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    精选作品,第一时间送达

    本文是收录于CVPR2020的工作,文章利用低分辨率的输入图像通过超分辨率网络生成高分辨率的图像,从而给语义分割模型提供额外的信息进而分割性能,其FA模块和视觉注意力机制比较类似,而且它额外增加的模块在部署阶段可以去掉,几乎不会增加计算量,是一种提高分辨率的有效策略。

    论文地址:http://openaccess.thecvf.com/content_CVPR_2020/papers/Wang_Dual_Super-Resolution_Learning_for_Semantic_Segmentation_CVPR_2020_paper.pdf

    代码地址(即将开源):https://github.com/wanglixilinx/DSRL

    现当前最先进的语义分割方法通常使用高分辨率输入来获得高性能,这带来了巨大的计算量,并限制了它们嵌入式等计算资源受限设备上的应用。本文提出了灵活而简单的双支路网络框架(DSRL)可以很好的提高网络精度的同时不引入额外的计算量。

    该方法由三部分组成:语义分割超分辨率(SSSR),单图像超分辨率(SISR)和特征相似性(FA)模块,可以保持高分辨率表示和低分辨率输入,同时降低模型计算的复杂性。此外,它可以容易地推广到其他任务,例如人体姿势估计。对于CityScapes数据集上的语义分割任务,该方法可以在具有相似FLOP的情况下实现mIoU≥2%的提高,并保持70%FLOP的性能。对于人体姿势估计,该方法可以在相同的FLOP情况下获得≥2%的mAP,并在FLOP减少30%的情况下保持mAP。

    简介

    对于语义分割这类逐像素的任务而言,同时保持高效的推理速度和出色的性能是一个挑战,尤其是在计算资源有限的移动设备上。在语义分割中,高分辨率深层特征表示在语义分割性能提升上起着至关重要的作用。

    当前,有两条主线可以保持高分辨率的表示。一种方法是通过使用空洞卷积替换标准卷积来维护高分辨率表示,例如DeepLab系列方法。另一种是通过结合自上而下的路径和横向连接(如UNet等编码器-解码器框架)来产生更高分辨率的特征图。但是,这些方法通常需要昂贵的计算成本。此外,它们通常以原始的高分辨率图像作为输入,这进一步增加了计算量。最近,轻量级分割网络由于其在资源受限的设备中的应用优势而也引起了很多关注。然而,它们的性能远远不如最新的方法。为了缩小精度差距,这些方法通常与高分辨率输入(例如1024×2048或512×1024)结合使用,这也带来了不错的效果。但是,一旦限制了输入大小,无论大型网络还是轻量网络,其性能都会下降。

    图1 CityScapes验证集上不同网络的准确性与输入大小的关系。绿点表示具有不同输入大小的DeepLab-v3 +的结果:256×512、320×640、384×768、448×896、512×1024和1024×2048,蓝色三角形标记ESPNetv2的结果。红色表示分别基于DeepLabv3 +和ESPNetv2的方法的结果。

    从图1可以看出,当输入分辨率从512×1024降至256×512时,两个网络的精度都会降低10%以上。因此,在本文中,设计了一个清晰而简单的框架来缓解这一难题。具体来说,在图像超分辨率的驱动下,将具有低分辨率图片输入通过超分辨率网络重建出高分辨率图像,因此本文提出了一种新颖的双重超分辨率学习Dual Super-Resolution Learning(DSRL)方法来保持高分辨率表示。这种学习方法被统一在two-stream框架中,该框架由语义分割超分辨率(SSSR),单图像超分辨率(SISR)和特征相似性(FA)模块组成。更具体地说,将超分辨率的思想整合到现有的语义分割pipline中,从而制定了语义分割超分辨率(SSSR)分支。然后,通过具有特征相似性(FA)模块进行SISR分支的细粒度结构表示,进一步增强了SSSR分支的高分辨率功能。此外,这两个部分共享相同的特征提取器,并且在训练过程中使用重建监督对SISR分支进行了优化,在推理阶段可以将其从网络中自由删除,从而节省了开销。

    主要贡献:

    (1)提出了一种双重超分辨率学习框架来保持高分辨率表示,可以在保持推理速度的同时提高性能;

    (2)验证DSRL框架的通用性,可以很容易地扩展到其他任务

    (3)证明了该方法在语义分割和人体姿势估计方面的有效性。使用差不多的计算量,可以提高≥2%的精度。

    本文方法:Dual Super-Resolution Learning

    图2.提出的DSRL框架概述,包括三个部分:语义分割超分辨率(SSSR)分支,单图像超分辨率(SISR)分支和特征相似性(FA)模块。编码器在SSSR分支和SISR分支之间共享。该体系结构将通过三个损失函数进行优化:SISR分支的MSE损失,FA损失和特定任务的损失,例如语义分割的交叉熵损失。

    由于采用传统的编码器解码器结构,大多数现有方法只能将特征映射上采样到与输入图像相同的大小以进行预测,该尺寸可能小于原始图像。一方面,这可能导致有效标签信息的丢失。另一方面,仅依靠解码器很难恢复原始细节,这限制了性能的提高。

    同时,以前的语义分割工作中存在的问题是输入分辨率大的情况下精度高,但是计算量也高,降低输入分辨率则精度也会降低,本文提出的方法减轻了这种情况:原理是从低分辨率的输入重建高分辨率的图像。之前类似的工作有四种:1.前上采样超分辨率,就是将输入双线性上采样到高分辨率然后微调网络。2.后上采样超分辨率,就是用网络后端的可学习的上采样层代替前上采样,可以很大程度减少计算复杂度。3.进步上采样超分辨率,是方法2的改进,它针对减少计算复杂度,用渐进的重建高分辨率图像并根据多尺度的单图像分辨率需要进行裁剪。4.迭代式上下采样超分辨率,采用迭代式上下采样产生媒介图像,然后结合它们去重建最后的高分辨率图像。考虑到计算量问题,本文遵循2方法的理念。

    1、 Semantic Segmentation Super-Resolution(SSSR)

    对于语义分割,只需附加一个额外的upsampling模块即可产生最终的预测mask,整个过程称为语义分割超分辨率(SSSR)。例如,输入512×1024大小的图片,将输出1024×2048大小,比输入图像大2倍。其他语义分割方法训练和测试图片尺寸一般为512×1024,然后在后处理阶段将其放大为1024×2048,然而本文的方法可以充分利用ground truth,避免了预处理导致的有效标签信息丢失。额外的语义分割upsampling上采样模块由一堆反卷积层组成,然后是BatchNorm和ReLU层,只需要较少的参数。

    2、Single Image Super-Resolution(SISR)

    如上所述,仅依靠解码器模块还不足以恢复使用原始图像作为输入获得的类似高分辨率语义特征表示。由于解码器是简单的双线性上采样层或子网络,由于输入图片的分辨率较低(例如512×1024),因此不会包含任何其他信息。 

    SISR旨在从低分辨率输入中构建高分辨率图像。这意味着SISR可以在低分辨率输入下有效地重建图像的细粒度结构信息,这对于语义分割总是有帮助的。为了显示更好的理解,在图3中可视化了SSSR和SISR的功能。通过比较图3中的(b)和(c),可以轻松地发现SISR包含更完整的对象结构。尽管这些结构没有明确类别,但是可以通过像素与像素或区域与区域之间的关系有效地对它们进行分组。众所周知,这些关系可以隐式地传递语义信息,从而有利于语义分割的任务

    图3.同一输入(0.5倍)下SSR和SISTER的特征层可视化图。(a)输入图像,(b)SSSR特征可视化(c)SISR特征可视化。

    因此,利用从SISR提取的高分辨率特征来指导SSSR的高分辨率表示的学习,这些细节可以通过内部像素之间的相关性或关系进行建模,关系学习可以弥补解码器的简单设计问题。对于SISR分支,它与SSSR共享特征提取器,如图4(b)所示。整个分支都在原始图像的监督下进行训练,并将在推理阶段自由删除。具体的设计细节参考了论文《Real-time single image and videosuper-resolution using an efficient subpixel convolu-tional neural network》。

    3、Feature Affinity Learning(FA)

    因为SISR比SSSR包含更多的完整结构的信息,用此模块来指导SSSR去学习高分辨率的表征。FA旨在学习SISR和SSSR分支之间的相似度矩阵的距离,其中,相似度矩阵主要描述像素之间的成对关系。

    FA为了学习SISR和SSSR之间相似矩阵的距离,如下式。

    相似矩阵的定义

    Sij代表两个特征图任意两个像素点的关联,p和q代表正则化方式,这里p=2,q=1(就是L1正则和L2正则)。

    损失函数

    用于语义分割的交叉熵误差:

    用于SISR的均方误差:

    其中SISR(·)和Y代表超分辨率输出及其对应的ground truth,pi和yi代表像素i的分割预测概率和对应类别,N表示像素数。w1和w2设置为0.1和1.0,使这些损失值范围固定可以相互比较。

    相似矩阵距离误差:

    实验与结果

    数据集:Cityscapes Dataset、CamVid

    评价指标:mIoU

    1、消融实验

    在分别代表轻量级网络和大型网络的ESPNetv2和DeepLabv3 +上进行了实验,并在Cityscape验证集上评估了mIoU。将图像的尺寸调整为256×512,作为加速实验训练的输入。如表1所示,以ESPNetv2为例,可以看到SSSR可以将性能从54.5%提高到55.7%,因为它减少了ground truth的定标时间。通过添加SISR分支,可以将mIoU有效提高2.4%。在结合FA损失的同时,性能可以进一步提高到59.5%(比baseline高5.0%),因此表明在SISR和SSSR之间传输结构信息是必要的。DeepLabv3 +上的结果也可以得出相同的结论,这始终证明了所提出的DSRL的有效性。

    为了更好地理解DSRL,还可视化了baselineESPNetv2和DSRL之间的最终分割特征。如图5(c)所示,本文的方法可以显着提高边界的清晰度,并改善道路,汽车等不同类别的完整性,从而无疑增强了模型的最终判别能力。

    不同分辨率大小输入图片的影响

    2、定性评估

    3、对比实验

    4、Human Pose Estimation的迁移实验

    数据集:MS COCO

    评价指标:AP

    baseline:HRNet

    表5总结了baselineHRNet方法和所提出的DSRL方法之间的性能比较。以不同的分辨率作为输入,本文的方法始终超过HRNet 1.2%至3.3%。

    更多实验细节,可以参考原文。

    
    
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  • 2)、恢复到原始域: 通过将其它部分填入0从中恢复。然后采用二维逆DCT(2D DCT): 3)、双线性插值 采用双线性插值将调整为。 通过以上3步便可以将掩模的GT编码为一个紧凑向量V,然后对V进行解码重构掩模。这样便可以...

    本文提出了一种新的掩码表示:DCT-Mask,可以轻松地集成到大多数基于像素的实例分割方法中,显著涨点!性能优于HTC、SOLOv2和CondInst等网络;
    作者单位:浙江大学, 阿里巴巴达摩院

    1 简介

    二值 Grid Mask 表示法广泛用于实例分割中。代表性的实例分割网络模型 Mask R-CNN,它可以在预测28×28二进制网格上的mask。而在实际的场景中低分辨率网格不足以捕获细节,而高分辨率网格会大大增加训练的复杂性。

    在本文中,作者通过应用离散余弦变换(DCT)将高分辨率二值Grid Mask编码为紧凑的向量,提出了一种新的 Mask 表示,称为 DCT-Mask,该方法可以集成到大多数基于像素的实例分割方法中。

    DCT-Mask 可以在不同的 Structure、Backbone、Dataset 以及训练中获得显著的效果,同时它不需要任何预处理或预训练,并且几乎不会影响速度。特别是对于更高质量的注释和更复杂的Backbone,该方法有很好的效果。DCT-Mask工作良好的主要原因是它获得了具有低复杂度的高质量蒙版表示。

    2 相关工作

    2.1 动机来源

    计算机视觉中的离散余弦变换广泛应用于经典的计算机视觉算法,该算法将空域的RGB图像编码为频域的分量。随着深度学习的发展,许多研究都在研究如何将DCT集成到基于深度学习的计算机视觉框架中。有研究者使用CNN对DCT编码后的图像进行分类;也有学者提出了DCT域的ResNet;也有学者通过将重新排列的DCT系数送给卷积神经网络来对DCT表示进行语义分割;更有人探索了DCT用于目标检测和实例分割,它使用DCT系数作为CNN模型的输入,而不是RGB输入。

    在前面所提到的工作中都是使用DCT来提取模型输入的特征。而在本文的实例分割中,作者使用DCT来表示Mask的Ground Truth。

    2.2 相关研究与局限

    Mask R-CNN:预测了网格上的Mask,而不考虑对象的大小,正如前面说的一样,低分辨率网格Mask表示质量低,高分辨率网格复杂度高。

    Mask Scoring R-CNN:提出了MaskIoU head来学习预测实例Mask的质量。它校准掩模质量和掩模评分之间的不校准;

    PointRend:将图像分割作为一个渲染问题,通过在自适应选择的位置对低分辨率预测的掩模进行迭代训练,得到高分辨率的分割预测。它达到了的分辨率,从开始,通过5次迭代得到了非常详细的结果。但是多次迭代也增加了推理时间。

    降低掩码表示复杂性的研究:有研究者使用去噪卷积自动编码器学习低维形状嵌入空间,通过深度卷积网络直接回归到编码矢量。这种形状预测方法很难适应较大的形状和对象种类;MEInst使用PCA将二维掩码编码为一个紧凑的向量,并将其合并到一个Single-Shot实例分割框架中。但是它只编码分辨率的Mask,由于Mask的表现质量很低,所以在大目标上表现很差;PolarMask用极坐标下的轮廓表示Mask,将实例分割问题定义为极坐标下通过实例中心分类和稠密距离回归来预测实例的轮廓。

    以上研究虽然通过设计紧凑的掩模表示实现了更高的运行速度,但它们的掩码质量下降,实例分割的性能也不理想。因此在本文中,作者探索如何提高掩码质量同时可以降低复杂度,以达到性能和运行速度之间的平衡。

    3本文方法

    通过下表可以看出,当二进制掩码表示的分辨率从28×28增加到128×128时,掩码质量提高,但是由于训练复杂度的大幅增加,掩模AP显著降低。基于此,作者提出DCT掩码表征来降低复杂度。

    3.1 DCT Mask 表征

    DCT掩码表示类似于JPEG,它将二进制掩码编码成一个紧凑的向量。如下图所示,对于二进制Ground Truth Mask ,其中H和W分别表示高度和宽度。文中用双线性插值将它调整为,其中K是Mask的大小。本文中设置K=128。值得注意的是Mask R-CNN中的K=28。

    1)、转换到频域:
    2-D DCT-II将转换为频域:

    其中,当时,;否则,。

    由于DCT具有较强的能量压缩特性,文中以锯“齿形”的方式从中选取第一个N维向量。这里DCT掩模向量就是掩模表示。

    2)、恢复到原始域:
    通过将其它部分填入0从中恢复。然后采用二维逆DCT(2D DCT):

    3)、双线性插值
    采用双线性插值将调整为。

    通过以上3步便可以将掩模的GT编码为一个紧凑向量V,然后对V进行解码重构掩模。这样便可以使用一个n维向量V作为Mask,而不是二值图像,这大大减少了冗余。从Figure 2可以看出,DCT掩模可以准确地捕捉到物体的形状,丢弃的高频分量距离边界也非常少。

    通过上表可以看出,和之间的IoU度量来评价掩模表示的质量。DCT掩码表示采用100维和700维向量,实现与二进制网格掩码表示中的和矩阵相同的IoU。这表明了DCT掩码表示的有效性。

    3.2 Mask R-CNN+DCT Mask

    1)、模型结构
    Mask R-CNN是一种两阶段的实例分割方法。第一阶段通过区域建议网络(RPN)生成关于区域的建议。第二阶段包括检测分支掩码分支。检测分支基于R-CNN Head的第一阶段建议,预测对象的类别并细化边界框。掩模分支通过Mask Head进行像素分类生成目标的Mask。

    利用DCT掩码表示,掩码分支的预测是一个紧凑的向量,而不是二进制网格。如上图所示使用4个卷积层来提取掩模的特征,使用3个全连接层来回归DCT掩模向量。卷积层的设置与Mask R-CNN相同,其中kernel size为3,filter number为256。前两层全连接层的输出大小为1024,最后一层的输出大小为DCT掩模向量的维数。此外,Mask Head的预测是class-agnostic的,通过保持较小的输出规模来降低训练复杂度。

    2)、损失函数
    Mask分支损失函数
    在DCT掩模表示中,Mask分支的Ground Truth是由DCT编码的向量。这就会带来回归问题。这里定义Mask分支的损失函数如下:

    其中,式中,,分别表示GT真值和预测向量的第i个元素。为正样本的指标函数。D是距离度量。
    模型损失函数

    其中,其中为检测分支的损失。是Mask分支相应的权值。

    3)、模型推理
    在推理过程中遵循标准的Mask R-CNN推理过程。在NMS之后,top-k得分框被选择并用RoIAlign后送入Mask分支。Mask分支预测每个边界框的DCT Mask向量。Box内的Mask由DCT掩码向量解码生成。

    总之,保持其他部分完全不变,这里只修改Mask分支,使用3层FC替换最后2个卷积层。同样,该方法方法也可以很容易地应用到其他基于像素的实例分割框架中

    4 实验

    4.1 不同权重的结果

    l1损失和平滑l1损失在不同权重下的结果:

    最终设置权重为0.007。

    4.2 Mask R-CNN与DCT-Mask

    4.3 消融实验

    4.4 SOTA模型精度对比

    参考

    [1].DCT-MASK: DISCRETE COSINE TRANSFORM MASK REPRESENTATION FOR INSTANCE SEGMENTATION

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  • 本文是一种基于双三次退化的深度SISR算法框架,利用即插即用框架对任意模糊核的LR图像进行处理,设计了一个新的SISR退化模型,以利用现有的盲去模糊方法进行模糊核估计。为了优化新的退化诱导能量函数,我们通过变量...

