基于深度卷积神经网络(CNN)模型的图像着色研究与应用系统实现

1.摘要

许多历史照片都是黑白的,通过颜色化可以恢复这些照片的历史感和真实感,使人们更好地理解和感受历史事件。随着深度学习技术的发展,特别是卷积神经网络和自监督学习的兴起,研究人员提出了新的方法来解决这些问题。通过将颜色化问题表述为分类任务,并使用大规模数据集进行训练,开发一种完全自动的、生成逼真彩色图像的方法。本文将深度卷积神经网络(CNN)设计实现一个复杂结构的生成模型,旨在通过多阶段的编码器-解码器结构,能够有效地将灰度图像转换为彩色图像。最后,本文将实现一个简单的Web应用,用户可以通过上传灰度图像,应用会使用预训练的Caffe模型对其进行颜色化,并将结果返回给用户。

2.模型设计

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        model1=[nn.Conv2d(1, 64, kernel_size=3, stride=1, padding=1, bias=True),]
        model1+=[nn.ReLU(True),]
        model1+=[nn.Conv2d(64, 64, kernel_size=3, stride=2, padding=1, bias=True),]
        model1+=[nn.ReLU(True),]
        model1+=[norm_layer(64),]

        model2=[nn.Conv2d(64, 128, kernel_size=3, stride=1, padding=1, bias=True),]
        model2+=[nn.ReLU(True),]
        model2+=[nn.Conv2d(128, 128, kernel_size=3, stride=2, padding=1, bias=True),]
        model2+=[nn.ReLU(True),]
        model2+=[norm_layer(128),]

        model3=[nn.Conv2d(128, 256, kernel_size=3, stride=1, padding=1, bias=True),]
        model3+=[nn.ReLU(True),]
        model3+=[nn.Conv2d(256, 256, kernel_size=3, stride=1, padding=1, bias=True),]
        model3+=[nn.ReLU(True),]
        model3+=[nn.Conv2d(256, 256, kernel_size=3, stride=2, padding=1, bias=True),]
        model3+=[nn.ReLU(True),]
        model3+=[norm_layer(256),]

        model4=[nn.Conv2d(256, 512, kernel_size=3, stride=1, padding=1, bias=True),]
        model4+=[nn.ReLU(True),]
        model4+=[nn.Conv2d(512, 512, kernel_size=3, stride=1, padding=1, bias=True),]
        model4+=[nn.ReLU(True),]
        model4+=[nn.Conv2d(512, 512, kernel_size=3, stride=1, padding=1, bias=True),]
        model4+=[nn.ReLU(True),]
        model4+=[norm_layer(512),]

        model5=[nn.Conv2d(512, 512, kernel_size=3, dilation=2, stride=1, padding=2, bias=True),]
        model5+=[nn.ReLU(True),]
        model5+=[nn.Conv2d(512, 512, kernel_size=3, dilation=2, stride=1, padding=2, bias=True),]
        model5+=[nn.ReLU(True),]
        model5+=[nn.Conv2d(512, 512, kernel_size=3, dilation=2, stride=1, padding=2, bias=True),]
        model5+=[nn.ReLU(True),]
        model5+=[norm_layer(512),]

        model6=[nn.Conv2d(512, 512, kernel_size=3, dilation=2, stride=1, padding=2, bias=True),]
        model6+=[nn.ReLU(True),]
        model6+=[nn.Conv2d(512, 512, kernel_size=3, dilation=2, stride=1, padding=2, bias=True),]
        model6+=[nn.ReLU(True),]
        model6+=[nn.Conv2d(512, 512, kernel_size=3, dilation=2, stride=1, padding=2, bias=True),]
        model6+=[nn.ReLU(True),]
        model6+=[norm_layer(512),]

        model7=[nn.Conv2d(512, 512, kernel_size=3, stride=1, padding=1, bias=True),]
        model7+=[nn.ReLU(True),]
        model7+=[nn.Conv2d(512, 512, kernel_size=3, stride=1, padding=1, bias=True),]
        model7+=[nn.ReLU(True),]
        model7+=[nn.Conv2d(512, 512, kernel_size=3, stride=1, padding=1, bias=True),]
        model7+=[nn.ReLU(True),]
        model7+=[norm_layer(512),]

        model8=[nn.ConvTranspose2d(512, 256, kernel_size=4, stride=2, padding=1, bias=True),]
        model8+=[nn.ReLU(True),]
        model8+=[nn.Conv2d(256, 256, kernel_size=3, stride=1, padding=1, bias=True),]
        model8+=[nn.ReLU(True),]
        model8+=[nn.Conv2d(256, 256, kernel_size=3, stride=1, padding=1, bias=True),]
        model8+=[nn.ReLU(True),]

        model8+=[nn.Conv2d(256, 313, kernel_size=1, stride=1, padding=0, bias=True),]

        self.model1 = nn.Sequential(*model1)
        self.model2 = nn.Sequential(*model2)
        self.model3 = nn.Sequential(*model3)
        self.model4 = nn.Sequential(*model4)
        self.model5 = nn.Sequential(*model5)
        self.model6 = nn.Sequential(*model6)
        self.model7 = nn.Sequential(*model7)
        self.model8 = nn.Sequential(*model8)

        self.softmax = nn.Softmax(dim=1)
        self.model_out = nn.Conv2d(313, 2, kernel_size=1, padding=0, dilation=1, stride=1, bias=False)
        self.upsample4 = nn.Upsample(scale_factor=4, mode='bilinear')

上述模型由多个卷积层、ReLU激活函数和批归一化层组成,通过前向传播函数将输入的灰度图像(L通道)转换为彩色图像(ab通道)。如果指定了 pretrained=True,则会自动下载并加载预训练的模型权重。模型训练后,灰色图像前后对比:

3.应用实现

系统通过Flask框架提供了一个Web应用,用户可以上传灰度图像,系统会自动将其转换为彩色图像,并在网页上显示结果。整个过程包括文件验证、图像处理、颜色化预测和结果展示,具有较高的实用性和用户体验。

  • 自动颜色化:使用预训练的深度学习模型自动将灰度图像转换为彩色图像。
  • Web应用:基于Flask框架,提供了一个简单的Web界面,方便用户上传和查看结果。
  • 图像处理:结合OpenCV和PIL库,实现了图像的读取、处理和显示。

展示界面如下:

上传一张图像:

测试结果如下:

本研究基于CNN模型提出了一种完全自动的方法,能够生成鲜艳且逼真的彩色图像,最后,实现了用户上传图片并在网页上即时显示原图与着色后图片的功能。

完整代码链接:https://download.csdn.net/download/weixin_40651515/90021778

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