目录

1.SRCNN介绍

训练过程

损失函数

个人对SRCNN训练过程的理解

2.实验常见问题和部分解读

1. torch.utils.data.dataloader中DataLoader函数的用法

2.SRCNN图像颜色空间转换原因以及方法？

3. model.parameters()与model.state_dict()的区别

4. .item（）函数的用法？

5.最后的测试过程步骤？

6.argparse的使用以及定义

7.unsqueeze与squeeze的使用 

1.unsqueeze用法：在数组原来维度索引i之间增加一个维度

2.Squeeze用法：挤压掉tensor数据中维度特征数为1的维度

8.对Python之if __name__ == ‘__main__‘的理解。

9.自定义数据集步骤？

3.Code部分解读

model.py

dataset.py

prepare.py(制作自定义的训练和验证的h5格式的数据集)

train.py（训练SRCNN模型，得到最优参数）

utils.py(工具包)

test.py

4.实验结果展示

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1.SRCNN介绍

超分辨率，就是把低分辨率(LR, Low Resolution)图片放大为高分辨率(HR, High Resolution)的过程。

图像特征提取层：通过CNN将图像Y 的特征提取出来存到向量中。用一层的CNN以及ReLU去将图像Y 变成一堆堆向量，即feature map。

非线性映射层：把提取到的特征进一步做非线性映射，加大网络深度，提高网络复杂性。

重建层：结合了前面得到的补丁来产生最终的高分辨率图像。

实验步骤

1. 输入LR图像X，经双三次(bicubic)插值，被放大成目标尺寸（如放大至2倍、3倍、4倍），得到Y ，即低分辨率图像(Low-resolution image)
2. 通过三层卷积网络拟合非线性映射
3. 输出HR图像结果F ( Y ) 

注解：

1. Y：输入图像经过预处理(双三次插值)得到的图像，我们仍将Y 当作是低分辨率图像，但它的size要比输入图像要大。
2. F ( Y ) ：网络最后输出的图像，我们的目标就是通过优化F(Y)和Ground-Truth之间的loss来学会这个函数F (⋅) 。
3. X：高分辨率图像，即Ground-Truth，它和Y的size是相同的。
4. 图像被转化为 YCbCr 色彩空间，尽管该网络只使用亮度通道(Y)。然后，网络的输出合并已插值的 CbCr 通道，输出最终彩色图像。我们选择这一步骤是因为我们感兴趣的不是颜色变化(存储在 CbCr 通道中的信息)而只是其亮度(Y 通道);根本原因在于相较于色差，人类视觉对亮度变化更为敏感。

训练过程

图片引用：超分辨 ：SRCNN_超分辨 srcnn_今晚打佬虎的博客-CSDN博客

1.降低分辨率：

2.切割图片，补丁之间有重复

3.训练模型，学习低分辨率 → to→ 高分辨率的映射关系

损失函数

 损失哈数：MES（均方误差），选择MSE作为损失函数的一个重要原因是MSE的格式和我们图像失真评价指标PSNR很像

 F(Y;θ)：得到的超分辨率图像          X：原高分辨率图像

激活函数：Relu

PSRN：峰值信噪比，是一种评价图像的客观标准，它具有局限性，一般是用于最大值信号和背景噪音之间的一个工程项目。

MSE与PSNR公式对比：

        

 这里的MSE是原图像（语音）与处理图像（语音）之间均方误差。

SSIM（另外一种衡量结果的参数）

 个人对SRCNN训练过程的理解

        1.构建训练集，含有低分辨率图像和高分辨图像，其中图像需要将其从RGB图像转为YCBCR图像，并且对图像进行分割为小块进行存储，高分辨率图像为未下采样前的图像，低分辨率图像为下采样，上采样后的图像。

      2.构建SRCNN模型，即三层卷积模型，设置MES为损失函数，因为MES与评价图像客观指标PSNR计算相似，即最大化PSNR。设置其余常见的神经网络参数（学习率，Batch_size，num-epochs等）。

