城市色调的智能分析与评价方法与流程

本发明属于城市色彩规划技术领域，具体涉及城市色调的智能分析与评价方法。

背景技术：

城市色彩智能分析与评价是城市设计的重要组成部分，对延续城市文脉、提升城市品质、塑造城市精神具有突出作用。然而，城市色彩规划的开展却面临诸多难题，最大的问题便是色彩现状的调研与评估。该类工作需要对城市色彩现状进行系统调研，但色彩体系不了解、技术方法不成熟、现状调研区域大等问题摆在面前，利用人工调研方法费时费力也不全面，难以达到色彩规划工作的要求。

人工智能（artificialintelligence），英文缩写为ai，它是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学。本研究寄希望借助人工智能，帮助开展城市色彩现状评价。研究中，将积极探索以深度学习为手段的人工智能方法在城市规划中的应用，以色彩评价为落脚点，以图像视觉识别技术为手段，利用计算机代替人工作业，对城市色彩进行现状采集与评估。力求探寻一套快速准确定位城市色彩现状的智能方法。

人工智能技术最具代表性的是深度学习算法，它是深层神经网络的代名词。神经网络技术可以追溯到上世纪40年代，warrenmcculloch和walterpitts模拟人类大脑神经元提出的简化的神经网络模型即mp模型，对输入使用简单的线性加权，并经过一个阈值函数得到一个0或1的输入。上世纪60年代frankrosenblatt提出了单隐层结构的感知机模型，能够对一些简单形状分类。然而mminsky和spapert于1965提出感知机的缺陷，即无法处理异或算法，并且在当时的计算能力下无法处理多层的神经网络，这些局限性导致学界对神经网络的发展持悲观态度。直到上纪80年代末，hinton提出基于感知机的多隐层构造的深层神经网络，分布式表达的提出说明了深度神经网络是可以解决异或问题的。另外rumelhart和hinton提出的深层神经网络使用反向传播算法，大大降低了训练神经网络所需要的时间。

与此同时，传统的机器学习算法也在不断发展，并在上世纪90年代末逐步超越神经网络，成为学界研究的热点，集中在svm、adaboosting、随机森林等分类器上，原因主要有二，首先是相关硬件水平无法满足深度神经网络的巨大计算量，导致当时神经网络深度不够，无法发挥其优势。其次是当时的数据量比较小，无法满足深层网络的需求。

直到本世纪10年代左右云计算、互联网+、gpu、并行计算的出现和发展，使以上问题得以逐渐解决，神经网络又一次迎来了快速发展，2012年imagenet举办的图像分类竞赛ilsvrc中，深度学习系统alexnet赢得了冠军。自此之后，深度学习掀起了神经网络的第二次浪潮，并扩展到了机器学习的各个领域，比如图像识别、语音识别、自然语言理解等。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种能够高效、准确地对城市色彩进行智能分析与评价的方法。

本发明提出的对城市色彩进行智能分析与评价的方法，是基于深度学习方法的，首先提取海量街景数据中城市色彩，并对不协调区域给出整改方案，具体步骤如下：

（1）采用人工智能算法对街景图像数据进行精细分割，提取其中的建筑物；

（2）采用文字智能检测算法与图像处理技术，提取街景中的店招；

（3）基于hsv颜色体系，提取统计建筑物与店招颜色；

（4）分析判断店招与建筑物色调是否与指定区域的主色调协调，并标出不协调区域；

（5）利用图像美学评价算法，评价给出不协调区域的整改方案。

本发明步骤（1）中，所述采用人工智能算法对街景图像数据进行精细分割，提取其中的建筑物，是利用frrn（full-resolutionresidualnetworks）网络[1]，先用cityscapes数据集[2]进行训练，利用大量上海地区街景数据集对不同训练迭代次数的结果进行验证，以高精度分割街景数据，这里所述的街景数据包括谷歌、百度、腾讯网络中常见街景图像数据。

大多数先进的语义分割系统都是基于cnn（卷积神经网络），其中较为出名的是使用端对端训练的fcn架构，该工作将预训练网络调整用于语义分割，获得了显著的性能提升。

在fcn中使用连续的池化操作，用于扩张feature的接受野并提升分类性能。但同时会显著降低feature空间分辨率，导致丢失空间细节。为了克服这个问题，有使用skipconnection扩展feature；有使用编码-解码（encoder-decoder）结构的，encoder提取语义，decoder恢复空间细节。

