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本篇内容主要讲解“利用Python实现图片风格迁移”，感兴趣的朋友不妨来看看。本文介绍的方法操作简单快捷，实用性强。下面就让小编来带大家学习“利用Python实现图片风格迁移”吧!
所谓图片风格迁移，是指利用程序算法学习著名画作的风格，然后再把这种风格应用到另外一张图片上的技术。
举个例子，见上图。左边是我们的原始图片(也称内容图像)：小编在苏州甪直古镇的一座小桥上拍下的一张照片。
中间是我们的风格图片：挪威表现派画家爱德华·蒙克的代表作《呐喊》(The Scream)。
右边是将爱德华·蒙克的《呐喊》的风格应用于原始图片后生成的风格化结果图。仔细观察，图片是如何保留了流水、房屋、房屋在水中的倒影，甚至远处树木的内容，但却运用了《呐喊》的风格，就好像爱德华·蒙克在我们的景色中运用了他高超的绘画技巧一样！
问题是，我们应该定义一个什么样的神经网络来执行图片的风格迁移？
这可能吗？
答案是：可以的。我将在下一节简单讨论如何基于神经网络来实现图片风格的迁移。
Gatys等人在2015年发表了第一篇基于深度学习的风格迁移算法文章，原文链接为 https://arxiv.org/abs/1508.06576，随后文章收录于2016年的CVPR顶会。
有趣的是，他们提出了一种完全不需要新网络架构的风格迁移算法，其使用的网络构架是在前人的VGG19基础上稍加改造而成的，而且网络参数也使用预训练(通常在ImageNet上)网络的参数。我们来看下它的原理：
我们知道，卷积神经网络(CNN)具有很强的图像特征(feature/representation)提取能力，如上图所示。
对于内容图片，深层网络(d和e)提取的是高维特征，同时也丢弃了细节信息；浅层网络(a, b和c)提取的是低维特征，图片的细节大多都保留下来了。
对于风格图片，通过包含多层的特征相关性(Gram矩阵)，可获得多尺度图像风格的重构，捕获其纹理信息。这样构建的网络可以忽略图像的具体细节，保留风格。
为了将内容图片和风格图片融合在一起(见下图)，我们应该使风格化结果图(初始为一张白噪声图片)的特征同时与内容图片和风格图片的特征之间的距离最小化，最终获取我们所需的风格化结果图。
因此生成目标图片的损失函数可定义为：
其中α和β分别是内容图片和风格图片的特征所占的权重，通过最小化这个损失函数就可以获得我们想要的结果。来看个动态示意图：
值得注意的是，这里优化的参数不再是网络的权重ω和偏差b，而是初始输入的一张白噪声图片。
虽然上述方法可产生非常漂亮的风格迁移效果，但是速度很慢。
2016年，Johnson等人基于Gatys等人的工作，提出了一种速度可提高三个数量级的风格迁移算法。虽然算法的速度很快，但最大的缺点是不能像Gatys等人那样随意选择你的风格图片。针对每张风格图片，你都需要训练一个网络来重现这个风格。一旦网络模型训练好之后，你就可将它应用于你想要的任何内容图片了。
这篇博客我们将使用Johnson等人的方法，其算法实现和预训练模型可参考 https://github.com/jcjohnson/fast-neural-style。
下面利用OpenCV来快速实现图片的风格迁移，我将其封装成一个叫
style_transfer()的函数，其使用说明可参考函数内部的注释。目前只有11个预训练模型可用。
1. `## 载入所需库`
2. `import cv2`
3. `import time`
4. `def style_transfer(pathIn='',`
5. `pathOut='',`
6. `model='',`
7. `width=None,`
8. `jpg_quality=80):`
9. `'''`
10. `pathIn: 原始图片的路径`
11. `pathOut: 风格化图片的保存路径`
12. `model: 预训练模型的路径`
13. `width: 设置风格化图片的宽度，默认为None, 即原始图片尺寸`
14. `jpg_quality: 0-100，设置输出图片的质量，默认80，越大图片质量越好`
15. `'''`
16. `## 读入原始图片，调整图片至所需尺寸，然后获取图片的宽度和高度`
17. `img = cv2.imread(pathIn)`
18. `(h, w) = img.shape[:2]`
19. `if width is not None:`
20. `img = cv2.resize(img, (width, round(width*h/w)), interpolation=cv2.INTER_CUBIC)`
21. `(h, w) = img.shape[:2]`
23. `## 从本地加载预训练模型`
24. `print('加载预训练模型......')`
25. `net = cv2.dnn.readNetFromTorch(model)`
26. `## 将图片构建成一个blob：设置图片尺寸，将各通道像素值减去平均值（比如ImageNet所有训练样本各通道统计平均值）`
27. `## 然后执行一次前馈网络计算，并输出计算所需的时间`
28. `blob = cv2.dnn.blobFromImage(img, 1.0, (w, h), (103.939, 116.779, 123.680), swapRB=False, crop=False)`
29. `net.setInput(blob)`
30. `start = time.time()`
31. `output = net.forward()`
32. `end = time.time()`
33. `print("风格迁移花费：{:.2f}秒".format(end - start))`
35. `## reshape输出结果, 将减去的平均值加回来，并交换各颜色通道`
