深度学习最令人兴奋的应用之一是智能照片美化，例如为黑白图像着色、破损图片修复以及去模糊等。

以黑白图像着色为例，通过将 AI 与照片着色相结合，即使不会使用Photoshop 等图片编辑工具，为黑白照片着色也可以一键完成。

这具体是如何实现的？下面就来告诉你！

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颜色空间

当我们加载图像时，会得到一个3维（高度、宽度、颜色通道）数组，其中颜色通道的数据代表 RGB 颜色空间中的颜色，每个像素都有 3 个数字，表示该像素的红色、绿色和蓝色值。

在图1中，最左侧为原始图像，右边分别为红色、绿色和蓝色通道。为图片着色时，根据给定的黑白图片，需要判断每个位置的像素的RGB值分别是多少，颜色取值范围是0~255，即每个像素都存在一个256³ 的预测问题。

图1

CIE1976L*a*b*颜色空间，是1976年由国际照明学会（CIE）推荐的均匀色空间。该空间是三维直角坐标系统，以明度L*和色度坐标a*、b*来表示颜色在色空间中的位置。L*表示颜色的明度，此通道显示为黑白图像；a*正值表示偏红，负值表示偏绿；b*正值表示偏黄，负值表示偏蓝。图2表示L*a*b*颜色空间的每个通道。

图2

使用L*a*b*颜色空间为照片着色，为着色模型输入L* 通道，输出其他两个通道（a*，b*）的预测，其选择大约有 65000 个，远小于RGB颜色空间，因此我们可以选择使用L*a*b*颜色空间的数据作为照片着色模型的训练数据。

2

生成对抗网络

GAN（Generative Adversarial Networks，生成对抗网络）是生成模型的一种。

GAN网络结构中包含两个模型：“生成器”模型和“判别器”模型，“生成器”用来生成数据，“判别器”对数据的真伪进行判别。

在GAN模型训练时，如果把“生成器”看成是一个伪造名画的画家，那么“判别器”就是一个名画鉴别家。

初始阶段“生成器”技艺拙劣，伪造的名画非常轻易的被“判别器”识别为假画。“生成器”根据判别依据对自身造假能力进行提升。经过一段时间的“修炼”，“生成器”再次把伪造的名画交给“判别器”，“判别器”无法辨别真伪，于是学习更复杂的辨别技能，直到可以识别出伪造的名画。

接下来，“生成器”和“判别器”重复以上过程，进行新一轮学习。

"生成器"和“判别器”就是在一种对抗的状态中相互博弈、学习、成长，直到在规定条件下“判别器”无法判别“生成器”生成数据的真伪。

使用GAN实现照片着色，模型结构如图3所示。

图3

使用来自 COCO数据集的 8,000 张图像进行训练，每轮训练时长约4分钟左右，经过100轮后，生成效果如图4所示。

图4

模型对图像中一些最常见的物体能够完成基本着色，例如天空、树木等，但无法为稀有物体着色。同时，还存在一些颜色溢出和圆形颜色块，着色效果不理想。

因此，需要改变我们的策略！

3

自注意力生成对抗网络

在介绍新的解决方案之前先来区分两个概念：着色和恢复。

着色严格来说是将照片从单色变为可信的颜色，着色是一个“不受约束”的问题，很多东西（例如衣服）没有一种准确的颜色。因此着色是一个艺术创作的过程，神经网络对此很难做到令人满意。

恢复是替换图片中的丢失和损失，使图片变得完整如新。恢复中解决褪色问题在没有原始参照物的情况下，等同于着色，都是不受约束的艺术创作。

综上所述，在评估着色和恢复效果时，如果人们看到生成的图片时无法觉察出图片被处理过，并且能从中感到愉悦，则认为着色和恢复工作完成。

那么新的着色策略是什么呢？

“生成器”采用与U-Net结构类似的U形神经网络，如图5所示。

图5

为此“生成器”输入灰度图，左侧提取图像特征对内容进行识别，右侧根据内容识别结果还原并对结果进行着色。

“判别器”使用Critic卷积神经网络，它在输出层是卷积而不是线性层，它很大（宽），但很简单。它输入图像，输出一个分数值，表示真实度。

新的解决方案中最重要的就是Self-Attention GAN（自注意力生成对抗网络）的应用，把注意力机制放到“生成器”和“判别器”中。

使用基础GAN生成图像的细节把控不好，原因主要是使用卷积神经网络的图像生成，基本上都是依据局部感受野，以局部感受为主，缺少全局或其他信息，因此只在低分辨率中以点状的形式生成高分辨率细节。

如图6所示，对于花朵的着色存在不均匀的问题，其他地方也出现了错误的颜色。

图6

自注意力机制在模拟远程依赖性的能力、计算效率和统计效率之间展现出更好的平衡。自注意力机制将所有位置处的特征的加权和作为该位置的响应，其中权重 (或注意向量 ) 仅以较小的计算成本来计算。

Self-Attention GAN将Self-Attention机制引入卷积GAN，可以很好的处理长范围、多层次的依赖，生成图像时很好地协调每一个位置的细节和远端的细节，“判别器”还可以更准确地对全局图像结构实施复杂的几何约束。

以下是一些生成案例。

1）奥黛丽·赫本

图7

2）冬季马路上骑车的人

图8

3）花

图9

4）草地上的小狗

图-10

5）中国江南水乡

图11

虽然有的生成图片中还存在一些异常，例如奥黛丽·赫本的耳朵后面皮肤颜色，但是整体效果已经非常不错，注意力层在颜色的一致性和总体质量上的表现有很大的惊喜。

除了自动着色，图像超分辨率、去模糊等也是 GAN 的重要关注领域。

图像超分辨率可以通过上采样从低分辨率图像生成高分辨率图像，图像去模糊中“生成器”用于生成清晰图像，以下是部分基于GAN的去模糊案例。

图12

图13

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