傳統演算法和深度學習的結合和實踐，解讀與優化 deepfake

AI 研習社按：本文為知乎主兔子老大為雷鋒網 AI 研習社撰寫的獨家稿件。

前言

前一段時間用於人物換臉的deepfake火爆了朋友圈，早些時候Cycle GAN就可以輕鬆完成換臉任務，其實換臉是計算機視覺常見的領域，比如Cycle GAN ，3dmm，以及下文引用的論文均可以使用演算法實現換臉(一定程度上能模仿表情)，而不需要使用PS等軟體手工換臉（表情僵硬，不符合視頻上下文），只能說deepfake用一個博取眼球的角度切入了換臉演算法，所以一開始我並沒有太過關注這方面，以為是Cycle GAN乾的，後來隱約覺得不對勁，因為GAN系列確實在image to image領域有著非凡的成績，但GAN的訓練是出了名的不穩定，而且收斂時間長，某些特定的數據集時不時需要有些trick，才能保證效果。但deepfake似乎可以無痛的在各個數據集里跑，深入閱讀開源代碼後(https://github.com/deepfakes/faceswap)，發現這東西很多值得一說的地方和優化的空間才有了這一篇文章。

本文主要包括以下幾方面：

解讀deepfake的model和預處理與後處理的演算法以引用論文。（目前大多文章只是介紹了其中的神經網路，然而這個項目並不是單純的end2end的輸出，所以本文還會涉及其他CV的演算法以及deepfake的介紹）

引入膚色檢測演算法，提升換臉的視覺效果。

乾貨和口水齊飛，各位客官可安心食用

DeepFake Model

雖然原作者沒有指出，但從模型和整體方法設計來說，該模型應該是參考了論文https://arxiv.org/abs/1611.09577，其網路結構總體仍是encoder - decoder的形式，但與我們所熟知autoencoder不同的是，他由一個Encoder和兩個Decoder組成，兩個Decoder分別對應imageA和imageB的解碼。

Encoder部分用了簡單的堆疊5x5卷積核，採用aplha=0.1的LeakRelu作為激活函數。Decoder部分使用了卷積和PixelShuffer來做上採樣，結構上採用了4x4,8x8……64x64這樣逐解析度增加的重建方式（網路整體是類U-net的結構）。

（圖為u-net）

如果你想要復現和改進模型的話，需要主要一點的是，雖然我們期望輸入A臉然後輸出B臉，輸入B臉輸出A臉，但訓練卻不把AB臉作為pair輸進神經網路（輸入A臉，期望在另一端獲得B臉），仍然是像訓練普通autoencoder的一樣，我給出A臉，你要復原A臉，B臉亦然。(用不同的decoder)，這樣訓練的結果是decoderA能學會用A的信息復原A，decoderB用B的信息復原B，而他們共用的Encoder呢？則學會了提取A，B的共有特徵，比如眼睛的大小，皮膚的紋理，而解碼器根據得到的編碼，分別找對應的信息復原，這樣就能起到換臉的效果了。

而Encoder獲取到共同的特徵，比單獨學習A的特徵，信息要損失得更為嚴重，故會產生模糊的效果，另一個照片模糊得原因是autoencoder使用得是均方誤差(mse)這一點已經是不可置否的了，後文提及的使用GAN來優化，可以一定程度上緩解模糊的問題。

預處理和後處理

在文處，我就強調了這個不是end2end的東西，接下來就著找介紹deepfake里的預處理和後處理。

我們都知道在CV里用深度學習解決問題前，需要用進行數據增強，然而涉及人臉的數據增強的演算法和平時的有一點點不一樣。

在開源代碼中，作者分別使用了random_transform，random_warp 兩個函數來做數據增強。但這個兩個函數只是做一些有關比例之類的參數的封裝，真正做了轉換的是opencv的warpAffine、rmap兩個函數。下面分別解讀這兩個函數做了些什麼。

首先解讀rmap其直譯過來就是重映射，其所做的就是將原圖的某一個像素以某種規則映射到新的圖中。利用該函數，可以完成圖像的平移，反轉等功能。

在數據增強中，我們不希望改動數據會影響label的分布，在常見的有監督任務中，數據的標籤由人工打上，如類別，位置等，圖像的扭曲，反轉不會影響到label的分布，但在deepfake中，我們做的是生成任務，作為無監督任務中的一種，其反向轉播的誤差由圖像自己的提供，而要使得數據增強後(代碼中的warped_image)有對應的樣本（代碼中的target_image），作者使用了rmap構造除warped_image，而使用umeyama和warpAffine構造出target_image。

Umeyama是一種點雲匹配演算法，簡單點來理解就是將源點雲(source cloud)變換到目標點雲(target cloud)相同的坐標系下,包含了常見的矩陣變換和SVD的分解過程，（礙於篇幅本文不作詳解）。調用umeyama後獲取變換所需的矩陣，最後將原圖和所求得矩陣放進warpAffine即可獲的增強後對應的target_image。其中warpAffine的功能就是根據變換矩陣對源矩陣進行變換。

上圖是經過變型處理的warped_image ，下圖是target_image。

後處理

說完了數據增強部分後，我們來分解後處理。

在deepfake(上述鏈接中)的命令行版本中，有一個-P參數，選中後可以實時演示圖片的變化過程。在通過預覽這個演變過程中，不難發現進入神經網路的不是整張圖片，也不是使用extract出來的整個256x256的部分(頭像)，而是僅僅只有臉部的小區域(64x64)。因此在預測階段，首先就是截取人臉，然後送進網路，再根據網路的輸出覆蓋原圖部分。

