为什么抖音特效露脸会放大(抖音上脸突然放大的特效是什么)

时间:2022-11-14来源:鼎品软件作者:佚名
人脸图像是计算机视觉领域中研究历史最久,也是应用最广泛的图像。近几年随着研究方法的进步以及相关数据集的收集,人脸风格化成为了一个非常热门的研究领域和应用方向,本文我们来介绍其中的核心技术和相关资源。

作者&编辑 | 言有三

1. 什么是人脸风格化

所谓人脸风格化,就是将人脸头像转换为特定的风格头像,最常见的包括素描肖像风格,卡通形象(动画)风格,油画风格,分别如下图所示:

为什么抖音特效露脸会放大(抖音上脸突然放大的特效是什么)

素描肖像风格的重点在于保持人脸的轮廓和重要五官信息,去掉无关的颜色,纹理等内容,它模仿的是就是素描,相对比较严肃。

卡通形象(动画)风格的重点在于简洁,统一的颜色和纹理风格,对五官进行适当的美化(比如眼睛,鼻子的调整)。

油画风格的重点则在于渲染有艺术感染力的颜色和纹理,对整个内容的改变有时候比较大。

三者的相同之处在于,需要保持人脸的身份信息,即可辨识为本人。

不同之处在于,肖像风格很少会对人脸五官作出大的调整,即不会将小眼睛变为大眼睛,大鼻子变为小鼻子,因为那样就不写实了。而卡通风格的其中一个重点就是要对五官进行调整,因为卡通形象的颜色和纹理比较单一,如果不进行美化,大众脸的五官缺陷很容易被放大。油画风格的差异则比较大,主要在于颜色和纹理风格的调整程度。

下面我们来分析这三类风格的核心技术点。

2. 素描肖像风格

从上图肖像风格我们其实可以看出,肖像风格的重点在于线条轮廓的完整性,均匀性,而人脸的形状和五官位置其实不需要作出调整,那么一种最成熟的技术就是边缘检测。

以OpenCV库中具有代表性的两种边缘检测算法为例:

为什么抖音特效露脸会放大(抖音上脸突然放大的特效是什么)

Sobel是一种基于简单的基于梯度信息的方法,Random forests则是基于局部块分类的方法,他们各自有特点。比如Sobel的结果对比度更高,而Random forests的结果更加干净简单。

基于边缘检测作出素描肖像风格,重点就在于参数的调试和后处理,在边缘的召回率和准确率之间取得平衡,代表性的方法可以参考文[2]。这一类方法比较容易受到噪声的影响,如果去细看前面的那张处理图,就能看出一些细节问题。

虽然素描肖像风格本身也可以用最新的一些方法进行生成,比如接下来会介绍的基于图像风格化和图像翻译的方法,但是相对于传统的方法其效果改进并不是非常明显,因此我们就不再做展开解读。

[1] Dollar P, Zitnick C L. Structured Forests for Fast Edge Detection[C]. international conference on computer vision, 2013: 1841-1848.

[2] Winnemoller H, Kyprianidis J E, Olsen S C, et al. Special Section on CANS: XDoG: An eXtended difference-of-Gaussians compendium including advanced image stylization[J]. Computers & Graphics, 2012, 36(6): 740-753.

3. 油画风格

说起风格化技术,研究历史其实比较久远,早期的风格迁移方法以Image Analogie[3]为代表,是基于图像块的纹理仿真运算,由于不是基于学习的方法,效果和影响力很有限。真正让大众认识这一门技术的,还是2015年左右的基于卷积神经网络的风格迁移论文[4]的提出,展示了如何将图像进行油画风格化的应用,这是早期基于图像的风格迁移算法。

为什么抖音特效露脸会放大(抖音上脸突然放大的特效是什么)

所谓风格迁移,即将某一幅图像的风格(上图中的小图。也称为风格图)迁移到另一幅图像(上图a,也被称为内容图),得到目标结果图(上图b),目标结果图同时拥有了风格图的风格和内容图的内容

内容是图像的语义信息,指的是图里包含的目标及其位置,它属于图像中较为底层的信息,可以使用灰度值,目标轮廓等进行描述。风格则指代笔触,颜色等信息,是更加抽象和高层的信息。

图像风格可以用数学来描述,其中常用的是格拉姆矩阵(Gram Matrix),它的定义为n维欧氏空间中任意k个向量的内积所组成的矩阵。

为什么抖音特效露脸会放大(抖音上脸突然放大的特效是什么)

基于图像特征的Gram矩阵计算方法如下。

为什么抖音特效露脸会放大(抖音上脸突然放大的特效是什么)

