基于生成對抗網(wǎng)絡(luò)與FACS的面部表情合成研究

隨海亮 馬軍山 李麗瑩

摘要：為實(shí)現(xiàn)從單張圖片合成連續(xù)變化的目標(biāo)表情，提出一種基于生成對抗網(wǎng)絡(luò)（GAN）和面部表情編碼系統(tǒng)FACS（Facial Action Coding System）的表情合成方法。通過提取面部表情AU（Action Unit）作為生成表情的一種約束，利用生成對抗算法合成目標(biāo)表情，這種結(jié)合表情編碼的合成更具合理性。同時(shí)在網(wǎng)絡(luò)中引入注意力機(jī)制，使網(wǎng)絡(luò)在特征提取階段更關(guān)注表情變化。實(shí)驗(yàn)表明，該方法能夠克服圖像中的光照和背景影響，合成表情具備連續(xù)性和真實(shí)性。該合成表情方法可應(yīng)用于數(shù)字娛樂、影視制作等領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：面部表情合成;GAN;FACS;動(dòng)作單元;注意力

DOI：10.11907/rjdk.192325 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

中圖分類號：TP317.4文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7800（2020）006-0235-05

0 引言

關(guān)于面部合成表情的研究很多。傳統(tǒng)的人臉建模主要通過3D人臉建模，還有一些通過在模型上綁定骨骼模型塑造變化的人臉表情，但這種建模方式成本高、周期長。生成對抗網(wǎng)絡(luò)可生成不存在的數(shù)據(jù)，應(yīng)用更廣。如Pix2Pix，只需要成對的數(shù)據(jù)就可從簡筆畫生成一幅真實(shí)的圖片;CycleGAN則可擺脫成對數(shù)據(jù)的訓(xùn)練，應(yīng)用更廣，例如可以把馬變成斑馬，改變?nèi)四樀膶傩匀缧詣e、年齡、表情等。但是類似的生成對抗網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)都只能合成離散的表情變換。圖1為離散的表情變換，從左到右依次是：自然表情、生氣表情、害怕表情、開心表情、驚訝表情，如果要從一種表情連續(xù)變化到另外一種表情還有難度。

基于現(xiàn)有方法的短板，本文將生成對抗網(wǎng)絡(luò)和面部動(dòng)作編碼系統(tǒng)（FACS）結(jié)合，合成連續(xù)變化的表情，合成的表情對于光照和背景具有更強(qiáng)的魯棒性。

本文建立了一種具FACS表達(dá)能力的表情合成系統(tǒng)，能夠生成連續(xù)的表情動(dòng)畫，并且符合人體解剖學(xué)在連續(xù)域的感知表達(dá)。這種方法不需要獲取人臉的任何landmark點(diǎn)信息。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)從YouTube上爬取，提取出視頻序列中的人臉，最后得到的數(shù)據(jù)集由20多萬張面部表情組成，同時(shí)利用OpenFace工具對數(shù)據(jù)集中的人臉進(jìn)行AU標(biāo)注。構(gòu)建一個(gè)新的GAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以一維向量為條件提取面部動(dòng)作單元值，只要是帶有激活的AU圖像就可通過無監(jiān)督方式訓(xùn)練這個(gè)架構(gòu)。將合成表情問題分成兩個(gè)階段：①期望表達(dá)式生成目標(biāo)表情，合成新的表情圖像;②把合成的表情渲染回原始的輸入表情。因此，渲染回的圖像可以和輸入的表情圖像進(jìn)行比較，最后通過損失值評估生成圖像的真實(shí)感。

基于生成對抗網(wǎng)絡(luò)和FACS構(gòu)建的表情合成系統(tǒng)，彌補(bǔ)了其它GAN只能合成離散表情的短板，通過建立注意力掩膜機(jī)制，很好地克服了圖像中變化的背景和光照因素，合成的表情在視覺質(zhì)量上也有很大提升。圖2是結(jié)果示例，輸入一張圖像，通過改變AU的激活程度，生成連續(xù)變化的微笑表情。

1 相關(guān)工作

1.1 生成對抗網(wǎng)絡(luò)

