经典论文复现 | 基于深度卷积网络的图像超分辨率算法

过去几年发表于各大 AI 顶会论文提出的 400 多种算法中，公开算法代码的仅占 6%，其中三分之一的论文作者分享了测试数据，约 54% 的分享包含“伪代码”。这是今年 AAAI 会议上一个严峻的报告。 人工智能这个蓬勃发展的领域正面临着实验重现的危机，就像实验重现问题过去十年来一直困扰着心理学、医学以及其他领域一样。最根本的问题是研究人员通常不共享他们的源代码。 

可验证的知识是科学的基础，它事关理解。随着人工智能领域的发展，打破不可复现性将是必要的。为此，PaperWeekly 联手百度 PaddlePaddle 共同发起了本次论文有奖复现，我们希望和来自学界、工业界的研究者一起接力，为 AI 行业带来良性循环。

作者丨张荣成 

学校丨哈尔滨工业大学（深圳）

研究方向丨计算数学

笔者本次选择复现的是汤晓鸥教授和何恺明团队发表于 2015 年的经典论文——SRCNN。超分辨率技术（Super-Resolution）是指从观测到的低分辨率图像重建出相应的高分辨率图像，在监控设备、卫星图像和医学影像等领域都有重要的应用价值。在深度卷积网络的浪潮下，本文首次提出了基于深度卷积网络的端到端超分辨率算法。

论文复现代码： 

http://aistudio.baidu.com/aistudio/#/projectdetail/24446

SRCNN流程

▲ SRCNN算法框架

SRCNN 将深度学习与传统稀疏编码之间的关系作为依据，将 3 层网络划分为图像块提取（Patch extraction and representation）、非线性映射（Non-linear mapping）以及最终的重建（Reconstruction）。

SRCNN 具体流程如下： 

1. 先将低分辨率图像使用双三次差值放大至目标尺寸（如放大至 2 倍、3 倍、4 倍），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）； 

2. 将低分辨率图像输入三层卷积神经网络。举例：在论文其中一个实验相关设置，对 YCrCb 颜色空间中的 Y 通道进行重建，网络形式为 (conv1+relu1)—(conv2+relu2)—(conv3+relu3)；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。

训练

训练数据集

论文中某一实验采用 91 张自然图像作为训练数据集，对训练集中的图像先使用双三次差值缩小到低分辨率尺寸，再将其放大到目标放大尺寸，最后切割成诸多 33 × 33 图像块作为训练数据，作为标签数据的则为图像中心的 21 × 21 图像块（与卷积层细节设置相关）。

损失函数

采用 MSE 函数作为卷积神经网络损失函数。

卷积层细节设置

第一层卷积核 9 × 9，得到特征图尺寸为 (33-9)/1+1=25，第二层卷积核 1 × 1，得到特征图尺寸不变，第三层卷积核 5 × 5，得到特征图尺寸为 (25-5)/1+1=21。训练时得到的尺寸为 21 × 21，因此图像中心的 21 × 21 图像块作为标签数据（卷积训练时不进行 padding）。

# 查看个人持久化工作区文件
!ls /home/aistudio/work/
# coding=utf-8
import os
import paddle.fluid as fluid
import paddle.v2 as paddle
from PIL import Image
import numpy as np
import scipy.misc
import scipy.ndimage
import h5py
import glob

FLAGS={"epoch": 10,"batch_size": 128,"image_size": 33,"label_size": 21,
      "learning_rate": 1e-4,"c_dim": 1,"scale": 3,"stride": 14,
      "checkpoint_dir": "checkpoint","sample_dir": "sample","is_train": True}

