竞赛 题目：基于深度学习的图像风格迁移 - [ 卷积神经网络 机器视觉 ]

0 简介

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图片风格迁移指的是将一个图片的风格转换到另一个图片中，如图所示：

原图片经过一系列的特征变换，具有了新的纹理特征，这就叫做风格迁移。

1 VGG网络

在实现风格迁移之前，需要先简单了解一下VGG网络（由于VGG网络不断使用卷积提取特征的网络结构和准确的图像识别效率，在这里我们使用VGG网络来进行图像的风格迁移）。

如上图所示，从A-
E的每一列都表示了VGG网络的结构原理，其分别为：VGG-11，VGG-13，VGG-16，VGG-19，如下图，一副图片经过VGG-19网络结构可以最后得到一个分类结构。

2 风格迁移

对一副图像进行风格迁移，需要清楚的有两点。

• 生成的图像需要具有原图片的内容特征
• 生成的图像需要具有风格图片的纹理特征

根据这两点，可以确定，要想实现风格迁移，需要有两个loss值：
一个是生成图片的内容特征与原图的内容特征的loss，另一个是生成图片的纹理特征与风格图片的纹理特征的loss。

而对一张图片进行不同的特征（内容特征和纹理特征）提取，只需要使用不同的卷积结构进行训练即可以得到。这时我们需要用到两个神经网络。

再回到VGG网络上，VGG网络不断使用卷积层来提取特征，利用特征将物品进行分类，所以该网络中提取内容和纹理特征的参数都可以进行迁移使用。故需要将生成的图片经过VGG网络的特征提取，再分别针对内容和纹理进行特征的loss计算。

如图，假设初始化图像x（Input image）是一张随机图片，我们经过fw（image Transform Net)网络进行生成，生成图片y。
此时y需要和风格图片ys进行特征的计算得到一个loss_style，与内容图片yc进行特征的计算得到一个loss_content，假设loss=loss_style+loss_content，便可以对fw的网络参数进行训练。

现在就可以看网上很常见的一张图片了：

相较于我画的第一张图，这即对VGG内的loss求值过程进行了细化。

细化的结果可以分为两个方面：

• （1）内容损失
• （2）风格损失

3 内容损失

由于上图中使用的模型是VGG-16，那么即相当于在VGG-16的relu3-3处，对两张图片求得的特征进行计算求损失，计算的函数如下：

简言之，假设yc求得的特征矩阵是φ(y)，生成图片求得的特征矩阵为φ(y^)，且c=φ.channel，w=φ.weight，h=φ.height，则有：

代码实现：

​

def content_loss(content_img, rand_img):content_layers = [('relu3_3', 1.0)]content_loss = 0.0# 逐个取出衡量内容损失的vgg层名称及对应权重for layer_name, weight in content_layers:# 计算特征矩阵p = get_vgg(content_img, layer_name)x = get_vgg(rand_img, layer_name)# 长x宽xchannelM = p.shape[1] * p.shape[2] * p.shape[3]# 根据公式计算损失，并进行累加content_loss += (1.0 / M) * tf.reduce_sum(tf.pow(p - x, 2)) * weight# 将损失对层数取平均content_loss /= len(content_layers)return content_loss

4 风格损失

风格损失由多个特征一同计算，首先需要计算Gram Matrix

Gram Matrix实际上可看做是feature之间的偏心协方差矩阵（即没有减去均值的协方差矩阵），在feature
map中，每一个数字都来自于一个特定滤波器在特定位置的卷积，因此每个数字就代表一个特征的强度，而Gram计算的实际上是两两特征之间的相关性，哪两个特征是同时出现的，哪两个是此消彼长的等等，同时，Gram的对角线元素，还体现了每个特征在图像中出现的量，因此，Gram有助于把握整个图像的大体风格。有了表示风格的Gram
Matrix，要度量两个图像风格的差异，只需比较他们Gram Matrix的差异即可。 故在计算损失的时候函数如下：

在实际使用时，该loss的层级一般选择由低到高的多个层，比如VGG16中的第2、4、7、10个卷积层，然后将每一层的style loss相加。

第三个部分不是必须的，被称为Total Variation
Loss。实际上是一个平滑项（一个正则化项），目的是使生成的图像在局部上尽可能平滑，而它的定义和马尔科夫随机场（MRF）中使用的平滑项非常相似。
其中yn+1是yn的相邻像素。