生成對抗網(wǎng)絡(luò)GAN（Generative Adversarial Networks）是一種基于博弈論的生成模型。一個(gè)典型的GAN優(yōu)化包括生成網(wǎng)絡(luò)和判別網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)部分。生成網(wǎng)絡(luò)輸入的是一組隨機(jī)數(shù)z，輸出的是一幅圖像，生成網(wǎng)絡(luò)就是生成假樣本。假樣本要盡可能地逼近真實(shí)樣本的數(shù)據(jù)分布，讓判別網(wǎng)絡(luò)不能區(qū)分是真樣本還是假樣本。判別網(wǎng)絡(luò)輸人的是一幅圖像，輸出的是一個(gè)概率值（概率值大于0.5就是真樣本，小于0.5就是假樣本），用于判別輸入的樣本是真樣本還是假樣本。GAN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)已經(jīng)證明可以用于生成逼真的高細(xì)節(jié)圖像，成功應(yīng)用于圖像轉(zhuǎn)換、圖像超分辨、室內(nèi)場景見建模等，圖2是一個(gè)用GAN網(wǎng)絡(luò)生成的人臉圖像。

生成網(wǎng)絡(luò)和判別網(wǎng)絡(luò)是交替訓(xùn)練的。在交替訓(xùn)練過程中，生成網(wǎng)絡(luò)生成的假樣本越來越逼近真實(shí)數(shù)據(jù)的分布。生成網(wǎng)絡(luò)生成的假樣本輸入到判別網(wǎng)絡(luò)后，判別網(wǎng)絡(luò)給出的判別結(jié)果是一個(gè)接近0.5的值，判別真假的閾值就是0.5，此時(shí)判別網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)難辨樣本真假，這就是納什平衡。

人臉圖像處理是計(jì)算機(jī)視覺和生成模型研究的熱點(diǎn)，大多數(shù)人臉研究都是人臉屬性的編輯任務(wù)，修改屬性類別，如添加眼鏡、改變頭發(fā)顏色、性別交換和生成老化處理的人臉等。在面部表情合成方面，早期的方法比較依賴三維建模，這種方法在邊緣附近容易產(chǎn)生偽影，無法對光照變化進(jìn)行建模。本文提出的方法是通過把面部肌肉的運(yùn)動(dòng)單元嵌入到GAN模型中，合成連續(xù)自然變化的面部表情。

1.2 面部動(dòng)作編碼系統(tǒng)FACS

國際著名心理學(xué)家Paul Ekman&Friesen開發(fā)了Facial Action Coding System（FACS），它描述了人臉不同肌肉和表情之間的對應(yīng)關(guān)系。面部動(dòng)作編碼系統(tǒng)根據(jù)人臉肌肉的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)將其劃分成若干相互獨(dú)立又互相聯(lián)系的運(yùn)動(dòng)單元AU（Action Unit），不同AU控制的面部肌肉運(yùn)動(dòng)區(qū)域不同，并將不同的表情與對應(yīng)的AU建立起聯(lián)系。雖然動(dòng)作單元數(shù)量較少（發(fā)現(xiàn)30個(gè)AU在解剖學(xué)上與特定的面部肌肉收縮有關(guān)），但已經(jīng)觀察到的AU組合已經(jīng)超過7000種。如圖3所示，AUl控制內(nèi)眉提升，AU4控制上眼瞼提升，AU7控制上眼瞼收緊。

不同表情由不同的AU組合而成，只要控制AU是否存在于面部和AU的激活強(qiáng)度，就可對應(yīng)不同的面部表情。例如恐懼的面部表情通常是通過內(nèi)眉提升（AUl）、外眉提升（AU2）、上眼瞼提升（AU4）、下眼瞼收緊（AU5）、上眼瞼收緊（AU7）、唇拉伸（AU20）和下頜下垂（AU26）產(chǎn)生的。根據(jù)AU激活程度，表情會或多或少地傳遞出恐懼情緒，如果AU激活的強(qiáng)度不同也可能會組成另外一種表情。

2 算法概述

該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能合成目標(biāo)表情，或者說建立原始表情和目標(biāo)表情的一種映射關(guān)系。每張輸入圖像是RGB圖像，表情是任意的，可以定義為I_yr∈R;每一表情都是由N個(gè)動(dòng)作單元組成的，動(dòng)作單元值大小對應(yīng)該動(dòng)作單元激活的強(qiáng)度。N個(gè)動(dòng)作單元編碼成少y_r=（y₁，y₂，…y_N）^T，以目標(biāo)動(dòng)作單元y.作為輸入條件，輸出目標(biāo)圖片I_yg。建立輸入到輸出的映射關(guān)系。目標(biāo)動(dòng)作單元向量y_g隨機(jī)生成，訓(xùn)練數(shù)據(jù)不需要同一個(gè)人的多張不同面部表情圖片，也不需要目標(biāo)表情圖片I_yg，因此是無監(jiān)督訓(xùn)練方式。

