学习笔记之——基于深度学习的图像超分辨率重建

       最近开展图像超分辨率（ Image Super Resolution）方面的研究，做了一些列的调研，并结合本人的理解总结成本博文~（本博文仅用于本人的学习笔记，不做商业用途）

本博文涉及的paper已经打包，供各位看客下载哈~https://download.csdn.net/download/gwplovekimi/10728916

 

目录

超分辨率（Super Resolution，SR）

传统的图像超分辨率重建技术简介

基于插值的图像超分

基于重建的图像超分辨率

基于学习的图像超分辨率

基于深度学习的图像超分辨率重建技术

两种常用的评价超分的指标——PSNR和SSIM

SRCNN（Super-Resolution Convolutional Neural Network）

FSRCNN（Fast Super-Resolution Convolutional Neural Networks）

ESPCN（Efficient Sub-Pixel Convolutional Neural Network）

VESPCN（Video Efficient Sub-Pixel Convolutional Neural Network）

VDSR（VeryDeep Convolutional Networks）

DRCN（Deeply-Recursive Convolutional Network）

RED(very deep Residual Encoder-Decoder Networks)

DRRN（Deep Recursive Residual Network）

LapSRN（Laplacian PyramidSuper-Resolution Network）

SRDenseNet

SRGAN（SRResNet，super-resolution generative adversarial network）

EDSR（enhanced deep super-resolution network）

参考材料

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超分辨率（Super Resolution，SR）

超分辨率是计算机视觉的一个经典应用。SR是指通过软件或硬件的方法，从观测到的低分辨率图像重建出相应的高分辨率图像（说白了就是提高分辨率），在监控设备、卫星图像遥感、数字高清、显微成像、视频编码通信、视频复原和医学影像等领域都有重要的应用价值。

超分分为以下两种：

• Image SR。只参考当前低分辨率图像，不依赖其他相关图像的超分辨率技术，称之为单幅图像的超分辨率（single image super resolution，SISR）。
• Video SR。参考多幅图像或多个视频帧的超分辨率技术，称之为多帧视频/多图的超分辨率（multi-frame super resolution）。对于video SR，其核心思想就是用时间带宽换取空间分辨率。简单来讲，就是在无法得到一张超高分辨率的图像时，可以多取相邻几帧，然后将这一系列低分辨率的图像组成一张高分辨的图像。

一般来讲Video SR相比于Image SR具有更多的可参考信息，并具有更好的高分辨率视频图像的重建质量，但是其更高的计算复杂度也限制了其应用。本博文主要介绍SISR。SISR是一个逆问题，对于一个低分辨率图像，可能存在许多不同的高分辨率图像与之对应，因此通常在求解高分辨率图像时会加一个先验信息进行规范化约束。在传统的方法中，这个先验信息可以通过若干成对出现的低-高分辨率图像的实例中学到。而基于深度学习的SR通过神经网络直接学习分辨率图像到高分辨率图像的端到端的映射函数。

 

传统的图像超分辨率重建技术简介

基于插值的图像超分

      通过某个点周围若干个已知点的值，以及周围点和此点的位置关系，根据一定的公式，算出此点的值，就是插值法。对于如何把原图像的点摆放在新图中并确定具体坐标；未知的点计算时，需要周围多少个点参与，公式如何，如何计算，不同的方案选择，就是不同的插值算法。图像处理中，常用的插值算法有：最邻近元法,双线性内插法,三次内插法等等。

例如：现有一张分辨率为3 x 2的图片，原图每个像素点的亮度值是：

我们要把它变成分辨率为6 x 4的图片，把这6个已经知道的点，放在他们大概应该在新图的位置：

那么我们已经知道6 x 4新图中6个已知的点（绿色），下面只需要求剩余18个点（蓝色）的值即可。通过某个点周围若干个已知点的值，以及周围点和此点的位置关系，根据一定的公式，算出此点的值，就是插值法。如何把原图像的点摆放在新图中（确定具体坐标）；未知的点计算时，需要周围多少个点参与，公式如何。不同的方案选择，就是不同的插值算法。图像处理中，常用的插值算法有：最邻近元法,双线性内插法,三次内插法等等。但是实际上，通过这些插值算法，提升的图像细节有限，所以使用较少。通常，通过多幅图像之间的插值算法来重建是一个手段。另外，在视频超分辨重建中，通过在两个相邻帧间插值添加新帧的手段，可以提升视频帧率，减少画面顿挫感。

基于重建的图像超分辨率

基于重建的方法通常都是基于多帧图像的，需要结合先验知识。有如下方法：

• 凸集投影法（POCS）

• 贝叶斯分析方法

• 迭代反投影法（IBP）

• 最大后验概率方法

• 正规化法

• 混合方法

基于学习的图像超分辨率

机器学习领域（非深度学习邻域）的图像超分方法如下：

• Example-based方法

• 邻域嵌入方法

• 支持向量回归方法

• 虚幻脸

• 稀疏表示法

 

基于深度学习的图像超分辨率重建技术

基于深度学习的图像超分辨率重建的研究流程如下：

1，首先找到一组原始图像Image1；

2，然后将这组图片降低分辨率为一组图像Image2；

3，通过各种神经网络结构，将Image2超分辨率重建为Image3（Image3和Image1分辨率一样）

4，通过PSNR等方法比较Image1与Image3，验证超分辨率重建的效果，根据效果调节神经网络中的节点模型和参数

5，反复执行，直到第四步比较的结果满意

 

两种常用的评价超分的指标——PSNR和SSIM

对SR的质量进行定量评价常用的两个指标是PSNR(Peak Signal-to-Noise Ratio)和SSIM（Structure Similarity Index）。这两个值越高代表重建结果的像素值和标准越接近。

1、PSNR（Peak Signal to Noise Ratio）峰值信噪比：

MSE表示当前图像X和参考图像Y的均方误差（Mean Square Error），H、W分别为图像的高度和宽度

PSNR的单位是db，数值越大表示失真越小。n为每像素的比特数，一般的灰度图像取8，即像素灰阶数为256. 

