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Python深度學(xué)習(xí)18-生成式深度學(xué)習(xí)之DeepDream

人工智能 深度學(xué)習(xí)
在生成圖片時,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是凍結(jié)的,也就是網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重不再更新,只需要更新輸入的圖片。常用的預(yù)訓(xùn)練卷積網(wǎng)絡(luò)包括Google的Inception、VGG網(wǎng)絡(luò)和ResNet網(wǎng)絡(luò)等。

?DeepDream簡介

DeepDream是一種藝術(shù)性的圖像修改技術(shù),主要是基于訓(xùn)練好的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)CNN進行圖片的生成。

在生成圖片時,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是凍結(jié)的,也就是網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重不再更新,只需要更新輸入的圖片。常用的預(yù)訓(xùn)練卷積網(wǎng)絡(luò)包括Google的Inception、VGG網(wǎng)絡(luò)和ResNet網(wǎng)絡(luò)等。

DeePDream的基本步驟:

  • 獲取輸入圖片
  • 將圖片輸入網(wǎng)絡(luò),得到所希望可視化的神經(jīng)元的輸出值
  • 計算神經(jīng)元輸出值對圖片各像素的梯度
  • 使用梯度下降不斷更新圖片

重復(fù)第2、3、4步,直到滿足所設(shè)定的條件

下面是使用Keras實現(xiàn)DeepDream的大致過程:

用Keras實現(xiàn)DeepDream

獲取測試圖片

In [1]:

# ---------------
from tensorflow import keras
import matplotlib.pyplot as plt
%matplotlib inline

base_image_path = keras.utils.get_file(
"coast.jpg",
origin="https://img-datasets.s3.amazonaws.com/coast.jpg")

plt.axis("off")
plt.imshow(keras.utils.load_img(base_image_path))
plt.show()

圖片

上面是Keras自帶的一張海岸線的圖片。下面就是對這張圖進行變化。

準備預(yù)訓(xùn)練模型InceptionV3

In [2]:

# 使用Inception V3實現(xiàn)
from keras.applications import inception_v3

# 使用預(yù)訓(xùn)練的ImageNet權(quán)重來加載模型
model = inception_v3.InceptionV3(weights="imagenet", # 構(gòu)建不包含全連接層的Inceptino
include_top=False)
Downloading data from https://storage.googleapis.com/tensorflow/keras-applications/inception_v3/inception_v3_weights_tf_dim_ordering_tf_kernels_notop.h5
87916544/87910968 [==============================] - 74s 1us/step
87924736/87910968 [==============================] - 74s 1us/step

In [3]:

model.summary()

圖片

設(shè)置DeepDream配置

In [4]:

# 層的名稱 + 系數(shù):該層對需要最大化的損失的貢獻大小

layer_settings = {"mixed4":1.0,
"mixed5":1.5,
"mixed6":2.0,
"mixed7":2.5}

outputs_dict = dict(
[
(layer.name, layer.output) # 層的名字 + 該層的輸出
for layer in [model.get_layer(name) for name in layer_settings.keys()]
]
)

outputs_dict

Out[4]:

{'mixed4': <KerasTensor: shape=(None, None, None, 768) dtype=float32 (created by layer 'mixed4')>,
'mixed5': <KerasTensor: shape=(None, None, None, 768) dtype=float32 (created by layer 'mixed5')>,
'mixed6': <KerasTensor: shape=(None, None, None, 768) dtype=float32 (created by layer 'mixed6')>,
'mixed7': <KerasTensor: shape=(None, None, None, 768) dtype=float32 (created by layer 'mixed7')>}

In [5]:

# 特征提取

feature_extractor = keras.Model(inputs=model.inputs, outputs=outputs_dict)
feature_extractor

Out[5]:

<keras.engine.functional.Functional at 0x15b5ff0d0>

計算損失

In [6]:

def compute_loss(image):
features = feature_extractor(image) # 特征提取
loss = tf.zeros(shape=()) # 損失初始化

for name in features.keys(): # 遍歷層
coeff = layer_settings[name] # 某個層的系數(shù)
activation = features[name] # 某個層的激活函數(shù)
#為了避免出現(xiàn)邊界偽影,損失中僅包含非邊界的像素
loss += coeff * tf.reduce_mean(tf.square(activation[:, 2:-2, 2:-2, :])) # 將該層的L2范數(shù)添加到loss中;
return loss

梯度上升過程

In [7]:

import tensorflow as tf

@tf.function
def gradient_ascent_step(image, lr): # lr--->learning_rate 學(xué)習(xí)率
with tf.GradientTape() as tape:
tape.watch(image)
loss = compute_loss(image) # 調(diào)用計算損失方法
grads = tape.gradient(loss, image) # 梯度更新
grads = tf.math.l2_normalize(grads)
image += lr * grads
return loss, image

def gradient_ascent_loop(image, iterations, lr, max_loss=None):
for i in range(iterations):
loss, image = gradient_ascent_step(image, lr)
if max_loss is not None and loss > max_loss:
break
print(f"第{i}步的損失值是{loss:.2f}")

return image

圖片生成

np.expand_dims用法(個人添加)