      3.训练模型SRCNN，即学习低分辨率图像到高分辨率图像的映射关系。根据不同参数的不同PSRN值，保留最大PSNR值对应的模型参数。

2.实验常见问题和部分解读

1. torch.utils.data.dataloader中DataLoader函数的用法

通过查阅资料，翻阅代码实例得到DataLoader（）函数参数意义如下：

 1.dataset (Dataset) ：决定数据从哪读取或者从何读取；

 2. batch_size (python:int, optional) ： 每次处理的数据集大小(默认为１）

 3. shuffle (bool, optional) ：每一个 epoch是否为乱序 (default: False)；

 4. num_workers (python:int, optional) ： 多少个进程读取数据（默认为０);

 5. pin_memory（bool, optional) ： 如果为True会将数据放置到GPU上去（默认为false）

 6. drop_last (bool, optional) ：当样本数不能被batchsize整除时，最后一批数据是否舍弃（default: False)

Eg：shuffle（bool，optional）表示传入的参数类型为bool类型，并且该参数shuffle是可选参数。

2.SRCNN图像颜色空间转换原因以及方法？

       选择YCbCr的原因：因为我们感兴趣的不是颜色变化(存储在 CbCr 通道中的信息)而只是其亮度(Y 通道);根本原因在于相较于色差，人类视觉对亮度变化更为敏感。

Y only和YCbCr区别：

       ①Y only：基线方法，是一个单通道网络（c=1），只在亮度上进行了训练。对Cb、Cr通道采用双三次插值进行了扩展。②YCbCr：在YCbCr空间的三个通道上进行训练

       代码中三个转换函数：

       1. convert_rgb_to_y(img)

       2. convert_rgb_to_ycbcr(img)

       3. convert_ycbcr_to_rgb(img)

YCBCR：Y表示颜色的明亮度和浓度，也可叫灰度阶。（通过RGB转换YCBCR提取Y分量也可以得到灰度图像）

Cb：表示颜色的蓝色浓度偏移量即RGB输入信号蓝色部分与RGB信号亮度值之间的差异。

Cr：表示颜色的红色浓度偏移量即RGB输入信号红色部分与RGB信号亮度值之间的差异。

转换公式：

1、RGB转YCBCR

        Y=0.257*R+0.564*G+0.098*B+16

        Cb=-0.148*R-0.291*G+0.439*B+12

        Cr=0.439*R-0.368*G-0.071*B+128

 2、YCBCR转RGB

        R=1.164*(Y-16)+1.596*(Cr-128)

        G=1.164*(Y-16)-0.392*(Cb-128)-0.813*(Cr-128)

        B=1.164*(Y-16)+2.017*(Cb-128)

3. model.parameters()与model.state_dict()的区别

    区别：model.parameters()方法返回的是一个生成器generator，每一个元素是从开头到结尾的参数，parameters没有对应的key名称，是一个由纯参数组成的generator，而state_dict是一个字典，包含了一个key。

4. .item（）函数的用法？

    t.item()将Tensor变量转换为python标量（int float等），其中t是一个Tensor变量，只能是标量，转换后dtype与Tensor的dtype一致。

5.最后的测试过程步骤？

    1.设置参数（训练好的权重，图片，放大倍数）

    2.创建SRCNN模型，给模型赋值最优参数

    3.对图像进行插值得到低分辨率图像

    4.对Lr低分辨率图像的y颜色空间进行训练

    5.计算PSNR值并输出

    6.将转换为图像并进行输出

6.argparse的使用以及定义

    argparse 模块是 Python 内置的用于命令项选项与参数解析的模块，argparse 模块可以让人轻松编写用户友好的命令行接口，能够帮助程序员为模型定义参数。

    定义步骤

1. 导入argparse包 ——import argparse
2. 创建一个命令行解析器对象 ——创建 ArgumentParser() 对象
3. 给解析器添加命令行参数 ——调用add_argument() 方法添加参数
4. 解析命令行的参数 ——使用 parse_args() 解析添加的参数

7.unsqueeze与squeeze的使用 

1.unsqueeze用法：在数组原来维度索引i之间增加一个维度

x = t.Tensor([[3, 4], [2, 7], [6, 9]]) # 3*2
y1 = x.unsqueeze(0) # 1*3*2
print(y1.size())
y2 = x.unsqueeze(1) # 3*1*2
print(y2.size())
y3 = x.unsqueeze(2) # 3*2*1
print(y3.size())

2.Squeeze用法：挤压掉tensor数据中维度特征数为1的维度

x = t.ones(1,1,2,3,1)
y1 = x.squeeze(0) # 1*2*3*1
print(y1.size())
y2 = x.squeeze(1) # 1*2*3*1
print(y2.size())
y3 = x.squeeze() # 2*3
print(y3.size())

