兵工学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (2): 671-683.doi: 10.12382/bgxb.2022.0675
收稿日期:
2022-07-27
上线日期:
2024-02-29
通讯作者:
XIONG Jiamei1, WANG Yongzhen1, YAN Xuefeng1,2,*(), WEI Mingqiang1
Received:
2022-07-27
Online:
2024-02-29
摘要:
烟雾作为现代战争中最常见的作战产物,不可避免地会降低作战场景的可视性,进而影响下游军事智能系统的性能,因此对含烟图像进行复原处理非常重要,现有算法通常忽略图像中高阶的语义信息和降质图像本身都可以为提高网络去烟能力提供有价值的监督信息。为此,提出一种基于语义引导和对比学习的生成对抗网络来去除战场图像中的烟雾。通过在低阶视觉任务中融入高阶语义特征,将语义信息作为引导帮助网络更好地恢复图像的结构和色彩信息;利用对比学习范式将清晰和含烟图像构建为正、负样本,并采用对比约束使去烟后的图像与清晰图像接近,并远离含烟图像。此外,为模拟真实的战场含烟场景,首次构建一套含烟战场数据集,推进了相关研究的发展。实验结果表明,与现有图像去烟算法相比,所提方法在定量和定性指标上均达到了先进水平。
中图分类号:
熊佳梅, 王永振, 燕雪峰, 魏明强. 一种基于语义引导和对比学习的战场图像去烟算法[J]. 兵工学报, 2024, 45(2): 671-683.
XIONG Jiamei, WANG Yongzhen, YAN Xuefeng, WEI Mingqiang. An Algorithm of Battlefield Image Desmoking Based on Semantic Guidance and Contrastive Learning[J]. Acta Armamentarii, 2024, 45(2): 671-683.
数据集 | 迁移后的AuthESI↓ | NIQE↓ |
---|---|---|
HSTS | 4.9600 | 4.962 |
真实战场含烟数据集 | 4.3442 | 3.452 |
筛选前的合成数据集 | 5.0339 | 3.746 |
SBSI | 4.5824 | 3.503 |
表1 SBSI数据集质量定量评估
Table 1 Quantitative evaluation of the quality on SBSI dataset
数据集 | 迁移后的AuthESI↓ | NIQE↓ |
---|---|---|
HSTS | 4.9600 | 4.962 |
真实战场含烟数据集 | 4.3442 | 3.452 |
筛选前的合成数据集 | 5.0339 | 3.746 |
SBSI | 4.5824 | 3.503 |
去烟算法 | PSNR/dB↑ | SSIM↑ | CIEDE2000↓ |
---|---|---|---|
DCP | 14.93 | 0.7796 | 13.3102 |
DSR-Net | 20.19 | 0.8666 | 7.8871 |
AOD-Net | 21.08 | 0.8787 | 6.8954 |
AttentiveGAN | 21.54 | 0.8897 | 6.8333 |
LD-Net | 20.94 | 0.9018 | 6.8645 |
GSR | 24.45 | 0.9194 | 5.5566 |
PSD | 22.47 | 0.9178 | 6.0656 |
YOLY | 19.42 | 0.8502 | 9.7336 |
本文算法 | 30.14 | 0.9513 | 4.9969 |
表3 不同去烟算法在SBSI数据集上的定量比较
Table 3 Quantitative evaluation of different desmoking algorithms on SBSI dataset
去烟算法 | PSNR/dB↑ | SSIM↑ | CIEDE2000↓ |
---|---|---|---|
DCP | 14.93 | 0.7796 | 13.3102 |
DSR-Net | 20.19 | 0.8666 | 7.8871 |
AOD-Net | 21.08 | 0.8787 | 6.8954 |
AttentiveGAN | 21.54 | 0.8897 | 6.8333 |
LD-Net | 20.94 | 0.9018 | 6.8645 |
GSR | 24.45 | 0.9194 | 5.5566 |
PSD | 22.47 | 0.9178 | 6.0656 |
YOLY | 19.42 | 0.8502 | 9.7336 |
本文算法 | 30.14 | 0.9513 | 4.9969 |
去雾算法 | NIQE↓ | σ↓ | ↑ |
