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图像风格迁移也有框架了：使用Python编写，与PyTorch完美兼容，外行也能用

百家作者：机器之心 2020-12-20 23:44:43

选自Medium

作者：Philip Meier
机器之心编译
编辑：陈萍

易于使用的神经风格迁移框架 pystiche。

将内容图片与艺术风格图片进行融合，生成一张具有特定风格的新图，这种想法并不新鲜。早在 2015 年，Gatys、 Ecker 以及 Bethge 开创性地提出了神经风格迁移（Neural Style Transfer ，NST）。

不同于深度学习，目前 NST 还没有现成的库或框架。因此，新的 NST 技术要么从头开始实现所有内容，要么基于现有的方法实现。但这两种方法都有各自的缺点：前者由于可重用部分的冗长实现，限制了技术创新；后者继承了 DL 硬件和软件快速发展导致的技术债务。

最近，新项目 pystiche 很好地解决了这些问题，虽然它的核心受众是研究人员，但其易于使用的用户界面为非专业人员使用 NST 提供了可能。

pystiche 是一个用 Python 编写的 NST 框架，基于 PyTorch 构建，并与之完全兼容。相关研究由 pyOpenSci 进行同行评审，并发表在 JOSS 期刊 (Journal of Open Source Software) 上。

论文地址：https://joss.theoj.org/papers/10.21105/joss.02761
项目地址：https://github.com/pmeier/pystiche

在深入实现之前，我们先来回顾一下 NST 的原理。它有两种优化方式：基于图像的优化和基于模型的优化。虽然 pystiche 能够很好地处理后者，但更为复杂，因此本文只讨论基于图像的优化方法。

在基于图像的方法中，将图像的像素迭代调整训练，来拟合感知损失函数（perceptual loss）。感知损失是 NST 的核心部分，分为内容损失（content loss）和风格损失（style loss），这些损失评估输出图像与目标图像的匹配程度。与传统的风格迁移算法不同，感知损失包含一个称为编码器的多层模型，这就是 pystiche 基于 PyTorch 构建的原因。

如何使用 pystiche

让我们用一个例子介绍怎么使用 pystiche 生成神经风格迁移图片。首先导入所需模块，选择处理设备。虽然 pystiche 的设计与设备无关，但使用 GPU 可以将 NST 的速度提高几个数量级。

模块导入与设备选择：

import torchimport pystichefrom pystiche import demo, enc, loss, ops, optim
print(f"pystiche=={pystiche.__version__}")
device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")

输出：

pystiche==0.7.0

多层编码器

content_loss 和 style_loss 是对图像编码进行操作而不是图像本身，这些编码是由在不同层级的预训练编码器生成的。pystiche 定义了 enc.MultiLayerEncoder 类，该类在单个前向传递中可以有效地处理编码问题。该示例使用基于 VGG19 架构的 vgg19_multi_layer_encoder。默认情况下，它将加载 torchvision 提供的权重。

多层编码器：

multi_layer_encoder = enc.vgg19_multi_layer_encoder()print(multi_layer_encoder)

输出：

VGGMultiLayerEncoder(  arch=vgg19, framework=torch, allow_inplace=True  (preprocessing): TorchPreprocessing(   (0): Normalize(     mean=('0.485', '0.456', '0.406'),     std=('0.229', '0.224', '0.225')    )  ) (conv1_1): Conv2d(3, 64, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1)) (relu1_1): ReLU(inplace=True) (conv1_2): Conv2d(64, 64, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1)) (relu1_2): ReLU(inplace=True) (pool1): MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2, padding=0, dilation=1, ceil_mode=False) (conv2_1): Conv2d(64, 128, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1)) (relu2_1): ReLU(inplace=True) (conv2_2): Conv2d(128, 128, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1)) (relu2_2): ReLU(inplace=True) (pool2): MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2, padding=0, dilation=1, ceil_mode=False) (conv3_1): Conv2d(128, 256, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1)) (relu3_1): ReLU(inplace=True) (conv3_2): Conv2d(256, 256, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1)) (relu3_2): ReLU(inplace=True) (conv3_3): Conv2d(256, 256, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1)) (relu3_3): ReLU(inplace=True) (conv3_4): Conv2d(256, 256, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1)) (relu3_4): ReLU(inplace=True) (pool3): MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2, padding=0, dilation=1, ceil_mode=False) (conv4_1): Conv2d(256, 512, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1)) (relu4_1): ReLU(inplace=True) (conv4_2): Conv2d(512, 512, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1)) (relu4_2): ReLU(inplace=True) (conv4_3): Conv2d(512, 512, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1)) (relu4_3): ReLU(inplace=True) (conv4_4): Conv2d(512, 512, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1)) (relu4_4): ReLU(inplace=True) (pool4): MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2, padding=0, dilation=1, ceil_mode=False) (conv5_1): Conv2d(512, 512, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1)) (relu5_1): ReLU(inplace=True) (conv5_2): Conv2d(512, 512, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1)) (relu5_2): ReLU(inplace=True) (conv5_3): Conv2d(512, 512, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1)) (relu5_3): ReLU(inplace=True) (conv5_4): Conv2d(512, 512, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), padding=(1, 1)) (relu5_4): ReLU(inplace=True) (pool5): MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2, padding=0, dilation=1, ceil_mode=False))