 

SRCNN（Super-Resolution Convolutional Neural Network）

(Learning a Deep Convolutional Network for Image Super-Resolution, ECCV2014)

code: http://mmlab.ie.cuhk.edu.hk/projects/SRCNN.html

传统的SR方法都是学习compact dictionary or manifold space to relate low/high-resolution patches。

SRCNN是深度学习在图像超分辨率重建上的开山之作，通过采用卷积神经网络来实现低分辨率到高分辨率图像之间端到端的映射。网络的结构如下图所示：

对于一个低分辨率得图像，首先采用双三次插值（bicubic）将低分辨率图像放大成目标尺寸，接着通过三层卷积网络拟合非线性映射，最后输出高分辨率图像结果。在文种，作者将三层卷积的结构解释成三个步骤：图像块的提取和特征表示，特征非线性映射和最终的重建。三个卷积层使用的卷积核的大小分为为9x9,，1x1和5x5，前两个的输出特征个数分别为64和32。用Timofte数据集（包含91幅图像）和ImageNet大数据集进行训练。使用均方误差(Mean Squared Error, MSE)作为损失函数，有利于获得较高的PSNR。

SRCNN的流程为：

step1：图像块提取(Patch extraction and representation)。先将低分辨率图像使用双三次（实际上，bicubic也是一个卷积的操作，可以通过卷积神经网络实现）插值放大至目标尺寸（如放大至2倍、3倍、4倍，属于预处理阶段），此时仍然称放大至目标尺寸后的图像为低分辨率图像(Low-resolution image)，即图中的输入(input)。从低分辨率输入图像中提取图像块，组成高维的特征图。

其中，W1和B1为超参。激活函数采样ReLu

step2：非线性映射(Non-linear mapping)。第一层卷积：卷积核尺寸9×9(f1×f1)，卷积核数目64(n1)，输出64张特征图；第二层卷积：卷积核尺寸1×1(f2×f2)，卷积核数目32(n2)，输出32张特征图；这个过程实现两个高维特征向量的非线性映射；

W2为n1*1*1*n2。采用了1*1卷积（single convolutional layer，目的应该是压缩feature map的深度，同时也起到非线性映射的作用）。

step3：重建(Reconstruction)。第三层卷积：卷积核尺寸5×5(f3×f3)，卷积核数目1(n3)，输出1张特征图即为最终重建高分辨率图像；

模型参数结构如下：

• 第一层卷积：卷积核尺寸9×9(f1×f1)，卷积核数目64(n1)，输出64张特征图；
• 第二层卷积：卷积核尺寸1×1(f2×f2)，卷积核数目32(n2)，输出32张特征图；
• 第三层卷积：卷积核尺寸5×5(f3×f3)，卷积核数目1(n3)，输出1张特征图即为最终重建高分辨率图像。

LOSS function（Mean Squared Error (MSE)）。估计超参。为重构的结果，为ground truth。Using MSE as the loss function favors a high PSNR.

下面是SRCNN与传统算法得结果对比

SRCNN的本质就是用了深度卷积网络实现了稀疏编码的方法。只不过稀疏编码的参数需要人工优化，而且能优化的参数有限。但是SRCNN能根据输入的训练集自动优化学习所有参数。因此效果比以前的方法要好。

 

FSRCNN（Fast Super-Resolution Convolutional Neural Networks）

(Accelerating the Super-Resolution Convolutional Neural Network, ECCV2016)

code: http://mmlab.ie.cuhk.edu.hk/projects/FSRCNN.htmlhttp://

对于一幅240*240的图片，要放大三倍，SRCNN的速度为1.32fps(而实际要求起码要到24fps)

FSRCNN是对SRCNN的改进（主要起到加速的作用，40times）。改进结果体现在非常快的处理速度上和稍稍提高的输出质量。其主要贡献有三点：

1. 在最后使用了一个反卷积层（deconvolution layer）放大尺寸（并将反卷积层放于最后，可以缩少计算时间），因此可以将原始的低分辨率图像直接输出到网络中，不需要先通过bicubic interpolation方法放大尺寸，直接对低分辨率图像进行处理（去掉预处理阶段，可以大大提升速度）；
2. 非线性映射部分也十分耗费计算时间（通过shrink the network scale来提高实时性）。改变特征维数，更小的卷积核，更多的映射层；在映射前缩少输入特征的维数，然后再扩展；
3. 可共享其中的卷积层，如需训练不同上采样倍率的模型，只需fine-tuning最后的反卷积层。only need to do convolution operations once, and upsample an image to different scales using the corresponding deconvolution layer.

由于FSRCNN不需要在网络外部进行放大图像尺寸（小的图片尺寸可以降低训练时间），同时用一些小的卷积层来代替SRCNN中的大卷积层，因此速度上FSRCNN有较大的提升。且如果仅仅需要FSRCNN得到不同分辨率的图片，只需单独训练反卷积层即可，更加省时，不需要重新训练整个网络。SRCNN与FSRCNN的网络结构对比如下图所示：