    1. 背景

    现存在的方法主要是针对广泛使用的双三次退化而设计的,对于任意模糊核的超分辨率低分辨率图像仍然存在根本性的挑战。
    本文是一种基于双三次退化的深度SISR算法框架,利用即插即用框架对任意模糊核的LR图像进行处理,设计了一个新的SISR退化模型,以利用现有的盲去模糊方法进行模糊核估计。为了优化新的退化诱导能量函数,我们通过变量分裂技术推导了一个即插即用算法,该算法允许我们插入任何超分解先验而不是去噪先验作为模块部分。对合成和真实LR图像的定量和定性评价表明,所提出的深度即插即用超分辨率框架能够灵活有效地处理模糊LR图像。

    论文:https://arxiv.org/abs/1903.12529
    代码:https://github.com/cszn/DPSR

    2. 先前的SISR的两种降解模型

    1. y = (x ⊗ k) ↓s + n 模糊内核与高分辨率图像卷积之后带一个比例因子↓s,再加上一加性高斯白噪声(AWGN),噪声级为σ。
    2. 双三次退化模型:y = x ↓s ↓s表示具有缩放因子s的双三次下采样器(Matlab默认函数的大小)。由于其简单性,双三次降采样器模型成为评价SISR方法的基准设置

    3. 主要解决以下两个问题

    1. 设计一种替代的降解模型
    2. 将现有的基于DNN的双三次退化方法扩展到新的降解模型中,以充分利用DNN的能力。

    替代模型假设LR图像是HR图像的双采样、模糊和噪声版本:有两个优点:首先,进行推广;其次,它使我们能够采用现有的盲去模糊方法来估计给定LR图像的模糊核。
    本文框架将基于神经网络的超分辨器集成到一个基于变量分裂的迭代优化方案中。结果表明,在傅里叶域中可以有效地处理模糊失真。因此,可以处理任意模糊内核。通过对现有的基于dnn的超级解析器进行少量修改,实现插拔步骤。
    到目前为止,我们主要关注的是针对任意均匀模糊内核的非盲SISR,而不是针对任意非均匀模糊内核的盲SISR。盲SISR通常包括交替更新模糊内核和应用非盲SISR更新超分辨率图像,工作尝试训练DNN直接估计干净图像进行盲消模糊,但其实用性还有待进一步评价

    4. 本文的贡献

    1. 提出了一种比双三次退化模型更符合实际的SISR退化模型。它考虑了任意的模糊内核,并支持使用现有的去模糊方法进行模糊内核估计。
    2. 提出了一种深度即插即用的超分辨率框架来解决SISR问题。DPSR不仅适用于双三次退化,而且可以处理任意模糊核的LR图像。由于迭代方法的目的是求解新的退化诱导能函数,因此提出的DPSR算法具有良好的原则性。
    3. 提出的DPSR扩展了现有的即插即用框架,表明了SISR的即插即用先验并不局限于高斯去噪。

    5. 相关工作:双三次的退化

    即插即用图像恢复技术提出后由于其在处理各种反问题时的灵活性和有效性,受到了广泛的关注。该方法利用变量分裂技术实现了能量函数的初始化,并采用任意一种现成的高斯去噪器来代替先验相关子问题。与传统相比,它可以隐式地定义即插即用先验。据我们所知,现有的即插即用图像恢复方法大多将高斯去噪作为先验。我们将证明,对于即插即用SISR的应用,先验并不局限于高斯去噪。相反,一个简单的超分解器先验可以用来解决一个更复杂的SISR问题。
    加性高斯白噪声在通信领域中指的是一种各频谱分量服从均匀分布(即白噪声),且幅度服从高斯分布的噪声信号
    当根据经验及有关材料推测出主观概率后,对其是否准确没有充分把握时,可采用概率论中的贝叶斯公式进行修正,修正前的概率称为先验概率,修正后的概率称为后验概率
    最大后验概率估计”是后验概率分布的众数
    双三次退化模型
    y = x ↓s ↓s表示具有缩放因子s的双三次下采样器。
    求出目标图像B中每一像素点(X,Y)的值,必须先找出像素(X,Y)在源图像A中对应的像素(x,y),再根据源图像A距离像素(x,y)最近的16个像素点作为计算目标图像B(X,Y)处像素值的参数,利用BiCubic基函数求出16个像素点的权重,图B像素(x,y)的值就等于16个像素点的加权叠加。下采样(即抽取):对于一个样值序列间隔几个样值取样一次,这样得到新序列就是原序列的下采样
    比双三次退化模型更符合实际的、考虑了任意的模糊内核、支持使用现有的去模糊方法进行模糊内核K的估计。

    5.1 要点一

    本文模型:为了简化模糊核估计,退化模型y=(x↓s)⊗k+n,↓s是具有尺度因子s的双三次下采样器,简单地说,表示LR图像y是干净HR图像x的双二下采样、模糊和噪声版本。模型公式实际上对应于一个去模糊问题和一个具有双三次退化的SISR问题。因此,我们可以充分利用现已有的去模糊方法来估计k,这是优势之一。

    5.2 要点二

    能量函数:根据最大后验概率(MAP),将能量函数形式化地给出
    在这里插入图片描述
    Min…是由退化模型确定的数据保真度(似然)项(为了方便和澄清参数的设置,从贝叶斯的观点来看)。Φ(x)正规化(先前)项。λ是惩罚参数。(结合起来是惩罚项)
    对于能量函数:来解决能量函数首先采用变量分裂技术引入一个辅助变量z,得到以下等价约束优化公式:
    在这里插入图片描述
    然后我们处理等价约束公式使用了半二次方分裂(HQs)算法。注意,也可以利用ADMM等其他算法。我们使用HQs是因为它的简单性。HQS通过最小化以下问题来处理,该问题涉及额外的二次惩罚项:
    在这里插入图片描述
    µ是惩罚参数,一个非常大的µ将强制z大约等于x↓s
    通常情况下,µ会在下面的迭代解决方案中非降序变化。
    在这里插入图片描述
    这方案是关于z(辅助变量)和x(高分图像)的交替极小化问题。
    一方面,由于模糊核k只涉及封闭形式的解,z式解决模糊的失真问题。换句话说,它把当前的估计拉到一个不那么模糊的地方。另一方面,x式将模糊程度较小的图像映射到更清晰的HR图像,经过多次交替迭代,最终重建的HR图像不包含模糊和噪声。

    5.3 要点三

    即插即用框架,表明了SISR的即插即用先验并不局限于高斯去噪。

    假设卷积是用圆形边界条件进行的,关于Z的有一个快速封闭的解决方案:
    在这里插入图片描述
    式中F和F逆表示快速傅立叶变换(FFT)和逆FFT,F(-)表示F()的复共轭。
    关于x,从贝叶斯的角度,我们重写它如下:
    在这里插入图片描述
    通过假设zk 1是从HR图像x中双二下采样的,来应对具有比例因子s的超分辨率 z k + 1 z_{k+1} zk+1,然后被噪声等级 在这里插入图片描述的AWGN所破坏。
    从另一个角度来看重写公式用以下简单的双三次退化模型解决了一个超分辨率问题。y = x↓s + n.因此,一个可以插入基于DNN的超级解析器,训练在广泛使用的双三次退化与一定的噪声水平,以取代重写公式。为了简洁,x和重写公式可简化为:
    在这里插入图片描述
    由于上一项Φ(X)是在SR(·)中隐式定义的,因此我们将其称为超级解析器优先。

    超级解析器网络

    由于SRResNet是一个著名的基于DNN的超解析器,本文提出了一种改进的SRResNet,即SRResNet+,用于插入所提出的DPSR框架。SRResNet+在几个方面与SRResNet不同。首先,SRResNet+以噪声级别映射M作为输入。其次,SRResNet+将功能地图的数量从64个增加到96个。第三,SRRESnet+移除批处理正常化层。

