CN107358246A - 一种使用卷积神经网络对物体进行细分类的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明中提出的一种使用卷积神经网络对物体进行细分类的方法,其主要内容包括:目标检测、零件检测、参数选择,其过程为,首先使用卷积深度网络来训练原始输入图像,接着利用隐藏层的特征图去检测目标及其零件,同时基于这个检测结果,对这些紧凑包围目标全体或零件在内的图像块进行切割,最后再构建一个卷积网络来初始化原有训练网络,二者再次合并输入到合成卷积神经网络中进行分类检测。本发明可以处理多种背景状态下的目标检测问题,提供了一个卷积神经网络的匹配框架,提高了物体及其零件的检测精度。
Description
技术领域
本发明涉及目标检测定位领域,尤其是涉及了一种使用卷积神经网络对物体进行细分类的方法。
背景技术
目标的检测与定位是计算机视觉领域中长久研究的问题,其主要目的是对采集到的包含运动或静止目标的图像数据进行分析、处理,对目标准确的检测、定位与跟踪可为后继的应用处理提供资料和技术支持。目标检测与定位,尤其是细节分析与零部件放大操作在安全监控、人机交互、医疗诊断等方面有着广泛的应用,同时也对新兴技术如大数据中重复数据的剔除与补充、肉眼所不能分辨的黑暗环境检索、自然灾害或意外的生命检测等具有较高的启发意义和潜在价值。
对目标准确的检测与定位如今仍然是一个具有挑战性的问题。由于任务中涉及复杂的背景,以及各种姿态、形状、颜色和与环境交融的物体出现,很难从像素级别上将物体与背景剥离开来,同时在差采光条件、运动模糊对焦等得到的数据大大增加了图像本身的噪音,对细节分析与零部件分割带来难度。
本发明提出了一种基于卷积神经网络隐藏层提取特征图的新框架。使用卷积深度网络来训练原始输入图像,接着利用隐藏层的特征图去检测目标及其零部件,同时基于这个检测结果,对这些紧凑包围目标全体或零部件在内的图像块进行切割,最后再构建一个卷积网络来初始化原有训练网络,二者再次合并输入到合成卷积神经网络中进行分类检测。本发明可以处理多种背景状态下的目标检测问题,提供了一个卷积神经网络的匹配框架,提高了物体及其零部件的检测精度。
发明内容
针对解决在复杂背景下对目标检测定位的问题,本发明的目的在于提供一种使用卷积神经网络对物体进行细分类的方法,提出了一种基于卷积神经网络隐藏层提取特征图的新框架。
为解决上述问题,本发明提供一种使用卷积神经网络对物体进行细分类的方法,其主要内容包括:
(一)目标检测;
(二)零部件检测;
(三)参数选择。
其中,所述的目标检测,包括网络模式和显著掩码两部分。
所述的网络模式,基于固定模式会出现在特征图谱的活跃区域且卷积神经网络完好训练的情况下,由于图像的背景通常与目标检测无关,因此该活跃区域一定程度上反映了检测目标的位置所在,背景模式对应低阶特征同时目标本身对应高阶特征图谱,二合一的网络模式将检测目标从背景中剥离。
所述的显著掩码,给定输入图像的分辨率,使用[0,1]灰度图来扩充至同样大小的分辨率,则更亮的部分即为显著掩码,也更强烈地表明该处为检测目标,具体的目标显著掩码Mobjec及其二值化版本计算方式如下:
其中,是指第j层的第i个特征图;
其中,是指将输入矩阵的所有单元进行归一化处理;
其中,是指生成一个与输入矩阵同样维度的灰度矩阵;
其中,对每一层其所有特征图都进行加权操作,然后进行归一化处理得到公式(4)中的∏(·)操作是指将上述结果进行元素间点积运算,因此,一个在结果Mobject中活跃的区域也一定是在所有层中都活跃的区域,由此完成对目标的检测。
所述的零部件检测,包括检测系统和活跃区域筛选两部分。
所述的检测系统,基于输入原始图像及其标签的卷积神经网络训练后,利用其隐藏层的特征定位至目标检测后,确定其活跃区域,由此,选择那些由活跃区域组成的特征图将其合并成Npart,则检测系统中第k个掩码Mpart_k由这对应的所有特征图相加得到。
所述的活跃区域筛选,在存在部分活跃区域属于背景部分的条件下,将其特征图合并后会损害检测的精度,由此需要对活跃区域进行筛选,具体为:
(1)设定一个阈值,则活跃区域应当在这个阈值特征图谱内是连通的;