FSRCNN分为五个步骤（每个卷积层的激活函数采用PReLU）：

step1：特征的提取（feature extraction）。SRCNN中针对的是插值后的低分辨率图像，选取的核大小为9×9。而FSRCNN是直接是对原始的低分辨率图像进行操作，因此可以选小一点，设置为5×5。

step2：收缩（shrinking）。在SRCNN中，特征提取完就进行非线性映射，但当feature map的深度较大时，计算复杂度较高。故此在FSRCNN中，通过应用1×1的卷积核进行降维，减少网络的参数（降低深度），降低计算复杂度。

step3：非线性映射（mapping，The non-linear mapping step is the most important part that affects the SR performance，主要体现在每一层的滤波器数目，以及层数（也即是深度））。感受野大，能够表现的更好。在SRCNN中，采用的是5×5的卷积核，但是5×5的卷积核计算量会比较大。用两个串联的3×3的卷积核可以替代一个5×5的卷积核，同时两个串联的小卷积核需要的参数3×3×2=18比一个大卷积核5×5=25的参数要小。FSRCNN网络中通过m个核大小为3×3的卷积层进行串联。

step4：扩张（expanding）。作者发现低维度的特征带来的重建效果不是太好，因此应用1×1的卷积核进行扩维，相当于收缩的逆过程（用1*1的卷积核进行扩张，增加深度）。

step5：反卷积层（deconvolution，卷积层的逆操作）。如果步长为n，那么尺寸放大n倍，实现了上采样的操作。

For convolution, the filter is convolved with the image with a stride k, and the output is 1=k times of the input. Contrarily, if we exchange the position of the input and output, the output will be k times of the input。如下图所示

卷积与反卷积的示意：

整个结构为：

loss function 跟SRCNN一样

结果对比如下：

 

ESPCN（Efficient Sub-Pixel Convolutional Neural Network）

(Real-Time Single Image and Video Super-Resolution Using an Efficient Sub-Pixel Convolutional Neural Network, CVPR2016)

github(tensorflow): https://github.com/drakelevy/ESPCN-TensorFlowhttps://

github(pytorch): https://github.com/leftthomas/ESPCNhttps://

github(caffe): https://github.com/wangxuewen99/Super-Resolution/tree/master/ESPCNhttps://

（本文同时实现了video和image的超分）

本文的作者提到：对于类似于SRCNN的方法，由于需要将低分辨率图像通过上采样插值得到与高分辨率图像相同大小的尺寸，再输入到网络中，这意味着要在交大的尺寸上进行卷积操作，从而增加了计算复杂度。为此本文作者提出了一种直接在低分辨率图像尺寸上提取特征，计算得到高分辨率图像的高效方法（efficient sub-pixel convolution layer 来代替插值处理）。ESPCN网络结构如下图所示。

ESPCN的核心概念是亚像素卷积层(sub-pixel convolutional layer)。网络的输入是原始低分辨率的图像，经过三个CONV后，得到通道数为  的与输入图像大小一样的特征图像。再将特征图像每个像素的  个通道重新排列成一个  的区域，对应高分辨率图像中一个  大小的子块，从而大小为  的特征图像被重新排列成  的高分辨率图像（理解如下图所示）。而图像尺寸放大过程的插值函数被隐含地包含在前面的卷积层中，有神经网络自己学习到。由于卷积运算都是在低分辨率图像尺寸大小上进行，因此效率会较高。

其效果如下图所示：

（对 1080 HD 格式的视频进行3倍放大，SRCNN 每帧需要0.435s，而 ESPCN 则只需0.038s）

 

VESPCN（Video Efficient Sub-Pixel Convolutional Neural Network）

（Real-Time Video Super-Resolution with Spatio-Temporal Networks and Motion Compensation，CVPR2017）

STN（Spatial Transform Networks， STN）

       CNN分类时，通常需要考虑输入样本的局部性、平移不变性、缩小不变性，旋转不变性等，以提高分类的准确度。而实现这些不变性的传统方法实际上就是对图像进行空间坐标变换，我们所熟悉的一种空间变换就是仿射变换，图像的仿射变换公式可以表示如下：

式中，表示原图像像素点，表示仿射变换后的图像像素点。系数矩阵θ即为仿射变换系数，可以通过调整系数矩阵θ，实现图像的放大、缩小、平移、旋转等。

       而STN网络提出了一种叫做空间变换网络的模型,该网络不需要关键点的标定，能够根据分类或者其它任务自适应地将数据进行空间变换和对齐（包括平移、缩放、旋转以及其它几何变换等）。在输入数据空间差异较大的情况下，这个网络可以加在现有的卷积网络中，提高分类的准确性。该空间变换网络包括三个部分，网络结构如下图所示：

Localisation Network——该网络就是一个简单的回归网络。将输入的图片进行几个卷积操作，然后全连接回归出6个角度值（假设是仿射变换），2*3的矩阵。

Grid generator——网格生成器负责将V中的坐标位置，通过矩阵运算，计算出目标图V中的每个位置对应原图U中的坐标位置。即生成T(G)

Sampler——采样器根据T(G)中的坐标信息，在原始图U中进行采样，将U中的像素复制到目标图V中。

简而言之，STN网络首先通过一个简单的回归网络生成6个θ，用以进行原图的仿射变换。然后依据θ矩阵，将目标图上每个点与原图进行对应。最后使用采样器，将原图上的像素值采样到目标图中。流程如下图：

但是，在VESPCN中，并不按照这个变换顺序。作者使用一个近10层的卷积网络，计算整一张输入图片的光流。即直接实现了STN网络中的第二部分，然后再利用二次插值进行采样操作。作者同样将这个操作称为Spatial Transform。

好，介绍完STN后，正式介绍VESPCN。

在视频图像的SR问题中，相邻几帧间具有很强的关联性。VESPCN（属于video超分）提出使用视频中的时间序列图像进行高分辨率重建（可以达到实时性处理）。算法主要包括以下三个方面：

step 1：纠正相邻帧的位移偏差，先通过Motion estimation（动作补偿，可采用光流法）估计出位移，然后利用位移参数对相邻帧进行空间变换，将二者对齐；

step 2：把对齐后的相邻若干帧叠放在一起，当作一个三维数据；在低分辨率的三维数据上使用三维卷积，得到的结果大小为

step 3：采用ESPCN，将特征图像被重新排列成的高分辨率图像；

VESPCN的网络结构如下图所示

VESPCN主要分为两块：相邻帧之间的位移估计和SR重建，两者都通过神经网络来实现（Spatio-temporal networks & Subpixel convolution SR）。SR重建采用的就是上面介绍的ESPCN。下面介绍一下动作补偿

