超分辨率好发论文吗?

如题
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发好的论文越来越难了。前几年也许改改网络,loss,把效果堆一堆提点,也许还很容易……当然,这种做法,用来发水一点的论文现在也还可以。

也许可以往数据集、网络轻量化之类的搞搞。前几天,整理了一下结合GAN做超分的几十篇论文,也附带下载地址,有兴趣可以了解一下。研究研究,可做的点应该还是有一些。


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引言

这日,你伸着懒腰,打着呵欠,对着窗外,正感慨时光已逝,红了樱桃绿了芭蕉……忽然,桌面上的手机传来了微信的振动声,你极其不耐烦地走过去。

“老猪,我在超市看到了一个气质佳人!”

面对老铁这未见世面的无措,你弹指键飞:

“你还能见到啥佳人?再说,就你审美???”

“稍等!……”

“你要干嘛……”

很快,对面传来一幅图:

“你偷拍人家真的好吗。。再说脸呢??……”

这时手机又亮起:

“我刚刚把无关的截了一下,再截个脸吧~

你:“???……”

“隔得有点远,可能拍的有点小,好像看不清……”

正文引言

摘自SRGAN: The highly challenging task of estimating a highresolution (HR) image from its low-resolution (LR) counterpart is referred to as super-resolution (SR).

图像超分辨率,简称超分SR,一般指放大分辨率,例如把256X256变到512X512的分辨率,这时的放大倍数scale为2。显然,这是一个无中生有、去补全像素的ill-posed问题,没有唯一解。图像超分,应用场景自然是广泛的。一般的方法是将低分辨率的图像LR作为方法的输入,进行处理得到高分辨率的HR图像。

但值得注意的是,在现实场景中,匹配成对的数据集是极其难以获取得到的。如今相当多的论文,都是自制这种LR-HR图像对去作为训练集。比如先将原图HR通过下采样得到LR,再进行LR到HR的映射学习。但真正应用到实际中,LR和HR之间的关系是不是我们自以为是的“下采样”的关系呢?这恐怕是未知、难以模拟的,人为的下采样或其他人工方法不过是一厢情愿罢。在医学图像SR上可能更需谨慎。

今天整理的是结合GAN生成对抗网络的图像超分。首先总结两篇极具代表意义的、大名鼎鼎的超分GAN即SRGAN和ESRGAN,并大概提一下一篇用网络去收集小分辨率的数据的论文,最后给出70多篇结合GAN做超分的论文!!!希望给有志这方面探索、了解的同学一个参考!

(70多篇论文已经下载打包好,获取方式关注下图,回复【超分GAN】即可)

1. (2017-05-25) (SRGAN)Photo-Realistic Single Image Super-Resolution Using a Generative Adversarial Network

arxiv.xilesou.top/pdf/1

尽管使用更快、更深的卷积神经网络实现单图像超分辨率在准确性和速度上都有突破,仍然存在一个焦点问题在很大程度上未解决:当在较大的放大倍数上去获取超分辨率图像时,如何恢复更精细的纹理细节?以往的工作主要集中在均方差重建上,在结果评估时使用PSNR等,但通常缺乏高频细节,并且在视觉上难以令人满意。在本文提出SRGAN,第一个用于图像超分辨率(SR)的生成对抗网络(GAN),能够推断出4倍逼真的自然图像。为了实现这一目标,提出了一种感知损失函数,包括对抗损失和内容损失。使用基于感知相似性的内容损失摈弃了在像素空间进行相似性衡量。平均意见分数(MOS)表明了方法卓越的性能。

如下图所示,放大4倍的超分方法对比。第一个是双立方插值,第二个是基于均方差损失驱动的卷积神经网络,第三个是本文SRGAN,最后是参考原始图。

优化:

损失函数:

生成器损失(原文作者把整个生成器损失叫感知损失:内容损失+生成器对抗损失+):

内容损失:

生成器对抗损失:

