New Trends in Image Restoration and Enhancement（NTIRE）是近年来计算机图像恢复领域最具影响力的全球性赛事。NTIRE 2022 Challenge on Efficient Super-Resolution 吸引了 303 名参赛选手，来自智能创作音视频团队的同学组成「ByteESR」队伍，凭借自研的 RLFN 算法从 43 支队伍中脱颖而出，拿下该比赛主赛道冠军。
图 1 NTIRE2022 ESR 排行榜
Efficient Super-Resolution Challenge
Efficient Super-Resolution（ESR ）竞赛旨在设计一种这样的网络：在维持 Peak Signal-to-Noise Ratio（PSNR ）指标与 Baseline 相当水平的同时（PSNR 在验证集不低于 29.00dB ），从运行时间、参数量、FLOPs、Activations 以及内存占用等方面进行至少一个维度的优化。其任务以 4 倍超分为基准，验证集以及测试集均为 DIV2K，下采样方式为 bicubic。
ESR 竞赛自 19 年起已举办两届，前两届 AIM19、AIM20 在学术界和工业界均产生非常大的影响力。因 AIM21 未举办该比赛，本次比赛是 ESR 竞赛的第三届。由苏黎世联邦理工学院计算机视觉实验室主办，参赛人数为历届之最，南京大学、南开大学、西安电子科技大学等高校和腾讯优图、阿里巴巴、网易、旷世科技等知名互联网公司均有参赛。整场比赛分为三个赛道：
- Main Track: Runtime，根据模型在验证集和测试集的平均运行时间进行排名。
- Sub-Track 1: Model Complexity，根据模型的参数量和 FLOPs 加权得到排名。
- Sub-Track 2: Overall Performance，根据模型运行时间、参数量、FLOPs、Activations 及内存占用五个维度的综合考量得到排名。
NTIRE 已发布官方比赛报告：arxiv.org/abs/2205.05… 。经过激烈的角逐，字节跳动的参赛队伍「ByteESR」在主赛道 Runtime 夺冠，在子赛道 Overall Performance 也位列第二。
ByteESR参赛方案论文：arxiv.org/abs/2205.07…
参赛方案
基于 Convolutional Neural Network（CNN）的方法已经在图像超分领域取得了极大的进展，为了解决模型在端侧设备部署的性能问题，各种不同的快速且轻量型的 CNN 模型被提出，IMDN 和 RFDN 是其中的佼佼者。作为前两届的冠军方案，为了在有限的计算量下获得更好的表现，两者均使用了复杂的多路信息蒸馏，然而从推理加速的角度来看，多分支结构远不如单通路结构友好，一般来说分支越多对加速越不利。ByteESR 队伍在 RFDN 的基础上从多方面提出了改进：
- 重新思考 RFDN 的网络设计并研究其速度瓶颈，提出一个更加高效的网络结构 Residual Local Feature Network（RLFN）；
- 对 contrastive loss 中的特征选取进行分析，重新设计特征提取器后选择浅层特征来提升 PSNR；
- 提出一种多阶段的 warm-start 训练策略提升 PSNR。
模型结构
Residual Local Feature Network 的整体框架采用图片超分领域的基础结构，主要改进点在于核心模块 RLFB 的设计，下图 2(b)给出了 RLFB 的详细结构，它由 RFDN 中的 RFDB 模块演化而来。
图 2 RFDB 和 RLFB 结构对比
RFDB 采用一种多阶段渐进式的蒸馏和细化策略。如图 2(a)中灰色背景区域所示，对于每个阶段 RFDB 采用一个 SRB 模块得到细化特征，然后用一个 1x1 卷积进行特征蒸馏，最后所有的蒸馏特征通过 Concat 进行融合。假设输入特征表示为 F_in，DM_j 和 RM_j 分别表示第 j 个蒸馏和细化模块，该过程可以描述为：
尽管 1x1 卷积和 Concat 操作组成的特征蒸馏分支可以有效提升模型表现，但这些操作严重影响了运行时间。为了进一步分析 RFDB 的耗时，ByteESR 队伍设计了图 3 所示的消融实验。首先移除 RFDB 中蒸馏分支相关的层得到 RFDB_R_48，从图 3 表中可以看出 RFDB_R_48 和原始的 RFDB 相比减少了 25%的运行时间。然后通过增大通道数的方式来提升模型表现，RFDB_R_52 的 PSNR 大幅超过 RFDB_R_48 但运行时间只是小幅增长。在 RFDB_R_52 的基础上，RLFB 中删除了 SRB 的密集加法操作并替换为普通的 CONV+RELU，进一步减少了运行时间。最后将 Add 操作提前，用一个局部特征的残差学习进行特征细化。该过程可以描述为：
