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AI 换脸技术——DeepFakes 概述（一）
投稿者本文由图普科技编译自 Exploring DeepFakes。
2017年12月，一个名为“DeepFakes”的用户在Reddit上发布了一个“假视频”，视频中的艺人其实是后期加上的，但是看起来几乎毫无破绽。他利用了深度学习和AI新技术，在成人电影中把演员的脸替换成某个艺人的脸，从而制作成了这个看上去以假乱真的视频。
从视频发布以后的好几个星期，网络上不断有人发表文章和报道，抨击这一“换脸”技术，称这种技术将会对社会产生很多负面的影响。比如说，这个“换脸”技术会给很多无辜清白的人（像那些无故出现在成人电影中的艺人）造成困扰；“假视频”会加剧虚假新闻的散播，进而将大大损坏视频作为证据的可信度。
确实，心怀不轨的人会利用这项技术做危害社会的事情。但是我们不能够因此完全否定这项技术的价值，我们应该好好思考，如何把它用上正道，发挥它的积极作用。
所以，在这篇文章中，我将会介绍这项AI换脸技术的功能和原理，并且阐述其有发展前途的应用领域。
首先我们要先清楚什么是DeepFakes？它能够做什么？
什么是DeepFakes？
DeepFakes实际上是一种人脸交换技术，顾名思义，也就是在图像或视频中把一张脸替换成另一张脸。事实上，人脸交换技术在电影制作领域已经不是个新鲜词了，但是之前电影视频中的人脸交换非常复杂，专业的视频剪辑师和CGI专家需要花费大量时间和精力才能完成视频中的人脸交换。
DeepFakes的出现可以说是人脸交换技术的一个突破。利用DeepFakes技术，你只需要一个GPU和一些训练数据，就能够制作出以假乱真的换脸视频。
这可以说是一个非常了不起的突破了，因为你只需要把上百张人物的样图输入至一个算法，就能完成人脸交换，制作出非常逼真的视频效果。就算你是个对视频剪辑一窍不通的外行，也能做到这样。
DeepFakes的出现还意味着我们可以在视频中进行大规模的“换脸”。我们大多数人都曾经把自己的照片上传到网络上，因此，我们大多数人的脸都能够轻易地被替换到一些视频中，成为视频的“主角”。不得不说，这是件非常可怕的事情，但这也并不那么值得恐慌，毕竟我们大家早已接受了“照骗”（照片造假）。
“面部定制”已经不是什么新鲜事了：在《星球大战》中，CGI（计算机图像生成）技术根据一名女演员的脸塑造了年轻时期的Carrie Fisher的形象。女演员脸上的点是用来进行精准的面部绘制的。
DeepFakes能够让你在没有任何技巧的情况下完成这样的“面部定制”，但DeepFakes可不是“面部定制”。
DeepFakes究竟能做些什么？
在讨论如何使用DeepFakes之前，我想先解决这样的问题：DeepFakes究竟能够做些什么？它的技术原理是什么？
为了了解其工作原理，我选了Jimmy Fallon和John Oliver主持的节目视频作为分析案例。Jimmy Fallon和John Oliver是两位非常受欢迎的晚间节目主持人，网络上有大量他们的节目视频。这些视频的亮度变化差不多，主持人在视频中的动作和姿势也很相似，这些相似性有利于降低分析的受干扰程度。但视频同时又存在大量的变化（例如主持人嘴唇的变化），这样又能够保证分析的趣味性。
很幸运，我找到了一个包含了原始DeepFakes编码和很多DeepFakes改进版编码的GitHub。这个GitHub使用起来相当简单，但是目前还处于训练数据收集和准备的阶段。
为了让我们的分析实验更简单，我写了一个能够直接在YouTube视频上运行的脚本，这样一来，数据的收集和预处理工作就变得轻松多了，视频转换也只需一步就能完成。点击此处查看我的GitHub报告，看看我是如何轻松地制作下面这个视频的（我还分享了我的模型数据）。
简单来说，这个脚本需要你给需要进行人脸交换的人各自准备一个YouTube视频集，然后运行命令来对视频进行预处理（从YouTube下载视频、提取各个视频的帧、找出视频中的人脸）和训练，并将其转换为音频和可调整大小的选项等。
