SRGAN阅读笔记

论文：Photo-Realistic Single Image Super-Resolution Using a Generative Adversarial
Github：SRGAN

Abstract

CNN在传统的单帧超分辨率重建上取得了非常好的效果，可以取得较高的峰值信噪比（PSNR）。他们大都以MSE为最小化的目标函数，这样虽然可以取得较高的峰值信噪比，但是当图像下采样倍数较高时，重建的得到的图片会过于平滑，丢失细节。本文提出了利用GAN来进行超分辨率重建的方法，该网络是第一个能恢复4倍下采样图像的框架。作者提出的损失函数有两部分组成：对抗损失，内容损失。
对抗损失将图像映射到高位流形空间，并用判别网络去判别重建后的图像和原始图像。而内容损失则是基于感觉相似性(perceptual similarity)而非像素相似性(pixel similarity)。

Intruction

所谓超分辨率重建就是将低分辨率图像恢复成对应的高分辨率图像。但是由于低分辨率图像信息的缺失，这是一个病态的求逆问题，尤其是在恢复的倍数较高的时候。传统的方法考虑加入一些先验信息以恢复高分辨率图像（如插值法），此外，还有基于回归方法的随记森林也可以用于超分问题。稀疏学习，CNN在超分上也取得了非常好的效果，特别是CNN，使得超分已经可以达到实时应用。

Method

作者提出的网络结构如下：

网络结构

生成网络由残差结构组成，并结合BN，生成的图像丢到判别网络中，交给判别器判断是生成的高分辨率图像还是真正的高分辨率图像。

作者主要的创新点在于代价函数的设计，尤其是将逐像素损失替换为内容损失。作者提出的损失函数由以下三部分加权组成：

• Content Loss

  
  
  

  内容损失函数
  
  

  这一项说白了就是对某一层的特征图的逐像素损失作为内容损失（而不是最后输出结果的逐像素损失）。这样可以学得图像所在的流形空间。（这句话我也没太懂是什么意思！个人理解，大概就是可以学得一些高层的语义特征，结构信息）

• Adversarial Loss

  
  
  

  对抗损失项

  作者用的对抗损失项用：

  
  
  
  负对数求和替换原来的代价函数，这样有利于训练。（作者给的参考文献提到了原因，有兴趣可以看看）。

• Regularization Loss
  作者利用基于全变差的正则项以鼓励产生具有空间相似性的结果。具体公式如下：

正则损失

Experiments

作者用sub-pixel网络作为生成网络，用VGG作为判别网络构建GAN得到了非常好的结果，但是这个用的是逐像素差作为损失函数。

之后，作者尝试了自己提出的感知损失函数作为优化目标，虽然PSNR和SSIM不高，但是视觉效果都要优于其他网络，避免了其他方法的过度平滑的特性。

Conclusion

作者本文的贡献主要有两点：

• 提出的SRResNet取得了state-of-art的结果
• 将感知损失引入GAN，实现了4倍超分辨率重建