GTN可以勾勒出夸张的几何线条？

漫画是很多人的童年回忆，除了经典的《银魂》、《海贼王》、《火影》，久保带人的作品《死神》也很有人气。最近，六位来自北航的研究者推出了一款漫画脸转换模型「MangaGAN」，实现了真人照片到漫画脸的完美转换。

我们可以合理怀疑，几位论文作者都是久保带人的粉丝。

这篇论文中提出的「MangaGAN」，是一种基于生成对抗网络（GAN）的非成对照片到漫画转换方法。用来训练 MangaGAN 的数据集也来源于一部非常受欢迎的漫画作品——久保带人的《死神（Bleach）》，包含漫画人脸的面部特征、特征点、身体等元素，所以生成结果也带有强烈的久保带人风格。

标准漫画脸是如何生成的？

MangaGAN 生成漫画脸的整体流程。

总体来说，MangaGAN 包含两个分支：

一个分支通过几何转换网络（Geometric Transformation Network，GTN）学习几何映射；

另一个分支通过外观转换网络（Appearance Transformation Network，ATN）学习外观映射。

最后通过合成模块将二者融合，从而生成漫画脸。

假设 P 表示照片，M 表示生成的漫画脸，二者之间不存在成对关系。给定一张照片 p∈P，MangaGAN 学习映射

将 p 迁移至样本

（m∈M），同时为 m 加上漫画风格和面部相似度。

图中（f）步骤通过 GTN 勾勒出夸张的几何线条，并确定五官的几何分布位置；图中（e）步骤则通过 ATN 生成所有的面部特征，包括眼睛、鼻子和嘴巴。继而通过合成模块将几何轮廓和面部特征相融合，输出漫画脸 m∈M。

外观转换：ATN

ATN 是一个 multi-GAN 结构的网络，包含四个局部 GAN，分别用来转换眼、口、鼻和头发这四个面部位置。针对每个部位的 GAN，会有专属的训练策略和编码器以改善其性能。

眼睛和嘴巴是漫画脸的灵魂所在，但也是最难转换的部分，随着表情的变化，这两个部位的特征也会变化。

对于眼睛和嘴巴部位，为了实现更好的非成对数据匹配，研究者将 CycleGAN 与反向映射（reverse mapping）相结合，并进行了三项改进：

第一，设计了一个带有 SP loss L_SP 的 Similarity Preserving （SP） 模块，以增强相似度；

第二，训练编码器 E^eye 用于提取 p^eye 的主干，训练编码器 E^mouth 用于提取 p^mouth 的轮廓线条；

第三，提出结构平滑损失 L_SS，帮助网络生成笔触平滑的漫画脸。

使用不同的改进方法得到的眼部和嘴部区域对比情况。

上图第 5 列和第 11 列展示了使用 SP 模块进行改进的效果；第 6 列和第 12 列分别展示了使用编码器 E^eye 和 E^mouth 的改进效果；第 4 列和第 10 列展示了使用结构平滑损失进行改进的效果。

鼻子和头发的生成则相对简单，大部分动漫人物的鼻型相似，因此该研究使用基于 ProGAN 的架构生成鼻子。头发部分则使用了 APDdrawingGAN，通过头发分割方法划分出大致的头发区域，然后使用肖像分割方法移除多余的背景区域，即可生成类似漫画风格的头发样式。

几何转换：GTN

在转换面部特征点时会遇到一个问题：面部特征的搭配模式限制了结果的多样性。比如，脸型相同的人可能有着不同的眼口鼻大小或位置，但 GAN 在接受全局人脸特征点训练时可能遵循固定或类似的搭配模式。因此研究者也将「几何特征」分解为三种属性：脸型、位置、大小，并使用三个 sub-GAN 分别转换。

GTN pipeline。几何信息被分为三种独立属性：位置、大小和脸型，然后使用 N_loc、N_siz、N_sha 三个 sub-GAN 分别进行转换。

最终，如图 5（b） 所示，基于预定义的脸颊和额头比例，生成了整张漫画脸的几何特征。

最后一步：融合

这一步的目的是融合人脸特征和几何特征，从而生成漫画脸。

如上图所示，首先，根据几何特征来调整和定位各面部特征组件；

其次，基于分段三次 Hermite 插值多项式 （PCHIP） 方法，获得平滑的曲线并保留脸部形状，然后通过拟合生成人脸特征点的曲线来绘制脸型；

然后，模型提供了 10 种漫画式耳朵供选择，而非按照片重新生成，因为耳朵的样式对面部表情来说影响不大；

此外，研究者还收集了 8 种漫画人物身体（manga body），用来与生成的漫画脸搭配。

最后就可以输出漫画结果啦。该模型提供了快速微调尺寸和位置的工具，以及鼻子、耳朵和骨架等组件的切换工具，用户可以按照个人喜好进行调整，生成自己喜欢的漫画脸。

MangaGAN 效果如何？

该研究所用的实验数据集包括三部分：漫画数据集、照片数据集和人像数据集。漫画数据集来源于一部流行的漫画作品《死神》，包括 448 双眼睛、109 个鼻子、179 个嘴巴和 106 张正面漫画脸。

研究者将 MangaGAN 与 9 种漫画脸生成 SOTA 方法进行了对比，效果生成如下图所示：

可以看到，其他方法生成的漫画脸都会有扭曲和突兀的线条，或是面部存在莫名的阴影，其原因在于生成过程中忽视了几何特征的转换。相比之下，MangaGAN 生成的脸部十分干净利落，没有多余的部分。

接下来是跨域转换层面中 MangaGAN 与其他方法的对比。为公平起见，CycleGAN 和 UNIT 先转换全脸再转换每个人脸特征。最终效果如下图所示：

很明显，其他方法在匹配照片和漫画时容易出现问题，它们更关心二者的黑暗区域是否匹配，但没有转换脸型和笔触。MangaGAN 的生成结果则更接近理想中的漫画脸，脸型棱角分明，眉形平滑，嘴巴也进行了简化，几乎完全符合手绘漫画的人物长相特征。
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