Unified gradient- and intensity-discriminator generative adversarial network for image fusion

This study proposes a unified gradient- and intensity-discriminator generative adversarial network for various image fusion tasks, including infrared and visible image fusion, medical image fusion, multi-focus image fusion, and multi-exposure image fusion. On the one hand, we unify all fusion tasks into discriminating a fused image’s gradient and intensity distributions based on a generative adversarial network. The generator adopts a dual-encoder–single-decoder framework to extract source image features by using different encoder paths. A dual-discriminator is employed to distinguish the gradient and intensity, ensuring that the generated image contains the desired geometric structure and conspicuous information. The dual adversarial game can tackle the generative adversarial network’s mode collapse problem. On the other hand, we define a loss function based on the gradient and intensity that can be adapted to various fusion tasks by using varying relevant parameters with the source images. Qualitative and quantitative experiments on publicly available datasets demonstrate our method’s superiority over state-of-the-art methods.     

深度学习时代图像融合技术进展

为提升真实场景视觉信号的采集质量,往往需要通过多种融合方式获取相应的图像,例如,多聚焦、多曝光、多光谱和多模态等。针对视觉信号采集的以上特性,图像融合技术旨在利用同一场景不同视觉信号的优势,生成单图像信息描述,提升视觉低、中、高级任务的性能。目前,依托端对端学习强大的特征提取、表征及重构能力,深度学习已成为图像融合研究的主流技术。与传统图像融合技术相比,基于深度学习的图像融合模型性能显著提高。随着深度学习研究的深入,一些新颖的理论和方法也促进了图像融合技术的发展,如生成对抗网络、注意力机制、视觉Transformer和感知损失函数等。为厘清基于深度学习技术的图像融合研究进展,本文首先介绍了图像融合问题建模,并从传统方法视角逐渐向深度学习视角过渡。具体地,从数据集生成、神经网络构造、损失函数设计、模型优化和性能评估等方面总结了基于深度学习的图像融合研究现状。此外,还讨论了选择性图像融合这类衍生问题建模(如基于高分辨率纹理图融合的深度图增强),回顾了一些基于图像融合实现其他视觉任务的代表性工作。最后,根据现有技术的缺陷,提出目前图像融合技术存在的挑战,并对未来发展趋势给出了展望。     

MFF-GAN: An unsupervised generative adversarial network with adaptive and gradient joint constraints for multi-focus image fusion

Multi-focus image fusion is an enhancement method to generate full-clear images, which can address the depth-of-field limitation in imaging of optical lenses. Most existing methods generate the decision map to realize multi-focus image fusion, which usually lead to detail loss due to misclassification, especially near the boundary line of the focused and defocused regions. To overcome this challenge, this paper presents a new generative adversarial network with adaptive and gradient joint constraints to fuse multi-focus images. In our model, an adaptive decision block is introduced to determine whether source pixels are focused or not based on the difference of repeated blur. Under its guidance, a specifically designed content loss can dynamically guide the optimization trend, that is, force the generator to produce a fused result of the same distribution as the focused source images. To further enhance the texture details, we establish an adversarial game so that the gradient map of the fused result approximates the joint gradient map constructed based on the source images. Our model is unsupervised without requiring ground-truth fused images for training. In addition, we release a new dataset containing 120 high-quality multi-focus image pairs for benchmark evaluation. Experimental results demonstrate the superiority of our method over the state-of-the-art in terms of both subjective visual effect and quantitative metrics. Moreover, our method is about one order of magnitude faster compared with the state-of-the-art.     