其中Fik_l是向量化后的第l个网络层的特征图i和特征图j的内积,k即向量的长度。

格拉姆矩阵可以看做特征之间的偏心协方差矩阵,即没有减去均值的协方差矩阵,内积之后得到的矩阵的对角线元素包含了不同的特征,而其他元素则包含了不同特征之间的相关信息。因此格拉姆矩阵可以反应整个图像的风格,如果我们要度量两个图像风格的差异,只需比较他们格拉姆矩阵的差异即可。

假设我们有两张图,一张是欲模仿的风格图a,一张是内容图p,想要在不更改内容图p的语义内容的基础上生成带有风格图a的风格的结果图x,就需要同时最小化风格损失和内容损失,即重建风格损失和内容损失。

为什么抖音特效露脸会放大(抖音上脸突然放大的特效是什么)为什么抖音特效露脸会放大(抖音上脸突然放大的特效是什么)

上图包含了两个重建通道。

(1) 内容重建通道。选择某一个抽象级别较高的特征层计算内容损失,它的主要目标是保留图像主体的内容和位置,损失计算如下,使用了特征的欧式距离,和分别是第l层生成图和内容图的特征值。

为什么抖音特效露脸会放大(抖音上脸突然放大的特效是什么)

(2) 风格重建通道。与内容重建不同,CNN从底层到高层的每一层都会对损失有贡献,因为风格采用格拉姆矩阵进行表述,所以损失也是基于该矩阵计算,每一层加权相加,第l层的损失定义如下。

为什么抖音特效露脸会放大(抖音上脸突然放大的特效是什么)

整个的风格损失函数计算则如下:

为什么抖音特效露脸会放大(抖音上脸突然放大的特效是什么)

上述的风格迁移算法中内容重建不使用多尺度,是因为内容图本身只需要维持可识别的内容信息,多尺度不仅会增加计算量,还引入噪声,抽象层次较低的低尺度关注了像素的局部信息,可能导致最终渲染的结果不够平滑。风格重建使用多尺度不仅有利于模型的收敛,而且兼顾了局部的纹理结构细节和整体的色彩风格。

上述方法是基于图的风格化方法,非常耗时,当前的主流方法是基于模型的方法,可以实现单一模型进行单种,多种,甚至任意风格的转换,感兴趣的同学可以阅读综述文章[5]进行学习。当然在基于模型的方法中,仍然会借鉴格拉姆矩阵进行风格的表示。

为什么抖音特效露脸会放大(抖音上脸突然放大的特效是什么)

[3] Hertzmann A, Jacobs C E, Oliver N, et al. Image analogies[C]. international conference on computer graphics and interactive techniques, 2001: 327-340.

[4] Gatys L A, Ecker A S, Bethge M, et al. A Neural Algorithm of Artistic Style[J]. arXiv: Computer Vision and Pattern Recognition, 2015.

[5] Jing Y, Yang Y, Feng Z, et al. Neural Style Transfer: A Review[J]. arXiv: Computer Vision and Pattern Recognition, 2017.

4. 动画风格

动画风格,这里特指的就是有某种动画作品风格的效果了,以日本的二维动画为代表,最近抖音新增的特效就属于这种,实际效果如下:

为什么抖音特效露脸会放大(抖音上脸突然放大的特效是什么)

上图我分别测试了正面,大角度,以及本身就是动画的图像,效果都还不错。它采取的是对人脸进行风格化处理,对其他区域进行类似的颜色和纹理迁移的方案。

可以看出的是,尽管输入图的颜色纹理有很大差异,但是输出图则非常一一致,这说明其本质是从输入到特定风格的映射,哪怕输入图本身就是动画,也会被映射到特定的风格。

要实现这一类风格的生成,需要对输入图进行风格编码,最适合的技术便是GAN,其中人脸编码方法中StyleGAN[6]是最成功的方法。不过对于人脸动画风格来说,改变的是整体风格,而不是局部细节,所以原理上更为简单一些。

使用GAN进行风格迁移是一个非常大的研究领域,方法很多,我们这里只能对其中最核心的技术进行介绍,以Pix2Pix和CycleGAN为代表,前者需要成对数据进行训练,而后者则不需要,所以CycleGAN[7]才是更加现实的选择。

CycleGAN通过对源域图像进行两步变换:首先尝试将其映射到目标域,然后返回源域得到二次生成图像。从而消除了在目标域中图像配对的要求,这是一个循环的结构,因此称之为CycleGAN,框架示意图如下:

为什么抖音特效露脸会放大(抖音上脸突然放大的特效是什么)

