RCAN [Kor]

Yulun Zhang et al. / Image Super-Resolution Using Very Deep Residual Channel Attention Networks / ECCV 2018

English version of this article is available.

1. Problem definition

단일 이미지 초해상화 (Single Image Super-Resolution, SISR) 기법은 이미지 내의 블러와 다양한 노이즈를 제거하면서, 동시에 저해상도 (Low Resolution, LR) 이미지를 고해상도 (High Resolution, HR)로 복원하는 것을 목표로 한다. x와 y를 각각 LR과 HR 이미지라고 할 때, SR을 수식으로 표현하면 다음과 같다.

\textbf{y}=(\textbf{x} \otimes \textbf{k} )\downarrow_s + \textbf{n}

여기서 y와 x는 각각 고해상도와 저해상도 이미지를 의미하며, k와 n은 각각 블러 행렬과 노이즈 행렬을 나타낸다. 최근에는 CNN이 SR에 효과적으로 작용한다는 사실에 따라, CNN-based SR이 활발히 연구되고 있다. 하지만 CNN-based SR은 다음 두가지 한계점을 가지고 있다.

층이 깊어질수록 Gradient Vanishing [Note i]이 발생하여 학습이 어려워짐
LR 이미지에 포함된 저주파(low-frequency) 정보가 모든 채널에서 동등하게 다루어짐으로써 각 feature map의 대표성이 약화됨

앞서 언급한 SR의 목표와 위 2가지 한계점을 극복하기 위해, 해당 논문에서는 Deep-RCAN (Residual Channel Attention Networks)을 제안한다.

[Note i] Gradient Vanishing: Input 값이 activation function을 거치면서 작은 범위의 output 값으로 squeezing 되며, 따라서 초기의 input 값이 여러 층의 activation function을 거칠수록 output 값에 거의 영향을 미치지 못하게 되는 상태를 의미함. 이에 따라 초기 layer들의 파라미터 값들이 output에 대한 변화율이 작아지게되어 학습이 불가해짐

2. Motivation

본 논문의 baseline인 deep-CNN과 attention 기법과 관련된 paper들은 다음과 같다.

1. CNN 기반 SR

[SRCNN & FSRCNN]: CNN을 SR에 적용한 최초의 기법으로서, 3층의 CNN을 구성함으로써 기존의 Non-CNN 기반 SR 기법들에 비해 크게 성능을 향상시켰음. FSRCNN은 SRCNN의 네트워크 구조를 간소화하여 추론과 학습 속도를 증대시킴.
[VDSR & DRCN]: SRCNN보다 층을 더 깊게 적층하여 (20층), 성능을 크게 향상시킴.
[SRResNet & SRGAN]: SRResNet은 SR에 ResNet을 최초로 도입하였음. 또한 SRGAN에서는 SRResNet에 GAN을 도입함으로써 블러현상을 완화시킴으로써 사실에 가까운(photo-realistic) SR을 구현하였음. 하지만, 의도하지 않은 인공적인(artifact) 객체를 생성하는 경우가 발생함.
[EDSR & MDSR]: 기존의 ResNet에서 불필요한 모듈을 제거하여, 속도를 크게 증가시킴. 하지만, 이미지 처리에서 관건인 깊은 층을 구현하지 못하며, 모든 channel에서 low-frequency 정보를 동일하게 다루어 불필요한 계산이 포함되고 다양한 feature를 나타내지 못한다는 한계를 지님.

2. Attention 기법

Attention은 인풋 데이터에서 관심 있는 특정 부분에 처리 리소스를 편향시키는 기법으로서, 해당 부분에 대한 처리 성능을 증가시킨다. 현재까지 attention은 객체인식이나 이미지 분류 등 high-level vision task에 일반적으로 사용되었고, 이미지 SR 등의 low-level vision task에서는 거의 다루어지지 않았다. 본 논문에서는 고해상도(High-Resolution, HR) 이미지를 구성하는 고주파(High-Frequency)를 강화하기 위해, LR 이미지에서 고주파 영역에 attention을 적용한다.

2.2. Idea

해당 논문의 idea와 이에 따른 contribution은 아래 세가지로 요약할 수 있다.

1. Residual Channel Attention Network (RCAN)

Residual Channel Attention Network (RCAN) 을 통해 기존의 CNN 기반 SR보다 더욱 층을 깊게 쌓음으로써, 더 정확한 SR 이미지를 획득한다.

