2023兔年剪纸兔子 利用AI风格化实现剪纸兔

一、图像风格化简介

说起图像风格化（image stylization），你可能会感觉到陌生。尽管这项技术，已经深入你的生活很久了。

专业名词，有时候，沟通起来不方便。

记得高中时，我看见同桌带了一个书包。很特别。我就问他这是什么材料的。他说是PP的。我摇了摇头。他又说，就是聚丙烯。当时我很自卑，他说了两遍我依然不懂，感觉我知识太贫乏了。即便如此，我还是虚伪地点了点头。

多少年之后。我才了解到，原来聚丙烯的袋子从我出生时，我就见过了，就是下图这样的：

从那一刻起，我发誓，对于专业名词，我要做到尽量不提。

但是不提，同行又以为我不专业。因此，我现在就是，说完了通俗的，再总结专业的。我会说编织袋或者蛇皮袋，文雅一点可以称为：聚丙烯可延展包装容器。

而对于图像风格化，其实就类似你的照片加梵高的画作合成梵高风格的你。又或者你的照片直接转为动漫头像。

风格化需要有两个参数。一个叫 content 原内容，另一个叫 style 风格参照。两者经过模型，可以将原内容变为参照的风格。

举个例子。如果 content 是一只兔子，style 是上面的聚丙烯编织袋，那么两者融合会发生什么呢？

那肯定是一个带有编织袋风格的……兔子！

上面的风格融合，多少有点下里巴人。

我再来一个阳春白雪的。让兔子和康定斯基的抽象画做一次融合。

看着还不错，虽然没有抽象感，但是起码风格是有的。

大家想象一下，在兔年来临之际，如果兔子和年画、剪纸、烟花这类春节元素融合起来，会是怎样的效果呢？从技术上（不调用API接口）又该如何实现呢？

下面，跟随我的镜头，我们来一探究竟(我已经探完了，不然不能有上面的图)。

二、技术实现讲解

首先说啊，咱们不调用网络API。其次，我们是基于开源项目。

调用第三方API，会实时依附于服务提供商。一般来说，它处于自主产品鄙视链的底层。

我了解一些大牛，尤其是领导，声称实现了很多高级功能。结果一深究，是调用了别家的能力。这类人，把购买接口的年租费用，称为“研发投入”。把忘记续费，归咎于“服务器故障”。

那么，鄙视链再上升一层。就是拿国外的开源项目，自己部署服务用。尽管这种行为依然不露脸。但是，这在国内已经算很棒的了。因为他们会把部署好的服务，再卖给上面的大牛领导，然后还鄙视他只能调API。

今天，我要使用的，就是从开源项目本地部署这条路。

因此，你学会了也不要骄傲，这并没有什么自主的知识产权。学不会也不用自卑，你还可以试试调用API。

我们选用的开源项目就是TensorFlow Hub。地址是 github/TensorFlow/hub 。

2.1 TensorFlow Hub库

可以说我对 TensorFlow 很熟，而且是它的铁杆粉丝。铁到我的昵称“TF男孩”的TF指的就是 TensorFlow 。

TensorFlow 已经很简单和人性化了。简单到几十行代码，就可以实现数字识别的全流程（我都不好意写这个教程）。

但是，它依然不满足于此。代码调用已经够简单了。但是对于训练的样本数据、设备性能这些条件，仍然是限制普通人去涉足的门槛。

于是，TensorFlow 就推出了一个 TensorFlow Hub 来解决上面的问题。你可以利用它训练好的模型和权重，自己再做微调，以此适配成自己的成果。这节省了大量的人力和物力的投入。

Hub 是轮毂的意思。

这让我们很容易就联想到“重复造轮子”这个话题。但是，它又很明确，不是轮子，是轮毂。这说明，它把最硬的部件做好了，你只需要往上放轮胎就行。到这里，我开始感觉，虽然我很讨厌有些人说一句话，又是带中文，又是带英文的。但是，这个 Hub ，很难翻译，还是叫 TensorFlow Hub 更为贴切。

2.2 加载image-stylization模型

如果你打算使用 hub 预训练好的风格化模型，自己不做任何改动的话，效果就像下面这样。这是我搞的一个梵高《星空》风格的兔子：

而代码其实很简单，也就是下面几行：

# 导入hub库 import tensorflow_hub as hub # 加载训练好的风格化模型 hub_model = hub.load('tfhub.dev/google/magenta/arbitrary-image-stylization-v1-256/1') # 将content和style传入 stylized_image = hub_model(content_image, style_image)[0] # 获取风格化后的图片并打印出来 tensor_to_image(stylized_image)

