審核專家：徐潤生

加利福尼亞大學(xué)人工智能博士

隨著各類直播、短視頻和社交媒體的興起，我們仿佛生在一個“人均美女帥哥”的社會，事實(shí)真是如此嗎？

拜各類技術(shù)和軟件的發(fā)展所賜，當(dāng)我們出現(xiàn)在鏡頭面前時(shí)，計(jì)算機(jī)算法就已經(jīng)自動將采集到的人像進(jìn)行了美顏處理，因此，鏡頭里的人總是美美的。

那么，這些軟件背后需要用到什么程序算法呢？計(jì)算機(jī)是如何識別人的面部和身體，并美化這些部位呢？

今天，我們就一起來了解美顏軟件是如何工作的。

美顏和繪畫有很多相似性，繪畫首先是畫線稿，確定人體基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)；然后在線稿之上進(jìn)行上色，逐步豐富細(xì)節(jié)，最后完成一幅作品。

我們拍攝的原始人體圖像也是“畫線稿”，手機(jī)收集原始數(shù)據(jù)，將圖像傳送到后臺進(jìn)行定位和識別，這一步的目的是確定人體的特征位置，接下來開始“上色”，用算法和技術(shù)，對五官或身體部位進(jìn)行分析、處理、美化，最后得到美顏后的圖像。

只不過完成一幅繪畫作品需要較長的時(shí)間，而美顏卻是瞬時(shí)的、即刻的，這背后需要有強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)技術(shù)作為支撐。

接下來我們以人臉美顏（如美白、磨皮、美膚）為例，具體聊聊美顏主要用到的專業(yè)技術(shù)。

人臉關(guān)鍵點(diǎn)定位技術(shù)

我們可以用美顏相機(jī)給眼睛畫眼影，給嘴唇涂口紅，這些功能怎么精準(zhǔn)地識別圖像中人臉的特定部位呢？

這里用到的是人臉關(guān)鍵點(diǎn)檢測技術(shù)，即確定五官的精準(zhǔn)位置，可以通過尋找臉部特征點(diǎn)，如眼睛、眉毛、鼻、嘴、臉部外輪廓來實(shí)現(xiàn)。

目前主流的人臉關(guān)鍵點(diǎn)檢測方法有兩種：基于特征（feature-based）的人臉檢測和基于圖像（image-based）的人臉檢測。使用最多的是基于特征的人臉檢測方法，且人的眼睛會被首先識別。一般來說，定位的關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)量越多，最終的美顏效果越好。目前流行的定位關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)有5、21、29、68、96等，以68點(diǎn)最為經(jīng)典，如下圖所示，左臉、右臉的最外點(diǎn)分別是0、16，左眼外角、內(nèi)角分別是36、39，右眼外角、內(nèi)角分別是45、42，下巴為8，鼻根、鼻尖分別為27、30，嘴中心為66。

原始人臉數(shù)據(jù)被上傳至后臺，人臉檢測技術(shù)對原始的圖像幀進(jìn)行識別。人眼、眉毛、T型區(qū)（眼睛+鼻子構(gòu)成的區(qū)域）、嘴、下巴會被依次識別。識別的數(shù)據(jù)被放入人臉信息結(jié)構(gòu)體中，之后再被應(yīng)用到具體的美顏算法中，對特定部位進(jìn)行美化。

磨皮技術(shù)

女生在化妝前會先涂一層粉底液，主要作用是美白和減少皮膚瑕疵，相當(dāng)于美顏功能中的“磨皮”和“美白”。?

