用python实现灰白图像上色

时间: 2023-09-19 20:09:20 浏览: 97
实现灰白图像上色可以使用深度学习的方法,具体可以使用卷积神经网络(Convolutional Neural Network, CNN)实现。以下是基于 PyTorch 框架的实现代码,假设原图像是灰度图像,需要将其上色为彩色图像。 首先导入必要的库: ```python import torch import torch.nn as nn import torch.optim as optim from torch.utils.data import Dataset, DataLoader from torchvision import transforms from PIL import Image ``` 定义数据集类,读取灰度图像和对应的彩色图像: ```python class ImageDataset(Dataset): def __init__(self, data_path, transform=None): self.data_path = data_path self.transform = transform self.image_filenames = os.listdir(os.path.join(self.data_path, 'gray')) def __len__(self): return len(self.image_filenames) def __getitem__(self, index): gray_image = Image.open(os.path.join(self.data_path, 'gray', self.image_filenames[index])) color_image = Image.open(os.path.join(self.data_path, 'color', self.image_filenames[index])) if self.transform: gray_image = self.transform(gray_image) color_image = self.transform(color_image) return gray_image, color_image ``` 定义卷积神经网络模型,包含一个预处理层(将灰度图像转换为 RGB 图像)、若干个卷积层和反卷积层(上采样)、一个输出层(将图像的像素值限制在 [0, 1] 区间内): ```python class ColorNet(nn.Module): def __init__(self): super(ColorNet, self).__init__() self.preprocess = nn.Sequential( nn.Conv2d(1, 3, kernel_size=1, stride=1), nn.BatchNorm2d(3), nn.ReLU(inplace=True) ) self.conv1 = nn.Sequential( nn.Conv2d(3, 64, kernel_size=3, stride=1, padding=1), nn.BatchNorm2d(64), nn.ReLU(inplace=True) ) self.conv2 = nn.Sequential( nn.Conv2d(64, 128, kernel_size=3, stride=2, padding=1), nn.BatchNorm2d(128), nn.ReLU(inplace=True) ) self.conv3 = nn.Sequential( nn.Conv2d(128, 128, kernel_size=3, stride=1, padding=1), nn.BatchNorm2d(128), nn.ReLU(inplace=True) ) self.conv4 = nn.Sequential( nn.Conv2d(128, 256, kernel_size=3, stride=2, padding=1), nn.BatchNorm2d(256), nn.ReLU(inplace=True) ) self.conv5 = nn.Sequential( nn.Conv2d(256, 256, kernel_size=3, stride=1, padding=1), nn.BatchNorm2d(256), nn.ReLU(inplace=True) ) self.conv6 = nn.Sequential( nn.Conv2d(256, 512, kernel_size=3, stride=2, padding=1), nn.BatchNorm2d(512), nn.ReLU(inplace=True) ) self.conv7 = nn.Sequential( nn.Conv2d(512, 512, kernel_size=3, stride=1, padding=1), nn.BatchNorm2d(512), nn.ReLU(inplace=True) ) self.deconv1 = nn.Sequential( nn.ConvTranspose2d(512, 256, kernel_size=4, stride=2, padding=1), nn.BatchNorm2d(256), nn.ReLU(inplace=True) ) self.deconv2 = nn.Sequential( nn.ConvTranspose2d(256, 128, kernel_size=4, stride=2, padding=1), nn.BatchNorm2d(128), nn.ReLU(inplace=True) ) self.deconv3 = nn.Sequential( nn.ConvTranspose2d(128, 64, kernel_size=4, stride=2, padding=1), nn.BatchNorm2d(64), nn.ReLU(inplace=True) ) self.deconv4 = nn.Sequential( nn.ConvTranspose2d(64, 3, kernel_size=3, stride=1, padding=1), nn.Tanh() ) def forward(self, x): x = self.preprocess(x) x = self.conv1(x) x = self.conv2(x) x = self.conv3(x) x = self.conv4(x) x = self.conv5(x) x = self.conv6(x) x = self.conv7(x) x = self.deconv1(x) x = self.deconv2(x) x = self.deconv3(x) x = self.deconv4(x) return x ``` 定义训练函数: ```python def train(model, criterion, optimizer, dataloader, device): model.train() running_loss = 0.0 for i, data in enumerate(dataloader): inputs, labels = data[0].to(device), data[1].to(device) optimizer.zero_grad() outputs = model(inputs) loss = criterion(outputs, labels) loss.backward() optimizer.step() running_loss += loss.item() if i % 10 == 9: # print every 10 mini-batches print('[%d, %5d] loss: %.3f' % (epoch + 1, i + 1, running_loss / 10)) running_loss = 0.0 ``` 定义测试函数,用于测试模型在测试集上的表现: ```python def test(model, criterion, dataloader, device): model.eval() test_loss = 0.0 with torch.no_grad(): for data in dataloader: inputs, labels = data[0].to(device), data[1].to(device) outputs = model(inputs) test_loss += criterion(outputs, labels).item() test_loss /= len(dataloader.dataset) print('Test Loss: {:.6f}'.format(test_loss)) ``` 定义训练参数和训练过程: ```python data_transforms = transforms.Compose([ transforms.Resize((256, 256)), transforms.ToTensor() ]) train_dataset = ImageDataset('data/train', transform=data_transforms) train_dataloader = DataLoader(train_dataset, batch_size=16, shuffle=True) test_dataset = ImageDataset('data/test', transform=data_transforms) test_dataloader = DataLoader(test_dataset, batch_size=16, shuffle=False) device = torch.device("cuda:0" if torch.cuda.is_available() else "cpu") model = ColorNet().to(device) criterion = nn.MSELoss() optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=0.0002) for epoch in range(50): train(model, criterion, optimizer, train_dataloader, device) test(model, criterion, test_dataloader, device) ``` 最后,使用训练好的模型对一张灰度图像进行上色: ```python gray_image = Image.open('test_gray.png').convert('L') gray_image_transformed = data_transforms(gray_image).unsqueeze(0).to(device) color_image = model(gray_image_transformed) color_image = color_image.squeeze(0).cpu().detach().numpy().transpose(1, 2, 0) color_image = (color_image + 1) / 2 # 将像素值从 [-1, 1] 转换为 [0, 1] Image.fromarray((color_image * 255).astype('uint8')).show() ``` 其中 `'test_gray.png'` 是一张灰度图像的文件名。
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