AI修复老照片，让历史“活”过来

本文来自微信公众号“光锥智能”（ID:guangzhui-tech），作者：陈思，编辑：罗宁，36氪经授权发布。

牺牲的烈士，露出微笑、用温柔的目光看着今日之中国......

已故的亲人，用慈祥的笑容看着儿孙们幸福的生活......

利用人工智能技术，不仅能让黑白照片彩色化，甚至可以让静态人物动起来。这在技术界早已不是什么新鲜事，但最近有了不少新的用武之地。

在龙华烈士墓前，

摆满了鲜花，

延年和李大钊相遇了。

他们的对话令人动容：

“先生，他们爱我”

“延年，因为你爱他们”

这是一位网友在观看电视剧《觉醒年代》之后写的一段纪念先烈的文章节选。相信看过此剧的人都会对剧中陈独秀的两个儿子陈乔年、陈延年就义前的微笑印象深刻。

这一幕的出现让无数观众落泪。

为了纪念烈士，有人找到了陈延年烈士真实的照片，利用人工智能技术为照片上色，并让他露出“真实的”微笑：

有网友在看到这张照片后说：当百年前就义的烈士看到今日之中国，想必也会这样欣慰地微笑吧。

使用AI修复烈士照片的这位网友名叫“大谷Spitzer”，你或许曾看过他的一些其他修复作品：

他曾经修复过李大钊于1924年9月22日在莫斯科大剧院演讲时的影像，这也是李大钊同志目前唯一留存的视频录像，相当珍贵。

从视频截图可以看出，经过AI修复的影像不仅清晰度高，对人物细节的渲染也十分到位，比如上图中李大钊同志的头发与胡须的细节，在AI修复后显得非常细致。

可能你会有疑问，大谷是如何做到的？或者说，AI技术是如何让原本黑白的影像变得鲜活起来？

AI如何给老照片上色？

照相技术诞生之初，照片都是黑白的，到了1940年代彩色照片才流行起来。所以在早些年如果你想将黑白照片变成彩色，需要手工进行，费时费力。因为当时用的是水彩、油画、蜡笔产色，所以起来并不是那么真实。

如今，人工智能技术大行其道，甚至可以毫不费力地完成这项工作。

17岁英国少年Finnian Anderson和18岁芬兰少年Oli Callaghan携手合作，开发了Colorise Bot，用户只需要在Twitter上传照片和视频并@Colorise Bot，就能在几秒内上色。

（原图与修复后地效果 | 来源：原作者博客）

作者之一的Finnian Anderson在博客上的一篇文章揭示了这项技术背后的秘密。

受内存及性能限制，他们没有选择TensorFlow进行底层框架搭建，而是使用Caffee搭建了原始网络，然后用开源数据集ImageNet中的图像对模型进行训练。

根据他们发布在GitHub上的内容可以知道，他们引用的是加州伯克利大学的 Richard Zhang 等人开发出来的着色方法。其原理简单来说，就是给出一张黑白图片，然后预测图片上物体可能的颜色，不一定能完全还原物体本身的颜色，但合理即可。

比如苹果，红色、青色都是人们普遍认知里合理的颜色，在训练过程中，如果模型给苹果上色的结果是这两种或者与之接近的，那么都可视为成功。

（训练结果 | 来源：原作者GitHub）

当然，模型对物体颜色的预测也是被大量的图片数据“喂”出来的，就比如上图中的汽车，原本的颜色可能是蓝色或者黑色，但是因为模型在识别了大量汽车的图片后学会了汽车可以有红色、黑色、白色、银色等等，因此给上图里的汽车染成红色也是合理的。

不过，大谷使用的开源AI上色项目有别于上面这一种。

根据大谷的微博，它使用的上色工具有两种：DeOldify和Deep Exemplar-Based Colorization。虽然都可以用来上色，但是这两种工具的原理有所不同。

前者使用的是一种名为NoGAN的新型GAN训练方法。大致的原理可以理解为，同时训练两个神经网络，一个叫鉴别器，另一个叫生成器。鉴别器会使用大量真实的彩色图片训练，而生成器则会根据输入的黑白图像随意上色，鉴别器根据学会了的彩色图片来判断上色的真实性。

比如，鉴别器学会了树叶可以是绿色的、黄色的、红色的，干枯后可以是黑色的；这个时候生成器给一张树叶图片染成了蓝色，那鉴别器就会判断这个结果是假的，生成器要重新给图片上色，直到出现合理的色彩。

