使用Pytorch实现风格迁移(Neural-Transfer)

# 前言

本文主要向大家分享一个小编刚刚学习的神经网络应用的实例：风格迁移(Neural-Transfer)。这是一个由 Leon A. Gatys，Alexander S. Ecker和Matthias Bethge提出的算法。通过这个算法，我们可以用一种新的风格对指定图片进行重构，更通俗一点即：风格图片+内容图片=输出图片，即：

如上图所示，神经风格迁移可以将内容图像的内容、风格图像的风格混合在一起，使得输出的图片看起来像内容图像，但采用了风格图像的风格。这就生成了一个带有《星空》风格的风景图，是不是很有趣呢？下面让我们一起来看看它是怎么实现的吧！

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基本原理

原理很简单：我们定义了两个距离，一个为内容D_c和一个用于样式D_s。D_c 测量两个图像之间的内容有多大不同，而 D_s衡量两个图像之间风格的差异。然后，我们生成第三张图片，并利用D_c和D_s来优化这张图片，使其与内容图片的内容差别和风格图片的风格差别最小化。当然，我们的第一步是利用卷积神经网络提取出图片的特征，如图所示：

02

读入图片

现在我们导入content和style的原图，我们需要使用PIL中的Image来读取内存中的图片（PS：opencv也可以，但PIL的效果更好一点），再用torchvision中的transforms将读入图片转化为tensor以便之后的操作。另外，我们还需要定义一个用于输出图像的函数，以便输出最终所得到的图片，该函数会将tensor转化为图像。

代码如下：

# load_img模块import PIL.Image as Imageimport torchimport torchvision.transforms as transforms
img_size = 512 if torch.cuda.is_available() else 128#根据设备选择改变后项数大小def load_img(img_path):#图像读入    img = Image.open(img_path).convert('RGB')#将图像读入并转换成RGB形式    img = img.resize(img_size, img_size)#调整读入图像像素大小    img = transforms.ToTensor()(img)#将图像转化为tensor    img = img.unsqueeze(0)#在0维上增加一个维度    return img
def show_img(img):#图像输出    img = img.squeeze(0)#将多余的0维通道删去    img = transforms.ToPILImage()(img)#将tensor转化为图像    img.show()

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损失函数

下一步是定义我们的损失函数，为了实现神经风格迁移，我们需要定义一个关于生成图像（Generated image）G的损失函数，用于评价生成图像的好坏。通过最小化损失函数的方式，来生成所要的图像。损失函数需要分成两部分，一个是内容损失函数，它是关于生成图像G与内容图像C的函数，用于衡量生成图像与内容图像在内容上有多相似；一个是风格损失函数，关于生成图像G与风格图像S的函数，用于衡量生成图像与风格图像在风格上的相似度。最后需要用两个超参数α和β来确定两个函数之间的权重，我们的总损失是它们两个的加权和，即

那么我们的关键就在于先单独求出内容损失和风格损失，计算它们的损失也很简单，首先我们看一下内容损失，我们使用最简单的均方误差：

上式是内容损失函数的定义。其中l代表第l层的特征表示，p是原始内容图片特征图，x是生成图片特征图。公式的含义就是对于每一层，原始图片的特征图（feature map）和生成图片的特征图的一一对应做差值平方和。

然后我们需要对损失梯度下降求导来优化参数

对于风格损失我们还需要引入Gram矩阵来帮助我们表示图像的风格特征，我们读入图像卷积层的输出形状为C × H × W ，C是卷积核的通道数，每个卷积核学习图像不同特征，每个卷积核输出H × W 代表这张图像的一个feature map，读入RGB图像的三色通道相当于三个feature map，我们用Gram矩阵来计算feature map间的相似性，得到图像的风格特征。

关于Gram矩阵

由于计算风格损失需要Gram矩阵，所以我们先来了解一下它吧。

Gram矩阵的定义：

Gram矩阵计算公式：

F表示生成图像的feature map。上面式子的含义：第l层的Gram矩阵第i行，第j列的数值等于把生成图像在第l层的第i个feature map与第j个feature map分别拉成一维后相乘求和，即Gram矩阵中的每个值都是每个通道 i 的feature map与每个通道 j 的feature map的内积，由于内积可以判断两个向量之间的夹角和方向关系（如：若a·b>0，则二者方向相同，夹角在0°到90°之间），所以Gram矩阵中的值可以反映出两个feature map之间的某种关系。