    所提议的DPSR方法与几个密切相关的基于dnn的方法之间的根本区别。

    • 1.级联去模糊和SISR。对于具有任意模糊核的超分辨LR图像,一种启发式方法是先进行去模糊,然后对去模糊后的LR图像进行超分辨。然而,这种级联两步法的缺点是,第一步的摄动误差(the perturbation error)会在第二步放大。相反,DPSR对Eqn(4)给出的能量函数进行迭代优化。因此,DPSR趋向于提供更好的性能。
    • 2.微调SISR模型与更多的训练数据。 也许最直接的方法是对现有的基于双三次退化的SISR模型进行微调,使用新退化模型生成的更多训练数据(即,Eqn。(3)造成所谓的盲SISR。然而,这种方法的性能会严重恶化,尤其是考虑到大的复杂模糊核时,这可能是因为模糊的失真会进一步加剧像素平均问题[34]。对于DPSR,它以blur内核作为输入,通过Eqn(9)可以有效地处理blur的失真。
    • 3.具有端到端训练的扩展SRMD或DPSR,受SRMD的启发[65],人们可以尝试通过考虑任意模糊内核来扩展它。但是,很难对足够多的模糊内核进行采样,以覆盖较大的内核空间。此外,训练一个可靠的模型需要大量的时间。相比之下,DPSR只需要对模型进行双三次退化的训练,训练时间大大缩短。此外,SRMD虽然可以有效地处理具有多个连续卷积层的15×15大小的简单高斯核,但对于处理较大的复杂模糊核就失去了有效性。相反,DPSR通过Eqn(9)采用了FFT更加简洁和专业的模块来消除模糊的失真。或者,可以利用DPSR的结构优势,以端到端方式联合培训DPSR。然而,我们把这留给我们未来的工作。

    从上面的讨论中,我们可以得出结论,我们的DPSR原则良好,结构简单,可解释性强,并且较少涉及训练。

    6. 最后

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    Windows XP中的通用即插即用 
    1/6:介绍  
     
    借助于操作系统的即插即用(PnP)能力,用户可以非常轻松地在PC上安装、配置和添加外围设备。通用即插即用(Universal Plug and Play,UPnP)进一步提升了这种简化性,它将整个网络包括在内,实现了网络设备和服务的发现和控制,例如网络打印机、Internet网关和消费类电子设备。

    UPnP不仅仅是对即插即用外设模型的简单扩展。它旨在实现一种“零”配置和“隐性”的联网过程,自动发现和控制来自各家厂商的各种网络设备。

    本文简单介绍了UPnP的概念,以及Windows XP对UPnP的支持方式,并且提供了几个应用情境,对UPnP的工作原理和可能的应用方式进行了描述。 
     

    2/6:UPnP 的工作原理

    借助 UpnP(通用即插即用)技术,设备可以动态加入到网络中并获得 IP 地址、传达功能以及了解其它设备的存在和性能--所有这一切都是自动进行的,从而使得零配置的网络真正成为可能。此后,设备之间可以直接通讯,这又进一步地实现了对等网络功能。

    可以从启用了 UPnP 技术的网络获益的设备种类包括智能设备、无线设备和具有各种组成元素的 PC。

    UPnP 的作用范围非常广,足以容纳多种现有的应用和激动人心的新应用(包括家庭自动化、打印和图像处理、音频/视频娱乐、厨房设备、汽车网络以及公共场所的临近性网络)。

    UPnP 使用标准的 TCP/IP 和 Internet 协议,这使它可以无缝地融合到现有的网络中。通过使用这些标准化的协议,UPnP 从现有的经验和知识财富中受益无穷,并且使得互操作性成为其与生俱来的功能。

    由于 UPnP 属于分布式开放网络的架构(这是由它使用的协议定义的),因此它不依赖于任何特定的操作系统、编程语言或物理媒体(正如同 Internet)。UPnP 并未指定应用程序应该使用哪种 API,因此操作系统供应商可以创建满足其用户需求的 API。

     

    UPnP 的定义者


    通用即插即用协会 (Universal Plug and Play Forum) 根据 Microsoft 起草的通用设备架构定义了 UPnP 设备和服务规范(UPnP Device and Service Descriptions,最开始叫“设备控制协议(Device Control Protocols,DCP))。通用即插即用协会是由遍布全行业的公司和个人组成的团体,旨在率先创建 UPnP 设备和服务的规范。该协会成立于 1999 年 10 月 18 日,包括 340 多家在家电、计算、家庭自动化和安全、家用设备、计算机网络以及汽车设备行业中的领军者。

    该协会的目标是推出易于连接的设备和简化家庭和公司环境中的网络实现。为实现这一目标,该协会基于开放的 Internet 通讯标准定义并公布了 UPnP 设备和服务规范。

    由该协会制定并予以标准化的纲要集中存放在该协会的网站中。此外,该站点还包括设备架构文档、设备和服务规范模板以及设备和服务规范设计原则。UPnP.org 还发送有关该协会的活动和进度的信息。

     

    UPnP 的职责


    UPnP 提供了控制点和设备之间的通讯支持。网络媒体、TCP/IP 协议集以及 HTTP 提供了基本的网络连接条件和所需的地址。UPnP 在这些开放的、标准的 Internet 协议基础上定义了一组 HTTP 服务器来处理发现、描述、控制、事件和演示。本节介绍了如何使用在本文开头部分定义的协议来提供上述需求。

     

    UPnP 协议集合


    我们已经介绍了用于实现 UPnP 的协议,但为了更好地理解这些协议,不妨看一看以下的示意图。


    图 1:UPnP 协议集合

    UPnP 设备架构定义了任何设备或服务类型创建设备和服务规范的纲要或模板。

    各个工作委员会对不同的设备和服务类型进行了后续的标准化,并创建了各个设备或服务类型的模板。

    最后,供应商在该模板中填充特定于设备或服务的信息,如设备名称、型号、厂商名称以及有关服务介绍的 URL。

    此后,这些数据会被封装在特定于 UPnP 的协议(这些协议是在 XML 设备规范模板之类的 UPnP 设备架构文档中定义的)中。

    将所要求的 UPnP 特定信息插入所有消息中,然后用 SSDP、GENA 和SOAP 将这些消息格式化并通过 HTTP、HTTPU 或 HTTPMU 分发。

     

    UPnP 组网步骤

    寻址
    UPnP 组网的基础是 TCP/IP 协议集,而该协议集的关键就是寻址。当任何设备首次连入网络时,它都必须有一个动态主机配置协议 (DHCP) 客户端,而且必须查找 DHCP 服务器。如果 DHCP 服务器可用,则该设备必须使用分配给它的 IP 地址。如果没有可用的 DHCP 服务器,该设备必须使用 Auto IP 获得地址。

    简而言之,Auto IP 定义了设备如何从一组预留的专用地址中智能化地选择 IP 地址,以及如何才能实现在托管和未托管的网络间轻松转移。

    设备可能实现在 UPnP 之外使用设备友好名称的更高层协议。这种情况下,必须要将友好主机(设备)名称解析为 IP 地址。域名服务 (DNS) 通常即用于该目的。要求或使用该功能的设备可能包含 DNS 客户端,也可能支持动态 DNS 注册将其名称映射为地址。

    发现
    一旦将设备连入网络并进行适当寻址后,就会发生发现操作。正如此前所介绍的,发现是由 SSDP 处理的。当设备连入网络后,SSDP 允许该设备将其服务通知给网络中的控制点。如果在网络中添加了控制点,SSDP 也将允许该控制点查找网络中的有关设备。

    在这两种情况下所进行的基本交换都是发现消息。该消息包含少量有关设备或其某种服务的基本描述,例如它的类型、标识符以及其 XML 设备描述文档的指示符。

    描述
    UPnP 组网的下一步是描述。控制点发现设备后,它对设备仍然是知之甚少。为了让控制点了解设备的详细信息和功能,或者与设备交互,控制点必须从该设备在发现消息中提供的 URL 检索该设备的描述。

    设备可能包含其它的逻辑设备和服务。设备的 UPnP 描述是用 XML 表示的,它包含特定于供应商和制造商的信息(包括型号名称和编号、序列号、厂商名称、供应商网站的 URL,如此等等)。该描述还包括所有内含设备或服务的列表以及用于控制、事件处理和演示的 URL。

    控制
    控制点检索到设备的描述后,它就具有了对设备进行控制的基本条件。为了详细了解有关服务的信息,控制点必须检索每个服务的详细 UPnP 描述。服务的描述也是用 XML 表示的,并且包括该服务会响应的命令或操作的列表以及每个操作的参数。服务描述还包括变量列表,这些变量模拟了服务的运行时状态,对它们的描述包括数据类型、范围和事件特征几个方面。

