李海燕，吳自瑩，吳 俊*，李海江，李紅松

(1.云南大學(xué) 信息學(xué)院，云南 昆明 650050；2.云南交通投資建設(shè)有限公司，云南 昆明 650050)

現(xiàn)有的圖像修復(fù)方法主要有兩類，基于低級(jí)特征的傳統(tǒng)修復(fù)方法[1]和基于學(xué)習(xí)的圖像修復(fù)方法。傳統(tǒng)算法通常使用變分算法[2]或補(bǔ)丁相似度[3]將信息從未損壞區(qū)域傳播到破損區(qū)域，這類方法對(duì)單一紋理圖像的修復(fù)效果很好[4]，但是修復(fù)背景復(fù)雜圖像時(shí)性能急劇下降[5]。為提高對(duì)復(fù)雜背景圖像的修復(fù)效果，Simakov等[6]提出了雙向補(bǔ)丁相似度修復(fù)算法建模背景復(fù)雜圖像，進(jìn)而獲得較好的修復(fù)效果，但該方法需密集計(jì)算補(bǔ)丁相似度，因此無法修復(fù)高分辨率圖像。為了有效修復(fù)高分辨率圖像，Barnes等[7]提出了Patch-Match快速最鄰域算法，當(dāng)破損區(qū)域較小時(shí)，該方法能夠結(jié)合未破損區(qū)域的圖像信息完成修復(fù)，但破損區(qū)域增大時(shí)，其修復(fù)效果急劇下降。Darabi等[8]使用圖像梯度集改善高分辨率圖像的修復(fù)質(zhì)量，然而該方法依賴于圖像的低級(jí)特征，修復(fù)效果難以令人滿意?？傊F(xiàn)有傳統(tǒng)方法在處理背景復(fù)雜，如色彩多樣、人物或風(fēng)景豐富，或相鄰像素間差值較大的圖像時(shí)，性能急劇下降。

為了解決傳統(tǒng)修復(fù)方法的不足，學(xué)者們探索基于深度學(xué)習(xí)的修復(fù)方法?；贑NN的圖像修復(fù)方法[9]只能修復(fù)破損區(qū)域較小的圖像，于是Pathak等[10]以重構(gòu)損失和生成對(duì)抗損失為目標(biāo)函數(shù)，訓(xùn)練修復(fù)大破損區(qū)域的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，但是該方法只能修復(fù)單一形狀的破損區(qū)域，修復(fù)自然背景、紋理復(fù)雜的真實(shí)圖像時(shí)效果不佳。于是Lizuka等[11]在其基礎(chǔ)上引入兩個(gè)GAN損失判決器，用空洞卷積層[12]代替常規(guī)的卷積層，使得修復(fù)網(wǎng)絡(luò)捕獲更多的圖像信息，該方法可以修復(fù)任意形狀的破損圖像，而且能夠生成新穎的結(jié)構(gòu)，整體修復(fù)效果較好，但是，其修復(fù)結(jié)果包含細(xì)節(jié)失真，需后期進(jìn)行色彩處理，而且該方法修復(fù)高分辨率圖像時(shí)效果較差。隨后，Yeh等[13]提出在破損圖像的潛在空間中搜索最接近的編碼及解碼的修復(fù)算法，該方法修復(fù)高分辨率圖像中的小破損區(qū)域時(shí)效果比文獻(xiàn)[11]改善很多，但是，隨著破損區(qū)域的增大，其修復(fù)性能急劇下降。Yang等[14]提出了一種基于圖像內(nèi)容和紋理約束的聯(lián)合優(yōu)化多尺度神經(jīng)補(bǔ)丁合成方法，通過匹配與深度分類中最相似的中層特征相關(guān)的補(bǔ)丁來產(chǎn)生高頻細(xì)節(jié)，在修復(fù)高分辨率圖像時(shí)，可得到滿意的視覺效果，但是，其優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)在訓(xùn)練過程中不穩(wěn)定，容易導(dǎo)致模型崩潰。

