风格迁移 Style transfer_专栏

一、介绍

将一张图片的艺术风格应用在另外一张图片上

风格迁移结果

使用深度卷积网络CNN提取一张图片的内容和提取一张图片的风格，然后将两者结合起来得到最后的结果

二、方法

提取图片内容和风格并重构

我们知道 CNN 可以捕捉图像的高层次特征，如上图所示，内容图片经过CNN可以得到对应的图像表述(representation, 就是经过卷积操作的feature map)，然后经过重构可以得到近似原图的效果
- 特别是前面几层经过重构得到的结果和原图更接近，也说明前几层保留的图片细节会更多，因为后面还有pooling层，自然会丢弃调一些信息
- 这里的网络使用的是VGG-16 (如下图)，包含 13 个卷积层，3 个全连接层

1、内容损失

假设一个卷积层包含 ${N_l}$ 个过滤器 filters，则可以得到 ${N_l}$ 个feature maps，假设 feature map的大小是 $M_l$ (长乘宽)，则可以通过一个矩阵来存储 l 层的数据 $$F^l \in R^{N_l \times M_l} $$
- $F^l_{i,j}$ 表示第 l 层的第 i 个filter 在 j 位置上的激活值
所以现在一张内容图片$\overrightarrow p$，一张生成图片$\overrightarrow x$(初始值为高斯分布), 经过一层卷积层l可以得到其对应的特征表示：$P^l$ 和 $Fl$, 则对应的损失采用均方误差: $$L{content}(\overrightarrow p, \overrightarrow x, l) = {1 \over 2} \sum{ij}(F^l{ij}-P^l_{ij})^2$$
- $F$ 和 $P$是两个矩阵，大小是$N_l \times M_l$，即l层过滤器的个数和 feature map 的长乘宽的值

2、风格损失

风格的表示这里采用格拉姆矩阵(Gram Matrix): $G^l \in R^{N_l \times Nl}$ $$G^l{ij} = {\sumk F^l{ik}F^l_{jk}}$$
- 格拉姆矩阵计算的是两两特征的相关性 , 即哪两个特征是同时出现的，哪两个特征是此消彼长的等，能够保留图像的风格
- ( 比如一幅画中有人和树，它们可以出现在任意位置，格拉姆矩阵可以衡量它们之间的关系，可以认为是这幅画的风格信息 )
假设$\overrightarrow a$是风格图像，$\overrightarrow x$是生成图像，$A^l$ 和 $G^l$ 表示在 $l$ 层的格拉姆矩阵，则这一层的损失为：$$E_l = {1 \over 4N^2_lM^2l}{\sum{i,j} (G^l{ij}-A^l{ij})^2}$$
提取风格信息是我们会使用多个卷积层的输出，所以总损失为：$$L_{style}(\overrightarrow a, \overrightarrow x) = {\sum^L_lw_lE_l}$$
- 这里$w_l$是每一层损失的权重

3、总损失函数

通过白噪声初始化(就是高斯分布)一个输出的结果，然后通过网络对这个结果进行风格和内容两方面的约束进行修正
$$L{total}(\overrightarrow p,\overrightarrow a,\overrightarrow x)=\alpha L{content}(\overrightarrow p, \overrightarrow x) +\beta L_{style}(\overrightarrow a, \overrightarrow x)$$

三、代码实现

1、说明

全部代码：点击查看
图像使用一张建筑图和梵高的星空

2、加载并预处理图片和初始化输出图片

输出图片采用高斯分布初始化

import numpy as np
from keras import backend as K
from keras.applications.vgg16 import preprocess_input
from keras.preprocessing.image import load_img, img_to_array

from keras.applications import VGG16
from scipy.optimize import fmin_l_bfgs_b
from matplotlib import pyplot as plt

'''图片路径'''
content_image_path = './data/buildings.jpg'
style_image_path = './data/starry-sky.jpg'
generate_image_path = './data/output.jpg'

'''加载图片并初始化输出图片'''
target_height = 512
target_width = 512
target_size = (target_height, target_width)

content_image = load_img(content_image_path, target_size=target_size)
content_image_array = img_to_array(content_image)
content_image_array = K.variable(preprocess_input(np.expand_dims(content_image_array, 0)), dtype='float32')

style_image = load_img(style_image_path, target_size=target_size)
style_image_array = img_to_array(style_image)
style_image_array = K.variable(preprocess_input(np.expand_dims(style_image_array, 0)), dtype='float32')

generate_image = np.random.randint(256, size=(target_width, target_height, 3)).astype('float64')
generate_image = preprocess_input(np.expand_dims(generate_image, 0))
generate_image_placeholder = K.placeholder(shape=(1, target_width, target_height, 3))

3、获取网络中对应层的输出

def get_feature_represent(x, layer_names, model):
    '''图片的特征图表示

    参数
    ----------------------------------------------
    x : 输入，
        这里并没有使用，可以看作一个输入的标识
    layer_names : list
        CNN网络层的名字
    model : CNN模型

    返回值
    ----------------------------------------------
    feature_matrices : list
        经过CNN卷积层的特征表示，这里大小是(filter个数, feature map的长*宽)

