将神经网络训练成一个“放大镜”

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摘要：想不想将神经网络训练成一个“放大镜”？我们就训练了一个这样炫酷的神经网络，点击文章一起看下吧！

当我们网购时，我们肯定希望有一个贴近现实的购物体验，也就是说能够全方位的看清楚产品的细节。而分辨率高的大图像能够对商品进行更加详细的介绍，这真的可以改变顾客的购物体验，让顾客有个特别棒的购物之旅。idealo.de 是欧洲领先的比价网站，也是德国电子商务市场最大的门户网站之一，在此基础上，我们希望能够在此基础上为用户提供一个用户友好、有吸引力的购物平台。
在这里，我们利用深度学习来评估数百万酒店图像的美学层次和技术质量，另外，那些没有任何信息的、特别难看的小的产品图像对我们来说是无效的，因此需要想办法解决。
购物网站上并不是所有的商店都能为顾客提供高质量的图像，相反，商家提供的图像特别小、分辨率特别低、质量也很低。为了向用户展示高质量的高分辨率图像，我们基于 2018 年的论文《图像超分辨率的 RDN 网络》，训练了一个特别先进的卷积神经网络。
我们的目标很简单：拍摄一些特别小的图像，然后就像使用放大镜一样，对图像进行放大，并且还要保持高分辨率。
本文对实现这一目标做了详细介绍，另外，具体实现的细节，请查看 GitHub。
总概
与大多数深度学习项目一样，我们的深度学习项目主要有四个步骤：
1. 回顾前人对该项目所做的贡献。
2. 实施一个或多个解决方案，然后比较预先训练的版本。
3. 获取数据，训练并测试模型。
4. 针对训练和验证结果对模型进行改进和优化。
具体来说，本文主要有以下几方面的内容：
1. 介绍模型训练的配置，如何评估模型的性能
2. 查看早期训练和测试结果，了解从哪方面进行改进。
3. 指出后续需要探索的方向。
训练
与以往“标准”的监督深度学习任务不同，我们这个“放大镜”深度学习模型输出的不仅仅是类标签或一个分数，而是一整幅图像。这就意味着训练过程以及评估会跟以往略有不同，我们要输出的是原始高分辨率图像，为了更好的对模型进行评估，我们需要一种测量缩放输出图像“质量”的方法，该方法更详细的优缺点将在后面进一步做详细阐释。

损失函数
损失函数是用来评估神经网络的性能究竟如何，这个有很多方法可以评估。这个问题的本质为大家留下了创造力空间，如有些聪明的人会用高级特征和对抗网络。对于第一次迭代，我们使用标准方法：网络的超分辨率（SR）输出和高分辨率输出（HR）之间的像素均方差（MSE）。
评估
我们用峰值信噪比（PSNR）来评估输出图像的质量，峰值信噪比是基于两个图像之间的像素均方差（MSE）。由于峰值信噪比是最常用的评估输出图像质量的方法，因此我们也使用这一评估标准，以便将本文模型与其他模型作比较。
开始
我们在 p2.xlarge AWS EC2 实例上进行训练，直到验证损失函数收敛，训练结束，这大概需要 90 个周期（一个周期 24 小时），然后使用 Tensorboard 跟踪训练数据集及验证数据集的损失函数和 PSNR 值。

如上图所示，左上角为在每个周期结束时，反向传播到神经网络上的训练损失函数。右上角为跟踪泛化性能的非训练数据及的损失。左下角为训练数据集的 PSNR 值。右下角为验证数据集的 PSNR 值。
结果
输出的结果如下所示，我们先看看模型的输出结果，再考虑如何对该模型进行改进。左侧是验证数据集中的整个图像，中间是卷积神经网络的输出提取图像块，右侧是使用标准过程将中间输出提取图像块按比例放大后的输出，这里使用了 GIMP 的图像缩放功能

![LR 图像（左），重建 SR（中），GIMP 基线缩放（右）。](https://upload-images.jianshu…
这个结果肯定不是特别完美：蝴蝶的天线周围有些没必要的噪声，蝴蝶的颈部和背部的毛发及翅膀上有些斑点轮廓，神经网络的输出图像（中）看起来要比 GIMP 基线输出图像（右）更加清晰。
结果分析
为了进一步理解模型有哪些优缺点，我们需要从验证数据集中提取具有高 PSNR 值的图像块和具有低能量度值的图像块。

