視覺藝術(shù)創(chuàng)作領(lǐng)域人工智能技術(shù)應(yīng)用探析

程楊，林峰

（1.湖北美術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430205；2.奕行智能科技（廣州）有限公司，廣東 廣州 511457）

0 引言

近幾十年在大數(shù)據(jù)、大算力、大模型的幫助下，以深度學(xué)習(xí)為代表的人工智能（AI）技術(shù)獲得了飛速的發(fā)展，在藝術(shù)領(lǐng)域也得到了較多的應(yīng)用。Elliot J.Crowley[1]提出使用AI 進行藝術(shù)作品分類。Benoit Seguin 等[2]應(yīng)用AI 來研究繪畫史。肖弋[3]嘗試使用AI輔助學(xué)生美術(shù)教育。Sheng S[4]用AI 來生成藝術(shù)圖像的描述字幕。

雖然行業(yè)內(nèi)對于AI 能否進行獨立創(chuàng)作存在巨大分歧，但是使用AI進行輔助創(chuàng)作的相關(guān)技術(shù)卻在飛速發(fā)展，藝術(shù)行業(yè)從業(yè)者是時候關(guān)注相關(guān)工作原理和發(fā)展情況。本文將詳細(xì)介紹圖像風(fēng)格遷移和文本圖像生成的發(fā)展歷程、工作原理、應(yīng)用現(xiàn)狀。

1 圖像風(fēng)格遷移

藝術(shù)風(fēng)格指的是一件藝術(shù)品的獨特視覺表現(xiàn)，讓它與同一藝術(shù)家或同一時期、培訓(xùn)、地點、“學(xué)?！?、藝術(shù)運動或考古文化的其他作品相關(guān)聯(lián)，同時區(qū)別于此的其他藝術(shù)作品。圖像風(fēng)格遷移是一種將輸入圖像轉(zhuǎn)換成目標(biāo)風(fēng)格的過程，如果采用人工重新繪制，需要經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)的畫家花費大量的時間才能完成，但使用計算機的風(fēng)格遷移技術(shù)卻能夠在很短時間完成這一過程。

1.1 圖像風(fēng)格遷移簡介

根據(jù)方法的不同，基于計算機的圖像風(fēng)格遷移可以分成基于規(guī)則的風(fēng)格遷移和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)格遷移。其中基于規(guī)則的圖像風(fēng)格遷移包括筆畫渲染、區(qū)域渲染、實例渲染和圖像濾波等，這些方法都需要根據(jù)目標(biāo)風(fēng)格選擇合適的規(guī)則和參數(shù)，需要根據(jù)特定目標(biāo)風(fēng)格提前設(shè)定，需要深厚的數(shù)學(xué)和藝術(shù)背景知識，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法達(dá)到模擬真人的效果。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)格遷移方法提出的時間較短，但是效果已經(jīng)全面超過基于規(guī)則的風(fēng)格遷移方法。該方法一般由視覺風(fēng)格建模和圖像重構(gòu)兩部分組成。其中視覺風(fēng)格建模用來描述目標(biāo)作品的藝術(shù)風(fēng)格，圖像重構(gòu)用于生成目標(biāo)圖片。