作者做了蛮多一些消融探究的,此不述。

最后是实验结果其一。堪称大型SSIM和PSNR打脸现场。SRGAN在PSNR和SSIM上的表现不如SRResNet但在MOS、也就是人眼观察上吊打前者足矣。

2. (2018-09-17) ESRGAN Enhanced Super-Resolution Generative Adversarial Networks

arxiv.xilesou.top/pdf/1

SRGAN是具有开创性的工作。但细节之处仍然难令人满意,为此进一步研究了SRGAN的三个关键组成部分:网络架构,对抗损失和感知损失,并将其改善得到增强型SRGAN(ESRGAN)。特别地,引入了无BN批归一化的残差密集块Residual-in-Residual Dense Block(RRDB)作为基本的网络构建单元。而且,借用相对GAN 的思想让判别器进行预测相对真实性。最后,通过使用在激活之前的特征去进行感知损失计算,来达到在亮度一致性和纹理恢复方面提供更强的监督的目的。受益于这些改进, ESRGAN相比SRGAN,具有更好的视觉质量、更逼真的自然纹理并赢得PIRM2018-SR挑战赛的第一名。

网络结构上的改进:

由于BN在比如粗粒度任务分类等中具有积极效果,但对于类似于风格迁移这种单幅图像具有鲜明特点的任务中,不宜使用批量的统计量,否则容易弱化单图像固有的本身细节信息。于是作者尝试去掉BN,但这又容易导致网络训练的困难,于是采用Dense block这种更易提升网络性能的结构。

对抗方式的改进:

参考了相对GAN的设计思路。

对抗损失:

大致推导一下:

原始GAN:

感知Loss的改进:

使用relu激活之前的特征进行损失计算。这样的特征可以包含更丰富和细节的响应信息。


使用网络插值:

GAN过于“自由胡来”,有一些细节可能不太自然。而以往基于MSE优化的卷积网络偏向平滑模糊丢失细节。于是网络插值提出综合两者网络的方法:先训练一个常规的超分网络,在这个网络的基础上再fine-tuning得到GAN的生成器,然后把两个网络的参数加权相加:

如下图所示,通过调节α可以找到一个更偏好或平衡的的中间效果。

3. (2018-07-30) To learn image super-resolution use a GAN to learn how to do image degradation first

arxiv.xilesou.top/pdf/1

在前面提到,超分的训练里,通过简单的双线性下采样(少数情况下是先模糊后下采样)人工生成的低分辨率的图像,然后将它们进行超分处理。但在现实生活中,这种方法并不能产生很好的效果。

为此提出一个两阶段的过程,首先训练一个High-to-Low GAN来学习如何对高分辨率图像进行下采样,在训练过程中,只需要非配对的高分辨率和低分辨率图像。实现了这部分后,该网络的输出可以用来训练一个Low-to-High GAN来实现超分辨率重建,这次利用配对的低分辨率和高分辨率图像。我们的主要结果是,这个网络可以有效地提高真实世界低分辨率图像的质量。本文将这种方法应用于人脸超分辨率的问题,并验证其有效性,方法也可能适用于其他图像对象类别。

实验结果:


001 (2020-03-4) Turbulence Enrichment using Generative Adversarial Networks

arxiv.xilesou.top/pdf/2


002 (2020-03-2) MRI Super-Resolution with GAN and 3D Multi-Level DenseNet Smaller Faster and Better

arxiv.xilesou.top/pdf/2


003 (2020-02-29) Joint Face Completion and Super-resolution using Multi-scale Feature Relation Learning

arxiv.xilesou.top/pdf/2


004 (2020-02-21) Generator From Edges Reconstruction of Facial Images

arxiv.xilesou.top/pdf/2


005 (2020-01-22) Optimizing Generative Adversarial Networks for Image Super Resolution via Latent Space Regularization

arxiv.xilesou.top/pdf/2


006 (2020-01-21) Adaptive Loss Function for Super Resolution Neural Networks Using Convex Optimization Techniques

arxiv.xilesou.top/pdf/2


007 (2020-01-10) Segmentation and Generation of Magnetic Resonance Images by Deep Neural Networks

arxiv.xilesou.top/pdf/2


008 (2019-12-15) Image Processing Using Multi-Code GAN Prior

arxiv.xilesou.top/pdf/1


009 (2020-02-6) Quality analysis of DCGAN-generated mammography lesions

arxiv.xilesou.top/pdf/1


010 (2019-12-19) A deep learning framework for morphologic detail beyond the diffraction limit in infrared spectroscopic imaging