#utils
def read_data(path):
    with h5py.File(path, 'r') as hf:
        data = np.array(hf.get('data'))
        label = np.array(hf.get('label'))
        return data, label

def preprocess(path, scale=3):

    image = imread(path, is_grayscale=True)
    label_ = modcrop(image, scale)

    label_ = label_ / 255.
    input_ = scipy.ndimage.interpolation.zoom(label_, zoom=(1. / scale), prefilter=False)  # 一次
    input_ = scipy.ndimage.interpolation.zoom(input_, zoom=(scale / 1.), prefilter=False)  # 二次，bicubic

    return input_, label_

def prepare_data(dataset):
    if FLAGS['is_train']:
        data_dir = os.path.join(os.getcwd(), dataset)
        data = glob.glob(os.path.join(data_dir, "*.bmp"))
    else:
        data_dir = os.path.join(os.sep, (os.path.join(os.getcwd(), dataset)), "Set5")
        data = glob.glob(os.path.join(data_dir, "*.bmp"))

    return data

def make_data(data, label):
    if not os.path.exists('data/checkpoint'):
        os.makedirs('data/checkpoint')
    if FLAGS['is_train']:
        savepath = os.path.join(os.getcwd(), 'data/checkpoint/train.h5')
    # else:
    #     savepath = os.path.join(os.getcwd(), 'data/checkpoint/test.h5')

    with h5py.File(savepath, 'w') as hf:
        hf.create_dataset('data', data=data)
        hf.create_dataset('label', data=label)

def imread(path, is_grayscale=True):
    if is_grayscale:
        return scipy.misc.imread(path, flatten=True, mode='YCbCr').astype(np.float)  # 将图像转灰度
    else:
        return scipy.misc.imread(path, mode='YCbCr').astype(np.float)  # 默认为false

def modcrop(image, scale=3):

    if len(image.shape) == 3:  # 彩色 800*600*3
        h, w, _ = image.shape
        h = h - np.mod(h, scale)
        w = w - np.mod(w, scale)
        image = image[0:h, 0:w, :]
    else:  # 灰度 800*600
        h, w = image.shape
        h = h - np.mod(h, scale)
        w = w - np.mod(w, scale)
        image = image[0:h, 0:w]
    return image

def input_setup(config):
    if config['is_train']:
        data = prepare_data(dataset="data/data899/Train.zip_files/Train")
    else:
        data = prepare_data(dataset="Test")

    sub_input_sequence = []
    sub_label_sequence = []
    padding = abs(config['image_size'] - config['label_size']) // 2  # 6 填充

    if config['is_train']:
        for i in range(len(data)):
            input_, label_ = preprocess(data[i], config['scale'])  # data[i]为数据目录

            if len(input_.shape) == 3:
                h, w, _ = input_.shape
            else:
                h, w = input_.shape
            for x in range(0, h - config['image_size'] + 1, config['stride']):
                for y in range(0, w - config['image_size'] + 1, config['stride']):
                    sub_input = input_[x:x + config['image_size'], y:y + config['image_size']]  # [33 x 33]
                    sub_label = label_[x + padding:x + padding + config['label_size'],
                                y + padding:y + padding + config['label_size']]  # [21 x 21]

                    # Make channel value,颜色通道1
                    sub_input = sub_input.reshape([config['image_size'], config['image_size'], 1])
                    sub_label = sub_label.reshape([config['label_size'], config['label_size'], 1])

                    sub_input_sequence.append(sub_input)
                    sub_label_sequence.append(sub_label)
        arrdata = np.asarray(sub_input_sequence)  # [?, 33, 33, 1]
        arrlabel = np.asarray(sub_label_sequence)  # [?, 21, 21, 1]

        make_data(arrdata, arrlabel)  # 把处理好的数据进行存储，路径为checkpoint/..
    else:
        input_, label_ = preprocess(data[4], config['scale'])

        if len(input_.shape) == 3:
            h, w, _ = input_.shape
        else:
            h, w = input_.shape
        input = input_.reshape([h, w, 1])

        label = label_[6:h - 6, 6:w - 6]
        label = label.reshape([h - 12, w - 12, 1])

        sub_input_sequence.append(input)
        sub_label_sequence.append(label)

        input1 = np.asarray(sub_input_sequence)
        label1 = np.asarray(sub_label_sequence)
        return input1, label1, h, w

