OpenCV DNN 模块实现图像风格迁移：原理与代码详解
在计算机视觉中，图像风格迁移（Neural Style Transfer）是一项非常有趣的应用。它可以将一幅图像的风格迁移到另一幅图像上，比如把一张人脸图像转换成梵高的《星空》风格。本篇文章将通过 OpenCV 的 dnn 模块，结合预训练的 PyTorch 模型，实现一个简易的风格迁移程序。
1. 环境准备与图像读取
原图和结果：
首先，我们需要安装 OpenCV，并加载一张输入图像作为测试对象。
import cv2
# 获取输入图像
image = cv2.imread('face1.jpg') # 读取本地图像
# 如果需要使用摄像头实时输入，可以改为：cap = cv2.VideoCapture(0)
# 显示原始图像
cv2.imshow('yuan tu', image)
cv2.waitKey(0)要点：
-
cv2.imread()用于读取本地图像，返回一个 NumPy 数组。 -
cv2.imshow()可以显示图像，cv2.waitKey(0)表示无限等待用户按键，否则窗口立即关闭。
2. 图像预处理：blobFromImage
在将图像输入到神经网络之前，我们需要将其转化为网络所需的输入格式。OpenCV 提供了 cv2.dnn.blobFromImage 函数，帮助我们完成这一过程。
(h, w) = image.shape[:2]
blob = cv2.dnn.blobFromImage(image, 1, (w, h), (0, 0, 0), swapRB=False, crop=False)参数详解
-
image：输入图像，必须是 NumPy 数组。
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scalefactor：缩放因子，对像素值进行乘法缩放，默认 1 表示不缩放。
-
size：调整图像尺寸，必须与模型训练时的输入大小一致。
-
mean ：通道均值，用于减去图像的平均值以进行归一化。设置为
(0,0,0)表示不做均值减法。 -
swapRB：是否交换 R 和 B 通道。因为 OpenCV 默认是 BGR 通道，而许多深度学习模型训练时采用的是 RGB。
-
crop：是否在缩放后裁剪图像，通常设为 False。
最终返回的 blob 是一个 四维张量 ，格式为 NCHW：
-
N：批量大小（batch size）
-
C：通道数（通常 3）
-
H：高度
-
W：宽度
| 参数名 | 类型 | 说明 | 默认值 |
|---|---|---|---|
| image | numpy.ndarray |
输入图像，支持单张图像或多张图像列表。 | 必填 |
| scalefactor | float |
缩放因子，将图像像素值缩放到神经网络所需范围，最终结果是 像素值 * scalefactor。 |
1.0 |
| size | (width, height) |
输出图像的大小（宽，高）。必须与模型训练时的输入尺寸匹配，否则可能导致推理失败或效果不佳。 | 不缩放 |
| mean | (meanR, meanG, meanB) |
从每个通道减去的均值，用于归一化。可帮助消除光照影响。 | (0, 0, 0) |
| swapRB | bool |
是否交换 R 和 B 通道。OpenCV 默认图像通道为 BGR，如果模型训练时使用 RGB，则需设为 True。 |
False |
| crop | bool |
是否在调整大小后居中裁剪图像。如果设为 False，直接按比例缩放到目标尺寸。 |
False |
| ddepth | int |
输出数据的深度，常用 cv2.CV_32F（32 位浮点）。 |
CV_32F |
3. 加载预训练神经网络
接下来，我们需要加载一个预训练的神经网络模型。OpenCV 提供了 cv2.dnn.readNet，支持多种主流深度学习框架。
# 加载模型
net = cv2.dnn.readNet(r"model\starry_night.t7")参数说明
-
model：模型文件，包含神经网络的权重和计算图。
-
config：可选配置文件，定义网络架构。
-
framework：可选参数，指定模型的框架（如 caffe、tensorflow、onnx 等），不指定时 OpenCV 会自动推断。
| 模型类型 | model 文件 | config 文件 | 读取函数 |
|---|---|---|---|
| Caffe | *.caffemodel | *.prototxt | readNetFromCaffe |
| TensorFlow | *.pb | *.pbtxt | readNetFromTensorFlow |
| Torch | *.t7 / *.net | 无 | readNetFromTorch |
| Darknet | *.weights | *.cfg | readNetFromDarknet |
| OpenVINO | *.bin | *.xml | readNetFromModelOptimizer |
| ONNX | *.onnx | 无 | readNetFromONNX |
这里使用的是一个基于 Torch 训练的风格迁移模型
starry_night.t7，它能将输入图像转换为梵高星空的风格。
4. 前向传播与结果计算
有了模型和输入数据，我们就可以进行前向推理：
# 设置输入
net.setInput(blob)
# 前向传播
out = net.forward()此时 out 是一个四维张量，形状为 (B, C, H, W)。
为了便于显示，我们需要对其进行 reshape、归一化和转置：
# 调整形状，去掉 batch 维度
out_new = out.reshape(out.shape[1], out.shape[2], out.shape[3])
# 归一化到 0~1 或 0~255 范围
cv2.normalize(out_new, out_new, norm_type=cv2.NORM_MINMAX)
# 转置回 HWC 格式（OpenCV 图像格式）
result = out_new.transpose(1, 2, 0)5. 显示风格迁移后的图像
最后，将处理好的图像显示出来：
cv2.imshow('Stylized Image', result)
cv2.waitKey(0)运行后，你将看到一幅带有梵高星空风格的图像。
6. 注意事项与优化建议
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图像尺寸 ：预处理时的
(w, h)应与模型输入尺寸一致，否则可能失真。 -
归一化处理 ：有些模型要求像素值范围在 [-1,1]，需要调整
scalefactor和mean。 -
性能优化 ：若处理视频流，可以把
cv2.imshow()放在循环中，实时显示风格化结果。 -
GPU 加速 ：可以用
net.setPreferableBackend(cv2.dnn.DNN_BACKEND_CUDA)和net.setPreferableTarget(cv2.dnn.DNN_TARGET_CUDA)开启 GPU 推理，速度会提升显著。
总结
本文通过 OpenCV 的 dnn 模块实现了一个简易的风格迁移程序，完整流程包括：
-
读取输入图像
-
使用
blobFromImage进行预处理 -
加载预训练模型
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前向推理得到风格化结果
-
归一化与维度变换
-
显示结果图像
这种方法可以快速实现艺术风格迁移，同时可以推广到目标检测、人脸识别等其他深度学习任务。