贝叶斯优化卷积神经网络公共场所异常声识别*

针对公共场所异常声的感知和识别问题,提出一种基于贝叶斯优化卷积神经网络的识别方法。提取声信号的Gammatone倒谱系数、倍频程功率谱、短时能量和谱质心,组合成声信号的特征图。构建卷积神经网络作为分类器,利用递增的卷积核设置和池化操作处理不同尺度的特征。基于贝叶斯优化算法优化卷积神经网络的模型参数,对包括火苗噼啪声、婴儿啼哭声、烟花燃放声、玻璃破碎声和警报声的5种公共场所异常声进行识别。该方法的识别结果与基于不同的特征提取和分类器方案得到的识别结果进行比较,结果表明该方法的识别效果优于其他特征提取和分类器方案的识别效果。最后分析了该方法在不同信噪比噪声干扰下的识别结果,验证了该方法的有效性。     

基于稀疏编码和卷积神经网络的地貌图像分类

提出了一种基于稀疏编码和卷积神经网络的地貌场景图像分类算法;利用非下采样Contourlet变换对训练样本进行多尺度分解;在训练样本中选择图像,利用稀疏编码学习局部特征,对特征向量进行排序;选择灰度平均梯度较大的特征向量对卷积神经网络卷积核进行初始化。结果表明:所提算法可以获得比传统底层视觉特征更好的分类结果,有效避免了网络训练陷入局部最优的问题,提高了自然场景下无人机着陆地貌的分类准确率。     

基于集成卷积神经网络的遥感影像场景分类

提出了一种基于集成卷积神经网络(CNN)的遥感影像场景分类算法。通过构建反向传播网络实现了场景图像的复杂度度量;根据图像的复杂度级别,选择CNN对图像进行分类,完成了遥感影像的场景分类。使用所提出的算法对NWPU-RESISC45公开数据集进行了实验验证,取得了89.33%(第一类实验)和92.53%(第二类实验)的分类准确率,平均运行时间为0.41 s。相比于精调训练的VGG-16模型,所提算法的分类准确率分别提升了2.19%和2.17%,预测速率提升了33%,证明了其有效性和实用性。     

基于不同卷积尺度融合与近红外光谱的土地分类模型研究

为了提高基于近红外光谱的土地覆盖分类模型的准确率，以欧盟统计局发布的土壤近红外光谱数据为研究对象，研究基于短时傅里叶变换(STFT)预处理方法和不同卷积尺度融合的土地覆盖分类模型，实现耕地、林地和草地的快速区分。为适应二维卷积要求，将一维光谱的400～2 500 nm波段的4 200个波长进行短时傅里叶变换，转换成二维图像同时提取光谱数据的频谱信息。将样本按6∶2∶2的比例随机划分为训练集、验证集和测试集。建立单一尺寸卷积核卷积神经网络(CNN)以及多尺寸卷积核融合的卷积神经网络土地覆盖分类模型，为了防止模型出现梯度消失现象，网络采用ReLU激活函数以及批标准化(BN)、 Dropout等方法。并采用早停法(early stopping)训练网络，防止模型出现过拟合风险。首先，探讨了不同STFT窗口长度(64, 100和128)、不同卷积核尺寸(3×3, 5×5和7×7)等对模型分类效果的影响规律。实验结果显示：当STFT窗口长度为100、窗口重叠长度为50%时，模型总体分类准确率均最高；模型的分类准确率随卷积核尺寸的增大而降低，较小尺寸卷积核模型准确率更高，卷积核尺寸为3×3的CNN...     

基于深度学习的无人车夜视图像语义分割

为了增强无人车对夜视图像的场景理解,在夜间模式下更快更精确地探测和识别周围环境,将深度学习应用于夜视图像的场景语义分割,提出了一种基于卷积-反卷积神经网络的无人车夜视图像语义分割方法。在传统的卷积神经网络中加入反卷积网络,构建卷积-反卷积神经网络,无需手工选取特征。通过像素到像素的学习和训练,得到图像语义分割模型,可直接用该模型预测夜视图像中每个像素所属的场景语义类别,实现无人车夜间行驶时的环境感知。实验结果表明,该方法具有较好的准确性和实时性,平均IU达到68.47。     

圈养瓶鼻海豚通讯信号分析及融合分类方法

针对圈养条件下瓶鼻海豚通讯信号（whistle）分类时混叠大量回声定位信号（click）导致分类正确率降低的问题,提出了一种基于机器学习的融合分类方法。分别提取whistle信号的时频分布特征训练随机森林分类器,梅尔时频图特征训练卷积神经网络分类器,在此基础上设计融合判决器对混叠whistle信号进行分类识别。对圈养海豚声信号采集实验数据的分类识别结果表明,融合分类方法具有更好的分类性能,对混叠whistle信号分类正确率大于94%,优于时频分布特征分类器和梅尔时频图特征分类器,能够提高混叠信号的分类能力。      

