虚拟试衣：Virtual Try-on Network系列工作

前言：原先在知乎上用Markdown+LaTex编辑的插件失效了，稍微修正了下长公式，短的符号就不一一修改了。最佳浏览体验见：http://grayxu.cn/2019/07/30/VITON/

介绍

本文主要讲在2D虚拟试衣这个任务上两个效果比较好的工作。主要是两篇文章，一篇是VITON: An Image-based Virtual Try-on Network发于CVPR 2018，另一篇是Toward Characteristic-Preserving Image-based Virtual Try-On Networks发于ECCV 2018。

任务

现状与挑战

虚拟试衣（Virtual Try-On）的相关工作有很多。市面上的商用产品基本是生成一个人体的3D model，在这个model上进行衣服的试穿，优点就是算法很稳定，但画面的真实性就得不到保障（不够sharp），而且扫描3D等操作开销也大（或者只能手动输入大概数据）。2D上做转换的传统网络在衣服有较大形变的情况下效果都很糟糕，限制了pose。
在训练的数据集上，获得paired数据的挑战也很大，需要模特同样姿态穿两件衣服。

这系列的方法优点

总的来说，目标是希望能够输入一个任意姿态任意衣服的人$I_i$，一个衣服图片$c_i$，最后能输出一个穿着这件衣服的人。同时衣服上的细节，人体不被覆盖的细节都能够被保存下来。这系列方法的时间开销相对较大，步骤也麻烦，但生成效果较好较稳定，使用的Refine Network等手段来约束衣服的细节保留。

VITON

因为前文阐述的数据集过于难造，本文则还是希望通过已有的模特图片来进行训练，但这样潜在的问题是输入的图片有过强的监督造成过拟合。所以在输入上先进行一个Stage 0的数据准备工作。

如上图所示，通过输入的$I_i$检测出其Body shape（单通道），pose map（18个pose，18个通道），抠图得到的人的识别图（三通道RGB，这里使用了人脸和头发，事实上也可以包括其裤子等不希望被改变的部分）。通过这样的操作来减少输入图片的参考力度。每个输入map的大小均为256*192

如图所示，VITON网络主要分为两个部分。第一个部分输入的是标准的待穿衣服图片$c_i$，和人体如上切分得到的22个通道的特征信息$p$，输入一个类U-Net的Encoder-Decoder模型，输出一个合成的穿指定衣服的人图$I'$和衣服的Mask，$M$代表的是变形之后的衣服图片。
在这个Stage中，需要计算的Loss为$I'$和$I$的Perceptual Loss，生成Mask$M$和真实Mask$M_o$的L1 Loss。$I$是本来就有的数据集，$M_o$则来自于数据集上的抠图处理。

最后的Loss为：

在这个Stage 1生成的图片常常难保证待穿衣服的细节信息，则进入Stage 2。

如图所示，通过Stage 1生成的$M$和原始标准衣服图片的Mask来计算TPS变换的参数，将这套参数使用到标准图片上，生成一个变形衣服图$c'$。对Stage 2的网络$G_R$输入变形衣服图片和Stage 1生成的初步结果$I'$，输出一个组合mask$\alpha$，来组合两张图片生成refined result $\hat{I}$，即。
利用Perceptual Loss来优化$G_R$，除此之外，对组合mask施加一个L1 loss和Total Variation Norm，使得最后Stage 2的优化目标为：

具体实现细节与量化结果不表，但由于整个网络是2 Stage的（事实上算上切分人脸，是三个步骤），又使用了TPS等算法，整体的时间开销比较大，一张图在K40上约需要0.6秒。

CP-VTON

CP-VTON基于前面这个工作，增加了一个“GMM模块”减少了计算量，使用一个网络来模拟TPS变换过程，同时改善了衣服细节的保留效果，修复了coarse-to-ﬁne strategy对misalignment不够鲁棒的问题。

如图所示，为CP-VTON的网络架构。数据准备的过程是和前文类似的，但网络不再是一个输出mask和初步结果的多任务网络。在Stage 1中，先对输入的两个map进行卷积提取高维特征，然后通过一个correlation layer综合后继续卷积输出，输出一套变换参数$\theta$，使用这套参数对衣服图片$c$进行TPS变换。
优化的loss为变换后的衣服图片$\hat{c}$和抠下来的衣服图片$c_t$的L1 loss。即

在Stage 2中用类U-Net网络，输入人的特征$p$（与前文的22通道一样）和变形后的衣服图片，输出一个组合mask和初步图片$I_r$。再使用组合mask对$I_r$和变形衣服图$\hat{c}$进行组合。使用L1 Loss和Perceptual Loss 则Stage 2的Try on Module的Loss为：

具体网络架构不表。

在Loss的设计上取消了前面工作使用的TV平滑，反而用其作为一个检测标准，感觉有点怪怪的，看github上的issue确实加了TV loss后马上崩坏。。效果有比较明显的提升，但对于有肢体遮挡到衣服的图片表现并不好，应该是使用mask的拼接方法对于这种情况不够鲁棒。本文没有给出完整的速度测试，笔者的模型仍在训练中。

Adversarial Training?

一般来说，在这种image translation的任务中加对抗loss都能有效提升图像的真实度（以及生成图像的不稳定性）。在本文的实验部分说明对抗训练起到的效果并不明显。
~~没把Adversarial加进去，装作insightful,，和 SeqGAN一比高下立判。~~

To Conclude

虽然方法是多步，而且几个加约束的方法（抠pose抠shape）都显得挺暴力的，但效果确实棒，计算过程虽然现在看起来麻烦，但说不定以后就有更好的近似算法来进行优化…第二篇文章实验部分阐述很足。

注

Thin Plate Spline

TPS变换是一种插值方法。传统的插值方法如双线性插值，仅仅能够保证映射前后的图片有四个基准点被准确映射。TPS则通过扭曲图片来保证有多个点能够同时被映射，同时最小化弯曲能量。

具体算法内容参考：Thin Plate Spline -- 简书：今天又忘记密码

Perceptual Loss

Perceptual Loss是使用pre-trained VGG来对图片提取特征，使用多个浅层的输出激活值来计算MSE。来自于Style Transfer

Correlation Layer

出自FlowNet，主要就是计算两个feature map的correlation，具体的计算过程类似于conv，遍历f1上的patch对f2上每个可能位置同样大小的patch做匹配（即卷积计算），实际实现时会对匹配范围和stride进行限制。

Reference

VITON: An Image-based Virtual Try-on Network,Xintong Han, Zuxuan Wu, Zhe Wu, Ruichi Yu, Larry S. Davis.

Toward Characteristic-Preserving Image-based Virtual Try-On Networks, Bochao Wang, Huabin Zheng, Xiaodan Liang, Yimin Chen, Liang Lin, Meng Yang

文章内均有其代码开源地址。