在NeurIPS 2022上，南洋理工大学-商汤科技联合研究中心S-Lab提出了一种基于VQGAN+Transformer的人脸复原模型CodeFormer。该方法基于预训练VQGAN离散码本空间，改变复原任务的固有范式，将人脸复原任务转成Code序列的预测任务，大幅度降低了复原任务映射的不确定性，同时VQGAN的码本先验也为复原任务提供了丰富的人脸细节。最后，通过Transformer全局建模，进一步增加了模型对严重退化的鲁棒性，使得复原的人脸更加真实。
论文地址：https://arxiv.org/abs/2206.11253
项目地址：https://shangchenzhou.com/projects/CodeFormer
GitHub地址：https://github.com/sczhou/CodeFormer
Hugging Face地址：
https://huggingface.co/spaces/sczhou/CodeFormer
一、人脸复原的挑战
在介绍方法之前，先讨论下人脸复原任务面临的诸多挑战：
1. 图片复原任务中的共性问题：高度不适定性。 低清图像（LQ）和潜在的高清图像（HQ）存在多对多的映射关系，如下图所示。这种多解的映射使得网络在学习过程中产生疑惑，无法获得一个高质量的输出，且退化越严重，这种不适应性就会越大。“如何才能降低这种映射的不确定性”是其挑战之一。
2. 纹理细节丢失。 从上图可以看出，真实场景的低清人脸图片中往往会引入各种退化，包括噪声、JPEG压缩伪影、模糊、下采样等。这些退化不同程度地损害了原有人脸纹理细节，造成信息丢失。“如何更好地补充真实高清纹理”也一直是人脸复原的一大难题。
3. 人脸身份丢失。 以上两点都会导致人脸复原的结果很难保持身份的一致性。然而现实应用中又往往对输出人脸的身份一致性有着很高的要求，在输出高清人脸细节的同时，又要与低清人脸的身份保持一致，这无疑增加了复原过程的难度。
二、方法动机
我们首先引入了VQGAN的离散码本空间来缓解以上 (1)、(2) 两个问题。有限且离散的映射空间大大降低了复原任务映射的不适定性 (1)。通过VQGAN的自重建训练，码本先验保存了丰富的高清人脸纹理信息，帮助复原任务补充真实的人脸纹理细节 (2)。
如下图所示，相比连续先验空间 (d、e)，离散码本空间 (f、g) 可以输出更高质量的结果 (没有伪影)，保持完好脸庞轮廓的同时，也展现出更真实、细致的纹理。
如何更准确地得到Code序列呢？我们对比分析了两种不同Code序列的查找方式：最近邻特征查找 (f) 和基于Transformer预测 (g)，我们发现基于Transformer预测 (g)会得到更准确的Code序列，即生成更高质量的人脸图像且保持更好的身份一致性，如上图所示。
我们进一步发现，基于VQGAN最近邻特征查找的Code序列查询方式并不适用于低清图像。通过对高清 (HQ) 和低清 (LQ) 特征进行聚类可视化，我们分析了原因，如上图所示。
由于VQGAN的码本通过存储HQ的Code来重建高清人脸图，HQ特征分布在准确的Code簇附近，因此HQ特征可以通过最近邻来进行Code查找。然而，LQ特征丢失了大量的纹理信息，导致其分布到错误的Code簇中 (即便Finetune过Encoder)。
由此得出，最近邻Code查找对于LQ特征并不是最优的解决方案，我们通过Transformer进行全局人脸建模，缓解了局部特征最近邻查找带来的不准确性，从而找到更准确的Code序列，使得模型对严重细节损失更为鲁棒，复原的人脸图片也更加自然。
虽然Transformer可以缓解身份不一致的问题 (3)，但由于VQGAN的码本空间并不能100%完美地重建出任意人脸，比如个人特有面部特征或首饰，因此引入可调节特征融合模块来控制对输入LQ人脸的依赖。
当输入LQ图像退化轻微时，LQ特征很好地保留了个人的身份信息，因此该模块倾向于融合更多的输入信息，使得模型输出和输入图保持身份一致；当输入LQ图像退化严重时，LQ特征中个人的身份信息已经严重损坏且包含了大量的退化噪声，无法对输出身份一致性提供太大的帮助，因此该模块倾向于融合较少的输入信息，从而降低退化对输出质量的影响。
了解本文动机后，这里简单介绍一下本文方法，实现细节请查看原文和代码。
该方法分为3个训练过程：
Stage I：Codebook Learning
首先通过高清人脸自我重建学习，训练VQGAN，从而得到HQ码本空间作为本文的离散人脸先验。为了降低LQ-HQ映射之间的不确定性，我们设计尽量小的码本空间和尽量短的Code序列作为人脸的离散表达。因此，我们采用了大的压缩比 (32倍)，即将原来的人脸图片压缩为的离散Code序列。该设计使得码本中Code具有更丰富的上下文信息，有助于提升网络表达能力以及鲁棒性。
Stage II：Codebook Lookup Transformer Learning
基于得到的码本空间，我们在原来Encoder后又嵌入一个Transformer模块对特征全局建模，以达成更好的Code序列预测。该阶段固定Decoder和Codebook，只需学习Transformer模块并微调Encoder。将原本的复原任务转变为离散Code序列预测任务，改变了复原任务的固有范式，这也是本文的主要贡献之一。
Stage III：Controllable Feature Transformation
四、实验结果
CodeFormer在人脸复原、人脸颜色增强以及人脸补全三个任务上均表现出了优势，此处只展示输出结果，和其他方法的对比和消融实验请查看原文。
CodeFormer不仅可以用于老照片/老电影的人脸增强，也可以用于AI生成图片的修复。
五、试玩在线Demo
CodeFormer目前已在Github公开代码，欢迎大家关注。大家也能在Hugging Face、Replicate或Colab上试玩在线Demo。下图所示为Hugging Face的界面，只需选定参数：是否背景增强、是否人脸上采样、图片上采样率、CodeFormer保真性,点击上传你的照片，便可以获得增强图像。
GitHub代码：
https://github.com/sczhou/CodeFormer
Hugging Face在线试玩：
https://huggingface.co/spaces/sczhou/CodeFormer作者：周尚辰文章来源：公众号【商汤学术】Illustration by Manypixels Gallery from IconScout
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