ICCV2021 香港理工、阿里达摩院提出RealVSR：视频超分任务中的新数据集与损失方案 / 开普饭

详细信息如下：

作者单位：香港理工大学、阿里巴巴达摩院
论文链接：https://www4.comp.polyu.edu.hk/~cslzhang/paper/ICCV21_RealVSR.pdf
项目链接：https://github.com/IanYeung/RealVSR

看点

人工退化模型并不能很好地描述真实视频中复杂的退化过程，从而导致训练后的VSR模型在实际应用中失效。本文使用iPhone 11 Pro Max的多摄像头系统，通过捕捉配对的LR-HR视频序列，构建了一个真实世界的视频超分辨率(RealVSR)数据集。由于LR-HR视频对是由两个独立的摄像机拍摄的，它们之间不可避免地存在一定的错位和亮度/颜色差异。

为此，本文提出了一个具体的RealVSR训练策略，将LR-HR视频转换为YCbCr空间，并将亮度通道分解为拉普拉斯金字塔，然后对不同分量应用不同的损失函数。实验证明，在RealVSR数据集上训练的VSR模型比在合成数据集上训练的模型具有更好的视觉质量。在跨摄像机测试中也表现出良好的泛化能力。

方法

RealVSR数据集

RealVSR数据集是使用带有DoubleTake app的双摄像头功能的iPhone 11 Pro Max手机构建的，如下图所示。

DoubleTake app可以通过两个不同焦距的摄像头，在不同比例下捕捉到两个近似同步的高清视频序列。iPhone 11 Pro Max有三个后置摄像头:一个镜头相当于13mm的超广角摄像头，一个镜头相当于26mm的广角摄像头，还有一个镜头相当于52mm的长焦摄像头。

三个摄像头都能拍摄1200万像素的照片。较大焦距的相机可以捕捉到更精细的细节，比例系数等于焦距的比值。考虑到超广角镜头失真严重，裁剪后的图像质量较差，本文以52mm镜头相机捕获的序列作为HR序列，以26mm镜头相机捕获的序列生成相应的LR序列，得到×2VSR的数据集。

值得一提的是×2缩放是目前实际VSR的主要需求。RealVSR共有700多对序列。每对由两个同步序列组成，帧率为30fps，分辨率为1080P。为了保证数据集的多样性，采集的序列覆盖了各种场景，包括室外和室内场景、白天和夜间场景、静止场景和有移动物体的场景等。数据集中的序列拥有各种运动，包括摄像机运动和物体运动。

在收集数据后，手动选择并排除了大约200个质量较差的序列，如严重模糊、噪声、过度曝光或曝光不足的视频等。考虑到LR-HR序列之间不完全同步，排除了有严重错位问题的序列对。经过仔细的选择，数据集中保留了500个序列对。

最后，每个序列对中的LR帧和HR帧需要进行对齐，以便更容易地执行有监督的VSR模型训练。采用RealSR中的图像配准算法，逐帧对齐LR-HR视频。考虑到相邻帧之间可能存在一些小的配准漂移，本文使用5个相邻帧作为输入来计算中心帧的配准矩阵。对齐后，裁剪大小为1024×512的对齐序列的中心区域，消除边界周围的对齐伪影。为了进一步标准化数据集，切割了所有序列使其均为50帧。

动机分析

视频采集过程中图像退化的原因有:各向异性模糊、信号相关噪声、图像信号处理(ISP)管道中的非线性映射和视频压缩算法等。具体来说，两台相机拍摄的LR-HR视频采用了不同的镜头、传感器和ISP管道，因此呈现出不同的失真。

配准算法可以缓解这一问题，然而在LR-HR序列之间仍然存在微小的错位和亮度/颜色差异，下图可以观察到LR和HR帧之间的轻微整体亮度和颜色差异，这是由于两个相机之间的照明，曝光时间和相机ISP的变化造成的。

分解损失

超分的目标是恢复LR帧中的图像细节(边缘、纹理等)，而不是全局亮度和颜色。为此，本文提出了一套分解损失，如下图所示。将SR和HR视频转换到YCbCr空间中，以分解亮度和颜色，并对不同的组件应用不同的损失函数。

在Y通道上设计了一个基于拉普拉斯金字塔的损失，以帮助网络更好地重建较小亮度差异下的细节。在颜色通道Cb和Cr上，采用梯度加权内容损失聚焦于颜色边缘。为了进一步提高重构HR视频的视觉质量，使用基于多尺度边缘的GAN损失来指导纹理生成。

亮度通道上基于拉普拉斯金字塔的损失Y通道包含了视频帧的大部分纹理信息，它是VSR中重建图像细节的关键。VSR研究中常用的损耗对全局亮度差异非常敏感，因此使可能会在学习图像结构和细节时受到干扰。

为了解决这个问题，我们将Y通道分解成一个拉普拉斯金字塔。低频分量捕捉原始图像的整体亮度和总体结构，高频分量包含原始图像的多尺度细节。通过在低频和高频分量上施加不同的损失可以实现更好的细节重构，同时允许整体亮度有一定的差异。

分别用和表示HR和SR的亮度通道，把它们分解成三层拉普拉斯金字塔和，其中和表示低频分量，其余为高频分量。全局亮度差异主要体现在低频分量上，与其他损失相比，SSIM更关注图像结构，对亮度变化不敏感，故结构损失定义为：

由于高频分量基本没有全局亮度差异，采用Charbonnier来定义细节损失：

色度通道的梯度加权损失与亮度通道相比，色度通道CbCr更加平滑。因此，我们着重于重建显色边缘，故在这里采用梯度加权损失。分别用和表示HR和SR的色度通道，梯度加权损失如下：

其中，，和为和在水平和垂直方向梯度的绝对值差图。多尺度边缘GAN损失生成对抗网络已经被用于一些SISR方法，以改善估计的HR图像的感知质量。然而，这些方法通常直接将GAN损失应用于全彩图像，这可能不足以有效地生成纹理。本文根据PatchGAN和相对论平均鉴别器，将GAN损失应用于拉普拉斯金字塔的高频成分，生成器的损失为：

鉴别器的损失为：

其中是拉普拉斯金字塔的第i个高频分量的相对论平均鉴别器。Final损失作者建议两种损失，着重于精细细节的重构如下:

通过生成一些细节进一步增强视觉质量，定义为:

实验