图像压缩哪家强？请看这份超详细对比
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这是 PaperDaily 的第 88 篇文章本期推荐的论文笔记来自 PaperWeekly 社区用户 @TwistedW。本文来自早稻田大学，论文用精炼的语言对比了几类图像生成模型，将卷积自编码器（CAE）、生成对抗网络（GAN）和超分辨率（SR）在生成图像性能上做了比较。通过提取图像紧凑的特征，文章得出 CAE 比 JPEG 具有更好的编码效率，GAN 显示出在大压缩比和高主观质量重建方面的潜在优势，超分辨率在其中实现了最佳的速率失真（RD）性能，与 BPG 相当。
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关于作者：武广，合肥工业大学硕士生，研究方向为图像生成。
■ 论文 | Performance Comparison of Convolutional AutoEncoders, Generative Adversarial Networks and Super-Resolution for Image Compression
■ 链接 | https://www.paperweekly.site/papers/2085
■ 作者 | Zhengxue Cheng / Heming Sun / Masaru Takeuchi / Jiro Katto
图像压缩在计算机视觉领域占据着比较重要的位置，随着 GAN，VAE 和超分辨率图像让生成模型得到了很大的进步。不同的模型有着不同的性能优势，本文用精炼的语言加上较为严谨的实验对比了 GAN，CAE 和 super-resolution 在图像压缩性能上的优势。
论文引入
图像压缩一直是图像处理领域的一个基础和重要的研究课题。传统的图像压缩算法，如 JPEG，JPEG2000 和 BPG，依赖于手工制作的编码器。深度学习方法的发展提高了图像压缩的性能，其中比较有突破的图像压缩是在 Autoencoder，GAN 和超分辨率方面。
这篇论文提出了三种架构，分别使用卷积自动编码器（CAE），GAN 和超分辨率（SR）进行有损图像压缩。此外，还对它们的编码性能并进行了全面的比较。
实验结果表明，由于 Autoencoder 可以紧凑表示特性，CAE 可以实现比 JPEG 更高的编码效率；GAN 显示出在大压缩比和高主观质量重建方面的潜在优势；超分辨率在三种方法中实现了最佳的速率失真（RD）性能。
总结一下论文的贡献：
基于 CAE，GAN，SR 提出了三种整体压缩体系结构
对这三种框架做了全面的性能比较
CAE用于图像压缩
文中将图像压缩中的 DCT 和小波变换换成了 CAE（卷积自编码器），整体架构如下图所示：
上图比较符合传统的图像压缩的流程，不过主要的框架是在 CAE 的基础上建立的。连续的下采样操作会破坏重建图像的质量，所以 Autoencoder 采用卷积滤波器执行上下采样，CAE 的内部结构如下图：
内部卷积层之后的激活函数采用的是参数整流线性单元（PReLU）函数，而不是相关工作中常用的 ReLU，因为我们发现 PReLU 可以与 ReLU 相比时，提高了重建图像的质量，尤其是在高比特率。整体的损失函数定义为：
其中
GAN用于图像压缩
我们都知道 GAN 多用于图像的生成，图像的压缩也需要在 GAN 的基础上做一些小小的改变，那就是在生成器前面加上一个编码器，这样就可以把图像 encode 到适合 G 生成即可，这个编码器的结构和判别器类似，GAN 做图像压缩的整体框架如下：
这个模型框架结构很清晰，不需要太多的解释，判别器可以提高输出图像的真实性，损失函数为：
这里只写非对抗损失函数部分，对抗损失函数和原始 GAN 是一致的。JG(x) 包含两部分，前半部分是 MSE 损失，后半部分是减小特征层的损失可有利于图像的高质量重建。
基于 GAN 的体系结构与基于 CAE 的体系结构在图像压缩中有三个不同之处。首先，直接输入 RGB 分量，因此不应用从 RGB 到 YCbCr 的色彩空间转换；其次，不在训练过程中添加统一的噪音，因为 GAN 会从噪音中继承重建图像。第三，使用范围编码器，而不是 JPEG2000 熵编码器。
SR用于图像压缩
超分辨率压缩结构如下图所示：
对于具有复杂纹理或小分辨率的图像，SR 将成为高质量重建的瓶颈。因此，在编码器中构建重建循环且为自适应策略，该循环计算仅由 SR 引起的失真，即上图中的 Pre PSNR。
当 Pre PSNR 大于预定阈值时，图像被下采样到（0.5W，0.5H）并且在解码之后进行 SRCNN 滤波。否则，将图像下采样到（0.7W，0.7H），自适应策略的效果如下表。实验中阈值设置为 33.0 dB，并且选择约 30％ 的图像以使用 SRCNN 滤波器。
性能比较
为了测量编码效率，通过每像素比特（bpp）来测量速率。PSNR（dB）和 MS-SSIM 分别用于测量客观和主观质量。
CAE
由于 CAE 生成的特征图不是能量紧凑的，所以还要用 PCA 进一步去相关特征图。PCA 生成的特征映射和旋转特征映射的示例如下图所示。
可以看到，在右下角生成了更多的零，在旋转的特征映射中，大值居中于左上角，这有利于熵编码器降低速率。与 JPEG2000 相比，基于 CAE 的方法优于 JPEG，并且在 Kodak 数据集图像上实现了 13.7％ 的 BD 率减少。
GAN
GAN 的图像压缩在 CLIC 验证数据集上进行了性能比较实验：
其中 bpp 越小越好，PSNR 越大越好，MS-SSIM 越大越好！可以看出 GAN 的一定优势。
对比结果
实验在 CLIC 验证数据集进行公平评估。具有 MS-SSIM 和 PSNR 的 RD 曲线如下图。超分辨率的 RD 曲线很短，因为它是通过用 BPG 编解码器中的固定量化参数（QP） 值改变自适应策略中的阈值来进行的。通过改变 QP，超分辨率还可以实现广泛的 RD 曲线。
从 RD 曲线总结了几个观察结果：
1. 由于自动编码器的固有特性，在有损压缩的情况下，CAE 优于 JPEG。自动编码器可以减少尺寸以从图像中提取压缩的演示文稿，因此 CAE 优于 JPEG 和 JPEG2000。
2. GAN 在低比特率下比在高比特率下表现更好，因此 GAN 倾向于实现大的压缩比。同时，GAN 在 MS-SSIM 上的性能优于 PSNR，因为 GAN 的重建是基于图像数据的分布，肉眼更加认同。特别是对于 MS-SSIM，GAN 具有从 0.2bpp 到 0.8bpp 的稳定性能。
3. SR 在这三种方法中实现了最佳性能，因为它具有新兴算法 BPG 和基于机器学习的超分辨率滤波器的优点。如果可以提供更多的计算资源，那么通过添加更好的超分辨率滤波器，可以预期有希望的结果将超过 BPG。
下表是在速率约为 0.15bpp 的三种方法的比较：
可以看出基于 SR 的方法与 BPG 非常接近，基于 GAN 和 CAE 的体系结构优于 JPEG，特别是 GAN 和 CAE 具有相似的 PSNR，但就相对主观的 MS-SSIM 而言，GAN 比 CAE 更好。
总结
论文提出了三种使用 CAE，GAN 和 SR 进行压缩的体系结构，并讨论了它们的性能。结果表明：
CAE 比传统的有限压缩变换更好，并且有望用作特征提取器；
GAN 显示出对大压缩比和主观质量重建的潜在优势；
基于 SR 的压缩实现了其中最佳的编码性能。
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