基于深度學(xué)習(xí)模型的以圖搜圖技術(shù)在新華社供稿服務(wù)中的創(chuàng)新應(yīng)用

熊立波

（新華通訊社技術(shù)局，北京 100083）

1.背景

新興媒體時代將成為受眾與用戶“按需消費(fèi)”的時代，只要用戶提需求，媒體就應(yīng)想盡辦法回應(yīng)和滿足。[1]新華全媒新聞服務(wù)平臺作為新華社供稿平臺為全球新聞機(jī)構(gòu)提供新華社全媒體內(nèi)容供稿服務(wù)。

不少圖片用戶是在互聯(lián)網(wǎng)上看到圖片后再從新華全媒體平臺搜索并下載授權(quán)的高清圖片，但往往由于文字又不能準(zhǔn)確表述而無法快速搜索到所需的圖片，用戶對用圖片直接搜索圖片的需求很大。如何為用戶提供方便準(zhǔn)確的圖片搜索服務(wù)是一個需要不斷研究的課題。

2.“新華全媒”新聞服務(wù)平臺

“新華全媒”新聞服務(wù)平臺項(xiàng)目是新華社供稿線路優(yōu)化調(diào)整的重要工程，基于云計算、互聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一技術(shù)架構(gòu)，重構(gòu)新華社轉(zhuǎn)型發(fā)展時期供稿技術(shù)體系，建成了包括所有新華社文字、圖片、圖表、視頻、新媒體、多媒體、歷史資料和第三方產(chǎn)品的全媒體供稿平臺，著力提升新興媒體供稿能力，整合傳統(tǒng)供稿線路資源，提升用戶使用體驗(yàn)，滿足用戶需求。

3.以圖搜圖技術(shù)路線

以圖搜圖，是通過搜索圖像文本或者視覺特征，為用戶提供相關(guān)圖形圖像資料檢索服務(wù)的專業(yè)搜索引擎系統(tǒng)[2]，是搜索引擎的一種細(xì)分，目前主要有如下2種實(shí)現(xiàn)方式。

（1）通過提取的圖片描述信息。使用程序直接提取描述圖片的關(guān)鍵字，使用關(guān)鍵字來進(jìn)行檢索。

（2）通過識別輸入的圖片的特征。提取圖片的特征值，使用特征值進(jìn)行相似圖片的檢索。

提取圖片的信息主要有以下3類。

（1）圖片內(nèi)嵌描述信息。提取圖片內(nèi)嵌的EXIF[3]或IPTC[4]等信息進(jìn)行檢索，這是目前圖像搜索引擎采用最多的方法，但是搜索準(zhǔn)確性比較低。

（2）圖片內(nèi)容特征信息。人工對圖像的內(nèi)容（如物體、背景、顏色特征等）進(jìn)行描述并分類，給出描述詞。檢索時，將主要在這些描述詞中搜索檢索詞。這種查詢方式一般來講可以獲得較好的查準(zhǔn)率。但需人工直接參與，勞動強(qiáng)度比較大，限制了可處理的圖像數(shù)量，而且需要預(yù)先指定規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，搜索的準(zhǔn)確率很大部分取決于人工描述的精確度和一致性。

（3）圖片屬性特征信息。通過算法自動抽取圖像的顏色、形狀、紋理等屬性特征，建立特征索引庫。優(yōu)點(diǎn)是算法簡單，可以使用機(jī)器批量處理大量圖片，搜索原圖比較準(zhǔn)確，能較快地應(yīng)用到實(shí)際項(xiàng)目中，但是由于圖片屬性相似的圖片內(nèi)容不一定相似，所以對“相似”圖片的檢索結(jié)果不理想。

基于圖形內(nèi)嵌描述信息的方法從本質(zhì)還是文字搜索，如果用戶提交的圖片是截圖等經(jīng)過處理的圖片，本身就沒有內(nèi)嵌的描述信息，將無法搜索到結(jié)果。

基于圖像色度、亮度等物理屬性特征比對圖片的相似度，算法意義上的相似度很高的圖片但是在內(nèi)容上確可能沒有任何業(yè)務(wù)的“相似性”。

基于圖像內(nèi)容特征描述搜索效果雖然好但是需要依賴大量的人工預(yù)標(biāo)注。新華全媒平臺有超過千萬張歷史圖片，并且圖片每時每刻都在新增，如果要對每張圖片都進(jìn)行人工標(biāo)注是不現(xiàn)實(shí)的。隨著人工智能技術(shù)的不斷進(jìn)步，基于深度學(xué)習(xí)算法可以從數(shù)據(jù)中自動挖掘統(tǒng)計規(guī)律，學(xué)出計算模型。[5]可以使用人工智能算法學(xué)習(xí)出計算模型，對圖片進(jìn)行自動分類而代替人工標(biāo)注，達(dá)到更好的圖片搜索準(zhǔn)確度。

4.以圖搜圖算法的實(shí)現(xiàn)