    为控制设备,控制点会向设备的服务发送操作请求。为此,控制点将向该服务的控制 URL(在设备的描述中提供)发送适当的控制消息。该控制消息也是借助 SOAP 用 XML 格式表示的。

    为响应上述控制消息,该服务会返回与操作有关的值或错误码。

    事件处理
    设备的 UPnP 描述包含了服务响应的操作列表和模拟该服务的运行时状态的变量列表。当这些变量改变时,该服务会发布更新,控制点可以通过预定来接收该信息。

    服务通过发送事件消息来发布更新。事件消息含有一个或多个状态变量的名称以及这些变量的当前值。这些消息也是用 XML 表示的,并使用 GENA 进行格式化。

    当控制点首次进行预定时,会发送一种专门的初始化事件消息。这种事件消息包括所有事件化变量的名称和值,并允许预定者对其关于该服务状态的模型进行初始化。

    为支持多个控制点,可将所有事件消息都发往各个预定者。预定者可以接收所有事件化变量的事件消息,而且不论状态变量的改变原因为何(响应操作请求或由于状态更改),所有事件消息都将被发送。

    演示
    如果设备有要演示的 URL,控制点可以检索来自该 URL 的页面并将该页面载入浏览器中。同时根据该页面的功能,允许用户控制该设备和/或查看设备状态。所能进行的操作要取决于演示页和设备的特定功能。

    总结:

    • UPnP 基于有线协议(正如 Internet),而不是基于 API,这使得它所面对的确实是未知的媒体和平台。
    • UPnP 基于现有标准,能够轻松地实现互操作性。
    • UPnP 如果成功,将拥有巨大的行业推动力。
    • 尽管基于标准,但 UPnP 同时具有灵活性,并且可以满足当前和未来的网络设备需要。

    3/6:UPNP的应用情境

    您可以借助多种自动发现和控制设备的方法使您的生活更轻松和更美好。UPnP 的到来开创了新的可能性和新的日常使用。本节列出了一些可能的应用场景,在这些场景中,UPnP 将十分有用。

     

    一些 UPnP 应用场景:

    Internet 连接共享
    John 的 Web 冲浪大都是在他的家庭办公 PC 上进行的。他的办公室装有永远在线的 DSL 连接,并有防火墙的保护。他想在起居室里添加 WebTV 设备并在厨房里添加MSN 伴侣设备,这样,他的父母和妻子就可以在他们喜欢的地方上 web 冲浪了。WebTV 和 MSN 设备都能通过 HomePNA 网络从他的 Windows XP PC 发现和使用 UPnP Internet 连接共享。

    儿童督促和监视照相机
    Susan在她孩子的房间里放了两个小型的监视照相机,这样她可以一边在家庭办公 PC 上工作,一边监督她的孩子是否在做作业。她还在门口放置了一个监视照相机,这样当门铃响的时候,她可以先看一眼来访者。Susan 还可以通过家里任何启用了 UPnP 的电视查看任何一个照相机。

    同步时钟
    下述情况随时可能发生。突然停电几个小时,Mike 家里的时钟都显示为 12:00。要在整幢房子里走来走去校正这些时钟,既麻烦,又浪费时间。

    输入 UPnP。这是一个运行在 Mike 基于 Windows XP 的 PC 中的脚本,它会定期根据科罗拉多的原子钟时间同步他屋子里的所有时钟。该脚本会查找网络中的所有时钟服务,而不管是什么设备。然后它简单地重复每一个服务,并将时间设为它通过 Internet 所获得的原子钟的值。

    该脚本可以作为在每晚午夜重复执行的任务运行。一旦恢复供电,即可以手动运行该脚本来重置每个时钟。或者,在发生夏时制更改后,也可以这样做。

    新打印机
    如果 Jennifer 今天带了一台新打印机回家,并想在我的家庭网络中使用,她将必须采取几个步骤来确保网络中的所有 PC 都能使用该打印机,就先别说任何其它可能有打印要求的设备是否能使用了。

    例如,她需要将打印机连接在现有的 PC 上、装载设备驱动程序、在网络中共享该打印机,然后前往网络中的其它每一台打印机将它们连接到共享打印机。

    而借助 UPnP,Jennifer 只需将打印机插入任何可用的网络端口中,不管是电话线网络、电源线网络,还是以太网网络,她都可以立即让网络中的所有设备能使用该打印机。

    存储空间又满了
    Kevin 经常会用完他 PC 的存储空间,而且这种现象越来越频繁。究其原因,可能与他拍摄的大量数字照片和电影有关,也可能是因为他大胆地将他所有的 CD 收藏作为 Windows Media? 文件进行了编录。

    尽管辅助存储器的价格已大幅度下降,但设备的即插即用并没有使添加硬盘的麻烦得到多大改观。更糟的是,当 Kevin 在假期访问家人时,他如何才能将这些家庭电影、照片和声音带到乡下去?

    假设 Kevin 有一个高速、高容量的移动数据源,并且该数据源启用了 UpnP。该设备也许直接连在以太网网络或电话线网络,或者为了允许流式传输他的家庭电影而将该设备与其娱乐系统的其余部分一起连在高速 IEEE 1394 总线上。无论在什么位置插入该设备,网络中的所有其它设备(包括那些创作或显示媒体的设备)都将能立即得知它的可用性。

    当 Kevin 带着看上去足够丰富的家庭电影去访问他的家庭时,他们将会何等高兴!

    新式的便携式设备并不限于存储器或打印机,而是可以包含多种其它设备,如照相机、MP3 播放机、扫描仪、MIDI 设备、远程控制、电视和视频设备。这些设备似乎不可能一一列举。

    “醒来的时候总是感到冷!”
    Mary 躺在床上准备睡觉,明天是星期天。她的闹钟通常在早上 7 点叫醒她。但明天她想多睡一会儿。她需要闹钟叫醒她,但上午 9 点看上去似乎是更好的时间,因此她将闹钟设置为上午 9 点而不是上午 7 点。

    自从 Mary 有了 UPnP 闹钟后,生活变得好多了。她在她基于 Windows XP 的 PC 上运行着一个脚本,该脚本始终在等待闹钟的报警通知。一旦发生了报警通知,它就会指示 HVAC 设备上的计时器将叫醒时间设为与闹钟的时间相同。

    现在,加热器会在 Mary 起床之前提前打开,这样她就不会感觉到冷了。除了当前介绍的可编程自动调温装置外,还可以在智能化的 HVAC 系统中添加多种其它功能。这可能包括当感测器检测到人员或通过 Internet 对该系统的远程控制时启用该系统。

    如果她的闹钟可以访问她的日程表信息,它将可以提醒她是否要选择在事先安排的会议之后起来。换言之,如果她在上午 9 点有会议,并试图将她的闹钟设为上午 9 点,则在使闹钟可以在 9 点钟工作之前,闹钟会提醒她实际上应该在上午 8 点起床。

    主控开关
    经过一天辛苦的工作,Bill 走进了他的家门。他按了一下墙上的开关,这对我们大多数人而言,就像打开休息室的灯。但使用 UPnP 后,这个开关就远不止这么简单了。该开关正是一种 UPnP 服务,它的状态是由被称为“位置”的变量定义的。当 Bill 按下开关时,“位置”变为“开”,同时运行在他基于 Windows XP 的 PC 上的脚本也会投入工作。

    该脚本可以获得主控开关的位置已变为“开”的通知。此后它会执行下列操作:

    • 加热器打开到预设的温度。
    • 应答机开始播放新留言。
    • Bill 的立体声系统打开,并被设置在他最喜欢的古典音乐台,声音是根据环境水平设置的。
    • 窗户的百叶升起来,但这只会在日落之后发生(日出/日落数据可以非常容易地从 Internet 获取)。
    • 可选的操作,打开电视并将其设在新闻台,同时保持静音并打开关闭的字幕功能。
    • 喔,对了,休息室的灯也打开了。

    通样,当您将开关按到“关闭”位置时,会进行反向操作:

    • 加热器关闭(或被设为较低的温度)。
    • 关闭立体声。
    • 关闭电视。
    • 为了安全,将窗户的百叶降下来。
    • 关闭房屋里的所有灯。

    最后的工作
    Billy 正在做家庭作业并且可以进行打印了,因此他想如果能将打印机搬到自己的房间来,工作会更轻松一些。没想到父亲注意到了这一点,原因是该打印机是启用了 UPnP 功能的,当儿子关闭打印机时,在父亲的计算机上会弹出一个对话。

