SFFAI分享 | 曾仙芳：通过自监督解耦身份和姿态特征实现人脸再扮演任务【附PPT与视频资料】

英剧《真相捕捉》（The Capture）描述了一个团队用高科技实时伪造监控录像，陷害他人的悬疑故事。这引发了我们的思考：在人工智能技术突飞猛进的当下，“眼见”还可以为“实”吗？从Deepfakes框架开始，AI换脸这项技术已经开始被大众所熟识，ZAO等软件的出现更是让普通人就可以使用手机生成换脸的视频。《SFFAI64期-图像生成专场》我们邀请到来自浙江大学的曾仙芳同学，为大家分享他在人脸再扮演这项技术上的研究成果。

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作者介绍

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曾仙芳，浙江大学控制科学与工程学院博士研究生，主要研究方向为图像生成、人脸再扮演。

曾仙芳

很高兴今天有机会来分享我们最近的研究成果，这篇文章发表在AAAI2020, 题目是通过自监督解耦身份和姿态特征实现人脸再扮演任务。

我们首先简单介绍一下什么是人脸再扮演任务，然后回顾一下领域内比较相关的重点工作，紧接着解读我们的探索成果。

论文地址：https://arxiv.org/abs/2003.12957

问题简介

人脸再扮演任务中，通常我们给定一组驱动/目标图片, 以及一张/组源人脸图片, 期望将驱动图片中人脸表情、姿态迁移至源图片，使得源人脸再现驱动人脸中的动作。例如，在图1中，生成的图片既具有目标人物的姿态兼具源人脸的身份特征。

图1

总的来说，人脸再扮演需要解决两个核心问题：

通常我们会选择人脸关键点作为表征，第一个问题从人脸关键点恢复人脸图像，这是再扮演任务的基础，第二是寻找特征的自适应方法或者特征的解耦学习。这是因为在迁移类任务中，我们只想迁移某个特定的属性。

图2

再扮演任务可以用于驱动虚拟人物，比如虚拟主持人，使其产生更拟人的表情，又或者用于人像表情调整，对于拍好的照片，我们对人像的表情进行微调。

图3

重点工作介绍

首先我们回顾下Pix2Pix，它是图像翻译的开山之作，亦是人脸再扮演的基础。它可以给定一个物体边缘图，然后恢复出原来的图片。

图4

我们将它的生成器部分和一个人脸边缘提取模块组合在一起，就可以得到一个人脸再扮演的方法，先用人脸边缘提取模块，从目标人物中提取人脸边缘，然后再用生成器恢复源人脸图像。这种方法的缺点在于，脸型变化不能太大, 否则会有明显的身份差异。

图5

在 ReenactGAN 这篇论文中讨论了身份差异的问题，例如我们从图6人物C中提取人脸边缘，然后将其应用于人物B上，会出现脸型不匹配的结果。

图6

ReenactGAN框架包含三个模块，编码器，转换器和解码器，编码器模块从人脸图像提取人脸边缘图，转换器将两个人物的人脸边缘做一个自适应变换，解码器模块从人脸边缘图中回复人脸图像。

图7

增加了转换器模块之后，可以缓解身份之间的差异。它的问题在于，它是一对一的模型，使得整个框架的扩展性很差。当我们增加一个目标人脸时，我们需要增加一个转换器模块。

图8

这篇文章取得了最好的再扮演效果，它包含嵌入器，生成器和判别器模块三个模块，嵌入器从多个图像帧中学习视频特征（如身份属性），视频特征对于每帧的姿态或者表情是鲁棒的，生成器的输入是人脸边缘及视频特征，得到对应姿态的人脸图像，判别器模块判断生成图片的真实度、姿态是否匹配。

图9

这篇文章真人效果惊艳，可以生成非常真实的细节，比如耳朵、眼镜，也可以用真人图像来驱动油画，让油画运动起来。

图10

相对于ReenactGAN，它可扩展性好，对于多个目标人脸，只训练一个模型就够了，不同的目标人物，我们只需要替换嵌入器的输入。嵌入器训练比较好情况下，生成器的两个输入近似解耦：身份特征编码发型、肤色、五官；关键点编码姿态信息。因为两个特征近似解耦，所以推断过程中直接替换，效果也不错。

