AI 换脸术「Deepfakes」8年进化史

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来源 | Maximilian Schreiner 

译者 | 核子可乐

策划 | 刘燕

AI 伪造图像与视频,，即 Deepfake，在近年迎来一波发展高潮。在本文中，我们将深入探究这段历史，并回顾期间的一个个重要里程碑。

上图中的人脸有什么共同点？答案是：没有共同点。它们都是由 AI 虚构而来。更确切地说，它们是由 AI 从几百万张像素图片中总结学习而来，最终创作出了难辨真伪的结果。

顺带一提，这些图片是在 thispersondoesnotexist.com 网站上创建的。这款工具使用门槛极低，会用鼠标就能玩明白。不光能生成人，生成小猫图片也是不在话下。

而这种高质量伪造图像的背后，依托的是“生成对抗网络”（GAN）技术。这类网络由两个 AI 代理组成：其一负责伪造图像，另一个则负责检测图像是否真实。如果代理发现了伪造品，则伪造 AI 会继续提升水平、再接再厉。

通过这样的方式，两个代理在训练过程中各自积累起更强大的能力。于是，伪造 AI 最终就能创造出人类几乎无法分辨的虚构图像。

GAN 和 GAN，那可大不一样

在实践当中，原始 GAN 的输出结果和当前 GAN 变体的输出结果其实大不一样。

最近刚刚出任苹果公司 AI 负责人的 Ian Goodfellow 曾在 Twitter 发表了一篇文章，谈到 deepfake 技术过去几年的发展历程。这位 Goodfellow 非同小可，正是公认的首位 GAN 过程发明者。

聊聊这四年半里，GAN 在人脸生成方面的进展：https://t.co/kiQkuYULMC https://t.co/S4aBsU536b https://t.co/8di6K6BxVC https://t.co/UEFhewds2M https://t.co/s6hKQz9gLz pic.twitter.com/F9Dkcfrq8l – Ian Goodfellow (@goodfellow_ian) 2019 年 1 月 15 日

GAN 发展简史

查阅 Goodfellow 链接中的学术论文，就能清楚看到 deepfake 技术是如何在新型 AI 架构、大规模数据集以及更强算力的协同支持之下，一步步快速发展的：

2014 年：Deepfake 的诞生元年

Goodfellow 与同事发表了全球首篇介绍 GAN 的科学论文，这也代表着 GAN AI 的诞生。正是 GAN 的出现，才一步步催生出我们如今所熟知的 deepfakes。 

早在 2014 年，就有迹象表明 GAN 有望生成仿真度极高的人脸

2015 年：GAN 更上一层楼

研究人员开始将 GAN 与经过图像识别优化的多层卷积神经网络（CNN）相结合。CNN 能够并行处理大量数据，而且在显卡上的运行效率特别高。这一组合取代了以往较为简单的 GAN 代理驱动网络，也让生成结果的可信度迈上新的台阶。 
 

卷积网络的结构越复杂，生成的伪造人脸就越可信。但 2015 年时，写实风格的图像还没有出现。

2016 年：Deepfake 眼镜与人脸处理

研究人员把两个 GAN 结合了起来：不同网络的代理之间能够相互共享信息。通过这种方式，双方就能开展并行学习。

每个代理都会稍微修改学习数据。例如，其中一个代理可以分别生成戴太阳镜和不戴太阳镜的人脸。这时候，生成的人脸已经更加可信，但“一眼假”的情况仍然没有消失。 
 

借助耦合 GAN，伪造人也可以戴上太阳镜或者佩戴珠宝首饰。但这些人脸本身仍然存在很多瑕疵，“一眼假”问题继续存在。

2017 年：英伟达推动质量飞跃，
第一段 deepfake 视频出炉

英伟达研究人员成功解决了以往 GAN 中的一个主要问题，由此推动质量迎来重大飞跃：

由于图像分辨率越低、检查代理就越难判断内容的真伪，所以生成代理往往倾向于产出模糊不清的图像——毕竟越清晰、越容易出错嘛。看来 AI 也是相当鸡贼。

英伟达就此给出解决方案：分阶段训练网络。首先，由伪造 AI 学习创建低分辨率图像。之后，将分辨率逐渐提升。 
 

一步步为 GAN 引入高分辨率生成能力。

这种方式逐渐培养出的 GAN 开始产出质量空前的伪造人像。虽然图像仍有缺陷，但不仔细观察已经很难快速分辨。

2017 年生成的人脸已经远超原有水平，其中某些已经真正做到了真伪难辨。 

这边英伟达还在继续改进自己的 GAN，那一边 Reddit 用户“deepfakes”已经开始将这项技术推向主流。2017 年秋季，我们看到了第一张以“deepfakes”命名的色情图片，内容是把色情女演员的面部替换成了其他知名女性。