Image fusion based on generative adversarial network consistent with perception

Deep learning is a rapidly developing approach in the field of infrared and visible image fusion. In this context, the use of dense blocks in deep networks significantly improves the utilization of shallow information, and the combination of the Generative Adversarial Network (GAN) also improves the fusion performance of two source images. We propose a new method based on dense blocks and GANs , and we directly insert the input image-visible light image in each layer of the entire network. We use structural similarity and gradient loss functions that are more consistent with perception instead of mean square error loss. After the adversarial training between the generator and the discriminator, we show that a trained end-to-end fusion network – the generator network – is finally obtained. Our experiments show that the fused images obtained by our approach achieve good score based on multiple evaluation indicators. Further, our fused images have better visual effects in multiple sets of contrasts, which are more satisfying to human visual perception.     

基于联合一致循环生成对抗网络的人像着色

传统灰度图像着色方法存在颜色失真、效果不佳等问题,已逐渐被深度学习方法取代。目前基于深度学习的人像着色方法主要存在复杂背景下误着色的问题。针对上述问题,提出了联合一致循环生成对抗网络的人像着色方法。该方法在循环生成对抗网络的基础上,采用联合的一致性损失训练模型;生成网络采用U型网络结构（UNet）进行改进,以提高生成图像信息的完整性;判别网络中引入多特征融合的特征提取方式,增强特征对图像的细节表达。最后通过在自建的CASIA-PlusColors高质量人像数据集中的对比实验,验证了该方法对复杂背景中的人像着色有着更好的效果。     

基于深度残差生成式对抗网络的样本生成方法

作为样本生成的重要方法之一,生成式对抗网络(GAN)可以根据任意给定数据集中的数据分布生成样本,但它在实际的训练过程中存在生成样本纹理模糊、训练过程不稳定以及模式坍塌等问题.针对以上问题,在深度卷积生成式对抗网络(DCGAN)的基础上,结合残差网络,设计一种基于深度残差生成式对抗网络的样本生成方法RGAN.该样本生成方法利用残差网络和卷积网络分别构建生成模型和判别模型,并结合正负样本融合训练的学习优化策略进行优化训练.其中:深度残差网络可以恢复出丰富的图像纹理;正负样本融合训练的方式可以增加对抗网络的鲁棒性,有效缓解对抗网络训练不稳定和模式坍塌现象的发生.在102 Category Flower Dataset数据集上设计多个仿真实验,实验结果表明RGAN能有效提高生成样本的质量.     

基于条件深度卷积生成对抗网络的图像识别方法

生成对抗网络（Generative adversarial networks,GAN）是目前热门的生成式模型.深度卷积生成对抗网络（Deep convolutional GAN,DCGAN）在传统生成对抗网络的基础上,引入卷积神经网络（Convolutional neural networks,CNN）进行无监督训练;条件生成对抗网络（Conditional GAN,CGAN）在GAN的基础上加上条件扩展为条件模型.结合深度卷积生成对抗网络和条件生成对抗网络的优点,建立条件深度卷积生成对抗网络模型（Conditional-DCGAN,C-DCGAN）,利用卷积神经网络强大的特征提取能力,在此基础上加以条件辅助生成样本,将此结构再进行优化改进并用于图像识别中,实验结果表明,该方法能有效提高图像的识别准确率.     

采用双框架生成对抗网络的图像运动模糊盲去除

传统运动模糊盲去除方法需先预测模糊图像的模糊核,再复原清晰图像。而实际 环境中的复杂的模糊核使此方法不能在视觉上很好地减小实际图像和复原后图像的差异,且直 接将现流行的生成对抗模型应用在图像模糊盲去除任务中会有严重的模式崩塌现象。因此,围 绕去模糊任务的特点提出了一种端到端的生成对抗网络模型--双框架生成对抗网络。该方案 不需要预测模糊核,直接实现图片运动模糊的盲去除。双框架生成对抗网络在原有 CycleGan 基础上将其网络结构和损失函数均作出了改进,提高了运动图像盲去除的精度,并且在样本有 限情况下大幅度增强了网络的稳定性。实验采用最小均方差优化网络训练,最后通过生成网络 和判别网络对抗训练获得清晰图像。在 ILSVRC2015 VID 数据集上的实验结果表明,该方法复原 质量更高,且复原结果在后续目标检测任务中达到了更优的效果。     