不出所料，性能最佳的图像块是具有较多平坦区域的图像块，而较为复杂的图像块难以准确再现。因此，我们重点关注这些较复杂的图像块，以便对结果进行训练和评估。
同样的，我们也可以使用热图（heatmap）突出显示原始 HR 图像和神经网络输出 SR 图像之间的误差，颜色较暗的部分对应于较高的像素均方误差（较差的结果），颜色较浅的部分对应于较低的像素均方误差（或较好的结果）

我们可以看到，具有多种模式的区域的误差会更大，但是看起来“更简单”的过渡区域则是相当黑暗的（例如云、天空），这是可以改进的，因为它与 idealo 的目录用例相关。
浅谈深度学习任务中的非真实数据
与常见的分类问题或输出为一个分值的监督式深度学习任务不同，我们用于评估神经网络输出的真实数据是原始 HR 图像。
这既有好处，也有坏处。
坏处：像 Keras 这样的当前较为流行的深度学习框架没有预先制定训练解决方案，比如生成器。实际上，它们通常依赖于从一维数组中获取训练和验证标签或文件，或者是直接从文件结构中派生出来的，这会涉及到一些额外的编码算法。
好处：没有必要花太多时间来获得标签，给出一个 HR 图像池，我们可以对其进行简单的缩小，获得我们所需要的 LR 训练数据，并使用原始 HR 图像来评估损失函数
通常来说，使用图像数据对神经网络进行训练时，需要从训练数据集中随机的选择多个图像来创建训练批次。然后将这些尺寸重新缩小到一个较小的尺寸，一般来说，大小约为 100×100 像素。我们随时使用随机变换对图像进行增强，并反馈到神经网络中。在这种情况下，没有必要向神经网络反馈整张图像，并且这也非常不可取。这是因为，我们不能将图像重新缩放到 100×100 的小像素点。毕竟，我们想要对图像进行放大。同时，我们也无法用较大尺寸的图像进行训练，比如大小为 500×600 像素的图像，因为处理这种大图像需要很长的时间。相反，我们可以从整个图像中提取一个非常小的随机色块，比如大小为 16×16 像素块，这样一来，我们就有了更多的数据点，因为每个图像都可以提供数百个不同的色块。
我们之所以能够处理这种小色块，是因为我们不需要将一堆图像进行分类，比如：腿 + 尾巴 + 胡须 + 死老鼠 = 猫。因此，模型的末端就没有全连接层。我们只需要使用神经网络来构建这些模式的抽象表示，然后学习如何对其进行放大，除此以外，还要对块进行重新组合，使组合后的图像变得有意义。这种抽象表示由卷积层和放大层来完成，其中，卷积层是该网络中唯一的一种层类型。
我们还要说明的是，全卷积结构使该网络的输入大小相互独立。也就是说，这意味着它与普通的分类卷积神经网络有所不同，你可以向完全卷积神经网络中输入任何大小的图像：无论输入图像原始大小是什么，网络都会输入一个输入图像大小 2 倍的图像。
有关图像超分辨率的 RDN 网络更加详细的介绍，请查看文末链接。
另一方面，我们还需要思考如何从图像中提取这些块。思路如下：从数据集中提取出 n 个随机图像，然后从每个图像中提取 p 个随机快。我们尝试了几种方法，如下图所示：

首先，从一个均匀的网格中提出块，并创建一个完整的块数据集。在训练的时候，我们随机的提取其 batch_size，并对其进行放大，反馈给网络。这种方法的缺点是需要静态的存储非常大的数据集，如果要用云服务器进行训练，这种方法其实并不理想：移动和提取数据集是一项相当耗时的操作，并且具有确定性定义的数据集可能并不是最佳数据集。
另一种方法是随机选择 batch_size 大小的图像，并从中提取单个块。这种方法需要从磁盘中读取数据，这就大大降低了训练时间（我们设置的每个训练时间为 15min-1h）。
最后，我们将原始数据集中随机提取的单个图像块进行融合，并从中提取动态的 batch_size 块，这不仅能存储原始数据集，同时，也能保持较快的训练速度。
拓展
这是放大 idealo 网站产品目录的第一步，我们已经完成了。
下面是我们将产品图像中低质量、低分辨率的图像进行放大，并输出。

从上图中，我们可以看到，图像中较为平坦的地方会产生较为明显的噪声，文本也会略有失真。这就是我们计划要改进的地方。
在下一步的探索中，我们将在自己的产品图像数据集上对神经网络进行训练。
相关链接
Github: Image Super Resolution
Paper: Residual Dense Network for Image Super-Resolution (Zhang et al. 2018)
Dataset: DIVerse 2K resolution high quality images

本文作者：【方向】阅读原文
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