arxiv.xilesou.top/pdf/1


011 (2019-11-8) Joint Demosaicing and Super-Resolution (JDSR) Network Design and Perceptual Optimization

arxiv.xilesou.top/pdf/1


012 (2019-11-4) FCSR-GAN Joint Face Completion and Super-resolution via Multi-task Learning

arxiv.xilesou.top/pdf/1


013 (2019-10-9) Wavelet Domain Style Transfer for an Effective Perception-distortion Tradeoff in Single Image Super-Resolution

arxiv.xilesou.top/pdf/1


014 (2020-02-3) Optimal Transport CycleGAN and Penalized LS for Unsupervised Learning in Inverse Problems

arxiv.xilesou.top/pdf/1


015 (2019-08-26) RankSRGAN Generative Adversarial Networks with Ranker for Image Super-Resolution

arxiv.xilesou.top/pdf/1


016 (2019-07-24) Progressive Perception-Oriented Network for Single Image Super-Resolution

arxiv.xilesou.top/pdf/1


017 (2019-07-26) Boosting Resolution and Recovering Texture of micro-CT Images with Deep Learning

arxiv.xilesou.top/pdf/1


018 (2019-07-15) Enhanced generative adversarial network for 3D brain MRI super-resolution

arxiv.xilesou.top/pdf/1


019 (2019-07-5) MRI Super-Resolution with Ensemble Learning and Complementary Priors

arxiv.xilesou.top/pdf/1


020 (2019-11-25) Image-Adaptive GAN based Reconstruction

arxiv.xilesou.top/pdf/1


021 (2019-06-13) A Hybrid Approach Between Adversarial Generative Networks and Actor-Critic Policy Gradient for Low Rate High-Resolution Image Compression

arxiv.xilesou.top/pdf/1


022 (2019-06-4) A Multi-Pass GAN for Fluid Flow Super-Resolution

arxiv.xilesou.top/pdf/1


023 (2019-05-23) Generative Imaging and Image Processing via Generative Encoder

arxiv.xilesou.top/pdf/1


024 (2019-05-26) Cross-Resolution Face Recognition via Prior-Aided Face Hallucination and Residual Knowledge Distillation

arxiv.xilesou.top/pdf/1


025 (2019-05-9) 3DFaceGAN Adversarial Nets for 3D Face Representation Generation and Translation

arxiv.xilesou.top/pdf/1


026 (2019-08-27) Super-Resolved Image Perceptual Quality Improvement via Multi-Feature Discriminators

arxiv.xilesou.top/pdf/1


027 (2019-03-28) SRDGAN learning the noise prior for Super Resolution with Dual Generative Adversarial Networks

arxiv.xilesou.top/pdf/1


028 (2019-03-21) Bandwidth Extension on Raw Audio via Generative Adversarial Networks

arxiv.xilesou.top/pdf/1


029 (2019-03-6) DepthwiseGANs Fast Training Generative Adversarial Networks for Realistic Image Synthesis

arxiv.xilesou.top/pdf/1


030 (2019-02-28) A Unified Neural Architecture for Instrumental Audio Tasks

arxiv.xilesou.top/pdf/1


031 (2019-02-28) Two-phase Hair Image Synthesis by Self-Enhancing Generative Model

arxiv.xilesou.top/pdf/1


032 (2019-10-23) GAN-based Projector for Faster Recovery with Convergence Guarantees in Linear Inverse Problems

arxiv.xilesou.top/pdf/1


033 (2019-02-17) Progressive Generative Adversarial Networks for Medical Image Super resolution

arxiv.xilesou.top/pdf/1


034 (2019-01-31) Compressing GANs using Knowledge Distillation

arxiv.xilesou.top/pdf/1


035 (2019-01-18) Generative Adversarial Classifier for Handwriting Characters Super-Resolution

arxiv.xilesou.top/pdf/1


036 (2019-01-10) How Can We Make GAN Perform Better in Single Medical Image Super-Resolution A Lesion Focused Multi-Scale Approach

arxiv.xilesou.top/pdf/1


037 (2019-01-9) Detecting Overfitting of Deep Generative Networks via Latent Recovery

