面向单幅图像的逼真3D人脸重建方法EI北大核心CSCD

针对3DMM参数拟合方法生成的纹理过于粗糙、结果不够逼真的问题,提出一种基于深度学习的单幅图像逼真3D人脸重建方法.首先构建RP-Net回归网络和包含5万幅人脸图像的数据集,从输入图像中学习参数,并拟合人脸模型生成3D人脸几何;然后通过构造多层次的损失函数进行弱监督学习,包括低水平的像素损失、地标损失和高水平的身份损失;最后通过纹理映射的方式生成逼真的人脸纹理.在2个通用人脸数据集和1个人工生成的人脸数据集上与最近的3D人脸重建方法进行对比实验,并对影响重建的光照、表情和转向等因素进行实验,根据SSIM和PSNR对3D重建结果进行量化分析.实验结果表明,所提方法面向单幅图像可以生成准确的3D人脸形状和逼真的人脸纹理;与最近的3D人脸重建方法相比,该方法的训练时间和迭代次数分别降低了6%和13%,SSIM值增加0.005~0.010,PSNR值平均提高0.03~0.08 dB.     

UV空间中的人脸颜色纹理和几何细节协同补全

当图像中的人脸存在较大角度的偏转时,由于自身遮挡,单幅图像3D人脸重建方法较难获取整张人脸的纹理和几何细节.考虑人脸纹理特征分布和几何细节的特征分布的双向关联特性,提出一种统一框架下的协同补全模型TDGAN.首先,将颜色纹理和几何细节映射到同一UV空间;然后,通过统一的生成对抗网络协同补全纹理与几何,并对这2部分信息分别设计全局与局部判别器,以实现纹理和几何的全局与局部一致性;最后,为了充分利用颜色纹理和几何细节共有特征,增加了一个纹理-几何一致性约束网络,从而得到高完整度和高一致性的颜色纹理与几何细节UV图.在当前最大3D人脸数据集FaceScape的实验表明,TDGAN比独立的UV空间补全方法能得到更高质量的补全结果.     

联合局部约束的邻域嵌入人脸超分辨率重建

目的 现有的基于邻域嵌入的人脸超分辨率重建算法只利用了低分辨率图像流形空间的几何结构,而忽略了原始高分辨率图像的流形几何结构,不能很好的反映高低分辨率图像流形几何结构的关系。此外,其对同一幅图像中的不同图像块选取固定数目的最近邻域图像块,从而导致重建质量的下降。为了充分利用原始高分辨率图像空间的几何结构信息,提出基于联合局部约束和自适应邻域选择的邻域嵌入人脸超分辨率重建算法。方法 该方法结合待重构图像与低分辨率图像样本库的相似性约束与初始高分辨图像与高分辨率图像样本库的相似性约束,形成约束低分辨率图像块的重构权重,并利用该重构权重估计出高分辨率的人脸图像,同时引入自适应邻域选择的方法。结果 在CAS-PEAL-R1人脸库上的实验结果表明,相较于传统的基于邻域嵌入的人脸超分辨率重建方法,本文算法在PSNR和SSIM上分别提升了0.39 dB和0.02。相较于LSR重建方法,在PSNR和SSIM上分别提升了0.63 dB和0.01;相较于LcR重建方法,在PSNR和SSIM上分别提升了0.36 dB和0.003 2;相较于TRNR重建方法,在PSNR和SSIM上分别提升了0.33 dB和0.001 1。结论 本文所提的重建方法在现有人脸数据库上进行实验,在主观视觉和客观评价指标上均取得了较好的结果,可进一步适用于现实监控视频中人脸图像的高分辨率重建。     