至於將頭像部分傳進網路，也並非不行，臉部還是會可以進行轉換，但背景部分也會變得模糊，且很難修復，因此我們只選擇臉部替換。

在臉部替換後，會出現如下問題：

膚色差異，即使是同種人，也會有細微的差異。

光照差異，每張照片的光照環境不同

假臉邊界明顯

前兩者的造成原因一是客觀差異，二是和數據集的大小相關，作為想給普通的用戶用，數據集太大了，用戶承受不起，數據集太小，神經網路學習不多。

至於最後一點則是前兩者造成的，但這一點可以通過降低解析度緩解。這也是很多網上小視頻假臉邊界不明顯的原因，因為很少會有一張臉占屏幕80%的畫面。但如果你直接用在256x256的頭像圖上則邊界效果明顯，如下圖：

（原圖，下文所有圖片的原圖都是這個，由官方提供）

該圖使用的是官方提供的預訓練權重和數據。接下來在試試低尺寸下的視覺效果：

相對來說，邊界效果沒那明顯了。

至於另外的兩個問題，官方給出了下面的幾種後處理方法緩減：

smooth_mask

這個方法解釋其實起來很簡單，你神經網路輸出的圖像不是很模糊嗎？要模糊變清晰很難，但清晰變糊還不簡單嗎？直接用高斯模糊將邊界進行處理，從而讓過渡看起來自然。

adjust_avg_color

這個方法背後的理論同樣很簡單，假設A圖要換成B圖，那麼做法就是A圖加上自身和B圖的每一個像素的均值的差值，算是作為一種色彩的調和。

(左圖未經處理，右圖經過上述兩種方法處理)

以上兩種便是deepfake默認的處理方式。下面介紹另外一種圖像編輯常用的演算法，這種演算法作為deepfake的後備選項，由參數-S控制。

泊松融合

此外，deepfake給出了基於泊松融合演算法的來進行後處理，泊松融合的大致思想提供一個一個mask矩陣，背景區域為0，ROI區域（region of insteresing 這裡就是指臉部，下文同一簡稱ROI）的區域為255，演算法通過該矩陣得知拿一步分是融合的部分，然後通過計算梯度,用梯度場作為指示,修改ROI的像素值，使得邊界與原圖更為貼切。

（ 圖片源於網路）

Deepfake中的泊松融合可以選擇兩種模式。一種以人臉矩形框為邊界，另一種以人的特徵點(即人臉邊界和眼睛邊界)為邊界。

(左圖未經處理，右圖在整個替換區域進行泊松融合)

事實上，這裡得補充一點，人臉檢測和定位如果不想自己實現，一般有兩種實現方法(在本地實現)，一種是使用dlib庫提供的api，另一種是使用opencv。dlib，face_recongize的模型比opencv的精度要高的，但要自己下載模型(模型比較大)，且這個庫的編譯在windows上比較麻煩，但對於特徵點檢測，opencv沒有現成的特徵點檢測的介面。如果有同學不想依賴dlib，這裡提供一種方法來代替在泊松融合時的特徵點定位問題。（人臉檢測可以使用opencv即可）

膚色檢測

顯然，我們選擇人臉的特徵點的位置信息，目的時為了只替換人臉，這樣可以盡量將信息損失（模糊）局限於人臉部分，而其他部分則保留原圖的清晰度，而我們剛才說過了，deepfake並不將全圖放進神經網路，而是將人臉部分（由人臉檢測演算法確定），定位後的ROI是以人臉為主的矩形，這時唯一的膚色就只有人臉部分了，不用太過擔心其餘噪音干擾。

如果再人臉定位這一步出錯，那麼使用膚色檢測還是人臉特徵點兩種方法，都不會有太大差別。因此，使用膚色檢測在這種場景上，在效果上一定程度能代替人臉特徵點檢測這種方法。

下面解釋膚色檢測如何使用。總的來說，膚色檢測一般常見RGB，HSV和YCrCb空間的檢測，所謂的YCrCb空間，Y代表的是亮度，Cr與Cb代表的都是色度，而HSV空間H代表色調，S飽和度，V亮度，RGB則是常見的紅綠藍空間。

下面只介紹RGB空間下的膚色檢測，無需依賴其他庫，手寫即可，亦可以達到不錯的效果。

檢測規則如下：

R>G and R>B and |R - G| > 15

在（1）滿足下，(R > 95) and (G > 40) and (B > 20) and (max(R, G, B) - min(R, G, B) > 15)

在（1）滿足，(2)不滿足下，(R > 220) and (G > 210) and (B > 170)，則可認為該像素是膚色。

(左圖未經處理，右圖經過膚色模型構造mask矩陣，再進行泊松融合)

可以優化的空間

最後說說deepfake可以優化的空間。

Deepfake出現後也有很多工作對deepfake進行優化，包括使用GAN的，這些優化的針對生成圖像的質量，但目前看質量沒有太大的提升，同時幾乎沒有工作是針對模型的訓練速度和圖像的後處理。

本文最後提出的膚色檢測代替原來人臉特徵點檢測的，算是一種補充。

我也曾經嘗試過一些模型壓縮的演算法，雖然在原始數據下可以恢復精度，但遷移的能力差(因為參數少了)。而deepfake的目的是做成一款app，（已經有了，叫fakeapp，在deepfake的基礎上添加了圖形界面），那麼就不能不考慮軟體的體積，fakeapp共1.8G，以及沒有GPU的普通用戶在自己數據集上遷移的時間。

在Reddit上，作者是指出，在GPU上模型訓練要幾小時，而CPU要近3天，這已經超出很多人的忍受範圍了。

深度學習走入尋常百姓家，尤其是有自定製需求的深度學習，仍然任重道遠。

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