兵工学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (4): 1070-1081.doi: 10.12382/bgxb.2022.0957
收稿日期:
2022-10-21
上线日期:
2024-04-30
通讯作者:
WANG Yongzhen1, TONG Ming1, YAN Xuefeng1,2,*(), WEI Mingqiang1
Received:
2022-10-21
Online:
2024-04-30
摘要:
军事智能系统的发展对现代战争的作战方式和制胜机理产生重大影响,然而这些系统容易受到雾霾等天气的影响导致获取的图像出现模糊、退化等问题,给后续识别、追踪等作战任务带来挑战,因此对战场含雾图像进行复原非常重要。鉴于获取同一场景下的含雾、清晰图像对难度极大,现有网络大都采用合成数据进行训练;但真实雾图和合成雾图之间的间隙,会导致在合成数据下训练的模型在真实场景中泛化性差。为此,提出一种面向真实战场环境的自注意力模型-卷积神经网络(Transformer-Convolutional Neural Network,Transformer-CNN)多特征聚合图像去雾算法。采用半监督框架,利用合成和真实战场含雾图像训练网络,使模型能够更好地应对真实含雾场景。采用双分支特征聚合架构,将CNN分支提取的局部特征和Transformer分支学习的全局特征进行聚合,以进一步提高模型去雾能力。为模拟真实战场含雾场景,构建了一套含雾战场图像数据集。实验结果表明,与8种最先进的图像去雾算法相比,所提算法在合成数据和真实图像上均表现良好。
中图分类号:
王永振, 童鸣, 燕雪峰, 魏明强. 面向真实战场环境的Transformer-CNN多特征聚合图像去雾算法[J]. 兵工学报, 2024, 45(4): 1070-1081.
WANG Yongzhen, TONG Ming, YAN Xuefeng, WEI Mingqiang. Transformer-CNN-based Multi-feature Aggregation Algorithm for Real Battlefield Image Dehazing[J]. Acta Armamentarii, 2024, 45(4): 1070-1081.
参数 | 数值 |
---|---|
块的数量 | [8,8,8,4,4] |
字向量维度 | [24,48,96,48,24] |
MLP缩放比例 | [2,4,4,2,2] |
多头自注意力比重 | [1/4,1/2,3/4,0,0] |
注意力机制头个数 | [2,4,6,1,1] |
卷积类型 | 深度可分离卷积 |
表1 Dehazeformer网络模块的详细结构参数
Table 1 Detailed structural parameters of Dehazeformer net module
参数 | 数值 |
---|---|
块的数量 | [8,8,8,4,4] |
字向量维度 | [24,48,96,48,24] |
MLP缩放比例 | [2,4,4,2,2] |
多头自注意力比重 | [1/4,1/2,3/4,0,0] |
注意力机制头个数 | [2,4,6,1,1] |
卷积类型 | 深度可分离卷积 |
数据集 | AuthESI↓ | NIQE↓ | FADE↑ |
---|---|---|---|
OTS | 2.7348 | 3.4295 | |
SOTS | 3.8320 | 1.8489 | |
HSTS | 3.4900 | 1.6106 | |
本文数据集 | 3.1736 | 3.2790 | 1.9490 |
表3 战场含雾数据集质量定量评估比较
Table 3 Quantitative evaluation and comparison of the quality of battlefield hazy datasets
数据集 | AuthESI↓ | NIQE↓ | FADE↑ |
---|---|---|---|
OTS | 2.7348 | 3.4295 | |
SOTS | 3.8320 | 1.8489 | |
HSTS | 3.4900 | 1.6106 | |
本文数据集 | 3.1736 | 3.2790 | 1.9490 |
去雾算法 | PSNR/dB↑ | SSIM↑ | CIEDE2000↓ |
---|---|---|---|
DCP算法 | 17.0833 | 0.8667 | 11.3986 |
AOD-Net算法 | 23.1935 | 0.9094 | 6.0887 |
GCA-Net算法 | 21.2835 | 0.9162 | 7.6218 |
LD-Net算法 | 24.5415 | 0.9222 | 5.7080 |
SGID-PFF算法 | 26.1124 | 0.8946 | 4.5316 |
Semi_dehazing算法 | 24.4518 | 0.9307 | 5.0534 |
YOLY算法 | 19.6918 | 0.8136 | 8.7296 |
PSD算法 | 18.0533 | 0.7902 | 10.5273 |
本文算法 | 31.7481 | 0.9663 | 2.5933 |