1.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)格遷移原理

以經(jīng)典的基于深度學(xué)習(xí)的風(fēng)格遷移方法為例來詳細(xì)說明其工作原理。在進行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)格遷移時，需要將三張圖片送入AI 模型中，分別獲得三組輸出。三張圖片分別為內(nèi)容圖片、風(fēng)格圖片和重構(gòu)圖片。其中，內(nèi)容圖片包含我們希望輸出圖片包含的主要內(nèi)容，風(fēng)格圖片包含我們期望的目標(biāo)紋理，重構(gòu)圖片為隨機噪聲。Gatys L[5]等提出使用格萊姆矩陣(Gram Matrix)對目標(biāo)風(fēng)格建模，定義風(fēng)格圖片的輸出與重構(gòu)圖片的輸出之間的格萊姆矩陣平均距離為圖片風(fēng)格損失。同時，定義內(nèi)容圖片與重構(gòu)圖片的輸出之間的歐氏距離為內(nèi)容損失。風(fēng)格遷移一般需要減小這兩種損失，來趨近目標(biāo)風(fēng)格，同時保留原始內(nèi)容。在圖像重構(gòu)階段，一般通過梯度反向傳播的方法，將三張圖片送入模型，并計算損失，然后調(diào)整重構(gòu)圖片。經(jīng)過多次迭代，最終可以獲得一張風(fēng)格損失和內(nèi)容損失都很小的重構(gòu)圖片，實現(xiàn)圖像的風(fēng)格遷移。并且該方法也可以改變權(quán)重，讓重構(gòu)圖片更趨近或者遠(yuǎn)離風(fēng)格圖片，此外還可以調(diào)整風(fēng)格的顆粒度。

1.3 應(yīng)用現(xiàn)狀和問題

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)格遷移已經(jīng)在愛好者和行業(yè)中得到了較大范圍的應(yīng)用，在生活和社交領(lǐng)域出現(xiàn)了諸如手機應(yīng)用Prisma 和網(wǎng)站Ostagram。Adobe、美圖等應(yīng)用將風(fēng)格遷移嵌入修圖功能中，可以快速地將圖片轉(zhuǎn)換到目標(biāo)風(fēng)格，大大降低修圖的工作量和處理時間。syncedreview 等將圖像風(fēng)格遷移應(yīng)用到藝術(shù)設(shè)計中，大幅提升了藝術(shù)設(shè)計的效率。如圖1 是用戶在Ostagram上使用風(fēng)格遷移工具生成并公開的部分作品，每張作品的上半部分為輸出圖片，左下為內(nèi)容圖片，右下為風(fēng)格圖片。

雖然圖像風(fēng)格遷移已經(jīng)在很多方向得到應(yīng)用，但是該方法假設(shè)藝術(shù)風(fēng)格可以用數(shù)學(xué)公式表達(dá)，與現(xiàn)實情況并不相符，同時深度學(xué)習(xí)還存在可解釋性低的問題，這些問題阻礙了該技術(shù)的發(fā)展。

2 文本生成圖像

相比圖像風(fēng)格遷移，文本圖像生成更接近于“無中生有”的創(chuàng)作過程。使用者只需要輸入對目標(biāo)圖片的內(nèi)容、風(fēng)格等特點描述的文字（prompt），例如“一只在草地上奔跑的白貓，高清照片”，等待一段時間之后，計算機就會輸出幾張涵蓋這些特點的圖片供使用者挑選。如果對生成的圖片效果不滿意，可以嘗試對描述文字進行修改，生成的圖片也會隨之改變，直至調(diào)整到滿意的效果。

2.1 文本生成圖像簡介

在計算機領(lǐng)域，文本生成圖像是一個比較困難的任務(wù)。在很長時間里，只有人類畫師才具有根據(jù)客戶的語言輸入，創(chuàng)作符合其需求作品的能力，直到現(xiàn)今這依然是很多畫師和畫家的收入來源之一。隨著計算機技術(shù)和人工智能算法的發(fā)展，使用計算機實現(xiàn)文本生成圖像成為可能，2016 年Reed 等提出使用對抗神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[6]用于文本生成圖像時，該方法還只能生成低像素且效果較差的圖片。但今天已經(jīng)可以使用stable diffusion 等免費工具生成媲美真人作品的圖片。文本生成圖片技術(shù)實現(xiàn)了巨大的提升，并且還處在高速發(fā)展的狀態(tài)。

2.2 文本生成圖像原理

文本生成圖像主要包括兩個步驟：提取文本描述中與視覺相關(guān)的特征和利用這些信息合成滿足期望的圖片。針對上述問題，研究者們提出了多種方法，下面選擇其中一些經(jīng)典方法進行詳細(xì)說明。

