基于 Pytorch 和 VGG19 模型实现图片风格迁移。
相关 Pytorch 官方教程
相关 Github 源码
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实践出真知，其实该 Demo 基本是参考 Pytorch 官方教程实现，frendy 在这里只是按照自己的学习路径实践记录了一遍，并提取部分重点跟大家做分享，还是墙裂建议大家去看看官方教程的，文章前面已附上链接地址。好吧，稍微啰嗦一下，笔者的传统学习路径是：浏览概念不求甚解；跑 Demo；回头啃概念或论文（捂脸，目前啃得都不好哎）。
文中涉及到的相关概念如有偏颇或错误，请各位大神不吝赐教，批评指出，这里先谢过。
为什么选 Pytorch
Pytorch 来自 Facebook，我们先来看看它的宣传语吧：
Matlab is so 2012.
Caffe is so 2013.
Theano is so 2014.
Torch is so 2015.
TensorFlow is so 2016.
It's 2017 now.
实际上呢？frendy 还不敢妄言，学习和实践也不是很透彻。不过感觉 Pytorch 比 TensorFlow 要容易上手一点，而且是动态图，比起 TensorFlow 的静态图要灵活一点。道听途说，TensorFlow 依然拥有最大的社区，而 Pytorch 则最近增长比较快。
环境配置
可以到下面的官网获取相应配置的安装命令（官方目前只支持 Linux 和 OSX）：
http://pytorch.org/
frendy 这里是 Win10，侥幸找到一个别人编译好的版本，更侥幸的是他的电脑配置跟我的基本一样，可以直接使用（百度云下载地址）：
conda install pytorch-0.1.12-py36_0.1.12cu80.tar.bz2
pip install torchvision
其中 conda 的版本为 Anaconda3 (with Python 3.6)。
原理分析
提取图片 A 的内容，提取图片 B 的风格，合成一张新图：
Image_A (content) + Image_B (style) = Image_C (result)
- 使得 A 和 C 的内容差异尽可能小；
- 使得 B 和 C 的风格差异尽可能小。
好了，目标明确，但是该怎么定义或者说是衡量内容差异和风格差异呢？frendy 觉得这就是风格迁移的核心问题所在了。
内容差异
其实比较容易可以想到的就是比较两张图片每个像素点。怎么比较呢？也就是求一下差。在 torch 里，我们可以直接调用 nn.MSELoss 来计算输入和目标之间的均方误差。
class ContentLoss(nn.Module):
def __init__(self, target, weight):
super(ContentLoss, self).__init__()
# we 'detach' the target content from the tree used
self.target = target.detach() * weight
# to dynamically compute the gradient: this is a stated value,
# not a variable. Otherwise the forward method of the criterion
# will throw an error.
self.weight = weight
self.criterion = nn.MSELoss()
def forward(self, inputs):
self.loss = self.criterion(inputs*self.weight, self.target)
self.outputs = inputs
return self.outputs
def backward(self, retain_variables=True):
self.loss.backward(retain_variables=retain_variables)
return self.loss
其中 forward 是根据图往前计算，backward 是反向传播优化权重。Pytorch 封装了细节，支持自动求导。
风格差异
风格是一个挺抽象的概念。什么是风格？有个性。恩，自己的特点越突出，别人的越不突出最好。巨人们的论文告诉我们可以用 Gram 矩阵来衡量风格。
004.png
从上图可以看出，内积之后，对角线元素（即不同特征图各自的信息）就放大了，同时其余元素则提供了不同特征图之间的相关信息。于是，在一个Gram矩阵中，既能体现出有哪些特征，又能体现出不同特征间的紧密程度。那么，接下来我们就可以定量分析风格啦：
class GramMatrix(nn.Module):
def forward(self, input):
a, b, c, d = input.size()
