潘敏婷，方云升，陳寰，王清峰，錢(qián)久超，朱肖光，劉佩林

(1.上海交通大學(xué) 類(lèi)腦智能應(yīng)用技術(shù)研究中心·上?！?01109；2.上海航天控制技術(shù)研究所·上?！?01109)

0 引 言

隨著計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的發(fā)展，目標(biāo)檢測(cè)的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛。在制導(dǎo)武器上搭載基于人工智能的目標(biāo)識(shí)別智能處理器，可以更加快速、便捷地鎖定目標(biāo)。在軍事安全領(lǐng)域，紅外成像尤為重要。相較于可見(jiàn)光成像，紅外成像具有隱蔽性好、抗干擾能力強(qiáng)、可晝夜工作等優(yōu)勢(shì)。因此，在紅外圖像上應(yīng)用目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)，可以極大地提高識(shí)別系統(tǒng)的準(zhǔn)確率。在人工智能中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)往往需要大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，不充足的數(shù)據(jù)會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的擬合能力較差。面對(duì)由紅外圖像難以采集而造成的數(shù)據(jù)量較少的問(wèn)題，采用基于生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)(Generative Adversarial Networks，GAN)的紅外圖像生成方法進(jìn)行紅外數(shù)據(jù)集的擴(kuò)充，可生成復(fù)雜多樣的紅外樣本訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)模型，以提高網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性和泛化性。

針對(duì)傳統(tǒng)生成式模型中訓(xùn)練過(guò)程和數(shù)據(jù)生成過(guò)程效率較低的局限，Goodfellow等[1]人在2014年提出了GAN，通過(guò)輸入隨機(jī)噪聲來(lái)生成圖像，但生成的樣本的類(lèi)別是不確定的。換言之，無(wú)法控制模型生成特定類(lèi)別的樣本。為了解決這個(gè)問(wèn)題，Mirza等[2]提出了條件生成式對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)(conditional GAN，cGAN)。cGAN在樸素GAN的基礎(chǔ)上將條件變量y與噪音矢量z同時(shí)輸入至生成器G(Generator)中。在判別器D(Discriminator)中，真實(shí)樣本x和條件變量y同時(shí)作為判別函數(shù)的輸入，可有效控制樣本特定類(lèi)別的生成。

GAN網(wǎng)絡(luò)的輸入，不僅可以是隨機(jī)噪聲，還可以是圖片，可用于處理圖像到圖像的轉(zhuǎn)換任務(wù)[3-5]。例如，由語(yǔ)義標(biāo)簽圖像生成實(shí)景照片，由遙感衛(wèi)星圖生成虛擬地圖等。在此之后，幾乎在所有的圖像到圖像轉(zhuǎn)換中，都能看到生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)的影子[6-7]。GAN在圖像生成上已經(jīng)具備絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，其生成的圖片清晰逼真[8]，但目前的研究主要針對(duì)彩色圖像的生成，對(duì)紅外圖像生成的研究還比較少，且紅外數(shù)據(jù)的采集比彩色數(shù)據(jù)困難。在沒(méi)有充足紅外樣本的情況下直接訓(xùn)練生成模型，效果會(huì)比較差。鑒于有限的紅外圖片和充足的彩色圖片，本文通過(guò)改進(jìn)生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)，對(duì)鑒別器采用配對(duì)輸入的方式，學(xué)習(xí)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)紅外映射進(jìn)行風(fēng)格遷移訓(xùn)練，將彩色圖片轉(zhuǎn)換為紅外圖片擴(kuò)充了紅外數(shù)據(jù)。使用L1損失函數(shù)增加了生成圖片的清晰度，并在網(wǎng)絡(luò)模型中加入了跳躍連接方式，增加了底層信息的輸入，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的生成能力。此外，本文還制作了一個(gè)街道數(shù)據(jù)集。應(yīng)用配對(duì)的紅外圖和彩色圖進(jìn)行訓(xùn)練，可以有效地學(xué)習(xí)兩個(gè)不同域之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，由此生成的紅外圖片更加逼真可靠。