表4 不同去雾算法在合成战场含雾数据集上的定量比较
Table 4 Quantitative comparison of different dehazing algorithms on synthetic battlefield hazy datasets
去雾算法 | PSNR/dB↑ | SSIM↑ | CIEDE2000↓ |
---|---|---|---|
DCP算法 | 17.0833 | 0.8667 | 11.3986 |
AOD-Net算法 | 23.1935 | 0.9094 | 6.0887 |
GCA-Net算法 | 21.2835 | 0.9162 | 7.6218 |
LD-Net算法 | 24.5415 | 0.9222 | 5.7080 |
SGID-PFF算法 | 26.1124 | 0.8946 | 4.5316 |
Semi_dehazing算法 | 24.4518 | 0.9307 | 5.0534 |
YOLY算法 | 19.6918 | 0.8136 | 8.7296 |
PSD算法 | 18.0533 | 0.7902 | 10.5273 |
本文算法 | 31.7481 | 0.9663 | 2.5933 |
去雾算法 | BRISQUE↓ | σ↓ | HCC↑ |
---|---|---|---|
DCP | 29.3997 | 0.0068 | 0.0213 |
AOD-Net | 33.2429 | 0.0719 | 0.1205 |
GCA-Net | 28.8034 | 0.0228 | 0.2518 |
LD-Net | 30.6247 | 0.0585 | 0.1830 |
SGID-PFF | 44.6840 | 0.3524 | 0.0333 |
Semi_dehazing | 0.0279 | 0.3514 | |
YOLY | 39.0062 | 0.0632 | 0.2159 |
PSD | 31.8752 | 0.0310 | |
本文算法 | 28.6583 | 0.5940 |
表7 不同去雾算法在真实战场含雾数据集上的定量比较
Table 7 Quantitative comparison of different dehazing algorithms on real battlefield hazy datasets
去雾算法 | BRISQUE↓ | σ↓ | HCC↑ |
---|---|---|---|
DCP | 29.3997 | 0.0068 | 0.0213 |
AOD-Net | 33.2429 | 0.0719 | 0.1205 |
GCA-Net | 28.8034 | 0.0228 | 0.2518 |
LD-Net | 30.6247 | 0.0585 | 0.1830 |
SGID-PFF | 44.6840 | 0.3524 | 0.0333 |
Semi_dehazing | 0.0279 | 0.3514 | |
YOLY | 39.0062 | 0.0632 | 0.2159 |
PSD | 31.8752 | 0.0310 | |
本文算法 | 28.6583 | 0.5940 |
模块 | Base模型 | V1模型 | V2模型 | V3模型 |
---|---|---|---|---|
MixDehazeBlock | × | √ | × | √ |
CNN分支网络 | × | × | √ | √ |
指标 | Base模型 | V1模型 | V2模型 | V3模型 |
PSNR/dB↑ | 28.11 | 30.78 | 30.87 | 31.75 |
SSIM↑ | 0.945 | 0.962 | 0.960 | 0.966 |
CIEDE2000↓ | 3.332 | 2.846 | 2.900 | 2.593 |
表8 深度分支网络模块和残差学习模块的消融实验
Table 8 Ablation experiments of deep estimation network module and residual learning module
模块 | Base模型 | V1模型 | V2模型 | V3模型 |
---|---|---|---|---|
MixDehazeBlock | × | √ | × | √ |
CNN分支网络 | × | × | √ | √ |
指标 | Base模型 | V1模型 | V2模型 | V3模型 |
PSNR/dB↑ | 28.11 | 30.78 | 30.87 | 31.75 |
SSIM↑ | 0.945 | 0.962 | 0.960 | 0.966 |
CIEDE2000↓ | 3.332 | 2.846 | 2.900 | 2.593 |
损失函数 | C1 | C2 | C3 | C4 | C5 | C6 |
---|---|---|---|---|---|---|
L1 loss | √ | √ | √ | √ | √ | √ |
GAN loss | × | √ | √ | √ | √ | √ |
color loss | × | × | √ | √ | √ | √ |
Identity loss | × | × | × | √ | √ | √ |
