衡兰芷若成绝响,人间不见周海媚(4k修复基于PaddleGan)

一代人有一代人的经典回忆，1994年由周海媚、马景涛、叶童主演的《神雕侠侣》曾经风靡一时，周海媚所诠释的周芷若凝聚了汉水之钟灵，峨嵋之毓秀，遇雪尤清，经霜更艳，俘获万千观众，成为了一代人的共同记忆。

如今美人仙去，回望经典，雪肤依然，花貌如昨，白璧微瑕之处是九十年代电视剧的分辨率有些低，本次我们利用百度自研框架PaddleGan的视频超分SOTA算法来对九十年代电视剧进行4K修复。

配置PaddlePaddle框架

PaddlePaddle框架需要本地环境支持CUDA和cudnn，具体请参照：声音好听,颜值能打,基于PaddleGAN给人工智能AI语音模型配上动态画面(Python3.10)，囿于篇幅，这里不再赘述。

接着去PaddlePaddle官网查看本地cudnn对应的paddlepaddle版本：

https://www.paddlepaddle.org.cn/

输入命令查看本地cudnn版本：

nvcc --version
nvcc: NVIDIA (R) Cuda compiler driver
Copyright (c) 2005-2022 NVIDIA Corporation
Built on Tue_Mar__8_18:36:24_Pacific_Standard_Time_2022
Cuda compilation tools, release 11.6, V11.6.124
Build cuda_11.6.r11.6/compiler.31057947_0

可以看到版本是11.6

随后安装对应11.6的最新paddle-gpu版本：

python -m pip install paddlepaddle-gpu==2.5.2.post116 -f https://www.paddlepaddle.org.cn/whl/windows/mkl/avx/stable.html

注意这里的最新版是paddlepaddle-gpu2.5.2.post116，而非之前的paddlepaddle-gpu2.4.2.post116

安装成功后，进行检测：

PS C:\Users\zcxey> python
Python 3.10.11 (tags/v3.10.11:7d4cc5a, Apr  5 2023, 00:38:17) [MSC v.1929 64 bit (AMD64)] on win32
Type "help", "copyright", "credits" or "license" for more information.
>>> import paddle
>>> paddle.utils.run_check()
Running verify PaddlePaddle program ...
I1214 14:38:08.825912  4800 interpretercore.cc:237] New Executor is Running.
W1214 14:38:08.827040  4800 gpu_resources.cc:119] Please NOTE: device: 0, GPU Compute Capability: 8.9, Driver API Version: 12.3, Runtime API Version: 11.6
W1214 14:38:08.829569  4800 gpu_resources.cc:149] device: 0, cuDNN Version: 8.4.
I1214 14:38:12.468061  4800 interpreter_util.cc:518] Standalone Executor is Used.
PaddlePaddle works well on 1 GPU.
PaddlePaddle is installed successfully! Let's start deep learning with PaddlePaddle now.

说明PaddlePaddle的配置没有问题。

随后克隆项目并且进行编译：

git clone https://gitee.com/PaddlePaddle/PaddleGAN
cd PaddleGAN
pip3 install -v -e .

视频修复超分模型

关于视频修复超分模型的选择，这里我们使用百度自研SOTA超分系列模型PP-MSVSR、业界领先的视频超分模型还包括EDVR、BasicVSR，IconVSR和BasicVSR++等等。

百度自研的PP-MSVSR是一种多阶段视频超分深度架构，具有局部融合模块、辅助损失和细化对齐模块，以逐步细化增强结果。具体来说，在第一阶段设计了局部融合模块，在特征传播之前进行局部特征融合, 以加强特征传播中跨帧特征的融合。在第二阶段中引入了一个辅助损失，使传播模块获得的特征保留了更多与HR空间相关的信息。在第三阶段中引入了一个细化的对齐模块，以充分利用前一阶段传播模块的特征信息。大量实验证实，PP-MSVSR在Vid4数据集性能优异，仅使用 1.45M 参数PSNR指标即可达到28.13dB。

PP-MSVSR提供两种体积模型，开发者可根据实际场景灵活选择：PP-MSVSR（参数量1.45M）与PP-MSVSR-L（参数量7.42）。

关于EDVR：

EDVR模型在NTIRE19视频恢复和增强挑战赛的四个赛道中都赢得了冠军，并以巨大的优势超过了第二名。视频超分的主要难点在于（1）如何在给定大运动的情况下对齐多个帧；（2）如何有效地融合具有不同运动和模糊的不同帧。首先，为了处理大的运动，EDVR模型设计了一个金字塔级联的可变形（PCD）对齐模块，在该模块中，从粗到精的可变形卷积被使用来进行特征级的帧对齐。其次，EDVR使用了时空注意力（TSA）融合模块，该模块在时间和空间上同时应用注意力机制，以强调后续恢复的重要特征。

关于BasicVSR：

BasicVSR在VSR的指导下重新考虑了四个基本模块（即传播、对齐、聚合和上采样）的一些最重要的组件。 通过添加一些小设计，重用一些现有组件，得到了简洁的 BasicVSR。与许多最先进的算法相比，BasicVSR在速度和恢复质量方面实现了有吸引力的改进。 同时，通过添加信息重新填充机制和耦合传播方案以促进信息聚合，BasicVSR 可以扩展为 IconVSR，IconVSR可以作为未来 VSR 方法的强大基线 .

