CN111612803A - 一种基于图像清晰度的车辆图像语义分割方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于图像清晰度的车辆图像语义分割方法。本发明设计了一个清晰度判别模块，并将结果导入总的损失函数中，实现更加精确的分割效果，具体实现如下：步骤1、采用Tenengrad函数来对输入的车辆图像进行清晰度判定；步骤2、采用DeepLab V3+作为语义分割主干网络进行训练；步骤3、用训练完的网络输出语义分割结果。本发明对于清晰度做出判定，根据判别结果，本发明设计了相应的损失函数LD，并将其加入到语义分割主干网络的损失函数中，从而使网络具有判别车辆图像清晰度的能力，增加了网络对车辆图像语义分割的针对性，提高语义分割主干网络的分割精度。

Description

一种基于图像清晰度的车辆图像语义分割方法
技术领域
本发明属于计算机视觉技术领域，具体涉及基于深度学习的语义分割技术，针对车辆图像这一特定类别，结合图像清晰度获得更高精确度的语义分割结果。
背景技术
图像语义分割技术作为计算机视觉领域经典和基础研究课题，不仅应用广泛，在场景解析、自动驾驶、人机交互、图像搜索引擎等领域具有重要意义，而且对于后续处理图像内容将产生直接影响，所以一直以来，图像语义分割技术都是计算机视觉领域最为活跃的一部分，许多研究人员先后对此做出巨大贡献。
图像语义分割是从像素水平，识别、理解并区分图像中的内容，对图像中的每一个像素点予以相应的类别，因此也可以将之视为密集预测问题，这是一项富有挑战性和意义的课题。
传统的语义分割主要有两大类，基于非监督的分割方法和基于概率图模型的分割方法。基于非监督的分割方法通常依靠提取图片的低级特征，检测一致的区域或区域的边界，从而获得分割的结果，但分割的结果没有语义的标注，因此不能算作严格意义上的语义分割。基于概率图的分割方法则是利用参数统计方法，基于几个简单的特征对图像进行过渡分割，然后使用马尔可夫随机场(MRF)方法，对每个像素点进行分类，选取概率高的作为分类类别。
随着计算机算力的提升，深度学习取得了突飞猛进的发展，研究人员逐步将深度学习引入到图像语义分割领域中，取得了卓越的成果。在这一过程中，Long等人在2015年提出的全卷积神经网络FCN(Fully ConvolutionalNetwork)无疑是当中的开山之作，该模型创新性地将深度卷积神经网络最后的全连接层替换为卷积层，实现对任意大小的输入图像进行语义分割，形成了端到端、像素点到像素点的网络框架，从此语义分割进入崭新的时代，越来越多基于FCN的分割网络被提出。BadrinarayananV等人提出的SegNet网络，在进行池化操作时存储最大池化索引，解码器使用在相应编码器的最大池化索引来执行非线性上采样，上采样的特征图是稀疏的，然后与可训练的滤波器卷积以生成密集的特征图，在减少计算量的同时提高了分割的准确率。Chen等人则先后发表了DeepLab系列论文，先后引入了膨胀卷积、空间金字塔池化等模块，在保留输入图像信息的同时结合多尺度的特征图，从而实现更好的分割效果。
本发明针对监控系统下的车辆图像，根据获得图像的清晰度，结合语义分割主干网络的训练过程，生成更加适合监控系统的车辆图像分割网络。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种基于图像清晰度的车辆图像语义分割方法。本发明针对监控系统获得车辆图像进行图像语义分割，由于监控系统下，车辆处于运动状态，获得的车辆图像可能会出现不同程度的模糊，从而给分割带来较大误差，导致后续识别、追踪等操作难以进行。针对可能会出现的因运动导致的车辆图像模糊，本发明设计了一个清晰度判别模块，并将结果导入总的损失函数中，实现更加精确的分割效果。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
步骤1、设计清晰度判别模块：
本发明采用Tenengrad函数来对输入的车辆图像进行清晰度判定，Tenengrad函数采用Sobel算子分别提取水平和垂直方向的梯度值，基于Tenengrad函数的图像清晰度D(f)定义为：
D(f)＝∑y∑x|G(x，y)| (1)
