基于Gammatone滤波器组时频谱和 卷积神经网络的海底底质分类*

为了有效利用海底底质信号完成海底底质的分类识别,本文提出一种将深度学习方法和底质信号相结合实现底质分类识别的方法。首先利用Gammatone滤波器组计算底质侧扫图像信号的时频谱,最后利用卷积神经网络(Convolutional Neural Networks, CNN)对得到的时频谱进行分类识别完成底质分类。实验结果表明该方法的底质分类准确率平均达到97.64%,相对于其他方法,分类性能更加优越;同时利用该方法分类海试数据,结果证明该方法具有一定的泛化能力。本文研究结果对实际的海底底质分类具有一定参考意义。     

采用自注意力机制的OCT图像AMD亚型分类研究

目前基于卷积神经网络(CNN)的视网膜光学相干层析成像(OCT)图像分类方法存在对于小范围病变区域识别不清的问题,导致在判断年龄相关性黄斑变性(AMD)疾病干湿性、脉络膜新生血管形成(CNV)的活动性时准确率不高,而正确判断病变类型对于眼科医生制定治疗方案至关重要。为此本文提出了一种基于自注意力机制的CNN模型MobileX-ViT,将传统卷积层和自注意力模块结合,同时提取浅层网络的特征信息并获取图像的全局信息,以提高模型分类准确率。实验证明,相比于经典CNN分类模型Inception-V3、ResNet-50、VGG-16和MobileNeXt,文章提出模型在分类准确率上分别提高了5.6%、5.3%、4.5%和2.8%,证明了模型的有效性,为解决目前视网膜OCT图像分类中对于小范围病变区域识别不清的问题提供了新的方法。     

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。     

特征融合的卷积神经网络多波段舰船目标识别

针对海面背景舰船目标单一波段图像识别率低的问题,提出了一种基于卷积神经网络(CNN)的融合识别方法。该方法提取可见光、中波红外和长波红外3个波段舰船目标特征进行融合识别。模型主要分为3个步骤:通过设计的6层CNN,同时对三波段图像进行特征提取;利用基于互信息的特征选择方法对串联的三波段特征向量按照重要性进行排序,并按照图像清晰度评价指标选取固定长度的特征向量作为目标识别依据;通过额外的2个全连接层和输出层进行回归训练。采用自建的三波段舰船图像数据库进行模型的训练和测试,共包含6类目标,5000余张图像。实验结果表明,本文方法识别率达到84.5%,与单波段识别方法相比有明显提升。     

基于深度卷积神经网络的红外船只目标检测方法

针对红外船只图像较模糊导致的识别率低、识别速度慢等问题,提出了一种基于深度卷积神经网络(CNN)的检测算法。首先采用标记分水岭分割算法提取红外船只图像中的连通区域,并对原图相应的目标位置进行标记和归一化处理,提取候选区域。采用改进的AlexNet(一种深度CNN模型)进行船只目标识别,将提取的候选区域送入改进的AlexNet进行特征提取和预测,得到最终检测结果。分水岭方法可大大减少候选区域检测时间,以及减少深度CNN识别时间。利用实验室自制的红外成像系统获取近千张红外船只图像数据,并对其平移缩放形成的数据集进行仿真实验。结果表明,标记分水岭与深度CNN的结合,可有效识别船只目标,所提方法具有良好的性能,能够更加快速准确地识别红外船只目标。     

基于卷积神经网络的烟叶近红外光谱分类建模方法研究

卷积神经网络(CNN)在图像分类识别领域应用广泛,但其在近红外光谱分类中的研究还未见报道,对基于CNN的近红外光谱分类建模方法进行了研究。针对近红外光谱数据的特点,提出了一种改进的卷积神经网络建模方法,对CNN经典模型LeNet-5所做改进：①将方形矩阵卷积核改为适用于一维近红外光谱的向量卷积核;②简化网络结构,将LeNet-5结构中C5,F6及输出层改为单层感知机。同时,采用隔点采样的方法对近红外光谱降维,加快收敛速度;并对卷积核尺寸对建模结果的影响进行了研究。以我国东北、黄淮、西南三大烤烟产区的600个中部烟叶样本的近红外光谱为实验对象,建立烟叶产区分类NIR-CNN模型。该模型对训练集和测试集的判别准确率为98.2%和95%。实验结果表明,应用卷积神经网络可对近红外光谱数据准确、可靠地判别分类;烟叶产区NIR-CNN建模方法可为卷烟企业烟叶原料科学合理利用提供指导,为维护卷烟产品的质量稳定有重要意义;基于卷积神经网络的近红外光谱判别方法也可推广到其他农产品的分类应用中。     

