“3D實時換臉”PyTorch實現(xiàn)改進(jìn)版，每張圖的推理時間只需0.27毫秒！

此前，中科院自動化所的一篇論文《所有姿態(tài)范圍內(nèi)的面部替換：3D解決方案》引起廣泛關(guān)注。近日，中科院的一位博士生對“3D實時換臉”論文PyTorch實現(xiàn)改進(jìn)版，使得每張圖的推理時間只需0.27毫秒，同時還增加了實時培訓(xùn)等功能。

2018年4月，針對如何解決所有姿勢范圍內(nèi)的面部替換，中科院自動化所的研究人員發(fā)表了一篇論文，提出了3D實時解決方法。

近日，Github一位作者cleardusk（主頁：https://github.com/cleardusk，目前是中科院自動化所的在讀博士生）將“3D實時換臉”PyTorch實現(xiàn)改進(jìn)版，每張圖的推理時間只需0.27毫秒！

這一改進(jìn)版本幫助Pytorch改進(jìn)了論文《所有姿態(tài)范圍內(nèi)的面部替換：3D解決方案》中提到的方法。該論文的作者之一是來自中科院自動化所的Xiangyu Zhu，根據(jù)其個人主頁上的信息，他和cleardusk博士期間的導(dǎo)師均是李子青教授，二人可以說是同門師兄弟。

面部對齊使面部模型適合圖像并提取面部像素點的語義，已成為計算機(jī)視覺領(lǐng)域中的一個重要主題。此前，大多數(shù)算法都是針對中小姿態(tài)（偏角小于45度）的面部而設(shè)計的，缺乏在高達(dá)90度的大幅度姿態(tài)中對齊面部的能力，這一論文就是針對所有姿態(tài)范圍內(nèi)的面部替換所提出來的方法。

而此次這位博士生提出的改進(jìn)版本還增加了一些額外的工作，包括實時培訓(xùn)、培訓(xùn)策略等，而不僅僅是重新實現(xiàn)“3D實時換臉”。更詳細(xì)的內(nèi)容未來將會發(fā)布在相關(guān)博客中，包括一些重要的技術(shù)細(xì)節(jié)。到目前為止，這個改進(jìn)版本發(fā)布了預(yù)訓(xùn)練第一階段的pytorch模型，其中包括MobileNet-V1結(jié)構(gòu)、訓(xùn)練數(shù)據(jù)集和代碼。在GeForce GTX TITAN X上，每張圖像的推理時間約為0.27毫秒（輸入批量為128 的情況下）。

以下是關(guān)于ALFW-2000數(shù)據(jù)集的幾個訓(xùn)練結(jié)果（根據(jù)模型phase1_wpdc_vdc.pth.tar進(jìn)行推斷）：

那么，改進(jìn)版能實現(xiàn)哪些應(yīng)用呢？

首先，它能夠?qū)崿F(xiàn)面部對齊。

其次是面部重塑，實現(xiàn)“變臉”！

如何入門：要求與用法

如果要著手嘗試改進(jìn)版，那么你需要：

PyTorch >= 0.4.1

Python >= 3.6 (Numpy, Scipy, Matplotlib)

Dlib (Dlib用于檢測面部和標(biāo)志。如果你可以提供面部邊框線和標(biāo)志，則無需使用Dlib?？蛇x擇性地，你可以使用兩步推理策略而無需初始化這些數(shù)據(jù)。)

OpenCV（Python版，用于圖像IO操作。）

# 安裝順序：

sudo pip3 安裝torch torchvision。更多選擇點擊：https://pytorch.org

sudo pip3 安裝numpy，scipy，matplotlib

sudo pip3 安裝dlib==19.5.0 # 19.15+ 版本，這可能會導(dǎo)致與pytorch沖突，大概需要幾分鐘

sudo pip3 安裝opencv-python版

此外，強(qiáng)烈建議使用Python3.6 +而不是舊版，這樣可以實現(xiàn)更好的設(shè)計。

接下來具體用法如下：

1、復(fù)制下面這個改進(jìn)版（這可能需要一些時間，因為它有點大）

https://github.com/cleardusk/3DDFA.git或者git@github.com:cleardusk/3DDFA.gitcd 3DDFA

2、使用任意圖像作為輸入，運行main.py：python3 main.py -f samples/test1.jpg

如果你可以在終端中看到這些輸出記錄，就可以成功運行它：

Dump tp samples/test1_0.ply

Dump tp samples/test1_0.mat

Save 68 3d landmarks to samples/test1_0.txt

Dump tp samples/test1_1.ply

Dump tp samples/test1_1.mat

Save 68 3d landmarks to samples/test1_1.txt

Save visualization result to samples/test1_3DDFA.jpg

因為test1.jpg有兩張人臉，因此有兩個mat（存儲密集面頂點，可以通過Matlab渲染）和ply文件（可以由Meshlab或Microsoft 3D Builder渲染）預(yù)測。

結(jié)果samples/test1_3DDFA.jpg如下所示：

附加示例：

python3 ./main.py -f samples/emma_input.jpg --box_init=two --dlib_bbox=false

當(dāng)輸入批量為128 的情況下，MobileNet-V1的推理時間約為34.7毫秒，平均每張圖像的推理時間約為0.27毫秒。

評估與訓(xùn)練資源

首先，你需要下載壓縮的測試集ALFW和ALFW-2000-3D（下載鏈接：https://pan.baidu.com/s/1DTVGCG5k0jjjhOc8GcSLOw） ，下載后解壓并將其放在根目錄中。接下來，通過提供訓(xùn)練的模型路徑來運行基準(zhǔn)代碼。我已經(jīng)在models目錄中提供了四個預(yù)先訓(xùn)練的模型。這些模型在第一階段使用不同的損失進(jìn)行訓(xùn)練。由于MobileNet-V1結(jié)構(gòu)的高效率，模型大小約為13M。

在第一階段，不同損失的有效性依次為：WPDC> VDC> PDC，使用VDC來微調(diào)WPDC的方法取得了最好的結(jié)果，預(yù)訓(xùn)練模型的性能如下所示：

訓(xùn)練腳本位于training目錄中，相關(guān)資源如下：

1、train.configs（217M），鏈接：

https://pan.baidu.com/s/1ozZVs26-xE49sF7nystrKQ#list/path=%2F，該目錄與3DMM參數(shù)和訓(xùn)練數(shù)據(jù)集的文件列表相對應(yīng)；

2、train_aug_120x120.zip（2.15G），鏈接：

https://pan.baidu.com/s/19QNGst2E1pRKL7Dtx_L1MA，增強(qiáng)訓(xùn)練數(shù)據(jù)集的裁剪圖像；

3、test.data.zip（151M），鏈接：

https://pan.baidu.com/s/1DTVGCG5k0jjjhOc8GcSLOw，AFLW和ALFW-2000-3D測試集的裁剪圖像；

4、model_refine.mat（160M），鏈接：

https://pan.baidu.com/s/1VhWYLpnxNBrlBg5_OKTojA，BFM模型

準(zhǔn)備好訓(xùn)練數(shù)據(jù)集和配置文件后，進(jìn)入training目錄并運行bash腳本進(jìn)行訓(xùn)練。訓(xùn)練參數(shù)都以bash腳本呈現(xiàn)。