基于GAN先验的图像补全方法

设计和利用良好的图像先验知识是解决图像补全问题的重要方式.生成对抗网络(GAN)作为一种优秀的生成式模型,其生成器可以从大型图像数据集中学习到丰富的图像语义信息,将预训练GAN模型作为图像先验是一种好的选择.为了利用预训练GAN模型更好地解决图像补全问题,本文在使用多个隐变量的基础上,在预训练生成器中间层同时对通道和特征图添加自适应权重,并在训练过程中微调生成器参数.最后通过图像重建和图像补全实验,定性和定量分析相结合,证实了本文提出的方法可以有效地挖掘预训练模型的先验知识,进而高质量地完成图像补全任务.     

并行生成网络的红外—可见光图像转换

目的 针对现有图像转换方法的深度学习模型中生成式网络（generator network）结构单一化问题，改进了条件生成式对抗网络（conditional generative adversarial network，CGAN）的结构，提出了一种融合残差网络（ResNet）和稠密网络（DenseNet）两种不同结构的并行生成器网络模型。方法 构建残差、稠密生成器分支网络模型，输入红外图像，分别经过残差、稠密生成器分支网络各自生成可见光转换图像，并提出一种基于图像分割的线性插值算法，将各生成器分支网络的转换图像进行融合，获取最终的可见光转换图像；为防止小样本条件下的训练过程中出现过拟合，在判别器网络结构中插入dropout层；设计最优阈值分割目标函数，在并行生成器网络训练过程中获取最优融合参数。结果 在公共红外-可见光数据集上测试，相较于现有图像转换深度学习模型Pix2Pix和CycleGAN等，本文方法在性能指标均方误差（mean square error，MSE）和结构相似性（structural similarity index，SSIM）上均取得显著提高。结论 并行生成器网络模型有效融合了各分支网络结构的优点，图像转换结果更加准确真实。     

生成对抗网络及其在图像生成中的应用研究综述

生成对抗网络(GAN)是无监督学习领域最近几年快速发展的一个研究方向,其主要特点是能够以一种间接的方式对一个未知分布进行建模.在计算机视觉研究领域中,生成对抗网络有着广泛的应用,特别是在图像生成方面,与其他的生成模型相比,生成对抗网络不仅可以避免复杂的计算,而且生成的图像质量也更好.因此,本文将对生成对抗网络及其在图像...     

改进残差密集生成对抗网络的红外与可见光图像融合

基于深度学习的红外与可见光图像融合算法通常无法感知源图像显著性区域,导致融合结果没有突出红外与可见光图像各自的典型特征,无法达到理想的融合效果.针对上述问题,设计一种适用于红外与可见光图像融合任务的改进残差密集生成对抗网络结构.首先,使用改进残差密集模块作为基础网络分别构建生成器与判别器,并引入基于注意力机制的挤压激励网络来捕获通道维度下的显著特征,充分保留红外图像的热辐射信息和可见光图像的纹理细节信息;其次,使用相对平均判别器,分别衡量融合图像与红外图像、可见光图像之间的相对差异,并根据差异指导生成器保留缺少的源图像信息;最后,在TNO等多个图像融合数据集上进行实验,结果表明所提方法能够生成目标清晰、细节丰富的融合图像,相比基于残差网络的融合方法,边缘强度和平均梯度分别提升了64.56%和64.94%.     

