OpenCV进阶操作：风格迁移以及DNN模块解析

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前言

风格迁移（Style Transfer）是计算机视觉领域的一项突破性技术，它通过算法将一幅图像的内容与另一幅图像的艺术风格相结合。这项技术自2015年Gatys等人提出神经网络风格迁移算法以来，在艺术创作、图像处理和移动应用开发等领域获得了广泛应用。

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一、风格迁移

1、风格迁移是什么？

风格迁移是一种计算机视觉技术，通过将一幅图像的风格与另一幅图像的内容结合，生成一个新的图像。

在OpenCV中，风格迁移通常使用神经网络来实现。

2、步骤

1）训练

首先，使用一幅参考图像作为“风格图像”和一幅目标图像作为“内容图像”，训练一个神经网络模型。训练过程中，网络学习如何将内容图像的内容与风格图像的风格进行组合。

2）迁移

一旦模型训练完成，就可以使用该模型将任意图像的内容与风格进行迁移。在迁移过程中，网络会将输入图像的内容与风格图像的风格进行匹配，并生成一个新的图像，该图像具有输入图像的内容和风格图像的风格。

二、DNN模块

1、什么是DNN模块

DNN模块是 OpenCV 中专门用来实现 DNN(Deep Neural Networks,深度神经网络) 模块的相关功能，其作用是载入别的深度学习框架(如 TensorFlow、Caffe、Torch 等)中已经训练好的模型，然后用该模型完成预测等工作。

2、DNN模块特点

• 轻量
  OpenCV 的深度学习模块只实现了模型推理功能，不涉及模型训练，这使得相关程序非常精简，加速了安装和编译过程。

• 外部依赖性低
  重新实现一遍深度学习框架使得 DNN 模块对外部依赖性极低，极大地方便了深度学习应用的部署。

• 方便
  在原有 OpenCV 开发程序的基础上，通过 DNN 模块可以非常方便地加入对神经网络推理的支持。

• 集成
  若网络模型来自多个框架，如一个来自 TensorFlow，另外一个来自 Caffe,则 DNN 模块可以方便地对网络进行整合。

• 通用性
  DNN 模块提供了统一的接口来操作网络模型，内部做的优化和加速适用于所有网络模型格式，支持多种设备和操作系统。

3、流程图

4、图像预处理功能

将需要处理的图像转换成可以传入人工神经网络的数据形式。 DNN 模块中的函数 blobFromlmage 完成图像预处理，从原始图像构建一个符合人工神经网络输入格式的四维块。 它通过调整图像尺寸和裁图像、减均值、按比例因子缩放、交换 B 通道和R通道等可选操作完成对图像的预处理，得到符合人工神经网络输入的目标值。

三、案例实现

1、数据预处理

import cv2
# 读取输入图像
image = cv2.imread('R-C.jpg')
image = cv2.resize(image,dsize=None,fx=0.5,fy=0.5)
# 显示输入图像
cv2.imshow('yuan tu',image)
cv2.waitKey(0)
'''---------------图片预处理-------------------'''
(h,w) = image.shape[:2]  #获取图片尺寸blob = cv2.dnn.blobFromImage(image,1,(w,h),(0,0,0),swapRB = False,crop = False)

2、加载模型

• 使用.readNet()读取风格迁移的模型
• 将上一步处理之后的图片传入模型
• 向前传播得到处理之后的数据

'''-----------------加载模型------------------------'''
net = cv2.dnn.readNet(r'model\starry_night.t7')  #得到一个pytorch训练之后的星空模型
net.setInput(blob)
# 对输入图像进行向前传播，得到输出结果
out = net.forward()
# 将输出结果转换为合适的格式
# out是四维的：B*C*H*W
# ======输出处理=======
# 重塑形状（忽略第1维），4维变3维
# 调整输出out的形状，模型推理输出out是四维BCHW形式的，调整为三维CHW形式
out_new = out.reshape(out.shape[1],out.shape[2],out.shape[3])
# 对输入的数据（或图像）进行归一化处理，使其数值范围在指定的范围内
cv2.normalize(out_new,out_new,norm_type=cv2.NORM_MINMAX)
# 转置输出结果的维度
result = out_new.transpose(1,2,0)
# 显示转换后的图像
cv2.imshow('Stylized Image',result)
cv2.waitKey(0)
# cv2.destroyAllWindows()

总结

通过OpenCV实现风格迁移，开发者可以在平衡性能和效果的同时，快速构建实用的图像处理应用。无论是想要为移动应用添加实时滤镜功能，还是开发专业的艺术创作工具，OpenCV都提供了从简单到复杂的多层级解决方案。随着边缘计算设备性能的提升，风格迁移技术正在从实验室走向实际应用，开启计算机视觉与数字艺术结合的新篇章。