结合区域提取和改进卷积神经网络的水下小目标检测

针对水下小目标信息量有限而难以提取有效特征导致的检测性能不佳问题,提出了一种结合区域提取和融合Hu矩特征的改进卷积神经网络水下小目标检测方法。该方法包含区域提取和分类两个步骤。首先以马尔可夫随机场分割算法为基础进行区域提取,对潜在目标定位的同时降低伪目标对后续分类的干扰;然后提取潜在目标区域的Hu矩特征并融入卷积神经网络,形成一种形状特征表征能力更强的改进卷积神经网络用于分类。声呐实测数据处理结果表明,该方法可以有效提升对水下小目标的发现概率和正确报警率,与其他目标检测方法相比,该方法具有更好的检测性能和泛化性。     

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。     

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。     

基于深度神经网络的太阳能电池组件缺陷检测算法研究

针对太阳能电池组件中电池片出现隐裂导致整片电池破碎,最终影响整个组件发电量的问题，在对电池组件光致发光（PL）图像待检测区域筛选定位的基础上，提出了一种利用卷积神经网络（CNN）进行电池组件隐裂缺陷检测的方法。首先利用PL成像方法获取电池组件图像，然后对图像进行预处理，基于聚类的方法对待检测目标区域进行筛选定位，最后利用3种不同结构的卷积神经网络模型对电池片进行缺陷检测，并进行准确率对比，使最优识别准确率达到99.25%。实验结果验证了该方法能准确地检测出太阳能电池组件的隐裂缺陷。     

基于深度体素卷积神经网络的三维模型识别分类

提出一种基于深度体素卷积神经网络的三维(3D)模型识别分类算法,该算法使用体素化技术将3D多边形网格模型转化为体素矩阵,并通过深度体素卷积神经网络提取该矩阵的深层特征,以增强特征的表达能力和差异性。在ModelNet40数据集上的实验结果表明:所提算法对3D网格模型识别分类的准确率能够达到87%左右。所构建的深度体素卷积神经网络能够有效地增强3D模型的特征提取和表达能力,提高对大规模复杂3D网格模型分类识别的准确率,所提方法优于当前的主流方法。     

三维卷积神经网络模型联合条件随机场优化的高光谱遥感影像分类

高光谱遥感影像分类通常基于地物光谱特征,但影像中同时还存在丰富的空间信息。空间信息的有效利用能显著提高图像分类效果。因其具有的特殊结构,卷积神经网络(CNN)已成功地应用在图像分类领域,对二维图像分类具有很好的效果。如何通过深度学习并结合空间光谱信息来提高分类性能是一个关键问题。结合高光谱影像中的空间特征与光谱信息,提出一种适合于高光谱像素级分类的深度学习三维卷积神经网络模型(3D-CNN),并在初始分类的基础上利用多标签条件随机场进行优化。选取三个通用公开高光谱数据集(Indian Pines数据集、Pavia University数据集、Pavia Center数据集)进行测试,结果表明分类优化后精度得到很大提升,总体精度可达98%,Kappa系数达到97.2%。     

基于紫外-可见光谱与深度学习CNN算法的水质COD预测模型研究（英文）

水是生命之源,作为人类生活的必需品,水质的优劣直接关系到人们的健康生活。目前,关于水质COD在线检测方法的研究主要集中在光谱数据预处理和光谱特征提取,而针对光谱数据建模方法的研究较少。卷积神经网络(CNN)作为目前深度学习领域应用最广泛的网络模型,具有强大的特征提取和特征映射能力,本文将CNN与紫外-可见光谱分析法相结合,建立了基于CNN的水质COD紫外-可见光谱预测模型。模型使用Savitzky-Golay平滑滤波方法去除光谱噪声,光谱输入卷积层提取光谱数据特征、池化层降维、全连接层映射全局特征,通过ReLU和Adam优化方法,从而得到模型的预测值。通过实验发现, CNN模型具有较强的水质COD预测能力,具有较高的预测精度和回归拟合优度,通过与BP, PCA-BP, PLSR和RF等模型比较后发现, CNN模型的预测样本的RMSEP和MAE最小,R~2最大,模型拟合效果最优。在与训练样本的模型效果评价对比后发现,模型具有较强的泛化能力。针对吸收光谱的波峰偏移对预测结果所造成的预测结果不准确的问题,作者还提出了一种基于CNN的分类回归模型卷积神经网络增强模型(CNNs),去噪后的光谱数据通过CNN分类模型按照吸收波峰的不同特征分为三类,分别输入对应CNN回归模型进行预测。实验结果表明,分段式CNNs模型比整体式CNN模型的拟合效果更好,预测精度更高,R~2达到0.999 1,测试样本的MAE和RMSEP分别为2.314 3和3.874 5,比CNN分别下降了25.9%和21.33%,效果显著。通过对预测模型的性能测试,计算得出检出限为0.28mg·L~(-1),测量范围为2.8～500mg·L~(-1)。本文创新的将卷积神经网络与光谱分析方法相结合,为光谱分析方法在水质COD吸收光谱建模的应用开拓了新思路。     