1 基于GAN網(wǎng)絡(luò)的圖像生成算法

1.1 GAN的基本原理

GAN是一種生成模型，可以通過(guò)學(xué)習(xí)有標(biāo)簽樣本的數(shù)據(jù)分布來(lái)生成類(lèi)似樣本，從而達(dá)到以假亂真的效果。GAN網(wǎng)絡(luò)主要由兩部分組成，即生成器G和鑒別器D。生成器G以隨機(jī)噪聲z作為輸入，盡可能輸出逼近真實(shí)分布的圖片，使鑒別器D不能判別該圖片是真實(shí)的圖片，還是生成的圖片。而鑒別器D的輸入為真實(shí)的圖片和生成的圖片，可用來(lái)判別圖片是否為真實(shí)圖片，它的目標(biāo)是盡可能地將生成器G生成的圖片識(shí)別出來(lái)。因此，生成器G和鑒別器D構(gòu)成了一個(gè)動(dòng)態(tài)的博弈過(guò)程，其網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練方式如圖1所示。

圖1 GAN網(wǎng)絡(luò)示意圖Fig.1 Schematic diagram of GAN

該網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化函數(shù)為

Ez～Pz(z)[log(1-D(G(z)))]

(1)

式中，L(D,G)為損失值，E表示數(shù)學(xué)期望，x為原始數(shù)據(jù)，Pdata(x)為真實(shí)的數(shù)據(jù)分布，Pz(z)為先驗(yàn)分布。對(duì)于鑒別器D而言，這是一個(gè)二分類(lèi)問(wèn)題，訓(xùn)練D最大限度地將正確的標(biāo)簽分配給真實(shí)樣本和來(lái)自G的樣本。對(duì)于生成器G而言，為了盡可能地欺騙D，其需要最大化地生成樣本的判別概率D(G(z))，即最小化log(1-D(G(z)))。在實(shí)際訓(xùn)練時(shí)，生成器G和鑒別器D交替訓(xùn)練，即先訓(xùn)練D，然后訓(xùn)練G，不斷往復(fù)，直至最終兩者達(dá)到納什均衡。

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Convolutional Neural Networks, CNN)目前已成為解決各種圖像預(yù)測(cè)問(wèn)題的主力，其通過(guò)不斷學(xué)習(xí)使損失函數(shù)最小化，但需要手動(dòng)設(shè)計(jì)有效的損失函數(shù)。如果損失函數(shù)的設(shè)計(jì)不合理，盲目地要求CNN網(wǎng)絡(luò)最小化生成圖像和真實(shí)圖像之間的歐氏距離，那么將會(huì)導(dǎo)致模糊的結(jié)果。這是由于歐氏距離是將所有輸出進(jìn)行平均的結(jié)果，如果將之最小化，將無(wú)法輸出清晰和真實(shí)的圖像。GAN網(wǎng)絡(luò)可有效地解決這一問(wèn)題。GAN網(wǎng)絡(luò)可自動(dòng)學(xué)習(xí)一個(gè)適合的損失函數(shù)，以區(qū)分真實(shí)樣本和生成樣本。模糊的圖像由于過(guò)于虛假而易被識(shí)別出來(lái)，只有生成的圖片較為清晰時(shí)，才可讓鑒別器D無(wú)法識(shí)別。

1.2 改進(jìn)的GAN網(wǎng)絡(luò)

由于各種環(huán)境和設(shè)備的限制，采集的紅外數(shù)據(jù)十分有限。若直接使用基本的GAN網(wǎng)絡(luò)對(duì)該數(shù)據(jù)集進(jìn)行擴(kuò)充，將無(wú)法生成清晰逼真的圖片。由于彩色圖像易于拍攝，且可以從網(wǎng)上收集，可以對(duì)GAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)彩色圖像到紅外圖像的轉(zhuǎn)換，這樣便可解決紅外圖像不足的問(wèn)題。

改進(jìn)后的GAN網(wǎng)絡(luò)如圖2所示，其可以實(shí)現(xiàn)圖像x到圖像y的轉(zhuǎn)換。網(wǎng)絡(luò)的輸入不僅僅是隨機(jī)噪聲z，而是隨機(jī)噪聲z和圖片x。此時(shí)，生成器G的映射過(guò)程為G:{x,z}→y，而鑒別器D需要鑒別兩組數(shù)據(jù)，即{x,G(x,z)}和{x,y}。

圖2 改進(jìn)后的GAN網(wǎng)絡(luò)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the improved GAN

改進(jìn)后GAN的損失函數(shù)為

Ez～Pz(z)[log(1-D(G(z|y)))]

(2)

