大廠技術(shù) 堅(jiān)持周更精選好文

前言

上周啟動(dòng)居家開會(huì)的時(shí)候，看到有人通過「虛擬形象」功能，給自己帶上了口罩、眼鏡之類，于是想到了是不是也可以搞一個(gè)簡(jiǎn)單的虛擬形象系統(tǒng)。

大致想來(lái)，分為以下幾個(gè)部分：

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)

下面講解一下三層CNN網(wǎng)絡(luò)模型：

卷積層——提取特征

卷積層的運(yùn)算過程如下圖，用一個(gè)卷積核掃完整張圖片：

通過動(dòng)圖能夠更好的理解卷積過程，使用一個(gè)卷積核（過濾器）來(lái)過濾圖像的各個(gè)小區(qū)域，從而得到這些小區(qū)域的特征值。

在具體應(yīng)用中，往往有多個(gè)卷積核，每個(gè)卷積核代表了一種圖像模式（特征規(guī)則），如果某個(gè)圖像塊與此卷積核卷積出的值大，則認(rèn)為此圖像塊十分接近于此卷積核。如果有N個(gè)卷積核，那么就認(rèn)為圖像中有N種底層紋理（特征），即用這N種基礎(chǔ)紋理就能描繪出一副圖像。

總結(jié)： 卷積 層的通過卷積核的過濾提取出圖片中局部的特征。

疑問：上圖卷積后，存在邊緣數(shù)據(jù)特征提取減少，大家能想到什么方式處理呢？

池化層（下采樣）——數(shù)據(jù)降維，避免過擬合

池化層通常也被叫做下采樣，目的是降低數(shù)據(jù)的維度，減少數(shù)據(jù)處理量。其過程大致如下：

上圖輸入時(shí)是20×20的，先進(jìn)行卷積采樣，卷積核為10×10，采用最大池化的方式，輸出為一個(gè)2×2大小的特征圖。這樣可將數(shù)據(jù)維度減少了10倍，方便后續(xù)模塊處理。

總結(jié)：池化層相比 卷積 層可以更有效的降低數(shù)據(jù)維度，不僅可減少運(yùn)算量，還可以避免 過擬合 。

過擬合是指訓(xùn)練誤差和測(cè)試誤差之間的差距太大。換句換說，就是模型復(fù)雜度高于實(shí)際問題，模型在訓(xùn)練集上表現(xiàn)很好，但在測(cè)試集上卻表現(xiàn)很差。模型對(duì)訓(xùn)練集"死記硬背"（記住了不適用于測(cè)試集的訓(xùn)練集性質(zhì)或特點(diǎn)），沒有理解數(shù)據(jù)背后的規(guī)律，泛化能力差。

全連接層——輸出結(jié)果

全鏈接層是將我們最后一個(gè)池化層的輸出連接到最終的輸出節(jié)點(diǎn)上。假設(shè)，上述CNN的最后一個(gè)池化層的輸出大小為 [5×5×4]，即 5×5×4=100 個(gè)節(jié)點(diǎn)。對(duì)于當(dāng)前任務(wù)（僅識(shí)別??、??、??），我們的輸出會(huì)是一個(gè)三維向量，輸出層共 3 個(gè)節(jié)點(diǎn)，如輸出[0.89, 0.1, 0.001]，表示0.89的概率為貓。在實(shí)際應(yīng)用中，通常全連接層的節(jié)點(diǎn)數(shù)會(huì)逐層遞減，最終變?yōu)閚維向量。

舉個(gè)例子??