---|---|---|---|
DCP | 3.443 | 0.0003 | 1.1893 |
DSR-Net | 3.678 | 0.0003 | 1.2593 |
AOD-Net | 3.590 | 0.0016 | 1.1766 |
AttentiveGAN | 5.211 | 0.0088 | 1.3001 |
LDNet | 3.675 | 0.0004 | 1.1182 |
GSR | 5.409 | 0.0003 | 1.2732 |
PSD | 3.580 | 0.0003 | 1.2565 |
YOLY | 3.511 | 0.0110 | 1.8054 |
本文算法 | 3.422 | 0.0001 | 1.3793 |
表5 不同去烟算法在真实战场含烟图像上的定量评估
Table 5 Quantitative evaluation of different desmoking algorithms on the real-world battlefield smok-containing dataset
去雾算法 | NIQE↓ | σ↓ | ↑ |
---|---|---|---|
DCP | 3.443 | 0.0003 | 1.1893 |
DSR-Net | 3.678 | 0.0003 | 1.2593 |
AOD-Net | 3.590 | 0.0016 | 1.1766 |
AttentiveGAN | 5.211 | 0.0088 | 1.3001 |
LDNet | 3.675 | 0.0004 | 1.1182 |
GSR | 5.409 | 0.0003 | 1.2732 |
PSD | 3.580 | 0.0003 | 1.2565 |
YOLY | 3.511 | 0.0110 | 1.8054 |
本文算法 | 3.422 | 0.0001 | 1.3793 |
模型 | 基础模型 | V1模型 | V2模型 | V3模型 |
---|---|---|---|---|
感知对比学习损失 | × | √ | × | √ |
语义引导 | × | × | √ | √ |
指标 | 基础模型 | V1模型 | V2模型 | V3模型 |
PSNR/dB↑ | 29.06 | 29.91 | 30.04 | 30.14 |
SSIM↑ | 0.928 | 0.951 | 0.944 | 0.951 |
CIEDE2000↓ | 5.942 | 6.089 | 5.064 | 4.997 |
表6 语义引导模块和对比学习模块的消融实验结果
Table 6 Ablation result for SCLGAN with semantic guidance and contrastive learning
模型 | 基础模型 | V1模型 | V2模型 | V3模型 |
---|---|---|---|---|
感知对比学习损失 | × | √ | × | √ |
语义引导 | × | × | √ | √ |
指标 | 基础模型 | V1模型 | V2模型 | V3模型 |
PSNR/dB↑ | 29.06 | 29.91 | 30.04 | 30.14 |
SSIM↑ | 0.928 | 0.951 | 0.944 | 0.951 |
CIEDE2000↓ | 5.942 | 6.089 | 5.064 | 4.997 |
模型 | PSNR/dB↑ | SSIM↑ | CIEDE2000↓ |
---|---|---|---|
CA | 27.15 | 0.930 | 6.440 |
FA | 30.14 | 0.951 | 4.997 |
CBAM | 29.38 | 0.951 | 5.365 |
FA+残差块-FA结构 | 29.40 | 0.949 | 6.883 |
FA+残差块-CA结构 | 29.59 | 0.950 | 5.384 |
表7 注意力机制模块的消融实验结果
Table 7 Ablation results of attention mechanism module
模型 | PSNR/dB↑ | SSIM↑ | CIEDE2000↓ |
---|---|---|---|
CA | 27.15 | 0.930 | 6.440 |
FA | 30.14 | 0.951 | 4.997 |
CBAM | 29.38 | 0.951 | 5.365 |
FA+残差块-FA结构 | 29.40 | 0.949 | 6.883 |
FA+残差块-CA结构 | 29.59 | 0.950 | 5.384 |
损失函数 | C1 | C2 | C3 | C4 | C5 | C6 | C7 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
L1损失 | √ | × | × | √ | √ | × | √ |
