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专利号: 2019105356424
申请人: 浙江工业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-08-19
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种提高图像分割运行速率的方法,包括如下步骤:

步骤一,设计多尺度空洞卷积核;

为了解决通过采用传统卷积和最大池化方法来增大感受野的难题,采用了空洞卷积核,在基于传统的卷积核上增大采样率rate,将原始卷积核变得“蓬松”;

这样在保持原有计算量的同时,增大了感受野,使得图像分割的信息足够精确,则基于空洞卷积核的感受野大小计算公式为式中:F为当前层感受野大小;rate为空洞卷积核的采样率,即间距数,可将传统卷积核的rate视为1,而空洞卷积的采样率rate视为2;传统的卷积感受野计算公式为式中:Fi-1为上一层的感受野大小;ki为第i层的卷积核或池化核大小;n为卷积总层数;

si为第i层卷积核的卷积步长Stride;

借鉴多尺度图像变化的思想来设计多尺度空洞卷积,对采样率、卷积核大小进行多样化处理,从而能够适应不同大小目标的特征提取过程;多尺度空洞卷积的计算为式中:y[i]为第i个步长位置对应的卷积求和结果;K为卷积核;k为卷积核内参数坐标位置,k∈K;w[k]为卷积核权重;rate为采样率,可取1,2,3的对应值;

步骤二,设计通道卷积网络;

由于传统的卷积方式都是一种升维操作,因此一开始采用通道卷积的方式来达到特征卷积降维的作用;首先,将传统的卷积改成两层卷积,类似于ResNet中的group操作,这种新结构在不影响准确率的前提下缩短计算时间约为原来的1/8,减少参数量约为原来的1/9,并且能够很好的应用于移动端,实现目标的实时检测,模型压缩效果明显;

对于传统的卷积而言,假设输入的特征通道数为M;卷积核的宽或高分别为Dk或Dk;卷积核的数量为N;则卷积每滑动一次某一位置就有N个M·Dk·Dk的参数量,滑动的步长设置为s;则滑动后的图像尺寸大小计算公式为式中:h',w'为卷积后的高和宽;pad为宽高填充的边界;因此,h'·w'卷积后尺寸某一点对应N个M·Dk·Dk的参数量,则可得到总的参数量大小为N·M·Dk·Dk·h'·w'   (6)

而采用改进后的通道卷积方式,其卷积步骤分为两步:

1)采用Dk·Dk·M的卷积分别对M个通道进行卷积;采用同样的步长s进行滑动,卷积后的尺寸大小为h',w',则该步骤产生的参数量为Dk·Dk·M·h'·w'   (7)

2)设置1·1·N的卷积核进行升维特征提取;此时采用步长为1的方式对上述结果得出的特征图进行再次特征提取,原有M个通道特征,每一个采用N个卷积核进行特征提取,则计算的总参数量大小为M·N·h'·w'·1·1   (8)

综合这两个步骤的卷积结构,得到通道卷积最后的参数量大小为

Dk·Dk·M·h'·w'+M·N·h'·w'   (9)

如前所述,传统卷积核的参数量和改进后的通道卷积参数量比较大小为

从式(10)分析可得,通道卷积操作将参数量降低;

步骤三,设计全卷积连接与反卷积网络;

传统的网络结构最后层采用固定的尺寸大小,以至于输入的图片需事先转化为固定尺寸,不利于物流车辆车长坐标的获取;并且传统全连接层网络存在确定的位数空间坐标丢失,导致图像空间信息失真,未能有效对目标进行精确定位;为解决信息丢失问题,采用了全卷积连接方式对图片中特征的位置坐标进行精确定位;

传统网络的全连接将前部分的卷积网络[b,c,h,w]转为[b,c·h·w],即[b,4096],再转为[b,cls],其中b表示批次batch size大小,cls表示类别数;而采用全卷积网络是相对于后接1×1的卷积网络,没有全连接层;因此,称为全卷积网络;全卷积的计算方法为式中:1≤n≤N;yn[i][j]为第n个卷积核的第(i,j)位置卷积后的数值;si为横向的卷积步长;sj为纵向的卷积步长;kn为第n个卷积核;Dk为卷积核宽和高,卷积核大小对应步骤2中的Dk·Dk;δi,δj为该卷积核中的位置,该层总共有N个不同类型的卷积核,0≤δi,δj≤Dk,而卷积核的滑动卷积操作可转为两个矩阵相乘操作;对应图像的像素与卷积的结果可表示为其中:左边的矩阵维度为[N,M·Dk·Dk];右边的矩阵维度为[M·Dk·Dk,w′·h′];卷积后的维度为[N,w′·h′];右边的矩阵中I为img,其下标依次为像宽和像高,即Iwh;

最后通过反卷积操作,将[N,w′·h′]转为输入时的图像大小,这样可以精确的识别每一像素代表的具体语义信息,且避免了空间信息损失;反卷积的具体操作,相当于卷积的逆运算,即式中:k1,…,kN个卷积核对应的权值由原来的 变化为 该权值是

通过训练调整后的权值大小,具有图像语义信息特征的权值。