红外与激光工程, 2020, 49 (5): 20201010, 网络出版: 2020-09-22   

一种改进的Capsule及其在SAR图像目标识别中的应用

An improved Capsule and its application in target recognition of SAR images
张盼盼 1,2,3,4,5,*罗海波 1,2,4,5鞠默然 1,2,3,4,5惠斌 1,2,4,5常铮 1,2,4,5
作者单位
1 中国科学院沈阳自动化研究所,辽宁 沈阳 110016
2 中国科学院机器人与智能制造创新研究院,辽宁 沈阳 110169
3 中国科学院大学,北京 100049
4 中国科学院光电信息处理重点实验室,辽宁 沈阳 110016
5 辽宁省图像理解与视觉计算重点实验室,辽宁 沈阳 110016
图 & 表

图 1. Capsule单元结构

Fig. 1. Structure of Capsule unit

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图 2. Capsule网络的重构层

Fig. 2. Layers of reconstruction of Capsule network

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图 3. 原Capsule网络结构与改进的Capsule 网络结构

Fig. 3. Structure of original Capsule network and improved Capsule network

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图 4. (a)和(b)分别为BMP2、BTR70、T72、BTR60和2S1的光学图像和相对应的SAR图像;(c)和(d)分别为BRDM2、D7、T62、ZIL131和ZSU23/4的光学图像和相对应得SAR图像

Fig. 4. Optical images and their corresponding MSTAR SAR images for (a) and (b) BMP2, BTR70, T72, BTR60, and 2S1; (c) and (d) BRDM2, D7, T62, ZIL131, and ZSU23/4

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图 5. 改进的Capsule网络的重构结果。(a)原始图像,(b)目标图像,(c)重构图像

Fig. 5. Reconstruction result of improved Capsule. (a) Original image,(b) Target image and (c) Reconstruction image

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图 6. 改进的Capsule网络训练中重构错误曲线和训练损失曲线。(a)重构错误曲线,(b)训练损失曲线

Fig. 6. Reconstruction error curve and training loss curve of improved Capsule network. (a) Reconstruction error curve and (b) training loss curve

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表 1改进的Capsule网络与Capsule网络性能对比

Table1. Performance comparison of improved Capsule network and Capsule network

Model size (parameters)Training_time/epochBFLOPs
Capsule33.73 M2 min 8 s33.519
Improved Capsule21.65 M1 min 3 s1.078

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表 2用于训练和测试实验的原始SAR数据集

Table2. Raw SAR dataset for training and testing in experiment

ClassBMP2sn-9563BTR70T72sn-132BTR602S1BRDM2D7T62ZIL131ZSU23/4
Train samples( ) 117117116128150149150150150150
Test samples( ) 195196196195274274274273274274

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表 3原Capsule网络10类目标识别结果的混淆矩阵(识别率:98.48%)

Table3. Confusion matrix of 10-class target recognition results of Capsule network(recognition rate: 98.48%)

ClassBMP2sn-9563BTR70T72sn-132BTR602S1BRDM2D7T62ZIL131ZSU23/4
BMP2sn-956396.920.512.570000000
BTR700100.0000000000
T72sn-13200100.000000000
BTR6000098.4600.510001.03
2S10002.9294.161.4600.730.730
BRDM200.36500.73097.45001.090.365
D700.73000099.27000
T6200000.730098.9000.37
ZIL13100000000100.000
ZSU23/40000000.360099.64

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表 4改进的Capsule网络10类目标识别结果的混淆矩阵(识别率:98.85%)

Table4. Confusion matrix of 10-class recognition results of improved Capsule network (recognition rate: 98.85%)

ClassBMP2sn-9563BTR70T72sn-132BTR602S1BRDM2D7T62ZIL131ZSU23/4
BMP2sn-956396.4103.590000000
BTR700100.0000000000
T72sn-13200100.000000000
BTR6000098.97000001.03
2S10002.55596.351.0950000
BRDM20000.73098.540.36500.3650
D70.36500000.36599.27000
T62000000099.6300.37
ZIL1310000000.36099.640
ZSU23/40000000.360099.64

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表 5不同方法的识别效果

Table5. Recognition performance of different methods

MethodsSOC
RatesTraining images
SVM[7]90.10%3 670
AdaBoost[7]92.70%3 670
DCNN[9]92.30%3 671
DCNN[8]94.56%2 747
IGT[7]95.00%3 670
CGM[10]97.18%3 670
2-VDCNN[11]97.81%1 377
CapsNet98.48%1 377
Improved CapsNet98.85%1 377

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张盼盼, 罗海波, 鞠默然, 惠斌, 常铮. 一种改进的Capsule及其在SAR图像目标识别中的应用[J]. 红外与激光工程, 2020, 49(5): 20201010. Zhang Panpan, Luo Haibo, Ju Moran, Hui Bin, Chang Zheng. An improved Capsule and its application in target recognition of SAR images[J]. Infrared and Laser Engineering, 2020, 49(5): 20201010.

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