这，看起来很简单。似乎人工智能的工作很容易干。

事实，并非如此。

我建议大家都来学习人工智能，利用成熟的代码或工具，解决生活中遇到的问题。

但是，我不建议你着急转行到人工智能的工作岗位中来。

因为在学习过程中，你会发现，相比于其他语言，人工智能具有更多的网络限制和基础学科要求。因此，作为使用体验者和制作开发者，会是两个不同的心境。

随着下面的讲解，上面的问题我们会逐个碰到。

首先，上面的 hub.load('tfhub.dev/……') 你就加载不下来。而这个地址，正是图像风格化的模型文件。咔，晴天霹雳啊，刚起头就是挫折。

其实 TensorFlow 是谷歌的开源项目。因此他们很多项目的资源是共享的。你可以替换 tfhub.dev 为 storage.googleapis/tfhub-modules 。并且在末尾加上后缀 .tar.gz 。

下载完成之后，解压文件，然后指定加载路径。其实这一步操作，也是框架的操作。它也是先下载到本地某处，然后从本地加载。

比如，我将 .tar.gz 解压到同级目录下。然后调用 hub.load('image-stylization-v1-256_1') 即可完成 hub 的加载。

这就是我说的网络限制。

相比较而言，Java 或者 Php 这类情况也会有，但是频率没有这么高。

下面，我们继续。还会有其他惊喜。

2.3 输入图片转为tensor格式

hub_model = hub.load(……) 是加载模型。我们是加载了图像风格化的模型。

赋值的名称随便起就行，上面我起的名是 hub_model 。之所以说这句话，是因为我发现有些人感觉改个名字，代码就会运行不起来。其实，变一变，更有利于理解代码。而项目运行不起来，向上帝祈祷不起作用，是需要看报错信息的。

如果完全不更改 hub 预置模型的话，再一行代码就完工了。

这行代码就是 stylized_images = hub_model(content_image, style_image) 。

这行代码是把内容图片 content_image 和风格参照图片 style_image 传给加载好的模型 hub_model 。模型就会输出风格化后的结果图片stylized_images。

哇哦，瞬间感觉自己能卖API了。

但是，这个图片参数的格式，却并没有那么简单。

前面说了，TensorFlow Hub 是 TensorFlow 的轮毂，不是轮子，更不是自动驾驶。它的参数和返回值，都是一个 flow 流的形式。

TensorFlow 中的 flow 是什么？这很像《道德经》里的“道”是什么一样。它们只能在自己的语言体系里能说清楚。

但是在这里，你只需要知道调用一个 tf.constant(……) ，或者其他 tf 开头的函数，就可把一个字符、数组或者结构体，包装成为 tensor flow 的格式。

那么下面，我们就要把图片文件包装成这个格式。

先放代码：

import tensorflow as tf # 根据路径加载图片，并缩小至512像素，转为tensor max_dim = 512 img = tf.io.read_file(path_to_img) img = tf.image.decode_image(img, channels=3) img = tf.image.convert_image_dtype(img, tf.float32) shape = tf.cast(tf.shape(img)[:-1], tf.float32) long_dim = max(shape) scale = max_dim / long_dim new_shape = tf.cast(shape * scale, tf.int32) img = tf.image.resize(img, new_shape) img = img[tf.newaxis, :] tf_img = tf.constant(img)

首先，模型在训练和预测时，是有固定尺寸的。比如，宽高统一是512像素。

然后，对于用户的输入，我们是不能限制的。比如，用户输入一个高度为863像素的图，这时我们不能让用户裁剪好了再上传。应该是用户上传后，我们来处理。

最后，要搞成tensorflow需要的格式。

上面的代码片段，把这三条都搞定了。

read_file 从路径读入文件。然后通过 decode_image 将文件解析成数组。

这时，如果打印img，具体如下：

shape=(434, 650, 3), dtype=uint8 array([[[219, 238, 245], ..., [219, 238, 245]], [[219, 238, 245], ..., [219, 238, 245]]])

shape=(434, 650, 3) 说明这是一个三维数组，看数据这是一张650×434像素且具有RGB三个通道的图片。其中的array是具体像素的数值，在某个颜色通道内，255表示纯白，0表示纯黑。

接着 convert_image_dtype(img, tf.float32) 把img转成了float形式。

此时，img的信息为：

shape=(434, 650, 3), dtype=float32 array([[[0.8588236, 0.9333334, 0.9607844], ..., [0.8588236, 0.9333334, 0.9607844]], [[0.8588236, 0.9333334, 0.9607844], ..., [0.8588236, 0.9333334, 0.9607844]]])

