陳旭彪

（福建捷聯(lián)電子有限公司，福建 福州 350300）

0 引 言

近幾年，基于深度學(xué)習(xí)的圖像超分辨率重建算法為了追逐重建圖像客觀質(zhì)量評價指標(biāo)，研究者們設(shè)計出大量精妙的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[1-5]，但這些網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)大體上都是增加卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度或?qū)挾?，從最初網(wǎng)絡(luò)深度僅有3層的SRCNN，發(fā)展到首次引入殘差網(wǎng)絡(luò)達(dá)到20層深度的VDSR，再到80層的超深記憶性網(wǎng)MemNet[6]。盡管這些算法在一定程度上提升了圖像的重建質(zhì)量，卻大幅度增加了網(wǎng)絡(luò)模型消耗的內(nèi)存容量及網(wǎng)絡(luò)前向推理的計算量。另外一個問題是，如VDSR、SRResNet等算法，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用了直接級聯(lián)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)中每層輸出的特征圖會被不加區(qū)分地輸入到下一層，無法判斷圖像特征的重要程度。

針對以上兩個問題，本文在雙向生成對抗壓縮網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，提出了一種輕量高效的基于注意力機(jī)制的雙向生成對抗壓縮網(wǎng)絡(luò)（ADSRGAN）。本文所提出的算法引入了深度可分離卷積層及混合注意力機(jī)制，在保證圖像超分辨率重建質(zhì)量的同時加快了網(wǎng)絡(luò)模型重建速度。

1 雙向生成對抗網(wǎng)絡(luò)弱監(jiān)督算法

本文的雙向生成對抗網(wǎng)絡(luò)旨在解決現(xiàn)實生活中模糊圖像超分辨率重建問題。該算法框架如圖1所示，包括兩個生成對抗網(wǎng)絡(luò)，分別為重建網(wǎng)絡(luò)（Low-to-High）和下采樣網(wǎng)絡(luò)（High-to-Low）。

圖1 雙向?qū)股删W(wǎng)絡(luò)

1.1 下采樣網(wǎng)絡(luò)

圖像超分辨率重建面臨的最大問題是缺乏真實的數(shù)據(jù)集，即低分辨率的噪聲圖像和相應(yīng)的高分辨率圖像。生成用于訓(xùn)練的圖像對的困難主要來自兩方面，一方面是對低分辨率（LR）圖像進(jìn)行建模和仿真，另一方面是生成像素相對應(yīng)的低分辨圖像。為了解決這兩個問題，本文提出了下采樣網(wǎng)絡(luò)（H2L），低分辨率圖片產(chǎn)生的方式為：

式中：LR表示生成的低分辨率圖片，HR表示清晰的高分辨率圖片，θ1表示網(wǎng)絡(luò)要學(xué)習(xí)的參數(shù)。

下采樣網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。高分辨率圖片首先經(jīng)過一個卷積層和ReLU激活函數(shù)層提取圖像低層特征，然后將提取的低層特征輸入到后面8個殘差塊中。每個殘差塊包含兩層卷積層和一層激活函數(shù)層，相比于SRGAN的殘差塊，本文設(shè)計的殘差塊遵循EDSR[7]去除了歸一化層以減少網(wǎng)絡(luò)參數(shù)量并加快網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練速度。每兩個殘差塊間的設(shè)計運(yùn)用ResNet中的跳躍連接（Short-Cut）方式，同時將低層特征與殘差塊輸出的高層特征進(jìn)行融合操作，促使網(wǎng)絡(luò)模擬生成更逼真的、帶噪聲的低分辨率圖片。最后，融合的特征圖經(jīng)過卷積層和亞像素卷積層生成低分辨率圖片。

圖2 下采樣網(wǎng)絡(luò)

下采樣網(wǎng)絡(luò)的損失函數(shù)由兩部分組成，分別為生成對抗網(wǎng)絡(luò)的對抗損失及結(jié)構(gòu)感知損失。下采樣網(wǎng)絡(luò)的生成器生成的低分辨率圖片需要騙過判別器，因此產(chǎn)生了對抗損失函數(shù)。為了保證雙向生成對抗網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的穩(wěn)定性，本文引入了WGAN的對抗損失函數(shù)，其定義為：