也有许多方案对cnn的输出作平滑操作用于提升预测结果。常见的如deeplab系列使用的crf，也有将crf化为平均场结合整个模型实现端对端训练。一些工作使用域变换或超分辨率平滑结果。

当前先进的语义分割系统都大多采用某种形式的fcn结构，即采用图片作为输入，以每个类别概率图作为输出。许多方案依赖于在分类任务上（imagenet）预训练的网络，例如多种vgg和resnet变体。预训练能够帮助模型预先设置模型权重，与只使用目标数据从头开始训练相比，减少了训练时间且常有更好的性能。然而使用预训练的模型有一个固有的限制，即已存在的预训练网络结构无法改变，这限制了新方法的设计，例如难以添加bn层或新的激活函数。

语义分割系统使用fcn架构时，常见的策略是使用池化或下采样操作降低feature的空间分辨率以获取high-levelfeatures，这么做有两个原因：

（1）可以显著的增加接受野；

（2）让模型鲁棒性更强，能够应对小的图片变换（即内在不变性）；

池化操作能够高度描述图片中物体，但是这对定位精度会造成巨大的损耗（池化丢失大量的空间信息）。许多工作想克服这个问题获得精确的分割结果。例如deconvolution-conv、dilated等等。

本发明采用一个新颖的网络架构frrn，整体采用编码-解码（encoder-decoder）架构，基本单元和残差单元类似,不需要额外的后续处理或者预训练模型。新的架构使用两条流：

一条流是（池化流–>语义流）：进过一连串的池化操作，用于捕捉图片中的语义信息；

一条流是（残差流–>细节流）：携带全分辨率的特征，用于提供精准的边界信息。

两条流通过与全分辨率残差单元（frru）相结合，最后得到预测结果上采样到指定大小。

每个frrus有两个输出和两个输入。如果为n-th个frrus的残差输入，为其池化输入，那么输出可计算为；

采用和resnet相同的优越训练属性的网络，具有两条处理流的full-resolutionresidualnetworks（frrns）。一条数据流称之为残差流（residualstream），通过连续添加残差计算。另一条数据流称之为池化流（poolingstream），是在输入上应用一连串的卷积和池化操作直接得到结果。

先不考虑网络的具体设计，获取high-level需要多个池化操作：

池化操作减少feature的空间分辨率的同时增加了模型接受野，这也是模型应对小型平移具有鲁棒性的根本。多次使用池化操作就很难追踪low-level的feature了（例如边沿，边界等）。这就让识别和准确定位产生了矛盾。

基于上述算法，首先对cityscapes公开数据集进行训练，利用大量上海地区街景数据集对不同训练迭代次数的结果进行验证，进而可对指定区域的街景数据进行高精度语义分割，分割结果主要有天空、建筑、绿化（草地、树木）、桥梁、地面、行人、车辆等目标。

本发明步骤（2）中，所述采用文字智能检测算法与图像处理技术，提取街景中的店招，具体内容介绍如下：

提取店招的思路是提取图片中的文字信息，即通过人工智能的方法进行中英文字体检测，再利用基于hsv体系的多生长点区域生长算法进行区域生长，再利用图像处理中形态学方法作后续处理，得到完整的店招区域。

其中，文本检测的其中一个难点就在于文本行的长度变化是非常剧烈的。如果采用基于fasterrcnn等通用物体检测框架的算法都会面临这怎么生成好的文本问题。因此本发明采用常用的ctpn模型[3]作为基础，通过检测一个一个小的固定宽度的文本段，再通过后处理部分再将这些小的文本段连接起来，得到文本行。具体流程为：

