python Deep learning 学习笔记(10) (4)

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神经风格迁移

神经风格迁移是指将参考图像的风格应用于目标图像,同时保留目标图像的内容

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风格(style)是指图像中不同空间尺度的纹理、颜色和视觉图案,内容(content)是指图像的高级宏观结构

实现风格迁移背后的关键概念与所有深度学习算法的核心思想是一样的:定义一个损失函数来指定想要实现的目标,然后将这个损失最小化。你知道想要实现的目标是什么,就是保存原始图像的内容,同时采用参考图像的风格。如果我们能够在数学上给出内容和风格的定义,那么就有一个适当的损失函数,我们将对其进行最小化

loss = distance(style(reference_image) - style(generated_image)) + distance(content(original_image) - content(generated_image))

这里的 distance 是一个范数函数,比如 L2 范数;content 是一个函数,输入一张图像,并计算出其内容的表示;style 是一个函数,输入一张图像,并计算出其风格的表示。将这个损失最小化,会使得 style(generated_image) 接近于 style(reference_image)、content(generated_image) 接近于 content(generated_image),从而实现我们定义的风格迁移

深度卷积神经网络能够从数学上定义 style 和 content 两个函数

内容损失

网络更靠底部的层激活包含关于图像的局部信息,而更靠近顶部的层则包含更加全局、更加抽象的信息。卷积神经网络不同层的激活用另一种方式提供了图像内容在不同空间尺度上的分解。因此,图像的内容是更加全局和抽象的,我们认为它能够被卷积神经网络更靠顶部的层的表示所捕捉到

因此,内容损失的一个很好的候选者就是两个激活之间的 L2 范数,一个激活是预训练的卷积神经网络更靠顶部的某层在目标图像上计算得到的激活,另一个激活是同一层在生成图像上计算得到的激活。这可以保证,在更靠顶部的层看来,生成图像与原始目标图像看起来很相似

风格损失

内容损失只使用了一个更靠顶部的层,但 Gatys 等人定义的风格损失则使用了卷积神经网络的多个层。我们想要捉到卷积神经网络在风格参考图像的所有空间尺度上提取的外观,而不仅仅是在单一尺度上。对于风格损失,Gatys 等人使用了层激活的格拉姆矩阵(Gram matrix),即某一层特征图的内积。这个内积可以被理解成表示该层特征之间相互关系的映射。这些特征相互关系抓住了在特定空间尺度下模式的统计规律,从经验上来看,它对应于这个尺度上找到的纹理的外观

因此,风格损失的目的是在风格参考图像与生成图像之间,在不同的层激活内保存相似的内部相互关系。反过来,这保证了在风格参考图像与生成图像之间,不同空间尺度找到的纹理看起来都很相似

最终,你可以使用预训练的卷积神经网络来定义一个具有以下特点的损失

在目标内容图像和生成图像之间保持相似的较高层激活,从而能够保留内容。卷积神经网络应该能够“看到”目标图像和生成图像包含相同的内容

在较低层和较高层的激活中保持类似的相互关系(correlation),从而能够保留风格。特征相互关系捕捉到的是纹理(texture),生成图像和风格参考图像在不同的空间尺度上应该具有相同的纹理

用 Keras 实现神经风格迁移

神经风格迁移可以用任何预训练卷积神经网络来实现。神经风格迁移的一般过程如下

创建一个网络,它能够同时计算风格参考图像、目标图像和生成图像的 VGG19 层激活

使用这三张图像上计算的层激活来定义之前所述的损失函数,为了实现风格迁移,需要将这个损失函数最小化

设置梯度下降过程来将这个损失函数最小化

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