假設(shè)我們有2個(gè)檢測(cè)的特征為「水平邊緣」和「垂直邊緣」。「垂直邊緣」卷積過程如下：

最終結(jié)果如下：

Q&A環(huán)節(jié)

沒錯(cuò)啦，前面的問題的答案就是邊緣填充。

face-api.js

face-api.js 是基于 tensorflow.js 實(shí)現(xiàn)的，內(nèi)置了一些訓(xùn)練好的模型，這些模型應(yīng)該是這個(gè)方案的核心，通過這些預(yù)先訓(xùn)練好的模型，我們可以直接使用而不需要自己再去標(biāo)注、訓(xùn)練，極大的降低了成本。

主要提供的功能如下：

人臉檢測(cè)：獲取一張或多張人臉的邊界，可用于確認(rèn)人臉的位置、數(shù)量和大小
人臉特征檢測(cè)：包含68個(gè)人臉特征點(diǎn)位，獲取眉毛、眼睛、鼻子、嘴、嘴唇、下巴等的位置和形狀
人臉識(shí)別：返回人臉特征向量，可用于辨別人臉
人臉表情識(shí)別：獲取人臉表情特征
性別和年齡檢測(cè)：判斷年齡和性別。其中“性別”是判斷人臉的女性化或男性化偏向，與真實(shí)性別不一定掛鉤

人臉檢測(cè)

針對(duì)人臉檢測(cè)，face-api 提供了 SSD Mobilenet V1 和 The Tiny Face Detector 兩個(gè)人臉檢測(cè)模型：

SSD Mobilenet V1：能夠計(jì)算圖像中每個(gè)人臉的位置，并返回邊界框以及每個(gè)框內(nèi)包含人臉的概率，但是這個(gè)模型有 5.4M，加載需要比較長(zhǎng)的時(shí)間，弱網(wǎng)環(huán)境下加載過于耗時(shí)。
The Tiny Face Detector ：這個(gè)模型性能非常好，可以做實(shí)時(shí)的人臉檢測(cè)，且只有190kB，但是檢測(cè)準(zhǔn)確性上不如 SSD Mobilenet V1，且在檢測(cè)比較小的人臉時(shí)不太可靠。相對(duì)而言，比較適合移動(dòng)端或者設(shè)備資源優(yōu)先的條件下。

人臉特征檢測(cè)

針對(duì)人臉特征檢測(cè)，提供了 68 點(diǎn)人臉特征檢測(cè)模型，檢測(cè)這 68 個(gè)點(diǎn)的作用是為了后續(xù)的人臉對(duì)齊，為后續(xù)人臉識(shí)別做準(zhǔn)備，這里提供了兩個(gè)大小的模型供選擇：350kb和80kb，大的模型肯定是更準(zhǔn)確，小的模型適合對(duì)精確度要求不高，對(duì)資源要求占用不高的場(chǎng)景。其輸出的區(qū)域特征點(diǎn)區(qū)間固定如下：

區(qū)域	區(qū)間
下巴	[1, 16]
左眉	[18, 22]
右眉	[23, 27]
鼻梁	[28, 31]
鼻子	[32, 26]
左眼	[37, 42]
右眼	[43, 48]
外嘴唇	[49, 60]
內(nèi)嘴唇	[61, 68]

人臉識(shí)別

經(jīng)過人臉檢測(cè)以及人臉對(duì)齊以后，將檢測(cè)到的人臉輸入到人臉識(shí)別網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行識(shí)別，從而獲得一個(gè)128維的人臉特征向量。通過計(jì)算兩個(gè)向量之間的距離（余弦值），就可以判斷相似度。

虛擬形象系統(tǒng)

獲取人臉圖像

目前主流瀏覽器提供了WebRTC能力，我們可以調(diào)用getUserMedia方法指定設(shè)備采集音視頻數(shù)據(jù)。其中constrains詳情參考 MediaTrackConstraints - Web APIs | MDN^[1]。

const constraints = { audio: true, video: { width: 1280, height: 720 } };
const setLocalMediaStream = (mediaStream: MediaStream) => {
    videoRef.current.srcObject = mediaStream;
}
navigator
    .mediaDevices
    .getUserMedia(constraints)
    .then(setLocalMediaStream)

獲取人臉特征

根據(jù)官方文檔介紹，The Tiny Face Detector模型與人臉特征識(shí)別模型組合的效果更好，故本文使用的人臉檢測(cè)模型是The Tiny Face Detector。