36. `output = output.reshape((3, output.shape[2], output.shape[3]))`
37. `output[0] += 103.939`
38. `output[1] += 116.779`
39. `output[2] += 123.680`
40. `output = output.transpose(1, 2, 0)`
42. `## 输出风格化后的图片`
43. `cv2.imwrite(pathOut, output, [int(cv2.IMWRITE_JPEG_QUALITY), jpg_quality])`来测试一下：
1. `>>> models = glob.glob('./*/*/*.t7')`
2. `>>> models ## 列出所有可用的预训练模型`
3. `['.\\models\\eccv16\\composition_vii.t7',`
4. `'.\\models\\eccv16\\la_muse.t7',`
5. `'.\\models\\eccv16\\starry_night.t7',`
6. `'.\\models\\eccv16\\the_wave.t7',`
7. `'.\\models\\instance_norm\\candy.t7',`
8. `'.\\models\\instance_norm\\feathers.t7',`
9. `'.\\models\\instance_norm\\la_muse.t7',`
10. `'.\\models\\instance_norm\\mosaic.t7',`
11. `'.\\models\\instance_norm\\starry_night.t7',`
12. `'.\\models\\instance_norm\\the_scream.t7',`
13. `'.\\models\\instance_norm\\udnie.t7']`
15. `>>> pathIn = './img/img01.jpg'`
16. `>>> pathOut = './result/result_img01.jpg'`
17. `>>> model = './models/instance_norm/the_scream.t7'`
18. `>>> style_transfer(pathIn, pathOut, model, width=500)`
19. `加载预训练模型......`
20. `风格迁移花费：1.18秒`
22. `>>> pathIn = './img/img02.jpg'`
23. `>>> pathOut = './result/result_img02.jpg'`
24. `>>> model = './models/instance_norm/starry_night.t7'`
25. `>>> style_transfer(pathIn, pathOut, model, width=500)`
26. `加载预训练模型......`
27. `风格迁移花费：3.17秒`
29. `>>> pathIn = './img/img03.jpg'`
30. `>>> pathOut = './result/result_img03.jpg'`
31. `>>> model = './models/instance_norm/the_scream.t7'`
32. `>>> style_transfer(pathIn, pathOut, model, width=500)`
33. `加载预训练模型......`
34. `风格迁移花费：0.90秒`
36. `>>> pathIn = './img/img04.jpg'`
37. `>>> pathOut = './result/result_img04.jpg'`
38. `>>> model = './models/eccv16/the_wave.t7'`
39. `>>> style_transfer(pathIn, pathOut, model, width=500)`
40. `加载预训练模型......`
41. `风格迁移花费：2.68秒`
43. `>>> pathIn = './img/img05.jpg'`
44. `>>> model = './models/instance_norm/mosaic.t7'`
45. `>>> style_transfer(pathIn, pathOut, model, width=500)`
46. `加载预训练模型......`
47. `风格迁移花费：1.23秒`从运行结果可知，在CPU上，一张图片的风格迁移所花的时间大概也就几秒。如果使用GPU，完全可以实时对视频/摄像头进行风格迁移处理。
自Gatys等人第一次(2015年)实现基于深度学习的风格迁移以来，风格迁移技术仍一直在发展，如今在速度和质量上都有了很大提高。目前的一些进展可以通过下面的链接来了解：
https://github.com/jcjohnson/fast-neural-style
https://github.com/DmitryUlyanov/texture_nets
https://github.com/luanfujun/deep-painterly-harmonization
https://junyanz.github.io/CycleGAN/
他们的一些作品：
1. 风格迁移
2. 外来图片的融合
3. 图片季节的变换
4. 图片背景的虚化
5. 角色互换
到此，相信大家对“利用Python实现图片风格迁移”有了更深的了解，不妨来实际操作一番吧！这里是亿速云网站，更多相关内容可以进入相关频道进行查询，关注我们，继续学习！
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