DnCNN-Beyond a Gaussian Denoiser: Residual Learning of Deep CNN for Image Denoising

2024-02-20 08:11:10

论文原文：https://arxiv.org/pdf/1608.03981.pdf

笔记参考：【图像去噪】DnCNN论文详解

文章贡献：

针对高斯去噪提出了以一个端对端的可训练的深度神经网络。与现有的基于深度神经网络的直接估计潜在的干净图像的方法不同，该网络采用残差学习策略从噪声观测中去除潜在的干净图像。
文章发现，残差学习和批处理归一化对CNN的学习有很大的好处，它们不仅可以加快训练速度，而且可以提高去噪性能。对于具有一定噪声水平的高斯去噪，DnCNN在定量度量和视觉质量方面都优于最先进的方法。
DnCNN可以很容易地扩展到处理一般的图像去噪任务。可以通过训练单一的DnCNN模型来进行高斯盲去噪，并在特定的噪声水平下取得比其他方法更好的性能。此外，它有希望解决三个常见的图像去噪任务，即盲高斯去噪，SISR（超分辨率）和JPEG去块。

网络：

在网络架构设计上，对VGG进行修改，使其适合图像去噪，并根据目前去噪方法中使用的有效patch大小来设置网络深度。

在模型学习中，采用了残差学习公式，并将其与批处理归一化相结合，实现了快速训练，提高了去噪性能。

模型：

class DnCNN(nn.Module):
    def __init__(self, channels, num_of_layers=17):
        super(DnCNN, self).__init__()
        kernel_size = 3
        padding = 1
        features = 64
        layers = []
        layers.append(nn.Conv2d(in_channels=channels, out_channels=features, kernel_size=kernel_size, padding=padding, bias=False))
        layers.append(nn.ReLU(inplace=True))
        for _ in range(num_of_layers-2):
            layers.append(nn.Conv2d(in_channels=features, out_channels=features, kernel_size=kernel_size, padding=padding, bias=False))
            layers.append(nn.BatchNorm2d(features))
            layers.append(nn.ReLU(inplace=True))
        layers.append(nn.Conv2d(in_channels=features, out_channels=channels, kernel_size=kernel_size, padding=padding, bias=False))
        self.dncnn = nn.Sequential(*layers)
    def forward(self, x):
        out = self.dncnn(x)
        return out

第一部分：Conv（3 * 3 * c * 64）+ReLu （c代表图片通道数）

第二部分：Conv（3 * 3 * 64 * 64）+BN(batch normalization)+ReLu

第三部分：Conv（3 * 3 * 64）

每一层都zero padding，使得每一层的输入、输出尺寸保持一致。以此防止产生人工边界（boundary artifacts）。第二部分每一层在卷积与reLU之间都加了批量标准化（batch normalization、BN）。

批量标准化batch normalization：

SGD(随机梯度下降法)广泛应用于CNN的训练方法中，但是训练的性能却很大程度受内部协变量移位这一问题所影响。BN就是在每一层的非线性处理之前加入标准化、缩放、移位操作来减轻内部协变量的移位。可以给训练带来更快的速度，更好的表现，使网络对初始化变量的影响没有那么大。

内部协变量移位（internal covariate shift）：深层神经网络在做非线性变换前的激活输入值，随着网络深度加深或者在训练过程中，其分布逐渐发生偏移或者变动，之所以训练收敛慢，一般是整体分布逐渐往非线性函数的取值区间的上下限两端靠近（对于Sigmoid函数来说，意味着激活输入值WU+B是大的负值或正值），所以这导致反向传播时低层神经网络的梯度消失，这是训练深层神经网络收敛越来越慢的本质原因。

批量标准化（batch normalization）：就是通过一定的规范化手段，把每层神经网络任意神经元这个输入值的分布强行拉回到均值为0方差为1的标准正态分布，即把越来越偏的分布强制拉回比较标准的分布，这样使得激活输入值落在非线性函数对输入比较敏感的区域，所以输入的小变化才就会导致损失函数有较大的变化，意思就是让梯度变大，避免梯度消失问题产生，而且梯度变大意味着学习收敛速度快，能大大加快训练速度。

结果：

码农公寓

批量标准化batch normalization：

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