基于膠囊網(wǎng)絡(luò)的深度偽造檢測

姚昆侖，李 鵬

（湘潭大學(xué)自動(dòng)化與電子信息學(xué)院，湖南 湘潭 411105）

0 引言

深度偽造指的是使用深度學(xué)習(xí)方法讓理智的觀察者錯(cuò)誤地將某段偽造的音視頻視為個(gè)人真實(shí)言語或行為的方法，其推動(dòng)了文娛事業(yè)的發(fā)展，同時(shí)也可能誤導(dǎo)輿論，擾亂社會(huì)秩序以及威脅人臉識(shí)別系統(tǒng)。傳統(tǒng)圖像取證法檢測準(zhǔn)確率低，且可通過在偽造影像中加入噪聲的方式繞過[1]?；谏疃葘W(xué)習(xí)的偽造檢測技術(shù)大致可以分為兩類：一類是基于CNN架構(gòu)和損失函數(shù)來直接檢測偽造圖像，另一類是通過真?zhèn)螆D像頻譜中的差異化分析，找出特定的GAN指紋特征 ，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)偽造圖像的識(shí)別?；贑NN架構(gòu)和損失函數(shù)的方法準(zhǔn)確率較高，但計(jì)算量大，目前僅在較小的數(shù)據(jù)集上實(shí)驗(yàn)?；贕AN指紋特征的方法則可通過選用無指紋特征的GAN來規(guī)避檢測，且GAN技術(shù)發(fā)展迅速，該方法不具備通用性。本文提出的方法屬于第一類方法，使用膠囊網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)取代原網(wǎng)絡(luò)中CNN架構(gòu)，在準(zhǔn)確率不變的情況下極大減少了實(shí)驗(yàn)參數(shù)，降低了計(jì)算復(fù)雜度[2]。

1 膠囊網(wǎng)絡(luò)介紹

膠囊網(wǎng)絡(luò)是2017年有“深度學(xué)習(xí)之父”之稱的Hinton等人[1]提出的，用以彌補(bǔ)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不足的新的深度學(xué)習(xí)方法。膠囊是由多個(gè)卷積構(gòu)成的集合，用來代表一類特征。多個(gè)膠囊構(gòu)成膠囊層，膠囊層之間以動(dòng)態(tài)路由的方式傳遞信息[3]。

特征出現(xiàn)的概率由膠囊輸出的向量的長度表示，因此，輸出向量需要使用非線性壓縮函數(shù)將向量的長度壓縮至0到1之間，以滿足數(shù)學(xué)邏輯。非線性壓縮函數(shù)squash如下：

式中，vj為膠囊j的向量輸出；sj為向量j的總輸出。

膠囊的總輸入sj是上一層膠囊的預(yù)測向量的加權(quán)和，預(yù)測向量有上層膠囊的輸出與變換矩陣相乘得到。

為了使膠囊層i與高級(jí)膠囊層j之間的耦合系數(shù)之和為1，使概率分布符合數(shù)學(xué)邏輯，使用softmax方程來確定cij。

圖1 膠囊層連接示意

2 基于膠囊網(wǎng)絡(luò)的深度偽造檢測方法

2.1 方法總覽

本文提出的深度偽造檢測方法流程如圖2所示。預(yù)處理的任務(wù)取決于輸入的類型，如果輸入是視頻，則第一步是分離幀。如果輸入是一幀或者一張圖片，則將如數(shù)分離為patch。通常的輸入尺寸為100×100到300×300，輸入越大結(jié)果就越好，但需要更多計(jì)算能力[4]。

圖2 基于膠囊網(wǎng)絡(luò)的深度偽造檢測方法流程圖

后期處理單元根據(jù)預(yù)處理單元進(jìn)行工作。如果任務(wù)是檢測虛假圖像，則將提取的patch分?jǐn)?shù)平均；如果輸入是視頻，則將所有幀的分?jǐn)?shù)平均。最終的得到輸出[5]。

2.2 膠囊檢測網(wǎng)絡(luò)詳細(xì)架構(gòu)

本文提出的膠囊深度偽造檢測詳細(xì)架構(gòu)如圖3所示。主膠囊層包含多個(gè)膠囊，每個(gè)膠囊分為三個(gè)部分：二維卷積部分、統(tǒng)計(jì)池化層（Stats Pooling）和一維卷積部分。論文證明統(tǒng)計(jì)池化層在偽造檢測任務(wù)中是十分有效的，統(tǒng)計(jì)池化后的輸出適用于一維卷積。[6]經(jīng)過一維卷積后的輸出經(jīng)過動(dòng)態(tài)路由發(fā)送到輸出膠囊，由于本實(shí)驗(yàn)只需要做輸入的真假判斷，因此最終又輸出膠囊計(jì)算最終結(jié)果。

