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图像生成与操作:GANs的进阶应用

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发布时间: 2025-09-01 01:19:30 阅读量: 5 订阅数: 17 AIGC
### 图像生成与操作:GANs的进阶应用 #### 1. 条件GANs实现特定类别图像生成 在图像生成任务中,我们有时希望能够生成特定类别的图像,比如猫、狗或戴眼镜的人。条件GANs(Conditional GANs)可以帮助我们实现这一目标。下面我们以生成男性和女性面部图像为例,介绍条件GANs的实现步骤。 ##### 1.1 策略概述 实现特定类别图像生成的策略如下: 1. 将想要生成的图像标签进行one-hot编码。 2. 将标签通过嵌入层,生成每个类别的多维表示。 3. 生成随机噪声,并与上一步生成的嵌入层进行拼接。 4. 像之前一样训练模型,但这次使用拼接了图像类别嵌入的噪声向量。 ##### 1.2 代码实现 以下是实现上述策略的代码: ```python # 1. 导入图像和相关包 !wget https://www.dropbox.com/s/rbajpdlh7efkdo1/male_female_face_images.zip !unzip male_female_face_images.zip !pip install -q --upgrade torch_snippets from torch_snippets import * device = "cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu" from torchvision.utils import make_grid from torch_snippets import * from PIL import Image import torchvision from torchvision import transforms import torchvision.utils as vutils # 2. 创建数据集和数据加载器 # i. 存储男性和女性图像路径 female_images = Glob('/content/females/*.jpg') male_images = Glob('/content/males/*.jpg') # ii. 下载级联滤波器以裁剪图像,只保留面部 face_cascade = cv2.CascadeClassifier(cv2.data.haarcascades + 'haarcascade_frontalface_default.xml') # iii. 创建新文件夹并保存裁剪后的面部图像 !mkdir cropped_faces_females !mkdir cropped_faces_males def crop_images(folder): images = Glob(folder+'/*.jpg') for i in range(len(images)): img = read(images[i],1) gray = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2GRAY) faces = face_cascade.detectMultiScale(gray, 1.3, 5) for (x,y,w,h) in faces: img2 = img[y:(y+h),x:(x+w),:] cv2.imwrite('cropped_faces_'+folder+'/'+ str(i)+'.jpg',cv2.cvtColor(img2, cv2.COLOR_RGB2BGR)) crop_images('females') crop_images('males') # iv. 指定图像转换 transform=transforms.Compose([ transforms.Resize(64), transforms.CenterCrop(64), transforms.ToTensor(), transforms.Normalize((0.5, 0.5, 0.5), (0.5, 0.5, 0.5))]) # v. 创建Faces数据集类 class Faces(Dataset): def __init__(self, folders): super().__init__() self.folderfemale = folders[0] self.foldermale = folders[1] self.images = sorted(Glob(self.folderfemale)) + sorted(Glob(self.foldermale)) def __len__(self): return len(self.images) def __getitem__(self, ix): image_path = self.images[ix] image = Image.open(image_path) image = transform(image) gender = np.where('female' in image_path,1,0) return image, torch.tensor(gender).long() # vi. 定义数据集和数据加载器 ds = Faces(folders=['cropped_faces_females', 'cropped_faces_males']) dataloader = DataLoader(ds, batch_size=64, shuffle=True, num_workers=8) # 3. 定义权重初始化方法 def weights_init(m): classname = m.__class__.__name__ if classname.find('Conv') != -1: nn.init.normal_(m.weight.data, 0.0, 0.02) elif classname.find('BatchNorm') != -1: nn.init.normal_(m.weight.data, 1.0, 0.02) nn.init.constant_(m.bias.data, 0) # 4. 定义判别器模型类 # i. 定义模型架构 class Discriminator(nn.Module): def __init__(self, emb_size=32): super(Discriminator, self).__init__() self.emb_size = 32 self.label_embeddings = nn.Embedding(2, self.emb_size) self.model = nn.Sequential( nn.Conv2d(3,64,4,2,1,bias=False), nn.LeakyReLU(0.2,inplace=True), nn.Conv2d(64,64*2,4,2,1,bias=False), nn.BatchNorm2d(64*2), nn.LeakyReLU(0.2,inplace=True), nn.Conv2d(64*2,64*4,4,2,1,bias=False), nn.BatchNorm2d(64*4), nn.LeakyReLU(0.2,inplace=True), nn.Conv2d(64*4,64*8,4,2,1,bias=False), nn.BatchNorm2d(64*8), nn.LeakyReLU(0.2,inplace=True), nn.Conv2d(64*8,64,4,2,1,bias=False), nn.BatchNorm2d(64), nn.LeakyReLU(0.2,inplace=True), nn.Flatten() ) self.model2 = nn.Sequential( nn.Linear(288,100), nn.LeakyReLU(0.2,inplace=True), nn.Linear(100,1), nn.Sigmoid() ) self.apply(weights_init) # ii. 定义前向传播方法 def forward(self, input, labels): x = self.model(input) y = self.label_embeddings(labels) input = torch.cat([x, y], 1) final_output = self.model2(input) return final_output # iii. 