基于生成對抗網(wǎng)絡(luò)的圖像風(fēng)格轉(zhuǎn)換算法

　　摘要：針對圖像樣式轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的圖像質(zhì)量不高的問題，提出一種基于生成對抗網(wǎng)絡(luò)的高質(zhì)量圖像樣式轉(zhuǎn)換方法。借鑒循環(huán)GAN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上的發(fā)電網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方法采用跳層結(jié)構(gòu)和UNet網(wǎng)絡(luò)中的殘差網(wǎng)絡(luò)，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的多尺度不變性;其次，在判別網(wǎng)絡(luò)方面，提出一種多尺度擴(kuò)展卷積判別器，以改善圖像樣式的空間幾何變換。實(shí)驗(yàn)證明，與CycleGAN算法相比，該算法在圖像樣式轉(zhuǎn)換中的效果有很大提升，圖像樣式轉(zhuǎn)換的質(zhì)量也得到了提高。

　　關(guān)鍵詞：圖像風(fēng)格轉(zhuǎn)換;GAN;CydeGAN;UNet殘差網(wǎng)絡(luò)

　　李權(quán)學(xué);牛夢晨;陳睿麟;陳伊婷;杜帥;徐梓欣成都信息工程大學(xué)學(xué)報(bào)2021-12-13

　　0引言

　　隨著圖像技術(shù)的發(fā)展，改變圖像樣式已成為圖像處理領(lǐng)域的一個分支。圖像遷移技術(shù)是將一幅圖像的內(nèi)容與一幅或多幅圖像的內(nèi)容進(jìn)行融合，得到一幅新圖像的技術(shù)。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)前，為使一幅圖像具有另一幅圖像的特征，通過建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析，不斷調(diào)整偏移模型，然后將圖像輸人到模型輸出結(jié)果中，完成圖像風(fēng)格的偏移。直到2015年，Gayts等提出利用深度學(xué)習(xí)提取圖像紋理，通過梯度下降算法，不斷優(yōu)化模型參數(shù)，對遷移后的圖像進(jìn)行建模，最終生成另一幅符合預(yù)期的圖像。其原理是在用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)訓(xùn)練圖像的過程中，靠近輸人層的特征映射包含更多的圖像紋理信息，而靠近輸出層的特征映射包含更多的內(nèi)容信息。這種CNN訓(xùn)練圖像的性質(zhì)已經(jīng)成為最早的圖像風(fēng)格轉(zhuǎn)換技術(shù)。在基于深度學(xué)習(xí)的圖像風(fēng)格轉(zhuǎn)換處理技術(shù)中，目前應(yīng)用最廣泛的是基于生成對抗網(wǎng)絡(luò)的圖像風(fēng)格轉(zhuǎn)換處理技術(shù)。生成性對抗網(wǎng)絡(luò)GAN(Generative)，是從數(shù)學(xué)中的博弈論中衍生的一種對抗性學(xué)習(xí)方法。一般的理論是通過對數(shù)據(jù)的不斷訓(xùn)練和迭代，網(wǎng)絡(luò)可以學(xué)習(xí)到圖像的特征。根據(jù)這一特性，可以生成接近原始數(shù)據(jù)的新數(shù)據(jù)。該方法具有很強(qiáng)的性能，目前已廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。文獻(xiàn)[1]提出一種基于生成對抗網(wǎng)絡(luò)的固定物體步態(tài)識別方法;文獻(xiàn)[2]提出一種基于條件生成對抗網(wǎng)絡(luò)的焊接圖像修復(fù)方法;文獻(xiàn)[3]使用生成對抗網(wǎng)絡(luò)對自動視覺檢測進(jìn)行建模和分析;文獻(xiàn)[4]研究具有圖像放大的超分辨率生成對抗網(wǎng)絡(luò)的降噪性能;文獻(xiàn)[5]提出一種基于一維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和條件生成對抗網(wǎng)絡(luò)的模型。該模型可以利用苗木的早期電信號快速有效地識別苗木的耐鹽期。生成性對抗網(wǎng)絡(luò)在圖像上也有很好的效果。文獻(xiàn)[6]提出一種使用生成對抗網(wǎng)絡(luò)生成人類胚胎細(xì)胞合成圖像的方法。文獻(xiàn)[7]使用生成對抗網(wǎng)絡(luò)對高光譜遙感圖像進(jìn)行分類，并提出一種多鑒別器生成對抗網(wǎng)絡(luò)來研究鑒別器數(shù)目對分類結(jié)果的影響。

