CN110189253B - 一种基于改进生成对抗网络的图像超分辨率重建方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于改进生成对抗网络的图像超分辨率重建方法,包括如下步骤:1)收集大量2k像素高质量图片,从中截取大量HR块,通过4倍下采样的方式得到对应的LR块,以此构建训练数据集。2)建立生成对抗网络模型,生成器网络G采用残差网络,条件判别器D同样采用残差网络。3)用相对判别器的思想改进生成对抗网络的训练损失函数,并在生成器损失函数中加入内容损失,在判别器损失函数中加入基于假数据的梯度惩罚项,再使用处理好的的训练数据集并采用Adam优化器对网络进行对抗训练,直到其收敛。4)由训练好的生成器网络完成对低像素图像的4倍超分辨率重建。
Description
技术领域
本发明涉及图像处理和人工智能领域,特别涉及一种基于改进生成对抗网络的图像超分辨率重建方法。
背景技术
单幅图像超分辨率(Single Image Super-Resolution,SISR)是图像处理和计算机视觉领域中最难,最具有挑战性的技术之一。它的目标是将一幅低分辨率的图片(LR)重建成一幅高质量的高分辨图片(HR)。
在大量的电子图像应用领域,人们往往希望能得到高分辨率图像。高分辨率意味着图像中的像素密度高,能够提供更多的细节,而这些细节在许多实际应用中不可或缺。例如,高分辨率医疗图像对于医生做出正确的诊断是非常有帮助的;使用高分辨率卫星图像就很容易从相似物中区别相似的对象;如果能够提供高分辨的图像,计算机视觉中的模式识别的性能就会大大提高。因此,图像超分辨重建因其广泛的应用和实际的意义受到了越来越多研究人员的重视。
传统的图像超分辨率重建方法主要有基于插值的方法,基于重建的方法:凸集投影法(POCS)、迭代反投影法(IBP)、贝叶斯分析方法等,以及基于传统机器学习的方法:Exempble-based方法,支持向量回归方法等。然而,由于大量细节丢失,过于模糊等原因,传统方法在许多时候依然无法重建出令人们满意的高分辨率图像。近年来,随着人工智能技术的发展,深度学习的方法被广泛应用到图像超分辨率重建中。基于深度学习的超分辨率重建通过卷积神经网络(CNN)直接学习低分辨率图像到高分辨率图像的端到端的映射函数。Dong等人提出了基于卷积神经网络的超分辨率重建(SRCNN),是首个基于深度学习的图像超分辨率重建方法,以端对端的方法学习LR到HR之间的非线性映射关系;Kim等人受VGG网络启发提出一种非常深的卷积网络(VDSR)来得到高准确性的重建方法,该网络达到20层,为了加速收敛速度,使用非常高的学习率,运用残差学习与梯度裁剪来解决梯度爆炸问题;Ledig等人在2017年将生成式对抗网络(GAN)用于SISR问题,提出了一种超分辨率生成对抗网络(SRGAN),实验表明该方法能够恢复出更多的高频细节。
尽管这些基于深度神经网络的超分辨率方法在图像重建质量上取得了很大的突破,但仍有许多不足之处。不采用对抗训练的深度神经网络(如:SRCNN,VDSR)会使得重建出的图像过于平滑,不符合人类对自然图片的感知。采用对抗神经网络的方法(如:SRGAN),能够解决重建图像过于平滑的问题,更符合人类对自然图片的感知,但由于GAN训练非常不稳定的原因,使得重建出的图片出现噪声,影响了图片质量,降低了网络的泛化性能。
发明内容
本发明要克服现有技术的上述不足,提出一种基于改进生成对抗网络的图像超分辨率重建方法。
本发明设计了基于残差网络的生成器网络和条件判别器网络。通过基于假数据的梯度正则化项(L.Mescheder,A.Geiger and S.Nowozin.Which Training Methods forGANs do actually Converge?.In International Conference on Machine Learning,2018.)对判别器进行惩罚,解决生成对抗网络训练不稳定对重建图片造成的影响,保证重建图像质量。用相对判别器(A.Jolicoeur-Martineau.The relativistic discriminator:a key element missing from standard GAN.arXiv preprint arXiv:1807.00734,2018.)的理论改进训练损失函数,使重建图像具有更丰富的细节和更锐利的边缘。
