基于DDPM-YOLO的侧扫声呐图像对抗强化生成方法

本发明属于侧扫声纳图像目标识别与扩增和深度学习，涉及一种基于ddpm-yolo的侧扫声呐图像对抗强化生成方法，通过迭代训练ddpm模型，整合ddpm扩散模型和下游的yolo检索任务到一个相互促进的框架中，提出一种基于ddpm和yolo检测模型的对抗强化训练方法。该方法能够提高侧扫声呐图像扩散模型的生成图质量，为提高水下目标检测模型的构建提供了一种新途径。

背景技术：

1、随着全球海洋开发策略的持续推进，海底地形精确探测的需求日益增长，尤其是在海底目标的识别与探测领域，这对于航海安全、海洋勘察、海上搜救及军事行动等多个领域至关重要。侧扫声呐系统，以其高分辨率的海底声学成像能力，在海底目标识别方面显示出了明显的优势。然而，传统的海底目标识别与探测方法主要依赖于人工判断，这不仅效率低下，耗时长，而且还极度依赖于人的主观判断，暴露出自动化探测方法的重要性。

2、尽管近年来结合机器学习与手工特征分类技术取得了一些进展，但面对复杂的海底环境，这些方法仍显局限，特别是侧扫声呐图像常见的问题如低分辨率、特征匮乏、高噪声及形变等。深度学习技术的应用虽提升了目标检测性能，但高质量训练数据的需求与侧扫声呐图像样本的限制性成为了瓶颈。

3、为了克服这些挑战，本发明提出了一种基于去噪扩散概率模型(ddpm)和yolo识别网络的侧扫声呐图像对抗强化生成方法(简称为ddpm-yolo)。通过结合ddpm在样本生成方面的先进能力与yolo网络在目标检测领域的高效性，本方法旨在高效生成大量高质量的侧扫声呐图像，以提高海底目标检测的准确率。实验证明，该模型成功生成的图像中有52％可用于下游任务，实现了目标检测精度的显著提升，准确率提高了7％。这一进步不仅展示了本发明在解决样本量有限问题上的有效性，同时也强调了深入研究侧扫声呐图像生成技术的重要性。通过进一步的优化和应用，本发明有望极大提升水下探测技术的效能和准确性，为海洋探索与利用开辟新的路径。

技术实现思路

1、本发明的训练结构由去噪扩散概率模型(ddpm)和轻量级易于部署的yolov5识别网络组成，专注于提升侧扫声呐图像数据集在数据量较少情景下的模型性能。

2、基于ddpm-yolo的侧扫声呐图像对抗强化生成方法，步骤如下：

3、步骤一、采集n张侧扫声呐图像构成原始数据集，原始数据集划分为m张测试集、n-m张训练集；对测试集的图像进行数据增强处理，扩增至m0张图像形成第一增强数据集。m0＞m。所述的数据增强处理包括旋转、镜像反转和添加噪声；

4、步骤二、对抗循环训练：训练结构由一个扩散模型和一个yolo识别网络来构成，所述的扩散模型采用ddpm扩散生成器进行训练，yolo识别网络采用yolov5网络模型。

5、步骤1、初始训练阶段：利用第一增强数据集训练ddpm扩散生成器和yolo网络模型，得到初始ddpm扩散生成器和初始yolo网络模型。

6、步骤2、生成增强图像：使用训练得到的初始ddpm扩散生成器生成m1张的增强图像，以进一步扩展训练数据集。

7、步骤3、筛选过程：将步骤2的m1张增强图像输入到初始yolo网络模型进行检测，设置阈值，筛选出m2张图像作为yolo过滤后的图像集。

8、步骤4、再次增强：对这m2张筛选出的图像进行数据增强，扩增至m3张，形成扩散生成数据集。

9、步骤5、循环训练：使用扩散生成数据集与第一增强数据集合并，作为第二增强数据集进行下一轮的对抗循环训练。

10、步骤6、重复步骤1至步骤5，每次迭代通过对抗生成的数据集不断提升模型的检测能力。

11、本发明的有益效果：yolov5通过其创新的网络结构设计，在目标检测任务中实现了高效率和高准确度的平衡。通过精心设计的输入与特征提取机制、高效的特征融合层，以及灵活的检测头部配置，能够更加准确的检测出目标，从而达到本实验的筛选目的，为侧扫声呐的目标检测应用提供了强有力的技术支持。

技术特征：

1.基于ddpm—yolo的侧扫声呐图像对抗强化生成方法，其特征在于，步骤如下：

技术总结基于DDPM—YOLO的侧扫声呐图像对抗强化生成方法，属于侧扫声纳图像目标识别与扩增和深度学习技术领域。步骤一、对测试集的图像进行数据增强处理，扩增形成第一增强数据集。步骤二、对抗循环训练：利用第一增强数据集训练DDPM和YOLO，得到初始DDPM和初始YOLO。使用训练得到的初始DDPM生成增强图像。增强图像输入到初始YOLO进行检测，设置阈值，筛选出一定图像作为YOLO过滤后的图像集。之后进行数据增强，扩增形成扩散生成数据集。使用扩散生成数据集与第一增强数据集合并，作为第二增强数据集进行下一轮的对抗循环训练。重复迭代，每次迭代通过对抗生成的数据集不断提升模型的检测能力。技术研发人员：金绍华,彭程扬,张威,边刚,崔杨受保护的技术使用者：中国人民解放军海军大连舰艇学院技术研发日：技术公布日：2024/7/29