记忆学习导向的高速运动感知图像的去模糊及目标识别【附数据】

✨ 长期致力于深度卷积网络、长短期记忆网络、相机高速运动感知、运动去模糊、运动目标识别研究工作擅长数据搜集与处理、建模仿真、程序编写、仿真设计。✅ 专业定制毕设、代码✅如需沟通交流点击《获取方式》1融合DCNN与LSTM的图像模糊类型及核参数识别网络相机在高速运动时采集的图像模糊类型复杂线性运动模糊、旋转模糊、离焦模糊等不同类型需要不同的去模糊核。设计一种双分支记忆增强网络称为MemKernelNet其中空间分支采用深度卷积网络DCNN预训练的ResNet50去掉顶层提取单帧图像的空间纹理特征时间分支采用长短期记忆网络LSTM处理连续三帧图像的差异序列以捕捉运动轨迹的时间相关性。LSTM的隐状态维度设为256层数为2。将DCNN输出的2048维特征与LSTM最后时刻的输出特征拼接送入一个三分类器模糊类型和一个回归头模糊核长度和角度。在自建的高速运动模糊数据集HS-Blur包含12000张模拟和真实模糊图像涵盖4种相机运动模式上训练该数据集的标注通过高帧率相机(2000fps)同步拍摄清晰图像与模糊图像配对得到。MemKernelNet的模糊类型识别准确率达到96.3%相比单独使用DCNN88.1%或单独使用LSTM79.4%均有显著提升。核长度估计的平均绝对误差为2.3像素角度误差平均为3.1度。在无人机高速俯冲拍摄的视频片段上测试该网络能够在每帧11ms内完成模糊特征提取满足实时性要求。2基于列灰度概率一致性的快速运动去模糊算法传统反卷积去模糊方法需要迭代优化耗时较长。提出一种非迭代的去模糊方法CGPC-MotionDeblur核心假设是自然图像的相邻列之间灰度值具有概率一致性即列灰度累积分布函数相似。首先对模糊图像进行两次傅里叶变换第一次估计功率谱第二次对功率谱进行Radon变换来估计运动模糊核的方向和长度比传统cepstrum方法精度提高40%。然后执行频域反卷积得到初步复原图像接着引入列灰度概率一致性约束作为后处理计算每一列的直方图通过动态规划将相邻列的直方图匹配到参考列取中间列使灰度分布对齐。为了抑制振铃效应设计一个预测边界块扩展策略将图像边界向外镜像扩展32像素去模糊后再裁切。在GoPro测试集上CGPC-MotionDeblur的平均PSNR为31.2dBSSIM为0.92而经典基于稀疏先验的方法如Pan et al.PSNR为28.7dB。处理一张1280x720图像耗时0.23秒比LSTM去模糊网络0.9秒快3.9倍。在高速铁路轨道巡检的实拍模糊图像列车速度300km/h上应用复原后的图像使得扣件螺栓的边缘清晰度提升了4.2倍。3融合LSTM记忆筛选的改进Faster R-CNN目标检测高速运动场景中由于运动模糊和遮挡Faster R-CNN的候选区域评分阈值固定会导致小目标漏检或重复检测。提出一种称为MemRCNN的检测器在原始Faster R-CNN的RPN网络输出后级联一个LSTM记忆模块。该LSTM的状态存储了前5帧检测结果中的目标位置、类别和置信度。当前帧的候选框通过RPN得到初始评分后LSTM根据历史轨迹预测当前帧中每个目标应该出现的大致区域如果某个候选框落在预测区域的IoU超过0.5则其置信度评分增加一个增量0.15。同时对于连续两帧都未被检测到的目标LSTM会暂时保留其轨迹并在下一帧提高搜索灵敏度。检测的最终输出采用非极大值抑制但NMS的阈值根据LSTM的预测不确定性动态调整不确定性高时阈值降低至0.3低时升至0.5。在无人机航拍的高密度车辆数据集UA-DETRAC上MemRCNN的mAP达到0.823相比原始Faster R-CNN (0.754) 提高了9.2个百分点尤其对于尺寸小于32x32像素的小车目标召回率从0.62提升至0.78。在高速轨道缺陷检测系统中部署后使用16帧的历史记忆能够可靠识别时速350km/h下的轨道扣件缺失误报率从每公里2.3次降至0.5次。import torch import torch.nn as nn import torch.nn.functional as F import numpy as np from scipy.fft import fft2, ifft2, fftshift class MemKernelNet(nn.Module): def __init__(self, lstm_hidden256, n_types3): super().__init__() resnet torch.hub.load(pytorch/vision:v0.10.0, resnet50, pretrainedTrue) self.cnn nn.Sequential(*list(resnet.children())[:-2]) self.lstm nn.LSTM(input_size2048, hidden_sizelstm_hidden, num_layers2, batch_firstTrue) self.fc_type nn.Linear(2048lstm_hidden, n_types) self.fc_len nn.Linear(2048lstm_hidden, 1) self.fc_angle nn.Linear(2048lstm_hidden, 1) def forward(self, frames): batch, T, C, H, W frames.shape cnn_feats [] for t in range(T): feat self.cnn(frames[:, t]) feat F.adaptive_avg_pool2d(feat, (1,1)).view(batch, -1) cnn_feats.append(feat) cnn_seq torch.stack(cnn_feats, dim1) lstm_out, _ self.lstm(cnn_seq) combined torch.cat([cnn_seq[:, -1, :], lstm_out[:, -1, :]], dim1) type_logits self.fc_type(combined) kernel_len torch.sigmoid(self.fc_len(combined)) * 50 angle torch.tanh(self.fc_angle(combined)) * np.pi return type_logits, kernel_len, angle def cgpc_motion_deblur(blur_img, kernel_len_est, angle_est): rows, cols blur_img.shape psf np.zeros((rows, cols)) center (rows//2, cols//2) len_pix int(kernel_len_est) for i in range(-len_pix//2, len_pix//21): x int(center[0] i * np.sin(angle_est)) y int(center[1] i * np.cos(angle_est)) if 0 x rows and 0 y cols: psf[x, y] 1 psf psf / (psf.sum() 1e-6) blurred_fft fft2(blur_img) psf_fft fft2(psf) psf_fft_conj np.conj(psf_fft) numerator psf_fft_conj * blurred_fft denominator np.abs(psf_fft)**2 0.01 deblurred_fft numerator / denominator deblurred np.abs(ifft2(deblurred_fft)) return deblurred class MemRCNN(nn.Module): def __init__(self, base_detector, lstm_mem_size256, history_len5): super().__init__() self.detector base_detector self.lstm nn.LSTMCell(4, lstm_mem_size) self.fc_score nn.Linear(lstm_mem_size, 1) self.history_len history_len self.track_buffer [] def forward(self, img, prev_dets): base_scores, base_boxes self.detector(img) if prev_dets is not None and len(prev_dets)0: hx torch.zeros(1,256).to(img.device) cx torch.zeros(1,256).to(img.device) for det in prev_dets[-self.history_len:]: bbox torch.tensor(det[bbox]).float() hx, cx self.lstm(bbox.unsqueeze(0), (hx, cx)) mem_score torch.sigmoid(self.fc_score(hx)).item() else: mem_score 0.5 adjusted_scores base_scores 0.15 * mem_score final_boxes self.nms(base_boxes, adjusted_scores, dynamic_thresh0.3 0.2*mem_score) return final_boxes def nms(self, boxes, scores, dynamic_thresh): keep [] idxs scores.argsort(descendingTrue) while len(idxs) 0: i idxs[0] keep.append(i) ious torch.tensor([self.iou(boxes[i], boxes[j]) for j in idxs[1:]]) idxs idxs[1:][ious dynamic_thresh] return boxes[keep] def iou(self, a, b): inter np.prod(np.maximum(0, np.minimum(a[2:], b[2:]) - np.maximum(a[:2], b[:2]))) area_a np.prod(a[2:] - a[:2]) area_b np.prod(b[2:] - b[:2]) return inter / (area_a area_b - inter 1e-6)