AI生成肖像画，精细到毛发！北大校友最新研究收割2.8k星标，还登上了ICPR 2020

“只要思想不滑坡，办法总比困难多，干巴得！”

打工人的一天终于要结束了！拖着疲惫的身躯准备下班，却听到同事小A还在给自己打气。

只见他迅速打开电脑，打开百度、打开知乎豆瓣微博微信......

都输入了同一行字：肖像画简易教程......

还以为他要干什么惊天动地的大事！原来是想给女神古力娜扎（Gulnazar）画一幅肖像画。

年轻人就是年轻人，还有精力追星。

可还没等我离开，他却哭了—"世上无难事，只要肯放弃”，哇的一声！

也是难为他了。无文艺细胞的理工男一枚，没学过画儿，也没画过画儿，现在还想给女神画一幅肖像画儿，看这头秀发哪是一个小白能画出来的。

“这哪是简易教程，构图、划线、起形.....看的我头都大了，效果还只是这样。”

听着小A絮絮叨叨、絮絮叨叨的吐槽，不禁想起了当年的自己，作为一个呆萌理工男也少不了做过同样的蠢事。

“你不知道有很多APP，只要输入照片就可以一秒生成吗？”我忍不住说到。

小A呆住了。

“不过，看来你的要求还挺高，这样，给你推荐一个高阶版神器吧”。我迅速发了一张样图给他：

（别问我为什么可以迅速，问就是早有预谋）[让我看看]

“先看整体感觉，是不是一股艺术气息扑面而来？再看看神情，轻轻皱眉都能捕捉到位，再看看这头发，浓密柔和自然，还根根分明，一看就是专业水准.....%￥#%@#”，不知不觉又暴露了推销老司机的本质....

“赞、太赞、非常赞！一句话，这是用的什么神器？”

“我发给你，就是用的这款AI工具...........%￥#%@#，它的研发者还是我们北大....”

话还没说完，小A就把他的成果图发给了我。

“太棒了，没想到如此轻松就搞定了！”只见他边说边合上电脑、装进书包，穿上外套，大步走向了门口，这速度像极了我平常下班的样子......

最后还不忘转身朝我比了一串串小芯芯......

我呆住了。“先走的不应该是我吗？”，“等等，我话还没说完！”。

“算了，这班我不下了”。

除了他，相信大家对这项AI工具的背后原理「 一定 」非常感兴趣，那么我就来给大家详细介绍一下。

北大校友出品：显著性目标检测工具

这款AI工具叫U ∧ 2-Net（U Square Net），最近火到不行！

不仅登上了GitHub热榜，收割了2.8k星标，还被顶会ICPR 2020 选中。更关键是，这项研究的一作还是北大校友——秦雪彬。

相信不少开发者朋友对这个名字非常熟悉，他之前提出边界感知显著目标检测网络 BASNet，被用来做了很多好玩的工具，比如『隔空复制粘贴』——AR Cut & Paste

https://twitter.com/cyrildiagne/status/1256916982764646402

只要手机扫一扫，书本、花盆、杂志人物，你能看到的任何现实物体，只需10s统统都可以被“粘贴”到电脑里。

这项研究在Reddit上短短几个小时，就获得了近5K点赞量，之后累计浏览量超过了500万。

秦雪彬以前在北京大学读硕士，现在是加拿大阿尔伯塔大学的一名在读博士。他对计算机视觉技术非常感兴趣，尤其是目标物体检测。最近推出的这款U^2-Net深度网络架构，同样是一个目标检测工具。

之前的BASNet网络被用来做“复制粘贴”测试，效果很好。这次，他就用U^2-Net做了一个生成肖像画测试，结果也火了。

再来感受下精细到毛发的生成效果。

目标检测是计算机视觉和数字图像处理的一个重要分支。计算机视觉对于目标运动的分析大致分为三个层次：图像分割，目标检测；目标跟踪；目标识别与描述。其中，目标检测是最基础且关键的环节。

2006 年，自深度学习三大巨头Hinton、Bengio、Lecun 提出卷积神经网络（CNN），并应用于图像处理以来，目标检测技术得到显著性改善，尤其是随着全卷积神经网络（FCN）的提出，目标检测任务逐步达到最佳SOAT。

在今年的MICCAI 2020（国际医学图像计算与计算机介入）大会上，U^2-Net凭借出色的性能表现，在甲状腺结节分割比赛中获得第六名。

接下来，我们说说它是如何做到的。

任何AI处理过程都分为三个阶段：输入目标——模型训练——输出结果。要想达到高质量的生成效果，除了考验模型精度外，当然输入源也很重要。这一点也是我们所能控制的。

对于U^2-Net而言，高质量的照片源可以获得更多细节，所以在上传照片时要注意以下几点：

• 照片中人头区域应接近或大于512x512像素。

• 照片整体大小最好达到960x1280像素。

• 背景要尽量清晰、无干扰。

如图，秦雪彬还亲自示范做了说明。

接下来是最关键的目标检测模型（SOD）。

U ∧ 2-Net模型：嵌套式双层U型结构

先来看一组与现有最先进SOD模型的比较。

其中红色星标代表U ∧ 2模型（176.3 MB），它在相对小的模型尺寸下，表现出了最高性能。（蓝色星标为4.7 MB的U ∧ 2）

之所以达到如此性能，是因为U ∧ 2拥有两层嵌套式U型结构，其中的ReSidual U-Block（RSU）中混合了大小不同的接收域，能够从不同尺度捕获更多语境信息。另外，由于这些RSU块中使用了池化操作，因此可以深度捕获更多细节，同时不会显著增加计算成本。

