《Digital》:Correction: Basdekidou, V.; Papapanagos, H. Blockchain Technology Adoption for Disrupting FinTech Functionalities: A Systematic Literature Review for Corporate Management, Supply Chain, Banking Industry, and Stock Markets. Digital 2024, 4, 762–803
Vasiliki Basdekidou and
Harry Papapanagos
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地下矿井的复杂环境(光线昏暗、高粉尘和高湿度)阻碍了特征提取并降低了检测精度。为解决此问题,研究人员提出了一种基于低光图像增强的目标检测算法。首先,LIENet通过双伽马曲线(dual-gamma curve)和无参考损失函数(non-reference lo
地下矿井的复杂环境(光线昏暗、高粉尘和高湿度)阻碍了特征提取并降低了检测精度。为解决此问题,研究人员提出了一种基于低光图像增强的目标检测算法。首先,LIENet通过双伽马曲线(dual-gamma curve)和无参考损失函数(non-reference loss function)引导的迭代来提升低光图像质量和亮度。其次,具有双分支结构的层次特征提取(Hierarchical Feature Extraction, HFE)方法捕获长期和局部相关性,重点关注关键角落区域。最后,HDE与特征金字塔结构(feature pyramid structure)结合,通过自顶向下的全局调整实现综合特征表示。该方法在自建数据集上验证,以96.96%的mAP@0.5和71.1%的mAP@0.5:0.95优于其他算法,证明了在矿井中卓越的低光检测性能。
地下矿井环境光线昏暗、粉尘和湿度高,导致图像特征提取困难,目标检测精度大幅下降。现有低光增强方法(如基于Retinex理论或监督学习模型)常依赖配对数据、网络结构复杂,且对极端场景适应性差;无监督方法虽具优势,但模型庞大、计算资源需求高。为兼顾增强质量与轻量部署,研究人员提出LIENet(轻量零参考图像增强网络)用于预处理低光图像,并设计层次特征提取(HFE)方法以改进YOLOv8(最新版YOLO目标检测算法)的检测能力,最终实现矿井低光环境下的高效目标识别。该论文发表在《Digital》。
研究人员使用自建矿井低光数据集(共6500张图像,标注三类目标:工人、安全帽、锚栓),部分数据来源于中国矿业大学CUMT-HelmeT和CUMT-BelT公开数据集,部分通过网络爬虫获取,并采用伽马校正与高斯噪声合成模拟低光图像。关键技术主要包括:(1)LIENet:基于双伽马曲线(dual-gamma curve)进行像素级亮度自适应调整,无需配对数据,通过无参考损失函数(含空间一致性损失
1、曝光控制损失
2、色彩恒常损失
3、光照平滑度损失
4)引导学习;(2)HFE:含双分支结构——PLP(空间池化层替代注意力机制以捕获长期依赖)和PLEM(基于码本与全连接层提取局部相关特征),并与YOLOv8的特征金字塔(FPN)结合进行全局特征调整;(3)训练采用两阶段独立策略:先无监督训练LIENet,再固定其权重,用增强后的图像监督训练YOLOv8-HFE检测网络。推理时依次进行增强与检测。
**3.1 实验准备**:低光增强模型LIENet在1200张低光图像上无监督训练,设置epochs=90、batch size=8、Adam优化器、学习率0.0001。YOLOv8-HFE在自建数据集上按4:1划分训练/验证集,图像resize至640×640,epochs=300、batch size=32、SGD优化器、momentum=0.9。训练约280轮后损失趋于稳定。
**3.2 图像增强评价指标**:以目标检测平均精度(mAP)为核心评价增强效用,同时采用全参考指标PSNR(峰值信噪比)和SSIM(结构相似性),以及无参考指标NIQE(自然图像质量评估器)和BRISQUE(盲/无参考空间质量评估器)。仅在自建合成数据集上计算PSNR和SSIM(以原始正常光图像为真值)。
**3.3 图像增强效果分析**:与RetinexNet、MIRNetv2、MBLLEN、Zero-DCE、SCI、LIME、Dong、BIMEF等八种增强算法对比。主观上,LIENet增强后图像色彩饱和、细节清晰,在暗区恢复效果显著优于其他算法(如图12:安全帽纹理和工具轮廓明显恢复)。客观上,LIENet在自建数据集上获得最高检测mAP@0.75=83.44%,同时PSNR和SSIM最佳,参数量仅67.3K(远低于其他深度学习模型如RetinexNet的555.21K和MIRNetv2的5858.56K),推理时间具有竞争力。在LOL、ExDark、LIME等公开数据集上,LIENet在PSNR/SSIM(LOL)及NIQE/BRISQUE(ExDark、LIME)上均取得最优或次优结果。
**3.4 目标检测性能评估**:与Faster R-CNN、SSD、RetinaNet、YOLOv5、CenterNet、FCOS以及Wang等人、Peng等人、Zhou等人近年低光检测算法对比。本文算法在自建数据集上mAP@0.5达96.96%,mAP@0.5:0.95达71.1%,比YOLOv8s基线提升2.42%,推理FPS为35.2帧/秒,满足实时需求。PR曲线面积最大,检测性能最优。
**3.5 消融实验**:逐步引入LIENet、PLP、PLEM模块。基线YOLOv8s的mAP@0.5:0.95为64.52%;加入LIENet后提升5.16%(运行时间增加7.4ms);进一步加入PLP提升2.18%;加入PLEM提升2.49%;三者同时引入后mAP@0.5达96.96%,mAP@0.5:0.95较基线提升7.98%。鲁棒性测试(5次不同随机种子)显示mAP@0.5:0.95均值为72.3%,标准差±0.4%,表明性能稳定。
**讨论部分**:LIENet利用双伽马曲线以少量迭代实现宽范围亮度自适应调整,解决对比度不足、暗区受限及曝光过度等问题;HFE通过PLP捕获长期依赖、PLEM提取局部相关信息,弥补全层特征提取不足。大量实验验证了算法的检测精度、轻量性和速度优势。但存在以下局限:(1)应用场景局限:主要针对低光条件,未处理灰尘、镜头污染、运动模糊、强眩光和密集遮挡等退化,部署时需结合其他技术;(2)与下游任务集成:可拓展至矿井定位等任务,但需针对性改进。
**研究结论**:本文提出的零参考低光图像增强算法LIENet和层次特征提取方法HFE,在矿井低光环境中实现了高精度目标检测(mAP@0.5达96.96%,推理时间28.4ms),优于多种对比算法,为推动煤矿信息化和智能化发展提供了有效方案。