好的磨皮效果應(yīng)該是怎樣的？首先最重要的是讓皮膚變光滑，同時(shí)還要盡量保留更多細(xì)節(jié)（如皮膚肌理），讓五官輪廓清晰可見，這樣的圖片看起來更真實(shí)、更有質(zhì)感。

磨皮用到的是圖像平滑技術(shù)，因?yàn)樵谂臄z圖像時(shí)會受到噪聲干擾，使圖像質(zhì)量降低，因此要對噪聲進(jìn)行過濾。過濾后的圖像將變得平滑，多余無用的信息會被剔除掉。

過濾圖像噪聲的工具是濾波器，一般常用的濾波器有中值濾波、邊緣保持濾波、雙邊濾波（又稱高斯雙邊濾波）等方法。中值濾波和邊緣保持濾波的缺點(diǎn)是不能很好地保留圖像的邊緣信息；而雙邊濾波可以保留大量人臉細(xì)節(jié)且確保邊界處不會被模糊掉，因此使用最為普遍。

人像經(jīng)過雙邊濾波處理后，可以明顯看到皮膚變光滑了，且輪廓邊緣清晰，我們可以調(diào)節(jié)參數(shù)，得到不同的磨皮效果。

讓皮膚更白皙

我們?nèi)搜鄣南袼睾芨?，能看見色彩斑斕的世界，那沒有“眼睛”的計(jì)算機(jī)怎么識別顏色呢？

圖像中的顏色一般用RGB模式表示，R、G、B分別代表紅、綠、藍(lán)，數(shù)字從0～255變化。當(dāng)R、G、B數(shù)值越趨于0，圖像越黑；而數(shù)值越接近255，顏色就越白。此外，還有HSV色彩空間（H、S、V分別代表色彩、飽和度、明度），這兩種顏色空間可以通過算法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。

很多美白技術(shù)會將RGB轉(zhuǎn)化為HSV后再調(diào)整。先用算法對皮膚像素的顏色數(shù)據(jù)進(jìn)行大量統(tǒng)計(jì)，得到膚色像素的取值范圍，然后再調(diào)節(jié)像素的各項(xiàng)數(shù)值大小。當(dāng)H、S、V的數(shù)值分別趨于0°、0和100%時(shí)，皮膚最白最亮。

讓臉變得更小

不愿減肥又想擁有小臉怎么辦呢？打開美顏軟件的瘦臉功能啊！

其實(shí)，瘦臉、大眼、瘦鼻等調(diào)整都用到了液化變形技術(shù)。液化算法以一個點(diǎn)為中心，在其影響范圍內(nèi)，我們推動中心點(diǎn)使圖像形狀發(fā)生改變。在圓形內(nèi)，離中心O點(diǎn)越近，變形越明顯。

下圖為液化算法的原理示意，O為圓形的中心點(diǎn)，R為液化半徑，當(dāng)我們將O向著OA方向拖動時(shí)，則圖像中的像素C會變換到D的位置。經(jīng)過一系列公式，我們可以算出圓形區(qū)域內(nèi)每個變換后的點(diǎn)的像素值，這樣就能得到變換后的圖像。

我們將面部區(qū)域當(dāng)作一個圓形，選擇某點(diǎn)作為圓心，設(shè)定液化半徑，半徑內(nèi)的點(diǎn)就可以向著一定的方向移動發(fā)生變形，最后再渲染得到瘦臉效果。

相機(jī)替人“化妝”

美顏相機(jī)里還能DIY妝容，包括口紅、腮紅、眉毛、眼妝等，深受不會化妝的“手殘星人”喜愛。

相機(jī)里植入了預(yù)先設(shè)計(jì)的不同風(fēng)格的妝容模版，當(dāng)人臉出現(xiàn)后，首先會基于人臉關(guān)鍵點(diǎn)檢測識別出特定部位，然后妝容模版會投射到人臉特定區(qū)域，最后妝容和原圖像進(jìn)行高效合成。

以眉毛為例，相機(jī)提供了多套眉毛的圖片模版，先檢測出原圖像眉毛的關(guān)鍵點(diǎn)位置，眉毛的第一個關(guān)鍵點(diǎn)會作為貼合的起始位置；算法還會對眉毛模版的大小和范圍作出調(diào)整，使模版和原眉毛更好地貼合；最后在原圖上進(jìn)行融合，得到自然、逼真的眉毛效果。

美顏是個技術(shù)活。今天我們只是分享了美顏基礎(chǔ)功能的相關(guān)算法和技術(shù)，美顏還有很多高級功能，比如特效裝飾、摳圖等，這些功能用到的圖像算法會更復(fù)雜，大家可以多探索一下哦。