3 算法設(shè)計(jì)

3.1 注意力掩膜機(jī)制

TLGAN等表情合成都存在一個(gè)共同問題，即很容易受背景和光照等因素影響，導(dǎo)致合成的表情出現(xiàn)模糊、扭曲、偽影等不可控元素。為消除這種影響，本文在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中引入注意力掩膜機(jī)制。注意力掩膜相當(dāng)于提取人臉動(dòng)作單元特征（包括動(dòng)作單元強(qiáng)度），這樣生成網(wǎng)絡(luò)就可更多關(guān)注人臉的表情特征而忽略復(fù)雜的背景和光照變化帶來的影響。G_A生成網(wǎng)絡(luò)就是生成注意力掩膜G_A（I_yr|y_g），生成器的另一條支路G_I用于生成變化后表情的顏色信息。注意力掩膜、顏色掩膜和輸入圖像結(jié)合之后得到合成的目標(biāo)表情，合成表達(dá)式如下：

2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

判別器以第一個(gè)生成器的輸出I_yg和y_r作為輸入。判別器分成D_I和D_y兩部分，D_I用于判斷真實(shí)圖片I_yr，和新的表情圖片I_yg，也就是判斷生成圖片的真實(shí)性;D_y用來回歸輸出圖像I_yg的目標(biāo)動(dòng)作單元，使合成新的表情和目標(biāo)表情的動(dòng)作單元越來越接近。網(wǎng)絡(luò)基于WGAN評估合成的表情圖片質(zhì)量和動(dòng)作單元接近程度。圖7生成網(wǎng)絡(luò)和判別網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造如圖5、圖6所示。

3.3 損失函數(shù)設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中共設(shè)計(jì)4項(xiàng)損失：①對抗損失使生成圖像的分布和訓(xùn)練圖像的分布不斷逼近;②注意力損失促進(jìn)掩膜平滑，防止其飽和;③條件損失是計(jì)算圖像的動(dòng)作單元和目標(biāo)動(dòng)作單元的形式性，或者說是二者表情的相似性;④一致性損失有利于保持人物表情紋理的同一性。

對抗損失的作用是使生成圖像的分布不斷逼近訓(xùn)練圖像的分布，這樣生成的圖像更具有真實(shí)性。這個(gè)損失設(shè)計(jì)是在WGAN基礎(chǔ)上所做的修改，而沒有采用原始GAN損失，因?yàn)樵糋AN用JS（Jensen-Shannon）散度作為損失函數(shù)，會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)很難訓(xùn)練，而且容易出現(xiàn)梯度消失或梯度爆炸現(xiàn)象。現(xiàn)在定義的對抗損失能夠很好地應(yīng)對這些問題。另外對抗損失中還加入了梯度懲罰項(xiàng)，使梯度控制在一定范圍內(nèi)。

（1）對抗損失定義為：

其中，I_yr是輸入圖像，y_g是輸入條件，也就是目標(biāo)動(dòng)作單元向量，P_data為輸入圖像的數(shù)據(jù)分布，P_g為隨機(jī)的數(shù)據(jù)插值分布。

（2）表情損失。分別把原始輸入圖像和生成器生成的圖像輸入到判別器中，分別計(jì)算得到生成圖像和表情向量的groundtrue值。這部分損失很重要，在AU條件作用下使生成的圖像更具有AU表現(xiàn)力，其整體思路是優(yōu)化生成器和判別器，使目標(biāo)表情動(dòng)作的單元與輸入動(dòng)作單元條件不斷逼近。

表情損失定義為：

（3）注意力損失。如果注意力機(jī)制生成的A飽和到l，即生成器I_yr=G（I_yr|y_g），注意力機(jī)制就會失去作用。為防止這種狀況發(fā)生，對A作L2權(quán)值懲罰，得到注意力損失為：

最后，通過不斷交替迭代訓(xùn)練生成器和判別器網(wǎng)絡(luò)，使目標(biāo)函數(shù)不斷優(yōu)化，得到最優(yōu)模型。

4 實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)

網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的生成器建立在Johnson等網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)之上，對其作了一定的修改，生成器最后用兩個(gè)平行的卷積層替換，一個(gè)用于回歸顏色mask C，另外一個(gè)用于生成注意力mask A。通過實(shí)例代替生成器中的批歸一化處理，以提高訓(xùn)練的穩(wěn)定性。