    '''
    feature_matrices = []
    for ln in layer_names:
        select_layer = model.get_layer(ln)
        feature_raw = select_layer.output
        feature_raw_shape = K.shape(feature_raw).eval(session=tf_session)
        N_l = feature_raw_shape[-1]
        M_l = feature_raw_shape[1]*feature_raw_shape[2]
        feature_matrix = K.reshape(feature_raw, (M_l, N_l))
        feature_matrix = K.transpose(feature_matrix)
        feature_matrices.append(feature_matrix)
    return feature_matrices

4、内容损失函数

def get_content_loss(F, P):
    '''计算内容损失

    参数
    ---------------------------------------
    F : tensor, float32
        生成图片特征图矩阵
    P : tensor, float32
        内容图片特征图矩阵

    返回值
    ---------------------------------------
    content_loss : tensor, float32
        内容损失
    '''
    content_loss = 0.5*K.sum(K.square(F-P))
    return content_loss

5、Gram矩阵和风格损失

def get_gram_matrix(F):
    '''计算gram矩阵'''
    G = K.dot(F, K.transpose(F))
    return G

def get_style_loss(ws, Gs, As):
    '''计算风格损失

    参数
    ---------------------------------------
    ws : array
         每一层layer的权重
    Gs : list
         生成图片每一层得到的特征表示组成的list
    As : list
         风格图片每一层得到的特征表示组成的list
    '''
    style_loss = K.variable(0.)
    for w, G, A in zip(ws, Gs, As):
        M_l = K.int_shape(G)[1]
        N_l = K.int_shape(G)[0]
        G_gram = get_gram_matrix(G)
        A_gram = get_gram_matrix(A)
        style_loss += w*0.25*K.sum(K.square(G_gram-A_gram))/(N_l**2*M_l**2)
    return style_loss

6、总损失

def get_total_loss(generate_image_placeholder, alpha=1.0, beta=10000.0):
    '''总损失
    '''
    F = get_feature_represent(generate_image_placeholder, layer_names=[content_layer_name], model=gModel)[0]
    Gs = get_feature_represent(generate_image_placeholder, layer_names=style_layer_names, model=gModel)
    content_loss = get_content_loss(F, P)
    style_loss = get_style_loss(ws, Gs, As)
    total_loss = alpha*content_loss + beta*style_loss
    return total_loss

def calculate_loss(gen_image_array):
    '''调用总损失函数，计算得到总损失数值'''
    if gen_image_array != (1, target_width, target_height, 3):
        gen_image_array = gen_image_array.reshape((1, target_width, target_height, 3))
    loss_fn = K.function(inputs=[gModel.input], outputs=[get_total_loss(gModel.input)])
    return loss_fn([gen_image_array])[0].astype('float64')

7、损失函数梯度

def get_grad(gen_image_array):
    '''计算损失函数的梯度'''
    if gen_image_array != (1, target_width, target_height, 3):
        gen_image_array = gen_image_array.reshape((1, target_width, target_height, 3))
    grad_fn = K.function([gModel.input], K.gradients(get_total_loss(gModel.input), [gModel.input]))
    grad = grad_fn([gen_image_array])[0].flatten().astype('float64')
    return grad

8、生成结果后处理

因为之前preprocess_input函数中做了处理，这里进行逆处理还原

def postprocess_array(x):
'''生成图片后处理，因为之前preprocess_input函数中做了处理，这里进行逆处理还原

'''
if x.shape != (target_width, target_height, 3):
    x = x.reshape((target_width, target_height, 3))
x[..., 0] += 103.939
x[..., 1] += 116.779
x[..., 2] += 123.68

x = x[..., ::-1]  # BGR-->RGB
x = np.clip(x, 0, 255)
x = x.astype('uint8')
return x

9、定义模型并优化

'''定义VGG模型'''
tf_session = K.get_session()
cModel = VGG16(include_top=False, input_tensor=content_image_array)
sModel = VGG16(include_top=False, input_tensor=style_image_array)
gModel = VGG16(include_top=False, input_tensor=generate_image_placeholder)
content_layer_name = 'block4_conv2'
style_layer_names = [
    'block1_conv1',
    'block2_conv1',
    'block3_conv1',
    'block4_conv1'
]

'''得到对应的representation矩阵'''
P = get_feature_represent(x=content_image_array, layer_names=[content_layer_name], model=cModel)[0]
As = get_feature_represent(x=style_image_array, layer_names=style_layer_names, model=sModel)
ws = np.ones(len(style_layer_names))/float(len(style_layer_names))

'''使用fmin_l_bfgs_b进行损失函数优化'''
iterations = 600
x_val = generate_image.flatten()
xopt, f_val, info = fmin_l_bfgs_b(func=calculate_loss, x0=x_val, fprime=get_grad, maxiter=iterations, disp=True)

x_out = postprocess_array(xopt)

10、输出结果

初始化输出图片

初始化输出图片

迭代200次，${\beta \over \alpha} = 10^3$
迭代500轮，${\beta \over \alpha} = 10^4$

四、总结

style tranfer通过白噪声初始化(就是高斯分布)一个输出的结果，然后通过优化损失对这个结果进行风格和内容两方面的约束修正
图片的风格信息使用的是 Gram矩阵来表示
其中超参数风格损失的权重ws、内容损失和风格损失的权重$\alpha$, $\beta$可以进行调整查看结果
- 论文给出的${\beta \over \alpha} = 10^3或10^4$结果较好，可以自己适当增加看看最后的结果