代码实现以上函数：

​

# 求gamm矩阵
def gram(x, size, deep):x = tf.reshape(x, (size, deep))g = tf.matmul(tf.transpose(x), x)return gdef style_loss(style_img, rand_img):style_layers = [('relu1_2', 0.25), ('relu2_2', 0.25), ('relu3_3', 0.25), ('reluv4_3', 0.25)]style_loss = 0.0# 逐个取出衡量风格损失的vgg层名称及对应权重for layer_name, weight in style_layers:# 计算特征矩阵a = get_vgg(style_img, layer_name)x = get_vgg(rand_img, layer_name)# 长x宽M = a.shape[1] * a.shape[2]N = a.shape[3]# 计算gram矩阵A = gram(a, M, N)G = gram(x, M, N)# 根据公式计算损失，并进行累加style_loss += (1.0 / (4 * M * M * N * N)) * tf.reduce_sum(tf.pow(G - A, 2)) * weight# 将损失对层数取平均style_loss /= len(style_layers)return style_loss

5 主代码实现

代码实现主要分为4步：

• 1、随机生成图片

• 2、读取内容和风格图片

• 3、计算总的loss

• 4、训练修改生成图片的参数，使得loss最小

    * def main():# 生成图片rand_img = tf.Variable(random_img(WIGHT, HEIGHT), dtype=tf.float32）with tf.Session() as sess:content_img = cv2.imread('content.jpg')style_img = cv2.imread('style.jpg')# 计算loss值cost = ALPHA * content_loss(content_img, rand_img) + BETA * style_loss(style_img, rand_img)optimizer = tf.train.AdamOptimizer(LEARNING_RATE).minimize(cost)sess.run(tf.global_variables_initializer())for step in range(TRAIN_STEPS):# 训练sess.run([optimizer,  rand_img])if step % 50 == 0:img = sess.run(rand_img)img = np.clip(img, 0, 255).astype(np.uint8)name = OUTPUT_IMAGE + "//" + str(step) + ".jpg"cv2.imwrite(name, img)

  6 迁移模型实现

由于在进行loss值求解时，需要在多个网络层求得特征值，并根据特征值进行带权求和，所以需要根据已有的VGG网络，取其参数，重新建立VGG网络。
注意：在这里使用到的是VGG-19网络：

在重建的之前，首先应该下载Google已经训练好的VGG-19网络，以便提取出已经训练好的参数，在重建的VGG-19网络中重新利用。

下载得到.mat文件以后，便可以进行网络重建了。已知VGG-19网络的网络结构如上述图1中的E网络，则可以根据E网络的结构对网络重建，VGG-19网络：

进行重建即根据VGG-19模型的结构重新创建一个结构相同的神经网络，提取出已经训练好的参数作为新的网络的参数，设置为不可改变的常量即可。

​

def vgg19():layers=('conv1_1','relu1_1','conv1_2','relu1_2','pool1','conv2_1','relu2_1','conv2_2','relu2_2','pool2','conv3_1','relu3_1','conv3_2','relu3_2','conv3_3','relu3_3','conv3_4','relu3_4','pool3','conv4_1','relu4_1','conv4_2','relu4_2','conv4_3','relu4_3','conv4_4','relu4_4','pool4','conv5_1','relu5_1','conv5_2','relu5_2','conv5_3','relu5_3','conv5_4','relu5_4','pool5')vgg = scipy.io.loadmat('D://python//imagenet-vgg-verydeep-19.mat')weights = vgg['layers'][0]network={}net = tf.Variable(np.zeros([1, 300, 450, 3]), dtype=tf.float32)network['input'] = netfor i,name in enumerate(layers):layer_type=name[:4]if layer_type=='conv':kernels = weights[i][0][0][0][0][0]bias = weights[i][0][0][0][0][1]conv=tf.nn.conv2d(net,tf.constant(kernels),strides=(1,1,1,1),padding='SAME',name=name)net=tf.nn.relu(conv + bias)elif layer_type=='pool':net=tf.nn.max_pool(net,ksize=(1,2,2,1),strides=(1,2,2,1),padding='SAME')network[name]=netreturn network

