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使用PyTorch进行Neural-Transfer

韦开亮 已关注

Neural Style Transfer(神经风格迁移)是一种利用深度学习技术,将一张图像的内容与另一张图像的风格相结合,生成新图像的技术。下面是如何使用PyTorch进行神经风格迁移的基本步骤:

准备环境

首先确保你已经安装了PyTorch,可以通过以下命令安装:

  1. pip install torch torchvision

导入必要的库

  1. import torch
  2. import torch.nn as nn
  3. import torch.optim as optim
  4. from torchvision import models, transforms
  5. from PIL import Image
  6. import matplotlib.pyplot as plt

加载和预处理图像

为了让模型可以处理图像,需要定义一个加载图像的辅助函数,并进行预处理。

  1. def image_loader(image_name):
  2. image = Image.open(image_name)
  3. # 图像预处理
  4. loader = transforms.Compose([
  5. transforms.Resize((128, 128)), # 调整图像大小
  6. transforms.ToTensor()]) # 转换为张量
  7. image = loader(image).unsqueeze(0) # 添加批次维度
  8. return image.to(torch.float)
  9. style_img = image_loader("path_to_style_image.jpg")
  10. content_img = image_loader("path_to_content_image.jpg")

定义模型

使用预训练的VGG19模型。VGG模型非常适合用于风格迁移任务。

  1. cnn = models.vgg19(pretrained=True).features.eval()
  2. # 如果使用GPU则将模型和张量转移到GPU上
  3. device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")
  4. cnn = cnn.to(device)
  5. style_img = style_img.to(device)
  6. content_img = content_img.to(device)

损失函数

为内容和风格定义损失函数。

  1. class ContentLoss(nn.Module):
  2. def __init__(self, target):
  3. super(ContentLoss, self).__init__()
  4. self.target = target.detach()
  5. def forward(self, input):
  6. self.loss = nn.functional.mse_loss(input, self.target)
  7. return input
  8. class StyleLoss(nn.Module):
  9. def __init__(self, target_feature):
  10. super(StyleLoss, self).__init__()
  11. # 计算Gram矩阵
  12. self.target = self.gram_matrix(target_feature).detach()
  13. def gram_matrix(self, input):
  14. a, b, c, d = input.size() # a=batch size(=1)
  15. features = input.view(a * b, c * d) # 扁平化特征
  16. G = torch.mm(features, features.t()) # 计算内积
  17. return G.div(a * b * c * d) # 归一化
  18. def forward(self, input):
  19. G = self.gram_matrix(input)
  20. self.loss = nn.functional.mse_loss(G, self.target)
  21. return input

创建模型

用内容和风格损失替换VGG模型的部分层。

  1. # 选用什么层提取内容和风格
  2. content_layers = ['conv_4']
  3. style_layers = ['conv_1', 'conv_2', 'conv_3', 'conv_4', 'conv_5']
  4. cnn_layers = list(cnn.children())
  5. content_losses = []
  6. style_losses = []
  7. model = nn.Sequential()
  8. i = 0
  9. for layer in cnn_layers:
  10. if isinstance(layer, nn.Conv2d):
  11. i += 1
  12. name = 'conv_{}'.format(i)
  13. elif isinstance(layer, nn.ReLU):
  14. name = 'relu_{}'.format(i)
  15. layer = nn.ReLU(inplace=False)
  16. elif isinstance(layer, nn.MaxPool2d):
  17. name = 'pool_{}'.format(i)
  18. elif isinstance(layer, nn.BatchNorm2d):
  19. name = 'bn_{}'.format(i)
  20. else:
  21. continue
  22. model.add_module(name, layer)
  23. if name in content_layers:
  24. target = model(content_img).detach()
  25. content_loss = ContentLoss(target)
  26. model.add_module("content_loss_{}".format(i), content_loss)
  27. content_losses.append(content_loss)
  28. if name in style_layers:
  29. target_feature = model(style_img).detach()
  30. style_loss = StyleLoss(target_feature)
  31. model.add_module("style_loss_{}".format(i), style_loss)
  32. style_losses.append(style_loss)
  33. # 截断不再需要的层
  34. for i in range(len(model) - 1, -1, -1):
  35. if isinstance(model[i], ContentLoss) or isinstance(model[i], StyleLoss):
  36. break
  37. model = model[:i+1]

进行优化

选定优化器,对输入图像进行优化。

  1. input_img = content_img.clone()
  2. optimizer = optim.LBFGS([input_img.requires_grad_()])
  3. style_weight = 1000000
  4. content_weight = 1
  5. run = [0]
  6. while run[0] <= 300:
  7. def closure():
  8. input_img.data.clamp_(0, 1)
  9. optimizer.zero_grad()
  10. model(input_img)
  11. style_score = 0
  12. content_score = 0
  13. for sl in style_losses:
  14. style_score += sl.loss
  15. for cl in content_losses:
  16. content_score += cl.loss
  17. style_score *= style_weight
  18. content_score *= content_weight
  19. loss = style_score + content_score
  20. loss.backward()
  21. run[0] += 1
  22. return style_score + content_score
  23. optimizer.step(closure)
  24. # 保证值在正确范围
  25. input_img.data.clamp_(0, 1)

显示结果

  1. # 将张量转换为图像
  2. def imshow(tensor, title=None):
  3. image = tensor.cpu().clone() # 克隆张量以便不影响原始数据
  4. image = image.squeeze(0) # 去掉批次维度
  5. image = transforms.ToPILImage()(image)
  6. plt.imshow(image)
  7. if title is not None:
  8. plt.title(title)
  9. plt.pause(0.001)
  10. plt.figure()
  11. imshow(input_img, title='Output Image')
  12. plt.show()

通过执行这些步骤,你可以使用PyTorch实现基本的神经风格迁移。当然,这只是一个非常基础的实现,很多细节和优化可以帮助提升生成结果的质量。

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