像神经网络这样的数据驱动算法已席卷全球。他们最近的激增是由于硬件变得更加便宜也更加强大，同时也不缺乏大量的数据的支持。神经网络目前发展到“图像识别”，“自然语言理解”等认知任务，当然也仅限于此类任务。在这篇文章中，我将讨论一种使用神经网络压缩图像的方法，以更快的速度实现图像压缩的最新技术。

本文基于“基于卷积神经网络的端到端压缩框架”（https://arxiv.org/pdf/1708.00838v1.pdf）。

你需要对神经网络有一些熟悉，包括卷积和损失函数。

什么是图像压缩？

图像压缩是转换图像使其占用较少空间的过程。简单地存储图像会占用大量空间，因此存在编解码器，例如JPEG和PNG，旨在减小原始图像的大小。

有损与无损压缩
图像压缩有两种类型：无损和有损。正如他们的名字所暗示的那样，在无损压缩中，有可能获取原始图像的所有数据，而在有损压缩中，有些数据在转换中丢失。

例如JPG是一种有损算法，而PNG是一种无损算法

无损和有损压缩之间的比较

仔细看会发现右边的图像有很多小块，这就是信息的丢失。类似颜色附近的像素被压缩为一个区域，节省了空间，但也丢失关于实际像素的信息。当然，像JGEG，PNG等编解码器的实际算法要复杂得多，但这是有损压缩的良好直观示例。无损当然好，但它在磁盘上占用了太大的空间。

虽然有更好的方法压缩图像而不会丢失大量信息，但是它们太慢了，许多使用迭代的方法，这意味着它们不能在多个CPU内核或GPU上并行运行。这使得它们应用在日常使用中并不现实。

进入卷积神经网络

如果需要计算任何东西并且可以近似，就可以让一个神经网络来做。作者使用一个相当标准的卷积神经网络来改善图像压缩。他们的方法不仅能达到“更好的压缩图像方法”的效果，还可以利用并行计算，让速度的快速提升。

因为，卷积神经网络（CNN）非常擅长从图像中提取空间信息，然后以更紧凑的结构表现（例如，仅存储图像的“重要”比特）。作者想利用CNN的这种能力更好地表现图像。

架构

作者提出了一个双重网络。第一个网络，将采集图像并生成压缩表示（ComCNN）。然后，这个网络的输出通过标准的编解码器（例如JPEG）进行处理。经过编解码器后，图像将被传递到第二个网络，从编解码器“修复”图像，试图恢复原始图像。作者称之为重建CNN（RecCNN）。这两个网络都被反复地训练，类似于GAN。

ComCNN将压缩表示传递给标准的编解码器

来自ComCNN的输出被放大并传递给RecCNN，它将尝试学习一个残差

编解码器的输出被放大，然后传递给RecCNN。RecCNN将尝试输出与原始图像相似的图像。

残差是什么

残差可以被认为是“改善”编解码器解码的图像的后处理步骤。神经网络有很多关于世界的“信息”，可以对“修复”做出认知决定。这个想法是基于残差学习，你点击链接进行更深入的了解（https://arxiv.org/pdf/1708.00838v1.pdf）。

损失函数

由于有两个网络，所以使用两个损失函数函数。第一个，对于ComCNN，标记为L1，定义为：

ComCNN的损失函数（公式1.0）

说明
这个方程可能看起来很复杂，但它实际上是标准MSE（均方误差）。||²表示它们所包含的矢量的“标准”。

（公式1.1）

Cr表示ComCNN的输出。θ表示ComCNN的可训练参数，Xk表示输入图像

（公式1.2）

Re（）表示RecCNN。该方程将公式1.1的值传递给RecCNN。“θ帽”表示RecCNN的可训练参数（帽表示参数固定）

直观的定义
公式1.0将使ComCNN修改它的权重，这样，在经过RecCNN重新创建后，最终图像将尽可能接近真实的输入图像。

RecCNN的第二个损失函数定义为：

（公式2.0）

说明
同样的，这个函数可能看起来很复杂，但它是一个常见而标准的神经网络损失函数（MSE）。

（公式2.1）

Co（）表示编解码器的输出。x帽表示ComCNN的输出。θ2表示RecCNN的可训练参数。res（）只表示网络学习的残差，它只是RecCNN的输出。值得注意的是，RecCNN在Co（）和输入图像之间的差异进行训练，而不是直接从输入图像中进行训练。

直观的定义
公式2.0将使RecCNN修改其权重，使得其输出看起来尽可能接近原始图像。

训练计划

这些模型经过类似于GAN的训练方式的迭代训练。第一个模型的权重是固定的，而第二个模型的权重被更新，然后第二个模型的权重是固定的，而第一个模型被训练。

基准

作者将其方法与现有方法进行了比较，包括简单的编解码器。他们的方法比其他方法更好，同时在有能力的硬件上使用时保持高速。作者注意到尝试只使用其中一个网络性能会下降。

SSIM（结构相似度指数）比较。较高的值表示与原始的更好的相似性，作者的作品是粗体。

结论

一种应用深度学习来压缩图像的新技术。我们讨论了除了图像分类和语言处理等常用任务之外，使用神经网络的可能性。这种技术不仅压缩表现良好，处理图像的速度也更快。

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