图11

上述方法效果很好，但是依赖关键点作为人脸表征，而人脸关键点的标注是很昂贵的，在没有人脸关键点的情况下，如何实现再扮演任务呢？思路是寻找人脸关键点的替代，设计网络自己学习姿态的表征，从图片中解耦学习身份特征和姿态特征，对解耦后的特征交叉融合，实现特征迁移。

图12

比较有启发的文章是这篇Deforming Autoencoders中的观点，这篇文章中将图片视为模板和形变的融合，模板编码了图片的纹理信息而形变编码了图片的位姿信息。

图13

个人探索成果

现在我们整个方法的流程就比较清晰了，我们的框架中包含三个模块：身份编码器、姿态编码器、以及条件生成器，身份编码器从视频中学习身份特征，位姿编码器对视频中的每一帧提取位姿特征，用于替代人脸关键点，条件生成器对提取到的身份特征和脸特征进行生成，得到特定位姿下的人脸图片，整个框架是自监督学习的，无需额外的标注信息。

图14

接下来介绍身份编码器的细节，编码器被设计为从一段视频中学习一个身份特征，对于视频中的每一帧，它预测一个形变场以及一个注意力图，借助形变场对原图进行形变，对每一帧预测身份特征，由于每帧的人脸的角度不同，预测的人脸会有部分缺失，通过注意力图，对多个人脸进行融合，得到该身份的人脸模板。

图15

位姿编码器被设计为编码每一帧的位姿信息，它的输出是一个二维形变场，用以从人脸模板中重建自身，由于人脸模板往往是正面的图像，所以预测的形变场需要正确的编码自身位姿信息，才能重建自身，网络设计有一个小技巧，就是利用残差学习，使得网络只需要预测低分辨率下的形变场。

图16

对两个编码器的结果进行了可视化，可以看到学到的身份特征，确实能保留人物的身份属性，同时位姿编码器输出的形变场确实编码了人脸的位姿。另一个实验是利用学习到的位姿特征做图像检索任务，可以看到检索出来的图像和查询图像具有相似的位姿，而身份属性不一样。结果从侧面印证了学习到的身份特征，确实编码了图像的位姿信息。

图17

实现了身份编码器和位置编码器这两个模块之后，我们就可以完成人脸再扮演。之前的工作x2face就是一个自编码器的框架。它用身份编码器去提取源人脸的人脸模板，同时用位姿编码器去提取目标人脸的位姿特征，利用位姿编码器输出的形变场，对源人脸的人脸模完成二维形变，即可实现表情迁移。

图18

自编码器的框架存在两个主要的问题：一个是生成的图片会损失很多细节，比如说生成的图像中没有耳朵，后者眼睛的瞳孔消失，第二个问题是人物和背景的交界处，会有比较大的形变，这是由于不同身份的人脸模板存在差异，直接利用光流场重建人脸会导致在边缘处存在比较明显的伪影。

图19

因此我们引入第三个模块，一个条件生成器，他将身份编码器学习到的人脸模板作为输入，同时将位姿编码器提取到的位姿特征，通过AdaIN层作为条件送入到生成器中，实现特定姿态下的人脸生成。这样可以避免自编码器类方法的成像模糊问题，也能避免采用光流场重建人脸所引起的边缘伪影问题。

图20

最终的结果展示里，x2face是基于自编码器的方法，倒数第二个是基于关键点的方法，我们的方法优于自编码器的框架，避免了人物边缘处的形变同时细节损失较少。结果近似基于关键点的方法，我们的优势在于不需要依赖关键点的标注。在定量结果中，我们在user study这个指标中取得了最好的结果（之一）。

图21

由于身份编码器和位姿编码器学习后特征是近似解耦的，对于不同身份之间实现表情迁移任务，我们只需要替换条件生成器的人脸模板即可，使得我们的模型具有非常高的可拓展性，可以在不同身份之间灵活的迁移位姿、表情等属性。更多的实现细节以及演示视频，可以搜索我们的论文进一步了解。

图22

SFFAI的介绍

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