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astype强制转换不管用_用Python实现简单的‘换脸’

points.astype

之前很火的ZAO软件的换脸功能让大家觉得十分有趣,今天要介绍的这个案例也是通过Python实现简单的换脸功能,换脸过程可分为四步:

1.使用dlib提取面部标记。

该例子使用dlib的Python绑定来提取面部标记。dlib使用回归数集合直接从像素强度的稀疏子集估计面部的地标位置。该例子使用68个点来标记两张人脸的关键点,如下图所示:

03c060fdb0ffe8c07238613e668c94a7.png

先将图像转化为numpy数组,并返回一个68*2的元素矩阵,输入图像的每个特征点对应每行的一个x,y坐标。

2.旋转、缩放和转换第二张图像,使之与第一张图像相适应。(普氏分析)

现在我们已经有了两个标记矩阵,每行有一组坐标对应一个特定的面部特征。我们现在要搞清楚如何旋转、翻译和规模化第一个向量,使它们尽可能适合第二个向量的点。想法是,可以用相同的变换在第一个图像上覆盖第二个图像。

代码分别实现了下面几步:

(1)将输入矩阵转换为浮点数。这是之后步骤的必要条件。

(2)每一个点集减去它的矩心。一旦为这两个新的点集找到了一个最佳的缩放和旋转方法,这两个矩心c1和c2就可以用来找到完整的解决方案。

(3)同样,每一个点集除以它的标准偏差。这消除了问题的组件缩放偏差。

(4)使用Singular Value Decomposition计算旋转部分。利用仿射变换矩阵返回完整的转化。

def 

之后,结果可以插入OpenCV的cv2.warpAffine函数,将图像二映射到图像一。图像对齐结果如下图所示:

c800f681504093d0428cbe4035cd20e7.gif

3.调整第二张图像的色彩平衡,使之与第一个相匹配。

如果我们试图直接覆盖面部特征,我们会发现一个问题,由于两张图片之间肤色不同,光线不同会造成覆盖区域边缘的不连续。如下图所示。

9117edefd6036c2cd0e2c0bd87304362.png

4.把第二张图像的特性混合在第一张图像中。

(1)用一个遮罩来选择图像2和图像1的哪些部分应该是最终显示的图像。如下图所示。

47655a8719a27c8906b20c6e9ab4c122.png

定义函数get_face_mask()为一张图像和一个标记矩阵生成一个遮罩,它画出了两个白色的凸多边形:一个是眼睛周围的区域,一个是鼻子和嘴部周围的区域。

值为1(白色)的地方为图像2应该显示出的区域,值为0(黑色)的地方为图像1应该显示出的区域。值在0和1之间为图像1和图像2的混合区域。

(2)这样一个遮罩同时为这两个图像生成,使用与步骤2中相同的转换,可以使图像2的遮罩转化为图像1的坐标空间。

(3)之后,通过一个element-wise最大值,这两个遮罩结合成一个。结合这两个遮罩是为了确保图像1被掩盖,而显现出图像2的特性。

最后,应用遮罩给出最终的图像如下图:

c9b1c81c585bd0890441eb4ce4143ef7.png

全部代码如下:

  1. import cv2
  2. import dlib
  3. import numpy
  4. import sys
  5. sys.argv = ["faceswap.py","head2.jpg","face3.jpg"]
  6. PREDICTOR_PATH = "shape_predictor_68_face_landmarks.dat"
  7. SCALE_FACTOR = 1
  8. FEATHER_AMOUNT = 11
  9. FACE_POINTS = list(range(17, 68))
  10. MOUTH_POINTS = list(range(48, 61))
  11. RIGHT_BROW_POINTS = list(range(17, 22))
  12. LEFT_BROW_POINTS = list(range(22, 27))
  13. RIGHT_EYE_POINTS = list(range(36, 42))
  14. LEFT_EYE_POINTS = list(range(42, 48))
  15. NOSE_POINTS = list(range(27, 35))
  16. JAW_POINTS = list(range(0, 17))
  17. # 用于排列图像的点
  18. ALIGN_POINTS = (LEFT_BROW_POINTS + RIGHT_EYE_POINTS + LEFT_EYE_POINTS +
  19. RIGHT_BROW_POINTS + NOSE_POINTS + MOUTH_POINTS)
  20. OVERLAY_POINTS = [
  21. LEFT_EYE_POINTS + RIGHT_EYE_POINTS + LEFT_BROW_POINTS + RIGHT_BROW_POINTS,
  22. NOSE_POINTS + MOUTH_POINTS,
  23. ]
  24. # 颜色校正期间使用的模糊量, as a fraction of the
  25. # pupillary distance.
  26. COLOUR_CORRECT_BLUR_FRAC = 0.6
  27. detector = dlib.get_frontal_face_detector()
  28. predictor = dlib.shape_predictor(PREDICTOR_PATH)
  29. class TooManyFaces(Exception):
  30. pass
  31. class NoFaces(Exception):
  32. pass
  33. def get_landmarks(im):
  34. """
  35. 将一个图像转化成numpy数组,并返回一个68×2元素矩阵,输入图像的每个特征点对应每行的一个x,y坐标
  36. 为一张图像和一个标记矩阵生成一个遮罩,它画出了两个白色的凸多边形:一个是眼睛周围的区域,一个是鼻子和嘴部周围的区域。之后它由11个像素向遮罩的边缘外部羽化扩展,可以帮助隐藏任何不连续的区域。
  37. 这样一个遮罩同时为这两个图像生成,使用与步骤2中相同的转换,可以使图像2的遮罩转化为图像1的坐标空间。
  38. 之后,通过一个element-wise最大值,这两个遮罩结合成一个。结合这两个遮罩是为了确保图像1被掩盖,而显现出图像2的特性。
  39. :param im:
  40. :return:
  41. """
  42. rects = detector(im, 1)
  43. if len(rects) > 1:
  44. raise TooManyFaces
  45. if len(rects) == 0:
  46. raise NoFaces
  47. return numpy.matrix([[p.x, p.y] for p in predictor(im, rects[0]).parts()])
  48. def annotate_landmarks(im, landmarks):
  49. im = im.copy()
  50. for idx, point in enumerate(landmarks):
  51. pos = (point[0, 0], point[0, 1])
  52. cv2.putText(im, str(idx), pos,
  53. fontFace=cv2.FONT_HERSHEY_SCRIPT_SIMPLEX,
  54. fontScale=0.4,
  55. color=(0, 0, 255))
  56. cv2.circle(im, pos, 3, color=(0, 255, 255))
  57. return im
  58. def draw_convex_hull(im, points, color):
  59. points = cv2.convexHull(points)
  60. cv2.fillConvexPoly(im, points, color=color)
  61. def get_face_mask(im, landmarks):
  62. im = numpy.zeros(im.shape[:2], dtype=numpy.float64)
  63. for group in OVERLAY_POINTS:
  64. draw_convex_hull(im,
  65. landmarks[group],
  66. color=1)
  67. im = numpy.array([im, im, im]).transpose((1, 2, 0))
  68. im = (cv2.GaussianBlur(im, (FEATHER_AMOUNT, FEATHER_AMOUNT), 0) > 0) * 1.0
  69. im = cv2.GaussianBlur(im, (FEATHER_AMOUNT, FEATHER_AMOUNT), 0)
  70. return im
  71. def transformation_from_points(points1, points2):
  72. """
  73. Return an affine transformation [s * R | T] such that:
  74. sum ||s*R*p1,i + T - p2,i||^2
  75. is minimized.
  76. 1.将输入矩阵转换为浮点数。这是后续操作的基础。
  77. 2.每一个点集减去它的矩心。一旦为点集找到了一个最佳的缩放和旋转方法,这两个矩心 c1 和 c2 就可以用来找到完整的解决方案。
  78. 3.同样,每一个点集除以它的标准偏差。这会消除组件缩放偏差的问题。
  79. 4.使用奇异值分解计算旋转部分。可以在维基百科上看到关于解决正交 Procrustes 问题的细节。