式中：D表示下采樣網(wǎng)絡(luò)的判別器，G代表下采樣網(wǎng)絡(luò)的生成器，N代表了圖像的數(shù)量。

為了保護(hù)生成的圖像與原圖像之間的空間結(jié)構(gòu)信息不發(fā)生改變，本文引入了用于風(fēng)格遷移工作的結(jié)構(gòu)感知損失函數(shù)，其定義為：

式中：N代表了圖像塊的數(shù)量，P表示VGG網(wǎng)絡(luò)的卷積層的特征圖，y是生成的低分辨率圖片，x是輸入的高分辨率圖片。在計算損失的時候，圖片會被裁剪到同一尺寸。

1.2 重建網(wǎng)絡(luò)

本文提出的重建網(wǎng)絡(luò)（L2H）實現(xiàn)了低分辨率圖像超分辨率，可以描述為：

式中：HR表示重建的超分辨率圖片，LR表示輸入的低分辨率圖片，θ2表示重建網(wǎng)絡(luò)要學(xué)習(xí)的參數(shù)。

重建網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3所示，和下采樣網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)類似。低分辨率圖片首先經(jīng)過一個卷積層和ReLU激活函數(shù)層以提取圖像的低層特征。低層特征經(jīng)過20層殘差塊學(xué)習(xí)高分辨率圖片的高頻細(xì)節(jié)部分，最后將融合了低層和高層的特征圖輸入到亞像素卷積層進(jìn)行圖像超分辨重建。反卷積層利用亞像素卷積層替代經(jīng)典的轉(zhuǎn)置卷積，以避免重建圖像出現(xiàn)棋盤效應(yīng)和邊緣模糊。

圖3 重建網(wǎng)絡(luò)

重建網(wǎng)絡(luò)的損失函數(shù)由3部分組成，分別為生成網(wǎng)絡(luò)的對抗損失、結(jié)構(gòu)感知損失和L1像素?fù)p失組成。其中，對抗損失及結(jié)構(gòu)感知損失與下采樣一致。L1像素?fù)p失的定義為：

式中：N表示圖像塊數(shù)量，y表示重建的超分辨率圖像，x表示真實的標(biāo)簽高分辨率圖片。

2 深度可分離卷積和自注意力機(jī)制

2.1 深度可分離卷積

隨著人工智能產(chǎn)品落地需求的產(chǎn)生，訓(xùn)練輕量高效的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逐漸成為研究者關(guān)注的焦點(diǎn)。輕量級神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的設(shè)計一般通過減少網(wǎng)絡(luò)中參數(shù)數(shù)量、減少網(wǎng)絡(luò)模型前向推理計算量等方法實現(xiàn)。2017年，針對減少網(wǎng)絡(luò)模型計算量這一問題，Google公司的Sifre等人提出了輕量級小型化網(wǎng)絡(luò)MobileNetV1[8]，其最重要的創(chuàng)新就是提出了使用深度可分離卷積代替標(biāo)準(zhǔn)卷積操作，該算法在保證圖像分類精度的同時大大減少了網(wǎng)絡(luò)的計算量，并實現(xiàn)了將基于MobileNet網(wǎng)絡(luò)的圖像分類應(yīng)用部署在移動平臺端。

深度可分離卷積層把普通卷積拆分為深度卷積（Depthwise Convolution）與逐點(diǎn)卷積（Pointwise Convolution）兩部分，它屬于因式分解卷積的一類。傳統(tǒng)卷積操作如圖4所示。若輸入圖片是5×5像素大小且通道數(shù)為3的彩色圖片，經(jīng)過卷積核大小為3×3的傳統(tǒng)卷積層（假設(shè)該層卷積層包含4個濾波器），最終將輸出5×5×4大小的特征圖。該普通卷積操作中包含的參數(shù)量為3×3×3×4，計算量為3×3×4×3×5×5。若傳統(tǒng)卷積層將特征圖為DH×DW×M作為輸入，經(jīng)傳統(tǒng)卷積操作后其輸出尺寸為DH×DW×N（假設(shè)卷積過程中添加了Same Padding，即輸入輸出寬高保持不變），其中DH表示輸入特征圖的高，DW表示的輸入特征圖的寬，M和N分別代表了輸入通道數(shù)和輸出通道數(shù)。最終可得出該傳統(tǒng)卷積的參數(shù)量為DK×DK×M×N，DK代表卷積操作中卷積核的尺寸，總計算量為DK×DK×M×N×DH×DW。