綜上所述，現(xiàn)有修復(fù)復(fù)雜背景圖像和高分辨率圖像的算法面臨一些急需解決的問題：首先，修復(fù)背景復(fù)雜、紋理精細(xì)圖像時(shí)，生成的結(jié)構(gòu)模糊，破損區(qū)域邊緣會(huì)產(chǎn)生重疊或偽影；其次，修復(fù)高分辨率圖像的細(xì)節(jié)時(shí)，雖然能生成紋理像素，但是整體的語義一致性差，修復(fù)圖像不貼近真實(shí)圖像；最后，當(dāng)數(shù)據(jù)集采用高分辨率圖像訓(xùn)練時(shí)，網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定，訓(xùn)練模型容易崩潰。

針對(duì)上述問題，本文提出基于雙網(wǎng)絡(luò)及多尺度判決器的圖像修復(fù)算法。提出內(nèi)容預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)和細(xì)節(jié)修復(fù)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的雙生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)修復(fù)結(jié)構(gòu)，破損圖像經(jīng)過內(nèi)容預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行粗修復(fù)，粗修復(fù)網(wǎng)絡(luò)以重構(gòu)損失和生成對(duì)抗損失為標(biāo)準(zhǔn)，比單一以重構(gòu)損失為修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)的算法（Generative算法[15]、HR算法[16]）生成的結(jié)構(gòu)更清晰合理，修復(fù)結(jié)果的整體語義一致性更好。雙網(wǎng)絡(luò)將內(nèi)容預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)果作為細(xì)節(jié)修復(fù)網(wǎng)絡(luò)的輸入，有效減少了需處理的圖像信息點(diǎn)，保證了網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的穩(wěn)定性。細(xì)節(jié)修復(fù)網(wǎng)絡(luò)的3個(gè)生成對(duì)抗損失基于3個(gè)不同尺度的判決器，可以從3個(gè)不同尺度區(qū)域捕獲破損區(qū)域的邊緣信息，確保修復(fù)背景復(fù)雜和高分辨率圖像時(shí)，能生成合理、逼真的紋理細(xì)節(jié)，提高了修復(fù)精確度。

1 基于雙網(wǎng)絡(luò)及多尺度判決器圖像修復(fù)模型

圖1是本文提出算法的修復(fù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。由圖1可知，算法流程為：首先，破損圖像經(jīng)內(nèi)容預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)以重構(gòu)損失和生成對(duì)抗損失為標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行粗修復(fù)；然后，將粗修復(fù)結(jié)果輸入細(xì)節(jié)修復(fù)網(wǎng)絡(luò)，細(xì)節(jié)網(wǎng)絡(luò)中兩條平行的卷積路徑通過同一解碼器和反卷積得到修復(fù)結(jié)果；最后，將細(xì)節(jié)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)果輸入3個(gè)不同尺度生成對(duì)抗損失的判決器，完善修復(fù)細(xì)節(jié)，提高修復(fù)的精度。

圖1 修復(fù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Inpainting network structure

1.1 空洞卷積網(wǎng)絡(luò)

圖像修復(fù)中，因普通卷積層信息感受野有限，因此，研究者們提出了在卷積層中間加入池化層，以增大信息感受野區(qū)域[17]。但池化層在降維過程中會(huì)丟失圖像信息。針對(duì)池化層的缺點(diǎn)，本文使用空洞卷積層[18]代替池化層，以期增大修復(fù)網(wǎng)絡(luò)的信息感受野且盡量減少圖像信息的丟失，如圖2所示。

圖2 空洞卷積增大信息感受野示意圖Fig. 2 Illustration of the enlarged information receptive field of the dilated convolution

圖2（a）是卷積核為3×3、空洞率為1的空洞卷積，紅色的9個(gè)點(diǎn)表示與核卷積的點(diǎn)。圖2（b）是卷積核為3×3、空洞率為2的空洞卷積，綠色7×7區(qū)域是信息感受野區(qū)域。圖2（c）是卷積核為3×3、空洞率為4的空洞卷積，其信息感受野達(dá)到15×15。相對(duì)于傳統(tǒng)卷積操作，信息感受野和卷積層數(shù)成線性關(guān)系，空洞卷積的信息感受野呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。因此，用空洞卷積層代替池化層不僅能增加修復(fù)網(wǎng)絡(luò)的信息感受野，還會(huì)減少修復(fù)過程中圖像信息的丟失。