MS-SSIM损失 | × | √ | × | √ | × | √ | √ |
对比正则损失 | × | × | √ | × | √ | √ | √ |
指标 | C1 | C2 | C3 | C4 | C5 | C6 | C7 |
PSNR/dB↑ | 27.67 | 22.41 | 11.33 | 27.39 | 28.02 | 28.40 | 30.14 |
SSIM↑ | 0.909 | 0.465 | 0.085 | 0.899 | 0.867 | 0.909 | 0.951 |
CIEDE2000↓ | 5.772 | 9.915 | 29.104 | 5.985 | 6.958 | 8.444 | 4.997 |
表8 各损失函数分量的消融实验结果
Table 8 Ablation result of each loss
损失函数 | C1 | C2 | C3 | C4 | C5 | C6 | C7 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
L1损失 | √ | × | × | √ | √ | × | √ |
MS-SSIM损失 | × | √ | × | √ | × | √ | √ |
对比正则损失 | × | × | √ | × | √ | √ | √ |
指标 | C1 | C2 | C3 | C4 | C5 | C6 | C7 |
PSNR/dB↑ | 27.67 | 22.41 | 11.33 | 27.39 | 28.02 | 28.40 | 30.14 |
SSIM↑ | 0.909 | 0.465 | 0.085 | 0.899 | 0.867 | 0.909 | 0.951 |
CIEDE2000↓ | 5.772 | 9.915 | 29.104 | 5.985 | 6.958 | 8.444 | 4.997 |
模型 | 基础模型 | V1模型 | V2模型 | V3模型 |
---|---|---|---|---|
感知对比学习损失 | × | √ | × | √ |
语义引导 | × | × | √ | √ |
指标 | 基础模型 | V1模型 | V2模型 | V3模型 |
NIQE↓ | 3.045 | 3.041 | 3.026 | 3.014 |
σ↓ | 0.0002 | 0.0003 | 0.0002 | 0.0001 |
↑ | 1.1020 | 1.1204 | 1.2323 | 1.1691 |
表9 在真实战场含烟数据集上语义引导模块和对比学习模块的消融实验结果
Table 9 Ablation result for SCLGAN with semantic guidance and contrastive learning on real-world battlefield smok-cintaining dataset
模型 | 基础模型 | V1模型 | V2模型 | V3模型 |
---|---|---|---|---|
感知对比学习损失 | × | √ | × | √ |
语义引导 | × | × | √ | √ |
指标 | 基础模型 | V1模型 | V2模型 | V3模型 |
NIQE↓ | 3.045 | 3.041 | 3.026 | 3.014 |
σ↓ | 0.0002 | 0.0003 | 0.0002 | 0.0001 |
↑ | 1.1020 | 1.1204 | 1.2323 | 1.1691 |
去烟算法 | 平均运行时间/s |
---|---|
DCP | 1.0389 |
DSR-Net | 0.0692 |
AOD-Net | 0.0685 |
AttentiveGAN | 0.1431 |
LD-Net | 0.0954 |
GSR | 0.1647 |
PSD | 0.5389 |
YOLY | 41.5037 |
本文算法 | 0.0553 |
表10 不同算法的平均运行时间
Table 10 Average running time of different algorithms
去烟算法 | 平均运行时间/s |
---|---|
DCP | 1.0389 |
DSR-Net | 0.0692 |
AOD-Net | 0.0685 |
AttentiveGAN | 0.1431 |
LD-Net | 0.0954 |
GSR | 0.1647 |
PSD | 0.5389 |
YOLY | 41.5037 |
本文算法 | 0.0553 |
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doi: 10.3969/j.issn.1000-1093.2022.01.016 |
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