Motion estimation这个过程可以通过传统的光流算法来计算，VESPCN使用了STN网络进行动作补偿（其框架如下图所示）。Spatial Transformer Networks, 通过CNN来估计空间变换参数。首先通过初始的两帧（低的分辨率上）估计粗糙的光流，并生成粗糙的目标帧，这两个再与原始的两个帧插值（高的分辨率）输入网络，得到精细的光流。精细的光流和粗糙光流一起得到最后的帧。输出使用tanh激活层。

具体来说，在VESPCN中，是利用video前后两帧图像的信息来进行高分辨率的重建，然而在视频序列中，前后两帧中的场景与物体会发生（微小）的位移，因此在SR前，要先对两帧图像进行“对齐”。“对齐”的过程可以看作是对图像做仿射变换的过程，图片并不是只通过平移就可以“对齐”，还要进行旋转、缩放等操作。因此作者借鉴了STN网络和光流的思想，使用动作补偿网络来实现两帧图片的对齐功能。具体步骤如下：

• 与代表前后两帧图片，首先将它们进行堆叠（即在第三维上拼接），后通过一个6层的卷积网络（如下图）得到长宽与原图相同，通道数为2的一张feature map，即图中的∆c（代表其x方向分量），称为粗糙光流。

• Warp是STN网络的步骤，即利用得到的光流图对进行仿射变换（对齐）得到。这样做得到的动作补偿仍然达不到理想要求。因此还要计算精细光流。
• 将原图的前后两帧（和）、粗糙光流、经过首次warp之后得到的图片（即），三张图进行堆叠，使用一个6层的卷积网络（上图）计算得到一张通道数为2的精细光流。
• 将粗糙光流图与精细光流图相加，得到联合光流图（图中）。再利用联合光流图对进行仿射变换，即使用STN。得到最终的经过动作补偿后的。

loss function

损失函数由三个部分组成：

1. 高分辨率输出图MSE损失 （ESPCN网络的损失函数）

2. [前一帧+当前]动作补偿图MSE损失 + Huber 损失 （光流与STN）

3. [后一帧+当前]动作补偿图MSE损失 + Huber 损失 （光流与STN）

图像融合

Spatio-temporal networks可以处理输入为许多帧的情况，对于前中后三帧（多个帧）融合的方法有early fusion，slow fusion，3D convolution三种。其中3D convolution是slow fusion的权重共享的形式。如下图所示

在VESPCN中使用的是early fusion方法，即在三张图片输入网络之前就进行堆叠。但是论文作者认为slow fusion在网络变深时效果才好于early fusion。

结果展示：

 

VDSR（VeryDeep Convolutional Networks）

(Accurate Image Super-Resolution Using Very Deep Convolutional Networks, CVPR2016)

code: https://cv.snu.ac.kr/research/VDSR/

github(caffe): https://github.com/huangzehao/caffe-vdsrhttps://

github(tensorflow): https://github.com/Jongchan/tensorflow-vdsrhttps://

github(pytorch): https://github.com/twtygqyy/pytorch-vdsrhttps://

VDSR是从SRCNN的基础上改进的网络。正如它的名字Very Deep Super-Resolution，其最大的结果特点就是层数很多。它的最终效果准确率非常地高，并且还比SRCNN快。作者认为SRCNN有三个缺点：

1、学习的信息有限。

SR是一个逆问题，解决SR问题是借助大量的学习信息得到结果。直观地认为，如果学习的数据越多，学习的上限越大，那么得到的准确性越高。在深度学习中，就是感受野越大，理论上得到的准确性越高。而SRCNN只有三层，得到感受野只有13*13，结果受限于那13*13个像素。

2、收敛太慢。

虽然SRCNN相比于当时其他的SR算法已经算快了，但在还是无法满足实际需求，SRCNN训练一个网络花了一星期之久，而SR的应用领域之非常多，要实现实际的应用，对算法收敛速度的提升是很有必要的。

3、无法实现统一模型的多尺度方法。

虽然放大倍数是在训练前认为设计的，但在生活中人们放大一张图可以是任意倍数的（包括小数）。SRCNN一个网络只能训练一个放大倍数，倘若对每一个倍数都训练一个SRCNN，那是不现实的。所以我们期望一种新的网络能实现不同倍数的超分辨。

这三个缺点，也是作者针对SRCNN的改进方向，最终创造一种多层网络能优化以上缺点，命名为VDSR。

对于超分的问题，实际上，输入的低分辨率图像与输出的高分辨率图像在很大程度上是相似的。也就是，低分辨率图像的低频信息与高分辨率图像的低频信息相近。那么实际上，低分辨率图片与高分辨率图片只是缺乏高频部分的残差，若训练的时候，仅仅训练高分辨率和低分辨率之间的高频残差部分，那么就不需要在低频部分花太多的时间。为此，作者引入了ResNet的思想（参见博文：学习笔记之——基于深度学习的分类网络（未完待续））输出的结果=低分辨率输入（经过插值变成目标尺寸的低分辨率图像）+网络学习到的残差。残差网络结构的思想特别适合用来解决超分辨率问题，可以说影响了之后的深度学习超分辨率方法。VDSR是最直接明显的学习残差的结构，其网络结构如下图所示