改进生成对抗网络在场景图像转换中的应用

本文针对不同场景图像之间的转换问题,提出了一种改进的生成对抗网络模型,能够生成高质量的目标场景图像.在生成目标图像过程中存在因为向下采样而丢失原图像空间位置信息的现象,因此本文设计了一个包含跳跃连接和残差块的生成网络,通过在网络中加入多个跳跃连接部分,将图像的空间位置信息在网络中保持传递.同时为提高训练过程中生成图像在结构上的稳定性,引入SSIM图像结构相似指数,作为结构重建损失,以指导模型生成更优结构的目标图像.此外,为使得转换后的目标场景图像保留更多的色彩细节,加入了身份保持损失,明显增强了目标生成图像的色彩表现力.实验结果表明,本文所提的改进生成对抗网络模型能够在场景图像转换中得到有效地应用.     

红外与可见光图像渐进融合深度网络

目的 红外与可见光图像融合的目标是获得具有完整场景表达能力的高质量融合图像。由于深度特征具有良好的泛化性、鲁棒性和发展潜力,很多基于深度学习的融合方法被提出,在深度特征空间进行图像融合,并取得了良好的效果。此外,受传统基于多尺度分解的融合方法的启发,不同尺度的特征有利于保留源图像的更多信息。基于此,提出了一种新颖的渐进式红外与可见光图像融合框架(progressive fusion, ProFuse)。方法 该框架以U-Net为骨干提取多尺度特征,然后逐渐融合多尺度特征,既对包含全局信息的高层特征和包含更多细节的低层特征进行融合,也在原始尺寸特征(保持更多细节)和其他更小尺寸特征(保持语义信息)上进行融合,最终逐层重建融合图像。结果 实验在TNO(Toegepast Natuurwetenschappelijk Onderzoek)和INO(Institut National D’optique)数据集上与其他6种方法进行比较,在选择的6项客观指标上,本文方法在互信息(mutual Information, MI)上相比FusionGAN(generative adversarial ...     

基于条件约束的胶囊生成对抗网络

生成式对抗网络(Generative adversarial networks,GAN)是主要的以无监督方式学习深度生成模型的方法之一.基于可微生成器网络的生成式建模方法,是目前最热门的研究领域,但由于真实样本分布的复杂性,导致GAN生成模型在训练过程稳定性、生成质量等方面均存在不少问题.在生成式建模领域,对网络结构的探索是重要的一个研究方向,本文利用胶囊神经网络(Capsule networks,CapsNets)重构生成对抗网络模型结构,在训练过程中使用了Wasserstein GAN(WGAN)中提出的基于Earth-mover距离的损失函数,并在此基础上加以条件约束来稳定模型生成过程,从而建立带条件约束的胶囊生成对抗网络(Conditional-CapsuleGAN,C-CapsGAN).通过在MNIST和CIF AR-10数据集上的多组实验,结果表明将CapsNets应用到生成式建模领域是可行的,相较于现有类似模型,C-CapsGAN不仅能在图像生成任务中稳定生成高质量图像,同时还能更有效地抑制模式坍塌情况的发生.     

基于生成对抗模型及光路分解的全局光照绘制

针对现有全局光照图像重建高频特征效果模糊的问题,提出一种基于生成对抗模型及光路分解的全局光照绘制网络,以各类图形辅助属性（法线、深度、粗糙度等）为主要输入,学习光照传输的抽象表示并编码,用于推理光照图像。第一,将光照解耦为漫反射和镜面反射两部分,设计独立的生成对抗网络端到端地学习和推理光照子图,避免混频光照的相互干扰,保证高频细节的清晰重现。第二,使用自编码器作为绘制网络的基本结构,添加多尺度特征融合模块用于不同感受野下的特征合成,以促进阴影、镜面反射等复杂特效的有效表达。第三,使用旋转损失和特征损失两种增强的对抗损失函数,增加网络训练的稳定性。实验结果表明,与现有降噪或图像生成模型相比,该方法能够有效地生成视觉上更逼真的全局光照图像,保留更多高频细节,PSNR指标提升8%～20%。     

