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提出了一种基于稀疏编码和卷积神经网络的地貌场景图像分类算法; 利用非下采样Contourlet变换对训练样本进行多尺度分解; 在训练样本中选择图像, 利用稀疏编码学习局部特征, 对特征向量进行排序; 选择灰度平均梯度较大的特征向量对卷积神经网络卷积核进行初始化。结果表明:所提算法可以获得比传统底层视觉特征更好的分类结果, 有效避免了网络训练陷入局部最优的问题, 提高了自然场景下无人机着陆地貌的分类准确率。
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第
卷
第
期
光
学
学
报
年
月
基于稀疏编码和卷积神经网络的地貌图像分类
刘 芳
,
王 鑫
,
路 丽 霞
,
黄 光 伟
,
王 洪 娟
北京工业大学信息学部
北京
摘要
提出了一种基于稀疏编码和卷积神经网络的地貌场景图像 分类 算法
利用 非下 采样
变换 对训 练
样本进行多尺度分解
在训练样本中选择图像
利用 稀疏 编码 学 习局 部特 征
对 特征 向量 进 行排 序
选 择灰 度平 均
梯度较大的特征向量对卷积神经网络卷积核进行初始化
结果表明
所提算法可以 获得 比传统 底层 视觉特 征更 好
的分类结果
有效避免了网络训练陷入局部最优的问题
提高了自然场景下无人机着陆地貌的分类准确率
关键词
图像处理
图像分类
卷积神经网络
地貌图像
稀疏编码
计算机视觉
中图分类号
文献标识码
doi
LandformIma
g
eClassificationBasedonS
p
arseCodin
g
and
ConvolutionalNeuralNetwork
In
f
ormationDe
p
artment
Bei
j
in
g
Universit
y
o
f
Technolo
gy
Bei
j
in
g
China
Abstract
Ke
y
words
OCIScodes
收稿日期
修回日期
录用日期
基金项目
国家自然科学基金
北京工业大学研究生科技基金
EGmail
引
言
随着技术的进步
无人机
被广泛应用到
军事 侦 察
地 质 勘 探
目 标 跟 踪
交 通 监 控 等 领 域
针对无人机在未知区域飞行时可能会受到突发因素
的影响而无法安全 着陆的问 题
研究人员 依 据无人
机的实际飞行情况
通过视觉 导 航技术采 取 避障措
施或航迹重规划
结合图像 分 类技术选 择 合适的着
陆地点
实现了无人机 自 主着陆
无人机地 貌 图像
中的目标场景分布信息是无人机自主安全着陆的重
要依据
由于无人 机的飞行 环 境复杂多 样
无人机
地貌图像具有场景复 杂
纹理信息 丰 富
范围大
视
角宽的特点
因此
快速
有效的地 貌 分类技术 成 为
无人机执行飞行任务的安全保障
近年 来
深 度 学 习 被 引 入 到 图 像 分 类 中
等
提出了用深度学习的 思 想 对 图 像 进 行
识别
卷积神 经 网 络
在 图 像 分 类 中 具 有 较
好的 分 类 效 果
等
在
的 两 个
全连接层采用 了
策略
该策略可以 防止某
些特征仅在其他特 殊特征出 现 时才产生 作 用
从而
有效避免了网络中各特征之间的相互依赖性
孙艳
丰等
提出了基于改进
准则的深度
识
别算法
反向传播采用
约束准则
加入判别准
则的能量函数在迭代求解权值的搜索空间会受到判
别条件的约束
从全局搜索缩小到更有利于分类的局
部空间搜索
从而使权值更快地逼近便于分类的最优
光
学
学
报
值
朱明明等
提出了一种结合级联的区域建议网
络和检测网络的遥感图像机场检测方法
通过改进区
域建议网络
实现了两个网络的卷积层共享
从而使
得检测时间大幅缩短
并提高了检测准确率
无论 是卷积层的 改进
还是降采样 层及全连接
层的改进
都是针对 网 络的学习 能 力及学习 效 率两
方面的改进
由于
的学习能力 可以通过调 节
网络的深度来增强
因此增加 模 型深度可 以 有效优
化网络的性能
以上基于
的图像分类 算法虽
然都取得了较 高 的 分 类 准 确 率
但
采 用 有 监
督的训练方式
训练时需要使用大量的标记样本
而
有些图像样本的采集比 较困难
例如无人 机 地貌图
像
其样本数量少
会导致网 络 的前几层 无 法得到
充分训练
从而劣化网络的性能
针对此问 题
等
利 用 独 立 成 分
分析
预训练对
进行权值初始化
张文达
等
利用稀疏自动 编码器
对
进行非 监
督预训练
通过最小 化 重构误差 获 得待识别 图 像的
隐含层表示
学习得 到 含有训练 数 据统计特 性 的滤
波器集合
史鹤欢等
利用主成 分 分析
非监
督预训练初始化
陈洋等
采用最小噪声分离
分析非监督训练初 始 化
结 果 表 明
分 类 方 法
的分类精度明显提高
以上初始化权值的方法都使
的识别率得到了一定程度的提高
但上述方法
在对训练得到的初 始卷积核 进 行特征提 取 时
数据
特征的提取效果一般
为了提高无人机地貌图像在小样本数据条件下
着陆点地貌场景的 分类准确 率
本文以无 人 机自然
地貌图 像 为 研 究 对 象
提 出 了 一 种 基 于 稀 疏 编 码
和
的地貌图像分类算法
该算法首先对
训练样本进行非 下 采样
变换
对原图像
进行多尺度分解
并选取前 两 层分解图 像 来扩充训
练样本集
然 后 在 训 练 样 本 中 随 机 选 择 图 像
利 用
方法学习局部特征
并对特征向量按照其灰度平
均梯度
从大到小排 序
最后选择
较大
的特征向量对
卷 积 核 进 行 初 始 化
通 过 特 征
学习得到全局特征 向量
并将其输 入 到支持向 量 机
中得到地貌图像的分类结果
非监督预训练
非监督学习 得 到的基向 量 能够最大程度地
表示输 入 图 像 的 局 部 特 征 信 息
这 里 采 用
对
的卷积 核 进 行 预 训 练
采 用
对 地 貌 样 本
图像进行处理
得到 具 有训练样 本 特征表达 信 息的
基函数集合
将 基 函 数 集 合 作 为
的 初 始 化 卷
积核
主要用来寻找一组超完备的基向量
也就
是字典
用来表示输入 数 据
字典可视 化 表达如图
所示
图
字典可视化表达
示例
示例
过程分为如下两个阶段
训练阶段
给定 样本图 像
x
x
x
n
其中
n
为样本数
需要从这些 样本中学习 得到一组
基向量
ϕ
ϕ
ϕ
ϕ
n
这组基向量 即为字典
训练过程是一个重 复迭代的 过 程
为了得到 超 完备
基向量
需要使目标函 数 值最小
通过交替 更 改稀
疏向量
a
和基向量
ϕ
的值
使目标函数 最小
目标
函数为
f
a
ϕ
=
n
i
=
x
i
-
k
j
=
a
i
j
ϕ
j
+
λ
n
i
=
k
j
=
|
a
i
j
|
式中
i
j
k
为正整数
k
n
a
i
j
为稀疏向量
a
中的
元素
λ
为稀疏系数
迭代过程可以分为两个步骤
固定字典
ϕ
然
后不断调整 稀 疏 向 量
a
使
式 中 的 目 标 函 数 最
小
固定稀疏向量
a
然后不断调整
ϕ
使
式中
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