(2)这个区域的权重图心应当位于这个已检测的目标之内;
(3)筛选的结果储存在变量中。
所述的参数选择,包括检测参数和合成参数两部分。
所述的检测参数,浅层结构趋向于揭露局部模式且表明活跃区域是分散的,因此对于不同的卷积深度网络其参数选择具体为:
(1)对于GooLeNet,目标检测的层数选择为第4e、5a层感知器及输出层,零部件检测的层数选择为第4d、4e层感知器及输出层;
(2)对于VGGNet,目标检测的层数选择为第5层第4个卷积层,零部件检测的层数选择为第5层第2个卷积层、第5层第3个卷积层;
(3)对于VGG-CNN-S,目标检测的层数选择为第5个卷积层,零部件检测的层数选择为第4、5个卷积层。
所述的合成参数,多个活跃区域特征图合并成会用聚类算法进行图心的选择,并且选择第k个掩码,具体为:
其中,
其中,DB值越小则说明聚合效果越好,此时的k则为最佳合成参数。
附图说明
图1是本发明一种使用卷积神经网络对物体进行细分类的方法的系统流程图。
图2是本发明一种使用卷积神经网络对物体进行细分类的方法的目标检测例子图。
图3是本发明一种使用卷积神经网络对物体进行细分类的方法的零部件检测例子图。
具体实施方式
需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合,下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
图1是本发明一种使用卷积神经网络对物体进行细分类的方法的系统流程图。主要包括目标检测;零部件检测;参数选择。
其中,目标检测,包括网络模式和显著掩码两部分。
网络模式,基于固定模式会出现在特征图谱的活跃区域且卷积神经网络完好训练的情况下,由于图像的背景通常与目标检测无关,因此该活跃区域一定程度上反映了检测目标的位置所在,背景模式对应低阶特征同时目标本身对应高阶特征图谱,二合一的网络模式将检测目标从背景中剥离。
显著掩码,给定输入图像的分辨率,使用[0,1]灰度图来扩充至同样大小的分辨率,则更亮的部分即为显著掩码,也更强烈地表明该处为检测目标,具体的目标显著掩码Mobject及其二值化版本计算方式如下:
其中,是指第j层的第i个特征图;
其中,是指将输入矩阵的所有单元进行归一化处理;
其中,是指生成一个与输入矩阵同样维度的灰度矩阵;
其中,对每一层其所有特征图都进行加权操作,然后进行归一化处理得到公式(4)中的∏(·)操作是指将上述结果进行元素间点积运算,因此,一个在结果Mobject中活跃的区域也一定是在所有层中都活跃的区域,由此完成对目标的检测。
零部件检测,包括检测系统和活跃区域筛选两部分。
检测系统,基于输入原始图像及其标签的卷积神经网络训练后,利用其隐藏层的特征定位至目标检测后,确定其活跃区域,由此,选择那些由活跃区域组成的特征图将其合并成Mpart,则检测系统中第k个掩码Mpart_k由这对应的所有特征图相加得到。
活跃区域筛选,在存在部分活跃区域属于背景部分的条件下,将其特征图合并后会损害检测的精度,由此需要对活跃区域进行筛选,具体为:
(1)设定一个阈值,则活跃区域应当在这个阈值特征图谱内是连通的;
(2)这个区域的权重图心应当位于这个已检测的目标之内;
(3)筛选的结果储存在变量中。
参数选择,包括检测参数和合成参数两部分。
检测参数,浅层结构趋向于揭露局部模式且表明活跃区域是分散的,因此对于不同的卷积深度网络其参数选择具体为:
(1)对于GooLeNet,目标检测的层数选择为第4e、5a层感知器及输出层,零部件检测的层数选择为第4d、4e层感知器及输出层;
(2)对于VGGNet,目标检测的层数选择为第5层第4个卷积层,零部件检测的层数选择为第5层第2个卷积层、第5层第3个卷积层;
(3)对于VGG-CNN-S,目标检测的层数选择为第5个卷积层,零部件检测的层数选择为第4、5个卷积层。
合成参数,多个活跃区域特征图合并成会用聚类算法进行图心的选择,并且选择第k个掩码,具体为:
其中,
其中,DB值越小则说明聚合效果越好,此时的k则为最佳合成参数。
图2是本发明一种使用卷积神经网络对物体进行细分类的方法的目标检测例子图。如图所示,可以观察到设立不同的阈值下,目标检测对于在背景下剥离目标的准确度非常高,随着阈值慢慢减小,其包围圈越来越紧凑。