从Jimmy Fallon到John Oliver的“换脸”结果
下面的视频是经过了大约30000张（Jimmy和Oliver每人各约15000张）图片的模型训练制作完成的，我从6-8个时长分别在3-5分钟的YouTube视频中过滤掉了那些不含Jimmy和Oliver的脸的帧，留下了含有他们的脸的一些帧——每个视频每秒大约20帧。以上这些操作全部都是自动完成的，我只是提供了一个YouTube视频集。
在NVIDIA GTX 1080 TI的GPU上训练的总时长大约是72小时。训练时间主要与训练的GPU有关，而下载视频并将其划分成帧的时间与I/O相关，这两步是可以同时进行的。
尽管我截取到的Jimmy和Oliver的人脸图片有几万张，但是达成完美的人脸交换大概只需300张图片。我选择“视频截人脸”的方式是因为，视频中出现的人脸很多，从视频中截取人脸图片非常方便，但如果在网上找这么多人脸图片可就麻烦得多了。
为了避免GIF动画的文件过大，下面的这张图片被设置成了低分辨率。下面的YouTube视频分辨率更高、声音更大。
视频中的Oliver正在演唱Iggy Azalea的《fancy》，视频中虽然有麦克风的干扰，但算法最后呈现的效果还算不错。
这个视频是Oliver正在主持“吉米秀”（Jimmy主持的晚间节目）。我们发现视频中Oliver的脸上多了一副眼镜，但他的头发和脸型基本没有影响，整个视频看上去非常自然和谐，几乎看不出换脸的痕迹。
到目前为止，DeepFakes还没到完美的程度，但其呈现出的效果已经相当令人满意了。关键是我事先并没有对视频做过任何改动，全是算法的功劳——算法通过观察大量的图片数据，学会制作出这样以假乱真的换脸视频。你一定也觉得非常神奇吧？那么接下来，让我们一起看看DeepFakes究竟是怎么做到的。
DeepFakes的技术原理
DeepFakes的核心是一个“自动编码器”，这个“自动编码器”实际上是一个深度神经网络，它能够接收数据输入，并将其压缩成一个小的编码，然后从这个编码中重新生成原始的输入数据。
在这个标准的自动编码器设置中，网络将尝试学习创建一个编码，从中网络能够重新生成输入的原始图片。只要有足够多的图像数据，网络就能学会创建这种编码。
DeepFakes让一个编码器把一个人脸压缩成一个代码和两个解码器，一个将其还原成人物A（Fallon），另一个还原成人物B（Oliver）。下面的图能够帮助你理解：
在这个案例中，使用的编码器是一样的，但是Fallon和Oliver的解码器是不同的。在训练的过程中，输入的人脸会被扭曲，从而模拟一个“我们希望得到这样的人脸”的概念。
下面我将介绍算法训练的三个步骤：
首先，我们给编码器输入了一张Jimmy扭曲脸的图片，并尝试用解码器A来重新还原他的脸，这就使得解码器A必须要学会在纷繁复杂的图片中识别并且还原出Jimmy的脸。
然后，把Oliver扭曲脸的图片输入至同一个编码器，并用解码器B来还原Oliver的脸。
我们不断重复上面的操作，直到两个解码器能够分别还原出两个人的脸，同时编码器也能够学会通过抓取人脸关键信息，从而分辨出Jimmy和Oliver的脸。
等到以上的训练步骤都完成以后，我们就能把一张Jimmy的照片输入至编码器，然后直接把代码传输至解码器B，将Jimmy的脸换成Oliver的脸。
这就是我们通过训练模型完成换脸的全过程。解码器获取了Jimmy的脸部信息，然后把信息交给解码器B，这时候解码器B会作出这样的反应：“这又是一条干扰信息，这不是Oliver的脸，那么我就把你换成Oliver吧。”
一条算法仅通过观察许多图片就能够再次生成、还原这些图片，这听起来挺不可思议的，但DeepFakes确确实实做到了，而且效果还相当不错。
注：本文由「图普科技」编译，您可以关注微信公众号tuputech，体验基于深度学习的「图像识别」应用。
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