昇思学习打卡营第31天|深度解密 CycleGAN 图像风格迁移：从草图到线稿的无缝转化

1. 简介

图像风格迁移是计算机视觉领域中的一个热门研究方向，其中 CycleGAN (循环对抗生成网络) 在无监督领域取得了显著的突破。与传统需要成对训练数据的模型如 Pix2Pix 不同，CycleGAN 不需要严格的成对数据，只需两类图片域数据，便可实现图像风格的迁移与互换。

本篇博文将通过一个实际案例演示如何使用 CycleGAN 实现从草图到目标线稿图的图像风格迁移任务，并详细介绍 CycleGAN 的模型结构、数据处理及训练过程。

2. 模型介绍

CycleGAN 的核心思想源自 "Unpaired Image-to-Image Translation using Cycle-Consistent Adversarial Networks" 论文。该模型在不需要成对示例的情况下，学习将源域 X 的图像转换到目标域 Y。其应用领域包括风格迁移、图像增强和域适应等任务。

2.1 CycleGAN 网络结构

CycleGAN 由两个 GAN 模型组成，其对称的架构允许在不同的域之间来回转换图像。具体而言，CycleGAN 使用两个生成器（G 和 F）和两个判别器（D_X 和 D_Y），生成器负责将域 X 的图像转换到域 Y，并通过判别器对生成结果进行真假判断。

模型架构如下：

1. 生成器：生成器采用 ResNet 结构，由 9 个残差块组成，适合处理 256x256 尺寸的图片。
2. 判别器：判别器通过 PatchGAN 模型检测图像的真实性，以保证生成的图像足够逼真。

2.2 循环一致性损失

CycleGAN 通过 循环一致性损失 来保证从域 X 到域 Y，再从域 Y 转换回域 X 的图像应尽可能接近原始图像。这种损失机制确保模型不会丢失重要的图像特征。

3. 数据集

本案例使用的数据集包含线稿图和草图图像，所有图片大小为 256x256 像素。数据集分为训练集和测试集，训练集包含 25654 张图片，测试集包含约 100 张线稿图片和 116 张草图图片。

4. 模型实现

4.1 生成器模型

生成器模型基于 ResNet 结构，通过卷积、反卷积及残差块实现图像风格的转换。以下是生成器的代码实现：

import mindspore.nn as nn

class ResidualBlock(nn.Cell):
    def __init__(self, dim):
        super(ResidualBlock, self).__init__()
        self.conv_block = nn.SequentialCell(
            nn.Conv2d(dim, dim, kernel_size=3, padding=1, pad_mode="pad"),
            nn.BatchNorm2d(dim),
            nn.ReLU(),
            nn.Conv2d(dim, dim, kernel_size=3, padding=1, pad_mode="pad"),
            nn.BatchNorm2d(dim)
        )

    def construct(self, x):
        return x + self.conv_block(x)

class ResNetGenerator(nn.Cell):
    def __init__(self, input_nc, output_nc, n_residual_blocks=9):
        super(ResNetGenerator, self).__init__()
        model = [
            nn.Conv2d(input_nc, 64, kernel_size=7, padding=3, pad_mode="pad"),
            nn.BatchNorm2d(64),
            nn.ReLU()
        ]

        # Downsampling
        model += [
            nn.Conv2d(64, 128, kernel_size=3, stride=2, padding=1),
            nn.BatchNorm2d(128),
            nn.ReLU(),
            nn.Conv2d(128, 256, kernel_size=3, stride=2, padding=1),
            nn.BatchNorm2d(256),
            nn.ReLU()
        ]

        # Residual blocks
        for _ in range(n_residual_blocks):
            model += [ResidualBlock(256)]

        # Upsampling
        model += [
            nn.Conv2dTranspose(256, 128, kernel_size=3, stride=2, padding=1, output_padding=1),
            nn.BatchNorm2d(128),
            nn.ReLU(),
            nn.Conv2dTranspose(128, 64, kernel_size=3, stride=2, padding=1, output_padding=1),
            nn.BatchNorm2d(64),
            nn.ReLU()
        ]

        model += [
            nn.Conv2d(64, output_nc, kernel_size=7, padding=3, pad_mode="pad"),
            nn.Tanh()
        ]

        self.model = nn.SequentialCell(model)

    def construct(self, x):
        return self.model(x)

