爱吧机器人网 » 技术 > 神经网络 > 正文

用人工智能神经网络给黑白照片上色 复现记忆中的旧时光

在人工智能的时代,深度学习几乎已经应用在每一个领域,但如果我们能够构建一个基于深度学习的模型,让它能够给老照片着色,重现我们童年的旧回忆,这该多么令人激动啊!

惊讶!用人工智能给黑白照片上色,复现记忆中的旧时光
一直以来给照片上色都是通过ps进行处理的,建立不同的层,用不同的色彩值调控,如果给一幅照片上色的话,在短时间内是不可能完成的。看一个简单的上色的图层,还只是一部分的操作。

惊讶!用人工智能给黑白照片上色,复现记忆中的旧时光
接下来要介绍一个简单的神经网络——Inception Resnet V2,已经训练了120万张图像,可以帮助我们完成着色的任务。为了能够实现着色,我们将用 Unsplash 的肖像来训练这个神经网络。

介绍

如何渲染图像、数字颜色的基础知识以及神经网络。

黑白图像可以用像素网格表示,每个像素都有与其亮度相对应的值。这些值的范围是0~255,对应的是从黑到白。

惊讶!用人工智能给黑白照片上色,复现记忆中的旧时光
彩色图像是由三层组成:红色层、绿色层和蓝色层。你可以想象一下,在白色背景上将绿叶分成三个通道。直觉上,你可能会认为植物只存在于绿色层中。

但是,如下图所示,叶子在所有三个通道中都存在。这些层不仅决定了颜色,还决定了亮度。

惊讶!用人工智能给黑白照片上色,复现记忆中的旧时光
例如,要得到白色,你需要所有的颜色均匀分布。通过增加等量的红色和蓝色,会使绿色变得更亮。因此,彩色图像使用三层来对颜色和对比度进行编码:

惊讶!用人工智能给黑白照片上色,复现记忆中的旧时光
和黑白图像一样,彩色图像中的每一层,也有0~255的值。值0表示这个层中没有颜色。如果像素网格所有颜色通道的值都为0,那么这个图像像素就是黑色的。

神经网络在输入值和输出值之间创建了一种关系。为了能够更为准确地完成着色任务,网络需要找到能够将灰度图像和彩色图像联系起来的特征。

总的来说就是,我们需要找到能够将灰度值网格链接到三个颜色网格的特征。

惊讶!用人工智能给黑白照片上色,复现记忆中的旧时光
f()是神经网络,[B&W]是我们的输入,[R]、[G]、[B]是我们的输出

现在,随着数据集的增加,由于我们处理的是高分辨率图像,因此我们需要更多的计算能力。为此,我个人更喜欢使用 Deep Cognition 的 Deep Learning Studio jupyter notebooks,它为Amazon 的深度学习示例提供了GPU,可用来训练模型。

如果你不熟悉如何使用Deep Learning Studio,可以看看以下这些资料:

Deep Learning made easy with Deep Learning Studio — An Introduction

https://u6.gg/eqfdu

Deep Learning made easy with Deep Learning Studio — Complete Guide

https://u6.gg/eqffa

A video walkthrough of Deep Cognition

https://u6.gg/eqfh7

python代码和数据集可以从 GitHub 中下载:

https://github.com/Rajat2712/Deep-Learning-Studio
 
环境设置

Deep Learning Studio 最好的地方之一就是,只需单击 Deep Learning Studio Cloud,就可以轻松地完成安装,然后随时随地使用它们。

1.安装 Python 环境

要安装 Python 环境,请点击 DLS 中的 Environments 选项卡。

惊讶!用人工智能给黑白照片上色,复现记忆中的旧时光
惊讶!用人工智能给黑白照片上色,复现记忆中的旧时光
然后在 Available Environments 单击你要安装的环境。

惊讶!用人工智能给黑白照片上色,复现记忆中的旧时光
惊讶!用人工智能给黑白照片上色,复现记忆中的旧时光
对于这项任务,我们将安装以下环境:

· Python3

· Tensorflow-gpu-1.6.0

· Keras-gpu-2.1.5

惊讶!用人工智能给黑白照片上色,复现记忆中的旧时光
2.安装python包

单击启动环境。然后点击菜单的 Open New Terminal 打开终端。

惊讶!用人工智能给黑白照片上色,复现记忆中的旧时光
在终端中键入以下命令:

1pip install scikit-image

惊讶!用人工智能给黑白照片上色,复现记忆中的旧时光
上传数据集

打开文件浏览器,并为这个项目创建一个新文件夹。上传在 Github 存储库中可用的数据集。

如果需要自定义数据集,可以通过在 train 文件夹中上传高分辨率的彩色图像和test文件夹中的灰度图像来创建。

接下来我们开始编码

导入所有的库

惊讶!用人工智能给黑白照片上色,复现记忆中的旧时光
1import keras

2from keras.applications.inception_resnet_v2 import InceptionResNetV2

3from keras.preprocessing import image

4from keras.engine import Layer

5from keras.applications.inception_resnet_v2 import preprocess_input

6from keras.layers import Conv2D, UpSampling2D, InputLayer, Conv2DTranspose, Input, Reshape, merge, concatenate

7from keras.layers import Activation, Dense, Dropout, Flatten

8from keras.layers.normalization import BatchNormalization

9from keras.callbacks import TensorBoard

10from keras.models import Sequential, Model

11from keras.layers.core import RepeatVector, Permute

12from keras.preprocessing.image import ImageDataGenerator, array_to_img, img_to_array, load_img

13from skimage.color import rgb2lab, lab2rgb, rgb2gray, gray2rgb

14from skimage.transform import resize

15from skimage.io import imsave

16import numpy as np

17import os

18import random

19import tensorflow as tf
 
从Train文件夹中读取所有图像并加载初始权重值
1# Get images

2X = []

3for filename in os.listdir('Train/'):

4 X.append(img_to_array(load_img('Train/'+filename)))

5X = np.array(X, dtype=float)

6Xtrain = 1.0/255*X

7#Load weights

8inception = InceptionResNetV2(weights='imagenet', include_top=True)

9inception.graph = tf.get_default_graph()
 
▌在融合层(fusion layer)两边分别创建编码器和解码器

Inception ResNet v2 是一个在120万张图像上训练的神经网络,也是现今最强大的分类器之一。与编码器并行,输入图像也通过 Inception ResNet v2 来运行。提取分类层并将其与编码器的输出合并。

通过将学习从分类转移到着色网络上,网络可以对图片中的内容有所了解。进而使网络能够将着色方案与对象表示相匹配。

将 encoder_input 输入到我们的编码器模型中,然后将编码器模型的输出与融合层中的 embed_input 融合,用融合层的输出作为解码器模型的输入,最后返回最终的输出 decoder_output。

惊讶!用人工智能给黑白照片上色,复现记忆中的旧时光
现在,我们必须调整图像的大小来适应 Inception 模型。然后根据模型对像素和颜色值使用预处理器进行格式化。在最后一步中,我们通过 Inception 网络运行它并提取模型的最后一层。

1 def create_inception_embedding(grayscaled_rgb):

2 grayscaled_rgb_resized = []

3 for i in grayscaled_rgb:

4 i = resize(i, (299, 299, 3), mode='constant')

5 grayscaled_rgb_resized.append(i)

6 grayscaled_rgb_resized = np.array(grayscaled_rgb_resized)

7 grayscaled_rgb_resized = preprocess_input(grayscaled_rgb_resized)

8 with inception.graph.as_default():

9 embed = inception.predict(grayscaled_rgb_resized)

10 return embed
 
用 ImageDataGenertor 可以调整图像生成器的设置。如此一来得到不会重复的图像,从而提高了学习率。shear_rangetilts 使图像向左或向右倾斜,其他设置为缩放、旋转和水平翻转。

1# Image transformer

2 datagen = ImageDataGenerator(

3 shear_range=0.2,

4 zoom_range=0.2,

5 rotation_range=20,

6 horizontal_flip=True)