　　目前，應(yīng)用最成熟的圖像風(fēng)格轉(zhuǎn)換技術(shù)是商用產(chǎn)品Prisma，原理是通過深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)某幅圖像的風(fēng)格，然后將這種風(fēng)格應(yīng)用到其他圖像中。深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用最廣泛的技術(shù)是循環(huán)GAN(cydegan)。循環(huán)GAN相當(dāng)于兩個傳統(tǒng)GAN。每個GAN發(fā)生器通過最小化損耗學(xué)習(xí)相應(yīng)的變換函數(shù)。測量生成的數(shù)據(jù)和目標(biāo)數(shù)據(jù)的差異，以計(jì)算發(fā)電機(jī)損耗，差值越大，生成器受到的懲罰將越高。雖然圖像樣式轉(zhuǎn)換技術(shù)在很多情況下都采用循環(huán)生成對抗網(wǎng)絡(luò)，但在生成的圖像中容易忽略一些細(xì)節(jié)，且存在噪聲等問題[4]。參照循環(huán)生成對抗網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，提出一種高質(zhì)量的圖像樣式轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)。首先，在生成網(wǎng)絡(luò)方面，將跳層結(jié)構(gòu)與U網(wǎng)絡(luò)中的殘差網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，可以增加網(wǎng)絡(luò)的多尺度不變性;其次，在判別網(wǎng)絡(luò)方面，多尺度擴(kuò)展卷積判別器可以提高圖像樣式轉(zhuǎn)換的空間幾何變換效率，并能生成高分辨率的圖像。將目標(biāo)域數(shù)據(jù)和源域數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)特征經(jīng)過兩次處理后視為一個雙代對抗網(wǎng)絡(luò)。

　　1相關(guān)理論

　　1.1生成對抗網(wǎng)絡(luò)

　　生成對抗網(wǎng)絡(luò)由生成網(wǎng)絡(luò)和判別網(wǎng)絡(luò)兩個子網(wǎng)絡(luò)組成。采用數(shù)學(xué)傳弈的思想。生成網(wǎng)絡(luò)用于生成處實(shí)的圖像，而判別網(wǎng)絡(luò)則試圖將生成的圖像與真實(shí)勝圖像區(qū)分開。各網(wǎng)絡(luò)不斷對抗和優(yōu)化，最終達(dá)到預(yù)期效果。

　　蟲成對抗柯絡(luò)雜結(jié)構(gòu)如圖1所示。它由曳成網(wǎng)絡(luò)G和判別網(wǎng)絡(luò)￡>組成。將隨機(jī)變營^輸人生成網(wǎng)絡(luò)G，然后判別網(wǎng)絡(luò)fl判別輸人目標(biāo)，并確定其基生成圖像3：是?圖像，生成網(wǎng)絡(luò)的結(jié)果是GU)生成網(wǎng)絡(luò)G使G⑴與真實(shí)圍像保持接近，直到判別網(wǎng)絡(luò)不能區(qū)分生成的內(nèi)睿與_實(shí)內(nèi)睿為止。此時，生成的網(wǎng)難和判別網(wǎng)絡(luò)之苘形成納什均衡。

　　在生成對抗網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練過程中，生成網(wǎng)絡(luò)和判別網(wǎng)絡(luò)不斷地進(jìn)行迭代博弈，.最終對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化。從圖2可以看出，：代表輸人數(shù)據(jù)^生成網(wǎng)絡(luò)C金成的結(jié)果為CU)，然后判別網(wǎng)絡(luò)￡?識別G⑴和真實(shí)圖鐔J，真實(shí)圖像的概率表示為Z)，當(dāng)訓(xùn)練達(dá)到納什均衡時，D(Z)=1/2。