圖4 傳統(tǒng)卷積示意圖

深度卷積操作與傳統(tǒng)卷積操作最大差異之處在于前者的一個卷積核只負(fù)責(zé)一個通道。具體來說，深度卷積一個通道與一個卷積核做運(yùn)算，而傳統(tǒng)卷積的每個卷積核都需要同時與每個通道做運(yùn)算，深度卷積如圖5所示。與傳統(tǒng)卷積計算類似，深度卷積的參數(shù)量為DK×DK×M，計算量為DK×DK×M×DW×DH。從計算量及參數(shù)量對比可知，深度卷積操作比傳統(tǒng)卷積更為高效，但經(jīng)深度卷積操作后輸出的特征圖的數(shù)量與通道數(shù)的數(shù)量一致，且特征在卷積過程中無法組合不同通道的圖像特征，因此需要逐點(diǎn)卷積來融合不同通道間 的信息。

圖5 深度卷積示例圖

逐點(diǎn)卷積操作的原理與傳統(tǒng)卷積原理是相同的，但是其卷積核的尺寸是固定的1×1×M大小，M代表上一層輸出特征圖的通道數(shù)。逐點(diǎn)卷積的實質(zhì)是對上一步深度卷積產(chǎn)生的特征圖進(jìn)行深度上的加權(quán)融合，產(chǎn)生具有信息交融的特征圖，其原理如圖6所示。與傳統(tǒng)卷積類似，逐點(diǎn)卷積的參數(shù)量為1×1×M×N，計算量為M×N×DH×DW。

圖6 逐點(diǎn)卷積示例圖

綜上所述，深度可分離卷積可分解為提取特征和組合特征兩部分，相對于傳統(tǒng)卷積而言，其計算量和參數(shù)量的對比為：

式中：N表示輸出通道數(shù)，其數(shù)值一般很大，DK表示卷積核的尺寸。因此，如果卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)使用3×3大小的卷積核，深度可分離卷積操作可將網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)量及計算量減少到1/8至1/9，而相應(yīng)的代價是網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測精度輕微下降。本文所提出的算法中，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的卷積操作將利用深度可分離卷積操作代替。

2.2 自注意力機(jī)制

自注意力機(jī)制（Self-attention Mechanism）來源于人類感知神經(jīng)學(xué)科。自注意力機(jī)制是指在人類感知視覺中，由于大腦處理信息的能力具有一定瓶頸，人腦會選擇性地關(guān)注一部分重要的信息，忽略一些無關(guān)緊要的信息。自2014年Mnih等人將自注意力機(jī)制引入進(jìn)計算機(jī)視覺領(lǐng)域獲取目標(biāo)任務(wù)效果提升，自注意力機(jī)制開始受到科研人員的廣泛關(guān)注。2014年，Bahdanau[9]將自注意力機(jī)制與機(jī)器翻譯相結(jié)合。圖像超分辨率重建屬于低層計算機(jī)視覺領(lǐng)域，其核心任務(wù)是恢復(fù)圖像中的高頻細(xì)節(jié)，而重建的高分辨率圖像與低分辨率圖像存在相似圖案，因此可引入自注意力機(jī)制，將更多的精力用于恢復(fù)丟失的高頻細(xì)節(jié)，使重建圖像更符合人眼視覺效果。本文將引入自注意力機(jī)制，與雙向生成對抗網(wǎng)絡(luò) 相結(jié)合。