（a）通过vgg16[4]网络提取图像特征，用前五个卷积层；

（b）在特征图的每个位置上预测候选区域（anchor）对应的类别和位置信息；

（c）通过rnn[5]网络结果输出到分类层中，进行判断是否字符及其位置信息；

（d）通过文本线构造算法[3]，得到店面招牌的文本信息。

设文本实际高度h，实际中心点坐标，预测高度，预测中心点坐标，可以通过下式获得：

其中，表示坐标的偏差，用于计算损失函数。

文本检测算法很多，其它还有基于旋转区域候选网络（rrpn）模型，它将旋转因素并入经典区域候选网络；还有使用resnet-101做基础网络的ftsn（fusedtextsegmentationnetworks）模型，它使用了多尺度融合的特征图及分割网络支持倾斜文本检测；dmpnet（deepmatchingpriornetwork）模型使用四边形（非矩形）来更紧凑地标注文本区域边界，其训练出的模型对倾斜文本块检测效果更好；使用全卷积网络（fcn）生成多尺度融合的特征图并进行素级的文本块预测east（efficientandaccuracyscenetextdetectionpipeline）模型；将每个单词切割为更易检测的有方向的小文字块（segment），然后用邻近连接（link）将各个小文字块连接成单词的seglink模型，等等。因为算法主要考虑横向的街景中规则的店招信息，所以采用cptn模型来进行初步的文字提取。

文字提取之后，采用区域生长算法[6]，由于某些店面招牌长度较长，颜色并非单一分布，同时也存在植被、电线杆等遮挡的现象，因此采用基于hsv体系的多生长点区域生长算法，尽可能使该算法能覆盖到所有区域。该算法将传统区域生长算法中的阈值修改为hsv体系中若干种色相范围，将与生长点同一色相的像素点归纳到区域中来，同时选取多个生长点，以此提高区域生长的准确性。基本上，在没有像素满足加入某个区域的条件的时候，区域生长就会停止。

最后通过形态学中的闭运算以及去孔洞算法[6]提取出整个店面招牌。

闭运算操作是通过先膨胀后腐蚀的方法，如式所示：

其中和分别表示膨胀和腐蚀，a代表二值图像原图，b代表结构元素；

本发明步骤（3）中，所述基于hsv颜色体系，提取统计建筑物与店招颜色，具体如下：

为了能够更准确地划分不同色彩，在原hsv色彩体系的基础上，将整个体系所涵盖的色彩划分为36*20*20=14400份；其中，色相均分为36份,归纳值取范围的中值，例如色相值位于-5°~5°内像素点归纳为0°；明度和饱和度分别均分为20份，一份大小为0.05，归纳值取范围的右端点，例如明度位于0~0.05内的像素点归纳为0.05，以此类推，综合三维信息，一共产生14400种颜色；从而将建筑物墙面中的每个像素点进行分类。

本发明步骤（4）中，所述分析判断店招与建筑物色调是否与指定区域的主色调协调，并标出不协调区域，具体步骤如下：

（a）根据前面分割结果，判断出当前图像中的每块店招、建筑物外墙及其对应的颜色信息；

（b）同时统计当前场景中所有颜色占的比例，判断当前视角下建筑物或城区主色调、色系；

（c）再判断墙面、店招色、调色系是否与主色调、色系协调，如果不协调，则在原图像中标出，并给出对应的位置信息。

本发明步骤（5）中，所述利用图像美学评价算法，评价给出不协调区域的整改方案，是通过人工智能方法分析图像颜色、构图等方面的信息，从而得到整改方案，具体步骤如下：

（a）设计图像美学评价网络，并用ava数据集中建筑数据进行训练；

ava数据集[7]是专门为图像美学评价而设计构建的数据集，共包含25万张照片，覆盖风景、植物、动物、夜景、人像、建筑等各种不同内容的照片，包含了丰富的美学特征。本发明设计的图像美学评价网络，包括：一个输入图像层（imageinputlayer）、四个卷积层（conv）、五个非线性激活层（relu）、三个最大池化层（maxpool）、三个全连接层（fc）、一个防止过拟合的dropout层、一个分类器softmax，如图7所示；利用ava数据集中建筑数据对图像美学评价网络进行训练，该网络利用卷积层、非线性激活层与池化层的组合对图片美学特征进行提取，利用输出为10的全连接层对图片进行标签向量预测；

（b）通过搭建网站让公众参与街景照片的评分，共得到约4000张打分后的街景照片，利用此数据对上述网络进行迁移学习，并通过不断改变不协调区域颜色给出新的评分；根据评分结果给出最适合当前场景的颜色作为推荐颜色。