用于圖像生成的描述文本可能同時包含人物、場景、相對位置、圖片風(fēng)格等多種信息，并且不會按照固定句式描述這些信息，提取文本特征需要盡量包含其中與視覺相關(guān)的特征，并轉(zhuǎn)化成計算機能處理的數(shù)字形式。當(dāng)前比較先進的方法，例如OpenAI[7]的DALLE模型，主要利用自然語言理解領(lǐng)域的模型結(jié)構(gòu)（Transformer）對文本進行分詞和語義特征提取，生成的圖像與文本描述的匹配程度獲得顯著提升。CLIP 模型使用了幾億張圖像及其描述的組合數(shù)據(jù)，分別用兩個子模型對文本和圖像進行特征提取，并讓文本特征與對應(yīng)圖片的特征的距離最近，且與其他不匹配圖片的特征距離盡量遠(yuǎn)，以此建立文本和圖像的聯(lián)系。訓(xùn)練完成后，利用其中文本特征提取模型來進行圖片文本特征的提取。

從文本描述中提取的特征一般是呈數(shù)字向量的形式，需要通過圖像生成才能轉(zhuǎn)換成圖片，并且還需要讓生成的圖片滿足描述文本的要求。研究者嘗試過多種方法實現(xiàn)該過程，其中應(yīng)用比較廣泛的對抗生成網(wǎng)絡(luò)和擴散模型兩種方法的基本原理。對抗生成網(wǎng)絡(luò)包含生成網(wǎng)絡(luò)和判別網(wǎng)絡(luò)兩部分，生成器用于合成“虛假”結(jié)果，判別器用于對生成的結(jié)果與真實結(jié)果進行判別。從原理上說，生成器會盡量生成接近真實的結(jié)果來“欺騙”判別器，而判別器則會努力發(fā)現(xiàn)生成器的“虛假”結(jié)果，對抗生成網(wǎng)絡(luò)利用這種相互沖突的目標(biāo)，讓二者在對抗中不斷提高生成器和判別器效果。對于文本圖片任務(wù)，在生成器會使用文本特征作為輸入，輔助生成符合文本描述的圖片；對于判別器，除了使用區(qū)分是否為“虛假”圖片的任務(wù)外，也可以利用CLIP 來判別生成的圖片與文本描述的匹配關(guān)系，幫助生成器輸出與文本描述更相關(guān)的內(nèi)容，獲得的生成模型效果也將更好。擴散模型[8]則利用圖片降噪的思想，擴散模型的訓(xùn)練分成擴散和逆擴散兩個步驟，在擴散過程中，會手動向圖片中多次疊加噪聲，逐漸掩蓋圖片中的內(nèi)容，直到獲得一張全部由隨機噪聲組成的圖片；在逆擴散過程中，擴散模型會基于含噪聲的圖片重構(gòu)不含噪聲的圖片，嘗試消除擴散過程添加的噪聲。在使用階段，只會使用模型的逆擴散過程，會將文本特征作為逆擴散的控制條件，從一張隨機噪聲中重構(gòu)出目標(biāo)圖片，通過加入文本描述的特征來重構(gòu)出滿足期望的圖片。對于圖片重構(gòu)任務(wù)，除了上述方法，還有變分自編碼器、流模型等方法以及多方法的疊加。

從效果上看，能夠利用大量現(xiàn)有數(shù)據(jù)且不需要做額外特殊處理的無監(jiān)督學(xué)習(xí)方法，相比與其他方法，在描述文本特征提取和圖像生成上能夠獲取更優(yōu)的效果。

