74KB圖片也高清，谷歌用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)打造圖像壓縮新算法

蕭簫 2020-09-06 13:08:11 來(lái)源：量子位

蕭簫 發(fā)自 凹非寺
量子位 報(bào)道 | 公眾號(hào) QbitAI

還在為圖像加載犯愁嗎？

最新的好消息是，谷歌團(tuán)隊(duì)采用了一種GANs與基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的壓縮算法相結(jié)合的圖像壓縮方式HiFiC，在碼率高度壓縮的情況下，仍能對(duì)圖像高保真還原。

GAN（Generative Adversarial Networks，生成式對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)）顧名思義，系統(tǒng)讓兩個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相互「磨煉」，一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)生成接近真實(shí)的數(shù)據(jù)，另一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)區(qū)分真實(shí)數(shù)據(jù)與生成的數(shù)據(jù)。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)「造假」，另一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)「打假」，而當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到平衡時(shí)，生成的數(shù)據(jù)看起來(lái)便會(huì)非常接近真實(shí)數(shù)據(jù)，達(dá)到「以假亂真」的效果。

下面是這種算法展現(xiàn)出來(lái)的圖像與JPG格式圖像的對(duì)比。

可見(jiàn)，在圖像大小接近的情況下（HiFiC大小74kB，JPG圖像大小78kB），算法所展現(xiàn)出來(lái)的圖像壓縮效果要好得多。

而在與原圖進(jìn)行對(duì)比時(shí)，HiFiC所展現(xiàn)出來(lái)的還原效果仍然非常優(yōu)秀。（真的不是在原圖中間畫(huà)了條線(xiàn)嗎？）

目前處于特殊時(shí)期，大量國(guó)外網(wǎng)友仍在家中隔離，Netflix和油管的播放量暴增，一些視頻網(wǎng)站甚至不得不被迫降低視頻在線(xiàn)播放的清晰度，以適應(yīng)激增的數(shù)據(jù)量。

但看慣了高清視頻的網(wǎng)友們，面對(duì)突如其來(lái)的「模糊打擊」自然怨聲載道。

用一位網(wǎng)友的話(huà)來(lái)說(shuō)，如果視頻行業(yè)也能被應(yīng)用類(lèi)似的技術(shù)，相信Netflix和油管會(huì)特別高興，畢竟這種高清低碼率的圖像復(fù)原實(shí)在太誘惑。

哇，如果他們可以對(duì)視頻做同樣的事情的話(huà)，我相信Netflix和YouTube會(huì)很高興的。

事實(shí)上，在了解HiFiC算法的原理后，會(huì)發(fā)現(xiàn)它的確不難實(shí)現(xiàn)。

接近原圖的圖像重構(gòu)算法

此前，相關(guān)研究已有采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行圖像壓縮的算法，而隨著近年來(lái)生成式對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)興起，采用GANs生成以假亂真圖像的算法也不在少數(shù)。

如果能有辦法將二者結(jié)合，圖像壓縮的效果是不是會(huì)更好、更接近于人類(lèi)的感知？

這次圖像壓縮的模型便是基于二者的特性設(shè)計(jì)，在基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的壓縮圖像算法基礎(chǔ)上，采用GANs進(jìn)一步讓生成的圖片更接近于人類(lèi)視覺(jué)，在圖像大小和視覺(jué)感知間達(dá)到一個(gè)平衡。

可以看見(jiàn)，HiFiC的架構(gòu)被分成了4個(gè)主要部分，其中E為編碼器，G為生成器，D為判別器，而P則是E的輸出E(x)的概率模型（這里用y表示），也就是P用于模擬y的概率分布。

GANs運(yùn)作的核心思想在于，需要讓架構(gòu)中的生成器G通過(guò)某種方法，「欺騙」判別器D判定樣本為真。

而概率模型P，則是達(dá)成這步操作的條件。

然后，將E、G、P參數(shù)化為卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，這樣就可以通過(guò)率失真優(yōu)化的條件，對(duì)這些網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行共同訓(xùn)練。