# a=batch size(=1)
# b=number of feature maps
# (c,d)=dimensions of a f. map (N=c*d)
features = input.view(a * b, c * d) # resise F_XL into \hat F_XL
G = torch.mm(features, features.t()) # compute the gram product
# we 'normalize' the values of the gram matrix
# by dividing by the number of element in each feature maps.
return G.div(a * b * c * d)
class StyleLoss(nn.Module):
def __init__(self, target, weight):
super(StyleLoss, self).__init__()
self.target = target.detach() * weight
self.weight = weight
self.gram = GramMatrix()
self.criterion = nn.MSELoss()
def forward(self, inputs):
self.output = inputs.clone()
self.G = self.gram(inputs)
self.G.mul_(self.weight)
self.loss = self.criterion(self.G, self.target)
return self.output
def backward(self, retain_variables=True):
self.loss.backward(retain_variables=retain_variables)
return self.loss
模型搭建
这里使用 19 层的 vgg 作为提取特征的卷积网络，并定义了哪几层为需要的特征。
def get_model_and_losses(style_img, content_img,
style_weight=1000, content_weight=1):
content_layers = ['conv_4']
style_layers = ['conv_1', 'conv_2', 'conv_3', 'conv_4', 'conv_5']
use_cuda = torch.cuda.is_available()
cnn = models.vgg19(pretrained=True).features
if use_cuda:
cnn = cnn.cuda()
cnn = copy.deepcopy(cnn)
content_losses = []
style_losses = []
model = nn.Sequential()
gram = GramMatrix()
if use_cuda:
model = model.cuda()
gram = gram.cuda()
i = 1
for layer in list(cnn):
if isinstance(layer, nn.Conv2d):
name = "conv_" + str(i)
model.add_module(name, layer)
if name in content_layers:
# add content loss:
target = model(content_img).clone()
content_loss = ContentLoss(target, content_weight)
model.add_module("content_loss_" + str(i), content_loss)
content_losses.append(content_loss)
if name in style_layers:
# add style loss:
target_feature = model(style_img).clone()
target_feature_gram = gram(target_feature)
style_loss = StyleLoss(target_feature_gram, style_weight)
model.add_module("style_loss_" + str(i), style_loss)
style_losses.append(style_loss)
if isinstance(layer, nn.ReLU):
name = "relu_" + str(i)
model.add_module(name, layer)
if name in content_layers:
# add content loss:
target = model(content_img).clone()
content_loss = ContentLoss(target, content_weight)
model.add_module("content_loss_" + str(i), content_loss)
content_losses.append(content_loss)
if name in style_layers:
# add style loss:
target_feature = model(style_img).clone()
target_feature_gram = gram(target_feature)
style_loss = StyleLoss(target_feature_gram, style_weight)
model.add_module("style_loss_" + str(i), style_loss)
style_losses.append(style_loss)
i += 1
if isinstance(layer, nn.MaxPool2d):
name = "pool_" + str(i)
model.add_module(name, layer)
return model, style_losses, content_losses
模型训练
这里使用 L-BFGS(Limited-memory Broyden–Fletcher–Goldfarb–Shanno) 算法来跑梯度下降，并通过 backward 反向优化权重，不断缩小 A 和 C 的内容差异、缩小 B 和 C 的风格差异。
def get_input_param_optimizer(input_img):
# this line to show that input is a parameter that requires a gradient
input_param = nn.Parameter(input_img.data)
optimizer = optim.LBFGS([input_param])
return input_param, optimizer
def train():
...
model, style_losses, content_losses = get_model_and_losses(style_img, content_img, style_weight, content_weight)
input_param, optimizer = get_input_param_optimizer(input_img)
print('Optimizing..')
run = [0]
while run[0] <= num_steps:
def closure():
# correct the values of updated input image
input_param.data.clamp_(0, 1)
optimizer.zero_grad()
model(input_param)
style_score = 0
content_score = 0
for sl in style_losses:
style_score += sl.backward()
for cl in content_losses:
content_score += cl.backward()
run[0] += 1
if run[0] % 50 == 0:
print("run {}:".format(run))
print('Style Loss : {:4f} Content Loss: {:4f}'.format(
style_score.data[0], content_score.data[0]))
print()
return style_score + style_score
optimizer.step(closure)
input_param.data.clamp_(0, 1)
output = input_param.data
效果图
-
莫奈（900 次迭代的结果）：
001.png
-
毕加索（900 次迭代的结果）：
002.png
-
毕加索（300 次迭代的结果）：
003.png
这 300 次的结果是不是感觉比 900 次的结果要好看？！
后话：谷歌最近又开源了一个库 Tensor2Tensor，号称 One Model To Learn Them All；苹果的 Core ML 几行代码就可以导入并使用训练好的模型...进击的巨人们啊！
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