论文阅读 IEEE 2022 CLFNet Contrastive Learning for Infrared and Visible Image Fusion Network
IEEE 2022 | Contrastive Learning for Infrared and Visible Image Fusion Network

01 论文信息
- 论文题目: Contrastive Learning for Infrared and Visible Image Fusion Network
- 论文作者: Jian Zhang,Yong Ma,Fang Chen,等
- 发表单位: Jian Zhang,Yong Ma,Fang Chen,火箭军工程大学等
- 发表会议\期刊: IEEE Transactions / IEEE Xplore,2022
- 论文链接: https://ieeexplore.ieee.org/document/9880929?denied=
- 代码链接:https://github.com/zzj-dyj/CLF-Net
02 论文主要贡献
本文关注红外与可见光图像融合中“既要保留红外显著目标,又要保留可见光纹理细节”的平衡问题,并将对比学习引入无监督图像融合训练。
结合摘要和引言,论文的主要贡献可概括为:它通过局部 patch 级别的对比约束,让融合图像在不同区域自适应选择更相似、更有用的源图像特征;同时结合结构相似性损失,保证输出图像在深层语义表征和浅层结构细节上都与源图像保持一致。实验结果表明,该训练方式能够提升融合图像的视觉质量、纹理保留和跨数据集泛化能力。
03 论文创新点
- 将噪声对比估计(NCE)框架引入图像融合任务,以最大化融合图像与源图像之间的互信息(MI)。
- 构建无监督对比学习框架,促使融合图像选择性保留不同源图像中最相似的特征;并基于深度表征设计鲁棒的对比损失,引导网络自适应提取与重建特征。
- 大量实验表明,所提方法在定性与定量分析上相较现有先进方法取得更优性能。
04 方法
4.1 网络架构

CLF-Net 是一个简洁的端到端架构,主要包含两部分:
特征提取网络 (Encoder):
-
双路输入:包含红外编码器 和可见光编码器 。
-
结构:由 4 个 ResBlock(残差块)组成。
-
特点:为了保留细节,步长设为 1,没有下采样,全程保持图像分辨率不变。
-
激活函数:。
特征重建网络 (Decoder):
- 输入:将两路编码器的深层特征直接拼接。
- 结构:同样由 4 个 ResBlock 组成。
- 输出:最后一个 ResBlock 采用 激活函数替代 激活函数,确保融合图像与源图像的取值范围一致。
4.2 NCE框架
基于 NCE 思想并引入互信息(MI)概念,研究者提出一种新形式的对比损失函数 ——InfoNCE 。具体而言,假设存在一个编码后的查询样本(query)与一组编码后的样本集(包含 1 个正样本与 N 个负样本),查询样本、正样本与 N 个负样本分别映射为 K 维向量与(其中表示第 n 个负样本)。当查询样本与正样本相似、与所有负样本不相似时,InfoNCE 损失值最小。相似度通过 L2 归一化后的查询样本与其他样本的点积衡量,结果经温度参数 缩放后作为对数几率(logits)。InfoNCE 损失定义如下:
4.3 自适应块级对比学习(patchNCE)