水下高分辨率声图中小目标的深度网络分类方法

针对声成像数据缺少条件下的水下沉底小目标分类问题,提出一种深度网络分类算法。首先,采用高斯混合模型对声影区统计特性进行建模并提取声图阴影,在此基础上构建仿真数据集和真实数据集。将仿真数据集输入卷积神经网络进行训练,保留其特征提取部分,用于对真实数据集进行特征提取.重建网络分类部分并采用真实数据集的特征向量进行训练。结果表明,所提出的方法分类正确率可达88.24%,与6种对照方法相比平均分类正确率分别提升8.67%,20.47%,19.78%,11.59%,9.01%,11.58%。验证了所提出方法在小样本条件下具有较好对水下沉底小目标的分类能力。其学习曲线收敛到96.25%,仅比验证曲线高5.14%,说明在一定程度上缓解了过拟合问题。将改进的卷积神经网络应用于融合分类器,通过与逻辑回归分类器、支持向量机对目标进行分类并融合决策,正确率为93.33%,可进一步提高算法的正确率和稳定性.      

卷积神经网络在气体泄漏超声识别中的应用

为了克服现有气体泄漏检测方法的不足,提出一种基于卷积神经网络的气体泄漏超声信号识别方法。在设计卷积神经网络网络结构时,通过多次预训练确定网络层数、卷积核数目和尺寸、全连接层神经元数目。同时,选择Inception模块平衡网络宽度和深度,防止过拟合的同时提高网络对尺度的适应性。通过输气管道泄漏实验平台模拟工况中常见的阀门泄漏和垫片泄漏,利用短时傅里叶变换进行时频图表征,在此基础上,建立二分类模型和不同泄漏类型的三分类模型。结果表明,相比二分类模型,不同泄漏类型的三分类模型识别准确率有所降低,添加Inception模块可以有效提高三分类模型的性能。     

基于扩张卷积注意力神经网络的高光谱图像分类

为了解决训练样本有限情况下高光谱图像分类精度低的问题,提出了一种结合扩张卷积与注意力机制的三维-二维串联卷积神经网络模型。首先,该模型以串联的三维-二维卷积神经网络作为基础结构,利用三维卷积同时提取高光谱图像的空谱特征,并采用二维卷积进一步提取高级空间语义信息;然后,通过引入扩张卷积增大卷积核感受野,构建了多尺度特征提取结构,实现了多尺度特征的融合;最后,利用注意力机制使网络关注重要的空谱特征,并抑制噪声和冗余信息。在两个常用数据集上对本文算法和四种基于深度学习的分类算法进行对比实验,结果表明,所提模型取得了最准确的分类结果,有效提高了训练样本有限条件下的分类精度。     

基于可见/近红外光谱和深度学习的早期鸭胚雌雄信息无损检测

胚蛋雌雄识别一直是家禽业发展的瓶颈问题,在禽肉生产过程中倾向于养殖雄性个体,而禽蛋生产产业倾向于养殖雌性家禽。若能在孵化过程中较早鉴别出种蛋的雌雄,不仅能够降低家禽孵化产业的成本,还能够提高禽蛋和禽肉生产行业的经济效益。该文以种鸭蛋为研究对象,为了在种鸭蛋孵化早期实现对种蛋的雌雄识别,构建了可见/近红外透射光谱信息采集系统,在200～1 100 nm的波长范围内采集了345枚孵化了0~8 d的种鸭蛋光谱数据。搭建了适用于种鸭蛋光谱信息的6层卷积神经网络（convolutional neural network, CNN）,其中包括输入层、3个卷积层、全连接层与输出分类层。卷积层可以提取光谱中的有效信息,全连接层通过对卷积层提取的局部特征进行整合供输出层分类决策。另外在卷积神经网络中引入局部响应归一化和dropout操作能够加快网络的收敛速度。利用该卷积神经网络构建鸭胚雌雄信息识别网络,通过对比与分析不同孵化天数的识别效果,发现孵化7d的识别效果最佳。随后将孵化7 d的种鸭蛋原始光谱数据进行噪声去除,选取500~900 nm波段用于后续的特征波长选取和建模。分别运用了竞争性自适应重加权算法(CARS)、连续投影算法( SPA)与遗传算法(GA)选择能够区分鸭胚性别的波长点,将选取的特征波长转换为二维的光谱信息矩阵,二维光谱信息矩阵保留了一维光谱的有效信息,同时极大地方便了与卷积神经网络的结合。利用二维光谱信息矩阵和卷积神经网络相结合,实现孵化早期阶段鸭胚的雌雄识别。经检验,基于 SPA算法和CNN网络建立的模型效果较佳,其中训练集、开发集及测试集的准确率分别为93.36%,93.12%和93.83%;基于GA算法和CNN网络建立的模型效果次之,训练集、开发集及测试集的准确率分别为90.87%,93.12%和86.42%;基于CARS算法和CNN网络建立的模型的训练集、开发集及测试集的准确率分别为84.65%,83.75%和77.78%。研究结果表明基于可见/近红外光谱技术和卷积神经网络可以实现孵化早期鸭胚胎雌雄的无损鉴别,为后续相关自动化检测装置的研发提供了技术支撑。     

