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0. 前言

图像着色指的是将黑白或灰度图像转换为彩色图像的过程，传统的图像处理技术通常基于直方图匹配和颜色传递的方法或基于用户交互的方法等完成图像着色操作，不但耗时且需要专业知识，而基于深度学习的方法能够实现自动着色，极大的提高了效率。在训练图着色模型时，我们可以将原始图像转换为黑白图像作为网络输入，原始彩色图像作为输出。

1. 模型与数据集分析

在本节中，我们将利用 CIFAR-10 数据集执行图像着色。

1.1 数据集介绍

CIFAR-10 数据集是一个广泛应用于计算机视觉领域的图像分类数据集。它由 10 个不同类别的彩色图像组成，每个类别包含 6000 张 32 x 32 像素的图像。该数据集涵盖了各种不同的对象类别，包括飞机、汽车、鸟类、猫、鹿、狗、青蛙、马、船和卡车。与一些只包含灰度图像的数据集相比，CIFAR-10 数据集的图像是彩色的，但由于图像分辨率相对较低，图像中的细节和特征相对较少。
CIFAR-10 数据集在计算机视觉领域的研究和开发中得到了广泛的应用，许多图像分类算法和深度学习模型都在 CIFAR-10 上进行了测试和验证。它提供了一个标准化的基准，用于比较不同算法的性能。

1.2 模型策略

了解了所用数据集后，本节中，我们继续介绍图像着色模型策略：

1. 获取训练数据集中的原始彩色图像，将其转换为灰度图像，构造输入(灰度)-输出(原始彩色图像)对
2. 执行归一化输入和输出图像
3. 构建 U-Net 架构
4. 训练模型

2. 实现图像着色

接下来，使用 PyTorch 实现以上策略，构建图像着色模型。

(1) 导入所需库：

import torch
device = 'cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu'from torchvision import datasets
from torch.utils.data import DataLoader, Dataset
from torch import nn
from torch import optim
import numpy as np
import torchvision
from matplotlib import pyplot as plt

(2) 下载数据集，并定义训练、验证数据集和数据加载器。

下载数据集：

data_folder = 'cifar10/cifar/' 
datasets.CIFAR10(data_folder, download=True)

定义训练、验证数据集和数据加载器：

class Colorize(torchvision.datasets.CIFAR10):def __init__(self, root, train):super().__init__(root, train)def __getitem__(self, ix):im, _ = super().__getitem__(ix)bw = im.convert('L').convert('RGB')bw, im = np.array(bw)/255., np.array(im)/255.bw, im = [torch.tensor(i).permute(2,0,1).to(device).float() for i in [bw,im]]return bw, imtrn_ds = Colorize('cifar10/cifar/', train=True)
val_ds = Colorize('cifar10/cifar/', train=False)trn_dl = DataLoader(trn_ds, batch_size=256, shuffle=True)
val_dl = DataLoader(val_ds, batch_size=256, shuffle=False)

输入和输出图像的样本如下：

a,b = trn_ds[0]
plt.subplot(121)
plt.imshow(a.permute(1,2,0).cpu(), cmap='gray')
plt.subplot(122)
plt.imshow(b.permute(1,2,0).cpu())
plt.show()