8.对Python之if __name__ == ‘__main__‘的理解。

       该代码片段只在运行脚本时执行，在import到其他脚本中不会执行，把文件当做脚本直接执行的时候这个时候__name__的值是:main,而被其它文件引用的时候就是文件本身的名字。

9.自定义数据集步骤？

      训练数据集可手动生成，设放大倍数为scale，考虑到原始数据未必会被scale整除，所以要重新规划一下图像尺寸，通过双三次插值设置图像大小，然后将其保存为h5文件进行保存，训练数据集的生成分为三步：

1. 读取图像文件夹所在目录
2. 将所有图像转为RGB图像
3. 将原始图像通过双三次插值重设尺寸，使之可被scale整除，作为高分辨图像数据HR
4. 将HR通过双三次插值压缩scale倍，为低分辨图像的原始数据
5. 将低分辨图像通过双三次插值放大scale倍，与HR图像维度相等，作为低分辨图像数据LR
6. 将低分辨率图像，高分辨率图像转为YCBCR图像，对y通道进行训练。
7. 提取高分辨率，低分辨率图像补丁，用来训练低分辨率图像刀高分辨率图像之间的映射关系。

最后，可通过h5py将训练数据分块并打包，同理可以按照上述操作生成测试集文件。

3.Code部分解读

model.py

from torch import nn
class SRCNN(nn.Module):  #搭建SRCNN 3层卷积模型，Conve2d（输入层数，输出层数，卷积核大小，步长，填充层）
    def __init__(self, num_channels=1):
        super(SRCNN, self).__init__()
        self.conv1 = nn.Conv2d(num_channels, 64, kernel_size=9, padding=9 // 2)
        self.conv2 = nn.Conv2d(64, 32, kernel_size=5, padding=5 // 2)
        self.conv3 = nn.Conv2d(32, num_channels, kernel_size=5, padding=5 // 2)
        self.relu = nn.ReLU(inplace=True)
    def forward(self, x):
        x = self.relu(self.conv1(x))
        x = self.relu(self.conv2(x))
        x = self.conv3(x)
        return x

dataset.py

h5py文件格式

import h5py   # 一个h5py文件是 “dataset” 和 “group” 二合一的容器。
import numpy as np
from torch.utils.data import Dataset
'''为这些数据创建一个读取类，以便torch中的DataLoader调用，而DataLoader中的内容则是Dataset，
    所以新建的读取类需要继承Dataset，并实现其__getitem__和__len__这两个成员方法。
'''
class TrainDataset(Dataset):  # 构建训练数据集，通过np.expand_dims将h5文件中的lr（低分辨率图像）和hr（高分辨率图像）组合为训练集
    def __init__(self, h5_file):
        super(TrainDataset, self).__init__()
        self.h5_file = h5_file
    def __getitem__(self, idx): #通过np.expand_dims方法得到组合的新数据
        with h5py.File(self.h5_file, 'r') as f:
            return np.expand_dims(f['lr'][idx] / 255., 0), np.expand_dims(f['hr'][idx] / 255., 0)
    def __len__(self):   #得到数据大小
        with h5py.File(self.h5_file, 'r') as f:
            return len(f['lr'])
# 与TrainDataset类似
class EvalDataset(Dataset):    # 构建测试数据集，通过np.expand_dims将h5文件中的lr（低分辨率图像）和hr（高分辨率图像）组合为验证集
    def __init__(self, h5_file):
        super(EvalDataset, self).__init__()
        self.h5_file = h5_file
    def __getitem__(self, idx):
        with h5py.File(self.h5_file, 'r') as f:
            return np.expand_dims(f['lr'][str(idx)][:, :] / 255., 0), np.expand_dims(f['hr'][str(idx)][:, :] / 255., 0)
    def __len__(self):
        with h5py.File(self.h5_file, 'r') as f:
            return len(f['lr'])

prepare.py(制作自定义的训练和验证的h5格式的数据集)

