CN113205044A - 一种基于表征对比预测学习的深度伪造视频检测方法 - Google Patents

一种基于表征对比预测学习的深度伪造视频检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于表征对比预测学习的深度伪造视频检测方法。其发明内容主要包括(1)提出一种基于表征学习的卷积神经网络人脸表征模型；(2)提出一种基于对比预测学习的时序人脸回归预测方法；(3)提出一种分阶段式训练的深度伪造视频检测方案。

Description

一种基于表征对比预测学习的深度伪造视频检测方法
技术领域
本发明涉及计算机应用技术领域，一种基于表征对比预测学习的深度伪造视频检测方法。
背景技术
近年来，由于短视频的迅猛发展，互联网的流量已经从文本页面急剧地转移到视频文件，人们获取的信息量也呈指数增长。2017年，名为“Deepfake”的深度伪造技术的出现颠覆了人们“眼见为实”的认知。深度伪造技术实际上是一种人脸交换技术，顾名思义，也就是把视频中的一张脸替换成另一张脸。这种伪造技术使用门槛低，可以将社交媒体中的视频数据用于各种目的。网友将社交媒体中的视频人脸替换为不同的女明星用于娱乐，此外，电视剧制作过程也使用深度伪造技术更换主角的人脸。当深度伪造技术被滥用，会对个人隐私，构成威胁。这些深度伪造技术是人工智能技术与视频技术的结合，有着强大的伪造效果，以至于我们肉眼无法辨别真假视频。如果深度伪造视频在互联网上高速传播，伪造信息的影响会在瞬间被放大1000万倍。因此，如何使用人工智能技术检测深度伪造视频，是亟待解决的问题。
在深度伪造视频的生成过程中，用于训练的闭眼人脸的数据远少于睁眼的数据，这导致生成的视频中眨眼频率远低于真实视频。文献“Yuezun Li,Ming-Ching Chang andSiwei Lyu.In Ictu Oculi:Exposing AI created fake videos by detecting eyeblinking.in Proceeding of IEEE International Workshop on InformationForensics and Security,pp.1-7,2018”提出一种基于眨眼频率来检测深度伪造视频的方法。文献“Afchar Darius,Nozick Vincent,Yamagishi Junichi,and EchizenIsao.MesoNet:a compact facial video forgery detection network.in Proceedingof IEEE International Workshop on Information Forensics and Security,pp.1–7,2018”提出一种介观网络提取空间的介观特征来进行伪造视频的检测。由于视频的帧间存在时序信息，文献“陈鹏，梁涛，刘锦，戴娇，韩冀中.融合全局时序和局部空间特征的伪造人脸视频检测方法.信息安全学报，vol.5,No.2,2020”提出了将时序特征和空间特征结合的方法检测视频的真假。
现有的伪造视频生成技术主要包括Face2Face，DeepFakes，FaceSwap，NeuralTextures， Refined algorithm。以上的方法的检测鲁棒性不理想，不能很好的检测视觉质量高的视频，如使用Refined algorithm生成的视频，在跨数据库进行视频检测时，检测性能下降。现实生活中的大多数场景都是跨数据库的检测，需要我们检测的视频通常不是训练数据库当中的视频。考虑到实际应用的问题，本发明旨在提高深度伪造视频的检测鲁棒性，提出了一种基于表征对比预测学习的深度伪造视频检测方法。
发明内容
本发明提出了一种基于表征对比预测学习的深度伪造视频检测方法，并通过分阶段训练的方式进一步优化模型，可以检测不同视觉质量的深度伪造视频，并且具有一定的鲁棒性。主要包括三大内容：
(1)提出一种基于表征学习的卷积神经网络人脸表征模型；
(2)提出一种基于对比预测学习的时序人脸回归预测方法；
(3)提出一种分阶段式训练的深度伪造视频检测方案。
具体内容如下：
(1)提出一种基于表征学习的卷积神经网络人脸表征模型：该模型通过编码多个时间点共享的信息来学习特征，同时丢弃局部信息，得到人脸的向量表示。
该表征模型由四个模块构成，每个模块包含一个卷积层，一个激活层，一个批量归一化层，一个池化层构成，各个模块的参数如图1所示，在第四个模块之后使用一个全连接层得到人脸的向量表示。
第一个模块的卷积核的大小是3*3，一张256*256*3大小的人脸图像通过第一个卷积核之后得到254*254*8大小的特征图。卷积操作的计算公式如下所示：
Figure BDA0003048910720000021
其中*表示卷积计算，
Figure BDA0003048910720000022
表示第l层的第j张人脸特征图，
Figure BDA0003048910720000023
表示第l-1层的第i张人脸特征图，
Figure BDA0003048910720000024
表示用来连接第l层的第i张输入人脸特征图和第j张输出特征图的卷积核，
Figure BDA0003048910720000025
表示第 l层的第j张人脸特征图的偏置量。卷积层之后使用了Relu函数作为激活函数，激活函数的公式如下：
R(x)＝max(0,x) (2)
其中x代表输入的人脸特征图。为了对人脸特征图进行归一化，本发明在激活层之后设置了批量归一化层。对于一层具有k维的人脸特征向量x＝(x(1)…x(k))，对每一维去做归一化，其公式可表示为：
Figure BDA0003048910720000031
其中E[x(k)]表示对数据x(k)求平均值，
