Deep Unfolding Transformers for Sparse Recovery of Video

计算机科学 稀疏矩阵 变压器 人工智能 算法 工程类 电气工程 物理 量子力学 电压 高斯分布
作者
Brent De Weerdt,Yonina C. Eldar,Nikos Deligiannis
出处
期刊:IEEE Transactions on Signal Processing [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:72: 1782-1796 被引量:6
标识
DOI:10.1109/tsp.2024.3381749
摘要

Deep unfolding models are designed by unrolling an optimization algorithm into a deep learning network.By incorporating domain knowledge from the optimization algorithm, they have shown faster convergence and higher performance compared to the original algorithm.We design an optimization problem for sequential signal recovery, which incorporates that the signals have a sparse representation in a dictionary and are correlated over time.A corresponding optimization algorithm is derived and unfolded into a deep unfolding Transformer encoder architecture, coined DUST.To show its improved reconstruction quality and flexibility in handling sequences of different lengths, we perform extensive experiments on video frame reconstruction from low-dimensional and/or noisy measurements, using several video datasets.We evaluate extensions to the base DUST model incorporating token normalization and multi-head attention, and compare our proposed networks with several deep unfolding recurrent neural networks (RNNs), generic unfolded and vanilla Transformers, and several video denoising models.The results show that our proposed Transformer architecture improves the reconstruction quality over state-of-the-art deep unfolding RNNs, existing Transformer networks, as well as state-of-the-art video denoising models, while significantly reducing the model size and computational cost of training and inference.
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