該模型的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集通過YouTube收集視頻，視頻內(nèi)容主要是一個(gè)人的獨(dú)白畫面，一共200多個(gè)視頻，每個(gè)視頻長度30s-60s，幀率為25fps。分離出所有視頻幀，通過人臉識別提取人臉圖片，然后對所有人臉圖片裁剪對齊，最后得到的人臉數(shù)據(jù)集大概有20萬個(gè)。由于公開數(shù)據(jù)集中每張圖片人臉都是獨(dú)立的，相互之間沒有關(guān)聯(lián)，也沒有時(shí)間軸上的變化，因此訓(xùn)練出的模型在時(shí)間軸上不具有連續(xù)性，合成表情容易出現(xiàn)偽影;而視頻具有時(shí)間上的連續(xù)性，訓(xùn)練的表情數(shù)據(jù)集同樣具有時(shí)間軸上的連續(xù)變化，最終訓(xùn)練模型合成表情更穩(wěn)定，同時(shí)減少了偽影的出現(xiàn)。

模型訓(xùn)練的參數(shù)設(shè)置：學(xué)習(xí)率l_r=0.000l，betal=0.5，beta2=0.999，batch_size為16。整個(gè)模型訓(xùn)練周期為30epoch。在訓(xùn)練期間，先固定生成器，判別網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練5step，然后固定判別器，生成網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練1step。損失函數(shù)的權(quán)重設(shè)置為：λ_g=10，λ_A=0.1，λ_y=4000。實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練平臺在Ubuntu系統(tǒng)服務(wù)器上，服務(wù)器搭載兩塊GeForceGTX1080Ti GPU，訓(xùn)練時(shí)間大概2天。

5 實(shí)驗(yàn)評估

對合成不同的表情進(jìn)行測試，或者說對不同AU進(jìn)行測試。測試分成對單AU的測試和對不同AU組合的測試。單個(gè)AU的變化只改變目標(biāo)表情動(dòng)作單元向量中的某一個(gè)AU的強(qiáng)度變化，其余AU值保持不變。目標(biāo)表情只有一個(gè)區(qū)域發(fā)生變化，可以通過調(diào)整AU激活強(qiáng)度，控制AU對應(yīng)區(qū)域表情變化的幅度。

多個(gè)AU同時(shí)變化，就是控制一組AU同時(shí)變化。例如微笑的表情是面部表情的多個(gè)AU組合，當(dāng)對應(yīng)的多個(gè)AU同時(shí)激活時(shí)就會呈現(xiàn)微笑表情。修改表情向量中的多個(gè)AU值以及變化程度參數(shù)（AU激活強(qiáng)度），就可得到一組線性插值的連續(xù)變化表情。

模型存在一定的限制，圖7是一些失敗的案例。左邊是輸入的原始測試圖片，右邊是輸出的表情變化圖片，可以看到失敗案例中的表情會出現(xiàn)一定的偽影和變形，這可能是測試圖片中的人臉有遮擋所導(dǎo)致，如頭發(fā)遮擋。有些特別夸張的表情測試效果也不是很好，可能是由于訓(xùn)練數(shù)據(jù)集不足引起的。

6 結(jié)語

基于GAN和FACS的面部表情合成是一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可用于連續(xù)變化表情的生成。傳統(tǒng)的面部表情合成系統(tǒng)，例如Face2Face，非常依賴3D面部重建模型，建模成本高、建模時(shí)間長，限制了它的應(yīng)用時(shí)間與范圍。本文提出的模型以解剖結(jié)構(gòu)意義上的肌肉運(yùn)動(dòng)為條件，模型通過AU參數(shù)化，與解剖學(xué)面部變形達(dá)成一致。此外可以通過改變AU值激活強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)連續(xù)表情變換，為表情合成變換帶來更多應(yīng)用。通過在GAN網(wǎng)絡(luò)中引入動(dòng)作單元，對面部表情合成進(jìn)行改進(jìn)，提升表情合成效果。本文方法也存在一定的缺陷，如有些合成的表情會出現(xiàn)偽影，很難達(dá)到實(shí)時(shí)的表情合成等。未來還需要不斷提高模型魯棒性和合成表情的時(shí)效性，正確引入一些先驗(yàn)知識以提升表情合成性能。