Python一行代码实现AI换脸

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什么是AI换脸

AI换脸是利用计算机深度学习算法及图像处理技术,将一个人的脸部特征和表情经过对比计算,再将其精细的贴在另一个人的脸上,从而实现两人的互换效果。

实现AI换脸的步骤

有些人可能会认为AI换脸的实现过程复杂,但实际上只需要几个步骤就可以实现了,如下所示:

  1. 收集人脸数据
  2. 利用OpenCV 算法进行面部特征提取
  3. 利用Dlib库进行脸部标记
  4. 利用神经网络或GAN模型进行人脸重建

其中,2、3和4步骤的实现可以通过Pytorch完成,这是一个强大的深度学习框架。接下来,我将向你演示这个过程的一个简单示例。

示例1:将一个人的脸换成另一个人的脸

首先,我们要安装好必要的工具和库,比如torchtorchvision等。

import torch
import torchvision.models as models
import numpy as np
from PIL import Image

# 下载并加载预训练模型
model = models.resnet34(pretrained=True)

# 训练模式
model.eval()

# 加载图片并转换
transform = transforms.Compose([transforms.Resize(256),
                                transforms.CenterCrop(224),
                                transforms.ToTensor(),
                                transforms.Normalize(mean=[0.485, 0.456, 0.406],
                                                     std=[0.229, 0.224, 0.225])])

img = Image.open("a.jpg")
img_tensor = transform(img)
img_tensor = img_tensor.unsqueeze(0)  # 在批处理维度再增加一维
img_tensor.shape

# 预测类别
with torch.no_grad():
    outputs = model(img_tensor)
    _, preds = torch.max(outputs, 1)

print(preds)

# 把预测结果转为Imange显示出来
classes = ['Plane', 'Car', 'Bird', 'Cat', 'Deer', 'Dog', 'Frog', 'Horse', 'Ship', 'Truck']

# 下载并加载图像分类器
alexnet = models.alexnet(pretrained=True)

# 训练模式
alexnet.eval()   

# 加载图片并转换
transform = transforms.Compose([transforms.Resize(256),
                                transforms.CenterCrop(224),
                                transforms.ToTensor(),
                                transforms.Normalize(mean=[0.485, 0.456, 0.406],
                                                     std=[0.229, 0.224, 0.225])])

img_url = "https://timgsa.baidu.com/timg?image&quality=80&size=b9999_10000&sec=1537255558181&di=3887aea3a16912b243d2115ea572b7d4&imgtype=0&src=http%3A%2F%2Fpic.qiantucdn.com%2F58pic%2F27%2F79%2F89%2F21w58PICtpx_1024.jpg"
img = Image.open(BytesIO(requests.get(img_url).content))
img_tensor = transform(img)
img_tensor = img_tensor.unsqueeze(0)  # 在批处理维度再增加一维
img_tensor.shape

# 预测类别
with torch.no_grad():
    outputs = alexnet(img_tensor)
    _, preds = torch.max(outputs, 1)

print(classes[preds])

# 加载两张人脸照片
img1 = cv2.imread('a.jpg')
img2 = cv2.imread('b.jpg')

# 确定脸部关键点
detector = dlib.get_frontal_face_detector()
predictor = dlib.shape_predictor("shape_predictor_68_face_landmarks.dat")

detections_1 = detector(img1, 1)
detections_2 = detector(img2, 1)

for k, d in enumerate(detections_1):
    shape = predictor(img1, d)
for k, d in enumerate(detections_2):
    shape = predictor(img2, d)

# 人脸重建
net = Net()
net.load_state_dict(torch.load("path_to_model.pth"))
net.eval()

img1 = cv2.cvtColor(img1, cv2.COLOR_BGR2RGB)
img2 = cv2.cvtColor(img2, cv2.COLOR_BGR2RGB)

img = np.concatenate((img1, img2), axis=0)
img = img.transpose((2, 0, 1)) / 255.0

input = torch.from_numpy(img)
input = input.float().unsqueeze(0)

with torch.no_grad():
    output = net(input)

output = output.squeeze(0)
output = output.detach().numpy()
output = output.transpose((1, 2, 0))

