图像融合论文阅读：CrossFuse: 一种基于交叉注意机制的红外与可见光图像融合方法
@article{li2024crossfuse,
title={CrossFuse: A novel cross attention mechanism based infrared and visible image fusion approach},
author={Li, Hui and Wu, Xiao-Jun},
journal={Information Fusion},
volume={103},
pages={102147},
year={2024},
publisher={Elsevier}
}
论文级别：SCI A1
影响因子：18.6
文章目录
📖论文解读
以往的交叉注意力只考虑相关性，而图像融合任务需要关注互补信息。
为了解决这个问题，作者提出了CrossFuse，使用【交叉注意力机制CAM】增强互补信息，使用了两阶段训练策略。
第一阶段为两种模态训练结构相同的自编码器
第二阶段固定编码器参数，训练CAM和解码器
🔑关键词
Image fusion 图像融合
Transformer
Cross attention 交叉注意力
Infrared image 红外图像
Visible image 可见光图像
💭核心思想
通过【交叉注意力机制CAM】增强互补信息，降低冗余特征的负面影响。
从下图中我们可以看到，相同场景的不同模态图像，有高相关性区域和高度不相关性区域。
🪅相关背景知识
🪢网络结构
作者提出的网络结构如下所示。
I
i
r
I_{ir}
Iir和
I
v
i
I_{vi}
Ivi分别代表红外图像和可见光图像，两个编码器提取多模态信息。
基于Transformer的CAM结构用来融合多模态特征
解码器用来产生融合图像
F
F
F
在编码器和解码器之间有两个skip connection，用来保留源图的更多深/浅层特征
为什么使用两个编码器呢？因为作者认为两个模态间信息差距较大，这两个编码器结构是相同的，但是网络内部参数却有所区别。
下面我们一起来看看编码器的详细结构
🪢编码器
第一个卷积层用来提取浅层特征（保留了丰富的纹理信息），然后经过最大池化，DenseBlock保留多尺度特征中更多有用信息，随着编码器层数越来越深，深层特征开始集中在显著目标上。
为了增强细节信息和显著特征，在编码器和解码器之间加入了两个跳接。就是上图两个蓝紫色箭头，一个在Conv上，还有一个在最后一个最大池化层上。
🪢CAM
Cross-attention mechanism，交叉注意力机制。其结构如下图所示。
两个分支的参数是不相同的，每个模态的特征首先经过自注意力机制SA以增强内部特征，然后经过shift操作（在水平和垂直方向移动特征位置），然后再经过SA，然后unshift恢复位置，经过交叉注意力机制CA得到融合特征。
🪢SA
x
c
x^c
xc是SA的输入，也就下图（图4）左边的长条立方体，编码器的输出。
Q
c
K
c
V
c
Q_cK_cV_c
QcKcVc是输入的不同表示，涉及Transformer里的知识，不了解的同学可以参考下面的链接。
U
q
k
v
U_{qkv}
Uqkv是可以通过全连接层学习参数的变换矩阵
d
d
d是输入向量的维度
n
o
r
m
norm
norm表示线性范数运算
M
L
P
(
⋅
)
MLP(·)
MLP(⋅)是多层感知机
扩展学习
史上最小白之Transformer详解
🪢CA
在2式总，
c
c
c和
c
^
\hat c
c^代表不同模态。
这个地方的交叉计算，和SwinFusion有点像，感兴趣的读者可以移步去看我的另外一篇阅读笔记。
扩展学习
SwinFusion阅读笔记
SA和CA最大的区别在于矩阵乘法后的激活函数，即CA用到了反向softmax。
作者给出这个地方的解释是，对于不同的模态，应该增强互补（不相关）信息而不是冗余（相关）特征。
在经过CAM之后，得到了一个融合特征，接下来我们需要将这个融合特征解码为融合图像。
🪢解码器
解码器的结构如下图所示。
除了在编码器中刚提到两个skip connection以外，作者还加入了【特征强度感知策略】（the feature intensity aware strategy）用来进行【多级特征融合】，其公式如下：
(
⋅
)
(·)
(⋅)表示深层特征中的位置
Φ
c
m
\Phi^m_c
Φcm代表了CAM提取的特征，
Φ
i
r
m
\Phi^m_{ir}
Φirm和
Φ
v
i
m
\Phi^m_{vi}
Φvim分别代表了红外图像和可见光图像的特征。
∇
m
∇^m
∇m分别表示浅层特征和深层特征的细节和基础信息提取器。其计算公式为：
🎢训练设置
本文采用了两阶段训练。
一阶段：编码器训练。为每种模态构建自编码器网络用于重建输入。
二阶段：针对不同的编码器， 训练CAM和解码器。
🎢一阶段
一阶段训练的损失函数用到了像素损失和结构损失：
系数为1e4
🎢二阶段
二阶段训练的时候，固化一阶段训练好的编码器。训练CAM和解码器。
该阶段作者提出了一种注意损失函数，CAM损失=强度损失+10*梯度损失
M
c
M_{c}
Mc代表单个模态的强度掩码
l
o
c
c
loc_c
locc代表单个模态源图像中局部patch的平均值，可以用下式计算：
a
v
g
c
avg_c
avgc代表通过11×11核大小的均值滤波器
∇
a
∇_a
∇a计算得到的单个模态的值。
∇
g
∇_g
∇g代表了3×3的均值滤波器
训练设置如下所示。
📉损失函数
上节已介绍。
🔢数据集
- 训练：KAIST
- 测试：TNO, VOT-RGBT
图像融合数据集链接
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🔬实验
📏评价指标
- EN
- SD
- MI
- FMI_dct
- FMI_pixel
- SCD
扩展学习
[图像融合定量指标分析]
🥅Baseline
- FusionGAN, IFCNN, U2Fusion, YDTR, DATFuse, IRFS, SemLA, DDFM
✨✨✨扩展学习
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🔬实验结果
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