你的红色高跟鞋，AI 换脸技术初体验

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红色高跟鞋

刘敏涛，中国内地知名女演员。

我还是从 2015 年上映的《伪装者》知道她的。

5 月 5 日，又凭借着在晚会合唱的《红色高跟鞋》上了微博热搜，直拍视频的播放量高达 4000 多万，逗趣的表情管理，让人忍俊不禁。

AI 换脸技术，可以直接让你也拥有这自我陶醉的表情管理能力。

比如，看下宋小宝“演唱”一首《红色高跟鞋》。

公众号上传了 Deepfake 视频，但是一直无法过审。

人脸这东西还是有些风险的，索性就不放视频了，想看视频的，可以去 B 站搜索，宋小宝红色高跟鞋，有很多其他人的作品，绝对惊艳。

今天，我继续手把手教学。

算法原理、环境搭建、模型训练、效果测试，一条龙服务，尽在下文！

搞起来！
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Faceswap

这种换脸的算法，其实有很多。

例如 Faceswap 、DeepFaceLab、Faceswap-GAN 等等。

本文以 star 量最多的 Faceswap 为例，进行说明。

Faceswap 项目地址：
https://github.com/deepfakes/faceswap
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算法原理

Faceswap 是一个名为 deepfakes 的 Github 用户开源的项目。

Deepfake 就是“Deep Machine Learning”（深度学习）和“Fake Photo”（假照片）组合而成的。

早期技术可以追溯到 2018 年，当时在构建模型的时候使用了 Encoder-Decoder 自编解码架构。

而 Faceswap 算法，在此之上又引入 GAN（生成对抗网络）技术，显著提升了换脸的效果。

总体上，「Faceswap」换脸主要分为以下三个过程：

• 人脸检测
• 特征提取
• 人脸转换

• 人脸检测

想要替换人脸，那首先得找到人脸的位置，这就需要用到人脸检测算法。

Faceswap 算法采用了 SSD 这类比较成熟的检测框架，同于提取面部图像。

与传统人脸检测略有不同的，Faceswap 算法需要裁剪的人脸边界框（bouding box, bbox）是正方形的，同时还会适当的向外扩充一些，以保证人脸都在 bbox 内。

特征提取

检测到人脸后，需要提取人脸的特征。

首先要做的就是，人脸关键点检测，也就是 landmark。

这些关键点，抽取了人脸的表情特征，同时大致描述了人脸的器官分布。

我们可以直接通过 dlib 和 OpenCV 等主流的工具包直接提取人脸的关键点。

当然，为了取得更好的定位精度，也可以使用 CNN 训练一个人脸关键点检测模型，简单好用。

人脸转换

人脸转换的思想，其实和我上篇文章 ALAE 的思想很像。

就是采用自编码器的原理，不记得它是啥的话，可以去上一篇文章看一看。

简单来讲，就是将人脸图像压缩到短向量，再由短向量恢复到人脸图像。这些短向量包含了人脸的主要信息，例如该向量的元素可能表示人脸肤色、眉毛位置、眼睛大小等等。

所以如果我们用某个编码器学习所有人，那么它就能学习到人脸的共性；如果再用某个解码器学习特定的某个人，那么就能学习到这个人的特性。

简单而言，当我们用通用编码器编码人脸 A，再使用特定解码器 B 解码短向量，那么就能生成出拥有 A 的人脸表情，但却是 B 人脸的图像。

就好比，你摆出一个表情，我根据你睁眼的大小，嘴巴咧开的大小等面部特征，模仿出你的表情。

我们表情一样，但长相不一样。

人脸转换，除了自编码器的方法，还有一种 GAN 方法。

GAN 会利用提取的人脸特征点，使用生成器直接生成对应的目标人脸图像，这跟 StyleGAN 人脸生成算法很类似，但不同的是需要生成指定表情的人脸。

在生成的图片后，会接一个判别器，判断图片的逼真程度。

上述算法都是针对单张图片而言的，对于视频而言，就是多了一个视频拆分成图片，图片拼接成视频的过程。

DeepFakes 技术发展已久，2020 年有一篇最新发表的综述论文，包含了各种 DeepFakes 算法的概述，想了解更多的读者，可以去“啃”一下论文了。

论文地址：
https://arxiv.org/pdf/2001.00179.pdf

预处理和后处理

大致思路就是这样，里面还有很多细节，我们称之为 Tricks ，这就需要通过阅读源码去学习了。

比如，在进行提取人脸特征之前，需要进行图像的预处理。

对数据进行规范化（Normalization），使训练的图像的分布信息尽可能相近：

训练的数据集是分为 A 数据集和 B 数据集的，如上图，A 数据集为川普，B 数据集为凯奇。

我们可以将 A 数据集（川普）加上两者数据集的平均差值（RGB三通道差值）来使两个输入图像图像的分布尽可以相近，这样我们的损失函数曲线下降会更快些。

用代码表示就是：

images_A += images_B.mean(axis=(0, 1, 2)) - images_A.mean(axis=(0, 1, 2))

