图像融合论文阅读：ReFusion：通过元学习的从可学习损失重建中学习图像融合

2024-01-10 12:33:55

@article{bai2023refusion,
title={ReFusion: Learning Image Fusion from Reconstruction with Learnable Loss via Meta-Learning},
author={Bai, Haowen and Zhao, Zixiang and Zhang, Jiangshe and Wu, Yichen and Deng, Lilun and Cui, Yukun and Xu, Shuang and Jiang, Baisong},
journal={arXiv preprint arXiv:2312.07943},
year={2023}
}

论文级别：arXiv
影响因子：-

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💽[代码下载地址：暂无]
作者在摘要中写了The code will be released.但是我目前没有找到，有code的同学可以踢我一脚。

文章目录

📖论文解读

首先我想说，这篇论文的题目好难翻译呀……也不知道翻译的对不对，好多个“学习”

基于深度学习的图像融合的一个主要挑战就是缺乏明确的ground truth和距离测度。因此需要手动设计损失函数以及相应的超参数，从而限制了模型的灵活性和泛化性。
为了解决这个问题，作者提出了ReFusion的统一的基于元学习的图像融合模型，该模型从重建源图像中学习最佳的融合损失。
ReFsuion由融合模块，损失提议模块（loss proposal module）以及重构模块构成。
采用参数化损失函数，该损失函数由损失建议模块根据特定的融合场景和任务动态调整。
使用元学习策略使重建损失不断细化损失建议模块的参数。自适应更新是通过内部更新、外部更新和融合更新之间的交替来实现的，其中三个组件的训练相互促进。

🔑关键词

图像融合，元学习

💭核心思想

基于元学习的思想，设计了一个可学习的自适应融合损失函数

🪅相关背景知识

  • 深度学习
  • 神经网络
  • 图像融合
  • 元学习

扩展学习
[什么是图像融合？（一看就通，通俗易懂）]
[一文通俗讲解元学习（Meta-Learning）]
[一文入门元学习（Meta-Learning）（附代码）]

🪢网络结构

作者提出的网络结构如下所示。

I a I_a Ia?、 I b I_b Ib?和 I f I_f If?分别表示源图像以及融合图像
I ^ a \hat I_a I^a?和 I ^ b \hat I_b I^b?分别表示重构的源图像

如下图所示，ReFusion由三个模块构成：
F ( ? ) \mathcal F(·) F(?)是融合模块
R ( ? ) \mathcal R(·) R(?)是重构模块
P ( ? ) \mathcal P(·) P(?)是损失提议模块
其参数分别用 θ F \theta_\mathcal F θF?、 θ R \theta_\mathcal R θR?、 θ P \theta_\mathcal P θP?表示

L f \mathcal L_f Lf?表示可学习的参数化融合损失
L r \mathcal L_r Lr?表示重构损失，该损失不参与融合模块的更新
三个交替的学习阶段分别由下组成：
红色：内部更新采用当前提案融合损失
蓝色：外部更新利用重建损失来衡量内部更新的效果，并优化损失提案模块
绿色：在融合和重建更新阶段，融合模块根据提案的融合损失进行更新，重建模块也相应更新

简单的介绍完了，接下来让我们看看网络结构图。
在这里插入图片描述
和上面说的一样，红绿蓝三个模块交替学习
在这里插入图片描述
可学习的融合损失函数由损失提议模块 P \mathcal P P生成的两个独立输出对构成，每对与源图像维度相同。
这些“对”是根据源图像及其梯度计算的：
{ [ W a , W b ] , [ V a , V b ] } = P ( I a , I b , ? I a , ? I b ) \{[W_a,W_b], [V_a, V_b]\}=\mathcal P(I_a, I_b, ?I_a, ?I_b) {[Wa?,Wb?],[Va?,Vb?]}=P(Ia?,Ib?,?Ia?,?Ib?)
其中， W a i j + W b i j = 1 W_a^{ij}+W_b^{ij}=1 Waij?+Wbij?=1， V a i j + V b i j = 1 V_a^{ij}+V_b^{ij}=1 Vaij?+Vbij?=1，?是sobel operator,计算梯度的

扩展学习
sobel operator

可学习的融合损失公式如下：
融合损失=强度损失+参数×梯度损失
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

W a i j W_a^{ij} Waij?和 W b i j W_b^{ij} Wbij?指示了损失函数对于每个源图像强度信息的偏好，即强度权重
V a i j V_a^{ij} Vaij? 和 V b i j V_b^{ij} Vbij? 指示了损失函数对于每个源图像梯度信息的偏好，即梯度权重

重构损失的公式如下：
重构损失=强度损失+参数×梯度损失
在这里插入图片描述

融合训练数据集 { I a f t r , I b f t r } \{I_a^{ftr}, I_b^{ftr}\} {Iaftr?,Ibftr?}划分为两个子集：
元训练集 { I a m t r , I b m t r } \{I_a^{mtr}, I_b^{mtr}\} {Iamtr?,Ibmtr?}
元测试集 { I a m t s , I b m t s } \{I_a^{mts}, I_b^{mts}\} {Iamts?,Ibmts?}

📉损失函数

上节已介绍

🔢数据集

  • MSRS
  • RoadScene

图像融合数据集链接
[图像融合常用数据集整理]