色情滥用带来的大麻烦

此后，deepfake 一词就成了 AI 生成图像和视频的代名词。这里的“deep”是指神经网络中包含大量中间层，即以深度学习的方式进行图像生成。

Deepfake 色情视频同样存在严重的“一眼假”问题，但由于制作成本极低，于是成千上万用户迅速涌向 Reddit 等在线平台，观看这些露骨又略显诡异的视频。美国著名女演员斯嘉丽·约翰逊就成为 AI 色情片中的常客，后来人们将这股互联网风潮称为“黑暗虫洞”。

2018 年：GAN 控制力加强，
deepfake 登陆 YouTube 频道

面对这股风波，英伟达研究人员再次出手、提升 GAN 控制能力：他们已经能够针对单一图像特征做出调整，例如人像中的“黑发”和“微笑”等元素。

通过这种方式，就能将训练图像中的特征有针对性地转移到 AI 生成图像当中。这种方法被称为“风格转移”，成为众多后续 AI 研究项目的重要组成部分。 

网络转移可用于控制图像 AI，例如仅创建微笑着的人像。

当然，GAN 原理不仅适用于人像，毕竟 AI 本身并不关心输出的到底是什么像素结构。它只需要相应的训练数据。2018 年底，AI 巨头 Deepmind 就展示了由 AI 生成的食物、风景和动物图像，画面内容看起来相当逼真、令人印象深刻。

Deep Video Portrait 软件则尝试利用 GAN 改进视频处理能力，于是首个研究 deepfakes 的 YouTube 频道正式上线：这次产出的不再只是伪造色情片，包括政治名人或好莱坞大牌的“魔改”版本逐一亮相。到这个时候，人们开始讨论 AI 过程能否“复活”那些已经去世的演员。

与此同时，deepfake 色情片也开始走下坡路：2018 年第一季度，Pornhub、Twitter、Gfycat 和 Reddit 等平台纷纷对这类视频下达封杀令。不少常用的 Deepfake 应用程序网站也随之下线。

2019 年：Deepfake 正式成为主流

三星公司的研究人员公布了一种能够深度伪造人类和艺术品的 GAN。例如，研究人员成功将蒙娜丽莎的微笑修改成了“大笑版”。更重要的是，只需要参考几张照片，三星的 deepfake AI 就能实现出色的伪造效果。

几个月之后，以色列研究人员又推出了换脸 GAN（FSGAN）。这套 AI 模型能够对即时视频中的人脸进行实时交换。无需任何预先训练，这款新 AI 已经能够直接交换人脸，不过在质量上仍然无法与精心训练而成的 deepfakes 模型相比肩。

抛开技术进步不谈，2019 年也是 deepfake 正式成为主流的一年。2018 年首次发布的 DeepFaceLab 等 Deepfake 工具正在加速这项技术的发展，专注于 deepfake 的 YouTUbe 频道拥有数百万关注者，网上的 deepfakes 数量也在 2019 年前几个月内翻了一番。面对超出预期的发展速度，Deepfake 专家 Hao Li 甚至大胆做出预测，“未来两、三年内，deepfakes 将全面走向完美。”

立法机构开始介入

面对即将来临的 2020 年美国大选，伪造视频的迅速传播令美国立法者颇感担忧。美国国会议员、情报委员会以及 AI 和法律领域的专家纷纷警告称 deepfake 已经呈现出泛滥之势，并呼吁应尽快制定相关法规。Twitter 成为首个针对 deepfakes 采取新措施的社交平台，并强调：Twitter 希望能准确标记可疑推文，向用户显示警告信息。