這個(gè)模型有兩個(gè)參數(shù)可以調(diào)整，包括 inputSize 和 scoreThreshold，默認(rèn)值是 416 和 0.5。

inputSize：表示檢測(cè)范圍（人臉邊框），值越小檢測(cè)越快，但是對(duì)小臉的檢測(cè)準(zhǔn)確不足，可能會(huì)檢測(cè)不出，如果是針對(duì)視頻的實(shí)時(shí)檢測(cè)，可以設(shè)置比較小的值。
scoreThreshold：是人臉檢測(cè)得分的閾值，假如在照片中檢測(cè)不到人臉，可以將這個(gè)值調(diào)低。

首先我們要選擇并加載模型（這里使用官網(wǎng)訓(xùn)練好的模型和權(quán)重參數(shù)）

// 加載人臉檢測(cè)模型
await faceApi.nets.tinyFaceDetector.loadFromUri(
    'xxx/weights/',
);
// 加載特征檢測(cè)模型
await faceApi.nets.faceLandmark68Net.loadFromUri(
    'xxx/weights/',
);

轉(zhuǎn)換人臉檢測(cè)模型。face-api的人臉檢測(cè)模型默認(rèn)是 SSD Mobilenet v1，這里需要顯式調(diào)整為The Tiny Face Detector模型。

const options = new faceApi.TinyFaceDetectorOptions({
  inputSize,
  scoreThreshold,
});

// 人臉68點(diǎn)位特征集
const result = await faceApi
  .detectSingleFace(videoEl, options) // 人臉檢測(cè)
  .withFaceLandmarks(); // 特征檢測(cè)

形象繪制

經(jīng)過上述計(jì)算，我們已經(jīng)拿到了人臉68點(diǎn)位特征集。需要先計(jì)算點(diǎn)位相對(duì)坐標(biāo)信息，然后進(jìn)行形象繪制。

const canvas = canvasRef.current;
const canvasCtx = canvas.getContext('2d');
const dims = faceApi.matchDimensions(canvas, videoEl, true);
const resizedResult = faceApi.resizeResults(result, dims);

本文使用的是一張256*256的口罩圖片，選取1號(hào)和16號(hào)點(diǎn)位繪制口罩，根據(jù)兩點(diǎn)位之間的距離縮放口罩大小。

這里主要調(diào)研了兩種方式，分別是canvas繪制和媒體流繪制。

canvas繪制

首先想到的一種方式，video和canvas大小和位置固定，定時(shí)抓取video媒體流中圖片，進(jìn)行識(shí)別人臉，然后繪制在canvas上。

const { positions } = resizedResult.landmarks;
const leftPoint = positions[0];
const rightPoint = positions[16];
const length = Math.sqrt(
    Math.pow(leftPoint.x - rightPoint.x, 2) +
      Math.pow(leftPoint.y - rightPoint.y, 2),
);
canvasCtx?.drawImage(
    mask,
    0,
    0,
    265,
    265,
    leftPoint.x,
    leftPoint.y,
    length,
    length,
);

媒體流繪制

canvas提供了一個(gè)api叫做 captureStream^[2]，會(huì)返回一個(gè)繼承MediaStream的實(shí)例，實(shí)時(shí)視頻捕獲畫布上的內(nèi)容（媒體流）。我們可以在canvas上以固定幀率進(jìn)行圖像繪制，獲取視頻軌道。

這樣我們僅需保證video和canvas大小一致，位置無(wú)需固定，甚至canvas可以離屏不渲染。

const stream = canvasRef.current.captureStream()!;
  mediaStream = res[0].clone();
  mediaStream.addTrack(stream.getVideoTracks()[0]);
  videoRef.current!.srcObject = mediaStream;

對(duì)比

canvas繪制兼容性更好，但在實(shí)時(shí)通信場(chǎng)景下，需傳遞點(diǎn)位信息或端重復(fù)計(jì)算，容易受網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)以及硬件設(shè)備影響，導(dǎo)致實(shí)際繪制出現(xiàn)偏差（依賴端能力）
媒體流繪制兼容性較差，但是在直播等場(chǎng)景下效果會(huì)更好，在輸出端做好已經(jīng)做好媒體流融合，接收端依托媒體能力播放即可。同時(shí)內(nèi)容也不易篡改