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专利号: 2024111948463
申请人: 山东科技大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-10-27
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于Transformer的Deeplabv3+水下激光条纹中心提取方法,其特征在于:包括,获取水下激光条纹图像,并进行预处理;

基于预处理后的水下激光条纹图像,构建水下激光条纹数据集;

根据水下激光条纹数据集,构建基于Transformer的改进的Deeplabv3+语义分割模型;

利用改进的Deeplabv3+语义分割模型进行提取,得到水下激光条纹中心;

在Deeplabv3+语义分割模型中引入深层特征提取模块包括改进的ASPP模块和Transformer编码结构,包括如下步骤:将空洞卷积层改进为并联与串联相结合,第一层的输出是第二层的输入,第二层的输出是第三层的输入,这样第三层就会拥有第一层和第二层的特征信息,激光条纹中心的特征信息被层层叠加,最后聚集了多个尺度下激光条纹中心特征;

将改进的ASPP模块在CNN网络提取特征与上一层空洞卷积输入时引入通道空间注意机制CBAM,通过计算输入图像各个通道的权重,重新计算特征矩阵的权重;

将改进的ASPP模块输出的特征图采用Transformer编码部分多头自注意力,根据输入的压缩比公式,计算压缩比比率,表达式为:其中,Co表示压缩比比率,d表示输入维度,df表示前向传播网络的维度;

采用卷积进行分辨率的压缩,将二维图像块分割为小的图像块并转换成一维的图像序列保存,使Transformer模型通过设置头数Head并行处理改进后的ASPP模块输出的特征图;

将输入特征矩阵,通过线性变换矩阵计算得出查询矩阵、键矩阵和值矩阵的注意力,利用查询矩阵、键矩阵和值矩阵的注意力计算多头注意力,对输入特征矩阵赋权重,得到输入特征的加权矩阵;

初始模块处理完成后,将其作为下一个阶段Transformer分支的输入,并加强特征矩阵权重。

2.如权利要求1所述的基于Transformer的Deeplabv3+水下激光条纹中心提取方法,其特征在于:所述获取水下激光条纹图像,并进行预处理,包括如下步骤:通过水下多线激光扫描仪双目相机获取水下激光条纹图像;

对扫描边缘的噪声、背景中的无关物体区域,采用图像裁剪处理去除图像中不感兴趣的部分,使用双边滤波去除水下噪声。

3.如权利要求2所述的基于Transformer的Deeplabv3+水下激光条纹中心提取方法,其特征在于:基于预处理后的水下激光条纹图像,构建水下激光条纹数据集,包括如下步骤:使用Labelme对预处理后的水下激光条纹图像进行标注,构建水下激光条纹数据集;

针对水下激光条纹图像的样本量缺少的问题,对水下激光条纹数据集进行数据增强;

将标注后的json文件转换为八位彩图png格式文件,标签的每个像素值就是对应像素点所属的种类,表示为:其中,D表示标签图像转化为八位彩图的像素值,b表示背景的像素值,l表示水下激光条纹的像素值,f表示像素点的索引,B表示背景,L表示水下激光条纹。

4.如权利要求3所述的基于Transformer的Deeplabv3+水下激光条纹中心提取方法,其特征在于:将水下激光条纹数据集按照设定的比例划分为训练集、测试集和验证集,利用训练集对Deeplabv3+语义分割模型的主干网络、深层特征提取模块和损失函数进行训练,得到训练后的Deeplabv3+语义分割模型。

5.如权利要求4所述的基于Transformer的Deeplabv3+水下激光条纹中心提取方法,其特征在于:构建Deeplabv3+语义分割模型的主干网络,将原始Deeplabv3+的DCNN主干提取网络Xception替换成采用倒残差结构的MobileNet‑V2,包括如下步骤:首先对输入特征矩阵高×宽×channel,通过卷积进行升维,增加channel的大小,通过DW卷积核进行卷积处理,最后通过卷积核进行降维,在不增加参数前提下扩大浅层特征的感受野,得到改进后的主干网络。

6.如权利要求5所述的基于Transformer的Deeplabv3+水下激光条纹中心提取方法,其特征在于:定义Deeplabv3+语义分割模型的损失函数,包括如下步骤:将Deeplabv3+基于交叉熵损失函数改进为基于权重交叉熵与Dice损失函数相结合的Deeplabv3+语义分割模型的损失函数,表达式为:式中,LDWCE表示Deeplabv3+语义分割模型的改进后的损失函数,Wi表示不同类别的权重,N表示样本的总数量,n表示像素点的个数,yi表示第i个样本的真实标签, 表示模型预测的第i个样本的概率,i表示样本索引。

7.如权利要求6所述的基于Transformer的Deeplabv3+水下激光条纹中心提取方法,其特征在于:利用验证集和测试集对训练后的Deeplabv3+语义分割模型进行优化,最终得到改进的Deeplabv3+语义分割模型,包括如下步骤:使用基于权重交叉熵与Dice Loss相结合作为损失函数,结合随机梯度下降优化器进行训练,将验证集中的图像输入模型并计算激光条纹中心分割提取的精度,通过迭代过程不断优化模型参数,训练网络直到模型收敛,获取最优参数,得到训练好的Deeplabv3+语义分割模型;

对测试集进行归一化处理,输入到训练好的Deeplabv3+语义分割模型中进行效果验证,最终得到改进的Deeplabv3+语义分割模型;

利用改进的Deeplabv3+语义分割模型对新采集的水下激光条纹图像进行提取,得到水下激光条纹中心。

8.一种计算机设备,包括存储器和处理器,所述存储器存储有计算机程序,其特征在于:所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1~7任一所述的基于Transformer的Deeplabv3+水下激光条纹中心提取方法的步骤。

9.一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,其特征在于:所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1~7任一所述的基于Transformer的Deeplabv3+水下激光条纹中心提取方法的步骤。