參考資料：matthewearl.github.io/2015/07/28/…
翻譯：小馬哥
編輯：船長
還記得嗎？去年冬天，在國外 AI 圈有個事情鬧得很火：知名論壇 Reddit 上忽然出現一個叫 deepfakes 的大神，藉助神經網路實現了人臉替換，讓一些好萊塢女星“出演”了 AV。
後來根據這個專案又衍生了一個叫 FakeAPP 的桌面應用，可以讓尼古拉斯·凱奇這樣的明星隨心所欲的“出演”任何電影，當然換成任何人的臉部都可以。我們曾詳細分享過這些專案：
怎麼樣，是不是被這種換臉的效果驚到了？其實即便是不借助神經網路，我們用 Python 和一些 Python 庫也能實現換臉，只不過替換的是靜態影像中的人臉，但憑此也足以顯示出 Python 的“神祕力量”。
我們下面就傳授一下這門 Python “換臉”大法。
在本文，我們會介紹如何通過一段簡短的 Python 指令碼（200行左右）將一張圖片中面部特徵自動替換為另外一張圖片中的面部特徵。也就是實現下面這樣的效果：
具體過程分為四個步驟：
- 檢測面部標誌；
- 旋轉、縮放和平移圖 2 以適應圖 1；
- 調整圖 2 的白平衡以匹配圖 1；
- 將圖 2 的特徵融合到圖 1 中；
本指令碼的完整程式碼地址見文末。
使用dlib提取面部標誌
本指令碼使用 dlib 的 Python bindings 來提取面部標誌：
dlib 實現了 Vahid Kazemi 和 Josephine Sullivan 所著論文《One Millisecond Face Alignment with an Ensemble of Regression Tree》一文中描述的演算法。演算法本身非常複雜，但是通過 dlib 的介面實現它非常簡單：
PREDICTOR_PATH = "/home/matt/dlib-18.16/shape_predictor_68_face_landmarks.dat"
detector = dlib.get_frontal_face_detector()
predictor = dlib.shape_predictor(PREDICTOR_PATH)
def get_landmarks(im):
rects = detector(im, 1)
if len(rects) > 1:
raise TooManyFaces
if len(rects) == 0:
raise NoFaces
return numpy.matrix([[p.x, p.y] for p in predictor(im, rects[0]).parts()])
複製程式碼get_landmarks() 函式 以 numpy 陣列的形式接收影像，並返回一個 68x2 的元素矩陣。矩陣的每一行與輸入影像中特定特徵點的 x，y 座標相對應。
特徵提取器（predictor）需要一個大概的邊界框作為演算法的輸入。這將由傳統的面部檢測器（detector）提供。該面部檢測器會返回一個矩形列表，其中每一個矩形與影像中的一張人臉相對應。
生成 predictor 需要預先訓練好的模型。該模型可在 dlib sourceforge repository 下載。
用普氏分析法（Procrustes Analysis）實現人臉對齊
現在我們已經有兩個面部標誌矩陣，其中的每一行都含有某個面部特徵的座標（如第 30 行給出了鼻尖的座標）。我們現在只要弄明白如何旋轉、平移和縮放第一個向量的所有點，使其儘可能匹配第二個向量中的點。同理，同樣的變換可用於將第二張圖疊加在第一張圖上。
為使其更加數學化，我們設 T，s 和 R，並求如下等式最小值：
其中，R 是一個 2x2 的正交矩陣，s 是一個標量，T 是一個二維向量，pi 和 qi 是之前計算出的面部標誌矩陣行標和列標。
事實證明，這類問題用常規普氏分析法（Ordinary Procrustes Analysis）可以解決：
def transformation_from_points(points1, points2):
points1 = points1.astype(numpy.float64)
points2 = points2.astype(numpy.float64)
c1 = numpy.mean(points1, axis=0)
c2 = numpy.mean(points2, axis=0)
points1 -= c1
points2 -= c2
s1 = numpy.std(points1)
s2 = numpy.std(points2)
points1 /= s1
points2 /= s2
U, S, Vt = numpy.linalg.svd(points1.T * points2)
R = (U * Vt).T
return numpy.vstack([numpy.hstack(((s2 / s1) * R,
c2.T - (s2 / s1) * R * c1.T)),
numpy.matrix([0., 0., 1.])])