(3) 定义网络架构：

class Identity(nn.Module):def __init__(self):super().__init__()def forward(self, x):return xclass DownConv(nn.Module):def __init__(self, ni, no, maxpool=True):super().__init__()self.model = nn.Sequential(nn.MaxPool2d(2) if maxpool else Identity(),nn.Conv2d(ni, no, 3, padding=1),nn.BatchNorm2d(no),nn.LeakyReLU(0.2, inplace=True),nn.Conv2d(no, no, 3, padding=1),nn.BatchNorm2d(no),nn.LeakyReLU(0.2, inplace=True),)def forward(self, x):return self.model(x)class UpConv(nn.Module):def __init__(self, ni, no, maxpool=True):super().__init__()self.convtranspose = nn.ConvTranspose2d(ni, no, 2, stride=2)self.convlayers = nn.Sequential(nn.Conv2d(no+no, no, 3, padding=1),nn.BatchNorm2d(no),nn.LeakyReLU(0.2, inplace=True),nn.Conv2d(no, no, 3, padding=1),nn.BatchNorm2d(no),nn.LeakyReLU(0.2, inplace=True),)def forward(self, x, y):x = self.convtranspose(x)x = torch.cat([x,y], axis=1)x = self.convlayers(x)return xclass UNet(nn.Module):def __init__(self):super().__init__()self.d1 = DownConv( 3, 64, maxpool=False)self.d2 = DownConv( 64, 128)self.d3 = DownConv( 128, 256)self.d4 = DownConv( 256, 512)self.d5 = DownConv( 512, 1024)self.u5 = UpConv (1024, 512)self.u4 = UpConv ( 512, 256)self.u3 = UpConv ( 256, 128)self.u2 = UpConv ( 128, 64)self.u1 = nn.Conv2d(64, 3, kernel_size=1, stride=1)def forward(self, x):x0 = self.d1( x) # 32x1 = self.d2(x0) # 16x2 = self.d3(x1) # 8x3 = self.d4(x2) # 4x4 = self.d5(x3) # 2X4 = self.u5(x4, x3)# 4X3 = self.u4(X4, x2)# 8X2 = self.u3(X3, x1)# 16X1 = self.u2(X2, x0)# 32X0 = self.u1(X1) # 3return X0

(4) 定义模型、优化器和损失函数：

def get_model():model = UNet().to(device)optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=1e-3)loss_fn = nn.MSELoss()return model, optimizer, loss_fn

(5) 定义模型在批数据进行训练和验证的函数：

def train_batch(model, data, optimizer, criterion):model.train()x, y = data_y = model(x)optimizer.zero_grad()loss = criterion(_y, y)loss.backward()optimizer.step()return loss.item()@torch.no_grad()
def validate_batch(model, data, criterion):model.eval()x, y = data_y = model(x)loss = criterion(_y, y)return loss.item()

(6) 训练模型：

model, optimizer, criterion = get_model()
exp_lr_scheduler = optim.lr_scheduler.StepLR(optimizer, step_size=10, gamma=0.1)_val_dl = DataLoader(val_ds, batch_size=1, shuffle=True)n_epochs = 100
train_loss_epochs = []
val_loss_epochs = []for ex in range(n_epochs):N = len(trn_dl)trn_loss = []val_loss = []for bx, data in enumerate(trn_dl):loss = train_batch(model, data, optimizer, criterion)pos = (ex + (bx+1)/N)trn_loss.append(loss)train_loss_epochs.append(np.average(trn_loss))N = len(val_dl)for bx, data in enumerate(val_dl):loss = validate_batch(model, data, criterion)pos = (ex + (bx+1)/N)val_loss.append(loss)val_loss_epochs.append(np.average(val_loss))exp_lr_scheduler.step()if (ex+1)%10 == 0:for _ in range(5):a,b = next(iter(_val_dl))_b = model(a)plt.subplot(131)plt.imshow(a[0].permute(1,2,0).cpu(), cmap='gray')plt.subplot(132)plt.imshow(b[0].permute(1,2,0).cpu())plt.subplot(133)plt.imshow(_b[0].permute(1,2,0).detach().cpu().numpy())plt.show()
epochs = np.arange(n_epochs)+1
plt.plot(epochs, train_loss_epochs, 'bo', label='Training loss')
plt.plot(epochs, val_loss_epochs, 'r', label='Test loss')
plt.title('Training and Test loss over increasing epochs')
plt.xlabel('Epochs')
plt.ylabel('Loss')
plt.legend()
plt.grid('off')
plt.show()

从前面的输出中，可以看到模型能够很好地为灰度图像着色。

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