再比如，换脸之后，需要进行图像的后处理。

为了是生成的人脸效果更加，会进行诸如边缘融合、色彩均衡等处理方法。

想要了解算法背后的实现方法，那就得耐着性子看源码了。
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环境搭建

大致的原理讲完了，开始进入实战部分，环境搭建。

Faceswap 项目地址：
https://github.com/deepfakes/faceswap

Faceswap 这类的换脸算法，计算量很大，强烈推荐使用 GPU 搭建开发环境。

我是 RXT 2060 super ，训练模型都需要 12 个小时以上，如果只用 CPU 训练，那可能需要几个星期的时间才能训练好。

Faceswap 程序，对于 Python 版本、 CUDA 版本和 tensoflow-gpu 版本都有要求。

经过我的熬夜测试，Python 版本必须是 3.6.x，如果是 3.7.x 都跑不起来。

CUDA 版本也得是 10.0 或 9.0，版本高了，比如 10.2，训练的时候会出现 gpu 用不起来的情况。

我的运行环境是：

• CUDA 10.0
• Python 3.6
• tensorflow-gpu 1.14.0

• 还是推荐使用 Anaconda 配置环境，直接创建一个 Python 3.6 的环境，然后在里面折腾：

  conda create -n tf python==3.6

只要这几个基础库版本没有问题，其他就好说了，根据项目的 requirements.txt 直接安装第三方库即可：

python -m pip install -r _requirements_base.txt

除了这些第三方库，官方还少统计了一个 pynvml，直接用 pip 安装即可。

python -m pip install pynvml

此外还需要配置一下 FFmpeg，安装好后记得配置环境变量。

下载地址：
http://ffmpeg.org/

安装好这些，环境就算准备完毕了。
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模型训练

faceswap 有一个强大的 GUI 。

输入如下指令，打开 GUI。

python faceswap.py gui

主要提供了四个功能：

• Extract：数据集制作，可以自动提取视频或图片中的人脸。
• Train：训练模型，有多种算法可供选择。
• Convert：换脸，使用训练好的模型对图片或视频换脸。
• Tools：工具，很多图像处理小工具。

• 数据集制作

想要训练换脸模型，首先要处理数据集，可以用 Extract ，比如下载一些宋小宝的高清视频，然后使用 Extract 处理。

指定好视频路径和输出图片路径，点击 Extract 即可处理图片。

Extract 除了会生成参见后的人脸数据意外，还会生成 alignments.fsa 文件，也就是人脸对齐文件。

这个提取，是提取视频中所有的人脸，所以提取完之后，需要使用人脸识别接口或者人工清晰一遍数据，将无用的数据删除。

删除图片之后，需要根据剩余的图片重新生成 alignments.fsa 文件。

这时候，就需要用到 Tools 里面的功能。

选择 Tools 标签下的 Sort 选项，Input 填写为刚刚处理完图片的文件夹，Output 填写新的文件夹，其余选项默认，点击 Sort 执行按钮，对所有图片进行重新排序。

图片名处理完了，再选择 Tools 标签下的 Alignments，job 选项 Remove-Faces：

其中 Alignments files 是 Extract 后生成的对齐文件，Faces Folder 是我们刚刚 Sort 后的输出目录。设置完毕后点击Alignments 即可。

这样我们就获得了，重新排序好，干净的宋小宝人脸数据集和人脸对齐文件。

另外一个数据集，处理方法同理。

数据集要保证一下几点：

• 图片要高清！模糊的图片训练效果欠佳。
• 图片要多样化！仅仅一个处理一个视频得到的图片是不够的，要找足够多样丰富的图片作为数据集。

数据集 A 和 数据集 B 越多越好，至少各 1000 张左右。

模型训练

训练模型不麻烦，选择数据集 A 和 数据集 B 的地址，以及两个数据集对应的人脸对齐文件。

最后再指定一个模型保存地址即可。

数据集 A 和 数据集 B 要区分一下，谁替换谁。

比如，我是要将《红色高跟鞋》的刘敏涛替换为宋小宝。

那么，数据集 A 就是刘敏涛的图片，数据集 B 就是宋小宝的图片。

点击 Train 就可以开始训练了。

训练过程中，点击 Preview，可以看到中间的训练结果。

点击 Analysis 可以看到 Loss 的收敛情况。

你需要的，它都有，就问你香不香！

训练的时候，可以选择多种算法，也有各种训练参数，了解一下每个算法的特点，每个训练参数的含义，怎么训练的更好，可以去官方论坛，看一下英文教程。

论坛地址（需***）：
https://forum.faceswap.dev/

官方文档，很全面。
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效果测试

模型训练可能需要花费一天的时间。

训练好模型后，就可以直接搞起了。

首先，需要指定需要想要替换的视频，以及对应的人脸对齐文件（可以使用 Extract 生成）。

点击 Convert 开始转换！

换脸大功告成，再看一下效果！

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最后

• 切勿滥用技术，切勿商用。
• 算法的魅力无处不在，多多学习背后的技术。

Jack Cui
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