內(nèi)容預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的輸入為破損圖像，在訓(xùn)練和測(cè)試中，用原圖加掩碼獲得。卷積網(wǎng)絡(luò)用空洞卷積層代替常規(guī)卷積層，以捕獲更多的圖像信息。本文提出算法的創(chuàng)新在于：內(nèi)容預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)以重構(gòu)損失[19]和生成對(duì)抗損失[20]為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修復(fù)，生成對(duì)抗損失基于全局判決器判定內(nèi)容預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的修復(fù)結(jié)果，若修復(fù)結(jié)果的語義和紋理結(jié)構(gòu)具有全局一致性，則輸出內(nèi)容預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的修復(fù)結(jié)果至細(xì)節(jié)修復(fù)網(wǎng)絡(luò)；否則，將信息返回生成器進(jìn)一步改善結(jié)果。學(xué)習(xí)過程中，生成器G和判決器D相輔相成，判決器D接受G的修復(fù)圖像和學(xué)習(xí)樣本，試圖區(qū)分二者；G嘗試生成盡可能“真實(shí)”的樣本混淆D。生成對(duì)抗損失表示為：

1.2 內(nèi)容預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)

內(nèi)容預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)如表1所示，一共5層。

表1 內(nèi)容預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的整體架構(gòu)Tab. 1 Overall architecture of the content prediction network

內(nèi)容預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中判決器的輸入為整幅圖像，判決器由6個(gè)卷積層和1個(gè)完整的連接層組成，可輸出單個(gè)1 024維向量。所有卷積層采用不大于2×2像素的步幅，降低圖像分辨率，同時(shí)增加輸出濾波器的數(shù)量，判決器卷積核為5×5。此外，在內(nèi)容預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中加入了一個(gè)全局判決器，用來優(yōu)化內(nèi)容預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的修復(fù)結(jié)果，其內(nèi)部架構(gòu)如表2所示。全局判決器識(shí)別內(nèi)容預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的修復(fù)是否完成，以生成對(duì)抗損失為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)全局判別器進(jìn)行優(yōu)化。這樣既可提高內(nèi)容預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的修復(fù)結(jié)果，也減小了后續(xù)的細(xì)節(jié)修復(fù)網(wǎng)絡(luò)的修復(fù)壓力，提高整體的修復(fù)質(zhì)量。

表2 全局判決器的架構(gòu)Tab. 2 Architecture of the global discriminator

1.3 細(xì)節(jié)修復(fù)網(wǎng)絡(luò)