其中，G(x,y)的表达如下：
Figure BDA0002475746000000021
其中，Gx(x,y)是像素点(x,y)处于Sobel水平方向边缘检测算子gx的卷积，Gy(x,y)是像素点(x,y)处于Sobel垂直方向边缘检测算子gy的卷积，算子gx和gy分别为：
Figure BDA0002475746000000022
Figure BDA0002475746000000031
根据清晰度判别模块计算所得的D(f)，设计清晰度损失函数LD如下：
LD＝-logD(f) (5)
再将清晰度损失函数LD加入语义分割主干网络的损失函数中，共同作用于网络训练过程。
步骤2、语义分割主干网络训练
本发明采用DeepLabV3+作为语义分割主干网络，将输入图像沿语义分割主干网络依次进行下采样、池化操作，得到高分辨率特征图；将得到的高分辨率特征图分别进行不同比例的膨胀卷积(分别为6，12，18，24)，再经过空间金字塔池化模块，以concatenate操作将所得的不同比例膨胀卷积下的特征图拼接在一起，从而融合多尺度的上下文信息，最后经过卷积操作得到最终的预测结果；对预测结果进行上采样，从而得到与原输入图像大小一致的高精度像素级语义分割结果图。
步骤3、输出语义分割结果
网络训练完成后，得到针对监控系统下获得的车辆图像的语义分割网络，对于给定输入测试图像，经过该语义分割网络，在清晰度判别模块和语义分割主干网络的共同作用下，能够得到输入图像的高精度像素级语义分割结果图。从而为后续的相关操作提供可能。
本发明的有益效果：
本发明提出了一种基于图像清晰度的车辆图像语义分割方法，针对监控系统下的车辆图像可能会存在的模糊问题，从而导致语义分割精度不高，设计了一种清晰度判别模块，对于清晰度做出判定，根据判别结果，本发明设计了相应的损失函数LD，并将其加入到语义分割主干网络的损失函数中，从而使网络具有判别车辆图像清晰度的能力，增加了网络对车辆图像语义分割的针对性，提高语义分割主干网络的分割精度。
附图说明
图1为本发明的总体流程。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明做进一步详细说明，但是本发明不局限于该实例。
VeRi是一个城市监控系统下大规模车辆图像的基准数据集，是由20台摄像机在1KM2的城市区域内24小时拍摄而来，包含776辆车的超过50000张图像，车辆图像是在真实世界的无约束监控系统下捕获的，因此具有很高的现实意义，对车辆图像进行人工标注，类别共59种包括背景在内，本实例基于上述发明方法，如图1所示，其步骤如下：
步骤1：数据集处理
从VeRi数据集中选取2000张作为训练图像集，选取1000张图像作为测试图像集，并对训练图像数据集进行数据增强操作，使训练图像的数量增加到10000张。
步骤2：初始化语义分割主干网络
导入DeeepLabV3+网络对应层的参数，对语义分割主干网络进行初始化，加速训练过程中网络收敛所需时间。
步骤3：训练添加有清晰度判别模块的语义分割主干网络；
将输入图像和对应的groundtruth导入到网络中，首先经过清晰度判别模块，对每一张输入图像依次进行如下操作：
D(f)＝∑y∑x|G(x，y)| (1)
其中，(x,y)对应输入图像的每一个像素点，而G(x,y)的计算方式为：
Figure BDA0002475746000000041
其中，Gx(x,y)是像素点(x,y)处于Sobel水平方向边缘检测算子gx的卷积，Gy(x,y)是像素点(x,y)处于Sobel垂直方向边缘检测算子gy的卷积，算子gx和gy分别为：
Figure BDA0002475746000000042
Figure BDA0002475746000000043
将清晰度判别模块计算所得的D(f)作为清晰度损失函数导入到总损失函数中：
LD＝-logD(f) (5)
将输入车辆图像和groundtruth导入语义分割主干网络，采用随机梯度下降算法优化导入清晰度损失函数后的总损失函数，运用反向传播算法更新语义分割主干网络的参数，直到总损失函数的值不再下降，结束训练。
为了加速语义分割主干网络的收敛，引入参数学习的的学习率，学习率按照如下公式进行变化：