VDSR的改进：

1.加深了网络结构(20层)，使得越深的网络层拥有更大的感受野。文章选取3×3的卷积核，深度为D的网络拥有(2D+1)×(2D+1)的感受野。

本文的作者认为多层网络对提高SR的准确性非常有帮助，原因有两个：（i）多层网络能获得非常大的感受野理论上，感受野越大，学习的信息越多，准确率越大。对于一个m层全卷积网络，如果每层的过滤器大小（假设长和宽相等）是fi，那么用数学归纳法最终得到的感受野为当m=20,fi=3。得到的感受野为(20*3+1-20)* (20*3+1-20),即为41*41。（ii）多层网络能现实复杂的非线性映射，如下图所示，为层数对VDSR的效果影响，可以看出层数越多，效果越好

但太多层网络也有不好的地方。首先是多层网络的收敛问题，SRCNN层提出4层的网络，但训练了一星期得出的结果不好。作者认为这是由于4层SRCNN的收敛速度低和收敛稳定不好而导致的。为了解决收敛问题，作者采用了残差学习和自适应梯度剪切的方法。

2.采用残差学习，残差图像比较稀疏，大部分值都为0或者比较小，因此收敛速度快。VDSR还应用了自适应梯度裁剪(Adjustable Gradient Clipping)，将梯度限制在某一范围，也能够加快收敛过程。与此同时再采用高学习率。

残差学习

由于输入图像和输出图像有着高度的相似性（高分率图像可以看出是低分辨率图像+高分率图像的信息）。所以我们可以改用学习输出与输入的残差（即高分辨率的特征）取代直接学习全部（高分辨率的特征+低分辨率的特征）。输入图像是x，f(x)是经过学习得到的残差，r=y-x是实际的残差。那么损失函数为，当损失函数够小时，f(x)+x就能逼近y了。残差学习能提高收敛速度，因为只需学习高分辨率的特征。从上面网络结构图中的特征图上可以看到，很多是空的，残差学习只学习了高分辨率的特征。下图为用残差学习和不用残差学习的算法比较。可以看到残差学习（蓝色的线）的学习速度非常的快（Epochs很小的时候就收敛了）

上图中为VDSR的论文原图，作者用VDSR（使用残差学习）和另外一个不用残差学习的网络比较。但这可能并非严格的控制变量法，论文的描述为“Performance curve for residual and non-residual networks.”VDSR除了使用残差学习，还用了多层网络、自适应梯度剪切、高学习率等技巧。如果拿VDSR和SRCNN比较，并不能说明残差学习的优越。

自适应梯度剪切

由于链式法则的计算，当网络的层数非常多时，经常出现梯度消失或者梯度爆炸的现象。体现在图像，就是损失函数有一个悬崖式的变化。如果设置的学习率太大，那么可能出现修改过度，甚至丢失已经优化好的数据。而自适应梯度剪切就是根据你的学习率，调整梯度的角度，确保收敛的稳定性。

高学习率

提高收敛速度的最直接方式就是增大学习率，但单纯的增大高学习率会产生收敛问题（收敛不稳定），虽然作者已经用了自适应梯度剪切的方法来增大收敛稳定性。但作者在设置学习率时，也能使用一下技巧来增强收敛稳定性。具体的做法是，一开始设置一个很大的学习率（CDSR简单地令每层的学习率相同），每过20个epochs，将学习率缩小十倍。这么做的原理也很直观，一开始训练时网络损失函数还较大，能够大胆地用高学习率来缩短收敛时间，随着训练次数得增多，模型趋向收敛，如果继续用高学习率，就会破坏收敛稳定性，所以改用小学习率，确保网络收敛。这么多次缩小学习率，进一步缩小了收敛时间。

3.对于采用非常深的网络来预测输出，会导致每一次进行卷积运算，feature map的大小都会减少，这样甚至会造成高清新图像的尺寸会比低分辨图像的尺寸小。这与其他超分辨率方法是一致的，因为许多方法需要周围的像素来正确地推断中心像素。这个中心环绕关系是有用的，因为周围区域为这个超分辨率这个病态问题提供了更多的约束。对于图像边界附近的像素影响最大，因为边界像素与周边像素的关系最强，随着尺度变小，周边像素的影响力减小，对边界像素的学习不是好事。许多SR方法对结果图像进行裁剪。然而，如果所需的环绕区域非常大，这种方法就无效了。裁剪后，最终的图像太小，无法达到视觉效果。为了解决这个问题，VDSR在每次卷积前都对图像进行补0操作，这样保证了所有的特征图和最终的输出图像在尺寸上都保持一致，解决了图像通过逐步卷积会越来越小的问题，又突出了边界像素的特征。文中说实验证明补0操作对边界像素的预测结果也能够得到提升。

4.多尺度学习。VDSR将不同尺度的图像混合在一起训练，这样训练出来的一个模型就可以解决不同倍数的超分辨率问题（同一个模型学习多个尺度的放大）。那么就不存在SRCNN中网络只适用于单一规模的问题了。

可以根据实验结果得出几点结论。

1. 对于低倍数图像，用多尺度训练的网络几乎和用单尺度训练的网络一样
2. 对于高倍数图像，采用多尺度训练的效果比采用单尺度训练的网络的效果好

原因是高倍数放大和低倍数放大有相似之处，它们间可以互相学习，尤其是高倍数的放大，能从低倍数放大的学习中额外获得新的信息，从而导致对于高倍数图像，采用多尺度训练的网络比采用单尺度训练的网络好。

 

VDSR之后，几乎所有的网络都借鉴了其学习残差的思想，原因在下图的效果图里就可以看出来

结果对比如下图所示：

DRCN（Deeply-Recursive Convolutional Network）

(Deeply-Recursive Convolutional Network for Image Super-Resolution, CVPR2016)

code: https://cv.snu.ac.kr/research/DRCN/

githug(tensorflow): https://github.com/jiny2001/deeply-recursive-cnn-tfhttps://

DRCN与上面的VDSR都是来自首尔国立大学计算机视觉实验室的工作，两篇论文都发表在CVPR2016上，两种方法的结果非常接近。其贡献主要如下：

1、将RNN（递归神经网络，Recursive Neural Network）的结构应用于SR中。RNN用于非线性映射时，通过RNN，数据循环多次地通过该层，而将这个RNN展开的话，就等效于使用同一组参数的多个串联的卷积层；

