GAN 生成图像奇幻诡谲，对此我们早已不陌生。如果它们还可以卡音效呢？最近，有人就创建了一个实现类似效果的 Python 包——Lucid Sonic Dreams，只用几行代码就可以实现 AI 生成画作与音乐的同步。
- GitHub 地址：https://github.com/mikaelalafriz/lucid-sonic-dreams
- Colab 教程地址：https://colab.research.google.com/drive/1Y5i50xSFIuN3V4Md8TB30_GOAtts7RQD?usp=sharing
在该项目提供的 demo 视频中，伴随着 Saje 的歌「Raspberry」，GAN 生成的图像不断变换且呈现出了对应的节奏。
工作原理
生成艺术品通常是由 GAN 网络来完成的。Lucid Sonic Dreams 包默认使用 StyleGAN2-ADA 架构，不过 GAN 架构也可以自定义。将这些模型在特定「风格」的图像数据集上进行训练，使之能够输出与训练图像风格一致的无穷多张图像。此外，Lucid Sonic Dreams 使用 Justin Pinkney 创建库中的 StyleGAN2 预训练模型（地址：
https://github.com/justinpinkney/awesome-pretrained-stylegan2） 。
那么这些图像到底是如何生成的呢？
将输入馈送至 StyleGAN2 模型（输入为有 512 个数字的向量），输入决定了模型的输出图像，因此对输入向量进行微小更改也将带来输出图像的微小变化。
现在，有趣的部分到了：如果我们从音乐中获取声波，从声波中提取数值（如振幅）并添加至输入向量，会发生什么？
Lucid Sonic Dreams 对视频每一帧执行这些操作，生成脉冲与变换与音乐一致的图像。
具体而言，利用 Lucid Sonic Dreams 包，音乐控制了 3 个主要视觉组件：脉冲（Pulse）、运动（Motion）和类别（Class）：
- 脉冲指视觉画面随着音乐的敲击性节奏而「跳动」。从数学角度来看，「脉冲」是向输入向量暂时添加声波振幅的结果（即在下一帧中该向量仍是初始向量）；
- 运动指视觉画面变换的速度。从数学上看，它是向输入向量累积添加振幅（即添加的振幅后续不会被清零）；
- 类别指生成图像中物体的标签，例如基于 WikiArt 图像训练的风格中就有 167 个类别（包括梵高、达芬奇、抽象派等）。而这些由音调进行控制，具体而言，12 个音高分别对应 12 个不同类别。这些音高的振幅对传输至第二个输入向量（类别向量）的数字造成影响，而这由模型生成的对象来决定。
项目作者表示，这个想法受到 Matt Siegelman 的 Deep Music Visualizer 项目的启发。目前网上也有一些类似的项目，但 Lucid Sonic Dreams 的独特之处在于以 Python 包形式实现，且允许自定义。
使用 Lucid Sonic Dreams 包，你可以做到这些
Lucid Sonic Dreams 具备极强的易用性和灵活性。用户可以使用 pip 进行安装：
然后只需输入几行 Python 代码即可：
- from lucidsonicdreams import LucidSonicDream
- L = LucidSonicDream(song = 'chemical_love.mp3', style = 'abstract photos')
- L.hallucinate(file_name = 'chemical_love.mp4')
改变风格
运行以下代码，我们可以查看默认可用的风格：
- from lucidsonicdreams import show_styles
- show_styles()
这样就可以得到一组风格名称，这些风格来自 Justin Pinkney 创建的库。你还可以输入自己的 StyleGAN 权重，或者使用其他 GAN 架构。
调整参数
Lucid Sonic Dreams 包的默认设置很好用，但它实际上有很多参数——30 多个，不过这些参数是可以调整的（参数详细信息参见 Colab 教程）。
哪些参数最重要呢？我们来看整个视频生成 pipeline：
首先，对输入向量进行初始化和插值，作为视频的「基础运动」（base motion）。参数 speed_fpm 控制运动的速度，fpm 表示「每分钟帧数」，即每分钟初始化的向量数。对于每个后续帧而言，参数 pulse_react, motion_react, and class_react 控制音频操纵每个对应组件的程度。
模型基于这些向量生成图像后，图像被传输经过一系列特效（也对音乐产生反应）。默认情况下，Lucid Sonic Dreams 包具备「contrast」和「flash」特效，可以与音频的敲击性节奏同步。通过设置 contrast_strength 和 flash_strength 参数，即可进行调整。使用者还可以创建自定义特效。
以下代码展示了调参过程：
- L = LucidSonicDream('pancake_feet.mp3', style = 'modern art')
- L.hallucinate(file_name = 'pancake_feet.mp4',
- speed_fpm = 0,
- motion_react = 0.8,
- contrast_strength = 0.5,
- flash_strength = 0.7)
使用自己的 StyleGAN 权重
如果你自己训练过 StyleGAN，或者在网上获得了一些模型权重，你可以选择将文件路径传输至这些权重，作为风格参数的值。
例如，文章开头的视频使用的是 Jeremy Torman 训练的模型。生成视频所用代码如下所示：
- L = LucidSonicDream(song = 'raspberry.mp3', style = 'VisionaryArt.pkl')
- L.hallucinate(file_name = 'raspberry.mp4',
- pulse_react = 1.2,
- motion_react = 0.7,
- contrast_strength = 0.5,