    尽管这在过去可以通过事件处理来实现,但在此时,它只是发现协议的一部分。当 UPnP 设备以适当的方式离开网络时,它会发送通知表明它将离开。因此,所有控制点都可以准确地了解到网络状态。

    晚饭结束了,电影放完了,父亲和母亲坐在沙发上。在父亲将注意力转向母亲时,母亲发现父亲的便携式计算机还在运行着。她走到计算机跟前,按了一下控制气氛的按钮。灯光变暗,阴影下垂,轻音乐响起,便携式计算机也关闭了。

    4/6:UPnP 网络组件

    UPnP 网络的基本构成部分是设备、服务和控制点。本节将对这些组件进行较为完整的介绍。


    UPnP 控制点、设备和服务

     

    设备


    UPnP 设备是服务或嵌套设备的容器。例如,VCR 设备可能包括磁带传输服务、调谐服务和时钟服务。电视/VCR 组合设备可能不仅含有服务,而且还包含嵌套的设备。

    不同类别的 UPnP 设备会与不同的服务和嵌套设备组合相关联。例如,VCR 中的服务会不同于打印机中的服务。因此,不同的工作小组会对特定设备提供的服务组合进行标准化。在设备必须拥有的 XML 设备描述文档中会捕获所有这些信息。除了服务组合外,设备描述还将列出与设备关联的属性(如设备名称和图标)。

     

    服务


    UPnP 网络中的最小控制单元是服务。服务会公开它的操作并通过状态变量来模拟它的状态。例如,时钟服务可能被模拟为有一个状态变量,current_time,它定义了时钟的状态,和两个操作,set_time 及 get_time,它们允许您控制该服务。类似于设备描述,这些信息都是 UPnP 协会进行了标准化的 XML 服务描述的一部分。在设备描述文档中包含指向这些服务描述的指示符 (URL)。设备可能包含多个服务。

    UPnP 设备中的服务由状态表、控制服务器和事件服务器组成。状态表可通过状态变量模拟服务状态并在状态变化后对它们进行更新。控制服务器负责接收操作请求(比如 set_time)、执行它们、更新状态表并返回响应信息。事件服务器负责每当服务状态改变时即将事件发布到感兴趣的预定者。例如,火警服务在其状态变为“振铃”时,将会响有关的预定者发送事件。

     

    控制点


    UPnP 网络中的控制点是可以发现并控制其它设备的控制器。在发现设备后,控制点会执行下述操作:

    • 检索该设备的描述并获取有关服务的列表。
    • 检索服务描述查找感兴趣的服务。
    • 调用操作控制服务。
    • 向服务的事件源进行预定。每当该服务的状态发生变化,事件服务器都会向该控制点发送事件。

    为实现真正的对等网络,在设备中也有望包含控制点功能(反之亦然)。

    5/6:UPnP 协议概述

    用于 UPnP 的网络媒体


    UPnP 使用标准的 IP 协议集,从而保持了网络媒体的不可知性。UPnP 网络设备可以使用任何通讯媒体连接,包括无线频率(RF,无线)、电话线、IrDA、以太网以及 IEEE 1394。换言之,任何可以和网络设备一同使用的媒体都可以启用 UPnP。唯一要关心的可能是使用的媒体是否支持目标用途所要求的带宽。 UPnP 使用开放的标准协议,如 TCP/IP、HTTP 和 XML。但是,由于多种原因(包括成本、技术要求或兼容支持),其它的技术也可能与网络设备一起被使用。这些包括网络技术,如 HAVi、CeBus、LonWorks、EIB 或 X10。通过 UPnP 网桥或代理,这些技术也可以加入到 UPnP 网络中。包含桥接设备的 UPnP 网络看起来可能如下图所示。


    图 3:桥接的 UPnP 网络

     

    UPnP 使用的协议


    UPnP 利用了多种现有的标准协议。使用这些标准化的协议有助于确保供应商实现之间的互操作性。对于用以实现 UPnP 的协议,您经常可以发现它们用在 Internet 和局域网的各个位置。这种普遍性确保了有大量的人员知道该如何实现和部署基于这些协议的解决方案。由于相同的协议已在使用之中,因此几乎不需要执行任何操作就可以让 UPnP 设备在现有的网络化环境中工作。在本节的其余部分概述了一些用于实现 UPnP 的协议。


    图 4:UPnP 协议组合

     

    UPnP 特有的协议


    UPnP 供应商、UPnP 协会工作委员会以及 UPnP 设备架构文档定义了可用于实现 UPnP 的最高级协议。基于设备架构,该工作委员会定义了特定于设备类型的规范,这些类型比如 VCR、HVAC 系统、洗碗机以及其它设备。此后,UPnP 设备供应商可以添加特定于各自设备的数据,如型号名称、URL 等等。

    TCP/IP
    TCP/IP 网络协议集充当了建立其余 UPnP 协议的基础。通过使用该标准(普遍使用的 TCP/IP 集),UPnP 可以利用其跨越不同物理媒体的能力并确保多个供应商之间的互操作性。

    UPnP 设备可以使用 TCP/IP 集合中的多种协议(包括 TCP、UDP、IGMP、ARP、IP)和 TCP/IP 服务(比如 DHCP 和 DNS)。当我们在本节介绍了其它协议和在下一节介绍了 UPnP 的工作方式之后,如何使用这些协议和服务来提供 UPnP 工作所需的内容也就会变得一目了然。

    由于 TCP/IP 是使用最为普遍的网络协议之一,因此定位或创建一个对覆盖面和/或性能进行优化的 UPnP 设备实现将相当容易。

    本文档假定您对 TCP/IP 协议集和服务有基本的了解。有关 TCP/IP 的详细信息,可以在本文档结束位置所列出的参考中找到。

    HTTP、HTTPU、HTTPMU
    TCP/IP 提供了用来实现 UPnP 设备间网络连接的基本协议集。对 Internet 的成功作出了巨大贡献的 HTTP 也是 UPnP 的核心部分。UPnP 的所有组件都建立在 HTTP 或其变体之上。

    HTTPU(和 HTTPMU)是 HTTP 的变体,定义它们是为了通过 UDP/IP(而不是 TCP/IP)发送消息。下面介绍的 SSDP 将使用这些消息。这些协议的基本消息格式沿袭了 HTTP,并且是多播通讯和当消息传输不要求与可靠性有关的开销时所需要的。

    一些关于较为高级的协议和 UPnP 工作的说明需要您基本了解 HTTP 协议。有关 HTTP 的详细信息,可以通过在本文档结束位置所列出的参考中找到。

    SSDP
    顾名思义,简单服务发现协议 (SSDP) 定义了网络服务是如何在网络上被发现的。SSDP 基于 HTTPU 和 HTTPMU 创建,定义了控制点定位网络上感兴趣的资源和设备通知它们在网络上的可用性的方法。通过定义同时使用搜索请求和展示通知,SSDP 避免了在仅使用这两种机制中的任一种时所必需的开销。这样,网络中的每个控制点都可以获得关于网络状态的完整信息,同时保持了低水平的网络流量。

    访问点和设备都可以使用 SSDP。UPnP 访问点启动后可以发送 SSDP 搜索请求(通过 HTTPMU)来发现网络上可用的设备和服务。访问点可以细化该搜索,从而仅查找特定类型的设备(如 VCR)、特定服务(如具有时钟服务的设备)乃至特定设备。

    UPnP 设备会侦听多播端口。一旦收到搜索请求,该设备就检查该搜索条件以确定它们是否匹配。如果匹配,一个单播 SSDP(通过 HTTPU)响应将被发送到该控制点。

    同样,当将设备插入网络时,它会发出多播 SSDP 展示通知消息,通知它所支持的服务。

    在展示通知和单播设备响应消息中都包含该设备描述文档(含有该设备支持的属性和服务组合的信息)所在位置的指示符。

    除了提供发现功能外,SSDP 还提供了设备及其关联的服务适当地从网络离开的方式(再见通知),并包含清除陈旧信息的缓存超时设置来进行自我维护。

    GENA
    定义普通事件通知架构 (GENA) 是为了提供收、发使用了 HTTP over TCP/IP 和多播 UDP 的通知的能力。GENA 还定义了通知预定者和发布者的概念以启用事件。

    在 UPnP 中,GENA 格式可用于创建将要使用简单服务发现协议 (SSDP) 发送的展示通知,并为 UPnP 事件提供表示服务状态已更改的能力。希望接收事件通知的控制点会向事件源进行预定,方法是发送一个含有它感兴趣的服务、将事件发往的位置以及事件通知的预定时间的请求。