7 #Generate training data

8 batch_size = 10
 
我们使用 Xtrain 文件夹中的图像,根据上面的设置生成图像。然后,为 X_batch 提取黑色层和白色层,并为两个颜色层提取两种颜色。

为创建我们的 batch,我们使用经过调整的图像。将它们转换为黑白图像,并通过 Inception ResNet 模型运行它们。

1def image_a_b_gen(batch_size):

2 for batch in datagen.flow(Xtrain, batch_size=batch_size):

3 grayscaled_rgb = gray2rgb(rgb2gray(batch))

4 embed = create_inception_embedding(grayscaled_rgb)

5 lab_batch = rgb2lab(batch)

6 X_batch = lab_batch[:,:,:,0]

7 X_batch = X_batch.reshape(X_batch.shape+(1,))

8 Y_batch = lab_batch[:,:,:,1:] / 128

9 yield ([X_batch, create_inception_embedding(grayscaled_rgb)], Y_batch)
 
现在,我们将使用 “RMSProp” 优化器和均方误差作为损失函数来编译模型。

GPU 越强,得到的图像就越多。通过现在的设置,你可以使用50~100张图像。steps_per_epoch 是通过将训练图像的数量除以 batch 大小来计算的。

1#Train model

2model.compile(optimizer='rmsprop', loss='mse')

3model.fit_generator(image_a_b_gen(batch_size), epochs=50, steps_per_epoch=1)

1.0/255 表示我们使用的是 24 位 RGB 颜色空间,这意味着我们为每个颜色通道使用 0 ~ 255 之间的数字。这将会产生 1670 万种颜色的组合。

而人类只能感知 200 ~ 1000 万种颜色,因此,使用再大的颜色空间并没有多大意义。

与 RGB 颜色空间相比,LAB 颜色空间具有不同的范围。在 LAB 颜色空间中,颜色光谱 ab 范围从-128~128。通过将输出层中的所有值除以 128,将色谱范围限制在 -1 ~ 1 之间。

将它与神经网络相匹配,神经网络也返回 -1 ~ 1 之间的值。

在使用 rgb2lab 函数转换颜色空间之后,我们选择灰度层:[:,:,0],这是对神经网络的输入。[:,:,1:] 选择两个颜色层:绿-红和蓝-黄。

1color_me = []

2for filename in os.listdir('Test/'):

3 color_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,))
 
神经网络进行训练后,做出最终的预测,并将其转化为图像。

在这里,我们使用一个灰度图像作为输入,并通过训练好的神经网络来运行它。我们取在 -1 ~ 1 之间所有的输出值,然后乘以 128,就得到了 Lab 色谱中正确的颜色。

最后,用 三层 0 填充得到一个黑色的 RGB 画布。然后从测试图像中,复制灰度图层。然后将这两个颜色层添加到 RGB 画布上。再将这个像素值数组转换为图片。

1# Test model

2output = model.predict([color_me, color_me_embed])

3output = output * 128

4# Output colorizations

5for i in range(len(output)):

6 cur = np.zeros((256, 256, 3))

7 cur[:,:,0] = color_me[i][:,:,0]

8 cur[:,:,1:] = output[i]

9 imsave("result/img_"+str(i)+".png", lab2rgb(cur))
 
结果

在小型数据集上的结果,训练图像数 = 10,测试图像数 = 8;

测试数据:

惊讶!用人工智能给黑白照片上色,复现记忆中的旧时光
经过50个轮数之后:
惊讶!用人工智能给黑白照片上色,复现记忆中的旧时光
经过100个轮数之后:
惊讶!用人工智能给黑白照片上色,复现记忆中的旧时光
经过1000个轮数之后:
惊讶!用人工智能给黑白照片上色,复现记忆中的旧时光
经过2000个轮数之后:
惊讶!用人工智能给黑白照片上色,复现记忆中的旧时光


上一篇:AutoMl及NAS概述:更有效地设计神经网络模型工具
下一篇:MAERI:可重构互联架构赋能DNN加速器灵活数据流映射
精选推荐
美国人工智能公司Skymind进入福建全面开展业务
美国人工智能公司Skymind进入福建全面开展业务

[2017-12-11]  人工智能在当今这个时代对大家来说想必是非常熟悉的,这也是我国近十几年来一直追求的目标,未来的时间里这也将是全人类追求的目标。就目前来看,近年来,人工智能或在我国迎......

