CN110223254A - 一种基于对抗生成网络的图像去噪方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于对抗生成网络的图像去噪方法,其特征在于,包括如下步骤:第一步,进行数据集的准备;第二步,构建生成网络:生成网络的输入为噪声图像,提取噪声特征,并进行图像去噪处理;第三步,构建判别网络:判别网络的输入为不含噪声的清晰图像和生成网络生成的图像,然后进行判别;第四步,利用不含噪声的清晰图像和噪声图像,采用生成对抗的思想对生成对抗网络进行训练,得到训练后的图像去噪对抗生成网络,并保存训练完成的参数;所述生成对抗网络包括生成网络和判别网络;第五步,将噪声图像输入到已经训练好的生成网络中,即可得到去噪图像。本申请提出的方法不需要人为提取特征,减少了人工的干预,确保了去噪图像的质量。
Description
技术领域
本发明涉及计算机图形学与人工智能领域,具体说是一种基于对抗生成网络的图像去噪方法。
背景技术
图像在成像和传输过程中受到光电转换、数模转换以及环境噪声、信道噪声等问题的影响,会导致图像的质量变差。图像的噪声会影响图像信息的准确获取,从而会对图像目标检测、识别、图像分割等研究产生严重影响。尤其是随着社会的不断发展,各个领域都需要高质量的图像进行进一步的处理,如:安防、医学图像、工业检测等,图像的质量的高低对他们有决定性的作用。所以图像去噪具有重要的意义。
近年来有很多对图像去噪的尝试。最为典型的是采用空间域滤波、频率域滤波、傅里叶变换、小波域滤波的传统图像去噪方法。这些传统的方法只能针对图像的单一噪声进行去噪,同时需要手动调整算法,在实际应用中可行性较差。
随着深度学习神经网络技术在计算机图像处理领域的不断发展,越来越多的研究者将神经网络技术应用于图像去噪领域。通过采用自编码器、卷积神经网络、残差网络等应用于图像去噪中,取得了较好的效果。但是还存在着图像细节、纹理特征的恢复不足等问题,同时也只适用于特定的噪声,不能实现对图像的噪声盲去噪。
发明内容
为解决现有技术存在的上述缺点,本申请提供一种基于对抗生成网络的图像去噪方法,采用生成的思想,输入噪声图像和非噪声图像进行训练对抗生成网络,实现对图像的去噪。
为实现上述目的,本申请的技术方案为:一种基于对抗生成网络的图像去噪方法,包括如下步骤:
第一步,进行数据集的准备:将噪声图像和非噪声图像进行处理,并归一化到255*255的尺寸;
第二步,构建生成网络:生成网络的输入为噪声图像,提取噪声特征,并进行图像去噪处理;
第三步,构建判别网络:判别网络的输入为不含噪声的清晰图像和生成网络生成的图像,然后进行判别;
第四步,利用不含噪声的清晰图像和噪声图像,采用生成对抗的思想对生成对抗网络进行训练,得到训练后的图像去噪对抗生成网络,并保存训练完成的参数;所述生成对抗网络包括生成网络和判别网络;
第五步,将噪声图像输入到已经训练好的生成网络中,即可得到去噪图像。
进一步的,针对第二步的生成网络的构建,采用编码器和解码器架构作为生成网络,编码器输入的是噪声图像,大小为255*255,编码器包含5个向下采样层、批量规范化以及LReLu,每个向下采样层为一个卷积核为5×5步长为2的卷积层,编码得到向量;将编码得到的向量与噪声类别嵌入向量进行连接,噪声类别向量是一个64维的随机向量,使得网络在训练时能够更好的区分每种噪声;送到解码器,解码器包含5个向上采样层、批量规范化以及ReLu,每个向上采样层为一个卷积核为5×5步长为2的反卷积层,最终得到输出去噪的图像。为了减少编码过程中的图像特征损失,编码器与解码器的对应层进行跳跃连接。跳跃连接编码器和解码器的对应层。其中n为生成器网络层数,i为编码器层号,跳跃连接i层和n-i层。
进一步的,第三步中判别网络采用卷积神经网络结构,判别网络输入的是无噪声的图像以及由生成网络生成的去噪图像;判别网络的作用是需要分辨他们。判别网络采用3个级联的Conv-BN-LReLu网络结构,最后两层采用全连接神经网络,并采用sigmoid作为激活函数,输出为0到1的值,代表图片是真实的无噪声图片的概率。
进一步的,第四步在生成对抗网络的训练中,本发明结合使用对抗损失、像素匹配损失来衡量生成对抗网络生成的去噪图像与真实的无噪声图像y之间的差异,并更新网络参数;其中,如公式1所示,假设参考图像服从Pdata分布,通过与判别器D的博弈,生成器将噪声Pz生成Pdata,在模型的训练阶段,生成器尝试生成真实的结果去欺骗判别器,而判别器的目标是分辨生成结果与真实结果间的区别;Ladv代表判别网络对于生成图像与真实图像之间的判别损失;
其中,D(x)是判别器的结果,G(z)是生成器输出的结果。pdata表示真实样本分布。pinput表示噪声分布;
为了准确描述生成图像与真实图像的像素空间的相似程度,引入像素匹配损失函数,如公式2所示,其中:采用L1距离来度量生成图像与真实图像在像素空间的匹配程度;
其中,Gz代表生成器生成结果。
最后将2种损失函数组合起来,不同的损失函数具有不同的权重,采用加权求和的方式,图像去噪生成对抗网络的损失函数L如公式(3)所示