本发明提出了一种高效、精确的城市色调智能分析与评价方法，首先通过高精度的语义分割，将街景图像分为天空、建筑、树木、草地、道路、桥梁、广告牌等几种目标；再通过文字识别技术识别建筑物外墙上的店面招牌，然后提取建筑物外墙、店招的颜色；通过统计分析方法判断当前视角情况下的主要色调；根据色调对比，判断当前建筑外墙与店招背景色是否与当前主色调协调，如果不协调则给出具体位置；最后利用图像美学评价方法给出不协调区域的推荐改进颜色。

本发明提出的方法能快速高效地处理海量的图像数据，其特点是利用当前迅猛发展的深度学习算法进行图像分割、店招提取、美学评价，随着数据量的增大，算法的精度亦能逐步提高。本发明方法还可以根据一个城市的训练结果迁移到不同的城市。

本发明方法适用于城市图像大数据，鲁棒性高，实时性好，具有推广应用前景。

附图说明

图1是本发明的整体检测算法流程图。

图2是店面招牌检测算法流程图。

图3是街景及其分割结果图。

图4是店面招牌检测结果图。

图5是店面招牌色彩信息提取实例示意图。

图6是不协调区域检测结果图。

图7本发明提出的图像美学评价网络结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实例采用的是上海市街景图像数据。

图1是本发明的算法流程图，该算法主要包括输入街景图像、语义分割，文字检测、店招提取、颜色提取、主色调分析、不协调区域分析与提取、图像美学智能评价等步骤。

图2是本发明提出的店招提取步骤，包括网络预训练、文本提取、形态学处理、背景分割、区域判断等步骤。

结合实例说明本发明的具体实施过程如下：

步骤1：输入街景图像、进行语义分割，结果如图3所示，可以分割出建筑、树木、行人、甚至车辆；

步骤2：在步骤1得到分割结果的基础上，利用本发明提出的店招检测算法进行店招检测，结果如图4所示，可以将店招精确的提取出来；

步骤3：在步骤2提取到店招结果的基础上，通过形态学处理算法，将店招的文字和背景进行分割，提取店招背景颜色，具体过程如图5所示；

步骤4：根据步骤1的分割结果和步骤3的店招背景分割结果，提取当前视角下所有街景图像的颜色信息，并通过统计得到主色调，进而对所有墙面和店招背景进行判断，得到颜色不协调区域，并给出位置信息，如图6所示；

步骤5：对不协调区域改变色彩，再输入训练出的美学评价网络，根据得分情况给出推荐的整改颜色。

本实例街景图像尺寸为1024*512像素，实验的软硬件配置为intel(r)core(tm)i5-4590处理器、8gb内存、matlabr2018a，处理一幅图像的时间<1s。

参考文献

[1]t.pohlen,a.hermans,andm.mathiasb.leibe.:full-resolutionresidualnetworksforsemanticsegmentationinstreetscenes.incvpr,2017.6

[2]m.cordts,m.omran,s.ramos,t.rehfeld,m.enzweiler,r.benenson,u.franke,s.roth,andb.schiele.thecityscapesdatasetforsemanticurbansceneunderstanding.incvpr,2016.2,6

[3]z.tian,w.huang,t.he,p.he,y.qian.:detectingtextinnaturalimagewithconnectionisttextproposalnetwork(2016).ineuropeanconferenceoncomputervision(eccv)

[4]simonyan,k.,zisserman,a.:verydeepconvolutionalnetworksforlarge-scaleimagerecognition(2015),ininternationalconferenceonlearningrepresentation(iclr)

[5]graves,a.,schmidhuber,j.:framewisephonemeclassificationwithbidirectionallstmandotherneuralnetworkarchitectures.neuralnetworks18(5),602–610(2005)

[6]冈萨雷斯．数字图像处理[m]．北京：电子工业出版社，2003．

[7]f.perronnin,l.marchesottiandn.murray,"ava:alarge-scaledatabaseforaestheticvisualanalysis,"2012ieeeconferenceoncomputervisionandpatternrecognition(cvpr),providence,riusa,2012,pp.2408-2415.。