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人像卡通化 (Photo to Cartoon)

中文版 | English Version

该项目为小视科技卡通肖像探索项目。您可使用微信扫描下方二维码或搜索“AI卡通秀”小程序体验卡通化效果。

也可以前往我们的ai开放平台进行在线体验:https://ai.minivision.cn/#/coreability/cartoon

技术交流QQ群:937627932

Updates

简介

人像卡通风格渲染的目标是,在保持原图像ID信息和纹理细节的同时,将真实照片转换为卡通风格的非真实感图像。我们的思路是,从大量照片/卡通数据中习得照片到卡通画的映射。一般而言,基于成对数据的pix2pix方法能达到较好的图像转换效果,但本任务的输入输出轮廓并非一一对应,例如卡通风格的眼睛更大、下巴更瘦;且成对的数据绘制难度大、成本较高,因此我们采用unpaired image translation方法来实现。

Unpaired image translation流派最经典方法是CycleGAN,但原始CycleGAN的生成结果往往存在较为明显的伪影且不稳定。近期的论文U-GAT-IT提出了一种归一化方法——AdaLIN,能够自动调节Instance Norm和Layer Norm的比重,再结合attention机制能够实现精美的人像日漫风格转换。

与夸张的日漫风不同,我们的卡通风格更偏写实,要求既有卡通画的简洁Q萌,又有明确的身份信息。为此我们增加了Face ID Loss,使用预训练的人脸识别模型提取照片和卡通画的ID特征,通过余弦距离来约束生成的卡通画。

此外,我们提出了一种Soft-AdaLIN(Soft Adaptive Layer-Instance Normalization)归一化方法,在反规范化时将编码器的均值方差(照片特征)与解码器的均值方差(卡通特征)相融合。

模型结构方面,在U-GAT-IT的基础上,我们在编码器之前和解码器之后各增加了2个hourglass模块,渐进地提升模型特征抽象和重建能力。

由于实验数据较为匮乏,为了降低训练难度,我们将数据处理成固定的模式。首先检测图像中的人脸及关键点,根据人脸关键点旋转校正图像,并按统一标准裁剪,再将裁剪后的头像输入人像分割模型去除背景。

Start

安装依赖库

项目所需的主要依赖库如下:

  • python 3.6
  • pytorch 1.4
  • tensorflow-gpu 1.14
  • face-alignment
  • dlib
  • onnxruntime

Clone:

git clone https://github.com/minivision-ai/photo2cartoon.git
cd ./photo2cartoon

下载资源

谷歌网盘 | 百度网盘 提取码:y2ch

  1. 人像卡通化预训练模型:photo2cartoon_weights.pt(20200504更新),存放在models路径下。
  2. 头像分割模型:seg_model_384.pb,存放在utils路径下。
  3. 人脸识别预训练模型:model_mobilefacenet.pth,存放在models路径下。(From: InsightFace_Pytorch
  4. 卡通画开源数据:cartoon_data,包含trainBtestB
  5. 人像卡通化onnx模型:photo2cartoon_weights.onnx 谷歌网盘,存放在models路径下。

测试

将一张测试照片(亚洲年轻女性)转换为卡通风格:

python test.py --photo_path ./images/photo_test.jpg --save_path ./images/cartoon_result.png

测试onnx模型

python test_onnx.py --photo_path ./images/photo_test.jpg --save_path ./images/cartoon_result.png

训练

1.数据准备

训练数据包括真实照片和卡通画像,为降低训练复杂度,我们对两类数据进行了如下预处理:

  • 检测人脸及关键点。
  • 根据关键点旋转校正人脸。
  • 将关键点边界框按固定的比例扩张并裁剪出人脸区域。
  • 使用人像分割模型将背景置白。

我们开源了204张处理后的卡通画数据,您还需准备约1000张人像照片(为匹配卡通数据,尽量使用亚洲年轻女性照片,人脸大小最好超过200x200像素),使用以下命令进行预处理:

python data_process.py --data_path YourPhotoFolderPath --save_path YourSaveFolderPath

将处理后的数据按照以下层级存放,trainAtestA中存放照片头像数据,trainBtestB中存放卡通头像数据。

├── dataset
    └── photo2cartoon
        ├── trainA
            ├── xxx.jpg
            ├── yyy.png
            └── ...
        ├── trainB
            ├── zzz.jpg
            ├── www.png
            └── ...
        ├── testA
            ├── aaa.jpg 
            ├── bbb.png
            └── ...
        └── testB
            ├── ccc.jpg 
            ├── ddd.png
            └── ...

2.训练

重新训练:

python train.py --dataset photo2cartoon

加载预训练参数:

python train.py --dataset photo2cartoon --pretrained_weights models/photo2cartoon_weights.pt

多GPU训练(仍建议使用batch_size=1,单卡训练):

python train.py --dataset photo2cartoon --batch_size 4 --gpu_ids 0 1 2 3

Q&A

Q:为什么开源的卡通化模型与小程序中的效果有差异?

A:开源模型的训练数据收集自互联网,为了得到更加精美的效果,我们在训练小程序中卡通化模型时,采用了定制的卡通画数据(200多张),且增大了输入分辨率。此外,小程序中的人脸特征提取器采用自研的识别模型,效果优于本项目使用的开源识别模型。

Q:如何选取效果最好的模型?

A:首先训练模型200k iterations,然后使用FID指标挑选出最优模型,最终挑选出的模型为迭代90k iterations时的模型。

Q:关于人脸特征提取模型。

A:实验中我们发现,使用自研的识别模型计算Face ID Loss训练效果远好于使用开源识别模型,若训练效果出现鲁棒性问题,可尝试将Face ID Loss权重置零。

Q:人像分割模型是否能用与分割半身像?

A:不能。该模型是针对本项目训练的专用模型,需先裁剪出人脸区域再输入。

Tips

我们开源的模型是基于亚洲年轻女性训练的,对于其他人群覆盖不足,您可根据使用场景自行收集相应人群的数据进行训练。我们的开放平台提供了能够覆盖各类人群的卡通化服务,您可前往体验。如有定制卡通风格需求请联系商务:18852075216。

参考

U-GAT-IT: Unsupervised Generative Attentional Networks with Adaptive Layer-Instance Normalization for Image-to-Image Translation [Paper][Code]

InsightFace_Pytorch

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