真正的无极放大！30x插值效果惊艳，英伟达等开源LIIF：巧妙的图像超分新思路
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2020-12-23 20:46
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导读
How to represent an image？在本文中，作者提出一种新颖的LIIF用于对自然图像进行连续表达。同时所提方法甚至可以进行30x插值，且效果惊人。另外，所提表达对于尺寸可变的学习任务具有天然有效性。
加州大学圣地亚哥分校&英伟达提出了一种新颖的连续图像表达方案。它在离散2D图像与连续2D图像之间构建了一种巧妙的连接。受益于所提方法的“连续表达”，它能够对图像进行分辨率调整，做到了真正意义上的“无极放大”，甚至可以进行30x的放大处理。
poster video
下面是一个简单的演示：
如何表达一张图像？
作者一上来就提到这样一个问题：
How to represent an image?
这个问题好回答也不回答。对于人类视觉系统而言，图像是一种连续形式进行呈现的；而在机器世界里，图像是以2D矩阵的离散形式进行存放的。现有的计算机视觉问题的研究也基本都是在2D离散数据集上进行的处理。
在该文中，作者希望学习一种连续图像表达。受启发于3D重建的隐式函数进展，作者提出一种Local Implicit Image Function, LIIF，它采用图像坐标以及2D深度特征作为输入，直接预测给定位置上的RGB输出。由于坐标的连续性，LIIF可以表示成任意分辨率形式。
为生成连续的图像表达，作者通过自监督方式在超分任务上训练了一个encoder和LIIF。所学习到的连续表达能够以任意分辨率对图像进行插值，甚至可以进行30x插值（注：训练时并未引入该尺度）。
作者进一步表明：LIIF表达在2D图像的离散与连续表达之间构建了一个连接，它可以自然的支持尺寸可变的学习任务。下图给出了所提方法在不同倍率下的局部图像示意图。
该文贡献主要包含以下几点：
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提出一种新颖的LIIF用于对自然图像进行连续表达； -
所提方法甚至可以进行30x插值，且效果惊人； -
所提表达对于尺寸可变的学习任务具有天然有效性。
局部隐函数
接下来，我们将逐步引入本文所提出的LIIF表达方式及相应改进点。 在LIIF表达中，每个连续图像 可以表示为2D特征形式 。Neural Implicit Funciotn, NIF 是全图像共享，它是一种MLP，其形式如下：
其中，z为向量， 表示连续图像域坐标， 表示预测信号(也就是RGB值)。基于上述定义，每个向量z可以表示为这样的映射过程： ，也就是说 可以表示为连续图像，它将坐标映射到RGB。
假设 的 的特征向量均匀的分布在连图像域的2D空间，见上图圆点，同时我们可以为每个圆点赋予2D坐标信息。对于图像 ，其在位置 处的RGB值可以表示如下：
其中， 表示 中距离 最近的隐特征， 表示因特征对应的坐标。仍以上图为例， 表示 的最近邻因特征， 表示 的坐标。简单来讲，通过上述隐函数 可以将2D特征均匀的扩散到2D连续图像域。
Feature unfolding
有了上述定义后，为了丰富每个因特征的信息，作者对 进行unfolding，也就是说采用前述的隐特征的局部近邻对齐进行了信息丰富。该过程可以描述如下：
看公式，可能有点复杂，直接看code就会发现：很简单。
Local ensemble
前述公式2存在一个重要的问题是：连续预测性。特别的， 处的信号预测依赖于其最近邻隐变量 ，当 在图像域进行移动时，隐变量的选择可能会出现突然的跳转。这就会导致输出图像的不连续性问题。
为解决上述问题，作者提出了局部集成技术，其实说白了就是：双线性插值思想。将前述公式扩展成如下形式：
其中 表示 与 之间构成的矩形的面积并进行了归一化，这里其实就是双线性插值，不再过多描述了。这种局部集成方式使得输出图像可以自然的连续过渡，而不会导致不连续性。
Cell decoding
作者希望LIIF表示能够对图像进行任意分辨率表示，尽管上述方式可以在连续图像域进行插值输出。但是上述方式并非最优的，因为每个像素的面积信息却被忽略了。为解决该问题，作者提出了cell decoding，见下图。
作者进一步扩充前述隐函数为如下形式：
其中， 包含像素的宽高信息。而该隐函数可以更好的描述连续图像，但c趋向于0时，上述表示就代表了像素的面积无限小，也就意味着图像接近真正意义上的连续。
连续图像表达学习
前面介绍了LIIF的定义与构成，那么如何进行训练呢？数据准备与训练过程见下图。
在这里，我们需要训练两个东西：Encoder与LIIF。前者用于将图像转成特征并送入到LIIF。Encoder就简单了，现有超分中的提取特征的方式都可以拿来直接用，比如EDSR、EDN、RCAN等等。作者采用EDSR与RDN进行实验，关于这两个网络的结构信息建议查看对应文章。
作者希望学习的LIIF不仅可以重建输出图像，而且能够在更高分辨率保持图像内容，因此，作者在超分任务上采用自监督方式进行Encoder和LIIF的训练。
实验
在实验方面，作者选用了DIV2K进行模型训练，采用DIV2K-val、Set5等标准数据进行验证。输入图像块大小为 ，训练过程中尺度在1-4之间均匀采样，batch=16；损失函数为L1；隐函数 为五层MLP(隐含层维度为256)。初始学习率为1e-4，每个200epoch折半，合计训练1000epoch。
Table1与Table2给出了所提方法与Bicubic、MetaSR在不同倍率的指标对比，可以看到：所提方法取得全面性的超越；在超出训练尺度外，所提方法所取得优势更大。
下图给出了所提方法在30x超分上的效果对比。可以看到：所提方法生成的结果更为自然，无任何伪影问题；而MetaSR则存在严重的伪影问题。
更多消融实验分析建议去查看原文，这里不再描述。
Demo演示
一点点理解
在笔者看来，这篇论文的思路真的非常巧妙。有这么三点巧妙的地方所在：
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坐标与特征的组合
当然这个组合不是作者首次提出的，甚至在深度学习大火之前就有了，类似的思想在2010年前后层被用于加速双边滤波；但是将这个idea与图像分辨率的连续性结合起来真的太巧妙了，坐标的连续性直接构成了图像尺寸的连续性。
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Cell decoding
在现有的图像超分领域，甚少有去考虑pixel面积问题的，大多采用暴力的堆网络的方式进行端到端训练。像素面积与图像分辨率存在非常紧密的联系，也更能反映图像的信息。做个比喻：假设 图像的像素面积为1，通过最近邻插值放大的图像的像素面积仍然为1，尽管它的面积变大，但其信息增加仍为0。大概是这么个意思吧。
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local ensemble
虽然看上去比较简单，但可能这也就是MetaSR效果不如LIIF的关键所在：训练尺度外存在不连续问题。
虽然所提方法可以达到“无极放大”的目的与效果，但目前该方案的计算量还是比较大的。如何将其做到更轻量可能会是一个不错的尝试点，如能做到手机端实时那就真的能够......
最后再提一下，这个方法训练还是挺快的。大概只需要5个小时就可以训练出一个效果还不错的模型。目前作者开源了EDSR-LIIF与RDN-LIIF两个模型，感兴趣的同学可以去把玩一番。
传送门
论文链接：
https://arxiv.org/abs/2012.09161
代码链接：
https://github.com/yinboc/liif
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