def imsave(image, path):
    return scipy.misc.imsave(path, image)
#train
def reader_creator_image_and_label():
    input_setup(FLAGS)
    data_dir= os.path.join('./data/{}'.format(FLAGS['checkpoint_dir']), "train.h5")
    images,labels=read_data(data_dir)
    def reader():
        for i in range(len(images)):
            yield images, labels
    return reader
def train(use_cuda, num_passes,BATCH_SIZE = 128, model_save_dir='../models'):
    if FLAGS['is_train']:
      images = fluid.layers.data(name='images', shape=[1, FLAGS['image_size'], FLAGS['image_size']], dtype='float32')
      labels = fluid.layers.data(name='labels', shape=[1, FLAGS['label_size'], FLAGS['label_size']], dtype='float32')
    else:
      _,_,FLAGS['image_size'],FLAGS['label_size']=input_setup(FLAGS)
      images = fluid.layers.data(name='images', shape=[1, FLAGS['image_size'], FLAGS['label_size']], dtype='float32')
      labels = fluid.layers.data(name='labels', shape=[1, FLAGS['image_size']-12, FLAGS['label_size']-12], dtype='float32')

    #feed_order=['images','labels']
    # 获取神经网络的训练结果
    predict = model(images)
    # 获取损失函数
    cost = fluid.layers.square_error_cost(input=predict, label=labels)
    # 定义平均损失函数
    avg_cost = fluid.layers.mean(cost)
    # 定义优化方法
    optimizer = fluid.optimizer.Momentum(learning_rate=1e-4,momentum=0.9)
    opts =optimizer.minimize(avg_cost)

    # 是否使用GPU
    place = fluid.CUDAPlace(0) if use_cuda else fluid.CPUPlace()

    # 初始化执行器
    exe=fluid.Executor(place)
    exe.run(fluid.default_startup_program())
    # 获取训练数据
    train_reader = paddle.batch(
        reader_creator_image_and_label(), batch_size=BATCH_SIZE)
    # 获取测试数据
    # test_reader = paddle.batch(
    #     read_data(), batch_size=BATCH_SIZE)
    #print(len(next(train_reader())))
    feeder = fluid.DataFeeder(place=place, feed_list=[images, labels])
    for pass_id in range(num_passes):
        for batch_id, data in enumerate(train_reader()):
            avg_cost_value = exe.run(fluid.default_main_program(),
                                    feed=feeder.feed(data),
                                    fetch_list=[avg_cost])

            if batch_id%100 == 0:
                print("loss="+avg_cost_value[0])

def model(images):
    conv1=fluid.layers.conv2d(input=images, num_filters=64, filter_size=9, act='relu')
    conv2=fluid.layers.conv2d(input=conv1, num_filters=32, filter_size=1,act='relu')
    conv3=fluid.layers.conv2d(input=conv2, num_filters=1, filter_size=5)
    return conv3

if __name__ == '__main__':
    # 开始训练
    train(use_cuda=False, num_passes=10)

测试

全卷积网络

所用网络为全卷积网络，因此作为实际测试时，直接输入完整图像即可。

Padding

训练时得到的实际上是除去四周 (33-21)/2=6 像素外的图像，若直接采用训练时的设置（无 padding），得到的图像最后会减少四周各 6 像素（如插值放大后输入 512 × 512，输出 500 × 500）。

因此在测试时每一层卷积都进行了 padding（卷积核尺寸为 1 × 1的不需要进 行 padding），这样保证插值放大后输入与输出尺寸的一致性。

重建结果

客观评价指标 PSNR 与 SSIM：相比其他传统方法，SRCNN 取得更好的重建效果。

主观效果：相比其他传统方法，SRCNN 重建效果更具优势。

关于PaddlePaddle

PaddlePaddle 在我看来与 TensorFlow 有点类似，API 都非常好用，用户群体越来越大。不过有一点小建议，就是在我使用的时候，发现数据处理的方式比较麻烦（比较菜），比如 TensorFlow中有 TFRecords，同时有自带的数据集迭代器可以很方便的导入数据，所以希望出一个官方的数据转换格式，用来读取数据，并提供迭代器方法。

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