import argparse
import glob
import h5py
import numpy as np
import PIL.Image as pil_image
from utils import convert_rgb_to_y
'''
训练数据集可手动生成，设放大倍数为scale，考虑到原始数据未必会被scale整除，所以要重新规划一下图像尺寸，所以训练数据集的生成分为三步：
1.将原始图像通过双三次插值重设尺寸，使之可被scale整除，作为高分辨图像数据HR
2.将HR通过双三次插值压缩scale倍，为低分辨图像的原始数据
3.将低分辨图像通过双三次插值放大scale倍，与HR图像维度相等，作为低分辨图像数据LR
最后，可通过h5py将训练数据分块并打包
'''
# 生成训练集
def train(args):
    """
    def是python的关键字，用来定义函数。这里通过def定义名为train的函数，函数的参数为args,args这个参数通过外部命令行传入output
    的路径，通过h5py.File()方法的w模式--创建文件自己自写，已经存在的文件会被覆盖，文件的路径是通过args.output_path来传入
    """
    h5_file = h5py.File(args.output_path, 'w')
    #  #用于存储低分辨率和高分辨率的patch
    lr_patches = []
    hr_patches = []
    for image_path in sorted(glob.glob('{}/*'.format(args.images_dir))):
        '''
        这部分代码的目的就是搜索指定文件夹下的文件并排序,for这一句包含了几个知识点：
        1.{}.format():-->格式化输出函数,从args.images_dir路径中格式化输出路径
        2.glob.glob():-->返回所有匹配的文件路径列表,将1得到的路径中的所有文件返回
        3.sorted():-->排序，将2得到的所有文件按照某种顺序返回，，默认是升序
        4.for x in *:   -->循换输出
        '''
        #将照片转换为RGB通道
        hr = pil_image.open(image_path).convert('RGB')
        '''
        1.  *.open(): 是PIL图像库的函数，用来从image_path中加载图像
        2.  *.convert(): 是PIL图像库的函数, 用来转换图像的模式
        '''
        #取放大倍数的倍数, width, height为可被scale整除的训练数据尺寸
        hr_width = (hr.width // args.scale) * args.scale
        hr_height = (hr.height // args.scale) * args.scale
        #图像大小调整,得到高分辨率图像Hr
        hr = hr.resize((hr_width, hr_height), resample=pil_image.BICUBIC)
        #低分辨率图像缩小
        lr = hr.resize((hr_width // args.scale, hr_height // args.scale), resample=pil_image.BICUBIC)
        #低分辨率图像放大，得到低分辨率图像Lr
        lr = lr.resize((lr.width * args.scale, lr.height * args.scale), resample=pil_image.BICUBIC)
        #转换为浮点并取ycrcb中的y通道
        hr = np.array(hr).astype(np.float32)
        lr = np.array(lr).astype(np.float32)
        hr = convert_rgb_to_y(hr)
        lr = convert_rgb_to_y(lr)
        '''
        np.array():将列表list或元组tuple转换为ndarray数组
        astype():转换数组的数据类型
        convert_rgb_to_y():将图像从RGB格式转换为Y通道格式的图片
        假设原始输入图像为(321,481,3)-->依次为高，宽，通道数
        1.先把图像转为可放缩的scale大小的图片,之后hr的图像尺寸为(320,480,3)
        2.对hr图像进行双三次上采样放大操作
        3.将hr//scale进行双三次上采样放大操作之后×scale得到lr
        4.接着进行通道数转换和类型转换
        '''
        # 将数据分割
        for i in range(0, lr.shape[0] - args.patch_size + 1, args.stride):
            for j in range(0, lr.shape[1] - args.patch_size + 1, args.stride):
                '''
                图像的shape是宽度、高度和通道数,shape[0]是指图像的高度=320;shape[1]是图像的宽度=480; shape[2]是指图像的通道数
                '''
                lr_patches.append(lr[i:i + args.patch_size, j:j + args.patch_size])
                hr_patches.append(hr[i:i + args.patch_size, j:j + args.patch_size])
    lr_patches = np.array(lr_patches)
    hr_patches = np.array(hr_patches)
    #创建数据集,把得到的数据转化为数组类型
    h5_file.create_dataset('lr', data=lr_patches)
    h5_file.create_dataset('hr', data=hr_patches)
    h5_file.close()
#下同,生成测试集
def eval(args):
    h5_file = h5py.File(args.output_path, 'w')
    lr_group = h5_file.create_group('lr')
    hr_group = h5_file.create_group('hr')
    for i, image_path in enumerate(sorted(glob.glob('{}/*'.format(args.images_dir)))):
        hr = pil_image.open(image_path).convert('RGB')
        hr_width = (hr.width // args.scale) * args.scale
        hr_height = (hr.height // args.scale) * args.scale
        hr = hr.resize((hr_width, hr_height), resample=pil_image.BICUBIC)
        lr = hr.resize((hr_width // args.scale, hr_height // args.scale), resample=pil_image.BICUBIC)
        lr = lr.resize((lr.width * args.scale, lr.height * args.scale), resample=pil_image.BICUBIC)
        hr = np.array(hr).astype(np.float32)
        lr = np.array(lr).astype(np.float32)
        hr = convert_rgb_to_y(hr)
        lr = convert_rgb_to_y(lr)
        lr_group.create_dataset(str(i), data=lr)
        hr_group.create_dataset(str(i), data=hr)
    h5_file.close()
if __name__ == '__main__':
    parser = argparse.ArgumentParser()
    parser.add_argument('--images-dir', type=str, required=True)
    parser.add_argument('--output-path', type=str, required=True)
    parser.add_argument('--patch-size', type=int, default=32)
    parser.add_argument('--stride', type=int, default=14)
    parser.add_argument('--scale', type=int, default=4)
    parser.add_argument('--eval', action='store_true')  #store_flase就是存储一个bool值true，也就是说在该参数在被激活时它会输出store存储的值true。
    args = parser.parse_args()
    #决定使用哪个函数来生成h5文件，因为有俩个不同的函数train和eval生成对应的h5文件。
    if not args.eval:
        train(args)
    else:
        eval(args)

