一、传统超分辨率方法
1. 双三次插值法(Bicubic Interpolation)
matlab
% 读取低分辨率图像
lr_img = imread('lowres.jpg');
[hr_size, ~] = size(imresize(lr_img, 2, 'bicubic')); % 放大2倍
% 双三次插值重建
sr_img = imresize(lr_img, hr_size, 'bicubic');
% 计算PSNR
psnr_val = psnr(sr_img, imresize(imread('hr.jpg'), hr_size));
disp(['PSNR: ', num2str(psnr_val), ' dB']);
2. POCS迭代重建算法
matlab
function sr_img = POCS_SR(lr_img, scale, iter)
hr_size = size(lr_img)*scale;
sr_img = imresize(lr_img, hr_size, 'bicubic');
for i = 1:iter
% 生成低分辨率估计
lr_est = imresize(sr_img, size(lr_img), 'bicubic');
% 计算残差
residual = im2double(imread('hr.jpg')) - lr_est;
% 更新高分辨率图像
sr_img = sr_img + imresize(residual, hr_size, 'bicubic');
end
end
二、深度学习超分辨率方法
1. SRCNN实现(基于预训练模型)
matlab
% 加载预训练SRCNN模型
load('srcnn_model.mat'); % 包含net结构
% 图像预处理
lr_img = im2double(imread('lowres.jpg'));
hr_img = imresize(lr_img, 2, 'bicubic');
% 网络推理
sr_img = predict(net, lr_img);
% 后处理
sr_img = uint8(min(max(sr_img,0),1));
% 计算SSIM
ssim_val = ssim(sr_img, imresize(imread('hr.jpg'), size(sr_img)));
disp(['SSIM: ', num2str(ssim_val)]);
2. VDSR残差网络实现
matlab
layers = [
imageInputLayer([64 64 1])
convolution2dLayer(3, 64, 'Padding', 'same')
reluLayer()
convolution2dLayer(3, 64, 'Padding', 'same')
reluLayer()
convolution2dLayer(3, 1, 'Padding', 'same')
];
options = trainingOptions('adam',...
'MaxEpochs', 50,...
'MiniBatchSize', 32,...
'InitialLearnRate', 0.001);
net = trainNetwork(trainingData, layers, options);
三、完整实现流程示例(以ESRGAN为例)
1. 环境配置
matlab
% 检查深度学习工具箱
assert(license('test', 'Neural_Network_Toolbox'), '需要Deep Learning Toolbox');
% 设置GPU加速
if gpuDeviceCount > 0
gpuDevice(1);
end
2. 数据准备
matlab
% 加载DIV2K数据集
[hr_images, lr_images] = load_div2k_dataset('DIV2K_train_HR', 'DIV2K_train_LR');
% 数据归一化
hr_images = im2double(hr_images);
lr_images = im2double(lr_images);
3. 模型构建(ESRGAN)
matlab
layers = [
imageInputLayer([64 64 3])
% 特征提取模块
convolution2dLayer(3, 64, 'Padding', 'same')
leakyReluLayer(0.2)
% 残差块x23
repeat(23, @(
convolution2dLayer(3, 64, 'Padding', 'same', 'DilationFactor', 2)
batchNormalizationLayer
leakyReluLayer(0.2)
))
% 上采样模块
transposedConv2dLayer(3, 64, 'Stride', 2, 'Cropping', 'same')
additionLayer(2)
% 颜色恢复
convolution2dLayer(3, 3, 'Padding', 'same')
sigmoidLayer()
];
net = layerGraph(layers);
4. 训练配置
matlab
options = trainingOptions('adam',...
'MaxEpochs', 100,...
'MiniBatchSize', 16,...
'Shuffle', 'every-epoch',...
'Verbose', false,...
'Plots', 'training-progress');
% 启动训练
trained_net = trainNetwork(lr_images, hr_images, net, options);
5. 推理与评估
matlab
% 测试图像处理
test_img = imread('test_low.jpg');
test_img = imresize(test_img, 0.25, 'bicubic');
% 超分辨率重建
sr_img = predict(trained_net, test_img);
% 计算指标
psnr_val = psnr(sr_img, imresize(imread('test_hr.jpg'), size(sr_img)));
ssim_val = ssim(sr_img, imresize(imread('test_hr.jpg'), size(sr_img)));
% 显示结果
figure;
subplot(1,2,1); imshow(imresize(imread('test_hr.jpg'), size(sr_img))); title('HR');
subplot(1,2,2); imshow(sr_img); title(['SR (PSNR: ', num2str(psnr_val), ' dB)']);
参考代码 超分辨的MATLAB程序 www.youwenfan.com/contentcsl/79747.html
四、性能对比及优化
| 方法 | 优势 | 局限性 | 适用场景 |
|---|---|---|---|
| 双三次插值 | 计算快,无需训练 | 细节丢失严重 | 实时预览 |
| POCS | 多帧重建效果好 | 需要参考帧 | 视频超分辨率 |
| SRCNN | 结构简单易实现 | 放大倍数受限(≤4) | 低复杂度图像 |
| VDSR | 支持大尺度放大 | 训练数据需求大 | 卫星/医学影像 |
| ESRGAN | 生成质量高 | 需要GPU训练 | 高精度重建需求 |
优化:
- 数据增强:添加旋转、翻转等预处理
- 损失函数改进:组合L1损失+感知损失
- 多尺度训练:不同缩放因子混合训练
- 注意力机制:添加通道注意力模块