美国之外的各国政府也先后亮明立场。中国将 AI 伪造视为犯罪行为，德国政府则发表声明称“Deepfakes 会削弱整个社会对于音频和视频记录真实性的基本信任，从而削弱公开信息的可信度。”因此，这类行为可能对“社会和政治构成重大风险”。话确实在理，但也不该过度夸大其中的风险。

2020 年：Deepfake 监管
与迪士尼百万像素 deepfakes

就在 2020 年美国大选拉开帷幕之际，Facebook 宣布在自家平台上全面禁止 deepfakes——讽刺或戏仿性质的 deepfakes 除外。YouTube 也采取了类似的指导方针，Twitter 则着手执行去年公布的反 deepfake 准则。当年 8 月，TikTok 也开始在其视频平台上封禁 deepfakes。

谷歌姐妹公司 Jigsaw 则发布了“Assembler”。这是一款 AI 驱动工具，可帮助记者检测出图像是否为 deepfakes。高通则力挺一家初创公司，能够以不可撤销的方式将原始照片及视频标记为“原创”，从而降低后续 deepfake 的识别难度。

Deepfakes 仍在继续进步

与此同时，deepfakes 技术本身也在继续进步：微软推出的 FaceShifter 甚至能够利用模糊的原始图片，生成高度可信的 deepfake 图像。FaceShifter 同样依赖于两套网络，其一负责创建伪造人脸，并将原始照片内的头部姿势、面部表情、照明条件、颜色、背景及其他属性引入假图像。另一套网络 HEAR-Net 则将前面生成的照片与原始照片进行比对。

如果 HEAR-Net 发现图像中存在头发、太阳镜或文字被脸部遮挡的部分，就会出手修改这些错误。完成后，面部就会正确位于头发、太阳镜或文字内容之后，确保各个元素之间拥有正确的位置关系。 
 

FaceShifter（最右图像）甚至能够将模糊的原始图像处理为可信的伪造画面，且效果优于此前最为强大的 deepfake 算法 FSGAN（右起第二张图像）。

Deepfakes 效果很好，迪士尼也在用

娱乐巨头迪士尼开始为电影制作开发 deepfake 技术，首款百万像素级 deepfake 工具也由此诞生。它能生成 1024 x 1024 像素的图像，这项专利也一举将 DeepFaceLab 等同类工具那可怜的 256 x 256 分辨率碾压成渣。即使到了 2021 年初，DeepFaceLab 2.0 的最大分辨率也仅能支持 448 x 448。

从长远来看，迪士尼的 Deepfake 技术有望取代传统特效制作方法，消除以往那种几秒长的画面需要几个月时间渲染的困境。

迪士尼粉丝们也对这项技术翘首以盼。最近开播的星战剧集《曼达洛人》还没有用上百万像素 deepfake 新功能，但值得期待的是，YouTube 上关于相同场景的 deepfakes 视频在效果上已经比迪士尼的 CGI 艺术家们做得更好。

2021 年：Deepfake 巡演、
直播与人脸租赁

这一年的新闻，从汤姆·克鲁斯的一段 deepfake 视频开始。这段首次亮相于 TikTok 的视频实在太过逼真，只有精心研究才能发现其中的漏洞。出色的效果也产生了病毒式的传播，相关频道“Deeptomcruise”也迅速积累起几十万粉丝和大量汤姆·克鲁斯影迷的关注。制作该频道的是视觉效果专家 Chris Umé，他说其中的每段视频都耗费了几周时间。

不久之后，Wombo AI 应用彻底征服了网络：只需点击几下，我们就能把任意人物照片制作成一段简短的视频片段，人物会在其中表演著名歌曲。Wombo AI 是从真实表演者的录制视频中学习知识，再将照片人物的脸与原始演唱者的表情匹配起来，由此完成视频制作。

WOMBO AI 真的太牛了，哈哈 pic.twitter.com/A7aVT4ISBN

– heyben10 (@HeyBen10_) 2021 年 3 月 10 日

迪士尼还聘请了 YouTube 上的一位知名 Deepfake 主播，民间于是传言未来其影视剧集中肯定会出现更多 deepfake 角色。事实上，2021 年底发布的《波巴费特》剧集也证实了这些猜测。