2、利用了ResNet的思想，加入了skip-connection，加深了网络结构(16个递归)，增加了网络感受野，提升了性能。DRCN网络结构如下图所示：

DRCN输入的是插值后的图像，分为三个模块，第一个是Embedding network，相当于特征提取，第二个是Inference network, 相当于特征的非线性映射，第三个是Reconstruction network,即从特征图像恢复最后的重建结果。其中的Inference network是一个递归网络，即数据循环地通过该层多次。将这个循环进行展开，等效于使用同一组参数的多个串联的卷积层，如下图所示。

其中的  到  是D个共享参数的卷积层。将这D个卷积层的每一层的结果都通过相同的Reconstruction Net，在Reconstruction Net中与输入的图像相加，得到D个输出重建结果。这些所有的结果在训练时都同时被监督，即所有的递归都被监督，作者称之为递归监督(Recursive-Supervision)，避免了梯度消失/爆炸问题。将D个递归得到的结果再加权平均：，得到一个总输出。每个加权在训练的过程中也不断地更新。最终的目标函数就需要优化每一个递归层输出的误差和总输出的误差：

表示的是权值衰减(weight decay)。 的初始值设置得比较高以使得训练过程稳定，因为训练开始的阶段递归更容易收敛。随着训练的进行，  逐渐衰减来提升最终输出的性能。

结果对比如下所示：

RED(very deep Residual Encoder-Decoder Networks)

(Image Restoration Using Convolutional Auto-encoders with Symmetric Skip Connections, NIPS2016)

这篇论文提出了一个由对称的卷积层——反卷积层构成的网络结构，如下图所示（可以看作为ResNet+VDSR）：

卷积层——反卷积层结构有点类似与编码——解码结构。其网络结构是对称的，每个卷积层都对应有反卷积层，卷积层将输入图像尺寸减小后，再通过反卷积层上采样变大，使得输入输出的尺寸一样。卷积层用于提取图像的特征，相当于编码的作用。而反卷积层用于放大特征的尺寸并恢复图像细节。而每一组镜像对应的卷积和反卷积有skip connection将两部分具有同样尺寸的特征(要输入卷积层的特征和对应的反卷积层输出的特征)做相加操作(ResNet那样的操作)后再输入到下一个反卷积层。这样的结构能够让反向传播信号能够直接传递到底层，解决了梯度消失问题，同时能将卷积层的细节传递给反卷积层，能够恢复出更干净的图片。与此同时，网络中有一条线是将输入的图像连接到后面与最后的一层反卷积层的输出相加，也就是VDSR中用到的方式，因此RED中间的卷积层和反卷积层学习的特征是目标图像和低质图像之间的残差。（个人理解如下图所示）

结果如下图所示：

DRRN（Deep Recursive Residual Network）

(Image Super-Resolution via Deep Recursive Residual Network, CVPR2017)

github(caffe): https://github.com/tyshiwo/DRRN_CVPR17

可以看作：ResNet+VDSR+DRCN

DRRN中的每个残差单元都共同拥有一个相同的输入，即递归块中的第一个卷积层的输出。每个残差单元都包含2个卷积层。在一个递归块内，每个残差单元内对应位置相同的卷积层参数都共享(图中DRRN的浅绿色块或浅红色块)。作者列出了ResNet、VDSR、DRCN和DRRN四者的主要策略。ResNet是链模式的局部残差学习。VDSR是全局残差学习。DRCN是全局残差学习+单权重的递归学习+多目标优化。DRRN是多路径模式的局部残差学习+全局残差学习+多权重的递归学习。

文章中比较了不同的递归块和残差单元数量的实验结果，最终选用的是1个递归块和25个残差单元，深度为52层的网络结构。总之，DRRN就是通过对之前已有的ResNet等结构进行调整，采取更深的网络结构得到结果的提升。

结果对比如下图所示：

LapSRN（Laplacian PyramidSuper-Resolution Network）

(Deep Laplacian Pyramid Networks for Fast and Accurate Super-Resolution, CVPR2017)

github(matconvnet): https://github.com/phoenix104104/LapSRN

github(pytorch): https://github.com/twtygqyy/pytorch-LapSRNhttps:/

github(tensorflow): https://github.com/zjuela/LapSRN-tensorflowhttps:/

作者总结了之前的基于深度学习的SR方法，主要有以下三个缺点：

1、关于上采样的问题。

• 基于预处理的上采样。使用预先定义好的上采样操作（如bicubic操作）来获得目标的空间尺寸，这样做增加了额外的计算开销，且会导致重建伪影；
• 基于亚像素卷积层（ESPCN）或反卷积层（FSRCNN）。这些方法的网络结构又相对比较简单，性能较差，并不能学好低分辨率图像到高分辨率图像复杂的映射；

2、在训练网络时使用  型损失函数时，不可避免地会产生模糊的预测，恢复出的高分辨率图片往往会太过于平滑；

3、在重建高分辨率图像时，如果只用一次上采样的操作，在获得大倍数(8倍以上)的上采样因子时就会比较困难。而且在不同的应用时，需要训练不同上采样倍数的模型。

因此作者提出了Lap SRN网络结构，其结构如下图所示

LapSRN可以看成由多级组成的分级网络，每一级完成一次2倍的上采样（若要实现8倍，就要3级）。在每一级中，先通过一些级联的卷积层提取特征，接着通过一个反卷积层将提取出的特征的尺寸上采样2倍。反卷积层后连有两个卷积层，一个卷积层的作用是继续提取特征，另外一个卷积层的作用是预测出这一级的残差。输入图像在每一级也经过一个反卷积层使尺寸上采样2倍，再与对应级的残差相加，就能重构出这一级的上采样结果。（个人理解的图示如下）

