结构一致性ssim损失函数

时间: 2025-01-03 16:43:09 浏览: 32
### 结构一致性 SSIM 损失函数的应用 结构相似性指数 (SSIM) 被广泛应用于图像处理领域,特别是在深度学习框架下用于优化生成对抗网络(GANs)[^1]。相比于传统的均方误差(MSE),SSIM 更加关注人类视觉系统的特性,能够更好地反映两幅图片间的感知差异。 #### 应用场景 - **超分辨率重建**:提高低分辨率图像的质量。 - **去噪**:去除噪声的同时保持边缘细节清晰可见。 - **风格迁移**:保留原始内容的基础上改变艺术风格。 - **医学影像分析**:辅助医生更精确地诊断疾病。 这些应用场景都依赖于高质量的图像恢复能力,而基于 SSIM 的损失函数正好满足这一需求。 ### 实现方式 为了在 PyTorch 中实现 SSIM 损失函数,可以采用如下代码: ```python import torch import torch.nn.functional as F from math import exp def gaussian(window_size, sigma): gauss = torch.Tensor([exp(-(x - window_size//2)**2/float(2*sigma**2)) for x in range(window_size)]) return gauss/gauss.sum() def create_window(window_size, channel=1): _1D_window = gaussian(window_size, 1.5).unsqueeze(1) _2D_window = _1D_window.mm(_1D_window.t()).float().unsqueeze(0).unsqueeze(0) window = _2D_window.expand(channel, 1, window_size, window_size).contiguous() return window def ssim(img1, img2, val_range, window_size=11, window=None, size_average=True, full=False): L = val_range padd = 0 (_, channel, height, width) = img1.size() if window is None: real_size = min(window_size, height, width) window = create_window(real_size, channel=channel).to(img1.device) mu1 = F.conv2d(img1, window, padding=padd, groups=channel) mu2 = F.conv2d(img2, window, padding=padd, groups=channel) mu1_sq = mu1.pow(2) mu2_sq = mu2.pow(2) mu1_mu2 = mu1 * mu2 sigma1_sq = F.conv2d(img1 * img1, window, padding=padd, groups=channel) - mu1_sq sigma2_sq = F.conv2d(img2 * img2, window, padding=padd, groups=channel) - mu2_sq sigma12 = F.conv2d(img1 * img2, window, padding=padd, groups=channel) - mu1_mu2 C1 = (0.01 * L) ** 2 C2 = (0.03 * L) ** 2 v1 = 2.0 * sigma12 + C2 v2 = sigma1_sq + sigma2_sq + C2 cs = torch.mean(v1 / v2) ssim_map = ((2 * mu1_mu2 + C1) * v1) / ((mu1_sq + mu2_sq + C1) * v2) if size_average: ret = ssim_map.mean() else: ret = ssim_map.mean(1).mean(1).mean(1) if full: return ret, cs return ret class SSIM(torch.nn.Module): def __init__(self, window_size=11, size_average=True, val_range=None): super(SSIM, self).__init__() self.window_size = window_size self.size_average = size_average self.val_range = val_range # Assume 1 channel for SSIM self.channel = 1 self.window = create_window(window_size) def forward(self, img1, img2): (_, channel, _, _) = img1.size() if channel == self.channel and self.window.dtype == img1.dtype: window = self.window else: window = create_window(self.window_size, channel).to(img1.device).type(img1.dtype) self.window = window self.channel = channel return ssim(img1, img2, val_range=self.val_range, window=window, window_size=self.window_size, size_average=self.size_average) def msssim(img1, img2, val_range, normalize=False): device = img1.device weights = torch.FloatTensor([0.0448, 0.2856, 0.3001, 0.2363, 0.1333]).to(device) levels = weights.size()[0] mssim = [] mcs = [] for _ in range(levels): sim, cs = ssim(img1, img2, val_range=val_range, full=True) mssim.append(sim) mcs.append(cs) filtered_im1 = F.avg_pool2d(img1, kernel_size=2, stride=2) filtered_im2 = F.avg_pool2d(img2, kernel_size=2, stride=2) img1 = filtered_im1 img2 = filtered_im2 mssim = torch.stack(mssim) mcs = torch.stack(mcs) # Normalize (to avoid NaNs during training unstable models, not compliant with original definition) if normalize: while mssim.dim() > 0: mssim = mssim.mean() mcs = mcs.mean() power_factors = weights mssim = torch.prod(mcs[:-1] ** power_factors[:-1] * mssim[-1] ** power_factors[-1]) return mssim mssim = (mssim + 1) / 2 msc = (mcs + 1) / 2 pow1 = msc ** weights pow2 = mssim ** weights output = torch.prod(pow1[:-1] * pow2[-1]) return output class MSSSIM(torch.nn.Module): def __init__(self, window_size=11, size_average=True, channel=3): super(MSSSIM, self).__init__() self.window_size = window_size self.size_average = size_average self.channel = channel def forward(self, img1, img2): # TODO: store windows between calls if possible. return msssim(img1, img2, normalize=True) ``` 此段代码定义了一个简单的 `SSIM` 类以及一个多尺度版本 `MSSSIM` ,可用于计算两张输入图像之间的 SSIM 值。这有助于训练过程中最小化预测图与目标图之间差距,从而提升最终输出效果。
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