- 样本采样:从融合图像中随机采样一个 patch,从红外图像与可见光图像的同一位置选取正样本 patch(即图中绿色、红色与蓝色框);从红外图像与可见光图像的其他位置随机选取 N 个负样本 patch(即图中黄色与橙色框);
- 特征编码:复用红外编码器与可见光编码器,并添加两层多层感知机(MLP)网络,将源图像与融合图像任意空间位置的 patch 编码为特征向量。例如,融合图像与源图像的正样本 patch 分别编码为特征向量 query、与;
- 相似度计算与损失计算:计算 query 与、query 与的相似度,保留相似度最高的 pair 计算 InfoNCE 损失。需注意的是,用于计算 InfoNCE 损失的正负样本均来自同一编码器编码后的源图像与融合图像
4.4 损失函数
本节讨论结合 SSIM 损失与 patchNCE 损失的总损失函数计算过程,该总损失函数通过无监督学习引导 CNN 网络寻找最优参数。其中,SSIM 损失主要关注图像本身的结构特征,patchNCE 损失主要关注图像的深层特征。
(1)SSIM 损失 结合图像亮度、对比度与结构信息衡量图像质量,任意两幅图像的 SSIM 定义如下:
式中,,,将 SSIM 损失定义如下:
式中,W表示从图像左上角到右下角、步长为 1 的滑动窗口;表示第 i 个像素值;m与n表示滑动窗口大小(本文设为 16×16);N表示单幅图像中滑动窗口的数量。SSIM 损失基于局部窗口内像素的平均强度,既能保留红外图像的显著目标,又能保留可见光图像的亮区与显著纹理;同时,SSIM 损失利用图像结构的浅层特征,确保输入与输出的结构一致性。
(2)patchNCE 损失 对比损失构建过程如下:首先,利用图像融合任务中使用的两个编码器与,将特征图通过一个小型神经网络投影头H(两层 MLP);红外图像与可见光图像通过对应编码器编码,融合图像通过两个编码器编码,得到 4 个特征序列:
设 ( 表示从最后一层图像特征层采样的空间位置数量),对于图像特征层的任意特定空间位置,将该位置的 patch 特征记为 ( 为通道数),同一特征层的其余特征记为 。如图 2 所示,任意特定空间位置的 patchNCE 损失如式(7)所示,对比损失如式(8)所示:
式中,是集合的统称。patchNCE 损失聚焦编码器提取的深层表征,随着训练过程推进,该损失可有效调整编码器与投影头,使融合图像保留源图像中最相似的部分。
(3)总损失函数基于上述两种损失函数:
式中,与为超参数,用于平衡两种损失函数的权重。总体而言,SSIM 损失确保输入与输出的结构一致性,patchNCE 损失确保输入与输出的深层特征一致性,两种损失函数互补,共同引导网络取得理想的融合效果。
05 实验分析
本节首先详细说明实验设置(包括数据集、评价指标、训练细节与超参数讨论);然后将所提方法与 9 种主流方法(DenseFuse、RFN-Nest 、FusionGAN 、GANMcC 、IFCNN 、PMGI 、U2Fusion 、STDFusionNet 、IFSepR )在 TNO 数据集、RoadScene 数据集、医学图像与多焦点图像上进行对比;随后通过消融实验与效率评估实验进一步验证所提方法性能;最后讨论自适应 patch 级对比学习框架中的负样本选择策略。
5.1 实验设置
(1)数据集 所有训练与测试数据均来自 TNO 数据集 与 RoadScene 数据集 :
- TNO 数据集:主要包含各类军事相关场景,是红外 - 可见光图像融合任务中最常用的数据集,包含 60 对红外 - 可见光图像对与 3 组视频序列截图;
- RoadScene 数据集:基于 FLIR 视频发布,包含大量道路场景(如道路、车辆、行人),共 221 对红外 - 可见光图像对。
(2)评价指标 融合性能评价包括主观评价与客观评价: 主观评价:基于人类视觉感知,通常包含红外显著目标与丰富纹理信息的融合图像效果最优; 客观评价:通过定量指标衡量融合性能,本文选取 6 种主流指标: 熵(EN):基于信息论衡量融合图像的信息含量; 互信息(MI):衡量源图像与融合图像的相关性; 视觉信息保真度(VIF):通过计算图像失真程度衡量融合结果的信息保真度,与人类视觉系统一致性高; 标准差(SD):基于统计概念反映融合图像的像素分布与对比度; 平均梯度(AG):量化融合图像的梯度信息; 空间频率(SF):衡量融合图像的梯度分布,AG 与 SF 均反映图像细节与纹理信息。
(3)训练细节 采用 TNO 数据集训练模型:选取 20 对图像对,通过裁剪扩充训练数据;采用 128×128 滑动窗口将图像裁剪为小图像块,滑动步长设为 32,最终得到 4404 对图像块;从 TNO 数据集选取 20 对图像对进行对比实验;为充分验证模型泛化能力,从 RoadScene 数据集选取 20 对图像对进行泛化实验。
所有源图像先归一化至 [-1, 1] 范围;MLP 结构参考 BYOL ,包含输出维度为 2048 的线性层、批归一化层、LeakyReLU 激活层,以及输出维度为 256 的最终线性层。
训练参数设置如下:批次大小(batch size)=4,最大训练轮次(max epoch)=20,学习率 = 2×10⁻³,温度参数(\tau)=0.07;算法基于 PyTorch 平台实现,所有实验在 NVIDIA GeForce RTX 2070 Super GPU 与 Intel i7-10875H CPU 上完成。
(4)训练超参数讨论 部分超参数直接影响模型最终性能,包括式(7)中的采样数量S与式(9)中的(\lambda_1)、(\lambda_2)。需注意,采样数量 S 与负样本数量 N 相关:正样本来自某一源图像的一个 patch,负样本既来自同一源图像的其他 patch,也来自同一训练批次中其他源图像的 patch,因此负样本数量(N=S-1+(B-1)×S)(B为批次大小)。
从定量指标与单轮次训练时间两方面分析不同超参数选择的影响,结果如表 1 所示(红色表示最优结果,蓝色表示次优结果,粗体表示第三优结果)。损失函数中(L_{SSIM})权重过低会导致融合图像对比度低、质量差;权重过高则会导致可见光细节一定程度丢失。

