python+人脸识别+opencv实现真实人脸驱动的阿凡达（上）

一、前言

我们在此前的名叫python+opencv实现人脸微整形博文里已经简单地实现了人脸图像的微形变，为人脸驱动一个虚拟人脸提供了一些基础，但是运行性能上面需要优化，因为要想用人脸特征点实时驱动，需要非常快速的响应时间。目前国内外高等院校利用深度学习、生成神经网络等技术取得了较大的进展，由于神经网络需要耗费大量的算力，动则需要1万元以上的显卡3块并训练3个星期，不是个人能玩得，本篇试图利用简单图像处理原理继续深入探究人脸驱动应用，作一下入门级研究，目标是基于人脸识别出的特征点（如眉毛、眼睛、嘴唇）并计算相机的相对于人脸的朝向，简单实现真人脸微表情驱动一张虚拟人脸，虚拟人脸可以是一个二次元人脸、一个卡通脸或者是另一个AI生成的真人脸。

二、技术路线

如上图所示，主要技术路线是：首先，通过摄像头实时捕捉人脸，并通过人脸识别软件模块获取真实人脸得特征点（如下图）：

然后将特征点映射至数字人得对应特征点上，形成运动的主从运动映射（即，主动特征点产生偏移dx、dy，那么从动点也使得发生偏移），这样就实现了人脸驱动的功能，如下图的人眼球运动，通过人脸检测，获取眼球的位置点作为驱动点，当眼球发生偏移，数字人从动点眼睛也发生变化了。

三、主要技术点分析

虽然以上的技术路线看起来比较简单，但是我们通过前期的测试发现，要可靠的运行，还存在一些比较底层的问题需要优化或者解决，主要包括：

(1) 人脸识别模块特征点的漂移

人脸识别模块我们可以通过多种开源程序获得，这里我们使用的是python库——face_recognition，识别较为准确，但是识别出的特征点存在飘逸，如果直接将模块识别出的特征点映射到阿凡达从动点，会出现随机微小的抖动，显得非常的不自然。
我们主要采用设置时间窗口，并进行均值计算，在不牺牲实时性的前提下用平均值代替瞬时值，起到了一定的滤波效果。后续再碰到此来问题，还将尝试其它消除稳定性的算法，本次代码部分如下：

    if firstloop and ticktak<6:  #时间周期设为5个循环时间       
        rig_center_xs0.append(rig_center_x)
        rig_center_ys0.append(rig_center_y)
        
    if firstloop and ticktak>=6:#大于5个周期，为下一个间隔数据  
        rig_center_xs.append(rig_center_x)
        rig_center_ys.append(rig_center_y)         
        
    if ticktak>10:
        ticktak=0
        screen.blit(bg_img, (0, 0))
        
        count=0
        while len(rig_center_xs0):#计算k-1间隔平均值
            count+=1
            rig_center_x0=rig_center_x0+rig_center_xs0.popleft() 
            rig_center_y0=rig_center_y0+rig_center_ys0.popleft()            
        rig_center_x0=int(rig_center_x0/count)            
        rig_center_y0=int(rig_center_y0/count)
        count=0
        while len(rig_center_xs):#计算k间隔平均值
            count+=1
            rig_center_x1=rig_center_x1+rig_center_xs.popleft() 
            rig_center_y1=rig_center_y1+rig_center_ys.popleft()            
        rig_center_x1=int(rig_center_x1/count)            
        rig_center_y1=int(rig_center_y1/count)
        #计算两个窗口期的偏移量，用于驱动数字人对应从动点
        deyesx=rig_center_x1-rig_center_x0
        deyesy=rig_center_y1-rig_center_y0        

(2) 柔性运动与刚性运动的处理

同一视角下，人脸的运动点可以认为是刚性运动+柔性运动的组合结果。所谓的刚性运动，是运动部位不产生自身的形变，人脸上眼球、牙齿、鼻子、耳朵等的运动可以认为是刚性的运动；所谓柔性运动，这里指的是运动的部位产生了形变、弯曲、拉扯等，如表情中眉毛的微微变形、嘴巴的张大缩小、眼睛的睁大等。
在此前的博文中我们采用“控制点位置变化来影响周边的像素点的变化”的原理来实现局部的变形，但是由于需要便利所有的像素点计算量比较大，实际生成应用存在一定的性能瓶颈。受到linve2d技术（一种应用于电子游戏的绘图渲染技术）的启发，可以应用可自定义的三角剖分，加上局部仿射变换进行所控图像的任意柔性变形！主要解决的思路如下：

setp1 基于人脸特征点的三角剖分

首先我们根据人脸识别模块获得正面人脸的特征点，并利用三角剖分算法对人脸进行三角分割：

然后在数字人中自定义映射点，并根据所得到的剖分也进行三角形分割。


这样就实现了一一对应，当然这个工作需要做细致，并进行反复的调试。

setp2 基于三角映射的仿射变换

这一步是要根据所得到的三角，对每个三角部分进行前后帧的仿射变换，我们可以利用opencv自带的工具进行计算，先计算仿射变换矩阵，再利用cv2.warpAffine进行变换：

        # 计算仿射阵        
        WMat = cv2.getAffineTransform( np.float32(tri1), np.float32(tri2) )              
        # 根据仿射阵计算目标图像
        img2Cropped = cv2.warpAffine( img1, WMat, (r2[2], r2[3]), None, flags=cv2.INTER_LINEAR, borderMode=cv2.BORDER_REFLECT_101 )

这样将所有的三角块都遍历一遍，就完成了整个人脸的柔性变形！

(3) 正脸转侧脸的处理

由于我们入门级的数字人只是一个二维的正脸图像，没有三维的信息，如何让她动起来（左右微微摇头），从而产生更加仿真的结果。这块未经过测试，在本篇先不予以说明，待测试完后在后续博文中发出。

四、小结

上篇就到此浅尝则至了，以上所描述的技术我们一步一步敲代码，运行测试调试，用python已经写到了730行，这可能仅仅只是开始，过程非常耗时间，当完成一个初步应用后，我们打算把这个程序开源，希望得到更多人的助力。