細(xì)節(jié)修復(fù)網(wǎng)絡(luò)的輸入是內(nèi)容預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的修復(fù)結(jié)果，因此細(xì)節(jié)修復(fù)網(wǎng)絡(luò)卷積層信息感受野比內(nèi)容預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)大很多。常規(guī)的卷積修復(fù)網(wǎng)絡(luò)，在修復(fù)過程中以單一的重構(gòu)損失作為修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)，訓(xùn)練時(shí)，如果圖像信息點(diǎn)復(fù)雜，訓(xùn)練迭代次數(shù)多，容易因過擬合導(dǎo)致修復(fù)效果不理想，甚至?xí)?dǎo)致整個(gè)訓(xùn)練模型的崩潰[10]。本文提出的算法結(jié)合重構(gòu)損失和對(duì)抗損失作為修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)，不僅可提高修復(fù)質(zhì)量，還增加了修復(fù)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。為避免修復(fù)高分辨率圖像時(shí)，由于過擬合、梯度爆炸等問題導(dǎo)致崩潰，本文提出的算法用雙網(wǎng)絡(luò)模型，有效減少細(xì)節(jié)修復(fù)網(wǎng)絡(luò)需要處理的圖像信息點(diǎn)，從而減少了網(wǎng)絡(luò)崩潰的風(fēng)險(xiǎn)，增加了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。細(xì)節(jié)修復(fù)網(wǎng)絡(luò)以重構(gòu)損失和3個(gè)不同尺度的生成對(duì)抗損失為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修復(fù)。3個(gè)不同尺度的大、中、小尺度判決器的輸入分別是以破損區(qū)域?yàn)橹行牡?28×128、64×64和32×32像素圖像塊。3個(gè)不同尺度判決器的作用與內(nèi)容預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的判決器一樣。全局判決器的輸入是整張圖像，因?yàn)檩斎胂袼貕K的大小不同，因此能捕獲的圖像信息點(diǎn)多，但在訓(xùn)練的過程中，無法處理好每個(gè)信息點(diǎn)的語義連貫性，在處理高分辨率圖像及圖像的細(xì)節(jié)時(shí)該缺點(diǎn)尤為致命。而本文提出的算法可以很好地解決全局判決器的缺陷。其中，雖然小尺度判決器捕獲的圖像信息少，但能更精準(zhǔn)地處理每個(gè)信息點(diǎn)的結(jié)構(gòu)及語義信息，從而保證在修復(fù)高分辨率圖像及圖像細(xì)節(jié)時(shí)，有效避免失真。細(xì)節(jié)修復(fù)網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)損失定義為：

在細(xì)節(jié)修復(fù)網(wǎng)絡(luò)中，3個(gè)判決器的輸出最終由單個(gè)完全連接層處理，以輸出連續(xù)值。使用Sigmoid函數(shù)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。

1.4 算法流程

本文基于雙生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)及多尺度判決器的圖像修復(fù)算法的流程為：

1）設(shè)置初始參數(shù)： β1= 0.001 5， β2=0.001， λ2=λ3=λ4=0.001 5，批量大小為32，內(nèi)容預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)迭代次數(shù)T1=10 000，細(xì)節(jié)修復(fù)網(wǎng)絡(luò)迭代次數(shù)T2=3 000，共同訓(xùn)練迭代次數(shù)T3=100 000。

2）當(dāng)?shù)螖?shù)＜T1+T2+T3時(shí)，進(jìn)行如下循環(huán)：輸入圖像，并為圖像添加隨機(jī)掩膜生成殘缺圖像。

3）如果迭代次數(shù)＜T1，那么使用內(nèi)容預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)損失LN更新網(wǎng)絡(luò)修復(fù)參數(shù)。

4）否則，使用細(xì)節(jié)修復(fù)網(wǎng)絡(luò)損失LX更新修復(fù)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和各判決器網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。

5）如果迭代次數(shù)>T1+T2，則使用整個(gè)網(wǎng)絡(luò)損失LSum更新整個(gè)修復(fù)網(wǎng)絡(luò)和所有判決器的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。

6）迭代次數(shù)加1，并回到2）。

現(xiàn)有單網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)訓(xùn)練時(shí)，訓(xùn)練判決器區(qū)分修復(fù)圖像的“真假”，同時(shí)訓(xùn)練修復(fù)網(wǎng)絡(luò)欺騙判決器。由于判決器是基于生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)的，網(wǎng)絡(luò)在訓(xùn)練過程中需要同時(shí)優(yōu)化生成器和判決器兩個(gè)沖突目標(biāo)，導(dǎo)致訓(xùn)練不太穩(wěn)定，在處理復(fù)雜背景和高分辨率圖像時(shí)易導(dǎo)致訓(xùn)練模型崩潰。因此，本文提出雙網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，將內(nèi)容預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的修復(fù)結(jié)果作為細(xì)節(jié)修復(fù)網(wǎng)絡(luò)的輸入，在內(nèi)容預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)引入基于生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)的全局判決器，減少細(xì)節(jié)修復(fù)網(wǎng)絡(luò)3個(gè)不同尺度的判決器需要處理的圖像信息點(diǎn)，從而使訓(xùn)練時(shí)模型更加的穩(wěn)定。與其他的圖像修復(fù)方法不同，本文提出的方法并不從噪聲中生成圖像，這也使得訓(xùn)練過程從一開始就更加穩(wěn)定。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