感知损失

pystiche 将内容损失和风格损失定义为操作符。使用 ops.FeatureReconstructionOperator 作为 content_loss，直接与编码进行对比。如果编码器针对分类任务进行过训练，如该示例中这些编码表示内容。对于content_layer，选择 multi_layer_encoder 的较深层来获取抽象的内容表示，而不是许多不必要的细节。

content_layer = "relu4_2"encoder = multi_layer_encoder.extract_encoder(content_layer)content_loss = ops.FeatureReconstructionOperator(encoder)

pystiche 使用 ops.GramOperator 作为 style_loss 的基础，通过比较编码各个通道之间的相关性来丢弃空间信息。这样就可以在输出图像中的任意区域合成风格元素，而不仅仅是风格图像中它们所在的位置。对于 ops.GramOperator，如果它在浅层和深层 style_layers 都能很好地运行，则其性能达到最佳。

style_weight 可以控制模型对输出图像的重点——内容或风格。为了方便起见，pystiche 将所有内容包装在 ops.MultiLayerEncodingOperator 中，该操作处理在同一 multi_layer_encoder 的多个层上进行操作的相同类型操作符的情况。

style_layers = ("relu1_1", "relu2_1", "relu3_1", "relu4_1", "relu5_1")style_weight = 1e3

def get_encoding_op(encoder, layer_weight):    return ops.GramOperator(encoder, score_weight=layer_weight)

style_loss = ops.MultiLayerEncodingOperator(    multi_layer_encoder, style_layers, get_encoding_op, score_weight=style_weight,)

loss.PerceptualLoss 结合了 content_loss 与 style_loss，将作为优化的标准。

criterion = loss.PerceptualLoss(content_loss, style_loss).to(device)print(criterion)

输出：

PerceptualLoss( (content_loss): FeatureReconstructionOperator(   score_weight=1,   encoder=VGGMultiLayerEncoder(     layer=relu4_2,     arch=vgg19,     framework=torch,     allow_inplace=True   ) ) (style_loss): MultiLayerEncodingOperator(   encoder=VGGMultiLayerEncoder(     arch=vgg19,     framework=torch,     allow_inplace=True ), score_weight=1000 (relu1_1): GramOperator(score_weight=0.2) (relu2_1): GramOperator(score_weight=0.2) (relu3_1): GramOperator(score_weight=0.2) (relu4_1): GramOperator(score_weight=0.2) (relu5_1): GramOperator(score_weight=0.2) ))

图像加载

首先加载并显在 NST 需要的目标图片。因为 NST 占用内存较多，故将图像大小调整为 500 像素。

size = 500images = demo.images()

content_image = images["bird1"].read(size=size, device=device)criterion.set_content_image(content_image)

内容图片

style_image = images["paint"].read(size=size, device=device)criterion.set_style_image(style_image)

风格图片

神经风格迁移

创建 input_image。从 content_image 开始执行 NST，这样可以实现快速收敛。image_optimization 函数是为了方便，也可以由手动优化循环代替，且不受限制。如果没有指定，则使用 torch.optim.LBFGS 作为优化器。

input_image = content_image.clone()output_image?=?optim.image_optimization(input_image,?criterion,?num_steps=500)

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??THE END?

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