基于深度神经网络学习梵高的画风

赵凯风

（合肥一中高三26班安徽省合肥一中，230601）

基于深度神经网络学习梵高的画风

赵凯风

（合肥一中高三26班安徽省合肥一中，230601）

梵高的画风以笔触与色彩为特色，对此类以笔触、色彩见长且形成独特作画风格的画家，基于深度神经网络学习，通过neural-style开源库，可快捷地实现对梵高等画家画作的学习而将其他的图片绘画成已经学习到的目标风格。

深度学习；神经网络；学习画家风格

1 研究背景

最早从事通过深度神经网络来学习不同画风格而作画的这个领域的是德国图宾根大学的Bethge实验室，主要是由Leon Gatys、 Alexander Ecker 和 Matthias Bethge这三位研究员进行研究的。后来全球很多开发者基于德国这三位研究员的成果开发了很多相关的开源库，其中Anish Athalye基于TensorFlow开发的neural-style库是python版的深度学习画家风格作画的开源库。

2 基本原理解析

基于深度神经网络学习画家风格的基本原理是通过卷积神经网络（CNN）将图像分解成若干部分并不断地被训练成为学习集；然后这些被分割的学习对象则被深度学习算法学习，从而基于一张新的图片而找到目标的图形结果。这种方法只适合以色彩、笔触、纹理而见长的画家的画作风格，故而基于这种深度学习的算法，只适合梵高、毕加索等这类画家的风格。

3 使用python来快速实现对画家风格的学习

不重复造轮子是计算机应用科学的首要法则，选型合适的开源库可快速实现深度学习画家的画风。而选择python语言的开源库，则是因为python语言的开发效率足够高且此时对效率并无苛求，虽说基于纯cpu的算法实现会需要几十分钟的时间，但效率并非快速实践深度学习画家风格的瓶颈问题，反而实现深度学习画家风格的便捷度是首要诉求，因此开发效率是瓶颈问题。因此采用人性化、开发效率搞的python语言来调用Anish Athalye的neural-style开源库。

Neural-style库（https://github.com/anishathalye/ neural-style）的环境设置较为简单，以mac为例，其主要依赖于五种库或文件，其中可用pip（python的包管理软件）来直接安装Scipy、Numpy、Pillow；TensorFlow的安装较为复杂，可用pip安装，而其中所出error，查询stackoverflow以依次补全所需模块即可，但需注意，mac系统下TensorFlow不支持调用GPU的版本，否则环境设置时会出错，因此只可选择只调用CPU的版本；最后则要下载Pre-trained VGG network文件，且此处应严格从github的项目库主页来下载相应版本的VGG文件，不同的VGG文件则会引发严重错误。

当环境设置好后，即可通过“python neural_style.py --content ＜content file＞ --styles ＜style file＞ --output＜output file＞”命令来实现“深度学习图像A的风格，把图像B画成图像C”。以下图为例（扫码即可看见图像本身），图像A即上文所说的画家的画作，命令中的＜style file＞即图像A的文件名；＜content file＞即图像B的文件名；＜output file＞即基于深度神经网络学习而输出的图像C的文件名。

4 结语

综上所述，经多次实践得出：从效果上来说采用多层卷积神经网络的深度学习，在学习纹理、色彩、笔触方面非常合适、效果显著、艺术感很强，并与所学画家的画作风格非常相像；从效率上来说，纯用CPU的深度学习，速度较慢，需要若干分钟乃至若干小时；基于GPU的可降低的速度到几十秒以内；从运行效率角度对为未来的展望，CPU平台不适合作为机器学习的硬件平台，利用GPU加速是目前的一种方式，而未来图像处理或人工智能的硬件平台更有可能是FPGA被广泛应用。

[1] Leon A. Gatys, Alexander S. Ecker, Matthias Bethge. A Neural Algorithm of Artistic Style[D].Eberhard-Karls-Universitaet Tuebingen Press,2015

[2] Leon A. Gatys, Alexander S. Ecker, Matthias Bethge. Texture Synthesis Using Convolutional Neural Networks[J]. Computer Science, 2015, 70(1):51-5

Study on Van Gogh 's Style in Deep Neural Network

Zhao Kaifeng
（Hefei, one of the 26 Middle School in Hefei, Anhui Province,one in，230601）

Van Gogh's style is characterized by brushstrokes and colors. For those painters whose strokes and colors are famous for their unique style of drawing,based on deep neural network learning,through neural-style open-source library,Painter painting learning and other images will be painted into the target style has been learned.

depth learning;neural network;learning painter style