基于深度学习的气溶胶荧光光谱识别应用研究

空气中的高危病原微生物对人类社会存在着极大威胁,而传统的监测方法无法对空气中的微生物实现准确的识别与分类。因此采用激光诱导荧光技术原理,以单光子探测器为核心器件,设计并搭建了一种高效的荧光光谱仪用于空气中高危病原微生物的识别与分类,并且该光谱仪可以实现对微生物浓度的预测,其对于环境安全具有重要意义。对于该光谱仪采集的数据,探索了以一维向量和二维矩阵2种输入形式来实现荧光光谱的识别与分类,并研究对比了主成分分析网络、卷积神经网络和全卷积网络等深度学习网络的识别与分类效果。实验结果表明以矩阵形式输入的卷积神经网络模型在测试集中识别分类准确率达到98.05%。采用矩阵形式输入的全卷积网络模型在测试集中微生物浓度预测准确率达到98.97%。     

视频监控下利用改进型C3D-RF的人群异常行为检测

传统基于卷积神经网络(CNN)算法的人群异常行为检测方法由于采用二维卷积核提取图像特征,故无法准确捕捉视频流在时序上的动态特征。为此,提出一种基于改进C3D网络与随机森林(RF)算法相结合的检测方法。利用具有时间特征捕捉能力的C3D网络进行视频流梯度方向直方图(HOG)特征提取,并作为三维卷积核输入以实现对视频时空特征的提取;使用随机森林分类器替代softmax全连接层以避免训练过程中繁琐的梯度计算操作,并降低对训练数据集样本规模的要求;基于基准数据集的算例结果表明,所提出的改进C3D-RF方案对人群异常行为的检测准确率保持在90%以上,且与传统C3D网络、支持向量数据描述模型(SVDD)、编码深度卷积神经网络(CAE)等方法相比,其训练时间缩短了15.34%以上。     

高光谱成像的图谱特征与卷积神经网络的名优大米无损鉴别

名优大米含有更多的营养价值与更高的经济价值,不法商家为赚取更多利益,对优质大米掺假甚至以次充好,损害了消费者利益和大米贸易,打击了生产者的生产积极性。希望发展一种基于高光谱成像的图谱特征与深度学习网络的名优大米无损鉴别方法。首先,采集了全国具有代表性的七种名优大米400～1 000 nm范围高光谱图像,并提取了每种大米的光谱、纹理与形态特征。使用多元散射校正算法做光谱预处理消除光谱散射。连续投影算法(SPA)、竞争自适应重加权算法(CARS)以及两者级联方法(CARS-SPA)被用来选取光谱特征的重要波长;用SPA选择形态、纹理特征的重要变量。最后,使用深度学习网络-卷积神经网络(CNN)融合各类特征构建大米种类识别模型,而K-近邻(KNN)、随机森林(RF)用于与CNN模型相对比。实验结果显示,根据全光谱构建的模型的分类准确度达到80%以上;其中, KNN建模效果最差; RF的效果较好; CNN网络的模型性能最优,训练集的分类准确度(ACC_T)为92.96%,预测集的分类准确度(ACC_P)为89.71%。而重要波长光谱与全光谱相比,分类准确度相差较多。为进一步提升大米种类鉴别的准确度,选用纹理、形态两种图像特征与光谱特征进行融合,最优结果来自光谱与形态特征重要变量所构建的模型。其中, KNN的ACC_T和ACC_P分别为69%和67%; RF模型的ACC_T=99.98%和ACC_P=89.10%; CNN模型的效果最佳, ACC_T和ACC_P为97.19%和94.55%。此外,光谱与纹理融合的分类效果差于光谱,说明纹理特征弱化了分类结果。对于分类模型来说, CNN的性能明显优于两种机器学习方法,可以提供更好的分类效果。总而言之, CNN融合光谱与形态特征重要变量可实现对名优大米种类的准确鉴别,这种方法有望拓展到其他农产品的分级,种类区分和产地鉴别。     