複製程式碼我們逐步分析一下程式碼：
1.將輸入矩陣轉換為浮點型。這也是後續步驟的必要條件。
2.將每一個點集減去它的矩心。一旦為這兩個新的點集找到了一個最佳的縮放和旋轉方法，這兩個矩心c1和c2就可以用來找到完整的解決方案。
3.同樣，將每一個點集除以它的標準偏差。這消除了縮放偏差。
4.使用奇異值分解（singular value decomposition）計算旋轉部分。請參閱維基百科有關Orthogonal Procrustes Problem的文章，以瞭解它的具體工作原理。
5.將整個變換過程以仿射變換矩陣形式返回。
之後，返回結果可以插入 OpenCV 的 cv2.warpAffine 函式，將第二個圖片對映到第一個圖片上：
def warp_im(im, M, dshape):
output_im = numpy.zeros(dshape, dtype=im.dtype)
cv2.warpAffine(im,
M[:2],
(dshape[1], dshape[0]),
dst=output_im,
borderMode=cv2.BORDER_TRANSPARENT,
flags=cv2.WARP_INVERSE_MAP)
return output_im
複製程式碼校正第二張圖片的顏色
如果此時我們試圖直接疊加面部特徵，很快會發現一個問題：
兩幅影像之間不同的膚色和光線造成了覆蓋區域邊緣的不連續。所以我們嘗試修正它：
COLOUR_CORRECT_BLUR_FRAC = 0.6
LEFT_EYE_POINTS = list(range(42, 48))
RIGHT_EYE_POINTS = list(range(36, 42))
def correct_colours(im1, im2, landmarks1):
blur_amount = COLOUR_CORRECT_BLUR_FRAC * numpy.linalg.norm(
numpy.mean(landmarks1[LEFT_EYE_POINTS], axis=0) -
numpy.mean(landmarks1[RIGHT_EYE_POINTS], axis=0))
blur_amount = int(blur_amount)
if blur_amount % 2 == 0:
blur_amount += 1
im1_blur = cv2.GaussianBlur(im1, (blur_amount, blur_amount), 0)
im2_blur = cv2.GaussianBlur(im2, (blur_amount, blur_amount), 0)
# Avoid divide-by-zero errors.
im2_blur += 128 * (im2_blur <= 1.0)
return (im2.astype(numpy.float64) * im1_blur.astype(numpy.float64) /
im2_blur.astype(numpy.float64))
複製程式碼現在效果怎麼樣？我們瞅瞅：
此函式試圖改變圖 2 的顏色來匹配圖 1，也就是用 im2 除以 im2 的高斯模糊，然後乘以 im1 的高斯模糊。在這裡我們使用了顏色平衡（ RGB scaling colour-correction），但不是直接使用全圖的常數比例因子，而是採用每個畫素的區域性比例因子。
通過這種方法也只能在某種程度上修正兩圖間的光線差異。比如說，如果圖 1 的光線來自某一邊，但圖 2 的光線非常均勻，校色後圖 2 也會出現有一邊暗一些的情況。
也就是說，這是一個相當粗糙的解決方案，而且關鍵在於大小適當的高斯核心。如果太小，圖 2 中會出現圖 1 的面部特徵。如果太大，核心會跑到被畫素覆蓋的面部區域之外，並變色。這裡的核心大小為瞳距的 0.6 倍。
將圖 2 的特徵融合到圖 1 中
用一個蒙版（mask）來選擇圖 2 和圖 1 應被最終顯示的部分：
值為 1 (白色)的地方為圖 2 應顯示的區域，值為 0 (黑色)的地方為圖 1 應顯示的區域。值在 0 和 1 之間的地方為圖 1 圖 2 的混合區域。
這是生成上述內容的程式碼：
LEFT_EYE_POINTS = list(range(42, 48))
RIGHT_EYE_POINTS = list(range(36, 42))
LEFT_BROW_POINTS = list(range(22, 27))
RIGHT_BROW_POINTS = list(range(17, 22))
NOSE_POINTS = list(range(27, 35))
MOUTH_POINTS = list(range(48, 61))
OVERLAY_POINTS = [
LEFT_EYE_POINTS + RIGHT_EYE_POINTS + LEFT_BROW_POINTS + RIGHT_BROW_POINTS,
NOSE_POINTS + MOUTH_POINTS,
]
FEATHER_AMOUNT = 11
def draw_convex_hull(im, points, color):
points = cv2.convexHull(points)
cv2.fillConvexPoly(im, points, color=color)
def get_face_mask(im, landmarks):
im = numpy.zeros(im.shape[:2], dtype=numpy.float64)
for group in OVERLAY_POINTS:
draw_convex_hull(im,
landmarks[group],
color=1)
im = numpy.array([im, im, im]).transpose((1, 2, 0))
im = (cv2.GaussianBlur(im, (FEATHER_AMOUNT, FEATHER_AMOUNT), 0) > 0) * 1.0
im = cv2.GaussianBlur(im, (FEATHER_AMOUNT, FEATHER_AMOUNT), 0)
return im
mask = get_face_mask(im2, landmarks2)
warped_mask = warp_im(mask, M, im1.shape)
combined_mask = numpy.max([get_face_mask(im1, landmarks1), warped_mask],
axis=0)
複製程式碼我們來分析一下：
- 常規的 get_face_mask() 函式定義是：為一張影像和一個標誌矩陣生成一個蒙版。蒙版會畫出兩個白色的凸多邊形：一個是眼睛周圍的區域，一個是鼻子和嘴部周圍的區域。之後，蒙版的邊緣區域向外羽化 11 個畫素，這可以幫助消除剩下的不連續部分。
- 為圖 1 圖 2 生成面部蒙版。使用與步驟 2 中的轉換，可以使圖 2 的蒙版轉換至圖 1 的座標空間。
- 之後，對所有元素取最大值操作，將這兩個蒙版合二為一。這樣做是為了保證圖 1 的特徵也能被覆蓋的同時圖 2 特徵能顯示出來。
最後，將蒙版應用於最終影像：
output_im = im1 * (1.0 - combined_mask) + warped_corrected_im2 * combined_mask
複製程式碼哈，換臉成功！
附：本專案程式碼地址：Github