arxiv.xilesou.top/pdf/1


038 (2018-12-29) Brain MRI super-resolution using 3D generative adversarial networks

arxiv.xilesou.top/pdf/1


039 (2019-01-13) Efficient Super Resolution For Large-Scale Images Using Attentional GAN

arxiv.xilesou.top/pdf/1


040 (2019-12-24) Learning Temporal Coherence via Self-Supervision for GAN-based Video Generation

arxiv.xilesou.top/pdf/1


041 (2018-11-20) Adversarial Feedback Loop

arxiv.xilesou.top/pdf/1


042 (2018-11-1) Bi-GANs-ST for Perceptual Image Super-resolution

arxiv.xilesou.top/pdf/1


043 (2018-10-15) Lesion Focused Super-Resolution

arxiv.xilesou.top/pdf/1


044 (2018-10-15) Deep learning-based super-resolution in coherent imaging systems

arxiv.xilesou.top/pdf/1


045 (2018-10-10) Image Super-Resolution Using VDSR-ResNeXt and SRCGAN

arxiv.xilesou.top/pdf/1


046 (2019-01-28) Multi-Scale Recursive and Perception-Distortion Controllable Image Super-Resolution

arxiv.xilesou.top/pdf/1


047 (2018-09-2) Unsupervised Image Super-Resolution using Cycle-in-Cycle Generative Adversarial Networks

arxiv.xilesou.top/pdf/1


048 (2018-09-17) ESRGAN Enhanced Super-Resolution Generative Adversarial Networks

arxiv.xilesou.top/pdf/1


049 (2018-09-6) CT Super-resolution GAN Constrained by the Identical Residual and Cycle Learning Ensemble(GAN-CIRCLE)

arxiv.xilesou.top/pdf/1


050 (2018-07-30) To learn image super-resolution use a GAN to learn how to do image degradation first

arxiv.xilesou.top/pdf/1


051 (2018-07-1) Performance Comparison of Convolutional AutoEncoders Generative Adversarial Networks and Super-Resolution for Image Compression

arxiv.xilesou.top/pdf/1


052 (2018-12-19) Generative Adversarial Networks and Perceptual Losses for Video Super-Resolution

arxiv.xilesou.top/pdf/1


053 (2018-08-22) cellSTORM - Cost-effective Super-Resolution on a Cellphone using dSTORM

arxiv.xilesou.top/pdf/1


054 (2018-04-10) A Fully Progressive Approach to Single-Image Super-Resolution

arxiv.xilesou.top/pdf/1


055 (2018-07-18) Maintaining Natural Image Statistics with the Contextual Loss

arxiv.xilesou.top/pdf/1


056 (2018-06-9) Efficient and Accurate MRI Super-Resolution using a Generative Adversarial Network and 3D Multi-Level Densely Connected Network

arxiv.xilesou.top/pdf/1


057 (2018-05-28) tempoGAN A Temporally Coherent Volumetric GAN for Super-resolution Fluid Flow

arxiv.xilesou.top/pdf/1


058 (2018-10-3) High-throughput high-resolution registration-free generated adversarial network microscopy

arxiv.xilesou.top/pdf/1


059 (2017-11-28) Super-Resolution for Overhead Imagery Using DenseNets and Adversarial Learning

arxiv.xilesou.top/pdf/1


060 (2019-10-3) The Perception-Distortion Tradeoff

arxiv.xilesou.top/pdf/1


061 (2017-11-7) Tensor-Generative Adversarial Network with Two-dimensional Sparse Coding Application to Real-time Indoor Localization

arxiv.xilesou.top/pdf/1


062 (2017-11-7) ZipNet-GAN Inferring Fine-grained Mobile Traffic Patterns via a Generative Adversarial Neural Network

arxiv.xilesou.top/pdf/1


063 (2017-10-19) Generative Adversarial Networks An Overview

arxiv.xilesou.top/pdf/1


064 (2018-05-21) Retinal Vasculature Segmentation Using Local Saliency Maps and Generative Adversarial Networks For Image Super Resolution

arxiv.xilesou.top/pdf/1


065 (2018-11-28) Simultaneously Color-Depth Super-Resolution with Conditional Generative Adversarial Network