為了對比搜索的準(zhǔn)確性，本文構(gòu)建了基于離散余弦變換（DCT，Discrete Cosine Transform）和基于深度學(xué)習(xí)算法2種搜圖方案進(jìn)行對比測試。

4.1 基于離散余弦算法的實(shí)現(xiàn)

對比物品與物品之間的相似性所應(yīng)用的方法通常為余弦相似性等方法。[6]離散余弦變換（DCT，Discrete Cosine Transform），是一種圖像壓縮算法，使用離散余弦變換來獲取圖片中的低頻成分[7]，它將圖像從像素域變換到頻率域?？梢岳眠@一點(diǎn)，將圖片進(jìn)行頻域化后再進(jìn)行相似性搜索，實(shí)現(xiàn)基于圖像屬性特征抽取的搜索。

4.2 基于深度學(xué)習(xí)算法的實(shí)現(xiàn)

圖1 VGG16學(xué)習(xí)模型[8]

VGG-16 是視覺幾何組（Visual Geometry Group）開發(fā)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，該深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)贏得了ILSVR（ImageNet）2014的定位任務(wù)冠軍[9]，時至今日，VGG仍是一個經(jīng)典和杰出的視覺模型。該結(jié)構(gòu)有13個卷積層，3個全鏈接層，一共有16層。

ImageNet 超過1400萬的圖像被ImageNet手動注釋[10]，包含2萬多個類別[11]，，每個類別包含數(shù)百張圖片。[12]本文使用ImageNet的vggVGG-信息，實(shí)現(xiàn)圖像內(nèi)容特征提取的以圖搜圖。

本文基于Keras[13]深度學(xué)習(xí)框架，使用Python，keras，TensorFlow，F(xiàn)lask構(gòu)建以圖搜圖服務(wù)。

Python中有很多應(yīng)用于科學(xué)計算、數(shù)據(jù)可視化、機(jī)器學(xué)習(xí)的擴(kuò)展庫，例如NumPy，keras等，涉及的領(lǐng)域包括數(shù)值計算、符號計算、二維圖表、三維數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析建模等。

Keras是用Python開發(fā)的崇尚極簡高度模塊化的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)庫，優(yōu)點(diǎn)是可以同時運(yùn)行在TensorFlow和Theano這2個主流的深度機(jī)器學(xué)習(xí)庫上，同時可以方便的在CPU和GPU之間切換。為以圖搜圖提供調(diào)度深度學(xué)習(xí)算法。

TensorFlow是Google開發(fā)的深度機(jī)器學(xué)習(xí)庫，核心代碼是C++編輯，同時提供Python，Go，Java等接口。為以圖搜圖提供深度學(xué)習(xí)支持。

Flask是Python開發(fā)的微服務(wù)框架，依賴Jinja2模板引擎和Werkzeug WSGI服務(wù)。為以圖搜圖提供http的查詢和檢索服務(wù)。

4.3 流程設(shè)計

圖2 搜圖算法設(shè)計

圖片內(nèi)容特征預(yù)提取。圖片通過使用ImageNet的VGG16預(yù)訓(xùn)練模型，提取圖片的特征向量值并存儲到特征向量數(shù)組中。

用戶上傳圖片的特征提取。接收用戶上傳的圖片，圖片通過使用ImageNet的VGG16預(yù)訓(xùn)練模型，提取圖片的特征向量值。

特征向量比較搜索。將用戶上傳圖片提取的特征向量和特征數(shù)組中所有圖片的特征向量進(jìn)行逐一比較，返回距離（歐式距離，Euclidean distance[14]）最小前N張圖片。

4.4 性能測試

經(jīng)測試，以圖搜圖服務(wù)部署在單臺PC服務(wù)器（2c，16GB）對100萬張圖片進(jìn)行并發(fā)搜索，可以提供可靠的以圖搜圖查詢服務(wù)，支持20個并發(fā)用戶訪問不報錯，200個并發(fā)用戶訪問不down機(jī)，并支持分布式部署和線性擴(kuò)展。

4.5 搜索結(jié)果準(zhǔn)確性測試

4.5.1 搜索對比測試

為了測試搜索結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文隨機(jī)從新華全媒平臺歷史圖片庫中挑選了3萬張歷史新聞圖片，對2種算法的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行搜索測試。選取了“人物”，“動物”，“植物”等不同場景的圖片，并對測試圖片進(jìn)行“亮度增強(qiáng)”“灰度”“添加水印”等變形操作，每次提交圖片搜索返回前30張圖片結(jié)果。

圖3 和 圖4分 別 是ImageNet VGG-16和DCT實(shí) 現(xiàn)的以圖搜圖返回的結(jié)果，從搜索結(jié)果可以看出，2個搜索結(jié)果都能搜索到原圖（左上角第一個圖片），ImageNetVGG-16方案返回的結(jié)果中，除了原圖，其他的圖片也是和油菜花或者黃色的花有關(guān)的圖片，但是DCT方案返回的其他圖片和原圖基本沒有業(yè)務(wù)相關(guān)性。

