超分中使用的损失函数和经典文章

损失函数

https://towardsdatascience.com/super-resolution-a-basic-study-e01af1449e13

在GAN出现之前，使用的更多是MSE，PSNR,SSIM来衡量图像相似度，同时也使用他们作为损失函数。

MSE

表面上MSE直接决定了PSNR，MSE：

但是这些引以为傲的指标，有时候也不是那么靠谱：

MSE对于大的误差更敏感，所以结果就是会倾向于收敛到期望附近，表现为丢失高频信息。同时根据实验，MSE的收敛效果也差于L1：

MAE

MAE相比于MSE，对所有像素一视同仁，能保留更多高频信息，所以更符合人眼。

但是只使用L1也有问题，现在通常的做法是多种损失混合使用，比如MS-SSIM+L1，还有基于DCT的loss。

在目前超分辨率的论文中不使用MSE，而使用L1或者Perceptual loss的原因是什么？ - 知乎

MS-SSIM

其实就是构建图像金字塔，每一层计算ssim，每一层有不同的权重。

1. 权重不是递进的，而是中间层的权重最大：[0.0448, 0.2856, 0.3001, 0.2363, 0.1333])；

2. 权重是以指数的形式；

3. 在实现上，没有考虑s的部分。l*c就是原来标准的ssim，但是l只有在最后一层参与了计算。

https://ece.uwaterloo.ca/~z70wang/publications/msssim.pdf

mmagic/mmagic/evaluation/metrics/ms_ssim.py at 0a560bba9b79ebe78574e1d4cbbdd0e798e63568 · open-mmlab/mmagic · GitHub

TV-loss

它更像是一个平滑函数，通过最小化四近邻的差异来平滑噪声。同时也可以看到，它没有考虑对应的HR图像。

上面几种loss都是像素级别的，属于pixel loss。同样是MSE，但如果在特征图上计算，那就是Perceptual Loss/content loss。

提取特征图通常使用预训练好的VGG/ResNet模型。

Texture Loss/

也称为style loss or gram matrix loss。

它借鉴了风格迁移任务，仍然是基于特征图，但是不是直接计算MSE，而是先基于特征图计算gram矩阵。

如果两个图的gram矩阵差异小，那么他们是更接近的：

算法

SRGAN,ESRGAN,Real ESRGAN,一步步演化，对比着看才更容易理解。

SRCNN

这是第一篇使用CNN做超分的算法。

首先使用bi-cubic将LR图像上采样上来，然后使用CNN提取特征，同时学习映射关系。损失函数使用的依然是MSE，但仍然获得了更多的细节。

SRGAN

SRGAN主要从损失函数的角度优化。因为发现一MSE为损失函数时，网络会倾向于平均的结果，表现在图像上就是过于平滑，丢失细节。https://arxiv.org/pdf/1609.04802.pdf

SRGAN使用了两个损失函数，一个是使用VGG的特征图，在特征图上计算欧式距离。第二个损失函数是使用对抗网络中的鉴别器，判断当前输出结果是否是真实的HR数据。

ESRGAN

ESRGAN在损失函数上继续优化。特征图损失部分，使用的是激活前的而不是激活后的，因为激活后的未免太抽象；

鉴别器损失部分，借鉴relativistic GAN，使用相对损失而不是绝对损失。

除了损失函数，网络结构方面也是把残差，dense net组合成更复杂的RRDB：

首先是构建Dense Block，卷积越往后，接受的通道数越多（因为是之前所有的输出和最开始的输入）。Dense Block把输出和输入线性组合，就是RDB。RRDB就是把三个RDB串起来，再把输出和输入做线性组合。组合的时候，输出只占0.2.

最终以PSNR和GAN为目标，作者训练了两套模型参数，对两套参数加权融合，可以互补二者的优缺点。

Real ESRGAN

Real ESRGAN主要的贡献是数据对的生成。通过模糊，下采样，加噪声，压缩，模拟振铃效应等得到了更接近真实退化的图像对：

SRGAN、ESRGAN与Real ESRGAN方法介绍 - 知乎

ESRGAN原理分析和代码解读 - 知乎

超分之ESRGAN官方代码解读_residual-in-residual dense block、-CSDN博客