    要连续接收通知,所作的预定必须定期予以更新。也可以使用 GENA 取消预定。

    SOAP
    简单对象访问协议 (SOAP) 定义了可扩展标识语言 (XML) 和 HTTP 的使用来执行远程过程调用。它正在变成 Internet 上基于 RPC 的通讯标准。通过使用 Internet 的现有基础设施,它可以有效地配合防火墙和代理工作。SOAP 还使用安全套接字层(SSL) 提供安全性,并使用了 HTTP 的连接管理功能,从而使得 Internet 上的分布式通讯就像访问网页一样简单。

    与远程过程调用非常相似,UPnP 使用 SOAP 向设备发送控制消息并将结果或错误返回到控制点。

    每个 UPnP 控制请求都是一个 SOAP 消息,都包含调用操作和一组参数。其响应也是 soap 消息,其中包括状态、返回值以及任何返回参数。

    XML
    为使用 W3C 定义,可扩展标识语言 (XML) 是 Web 上的结构化数据的通用格式。另外,借助 XML,几乎可以将任何类型的结构化数据放到文本文件中。

    XML 使用标记和属性,这使它看起来与 HTML 非常相似。实际上,它们在以下方面存在显著的差别:XML 标记和属性的含义不是全局定义的,而是在使用它们的上下文中进行解释。XML 的这些功能使得它成为开发各种文档类型架构的最佳选择。W3C 定义了将 XML 作为架构语言的使用。

    XML 是 UPnP 的核心部分,被用在设备和服务描述、控制消息和事件处理中。

    6/6:一个UPnP网络的例子

    为了进一步了解在 UPnP 组网中所执行的各个步骤的时间和方式,本节帮助定义了一个仅含有少量 UPnP 设备的小型网络。这样一来,我们就可以有的放矢地介绍这些设备的交互情况。

    在下面的图 6 所显示的网络中,含有下述启用了 UPnP 的设备:

    • Internet 网关:该设备可以是独立的网关设备或充当网关的 PC。该设备可以是或者不是控制点。该设备提供的服务可能包括 Internet 访问、动态主机配置协议 (DHCP) 服务器、DNS 代理和存储服务。该网关还将与几个家庭 LAN 媒体相连并充当这些媒体的网桥。所使用的媒体包括 IEEE 802.11 无线、电力线网络、电话线网络以及 IEEE 1394。
    • 几个智能设备:考虑到本示例的目的,该网络包括了几个启用了 UPnP 的设备,其中包括时钟收音机、咖啡壶和微波炉,所有设备都插在电力线网络中。该网络还含有一个连接在电话线网络的 UPnP 打印机。
    • 家庭娱乐系统:家庭娱乐系统包括几个通过 IEEE 1394 或 Firewire 相连的设备,并都连接在网关设备上。组件包括带调谐器、收音机、CD 唱片播放机的立体声系统、TV 和 VCR,以及用于其它 A/V 设备(如视频或数字静态照相机)的连接。在该网络中还将添加新的 DVD 唱片播放机。
    • 启用了无线功能的便携式计算机:家庭的主人在工作时使用带有无线网络适配器的便携式计算机,他偶尔会将该便携式计算机带回家来以完成上班时留下的任务。

    尽管还可以在该网络中添加多个组件,但为了更好地说明 UPnP 的操作,本示例中的网络保持了相当的简洁程度。


    图 6:示例网络

     

    故事的开始


    要开始这个场景,上述网络中的所有组件都应该加电运行,并已经使用 UPnP 协议发现了彼此的存在(除便携式计算机和 DVD 播放机外)。

    在几个星期前的晚饭后,一家人讨论起 DVD 在视频市场中取得的成功,以及他们是如何还没有能体验到高质量视频的--因为他们还在使用录像机。

    母亲在邮件中收到了一封邀请加入 DVD 俱乐部的信。一家人坐了下来,每个人都挑了几张 DVD 开始了自己的收藏。今天,母亲给正在上班的父亲打了电话,告诉他购买的 DVD 已经到了。不幸的是,他们忘记了购买欣赏这些 DVD 而所需的关键设备,DVD 播放机。

    在父亲下班回家的路上,他在电子超市(他是购买这些东西的行家)买了最新式的 DVD 唱片播放机,并保证它带有 UPnP 功能。

    父亲到家后,他们打开该设备的包装,然后使用 IEEE 1394 将它插进家庭娱乐系统中。只要借助 UPnP 功能,家庭网络中的其余设备都将能知道该新设备的存在。

     

    设备寻址


    新 DVD 播放机要做的第一件事就是获得一个地址,这样才可以加入到网络中。当新设备首次连入网络时,每个设备都必须有一个 DHCP 客户端并要搜索 DHCP 服务器。

    如果 DVD 播放机中的 DHCP 客户端在等待片刻后没有获得服务器的响应,它将通过重试来确保服务器有响应的机会。如果网络未包含运行着的 DHCP 服务器,DVD 播放机将使用自动 IP 寻址 (Auto-IP) 功能选择合适的地址。

    借助 Auto-IP,设备可以智能化地选择 169.254/16 范围中的 IP 地址。该范围内的第一个和最后一个 256 地址是预留的,不能使用。接下来是测试所选的地址看它是否正在使用。如果该地址正被其它设备使用,则必须选择另一个地址并进行测试,直到一个由实现所决定的重试次数。如果该网络有可用的 DHCP 服务器,则上述的整个过程可以在不到一秒的时间内完成。如果网络没有 DHCP 服务器,从而要求设备使用 Auto-IP 时,则该过程将需要较长时间。如果地址是使用 Auto-IP 分配的,DVD 播放机将定期进行检查,看网络上是否有变得可用的 DHCP 服务器,以此可确保设备之间的连接性能得到维护。

    此时,DVD 播放机或者是已具有了由 DHCP 服务器分配的地址,并且网络中的其它设备在同一子网中都有自己的地址;或者 DVD 播放机已具有一个 Auto-IP 地址。两种情况下,DVD player 都能使用 TCP/IP 和网络中的其它设备通讯。

    一旦 DVD 播放机拥有了对该网络有效的 IP 地址,就可以在该网络中通过该地址找到和引用它。可能存在最终用户需要查找和标识设备的情况。在这些情况下,使用设备的友好名称将比使用其 IP 地址更为容易。但是,使用 DNS 将名称映射为地址已超出了 UPnP 的能力范围。

     

    发现-通知


    由于我们的新设备已经有了地址并能在网络中进行通讯,它就需要让那些已经在网络中加电运行的控制点知道自己的存在。这就是 UPnP 中的一种发现形式。当将设备添加到网络中时,UPnP 发现协议允许设备向网络中的控制点通知它的服务。

    当将设备添加到网络中时,它会多路传播发现消息来通知它所包含的设备和服务。任何感兴趣的控制点都能监听标准的多播地址,来看是否有新服务可用的通知。

    我们的 DVD 播放机发送的发现消息将含有用来指示该通知的有限期的时间戳。在该时间期满之前,DVD 播放机必须重新发送它的通知,否则,控制点会假定该设备不再可用。在脱机之前,DVD 播放机也应该发送消息明确告诉网络它将离开。

    此处显示的协议集合用于发送和接收通知。


    图 7:用于发现消息的协议集合

    我们的 DVD 播放机在一插入网络,便会向每个设备和服务发送 GENA 通知,宣布它的存在。由于这些消息是通过 UDP 发送的(一种不可靠的传输方式),因此它们可能被发送多次,以确保所有感兴趣的控制点都能收到它们。

     

    发现-搜索


    在完成了连接 DVD 播放机的辛苦工作(父亲也将他们在邮件中收到的 DVD 插入到播放机中)后,父亲坐在沙发上用他的便携式计算机润色按规定要在星期一提交的演示报告。

    父亲的便携式计算机也带 UPnP 功能,因此与新装的 DVD 播放机一样,它也会进行寻址和发送发现通知。父亲开始了他在家庭网络中的工作。由于是星期五,离晚饭还有一个小时,而且在星期一之前他都不必完成他的演示报告,所以他想休息一会儿。

    父亲想播放他喜欢的 DVD 电影,并查看一下新设备的工作方式。当然,他可能会感受一下该播放机附带的新遥控器。他坐在沙发上,膝盖上放着正在运行便携式计算机,而 DVD 却在 UPnP 网络中,是否能不用站起来呢?