圖3 膠囊檢測網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 檢測計(jì)算機(jī)偽造的視頻

本實(shí)驗(yàn)采用了FaceForensics++數(shù)據(jù)集。該數(shù)據(jù)集包含了4 000個(gè)上傳自Youtube的視頻，其中包含1 000個(gè)原視頻，以及分別使用deepfake、Face2Face和FaceSwap技術(shù)進(jìn)行了偽造的視頻。數(shù)據(jù)集中訓(xùn)練集，驗(yàn)證集和測試集的數(shù)量分別為720、140和140個(gè)[7]。

為了減少計(jì)算量，在實(shí)驗(yàn)中對(duì)于訓(xùn)練集使用其前100幀，并裁減為300×300大??；對(duì)于驗(yàn)證集和測試集，僅使用其前10幀，同樣裁減為300×300大小。

本實(shí)驗(yàn)使用了XceptionNet[4]作為對(duì)照，該網(wǎng)絡(luò)在檢測深度偽造的圖像方面取得了最好的效果。但是XceptionNet是一個(gè)擁有超過2 000萬個(gè)參數(shù)的大型網(wǎng)絡(luò)，使得其訓(xùn)練速度較慢[8]。

實(shí)驗(yàn)參數(shù)方面，本實(shí)驗(yàn)使用Adam優(yōu)化器，其中β1= 0.9，β2= 0.999，DropOut為0.05。動(dòng)態(tài)路由的k=0.5。

模型的準(zhǔn)確性和參數(shù)方面，首先，本文除了與XceptionNet比較外，還設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)對(duì)比不同初級(jí)膠囊個(gè)數(shù)對(duì)準(zhǔn)確性和參數(shù)的影響。實(shí)驗(yàn)經(jīng)過了25次迭代，表1顯示了3～10個(gè)初級(jí)膠囊對(duì)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性的影響?？梢钥闯?，隨著初級(jí)膠囊增多，模型的準(zhǔn)確性逐漸增加，當(dāng)膠囊數(shù)量為8個(gè)時(shí)，膠囊檢測網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)確率已經(jīng)超過了XceptionNet的準(zhǔn)確率，同時(shí)參數(shù)量僅為XceptionNet的1/5[9]。

表1 不同膠囊數(shù)量的膠囊檢測網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

同時(shí)，盡管較少的膠囊使得網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)確率降低，但可以在不對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行重大更改的情況下輕量化網(wǎng)絡(luò)，使得網(wǎng)絡(luò)移植到移動(dòng)端更加便利。

對(duì)數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù)進(jìn)行多分類對(duì)比，結(jié)果如表2所示，可以看到Face2Face偽造是兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)中最難檢測的攻擊。XceptionNet在deepfake方式偽造檢測方面表現(xiàn)更好，準(zhǔn)確度為84.81%。總體而言，與XceptionNet相比，本文提出的方法在所有偽造方式上的性能更加均衡。

表2 FaceForensics++數(shù)據(jù)庫的多類分類準(zhǔn)確性對(duì)比

3.2 檢測由計(jì)算機(jī)生成的圖像

除了檢測偽造視頻，本實(shí)驗(yàn)還對(duì)膠囊檢測網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，使其可以對(duì)計(jì)算機(jī)生成的圖像（CGI）和攝影作品（PI）進(jìn)行分類。本實(shí)驗(yàn)使用了Rahmouni等人創(chuàng)建的數(shù)據(jù)集[7，8]，CGI集包含取自5個(gè)大型3A游戲的1800張高分辨率屏幕截圖，像素為1920×1080。PI集包含從RAISE數(shù)據(jù)集中選擇的1800張高分辨率攝影圖像，像素為4900×3200[10]。

本實(shí)驗(yàn)將這些數(shù)據(jù)集分解為100×100大小的patch，因此輸入圖像的大小為100×100，通過計(jì)算所有patch的平均分類概率來計(jì)算完整圖片的準(zhǔn)確率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5.3所示，本實(shí)驗(yàn)提出的方法明顯優(yōu)于其他三個(gè)較新的分類方法，并且在完整圖片數(shù)據(jù)集上實(shí)驗(yàn)了100%的分類精度。

表3 對(duì)CGI和PI的分類準(zhǔn)確性

4 結(jié)束語

本文提出了基于膠囊網(wǎng)絡(luò)的深度偽造檢測方法，可以用于數(shù)字圖像和偽造視頻的檢測。[11]所做的改進(jìn)使得本實(shí)驗(yàn)提出的模型可以在使用更少參數(shù)的情況下持平甚至超過目前的檢測方法，從而降低計(jì)算成本。證明了該模型具有優(yōu)秀的適應(yīng)性，通過可視化膠囊輸出分析了膠囊檢測的工作原理[12]。