- flash_strength = 0.5)
使用单独的音轨
这个包还可以用作音乐可视化工具，使用者可以上传单独的音轨，进而控制 Pulse、Motion、Class、Contrast 和 Flash。如果你想使这些视觉组件与特定的乐器同步，使用这个包是不错的选择。你还可以利用这些单独的音轨自定义特效。
以下是示例代码：
- L = LucidSonicDream(song = 'lucidsonicdreams_main.mp3',
- pulse_audio = 'lucidsonicdreams_pulse.mp3',
- class_audio = 'lucidsonicdreams_class.mp3',
- style = 'wikiart')
- L.hallucinate('lucidsonicdreams.mp4',
- pulse_react = 0.25,
- motion_react = 0,
- classes = [1,5,9,16,23,27,28,30,50,68,71,89],
- dominant_classes_first = True,
- class_shuffle_seconds = 8,
- class_smooth_seconds = 4,
- class_pitch_react = 0.2,
- contrast_strength = 0.3)
自定义特效
除了内置的「Contrast」和「Flash」特效外，Lucid Sonic Dreams 包还允许用户自定义创建特效。用户只需创建一个包含至少以下 3 个参数的函数即可：array，表示应用特效的图像；strength，决定对音乐的反应强度；amplitude 表示在任意给定时间点的音量。之后，将该自定义函数传输至 EffectsGenerator 对象。
作者用以下代码进行了试验，其使用的是 scikit-image 的 swirl 特效：
- import numpy as np
- from skimage.transform import swirl
- from lucidsonicdreams import EffectsGenerator
- def swirl_func(array, strength, amplitude):
- swirled_image = swirl(array,
- rotation = 0,
- strength = 100 * strength * amplitude,
- radius=650)
- return (swirled_image*255).astype(np.uint8)
- swirl_effect = EffectsGenerator(swirl_func,
- audio = 'unfaith.mp3',
- strength = 0.2,
- percussive = False)
- L = LucidSonicDream('unfaith.mp3',
- style = 'textures')
- L.hallucinate('unfaith.mp4',
- motion_react = 0.15,
- speed_fpm = 2,
- pulse_react = 1.5,
- contrast_strength = 1,
- flash_strength = 1,
- custom_effects = [swirl_effect])
- files.download("unfaith.mp4")
使用其他 GAN 架构
你还可以使用其他 GAN 架构。只需定义一个函数，该函数以一组噪声向量和类别向量（NumPy 数组）作为输入，输出一组 Pillow 图像。事实上，该函数甚至不需要使用 GAN，它可以是能够将输入向量转换成图像的任意函数。
下列代码使用 BigGAN 的 PyTorch 实现复现了 Deep Music Visualizer：
- from pytorch_pretrained_biggan import BigGAN, convert_to_images
- import torch
- biggan = BigGAN.from_pretrained('biggan-deep-512')
- biggan.to('cuda:0')
- def biggan_func(noise_batch, class_batch):
- noise_tensor = torch.from_numpy(noise_batch).cuda()
- class_tensor = torch.from_numpy(class_batch).cuda()
- with torch.no_grad():
- output_tensor = biggan(noise_tensor.float(), class_tensor.float(), truncation = 1)
- return convert_to_images(output_tensor.cpu())
- L = LucidSonicDream('sea_of_voices_inst.mp3',
- style = biggan_func,
- input_shape = 128,
- num_possible_classes = 1000)
- L.hallucinate('sea_of_voices.mp4',
- output_audio = 'sea_of_voices.mp3',
- speed_fpm = 3,
- classes = [13, 14, 22, 24, 301, 84, 99, 100, 134, 143, 393, 394],
- class_shuffle_seconds = 10,
- class_shuffle_strength = 0.1,
- class_complexity = 0.5,
- class_smooth_seconds = 4,
- motion_react = 0.35,
- flash_strength = 1,
- contrast_strength = 1)
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