從公開數(shù)據(jù)集CelebA[21]、Places2[22]和ImageNet[23]中分別選取300 000張圖像訓(xùn)練修復(fù)網(wǎng)絡(luò)，其中，280 000張用于訓(xùn)練，20 000張用于測(cè)試。CelebA、Places2和ImageNet數(shù)據(jù)集分別包括各式各樣的人臉圖像、風(fēng)景圖像、人物及風(fēng)景圖像，圖像分辨率為512×512。訓(xùn)練過程中，批量大小設(shè)置為32。對(duì)于判決器系數(shù)，參考相關(guān)文獻(xiàn)[24]，先確定基本范圍，再使用二分法逐步選取最優(yōu)，設(shè)置 β1= 0.001 5， β2=0.001， λ1= 0.001， λ2=λ3= λ4=0.001 5。內(nèi)容預(yù)測(cè)和細(xì)節(jié)修復(fù)網(wǎng)絡(luò)分別迭代10 000次和30 000次后共同訓(xùn)練整個(gè)網(wǎng)絡(luò)100 000次。訓(xùn)練設(shè)備參數(shù)為：CPU為Intel i7-9700K，GPU為RTX2080Ti-16G，內(nèi)存為 DDR4-3000-32G，代碼在Pytorch深度學(xué)習(xí)框架下運(yùn)行。

設(shè)計(jì)了6組實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證提出算法的有效性：1）在CelebA和ImageNet數(shù)據(jù)集上，對(duì)比本文提出算法與GLCIC算法[11]、Generative算法[16]、Shift-Net算法[24]和FGC算法[25]的修復(fù)效果；2）本文提出算法與現(xiàn)有的雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)算法（Generatives算法[16]和HR算法[13]）對(duì)比第1網(wǎng)絡(luò)修復(fù)結(jié)果和第2網(wǎng)絡(luò)修復(fù)結(jié)果；3）對(duì)比本文提出算法與GLCIC算法[11]、Generative算法[16]、Shift-Net算法[24]和FGC算法[25]的細(xì)節(jié)修復(fù)效果；4）本文算法的目標(biāo)物移除實(shí)驗(yàn)；5）本文算法的消融實(shí)驗(yàn)；6）客觀對(duì)比實(shí)驗(yàn)；為保證對(duì)比的公平性，在本文的6組實(shí)驗(yàn)中所有算法的迭代次數(shù)相同。

2.1 不同數(shù)據(jù)集上各算法的修復(fù)結(jié)果

圖3是在CelebA數(shù)據(jù)集上將本文提出算法與GLCIC算法[11]、Generative算法[16]、Shift-Net算法[24]和FGC算法[25]對(duì)背景簡(jiǎn)單的人臉圖像修復(fù)的結(jié)果對(duì)比，掩膜覆蓋了眼睛的大部分區(qū)域。從圖3中可看出：GLCIC算法的修復(fù)結(jié)果，兩個(gè)判決器保證了圖像整體語義的一致性，但眉毛處的修復(fù)出現(xiàn)扭曲，部分像素點(diǎn)重疊。Generative算法的修復(fù)結(jié)果生成的圖像結(jié)構(gòu)紋理清晰合理，但眼球處的細(xì)節(jié)修復(fù)差。Shift-Net算法的修復(fù)結(jié)果在眼睛與眉毛的連接處，出現(xiàn)了紋理錯(cuò)亂，無法生成合理的眼球結(jié)構(gòu)。FGC算法的修復(fù)結(jié)果能生成合理的結(jié)構(gòu)，紋理較清晰。本文提出算法的修復(fù)結(jié)果的結(jié)構(gòu)紋理與原圖相似度高，眼球處的修復(fù)較對(duì)比算法更加符合語義，紋理更清晰。