2. Residual in Residual (RIR)

Residual in Residual (RIR)을 통해 i) 학습가능한(trainable) 더욱 깊은 층을 쌓으며, ii) RIR 블록 내부의 long and short skip connection으로 저해상도 이미지의 low-frequency 정보를 우회시킴으로써 더 효율적인 신경망을 설계할 수 있다.

3. Channel Attention (CA)

Channel Attention (CA)을 통해 Feature 채널 간 상호종속성을 고려함으로써, 적응식 feature rescaling을 가능케 한다.

3. Residual Channel Attention Network (RCAN)

3.1. Network Architecture

RCAN의 네트워크 구조는 크게 4 부분으로 구성되어 있다: i) Shallow feature extraction, ii) RIR deep feature extraction, iii) Upscale module, iv) Reconstruction part. 본 논문에서는 i), iii), iv)에 대해서는 기존 기법인 EDSR과 유사하게 각각 one convolutional layer, deconvolutional layer, L1 loss가 사용되었다. ii) RIR deep feature extraction을 포함하여, CA와 RCAB에 대한 contribution은 다음 절에서 소개한다.

L(\Theta )=\frac{1}{N}\sum_{N}^{i=1}\left \| H_{RCAN}(I_{LR}^i)-I_{HR}^i \right \|_1

3.2. Residual in Residual (RIR)

RIR에서는 residual group (RG)과 long skip connection (LSC)으로 구성된 G개의 블록으로 이루어져 있다. 특히, 1개의 RG는 residual channel attention block(RCAB)와 short skip connection (SSC)을 단위로 하는 B개의 연산으로 구성되어 있다. 이러한 구조로 400개 이상의 CNN 층을 형성하는 것이 가능하다. RG만을 깊게 쌓는 것은 성능 측면에서 한계가 있기 때문에 LSC를 RIR 마지막 부에 도입하여 신경망을 안정화시킨다. 또한 LSC와 SSC를 함께 도입함으로써 LR이미지의 불필요한 저주파 정보를 더욱 효율적으로 우회시킬 수 있다.

3.3. Residual Channel Attention Block (RCAB)

본 논문에서는 Channel Attention (CA)를 Residual Block (RB)에 병합시킴으로써, Residual Channel Attention Block (RCAB)를 제안하였다. 특히, CNN이 local receptive field만 고려함으로써 local region 이외의 전체적인 정보를 이용하지 못한다는 점을 극복하기 위해 CA에서는 global average pooling으로 공간적 정보를 표현하였다.

한편, 채널간 연관성을 나타내기 위해, gating 매커니즘을 [Note ii] 추가로 도입하였다. gating 매커니즘은 일반적으로 채널간 비선형성을 나타내야 하며, one-hot 활성화에 비해 다수 채널의 feature가 강조되면서 상호 배타적인 관계를 학습해야 한다. 이러한 기준을 충족하기 위해, sigmoid gating과 ReLU가 선정되었다.

[Note ii] Gating Mechanisms: Gating Mechanisms은 Vanishing gradient 문제를 해결하기 위해 도입되었으며 RNN에 효과적으로 적용된다. Gating Mechanisms은 업데이트를 smoothing하는 효과를 지닌다. [Gu, Albert, et al. "Improving the gating mechanism of recurrent neural networks." International Conference on Machine Learning. PMLR, 2020.]

4. Experiment & Result

4.1. Experimental setup

1. Datasets and degradation models

학습용 이미지는 DIV2K 데이터셋의 일부 800개 이미지를 이용하였으며, 테스트 이미지로는 Set5, B100, Urban 100과 Manga109를 사용하였다. Degradation 모델로는 bicubic (BI)와 blur-downscale (BD)가 사용되었다.

2. Evaluation metrics

PSNR과 SSIM으로 처리된 이미지의 YCbCr color space [Note iii]의 Y 채널을 평가하였음. 또한 recognition error에서 1~5위의 타 SR 기법과 비교하여, 성능 우위를 확인하였음.

[Note iii] YcbCr: YCBCR은 Y'CBCR, YCbCr 또는 Y'CbCr이라고 불리며, 비디오 및 디지털 사진 시스템에서 컬러 이미지 파이프라인의 일부로 사용되는 색상 공간 제품군이다. Y'는 luma 성분이고 CB 및 CR은 청색차 및 적색차 크로마 성분이다. Y'(프라임 포함)는 휘도인 Y와 구별되며, 이는 광 강도가 감마 보정된 RGB 프라이머리를 기반으로 비선형적으로 인코딩됨을 의미한다. [Wikipedia]

3. Training settings

앞서 언급한 DIV2K 데이터셋에 있는 800개의 이미지에 회전, 상하반전 등 data augmentation을 적용하고, 각 training batch에서는 48x48 사이즈의 16개의 LR 패치가 인풋으로 추출되었다. 또한 최적화 기법으로는 ADAM이 사용되었다.