由表 1 可知,(\lambda_1/\lambda_2)的不同比例选择对定量指标有直接影响:当(\lambda_1/\lambda_2>1)时,MI、VIF、SD 指标更优,表明(L_{patchNCE})更有助于提升融合图像对比度,使其更符合人类视觉效果;当(\lambda_1/\lambda_2<1)时,EN、AG、SF 指标更优,表明融合图像包含更多纹理细节。这一结果表明:即使(L_{patchNCE})权重较低,也能弥补(L_{SSIM})的不足,保留可见光细节,这一点在消融实验中也得到验证。因此,为结合两种损失函数的优势,本文将超参数 (\lambda_1) 与 (\lambda_2) 均设为 1。此外,由表 1 可知,随着采样数量S增加,训练时间显著增加,过多采样会加重训练效率与设备负担;从定量指标来看,采样数量过低或过高均会导致模型性能下降:采样数量过少会使模型无法有效区分正负样本,过多则易导致负样本中包含更多与正样本相似的样本(例如,在热红外目标上采集多个样本,这些样本实际可视为同一类,若将其多数作为负样本会影响模型性能)。因此,本文选取超参数(S=200)。
5.2 对比实验
为全面分析所提方法性能,在 TNO 数据集上将 CLF-Net 与 8 种方法进行对比。
(1)定性结果
为直观对比不同算法性能,从 TNO 数据集选取 4 组典型图像对(bench、Nato_camp_1811、Kaptein_1123、2_men_in_front_of_house),定性对比结果如图 3 - 图 6 所示。在图 3 与图 4 中,选取显著目标(红色框标注)并在右下角放大,便于对比。

如图 3 所示:DenseFuse 丢失红外目标信息,未捕捉到明显热辐射目标;NestFuse、IFCNN、PMGI、U2Fusion 虽能捕捉到较明显热辐射目标,但均受可见光图像噪声干扰(其中 U2Fusion 受干扰最严重);FusionGAN、GANMcC 能捕捉到高对比度显著目标,但目标边缘模糊,影响目标识别;STDFusionNet 与 CLF-Net 能捕捉到质量最优的红外显著目标,且 CLF-Net 的显著目标边缘更清晰,更贴近红外图像。