train.py（训练SRCNN模型，得到最优参数）

import argparse
import os
import copy
import numpy as np
from torch import Tensor
import torch
from torch import nn
import torch.optim as optim
# gpu加速库
import torch.backends.cudnn as cudnn
from torch.utils.data.dataloader import DataLoader
# 进度条
from tqdm import tqdm
from models import SRCNN
from datasets import TrainDataset, EvalDataset
from utils import AverageMeter, calc_psnr
##需要修改的参数
# epoch.pth
# losslog
# psnrlog
# best.pth
'''
python train.py --train-file "path_to_train_file" \
                --eval-file "path_to_eval_file" \
                --outputs-dir "path_to_outputs_file" \
                --scale 3 \
                --lr 1e-4 \
                --batch-size 16 \
                --num-epochs 400 \
                --num-workers 0 \
                --seed 123
'''
if __name__ == '__main__':
    # 初始参数设定
    parser = argparse.ArgumentParser()   # argparse是python用于解析命令行参数和选项的标准模块
    parser.add_argument('--train-file', type=str, required=True,)  # 训练 h5文件目录
    parser.add_argument('--eval-file', type=str, required=True)  # 测试 h5文件目录
    parser.add_argument('--outputs-dir', type=str, required=True)   #模型 .pth保存目录
    parser.add_argument('--scale', type=int, default=3)  # 放大倍数
    parser.add_argument('--lr', type=float, default=1e-4)   #学习率
    parser.add_argument('--batch-size', type=int, default=16) # 一次处理的图片大小
    parser.add_argument('--num-workers', type=int, default=0)  # 线程数
    parser.add_argument('--num-epochs', type=int, default=400)  #训练次数
    parser.add_argument('--seed', type=int, default=123) # 随机种子
    args = parser.parse_args()
    # 输出放入固定文件夹里
    args.outputs_dir = os.path.join(args.outputs_dir, 'x{}'.format(args.scale))
    # 没有该文件夹就新建一个文件夹
    if not os.path.exists(args.outputs_dir):
        os.makedirs(args.outputs_dir)
    # benckmark模式，加速计算，但寻找最优配置，计算的前馈结果会有差异
    cudnn.benchmark = True
    # gpu或者cpu模式，取决于当前cpu是否可用
    device = torch.device('cuda:0' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')
    # 每次程序运行生成的随机数固定
    torch.manual_seed(args.seed)
    # 构建SRCNN模型，并且放到device上训练
    model = SRCNN().to(device)
    # 恢复训练，从之前结束的那个地方开始
    # model.load_state_dict(torch.load('outputs/x3/epoch_173.pth'))
    # 设置损失函数为MSE
    criterion = nn.MSELoss()
    # 优化函数Adam，lr代表学习率，
    optimizer = optim.Adam([
        {'params': model.conv1.parameters()},
        {'params': model.conv2.parameters()},
        {'params': model.conv3.parameters(), 'lr': args.lr * 0.1}
    ], lr=args.lr)
    # 预处理训练集
    train_dataset = TrainDataset(args.train_file)
    train_dataloader = DataLoader(
        # 数据
        dataset=train_dataset,
        # 分块
        batch_size=args.batch_size,
        # 数据集数据洗牌,打乱后取batch
        shuffle=True,
        # 工作进程，像是虚拟存储器中的页表机制
        num_workers=args.num_workers,
        # 锁页内存，不换出内存，生成的Tensor数据是属于内存中的锁页内存区
        pin_memory=True,
        # 不取余，丢弃不足batchSize大小的图像
        drop_last=True)