🎢训练设置

我们看这个过程，首先需要元训练集，对应模型总图的①，元测试集，对应②，以及融合训练集对应③。最终的输出是融合图像 I f I_f If?
在这里插入图片描述

🎢①内部更新

在内部更新阶段，希望使用提议损失 P \mathcal P P的当前状态定义的融合损失来更新 F \mathcal F F
输入元训练集 { I a m t r , I b m t r } \{I_a^{mtr}, I_b^{mtr}\} {Iamtr?,Ibmtr?}，融合网络 F \mathcal F F通过梯度下降进行单次更新：
在这里插入图片描述
W和V是 P \mathcal P P的当前输出，使用融合损失作为参数。
η F ′ \eta_{F^{\prime}} ηF′?代表用于更新融合模块的步长
F ′ {\mathcal F^{\prime}} F′是 F \mathcal F F的临时代替，相当于自增自减的一个临时变量
同理，重建模块 R \mathcal R R的更新一样：
在这里插入图片描述

🎢②外部更新

外部更新的主要目标是细化损失建议模块 P \mathcal P P，通俗点来说，就是为了增强由损失函数 L f \mathcal L_f Lf?指导的 融合模块 F \mathcal F F 的有效性
在上一步中，内部更新的 F ′ {\mathcal F^{\prime}} F′和 R ′ {\mathcal R^{\prime}} R′体现了当前的教学能力（instructional capacity）
在此步骤中，利用元测试集 { I a m t s , I b m t s } \{I_a^{mts}, I_b^{mts}\} {Iamts?,Ibmts?}，基于重建损失 L r \mathcal L_r Lr?更新参数 θ P \theta_\mathcal P θP?，这里重建损失 L r \mathcal L_r Lr?是由 F ′ {\mathcal F^{\prime}} F′和 R ′ {\mathcal R^{\prime}} R′计算得到的：
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
更新后的损失建议模块 P \mathcal P P被细化，可以提议效果更好的融合损失函数

🎢③融合及重构更新

使用 F \mathcal F F的当前状态提升 P \mathcal P P，反过来细化后的 P \mathcal P P被进一步用来训练 F \mathcal F F
此步骤输入融合训练数据集 { I a f t r , I b f t r } \{I_a^{ftr}, I_b^{ftr}\} {Iaftr?,Ibftr?}
通过融合损失 L f \mathcal L_f Lf?和重构损失 L r \mathcal L_r Lr?来更新 F \mathcal F F和 R \mathcal R R
在这里插入图片描述

具体算法伪代码为：
在这里插入图片描述

在一个epoch内，嵌套了两个循环
第一个循环内部是：

  • ①内部更新：应用 P \mathcal P P
    • 从元训练集 { I a m t r , I b m t r } \{I_a^{mtr}, I_b^{mtr}\} {Iamtr?,Ibmtr?}中采样图像对
    • 计算相应的 { I f m t r , I ^ a m t r , I ^ b m t r } \{I_f^{mtr}, \hat I_a^{mtr}, \hat I_b^{mtr}\} {Ifmtr?,I^amtr?,I^bmtr?}
    • 根据公式7和8，计算 θ F ′ \theta_{ \mathcal F^{\prime}} θF′?以及 θ R ′ \theta_{ \mathcal R^{\prime}} θR′?
  • ②外部更新：优化 P \mathcal P P
    • 从元测试集 { I a m t s , I b m t s } \{I_a^{mts}, I_b^{mts}\} {Iamts?,Ibmts?}中采样图像对
    • 计算相应的 { I f m t s , I ^ a m t s , I ^ b m t s } \{I_f^{mts}, \hat I_a^{mts}, \hat I_b^{mts}\} {Ifmts?,I^amts?,I^bmts?}
    • 根据公式8更新 θ p \theta_p θp?

第二个循环内部是：

  • 融合及重构更新：优化 F \mathcal F F和 R \mathcal R R
    • 从融合训练数据集 { I a f t r , I b f t r } \{I_a^{ftr}, I_b^{ftr}\} {Iaftr?,Ibftr?}采样图像对
    • 计算相应的 { I f f t r , I ^ a f t r , I ^ b f t r } \{I_f^{ftr}, \hat I_a^{ftr}, \hat I_b^{ftr}\} {Ifftr?,I^aftr?,I^bftr?}
    • 根据公式11和12，更新 θ F \theta_\mathcal F θF?和 θ R \theta_\mathcal R θR?

然后进行下一个epoch的循环

🔬实验

📏评价指标

  • EN
  • SD
  • SF
  • AG
  • SCD
  • SSIM

扩展学习
[图像融合定量指标分析]

🥅Baseline

  • SDNet、TarDAL、Defusion、MetaFusion、CDDFuse、LRRNet、MURF、DDFM、SegMIF

???扩展学习???
???强烈推荐必看博客[图像融合论文baseline及其网络模型]???

🔬实验结果

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

更多实验结果及分析可以查看原文：
📖[论文下载地址]

🧷总结体会

这篇论文很复杂…我看的也不是太懂，而且也没有找到代码。不过开阔了眼界，transformer+元学习+图像融合的组合很神奇

🚀传送门

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