自适应残差图像的分数阶全变分去噪算法

目的 全变分（TV）去噪模型具有较好的去噪效果,但对于图像的弱边缘和纹理细节的保持不够理想。自适应分数阶全变分（AFTV）模型根据图像局部信息,区分图像的纹理区域和非纹理区域,自适应计算投影算法中的软阈值,可较好地保持图像的弱边缘和纹理细节,但该方法当噪声增大时“阶梯”效应比较明显,弱边缘和纹理细节保持效果不够理想。针对该问题,提出一种改进的分数阶全变分去噪算法。方法 该算法在计算残差图像时,用分数阶全变分模型替代整数一阶全变分模型,并根据较精确的残差图像的局部方差区分图像纹理区域和平坦区域,使保真项参数的自适应选取更加合理,提高了算法的去噪性能。结果 针对3种不同类型的噪声图像,将本文模型与TV模型和AFTV模型进行对比实验,并采用峰值信噪比（PSNR）和结构相似性（SSIM）评定去噪效果和纹理保持能力。对于高斯噪声图像,本文算法在PSNR方面比TV模型和AFTV模型分别可平均提高2.72 dB和1.38 dB,SSIM分别可平均提高0.047和0.020。对于椒盐噪声图像,本文算法结合中值滤波算法在PSNR和SSIM方面比传统中值滤波算法分别可平均提高1.308 dB和0.011。对于泊松噪声图像,本文算法在PSNR、SSIM方面与AFTV较接近,比TV分别可提高1.59 dB和0.005。结论 通过对添加不同类型的噪声图像进行实验,结果表明提出的算法在去噪性能上与TV和AFTV相比均有较大提高,尤其对于噪声较大的图像效果更为显著,在去噪效率上与AFTV的时间复杂度相当,时耗接近略有降低。且本文算法普适性较好,能有效去除多种典型类型的噪声。     

人脸老化/去龄化的高质量图像生成模型

目的 近年来关于人脸老化/去龄化的研究在深度学习的推动下取得了飞速发展,2017年提出的条件对抗自编码器（CAAE）人脸老化/去龄化模型生成的人脸不仅可信度高,而且更贴近目标年龄。然而在人脸老化/去龄化过程中仍存在生成图像分辨率低、人工鬼影噪声严重（生成人脸器官扭曲）等问题。为此,在CAAE的基础上,提出一个人脸老化/去龄化的高质量图像生成模型（HQGM）。方法 用边界平衡对抗生成网络（BEGAN）替换CAAE中的对抗生成网络（GAN）。BEGAN在人脸图像生成上不仅分辨率更高而且具有更好的视觉效果。在此基础上,添加两个提高生成图像质量的损失函数：图像梯度差损失函数和人脸特征损失函数。图像梯度差损失函数通过缩小生成图像和真实图像的图像梯度,使生成图像具有更多轮廓等高频信息;人脸特征损失函数将生成图像和真实图像分别输入到配置预训练参数的VGG-FACE网络模型中,输出各自的特征图。通过缩小两幅特征图的对应点差值,使生成图像具有更多真实图像的人脸特征信息。结果 实验使用UTKface、FGnet和Morph数据集,经过训练,每幅测试图像分别生成10幅不同年龄的图像。与CAAE相比,HQGM可以有效去除人工鬼影噪声,峰值信噪比高3.2 dB,结构相似性高0.06,提升显著。结论 HQGM可以生成具有丰富纹理信息和人脸特征信息的人脸老化/去龄化图像。     

结合曲面局部纹理特征的3维人脸识别

目的 人脸2维图像反映出来的纹理并非是3维人脸曲面真实的纹理,并且受光照和妆容的影响很大,因此探索3维局部纹理特征对于人脸识别任务有着重要的意义。为此详细分析了一种新颖的3维局部纹理特征mesh-LBP对于人脸纹理的描述能力。方法 首先,在特征提取和识别任务之前,进行一系列的预处理：人脸分割、离群点移除和孔洞填补;接着,在预处理后的人脸曲面上,提取原始mesh-LBP特征,以及基于阈值化策略的3种改进特征：mesh-tLBP、mesh-MBP和mesh-LTP;然后,对于上述提取的4种特征,采用不同的统计方法,包括整体直方图、局部分块直方图和整体编码图像,用做人脸纹理的特征描述。最后,针对CASIA3D数据集中不同表情和姿态变化的人脸,采用余弦相似度进行人脸的识别任务。结果 通过对比人脸曲面和普通物体曲面的纹理特征,发现人脸纹理完全不同于普通纹理,不规则并且难以描述;通过对比mesh-LBP两种变体,发现mesh-LBP（α₁）适用于姿态变化,而mesh-LBP（α₂）适用于表情变化;通过对比原始mesh-LBP及其3种改进,发现mesh-tLBP对于人脸不同表情变化下的识别准确率最高有0.5%的提升;通过对比3种不同的统计方法,发现采用整体编码图像进行统计的特征尽管弱于局部分块直方图,但相比整体直方图,识别率在不同表情变化下最高有46.8%的提升。结论 mesh-LBP特征是一种优良的3维局部纹理特征,未来将会在3维医学处理、3维地形起伏检测以及3维人脸识别中得到更多的应用。     