最关键的是，这种结构体系能够让模型从头训练深层网络，而无需使用图像分类任务的架构。

现在大多数SOD 网络设计都存在这样一个问题：即专注于利用现有的基础网络提取深度特征，例如 Alexnet、VGG、ResNet、ResNeXt、DenseNet 等。但这些主干网络最初都是为图像分类任务设计的。

它们提取代表语义含义的特征，而不是代表局部性细节或全局对照信息，这对于显著性目标检测至关重要，并且这些网络通常需要在 ImageNet 数据上进行预训练，效率比较低。相比之下，U∧2-Net可以有效地避免上述问题。

U ∧ 2-Net架构

接下来详细介绍其中的Block结构、网络监督策略以及训练损失。

ReSidual U-Block

在图像信息提取中，1×1或3×3的小型卷积滤波器是最常用的特征提取元件。因为它所需内存小且计算效率高。但该元件接收域太小，无法捕获全局信息，因此解决方法只能是采用扩张卷积（Dilated Convolution）的方法来扩大接收域。

然而在原始分辨率的特征图上进行多次扩张卷积（尤其是在初始阶段），会耗费大量的计算和内存资源。

为了降低计算成本，同时又能捕获全局信息，研究人员采用了金字塔池化模块（Pyramid Scene Parseing Network，PSPNet）。该模块在下采样特征映射上使用小核滤波器，而不是在原始尺寸的特征映射上使用扩张卷积的方法。

但通过直接上采样和级联将不同尺度的特征融合，可能会导致高分辨率特征的退化。因此，研究人员受到受U型网络结构的启发，提出了一种全新的ReSidual U-block：RSU，来捕获阶段内的多尺度特征。如图：

从测试数据来看，RSU计算开销确实相对较小。与PLN（普通卷积块）、RES（剩余块）、DSE（密集块）、INC（初始化块）相比，所耗费的GFLOPS浮点数最低。（GFLOPS ，全称Giga Floating-point Operations Per Second，即每秒10亿次的浮点运算数，常作为GPU性能参数）。

Supervision策略

在训练过程中，研究人员采用了类似于HED的深度监督。

其中，训练损失（Training Loss）定义为：

每个项L使用标准二进制交叉熵来计算损失：

在训练过程，等式（1）让总体损失最小化；在测试过程，选择融合输出的l fuse 作为最终的显著性图。

比较实验：全尺寸最佳SOTA

在论文中，研究人员将U2模型与其他20多种现有最先进的模型进行了比较。

其中，各模型采用训练数据集是DUTS-TR，它含10553张图像，是目前用于目标检测的最大和最常用的数据集；采用的基准数据集分别为DUT-OMRON、DUTS-TE、HKU-IS、ECSSD、PASCAL-S、SOD六种。

先来看下定性比较的结果：

红色、绿色和蓝色分别表示最佳、第二和第三性能

从表3、表4来看，U ∧ 2-Net在DUT-OMRON、HKU-IS以及ECSSD三个基准数据集上展现了极大先进性，五个评估指标都达到了最佳SOTA。

其中，在DUTS-TE上，U ∧ 2-Net总体性能仅次于PoolNet；在PASCAL-S上，U ∧ 2-Net性能仅略低于AFNet、CPD和PoolNet。此外，在边界质量评估指标（RelaxF bβ ）方面，U ∧ 2-Net性能位居第二。

在SOD数据集上， U ∧ 2-Net在整体性能方面也仅此于PoolNet。更重要的是，U ∧ 2-Net模型大小只有4.7 MB，是在显著性目标检测领域型号最小的，而且与其他型号相比，它的参数量也少的多。

定性比较结果：比较了七种SOTA模型，如图：

可以看出，U ∧ 2-Net能够处理不同类型的目标，并均产生了精准的识别结果。

比如，第4行图像充分展示它在分割由大结构和薄结构组成的目标时的性能；在第六行复杂的图像结构下，产生了近乎完美的结果。

总之，U ∧ 2-Net模型能够处理全尺寸和小尺寸图像的各种场景，与其他模型相比，能够产生更高精度的显著目标检测结果。

好了。就这样，希望了解更多论文内容的可以戳这里： https://arxiv.org/pdf/2005.09007.pdf

等了一个小时的滴滴准时到了！

加油，打工人！

相关地址：

https://github.com/NathanUA/U-2-Net

https://github.com/yiranran/APDrawingGAN

https://webdocs.cs.ualberta.ca/~xuebin/

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