同時(shí)，研究者也對(duì)已有的幾種GANs算法架構(gòu)進(jìn)行了微調(diào)，使其更適于HiFiC架構(gòu)。

研究發(fā)現(xiàn)，將GANs與深度學(xué)習(xí)相結(jié)合的HiFiC算法取得了意想不到的效果。

模型評(píng)估

下圖是采用目前幾種主流圖像質(zhì)量評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)幾種前沿的圖像壓縮算法與HiFiC算法進(jìn)行比較的結(jié)果。

在圖中，評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)后面自帶的箭頭，表示數(shù)據(jù)更低（↓）或數(shù)據(jù)更高（↑）表示圖像質(zhì)量更好。

為了更好地對(duì)比，結(jié)果分別采用了HiFiC算法（圖中紅點(diǎn)連線(xiàn)）、不帶GANs的對(duì)比算法（圖中橙方連線(xiàn)）、目前較為前沿的M&S算法（圖中藍(lán)方連線(xiàn)）和BPG算法（圖中藍(lán)點(diǎn)連線(xiàn)）。

從結(jié)果來(lái)看，HiFiC算法在FID、KID、NIQE、LPIPS幾種評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)均為最優(yōu)，而在MS-SSIM和PSNR標(biāo)準(zhǔn)中表現(xiàn)一般。

由評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)間的差異可見(jiàn)，各項(xiàng)圖像質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)不一定是判斷壓縮技術(shù)的最好辦法。

用戶(hù)評(píng)測(cè)對(duì)比

畢竟，圖像是用來(lái)看的，最終的判斷權(quán)還得交回用戶(hù)手里。

圖像究竟是否「清晰」，某種程度上得通過(guò)人眼的判斷來(lái)決定。

出于這個(gè)考慮，團(tuán)隊(duì)采取了調(diào)研模式，讓一部分志愿者參與算法的比較。

他們先展示一張測(cè)試圖片的隨機(jī)裁切圖樣，當(dāng)志愿者對(duì)其中某張裁切圖樣感興趣時(shí)，便用這一部分來(lái)進(jìn)行所有算法的對(duì)比。

志愿者將原圖與經(jīng)過(guò)算法處理后的圖像對(duì)比后，選出他們認(rèn)為「視覺(jué)上」更接近于原圖的壓縮算法。

在所有算法經(jīng)過(guò)選取后，將會(huì)出現(xiàn)一個(gè)排名，以衡量HiFiC的實(shí)際效果。（其中，HiFiC的角標(biāo)Hi、Mi和Lo分別為設(shè)置由高至低3種不同碼率閾值時(shí)的算法）

上圖中，評(píng)分越低，則代表圖像在用戶(hù)眼中「越清晰」。從圖中來(lái)看，HiFiC(Mi)在0.237bpp的壓縮效果下，甚至比兩倍碼率的0.504bpp的BPG算法在用戶(hù)眼里還要更好。

即使壓縮效果達(dá)到了0.120bpp，也比0.390bpp的BPG算法更好。

這項(xiàng)研究再次推動(dòng)了圖像壓縮技術(shù)的發(fā)展，正如網(wǎng)友所說(shuō)，隨著圖像壓縮技術(shù)的發(fā)展，在線(xiàn)看4k電影也許真能實(shí)現(xiàn)。

作者介紹

Fabian Mentzer，目前在瑞士蘇黎世理工學(xué)院進(jìn)行計(jì)算機(jī)視覺(jué)研究，感興趣的研究方向有深度學(xué)習(xí)、圖像壓縮、前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、圖像分類(lèi)等。

這篇論文的主要工作由Fabian Mentzer在谷歌研習(xí)期間完成，其余三位作者均來(lái)自谷歌團(tuán)隊(duì)。

目前有關(guān)這個(gè)項(xiàng)目的源代碼和訓(xùn)練好的模型也即將放出，小伙伴們可以戳下方傳送門(mén)查看最新進(jìn)展。

傳送門(mén)

項(xiàng)目鏈接
https://hific.github.io/