基于CNN的图像增强之去模糊

本文探讨了图像模糊的原因,如相机抖动、物体运动及镜头失焦等,并介绍了LearningDeepCNNDenoiserPriorforImageRestoration这篇论文。该研究通过使用空洞卷积扩大感受野、批量归一化及残差学习等手段,有效地提升了图像复原的质量。

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图像模糊产生的原因非常多, 主要如下:

(1)相机抖动. □ 拍摄时相机不稳. □ 全部画面被模糊. 

(2)物体的运动. □ 部分物体运动. □ 不同区域模糊不同. 

(3) 镜头失焦. □ 大光圈小景深时的效果. 等等。

今天在看Learning Deep CNN Denoiser Prior for Image Restoration (CVPR, 2017) 的文章,里面涵盖的内容非常全,其中模糊也是其中主要工作之一,这工作挺有意思的,因此对其进行复现。

1、论文原理

论文为图像恢复,主要包括图像去噪、图像去模糊和图像超分辨率重建。本博客主要关注的是模糊。

论文将图像恢复统一为一个操作,如论文所述:即目标要还原出干净的x.


其采用模型框架如下:由七层组成,含三种blocks,分别是:第一个“dilated Convolution+Relu”,中间五个“dilated Convolution+BN+Relu”,最后一层“dilated Convolution”。其中空洞因子(dilated factors,3×3)被依次设置为,1,2,3,4,3,2,1。每一个中间层的feature maps个数均为64.


论文的主要核心环节:

(1)Using Dilated Filter to Enlarge Receptive Field.  使用dilated filter扩大感受野。
(2)Using Batch Normalization and Residual Learning to Accelerate Training. 使用批标准化BN和残差学习加速训练。
(3)Using Training Samples with Small Size to Help Avoid Boundary Artifacts 使用小尺寸训练样本避免边界效应。

(4)Learning Specific Denoiser Model with Small Interval Noise Levels. 学习噪声水平间隔较小的特定的去噪模型。


2、论文实践复现效果如下图所示:








不过比较难的程序输入是需要同时指定其模糊矩阵图,这个在实际应用中还有等于进一步细化。

<think>嗯,用户想了解如何使用CNN和Transformer融合技术进行图像去模糊处理。首先,我需要回顾一下CNN和Transformer各自的特点。CNN擅长局部特征提取,而Transformer能捕捉长距离依赖,所以融合两者可能效果不错。 根据引用[2]和[4],Transformer在图像恢复任务中表现很好,比如去雨和修复。比如Jiang的动态关联网络和Xiao的IDT用了自注意力,但可能存在冗余问题。用户的问题是关于去模糊,可能需要结合CNN的局部处理能力和Transformer的全局建模。 引用[4]提到分阶段修复,先用Transformer处理结构,再用CNN细化纹理。这可能适用于去模糊,先全局恢复结构,再局部增强细节。另外,引用[2]中的稀疏注意力可以优化标准自注意力,减少噪声干扰,这对去模糊可能有帮助。 需要设计一个融合架构,可能分阶段或者并行。比如第一阶段用Transformer处理全局模糊,第二阶段用CNN细化。或者用CNN提取多尺度特征,再用Transformer进行全局信息整合。 数据预处理方面,可能需要成对的模糊-清晰图像对,像引用[1]中的自编码器预训练。损失函数可能结合像素级的MSE和感知损失,如VGG特征匹配。 实现时,可以参考现有的框架,比如引用[3]中的CNN-Transformer模型,调整时间序列部分为图像处理。代码示例可能需要定义Transformer和CNN模块,设计融合策略,比如特征拼接或注意力加权。 可能的问题是如何平衡计算效率,引用[3]提到设计计算效率更高的模型,可能需要使用窗口注意力或稀疏机制,如引用[2]中的方法。 最后,验证方法,比如PSNR和SSIM指标,以及可视化结果对比。需要确保代码中的LaTeX公式正确,比如损失函数用$L_{total}$,结构用$$...$$单独成段。 可能的相关问题会涉及性能优化、具体应用场景或不同方法的比较,需要根据引用内容生成。</think>### CNN-Transformer融合技术在图像去模糊中的实现方法 图像去模糊任务需要同时处理局部细节恢复和全局结构重建。CNN擅长提取局部特征,而Transformer能建模长程依赖关系,因此两者的融合可优势互补。以下是典型的实现步骤: --- #### 1. **模型架构设计** 通常采用**分阶段融合**或**并行交互**结构: - **分阶段融合**(参考[^4]): - **阶段1**:使用Transformer建模全局模糊退化模式,生成初步去模糊结果。例如: $$E_{global} = \text{Transformer}(I_{blur})$$ - **阶段2**:通过CNN细化局部纹理,例如空洞卷积或多尺度特征融合: $$I_{sharp} = \text{CNN}(E_{global} \oplus I_{blur})$$ - **并行交互**: - 使用CNN提取多尺度特征$F_{cnn}$,Transformer提取全局上下文$F_{trans}$,通过注意力机制加权融合: $$F_{fusion} = \alpha \cdot F_{cnn} + (1-\alpha) \cdot \text{Attention}(F_{trans})$$ 其中$\alpha$为可学习参数[^2]。 --- #### 2. **关键技术实现** - **稀疏注意力机制**: 在Transformer中引入稀疏注意力(参考),仅保留top-k相关性高的特征连接,减少冗余噪声干扰: $$\text{SparseAttention}(Q,K,V) = \text{Softmax}\left(\frac{QK^T}{\sqrt{d_k}} \cdot M_{mask}\right)V$$ 其中$M_{mask}$为动态生成的二值掩膜。 - **特征对齐模块**: 使用可变形卷积(Deformable CNN)对齐模糊-清晰特征,解决运动模糊导致的像素偏移问题[^4]。 --- #### 3. **训练策略** - **数据预处理**: 输入模糊图像$I_{blur}$与清晰图像$I_{sharp}$成对输入,采用随机裁剪、旋转增强。 - **损失函数**: - **像素级损失**:$L1$或$L2$距离: $$L_{pixel} = \|I_{output} - I_{sharp}\|_1$$ - **感知损失**:通过预训练VGG网络提取特征相似性: $$L_{perc} = \sum_{i}\|\phi_i(I_{output}) - \phi_i(I_{sharp})\|_2$$ - **对抗损失**:引入判别器提升视觉质量[^3]。 --- #### 4. **代码示例(简化版)** ```python import torch from torch import nn class HybridDeblur(nn.Module): def __init__(self): super().__init__() # CNN分支:3层残差块 self.cnn = nn.Sequential( nn.Conv2d(3, 64, 3, padding=1), nn.ReLU(), nn.Conv2d(64, 64, 3, padding=1) ) # Transformer分支:4层编码器 self.trans_encoder = nn.TransformerEncoderLayer(d_model=64, nhead=8) # 特征融合 self.fusion = nn.Conv2d(128, 64, 1) def forward(self, x): cnn_feat = self.cnn(x) # 提取局部特征 trans_feat = self.trans_encoder(x.flatten(2).permute(2,0,1)) # 全局建模 trans_feat = trans_feat.permute(1,2,0).view(-1,64,256,256) # 恢复空间维度 fused = self.fusion(torch.cat([cnn_feat, trans_feat], dim=1)) return fused ``` --- #### 5. **性能验证** - **指标**:PSNR(峰值信噪比)、SSIM(结构相似性)、LPIPS(感知相似性) - **可视化对比**: ![模糊图像] vs [CNN结果] vs [融合模型结果] ---
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