为啥要把int转为float呢？初学者往往会有这样的疑问。

因为他们发现，只要是计算，就要求搞成float类型。就算明明是9个分类，也不能用1、2、3、4来表示，也要转为一堆的小数点。

今天这个图片的像素，也是如此，255个色值多好辨认，为什么非要转为看不懂的小数呢？

别拦着我，我今天非要要解释一下。

这并不是算法没事找事，假装高级。其实，这是为了更好地对应到很多基础学科的知识。

比如，我在《详解激活函数》中讲过很多激活函数。激活函数是决定算法如何做决策的，可以说是算法的指导思想。

你看几个就知道了。不管是sigmoid还是tanh，它的值都是以0或者1为边界的。

也就是说你的模型做数字识别的时候，计算的结果并不是1、2、3、4，而是0到1之间的小数。最后，算法根据概率得出属于哪个分类。哎，你看概率的表示也是0到1之间的数。

除此之外，计算机的二进制也是0或者1。芯片的计算需要精度，整数类型不如小数精确。

各种原因，导致还是浮点型的小数更适合算法的计算。甚至，人工智能的体系中，还具有float64类型，也就是64位的小数。

变为小数之后，后面就是将图片数组做缩放。根据数据的shape，找到最长的边。然后缩放到512像素以内。

这就到了 resize(img, new_shape) 这行代码。

到这一步时，img的数据如下：

shape=(341, 512, 3), dtype=float32 array([[[0.8588236, 0.9333334, 0.9607844], ..., [0.8588236, 0.9333334, 0.9607844]], [[0.8588236, 0.9333334, 0.9607844], ..., [0.8588236, 0.9333334, 0.9607844]]])

原来的 (434, 650, 3) 图片被重新定义成了 (341, 512, 3) 。依然是3通道的色彩，但是长宽尺寸经过计算，最大已经不超过512像素了。

为什么做缩放？除了模型要求，还要防止用户有可能上传一张1亿像素的图片，这时你的服务器就冒烟了。

(434, 650, 3) 代表的是一张图。但是纵观所有算法模型，不管是 model.fit(train_ds) 训练阶段，还是 model.predict(tf_imgs) 预测阶段。就没有处理单张图片的代码逻辑，全都是批量处理。

它不能处理单张图片的结构，你别说它不人性化，不用跟他杠。兄弟，模型要的只是一个数组结构，它并不关心里面图片的数量。一张图片可以是 ["a.png"] 这种形式。

说到这里，我又忍不住想谈谈关于接口设计的话题了。

我给业务方提供了一个算法接口能力，就是查询一张图上存在的特定目标信息。我也是返回多个结果的结构。尽管样本中只有一个目标。业务方非要返回一个。从长远来讲，谁也不敢保证以后场景中只有一个目标。我必须要如实返回，有一个返回一个，有两个返回两个，你可以只取第一个。但是，结构肯定是要支持多个的。

从成本和风险权衡的角度，从列表中取一条数据的成本，要远小于程序出错或者失灵的风险。但是业务方比较坚持返回一个就行。

后来，他们让我把图片的base64返回值带上 data:image/jpeg;base64, ，便于前端直接展示。那一刻，我就明白了，跟他们较这个真，是我冲动了。

而对于 TensorFlow 的要求，你必须要包装成批量的形式。我认为这很规范。

这句代码 img = img[tf.newaxis, :] 就是将维度上升一层。可以将 1 变为 [1] ，也可以将 [[1],[2]] 变为 [[[1],[2]]] 。

此时再打印img，它已经变为了如下结构：

shape=(1, 341, 512, 3), dtype=float32 array([[[[0.8588236, 0.9333334, 0.9607844], ..., [0.8588236, 0.9333334, 0.9607844]], [[0.8588236, 0.9333334, 0.9607844], ..., [0.8588236, 0.9333334, 0.9607844]]]])

shape=(1, 341, 512, 3) 表示有1张512×341的彩图。那么，这个结构它也可以承载100张这样的图，那时就是shape=(100, 341, 512, 3)。这就做到了，以不变应万变。

最后一步的 tf_img = tf.constant(img) ，作用是通过 tf.constant 把图片数据，包装成 TensorFlow 需要的格式。

这个格式，就可以传给hub_model去处理了。

经过 stylized_images = hub_model(tf_img_content, tf_img_style) 这行代码的处理。它会将处理结果放到 stylized_images 中。你马上就可以看到融合结果了。