Figure BDA0002475746000000051
公式(6)中，t为迭代次数，l0为初始学习率，值为0.007，power为动量，值为0.9。
步骤4：对测试图像集进行语义分割
在对测试图像集进行语义分割的过程中，不需要清晰度判别模块，可以将步骤3中所得网络中的清晰度判别模块去掉，简化网络模型用于部署，将测试图像集依次导入简化后的网络中，即可得到高进度的语义分割结果。通过清晰度判别模块，网络对于清晰度做出判定，根据判别结果，本发明设计了相应的损失函数LD，并将其加入到语义分割主干网络的损失函数中，从而使网络具有判别车辆图像清晰度的能力，增加了网络对车辆图像语义分割的针对性，提高语义分割主干网络的分割精度。
上述实例旨在进一步阐述本发明的实施过程，其描述较为具体和详实，但不意味着本发明只有这一种用途，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于图像清晰度的车辆图像语义分割方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1：数据集处理
从VeRi数据集中选取2000张作为训练图像集，选取1000张图像作为测试图像集，并对训练图像数据集进行数据增强操作，使训练图像的数量增加到10000张；
步骤2：初始化语义分割主干网络；
导入DeeepLab V3+网络对应层的参数，对语义分割主干网络进行初始化，加速训练过程中网络收敛所需时间；
步骤3：训练添加有清晰度判别模块的语义分割主干网络；
步骤4：对测试图像集进行语义分割。
2.根据权利要求1所述的一种基于图像清晰度的车辆图像语义分割方法，其特征在于步骤3具体实现如下：
将输入图像和对应的ground truth导入到语义分割主干网络中，首先经过清晰度判别模块，对每一张输入图像依次进行如下操作：
D(f)＝∑y∑x|G(x，y)| (1)
其中，(x,y)对应输入图像的每一个像素点，而G(x,y)的计算方式为：
Figure FDA0002475745990000011
其中，Gx(x,y)是像素点(x,y)处于Sobel水平方向边缘检测算子gx的卷积，Gy(x,y)是像素点(x,y)处于Sobel垂直方向边缘检测算子gy的卷积，算子gx和gy分别为：
Figure FDA0002475745990000012
Figure FDA0002475745990000013
将清晰度判别模块计算所得的D(f)作为清晰度损失函数导入到总损失函数中：
LD＝-logD(f) (5)
将输入车辆图像和ground truth导入语义分割主干网络，采用随机梯度下降算法优化导入清晰度损失函数后的总损失函数，运用反向传播算法更新语义分割主干网络的参数，直到总损失函数的值不再下降，结束训练；
为了加速语义分割主干网络的收敛，引入参数学习的的学习率，学习率按照如下公式进行变化：
Figure FDA0002475745990000021
公式(6)中，t为迭代次数，l0为初始学习率，值为0.007，power为动量，值为0.9。
3.根据权利要求2所述的一种基于图像清晰度的车辆图像语义分割方法，其特征在于步骤4在对测试图像集进行语义分割的过程中，不需要清晰度判别模块，因此需要将步骤3中所得的语义分割主干网络中的清晰度判别模块去掉，简化语义分割主干网络用于部署，将测试图像集依次导入简化后的语义分割主干网络中，即可得到高进度的语义分割结果。
4.根据权利要求3所述的一种基于图像清晰度的车辆图像语义分割方法，其特征在于采用DeepLab V3+作为语义分割主干网络，将输入图像沿语义分割主干网络依次进行下采样、池化操作，得到高分辨率特征图；将得到的高分辨率特征图分别进行不同比例的膨胀卷积，得到不同比例膨胀卷积下的特征图；再经过空间金字塔池化模块，以concatenate操作将所得的不同比例膨胀卷积下的特征图拼接在一起，从而融合多尺度的上下文信息，最后经过卷积操作得到最终的预测结果；对预测结果进行上采样，从而得到与原输入图像大小一致的高精度像素级语义分割结果图。
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