In [8]:

import numpy as np

array = np.array([[1,2,3],
[4,5,6]]
)
array

Out[8]:

array([[1, 2, 3],
[4, 5, 6]])

In [9]:

array.shape

Out[9]:

(2, 3)

In [10]:

array1 = np.expand_dims(array,axis=0)
array1

Out[10]:

array([[[1, 2, 3],
[4, 5, 6]]])

In [11]:

array1.shape

Out[11]:

(1, 2, 3)

In [12]:

array2 = np.expand_dims(array,axis=1)
array2

Out[12]:

array([[[1, 2, 3]],

[[4, 5, 6]]])

In [13]:

array2.shape

Out[13]:

(2, 1, 3)

In [14]:

array3 = np.expand_dims(array,axis=-1)
array3

Out[14]:

array([[[1],
[2],
[3]],

[[4],
[5],
[6]]])

In [15]:

array3.shape

Out[15]:

(2, 3, 1)

np.clip功能(個人添加)

np.clip(
array,
min(array),
max(array),
out=None):

In [16]:

array = np.array([1,2,3,4,5,6])

np.clip(array, 2, 5) # 輸出長度和原數(shù)組相同

Out[16]:

array([2, 2, 3, 4, 5, 5])

In [17]:

array = np.arange(18).reshape((6,3))
array

Out[17]:

array([[ 0,  1,  2],
[ 3, 4, 5],
[ 6, 7, 8],
[ 9, 10, 11],
[12, 13, 14],
[15, 16, 17]])

In [18]:

np.clip(array, 5, 15)

Out[18]:

array([[ 5,  5,  5],
[ 5, 5, 5],
[ 6, 7, 8],
[ 9, 10, 11],
[12, 13, 14],
[15, 15, 15]])

參數(shù)設(shè)置

In [19]:

step = 20.  #  梯度上升的步長
num_octave = 3 # 運行梯度上升的尺度個數(shù)
octave_scale = 1.4 # 兩個尺度間的比例大小
iterations = 30 # 在每個尺度上運行梯度上升的步數(shù)
max_loss = 15. # 損失值若大于15,則中斷梯度上升過程

圖片預(yù)處理

In [20]:

import numpy as np

def preprocess_image(image_path): # 預(yù)處理
img = keras.utils.load_img(image_path) # 導(dǎo)入圖片
img = keras.utils.img_to_array(img) # 轉(zhuǎn)成數(shù)組
img = np.expand_dims(img, axis=0) # 增加數(shù)組維度;見上面解釋(x,y) ---->(1,x,y)
img = keras.applications.inception_v3.preprocess_input(img)
return img


def deprocess_image(img): # 圖片壓縮處理
img = img.reshape((img.shape[1], img.shape[2], 3))
img /= 2.0
img += 0.5
img *= 255.
# np.clip:截斷功能,保證數(shù)組中的取值在0-255之間
img = np.clip(img, 0, 255).astype("uint8")
return img

生成圖片

In [21]:

# step = 20.  #  梯度上升的步長
# num_octave = 3 # 運行梯度上升的尺度個數(shù)
# octave_scale = 1.4 # 兩個尺度間的比例大小
# iterations = 30 # 在每個尺度上運行梯度上升的步數(shù)
# max_loss = 15.0 # 損失值若大于15,則中斷梯度上升過程

original_img = preprocess_image(base_image_path) # 預(yù)處理函數(shù)
original_shape = original_img.shape[1:3]

print(original_img.shape) # 四維圖像
print(original_shape) # 第2和3維度的值
(1, 900, 1200, 3)
(900, 1200)

In [22]:

successive_shapes = [original_shape]

for i in range(1, num_octave):
shape = tuple([int(dim / (octave_scale ** i)) for dim in original_shape])
successive_shapes.append(shape)
successive_shapes = successive_shapes[::-1] # 翻轉(zhuǎn)

shrunk_original_img = tf.image.resize(original_img, successive_shapes[0])

img = tf.identity(original_img)
for i, shape in enumerate(successive_shapes):
print(f"Processing octave {i} with shape {shape}")
# resize
img = tf.image.resize(img, shape)
img = gradient_ascent_loop( # 梯度上升函數(shù)調(diào)用
img,
iteratinotallow=iterations,
lr=step,
max_loss=max_loss
)
# resize
upscaled_shrunk_original_img = tf.image.resize(shrunk_original_img, shape)
same_size_original = tf.image.resize(original_img, shape)

lost_detail = same_size_original - upscaled_shrunk_original_img
img += lost_detail
shrunk_original_img = tf.image.resize(original_img, shape)

keras.utils.save_img("dream.png", deprocess_image(img.numpy()))

結(jié)果為:

Processing octave 0 with shape (459, 612)
第0步的損失值是0.80
第1步的損失值是1.07
第2步的損失值是1.44
第3步的損失值是1.82
......
第26步的損失值是11.44
第27步的損失值是11.72
第28步的損失值是12.03
第29步的損失值是12.49

同時在本地生成了新圖片,看下效果:

圖片

再看一眼原圖:相對比之下,新圖有點夢幻的味道!

圖片


責(zé)任編輯:武曉燕 來源: 尤而小屋
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