图像融合论文阅读:MURF: Mutually Reinforcing Multi-Modal Image Registration and Fusion

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@article{xu2023murf,
title={MURF: Mutually Reinforcing Multi-modal Image Registration and Fusion},
author={Xu, Han and Yuan, Jiteng and Ma, Jiayi},
journal={IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence},
year={2023},
publisher={IEEE}
}


论文级别:SCI A1
影响因子:23.6

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📖论文解读

马佳义大佬团队2023年的一篇论文。该论文之前的版本是RFNet。下图为两个版本的区别和改进
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MURF主要利用三个模块:

  • SIEM 共享特征提取(shared information extraction module)

捕获跨多个模式共享的信息。它有助于将多模态配准问题转化为公共空间中的单模态配准问题。然后在配准模块中使用提取函数。

  • MCRM 多尺度粗配准(multi-scale coarse registration module)

进行全局校正。利用SIEM提取的表示建立配准约束,并将其用于MCRM网络的训练。MCRM输出粗配准后的图像 I x R I_x^R IxR

  • F2M 精准配准和融合(fine registration and fusion module)

I x R I_x^R IxR I y I_y Iy作为输入,得到最终的融合图像 I f I_f If

🔑关键词

Multi-modal images, image registration, image fusion, contrastive learning.
多模态图像,图像配准,图像融合,对比学习

💭核心思想

如下图所示,以往的方法是将配准和融合分开,作者提出的新方法是将两者结合并相互促进。
图像配准采用由粗到细的方法进行处理。对于粗配准,SIEM首先将多模态图像转化为单模态信息,以消除模态间差异。在此基础上,MCRM通过多尺度仿射变换对全局刚性视差进行逐步校正。在单个模块中实现精细配准和融合,进一步提高了配准精度和融合性能。图像融合时在保留源信息的同时进行了纹理增强。
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作者认为【图像融合可以反向消除未配准】,因为:

  • 融合图像来源于不同模态,减轻了模态差异,降低了配准难度
  • 融合过程去除了冗余信息,减少了这些信息对配准的负面影响
  • 梯度稀疏可以作为融合评价标准,以反馈的方式提高配准精度

参考链接
[什么是图像融合?(一看就通,通俗易懂)]

🪢网络结构

作者提出的网络结构如下所示。
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该网络模型由SIEM, MCRM和F2M组成。上节已经简单介绍了各个模块的作用。接下来让我们看模块内部在干嘛

🪢SIEM

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采用了【对比学习】的思想。相同场景的图像对应于较近的表示,而不同场景的图像对应于较远的表示。

扩展学习链接
对比学习(contrastive learning)

多模态数据集包括了配准/粗配准的图像对 { I x i , I y i } i = 1 K \{I_x^i,I_y^i\}_{i=1}^K {Ixi,Iyi}i=1K,K表示图像对的数量。
I x I_x Ix I y I_y Iy分别表示不同模态 X \mathcal X X Y \mathcal Y Y的图像。
这个模块的目标是学习两个函数 f θ 1 c l ( ⋅ ) f_{\theta1}^{cl}(·) fθ1cl() f θ 2 c l ( ⋅ ) f_{\theta2}^{cl}(·) fθ2cl(),将不同模态的图像映射到共享潜在空间,从而提取其潜在表示 z x i = f θ 1 c l ( I x i ) z_x^i=f_{\theta1}^{cl}(I_x^i) zxi=fθ1cl(Ixi) z y i = f θ 2 c l ( I y i ) z_y^i=f_{\theta2}^{cl}(I_y^i) zyi=fθ2cl(Iyi)
{ I x i , I y i } \{I_x^i,I_y^i\} {Ixi,Iyi}表示相同场景的图像对,因此 { z x i , z y i } \{z_x^i,z_y^i\} {zxi,zyi}是正对(positive pairs),应该被拉入潜在空间。
{ I x i , I y j ( i ≠ j ) } \{I_x^i,I_y^{j(i \neq j)}\} {Ixi,Iyj(i=j)}或者 { I x i , I x j ( i ≠ j ) } \{I_x^i,I_x^{j(i \neq j)}\} {Ixi,Ixj(i=j)}表示多模态或者不同场景的单模态图像,是负对,应该被分离。

用来学习 f θ 1 c l ( ⋅ ) f_{\theta1}^{cl}(·) fθ1cl() f θ 2 c l ( ⋅ ) f_{\theta2}^{cl}(·) fθ2cl()对比学习的损失函数被定义为InfoNCE损失:
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s ( ⋅ ) s(·) s()是鉴别器函数,正对值高负对值低。
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同时,作者利用旋转等价来细化潜表示的精细度。即对 f θ 1 c l ( ⋅ ) f_{\theta1}^{cl}(·) fθ1cl() f θ 2 c l ( ⋅ ) f_{\theta2}^{cl}(·) fθ2cl()进行像素级旋转和反向旋转。

🪢MCRM

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在训练阶段,使用上一节训练好的 f θ 1 c l ( ⋅ ) f_{\theta1}^{cl}(·) fθ1cl() f θ 2 c l ( ⋅ ) f_{\theta2}^{cl}(·) fθ2cl()提取 I x I_x Ix I y I_y Iy的共享信息 z x z_x zx z y z_y zy,然后利用仿射变换(affine transform)提高 z x z_x zx z y z_y zy之间的配准度。注意,训练阶段SIEM里参数是固定的。在测试阶段,只有MCRM用于粗配准。
在单尺度的网络中,使用大的卷积核和较深的网络结构是常态,为了解决这个问题,作者采用了一种多尺度渐进式配准策略减少参数量、加快收敛速度。
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这个图应该从下往上看,即一开始训练AffineNet是下采样4倍的时候,然后在下采样2倍的时候继续,使用下采样4倍的参数作为粗空间变换。同理,到原尺寸的时候,使用4倍和2倍的参数作为粗空间变换,得到最精细的参数p1。即输出为粗配准的图像 I x R = S T ( I x , p 1 P ↓ 2 P ↓ 4 ) I_x^R=ST(I_x,p_1P_{↓2}P_{↓4}) IxR=ST(Ix,p1P2P4)
那么空间变换是什么样子的呢?
给定一个图像X和仿射参数p,在常规采样网格上使用p,生成一个H×W×2的形变场 ϕ \phi ϕ,代表了X中像素的变形。形变场 ϕ \phi ϕ的两个通道分别代表垂直方向和水平方向:
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该模块的损失函数为:
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🪢F2M

这个模块在训练分为两个阶段,融合阶段和微配准阶段。
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测试阶段,将粗配准的图像 I x R I_x^R IxR I y I_y Iy输入变形块进行空间变换以及矫正局部视差,得到变形后的 I x R I_x^R IxR I x F I_x^F IxF。然后通过后续的提取层、梯度通道注意力块、重构层融合得到最终的融合图像 I f I_f If

图像融合的损失函数为:
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在训练微配准网络的时候,生成了一个局部平滑的非刚性形变场 ϕ n r \phi^{nr} ϕnr
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微调配准损失函数:
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📉损失函数

上面分节已介绍

🔢数据集

图像融合数据集链接
[图像融合常用数据集整理]

🎢训练设置

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🔬实验

📏评价指标

  • MG
  • EI
  • VIF

参考资料
[图像融合定量指标分析]

🥅Baseline

  • DenseFuse, DIF-Net, IFCNN, MDLatLRR, RFN-Nest, U2Fusion

✨✨✨参考资料
✨✨✨强烈推荐必看博客[图像融合论文baseline及其网络模型]✨✨✨

🔬实验结果

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更多实验结果及分析可以查看原文:
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