图 3 模型结构的消融实验结果
RFDB 中采用的注意力模块 Enhanced Spatial Attention（ESA）通过建模空间依赖关系使网络关注更为重要的空间特征，显示了优异的性能。基于内部自研的模型压缩框架 NNcompression，ByteESR 队伍分析了 ESA 模块的参数冗余性。在图 4 中，曲线越平坦表明对应模块的参数冗余度越高。由于 ConvGroups 中的三个卷积层在冗余度排序中均处于靠前的位置 ，因此我们可以在没有明显效果损失的情况下将 ESA 中 ConvGroups 减少到一个 Conv 层。
图 4 基于 one-shot 结构化剪枝算法的的参数冗余度分析
总结来说，RLFB 对特征细化分支进行重新设计并减少 ESA 中的冗余层，最终在相同参数量下，RLFB 得到和 RFDB 相近的 PSNR，并且有明显的速度优势。
在竞赛中，因为 Loss 函数和训练策略的加持，ByteESR 队伍采用了更小的模型结构。参赛的 RLFN 模型采用 4 个 RLFB 模块，模型通道数设为 48，同时 ESA 中间特征通道数设置为 16。在训练的最后阶段，ByteESR 队伍使用 NNcompression 中集成的通道依赖 SFP 算法来压缩模型，将部分层剪枝为 46 通道。
Loss 函数
损失函数在模型训练中是非常重要的一环，设计优秀的损失函数能够大幅度提高模型的效果，同时不增加额外的推理耗时。ByteESR 队伍详细分析了被广泛应用的 contrastive loss，并对 contrastive loss 进行了优化。
Contrastive loss 首先通过特征提取器提取 anchor，postive，negative 的特征，然后计算这三部分特征在 latent space 中的距离损失。一般在超分辨率任务中，anchor，positive，negative 分别指网络重建图像，高分辨率图像，以及低分辨率图像通过 bicubic 上采样的结果。ByteESR 队伍详细分析了特征提取器（以 VGG-19 为例）提取到的各层特征，发现：提取的浅层特征具有非常精确的空间信息，而深层特征虽然具有丰富的语意信息，但是它的空间信息由于 max_pooling 等原因变得非常模糊。
图 5 对提取到特征进行了可视化，可以发现浅层特征具有非常精确的空间信息
基于以上结论，ByteESR 队伍重新构建了一个两层卷积组成的浅层特征提取器，同时使用 Tanh()激活函数代替了 Relu()激活函数。可以发现重新构建的特征提取器能够提取到更加精确的空间信息，同时激活响应也更加强烈。
图 6 特征图可视化，左侧为 VGG19 特征提取器，右侧为 ByteESR 设计的特征提取器
ByteESR 队伍在多个 benchmark 数据集上验证了重新设计的 contrastive loss 的有效性，可以有效提高 PSNR 约 0.01 ～ 0.02db。
训练策略
为了进一步提高模型的效果，ByteESR 队伍对模型的训练策略进行了进一步优化。以 x4 超分任务为例，通常情况下，会使用 x2 的超分模型的权重，作为 x4 超分模型的初始化权重。使用预训练权重可以提供一个更加精确的初始化效果，同时加快模型的收敛速度，提升最终效果。
ByteESR 队伍在此基础上提出了一种 multi-stage warm-start 的训练策略。以 x4 超分任务为例，在第一个阶段，不使用任何预训练权重，模型从 0 开始进行训练至收敛。从第二个阶段开始，每次都使用 warm-start 策略，即用前一个阶段的模型权重进行初始化。Multi-stage warm-start 训练策略相比于一般训练策略有两个主要优势：
- 可以充分多次利用每个 stage 的模型权重，较大幅度提升最终表现。
- 多个 stage 的训练策略可以帮助模型跳出 local minima。
在 DIV2K Val 数据集上，使用两次 warm-start 策略可以提高 PSNR 约 0.03db。
总结
我们提出了一个更高效的网络结构 RLFN，在推理速度和效果之间取得良好的平衡，并且重新思考 contrastive loss 的使用，设计了一个更适合超分任务的浅层特征提取器，此外我们还提出了更有效的多阶段 warm-start 训练策略，最终在 NTIRE 2022 Efficient Super-Resolution 中获得冠军。
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引用文献
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