混合双注意力机制生成对抗网络的图像修复模型

目的 图像修复是指用合理的内容来填补图像缺失或损坏的部分。尽管生成对抗网络（generative adversarial network,GAN）取得了巨大的进步,但当缺失区域很大时,现有的大多数方法仍然会产生扭曲的结构和模糊的纹理。其中一个主要原因是卷积操作的局域性,它不考虑全局或远距离结构信息,只是扩大了局部感受野。方法 为了克服上述问题,提出了一种新的图像修复网络,即混合注意力生成对抗网络（hybrid dual attention generativeadversarial network,HDA-GAN）,它可以同时捕获全局结构信息和局部细节纹理。具体地,HDA-GAN将两种级联的通道注意力传播模块和级联的自注意力传播模块集成到网络的不同层中。对于级联的通道注意力传播模块,将多个多尺度通道注意力块级联在网络的高层,用于学习从低级细节到高级语义的特征。对于级联的自注意力传播模块,将多个基于分块的自注意力块级联在网络的中低层,以便在保留更多的细节的同时捕获远程依赖关系。级联模块将多个相同的注意力块堆叠成不同的层,能够增强局部纹理传播到全局结构。结果 本文采用客观评价指标：均方差（mean squared error,MSE）、峰值信噪比（peak signal-to-noise ratio,PSNR）和结构相似性指数（structural similarityindex,SSIM）在Paris Street View数据集和CelebA-HQ（CelebA-high quality）数据集上进行了大量实验。定量比较中,HDA-GAN在Paris Street View数据集上相比于Edge-LBAM（edge-guided learnable bidirectional attention maps）方法,在掩码不同的比例上,PSNR提升了1.28 dB、1.13 dB、0.93 dB和0.80 dB,SSIM分别提升了5.2%、8.2%、10.6%和13.1%。同样地,在CelebA-HQ数据集上相比于AOT-GAN（aggregated contextual transformations generative adversarialnetwork）方法,在掩码不同的比例上,MAE分别降低了2.2%、5.4%、11.1%、18.5%和28.1%,PSNR分别提升了0.93 dB、0.68 dB、0.73 dB、0.84 dB和0.74 dB。通过可视化实验可以明显观察到修复效果优于以上方法。结论 本文提出的图像修复方法,充分发挥了深度学习模型进行特征学习和图像生成的优点,使得修复图像缺失或损坏的部分更加准确。     

刚性区域特征点的3维人脸识别

目的 针对3维人脸识别中存在表情变化的问题,提出了一种基于刚性区域特征点的3维人脸识别方法。方法 该方法首先在人脸纹理图像上提取人脸图像的特征点,并删除非刚性区域内的特征点,然后根据采样点的序号,在人脸空间几何信息上得到人脸图像特征点的3维几何信息,并建立以特征点为中心的刚性区域内的子区域,最后以子区域为局部特征进行人脸识别测试,得到不同子区域对人脸识别的贡献,并以此作为依据对人脸识别的结果进行加权统计。结果 在FRGC v2.0的3维人脸数据库上进行实验测试,该方法的识别准确率为98.5%,当错误接受率（FAR）为0.001时的验证率为99.2%,结果表明,该方法对非中性表情下的3维人脸识别具有很好的准确性。结论 该方法可以有效克服表情变化对3维人脸识别的影响,同时对3维数据中存在的空洞和尖锐噪声等因素具有较好的鲁棒性,对提高3维人脸识别性能具有重要意义。     