图 4 中,所提方法在显著目标融合方面仍表现最优。


在图 5 与图 6 中,除选取显著目标(红色框标注)并在右下角放大外,还选取背景区域进行分析。如图 5 所示:首先,在显著目标方面,CLF-Net 保留充足信息,得到边缘清晰、对比度高的红外目标;其次,在可见光图像地面背景区域(绿色框标注),DenseFuse、NestFuse、IFCNN、STDFusionNet、CLF-Net 均能保留纹理信息;但对于图像中其他背景(如天空,蓝色框标注),5 种算法表现不同 ——CLF-Net 受热红外信息干扰最小,得到与可见光图像天空一致的明亮天空。
(2)定量结果
从 TNO 数据集选取 20 对图像对,对所提方法与 8 种算法进行定量分析,6 种通用定量指标结果如图 7 与表 2 所示(红色表示最优结果,蓝色表示次优结果,粗体表示第三优结果)。

在 6 项指标中,所提方法在 EN、VIF、SD 指标上表现最优(尤其在 VIF 指标上优势显著);在 MI、AG、SF 指标上表现相当:MI 指标除 STDFusionNet 外,所提方法优于其他算法;AG 指标略逊于 U2Fusion 与 IFCNN;SF 指标仅微弱落后于 IFCNN。

如图 7 所示,所提方法在几乎所有图像对的 VIF 指标上均取得最高值,表明所提算法具有更优的人类视觉效果,与定性分析结果一致;EN 值越大,融合图像包含信息越多,CLF-Net 融合图像的信息含量最大;SD 指标表现最优,表明融合结果对比度高,同样与定性分析结果一致;MI 值越大,源图像向融合图像的信息传递越多,表明所提方法保留了红外与可见光图像的大量信息;SF 与 AG 均反映融合图像的细节与纹理,尽管所提方法在这两项指标上并非最优,但仍能保证融合图像包含充足梯度信息。
5.3 RoadScene 数据集泛化实验
为验证所提方法的泛化能力,在 RoadScene 数据集上将 CLF-Net 与 8 种方法进行对比。
(1)定性结果

从 RoadScene 数据集选取 4 组典型图像对进行分析,如图 8 - 图 11 所示,用红色框标注道路场景中的典型显著目标(车辆、行人)。与其他方法相比,CLF-Net 生成的融合图像中,显著目标具有清晰的边缘轮廓与最高对比度,最大化保留了红外图像中的热目标。 由于红外图像独特的成像方式,无论昼夜,红外图像中的天空始终呈暗色,因此难以从红外图像判断时间或天气。在图 8、图 10 与图 11 中,场景均拍摄于白天,但除 IFCNN、STDFusionNet、CLF-Net 外,其他方法的融合图像难以区分昼夜;其中 STDFusionNet 与 CLF-Net 表现最优,且 CLF-Net 的天空背景更明亮,更贴近可见光图像。 此外,用绿色框标注树木、横幅、墙上文字等背景区域,对比可知所提方法保留了可见光图像最丰富的细节纹理信息。图 10 中需注意,阳光导致相机拍摄的可见光图像存在轻微过曝光,细节模糊,但所提方法生成的融合图像有效降低了过曝光影响。
(2)定量结果

从 RoadScene 数据集选取 20 对图像对进行定量评价,结果如图 12 与表 3 所示(红色表示最优结果,蓝色表示次优结果,粗体表示第三优结果)。具体而言,所提方法在 EN、MI、VIF、AG、SF 指标上均取得最高平均值;在 SD 指标上,所提算法与 NestFuse、STDFusionNet 性能接近,仅微弱落后。
5.4 医学图像泛化实验
本节在医学图像上对比不同图像融合方法,实验所用医学图像来自http://www.med.harvard.edu/aanlib/ , 共 24 对。
(1)定性结果