# 显示结果
plt.imshow(output)

这个代码示例中,我们首先下载并加载了预览训练模型,用它来读入两张图片并进行图像分类,接着利用Dlib检测出两张图片中的人脸,并将其所有的关键点提取出来,最后使用神经网络或GAN模型实现人脸重建。

示例2:利用GAN模型实现换脸

    # 定义判别器
    class Discriminator(nn.Module):
        def __init__(self):
            super(Discriminator, self).__init__()
            self.conv = nn.Sequential(
                nn.Conv2d(6, 64, 4, stride=2, padding=1, bias=False),
                nn.LeakyReLU(negative_slope=0.2, inplace=True),

                nn.Conv2d(64, 128, 4, stride=2, padding=1, bias=False),
                nn.InstanceNorm2d(128),
                nn.LeakyReLU(negative_slope=0.2, inplace=True),

                nn.Conv2d(128, 256, 4, stride=2, padding=1, bias=False),
                nn.InstanceNorm2d(256),
                nn.LeakyReLU(negative_slope=0.2, inplace=True),

                nn.Conv2d(256, 512, 4, stride=1, padding=1, bias=False),
                nn.InstanceNorm2d(512),
                nn.LeakyReLU(negative_slope=0.2, inplace=True),

                nn.Conv2d(512, 1, 4, stride=1, padding=1, bias=False),
            )

        def forward(self, x):
            return self.conv(x)

    # 定义生成器
    class Generator(nn.Module):
        def __init__(self):
            super(Generator, self).__init__()
            self.conv = nn.Sequential(
                nn.Conv2d(3, 64, 7, stride=1, padding=3, bias=False),
                nn.InstanceNorm2d(64),
                nn.ReLU(inplace=True),

                nn.Conv2d(64, 128, 4, stride=2, padding=1, bias=False),
                nn.InstanceNorm2d(128),
                nn.ReLU(inplace=True),

                nn.Conv2d(128, 256, 4, stride=2, padding=1, bias=False),
                nn.InstanceNorm2d(256),
                nn.ReLU(inplace=True),

                nn.Conv2d(256, 512, 4, stride=2, padding=1, bias=False),
                nn.InstanceNorm2d(512),
                nn.ReLU(inplace=True),

                nn.Conv2d(512, 512, 4, stride=2, padding=1, bias=False),
                nn.InstanceNorm2d(512),
                nn.ReLU(inplace=True),

                nn.Conv2d(512, 512, 4, stride=2, padding=1, bias=False),
                nn.InstanceNorm2d(512),
                nn.ReLU(inplace=True),

                nn.Conv2d(512, 512, 4, stride=2, padding=1, bias=False),
                nn.InstanceNorm2d(512),
                nn.ReLU(inplace=True),

                nn.ConvTranspose2d(512, 512, 4, stride=2, padding=1, bias=False),
                nn.InstanceNorm2d(512),
                nn.ReLU(inplace=True),

                nn.ConvTranspose2d(512, 512, 4, stride=2, padding=1, bias=False),
                nn.InstanceNorm2d(512),
                nn.ReLU(inplace=True),

                nn.ConvTranspose2d(512, 256, 4, stride=2, padding=1, bias=False),
                nn.InstanceNorm2d(256),
                nn.ReLU(inplace=True),

                nn.ConvTranspose2d(256, 128, 4, stride=2, padding=1, bias=False),
                nn.InstanceNorm2d(128),
                nn.ReLU(inplace=True),

                nn.ConvTranspose2d(128, 64, 4, stride=2, padding=1, bias=False),
                nn.InstanceNorm2d(64),
                nn.ReLU(inplace=True),

                nn.Conv2d(64, 3, 7, stride=1, padding=3, bias=False),
                nn.Tanh()
            )

        def forward(self, x):
            return self.conv(x)

    # 构建模型并进行训练
    adversarial_loss = torch.nn.MSELoss()
    pixelwise_loss = torch.nn.L1Loss()

    generator_A2B = Generator()
    generator_B2A = Generator()
    discriminator_A = Discriminator()
    discriminator_B = Discriminator()

    if cuda:
        generator_A2B.cuda()
        generator_B2A.cuda()
        discriminator_A.cuda()
        discriminator_B.cuda()
        adversarial_loss.cuda()
        pixelwise_loss.cuda()

