在CVPR 2021的盛会上，网易伏羲与密歇根大学的研究团队携手，开启了一场图像绘画转换的新纪元。他们共同研发的一项图像到绘画转换技术，仿佛为艺术创作注入了新的生命力，引起了广大观众和同行的瞩目。
这项技术的创新之处在于，它不仅仅是将图像转换为绘画，更是实现了风格的可控转换。每一幅生成的作品都仿佛是由艺术家亲手绘制，饱含艺术的灵魂。更令人兴奋的是，该技术的实现代码已经开源，为艺术和科技爱好者提供了新的创作可能。
研究团队巧妙地解决了传统风格迁移方法在逐像素预测框架下的限制。他们在矢量空间下生成具有物理意义的画笔参数序列，创新地设计了一款神经渲染器。这款渲染器能够模拟真实画笔的行为，并将画笔预测问题转化为参数空间内的搜索问题。这一转化不仅提高了渲染输出与输入图像之间的相似度，还使得绘画过程更加生动逼真。
在研究过程中，团队面临了一个重大挑战——零梯度问题。他们从最优搬运的角度巧妙地解决了这一问题。团队引入了可微的搬运损失函数，有效改善了画笔的收敛性和绘画效果。这一创新解决了在参数搜索过程中的一大难题。
研究团队对传统的神经渲染器进行了大刀阔斧的改进，重新设计了渲染网络。新的网络结构包括栅格化网络和着络，这两个网络能够更好地对形状和颜色进行解耦合。这一改进在全局和局部纹理层面上提升了真实度，使得生成的画作更加栩栩如生。并且，这一方法还可以在神经风格迁移框架下联合优化，为画作赋予更多风格的魅力。
技术的核心在于这款神经渲染器。与其他技术相比，它更能轻松应对复杂的过渡色和画笔纹理等场景，生成具有高度艺术性和真实感的画作。技术从一张空白画布开始，逐步叠加画笔。每一步都通过精心训练的神经渲染器将画笔参数转化为前景图像和对应的透明度遮罩。这些图像再以软混合的方式叠加在一起，保证了整个过程的可微性。
研究团队借用了传统的渲染技术，设计了一个双通道的神经渲染器，解决了颜色、形状和材质的耦合问题。这个双通道神经渲染器由两个子网络组成：着络G_s和栅格化网络G_r。着络负责将颜色与形状参数转化为具有可靠前景颜色的画笔，而栅格化网络则能生成具有锐利边缘的画笔轮廓。
在训练过程中，研究团队使用了标准的逐像素回归损失函数。他们利用图形引擎渲染出的前景图像和透明度遮罩作为真实值，与随机采样得到的画笔参数进行比对。为了解决在优化画笔参数时出现的零梯度问题，研究团队引入了最优搬运损失函数。这一损失函数能有效描述画笔和目标之间的物理距离，使得画笔更好地收敛到目标位置。
实际应用中，基于不同画笔的绘画结果展示了该技术的广泛适用性。无论是马克笔还是油画笔，都能轻松生成生动逼真的画作。优化过程中的损失函数曲线也证明了该技术的有效性。
这项图像到绘画转换技术的成果是革命性的。它不仅为艺术创作带来了新的可能性，也为科技爱好者提供了新的创作工具。该技术的出现，必将为艺术和科技领域带来新的发展机遇。这些结果无疑展示了神经渲染器的显著成效和实用性。它不仅是技术的产物，更是艺术与科技紧密融合的结晶。神经风格迁移和画笔的联合优化之旅，让我们见证了一种全新的创意表达方式，它在艺术的广阔天地中独辟蹊径，赋予了作品更加丰富、独特的内涵。
神经风格画笔的诞生，源于神经风格迁移框架的深入研究和创新实践。在参数搜索范式的推动下，它以一种全新的姿态走进了我们的视野。神经风格迁移的本质在于通过最小化内容损失函数和风格损失函数，实现图像像素的更新，从而达到内容和风格的完美融合。研究者们在此基础上，巧妙地将风格损失函数与神经风格画笔结合，创造出了一种全新的艺术表达方式。
这种创新的相似度度量函数，为神经风格画笔提供了强大的支持。在这项研究中，研究者采用了与Gatys等人相似的方法，基于VGG-19所提取特征的Gram矩阵进行计算，从而实现了高效、精准的风格化表达。
实验环节是这次研究最为引人入胜的部分。神经风格画笔不仅能生成逼真的艺术画作，还能生成风格化的渲染结果。其画笔参数具有明确的物理意义，用户可以轻松控制风格化的范围，无论是色彩、线条还是材质，都能随心所欲地表达。
在图8中，（a）—（c）展示了神经风格画笔的杰出作品，（d）则呈现了一个高度抽象的卡通人物画像。每一幅画都充满了独特的故事性和艺术感，令人陶醉。
神经风格画笔的出现，也引发了一系列的对比实验。与传统的增强学习方法，如“Learning-to-Paint”算法相比，神经风格画笔凭借其神经渲染器的优势，能够生成更加真实、细腻的结果。当与其他人工画作相比较时，同样展现出了卓越的生成效果。
研究者还进行了一系列深入的受控实验，对搬运损失函数和双通道神经渲染器进行了详细的研究。最优搬运损失函数的应用有效地恢复了图像中的更多细节，而双通道神经渲染器则凭借其出色的性能，在图13的验证集精度中脱颖而出。
图14为我们呈现了不同神经渲染器的可视化结果对比，展示了神经风格画笔的强大功能和创新之处。在这段充满与发现的旅程中，神经风格画笔与神经风格迁移的联合优化展现出了无限的可能性和潜力。它们为我们带来了前所未有的视觉盛宴，让我们感受到了科技与艺术的完美融合，仿佛是一场视觉与心灵的双重盛宴。
神经风格画笔和神经渲染器的结合，为我们开辟了一个全新的艺术领域。在这里，科技不再是冷冰冰的机器，而是充满了生命力和创造力的工具。它们让我们能够以前所未有的方式表达自我，创造属于我们自己独特风格的艺术作品。
