Deep Image Prior

本文揭示了深度卷积网络在没有经过任何学习的情况下,其结构本身就能捕获大量低级图像统计信息,用于图像恢复任务如去噪、超分辨。通过仅使用随机初始化的网络来拟合退化图像,这种方法在多个重建任务上展现出竞争力,挑战了网络必须从数据中学习图像先验的传统观点。

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Deep Image Prior


摘要

深度卷积网络已经成为图像生成和重建的常用工具。人们猜想,他们优秀的表现是归功于他们能够从大量图像样本中学习到真实图像先验的能力。而相反,本文中作者展示生成网络在经过任何学习之前就能够捕获大量的低级图像统计信息,也就是说,这些信息可能并不是通过大量的数据集学习得来。文中具体的实验方法,就是用一个随机初始化的生成网络,仅通过给定的图像就能得到重建后的图像,这种方法在去噪、超分辨、修补等人物上都有优异的表现。它也连接了两个非常流行的图像重建方法派别:基于学习的方法和基于非学习方法(例如self-similarity)。

简介

深度卷积神经网络(ConvNets)在图像去噪、超分辨等重建任务上达到了 state-of-the-art。相似结构的ConvNets更普遍地用在生成图像上,例如GAN、variational autoencoders、direct pixelwise error minimization。

这些 ConvNets 几乎都是基于大量图像数据集的训练,因此有一种假设说他们优异的表现由于它们从数据中学习真实图像先验的能力。然而单单学习还不足以解释深度网络的优异表现。例如,在文章 [Understanding deep learning requires rethinking generalization] 中,即使将标签随机打乱,同样泛化性能好的图像分类网络也可以很好地拟合这些数据。因此,泛化要求网络结构与数据结构“共鸣”。然而它们相互作用的机理,尤其是图像生成的,还尚不清楚。

在本文中,作者展示了一个与期望相反的现象,大量图像统计信息是由卷积生成网络的结构捕获的,而非任何学习能力。这对于解决各种图像恢复问题所需的图像统计信息尤其如此,在这些图像恢复问题中,我们需要图像先验来整理退化过程中丢失的信息。

为了展示这些,作者使用一个未训练的网络,来解决上述的重建问题,做法是让这个网络去拟合该张退化的图像,再无别的数据。在这个框架中,网络的权重就像是恢复的图像的参数化。给定一个退化的图像和对应的观测模型,网络的权重随机初始化,并且被拟合以最大化它们的似然性。

这个简单的构想在图像重建任务重很具竞争性。网络中没有任何一层面是从数据学习来的,而且网络的权重总是随机初始化,因此唯一的先验信息就是网络结构本身。这可能是第一次直接研究由卷积生成网络捕获的先验,而不依赖于从图像学习网络参数。

方法

图像生成的网络,大都是通过公式 x=fθ(z) x = f θ ( z ) 的形式,把随机编码 z z 映射到图像 x 。这个方法可以用来从随机分布中采样真实图像,另外这个随机分布也可以被定为坍塌的图像 x0 x 0 ,以用来解决图像重建逆问题。

作者把神经网络翻译为参数化过程: x=fθ

### Deep Image Prior 技术概述 Deep Image Prior 是一种利用神经网络结构本身作为正则化先验的方法,用于图像恢复任务。这种方法的核心思想在于通过训练一个随机初始化的卷积神经网络来拟合目标图像,而不需要额外的数据集或预训练模型[^3]。 #### 工作原理 Deep Image Prior 的核心机制依赖于这样一个观察:即使是在完全随机初始化的情况下,深层神经网络也能够隐含地表达复杂的图像结构特性。具体来说,在优化过程中,仅通过对输入噪声向量的学习即可重建高质量的目标图像。这种现象表明,神经网络架构本身就具有强大的归纳偏置能力,可以充当有效的图像先验。 以下是其实现的关键步骤: 1. **定义生成器网络** 使用一个标准的全连接层或者卷积神经网络作为生成器 \( G \),该网络接受随机噪声向量 \( z \) 作为输入,并输出一张合成图像 \( I_{synthetic} \)[^4]。 2. **损失函数设计** 定义一个适合特定任务的损失函数 \( L(I_{synthetic}, I_{target}) \),其中 \( I_{target} \) 表示目标图像。常见的损失形式包括像素级均方误差 (MSE) 或感知损失 (Perceptual Loss)[^5]。 3. **参数更新策略** 只有生成器中的权重被调整,而不涉及任何外部数据驱动的过程。这使得整个算法能够在单张图片上运行并快速收敛到合理的结果[^6]。 #### 实现代码示例 下面提供了一个简单的 PyTorch 版本实现框架供参考: ```python import torch from torchvision import transforms from PIL import Image class Generator(torch.nn.Module): def __init__(self): super(Generator, self).__init__() # Define your generator architecture here. def forward(self, x): pass # Implement the forward propagation logic. def deep_image_prior(target_img_path, num_iterations=5000): device = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu') transform = transforms.Compose([ transforms.ToTensor(), ]) target_img = Image.open(target_img_path).convert("RGB") target_tensor = transform(target_img).unsqueeze(0).to(device) gen_input = torch.randn((1, latent_dim, height, width)).to(device) model = Generator().to(device) optimizer = torch.optim.Adam(model.parameters(), lr=0.01) for i in range(num_iterations): synthetic_output = model(gen_input) loss = ((synthetic_output - target_tensor)**2).mean() optimizer.zero_grad() loss.backward() optimizer.step() if i % 500 == 0: print(f"Iteration {i}: Loss={loss.item()}") if __name__ == "__main__": deep_image_prior("./path_to_target_image.jpg", num_iterations=5000) ``` 上述代码片段展示了如何构建基本的生成器以及执行迭代优化过程以匹配给定的目标图像。 --- ###
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