Охота на электроовец. Большая книга искусственного интеллекта - Сергей Сергеевич Марков

работы модели SISR должно стать изображение более высокого разрешения, которое, будучи уменьшенным при помощи некоторой функции уменьшения размера, дало бы нам исходное изображение. При этом изображение, являющееся результатом работы модели SISR, должно быть по возможности неотличимым от высококачественного изображения, полученного в результате оцифровки с высоким разрешением. Это означает, что изображение не должно быть размытым, должно содержать реалистичные и неискажённые изображения объектов, текстур и тому подобное. Очевидно, что при уменьшении разрешения изображения некоторая часть информации может быть потеряна безвозвратно. Если бы наши изображения были совершенно хаотичными наборами пикселей, эта затея была бы обречена на провал. Но, к счастью, в огромном количестве прикладных задач речь идёт всё-таки об изображениях каких-либо объектов, встречающихся и на каких-либо других картинках. Если модель для повышения разрешения будет обучена на множестве изображений, содержащих те же или сходные объекты, то «знания», которые модель приобретёт в ходе такого обучения, позволят ей эффективно «домысливать» утраченные при снижении разрешения детали. Важным подвидом SISR является задача, в которой мы можем сами выбирать модель для снижения разрешения исходного изображения. Одновременное обучение двух моделей — для снижения и для повышения разрешения — позволяет добиться более эффективной минимизации потерь при восстановлении исходной картинки. Это происходит благодаря тому, что модель для снижения разрешения будет терять меньше информации, необходимой для успешного восстановления изображения, а также благодаря тому, что модель для повышения разрешения «знает» об особенностях преобразования, породившего картинку с малым разрешением. Именно этот подход реализован в модели, получившей название «Контентно-адаптивный передискретизатор» (Content Adaptive Resampler, CAR)[2803]. Задачу увеличения разрешения изображения в CAR выполняет свёрточная сеть с популярной для таких задач архитектурой под названием EDSR (Enhanced Deep Super-Resolution network, Улучшенная глубокая сеть для повышения разрешения)[2804], а задачу понижения разрешения — другая свёрточная сеть под названием ResamplerNet. Последняя выбирает индивидуальную операцию для расчёта цвета каждого из пикселей изображения пониженной размерности. Эксперименты показали, что изображения, полученные на выходе ResamplerNet, не уступают по качеству изображениям, полученным при использовании традиционных методов понижения разрешения, в то время как восстановленные изображения высокой размерности заметно превосходят по качеству результаты применения других моделей для решения задачи SISR.

Рис. 165. Примеры увеличения разрешения одиночных изображений моделью CAR

Впрочем, даже без применения CAR современные модели показывают в этой задаче вполне приличные результаты. Ниже приведены примеры из современных работ, посвящённых разработке моделей для решения задачи SISR: «Сохраняющее структуру повышение разрешения с наведением по градиенту» [Structure-Preserving Super Resolution with Gradient Guidance][2805] и «Увеличение разрешения для одиночного изображения с помощью сети с холистическим вниманием» [Single Image Super-Resolution via a Holistic Attention Network][2806].

Рис. 166. Примеры увеличения разрешения одиночных изображений различными моделями

Вторая разновидность задачи ISR называется, как несложно догадаться, MISR (Multiple Image Super-Resolution, Увеличение разрешения для множества изображений). В случае MISR мы имеем дело с ситуацией, когда у нас есть несколько изображений с низким разрешением, по которым необходимо получить объединяющее изображение высокого разрешения. Одна из основных областей применения MISR — обработка спутниковых снимков. Примером модели, предназначенной для решения задачи MISR, является EvoNet, в которой выходы нескольких свёрточных сетей, решающих задачу SISR для каждого из изображений с низким разрешением, затем специальным образом комбинируются с учётом возможных сдвигов, а после этого подвергаются пошаговой фильтрации[2807].

Рис. 167. Пример увеличения разрешения для множества изображений

Весной 2019 г. другая группа исследователей представила в статье «DM-GAN: генеративно-состязательные сети с динамической памятью для синтеза изображения на основе текста» (DM-GAN: Dynamic Memory Generative Adversarial Networks for Text-to-Image Synthesis)[2808] архитектуру DM-GAN, которая способна не только «рисовать» более реалистичных птичек, но и производить на свет что-то более или менее правдоподобное при работе с более разнообразным набором данных — COCO (Common Objects in COntext, Обычные объекты в контексте), содержащим более 200 000 размеченных изображений объектов, принадлежащих к одному из 80 классов (самолёты, кошки, собаки, пожарные гидранты и т. д.). На иллюстрации ниже можно наблюдать сравнение результатов DM-GAN с результатами StackGAN и ещё одной более ранней модели — AttnGAN[2809].

Рис. 168. Сравнение результатов синтеза изображений на основе текста для моделей DM-GAN, StackGAN и AttnGAN

Ещё одна архитектура для синтеза изображений на основе текста была описана в статье 2019 г. под названием «CPGAN: генеративно-состязательные сети с анализом полного спектра контента для синтеза изображений на основе текста» (CPGAN: Full-Spectrum Content-Parsing Generative Adversarial Networks for Text-to-Image Synthesis)[2810].

Рис. 169. Сравнение результатов синтеза изображений на основе текста модели CPGAN с другими моделями

На август 2020 г. эта архитектура лидировала по величине Inception score среди подобных моделей и обходила StackGAN и AttnGAN при оценке изображений людьми.

Но в самом начале 2021-го в этой области произошла очередная революция. Она была связана с появлением модели, получившей название DALL·E (в честь Сальвадора Дали и робота WALL-E из одноимённого анимационного фильма компании Pixar). Эта модель была создана исследователями из компании OpenAI. Архитектура генерирующей нейронной сети идентична версии модели GPT-3 с 13 млрд параметров. При этом используется словарь токенов, включающих в себя как элементы текста, так и элементы изображения. При обработке визуальных токенов используются несколько модифицированные матрицы внимания, но в целом перед нами наша старая знакомая, отличившаяся в задаче генерации текстов.

То, что трансформерные модели могут успешно обрабатывать изображения, было известно и ранее — пионерской работой в этом направлении в 2018 г. стала сеть Image Transformer[2811]. В 2020 г. на свет появились более совершенные модели — сначала Visual Transformer (Визуальный трансформер), или VT[2812], затем Vision Transformer (Зрительный трансформер), или ViT[2813], а затем улучшенные версии последнего — DEiT (Data-efficient image Transformer, Эффективный по отношению к данным трансформер изображений)[2814] и SWIN (от Shifted WINdow — сдвигающееся окно)[2815]. В том же году появились первые гибридные свёрточно-трансформерные архитектуры, например DETR (DEtection TRansformer, Трансформер обнаружения)[2816] от исследователей из Facebook, а чуть позже — его улучшенная версия Deformable DETR (Деформируемый DETR)[2817]. Созданная в 2021 г. гибридная нейросетевая архитектура — CMT (CNN Meet Transformers, Свёрточные нейронные сети сходятся с трансформерами) — позволила достичь при классификации изображений ImageNet точности top-1, равной 83,5%, что всего на 0,8 процентного пункта меньше, чем у лучшего варианта EfficientNet-B7 при