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　　鱼羊萧箫发自凹非寺

　　量子位报道公众号 QbitAI

　　现在，AI 对光影的理解越来越深入了。

　　不仅能自动给二次元萌妹的线稿上色，绘制出合理的光影变化。

　　反向操作，提取图片中的纹理和光影也不在话下。

　　大师级作品、或是摄影海报，只需要拿过来「扫描」一下，就能分解出纯色层、阴影层和反射层。

　　这下，想要调整图片的纹理和光影，再也不用苦恼没有 psd、图层被合并了。

　　这只全新 AI 的一作，还是那位打造了火遍二次元圈的自动线稿上色 AI Style2Paints 的 Lvmin Zhang 小哥。

　　论文已经中了 ECCV 2020 Spotlight。

　　抠掉多余的像素

　　分解图像最需要解决的问题，就是图像平滑，它能让图像变得更模糊，但与此同时，调节光影、纹理也变得更容易。

　　而图像平滑的核心问题，可以被理解成估计图像中的像素是否被需要。

　　图像平滑

　　换种说法，图像平滑要解决的最大问题，是在图像去噪和外观保留这两者之间，找一个平衡点。

　　也就是说，与锐化相反，平滑既要最大程度上保留图像的本质，又希望能消除图像的噪音。

　　下图就是经过平滑处理的一张图像。可以看见，即使平滑处理后的图像变得模糊不清，我们依稀能辨认出这是一片海。

　　那么，平滑图像究竟有什么用？

　　看，调节色温方便多了，让图中的天和海从蓝变绿再变紫，看起来都不是问题。

　　此外，图像平滑也是图像处理中纹理去除、材料处理、重新着色、层提取等操作的基本处理步骤。

　　那么，如何让一个 AI 实现图像平滑呢？

　　研究者发现，对图像中物体的部分外观进行「擦除」（手动消除部分噪声），似乎能给图像平滑带来更好的效果。

　　如果你是一个 PS 大神，那么，选择图像中该擦除的部位肯定不是难事。

　　然而，AI 它并不会 PS…这就需要人为制定一些「规则」，告诉 AI，哪些像素应该被擦除。

　　这里又回到了开头提到的，图像平滑的本质：在图像去噪和外观保留二者之间，找寻一个平衡点。

　　说白了，就是估计图像中哪些像素是需要的，哪些是可以被「擦除」的。

　　作者将这一步骤称之为擦除外观保留（Erasing Appearance Preservation ，EAP）。

　　这里就涉及到一个像素选择的算法，作者制作了一个0-1 背包，将它解决了。

　　0-1 背包问题

　　这个问题在像素中的场景描述如下：如何选择这个位置的像素值，使图像平滑效果最好？

　　把这个位置比作一个背包（knapsack），像素值就是填入背包中的选项。而最好的像素值，就是能刚好填满背包的最优解。

　　如下图，用最快的速度，计算哪些部分的像素是必需保留的，能最大程度上还原图像特征。

　　但如果让计算机用穷举法列举出算法，效率就会很慢。

　　0-1 背包问题，旨在用最少的步骤，列出每一步的最优解，并不断与新结果进行对比。

　　这个算法的核心思想在于，子问题的最优解，同样可以用于解决母问题。

　　这样，既能保留图像的纹理结构，又能让图像最大程度上模糊化。

　　归根结底，0-1 背包的思想在于，一个像素值的最优解，同样可以被用于解决像素块最优解的问题。

　　这个算法，比暴力堆叠算力，穷举像素最优解的方法快多了。

　　如果用伪代码简单呈现的话，算法的步骤是这样的：

　　这一算法基于 Matlab 实现。作者表示，由于 Python 的稀疏优化比较捉急，目前没能把 EAP 迁移到 Python 中。

　　与人类水平相当

　　研究人员将 L0 和 L1 两种平滑方式的结果，与专业人士的处理结果进行了比较。

　　结果显示，在擦除位置的选择上，AI 的操作与专家的选择相似，并且平滑结果与专家的处理结果表现相当。

　　而消融实验的结果显示：

　　（1）在原来的 L1 平滑中使用极端 lambda (10.0)，不使用 EAP，这会导致图像结构被破坏。

　　（2）重复原 L1 平滑多次（10 次，与 EAP 配置相同），不使用 EAP，这会导致低饱和度和低对比度伪影出现。

　　（3）在 EAP 方案中，不使用背包权重w_p，而是给背包的值设定一个固定的阈值（0.1），所有高于这个阈值的像素都会被视作擦除位置。这会导致图像被压缩成少数几种颜色。

　　（4）在 EAP 方案中，用常数（1.0）代替所有背包权重w_p。这将导致所有不想要的图案仍在最终结果中被保留。

　　（5）在 EAP 方案中，不使用 knapsak 值v_p，而是给背包的权重设定一个固定的阈值（0.1），所有低于这个阈值的像素都会被视作擦除位置。这会导致图像中所有明显的构件都被消除。

　　（6）在 EAP 方案中，用常数（1.0）代替所有背包值v_p。这使得突出的构件得以保留，但原有的结构会被破坏。

　　（7）本文中提出的解决方案，能够在不造成其他伪影的情况下，使图像充分平滑。

　　另外，使用 PSNR（峰值信噪比）指标，对几种不同的平滑方法进行对比。结果表明，基于 EAP 的方法 PSNR 值明显高于其他方法，也就是说，实现了更彻底的纹理分解。

　　应用场景

　　看到这样的 AI 能力，你想到要在哪些场景中应用它了吗？

　　作者也举了几个例子。

　　比如，轻松实现纹理替换。

　　比如，给图片调光影、调颜色。

　　就有网友表示：这不就是我一直想要的那种 AI 嘛！

　　也有网友联想到了火爆二次元圈的那只上色 AI Style2Paints。

鹅妹子嘤，所以这项技术会用到 Style2Paints V5 中吗？

　　目前，这项研究的代码已经开源，如果感兴趣，就戳进文末链接试一试吧~

　　传送门

　　GitHub 地址：

　　https://github.com/lllyasviel/AppearanceEraser

　　项目地址：

　　https://lllyasviel.github.io/AppearanceEraser/