社交与大众媒体中的 deepfakes

除了迪士尼之外，布鲁斯·威利斯的面孔也出现了一则俄罗斯商业广告当中。一家初创公司购买了其真实人脸的许可权，并使用 deepfake 技术将其转化为营销内容。英伟达则于 2021 年发布了 Alias-Free GAN，即 StyleGAN2 的改进版本，能够在视角变化的场景下提供更为统一的生成效果。几个月后，优化版本 StyleGAN3 也很快出现在公众面前。

DeepFaceLab 的缔造者则在 2021 年首次展示了 DeepFaceLive。这款程序能够在经过适当训练、或者接收到预训练 AI 模型之后，在实时视频中交换人脸。但要想获得这种实时换脸功能，用户得拥有一块能支持 3A 游戏大作的高端显卡。

2021 年，所谓扩散模型也首次在图像质量上追平了之前风头无两的 GAN。虽然这项技术尚未被用于 Deepfake，但已经成为 2021 年年底推出的 OpenAI GLIDE 图像生成工具的基础。

2022 年：3D GAN、
DALL-E 2 与泽连斯基 deepfake

今年 1 月，另外两项令人印象深刻的 GAN 改进相继出现。特拉维夫大学的 AI 研究人员展示了 StyleGAN2 的变体，它能够在短视频片段中轻易操纵人脸，例如使其微笑或者让角色变瘦，而且无需任何额外训练。

来自英伟达和斯坦福大学的研究人员则展示了高效几何感知 3D 生成对抗网络（EG3D）的实现方法。利用这种方法，AI 可以立足不同视角，以高度匹配的 3D 形式生成统一的人物（或小猫）图像。

与之对应，3D GAN 也能利用一张真人图像还原出 3D 模型。因此，EG3D 生成的伪造图像更加逼真，因为它生成的人物在不同视角下能够始终保持一致。

2022 年，斯坦福互联网天文台的研究人员在为期两周的研究中，从 LinkedIn 处发现了 1000 多份可疑的个人伪造资料。超过 70 家企业将这些伪造资料认证为真实人物，其中大部分被认定为值得跟进的潜在客户。而一旦实效联络成功，就会有真人及时介入、以伪造人物之名继续沟通。

而前段时间引发全球关注的俄乌冲突中，也出现了一起堪称历史性的 Deepfake 事件。

在视频中，伪造的乌克兰总统泽连斯基呼吁国内人民放下武器。虽然视频分辨率很低，但伪造效果不佳，所以并没有起到多大效果。目前也还没有实证能够证明这是一段 AI 伪造视频，不过不少媒体和专家都觉得这基本就是 deepfake 视频无误。

2022 年 4 月，OpenAI 推出了 DALL-E 2，这是一套能够利用文本描述生成图像的 AI 系统。项目完整版预计将在 2022 年夏季发布。

DALL-E 2 及其底层扩散模型并未被用于 deepfake，OpenAI 也明确禁止使用此技术生成人脸。然而，这项技术未来肯定能够进一步提升合成图像的最终质量。

总  结

在 GAN 技术的发明者 Goodfellow 在 2014 年首次展示自己的工作时，肯定想不到自己的成果会推动 AI 伪造图像的快速发展。如今他亲口警告称：在未来，人们将无法再理所当然地相信互联网上传播的图像和视频。

最终，也许再精密的反 deepfake 算法也已经无法识别最新的深度伪造结果，而这必然会给社交、娱乐等各个领域带来颠覆性的改变。Deepfake 专家 Hao Li 认为这种猜测绝非杞人忧天，毕竟图像的实质不过是辅以适当颜色的像素——AI 找到完美的排布方法将只是时间问题。

此外，随着 deepfakes 在 YouTUbe、Reface 乃至 Impressions 等平台上的迅速传播，伪造图像也将快速渗透进我们的日常生活。以往，人类曾经在没有视频和照片的黑暗年代下摸索出获取信息、形成意见的方法，但这扇通往光明的大门似乎正在被新兴技术所埋葬。Goodfellow 也不禁感叹道，“从这个角度来看，AI 也许正在‘蒙蔽’我们这一代人观察世界的双眼。”

本文文字及图片出自 AI前线

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