2.3 應(yīng)用現(xiàn)狀和問題

伴隨著文本生成圖片研究的迅速發(fā)展和相關(guān)技術(shù)的日趨成熟，非技術(shù)研究者也可以在多個途徑上體驗文本生成圖像的功能。Midjourney、DALLE、novelai等都在提供免費或者有償?shù)奈谋旧蓤D像服務(wù)。國內(nèi)的百度、ARTPAI等也提供了相關(guān)功能，甚至個人用戶可以基于Stable Diffusion提供的模型在個人電腦上自己搭建文本生成圖像功能。隨著文本生成圖像的使用越來越便捷，該功能已經(jīng)在個人創(chuàng)作、原畫、CG、設(shè)計原型等多個領(lǐng)域得到廣泛運用，與此同時也引起了很多的討論和爭議。設(shè)計師杰森·艾倫通過Midjourney工具生成了一幅作品，參與并獲得了美國科羅拉多州博覽會舉辦的藝術(shù)創(chuàng)作比賽的數(shù)字藝術(shù)方向第一名。

雖然杰森·艾倫的獲獎極大地振奮了相關(guān)的技術(shù)人員，但是用戶在實際使用文本生成圖像功能時，還是很容易感受到這項技術(shù)的不成熟。圖片生成的質(zhì)量不穩(wěn)定，例如在人體復(fù)雜的部位如眼睛、手指等比較容易出問題，偶爾會輸出一些詭異甚至恐怖的圖片。若想獲得一張滿意的圖片，需要用戶長時間嘗試不同輸入文本。

3 總結(jié)和展望

雖然近年來出現(xiàn)了很多AI 會在不久后取代藝術(shù)家的言論，但是通過文中對目前AI藝術(shù)創(chuàng)作的兩個主要方向的基本原理的分析，我們可以明確現(xiàn)階段的AI算法尚無法獨立進行藝術(shù)創(chuàng)作，更不存在獨立的創(chuàng)作意識。具體表現(xiàn)在以下層面：①AI算法無法憑空創(chuàng)作全新的藝術(shù)風(fēng)格或者派系，對于風(fēng)格遷移要求目標(biāo)藝術(shù)風(fēng)格作為輸入，對于文本生成圖像更是要求目標(biāo)風(fēng)格參與過模型訓(xùn)練；②AI 算法沒有美學(xué)觀念，無論格萊姆矩陣還是CLIP 模型打分，都是在某些維度上對比生成作品和已有作品的相似度，沒有任何美學(xué)上的定義；③AI算法沒有表達(dá)情感的需要，現(xiàn)在的AI算法只能模擬人類工作的某一具體過程，還無法模擬人類的意識和思想，更加不會有通過藝術(shù)創(chuàng)作表達(dá)自我的需要。

與此同時，通過對AI 算法的歷史進展的分析，能夠清晰地感受到AI 算法驚人的發(fā)展速度。雖然現(xiàn)階段AI算法還無法像藝術(shù)家一樣自主創(chuàng)作，但是它已經(jīng)可以作為藝術(shù)創(chuàng)作的工具。它可以幫助使用者高效地創(chuàng)作數(shù)字藝術(shù)作品或者原型，應(yīng)用在游戲、動畫、社交等領(lǐng)域，極大地降低相關(guān)工作者的負(fù)擔(dān)。正如同相機出現(xiàn)大大降低對寫實油畫的需求，進而演化出印象派一樣，我們相信，隨著AI技術(shù)的應(yīng)用，也必然會給藝術(shù)的發(fā)展注入新的動力，而且AI算法可以大大降低藝術(shù)創(chuàng)作的門檻，讓沒有繪畫基礎(chǔ)的使用者也可以通過AI工具創(chuàng)作屬于自己的藝術(shù)作品，抒發(fā)自己獨有的情感和體驗。

AI 與藝術(shù)并不是對立的兩面，使用AI 工具可以更高效地滿足人們對藝術(shù)作品的需求；畫家們被釋放出來的時間和精力可以更多地投入AI 并不擅長的藝術(shù)創(chuàng)新和藝術(shù)理論研究，創(chuàng)造出更豐富的藝術(shù)形式。AI創(chuàng)作還處于起步階段，目前主要由計算機等行業(yè)的研究者推進。但是方向的進一步發(fā)展更需要藝術(shù)理論的引導(dǎo)和藝術(shù)創(chuàng)作者們的建議，二者的結(jié)合也必將為藝術(shù)的發(fā)展帶來更多的可能性。