arxiv.xilesou.top/pdf/1


066 (2017-06-20) Perceptual Generative Adversarial Networks for Small Object Detection

arxiv.xilesou.top/pdf/1


067 (2017-05-7) A Design Methodology for Efficient Implementation of Deconvolutional Neural Networks on an FPGA

arxiv.xilesou.top/pdf/1


068 (2017-05-5) Face Super-Resolution Through Wasserstein GANs

arxiv.xilesou.top/pdf/1


069 (2017-10-12) CVAE-GAN Fine-Grained Image Generation through Asymmetric Training

arxiv.xilesou.top/pdf/1


070 (2017-02-21) Amortised MAP Inference for Image Super-resolution

arxiv.xilesou.top/pdf/1


071 (2017-05-25) Photo-Realistic Single Image Super-Resolution Using a Generative Adversarial Network

arxiv.xilesou.top/pdf/1

只能说越来越难了,魔改的网络越来越难发了

给个简单的例子:训练一个所谓的Very-Deep Super-Resolution (VDSR) 深层网络,然后使用 VDSR 网络从单低分辨率图像中估计高分辨率图像。关于VDSR网络,见文章末尾参考文献。

超分辨率重建是从低分辨率图像创建高分辨率图像的过程,本例考虑单图像超分辨率 (single image super-resolution。SISR),其目标是从一张低分辨率图像中恢复为一张高分辨率图像。SISR具有一定的难度,因为高频图像内容通常无法从低分辨率图像中恢复。如果没有高频信息,高分辨率图像的质量就会受到限制。此外,SISR是一个所谓的病态问题,因为低分辨率图像可以产生几种可能的高分辨率图像。

VDSR网络

VDSR是一种卷积神经网络,旨在执行单图像超分辨率重建。VDSR网络学习低分辨率和高分辨率图像之间的映射。理论上这种映射是存在的,因为低分辨率和高分辨率图像具有相似的图像内容,并且主要在高频细节上有所不同。

VDSR采用残差学习策略,即网络通过学习估计残差图像。残差图像是高分辨率参考图像和低分辨率图像之间的差异,后者使用双三次插值进行升级以匹配参考图像的大小。残差图像包含有关图像的高频细节的信息。

VDSR网络根据彩色图像的亮度检测残差图像。图像的亮度通道 Y 通过红色、绿色和蓝色像素值的线性组合来表示每个像素的亮度。相比之下,图像的两个色度通道 Cb 和 Cr 是表示色差信息的红色、绿色和蓝色像素值的不同线性组合。VDSR仅使用亮度通道进行训练,因为人类的感知对亮度变化比对颜色变化更敏感。


如下用英文表述较为方便:

在 VDSR 网络通过学习估计残差图像后,可以将估计的残差图像添加到上采样的低分辨率图像,然后将图像转换回 RGB 色彩空间来重建高分辨率图像。

尺度因子将参考图像的大小与低分辨率图像的大小相关联。随着尺度因子的增加,SISR变得更加病态,因为低分辨率图像会丢失有关高频图像内容的更多信息。VDSR通过使用较大的感受野receptive field来解决这个问题。

下载训练数据和测试数据

下载 IAPR TC-12 Benchmark,其中包含 20000 张自然图像,、包括人物,动物,城市等。可以使用downloadIAPRTC12Data函数来下载数据,数据文件的大小约为 1.8 GB。

本文将使用 IAPR TC-12 Benchmark的一小部分数据来训练网络,所有图像均为 32 位 JPEG 彩色图像。

trainImagesDir = fullfile(imagesDir,'iaprtc12','images','02');
exts = {'.jpg','.bmp','.png'};
trainImages = imageDatastore(trainImagesDir,'FileExtensions',exts);