圖3 CelebA 人臉數(shù)據(jù)集上各算法的修復(fù)結(jié)果Fig. 3 Repair results of each algorithm on the CelebA face dataset

圖4是在ImageNet數(shù)據(jù)集上將本文提出算法與GLCIC算法[11]、Generative算法[16]、Shift-Net算法[24]和FGC算法[25]對(duì)背景復(fù)雜且包含較多紋理細(xì)節(jié)的風(fēng)景圖像修復(fù)的對(duì)比結(jié)果，缺失區(qū)域包含背景及前景的較多紋理細(xì)節(jié)。從圖4可看出：GLCIC算法生成的結(jié)構(gòu)無法與周圍未破損區(qū)域保持視覺連貫性，部分像素點(diǎn)發(fā)生重疊。Generative算法在屋頂處的修復(fù)結(jié)構(gòu)紋理較GLCIC算法有一定的改善，但由于判決器尺度過大，結(jié)合未破損區(qū)域生成了多余結(jié)構(gòu)。Shift-Net算法修復(fù)背景復(fù)雜圖片時(shí)很難生成合理的結(jié)構(gòu)。FGC算法生成的結(jié)構(gòu)較合理，但細(xì)節(jié)紋理模糊。本文提出算法能生成合理的結(jié)構(gòu)和紋理，無邊緣模糊和重影，語義與原圖相符，修復(fù)效果較好。

圖4 ImageNet 數(shù)據(jù)集上各算法的修復(fù)結(jié)果Fig. 4 Repair results of each algorithm on the ImageNet data set

從圖3、4對(duì)不同數(shù)據(jù)集的修復(fù)結(jié)果對(duì)比看出：本文提出算法不僅能生成合理的結(jié)構(gòu)紋理，細(xì)節(jié)的結(jié)構(gòu)、紋理、像素也清晰合理，優(yōu)于對(duì)比算法。

2.2 雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)算法修復(fù)對(duì)比

圖5是本文提出算法與現(xiàn)有的雙轉(zhuǎn)移網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)算法Generatives算法[16]和HR算法[13]在Places2數(shù)據(jù)集上修復(fù)背景復(fù)雜的自然圖像的對(duì)比，圖5中，給出了每種算法第1、2網(wǎng)絡(luò)修復(fù)結(jié)果。從圖5中可看出：對(duì)于第1網(wǎng)絡(luò)修復(fù)結(jié)果，Generative算法的修復(fù)結(jié)果無明顯結(jié)構(gòu)信息，HR算法生成了部分內(nèi)容，本文提出算法生成了基本的結(jié)構(gòu)信息。對(duì)于第2階段網(wǎng)絡(luò)的修復(fù)結(jié)果，Generative算法和HR算法的修復(fù)結(jié)果部分結(jié)構(gòu)錯(cuò)亂，紋理扭曲，像素點(diǎn)重疊。相對(duì)而言，本文提出算法的修復(fù)結(jié)果整體結(jié)構(gòu)及紋理與原圖基本一致，細(xì)節(jié)紋理無明顯錯(cuò)亂，圖像的整體語義一致性高。

圖5 各算法雙網(wǎng)絡(luò)的修復(fù)結(jié)果Fig. 5 Repair results of the double network of each algorithm

2.3 高分辨率圖像細(xì)節(jié)修復(fù)對(duì)比

圖6是在ImageNet數(shù)據(jù)集上將本文提出算法與GLCIC算法[11]、Generative算法[16]、Shift-Net算法[24]和FGC算法[25]對(duì)紋理細(xì)節(jié)豐富的高分辨率圖像修復(fù)的結(jié)果對(duì)比。從圖6中可看出：GLICIC算法能生成基本合理的結(jié)構(gòu)，全局判決器保證了圖像整體語義的一致性，但其局部判決器無法修復(fù)橋上繩索的細(xì)節(jié)。Generative算法能生成合理結(jié)構(gòu)和清晰紋理，但由于繩索缺失信息多，部分繩索區(qū)域只能結(jié)合周圍像素錯(cuò)誤地生成為水域結(jié)構(gòu)。Shift-Net算法能生成基本合理的結(jié)構(gòu)，但繩索的修復(fù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)扭曲。FGC算法生成的結(jié)構(gòu)錯(cuò)亂，紋理模糊。本文提出算法由于使用了3個(gè)不同尺度的判決器，能夠很好地結(jié)合破損區(qū)域周圍的語義，有效避免修復(fù)過程中出現(xiàn)的細(xì)節(jié)失真，因此生成的結(jié)構(gòu)紋理合理清晰，而且細(xì)節(jié)語義與原圖高度一致。