DCLoss | × | × | × | × | √ | √ |
TVLoss | × | × | × | × | × | √ |
指标 | C1 | C2 | C3 | C4 | C5 | C6 |
PSNR/dB↑ | 29.75 | 29.91 | 31.22 | 31.08 | 31.68 | 31.75 |
SSIM↑ | 0.961 | 0.963 | 0.962 | 0.963 | 0.966 | 0.966 |
CIEDE2000↓ | 3.231 | 3.144 | 2.822 | 2.838 | 2.649 | 2.593 |
表9 各损失函数分量的消融实验
Table 9 Ablation result of each loss
损失函数 | C1 | C2 | C3 | C4 | C5 | C6 |
---|---|---|---|---|---|---|
L1 loss | √ | √ | √ | √ | √ | √ |
GAN loss | × | √ | √ | √ | √ | √ |
color loss | × | × | √ | √ | √ | √ |
Identity loss | × | × | × | √ | √ | √ |
DCLoss | × | × | × | × | √ | √ |
TVLoss | × | × | × | × | × | √ |
指标 | C1 | C2 | C3 | C4 | C5 | C6 |
PSNR/dB↑ | 29.75 | 29.91 | 31.22 | 31.08 | 31.68 | 31.75 |
SSIM↑ | 0.961 | 0.963 | 0.962 | 0.963 | 0.966 | 0.966 |
CIEDE2000↓ | 3.231 | 3.144 | 2.822 | 2.838 | 2.649 | 2.593 |
真实含雾 图像数量 | 合成含雾数据集 | 真实战场含雾数据集 | ||
---|---|---|---|---|
PSNR | SSIM | BRISQUE | σ | |
0 | 31.746 | 0.9643 | 29.9008 | 0.0128 |
300 | 31.902 | 0.9638 | 0.0107 | |
450 | 30.535 | 28.7711 | ||
900 | 0.9663 | 28.6583 | 0.0084 |
表10 不同数量真实战场图像的消融实验
Table 10 Ablation experiments of different numbers of real battlefield images
真实含雾 图像数量 | 合成含雾数据集 | 真实战场含雾数据集 | ||
---|---|---|---|---|
PSNR | SSIM | BRISQUE | σ | |
0 | 31.746 | 0.9643 | 29.9008 | 0.0128 |
300 | 31.902 | 0.9638 | 0.0107 | |
450 | 30.535 | 28.7711 | ||
900 | 0.9663 | 28.6583 | 0.0084 |
去雾算法 | 计算平台 | 平均运行时间/s |
---|---|---|
DCP算法 | CPU | 1.1720 |
AOD-Net算法 | GPU | 0.1225 |
GCA-Net算法 | GPU | 0.1607 |
Semi_dehazing算法 | GPU | 0.7018 |
YOLY算法 | GPU | 40.5547 |
PSD算法 | GPU | 0.4212 |
本文算法 | GPU | 0.3219 |
表11 不同去雾算法运行时间比较
Table 11 Comparison of running time of different dehazing algorithms
去雾算法 | 计算平台 | 平均运行时间/s |
---|---|---|
DCP算法 | CPU | 1.1720 |
AOD-Net算法 | GPU | 0.1225 |
GCA-Net算法 | GPU | 0.1607 |
Semi_dehazing算法 | GPU | 0.7018 |
YOLY算法 | GPU | 40.5547 |
PSD算法 | GPU | 0.4212 |
本文算法 | GPU | 0.3219 |
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doi: 10.3969/j.issn.1000-1093.2019.07.012 |
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doi: 10.1109/TIP.2022.3140609 pmid: 35015639 |
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[4] | 李春明, 姜雨彤, 宋海平, 纪超, 郭猛, 朱琳. 基于光学厚度代理模型的雾浓度估计及图像去雾[J]. 兵工学报, 2019, 40(7): 1425-1433. |
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