训练图像的数量

numel(trainImages.Files)

ans = 616

定义用于训练的Mini-Batch Datastore

Mini-batch datastore 用于将训练数据输送到网络,本文通过vdsrImagePatch类自定义实现。vdsrImagePatch从低分辨率图像中提取图像块,并以不同的尺度因子升级图像块。每个mini-batch 包含 64 个大小为 41 x 41 像素的图像块,在训练期间将从图像中的随机位置提取所有图像块。要训练多尺度因子网络,将“尺度因子”设置为 [2 3 4]。

miniBatchSize = 64;
scaleFactors = [2 3 4];
source = vdsrImagePatchDatastore(trainImages,...
 'MiniBatchSize',miniBatchSize,...
 'PatchSize',41,...
 'BatchesPerImage',1,...
 'ScaleFactor',scaleFactors);
vdsrImagePatchDatastore向网络提供小批量数据,对datastore执行读取操作以浏览数据
inputBatch = read(source);
summary(inputBatch)

设置VDSR层

本例使用MATLAB神经网络工具箱中的 41 个层定义 VDSR 网络,包括:

·imageInputLayer - Image input layer

· convolutional2dLayer - 2-D convolution layer for convolutional neural networks

· reluLayer - Rectified linear unit (ReLU) layer

· regressionLayer - Regression output layer for a neural network

第一层,图像输入层,对图像块进行操作,图像块的大小基于网络感受野,网络感受野是影响网络中最顶层响应的空间图像区域。对于深度为D的网络,感受野是(2D + 1)x(2D + 1)。由于 VDSR 是一个 20 层网络,因此感受野和图像块大小为 41 x 41。图像输入层接受具有一个通道的图像,因为 VDSR 仅使用亮度通道进行训练。

networkDepth = 20;
firstLayer = imageInputLayer([41 41 1],'Name','InputLayer','Normalization','none');

图像输入层后跟一个 2-D 卷积层,其中包含 64 个大小为 3 x 3 的滤波器。mini-batch大小决定了滤波器的数量。每个卷积层后面都有一个ReLU层,便于引入非线性。

convolutionLayer = convolution2dLayer(3,64,'Padding',1, ...
 'Name','Conv1');
convolutionLayer.Weights = sqrt(2/(9*64))*randn(3,3,1,64);
convolutionLayer.Bias = zeros(1,1,64);

ReLU 层

relLayer = reluLayer('Name','ReLU1');

中间层包含 18 个交替的卷积和ReLU 层。每个卷积层包含 64 个大小为 3 x 3 x 64 的滤波器。

middleLayers = [convolutionLayer relLayer];
for layerNumber = 2:networkDepth-1
 conv2dLayer = convolution2dLayer(3,64,...
 'Padding',[1 1],...
 'Name',['Conv' num2str(layerNumber)]);

权重初始化

conv2dLayer.Weights = sqrt(2/(9*64))*randn(3,3,64,64);
 conv2dLayer.Bias = zeros(1,1,64);
 relLayer = reluLayer('Name',['ReLU' num2str(layerNumber)]);
 middleLayers = [middleLayers conv2dLayer relLayer]; 
end

倒数第二层是一个卷积层,具有一个大小为 3x3x64 的滤波器·,用于重建图像。

conv2dLayer = convolution2dLayer(3,1,...
 'NumChannels',64,...
 'Padding',[1 1],...
 'Name',['Conv' num2str(networkDepth)]);
conv2dLayer.Weights = sqrt(2/(9*64))*randn(3,3,64,1);
conv2dLayer.Bias = zeros(1,1,1);

最后一层是回归层,回归层计算残差图像和网络预测之间的均方误差。

finalLayers = [conv2dLayer regressionLayer('Name','FinalRegressionLayer')];

连接所有层以形成 VDSR 网络

layers = [firstLayer middleLayers finalLayers];

指定训练参数

使用具有动量 (SGDM) 优化的随机梯度下降来训练网络,学习速率最初设置为 0.1,然后每 20 个 epoch 降低 10 倍。

maxEpochs = 100;
epochIntervals = 1;
initLearningRate = 0.1;
learningRateFactor = 0.1;
l2reg = 0.0001;
options = trainingOptions('sgdm',...
 'Momentum',0.9,...
 'InitialLearnRate',initLearningRate,...
 'LearnRateSchedule','piecewise',...
 'LearnRateDropPeriod',10,...
 'LearnRateDropFactor',learningRateFactor,...
 'L2Regularization',l2reg,...
 'MaxEpochs',maxEpochs,...
 'MiniBatchSize',miniBatchSize,...
 'GradientThresholdMethod','l2norm',...
 'GradientThreshold',0.01);