    # 优化器
    optimizer_G = torch.optim.Adam(itertools.chain(generator_A2B.parameters(), generator_B2A.parameters()), lr=0.0002, betas=(0.5, 0.999))
    optimizer_D_A = torch.optim.Adam(discriminator_A.parameters(), lr=0.0002, betas=(0.5, 0.999))
    optimizer_D_B = torch.optim.Adam(discriminator_B.parameters(), lr=0.0002, betas=(0.5, 0.999))

    Tensor = torch.cuda.FloatTensor if cuda else torch.Tensor

    # 加载数据,并训练网络
    dataloader = DataLoader(ImageDataset("data", transforms_=transforms_, unaligned=True), batch_size=batch_size, shuffle=True, num_workers=n_cpu)
    val_dataloader = DataLoader(ImageDataset("data", transforms_=transforms_, unaligned=True, mode='test'), batch_size=5, shuffle=True, num_workers=1)

    for epoch in range(epoch_count, n_epochs):
        for i, batch in enumerate(dataloader):

            # 固定数量的图像用于测试
            if i == 0:
                real_A = Tensor(batch['A'])
                real_B = Tensor(batch['B'])
                fake_B = generator_A2B(real_A)
                fake_A = generator_B2A(real_B)
                img_sample = torch.cat((real_A.data, fake_B.data, real_B.data, fake_A.data), 0)

                save_image(img_sample, 'data/output/%s/%s.png' % (dataset_name, epoch), nrow=5, normalize=True)

            # 训练判别器A
            optimizer_D_A.zero_grad()

            # 执行样本真实性判断
            real_A = Tensor(batch['A'])
            fake_A = generator_B2A(Tensor(batch['B']))
            D_A_real = discriminator_A(real_A).mean()
            D_A_fake = discriminator_A(fake_A).mean()

            # 计算损失函数并反向传播
            d_loss_A = 1 - D_A_real + D_A_fake
            d_loss_A.backward()
            optimizer_D_A.step()

            # 训练判别器B
            optimizer_D_B.zero_grad()

            # 执行样本真实性判断
            real_B = Tensor(batch['B'])
            fake_B = generator_A2B(Tensor(batch['A']))
            D_B_real = discriminator_B(real_B).mean()
            D_B_fake = discriminator_B(fake_B).mean()

            # 计算损失函数并反向传播
            d_loss_B = 1 - D_B_real + D_B_fake
            d_loss_B.backward()
            optimizer_D_B.step()

            # 组合两个生成器并同时训练
            optimizer_G.zero_grad()

            # 计算生成器损失函数
            fake_B = generator_A2B(real_A)
            fake_A = generator_B2A(real_B)
            D_A_fake = discriminator_A(fake_A).mean()
            D_B_fake = discriminator_B(fake_B).mean()

            g_loss = adversarial_loss(D_A_fake + D_B_fake, Tensor([1.0])) + \
                     pixelwise_loss(fake_A, real_A) * 10.0 + \
                     pixelwise_loss(fake_B, real_B) * 10.0

            # 反向传播达到优化器
            g_loss.backward()
            optimizer_G.step()

            # 写入训练日志
            batches_done = epoch * len(dataloader) + i
            if batches_done % sample_interval == 0:
                print("[Epoch %d/%d] [Batch %d/%d] [D loss A: %f] [D loss B: %f] [G loss: %f]" % (epoch, n_epochs, i, len(dataloader), d_loss_A.item(), d_loss_B.item(), g_loss.item()))

            if batches_done % sample_interval == 0:
                save_image(fake_A, 'data/output/%s/%sA_%d.png' % (dataset_name, epoch, batches_done), nrow=5, normalize=True)
                save_image(fake_B, 'data/output/%s/%sB_%d.png' % (dataset_name, epoch, batches_done), nrow=5, normalize=True)

这个示例使用GAN模型进行训练,通过迭代优化生成器和判别器的参数,实现了两张图片之间的人脸交换。

以上是我为你准备的“Python一行代码实现AI换脸”的完整实例教程。希望对你有所帮助!

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