通過深度學(xué)習(xí)方法為黑白老照片自動上色，帶我們重新憶起那段老時(shí)光！

我們知道，深度學(xué)習(xí)幾乎已經(jīng)應(yīng)用在每一個領(lǐng)域，但如果我們能夠構(gòu)建一個基于深度學(xué)習(xí)的模型，讓它能夠給老照片著色，重現(xiàn)我們童年的舊回憶，這該多么令人激動??！那么我們要怎么做呢？本文的作者將為大家介紹一個教程，通過深度學(xué)習(xí)方法為黑白老照片自動上色，帶我們重新憶起那段老時(shí)光！

現(xiàn)如今，給照片著色通常是在 PS 中手工完成的。

所以說，如果要給一幅照片著色的話，短時(shí)間內(nèi)是不可能完成的。它需要廣泛的研究，要知道，單是一張臉的著色，就需要多達(dá)20層粉色、綠色和藍(lán)色的色調(diào)才能使照片擁有恰到好處的效果。

現(xiàn)在，我要介紹的這個簡單的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)——Inception Resnet V2，已經(jīng)訓(xùn)練了120萬張圖像，可以幫助我們完成著色的任務(wù)。為了能夠?qū)崿F(xiàn)著色，我們將用 Unsplash 的肖像來訓(xùn)練這個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

介紹

在本節(jié)中，我將就如何渲染圖像、數(shù)字顏色的基礎(chǔ)知識以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的主要邏輯進(jìn)行概述。

黑白圖像可以用像素網(wǎng)格表示，每個像素都有與其亮度相對應(yīng)的值。這些值的范圍是0~255，對應(yīng)的是從黑到白。

彩色圖像是由三層組成：紅色層、綠色層和藍(lán)色層。你可以想象一下，在白色背景上將綠葉分成三個通道。直覺上，你可能會認(rèn)為植物只存在于綠色層中。

但是，如下圖所示，葉子在所有三個通道中都存在。這些層不僅決定了顏色，還決定了亮度。

例如，要得到白色，你需要所有的顏色均勻分布。通過增加等量的紅色和藍(lán)色，會使綠色變得更亮。因此，彩色圖像使用三層來對顏色和對比度進(jìn)行編碼：

和黑白圖像一樣，彩色圖像中的每一層，也有0~255的值。值0表示這個層中沒有顏色。如果像素網(wǎng)格所有顏色通道的值都為0，那么這個圖像像素就是黑色的。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在輸入值和輸出值之間創(chuàng)建了一種關(guān)系。為了能夠更為準(zhǔn)確地完成著色任務(wù)，網(wǎng)絡(luò)需要找到能夠?qū)⒒叶葓D像和彩色圖像聯(lián)系起來的特征。

總的來說就是，我們需要找到能夠?qū)⒒叶戎稻W(wǎng)格鏈接到三個顏色網(wǎng)格的特征。

f()是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，[B&W]是我們的輸入，[R]、[G]、[B]是我們的輸出

現(xiàn)在，隨著數(shù)據(jù)集的增加，由于我們處理的是高分辨率圖像，因此我們需要更多的計(jì)算能力。為此，我個人更喜歡使用 Deep Cognition 的 Deep Learning Studio jupyter notebooks，它為Amazon 的深度學(xué)習(xí)示例提供了GPU，可用來訓(xùn)練模型。

如果你不熟悉如何使用Deep Learning Studio，可以看看以下這些資料：

Deep Learning made easy with Deep Learning Studio?—?An Introduction

http://u6.gg/eqfdu

Deep Learning made easy with Deep Learning Studio?—?Complete Guide

http://u6.gg/eqffa

A video walkthrough of Deep Cognition

http://u6.gg/eqfh7

python代碼和數(shù)據(jù)集可以從 GitHub 中下載：

https://github.com/Rajat2712/Deep-Learning-Studio

環(huán)境設(shè)置

Deep Learning Studio 最好的地方之一就是，只需單擊 Deep Learning Studio Cloud，就可以輕松地完成安裝，然后隨時(shí)隨地使用它們。

▌1.安裝 Python 環(huán)境

要安裝 Python 環(huán)境，請點(diǎn)擊 DLS 中的 Environments 選項(xiàng)卡。

然后在 Available Environments 單擊你要安裝的環(huán)境。

對于這項(xiàng)任務(wù)，我們將安裝以下環(huán)境：

Python3

Tensorflow-gpu-1.6.0

Keras-gpu-2.1.5

▌2.安裝python包

單擊啟動環(huán)境。然后點(diǎn)擊菜單的 Open New Terminal 打開終端。

在終端中鍵入以下命令:

1pipinstallscikit-image

上傳數(shù)據(jù)集

打開文件瀏覽器，并為這個項(xiàng)目創(chuàng)建一個新文件夾。上傳在 Github 存儲庫中可用的數(shù)據(jù)集。

如果需要自定義數(shù)據(jù)集，可以通過在 train 文件夾中上傳高分辨率的彩色圖像和test文件夾中的灰度圖像來創(chuàng)建。

接下來我們開始編碼

▌導(dǎo)入所有的庫

1importkeras 2fromkeras.applications.inception_resnet_v2importInceptionResNetV2 3fromkeras.preprocessingimportimage 4fromkeras.engineimportLayer 5fromkeras.applications.inception_resnet_v2importpreprocess_input 6fromkeras.layersimportConv2D,UpSampling2D,InputLayer,Conv2DTranspose,Input,Reshape,merge,concatenate 7fromkeras.layersimportActivation,Dense,Dropout,Flatten 8fromkeras.layers.normalizationimportBatchNormalization 9fromkeras.callbacksimportTensorBoard10fromkeras.modelsimportSequential,Model11fromkeras.layers.coreimportRepeatVector,Permute12fromkeras.preprocessing.imageimportImageDataGenerator,array_to_img,img_to_array,load_img13fromskimage.colorimportrgb2lab,lab2rgb,rgb2gray,gray2rgb14fromskimage.transformimportresize15fromskimage.ioimportimsave16importnumpyasnp17importos18importrandom19importtensorflowastf

▌從Train文件夾中讀取所有圖像并加載初始權(quán)重值

1#Getimages2X=[]3forfilenameinos.listdir('Train/'):4X.append(img_to_array(load_img('Train/'+filename)))5X=np.array(X,dtype=float)6Xtrain=1.0/255*X7#Loadweights8inception=InceptionResNetV2(weights='imagenet',include_top=True)9inception.graph=tf.get_default_graph()

▌在融合層（fusion layer）兩邊分別創(chuàng)建編碼器和解碼器

Inception ResNet v2 是一個在120萬張圖像上訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，也是現(xiàn)今最強(qiáng)大的分類器之一。與編碼器并行，輸入圖像也通過 Inception ResNet v2 來運(yùn)行。提取分類層并將其與編碼器的輸出合并。

通過將學(xué)習(xí)從分類轉(zhuǎn)移到著色網(wǎng)絡(luò)上，網(wǎng)絡(luò)可以對圖片中的內(nèi)容有所了解。進(jìn)而使網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)⒅桨概c對象表示相匹配。

將encoder_input輸入到我們的編碼器模型中，然后將編碼器模型的輸出與融合層中的 embed_input融合，用融合層的輸出作為解碼器模型的輸入，最后返回最終的輸出decoder_output。

1embed_input=Input(shape=(1000,)) 2#Encoder 3encoder_input=Input(shape=(256,256,1,)) 4encoder_output=Conv2D(64,(3,3),activation='relu',padding='same',strides=2)(encoder_input) 5encoder_output=Conv2D(128,(3,3),activation='relu',padding='same')(encoder_output) 6encoder_output=Conv2D(128,(3,3),activation='relu',padding='same',strides=2)(encoder_output) 7encoder_output=Conv2D(256,(3,3),activation='relu',padding='same')(encoder_output) 8encoder_output=Conv2D(256,(3,3),activation='relu',padding='same',strides=2)(encoder_output) 9encoder_output=Conv2D(512,(3,3),activation='relu',padding='same')(encoder_output)10encoder_output=Conv2D(512,(3,3),activation='relu',padding='same')(encoder_output)11encoder_output=Conv2D(256,(3,3),activation='relu',padding='same')(encoder_output)12#Fusion13fusion_output=RepeatVector(32*32)(embed_input)14fusion_output=Reshape(([32,32,1000]))(fusion_output)15fusion_output=concatenate([encoder_output,fusion_output],axis=3)16fusion_output=Conv2D(256,(1,1),activation='relu',padding='same')(fusion_output)17#Decoder18decoder_output=Conv2D(128,(3,3),activation='relu',padding='same')(fusion_output)19decoder_output=UpSampling2D((2,2))(decoder_output)20decoder_output=Conv2D(64,(3,3),activation='relu',padding='same')(decoder_output)21decoder_output=UpSampling2D((2,2))(decoder_output)22decoder_output=Conv2D(32,(3,3),activation='relu',padding='same')(decoder_output)23decoder_output=Conv2D(16,(3,3),activation='relu',padding='same')(decoder_output)24decoder_output=Conv2D(2,(3,3),activation='tanh',padding='same')(decoder_output)25decoder_output=UpSampling2D((2,2))(decoder_output)26model=Model(inputs=[encoder_input,embed_input],outputs=decoder_output)

現(xiàn)在，我們必須調(diào)整圖像的大小來適應(yīng) Inception 模型。然后根據(jù)模型對像素和顏色值使用預(yù)處理器進(jìn)行格式化。在最后一步中，我們通過 Inception 網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行它并提取模型的最后一層。

1defcreate_inception_embedding(grayscaled_rgb): 2grayscaled_rgb_resized=[] 3foriingrayscaled_rgb: 4i=resize(i,(299,299,3),mode='constant') 5grayscaled_rgb_resized.append(i) 6grayscaled_rgb_resized=np.array(grayscaled_rgb_resized) 7grayscaled_rgb_resized=preprocess_input(grayscaled_rgb_resized) 8withinception.graph.as_default(): 9embed=inception.predict(grayscaled_rgb_resized)10returnembed