在圖像處理領(lǐng)域中，常用的注意力機(jī)制包括硬（Hard）注意力機(jī)制及軟（Soft）注意力機(jī)制。硬注意力機(jī)制（Hard Attention）通常只選擇對目標(biāo)任務(wù)最重要的某些特征，將其他未被選擇的特征忽略。硬注意力機(jī)制在一定程度上對減少網(wǎng)絡(luò)計算量有益，但更大的劣勢是原圖像中的部分信息將丟失。在圖像超分辨率重建中，低分辨率圖像中的所有像素對重建圖像都是有影響的。因此，硬注意力機(jī)制在圖像超分辨率重建任務(wù)中并不適用。軟注意力機(jī)制（Soft Attention）相對于硬注意機(jī)制而言，采用了根據(jù)圖像特征的重要性來分配權(quán)重的方式。軟注意力機(jī)制考慮到所有的圖像特征，符合圖像超分辨率重建任務(wù)的原始出發(fā)點(diǎn)，因此本文將軟注意力機(jī)制與雙向?qū)股删W(wǎng)絡(luò)結(jié)合。

軟注意力機(jī)制在計算機(jī)視覺應(yīng)用領(lǐng)域中又分為通道注意力機(jī)制及位置注意力機(jī)制，本文使用的是通道注意力機(jī)制。在深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練過程中，訓(xùn)練集中的輸入圖像通過若干層卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，最終將得到多張不同的特征圖（Feature Map）。通道注意力機(jī)制主要關(guān)注的是不同通道之間的關(guān)聯(lián)性。具體來說，通道注意力機(jī)制會賦予每張?zhí)卣鲌D不同的權(quán)重，其原理如圖7所示。輸入特征圖首先需改變特征維度，其次經(jīng)過全局平均池化層獲取單個通道C的初始權(quán)重。兩層全連接層分別對通道進(jìn)行下采樣和上采樣操作以提升網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)通道特征的能力，同時Sigmoid激活函數(shù)將通道權(quán)重歸一化得到通道注意力特征圖，最后將通道注意力特征圖與輸入特征圖加權(quán)相乘。

圖7 通道注意力機(jī)制

3 基于注意力機(jī)制的雙向生成對抗壓縮網(wǎng)絡(luò)（ADSRGAN）模型結(jié)構(gòu)

本文提出的基于注意力機(jī)制的雙向生成對抗壓縮網(wǎng)絡(luò)（ADSRGAN）在雙向?qū)股删W(wǎng)絡(luò)模型引入了深度可分離卷積層和混合注意力機(jī)制。

（1）利用深度可分離卷積層代替普通卷積層。將重建網(wǎng)絡(luò)及下采樣網(wǎng)絡(luò)中的普通卷積層替換成深度可分離殘差層，深度可分離殘差模塊如圖8 所示。

圖8 深度可分離殘差模塊

（2）引入混合注意力機(jī)制。為了不增加重建網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)量，本文算法僅在下采樣網(wǎng)絡(luò)的殘差塊中引入通道注意力模塊，并在下采樣網(wǎng)絡(luò)的降采樣層引入位置自注意力模塊，促使生成的低分辨率圖片更貼近于現(xiàn)實生活。引入混合注意力的下采樣網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 引入混合注意力的下采樣網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

4 實驗結(jié)果及分析

為了驗證本文提出的基于注意力機(jī)制的雙向生成對抗壓縮網(wǎng)絡(luò)算法（ADSRGAN）的有效性，將本文算法的重建模型與其他基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的單幅圖像超分辨率重建方法進(jìn)行比較。這些方法是專門為基于雙三次插值退化的超分辨率設(shè)計的，比如SRCNN、SRGAN、ESGANG等。

本文提出的ADSRGAN算法與其他算法在測試集Urban100上基于i7 8700 CPU的重建速度對比結(jié)果如表1所示。由表1可知，本文提出的算法重建效率比SRGAN提升近5倍。