Learnable three-dimensional Gabor convolutional network with global affinity attention for hyperspectral image classification

Benefiting from the development of hyperspectral imaging technology, hyperspectral image (HSI) classification has become a valuable direction in remote sensing image processing. Recently, researchers have found a connection between convolutional neural networks (CNNs) and Gabor filters. Therefore, some Gabor-based CNN methods have been proposed for HSI classification. However, most Gabor-based CNN methods still manually generate Gabor filters whose parameters are empirically set and remain unchanged during the CNN learning process. Moreover, these methods require patch cubes as network inputs. Such patch cubes may contain interference pixels, which will negatively affect the classification results. To address these problems, in this paper, we propose a learnable three-dimensional (3D) Gabor convolutional network with global affinity attention for HSI classification. More precisely, the learnable 3D Gabor convolution kernel is constructed by the 3D Gabor filter, which can be learned and updated during the training process. Furthermore, spatial and spectral global affinity attention modules are introduced to capture more discriminative features between spatial locations and spectral bands in the patch cube, thus alleviating the interfering pixels problem. Experimental results on three well-known HSI datasets (including two natural crop scenarios and one urban scenario) have demonstrated that the proposed network can achieve powerful classification performance and outperforms widely used machine-learning-based and deep-learning-based methods.     

一种基于2D-CNN的激光超声表面缺陷检测方法

激光超声表面缺陷检测的过程中,缺陷的定量表征通常依赖于操作者的判断,易受到人为因素干扰,致使检测结果不稳定。针对这一问题,提出一种基于图像识别的二维卷积神经网络（2D-CNN）的缺陷自动分类检测方法。利用有限元方法模拟激光超声检测过程,并采集超声信号数据用于训练分类模型;使用连续小变换（CWT）处理超声信号得到小波时频图,以小波时频图作为输入训练卷积神经网络（CNN）分类模型,实现对表面缺陷深度的自动分类。验证结果表明:提出的检测方法能够对不同深度的缺陷准确分类,测试的平均准确率达到97.3%;构建的CNN分类模型能够自主学习输入图像的缺陷特征并完成分类,提高了检测结果稳定性,为激光超声缺陷检测的自动化分析处理提供了新的思路。     

卷积神经网络主动目标方位估计

复杂海洋环境中信道的传输特性、时空变化、频散效应等一定程度上制约了主动声呐目标方位估计的性能。该文引入卷积神经网络(CNN),提出了适用于主动声呐中目标方位的高精度估计方法。仿真声场环境为浅海负梯度,主动发射信号为具有多普勒不变性质的双曲调频信号,水平线列阵作为接收装置,目标按仿真路线运动。该文利用Kraken进行声场数据仿真,并对接收的信号在频域做均匀加权常规波束形成,进而进行卷积神经网络的模型训练和测试。数值仿真研究表明,该文所用方法可以有效估计目标波达方向,对信噪比具有一定的鲁棒性。     

基于声发射和GAN-CNN的铝合金管道法兰 连接松动泄漏检测*

面向管道法兰连接松动引起的泄漏检测需求,为解决数据样本不足和减少特征指标手动选取的繁琐环节。本文,考虑到生成性对抗网络（GAN）作为数据扩充工具,已被证明能够生成与真实数据相似的样本数据。同时,卷积神经网络（CNN）作为一种深度学习方法,为自动提取数据的特征提供了一种有效的方法。开展了基于GAN和CNN的铝合金管道法兰连接松动泄漏检测研究。首先,搭建管道泄漏标定和数据采集实验台,利用声发射技术获取不同等级的原始泄漏信号。其次,采用GAN生成样本数据扩充原始数据。同时,为了评估生成模型的性能,引入统计特评估生成质量。最后,将生成的样本数据与原始数据设置为不同训练集,基于卷积神经网络构建智能分类检测模型,应用于管道泄漏检测。同时,分类检测结果与小样本智能分类方法SVM进行了比较,实验结果表明,基于GAN和CNN构建的智能分类模型可显著提高管道法兰连接松动泄漏检测精度。     