圖6 各算法的高分辨率圖像修復(fù)結(jié)果Fig. 6 Results of high-resolution image restoration of each algorithm

2.4 目標(biāo)物移除

圖7為本文提出算法ImageNet數(shù)據(jù)集上目標(biāo)物移除的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從圖7中可看出：本文提出算法可在移除的目標(biāo)物處生成與周圍語義一致的結(jié)構(gòu)信息，3個(gè)不同尺度的判決器保證修復(fù)的細(xì)節(jié)紋理一致性。

圖7 本文算法的目標(biāo)移除結(jié)果Fig. 7 Results of target removal by the proposed algorithm in this paper

2.5 消融實(shí)驗(yàn)

圖8是本文提出算法在ImageNet數(shù)據(jù)集上的消融實(shí)驗(yàn)的效果圖。從圖8的修復(fù)效果可以看出：本文提出算法的內(nèi)容預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)增加了全局判決器，能改善內(nèi)容預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的修復(fù)結(jié)果；本文提出算法的細(xì)節(jié)修復(fù)網(wǎng)絡(luò)增加3個(gè)不同尺度的判決器，使修復(fù)圖像的細(xì)節(jié)更清晰合理。消融實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文提出算法的有效性和優(yōu)越性。

圖8 本文算法的消融實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig. 8 Ablation experiment results of the proposed algorithm in this paper

2.6 客觀實(shí)驗(yàn)對(duì)比

由表3的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：本文提出算法的4種定量客觀指標(biāo)優(yōu)于對(duì)比的其他算法，說明本文提出算法能很好地結(jié)合圖像的整體語義，增強(qiáng)圖像細(xì)節(jié)的修復(fù)精度，有效避免結(jié)構(gòu)紋理錯(cuò)亂、像素重疊、邊界扭曲等問題。

表3 峰值信噪比、結(jié)構(gòu)相似度等客觀指標(biāo)的定量實(shí)驗(yàn)對(duì)比Tab. 3 Objective indices comparison of PSNR and structure similarity

3 結(jié) 論

提出了一種基于雙生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)及多尺度判決器圖像修復(fù)算法。內(nèi)容預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)引入基于生成對(duì)抗損失的全局判決器，保證修復(fù)圖像整體語義的一致性。將內(nèi)容預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的修復(fù)結(jié)果作為細(xì)節(jié)修復(fù)網(wǎng)絡(luò)的輸入，擴(kuò)大了細(xì)節(jié)修復(fù)網(wǎng)絡(luò)的信息感受野。3個(gè)不同尺度的判決器保證細(xì)節(jié)修復(fù)的精度，有效避免結(jié)構(gòu)紋理錯(cuò)亂以及色彩像素重疊等缺陷。修復(fù)實(shí)驗(yàn)、雙網(wǎng)絡(luò)修復(fù)對(duì)比、高分辨率修復(fù)對(duì)比、目標(biāo)移除實(shí)驗(yàn)、消融實(shí)驗(yàn)及客觀實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：本文算法能很好地結(jié)合圖像的整體語義，增強(qiáng)圖像細(xì)節(jié)的修復(fù)精度，有效避免結(jié)構(gòu)紋理錯(cuò)亂、像素重疊、邊界扭曲等問題。當(dāng)然，由于使用多個(gè)基于生成對(duì)抗損失的判決器，因此訓(xùn)練時(shí)間較長(zhǎng)，需5天左右，這是后續(xù)需要改進(jìn)之處。