    父亲在它的便携式计算机中启动了视频控制应用程序。启动该应用程序会在网络中添加一个新的控制点。网络中的所有视频设备都显示出来,父亲选择了 DVD 播放机。随后他选择了要播放的光盘并启动它使其旋转起来。他还可用于使用该视频控制程序打开电视。

    刚才在 UPnP 网络中发生了几个另外的步骤。首次在网络中添加了新控制点。当在网络中添加新控制点时,该控制点会多播 SSDP 发现消息,搜索感兴趣的设备和服务。所有设备都要在该标准地址监听上述消息,并且在它们所含的设备或服务符合发现消息中的搜索条件时都必须作出响应。父亲启动的视频控制应用程序正在专门搜索视频源设备。此处显示了用于这些搜索消息的协议集合:


    图 8:用于发现搜索的协议集合

    这些搜索消息包含特定于供应商的信息,如设备或服务类型以及标识符等。此外,还将添加由 UPnP 工作委员会为这些类型的设备定义的设备或服务类型,此时即指视频源设备。这些设备都封装在使用 HTTPMU 发送的 SSDP 请求中。对这些搜索请求的响应将使用带有 SSDP 头的单播 UDP 发送。

    对这些搜索请求的响应将包含与发现通知相同的信息。这些响应被发送到启动该搜索的控制点所在的 IP 地址,此时即指父亲的便携式计算机。

     

    描述


    正在父亲的便携式计算机中运行的新控制点现在已拥有了关于网络中所有视频源设备的信息。在这个故事中,我们首次遇着了控制点需要设备的详细信息的情形,因此,我们需要进入描述阶段。

    所收到的对于搜索发现请求的响应含有 URL,从该地址可以获得设备描述。

    为检索 UPnP 设备的描述,该控制点向来自于搜索消息的 URL 发出 HTTP GET 请求,从而使该设备返回设备描述。服务描述的 URL 包含在设备描述中,因此可以用相同的方式检索服务描述。用于描述步骤的协议集合如下所示:


    图 9:用于描述的协议集合

    UPnP 的设备描述是一种 XML 文档,其中包括几段特定于供应商的信息、所有内含设备的定义、设备演示的 URL 以及所有服务的枚举(包括其控制和事件的 URL)。UPnP 供应商可以扩展该标准的设备和服务描述,在其中添加其它的状态变量、操作甚至整个服务。这样,UPnP 既允许了灵活性,又遵守了基本标准。设备和服务描述的示例可以在 UPnP 设备架构文档中找到。

     

    演示


    在父亲的便携式计算机中运行的应用程序可以确定演示哪些设备和服务以及如何演示它们。另外,如果 DVD 播放机寄存有演示网页,则可以下载该 HTML 页面,并用它来控制设备。

    演示页的 URL 包含在设备描述中。要检索这种页面,将需要控制点向演示 URL 发出 HTTP GET 请求。随后设备会返回一个演示页。所使用的协议组合如下所示:


    图 10:用于演示的协议组合

    UPnP 设备架构文档指定这种页面应该用 HTML 编写。这类似于 Web 浏览,只不过父亲在此处对设备的浏览是为了控制它。

    演示页的功能是完全由 UPnP 供应商指定的。要实现演示页,UPnP 供应商可能会使用 UPnP 控制和/或事件机制,从而利用设备的现有功能。注意,在演示中没有任何元素是 UPnP 协会定义的,它完全取决于供应商!

     

    控制


    父亲需要控制 DVD 播放机、选择 DVD 电影并启动播放器的运行。为此,他可以使用演示页或普通的视频控制应用程序。

    一旦控制点得知某个设备及其服务,它就可以对这些服务调用操作并获得返回值。同时,控制点还可以轮询这些服务的状态变量值。

    调用操作是一种远程过程调用:控制点向设备的服务发送操作,当操作完成时(或失败时),服务会返回任何结果或错误。控制点还可以轮询状态变量的值。

    为控制 DVD 播放机,父亲的便携式计算机向 DVD 服务控制 URL(包含在设备描述中)发送了一条控制消息。DVD 播放机服务将返回该操作的任何结果或错误。该操作的影响也可以通过该服务的状态变量所发生的变化得到监视。这些状态变量的变化会按照在事件的描述发布给所有感兴趣的控制点,但可以查询这些状态变量的值,这是控制请求的一种变体。

    以下是用于控制的协议组合。


    图 11:用于控制的协议组合

    包含在控制消息中的供应商特定信息含有参数值。UPnP 协会工作委员会定义了包含在这些消息中的操作名称、参数名以及变量。这些信息是用 UPnP 特有的格式封装的,并使用 SOAP 进行格式化,然后使用 HTTP over TCP/IP 传送。

    设备必须在 30 秒内响应控制请求。这些请求可以指示操作仍在待决当中,操作完成后,会用一个事件予以表示。

    控制应用程序可能还想查询特定服务变量的状态,例如,DVD 播放机可能有这样的一个服务:其状态变量含有特定 DVD 的运行时间。父亲可能希望了解这一点,因为这样他可以知道在晚饭准备好时他能看到电影的什么地方。控制点也可以查询服务的状态变量,但每个发送的查询只能带一个状态变量。

     

    再看一遍发现、描述和控制


    现在,DVD 开始播放了,父亲准备坐下来开始处理他的演示报告。看着他新买的东西,他注意到时钟在闪烁。不仅如此,VCR 上的时钟也在闪烁。他刚想到新设备前关闭这种显示方式,但母亲说微波炉、咖啡壶和闹钟上的时钟也是错误的,因为在下午早些时候曾停了一会儿电。

    父亲想起了随 Internet 网关提供的时钟设置应用程序。没有比现在更好的机会试一试它了。他没有将该应用程序装载到便携式计算机中,因为有两点使得查找和运行该应用程序更为容易。

    首先,网关为家庭网络提供了存储服务。这使得网络有可用的磁盘空间。该时间设置应用程序在网关共享的磁盘上可用。第二个使该应用程序易于运行的因素是,父亲便携式计算机中的操作系统启用了 UpnP,包括文件浏览器也是如此。但他打开该浏览器时,浏览器会自动搜索网络中提供文件存储服务的设备,因此会显示出网关设备中的存储区。

    父亲现在可以单击该时钟设置应用程序,而该程序可以完成下述操作:

    • 查找 Internet 连接,并连接到 Internet 上的时间源获取标准时间。
    • 使用 UPnP 发现功能搜索网络中所有提供时钟服务的设备。
    • 遍历找到的每个设备,并向它们的所有时钟服务提交“set”操作。

    真是轻松。通过进一步的研究,父亲发现可以配置该时钟应用程序,让它从自身作为控制点运行的网关定期运行。他将该应用程序设置为在每天早上 4 点启动运行,这样,就不必担心要重新设置时钟了。

     

    事件处理


    快到晚饭时间了。父亲完成了他的演示报告,他想制作一份硬拷贝以便在晚饭过程中能够检查它。由于 UPnP 打印机连接在厨房的电话线网络中,他的便携式计算机已经可以通过打印浏览器使用该打印机。

    父亲选择打印到该打印机并提交了打印作业。他放下便携式计算机正准备开始欣赏电影时,便携式计算机上显示出一个弹出消息,通知他打印机的墨水用完了。因为打印机直连在 PC 上,所以这种情况是可能的。借助 UPnP,打印机和打印浏览器都使用了 UPnP 事件处理。

    父亲正准备叫他的儿子更换墨盒,儿子走过来告诉它墨盒已经换好了。就是这么凑巧,他的儿子一直在自己房间里的 PC 上做功课,他的 PC 也收到了相同的通知。网络中所有进行了事件获得登记的控制点都可以接收这样的通知。

    在服务描述中说明的状态变量也可以事件化。当这些变量更改时,服务会发布更新。控制点(如本例中的打印浏览器)可发送预定消息来预定接收这样的信息。事件的发布者可以接受预定请求并在响应中包含了该预定的有效期。预定者可以续定,当不再感兴趣时也可以取消预定。

    以下是用于事件处理的协议集合:


    图 12:用于事件处理的协议集合

    预定的 URL、预定有效期、具体的变量值以及变量名称都是用 GENA 进行格式化的,并使用 TCP/IP 发送。

     

    总结


    现在,计算支持比以往任何时候都多地被添加到更小、更普通的设备中。便宜并且普遍存在的网络媒体技术已经摆在您的面前,或者说已快要实现。近年来,网络和计算支持方面的价格已大幅下降。

    由于在网络化的日常设备中组合了易于使用和配置的计算支持和连接功能,从而带来了新的附加优点:日常任务更容易完成,人们有更多的时间享受更高质量的生活。人们可以比以往任何时候都多地与世界联系。当然,这同时也可能是一个让人们不知所措的发展。因此,为了让人们有效地使用,必须使任务变得简单。

    通用即插即用是一种开放式的倡导,借此可在现有的标准、技术和知识基础上,对它们重新加以利用,从而为网络世界提供新的前景和机会。它基于标准、功能强大,即使是最小型的设备也能简单地实现它,甚至能扩展到全球的Internet。通用即插即用基于已经时间证明的 Internet 协议方法,它虽然只是一种附加手段,但确实行之有效。

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