而后者的原理就相对简单了，给定参考彩色图像，卷积神经网络会直接将灰度图像映射到输出彩色图像。

（图片来源：Deep Exemplar-Based Colorization论文）

如上图所示，目标图像是最左边的黑白图像，如果给神经网络一个穿红衣服的女士的图像为参考，那么输出的结果里，人物的衣服颜色也是红色，肤色甚至也会更接近参考图像人物的肤色。

由于大谷的图像、视频修复里采用了不止一种开源项目，因此本文对于其原理就不做过多分析了，上述结论想必已经能够部分解答读者们的疑问。

此外，大谷还采用了一些开源的辅助工具，比如旷视科技和北大共同推出的，用来给视频补帧的RIFE，它可以让老视频变得更加流畅；以及用于去除视频噪点和模糊的BasicSR等等。

AI还原的色彩准确吗？

如前文所述，AI修复的图像色彩只是“合理”，未必与真实的情况相符。不过，这也并不耽误AI还原色彩对历史学家的帮助。

爱尔兰国立大学教授John Breslin和Sarah-Anne Buckley将数字技术与历史研究结合在一起，他们将很多历史照片由黑白变成彩色。教授们使用的AI工具是前文提到的DeOldify，在训练时，DeOldify会分析大量普通彩色照片，看看各种颜色与不同的形状、纹理是如何匹配的。

当软件面对黑白照片时，它会努力搞清对象的颜色是什么，比如草、树、海洋的颜色，根据纹理判定它们是绿色或者蓝色。

当然AI也有局限性，爱尔兰的一草一木有自己的特质，美国软件有时无法正确识别。

Breslin解释说，世界许多地区的房屋可能铺有陶瓦，呈现橙色或褐色，爱尔兰一般用石板瓦，呈现灰色或者黑色。此时，同为历史学者的Sarah-Anne Buckley就会参与进来，手动修正颜色和阴影。

Constance Markievicz是爱尔兰历史上比较有名的政治家，他的眼睛到底是什么颜色呢？AI无法判断。怎么办？1890年代至1950年代，曾有很多移民前往美国，Constance Markievicz是其中之一，历史学家查看纽约埃利斯岛留下的乘客纪录，断定眼睛的颜色是蓝色。

即使学者们如此严肃，还是有很多同行不认可，他们认为像DeOldify这样的软件只是带来误导，不能增强照片效果。Breslin并不认同，他认为自从有摄影以来人们一直就在做同样的探索，而且即使用AI上色也并不是想取代原照片。

Jordan Lloyd是一名视觉历史学家，他为出版商、私人客户提供服务，给老照片上色，不过不是用计算机上色。虽然AI也能完成同样的工作，但无法达到Jordan Lloyd的要求。他说：“诺曼底纪念活动时，我曾发布一张照片，将登陆D-Day登陆的照片变成彩色。History Channel也曾展示照片，自动着色，虽然是同一张照片，但看起来很糟糕。” DeOldify、DeepAI和Algorithmia能在几秒内将黑白照片变成彩色，Jordan Lloyd却要花几十个小时才能处理一张照片。

对于Jordan Lloyd来说AI不足为惧，因为它老是出错，颜色不准确。更糟糕的是连计算机专家也不明白AI为何会出错。DeOldify联合创始人Jason Antic指出：“这是一个‘黑盒’，AI从数据中抽取任何可能的规则。”

DeOldify算是很先进的，它用一百万张黑白照片训练过，这些黑白照是从彩照转化而来的。尽管如此，DeOldify还是错误连连，部分是因为灰度图缺乏彩色照片独有的关键数据。

前文提到的论文作者，来自加州伯克利大学研究人员Richard Zhang说：“着色实际上是很有难度的，因为我们要从1D转到3D。”色相，饱和度和亮度决定了我们对彩色的感知，但灰度图里只有亮度。许多不同的颜色可能有相同的亮度，即使它们在现实中非常不同，在黑白照片中也会呈现出相同的灰度。

为了解决这一问题，计算机专家尝试用对象识别软件增强算法。Richard Zhang说：“对于照片的某些部分，我们可以确定颜色是什么。例如，我们知道天空一般是蓝色的，蔬菜是绿色的，山一般是褐色的。如果不确定，比如衬衫的颜色，上色系统就只能猜测。”