用于单幅模糊图像超分辨的Transformer融合网络

目的 以卷积神经网络为代表的深度学习方法已经在单帧图像超分辨领域取得了丰硕成果,这些方法大多假设低分辨图像不存在模糊效应。然而,由于相机抖动、物体运动等原因,真实场景下的低分辨率图像通常会伴随着模糊现象。因此,为了解决模糊图像的超分辨问题,提出了一种新颖的Transformer融合网络。方法 首先使用去模糊模块和细节纹理特征提取模块分别提取清晰边缘轮廓特征和细节纹理特征。然后,通过多头自注意力机制计算特征图任一局部信息对于全局信息的响应,从而使Transformer融合模块对边缘特征和纹理特征进行全局语义级的特征融合。最后,通过一个高清图像重建模块将融合特征恢复成高分辨率图像。结果 实验在2个公开数据集上与最新的9种方法进行了比较,在GOPRO数据集上进行2倍、4倍、8倍超分辨重建,相比于性能第2的模型GFN(gated fusion network),峰值信噪比(peak signal-to-noive ratio,PSNR)分别提高了0.12 dB、0.18 dB、0.07 dB;在Kohler数据集上进行2倍、4倍、8倍超分辨重建,相比于性能第2的模型GFN,PSNR值分别提高了0.17 dB、0.28 dB、0.16 dB。同时也在GOPRO数据集上进行了对比实验以验证Transformer融合网络的有效性。对比实验结果表明,提出的网络明显提升了对模糊图像超分辨重建的效果。结论 本文所提出的用于模糊图像超分辨的Transformer融合网络,具有优异的长程依赖关系和全局信息捕捉能力,其通过多头自注意力层计算特征图任一局部信息在全局信息上的响应,实现了对去模糊特征和细节纹理特征在全局语义层次的深度融合,从而提升了对模糊图像进行超分辨重建的效果。     

联合多任务学习的人脸超分辨率重建

目的 人脸超分辨率重建是特定应用领域的超分辨率问题,为了充分利用面部先验知识,提出一种基于多任务联合学习的深度人脸超分辨率重建算法。方法 首先使用残差学习和对称式跨层连接网络提取低分辨率人脸的多层次特征,根据不同任务的学习难易程度设置损失权重和损失阈值,对网络进行多属性联合学习训练。然后使用感知损失函数衡量HR（high-resolution）图像与SR（super-resolution）图像在语义层面的差距,并论证感知损失在提高人脸语义信息重建效果方面的有效性。最后对人脸属性数据集进行增强,在此基础上进行联合多任务学习,以获得视觉感知效果更加真实的超分辨率结果。结果 使用峰值信噪比（PSNR）和结构相似度（SSIM）两个客观评价标准对实验结果进行评价,并与其他主流方法进行对比。实验结果显示,在人脸属性数据集（CelebA）上,在放大8倍时,与通用超分辨率MemNet（persistent memory network）算法和人脸超分辨率FSRNet（end-to-end learning face super-resolution network）算法相比,本文算法的PSNR分别提升约2.15 dB和1.2 dB。结论 实验数据与效果图表明本文算法可以更好地利用人脸先验知识,产生在视觉感知上更加真实和清晰的人脸边缘和纹理细节。     

一种自动鲁棒的三维人脸重建方法

三维人脸模型已经广泛应用到视频电话、视频会议、影视制作、电脑游戏、人脸识别等多个领域。目前三维人脸建模一般使用多幅图像，且要求表情中性。本文提出了基于正、侧面任意表情三维人脸重建方法。首先对二维图像中的人脸进行特征提取，然后基于三维人脸统计模型，通过缩放、平移、旋转等方法，及全局和局部匹配，获得特定的三维人脸。基于二维图像中的人脸纹理信息，通过纹理映射，获得完整的三维人脸。通过对大量实际二维人脸图像的三维人脸重建，证实了该方法的有效性和鲁棒性。     

从多张非标定图像重建三维人脸

为了在人脸动画中方便地重建真实感强的三维人脸模型,提出一种从多角度、非标定图像重建三维人脸的方法.首先利用一种基于规则网格变形的模型归一化方法建立人脸形变模型;然后分别在5幅人脸图像上手动标注不超过14个关键点,通过拟合图像上的关键点重建个性化的人脸几何形状;最后从每个角度渲染出一幅形状无关纹理,并将5幅形状无关纹理融合成一幅平滑的纹理图像.重建结果显示,该方法能在较少的手动交互的情况下重建出具有真实感的个性化人脸模型.     