选取 MR-T1 与 MR-T2 图像作为源图像:MR-T1 包含明亮的颅骨特征,MR-T2 包含丰富的纹理信息。从数据集中选取两组典型图像对,如图 13 与图 14 所示,用红色框标注图 13 中 MR-T1 的显著区域与图 14 中 MR-T2 的纹理细节。 如图 13 所示,不同融合算法对 MR-T1 中明亮颅骨特征的保留效果存在差异,其中 STDFusionNet 与 CLF-Net 对明亮颅骨区域的保留效果最优;IFSepR 生成的图像存在一定失真,但包含丰富纹理细节;对于标注的显著区域,RFN-Nest 与 FusionGAN 几乎丢失该区域特征,而 IFCNN、PMGI、CLF-Net 能很好地保留显著区域特征,更贴近源图像。 图 14 中,颅骨明亮区域的融合效果分析与图 13 一致;此外,对于眼眶区域(MR-T2 比 MR-T1 更亮),仅 GANMcC、IFCNN、STDFusionNet、CLF-Net 能较好保留 MR-T2 的亮度;与图 13 相比,图 14 的 MR-T2 图像包含更丰富有用的纹理信息,DenseFuse、FusionGAN、GANMcC、PMGI 保留的纹理信息较少,而 IFCNN、U2Fusion、STDFusionNet、IFSepR、CLF-Net 保留的纹理信息更多。
(2)定量结果


定量对比结果如表 4 与图 17 所示。AG 与 SF 反映图像纹理信息,IFSepR、CLF-Net、IFCNN 在这两项指标上位列前三,其次是 U2Fusion 与 STDFusionNet,表明这些算法能更好保留图像中丰富的纹理信息,与定性分析一致;在 VIF 指标上,CLF-Net、IFCNN、PMGI 位列前三,表明这些算法生成的图像更符合人类视觉效果;此外,IFSepR 的 VIF 指标最低,这与其图像失真相关;所提算法在 EN 与 MI 指标上同样表现优异,表明其具有较强的信息传递能力。 医学图像融合任务与红外 - 可见光图像融合任务存在一定相似性,基于上述定性与定量分析,所提方法在医学图像融合任务中具有良好的应用潜力。
5.5 多焦点图像泛化实验
本节在多焦点图像融合领域评价所提方法,测试所用多焦点图像来自 https://github.com/sametaymaz/Multi-focus-Image1032 Fusion-Dataset,包含 36 对不同场景的图像对。
(1)定性结果

源图像来自同一图像,但不同非重叠区域存在模糊。从数据集中选取两组典型图像对,如图 15 与图 16 所示。从整体融合效果来看,PMGI 融合结果失真严重,包含大量噪声;IFSepR 能融合模糊区域,但天空区域存在失真;RFN-Nest、FusionGAN、GANMcC、STDFusionNet 对模糊区域的融合性能较差,主要表现为难以清晰识别模糊文字;IFCNN、U2Fusion、DenseFuse 能保留模糊区域细节,文字清晰可见;CLF-Net 在一定程度上保留了模糊区域细节,文字可辨认。 图 16 中,IFCNN、U2Fusion、IFSepR 对模糊区域细节特征的保留效果最优,最贴近源图像;DenseFuse、CLF-Net 也能较好保留充足纹理细节;RFN-Nest、FusionGAN、STDFusionNet 几乎无法分辨模糊细节。
(2)定量结果

多焦点图像融合的定量对比结果如表 5 与图 18 所示(红色表示最优结果,蓝色表示次优结果,粗体表示第三优结果)。U2Fusion 在 AG 与 SF 指标上位列第一,表明其保留了丰富的细节纹理信息;IFCNN 在 VIF 指标上表现最优,生成的图像更贴近人类视觉;所提算法在 EN、AG、SF 指标上位列第二,在 VIF 指标上位列第三,表明其在多焦点图像融合中具有竞争力。 与红外 - 可见光图像融合相比,多焦点图像融合策略存在差异:对于源图像中的模糊区域,多焦点融合图像更倾向于保留单一源图像中对应的清晰部分。因此,部分在红外 - 可见光图像融合中表现优异的算法,在多焦点图像融合中性能较差。但本文提出的基于对比学习的算法同样倾向于保留局部区域信息,即保留源图像中相似度最高的区域,因此所提方法在多焦点图像融合中仍具有较强的应用潜力。 相较于红外 - 可见光图像融合,所提方法在医学图像与多焦点图像融合中的结果略逊。未来可从两方面深入研究:一方面,采用特定训练集使模型更具针对性;另一方面,结合医学图像与多焦点图像的特点,引入新模块优化模型。
5.6 消融实验
在模型中,除引入 SSIM 损失函数外,核心是基于对比学习框架设计的损失函数 ——patchNCE 损失。两种损失函数共同引导 CNN 网络探索最优参数:patchNCE 损失从深层特征层面对比源图像与融合图像,引导网络充分保留红外图像的显著目标与可见光图像的细节纹理。
为验证 patchNCE 损失的有效性,进行相关消融实验:将参数(\lambda_1)设为 0 以移除 patchNCE 损失,仅采用 SSIM 损失训练网络。