基于多尺度生成对抗网络的遮挡行人重识别方法

行人重识别是指在多个非重叠摄像头拍摄的场景下,给定一幅查询行人图像,从大规模行人图像库中检索出具有相同身份的行人图像,是一类特殊的图像检索任务.随着深度学习的不断发展,行人重识别方法的性能得到了显著提升.但是行人重识别在实际应用中经常遭遇遮挡问题（例如背景遮挡、行人互相遮挡等）.由于遮挡图像不仅丢失了部分目标信息,而且引入了额外的干扰,使得现有方法往往难以学习到鲁棒的特征表示,从而导致识别性能严重下降.最近,生成对抗网络在各类计算机视觉任务上展现出强大的图像生成能力.受到生成对抗网络的启发,提出了一种基于多尺度生成对抗网络的遮挡行人重识别方法.首先,利用成对的遮挡图像和非遮挡图像训练一个多尺度生成器和一个判别器.多尺度生成器能够对随机遮挡区域进行去遮挡操作,生成高质量的重构图;而判别器能够区分输入图像是真实图像还是生成图像.其次,利用训练好的多尺度生成器,生成去除随机遮挡的训练图像,添加到原始训练图像集,用于增加训练样本的多样性.最后,基于此扩充训练图像集,训练分类识别模型,有效地提高模型在测试图像集上的泛化性.在多个有挑战性的行人重识别数据集上的实验结果,验证了所提出方法的有效性.     

FusionGAN: A generative adversarial network for infrared and visible image fusion

Infrared images can distinguish targets from their backgrounds on the basis of difference in thermal radiation, which works well at all day/night time and under all weather conditions. By contrast, visible images can provide texture details with high spatial resolution and definition in a manner consistent with the human visual system. This paper proposes a novel method to fuse these two types of information using a generative adversarial network, termed as FusionGAN. Our method establishes an adversarial game between a generator and a discriminator, where the generator aims to generate a fused image with major infrared intensities together with additional visible gradients, and the discriminator aims to force the fused image to have more details existing in visible images. This enables that the final fused image simultaneously keeps the thermal radiation in an infrared image and the textures in a visible image. In addition, our FusionGAN is an end-to-end model, avoiding manually designing complicated activity level measurements and fusion rules as in traditional methods. Experiments on public datasets demonstrate the superiority of our strategy over state-of-the-arts, where our results look like sharpened infrared images with clear highlighted targets and abundant details. Moreover, we also generalize our FusionGAN to fuse images with different resolutions, say a low-resolution infrared image and a high-resolution visible image. Extensive results demonstrate that our strategy can generate clear and clean fused images which do not suffer from noise caused by upsampling of infrared information.     

基于动态卷积的多模态脑MR图像生成

近年来, 通过自动生成方法获取多模态MR图像得到了广泛研究, 但仍难以通过一种模态直接生成其他各类模态的图像. 针对该问题, 本文提出了动态生成对抗网络. 新模型通过将生成对抗网络与动态卷积相结合, 同时加入任务标签这一条件, 实现从一种MR模态同时生成其他3种MR模态. 同时为了提高图像生成质量, 进一步提出了多尺度判别策略, 通过融合多个尺度来提升判别效果. 基于BRATS19数据集进行生成验证, 实验结果表明, 新方法不但可以同时生成多种模态的数据, 而且提高了生成图像的质量.     

面向动态场景去模糊的对偶学习生成对抗网络

针对动态场景下的图像去模糊问题,提出一种对偶学习生成对抗网络(dual learning generative adversarial network, DLGAN),该网络可以在对偶学习的训练模式下使用非成对的模糊图像和清晰图像进行图像去模糊计算,不再要求训练图像集合必须由模糊图像与其对应的清晰图像成对组合而成. DLGAN利用去模糊任务与重模糊任务之间的对偶性建立反馈信号,并使用这个信号约束去模糊任务和重模糊任务从两个不同的方向互相学习和更新,直到收敛.实验结果表明,在结构相似度和可视化评估方面, DLGAN与9种使用成对数据集训练的图像去模糊方法相比具有更好的性能.