不过，好像也没有那么简单。这个结果的呈现，实际上是图片到tensor格式的逆向过程。

我们下面就来处理它。

2.4 tensor格式结果转为图片

上一步经过 hub_model 转化，我们获取到了 stylized_images 。这是我们辛苦那么久的产物。你是否会好奇 stylized_images 到底是怎样的结构。

我们来打印一下：

[<tf.Tensor: shape=(1, 320, 512, 3), dtype=float32, numpy= array([[[[0.31562978, 0.47748038, 0.7790847 ], ..., [0.7430198 , 0.733053 , 0.6921962 ]], [[0.76158 , 0.6912774 , 0.5468565 ], ..., [0.69527835, 0.70888966, 0.6492392 ]]]], dtype=float32)>]

厉害了，它是一个 shape=(1, 320, 512, 3) 形状的 tf.Tensor 的数组。

不要和我说这些，我要把它转为图片看结果。

来，先上代码：

import numpy as np import PIL.Image tensor = stylized_images[0] tensor = tensor*255 tensor_arr = np.array(tensor, dtype=np.uint8) img_arr = tensor_arr[0] img = PIL.Image.fromarray(img_arr) img.save(n_path)

相信有了上面图片转 tensor 的过程，这个反着转化的过程，你很容易就能理解。

第1步：取结果中的第一个 stylized_images[0] ，那是 shape=(1, 320, 512, 3) 。

第2步：小数转为255色值的整数数组 tensor*255、 np.array(tensor, dtype=np.uint8) 。

第3步：取出 shape=(1, 320, 512, 3) 中的那个1，也就是512×320的那张图。

第4步：通过 fromarray(img_arr) 加载图片的数组数据，保存为图片文件。

我敢保证，后面的事情，你只管享受就好了。

源码在这里 github/hlwgy/image-stylization 。你可以亲自运行试验下效果。

不过，多数人还是会选择看完文章再试。

三、一切皆可兔图的效果

春节就要到了，新的一年是兔年（抱歉，我好像说过了）。

下面，我就把兔子和一些春节元素，做一个风格融合。

3.1 年画兔

当然，我只说我这个年龄段的春节场景。

年画，过年是必须贴的在我老家（倒装句暴露了家乡）。而且年画种类很丰富。

有这样的：

还有这样的：

它们的制作工艺不同，作用不同，贴的位置也大不相同。

我最喜欢贴的是门神。老家的门是木头门。搞一盆浆糊，拿扫帚往门上抹。然后把年画一放，就粘上了。纸的质量不是很好，浆糊又是湿的，浆糊融合着彩纸还会把染料扩散开来。估计现在的孩子很少再见到了。

我们看一下，可爱的小兔子遇到门神年画，会发生怎样的反应：

你们知道年画是怎么制作的吗？在没有印刷机的年代，年画的制作完全靠手工。

需要先雕刻模子，其作用类似于印章。有用木头雕刻的模具，印出来的就是木板年画。

好了，雕刻完了。最终的模子是这样的。

模板里放上不同的染料，然后印在纸上，年画就出来了。

如果兔子遇到这种木板模具，会是什么风格呢？我有点好奇，我们看一下：

我想，这个图，再结合3D打印机，是不是就不用工匠雕刻了。

3.2 剪纸兔

剪纸，也是过春节的一项活动。

我老家有一种特殊的剪纸的工艺，叫“挂门笺”。当地叫“门吊子”，意思就是吊在门下的旗子。

其实这个习俗来源于南宋。那时候过年，大户人家都挂丝绸旗帜，以示喜庆。但是普通百姓买不起啊，就改成了彩纸。

跟年画比，这个工艺现在依然活跃，农村大集还有卖的。

如果小兔子遇到剪纸，会是什么风格呢？揭晓一下效果：

3.3 烟花兔

说起烟花，这就不是哪个年龄段的专利了。现如今，即便是小孩子，也很喜欢看烟花。

如果兔子遇到烟花，会产生什么样的融合呢？放图揭晓答案：

确实很美丽。

四、无限遐想

上面的例子，我们是 hub.load 了 tfhub.dev/……image-stylization-v1-256/2 这个模型。

其实，你可以试试 tfhub.dev/……image-stylization-v1-256/1 这个模型，它是一个带有发光效果的模型。

嗨，技术人，不管前端还是后端，如果春节没事干，想跨界、想突破，试试这段人工智能的代码吧。搞个小程序，给亲友用一下，也挺好的。

我是ITF男孩，一位讲代码过程中，多少带点人文气息的编程表演艺术家。

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