雷鋒網(wǎng)注：本文作者何之源，復(fù)旦大學(xué)計算機科學(xué)碩士在讀，研究人工智能計算機視覺方向。本文由雷鋒網(wǎng)編輯整理自作者知乎專欄，獲授權(quán)發(fā)布。

一、風(fēng)格遷移簡介

風(fēng)格遷移（Style Transfer）是深度學(xué)習(xí)眾多應(yīng)用中非常有趣的一種，如圖，我們可以使用這種方法把一張圖片的風(fēng)格“遷移”到另一張圖片上：

然而，原始的風(fēng)格遷移（點擊查看論文）的速度是非常慢的。在GPU上，生成一張圖片都需要10分鐘左右，而如果只使用CPU而不使用GPU運行程序，甚至需要幾個小時。這個時間還會隨著圖片尺寸的增大而迅速增大。

這其中的原因在于，在原始的風(fēng)格遷移過程中，把生成圖片的過程當(dāng)做一個“訓(xùn)練”的過程。每生成一張圖片，都相當(dāng)于要訓(xùn)練一次模型，這中間可能會迭代幾百幾千次。如果你了解過一點機器學(xué)習(xí)的知識，就會知道，從頭訓(xùn)練一個模型要比執(zhí)行一個已經(jīng)訓(xùn)練好的模型要費時太多。而這也正是原始的風(fēng)格遷移速度緩慢的原因。

二、快速風(fēng)格遷移簡介

那有沒有一種方法，可以不把生成圖片當(dāng)做一個“訓(xùn)練”的過程，而當(dāng)成一個“執(zhí)行”的過程呢？答案是肯定的?？煽纯焖亠L(fēng)格遷移（fast neural style transfer）：Perceptual Losses for Real-Time Style Transfer and Super-Resolution

快速風(fēng)格遷移的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包含兩個部分。一個是“生成網(wǎng)絡(luò)”（原文中為Transformation Network），一個是“損失網(wǎng)絡(luò)”（Loss Network）。生成網(wǎng)絡(luò)接收一個圖片當(dāng)做輸入，然后輸出也是一張圖片（即風(fēng)格遷移后的結(jié)果）。如下圖，左側(cè)是生成網(wǎng)絡(luò)，右側(cè)為損失網(wǎng)絡(luò)：

訓(xùn)練階段：首先選定一張風(fēng)格圖片。訓(xùn)練的目標(biāo)是讓生成網(wǎng)絡(luò)可以有效生成圖片。目標(biāo)由損失網(wǎng)絡(luò)定義。

執(zhí)行階段：給定一張圖片，將其輸入生成網(wǎng)絡(luò)，輸出這張圖片風(fēng)格遷移后的結(jié)果。

我們可以發(fā)現(xiàn)，在模型的“執(zhí)行”階段我們就可以完成風(fēng)格圖片的生成。因此生成一張圖片的速度非常塊，在GPU上一般小于1秒，在CPU上運行也只需要幾秒的時間。

三、快速風(fēng)格遷移的Tensorflow實現(xiàn)

話不多說，直接上我的代碼的Github地址（點擊可看）

還有變換效果如下。

原始圖片：

風(fēng)格遷移后的圖片：

以上圖片在GPU(Titan Black)下生成約需要0.8s，CPU（i7-6850K）下生成用時約2.9s。

關(guān)于快速風(fēng)格遷移，其實之前在Github上已經(jīng)有了Tensorflow的兩個實現(xiàn)：

• junrushao1994/fast-neural-style.tf
  

• OlavHN/fast-neural-style
  

但是第一個項目只提供了幾個訓(xùn)練好的模型，沒有提供訓(xùn)練的代碼，也沒有提供具體的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。所以實際用處不大。

而第二個模型做了完整的實現(xiàn)，可以進行模型的訓(xùn)練，但是訓(xùn)練出來的效果不是很好，在作者自己的博客中，給出了一個范例，可以看到生成的圖片有很多噪聲點：

我的項目就是在OlavHN/fast-neural-style的基礎(chǔ)上做了很多修改和調(diào)整。

四、一些實現(xiàn)細節(jié)

1、與Tensorflow Slim結(jié)合

在原來的實現(xiàn)中，作者使用了VGG19模型當(dāng)做損失網(wǎng)絡(luò)。而在原始的論文中，使用的是VGG16。為了保持一致性，我使用了Tensorflow Slim對損失網(wǎng)絡(luò)重新進行了包裝。

Slim是Tensorflow的一個擴展庫，提供了很多與圖像分類有關(guān)的函數(shù)，已經(jīng)很多已經(jīng)訓(xùn)練好的模型（如VGG、Inception系列以及ResNet系列）。

下圖是Slim支持的模型：

使用Slim替換掉原先的網(wǎng)絡(luò)之后，在損失函數(shù)中，我們不僅可以使用VGG16，也可以方便地使用VGG19、ResNet等其他網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。具體的實現(xiàn)請參考源碼。

2、改進轉(zhuǎn)置卷積的兩個Trick

原先我們需要使用網(wǎng)絡(luò)生成圖像的時候，一般都是采用轉(zhuǎn)置卷積直接對圖像進行上采樣。

這篇文章指出了轉(zhuǎn)置卷積的一些問題，認為轉(zhuǎn)置卷積由于不合理的重合，使得生成的圖片總是有“棋盤狀的噪聲點”，它提出使用先將圖片放大，再做卷積的方式來代替轉(zhuǎn)置卷積做上采樣，可以提高生成圖片的質(zhì)量，下圖為兩種方法的對比：

對應(yīng)的Tensorflow的實現(xiàn)：

以上為第一個Trick。

第二個Trick是文章 Instance Normalization: The Missing Ingredient for Fast Stylization 中提到的，用 Instance Normalization來代替通常的Batch Normalization，可以改善風(fēng)格遷移的質(zhì)量。

3、注意使用Optimizer和Saver

這是關(guān)于Tensorflow實現(xiàn)的一個小細節(jié)。

在Tensorflow中，Optimizer和Saver是默認去訓(xùn)練、保存模型中的所有變量的。但在這個項目中，整個網(wǎng)絡(luò)分為生成網(wǎng)絡(luò)和損失網(wǎng)絡(luò)兩部分。我們的目標(biāo)是訓(xùn)練好生成網(wǎng)絡(luò)，因此只需要去訓(xùn)練、保存生成網(wǎng)絡(luò)中的變量。在構(gòu)造Optimizer和Saver的時候，要注意只傳入生成網(wǎng)絡(luò)中的變量。

找出需要訓(xùn)練的變量，傳遞給Optimizer：

五、總結(jié)

總之是做了一個還算挺有趣的項目。代碼不是特別多，如果只是用訓(xùn)練好的模型生成圖片的話，使用CPU也可以在幾秒內(nèi)運行出結(jié)果，不需要去搭建GPU環(huán)境。建議有興趣的同學(xué)可以自己玩一下。

關(guān)于訓(xùn)練，其實也有一段比較坎（dan）坷（teng）的調(diào)參經(jīng)歷，下次有時間再分享一下，今天就先寫到這兒。謝謝大家！

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