针对这些问题,构建了一种融合空洞卷积和多尺度稀疏结构的轻量神经网络对图像进行特征提取,实现对带有彩色图形噪声且字符扭曲粘连严重的验证码图像的端到端识别.将包含100万张验证码图像的数据集按98:1:1的比例划分为训练集、验证集和测试集,逐批参与训练.实验结果表明,该网络在大大减少参数数量的同时,具有测试集上98.9%的识别成功率.

基于空洞卷积与多尺度特征融合的室内场景单图像分段平面三维重建

受光照变化和纹理缺乏等因素的影响,基于单幅室内场景图像的像素级和区域级三维重建算法很难恢复场景结构细节。本文提出了一种基于空洞卷积残差连接和多尺度特征融合网络的分段平面三维重建算法。该算法通过融合利用加入空洞卷积的ResNet-101网络产生的浅层高分辨率细节特征,从而减小随着网络结构的层次加深导致空间信息的丢失对三维重建细节的影响,使模型能够学习单幅图像中室内复杂场景的细节特征,并通过将全连接条件随机场优化的定位精度与深度卷积神经网络的识别能力相耦合,更好地处理了边界定位问题。实验结果表明,本文算法对复杂背景的室内场景的平面预测鲁棒性强,平面分割结果准确,且深度预测精度平均可达到92.27%。

结合空洞卷积的多尺度脑肿瘤分割算法

全卷积神经网络通过端到端的学习方式,实现了自动分割的目的。连续的卷积和池化操作会丢失一些像素,从而使感受野的大小受到限制,提出了一种基于空洞卷积的多尺度特征提取模块(Multi-scale Feature Extraction Block based on Dilate Convolution,MD),MD模块的输出包含了多尺度特征信息;增加损失函数中关于肿瘤区域的学习权重,解决类别不平衡问题;通过添加归一化层解决梯度消失的问题。多尺度特征提取的全卷积神经网络对完整肿瘤、核心区域、增强区域的分割的DSC评价分别为0.86、0.71、0.63,实验证明算法可以有效地保留肿瘤区域的细节信息和提高灰度相似区域的鉴别能力。

采用空洞卷积的多尺度融合草图识别模型

针对现有的基于深度学习的草图识别方法大多将普通卷积作为草图特征提取的主要手段。而忽略了草图对象的稀疏性特点,提出了一种通过空洞卷积实现草图特征提取的草图识别模型。该模型将空洞卷积和普通卷积融合,利用空洞卷积不增加卷积核有效单元数量即可扩大感受野的特性,实现对草图结构特征的初步提取。考虑到空洞卷积的稀疏采样方式使得远距离卷积得到的信息之间没有相关性,对分类结果会产生影响,于是在使用空洞卷积对图像特征进行稀疏提取的同时,使用具有相同大小感受野的普通卷积对输入图像特征进行密集提取,最后将两种不同卷积方式输出的特征在通道维度上进行拼接。这种方法不仅发挥了空洞卷积的稀疏采样特性,也充分利用到不同卷积方式带来的多尺度信息优势。实验结果表明,该模型在TU-Berlin SKetch数据集取得了72.6%的识别准确率,相较于目前主流的草图识别方法,效果更加明显。

基于多尺度近端特征拼接网络的高光谱图像分类方法

针对基于传统卷积神经网络模型的高光谱图像分类算法细节表现力不强及网络结构过于复杂的问题,设计了一种基于多尺度近端特征拼接网络的高光谱图像分类方法。通过引入多尺度滤波器和空洞卷积,在保持模型轻量化的同时可以获取更丰富的空间−光谱判别特征,并提出利用卷积神经网络近端特征间的相互联系进一步增强细节表现力。在3个基准高光谱图像数据集上的实验结果表明,所提方法优于其他分类模型。

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。

动态感受野特征选择去雾网络

基于深度学习的去雾模型大多在网络参数固定后,感受野也就随之固定。这导致去雾网络无法针对每个具体的场景采用最优的模式进行去雾,从而造成结果中存在模糊和失真。针对这些问题,文中提出动态感受野特征选择去雾网络。该网络以带有空洞卷积的特征注意力空洞模块为基础组件,并行使用多个空洞率不同的特征注意力空洞模块来提取多尺度特征,并进行动态特征融合,构成动态感受野模块。文中将多个动态感受野模块搭配残差连接组成深度网络,对不同层次的特征进行动态混合,最终解码得到去雾图像。实验结果表明,文中所提算法对室内和室外的合成雾图以及真实含雾图像均具有良好的去雾效果,可以生成清晰、自然的去雾图像。

