圖片風(fēng)格遷移指的是將一個(gè)圖片的風(fēng)格轉(zhuǎn)換到另一個(gè)圖片中西采,如圖所示:
原圖片經(jīng)過一系列的特征變換美尸,具有了新的紋理特征,這就叫做風(fēng)格遷移骄瓣。
VGG網(wǎng)絡(luò)
在實(shí)現(xiàn)風(fēng)格遷移之前停巷,需要先簡單了解一下VGG網(wǎng)絡(luò)(由于VGG網(wǎng)絡(luò)不斷使用卷積提取特征的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和準(zhǔn)確的圖像識(shí)別效率,在這里我們使用VGG網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行圖像的風(fēng)格遷移)榕栏。
如上圖所示畔勤,從A-E的每一列都表示了VGG網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)原理,其分別為:VGG-11扒磁,VGG-13庆揪,VGG-16,VGG-19渗磅,如下圖,一副圖片經(jīng)過VGG-19網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以最后得到一個(gè)分類結(jié)構(gòu)检访。
風(fēng)格遷移
對(duì)一副圖像進(jìn)行風(fēng)格遷移始鱼,需要清楚的有兩點(diǎn)。
- 生成的圖像需要具有原圖片的內(nèi)容特征
- 生成的圖像需要具有風(fēng)格圖片的紋理特征
根據(jù)這兩點(diǎn)脆贵,可以確定医清,要想實(shí)現(xiàn)風(fēng)格遷移,需要有兩個(gè)loss值:
一個(gè)是生成圖片的內(nèi)容特征與原圖的內(nèi)容特征的loss卖氨,另一個(gè)是生成圖片的紋理特征與風(fēng)格圖片的紋理特征的loss会烙。
而對(duì)一張圖片進(jìn)行不同的特征(內(nèi)容特征和紋理特征)提取,只需要使用不同的卷積結(jié)構(gòu)進(jìn)行訓(xùn)練即可以得到筒捺。這時(shí)我們需要用到兩個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)柏腻。
再回到VGG網(wǎng)絡(luò)上,VGG網(wǎng)絡(luò)不斷使用卷積層來提取特征系吭,利用特征將物品進(jìn)行分類五嫂,所以該網(wǎng)絡(luò)中提取內(nèi)容和紋理特征的參數(shù)都可以進(jìn)行遷移使用。故需要將生成的圖片經(jīng)過VGG網(wǎng)絡(luò)的特征提取,再分別針對(duì)內(nèi)容和紋理進(jìn)行特征的loss計(jì)算沃缘。
如圖躯枢,假設(shè)初始化圖像x(Input image)是一張隨機(jī)圖片,我們經(jīng)過fw(image Transform Net)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行生成槐臀,生成圖片y锄蹂。
此時(shí)y需要和風(fēng)格圖片ys進(jìn)行特征的計(jì)算得到一個(gè)loss_style,與內(nèi)容圖片yc進(jìn)行特征的計(jì)算得到一個(gè)loss_content水慨,假設(shè)loss=loss_style+loss_content得糜,便可以對(duì)fw的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行訓(xùn)練。
現(xiàn)在就可以看網(wǎng)上很常見的一張圖片了:
相較于我畫的第一張圖讥巡,這即對(duì)VGG內(nèi)的loss求值過程進(jìn)行了細(xì)化掀亩。細(xì)化的結(jié)果可以分為兩個(gè)方面:(1)內(nèi)容損失 (2)風(fēng)格損失
內(nèi)容損失
由于圖1中使用的模型是VGG-16,那么即相當(dāng)于在VGG-16的relu3-3處欢顷,對(duì)兩張圖片求得的特征進(jìn)行計(jì)算求損失槽棍,計(jì)算的函數(shù)如下:
簡言之,假設(shè)yc求得的特征矩陣是φ(y)抬驴,生成圖片求得的特征矩陣為φ(y^)炼七,且
c=φ.channel,w=φ.weight布持,h=φ.height豌拙,則有:
可以簡單使用代碼實(shí)現(xiàn):
def content_loss(content_img, rand_img):
content_layers = [('relu3_3', 1.0)]
content_loss = 0.0
# 逐個(gè)取出衡量內(nèi)容損失的vgg層名稱及對(duì)應(yīng)權(quán)重
for layer_name, weight in content_layers:
# 計(jì)算特征矩陣
p = get_vgg(content_img, layer_name)
x = get_vgg(rand_img, layer_name)
# 長x寬xchannel
M = p.shape[1] * p.shape[2] * p.shape[3]
# 根據(jù)公式計(jì)算損失,并進(jìn)行累加
content_loss += (1.0 / M) * tf.reduce_sum(tf.pow(p - x, 2)) * weight
# 將損失對(duì)層數(shù)取平均
content_loss /= len(content_layers)
return content_loss
風(fēng)格損失
風(fēng)格損失由多個(gè)特征一同計(jì)算题暖,首先需要計(jì)算Gram Matrix