实现本发明目的的技术方案是:
一种基于改进生成对抗网络的图像超分辨率重建方法,其特征包括以下步骤:
步骤1.收集大量2k像素高质量图片,从中截取大量HR图片块,通过4倍下采样的方式得到对应的LR图片块,以此构建训练数据集;
步骤2.建立生成对抗网络模型,生成器网络G采用残差网络,条件判别器D同样采用残差网络,并移除残差块中的归一化(BN)层;
生成器网络G采用残差网络的结构,条件判别器D同样采用残差网络结构,并均移除残差块中的归一化(BN)层;生成器网络G具有B1个相同结构的残差块;根据条件生成对抗网络(Conditional GAN),判别器网络D包含两个输入,一个是HR图像,另一个是生成器生成的超分辨图像(SR);使用kernel size=2和stride=2的两个卷积层对HR图像进行两次下采样,提取特征图,然后将其与从LR图像中提取的特征图连接起来,并在四次下采样之后将它们馈送到残差块;在判别器网络的最后,对特征映射进行平滑处理,利用全连接层进行logits运算;值得注意的是,由于训练时采用梯度惩罚,可以从判别器网络的残差块中去除BN层,并且使用LeakyReLU层来避免稀疏梯度;用B1和B2分别是产生器和判别器网络中的残差块数,用nF表示滤波器数;
步骤3.用相对判别器的思想改进了生成对抗网络的训练损失函数,并在生成器损失函数中加入内容损失,在判别器损失函数中加入基于假数据的梯度惩罚项;再使用处理好的的训练数据集并采用Adam优化器对网络进行对抗训练,直到其收敛;
通过相对判别器来改进生成对抗网络的损失函数,相对判别器用于估计真实数据比生成的假数据更真实的概率或程度,通常的判别器是f(D(x)),而相对论判别器则被定义为f(D(xr)-D(xf)),其中f是实值函数,(xr,xf)是真/假数据对;相对判别器将学会区分“真实图像是否比生成的假图像更真实”而不是“一个图像是真实还是假的”;根据相对判别器的思想,可以定义:
其中f(t)=-log(1+exp(-t)),表示参数为θG的生成器网络,/>表示参数为θD的生成器网络,IHR表示训练图片中的高分辨率图片,通过r倍下采样得到对应低分辨率图片ILR。具有C个色彩通道的ILR可以由尺寸为C×W×H的张量表示(W,H分别表示ILR的宽度和高度),那么IHR的尺寸可以写成C×rW×rH,参数r设置为4;
使用Charbonnier损失作为内容损失,Charbonnier损失是L1范式的可微变体;因此,整体内容损失函数定义为:
使用假数据的梯度来惩罚判别器损失,从而稳定GAN训练,保证重建图像质量;梯度正则化项写为:
该正则化器以当前生成器的假数据分布惩罚了判别器的梯度;
步骤4.由训练好的生成器网络完成对低像素图像的端到端超分辨率重建。
进一步,所述步骤1的训练数据集中截取的HR图片块分辨率为256×256,对应下采样后的LR图片块分辨率为64×64。
进一步,所述步骤3中训练网络时,将训练图片归一化至-1到1之间。
本发明的优点是:
1、本发明设计合理,将生成对抗网络应用于图像超分辨率重建,设计了基于简化残差网络的生成器网络和条件判别器网络。生成器网络有足够的潜力完成四倍的超分辨率图像重建,对抗的过程鼓励生成的样本以更高的概率朝向包含真实感图像的搜索空间的区域移动,从而使生成的结果更接近自然图像的流形。
2、本发明采用了一种基于假数据的梯度惩罚方法对判别器进行惩罚,极大的改善了GAN训练的稳定性,从而保证了高质量的图像重建。此外,通过相对判别器理论对训练损失函数进行改进,使重建图像具有更丰富的细节和更锐利的边缘。
附图说明
图1为本发明中的生成对抗网络示意图。
图2为本发明中的生成对抗网络结构图。
图3(a)为Set5数据集002号图的原图。
图3(b)为本发明中不采用基于假数据的梯度惩罚且使用标准判别器的方法在Set5数据集002号图上的重建结果。
图3(c)为本发明中采用了基于假数据的梯度惩罚且使用标准判别器的方法在Set5数据集002号图上的重建结果。
图4(a)为div2数据集0869号图的局部放大位置标记图。
图4(b)为div2数据集0869号图局部位置的原图。
图4(c)为本发明中采用了基于假数据的梯度惩罚且使用标准判别器的方法在div2数据集0869号图的重建结果。