表1 本文方法與其他重建算法時間對比

本文提出的ADSRGAN算法與其他算法在測試集Urban100、DIV2K及數(shù)據(jù)集RMSR上的峰值信噪比（Peak Signal to Noise Ratio，PSNR）對比結(jié)果如表2所示。所有算法在測試集Urban100、DIV2K上的測試過程為：首先對測試集中全部圖像運(yùn)用雙三次插值方法進(jìn)行4倍的下采樣，其次將下采樣得到的低分辨率圖像輸入進(jìn)不同的重建模型中得出重建結(jié)果。在Urban100、DIV2K數(shù)據(jù)集上，本文的ADSRGAN算法相對于ESRGAN算法，PSNR值分別提升了0.05 dB、0.06 dB，在真實生活數(shù)據(jù)集RMSR上，本文算法的PSNR值相比于其他算法平均提升了1.51 dB。由實驗數(shù)據(jù)定量分析可知，本文設(shè)計的壓縮算法比雙向生成對抗網(wǎng)絡(luò)算法精度略微下降一點(diǎn)，仍優(yōu)于其他基于生成對抗網(wǎng)絡(luò)的超分辨率重建算法。

表2 不同重建算法在不同數(shù)據(jù)集上的PSNR結(jié)果對比（單位：dB）

本文提出的ADSRGAN算法與其他算法在測試集Urban、DIV2K及數(shù)據(jù)集RMSR上的結(jié)構(gòu)相似性（Structural Similarity，SSIM）對比結(jié)果如表3所示。在Urban100數(shù)據(jù)集上，ADSRGAN算法相對于ESRGAN算法平均SSIM值提升了0.009 5；在DIV2K測試集上，平均SSIM值提升了0.021；在RMSR測試集上，平均SSIM值提升了0.012。由實驗數(shù)據(jù)定量分析可知，本文設(shè)計的壓縮算法比雙向生成對抗網(wǎng)絡(luò)算法精度略微下降一點(diǎn)，但仍優(yōu)于其他基于生成對抗網(wǎng)絡(luò)的超分辨率重建算法。

表3 本文方法與其他重建算法的SSIM

基于測試集Urban100、DIV2K上的圖片，分別對各種深度學(xué)習(xí)模型進(jìn)行超分辨率重建的結(jié)果對比如圖10和圖11所示。從重建圖像的對比結(jié)果可看出，雙三次插值算法的重建效果最模糊，SRGAN算法會產(chǎn)生偽影，ESRGAN算法在邊緣部分也會有一些較少的偽影部分出現(xiàn)。本文的ADSRGAN算法重建的圖像細(xì)節(jié)清晰，邊緣明顯，與原圖最為相近。

圖10 本文算法與其他算法在Urban100測試集上的對比

圖11 本文算法與其他方法在DIV2K測試集上的對比

圖12 為Real-World數(shù)據(jù)集中的禁止抽煙測試圖像，通過對比各模型超分辨率重建結(jié)果圖可以看出，本文提出的算法在人眼感知視覺的效果最好，邊界明顯、細(xì)節(jié)清晰，與原始高分辨率圖像最相近。

圖12 現(xiàn)實世界圖像的重建結(jié)果對比

綜上所述，本文提出的基于注意力機(jī)制的雙向?qū)股蓧嚎s網(wǎng)絡(luò)重建算法可處理現(xiàn)實世界模糊、低分辨率圖像并重建出視覺良好、細(xì)節(jié)豐富的高分辨率圖片，同時，本文設(shè)計的壓縮網(wǎng)絡(luò)在i7 8700 CPU上對Urban100測試集中的圖像放大4倍時，重建速度比SRGAN算法提升了約5倍。

5 結(jié) 語

本文介紹了注意力機(jī)制及深度可分離卷積的基本概念及主要特性。由于注意力機(jī)制在自然語言處理領(lǐng)域方向的成功應(yīng)用，本文基于注意力機(jī)制提出了混合注意力模塊與可減少參數(shù)的深度可分離卷積層相結(jié)合的雙向生成對抗壓縮網(wǎng)絡(luò)。在實驗部分，與SRGAN方法和ESRGAN方法進(jìn)行比較，實驗結(jié)果表明，本文提出的方法能夠有效地提高圖像重建質(zhì)量及重建速度。