基于标准肤色的人脸图像纹理合成与三维重建应用

本文提出一种基于单幅人脸图像并结合标准肤色的人脸图像纹理合成和三维重建算法.首先,利用ASM算法提取人脸特征点,并通过基于局部线性嵌入算法的编辑传播实现颜色转换,使图像人脸色调与三维人脸模型标准肤色一致.接着,将人脸图像五官区域与标准肤色图进行泊松融合,并考虑眉毛遮挡情况,利用人脸对称性或眉毛模板还原眉毛.尤其对于半遮挡眉毛,采用Li模型和角点检测相结合的方法重建眉毛轮廓,得到最终人脸纹理图.最后通过纹理映射将人脸纹理图映射到三维人脸模型上,得到较好的个性化三维人脸重建效果.实验表明,本文算法能够适用于不同复杂背景和光照条件下拍摄的人脸图像,具有较快的处理速度,能够应用于人脸实时重建产品中.     

面向大姿态人脸识别的正面化形变场学习

目的 人脸识别已经得到了广泛应用,但大姿态人脸识别问题仍未完美解决。已有方法或提取姿态鲁棒特征,或进行人脸姿态的正面化。其中主流的人脸正面化方法包括2D回归生成和3D模型形变建模,前者能够生成相对自然真实的人脸,但会引入额外的噪声导致图像信息的扭曲;后者能够保持原始的人脸结构信息,但生成过程是基于物理模型的,不够自然灵活。为此,结合2D和3D方法的优势,本文提出了基于由粗到细形变场的人脸正面化方法。方法 该形变场由深度网络以2D回归方式学得,反映的是不同视角人脸图像像素之间的语义级对应关系,可以类3D的方式实现非正面人脸图像的正面化,因此该方法兼具了2D正面化方法的灵活性与3D正面化方法的保真性,且借鉴分步渐进的思路,本文提出了由粗到细的形变场学习框架,以获得更加准确鲁棒的形变场。结果 本文采用大姿态人脸识别实验来验证本文方法的有效性,在MultiPIE （multi pose,illumination,expressions）、LFW （labeled faces in the wild）、CFP （celebrities in frontal-profile in the wild）、IJB-A （intelligence advanced research projects activity Janus benchmark-A）等4个数据集上均取得了比已有方法更高的人脸识别精度。结论 本文提出的基于由粗到细的形变场学习的人脸正面化方法,综合了2D和3D人脸正面化方法的优点,使人脸正面化结果的学习更加灵活、准确,保持了更多有利于识别的身份信息。     

结合形变模型与图像修复的人脸姿态矫正

目的 人脸姿态偏转是影响人脸识别准确率的一个重要因素,本文利用3维人脸重建中常用的3维形变模型以及深度卷积神经网络,提出一种用于多姿态人脸识别的人脸姿态矫正算法,在一定程度上提高了大姿态下人脸识别的准确率。方法 对传统的3维形变模型拟合方法进行改进,利用人脸形状参数和表情参数对3维形变模型进行建模,针对面部不同区域的关键点赋予不同的权值,加权拟合3维形变模型,使得具有不同姿态和面部表情的人脸图像拟合效果更好。然后,对3维人脸模型进行姿态矫正并利用深度学习对人脸图像进行修复,修复不规则的人脸空洞区域,并使用最新的局部卷积技术同时在新的数据集上重新训练卷积神经网络,使得网络参数达到最优。结果 在LFW（labeled faces in the wild）人脸数据库和StirlingESRC（Economic Social Research Council）3维人脸数据库上,将本文算法与其他方法进行比较,实验结果表明,本文算法的人脸识别精度有一定程度的提高。在LFW数据库上,通过对具有任意姿态的人脸图像进行姿态矫正和修复后,本文方法达到了96.57%的人脸识别精确度。在StirlingESRC数据库上,本文方法在人脸姿态为±22°的情况下,人脸识别准确率分别提高5.195%和2.265%;在人脸姿态为±45°情况下,人脸识别准确率分别提高5.875%和11.095%;平均人脸识别率分别提高5.53%和7.13%。对比实验结果表明,本文提出的人脸姿态矫正算法有效提高了人脸识别的准确率。结论 本文提出的人脸姿态矫正算法,综合了3维形变模型和深度学习模型的优点,在各个人脸姿态角度下,均能使人脸识别准确率在一定程度上有所提高。     