图4(d)为本发明在div2数据集0869号图的重建结果。
图5(a)为div2数据集0828号图的局部放大位置标记图。
图5(b)为div2数据集0828号图的局部原图。
图5(c)为发明中采用了基于假数据的梯度惩罚且使用标准判别器的方法在div2数据集0828号图的局部重建结果。
图5(d)为本发明采用了基于假数据的梯度惩罚且使用相对判别器改进后在div2数据集0828号图的局部重建结果。
图6(a)为BSD100数据集098号图的局部放大位置标记图。
图6(b)为BSD100数据集098号图的局部原图。
图6(c)为发明中采用了基于假数据的梯度惩罚且使用标准判别器的方法在BSD100数据集098号图的局部重建结果。
图6(d)为本发明采用了基于假数据的梯度惩罚且使用相对判别器改进后在BSD100数据集098号图的局部重建结果。
图7为本发明中训练过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图,进一步说明本发明的技术方案。
一种基于改进生成对抗网络的图像超分辨率重建方法,包括如下步骤:
步骤1.取div2k图片数据集(Timofte.Ntire 2017challenge on single imagesuper-resolution:Dataset and study.In IEEE Conference on Computer Vision andPattern Recognition Workshops,2017.)中的800张不同的2k像素训练图片,从每张图片中的随机位置截取256×256大小的HR块,通过4倍下采样的方式得到对应64×64大小的LR块,以此构建训练数据集。
步骤2.根据图2所示,建立生成对抗网络模型,生成器网络G具有B1个相同结构的残差块,判别器网络D的结构也如图2所示,根据条件生成对抗网络(Conditional GAN),判别器网络D包含两个输入,一个是HR图像,另一个是生成器生成的超分辨图像(SR)。使用kernel size=2和stride=2的两个卷积层对HR图像进行两次下采样,提取特征图,然后将其与从LR图像中提取的特征图连接起来,并在四次下采样之后将它们馈送到残差块。在判别器的最后,对特征映射进行平滑处理,利用全连接层进行logits运算。在本实施例中,设定B1=24,B2=48,nF=32。
步骤3.用相对判别器的理论改进了生成对抗网络的损失函数,并在生成器网络G的训练损失函数中加入内容损失,在判别器网络的训练损失函数中加入基于假数据的梯度惩罚项,所有训练图片被归一化到-1和1之间,并采用Adam方法对网络进行对抗训练,得到超分辨率生成器。本实施例中,参数损失函数中的α和γ分别设为2E-3和20,交替训练生成器和判别器,直到其收敛使用ADAM优化器训练网络,其中β1=0.9,β2=0.999。
步骤4.由训练好的生成器网络完成对低像素图像的4倍超分辨率重建,将公开图片数据集Set5(M.Bevilacqua,A.Roumy,C.Guillemot and M.L.Alberi-Morel.Low-complexity single-image super-resolution based on nonnegative neighborembedding,BMVC,2012.),Set14(R.Zeyde,M.Elad and M.Protter.On single imagescale-up using sparse-representations.In International Conference on Curvesand Surfaces,2010.),BSD100(D.Martin,C.Fowlkes,D.Tal and J.Malik.A database ofhuman segmented natural images and its application to evaluating segmentationalgorithms and measuring ecological statistics.In IEEE InternationalConference on Computer Vision,2001.),Urban100(J.B.Huang,A.Singh andN.Ahuja.Single image super-resolution from transformed self-exemplars.In IEEEConference on Computer Vision and Pattern Recognition,2015.)中的图片,以及100张div2k中的验证集图片进行4倍的下采样后,再通过训练好的生成器网络G对其进行4倍的超分辨率重建。