从上图我们可以看出CycleGAN其实就是两个方向相反的单向GAN,它们共享两个生成器,然后各自有一个判别器,加起来总共有两个判别器和两个生成器。一个单向GAN有两个loss,CycleGAN加起来总共有四个loss。

X和Y分别表示两个域的图像,可知这里存在两个生成器G和F,分别用于从X到Y的生成和Y到X到生成,包含两个判别器,分别是Dx和Dy。完整的loss如下:

为什么抖音特效露脸会放大(抖音上脸突然放大的特效是什么)

前两项就是普通的loss,Lcyc则是CycleGAN框架的重点。

为什么抖音特效露脸会放大(抖音上脸突然放大的特效是什么)

背后的意义就是样本从一个空间转换到另一个空间后,反之还可以转换回来。

直接使用CycleGAN是不可能得到一个工业界的模型,因为CycleGAN确缺少对人脸语义信息的理解,会得到下面这样的效果。

为什么抖音特效露脸会放大(抖音上脸突然放大的特效是什么)

所以需要对其进行改进,让它能够理解语义信息,只处理该处理的区域,保证人脸五官分布的合理,其中有两个方法是比较典型的,都是基于CycleGAN的改进,对人脸进行风格化的主流算法基本无出其右。

一个是使用关键点进行约束的方法[8],通过增加关键点预测任务,来约束输出图像的五官分布。

为什么抖音特效露脸会放大(抖音上脸突然放大的特效是什么)

另一个是基于注意力机制的方法[8],使用注意力机制对人脸的有效区域进行学习。

为什么抖音特效露脸会放大(抖音上脸突然放大的特效是什么)

下面是使用文[9]方法处理的结果,可知效果要好很多了,这是一个非常有希望的方法,对数据集进行优化后,有望取得很好的效果。

关于详细的工程解读,我们之前有过文章,大家可以参考。

为什么抖音特效露脸会放大(抖音上脸突然放大的特效是什么)

动画风格化相比于素描和油画,对细节比较敏感,因为使用了特征编码,难点在于人脸的五官分布不能丢失或者错乱,其中人脸图像中的经典难题会对结果造成很大影响,比如光照,姿态等

下图展示了处理失败的案例。

为什么抖音特效露脸会放大(抖音上脸突然放大的特效是什么)

[6] Karras T, Laine S, Aila T. A style-based generator architecture for generative adversarial networks[C]//Proceedings of the IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition. 2019: 4401-4410.

[7] Zhu J Y, Park T, Isola P, et al. Unpaired image-to-image translation using cycle-consistent adversarial networks[C]//Proceedings of the IEEE international conference on computer vision. 2017: 2223-2232.

[8] Wu R, Gu X, Tao X, et al. Landmark Assisted CycleGAN for Cartoon Face Generation.[J].arXiv: Computer Vision and Pattern Recognition, 2019.

[9] Kim J , Kim M , Kang H , et al. U-GAT-IT: Unsupervised Generative Attentional Networkswith Adaptive Layer-Instance Normalization for Image-to-Image Translation[J]. 2019.

5. 人脸风格化数据集

人脸的风格化在娱乐社交领域里有非常广泛的应用,下面我们给大家介绍一些用得上的数据集。

(1) CUFSF

数据集地址:http://mmlab.ie.cuhk.edu.hk/archive/cufsf/。

发布于2009年,这是一个人像素描数据集,原图来自于FERET,有1195张成对的灰色正面肖像图和对应的素描图。

(2) IIIT-CFW1.0

数据集地址:http://cvlab.cse.msu.edu/siw-spoof-in-the-wild-database.html。

为什么抖音特效露脸会放大(抖音上脸突然放大的特效是什么)

发布于2016年,包含100个名人的8928张卡通图片,同时也附带了1000张真实图。

(3) CartoonSet10/100k

数据集地址:https://google.github.io/cartoonset/download.html。

为什么抖音特效露脸会放大(抖音上脸突然放大的特效是什么)

发布于2017年,有两个子集,CartoonSet10k和CartoonSet100k,分别包含10000和100000张卡通人脸图。每一张卡通人脸图都有16个组件,其中12个面部属性和4个颜色属性。

其中颜色属性来自于一个离散的RGB集合,每一个属性的种类可以低至3种,高达11种。比如chin的长度就包括short、medium、long一共三种,而发型就有111种。所有属性及其集合大小统计如下:

艺术风格总共包括:3种下巴长度(chin_length)、3种眼睛角度(eye_angle)、2种睫毛可见与否属性(eye_lashes)、2种眼睑样式(eye_lid)、14种眉毛形状(eyebrow_shape)、2种眉毛宽度(eyebrow_weight)、7种脸型(face_shape)、15种面部发型(facial_hair,包括光头)、12种眼镜(glasses。包括无眼镜)、111种头部发型(head hair)

颜色风格包括:5种眼虹膜颜色(eye_color)、11种面部皮肤颜色(face_color)、7种眼镜颜色(glasses_color)、10种头发颜色(hair_color)。

比例风格包括:3种眼睛眉毛距离(eye_eyebrow_distance)、3种眼缝大小(eye_slant)、4种眉毛厚度(eyebrow_thickness)、3种眉毛宽度(eyebrow_width)。

所有的元素及其变种都是由同一个艺术家Shiraz Fuman绘制而成,最终得到约250个卡通艺术元素,可以组合成约108种样式。所有的艺术元素都是采用顺序分层的方式方便进行渲染,比如脸型需要依赖于眼睛和眼睛,而发型比较复杂有两个元素,一个在人脸上一层,一个在人脸下一层,总共有8层,头发背景、人脸、头发前景、眼睛、眼睫毛、嘴巴、面部头发、眼镜。

从属性到艺术的映射也是有艺术家确定的,这样任意一个属性的选择都能获得视觉好看的效果,而不至于对不齐,有时候需要一些交互,比如不同脸型的“短胡子”属性的创作。

(4) self2anime

数据集地址:https://github.com/taki0112/UGATIT。

为什么抖音特效露脸会放大(抖音上脸突然放大的特效是什么)

发布于2019年,这是一个漫画人脸数据集,首先使用漫画人脸检测算法对Anime-Planet1上的图片进行了检测,最后留下了女性的人脸图共3500张,其中3400张作为训练,100张作为测试。

(5) Danbooru2019

数据集地址:https://www.gwern.net/Danbooru2019#danbooru2018 。

为什么抖音特效露脸会放大(抖音上脸突然放大的特效是什么)

Danbooru2019是一个动漫人物数据集,拥有超过300百万的图片。有研究者从中选择了一些图片组建了动漫头像数据集,共140000张,图像大小为512*512,如下,地址为http://www.seeprettyface.com/mydataset_page3.html#anime。

为什么抖音特效露脸会放大(抖音上脸突然放大的特效是什么)

其他还有一些比较小和老的数据集,这里就不做过多的介绍,感兴趣的读者可以自行去了解更多。

6. 如何学习以上算法

在上面我们介绍了用于人脸风格化的核心技术,涉及人脸图像的各种算法,风格迁移算法,生成对抗网络,如果想要长期进行学习,可以参考有三AI秋季划的人脸算组,图像质量组,GAN组,可分别学习相关内容。

详情可以阅读下文介绍:

「通知」如何让你的2020年秋招CV项目经历更加硬核?有三秋季划

为什么抖音特效露脸会放大(抖音上脸突然放大的特效是什么)

如果你对以上人脸数据集感兴趣,在有三AI知识星球的数据集板块中,我们提供了以上数据集的详细解读以及下载方式,有需要的同学可以加入。

为什么抖音特效露脸会放大(抖音上脸突然放大的特效是什么)

而人脸风格化相关的算法,也有诸多介绍。

为什么抖音特效露脸会放大(抖音上脸突然放大的特效是什么)总结

本次我们给大家介绍了人脸风格化相关核心技术和数据集,人脸图像属于最早被研究的一类图像,也是计算机视觉领域中应用最广泛的一类图像,其中需要使用到几乎所有计算机视觉领域的算法,可以说掌握好人脸领域的各种算法,基本就玩转了计算机视觉领域。

为什么抖音特效露脸会放大(抖音上脸突然放大的特效是什么)

如何学习人脸图像算法

如果你想系统性地学习各类人脸算法并完成相关实战,并需要一个可以长期交流学习,永久有效的平台,可以考虑参加有三AI秋季划-人脸图像算法组,完整的介绍上面有链接,总体的学习路线如下:

为什么抖音特效露脸会放大(抖音上脸突然放大的特效是什么)

以上便是小编为大家带来的为什么抖音特效露脸会放大,希望对大家有所帮助,更多内容请继续关注鼎品软件。

精品推荐

相关阅读

更多+

游戏排行

热门搜索

侠盗飞车手机版ios版 八门神器4.3直装破解版 雷霆战机3:雷霆战机 骰子元素师安卓版 最囧游戏 疯狂合体鸭免费版 陆军射击模拟器手机游戏 道具城掌上道聚城 魔塔1000层安卓破解 死神火影