基于HMM的单样本可变光照、姿态人脸识别

提出了一种基于HMM的单样本可变光照、姿态人脸识别算法.该算法首先利用人工配准的训练集对单张正面人脸输入图像与Candide3模型进行自动配准,在配准的基础上重建特定人脸三维模型.对重建模型进行各种角度的旋转可得到姿态不同的数字人脸,然后利用球面谐波基图像调整数字人脸的光照系数可产生光照不同的数字人脸.将产生的光照、姿态不同的数字人脸同原始样本图像一起作为训练数据,为每个用户建立其独立的人脸隐马尔可夫模型.将所提算法对现有人脸库进行识别,并与基于光照补偿和姿态校正的识别方法进行比较.结果显示,该算法能有效避免光照补偿、姿态校正方法因对某些光照、姿态校正不理想而造成的识别率低的情况,能更好地适应光照、姿态不同条件下的人脸识别.     

多参数加权的无缝纹理映射算法

目的 针对基于图像3维重建中纹理映射存在缝隙的问题,提出一种多参数加权的无缝纹理映射算法。方法 算法根据图像的标定信息对三角格网进行聚类分割,将重建模型聚类成不同参考图像的网格贴片,并对贴片排序生成纹理图像,加权融合重建顶点的法线角度、图像视点、模型深度等信息生成纹理贴片像素,最后采用多分辨率分解融合技术消除纹理贴片缝隙,实现无缝的纹理映射。结果 对不同的测试数据进行了验证,本文算法在保持一定清晰度的前提下消除了纹理的缝隙,即使对于构网误差较大的区域也能得到较为满意的结果,同时本文算法支持大数据的3维纹理映射。结论 提出了一种无缝的纹理映射算法,算法通过构造一个平滑的加权方程融合多源信息消除纹理的接缝,实验结果表明了本文算法的有效性及实用性,得到了高保真的无缝纹理映射效果,可应用到城市级别的大场景3维重建领域。     

Pose-invariant face recognition using a 3D deformable model

The paper proposes a novel, pose-invariant face recognition system based on a deformable, generic 3D face model, that is a composite of: (1) an edge model, (2) a color region model and (3) a wireframe model for jointly describing the shape and important features of the face. The first two submodels are used for image analysis and the third mainly for face synthesis. In order to match the model to face images in arbitrary poses, the 3D model can be projected onto different 2D viewplanes based on rotation, translation and scale parameters, thereby generating multiple face-image templates (in different sizes and orientations). Face shape variations among people are taken into account by the deformation parameters of the model. Given an unknown face, its pose is estimated by model matching and the system synthesizes face images of known subjects in the same pose. The face is then classified as the subject whose synthesized image is most similar. The synthesized images are generated using a 3D face representation scheme which encodes the 3D shape and texture characteristics of the faces. This face representation is automatically derived from training face images of the subject. Experimental results show that the method is capable of determining pose and recognizing faces accurately over a wide range of poses and with naturally varying lighting conditions. Recognition rates of 92.3% have been achieved by the method with 10 training face images per person.     

基于模型的头部运动估计和面部图像合成

文中讨论一种基于模型的头部运动估计和面部图像合成方法。首先建立了一个基于人脸几何模型的可变形三维面部模型,此模型可根据不同人脸图像特征修正特定人脸模型。为了使特定人脸模型与特定人脸图像相匹配,需根据变形模型修正人脸模型。文中采用自动调整与人机交互相结合的方法实现特定人脸模型匹配。在调整完模型形状之后,应用３个方向的面部图像进行纹理映射生成不同视点方向的面部图像。应用合成面部图像与输入面部图像最佳匹