小波变换+CNN完美融合,准确率飙升!最新研究荣登CV顶会!

2024深度学习发论文&模型涨点之——小波变换+CNN

小波变换结合CNN能够提供更丰富的特征提取能力。小波变换擅长捕捉信号的时频特征,而CNN在处理图像等二维数据方面表现出色。两者结合的小波散射卷积神经网络(WSCNN)在处理复杂信号和图像时,能够提供更高的准确性和鲁棒性。这种结合可以增强CNN在频域分析的能力,使其能够利用在传统CNN中大部分丢失的频域信息,这对于大多数图像处理任务是非常有用的。

小波变换与CNN的结合在多个领域展现出了优异的性能。在图像分类、目标检测和人脸识别等任务中,这种结合可以更好地提取图像中的特征,并对不同尺度和方向的边缘、纹理等细节信息进行有效处理。此外,小波散射卷积神经网络还可以应用于自然语言处理、化学分子结构预测等领域,有效地提取和处理具有复杂时频特性和结构的数据。实验结果表明,与常规CNN相比,小波CNN在纹理分类和图像注释任务中能够实现更好的准确性,同时具有更少的参数,这使得模型更容易训练,更不容易过拟合,并且消耗的内存更少。

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论文精选

论文1:

An Intelligent Bearing Fault Diagnosis Framework: One Dimensional Improved Self Attention-enhanced CNN and Empirical Wavelet Transform

智能轴承故障诊断框架:一维改进自注意力增强CNN和经验小波变换

方法

  • 经验小波变换(EWT):使用EWT算法将原始信号分解为三个频率分量,进一步提取多频率分量以增强

<think> 我们正在构建一个结合小波变换CNN和Attention的整合算法架构示意图。由于无法直接生成图片,我将用文字描述该架构的主要组成部分和流程,并建议用户根据描述自行绘制或使用绘图工具生成。 架构描述如下: 1. **输入层**:原始一维时序信号(如ECG、振动信号等),表示为$s(t)$。 2. **小波变换层**:对输入信号进行连续小波变换(CWT),生成时频图(二维矩阵)。该层输出是一个二维矩阵$\mathbf{W} \in \mathbb{R}^{M \times N}$,其中$M$为尺度(频率)维度,$N$为时间维度。小波基函数可选择Morlet、Daubechies等。 3. **CNN特征提取模块**: - 卷积层:对时频图进行卷积操作,使用多个卷积核提取特征。输出特征图尺寸为$C \times H \times W$(C为通道数,H、W为空间尺寸)。 - 池化层:进行下采样,减少特征图尺寸。 - 多个卷积和池化层堆叠,形成深度特征提取结构。 4. **Attention模块**: - 在CNN输出的特征图上应用注意力机制。可以是通道注意力(如SE模块)、空间注意力(如CBAM中的空间注意力)或两者结合。 - 通道注意力:对每个通道计算权重,公式为: $$ \alpha_c = \sigma(\mathbf{W}_2 \cdot \text{ReLU}(\mathbf{W}_1 \cdot \text{GAP}(\mathbf{F}) + b_1) + b_2) $$ 其中$\text{GAP}$为全局平均池化,$\mathbf{W}_1, \mathbf{W}_2$为全连接层权重。 - 空间注意力:对特征图的每个空间位置计算权重,公式为: $$ \beta_{h,w} = \sigma(\text{Conv}_{7\times7}([\text{AvgPool}(\mathbf{F}); \text{MaxPool}(\mathbf{F})])) $$ 其中$[\cdot;\cdot]$表示通道拼接。 - 输出为加权特征图:$\mathbf{F}_{\text{att}} = \alpha_c \cdot \beta_{h,w} \cdot \mathbf{F}$。 5. **全连接层与输出层**:将加权特征图展平,通过全连接层进行分类或回归。 建议的架构图布局(从左到右): - 左侧:输入信号(一维波形图) - 小波变换层:将一维信号转换为二维时频图(热力图形式) - CNN模块:包含卷积、激活、池化等操作,特征图尺寸逐渐减小,通道数增加 - Attention模块:在特征图上叠加注意力权重(可用热力图表示权重分布) - 右侧:全连接层和输出(如分类概率) 由于资源限制,无法直接生成图片,但用户可根据上述描述使用绘图工具(如PPT、Visio、Python的Matplotlib或在线工具)绘制流程图。 §§相关问题§§ 1. 小波变换时频图如何影响CNN的特征提取效果? 2. 通道注意力和空间注意力在该整合架构中的优先级如何确定? 3. 如何评估小波变换+CNN+Attention模型的实时推理性能? </think>### 小波变换+CNN+Attention整合算法架构示意图描述 由于无法直接生成图片,我将详细描述该整合算法的典型架构图,您可根据描述自行绘制或使用绘图工具实现: ```mermaid graph LR A[原始时序信号] --> B[小波变换层] B --> C[时频系数矩阵] C --> D[CNN特征提取] D --> E[注意力机制] E --> F[分类/回归输出] ``` #### 架构图关键组件说明: 1. **输入层**(左侧) - 一维时序信号(如ECG、振动信号)$s(t)$ - 可视化建议:波形图 + 坐标轴标注$t$(时间) 2. **小波变换层** - 多尺度分解过程:信号→小波系数矩阵 - 核心元素: - Morlet/Daubechies等小波基函数图示 - 时频热力图:$X$轴时间/$Y$轴尺度(频率) - 公式标注:$$ \text{CWT}(a,b) = \frac{1}{\sqrt{|a|}} \int s(t) \psi^*\left(\frac{t-b}{a}\right) dt $$ 3. **CNN模块** - 卷积操作示意图: - 卷积核在时频图上滑动(箭头示意) - 特征图尺寸变化标注:$\mathbb{R}^{M×N} \rightarrow \mathbb{R}^{C×H×W}$ - 典型层结构: ```plaintext Conv2D → ReLU → MaxPooling → Conv2D → ... ``` 4. **注意力机制模块** - 双路径设计: - **通道注意力**:特征通道权重热力图(如SE模块) - **空间注意力**:空间位置权重掩膜(热力图) - 权重计算标注: $$ \alpha_c = \sigma(\mathbf{W}_c \cdot \text{GAP}(\mathbf{F})) $$ $$ \beta_{h,w} = \sigma(\text{Conv}_{1×1}(\mathbf{F})) $$ 5. **输出层**(右侧) - 全连接层 + Softmax(分类任务) - 特征重要性可视化(如Grad-CAM热力图覆盖原时频图) #### 典型应用场景图示建议: - **医疗诊断**: ECG信号 → CWT时频图 → CNN特征图 → 注意力聚焦异常波段 → 心律失常分类 - **工业检测**: 振动信号 → 小波包能量谱 → CNN纹理特征 → 注意力定位故障冲击 → 故障类型输出 ### 生成架构图工具推荐 1. **Python绘图**: ```python import matplotlib.pyplot as plt from matplotlib.patches import Rectangle # 构建各层框图 + 箭头连接 + 公式标注 ``` 2. **在线工具**: - [Draw.io](https://app.diagrams.net/):拖拽式神经网络绘制 - [NN-SVG](https://alexlenail.me/NN-SVG/):自动生成CNN架构图 3. **论文参考图**: 类似架构可参考文献[^1][^3]中的图1(小波预处理)和图3(注意力权重可视化)
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