深度学习系列48：超分模型Real-ESRGAN

1. 模型介绍

1.1 退化模型

首先训练数据使用了2个first-order：

最后一步加入了振铃和过冲现象：

1.2 SRCNN

将CNN用到超分领域的第一篇文章：

论文中卷积核和通道数的实验设置为：

1.3 SRGAN

SRGAN将GAN引入超分领域，用于解决如下问题：
1）高频细节(high-frequency details) 的丢失，整体图像过于平滑/模糊；
2）与人的视觉感知不一致，超分图像的精确性与人的期望不匹配（人可能更关注前景，而对背景清晰度要求不高）。

提出如下改进：

• 新的backbone：SRResNet；
• GAN-based network 及 新的损失函数：
• adversarial loss：提升真实感(photo-realistic natural images)；
• content loss：获取HR image和生成图像的感知相似性(perceptual similarity)，而不只是像素级相似性(pixel similarity)；或者说特征空间的相似性而不是像素空间的相似性。
• 使用主观评估手段，更加强调人的感知。

模型结构如下，Generator网络是SRResNet，论文使用了16个residual blocks；Discriminator网络为8次卷积操作（4次步长为2）+2次全连接层的VGG网络。

1.4 ESRGAN

enhanced SRGAN，主要解决细节模糊和伪影问题。

• SRResNet网络结构的改进：
  1）移除BN，有利于去除伪影，提升泛化能力；
  2）使用Residual-in-Residual Dense Block (RRDB)作为基本构建模块，更强更易训练；
• GAN-based Network的损失函数的改进：使用RaGAN (Relativistic average GAN)中的相对损失函数，提升图像的相对真实性从而恢复更多的纹理细节；
• 感知损失函数的改进：使用VGG激活层前的特征值计算重构损失，提升了亮度的一致性和纹理恢复程度。
  

2. 快速上手

2.1 各种资源

绿色版的exe文件参见github，支持windows，linux，mac和NCNN
在线版本：https://huggingface.co/spaces/akhaliq/Real-ESRGAN
使用方法：./realesrgan-ncnn-vulkan.exe -i 二次元图片.jpg -o 二刺螈图片.png -n realesrgan-x4plus-anime
参数如下：

Usage: realesrgan-ncnn-vulkan.exe -i infile -o outfile [options]...
  -h                   show this help
  -i input-path        input image path (jpg/png/webp) or directory
  -o output-path       output image path (jpg/png/webp) or directory
  -s scale             upscale ratio (can be 2, 3, 4. default=4)
  -t tile-size         tile size (>=32/0=auto, default=0) can be 0,0,0 for multi-gpu
  -m model-path        folder path to the pre-trained models. default=models
  -n model-name        model name (default=realesr-animevideov3, can be realesr-animevideov3 | realesrgan-x4plus | realesrgan-x4plus-anime | realesrnet-x4plus)
  -g gpu-id            gpu device to use (default=auto) can be 0,1,2 for multi-gpu
  -j load:proc:save    thread count for load/proc/save (default=1:2:2) can be 1:2,2,2:2 for multi-gpu
  -x                   enable tta mode"
  -f format            output image format (jpg/png/webp, default=ext/png)
  -v                   verbose output

目前已有的模型：
realesrgan-x4plus（默认）效果清晰，偏向于脑补;
reaesrnet-x4plus（效果模糊，偏向于涂抹）
realesrgan-x4plus-anime（针对动漫插画图像优化，有更小的体积）
realesr-animevideov3 (针对动漫视频)
这个是未来的计划：

2.2 github上原代码

git clone https://github.com/xinntao/Real-ESRGAN.git
cd Real-ESRGAN
# 安装 basicsr - https://github.com/xinntao/BasicSR
# 我们使用BasicSR来训练以及推断
pip install basicsr
# facexlib和gfpgan是用来增强人脸的
pip install facexlib
pip install gfpgan
pip install -r requirements.txt
python setup.py develop
wget https://github.com/xinntao/Real-ESRGAN/releases/download/v0.1.0/RealESRGAN_x4plus.pth -P experiments/pretrained_models

然后执行：

python inference_realesrgan.py -n RealESRGAN_x4plus -i inputs --face_enhance

2.3 训练和微调

参考https://github.com/xinntao/Real-ESRGAN/blob/master/docs/Training_CN.md
微调时，可以使用程序自带的降级模型，也可以自备数据对。