为了说明本发明的优越性,本实施例的重建结果如图3(a)~图3(c),图4(a)~图4(d),图5(a)~图5(d)和图6(a)~图6(d)所示。如图3(b)所示,没有使用梯度惩罚的方法由于训练不稳定,得到的重建图像会出现很多噪声,严重影响图像质量。如图7所示,没有使用梯度惩罚的方法SSRGAN训练不稳定,造成了内容损失波动,使用了梯度惩罚的方法SSRGAN-GP能够保持训练过程的稳定,从而保证了图像的重建质量(如图3(c)所示)。进一步,根据图4(c),图5(c)和图6(c)与图4(d),图5(d)和图6(d)的比较,使用相对判别器改进后的方法能使重建的图像具有更锐利的边缘,恢复更多细节内容。
Claims (3)
1.一种基于改进生成对抗网络的图像超分辨率重建方法,包括以下步骤:
步骤1.收集大量2k像素高质量图片,从中截取大量HR图片块,通过4倍下采样的方式得到对应的LR图片块,以此构建训练数据集;
步骤2.建立生成对抗网络模型,生成器网络G采用残差网络,条件判别器D同样采用残差网络,并移除残差块中的归一化BN层;
生成器网络G采用残差网络的结构,条件判别器D同样采用残差网络结构,并均移除残差块中的归一化BN层;生成器网络G具有B1个相同结构的残差块;根据条件生成对抗网络Conditional GAN,判别器网络D包含两个输入,一个是HR图像,另一个是生成器生成的超分辨图像SR;使用kernel size=2和stride=2的两个卷积层对HR图像进行两次下采样,提取特征图,然后将其与从LR图像中提取的特征图连接起来,并在四次下采样之后将它们馈送到残差块;在判别器网络的最后,对特征映射进行平滑处理,利用全连接层进行logits运算;值得注意的是,由于训练时采用梯度惩罚,从判别器网络的残差块中去除BN层,并且使用LeakyReLU层来避免稀疏梯度;用B1和B2分别是产生器和判别器网络中的残差块数,用nF表示滤波器数;
步骤3.用相对判别器的思想改进了生成对抗网络的训练损失函数,并在生成器损失函数中加入内容损失,在判别器损失函数中加入基于假数据的梯度惩罚项;再使用处理好的训练数据集并采用Adam优化器对网络进行对抗训练,直到其收敛;
通过相对判别器来改进生成对抗网络的损失函数,相对判别器用于估计真实数据比生成的假数据更真实的概率或程度,通常的判别器是f(D(x)),而相对论判别器则被定义为f(D(xr)-D(xf)),其中f是实值函数,(xr,xf)是真/假数据对;相对判别器将学会区分“真实图像是否比生成的假图像更真实”而不是“一个图像是真实还是假的”;根据相对判别器的思想,定义:
其中f(t)=-log(1+exp(-t)),表示参数为θG的生成器网络,/>表示参数为θD的生成器网络,IHR表示训练图片中的高分辨率图片,通过r倍下采样得到对应低分辨率图片ILR;具有C个色彩通道的ILR由尺寸为C×W×H的张量表示,W,H分别表示ILR的宽度和高度,那么IHR的尺寸写成C×rW×rH,参数r设置为4;
使用Charbonnier损失作为内容损失,Charbonnier损失是L1范式的可微变体;因此,整体内容损失函数定义为:
使用假数据的梯度来惩罚判别器损失,从而稳定GAN训练,保证重建图像质量;梯度正则化项写为:
步骤4.由训练好的生成器网络完成对低像素图像的端到端超分辨率重建。
2.根据权利要求1所述的一种基于改进生成对抗网络的图像超分辨率重建方法,其特征在于:所述步骤1的训练数据集中截取的HR图片块分辨率为256×256,对应下采样后的LR图片块分辨率为64×64。
3.根据权利要求1所述的一种基于改进生成对抗网络的图像超分辨率重建方法,其特征在于:所述步骤3中训练网络时,将训练图片归一化至-1到1之间。
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