换脸方法之FaceShifter

　　

　　2019年，国外论坛的，大表姐珍妮佛劳伦丝和史蒂夫布什密通过Deepfake技术的实时换脸视频。

　　链接：https://www.youtube.com/watch?v=iHv6Q9ychnA

　　论文：FaceShifter: Towards High Fidelity And Occlusion Aware Face Swapping

　　github：https://github.com/taotaonice/FaceShifter

　　

　　论文提出了一个基于2阶段的GAN方式的换脸方法FaceShifter。整体网络结构包含，AEI-Net ，HEAR-Net两个网络。FaceShifter通过获取输入的2个图片中，第一张图片的ID特征，第二张图片的属性特征，来通过GAN生成最终的合成图片。合成的图片具有第一个图片的ID特征，第二个图片的属性特征，从而实现了换脸，并且取得了目前state-of-the-art的效果。

　　换脸的相关方法：

　　基于3d的方法，3D-Based Approaches 包括，3DMM，Face2Face

　　2. 基于GAN的方法，GAN-Based Approaches

　　包括，CageNet，SwiftNet，DeepFakes，RSGAN，FSNet，IPGAN，FSGAN

　　FaceShifter结构：

　　

　　Adaptive Embedding Integration Network (AEINet)：

　　

　　网络输入图片为256*256，训练数据从CelebA-HQ，FFHQ，VGGFace这3个数据集中获取得到。

　　AAD部分，加权attention方式融合了ID特征和Attributes特征。多个AAD+Relu+Conv堆叠，形成了AAD ResBlk模块。多个AAD ResBlk的组合，形成了最终的AEINet。

　　AEINet包括3个部分，

　　身份ID编码模块，Identity Encoder 该模块是一个已经训练好的人脸识别模块，即Archface模块。在整个网络中，该模块只进行前向传递，不进行loss回传训练。

　　2. 属性ATTRIBUTES编码模块，Multi-level Attributes Encoder，属性包括姿势，表情，光照，背景等（pose, expression, lighting and background）。

　　该模块的网络结构是一个U-Net形状的结构。有助于编码不同层的属性特征。

　　

　　其中，n=8，一共编码了8个分支的特征。

　　该阶段的训练，不需要任何属性的标签进行监督训练，整个过程完全是无监督的方式进行训练学习。

　　那么问题来了，没有属性标签进行约束，那么这个模块是怎么按照作者设计的意愿，去学习人脸的属性特征呢？

　　这个问题讲到这里就回答，其实不合适，但是还是得提前剧透。

　　整个网络的训练过程是随机的输入2组图片进行，而这2组图片是从数据集中随机取到的。可能是同样的人，也可能不是。而采样中，作者控制了同样的人的概率是80%。不同人的概率只有20%。如果是网络的输入是2个同样的人，那么网络的输出肯定也还是同样的人。而ID编码网络部分是提前训练好的，不参与训练。也就是说ID编码模块肯定是学习的人脸的ID特征。假设人脸特征=ID特征+attributes特征，要保证最终合成的图片还是那个原来的人，那么attributes编码模块就只能学习属性特征。就是通过这样的方式，来实现无监督的让attributes编码网络自动学习属性特征。所以也需要80%这样相对大的概率，来保证该模块的收敛。这也就是本方法的一个亮点。试想，如果整个训练全部都是不同的人的组合，那肯定是学习不出这个网络模块的。这个可以自己训练的时候调节这个比例尝试。

　　3. 融合ID和ATTRIBUTES，并且生成人脸的模块，也就是GAN的生成器部分，Adaptive Attentional Denormalization (AAD) Generator

　　AAD部分的输入包括2个部分，分别是ID部分和Attributes部分。

　　Attributes部分的输入为2个属性输出的加权，

　　

　　ID部分的输入也是2个ID输出的加权，

　　

　　AAD部分进行了基于attention方式的ID和Attributes的加权融合。

　　首先AAD模块对前一层的输入进行conv降维+sigmoid归一化操作，得到1个0-1的特征图，然后使用该特征图进行ID和Attributes的融合。

　　

　　AEINet的loss包括4部分，分别为

　　GAN的判别器的loss Ladv，也就是AAD生成的图片，判别器判断是真实图片还是造的图片的loss。

　　ID模块的loss，Lid，也就是cos loss，将AAD生成的图片输入ID模块，得到输出特征，然后和之前的输入Xsource的输出特征计算cos距离，保证2个特征相似。

　　

　　属性模块的loss，Latt，也就是L2范数，将AAD生成的图片输入Attributes模块，得到输出的特征图，计算其和原始输入Xtarget的L2距离。

　　

　　识别的loss，Lrec，该loss只有在输入的2张图片Xsource==Xtarget的时候，才会有loss，也就是AAD的输出和输入Xtarget的L2 loss。其余时刻，该loss为0

　　

　　最终AEINet模块的loss为LAEI-NET

　　

　　Heuristic Error Acknowledging Refinement Network(HEAR-Net)

　　

　　HEAR-Net也是一个U-Net类型的网络结构。U-Net的取特征的分支n=5。

　　前面的AEINet生成的换脸图片虽然可以处理背景，光照，姿势，表情等问题。但是却处理不了遮挡问题。为此，论文引入了HEAR-Net。

　　同时，作者发现一个现象，当AEI-Net的连个输入图片都相同的时候，得到的生成图片也会吧遮挡部分给去掉。

　　we observe that if we feed the same image as both the source and target images into a well trained AEI-Net, these occlusions would also disappear in the reconstructed image.

　　为了恢复遮挡部分，可以使用原始的输入Xtarget和AEI-Net的生成图片作差，得到遮挡部分的特征图?Yt。

　　

　　然后使用AEI-Net的输出Y^st和遮挡部分的特征?Yt，经过HEAR-Net生成最终的换脸图片Yst。

　　

　　HEAR-Net的loss，包含3部分，

　　（1）ID部分的loss，同样还是cos loss

　　

　　（2）第一个stage AEI-Net和第二个stage HEAR-Net的生成换脸照片的连续性保证的loss。

　　

　　（3）只有输入的2个图片相同的时候Xsource==Xtarget，才会有的重建loss，保证重建的图片和输入的图片一样。

　　

　　最终，HEAR-Net的loss为，

　　

　　详细网络结构:

　　

　　实验结果：

　　

　　

　　DeepFake vs FaceShifter：

　　DeepFake

　　FaceShifter

　　模型结构

　　Encoder+Decoder生成模型

　　GAN，设计了属性提取器和身份提取器提取特征，设计了嵌入器去组合特征。

　　属性保持

　　较好

　　较好

　　图片质量

　　一般

　　较好

　　可拓展性

　　差

　　好

　　改进思路：

　　（1）判别器部分，增加随机归一化SN操作，参考，GitHub - godisboy/SN-GAN: pyTorch implementation of Spectral Normalization for Generative Adversarial Networks

　　（2）对人脸识别模块arcface的输出Yst进行人脸区域的mask操作，然后再与输入Xs进行相似度计算，参考，GitHub - zllrunning/face-parsing.PyTorch: Using modified BiSeNet for face parsing in PyTorch

　　

　　总结：

　　FaceShifter 可以对任意2个没有见过的人脸进行换脸。而DeepFakes只能对训练中已经“见过”的人脸进行合成，不具备外插能力。这也成了限制DeepFakes算法商用的重要原因。FaceShifter对保身份和保属性的能力不错，生成图片质量也还可以。FaceShifter设计了一些针对有遮挡、大角度的脸的处理方法，所以有不错的处理遮挡、大角度等极端情况的目标人脸的能力。