结果对比如下图所示：

 

SRDenseNet

(Image Super-Resolution Using Dense Skip Connections, ICCV2017)

DenseNet在稠密块(dense block)中将每一层的特征都输入给之后的所有层，使所有层的特征都串联起来，而不是像ResNet那样直接相加。这样的结构给整个网络带来了减轻梯度消失问题、加强特征传播、支持特征复用、减少参数数量的优点。一个稠密块的结构如下图所示。

Dense Block是通过将许多个卷积网络分成3~4个部分，这些部分叫做dense block（有点类似于残差网络中的残差块）。在每个block中，都执行密集链接，block的输出再通过池化降低特征图尺寸。如下图所示：

SRDenseNet将稠密块结构应用到了超分辨率问题上（在dense block上再加上skip connection），其结构可以分为四个部分：

step 1：用一个卷积层学习低层的特征；

step 2：用多个稠密块学习高层的特征；

step 3：通过几个反卷积层进行上采样；

step 4：最后再通过一个卷积层生成高分辨率输出；

网络结构如下图所示

结果对比如下图所示

 

SRGAN（SRResNet，super-resolution generative adversarial network）

(Photo-Realistic Single Image Super-Resolution Using a Generative Adversarial Network, CVPR2017)

github(tensorflow): https://github.com/zsdonghao/SRGANhttps://

github(tensorflow): https://github.com/buriburisuri/SRGANhttps://

github(torch): https://github.com/junhocho/SRGANhttps:/AN

github(caffe): https://github.com/ShenghaiRong/caffe_srganhttps:///caffe_srgan

github(tensorflow): https://github.com/brade31919/SRGAN-tensorflowhttps://RGAN-tensorflow

github(keras): https://github.com/titu1994/Super-Resolution-using-Generative-Adversarial-Networkshttps://er-Resolution-using-Generative-Adversarial-Networks

github(pytorch): https://github.com/ai-tor/PyTorch-SRGAN

将生成对抗网络(Generative Adversarial Network, GAN)用在了超分辨率问题上。其出发点是传统的方法一般处理的是较小的放大倍数，当图像的放大倍数在4以上时，很容易使得到的结果显得过于平滑，而缺少一些细节上的真实感。因此SRGAN使用GAN来生成图像中的细节。

关于GAN的理解如下图所示：

传统的方法使用的代价函数一般是最小均方差（MSE），即：

该代价函数使重建结果有较高的峰值信噪比，但是恢复出来的图像通常会丢失高频细节，出现过度平滑的纹理，使人不能有好的视觉感受。SRGAN的理念是：应当使重建的高分辨率图像与真实的高分辨率图像无论是低层次的像素值上，还是高层次的抽象特征上，和整体概念和风格上，都应当接近。MSE和GAN方法的区别如下图

SRGAN利用感知损失(perceptual loss)和对抗损失(adversarial loss)来提升恢复出的图片的真实感。感知损失是利用卷积神经网络提取出的特征，通过比较生成图片经过卷积神经网络后的特征和目标图片经过卷积神经网络后的特征的差别，使生成图片和目标图片在语义和风格上更相似。简单来说，一个GAN所要完成的工作就是：G网通过低分辨率的图像生成高分辨率图像，由D网判断拿到的图像是由G网生成的，还是数据库中的原图像。当G网能成功骗过D网的时候，那我们就可以通过这个GAN完成超分辨率了。SRGAN网络结构如下图（SRGAN还是用SRRESNET来进行超分工作 但增加了一个对抗网络来判断生成的图片是原图还是超分出来的图）：

在生成网络部分(SRResNet)部分包含多个残差块，每个残差块中包含两个3×3的卷积层，卷积层后接批规范化层(batch normalization, BN)和PReLU作为激活函数，两个2×亚像素卷积层(sub-pixel convolution layers)被用来增大特征尺寸。在判别网络部分包含8个卷积层，随着网络层数加深，特征个数不断增加，特征尺寸不断减小，选取激活函数为LeakyReLU，最终通过两个全连接层和最终的sigmoid激活函数得到预测为自然图像的概率。

SRGAN的损失函数为：

第一部分是基于内容的代价函数（content loss），第二部分是基于对抗学习的代价函数（adversarial loss）。

content loss可以是基于均方误差的损失的损失函数：

也可以是基于训练好的以ReLU为激活函数的VGG模型的损失函数:

i和j表示VGG19网络中第i个最大池化层(maxpooling)后的第j个卷积层得到的特征。然后，又对内容损失分别设置成基于均方误差、基于VGG模型低层特征和基于VGG模型高层特征三种情况作了比较，研究表明在基于均方误差的时候表现最差，基于VGG模型高层特征比基于VGG模型低层特征的内容损失能生成更好的纹理细节。

adversarial loss为：

结果对比如下

 

EDSR（enhanced deep super-resolution network）

(Enhanced Deep Residual Networks for Single Image Super-Resolution, CVPRW2017)

github(torch): https://github.com/LimBee/NTIRE2017https://2017

github(tensorflow): https://github.com/jmiller656/EDSR-Tensorflowhttps://

github(pytorch): https://github.com/thstkdgus35/EDSR-PyTorchhttps://

EDSR，单幅图像超分辨率增强深度残差网络。EDSR最有意义的模型性能提升是去除掉了SRResNet的批量标准化(batch normalization, BN)层。由于批量标准化层对特征进行了规范化，因此通过规范化特征可以摆脱网络的范围可变性，最好将其删除