智能农业:种地的事儿未来全交给这些机器人吧
智能农业:种地的事儿未来全交给这些机器人吧

[2019-12-07]  SRC公司创始人Sam与温波尔庄园农场经理Callum Weir以及监控机器人Tom总部位于英国的农业科技初创公司SRC(Small Robot Company),正在 ...

南加州大学机器人学家:机器人更适合粗暴的爱
南加州大学机器人学家:机器人更适合粗暴的爱

[2019-11-07]  图片来自JOHN MADERE GETTY IMAGES打是疼骂是爱,当人类粗暴的将物体从机器人手中敲掉,看似残忍,实际上却能帮助机器人找到最好的握持物 ...

2022年全球工业机器人市场将达到790亿美元
2022年全球工业机器人市场将达到790亿美元

[2017-09-04]  预计到 2022年, 全球工业机器人市场将达到790亿美元, 并在预测期内登记11 5% 的复合年增长率。随着发展中国家中小型企业需求的不断增长, 采用自动化技术以确保生产质量......

CES 2018:英特尔推出49量子位芯片争夺量子霸权
CES 2018:英特尔推出49量子位芯片争夺量子霸权

[2018-01-10]  在与Google、IBM的一场关于建立量子计算系统的马拉松比赛中,英特尔通过了一个关键的里程碑。近日,这个科技巨头已经推出了一个49个量子位 ...

通过对抗性图像黑入大脑
通过对抗性图像黑入大脑

[2018-03-02]  在上面的图片中,左边是一张猫的照片。在右边,你能分辨出它是同一只猫的图片,还是一张看起来相似的狗的图片?这两张图片之间的区别在于, ...

亚马逊计划建一个4000万美元的机器人中心
亚马逊计划建一个4000万美元的机器人中心

[2019-11-07]  爱吧机器人网消息,亚马逊11月6日宣布了一项计划,计划在美国马萨诸塞州韦斯特伯勒建立一个4000万美元、35万平方英尺的机器人创新中心。新 ...

谷歌大脑发布ROBEL基准 鼓励用低成本机器人训练AI系统
谷歌大脑发布ROBEL基准 鼓励用低成本机器人训练AI系统

[2019-10-11]  训练AI系统的机器人D& 39;Claw和D& 39;Kitty用于控制机器人的人工智能系统,测量其性能所使用的基准通常仅限于为工业环境设计的昂贵硬件, ...

本周栏目热点

飞桨火力全开,重磅上线3D模型:PointNet++、PointRCNN!

[2020-03-26]  11 年前的「阿凡达」让少年的我们第一次戴上 3D 眼镜,声势浩大的瀑布奔流而下,星罗棋布飘浮在空中的群山,无一不体现着对生命的敬意, ...

从基础概念到数学公式,这是一份520页的机器学习笔记(图文并茂)

[2018-06-19]  近日,来自SAP(全球第一大商业软件公司)的梁劲(Jim Liang)公开了自己所写的一份 520 页的学习教程(英文版),详细、明了地介绍了机器学习中的相关概念、数学知识和各......

50行代码玩转生成对抗网络GAN模型!(附源码)

[2018-07-30]  本文为大家介绍了生成对抗网络(Generate Adversarial Network,GAN),以最直白的语言来讲解它,最后实现一个简单的 GAN 程序来帮助大家加深理解。...

神经网络和模糊逻辑的工作流

[2016-11-20]   行业观察 神经网络 和模糊逻辑的工作流 null 来源:神州数码erp 发布时间: 2009-10-14 9:06:01 关键词: 工作流,协同,B2B,OA  以下 ...

深度神经网络揭示了大脑喜欢看什么

[2019-11-06]  爱吧机器人网编者按:近日,《自然-神经科学》发表了一篇论文,研究人员创建了一种深度人工神经网络,能够准确预测生物大脑对视觉刺激所产 ...