生成器G不斷地嘗試最小化該損失函數(shù)，而D則通過(guò)不斷的迭代最大化這個(gè)損失函數(shù)。生成器G不僅要欺騙鑒別器D，還要生成盡可能真實(shí)的圖片，增加圖片的清晰度。因此，可以給生成器G增加一個(gè)L1范數(shù)損失函數(shù)(L1 loss)，即

(3)

式中，E同樣表示數(shù)學(xué)期望。將式(2)和式(3)結(jié)合，最終的損失函數(shù)為

(4)

式中，α為平衡因子。

2 模型訓(xùn)練

2.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.1.1 生成器的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖像轉(zhuǎn)換問(wèn)題的實(shí)質(zhì)是將一個(gè)高分辨率的輸入特征圖映射到另一個(gè)高分辨率的輸出特征圖。雖然輸入和輸出特征圖在顯示上不一樣，但是它們?cè)诘讓咏Y(jié)構(gòu)上卻是一致的[9]。因此，可以將輸入網(wǎng)絡(luò)和輸出網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為對(duì)齊的形式，如圖3所示。

圖3 生成器的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.3 The network structure of the generator

在網(wǎng)絡(luò)中，輸入圖像經(jīng)過(guò)幾次卷積和下采樣過(guò)程，在到達(dá)瓶頸層(bottleneck)后進(jìn)行逆轉(zhuǎn)，即執(zhí)行反卷積和上采樣操作。對(duì)于很多圖像轉(zhuǎn)換問(wèn)題，輸入圖像和輸出圖像之間存在許多可以共享的底層信息，而這些底層信息對(duì)于圖像的生成有著重要的意義，因此可以在輸入結(jié)構(gòu)和輸出結(jié)構(gòu)之間添加一些跳躍連接，進(jìn)行底層信息的傳遞。具體地，每根跳線(xiàn)將第i層和第n-i層的特征通道連接在一起。其中，n為網(wǎng)絡(luò)的總層數(shù)。

2.1.2 鑒別器的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

L1范數(shù)損失函數(shù)和L2范數(shù)損失函數(shù)[10]在圖像生成上會(huì)存在模糊的問(wèn)題。盡管這些損失函數(shù)不能促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)生成高頻清晰的圖像，但在許多情況下，它們可以捕捉到低頻信息。因此，不需要再設(shè)計(jì)一個(gè)全新的結(jié)構(gòu)來(lái)提高低頻信息的準(zhǔn)確率。這樣的方式，使得GAN網(wǎng)絡(luò)的鑒別器只需對(duì)高頻結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，而低頻信息的建模則需依靠L1損失函數(shù)。

設(shè)計(jì)鑒別器D關(guān)注局部圖像塊，只對(duì)塊規(guī)模的結(jié)構(gòu)進(jìn)行懲罰，即將圖片劃分為N×N的圖像塊。鑒別器D對(duì)每個(gè)圖像塊進(jìn)行分類(lèi)，以區(qū)分該圖像塊為真或是假。在整張圖片上，使用滑動(dòng)窗口運(yùn)行該鑒別器，最后以平均值作為鑒別器D的最終輸出。

2.2 數(shù)據(jù)集介紹

該網(wǎng)絡(luò)需要一一配對(duì)的彩色圖像和紅外圖像進(jìn)行訓(xùn)練。根據(jù)FLIR公司使用紅外攝像頭拍攝的街道圖片，制作出了彩色和紅外配對(duì)的數(shù)據(jù)集。該數(shù)據(jù)集分別由超過(guò)8000張的彩色圖片和紅外圖片組成，彩色圖片的分辨率為1800×1600，紅外圖片的分辨率為640×512，且包含了白天和黑夜的情況。圖片如圖4所示，左邊為紅外圖片，右邊為彩色圖片，左右兩幅圖拍攝的場(chǎng)景是完全一致的。

圖4 數(shù)據(jù)集中的圖片F(xiàn)ig.4 Images in the dataset

2.3 仿真設(shè)置

為了優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)，使用標(biāo)準(zhǔn)的訓(xùn)練方法，交替進(jìn)行生成器G和鑒別器D的訓(xùn)練，即先訓(xùn)練鑒別器D，然后訓(xùn)練生成器G，不斷往復(fù)。當(dāng)訓(xùn)練生成器時(shí)，對(duì)于最小化log(1-D(x,G(x,z)))的問(wèn)題，可以將問(wèn)題轉(zhuǎn)變?yōu)樽畲蠡痩ogD(x,G(x,z))，這樣可以使網(wǎng)絡(luò)更好地收斂。在訓(xùn)練過(guò)程中，可使用minibatch SGD和Adam優(yōu)化器[11]。其中，學(xué)習(xí)率設(shè)置為0.0002。