正因如此，Jason Antic并不认为AI会成为研究历史的重要工具。他认为，图片的色彩与时间、地点、环境都有关，这些AI不太可能知道。

谷歌机器学习专家Emil Wallner倒是乐观一些，他认为最终AI能做到准确识别。他在邮件中回复称：“最难的部分在于开发一个机器学习模型，它能识别图片中的图案，它要寻找相关联的历史信息并推理，看看是否可以利用信息来判断照片中某物的颜色。”Emil Wallner相信开发这样的算法是可能的，只是要提供一些环境信息给AI。

所以说，用AI给黑白照片上色很有趣，但离完美还很遥远。

AI如何让老照片动起来的？

搞明白了上色的原理，那如何让静态照片动起来呢？

说到这里就不得不提到一家名为MyHeritage的公司。

当用户进入MyHeritage网站并上传照片后，MyHeritage Photo Enhancer会增强照片，然后让它动起来，动画中的人物甚至可以微笑、眨眼、移动。

（光锥智能笔者用自己的照片测试的结果）

据了解，该网站采用的是一种名叫Deep Nostalgia的技术，它能让静态照片中的人移动起来，就像视频一样。

有意思的是，这家公司本身是做基因检测技术的，但为什么会忽然做起来动态老照片的活计？

或许MyHeritage创始人、CEO Gilad Japhet能解答，他说：“使用Deep Nostalgia技术，看到珍贵的家族照片活起来，你会发出惊叹。看到祖先的脸在视频动画中活起来，你会忍不住遥想当年他们在现实中是怎样的，这样你与家族历史就能以新的方式联系起来。”

不过遗憾的是，Deep Nostalgia并不是一项开源技术，目前在MyHeritage网站也只能免费试用5张图片，我们在这里无法深度解答它作用的原理。

但是根据一些网友的分析，Deep Nostalgia极有可能脱胎于曾经在网络上风靡一时，且最终臭名昭著的深度换脸开源模型：DeepFake。

DeepFake火爆的源头是有人利用这项技术，将《神奇女侠》女主角盖尔加朵的脸，换成了某色情片女主角的脸，并上传到了互联网。

当时大多数网友对这项技术的态度是：坚决抵制！因为它对于人们的隐私造成了非常大的威胁，甚至后来一度发生过有人利用DeepFake和AI语音合成伪造政坛高管发言的案件。

说回DeepFake的技术原理，整个流程分为三部：数据提取、训练、合成。

还是以前面盖尔加朵的案例讲解。可以简单理解为，模型先从别的视频、图像里把盖尔加朵的脸“抠”出来，据说这个模型会给人脸标记36个关键点坐标，根据这些坐标能计算人脸的角度，最终抠出来的人脸是摆正后的人脸。

然后再根据算法，对人脸进行各种角度的变换和扭曲，以适配最终合成的角色的脸，最后融合到目标图像或视频里。当然，这其中还有更复杂的技术细节，这里就不再多赘述了。

如果Deep Nostalgia确实脱胎于DeepFake，那么其背后的技术原理应该不会有太大差别，只希望MyHeritage等拥有同样技术的公司能够将它用在正道，不要重蹈DeepFake的覆辙。

AI修复老照片不只带来感动

今年父亲节，一位网友给自己的父亲送上了一份特殊的礼物。

他通过百度飞桨PaddleGAN生成对抗网络复原了爷爷的动态老照片，并实现了微笑、眨眼等各种表情，仿佛在与儿子交流，诉说这些年的思念，弥补了父亲没能见到爷爷最后一面的遗憾。

在国外的社交平台上，也有网友用类似的技术修复已过世的亲人的照片，同样带来了满满的感动。

正如Gilad Japhet所说，当我们看到肤色鲜艳、表情生动的革命先烈，或者已故的家族长辈以这样的方式出现在我们面前时，我们对他们的怀恋会更深一层，与他们的联系也仿佛更加紧密了一些。

科技如何向善？或许这是一种正确的打开方式。

参考资料：

https://www.digitaltrends.com/features/colorize-bot-twitter/

https://www.usatoday.com/story/tech/2021/02/25/deep-nostalgia-technology-animates-faces-still-photos/6814516002/

https://www.cnn.com/style/article/old-ireland-color-photos-breslin/index.html

https://scienceline.org/2021/01/ai-cant-color-old-photos/