训练网络

使用trainNetwork函数训练 VDSR 网络

modelDateTime = datestr(now,'dd-mmm-yyyy-HH-MM-SS');
 net = trainNetwork(source,layers,options);
 save(['trainedVDSR-' modelDateTime '-Epoch-' num2str(maxEpochs*epochIntervals) 'ScaleFactors-' num2str(234) '.mat'],'net','options');

使用 VDSR 网络执行单图像超分辨率重建

使用 VDSR 网络执行单图像超分辨率 (SISR)重建的步骤如下:

· 从高分辨率参考图像创建采样的低分辨率图像。

· 使用双三次插值对低分辨率图像执行 SISR,这是一种不依赖于深度学习的传统图像处理解决方案。

· 使用 VDSR 网络对低分辨率图像执行 SISR。

· 使用双三次插值和 VDSR 直观地比较重建的高分辨率图像

· 评估超分辨率图像的质量。

创建低分辨率图像

创建一个低分辨率图像,该图像将使用深度学习的超分辨率重建结果与使用传统图像处理技术(如双三次插值)重建的结果进行比较。

exts = {'.jpg','.png'};
fileNames = {'sherlock.jpg','car2.jpg','fabric.png','greens.jpg','hands1.jpg','kobi.png',...
 'lighthouse.png','micromarket.jpg','office_4.jpg','onion.png','pears.png','yellowlily.jpg',...
 'indiancorn.jpg','flamingos.jpg','sevilla.jpg','llama.jpg','parkavenue.jpg',...
 'peacock.jpg','car1.jpg','strawberries.jpg','wagon.jpg'};
filePath = [fullfile(matlabroot,'toolbox','images','imdata') filesep];
filePathNames = strcat(filePath,fileNames);
testImages = imageDatastore(filePathNames,'FileExtensions',exts);

显示若干测试图像

montage(testImages)

选择其中一个图像作为超分辨率的参考图像

indx = 1; % 图像索引
Ireference = readimage(testImages,indx);
Ireference = im2double(Ireference);
imshow(Ireference)
title('High-Resolution Reference Image')

设置尺度因子为 0.25 ,创建高分辨率参考图像的低分辨率版本。

scaleFactor = 0.25;
Ilowres = imresize(Ireference,scaleFactor,'bicubic');
imshow(Ilowres)
title('Low-Resolution Image')

使用双三次插值提高图像分辨率

在没有深度学习的情况下提高图像分辨率的标准方法是使用双三次插值。使用双三次插值放大低分辨率图像,以便生成的高分辨率图像与参考图像的大小相同。

[nrows,ncols,np] = size(Ireference);
Ibicubic = imresize(Ilowres,[nrows ncols],'bicubic');
imshow(Ibicubic)
title('High-Resolution Image Obtained Using Bicubic Interpolation')

使用VDSR 网络提高图像的分辨率

回想一下,VDSR仅使用图像的亮度通道进行训练,因为人类感知对亮度变化比对颜色变化更敏感。

使用 rgb2ycbr 函数将低分辨率图像从 RGB 色彩空间转换为亮度 (Iy) 和色度(Icb 和 Icr)通道。

Iycbcr = rgb2ycbcr(Ilowres);
Iy = Iycbcr(:,:,1);
Icb = Iycbcr(:,:,2);
Icr = Iycbcr(:,:,3);

使用双三次插值放大亮度和两个色度通道。上采样色度通道(Icb_bicubic和Icr_bicubic)无需进一步处理。

Iy_bicubic = imresize(Iy,[nrows ncols],'bicubic');
Icb_bicubic = imresize(Icb,[nrows ncols],'bicubic');
Icr_bicubic = imresize(Icr,[nrows ncols],'bicubic');

将Iy_bicubic输入VDSR网络,观察最后一层(回归层)的激活。网络的输出是所需的残差图像。

Iresidual = activations(net,Iy_bicubic,41);
Iresidual = double(Iresidual);
imshow(Iresidual,[])
title('Residual Image from VDSR')