，从而可以扩大模型的尺寸来提升结果质量。相当于SRResNet的改进，EDSR与原始 ResNet 和SRResnet的对比图如下

此外，由于BN层消耗的内存量与前面的卷积层相同，因此去掉BN层后，EDSR的GPU内存使用量也会减少。与SRResNet相比，基准模型没有批量标准化层，在培训期间可节省大约40％的内存使用量。因此，可以在有限的计算资源下构建一个比传统ResNet结构具有更好性能的更大模型。

提高网络模型性能的最简单方法是增加参数数量。在卷积神经网络中，可以通过堆叠多个层或通过增加滤波器的数量来增强模型性能。一般的CNN架构的深度(层数)B和宽度(特征Channels的数量)F约占内存与参数。因此，当考虑有限的复合资源时，增加F而不是B可以最大化模型容量。

但是，将特征图的数量增加到一定水平以上会使训练过程在数值上不稳定。这里通过采用因子0.1的残差缩放来解决这个问题。在每个残余块中，在最后的卷积层之后放置恒定的缩放层。当使用大量滤波器时，这些模块极大地稳定了训练过程。在测试阶段，该层可以集成到之前的卷积层中，以提高计算效率。使用上面三种网络对比图中提出的残差块（即结构类似于SRResNet，但模型在残差块之外没有ReLU激活层）构建单尺度模型。此外，因为每个卷积层仅使用64个特征图，所以单尺度模型没有残余缩放层。在最终单尺度模型EDSR中，通过设置B=32，F=256并使用比例因子0.1来扩展单尺度模型。模型架构如下图所示：

在训练上采样因子×3和×4的模型时，用预训练的×2网络初始化模型参数，这种预训练策略加速了训练并提高了最终性能，如下图所示。红线表示绿线的最佳性能。对于向上扩展×4，如果使用预先训练的尺度×2模型(蓝线)，则训练收敛速度远远快于从随机初始化(绿线)开始的训练。（启发：可先用低放大倍数来做预训练，最终再采用高放大倍数来做最终训练）

从上图中的观察，作者得出结论，多尺度的超分辨率是相互关联的任务。于是通过构建一个多尺度架构来进一步探索这个想法，该架构利用了VDSR的尺度间相关性。将多尺度基线模型设计为具有B=16个残差块的单个主分支，以便大多数参数在不同尺度上共享，简单来说，MDSR（multiscale architecture SR）的中间部分还是和EDSR一样，只是在网络前面添加了不同的预训练好的模型来减少不同倍数的输入图片的差异。在网络最后，不同倍数上采样的结构平行排列来获得不同倍数的输出结果。如下图所示

在多尺度架构中，通过引入特定规模的处理模块来处理多尺度的超分辨率。首先，预处理模块位于网络的前面，以减少不同尺度的输入图像的差异。每个预处理模块由两个具有5×5内核的残差块组成。通过采用更大的内核作为预处理模块，可以使不同尺度部分保持浅薄，而而较大的感受野被覆盖在网络的早期阶段。在多尺度基线模型的最后，进行特定尺度的上采样模块并行定位，以处理多尺度重建。上采样模块的体系结构类似于EDSR中描述的单尺度基线模型的体系结构。

基于这些要素，构建了最终的多尺度模型MDSR，其中B=80和F=64。虽然这里针对3种不同尺度的单尺度基线模型分开了看各有约150万个参数，简单相加总计为450万个，但最后的多尺度基线模型只有320万个参数，然而多尺度基线模型可以表现出与单尺度基线模型相当的性能。此外，多尺度模型在深度方面还具有可扩展性。尽管最终的MDSR的深度大约是多尺度基线模型的5倍，但其实只需要2.5倍的参数，因为残余块比特定尺度的部件的参数数量更少。MDSR显示出与比例特定的EDSR相当的性能。

下图是不同尺度不同模型训练得到的(PSNR(dB) / SSIM)值对比，红色代表最佳表现，蓝色代表次之（baseline即基线模型）：

结果对比如下图所示：

 

参考材料

https://blog.csdn.net/prinstinadl/article/details/80825638

https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzU3MDMyNzc1Mg==&mid=2247485054&idx=1&sn=83f2b5589149428d1968631a7f2a3430&chksm=fcf051d9cb87d8cf145c8e6990862726007c02b6b764b959d315d47cbfd3240e980bf5f3dfe8&mpshare=1&scene=24&srcid=1011h21ziMx5baUPsmVBplTC#rd

https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI5MDUyMDIxNA==&mid=2247484150&idx=1&sn=b165feed640c9df9f4487eac85ff5a85&chksm=ec1fef0fdb6866197253c1311a048bfe20bc9d57958977eca099c91d6e9d259dcb89ca7de5d6&mpshare=1&scene=1&srcid=1011ahCRVF94OJohJLAAUh4d#rd

https://blog.csdn.net/zjyruobing/article/details/49908979（PSNR和SSIM）

https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzAwNDI4ODcxNA==&mid=2652249131&idx=3&sn=d44ded4e2b1e080e607daec028506576&chksm=80cc858eb7bb0c984d42612bb476b10e7485c146f7ef0351baf3789dbb7c321080eacaff3cf9&mpshare=1&scene=24&srcid=1011KJe0Nh62sOt3FV84WwCw#rd

https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzIwMTc4ODE0Mw==&mid=2247491802&idx=1&sn=35fb3c579a05ebb5cffa67dd1e650b15&chksm=96ea3f5aa19db64cb0eb0ec3a4d2045a0c85b11454283066e9d323813988dc59e7692d076e6c&mpshare=1&scene=24&srcid=1011Xt9HxeNm43MrRSQ6aXrT#rd（SRCNN的复现）

https://blog.csdn.net/Autism_/article/details/79401798（SRCNN）

https://blog.csdn.net/Cyiano/article/details/78368263?locationNum=4&fps=1（VESPCN）

https://blog.csdn.net/itleaks/article/details/80336825（反卷积）