圖3 ImageNet_VGG16返回結(jié)果

圖4 DCT返回結(jié)果

4.5.2 評分設(shè)計

“原圖”：搜索到原圖打100分，未搜索到給0分；

“相關(guān)圖”：搜索到的除“原圖”圖片外的其他圖片和被搜索圖片相似度，每一張相似圖片滿分給3.3分。

圖5 兩種搜索算法搜圖原圖準(zhǔn)確性

圖6 兩種搜索算法搜圖相關(guān)圖準(zhǔn)確性

從上圖測試結(jié)果來看，基于深度學(xué)習(xí)算法的ImageNet VGG-16在原圖搜索中，除了對圖片旋轉(zhuǎn)后的由于圖片內(nèi)容識別上存在誤差，導(dǎo)致沒有搜索到原圖，其他組都拿到了100分滿分。在相關(guān)圖片推薦測試中，同樣對旋轉(zhuǎn)后的圖片識別率較低，其他組的搜索得分都比較高。

對基于DCT算法的測試結(jié)果可以看到，DCT對原圖的搜索結(jié)果還是讓人滿意的，同樣對應(yīng)旋轉(zhuǎn)后的圖片無法搜索到，但是對相關(guān)圖片搜索效果比較差，說明搜索到的圖片除了原圖，其他搜索到的圖片都是與被搜索圖片無關(guān)的圖片。

從上面的測試可以得出：基于深度學(xué)習(xí)方案實(shí)現(xiàn)的搜圖方案準(zhǔn)確性要明顯好于基于離散余弦算法實(shí)現(xiàn)的搜圖方案。

5.以圖搜圖服務(wù)在新華全媒新聞服務(wù)平臺上的實(shí)現(xiàn)

5.1 需求分析和設(shè)計

5.1.1 用戶上傳圖片

需求點(diǎn)：為用戶提供圖片上傳的功能。

設(shè)計：以圖搜圖作為一個獨(dú)立功能模塊和新華全媒新聞服務(wù)平臺進(jìn)行集成，用戶在系統(tǒng)中提交需要搜索的圖片，以圖搜圖系統(tǒng)獲取圖片，對已經(jīng)索引的歷史圖片進(jìn)行搜索和比對，返回搜索到圖片的結(jié)果，并將結(jié)果提交進(jìn)行展示。

5.1.2 返回搜索結(jié)果

需求點(diǎn)：通過列表或網(wǎng)格的方式為用戶展現(xiàn)搜索結(jié)果。

設(shè)計：由于所有稿件都有唯一稿號，以圖搜圖系統(tǒng)將搜索到的稿件以稿號列表形式返回，新華全媒新聞服務(wù)平臺對所有稿件進(jìn)行列表展示。

5.1.3 數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)存儲需求分析和設(shè)計

需求點(diǎn)：可以搜索到6個月圖片稿件的搜索功能。

設(shè)計：以圖搜圖模塊只需要返回搜索到的稿號，所以僅僅需要存儲每個圖片的索引結(jié)果，每個圖片無論大小，索引文件大小為固定為17K，半年的圖片50萬張，額外的所需空間約為9GB。

5.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

圖7 搜圖算法設(shè)計

5.2.1 API服務(wù)層

以圖搜圖對外提供基于http協(xié)議的微服務(wù)的接口層，主要包括獲取用戶上傳的圖片和返回搜索結(jié)果。

5.2.2 應(yīng)用層

主要包括基于AI機(jī)器學(xué)習(xí)框架，生成圖片索引和進(jìn)行相似圖片搜索，存儲生成的圖片索引。

5.2.3 消息層

為以圖搜圖提供統(tǒng)一消息路由服務(wù)。需要將所有的圖片通過消息層推送給圖片特征提取服務(wù)。

5.2.4 AI層

為以圖搜圖提供統(tǒng)一的機(jī)器學(xué)習(xí)模型服務(wù)。

5.2.5 存儲層

存儲中間數(shù)據(jù)和索引文件。

圖8 以圖搜圖服務(wù)在新華全媒平臺上的應(yīng)用

基于深度學(xué)習(xí)模型的以圖搜圖服務(wù)在新華全媒新聞服務(wù)平臺上線后，為用戶提供了精準(zhǔn)的圖片搜索服務(wù)，搜索到的其他圖片相似度也更高，是新華社供稿平臺首次為用戶提供以圖搜圖服務(wù)，受到了用戶的一致好評。

結(jié)語

通過對基于離散余弦算法DCT和基于深度學(xué)習(xí)VGG-16模型的以圖搜圖實(shí)現(xiàn)進(jìn)行對比測試，得出基于深度學(xué)習(xí)模型的算法更優(yōu)的結(jié)論。通過創(chuàng)新性應(yīng)用到新華全媒新聞服務(wù)平臺的搜圖服務(wù)中，為用戶提供了更加精準(zhǔn)的圖片搜索服務(wù)，得到了用戶的一致好評。下一步將繼續(xù)探索研究使用其他深度學(xué)習(xí)模型在以圖搜圖應(yīng)用中的差異，以進(jìn)一步提高圖片搜索的準(zhǔn)確性。