　　在網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化過程中，首先是對判別網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，目的是吏好地區(qū)分生成的圖像和真實(shí)圖像，即使判別網(wǎng)絡(luò)更加敏感，即使5U)最大化;其次，對于生成的圖像，需要最小化判別網(wǎng)絡(luò)處理后的iKCU))。因此，第一步的目標(biāo)定義為maxr(G，D)=Ex_P^Jx)[%(DC*))]+E^IZ)[k(l-D(G{z)))](1)在優(yōu)化生成網(wǎng)絡(luò)的過程中生成的圖像可以藎可能接近真實(shí)圖像，因此5(e(2))必須最大化，因此第二步的目標(biāo)暈.immF(G，D)=Ez^t\s(l-D(D(z)))](2)難成對抗網(wǎng)絡(luò)的總體目梅是：mnipmsIObj(D，G)=Ex^pm4x)[lg(I)(2))]+A-P你[%(1-￡K只4))]I(3)

　　其中是真輿數(shù)據(jù)的概率分布，h：基生成數(shù)據(jù)的概率分布6GAN的訓(xùn)練過程如圖2所示。它實(shí)際上是一個生成網(wǎng)絡(luò)和判別網(wǎng)絡(luò)相互對抗以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)解的過程。在這個過程中，需粟對兩個網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，直到達(dá)到納什均衡。

　　1.2循環(huán)生成對抗網(wǎng)絡(luò)

　　衝壞生咸蹲抗網(wǎng)銀(GycltJ-Geraaatiw?antiparial：Netw?k，Gycte-GAN)是基于思想，在輝域和目標(biāo)域之間沒有對應(yīng)關(guān)系齒情況下進(jìn)行學(xué)每，然后變換圖像樣式。循環(huán)GAN可以先從源域轉(zhuǎn)換到目標(biāo)域，再從目標(biāo)域轉(zhuǎn)換到源域，利用這種方法實(shí)現(xiàn)圖像配對》。與GAN模型不同的是t生成網(wǎng)絡(luò)和判別網(wǎng)絡(luò)在對抗中相互博弈，優(yōu)化模謹(jǐn)，使生成的圖像更接近，標(biāo)圖像。猶環(huán)生：成對抗柯絡(luò)_結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　在圖像樣式轉(zhuǎn)換中，利用循環(huán)一致性解決菌像轉(zhuǎn)換問題。在模型的判斷網(wǎng)絡(luò)部分，輸人原始圖像和生成的興像，判斷網(wǎng)絡(luò)對兩幅厲像進(jìn)行判斷分同時，生成的圖像也會隨著目標(biāo)圖像的不斷逼近，而不斷進(jìn)行優(yōu)化迭代。基于CyrleGAN的圖像樣式轉(zhuǎn)換可以將一幅圖像轉(zhuǎn)換為另一幅圖像，但生成的圖像質(zhì)量不翕。■屬此，提出一神基于頓環(huán)生，成對ft網(wǎng)絡(luò)生成高屬^像的_畫像。圖像樣式轉(zhuǎn)換方法s

　　2高質(zhì)量圖像樣式轉(zhuǎn)換算法2，1建立網(wǎng)絡(luò)