深度学习在超声检测缺陷识别中的应用与发展*

深度学习（Deep Learning）是目前最强大的机器学习算法之一,其中卷积神经网络（Convolutional Neural Network, CNN）模型具有自动学习特征的能力,在图像处理领域较其他深度学习模型有较大的性能优势。本文先简述了深度学习的发展史,然后综述了深度学习在超声检测缺陷识别中的应用与发展,从早期浅层神经网络到现在深度学习的应用现状,并借鉴医学影像识别和射线图像识别领域的方法,分析了卷积神经网络对超声图像缺陷识别的适用性。最后,探讨归纳了目前在超声检测图像识别中使用CNN存在的一些问题,及其主要应对策略的研究方向。     

卷积神经网络用于近红外光谱预测土壤含水率

近红外光谱分析技术在土壤含水率预测方面具有独特的优势,是一种便捷且有效的方法。卷积神经网络作为高性能的深度学习模型,能够从复杂光谱数据中自主提取有效特征结构进行学习,与传统的浅层学习模型相比具有更强的模型表达能力。将卷积神经网络用于近红外光谱预测土壤含水率,并提出了有效的卷积神经网络光谱回归建模方法,简化了光谱数据的预处理要求,且具有更高的光谱预测精度。首先对不同含水率下土壤样品的光谱反射率数据进行简单的预处理,通过主成分分析减少光谱数据量,并将处理后的光谱数据变换为二维光谱信息矩阵,以适应卷积神经网络特殊的学习结构。然后基于卷积神经网络算法,设置双层卷积和池化结构逐层提取光谱数据的内部特征信息,并采用局部连接和权值共享减少网络参数、提高泛化性能。通过试验优化网络结构和各项参数,最终获得针对土壤光谱数据的卷积神经网络土壤含水率预测模型,并与传统的BP,PLSR和LSSVM模型进行对比实验。结果表明在训练样本达到一定数量时,卷积神经网络的预测精度和回归拟合度均高于三种传统模型。在少量训练样本参与建模的情况下,模型预测表现高于BP神经网络,但略低于PLSR和LSSVM模型。随着参与训练样本量的增加,卷积神经网络的预测精度和回归拟合度也随之稳定提升,达到并显著优于传统模型水平。因此,卷积神经网络能够利用近红外光谱数据对土壤含水率做出有效预测,且在较多样本参与建模时取得更好效果。     

基于改进卷积神经网络算法的语音识别

为了解决传统卷积神经网络识别连续语音数据时识别性能较差的问题,提出一种改进的卷积神经网络算法。该方法引入Fisher准则以及L2正则化约束,在反向传播调整参数阶段,既保证参数误差的最小化,又确保分类以后的样本类间分布较分散,类内分布较集中,同时保证网络权值具有合适的数量级以有效缓解过拟合问题;采用一种更符合生物神经元激活特性的新型log激活函数进行卷积神经网络的优化,进一步提高语音识别的正确率。在语音识别库TIMIT以及THCHS30上的实验结果表明,相较于传统卷积神经网络算法,本文提出的改进算法能较好的提高语音识别率,且泛化能力更强。     

A Signal processing method of OFDM communication receiver based on CNN

Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) the signal processing is a key issue in wireless communication research. The multipath effect and Doppler shift of wireless communication channels can lead to distortion of the transmitted signal, which poses a considerable challenge to the information recovery of communication receivers. This paper presents the signal processing method of OFDM communication based on convolutional neural network (CNN). The method replaces all signal processing modules of the OFDM communication receiver with CNN, and the information is recovered by the CNN. In order to adapt to the processing of communication signals, we designed a one-dimensional convolutional neural network (1D-CONV-CNN) model as the neural network structures by this method. Simulation results indicate that the signal processing method effectively reduces the bit error rate (BER) and improves its performance compared with the conventional reception method under different channel conditions.     

Classifying cosmic-ray proton and light groups in LHAASO-KM2A experiment with graph neural network

The precise measurement of cosmic-ray(CR) knees of different primaries is essential to reveal CR acceleration and propagation mechanisms, as well as to explore new physics. However, the classification of CR components is a difficult task, especially for groups with similar atomic numbers. Given that deep learning achieved remarkable breakthroughs in numerous fields, we seek to leverage this technology to improve the classification performance of the CR Proton and Light groups in the LHAASO-KM2A experiment. In this study, we propose a fused graph neural network model for KM2A arrays, where the activated detectors are structured into graphs. We find that the signal and background are effectively discriminated in this model, and its performance outperforms both the traditional physicsbased method and the convolutional neural network(CNN)-based model across the entire energy range.