图3是本发明一种使用卷积神经网络对物体进行细分类的方法的零部件检测例子图。如图所示,可以观察到设立不同的阈值下,零部件检测对于在背景下剥离目标的准确度非常高,随着阈值慢慢减小,不采用包围圈的方式突出重点,而是逐渐放大所需区域的细节。
对于本领域技术人员,本发明不限制于上述实施例的细节,在不背离本发明的精神和范围的情况下,能够以其他具体形式实现本发明。此外,本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围,这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。因此,所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
Claims (10)
1.一种使用卷积神经网络对物体进行细分类的方法,其特征在于,主要包括目标检测(一);零部件检测(二);参数选择(三)。
2.基于权利要求书1所述的目标检测(一),其特征在于,包括网络模式和显著掩码两部分。
3.基于权利要求书2所述的网络模式,其特征在于,基于固定模式会出现在特征图谱的活跃区域且卷积神经网络完好训练的情况下,由于图像的背景通常与目标检测无关,因此该活跃区域一定程度上反映了检测目标的位置所在,背景模式对应低阶特征同时目标本身对应高阶特征图谱,二合一的网络模式将检测目标从背景中剥离。
4.基于权利要求书2所述的显著掩码,其特征在于,给定输入图像的分辨率,使用[0,1]灰度图来扩充至同样大小的分辨率,则更亮的部分即为显著掩码,也更强烈地表明该处为检测目标,具体的目标显著掩码Mobject及其二值化版本计算方式如下:
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其中,是指第j层的第i个特征图;
其中,是指将输入矩阵的所有单元进行归一化处理;
其中,是指生成一个与输入矩阵同样维度的灰度矩阵;
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其中,对每一层其所有特征图都进行加权操作,然后进行归一化处理得到公式(4)中的∏(·)操作是指将上述结果进行元素间点积运算,因此,一个在结果Mobject中活跃的区域也一定是在所有层中都活跃的区域,由此完成对目标的检测。
5.基于权利要求书1所述的零部件检测(二),其特征在于,包括检测系统和活跃区域筛选两部分。
6.基于权利要求书5所述的检测系统,其特征在于,基于输入原始图像及其标签的卷积神经网络训练后,利用其隐藏层的特征定位至目标检测后,确定其活跃区域,由此,选择那些由活跃区域组成的特征图将其合并成Npart,则检测系统中第k个掩码Mpart_k由这对应的所有特征图相加得到。
7.基于权利要求书5所述的活跃区域筛选,其特征在于,在存在部分活跃区域属于背景部分的条件下,将其特征图合并后会损害检测的精度,由此需要对活跃区域进行筛选,具体为:
(1)设定一个阈值,则活跃区域应当在这个阈值特征图谱内是连通的;
(2)这个区域的权重图心应当位于这个已检测的目标之内;
(3)筛选的结果储存在变量中。
8.基于权利要求书1所述的参数选择(三),其特征在于,包括检测参数和合成参数两部分。
9.基于权利要求书8所述的检测参数,其特征在于,浅层结构趋向于揭露局部模式且表明活跃区域是分散的,因此对于不同的卷积深度网络其参数选择具体为:
(1)对于GooLeNet,目标检测的层数选择为第4e、5a层感知器及输出层,零部件检测的层数选择为第4d、4e层感知器及输出层;
(2)对于VGGNet,目标检测的层数选择为第5层第4个卷积层,零部件检测的层数选择为第5层第2个卷积层、第5层第3个卷积层;
(3)对于VGG-CNN-S,目标检测的层数选择为第5个卷积层,零部件检测的层数选择为第4、5个卷积层。
10.基于权利要求书8所述的合成参数,其特征在于,多个活跃区域特征图合并成会用聚类算法进行图心的选择,并且选择第k个掩码,具体为:
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