比例融合与多层规模感知的人群计数方法

针对密集场景下人群图像拍摄视角或距离多变造成的多尺度特征获取不足、融合不佳和全局特征利用不充分等问题,提出一种比例融合与多层规模感知的人群计数网络。首先采用骨干网络VGG16提取人群密度初始特征;其次,设计多层规模感知模块,获得人群多尺度信息的丰富表达;再次,提出比例融合策略,根据卷积层捕获的特征权重重构多尺度信息,提取显著性人群特征;最后,采用卷积回归策略进行密度图的回归。同时,提出一种局部一致性损失函数,通过区域化密度图的方式增强生成密度图与真实密度图的相似度,提高计数性能。在多个人群数据集上的试验结果表明,所提模型优于近年人群计数的先进方法,且在车辆计数上有较好推广性。

基于稠密连接网络的单目深度估计

单目深度估计作为计算机视觉的基本问题,得到人们的广泛关注。目前的方法多集中在深度卷积神经网络的图像级信息上,训练时收敛速度较慢,精度下降,特别是在图像中拥有不同大小的多目标情况下。为此,本文基于一个编解码框架提出了一个新的卷积神经网络模型结构DCDN(Deep Convolution DenseASPP Network),并将其应用到深度估计中。不同尺度的物体特征需要不同的卷积核去获取,对于多目标的图像,用不同的卷积核去获取他们的特性。本文采用稠密链接的空洞卷积组,利用不同扩张率的空洞卷积去强化多尺度目标的特性学习。实验结果表明,该方法在NYU-Depth-v2数据集上达到了0.823的准确率(阈值<1.25),优于最先进的方法。

自适应上下文特征的多尺度目标检测算法

识别多尺度目标是检测任务中的一项挑战,针对检测中的多尺度问题,提出自适应上下文特征的多尺度目标检测算法。针对不同尺度的目标需要不同大小感受野特征进行识别的问题,构建了一种多感受野特征提取网络,通过多分支并行空洞卷积,从高层语义特征中挖掘标签中的上下文信息;针对不同尺度目标的语义特征出现在不同分辨率特征图中的问题,基于改进的通道注意力机制,提出自适应的特征融合网络,通过学习不同分辨率特征图之间的相关性,在全局语义特征中融合局部位置特征;利用不同尺度的特征图识别不同尺度的物体。在PASCAL VOC数据集上对本文算法进行验证,本文方法的检测精度达到了85.74%,相较于Faster RCNN检测精度提升约8.7%,相较于基线检测算法YOLOv3+提升约2.06%。

一种改进残差网络的图像超分辨率重建

针对图像超分辨率重建的卷积神经网络存在单一尺度特征提取及感受野小等问题,提出一种改进的多尺度特征提取融合空洞残差网络的单幅图像超分辨率重建方法.在网络初始阶段采用多尺度特征提取模块,改进了图像高频有用信息提取不充分的问题;网络中间阶段采用6个不同扩张率的空洞残差块串联,增大感受野的同时消除“网格”化效应,提升图像细节信息的传播效率.在Set5、Set14和BSD100数据集上的实验结果表明:该方法的重建结果均优于其他3种算法.与VDSR方法相比,平均PSNR提升了0.23 dB,平均SSIM提升了0.0147;与Bicubic方法相比,平均PSNR提升了2.39 dB,平均SSIM提升了0.0603.

DeepLab V3+改进的树木图像分割

针对树木图像分割需要预处理、人机交互和分割精度低等问题,提出基于改进的DeepLab V3+的街道树木图像分割方法。在编码端使用带有扩张卷积的扩张残留网络并添加密集连接方式提取中阶特征图,传递给设计有交互信息传递的空洞空间卷积池化金字塔,增强了不同感受野之间的相关性,采用多尺度拼接融合方法形成高阶特征图。在解码端,对多增加的中阶特征图和高阶特征图进行上采样后调整通道数,与低阶特征图进行跨层拼接融合,使高分辨率图像的细节信息得到更好的补充。在自制树木图像分割数据集以及Cityscapes公共数据集上的精度相较DeepLab V3+以及其它主流网络有所提高。

一种融合多级特征信息的图像语义分割方法

卷积神经网络因为其强大的学习能力,已经在语义分割任务中取得了显著的效果,但是如何有效地利用网络在浅层次的视觉特征和深层次的语义特征一直是研究的热点,以此为出发点,提出了一种融合多级特征信息的图像语义分割方法。通过空洞卷积提取各层级的特征,并不断迭代深层特征来丰富低级视觉信息,最后与高级语义特征合并融合,得到精细的语义分割结果。实验在PASCAL VOC 2012数据集上与主流的五种方法进行了比较,在GTX1080Ti的环境下该方法与其中性能第二的模型mIoU(mean intersection-over-union)值相比提高了2.1%,与其中性能第一的模型mIoU值仅相差0.4%,表明该方法能有效利用多层级的特征信息,实现了图像语义分割的目的。