ICCV2021—工业界中的神经网络视频传输超分算法

作者单位：北京邮电大学、Intel中国研究院

论文链接：https://arxiv.org/abs/2108.08202

代码链接：https://github.com/Neural-video-delivery/CaFM-Pytorch-ICCV2021

编者言：本文没有以网络结构的创新为切入点，而是利用超分辩率算法去优化神经网络视频传输任务，开辟了一个可以和工业界对接的新的研究方向。
01

看点

本文首先研究了在神经视频传输中不同块的模型之间的关系，然后设计了一个拥有内容感知特征调制层(CaFM)的联合训练框架来压缩这些模型。

使得每个视频块只需要不到1%的原始参数就可以进行流处理，并且获得了更好的SR性能。
此外，本方法也可以看作是一种新的视频编码方法，在存储成本相同的情况下视频质量优于H.264和H.265标准。
02

方法

神经视频传输

神经视频传输通过用LR视频和内容感知模型取代HR视频来节省传输带宽。整个过程如下图所示，共包括三个阶段:

  1. 在服务器上对视频块进行模型训练

  2. 将LR块与同内容感知模型从服务器传输到客户端
  3. 在客户端上解析LR块

在该过程中每个块都需要一个模型，这带来了额外的带宽成本。

动机实验

本实验中采用EDSR对不同视频块训练的模型进行分析。首先将一个视频拆分成个视频块，并训练个EDSR模型。然后本文对这些模型输入随机的DIV2K图像，将得到的特征图可视化，如下图。
定义特征图，其中表示第i个模型，为通道指数，为EDSR中的第k层。通过计算特征图之间的余弦距离来度量它们的相似性，，和之间的余弦距离矩阵如下图所示
根据图上图中矩阵的对角值，观察到虽然在不同的块上训练，但是对应通道之间的余弦距离非常小。不同模型的所有层之间的平均余弦距离分别约为0.16和0.04。
这表明和之间的关系可以用一个线性函数来近似建模。这使得本文提出了共享大多数参数，并用CaFM私有化每个网络块的方案。

CaFM

我们将CaFM层引入到baseline模型中，以私有化每个视频块的网络。总体框架如下图所示。

CaFM表示为一个通道线性函数:

其中表示第j个输入的特征图，C表示特征通道的个数，和表示通道缩放比例和偏置值。对于每个滤波器输出的特征都使用CaFM来进行调制。以EDSR为例，CaFM的参数约占EDSR的0.6%。
因此，对于一个有n块的视频，我们可以将模型的大小从n个EDSR减少到1个共享EDSR加上n个私有CaFM，这显著降低了带宽和存储成本。

联合训练框架

与单独训练的模型相比，添加微调过的CaFM的模块并不能获得有竞争力的结果。因此，本文进一步提出了一个联合训练框架来同时训练视频块模型。给定LR帧，表示该块中的第s个样本，SR帧的生成表示为：

其中为共享参数，为CaFM参数。对于每个视频块，重建损失定义为:
因此，联合训练的损失表示为：
在训练时，所有图像用于更新共享参数，第i块的图像用于更新相应的CaFM参数。
03

实验

VSD4K数据集

公共数据集如Vimeo-90K和REDS只包含相邻帧序列，不适合视频传输。因此，本文从YouTube上收集了一些4K视频来模拟实际的视频传输场景，命名为VSD4K。

它包含6个流行的视频类别，每个类别包含不同的视频长度，包括:15秒、30秒、45秒、1分钟、2分钟、5分钟。使用BI的降质方法来获取LR。

内容感知学习

在大规模数据集上训练网络模型，并使用训练后的模型对LR进行超分辨，本文定义这种训练为外部学习。然而，在神经视频传输任务中，视频是事先知道的。

因此，我们可以训练模型对每个视频都进行拟合，从而获得更好的SR性能。这种训练定义为内容感知学习。除此之外，还可以将视频进一步划分为多个视频块，并针对每个视频块进行分别训练，用'*’表示。实验结果如下：

CaFM中不同核大小的影响

联合训练的消融实验

在一个特定的视频上从零开始训练的网络表示M0。然后我们冻结参数并为每个块添加CaFM，对CaFM的参数进行微调以拟合每个块，这表示为FT。对每个chunk单独训练网络表示为，消融实验如下图：

与H.264/H.265的对比实验

在Vimeo-90K上的定量评估

VSD4K上的评估

M0表示为整个视频训练一个模型，是将视频分割成块，并为每个块训练一个模型，定量评估如下：

定性评估如下：

END

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