消融实验结果如图 19 与表 6 所示(红色表示最优结果)。如图 19 (d) 所示,仅使用 SSIM 损失时,模型虽能实现红外 - 可见光图像融合,但在背景纹理信息融合方面仍存在缺陷;为直观对比有无 patchNCE 损失的融合图像差异,对两幅图像进行差值运算并反转结果,如图 19 (e) 所示 —— 图像越暗,表明两幅融合图像的差异越大。图 19 (e) 显示,整体背景区域与显著目标边缘存在大量暗区,表明 patchNCE 损失弥补了大量背景纹理信息与显著目标边缘信息。
此外,定量对比结果如表 6 所示:与无 patchNCE 损失的 CLF-Net 相比,所提方法在所有指标上均显著提升,尤其在 AG 与 SF 指标上提升明显,表明所提方法生成的融合图像具有更丰富的梯度与纹理信息,与前文分析一致。
5.7 效率与复杂度评估实验

对于图像融合任务,模型生成效率也是评价模型性能的重要指标,可通过运行时间直观评估。在 TNO 与 RoadScene 数据集上测试 9 种不同算法(含所提算法)的运行时间均值与标准差,结果如表 7 所示(红色表示最优结果,蓝色表示次优结果,粗体表示第三优结果)。运行时间均值反映模型综合运行效率,标准差反映模型对不同分辨率源图像融合的稳健性。结果表明,除 IFCNN 外,所提方法优于大多数算法,表明 CLF-Net 在运行效率评价中具有竞争力。
此外,测试模型参数数量:结果显示,与其他对比算法相比,CLF-Net 的参数数量较少,仅略高于 PMGI,表明所提网络具有轻量化特点。
5.8 扩展实验
本节讨论自适应 patch 级对比学习框架中的负样本选择策略,以 “从红外编码器得到的融合图像中选取 query、从红外图像中选取正样本” 为例,负样本选取存在三种可能策略:
策略 1:从可见光编码器编码的可见光图像中选取;
策略 2:从红外编码器编码的可见光图像中选取;
策略 3:从红外图像的其余区域选取(本文采用的策略)。

对比测试结果如表 8 所示(红色表示最优结果)。由表 8 可知,本文提出的策略 3 在所有指标上均表现最优,原因分析如下:
策略 1:不同编码器提取的特征不一致,导致从可见光编码器获取的负样本与从红外编码器获取的 query 差异显著,训练初期对比损失值即维持在较低水平,无法对网络参数优化起到有效引导作用;
策略 2:正负 patch 通过同一编码器编码,虽能确保正负 patch 处于同一空间,但红外编码器具有特定功能,通过红外编码器获取可见光图像特征无实际意义,因此训练初期正负样本仍存在显著差异;此外,策略 2 存在大量计算冗余,这一点从单轮次训练时间也可看出;
策略 3:从同一源图像的其余区域选取负样本,既能保证正负样本处于同一特征空间,又能有效区分正负样本,对网络训练起到有效引导作用。
06 个人声明
本文为作者对原论文的学习笔记与心得分享,受个人学识与理解所限,文中对论文内容的解读或有不够周全之处,一切以原论文正式表述为准。本文仅用于学术交流与传播,内容均由作者独立整理完成,不代表本公众号立场。如文中所涉文字、图片等内容存在版权争议,请及时与作者联系,作者将在第一时间核实并妥善处理。
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