教你使用 CANN 将照片一键转换成卡通风格

2022 年 7 月 19 日
本文字数：3015 字
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本文分享自华为云社区《【CANN训练营】CANN训练营_昇腾AI趣味应用实现AI趣味应用（上）随笔》，作者： Tianyi_Li。

前言

你喜欢动画片，或者说卡通，动漫吗？

我是挺喜欢的。

绚丽多彩的卡通世界从来没有缺失过吸引力。手冢治虫画笔下，那个可以上天入地的阿童木，在与邪恶世界的斗争中教会了我们勇敢与正义。漫画工匠宫崎骏用清新的水彩勾勒出自然的乡村景观，不染一丝现实的尘土。美艳而不可方物的世界令人神往。从《大闹天宫》到《大圣归来》，从《哪吒闹海》到《哪吒之魔童降世》，国漫的发展也不曾落下。恢弘的场景结合扣人心弦的故事，不仅有丰富视觉享受，同时也带来了一个心灵慰藉的港湾。但是卡通世界的诞生需要日积月累的积淀，在一笔笔线条和色彩的勾勒下才能生成动人的场景。

而人工智能却带来了便捷的可能，现实世界的景色人物都可以一键定格为卡通风格。在尽可能保留显示细节的同时也保持着艺术的风格化。

这次是将 AnimeGAN 部署到 Ascend 310，从而实现对自己想要图片的一键转换为我们想看到的卡通风格。

参考实现： https://github.com/TachibanaYoshino/AnimeGAN

参考论文： https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-981-15-5577-0_18

最终效果图如下图所示，左图是输入，右图是输出：

坎恩介绍

Ascend 310 是硬件，我们是基于在硬件上构建的软件进行开发的，不会直接接触到底层的硬件，这里我们是基于 CANN 开发，CANN（Compute Architecture for Neural Networks）是华为公司针对 AI 场景推出的异构计算架构，通过提供多层次的编程接口，支持用户快速构建基于昇腾平台的 AI 应用和业务。包括：

AscendCL：昇腾硬件的统一编程接口，包含了编程模型、硬件资源抽象、AI 任务及内核管理、内存管理、模型和算子调用、媒体预处理接口、加速库调用等一系列功能，充分释放昇腾系统多样化算力，使能开发者快速开发 AI 应用。
TBE 算子开发工具：预置丰富 API 接口，支持用户自定义算子开发和自动化调优，缩短工期，节省人力。
算子库：基于昇腾处理器，深度协同优化的高性能算子库

这里我们主要用到的还 Ascend CL，也就是 ACL，不过为了更加方便开发，减少对原生接口的数据对齐的琐碎限制，我们使用官方推出的进一步封装的 acllite，相当于做了进一步封装，更加方便开发者使用。acllite 的主要接口如下图所示：

具体的开发流程如下图所示，不仅适用于本应用，也适用于所有的开发应用。

动漫 GAN 网络概述

AnimeGAN 生成网络结构如下，以 Generative Adversarial Networks(GAN)为基础，其架构包括一个生成器（Generator）用于将现实世界场景的照片转换为动漫图像，和一个判别器（Discriminator）区分图像是来自真实目标域还是来自生成器产生的输出，通过迭代训练两个网络（即生成器和判别器），由判别器提供的对抗性损失可以生成卡通化的结果。同时将生成器替换为自编码结构，使得生成器具有更强的生成能力。对于生成器，它希望生成样本尽可能符合真实样本的分布，而判别器则希望尽可能的区分真实样本与生成样本。具体来说，判别器将真实样本判断为正确，记为 1；而将生成结果判断为错误，记为 0。

AnimeGAN 的生成器可以被认为是一个对称的编码器-解码器网络。主要由标准卷积、深度可分离卷积、反向残差块（IRB），上采样和下采样模块组成。在生成器中，最后一个具有 1×1 卷积核的卷积层不使用归一化层，后面是 tanh 非线性激活函数。Conv-Block 由具有 3×3 卷积核的标准卷积、实例归一化层和 LRelu 激活函数组成。 DSConv 由具有 3 × 3 卷积核的深度可分离卷积、实例归一化层和 LRelu 激活函数组成。反转的残差块包含 Conv-Block、深度卷积、点卷积和实例归一化层。