用ImageDataGenertor可以調(diào)整圖像生成器的設(shè)置。如此一來得到不會重復(fù)的圖像，從而提高了學(xué)習(xí)率。shear_rangetilts使圖像向左或向右傾斜，其他設(shè)置為縮放、旋轉(zhuǎn)和水平翻轉(zhuǎn)。

1#Imagetransformer2datagen=ImageDataGenerator(3shear_range=0.2,4zoom_range=0.2,5rotation_range=20,6horizontal_flip=True)7#Generatetrainingdata8batch_size=10

我們使用 Xtrain 文件夾中的圖像，根據(jù)上面的設(shè)置生成圖像。然后，為X_batch提取黑色層和白色層，并為兩個顏色層提取兩種顏色。

為創(chuàng)建我們的 batch，我們使用經(jīng)過調(diào)整的圖像。將它們轉(zhuǎn)換為黑白圖像，并通過 Inception ResNet 模型運(yùn)行它們。

1defimage_a_b_gen(batch_size):2forbatchindatagen.flow(Xtrain,batch_size=batch_size):3grayscaled_rgb=gray2rgb(rgb2gray(batch))4embed=create_inception_embedding(grayscaled_rgb)5lab_batch=rgb2lab(batch)6X_batch=lab_batch[:,:,:,0]7X_batch=X_batch.reshape(X_batch.shape+(1,))8Y_batch=lab_batch[:,:,:,1:]/1289yield([X_batch,create_inception_embedding(grayscaled_rgb)],Y_batch)

現(xiàn)在，我們將使用 “RMSProp” 優(yōu)化器和均方誤差作為損失函數(shù)來編譯模型。

GPU 越強(qiáng)，得到的圖像就越多。通過現(xiàn)在的設(shè)置，你可以使用50~100張圖像。steps_per_epoch是通過將訓(xùn)練圖像的數(shù)量除以 batch 大小來計(jì)算的。

1#Trainmodel2model.compile(optimizer='rmsprop',loss='mse')3model.fit_generator(image_a_b_gen(batch_size),epochs=50,steps_per_epoch=1)

1.0/255 表示我們使用的是 24 位 RGB 顏色空間，這意味著我們?yōu)槊總€顏色通道使用 0 ~ 255 之間的數(shù)字。這將會產(chǎn)生 1670 萬種顏色的組合。

而人類只能感知 200 ~ 1000 萬種顏色，因此，使用再大的顏色空間并沒有多大意義。

與 RGB 顏色空間相比，LAB 顏色空間具有不同的范圍。在 LAB 顏色空間中，顏色光譜 ab 范圍從-128~128。通過將輸出層中的所有值除以 128，將色譜范圍限制在 -1 ~ 1 之間。

將它與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相匹配，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也返回 -1 ~ 1 之間的值。

在使用 rgb2lab 函數(shù)轉(zhuǎn)換顏色空間之后，我們選擇灰度層：[:,:,0]，這是對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入。[:,:,1:]選擇兩個顏色層：綠-紅和藍(lán)-黃。

1color_me=[]2forfilenameinos.listdir('Test/'):3color_me.append(img_to_array(load_img('Test/'+filename)))4color_me=np.array(color_me,dtype=float)5gray_me=gray2rgb(rgb2gray(1.0/255*color_me))6color_me_embed=create_inception_embedding(gray_me)7color_me=rgb2lab(1.0/255*color_me)[:,:,:,0]8color_me=color_me+.reshape(color_me.shape+(1,))

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練后，做出最終的預(yù)測，并將其轉(zhuǎn)化為圖像。

在這里，我們使用一個灰度圖像作為輸入，并通過訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來運(yùn)行它。我們?nèi)≡?-1 ~ 1 之間所有的輸出值，然后乘以 128，就得到了 Lab 色譜中正確的顏色。

最后，用 三層 0 填充得到一個黑色的 RGB 畫布。然后從測試圖像中，復(fù)制灰度圖層。然后將這兩個顏色層添加到 RGB 畫布上。再將這個像素值數(shù)組轉(zhuǎn)換為圖片。

1#Testmodel2output=model.predict([color_me,color_me_embed])3output=output*1284#Outputcolorizations5foriinrange(len(output)):6cur=np.zeros((256,256,3))7cur[:,:,0]=color_me[i][:,:,0]8cur[:,:,1:]=output[i]9imsave("result/img_"+str(i)+".png",lab2rgb(cur))

結(jié)果

在小型數(shù)據(jù)集上的結(jié)果，訓(xùn)練圖像數(shù) = 10，測試圖像數(shù) = 8；

▌測試數(shù)據(jù)：

▌經(jīng)過50個輪數(shù)之后：

▌經(jīng)過100個輪數(shù)之后：

▌經(jīng)過1000個輪數(shù)之后：

▌經(jīng)過2000個輪數(shù)之后：