Gram Matrix實(shí)際上可看做是feature之間的偏心協(xié)方差矩陣(即沒有減去均值的協(xié)方差矩陣)按傅,在feature map中,每一個(gè)數(shù)字都來自于一個(gè)特定濾波器在特定位置的卷積胧卤,因此每個(gè)數(shù)字就代表一個(gè)特征的強(qiáng)度唯绍,而Gram計(jì)算的實(shí)際上是兩兩特征之間的相關(guān)性,哪兩個(gè)特征是同時(shí)出現(xiàn)的枝誊,哪兩個(gè)是此消彼長的等等况芒,同時(shí),Gram的對(duì)角線元素叶撒,還體現(xiàn)了每個(gè)特征在圖像中出現(xiàn)的量绝骚,因此,Gram有助于把握整個(gè)圖像的大體風(fēng)格祠够。有了表示風(fēng)格的Gram Matrix压汪,要度量兩個(gè)圖像風(fēng)格的差異,只需比較他們Gram Matrix的差異即可古瓤。 故在計(jì)算損失的時(shí)候函數(shù)如下:
在實(shí)際使用時(shí)蛾魄,該loss的層級(jí)一般選擇由低到高的多個(gè)層,比如VGG16中的第2、4滴须、7舌狗、10個(gè)卷積層,然后將每一層的style loss相加扔水。
第三個(gè)部分不是必須的痛侍,被稱為Total Variation Loss。實(shí)際上是一個(gè)平滑項(xiàng)(一個(gè)正則化項(xiàng))魔市,目的是使生成的圖像在局部上盡可能平滑主届,而它的定義和馬爾科夫隨機(jī)場(MRF)中使用的平滑項(xiàng)非常相似。 其中yn+1是yn的相鄰像素待德。
代碼實(shí)現(xiàn)以上函數(shù):
# 求gamm矩陣
def gram(x, size, deep):
x = tf.reshape(x, (size, deep))
g = tf.matmul(tf.transpose(x), x)
return g
def 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
# 逐個(gè)取出衡量風(fēng)格損失的vgg層名稱及對(duì)應(yīng)權(quán)重
for layer_name, weight in style_layers:
# 計(jì)算特征矩陣
a = get_vgg(style_img, layer_name)
x = get_vgg(rand_img, layer_name)
# 長x寬
M = a.shape[1] * a.shape[2]
N = a.shape[3]
# 計(jì)算gram矩陣
A = gram(a, M, N)
G = gram(x, M, N)
# 根據(jù)公式計(jì)算損失君丁,并進(jìn)行累加
style_loss += (1.0 / (4 * M * M * N * N)) * tf.reduce_sum(tf.pow(G - A, 2)) * weight
# 將損失對(duì)層數(shù)取平均
style_loss /= len(style_layers)
return style_loss
主代碼實(shí)現(xiàn)
代碼實(shí)現(xiàn)主要分為4步:
1、隨機(jī)生成圖片
2将宪、讀取內(nèi)容和風(fēng)格圖片
3绘闷、計(jì)算總的loss
4、訓(xùn)練修改生成圖片的參數(shù)较坛,使得loss最小
簡單實(shí)現(xiàn)主要函數(shù)
def main():
# 生成圖片
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')
# 計(jì)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):
# 訓(xùn)練
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 + "http://" + str(step) + ".jpg"
cv2.imwrite(name, img)
遷移模型實(shí)現(xiàn)
由于在進(jìn)行l(wèi)oss值求解時(shí)印蔗,需要在多個(gè)網(wǎng)絡(luò)層求得特征值,并根據(jù)特征值進(jìn)行帶權(quán)求和丑勤,所以需要根據(jù)已有的VGG網(wǎng)絡(luò)华嘹,取其參數(shù),重新建立VGG網(wǎng)絡(luò)法竞。
注意:在這里使用到的是VGG-19網(wǎng)絡(luò):
在重建的之前耙厚,首先應(yīng)該下載Google已經(jīng)訓(xùn)練好的VGG-19網(wǎng)絡(luò),以便提取出已經(jīng)訓(xùn)練好的參數(shù)岔霸,在重建的VGG-19網(wǎng)絡(luò)中重新利用薛躬。
下載地址:http://www.vlfeat.org/matconvnet/models/beta16/imagenet-vgg-verydeep-19.mat
下載得到.mat文件以后,便可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)重建了秉剑。已知VGG-19網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如上述圖1中的E網(wǎng)絡(luò)泛豪,則可以根據(jù)E網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)對(duì)網(wǎng)絡(luò)重建稠诲,VGG-19網(wǎng)絡(luò):