  80. 5.利用仿射变换矩阵返回完整的转化。
  81. """
  82. # Solve the procrustes problem by subtracting centroids, scaling by the
  83. # standard deviation, and then using the SVD to calculate the rotation. See
  84. # the following for more details:
  85. # https://en.wikipedia.org/wiki/Orthogonal_Procrustes_problem
  86. points1 = points1.astype(numpy.float64)
  87. points2 = points2.astype(numpy.float64)
  88. c1 = numpy.mean(points1, axis=0)
  89. c2 = numpy.mean(points2, axis=0)
  90. points1 -= c1
  91. points2 -= c2
  92. s1 = numpy.std(points1)
  93. s2 = numpy.std(points2)
  94. points1 /= s1
  95. points2 /= s2
  96. U, S, Vt = numpy.linalg.svd(points1.T * points2)
  97. # The R we seek is in fact the transpose of the one given by U * Vt. This
  98. # is because the above formulation assumes the matrix goes on the right
  99. # (with row vectors) where as our solution requires the matrix to be on the
  100. # left (with column vectors).
  101. R = (U * Vt).T
  102. return numpy.vstack([numpy.hstack(((s2 / s1) * R,
  103. c2.T - (s2 / s1) * R * c1.T)),
  104. numpy.matrix([0., 0., 1.])])
  105. def read_im_and_landmarks(fname):
  106. im = cv2.imread(fname, cv2.IMREAD_COLOR)
  107. im = cv2.resize(im, (im.shape[1] * SCALE_FACTOR,
  108. im.shape[0] * SCALE_FACTOR))
  109. s = get_landmarks(im)
  110. return im, s
  111. def warp_im(im, M, dshape):
  112. output_im = numpy.zeros(dshape, dtype=im.dtype)
  113. cv2.warpAffine(im,
  114. M[:2],
  115. (dshape[1], dshape[0]),
  116. dst=output_im,
  117. borderMode=cv2.BORDER_TRANSPARENT,
  118. flags=cv2.WARP_INVERSE_MAP)
  119. return output_im
  120. def correct_colours(im1, im2, landmarks1):
  121. blur_amount = COLOUR_CORRECT_BLUR_FRAC * numpy.linalg.norm(
  122. numpy.mean(landmarks1[LEFT_EYE_POINTS], axis=0) -
  123. numpy.mean(landmarks1[RIGHT_EYE_POINTS], axis=0))
  124. blur_amount = int(blur_amount)
  125. if blur_amount % 2 == 0:
  126. blur_amount += 1
  127. im1_blur = cv2.GaussianBlur(im1, (blur_amount, blur_amount), 0)
  128. im2_blur = cv2.GaussianBlur(im2, (blur_amount, blur_amount), 0)
  129. # Avoid divide-by-zero errors.
  130. im2_blur += (128 * (im2_blur <= 1.0)).astype(im2_blur.dtype)
  131. return (im2.astype(numpy.float64) * im1_blur.astype(numpy.float64) /
  132. im2_blur.astype(numpy.float64))
  133. im1, landmarks1 = read_im_and_landmarks(sys.argv[1])
  134. im2, landmarks2 = read_im_and_landmarks(sys.argv[2])
  135. M = transformation_from_points(landmarks1[ALIGN_POINTS],
  136. landmarks2[ALIGN_POINTS])
  137. mask = get_face_mask(im2, landmarks2)
  138. warped_mask = warp_im(mask, M, im1.shape)
  139. combined_mask = numpy.max([get_face_mask(im1, landmarks1), warped_mask],
  140. axis=0)
  141. warped_im2 = warp_im(im2, M, im1.shape)
  142. warped_corrected_im2 = correct_colours(im1, warped_im2, landmarks1)
  143. output_im = im1 * (1.0 - combined_mask) + warped_corrected_im2 * combined_mask #应用遮罩
  144. cv2.imwrite('output2.jpg', output_im)

至此简单的换脸的功能便实现了,大家可以自己试试。

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