RCAN/RCAB：Image Super-Resolution Using Very Deep Residual Channel Attention Networks

前言

这是使用在超分辨率 领域的一个论文，主要卖点是提出的名叫RCAB的注意力模块。

Motivation

低分辨率图像（DR）中包含大量低频信息，但是在一般的卷积神经网络中每个通道中的特征会被同等对待，缺乏跨特征通道的区分学习能力，阻碍了深层网络的表征能力，不符合超分辨率任务中尽可能多地恢复高频信息的需求。

Methods

RCAN

本文提出了residual channel attention network（RCAN），残差通道注意力网络，来自适应地学习较深的网络中不同通道中的特征。
提出residual in residual（RIR）机制，即残差中的残差，目的是使网络能够适应更深层的结构。
如图所示，一个个深蓝色的残差组RG通过LSC长跳接连接，然后再接上最开始的只经过一次卷积得到的特征图，换句话说，大残差中包含了小残差。同时小残差中又有小小残差结构，即浅蓝色模块，浅蓝色模块又通过短跳接SSC进行连接，而且小小残差中是基于注意力的残差模块。最后经过所有的残差后的特征图做一个upsample使得低分辨率变成高分辨率（HR）。
结构是比较清晰明了的，感觉这种思维也是很容易套用在其他领域上，即把残差套娃再套娃。

整体上，具体做法是：输入一张低分辨率图片，经过一个3x3的卷积得到一个特征图，再经过一个RIR模块，其中包含10个RG与一个3x3卷积和一个LSC。最后经过上采样与一个3x3卷积层，上采样使用ESPCNN，约束使用L1loss。最终得到分辨率放大的输出。
小模块可以在下面进行介绍。

这种残差套娃的合理性来源，在文中是引用论文：Enhanced deep residual networks
for single image super-resolution. In: CVPR W (2017)

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通道注意力CA

因为低频信息中包含了丰富的信息，高频信息中则是包含了边缘、纹理以及其他细节的信息，把这些特征都统一对待是不太好的，使用了注意力机制的方法，能够提升网络对这些特征的信息表征能力。
具体操作是先进行一个全局平均池化得到1x1xC，这是一个包含了粗略信息的通道描述符，再在channel上除以比例r，即downsample，之后再upsample得到每一个通道的权重系数。最后和残差过来的原来特征进行相乘，得到重新分配过通道权重的新特征。
作者选择C=64，r=16。

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RCAB

$F_{(}g,b)$是输入，先经过一个conv+relu+conv的模块，得到$X_{(}g,b)$，然后将此特征图输入到CA中，经过一个sigmoid后再与原来特征图相乘，最终加上最开始的输入，得到输出。
其中卷积操作使用3x3的卷积核。

RG

residual group（RG）由B个RCAB、一个卷积和一个SSC组成，文中B为20。

代码

代码是从GitHub中直接复制出来的，是完整的一个RCAN的结构代码：

from model import common

import torch.nn as nn

def make_model(args, parent=False):
    return RCAN(args)

## Channel Attention (CA) Layer
class CALayer(nn.Module):
    def __init__(self, channel, reduction=16):
        super(CALayer, self).__init__()
        # global average pooling: feature --> point
        self.avg_pool = nn.AdaptiveAvgPool2d(1)
        # feature channel downscale and upscale --> channel weight
        self.conv_du = nn.Sequential(
                nn.Conv2d(channel, channel // reduction, 1, padding=0, bias=True),
                nn.ReLU(inplace=True),
                nn.Conv2d(channel // reduction, channel, 1, padding=0, bias=True),
                nn.Sigmoid()
        )

    def forward(self, x):
        y = self.avg_pool(x)
        y = self.conv_du(y)
        return x * y

