论文： 《CoCosNet v2: Full-Resolution Correspondence Learning for Image Translation》
github： https://github.com/microsoft/CoCosNet-v2

创新点

现有图像翻译不支持全分辨率，作者提出跨域图像的全分辨率对应关系学习。
其使用分层级策略，粗粒度（低分辨率）级别对应关系指导细粒度级别对应关系，PatchMatch使用相邻层级匹配关系，使得一致性计算更加高效；
ConvGRU模块用于优化当前对应关系，不仅考虑更大分辨率下的匹配，还考虑历史估计；

PatchMatch直接应用存在以下三个问题：
1、对应关系随机初始化，PatchMatch不够高效；
2、早期训练阶段，对应关系混乱，梯度反向传播存在错误，导致特征学习困难；
3、PatchMatch在进行聚合时，没有考虑更多上下文信息，拟合时间变长；

为解决这些问题：
1、作者使用层级策略，充分利用粗糙层级匹配关系引导子层级学习，因此有一个好的初始化；
2、使用ConvGRU精细化每个PatchMatch迭代中对应关系；
3、分层级的GRU支持PatchMatch模块是可微的，使用无监督方式学习跨域对应关系；

算法

CoCosNet v2流程如图2，分为以下三步：
1、对$x_A$、$y_B$提取特征；
2、从低分辨率到高分辨率，创建对应关系，低分辨率对应关系作为下一级分辨率下对应关系初始化结果，扭曲$y_B$，得到$w_l^{y\to x}$，使其对应于$x_A$；
3、各个分辨率下扭曲后的结果$w_l^{y\to x}$传递至翻译网路，生成最终结果；

CoCosNet v2包括以下三部分：Multi-level domain alignment、Hierarchical GRU-assisted PatchMatch、Translation network。

Multi-level domain alignment

作者使用U-Net进行多层级特征提取，如式1、2，作者使用U-Net是因为其skip connections结构使得丰富的上下文信息传递至更高分辨率。

其中，f表示不同分辨率下的特征；

Hierarchical GRU-assisted PatchMatch

之前工作CoCosNet由于内存及速度限制，没法应用于大分辨率，因此作者提出Hierarchical GRU-assisted PatchMatch；
1、低分辨率下对应关系作为高分辨率下初始化，公式化如式3，

其中，$H_l\in R^{H_l{W}_l\times 2K}$为$f_l^x$的最邻近区域，比如：对于特征图$f_l^x$中特征点$f_l^x(p)$，$H_l(p)$表示特征$f_l^y$中最近邻的top-K个位置，如式4；

但是这种方案直接用于大分辨率耗时长，因此作者引入GRU-assisted PatchMatch。
2、GRU-assisted PatchMatch流程如图3，

GRU-assisted PatchMatch分为两步：
step1：propagation，图3左侧，如式5，使用PatchMatch获取最邻近区域；

step2：GRU-based refinement，图3右侧，如式6。

其中，$t$表示进行$t$次迭代，$x_t$为$f^x,f^y,O_t,S_t$，concat结果，其中$O_t,S_t$分别表示当前偏移量以及匹配关系置信度，如式7，

$h_t$经过两个卷积层得到偏移量$\Delta H_t$，最终对应关系图更新为$H_{t+1}=H_t^{\prime }+\Delta H_t$
扭曲图像$w_l^{y\to x}$由式8获得，

ConvGRU优点如下：
1、引入卷积后，增大感受野，对应关系具有全局性，且收敛速度加快；
2、GRU记录历史对应关系估计，使得下一次迭代更易预测；
3、反向梯度可传播至任意像素，而非特定位置；

Translation network

翻译网络流程：
1、拼接warp images，拼接前进行上采样；
2、通过两个卷积层映射$w$为参数$\alpha$和$\beta$，用于控制风格；
3、如式9，对每层输入进行归一化；

翻译网络整体过程如式10，

其中，$z$为噪声输入。

损失函数

$x_A$与$x_B$语义特征对齐，但是在不同域，比如关键点图及其对应原图；$(x_A，x_B)$样本对数据易获取，而$(x_A，y_B，x_B)$样本对难以获取，作者通过几何变换生成伪样本$y_B$，$y_B$为另一姿态自然图。CoCosNet目的：输入$x_A，y_B$得到$x_B$
损失函数如下：
1、域对齐损失，如式11，使得关键点图与对应自然图特征相近，

2、一致性损失，如式12，其在各个分辨率上进行计算，使得$w_l^{y\to x}$趋近于$x_B$,

3、映射损失，如式13、14，使得潜在特征可映射到对应目标域，

4、翻译损失
translation网络期望输出${\hat{x}}_B$与目标域$x_B$一致；
翻译损失包括：
感知损失，如式15，仅选取最高分辨率层；

外观损失，如式16，其中CX表示上下文损失；

5、对抗损失，如式17,18

总体损失函数如式19；

实验

在数据集Deepfashion，MetFaces，ADE20K上实验结果如图4，分别进行骨骼关键点->姿态图片，轮廓->人脸图片，语义分割->自然图像，

分辨率消融实验结果如表4，GRU-assisted消融实验结果如表5，

结论

作者提出的CoCosNet v2可应用于大分辨率$(512^2,1024^2)$，粗粒度到细粒度分层级进行对应关系迭代学习，优化对应关系匹配策略，使用GRU-based PatchMatch。
但是本方法对数据要求比较高，需要同一人的多个姿态图；