    # 预处理验证集
    eval_dataset = EvalDataset(args.eval_file)
    eval_dataloader = DataLoader(dataset=eval_dataset, batch_size=1)
    # 拷贝权重
    best_weights = copy.deepcopy(model.state_dict())
    best_epoch = 0
    best_psnr = 0.0
    # 画图用
    lossLog = []
    psnrLog = []
    # 恢复训练
    # for epoch in range(args.num_epochs):
    for epoch in range(1, args.num_epochs + 1):
        # for epoch in range(174, 400):
        # 模型训练入口
        model.train()
        # 变量更新，计算epoch平均损失
        epoch_losses = AverageMeter()
        # 进度条，就是不要不足batchsize的部分
        with tqdm(total=(len(train_dataset) - len(train_dataset) % args.batch_size)) as t:
            # t.set_description('epoch:{}/{}'.format(epoch, args.num_epochs - 1))
            t.set_description('epoch:{}/{}'.format(epoch, args.num_epochs))
            # 每个batch计算一次
            for data in train_dataloader:
                # 对应datastes.py中的__getItem__，分别为lr,hr图像
                inputs, labels = data
                inputs = inputs.to(device)
                labels = labels.to(device)
                # 送入模型训练
                preds = model(inputs)
                # 获得损失
                loss = criterion(preds, labels)
                # 显示损失值与长度
                epoch_losses.update(loss.item(), len(inputs))
                # 梯度清零
                optimizer.zero_grad()
                # 反向传播
                loss.backward()
                # 更新参数
                optimizer.step()
                # 进度条更新
                t.set_postfix(loss='{:.6f}'.format(epoch_losses.avg))
                t.update(len(inputs))
        # 记录lossLog 方面画图
        lossLog.append(np.array(epoch_losses.avg))
        # 可以在前面加上路径
        np.savetxt("lossLog.txt", lossLog)
        # 保存模型
        torch.save(model.state_dict(), os.path.join(args.outputs_dir, 'epoch_{}.pth'.format(epoch)))
        # 是否更新当前最好参数
        model.eval()
        epoch_psnr = AverageMeter()
        for data in eval_dataloader:
            inputs, labels = data
            inputs = inputs.to(device)
            labels = labels.to(device)
            # 验证不用求导
            with torch.no_grad():
                preds = model(inputs).clamp(0.0, 1.0)
            epoch_psnr.update(calc_psnr(preds, labels), len(inputs))
        print('eval psnr: {:.2f}'.format(epoch_psnr.avg))
        # 记录psnr
        psnrLog.append(Tensor.cpu(epoch_psnr.avg))
        np.savetxt('psnrLog.txt', psnrLog)
        # 找到更好的权重参数，更新
        if epoch_psnr.avg > best_psnr:
            best_epoch = epoch
            best_psnr = epoch_psnr.avg
            best_weights = copy.deepcopy(model.state_dict())
        print('best epoch: {}, psnr: {:.2f}'.format(best_epoch, best_psnr))
        torch.save(best_weights, os.path.join(args.outputs_dir, 'best.pth'))
    print('best epoch: {}, psnr: {:.2f}'.format(best_epoch, best_psnr))
    torch.save(best_weights, os.path.join(args.outputs_dir, 'best.pth'))

utils.py(工具包)