为了避免最大池化导致的特征信息丢失，使用 Down-Conv 作为下采样模块来降低特征图的分辨率。它包含步长为 2 的 DSConv 模块和步长为 1 的 DSConv 模块。在 Down-Conv 中，特征图的大小被调整为输入特征图大小的一半。 Down-Conv 模块的输出是步长为 2 的 DSConv 模块和步长为 1 的 DSConv 模块的输出之和。使用 Up-Conv 用作上采样模块以提高特征图的分辨率。

为了有效减少生成器的参数数量，网络中间使用了 8 个连续且相同的 IRB。与标准残差块相比，IRB 可以显着减少网络的参数数量和计算工作量。生成器中使用的 IRB 包括具有 512 个内核的逐点卷积、具有 512 个内核的深度卷积和具有 256 个内核的逐点卷积。值得注意的是，最后一个卷积层没有使用激活函数。

为了辅助生成器生成更好的结果，判别器需要判断输出图像是否是真实的卡通图片。因为判断是否真实依赖于图片本身特征，不需要抽取最高层的图片特征信息，所以可以设计成较为浅层的框架。首先对输入进行卷积核为 3 x 3 的卷积，然后紧接两个步长为 2 的卷积块来降低分辨率，并且提取重要的特征信息。最后使用一个 3 × 3 的卷积层得到最终提取的特征，再与真实标签进行损失计算。如果输入为 256 × 256，则输出为 64 × 64 的 PatchGAN 形式。这里将 Leaky ReLU 的参数设置为 0.2。

开发过程介绍

在拿到一个模型，我们希望做开发部署的时候，基本流程如下图所示：

下面就来看看。

分析预处理代码

模型转换

获取到原始模型后，需要使用昇腾 CANN 所提供的 ATC 模型转换工具，将第三方框架的模型转换为昇腾推理芯片所支持的 om 模型。模型转换步骤可参考昇腾文档中开发者文档->应用开发->将已有模型通过 ATC 工具转换（命令行）的指导进行转换。该样例通过不同分辨率的模型支持三种不同的输入图片，直接影响到生成图片的质量。以下为模型转换过程。

三种不同的模型输入分辨率，分辨率越高，图片质量越好，但模型推理时间也就越长，咱们用的是第一种 256 * 256，如下图所示：

测试

预处理代码编写

如果你想用 Python，也没问题，来看看 Python 版本的代码：

使用 DVPP 对读入图片进行解码，并缩放至 256 × 256 分辨率，以符合网络输入大小;在模型转换时，使用 AIPP 功能，将 unit8 的数据转换为 fp16 格式，将 0~255 的数值归一化到-1~1，将 BGR 的图片格式转换为 RGB 格式。

执行推理

后处理

如果使用 Python 接口开发，代码如下所示：

后处理模块主要是对模型的推理结果进行格式变换，然后将变换结果反馈给用户。主要过程是先将-1～1 的值映射回 0～255，然后将 256 × 256 的转换结果缩放回原始图像的尺寸大小。最后进行色域转换将 RGB 格式的输出转换为 BGR 格式。

结果展示

整理流程图如下图所示：

1.运行管理资源申请：用于初始化系统内部资源，固定的调用流程。

2.加载模型文件并构建输出内存：从文件加载离线模型 AnimeGAN.om 数据，需要由用户自行管理模型运行的内存，根据内存中加载的模型获取模型的基本信息包含模型输入、输出数据的数据 buffer 大小；由模型的基本信息构建模型输出内存，为接下来的模型推理做好准备。

3.数据预处理：对读入的图像数据进行预处理，然后构建模型的输入数据。

4.模型推理：根据构建好的模型输入数据进行模型推理。

5.解析推理结果：根据模型输出，解析模型的推理结果。使用 OpenCV 将转换后的卡通画数据转化为 JPEG。

（可选）优化加速

结语

图片卡通化或者说动漫化，还是挺有意思的，算是 AI 一个娱乐性较强的应用了，可以让每个普通人随时随地创造自己想要的卡通化 Demo，很有意思，如果你想体验的话，可以到昇腾开发者社区的在线体验，上传自己的图片转换，如果你想要代码，那也没问题，在线体验提供了原始代码，可以免费下载使用，奉上在线实验链接：https://www.hiascend.com/zh/developer/mindx-sdk/cartoon/99172254img

最后奉上不同分辨率下的运行结果对比：