進(jìn)行重建即根據(jù)VGG-19模型的結(jié)構(gòu)重新創(chuàng)建一個(gè)結(jié)構(gòu)相同的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)侦鹏,提取出已經(jīng)訓(xùn)練好的參數(shù)作為新的網(wǎng)絡(luò)的參數(shù),設(shè)置為不可改變的常量即可臀叙。
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'] = net
for 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]=net
return network
由于計(jì)算風(fēng)格特征和內(nèi)容特征時(shí)數(shù)據(jù)都不會(huì)改變略水,所以為了節(jié)省訓(xùn)練時(shí)間,在訓(xùn)練之前先計(jì)算出特征結(jié)果(該函數(shù)封裝在以下代碼get_neck()函數(shù)中)劝萤。
總的代碼如下:
import tensorflow as tf
import numpy as np
import scipy.io
import cv2
import scipy.misc
HEIGHT = 300
WIGHT = 450
LEARNING_RATE = 1.0
NOISE = 0.5
ALPHA = 1
BETA = 500
TRAIN_STEPS = 200
OUTPUT_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'] = net
for 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]=net
return network
# 求gamm矩陣
def gram(x, size, deep):
x = tf.reshape(x, (size, deep))
g = tf.matmul(tf.transpose(x), x)
return g
def style_loss(sess, style_neck, model):
style_loss = 0.0
for layer_name, weight in STYLE_LAUERS:
# 計(jì)算特征矩陣
a = style_neck[layer_name]
x = model[layer_name]
# 長x寬
M = a.shape[1] * a.shape[2]
N = a.shape[3]
# 計(jì)算gram矩陣
A = gram(a, M, N)
G = gram(x, M, N)
# 根據(jù)公式計(jì)算損失渊涝,并進(jìn)行累加
style_loss += (1.0 / (4 * M * M * N * N)) * tf.reduce_sum(tf.pow(G - A, 2)) * weight
# 將損失對(duì)層數(shù)取平均
style_loss /= len(STYLE_LAUERS)
return style_loss
def content_loss(sess, content_neck, model):
content_loss = 0.0
# 逐個(gè)取出衡量內(nèi)容損失的vgg層名稱及對(duì)應(yīng)權(quán)重
for layer_name, weight in CONTENT_LAYERS:
# 計(jì)算特征矩陣
p = content_neck[layer_name]
x = model[layer_name]
# 長x寬xchannel
M = 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
# 根據(jù)公式計(jì)算損失,并進(jìn)行累加
# 將損失對(duì)層數(shù)取平均
content_loss /= len(CONTENT_LAYERS)
return content_loss
def 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_img
def 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:
# 計(jì)算特征矩陣
p = sess.run(model[layer_name])
content_neck[layer_name] = p
sess.run(tf.assign(model['input'], style_img))
style_content = {}
for layer_name, weight in STYLE_LAUERS:
# 計(jì)算特征矩陣
a = sess.run(model[layer_name])
style_content[layer_name] = a
return content_neck, style_content
def 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]
# 生成圖片
rand_img = random_img(HEIGHT, WIGHT, content_img)
with tf.Session() as sess:
# 計(jì)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)
# 訓(xùn)練
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 + "http://" + 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()
由于時(shí)間原因,我訓(xùn)練了200次后得出的結(jié)果為:
可以增加訓(xùn)練迭代次數(shù)跨释,獲得效果更佳的風(fēng)格遷移圖像胸私。