4.2 判别器模型

判别器基于 PatchGAN 的结构，通过卷积网络将输入图片划分为多个小的 patch，并分别进行真假判别。

class Discriminator(nn.Cell):
    def __init__(self, input_nc, ndf=64):
        super(Discriminator, self).__init__()
        self.model = nn.SequentialCell([
            nn.Conv2d(input_nc, ndf, kernel_size=4, stride=2, padding=1),
            nn.LeakyReLU(0.2),

            nn.Conv2d(ndf, ndf * 2, kernel_size=4, stride=2, padding=1),
            nn.BatchNorm2d(ndf * 2),
            nn.LeakyReLU(0.2),

            nn.Conv2d(ndf * 2, ndf * 4, kernel_size=4, stride=2, padding=1),
            nn.BatchNorm2d(ndf * 4),
            nn.LeakyReLU(0.2),

            nn.Conv2d(ndf * 4, ndf * 8, kernel_size=4, stride=1, padding=1),
            nn.BatchNorm2d(ndf * 8),
            nn.LeakyReLU(0.2),

            nn.Conv2d(ndf * 8, 1, kernel_size=4, stride=1, padding=1)
        ])

    def construct(self, x):
        return self.model(x)

4.3 优化器与损失函数

CycleGAN 采用对抗性损失和循环一致性损失的组合来训练生成器和判别器。优化器选择了 Adam 优化器，学习率设置为 0.0002。

import mindspore as ms

# 定义损失函数和优化器
gan_loss = nn.BCELoss()
cycle_loss = nn.L1Loss()

optimizer_G = nn.Adam(generator.parameters(), learning_rate=0.0002)
optimizer_D = nn.Adam(discriminator.parameters(), learning_rate=0.0002)

5. 训练与推理

训练过程中，我们交替训练生成器和判别器。判别器通过真假样本的判别进行训练，而生成器则通过对抗判别和循环一致性进行优化。以下是一个训练步骤的实现：

def train_step(real_A, real_B):
    # 生成器前向计算
    fake_B = generator_A2B(real_A)
    fake_A = generator_B2A(real_B)
    
    # 判别器前向计算
    D_A_loss = gan_loss(discriminator_A(fake_A), Tensor(0)) + gan_loss(discriminator_A(real_A), Tensor(1))
    D_B_loss = gan_loss(discriminator_B(fake_B), Tensor(0)) + gan_loss(discriminator_B(real_B), Tensor(1))
    
    # 生成器损失计算
    cycle_A_loss = cycle_loss(generator_B2A(fake_B), real_A)
    cycle_B_loss = cycle_loss(generator_A2B(fake_A), real_B)
    G_loss = cycle_A_loss + cycle_B_loss + D_A_loss + D_B_loss
    
    optimizer_G.step()
    optimizer_D.step()
    
    return G_loss, D_A_loss, D_B_loss

结语

通过本次的CycleGAN模型实践，我们深入理解了图像风格迁移的基本原理，特别是在无监督情况下如何实现两个域之间的图像转换。CycleGAN的循环一致性损失在保持图像内容一致性的同时，又能实现风格的转换，这是其在域迁移任务中广泛应用的重要原因。在整个实现过程中，不仅对生成器和判别器的构建有了更清晰的理解，同时也进一步熟悉了损失函数的优化策略。

这次实验的关键在于让模型具备在没有配对数据的情况下，也能够进行风格转换的能力。虽然实验需要较大的计算资源，但我们通过小规模数据集也能够体验到CycleGAN的强大之处。希望通过这个项目，我们不仅能掌握CycleGAN的基本原理，也能为以后的图像生成和风格迁移任务打下坚实的基础。

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