L=wadvLadv+w1L1 (3)
其中,wadv,w1为权重系数。
本发明由于采用以上技术方案,能够取得如下的技术效果:本申请提出的方法不需要人为提取特征,减少了人工的干预,确保了去噪图像的质量。
附图说明
图1为本申请的流程图;
图2为本申请的网络结构图;
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施中的技术方案进行清楚、完整的描述,可以理解的是,所描述的实例仅仅是本发明的一部分实例,而不是全部的实施例。基于本发明的实施例,本领域的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明的保护范围。
本发明提供了一种基于对抗生成网络通过条件生成对抗网络的图像去噪方法。通过构建对抗生成网络进行图像去噪,网络结构如图2所示。将噪声图像与样本图像输入到对抗网络中,采用生成对抗的训练思想训练对抗生成网络,获得训练好的神经网络。通过训练完成的神经网络,将噪声图像可转化为非噪声图像,并且很好的保存了图像的细节。
本发明流程图如图1所示,以及网络结构图如图2所示,具体实施步骤如下:
1调整训练数据集的图像大小,统一缩放到255*255尺寸。
2构建对抗生成网络,结构如图2所示。在训练神经网络过程中。将噪声图像输入到生成网络中,生成去除噪声的图像同时将非噪声图像与生成的去除噪声的图像输入到判别网络中,判别真伪,并计算损失函数。如公式(1)所示。对于判别网络而言,希望网络生成的去噪图像被判别出假的可能性越大越好。而生成网络希望生成的去噪图像被判别为真的可能性越大越好。所以生成网络最小化损失函数,而判别网络最大化损失函数,调整网络参数。
计算像素匹配损失函数,计算与非噪声图像的L1距离。
最后将2种损失函数组合起来,不同的损失函数具有不同的权重,采用加权求和的方式,如公式(3)所示
L=wadvLadv+w1L1 (3)
其中,wadv=1,w1=100。
网络训练完成之后,将噪声图像输入到生成网络中,即可生成非噪声图像。
Claims (4)
1.一种基于对抗生成网络的图像去噪方法,其特征在于,包括如下步骤:
第一步,进行数据集的准备:将噪声图像和非噪声图像进行处理,并归一化到255*255的尺寸;
第二步,构建生成网络:生成网络的输入为噪声图像,提取噪声特征,并进行图像去噪处理;
第三步,构建判别网络:判别网络的输入为不含噪声的清晰图像和生成网络生成的图像,然后进行判别;
第四步,利用不含噪声的清晰图像和噪声图像,采用生成对抗的思想对生成对抗网络进行训练,得到训练后的图像去噪对抗生成网络,并保存训练完成的参数;所述生成对抗网络包括生成网络和判别网络;
第五步,将噪声图像输入到已经训练好的生成网络中,即可得到去噪图像。
2.根据权利要求1所述一种基于对抗生成网络的图像去噪方法,其特征在于,针对第二步的生成网络的构建,采用编码器和解码器架构作为生成网络,编码器输入的是噪声图像,大小为255*255,编码器包含5个向下采样层、批量规范化以及LReLu,每个向下采样层为一个卷积核为5×5步长为2的卷积层,编码得到向量;将编码得到的向量与噪声类别嵌入向量进行连接,噪声类别向量是一个64维的随机向量,送到解码器,解码器包含5个向上采样层、批量规范化以及ReLu,每个向上采样层为一个卷积核为5×5步长为2的反卷积层,最终得到输出去噪的图像。
3.根据权利要求1所述一种基于对抗生成网络的图像去噪方法,其特征在于,第三步中判别网络采用卷积神经网络结构,判别网络输入的是无噪声的图像以及由生成网络生成的去噪图像;判别网络采用3个级联的Conv-BN-LReLu网络结构,最后两层采用全连接神经网络,并采用sigmoid作为激活函数,输出为0到1的值,代表图片是真实的无噪声图片的概率。
4.根据权利要求1所述一种基于对抗生成网络的图像去噪方法,其特征在于,第四步在生成对抗网络的训练中,本发明结合使用对抗损失、像素匹配损失来衡量生成对抗网络生成的去噪图像与真实的无噪声图像y之间的差异,并更新网络参数;其中,如公式1所示,假设参考图像服从Pdata分布,通过与判别器D的博弈,生成器将噪声Pz生成Pdata,Ladv代表判别网络对于生成图像与真实图像之间的判别损失;
Ladv=Ex∈pdata[logD(x)]+Ez∈pinput[log(1-D(G(z))](1)
其中,D(x)是判别器的结果,G(z)是生成器输出的结果;pdata表示真实样本分布;pinput表示噪声分布;
引入像素匹配损失函数,如公式2所示,其中:采用L1距离来度量生成图像与真实图像在像素空间的匹配程度;
其中,Gz代表生成器生成结果;
最后将2种损失函数组合起来,不同的损失函数具有不同的权重,采用加权求和的方式,图像去噪生成对抗网络的损失函数L如公式(3)所示
L=wadvLadv+w1L1(3)
其中,wadv,w1为权重系数。
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