级联残差网络:轻量高效超分辨率新突破

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本文主要探讨了"快速、准确、轻量的超分辨率使用级联残差网络"这一主题,作者安南赫、姜秉健和孙庆亚来自阿茹大学计算机工程系,他们针对深度学习在单图像超分辨率(SISR)任务中的应用提出了创新解决方案。传统深度学习方法如SRCNN、MDSR等虽然能显著提升超分辨率图像质量,但因计算需求大而不适用于实际应用。因此,研究者们关注如何设计出轻量化但性能卓越的模型。 他们的贡献在于提出了一种新型的级联残差网络架构,这种网络结构在保持精度的同时,极大地减少了参数和计算量。级联机制使得模型能够在减少冗余的基础上,高效地处理图像超分辨率问题。此外,他们还发展了级联残差网络的变体模型,旨在进一步提高模型的效率。 文章对比了他们的方法(CARN)与其他先进方法如VDSR、LapSRN和DRRN在超分辨率结果上的表现,结果显示即使在参数和计算资源较少的情况下,CARN也能取得与顶级方法相当甚至更好的性能。这表明他们的模型在满足现实世界应用需求的同时,实现了性能与效率的双重提升。 关键词:超分辨率、深度卷积神经网络、单图像超分辨率、轻量级模型、级联残差网络。文章的重点在于阐述了设计轻量级深度学习模型对于解决实际应用场景下的超分辨率问题的重要性,以及级联残差网络在这一领域的创新实践。通过这种方法,研究人员为计算机视觉任务中的超分辨率处理开辟了新的可能性,有望推动该技术在诸如视频流和监控系统等领域得到广泛应用。

本研究基于YOLOv7框架进行改进优化,其核心网络结构由 骨干网络(Backbone)、特征金字塔(Neck) 和 检测头(Head) 三部分组成,整体架构如图2.1所示。各模块具体设计如下: 1. 骨干网络(Backbone) 基础组件: 由多个堆叠的 ELAN(Extended Long-range Aggregation Network)模块 构成,每个模块包含4个并行的卷积分支(1×1、3×3、5×5及空洞卷积),通过跨阶段密集连接融合浅层纹理特征与深层语义信息。 下采样采用步长为2的卷积操作,特征图尺寸逐级缩减(640×640→320×320→160×160),通道数递增(64→128→256)。 改进设计: 嵌入 BiFormer注意力模块 于第2、3级ELAN后,通过局部窗口自注意力(窗口尺寸4×4)强化病斑区域特征响应; 引入 深度可分离卷积 替代部分标准卷积,参数量减少30%,计算效率提升1.8倍。 2. 特征金字塔(Neck) 多尺度特征融合: 改进 PAFPN(Path Aggregation Feature Pyramid Network) 结构,深层特征上采样后与浅层特征拼接,融合公式为: Ffusion=w1⋅Fhigh+w2⋅Flow 其中 w1,w2 为动态学习的权重系数,小目标检测时 w2占比达70%。 在顶层特征中嵌入 空间金字塔池化(SPPCSP),通过多尺度池化(5×5, 9×9, 13×13)捕获病斑形态变化。 3. 检测头(Head) 解耦设计: 分类分支:3层全连接网络,输出6类病虫害概率分布(Softmax激活); 回归分支:4层卷积网络,预测边界框坐标(x, y, w, h),采用GIoU Loss优化定位精度; 动态标签分配:基于Task-Aligned Assigner算法筛选高质量正样本,提升小目标学习效率。 4. 边缘部署优化 轻量化策略: 通道剪枝率30%,模型参数量从36.5MB压缩至25.8MB; 通过TensorRT引擎实现FP16量化,推理速度提升2.3倍。 硬件适配: 输入分辨率调整为512×512,内存占用优化至1.2GB; 支持Jetson Xavier NX边缘设备部署,实时推理速度达43 FPS。 生成上述架构图

2025-03-14 上传