Gram矩阵可以看是feature之间的偏心协方差矩阵，feature map中的每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。Gram的对角线元素提供了不同特征图各自的信息，而其余元素提供了不同特征图之间的相关信息，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矩阵，要度量两个图像风格的差异，只需比较他们Gram矩阵的差异即可。

然后我们就可以利用Gram矩阵提取的风格特征计算损失了，这里我们仍然使用均方误差，并进行归一化操作。

上面是第l层的风格损失函数，N是指生成图feature map数量，M是图片宽乘高，G是生成图像的Gram矩阵，A是风格图像的Gram矩阵。

然后是梯度下降：

最终的风格损失函数为每一层的风格损失加权求和可得。式中，a是指风格图像，x是指生成图像，w是指权重：

下面我们看看如何用代码实现它：

# loss板块import torch.nn as nnimport torch
class Content_Loss(nn.Module):#内容损失    def __init__(self, target, weight):        super(Content_Loss, self).__init__()#继承父类的初始化        self.weight = weight        self.target = target.detach() * self.weight        # 必须要用detach来分离出target，这时候target不再是一个Variable，这是为了动态计算梯度，否则forward会出错，不能向前传播        self.criterion = nn.MSELoss()#利用均方误差计算损失            def forward(self, input):#向前计算损失        self.loss = self.criterion(input * self.weight, self.target)        out = input.clone()        return out            def backward(self, retain_graph=True):#反向求导        self.loss.backward(retain_graph=retain_graph)        return self.loss                class Gram(nn.Module):#定义Gram矩阵    def __init__(self):        super(Gram, self).__init__()            def forward(self, input):#向前计算Gram矩阵        a, b, c, d = input.size()#a为批量大小，b为feature map的数量，c*d为feature map的大小        feature = input.view(a * b, c * d)        gram = torch.mm(feature, feature.t())        gram /= (a * b * c * d)        return gram                class Style_Loss(nn.Module):#风格损失    def __init__(self, target, weight):        super(Style_Loss, self).__init__()        self.weight = weight        self.target = target.detach() * self.weight        self.gram = Gram()        self.criterion = nn.MSELoss()            def forward(self, input):        G = self.gram(input) * self.weight        self.loss = self.criterion(G, self.target)        out = input.clone()        return out            def backward(self, retain_graph=True):        self.loss.backward(retain_graph=retain_graph)        return self.loss

04

模型构建

接下来就该构建我们的模型啦！虽然我们用的是已经预训练好的vgg框架，但我们还需要对它做一些“改造”：把我们之前构造好的损失函数加进去。毕竟“白嫖”也是有限度的嘛！话不多说，上代码！

# build_model模块import torch.nn as nnimport torchimport torchvision.models as modelsimport loss  # 指的是上文中已经写好的loss模块
device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")#选择运行设备，如果你的电脑有gpu就在gpu上运行，否则在cpu上运行vgg = models.vgg19(pretrained=True).features.to(device)#这里我们使用预训练好的vgg19模型'''所需的深度层来计算风格/内容损失:'''content_layers_default = ['conv_4']style_layers_default = ['conv_1', 'conv_2', 'conv_3', 'conv_4', 'conv_5']
def get_style_model_and_loss(style_img,                             content_img,                             cnn=vgg,                             style_weight=1000,                             content_weight=1,                             content_layers=content_layers_default,                             style_layers=style_layers_default):    content_loss_list = [] #内容损失    style_loss_list = [] #风格损失    model = nn.Sequential() #创建一个model，按顺序放入layer    model = model.to(device)    gram = loss.Gram().to(device)        '''把vgg19中的layer、content_loss以及style_loss按顺序加入到model中：'''    i = 1    for layer in cnn:        if isinstance(layer, nn.Conv2d):            name = 'conv_' + str(i)            model.add_module(name, layer)            if name in content_layers_default:                target = model(content_img)                content_loss = loss.Content_Loss(target, content_weight)                model.add_module('content_loss_' + str(i), content_loss)                content_loss_list.append(content_loss)            if name in style_layers_default:                target = model(style_img)                target = gram(target)                style_loss = loss.Style_Loss(target, style_weight)                model.add_module('style_loss_' + str(i), style_loss)                style_loss_list.append(style_loss)            i += 1        if isinstance(layer, nn.MaxPool2d):            name = 'pool_' + str(i)            model.add_module(name, layer)        if isinstance(layer, nn.ReLU):            name = 'relu' + str(i)            model.add_module(name, layer)                return model, style_loss_list, content_loss_list