import torch
import numpy as np
"""
       只操作y通道
       因为我们感兴趣的不是颜色变化(存储在 CbCr 通道中的信息)而只是其亮度(Y 通道);
       根本原因在于相较于色差，人类视觉对亮度变化更为敏感。
"""
def convert_rgb_to_y(img):
    if type(img) == np.ndarray:
        return 16. + (64.738 * img[:, :, 0] + 129.057 * img[:, :, 1] + 25.064 * img[:, :, 2]) / 256.
    elif type(img) == torch.Tensor:
        if len(img.shape) == 4:
            img = img.squeeze(0)
        return 16. + (64.738 * img[0, :, :] + 129.057 * img[1, :, :] + 25.064 * img[2, :, :]) / 256.
    else:
        raise Exception('Unknown Type', type(img))
"""
        RGB转YCBCR
        Y=0.257*R+0.564*G+0.098*B+16
        Cb=-0.148*R-0.291*G+0.439*B+128
        Cr=0.439*R-0.368*G-0.071*B+128
"""
def convert_rgb_to_ycbcr(img):
    if type(img) == np.ndarray:
        y = 16. + (64.738 * img[:, :, 0] + 129.057 * img[:, :, 1] + 25.064 * img[:, :, 2]) / 256.
        cb = 128. + (-37.945 * img[:, :, 0] - 74.494 * img[:, :, 1] + 112.439 * img[:, :, 2]) / 256.
        cr = 128. + (112.439 * img[:, :, 0] - 94.154 * img[:, :, 1] - 18.285 * img[:, :, 2]) / 256.
        return np.array([y, cb, cr]).transpose([1, 2, 0])
    elif type(img) == torch.Tensor:
        if len(img.shape) == 4:
            img = img.squeeze(0)
        y = 16. + (64.738 * img[0, :, :] + 129.057 * img[1, :, :] + 25.064 * img[2, :, :]) / 256.
        cb = 128. + (-37.945 * img[0, :, :] - 74.494 * img[1, :, :] + 112.439 * img[2, :, :]) / 256.
        cr = 128. + (112.439 * img[0, :, :] - 94.154 * img[1, :, :] - 18.285 * img[2, :, :]) / 256.
        return torch.cat([y, cb, cr], 0).permute(1, 2, 0)
    else:
        raise Exception('Unknown Type', type(img))
"""
        YCBCR转RGB
        R=1.164*(Y-16)+1.596*(Cr-128)
        G=1.164*(Y-16)-0.392*(Cb-128)-0.813*(Cr-128)
        B=1.164*(Y-16)+2.017*(Cb-128)
"""
def convert_ycbcr_to_rgb(img):
    if type(img) == np.ndarray:
        r = 298.082 * img[:, :, 0] / 256. + 408.583 * img[:, :, 2] / 256. - 222.921
        g = 298.082 * img[:, :, 0] / 256. - 100.291 * img[:, :, 1] / 256. - 208.120 * img[:, :, 2] / 256. + 135.576
        b = 298.082 * img[:, :, 0] / 256. + 516.412 * img[:, :, 1] / 256. - 276.836
        return np.array([r, g, b]).transpose([1, 2, 0])
    elif type(img) == torch.Tensor:
        if len(img.shape) == 4:
            img = img.squeeze(0)
        r = 298.082 * img[0, :, :] / 256. + 408.583 * img[2, :, :] / 256. - 222.921
        g = 298.082 * img[0, :, :] / 256. - 100.291 * img[1, :, :] / 256. - 208.120 * img[2, :, :] / 256. + 135.576
        b = 298.082 * img[0, :, :] / 256. + 516.412 * img[1, :, :] / 256. - 276.836
        return torch.cat([r, g, b], 0).permute(1, 2, 0)
    else:
        raise Exception('Unknown Type', type(img))
# PSNR 计算
def calc_psnr(img1, img2):
    return 10. * torch.log10(1. / torch.mean((img1 - img2) ** 2))
# 计算 平均数，求和，长度
class AverageMeter(object):
    def __init__(self):
        self.reset()
    def reset(self):
        self.val = 0
        self.avg = 0
        self.sum = 0
        self.count = 0
    def update(self, val, n=1):
        self.val = val
        self.sum += val * n
        self.count += n
        self.avg = self.sum / self.count