由于计算风格特征和内容特征时数据都不会改变，所以为了节省训练时间，在训练之前先计算出特征结果(该函数封装在以下代码get_neck()函数中)。

总的代码如下：

​

import tensorflow as tfimport numpy as npimport scipy.ioimport cv2import scipy.miscHEIGHT = 300WIGHT = 450LEARNING_RATE = 1.0NOISE = 0.5ALPHA = 1BETA = 500TRAIN_STEPS = 200OUTPUT_IMAGE = "D://python//img"STYLE_LAUERS = [('conv1_1', 0.2), ('conv2_1', 0.2), ('conv3_1', 0.2), ('conv4_1', 0.2), ('conv5_1', 0.2)]CONTENT_LAYERS = [('conv4_2', 0.5), ('conv5_2',0.5)]def vgg19():layers=('conv1_1','relu1_1','conv1_2','relu1_2','pool1','conv2_1','relu2_1','conv2_2','relu2_2','pool2','conv3_1','relu3_1','conv3_2','relu3_2','conv3_3','relu3_3','conv3_4','relu3_4','pool3','conv4_1','relu4_1','conv4_2','relu4_2','conv4_3','relu4_3','conv4_4','relu4_4','pool4','conv5_1','relu5_1','conv5_2','relu5_2','conv5_3','relu5_3','conv5_4','relu5_4','pool5')vgg = scipy.io.loadmat('D://python//imagenet-vgg-verydeep-19.mat')weights = vgg['layers'][0]network={}net = tf.Variable(np.zeros([1, 300, 450, 3]), dtype=tf.float32)network['input'] = netfor i,name in enumerate(layers):layer_type=name[:4]if layer_type=='conv':kernels = weights[i][0][0][0][0][0]bias = weights[i][0][0][0][0][1]conv=tf.nn.conv2d(net,tf.constant(kernels),strides=(1,1,1,1),padding='SAME',name=name)net=tf.nn.relu(conv + bias)elif layer_type=='pool':net=tf.nn.max_pool(net,ksize=(1,2,2,1),strides=(1,2,2,1),padding='SAME')network[name]=netreturn network# 求gamm矩阵def gram(x, size, deep):x = tf.reshape(x, (size, deep))g = tf.matmul(tf.transpose(x), x)return gdef style_loss(sess, style_neck, model):style_loss = 0.0for layer_name, weight in STYLE_LAUERS:# 计算特征矩阵a = style_neck[layer_name]x = model[layer_name]# 长x宽M = a.shape[1] * a.shape[2]N = a.shape[3]# 计算gram矩阵A = gram(a, M, N)G = gram(x, M, N)# 根据公式计算损失，并进行累加style_loss += (1.0 / (4 * M * M * N * N)) * tf.reduce_sum(tf.pow(G - A, 2)) * weight# 将损失对层数取平均style_loss /= len(STYLE_LAUERS)return style_lossdef content_loss(sess, content_neck, model):content_loss = 0.0# 逐个取出衡量内容损失的vgg层名称及对应权重for layer_name, weight in CONTENT_LAYERS:# 计算特征矩阵p = content_neck[layer_name]x = model[layer_name]# 长x宽xchannelM = p.shape[1] * p.shape[2]N = p.shape[3]lss = 1.0 / (M * N)content_loss += lss * tf.reduce_sum(tf.pow(p - x, 2)) * weight# 根据公式计算损失，并进行累加# 将损失对层数取平均content_loss /= len(CONTENT_LAYERS)return content_lossdef random_img(height, weight, content_img):noise_image = np.random.uniform(-20, 20, [1, height, weight, 3])random_img = noise_image * NOISE + content_img * (1 - NOISE)return random_imgdef get_neck(sess, model, content_img, style_img):sess.run(tf.assign(model['input'], content_img))content_neck = {}for layer_name, weight in CONTENT_LAYERS:# 计算特征矩阵p = sess.run(model[layer_name])content_neck[layer_name] = psess.run(tf.assign(model['input'], style_img))style_content = {}for layer_name, weight in STYLE_LAUERS:# 计算特征矩阵a = sess.run(model[layer_name])style_content[layer_name] = areturn content_neck, style_contentdef main():model = vgg19()content_img = cv2.imread('D://a//content1.jpg')content_img = cv2.resize(content_img, (450, 300))content_img = np.reshape(content_img, (1, 300, 450, 3)) - [128.0, 128.2, 128.0]style_img = cv2.imread('D://a//style1.jpg')style_img = cv2.resize(style_img, (450, 300))style_img = np.reshape(style_img, (1, 300, 450, 3)) - [128.0, 128.2, 128.0]# 生成图片rand_img = random_img(HEIGHT, WIGHT, content_img)with tf.Session() as sess:# 计算loss值content_neck, style_neck = get_neck(sess, model, content_img, style_img)cost = ALPHA * content_loss(sess, content_neck, model) + BETA * style_loss(sess, style_neck, model)optimizer = tf.train.AdamOptimizer(LEARNING_RATE).minimize(cost)sess.run(tf.global_variables_initializer())sess.run(tf.assign(model['input'], rand_img))for step in range(TRAIN_STEPS):print(step)# 训练sess.run(optimizer)if step % 10 == 0:img = sess.run(model['input'])img += [128, 128, 128]img = np.clip(img, 0, 255).astype(np.uint8)name = OUTPUT_IMAGE + "//" + str(step) + ".jpg"img = img[0]cv2.imwrite(name, img)img = sess.run(model['input'])img += [128, 128, 128]img = np.clip(img, 0, 255).astype(np.uint8)cv2.imwrite("D://end.jpg", img[0])main()

7 效果展示

8 最后

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