05

执行

一切工作准备就绪，我们就可以开始定义我们的run_code模块了，经历过这么多操作终于走到了最后一步，是不是有点小激动呢？我们的执行模块也很简单，先定义一个LBFGS优化器，然后就可以开始我们一次一次的训练了。这里我们定义每训练50次输出一次我们的损失来评估学习效果。

# run_code模块import torch.nn as nnimport torch.optim as optimfrom build_model import get_style_model_and_loss
def get_input_param_optimier(input_img):    """input_img is a Variable"""    input_param = nn.Parameter(input_img.data)#获取参数    optimizer = optim.LBFGS([input_param])#用LBFGS优化参数    return input_param, optimizer    def run_style_transfer(content_img, style_img, input_img, num_epoches=300):    print('Building the style transfer model..')    model, style_loss_list, content_loss_list = get_style_model_and_loss(        style_img, content_img)    input_param, optimizer = get_input_param_optimier(input_img)    print('Opimizing...')    epoch = [0]    while epoch[0] < num_epoches:#每隔50次输出一次loss        def closure():            input_param.data.clamp_(0, 1)#修正输入图像的值            model(input_param)            style_score = 0            content_score = 0            optimizer.zero_grad()            for sl in style_loss_list:                style_score += sl.backward()            for cl in content_loss_list:                content_score += cl.backward()            epoch[0] += 1            if epoch[0] % 50 == 0:                print('run {}'.format(epoch))                print('Style Loss: {:.4f} Content Loss: {:.4f}'.format(                    style_score.item(), content_score.item()))                print()            return style_score + content_score        optimizer.step(closure)        input_param.data.clamp_(0, 1)#再次修正    return input_param.data

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运行

最最最最最激动人心的时刻就要到了！敲了这么多代码，现在我们就可以开始验证我们的成果了！现在我们只需要挑选一张中意的图片，再为它寻找一个你想要的风格图片，只需短短几分钟（甚至几十秒），你，就创造出了属于自己的艺术画作（其实一般）！！！

# start模块from torch.autograd import Variablefrom torchvision import transformsimport torchfrom run_code import run_style_transferfrom load_img import load_img, show_img
device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")style_img = load_img('./picture/style1.png')#风格图片地址style_img = Variable(style_img).to(device)content_img = load_img('./picture/content5.png')#内容图片地址content_img = Variable(content_img).to(device)input_img = content_img.clone()
out = run_style_transfer(content_img, style_img, input_img, num_epoches=200)#进行200次训练save_pic = transforms.ToPILImage()(out.cpu().squeeze(0))save_pic.save('./picture/result4.png')#选择你要保存的地址save_pic.show()

下面我们做几组演示：

输入：

输出：

输入：

输出：

最后我们试一试人像：

输出：

下面是其中一组loss的输出：

Opimizing...run [50]Style Loss: 0.7299 Content Loss: 3.7480run [100]Style Loss: 0.3702 Content Loss: 3.3560run [150]Style Loss: 0.2747 Content Loss: 3.1843run [200]Style Loss: 0.2058 Content Loss: 3.0981

我们可以看出内容损失还是挺大的，损失的大小不仅跟我们的模型有关，我们选择的图片也会对损失有很大的影响，不得不说有的图片特征确实难以捕获，小编曾经还有过训练1000次仍然有40多损失的惨痛经历，这种情况就不是单纯增加训练次数就能解决的了，我们需要更强大的模型去捕获信息，大家也可以自己试试改进一下模型，也许会有意外的收获呦！

reference

1] Gatys L A, Ecker A S, Bethge M. A neural algorithm of artistic style[J]. arXiv preprint arXiv:1508.06576, 2015.

2] https://pytorch.org/tutorials/advanced/neural_style_tutorial.html#importing-packages-and-selecting-a-device

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文案&排版：王心怡（华中科技大学管理学院本科一年级）

                    潘云飞（华中科技大学管理学院本科一年级）

指导老师：秦虎老师（华中科技大学管理学院）

审稿：张宇（华中科技大学管理学院本科二年级）

如对文中内容有疑问，欢迎交流。PS：部分资料来自网络。

如有需求，可以联系：

秦虎老师（华中科技大学管理学院：tigerqin1980@qq.com）

王心怡（华中科技大学管理学院本科一年级：3348619379@qq.com）

潘云飞（华中科技大学管理学院本科一年级：1401914932@qq.com）

张宇（华中科技大学管理学院本科二年级：8611452@qq.com）