一种基于深度卷积神经网络的水下光电图像质量优化方法

由于水体对光的吸收和散射,水下光电图像具有低信噪比、低对比度等特点,导致目标难以识别,限制了水下光电成像装备的实际应用和发展。为提高目标的探测精度和识别率,提出包含一维并行卷积和子像素卷积的深度卷积神经网络,利用其从水下光电图像训练集中学习优化图像质量的参数,实现了去噪和对比度增强。实验结果表明,相比于经典去噪方法和对比度增强方法联合处理的结果,本文方法得到的峰值信噪比和均方根对比度分别平均提高了2.93 dB和14.41,能够有效地权衡去噪、对比度增强和亮度提升等,获得适合人眼视觉感受的图像,且处理单幅图像的平均速度是经典方法的9.46倍。利用测试集对网络进行测试,其在一定范围内较好地优化了图像质量,具有一定的泛化特性。     

可见光谱图与深度神经网络的垩白大米检测方法

针对传统垩白大米检测主观随意性大、可重复性低、检测过程耗时费力、准确率低等问题,提出一种基于可见光谱图结合深度学习算法的垩白大米检测手段。用CCD彩色摄像机获取垩白大米和正常大米可见光谱图,对图像进行旋转、翻转以及调整对比度等随机图像变换方式提升网络训练数据集,防止深度检测模型在学习过程中出现过拟合现象。构建了7层深层次卷积神经网络模型,包括卷积层、池化层、全连接层和输入输出层,通过网络模型对采样的大米可见光谱图集进行卷积与池化操作,采用迭代学习训练方法获取大米可见光谱图在卷积层输出的特征参数,采用连接非线性ReLU激活函数来降低训练时间,以加速大米可见光谱图有效抽象特征提取的收敛速度;然后将深度神经网络嵌入池化层,对大米特征降维以获取能够表达正常大米和垩白大米可鉴别显著意义特征;最后在全连接层输出进行分类,从而实现对垩白大米的精确识别。基于可见光谱图的大米垩白深度检测方法比传统基于可见光谱图的垩白大米鉴别特征提取方法免去了复杂的特征提取步骤,由于卷积网络提取的特征对特定目标具有更鲁棒的表达,算法精度较高且复杂度比较小,泛化效果更好,获得识别精度达到90%,比基于传统特征提取的垩白大米鉴别方法识别精度高, SIFT+SVM, PHOG+SVM和GIST+SVM模型识别精度分别为70.83%, 77.08%和79.16%。提出的方法为当前我国现代农业生产中实现大米品质自动化快速精准检测提供了理论依据和有效的技术手段,对于现阶段实现大米品质人工智能检测产生实际意义。     

语音情感识别中的特征选择方法

为了解决传统卷积神经网络在识别中文语音时预测错误率较高、泛化性能弱的问题,首先以深度卷积神经网络(DCNN)-连接时序分类(CTC)为研究对象,深入分析了不同卷积层、池化层以及全连接层的组合对其性能的影响;其次,在上述模型的基础上,提出了多路卷积神经网络(MCNN)-连接时序分类(CTC),并联合SENet提出了深度SE-MCNN-CTC声学模型,该模型融合了MCNN与SENet的优势,既能加强卷积神经网络的深层信息的传递、避免梯度问题,又可以对提取的特征图进行自适应重标定。最终实验结果表明:SE-MCNN-CTC相较于DCNN-CTC错误率相对降低13.51%,模型最终的错误率达22.21%;算法改进后的声学模型可以有效地提升泛化性能。     

使用深度学习的多通道水下目标识别

为解决低信噪比条件下水下目标识别率低的问题,提出一种适用于多通道水听器阵列的深度学习水下目标识别方法。首先是采用子通道特征级联的方法利用多通道信息;在特征提取方面,采用对信号的不同频率区间进行加权的特征提取器,并对提取的特征进行正则规整;最后采用深度神经网络(Deep Neural Network,DNN)实现目标识别。实验首先在仿真条件下对所提出方法的有效性进行验证,结果表明在-15 dB信噪比条件下的五目标识别任务中,使用多通道级联特征的深度神经网络的识别正确率达到96.7%,显著高于基于支持向量机(Support Vector Machine,SVM)的方法。在后续的湖上试验中,深度神经网络的平均正确率达到96.0%,进一步验证了所提出方法的有效性。