　　循環(huán)GAN結(jié)構(gòu)僅利用殘差網(wǎng)絡(luò)迸行單尺度學(xué)習(xí)，提高訓(xùn)練性能，限制網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)功能。在U-Net網(wǎng)絡(luò)中，，采用跳層結(jié)構(gòu)和殘差網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方法。增加網(wǎng)絡(luò)的多尺度不變性4U-Net網(wǎng)絡(luò)模型采用完全卷積網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增加一個跳躍層結(jié)構(gòu)，它可以將解碼前的特征映射和解碼后的特征映射按信道進(jìn)行組合，也可以與傳統(tǒng)編碼相結(jié)合，有不同的結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的編碼結(jié)構(gòu)是先下采樣，冉上采#到原始分辨率DU-Net以不同酌分辨率保存僙息^與傳統(tǒng)的編解碼結(jié)構(gòu)相比，U-Net融合了網(wǎng)絡(luò)的高羅和低層結(jié)構(gòu)信息，模型的分割精虔大大.高。U-Pfet分割模型中沒有使用全連接層，弁且網(wǎng)絡(luò)模型的輸入與輸出都是虜像，通常在卷積神12網(wǎng)絡(luò)的淺層的特征圖中包含圖像很多的位置信息、紋理信息等，在網(wǎng)絡(luò)深層的卷積特征囷包含的是.分割的抽象特征有利于像素分類。具有對稱結(jié)構(gòu)的U-Net分割模感很好的繼承全卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的優(yōu)勢，網(wǎng)絡(luò)模型的輸人圖像大小沒有局釀性，并麗具有M義分割獏型的端對瑞特點(diǎn)19]。因此IT-Net可以生成更食質(zhì)量的圖像，改進(jìn)效果_嘗明顯圖4暈傳統(tǒng)：的編碼結(jié)構(gòu)，圖5犛U-Efct結(jié)構(gòu)。

　　目前.，神婪網(wǎng)絡(luò)的層次越來越深，模型越來趙復(fù)雜，訓(xùn)練和優(yōu)化的難度越來越大。一般來說，深度模型越深，訓(xùn)練效巣越好。但是，也會帶來很多問題，如訓(xùn)練難度增加、模型梯度爆炸、梯度消失尋^在這些問題下，向網(wǎng)絡(luò)中掭加剩余塊可以防止這些問題的發(fā)產(chǎn).。剩佘塊是具有跳轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，如圖6所示。

　　從圖6可K看隹是殘_塊的第一層的輸入值。在第一層線性變化和激活函數(shù)rdu后，輸出F(*)，然后在線性變化而不是激活函數(shù)后，)將該層的輸入值*枏加，然后激活并輸出s添加*的路徑稱為快捷連接。殘差網(wǎng)絡(luò)是T-種跳轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，茍以將前“個網(wǎng)絡(luò)的信息跳到下^個網(wǎng)絡(luò)，然啟傳遞給下一個網(wǎng)絡(luò)。確實(shí)，后面的網(wǎng)絡(luò)可?學(xué)習(xí)前面的信息，這種結(jié)構(gòu)可以保護(hù)細(xì)綠整性。在U-Net網(wǎng)絡(luò)和殘差網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，提出一種綜合兩者優(yōu)點(diǎn)的生.成結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。與GAN標(biāo)準(zhǔn)的編解碼結(jié)構(gòu)相比，這種生成網(wǎng)絡(luò)能夠保留更多的信息，生成的圖慘分鱗率更局。在U-Net網(wǎng)絡(luò)中，加人殘差塊，使網(wǎng)絡(luò)的信息容量更大，荸習(xí)能力更強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)可以在較低和較高的范圍內(nèi)學(xué)習(xí)。改進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

　　2.2判別網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造

　　擴(kuò)展卷積是it卷積核的數(shù)目保持不變，感受野的大小隨看擴(kuò)展速率的增大而增大。擴(kuò)張卷積圖如圖8所示。

　　展開卷積運(yùn)箕仍然是很好的理解。圖8(0是：基本卷積核，而擴(kuò)展卷積就是在這個基本卷積核上加一個區(qū)間5圖8(b)是圖S(a)3x3膨脹率為2的卷積，但間嗝為1，相當(dāng)于7對應(yīng)的圖像塊乘7。可以理解，內(nèi)核大小B替變成7x7，但只;有9個點(diǎn)有參數(shù)，其佘位黧參數(shù)為〇，通過卷積計(jì)算輸入特怔?對應(yīng)位：置的像素3跳過其條位置f圖8(c)和團(tuán)：s(：b》相似，只是：tr張率為4，相當(dāng)于變成15x15卷積核。當(dāng)卷積核變大時，感受也自然會變大;RF^RF^+ik-^xs(4)其中，是上層的感.受野^是卷積核的大小，s是歩長S具有大感受野.的判別網(wǎng)絡(luò)具有較高的分辨率，能夠準(zhǔn)確地區(qū)分輸人數(shù)琚是生成數(shù)據(jù)坯是冥實(shí)數(shù)塘。為提高分辨率，一種方法是使用較深的網(wǎng)絡(luò)，另一種方法魯.倭角較太的卷積核，但這兩種方法容易過擬合，占用較多的內(nèi)存。為解決遂一狗題，采用不同的K度訓(xùn)練多個鑒別器來判斷圖像?真實(shí)性a多尺度JI理圖如圖9所示。