## Residual Channel Attention Block (RCAB)
class RCAB(nn.Module):
    def __init__(
        self, conv, n_feat, kernel_size, reduction,
        bias=True, bn=False, act=nn.ReLU(True), res_scale=1):

        super(RCAB, self).__init__()
        modules_body = []
        for i in range(2):
            modules_body.append(conv(n_feat, n_feat, kernel_size, bias=bias))
            if bn: modules_body.append(nn.BatchNorm2d(n_feat))
            if i == 0: modules_body.append(act)
        modules_body.append(CALayer(n_feat, reduction))
        self.body = nn.Sequential(*modules_body)
        self.res_scale = res_scale

    def forward(self, x):
        res = self.body(x)
        #res = self.body(x).mul(self.res_scale)
        res += x
        return res

## Residual Group (RG)
class ResidualGroup(nn.Module):
    def __init__(self, conv, n_feat, kernel_size, reduction, act, res_scale, n_resblocks):
        super(ResidualGroup, self).__init__()
        modules_body = []
        modules_body = [
            RCAB(
                conv, n_feat, kernel_size, reduction, bias=True, bn=False, act=nn.ReLU(True), res_scale=1) \
            for _ in range(n_resblocks)]
        modules_body.append(conv(n_feat, n_feat, kernel_size))
        self.body = nn.Sequential(*modules_body)

    def forward(self, x):
        res = self.body(x)
        res += x
        return res

## Residual Channel Attention Network (RCAN)
class RCAN(nn.Module):
    def __init__(self, args, conv=common.default_conv):
        super(RCAN, self).__init__()
        
        n_resgroups = args.n_resgroups
        n_resblocks = args.n_resblocks
        n_feats = args.n_feats
        kernel_size = 3
        reduction = args.reduction 
        scale = args.scale[0]
        act = nn.ReLU(True)
        
        # RGB mean for DIV2K
        rgb_mean = (0.4488, 0.4371, 0.4040)
        rgb_std = (1.0, 1.0, 1.0)
        self.sub_mean = common.MeanShift(args.rgb_range, rgb_mean, rgb_std)
        
        # define head module
        modules_head = [conv(args.n_colors, n_feats, kernel_size)]

        # define body module
        modules_body = [
            ResidualGroup(
                conv, n_feats, kernel_size, reduction, act=act, res_scale=args.res_scale, n_resblocks=n_resblocks) \
            for _ in range(n_resgroups)]

        modules_body.append(conv(n_feats, n_feats, kernel_size))

        # define tail module
        modules_tail = [
            common.Upsampler(conv, scale, n_feats, act=False),
            conv(n_feats, args.n_colors, kernel_size)]

        self.add_mean = common.MeanShift(args.rgb_range, rgb_mean, rgb_std, 1)

        self.head = nn.Sequential(*modules_head)
        self.body = nn.Sequential(*modules_body)
        self.tail = nn.Sequential(*modules_tail)

    def forward(self, x):
        x = self.sub_mean(x)
        x = self.head(x)

        res = self.body(x)
        res += x

        x = self.tail(res)
        x = self.add_mean(x)

        return x 

    def load_state_dict(self, state_dict, strict=False):
        own_state = self.state_dict()
        for name, param in state_dict.items():
            if name in own_state:
                if isinstance(param, nn.Parameter):
                    param = param.data
                try:
                    own_state[name].copy_(param)
                except Exception:
                    if name.find('tail') >= 0:
                        print('Replace pre-trained upsampler to new one...')
                    else:
                        raise RuntimeError('While copying the parameter named {}, '
                                           'whose dimensions in the model are {} and '
                                           'whose dimensions in the checkpoint are {}.'
                                           .format(name, own_state[name].size(), param.size()))
            elif strict:
                if name.find('tail') == -1:
                    raise KeyError('unexpected key "{}" in state_dict'
                                   .format(name))

        if strict:
            missing = set(own_state.keys()) - set(state_dict.keys())
            if len(missing) > 0:
                raise KeyError('missing keys in state_dict: "{}"'.format(missing))