【AI数字人-论文】DINet论文解读

DINet

- 方法
- - 形变
  - 修补
  - 损失函数
  - - perception loss
    - GAN loss
    - Lip-sync loss
- 实现细节
- 参考

如下图所示，人脸视觉配音（Face visually dubbing）旨在根据输入的驱动音频同步源视频中的嘴型，同时保持身份和头部姿势与源视频帧一致。然而在少样本条件下，实现高分辨率视频下的高质量人脸视觉配音仍然是一项挑战。一个主要原因是，在少数样本的条件下，嘴部纹理细节与驱动音频的相关性很小，因此直接生成高频纹理细节是比较困难的。为了解决这个问题，形变修复网路DINet通过对参考人脸图像进行空间形变来保留更多的嘴部纹理细节。具体地，首先对参考人脸图像的特征图做空间形变，形变后的特征包含与语音同步和头部姿态对齐的口型特征；然后使用空间形变后的特征修补嘴部区域，空间形变是将像素移动，而不是重新生成，因此能够保存足够多的纹理信息。
在这里插入图片描述

方法

DINet网络架构由两部分组成，形变网络 $P^{D}$ 和修补网路 $P^{I}$ 。形变部分对五张参考图像的特征进行空间形变，创建每帧嘴部形状的变形特征图，以便于对齐输入驱动音频和输入源图像的头部姿态。修复部分则侧重于利用形变结果修复源面部的嘴部区域。
DINet模型架构

形变

自适应仿射变换算子(Adaptive Affine Transformation, AdaAT)解决人脸驱动前后空间不对齐的问题。AdaAT使用仿射变换来模拟和约束空间形变，它直接在特征通道空间中进行仿射变换。

给定一个源图像 $I_{s} \in R^{3 \times H \times W}$ ，一个驱动音频 $A_{d} \in R^{T \times 29}$ 和五个参考图像 $I_{ref} \in R^{15 \times H \times W}$ ，形变网络 $P^{D}$ 的任务就是输出与 $A_{d}$ 同步的嘴型且与 $I_{s}$ 头部姿态对齐的形变特征 $F_{d} \in R^{256 \times \frac{H}{4} \times \frac{W}{4}}$ 。

首先， $A_{d}$ 被喂入到一个语音编码器中，提取语音特征 $F_{audio} \in R^{128}$ 。
然后， $I_{s}$ 和 $I_{ref}$ 分别作为两个不同的特征提取的输入，提取256维的源图像特征 $F_{s} \in R^{256 \times H \times W}$ 和256维的参考图像特征 $F_{ref} \in R^{256 \times H \times W}$ 。
接下来，合并 $F_{s}$ 和 $F_{ref}$ ，将其喂入到一个对齐编码器中计算得到对齐特征 $F_{align} \in R^{128}$ 。
最后，合并语音特征 $F_{audio}$ 和对齐特征 $F_{align}$ ，喂入一个全连接层后输出 $[R, T, S]$ 系数，然后传递给AdaAT算子，将特征 $F_{ref}$ 形变为 $F_{d}$ 。

注：第四步的全连接网络被用于计算rotation $R=\{\theta^{c}\}_{c=1}^{256}$ 、translation $T_{x} = \{t_{x}^{c}\}_{c=1}^{256} / T_{y} = \{t_{y}^{c}\}_{c=1}^{256}$ 和Scale $S=\{s^{c}\}_{c=1}^{256}$ 的系数。然后这些仿射系数与 $F_{ref}$ 做仿射变换。

$\left(x_{c}, y_{c}\right)$ 和 $\left(\hat{x}_{c}, \hat{y}_{c}\right)$ 分别为仿射变换前后的像素坐标， $\in [1,256]$ 为 $F_{ref}$ 中 $c_{th}$ 的通道。
在这里插入图片描述
这也是为什么能选择AdaAT算子的原因，AdaAT算子在不同的特征通道中计算不同的仿射系数。

修补

修补网路 $P^{I}$ 相比于形变网络 $P^{D}$ 而言就简单很多，只包含一个由卷积层组成的特征解码器网络。将源图像特征 $F_{s}$ 和形变特征 $F_{d}$ 按通道合并后，送入到特征编码器后输出配音图像 $I_{o} \in R^{3 \times H \times W}$ 。

损失函数

在训练阶段，DINet的损失函数由三张不同的损失函数加权组成。
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perception loss

感知损失（perception loss）是一种基于深度学习的图像风格迁移方法中常用的损失函数。感知损失是通过预训练的神经网络（常见是VGG网络）来计算两张图片之间的差异。感知损失的目标是最小化输入图像和目标图像在特征空间的距离。

在这篇论文中，首先对真实图像 $I_{r}$ 和配音图像 $I_{o}$ 进行降采样分别得到 $\hat{I}_{r} \in R^{3 \times \frac{H}{2} \times \frac{W}{2}}$ 和 $\hat{I}_{o} \in R^{3 \times \frac{H}{2} \times \frac{W}{2}}$ ，然后一起计算 ${I_{o}, I_{r}\}$ 和 $\{\hat{I}_{o}, \hat{I}_{r}\}$ 的感知损失值。损失感知公式如下所示：
在这里插入图片描述
预训练模型选用VGG-19网路， $V\left( \cdot \right)$ 为 $i_{th}$ 层， $W_{i}H_{i}C_{i}$ 为 $i_{th}$ 层的特征尺寸。

GAN loss

GAN loss使用的是least square GAN，公式为 $L_{GAN} = L_{D} + L_{G}$ ， $G$ 表示的是DINet网络， $D$ 为判别器。
在这里插入图片描述
论文中缺少判别器的资料。通过代码理解GAN loss。

# GAN 损失
class GANLoss(nn.Module):
    '''
    GAN loss
    '''
    def __init__(self, use_lsgan=True, target_real_label=1.0, target_fake_label=0.0):
        super(GANLoss, self).__init__()
        self.register_buffer('real_label', torch.tensor(target_real_label))
        self.register_buffer('fake_label', torch.tensor(target_fake_label))
        if use_lsgan:
            self.loss = nn.MSELoss()
        else:
            self.loss = nn.BCELoss()

    def get_target_tensor(self, input, target_is_real):
        if target_is_real:
            target_tensor = self.real_label
        else:
            target_tensor = self.fake_label
        return target_tensor.expand_as(input)

    def forward(self, input, target_is_real):
        target_tensor = self.get_target_tensor(input, target_is_real)
        return self.loss(input, target_tensor)
# train
net_dI = Discriminator(*) # 判别器D
net_g = DINet(*) # DINet网络
criterionGAN = GANLoss().cuda()
fake_out = net_g(*)
# (1) Update D network
optimizer_dI.zero_grad()
# compute fake loss
_,pred_fake_dI = net_dI(fake_out)
loss_dI_fake = criterionGAN(pred_fake_dI, False)
# compute real loss
_,pred_real_dI = net_dI(source_image_data)
loss_dI_real = criterionGAN(pred_real_dI, True)
# Combined DI loss
loss_dI = (loss_dI_fake + loss_dI_real) * 0.5
loss_dI.backward(retain_graph=True)
optimizer_dI.step()