　　提出的判別網(wǎng)絡(luò)在多尺度：上實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)張卷積，即在不同尺庋上便用不同的擴(kuò)張系數(shù)來獲取更多的信息9這種網(wǎng)絡(luò)可以預(yù)測更大范圍的數(shù)據(jù)，生成高分辨率的固像，具有更好的效果。改進(jìn)的鑒別器網(wǎng)絡(luò)錯構(gòu)如圖10所示。轉(zhuǎn)文提出的：纖性_集生成實(shí)驗(yàn)中，選取1800張圖片作為訓(xùn)練集，200張圖片作為測試集，圖片大小為1024x768，設(shè)置了100個歷元，弁對圖像進(jìn)行訓(xùn)練^

　　3結(jié)果3.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　圖11(?)是原始圖像，圖11(b)羞性別轉(zhuǎn)換后的圖像。從圍屮可以看出，使用本文設(shè)計(jì)的生成對抗網(wǎng)絡(luò)后生成的圖像具有明顯的性別轉(zhuǎn)換。

　　3.2實(shí)驗(yàn)比較

　　為對提出的模灌方法進(jìn)行評價(jià)，采用初始得分(?Jiephet初始距蘺(;FID)和AMT知覺研究XA獅-ztai-MeAiiniciil-m知覺研究)測試進(jìn)彳才歲量評價(jià)。初始分?jǐn)?shù)暴一f評價(jià)指標(biāo)，它與生成圖片的質(zhì)量和多樣性吏相關(guān)，但分?jǐn)?shù)較_的圖片實(shí)扉上是銳利多樣的圖片，而不是生成圖片與真實(shí)圖片的關(guān)系。分?jǐn)?shù)越高，生成畫像的細(xì)節(jié)越多，質(zhì)量越好。FID值是生成數(shù)據(jù)和實(shí)際：數(shù)掘德更接'近分布。AMTperpeptiQij：鄉(xiāng)eawh是在Amaz加費(fèi)務(wù)平臺上發(fā)布《辨別_片真實(shí)性;’任務(wù)，對輸出圖片的真實(shí)性進(jìn)行評估。任務(wù)參與者將查看配對的真實(shí)圖片，然后單擊以選擇認(rèn)為是真實(shí)圖片的圖片^最后，對大家進(jìn)行總結(jié)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這基評價(jià)圖像焉實(shí)性的金科玉律4數(shù)據(jù)評價(jià)結(jié)果見表1。

　　3.3訓(xùn)練過程

　　圖12是本文提出的生成對抗網(wǎng)絡(luò)在訓(xùn)練過程中的發(fā)虛器和判別損失變化曲線。生成器和鑒別器.的目的是相反的，即兩個生成器網(wǎng)絡(luò)和鑒別器網(wǎng)絡(luò)最相對的，一個互相交互。可見鑒別器的損耗曲線在下降，發(fā)電機(jī)的損耗曲線在上升，兩人一直_博弈。

　　4結(jié)束語

　　參照循環(huán)生成對抗網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)一個貢質(zhì)曇的圖像樣式轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)。棊于U網(wǎng)的跳層結(jié)構(gòu)和殘差分塊原理，發(fā)電網(wǎng)絡(luò)利用跳層和殘差網(wǎng)絡(luò)增加多R廣差。判別網(wǎng)絡(luò)采用多尺度展開卷稅，提高空間幾何變換和高分辨率圖像ft成效果9實(shí)驗(yàn)緒杲裹煙，該算法在圖像風(fēng)格轉(zhuǎn)換方兩有較理想的效果，并能保證圖像風(fēng)格轉(zhuǎn)換的質(zhì)量。