将残差图像加到亮度分量中,以获得高分辨率的VDSR亮度分量。

Isr = Iy_bicubic + Iresidual;

将高分辨率 VDSR 亮度分量与颜色分量连接,并使用 ycbcr2rgb 函数将图像转换为 RGB 色彩空间,则得到VDSR的最终高分辨率彩色图像。

Ivdsr = ycbcr2rgb(cat(3,Isr,Icb_bicubic,Icr_bicubic));
imshow(Ivdsr)
title('High-Resolution Image Obtained Using VDSR')

定量比较

为了更直观的理解高分辨率图像,使用格式为 [x y width height]的向量roi来指定感兴趣区域 (ROI), x 和 y 为ROI的坐标,width和height为ROI的宽度和高度。

roi = [320 30 480 400];

将高分辨率图像裁剪到此 ROI区域,显示结果

montage({imcrop(Ibicubic,roi),imcrop(Ivdsr,roi)})
title('High-Resolution Results Using Bicubic Interpolation (Left) vs. VDSR (Right)');

结果显示VDSR高分辨率图像具有更清晰的细节和更清晰的边缘。

利用图像质量度量定量比较双三次插值的高分辨率图像与 VDSR高分辨率图像。

计算图像的峰值信噪比(PSNR),PNSR 值越大,通常表示图像质量越好

bicubicPSNR = psnr(Ibicubic,Ireference)
vdsrPSNR = psnr(Ivdsr,Ireference)

bicubicPSNR = 38.4747

vdsrPSNR = 39.4473

计算每图像的结构相似性指数 (SSIM),SSIM 评估图像的三个特征的视觉冲击:亮度、对比度和结构信息,SSIM 值越接近 1,测试图像与参考图像的一致性越好

bicubicSSIM = ssim(Ibicubic,Ireference)
vdsrSSIM = ssim(Ivdsr,Ireference)

bicubicSSIM = 0.9861

vdsrSSIM = 0.9878

使用自然图像质量评估(NIQE),NIQE的设计思路是基于构建一系列的用于衡量图像质量的特征,并且将这些特征用于拟合一个多元的高斯模型,NIQE实际上是衡量一张待测图像在多元分布上的差异。NIQE评分越小,表示感知质量越好。

bicubicNIQE = niqe(Ibicubic)
vdsrNIQE = niqe(Ivdsr)

bicubicNIQE = 5.1719

vdsrNIQE = 4.7463

计算尺度因子为 2、3 和 4 的整组测试图像的平均 PSNR 和 SSIM值,可以使用辅助函数superResolutionMetric计算平均指标。

superResolutionMetrics(net,testImages,scaleFactors);

Results for Scale factor 2

Average PSNR for Bicubic = 31.809683
Average PSNR for VDSR = 32.915853
Average SSIM for Bicubic = 0.938194
Average SSIM for VDSR = 0.953473

Results for Scale factor 3

Average PSNR for Bicubic = 28.170441
Average PSNR for VDSR = 28.802722
Average SSIM for Bicubic = 0.884381
Average SSIM for VDSR = 0.898248

Results for Scale factor 4

Average PSNR for Bicubic = 27.010839
Average PSNR for VDSR = 28.087250
Average SSIM for Bicubic = 0.861604
Average SSIM for VDSR = 0.882349

对于每个尺度因子,与双三次插值相比,VDSR 具有更好的指标分数。

参考文献

[1] Kim, J., J. K. Lee, and K. M. Lee. "Accurate Image Super-Resolution Using Very Deep Convolutional Networks." Proceedings of the IEEE® Conference on Computer Vision and Pattern Recognition. 2016, pp. 1646-1654.

[2] Grubinger, M., P. Clough, H. Müller, and T. Deselaers. "The IAPR TC-12 Benchmark: A New Evaluation Resource for Visual Information Systems." Proceedings of the OntoImage 2006 Language Resources For Content-Based Image Retrieval. Genoa, Italy. Vol. 5, May 2006, p. 10.

[3] He, K., X. Zhang, S. Ren, and J. Sun. "Delving Deep into Rectifiers: Surpassing Human-Level Performance on ImageNet Classification." Proceedings of the IEEE International Conference on Computer Vision, 2015, pp. 1026-1034.