获取模型摘要 !pip install torch_summary from torchsummary import summary discriminator = Discriminator().to(device) summary(discriminator,torch.zeros(32,3,64,64).to(device), torch.zeros(32).long().to(device)); # 5. 定义生成器网络类 # i. 定义__init__方法 class Generator(nn.Module): def __init__(self, emb_size=32): super(Generator,self).__init__() self.emb_size = emb_size self.label_embeddings = nn.Embedding(2, self.emb_size) self.model = nn.Sequential( nn.ConvTranspose2d(100+self.emb_size, 64*8,4,1,0,bias=False), nn.BatchNorm2d(64*8), nn.ReLU(True), nn.ConvTranspose2d(64*8,64*4,4,2,1,bias=False), nn.BatchNorm2d(64*4), nn.ReLU(True), nn.ConvTranspose2d(64*4,64*2,4,2,1,bias=False), nn.BatchNorm2d(64*2), nn.ReLU(True), nn.ConvTranspose2d(64*2,64,4,2,1,bias=False), nn.BatchNorm2d(64), nn.ReLU(True), nn.ConvTranspose2d(64,3,4,2,1,bias=False), nn.Tanh() ) # ii. 应用权重初始化 self.apply(weights_init) # iii. 定义前向传播方法 def forward(self,input_noise,labels): label_embeddings = self.label_embeddings(labels).view(len(labels), self.emb_size,1, 1) input = torch.cat([input_noise, label_embeddings], 1) return self.model(input) # iv. 获取生成器函数摘要 generator = Generator().to(device) summary(generator,torch.zeros(32,100,1,1).to(device), torch.zeros(32).long().to(device)); # 6. 定义生成随机噪声的函数 def noise(size): n = torch.randn(size, 100, 1, 1, device=device) return n.to(device) # 7. 定义训练判别器的函数 def discriminator_train_step(real_data, real_labels, fake_data, fake_labels): d_optimizer.zero_grad() prediction_real = discriminator(real_data, real_labels) error_real = loss(prediction_real, torch.ones(len(real_data),1).to(device)) error_real.backward() prediction_fake = discriminator(fake_data, fake_labels) error_fake = loss(prediction_fake, torch.zeros(len(fake_data),1).to(device)) error_fake.backward() d_optimizer.step() return error_real + error_fake # 8. 定义训练生成器的步骤 def generator_train_step(fake_data, fake_labels): g_optimizer.zero_grad() prediction = discriminator(fake_data, fake_labels) error = loss(prediction, torch.ones(len(fake_data), 1).to(device)) error.backward() g_optimizer.step() return error # 9. 定义生成器和判别器模型对象、损失优化器和损失函数 discriminator = Discriminator().to(device) generator = Generator().to(device) loss = nn.BCELoss() d_optimizer = optim.Adam(discriminator.parameters(), lr=0.0002, betas=(0.5, 0.999)) g_optimizer = optim.Adam(generator.parameters(), lr=0.0002, betas=(0.5, 0.999)) fixed_noise = torch.randn(64, 100, 1, 1, device=device) fixed_fake_labels = torch.LongTensor([0]* (len(fixed_noise)//2) + [1]*(len(fixed_noise)//2)).to(device) loss = nn.BCELoss() n_epochs = 25 img_list = [] # 10. 训练模型 log = Report(n_epochs) for epoch in range(n_epochs): N = len(dataloader) for bx, (images, labels) in enumerate(dataloader): real_data, real_labels = images.to(device), labels.to(device) fake_labels = torch.LongTensor(np.random.randint(0, 2,len(real_data))).to(device) fake_data=generator(noise(len(real_data)),fake_labels) fake_data = fake_data.detach() d_loss = discriminator_train_step(real_data, real_labels, fake_data, fake_labels) fake_labels = torch.LongTensor(np.random.randint(0, 2,len(real_data))).to(device) fake_data = generator(noise(len(real_data)), fake_labels).to(device) g_loss = generator_train_step(fake_data, fake_labels) pos = epoch + (1+bx)/N log.record(pos, d_loss=d_loss.detach(), g_loss=g_loss.detach(), end='\r') log.report_avgs(epoch+1) # 11. 生成男性和女性图像 with torch.no_grad(): fake = generator(fixed_noise, fixed_fake_labels).detach().cpu() imgs = vutils.make_grid(fake, padding=2, normalize=True).permute(1,2 ```
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人工智能专家
人工智能和大数据领域有超过10年的工作经验,拥有深厚的技术功底,曾先后就职于多家知名科技公司。职业生涯中,曾担任人工智能工程师和数据科学家,负责开发和优化各种人工智能和大数据应用。在人工智能算法和技术,包括机器学习、深度学习、自然语言处理等领域有一定的研究
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