test.py

import argparse
import torch
import torch.backends.cudnn as cudnn
import numpy as np
import PIL.Image as pil_image
from models import SRCNN
from utils import convert_rgb_to_ycbcr, convert_ycbcr_to_rgb, calc_psnr
if __name__ == '__main__':
    # 设置权重参数目录，处理图像目录，放大倍数
    parser = argparse.ArgumentParser()
    parser.add_argument('--weights-file', default='outputs/x3/best.pth', type=str)
    parser.add_argument('--image-file', default='img/butterfly_GT.bmp', type=str)
    parser.add_argument('--scale', type=int, default=3)
    args = parser.parse_args()
    #  Benchmark模式会提升计算速度
    cudnn.benchmark = True
    device = torch.device('cuda:0' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')
    model = SRCNN().to(device)   # 新建一个模型
    state_dict = model.state_dict()  # 通过 model.state_dict()得到模型有哪些 parameters and persistent buffers
    # torch.load('tensors.pth', map_location=lambda storage, loc: storage)  使用函数将所有张量加载到CPU（适用在GPU训练的模型在CPU上加载）
    for n, p in torch.load(args.weights_file, map_location=lambda storage, loc: storage).items():   # 载入最好的模型参数
        if n in state_dict.keys():
            state_dict[n].copy_(p)
        else:
            raise KeyError(n)
    model.eval()   # 切换为测试模式 ，取消dropout
    image = pil_image.open(args.image_file).convert('RGB')   # 将图片转为RGB类型
    # 经过一个插值操作，首先将原始图片重设尺寸，使之可以被放大倍数scale整除
    # 得到低分辨率图像Lr，即三次插值后的图像，同时保存输出
    image_width = (image.width // args.scale) * args.scale
    image_height = (image.height // args.scale) * args.scale
    image = image.resize((image_width, image_height), resample=pil_image.BICUBIC)
    image = image.resize((image.width // args.scale, image.height // args.scale), resample=pil_image.BICUBIC)
    image = image.resize((image.width * args.scale, image.height * args.scale), resample=pil_image.BICUBIC)
    image.save(args.image_file.replace('.', '_bicubic_x{}.'.format(args.scale)))
    # 将图像转化为数组类型，同时图像转为ycbcr类型
    image = np.array(image).astype(np.float32)
    ycbcr = convert_rgb_to_ycbcr(image)
    # 得到 ycbcr中的 y 通道
    y = ycbcr[..., 0]
    y /= 255.  # 归一化处理
    y = torch.from_numpy(y).to(device) #把数组转换成张量，且二者共享内存，对张量进行修改比如重新赋值，那么原始数组也会相应发生改变，并且将参数放到device上
    y = y.unsqueeze(0).unsqueeze(0)  # 增加两个维度
    # 令reqires_grad自动设为False，关闭自动求导
    # clamp将inputs归一化为0到1区间
    with torch.no_grad():
        preds = model(y).clamp(0.0, 1.0)
    psnr = calc_psnr(y, preds)   # 计算y通道的psnr值
    print('PSNR: {:.2f}'.format(psnr))  # 格式化输出PSNR值
    # 1.mul函数类似矩阵.*，即每个元素×255
    # 2. *.cpu（）.numpy（） 将数据的处理设备从其他设备（如gpu拿到cpu上），不会改变变量类型，转换后仍然是Tensor变量，同时将Tensor转化为ndarray
    # 3. *.squeeze(0).squeeze(0)数据的维度进行压缩
    preds = preds.mul(255.0).cpu().numpy().squeeze(0).squeeze(0)  #得到的是经过模型处理，取值在[0,255]的y通道图像
    # 将img的数据格式由（channels,imagesize,imagesize）转化为（imagesize,imagesize,channels）,进行格式的转换后方可进行显示。
    output = np.array([preds, ycbcr[..., 1], ycbcr[..., 2]]).transpose([1, 2, 0])
    output = np.clip(convert_ycbcr_to_rgb(output), 0.0, 255.0).astype(np.uint8)  # 将图像格式从ycbcr转为rgb，限制取值范围[0,255]，同时矩阵元素类型为uint8类型
    output = pil_image.fromarray(output)   # array转换成image，即将矩阵转为图像
    output.save(args.image_file.replace('.', '_srcnn_x{}.'.format(args.scale)))  # 对图像进行保存

4.实验结果展示

  

        original                                          bicubic_x3                          SRCNN_x3

SRCNN:PSNR: 27.61

  

              original                                    bicubic_x3                                SRCNN_x3

SRCNN:PSNR: 29.17

GitHub项目地址传送门：SRCNN_Pytorch