关于BasicVSR++:

BasicVSR++通过提出二阶网格传播和导流可变形对齐来重新设计BasicVSR。通过增强传播和对齐来增强循环框架，BasicVSR++可以更有效地利用未对齐视频帧的时空信息。 在类似的计算约束下，新组件可提高性能。特别是，BasicVSR++ 以相似的参数数量在 PSNR 方面比 BasicVSR 高0.82dB。BasicVSR++ 在NTIRE2021的视频超分辨率和压缩视频增强挑战赛中获得三名冠军和一名亚军。

在当前参数量小于6M的轻量化视频超分模型在 UDM10 数据集上的PSNR指标对比上，PP-MSVSR可谓是“遥遥领先”：

视频修复实践

PP-MSVSR提供两种体积模型，开发者可根据实际场景灵活选择：PP-MSVSR（参数量1.45M）与PP-MSVSR-L（参数量7.42）。这里推荐使用后者，因为该大模型的参数量更大，修复效果更好：

ppgan.apps.PPMSVSRLargePredictor(output='output', weight_path=None, num_frames)

参数说明：

output_path (str，可选的): 输出的文件夹路径，默认值：output.
weight_path (None，可选的): 载入的权重路径，如果没有设置，则从云端下载默认的权重到本地。默认值：None.
num_frames (int，可选的): 模型输入帧数，默认值：10.输入帧数越大，模型超分效果越好。

随后进入项目的根目录：

cd PaddleGAN

编写test.py来查看视频参数：

import cv2
import imageio
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib.animation as animation
from IPython.display import HTML
import warnings
warnings.filterwarnings("ignore")  

def display(driving, fps, size=(8, 6)):
    fig = plt.figure(figsize=size)  

    ims = []
    for i in range(len(driving)):
        cols = []
        cols.append(driving[i])  

        im = plt.imshow(np.concatenate(cols, axis=1), animated=True)
        plt.axis('off')
        ims.append([im])  

    video = animation.ArtistAnimation(fig, ims, interval=1000.0/fps, repeat_delay=1000)  

    plt.close()
    return video  

video_path = 'd:/倚天屠龙记.mp4'
video_frames = imageio.mimread(video_path, memtest=False)  

# 获得视频的原分辨率
cap = cv2.VideoCapture(video_path)
fps = cap.get(cv2.CAP_PROP_FPS)  

HTML(display(video_frames, fps).to_html5_video())

如此，就可以获得视频的原分辨率。

随后，进入项目的根目录，执行修复命令：

python3 tools/video-enhance.py --input d:/倚天屠龙记.mp4 \
                               --process_order PPMSVSR \
                               --output d:/output_dir \
                               --num_frames 100

这里使用PPMSVSR模型对该视频进行修复，input参数表示输入的视频路径；output表示处理后的视频的存放文件夹；proccess_order 表示使用的模型和顺序；num_frames 表示模型输入帧数。

随后展示修复后的视频：

output_video_path = 'd:/倚天屠龙记_PPMSVSR_out.mp4'  

video_frames = imageio.mimread(output_video_path, memtest=False)  

# 获得视频的原分辨率
cap = cv2.VideoCapture(output_video_path)
fps = cap.get(cv2.CAP_PROP_FPS)  

HTML(display(video_frames, fps, size=(16, 12)).to_html5_video())

修复效果：

除了视频超分外，PaddleGAN中还提供了视频上色与补帧的功能，配合上述的PP-MSVSR一起使用，即可实现视频清晰度提高、色彩丰富、播放更加行云流水。

补帧模型DAIN

DAIN 模型通过探索深度的信息来显式检测遮挡。并且开发了一个深度感知的流投影层来合成中间流。在视频补帧方面有较好的效果：

ppgan.apps.DAINPredictor(
                        output_path='output',
                        weight_path=None,
                        time_step=None,
                        use_gpu=True,
                        remove_duplicates=False)

参数：

output_path (str，可选的): 输出的文件夹路径，默认值：output.
weight_path (None，可选的): 载入的权重路径，如果没有设置，则从云端下载默认的权重到本地。默认值：None。
time_step (int): 补帧的时间系数，如果设置为0.5，则原先为每秒30帧的视频，补帧后变为每秒60帧。
remove_duplicates (bool，可选的): 是否删除重复帧，默认值：False.

上色模型DeOldifyPredictor

DeOldify 采用自注意力机制的生成对抗网络，生成器是一个U-NET结构的网络。在图像的上色方面有着较好的效果：

ppgan.apps.DeOldifyPredictor(output='output', weight_path=None, render_factor=32)

参数：

output_path (str，可选的): 输出的文件夹路径，默认值：output.
weight_path (None，可选的): 载入的权重路径，如果没有设置，则从云端下载默认的权重到本地。默认值：None。
render_factor (int): 会将该参数乘以16后作为输入帧的resize的值，如果该值设置为32， 则输入帧会resize到(32 * 16, 32 * 16)的尺寸再输入到网络中。

结语

AI技术通过分析视频中的图像信息并应用图像处理和修复算法，自动修复视频中的缺陷、噪声、模糊等问题，以提高视频的观看质量和可用性，配合语音克隆等技术，从而让演员在某种程度上实现“数字永生”。