4.2. Result

1. Effects of RIR and CA

기존기법이 37.45dB의 성능을 보여준데 반해, long skip connection (LSC)과 short skip connection (SSC)가 포함된 RIR과 CA를 이용함으로써, 37.90dB까지 성능을 높였다. (LSC)으로 구성된 G개의 블록으로 이루어져 있다.

2. Model Size Analyses

RCAN은 타 기법들 (DRCN, FSRCNN, PSyCo, ENet-E)과 비교하여 가장 깊은 신경망을 이루면서도, 전체 파라미터 수는 가장 적지만, 가장 높은 성능을 보여주었다.

5. Conclusion

본 논문에서는 높은 정확도의 SR 이미지를 획득하기 위해 RCAN이 적용되었다. 특히, RIR 구조와 LSC 및 SSC를 함께 활용함으로써, 깊은 층을 형성할 수 있었다. 또한 RIR은 LR 이미지의 불필요한 정보인 저주파 정보를 우회시킴으로써, 신경망이 고주파 정보를 학습할 수 있도록 하였다. 더 나아가, CA를 도입하여 채널간의 상호종속성을 고려함으로써 channel-wise feature를 적응식으로 rescaling하였다. 제안한 기법은 BI, DB degradation 모델을 이용하여 SR 성능을 검증하였으며, 추가로 객체 인식에서도 우수한 성능을 나타내는 것을 확인하였다.

Take home message (오늘의 교훈)

이미지 내에서 관심 있는 영역의 정보를 분할해내고, 해당 정보에 attention을 적용함으로써 학습과정에서 비중을 더 높일 수 있다.

전체 파마리터 개수를 늘리는 것보다 신경망을 더 깊게 쌓는 것이 성능을 높이는데 더 효과적이다.

Author / Reviewer information

1. Author

한승호 (Seungho Han)

KAIST ME
Research Topics: Formation Control, Vehicle Autonomous Driving, Image Super Resolution
https://www.linkedin.com/in/seung-ho-han-8a54a4205/

2. Reviewer

Korean name (English name): Affiliation / Contact information
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Reference & Additional materials

[Original Paper] Zhang, Yulun, et al. "Image super-resolution using very deep residual channel attention networks." Proceedings of the European conference on computer vision (ECCV). 2018.
[Github] https://github.com/yulunzhang/RCAN
[Github] https://github.com/dongheehand/RCAN-tf
[Github] https://github.com/yjn870/RCAN-pytorch
[Attention] https://wikidocs.net/22893
[Dataset] Xu, Qianxiong, and Yu Zheng. "A Survey of Image Super Resolution Based on CNN." Cloud Computing, Smart Grid and Innovative Frontiers in Telecommunications. Springer, Cham, 2019. 184-199.
[BSRGAN] Zhang, Kai, et al. "Designing a practical degradation model for deep blind image super-resolution." arXiv preprint arXiv:2103.14006 (2021).
[Google's SR3] https://80.lv/articles/google-s-new-approach-to-image-super-resolution/
[SRCNN] Dai, Yongpeng, et al. "SRCNN-based enhanced imaging for low frequency radar." 2018 Progress in Electromagnetics Research Symposium (PIERS-Toyama). IEEE, 2018.
[FSRCNN] Zhang, Jian, and Detian Huang. "Image Super-Resolution Reconstruction Algorithm Based on FSRCNN and Residual Network." 2019 IEEE 4th International Conference on Image, Vision and Computing (ICIVC). IEEE, 2019.
[VDSR] Hitawala, Saifuddin, et al. "Image super-resolution using VDSR-ResNeXt and SRCGAN." arXiv preprint arXiv:1810.05731 (2018).
[SRResNet ] Ledig, Christian, et al. "Photo-realistic single image super-resolution using a generative adversarial network." Proceedings of the IEEE conference on computer vision and pattern recognition. 2017.
[SRGAN] Nagano, Yudai, and Yohei Kikuta. "SRGAN for super-resolving low-resolution food images." Proceedings of the Joint Workshop on Multimedia for Cooking and Eating Activities and Multimedia Assisted Dietary Management. 2018.