在測(cè)試階段，使用與訓(xùn)練階段相同的方式來(lái)運(yùn)行生成器G。另外，與常規(guī)的方法不同，在測(cè)試時(shí)使用了丟棄技術(shù)[12](dropout)和批量正則化[13-14]方式，而這一過(guò)程一般是在訓(xùn)練階段使用。當(dāng)設(shè)置批處理大小為1時(shí)，這種批處理規(guī)范化的方法被稱(chēng)為“實(shí)例規(guī)范化”，它已被證明對(duì)于圖像生成任務(wù)而言是有效的。在實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)實(shí)際情況，可使用1到10之間的批次大小。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)在Utunbu16.04、Nvidia GTX1080ti操作系統(tǒng)下運(yùn)行，基于Pytorch框架進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建。在整個(gè)訓(xùn)練過(guò)程中，生成器G的目標(biāo)是生成可以以假亂真的圖像G(z)，讓鑒別器D無(wú)法區(qū)分，即D(G(z))=0.5。此時(shí)，可得到一個(gè)生成器G，用來(lái)生成圖像數(shù)據(jù)集。經(jīng)過(guò)60次迭代，損失函數(shù)基本收斂，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

(a)彩色圖x

(b)真實(shí)的紅外圖y

(c)生成的紅外圖G(x)

在圖5的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，第一列為需要轉(zhuǎn)換的原始彩色圖片，第二列為真實(shí)拍攝的紅外圖片，第三列為網(wǎng)絡(luò)生成的紅外圖片。真實(shí)紅外圖與生成紅外圖的對(duì)比結(jié)果，表明改進(jìn)的GAN網(wǎng)絡(luò)可以有效地進(jìn)行圖片風(fēng)格的轉(zhuǎn)換，將彩色圖片轉(zhuǎn)變?yōu)楸普娴募t外圖片以用于數(shù)據(jù)集的擴(kuò)充。由于圖片的分辨率較大，圖中細(xì)小區(qū)域的轉(zhuǎn)換存在一定的誤差，網(wǎng)絡(luò)模型在進(jìn)行特征提取時(shí)，在經(jīng)過(guò)卷積池化操作后，會(huì)遺失掉一些細(xì)小特征。使用跳躍連接的方式可以保留大部分細(xì)節(jié)，因此在進(jìn)行紅外圖像生成時(shí)，對(duì)比真實(shí)的紅外圖片，圖片雖然存在一些細(xì)節(jié)差異，但整體上相似度極高。

在生成的紅外圖片上進(jìn)行車(chē)輛檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖6所示。圖中第二列圖片為第一列圖片經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后生成的紅外圖片，在生成的紅外圖片上可以較準(zhǔn)確地檢測(cè)出車(chē)輛目標(biāo)。在黑夜環(huán)境中，由于光線(xiàn)的問(wèn)題，使用普通相機(jī)拍攝的彩色圖片很難對(duì)車(chē)輛進(jìn)行檢測(cè)。本文提出的紅外圖像生成技術(shù)可有效地解決這一問(wèn)題，將彩色圖像轉(zhuǎn)換為紅外圖像，然后在紅外圖像上完成對(duì)車(chē)輛目標(biāo)的檢測(cè)，這在很大程度上提高了目標(biāo)檢測(cè)的精度。

(a)原彩色圖片

(b)生成的紅外圖片

4 結(jié) 論

將人工智能應(yīng)用于制導(dǎo)武器是時(shí)代發(fā)展的趨勢(shì)，人工智能可有效提高作戰(zhàn)武器對(duì)復(fù)雜空間任務(wù)的自感知、自適應(yīng)能力。本文研究了基于GAN網(wǎng)絡(luò)的紅外圖像生成技術(shù)。紅外圖像采集的局限性，易造成紅外圖片不足，而充足的數(shù)據(jù)量是訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的重要條件。通過(guò)對(duì)GAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改進(jìn)，制作配對(duì)的街道數(shù)據(jù)集以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)彩色圖片到紅外圖片的轉(zhuǎn)變，以此擴(kuò)充紅外數(shù)據(jù)集。模型搭建和測(cè)試，驗(yàn)證了該算法可有效地生成清晰和高質(zhì)量的紅外圖像。