SRFormer: Permuted Self-Attention for Single Image Super-Resolution

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前言

论文：https://arxiv.org/pdf/2303.09735.pdf

代码：https://github.com/HVision-NKU/SRFormer

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一、Introduction

先前的工作已经表明，增加基于Transformer的图像超分辨率模型的窗口大小（例如，SwinIR）可以显著提高模型性能，但计算开销也相当大。

本文提出了一种简单而新颖的SRFormer方法，它可以享受大窗口自注意的好处，并且带来的计算负担更少。

SRFormer的核心是置换自我注意（PSA），它在自注意的渠道和空间信息之间取得了适当的平衡。我们的PSA是简单的，可以很容易地应用到现有的基于窗口自注意的超分辨率网络。在没有任何花哨的情况下，SRFormer在Urban100数据集上实现了33.86db的PSNR评分，比SwinIR高了0.46db，但使用的参数和计算更少。

全文总结创新点如下：

（1）提出了一种新的图像超分辨率置换自注意方法，通过将空间信息转移到通道维度上，实现大窗口自注意。通过利用它，首次在sr中以可接受的时间复杂度实现了24x24大窗口关注机制。

（2）基于提出的PSA和从频率角度（ConvFFN）改进的FFN，构建了一个新的基于Transformer的超分辨率网络，称为SRFormer。SRFormer在经典，轻量级和现实世界的图像SR任务中实现了最先进的性能。

二、Method

1. Network Architecture

我们的SRFormer也基于Transformer。与直接利用自我注意力建立模型的方法不同，我们的SRFormer主要针对自我注意力本身。我们的目的是研究如何在一个大的窗口中计算自我注意，以提高SR模型的性能，而不增加参数和计算成本。

我们的SRFormer的整体架构如图2所示。由三部分组成：像素嵌入层、特征编码器和高分辨率图像重构层。根据以前的工作[33，77]，像素嵌入层是一个单一的3 × 3卷积，它将低分辨率RGB图像转换为特征嵌入。然后将被发送到具有分层结构的特征编码器中。它由N个置换的自注意组组成，每个组由M个置换的自注意块组成，然后是3 × 3卷积。在特征编码器的末尾添加3 × 3卷积，产生。和的求和结果被送入进行高分辨率图像重建，其中包含3 × 3卷积和子像素卷积层以重建高分辨率图像。我们计算高分辨率重建图像和地面真实HR图像之间的L1损失以优化我们的SRFormer。

Figure2：SRFormer的整体架构。像素嵌入模块是一个3 × 3卷积，将输入图像映射到特征空间。HR图像重建模块包含3×3卷积和像素混洗操作以重建高分辨率图像。中间特征编码部分具有N个PAB组，随后是3 × 3卷积。

2、Permuted Self-Attention Block

我们的SRFormer的核心是置换自我注意块（PAB），它由置换自我注意（PSA）层和卷积前馈网络（ConvFFN）组成。

Permuted self-attention

如图3（b），给定输入特征图Xin ∈ RH×W×C和令牌缩减因子r，我们首先将Xin分成N个不重叠的正方形窗口X ∈ RNS 2 ×C，其中S是每个窗口的边长。然后，我们使用三个线性层LQ、LK、LV来获得Q、K和V：

这里，Q保持与X相同的信道维数，而LK和LV将信道维数压缩为C/r2，从而得到K ∈ RNS 2 ×C/r2和V ∈ RNS 2 ×C/r2。然后，为了使更多的令牌参与自注意计算，避免计算量的增加，我们提出将K和V中的空间令牌置换到信道维度，得到置换令牌Kp ∈ RNS 2/r2×C和Vp ∈ RNS 2/r2×C。

我们使用Q和收缩的Kp和Vp来执行自我注意操作。通过这种方式，Kp和Vp的窗口大小将减少到Sr × Sr，但它们的通道尺寸仍然不变，以保证每个注意力头生成的注意力图的表达能力。拟定PSA的公式可写成如下：

其中B是对齐的相对位置嵌入，可以通过对[37]中定义的原始位置嵌入进行插值来获得，因为Q的窗口大小与Kp的窗口大小不匹配。是如[11]中定义的标量。注意，通过将通道分成多个组，可以容易地将上述等式转换成多头版本。我们的PSA将空间信息转移到通道维度。

它确保以下两个关键设计原则：i）我们不像[65，58]中那样首先对令牌进行下采样，而是允许每个令牌独立地参与自我注意力计算。

ii）与图中所示的原始自我注意相反。如图3（a）所示，PSA可以在大窗口（例如，24 × 24）使用比SwinIR更少的计算，同时获得更好的性能。

ConvFFN

先前的研究表明自我注意力可以被视为一个低通滤波器。为了更好地恢复高频信息，通常在每组变压器的末尾添加3 × 3卷积，如SwinIR中所做。

与SwinIR不同的是，在我们的PAB中，我们建议在FFN块的两个线性层之间添加一个局部深度卷积分支，以帮助编码更多的细节。我们将新块命名为ConvFFN。

我们经验发现，这样的操作几乎没有增加计算量，但可以弥补图4所示的自我注意引起的高频信息损失。我们简单地用FFN和ConvFFN计算SRFormer产生的特征图的功率谱。通过对比两幅图可以看出，ConvFFN可以明显增加高频信息，从而得到更好的结果，如表1所示。

三、Experiments

1、Classical Image Super-Resolution

对于经典的图像SR任务，我们将我们的SRFormer方法与一系列基于CNN和基于Transformer的SR方法进行了比较:RCAN、RDN、SAN、IGNN、HAN、NLSA、IPT、SwinIR、EDT和ELAN。

2、Lightweight Image Super-Resolution

为了证明我们模型的可扩展性，并进一步证明SRFormer的效率和有效性，我们训练SRFormer-light，并将其与一系列最先进的轻量级SR方法进行比较:EDSR-baseline、CARN、IMDN、LAPAR-A、LatticeNet、ESRT、SwinIR-light和ELAN。

3、Real-World Image Super-Resolution

由于图像SR的最终目标是处理丰富的真实世界退化，并产生视觉上令人愉悦的图像，我们遵循SwinIR，使用与BSRGAN相同的退化模型对SRFormer进行再训练，结果如图7所示。在面对真实世界的图像时，SRFormer仍然可以产生更逼真和视觉上令人愉悦的纹理，而不会出现伪影，这证明了我们方法的鲁棒性。

4、LAM Comparison

为了观察 SR 重建所使用的像素范围，我们将我们的模型与使用 LAM [15] 的 SwinIR 进行比较，如图 8 所示。基于极大的注意力窗口，SRFormer 推断出的 SR 图像的像素范围明显比 SwinIR 更宽。实验结果与我们的动机非常一致，并从可解释性的角度证明了我们方法的优越性。 

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四、Conclusion

在本文中，我们提出了 PSA，一种有效的自注意力机制，可以在大窗口内有效地构建成对相关性。基于我们的 PSA，我们设计了一个简单而有效的基于 Transformer 的单图像超分辨率模型，称为 SRFormer。

由于极大的注意力窗口和高频信息增强，SRFormer 在经典、轻量级和现实世界的 SR 任务上实现了最先进的性能。我们希望我们的排列自注意力可以成为大窗口自注意力的范例，并作为未来超分辨率模型设计研究的有用工具。