Figure BDA0003048910720000032
表示对数据x(k)求标准差。人脸特征图经过批量归一化层之后，所有的数据都有确定的均值和方差，这样不仅加快模型的收敛速度，同时也可以防止模型的过拟合。最后为了对人脸数据进行降维，本发明对人脸特征图进行池化操作，其公式可表示为：
Figure BDA0003048910720000033
其中m,n为
Figure BDA0003048910720000034
对应的池化核覆盖区域，第一模块的池化层的核的大小为2，那么
Figure BDA0003048910720000035
覆盖的区域就是2*2的区域。最大池化操作就是选择特征图中2*2的区域里的最大值，随后移动窗口，选择其他区域的值。池化层不仅能提高计算速度，也能提高所提取人脸特征的鲁棒性。经过四个模块的操作之后，使用全连接层，把人脸特征编码成128维的特征向量。
(2)提出一种基于对比预测学习的时序人脸回归预测方法：得到人脸的向量表示之后，使用对比预测的方法，对时序的人脸数据进行预测，真实视频中的人脸是表情自然丰富具有感染力的，而虚假视频中的人脸表情是僵硬不自然的，经过预测之后，对于真实视频，预测帧会接近于视频中真实存在的帧，而对于虚假视频，不自然的人脸表情会导致预测帧不准确，从而使得预测帧与视频中已存在的帧之间的相关性较低，最后通过对比预测帧和已存在的帧之间的相关性来建模。
每个视频取t+s帧人脸，经过表征学习，得到t+s帧人脸的向量表示为F＝ {f(x1),f(x2)…f(xt)…f(xt+s)}。本发明取前t帧人脸数据预测s帧人脸数据。预测是基于 GRU网络，该网络是一个时间记忆的卷积神经网络，经过GRU网络之后可以回归得到预测的人脸数据。其公式可表示为：
ct＝gpre(f(xi)),i≤t (5)
在这个回归预测的过程中，前t帧人脸的向量表示在GRU网络中逐层传递信息，GRU保证了时间信息在时间传播过程中不会丢失。预测模型将t帧人脸编码信息进行总结，并生成上下文潜在表示ct，将ct映射得到预测的后S帧人脸的信息，其公式可表示为：
Figure BDA0003048910720000036
本发明将预测的人脸向量表示
Figure BDA0003048910720000041
和视频中的人脸向量f(xt+s)进行对比，其公式可表示为：
Figure BDA0003048910720000042
如果是假视频，r值接近于0，如果是真视频，r值接近于1，模型的损失函数可表示为：
Figure BDA0003048910720000043
其中yj代表视频的标签，本发明将假视频的标签设为0，真视频的标签设为1。通过极小化LN，来训练模型。
(3)提出一种分阶段式训练的深度伪造视频检测方案：如图2所示，该方案通过两阶段的训练，得到具有鲁棒性的深度伪造视频检测模型。
第一阶段是源训练任务，训练的目的是得到四个模型，这四个模型初步学习四种伪造视频的特征。使用真实视频和NeuralTextures生成的假视频进行训练，得到模型1。使用真实视频和DeepFakes生成的假视频进行训练，得到模型2。使用真实视频和Face2Face生成的假视频进行训练，得到模型3。使用真实视频和FaceSwap生成的假视频进行训练，得到模型4。这四个模型并行训练，互不干扰。
第二阶段是目标训练任务，训练的目的是得到一个融合模型，进一步学习伪造视频的特征，从而提升模型的鲁棒性。将第一阶段已经得到的模型，嵌入到第二阶段的训练任务中，实现参数的初始化迁移，再进行进一步的训练学习。两个阶段的训练方式一致，但是数据分配不同。第二阶段的训练任务也是二分类，使用真实视频作为正样本，使用NeuralTextures 生成的假视频、DeepFakes生成的假视频、Face2Face生成的假视频和FaceSwap生成的假视频四种不同类别的伪造视频作为负样本，得到第二阶段的模型。经过两个阶段的训练之后，模型整合了多个伪造视频类别的信息，有利于模型提高鲁棒性，从而进行跨数据库的检测。
附图说明
图1为本发明工作网络结构图。
图2为本发明工作流程图。
具体实施方式
本发明是一种基于表征对比预测学习的深度伪造视频检测方法。
开发语言是python，开发环境是win10，深度学习框架是keras,数据集是：Faceforensics++ 和Celeb-DF。Faceforensics++数据集一共5000个视频，包括1000个真实视频，1000个NeuralTextures生成的假视频，1000个DeepFakes生成的假视频，1000个Face2Face生成的假视频，1000个FaceSwap生成的假视频。Celeb-DF数据集一共6529个视频。890个真是视频，5639个Refined algorithm生成的假视频。具体步骤如下：
步骤一：人脸数据预处理
步骤一的输入是视频，输出是连续的帧序列。首先下载Faceforensics++和Celeb-DF数据集，在python环境中安装opencv-python和dlib,使用opencv对数据集Faceforensics++的所有视频进行帧提取的操作，所有连续帧保存在视频对应的文件夹。由于深度伪造视频篡改的部分是人脸，只需要对人脸区域进行分析，使用dlib对所有的连续帧进行人脸提取的操作。然后进行数据清洗，如果dlib在一帧图像中提取出了两张人脸，那么人脸序列的顺序将会被打乱，数据清晰过程将删除这类视频数据。最后将数据集以6：2：2的比例划分为训练集、验证集和测试集。
步骤二：人脸表征
步骤二的输入是人脸数据，输出是人脸数据的向量表示。首先使用opencv-python将人脸数据处理成256*256*3的统一，每个视频取t+s帧人脸，然后将人脸数据输入到卷积神经网络人脸表征模型，经过四个卷积层，四个激活层，四个批量归一化层，四个池化层，一个全连接层之后，每张人脸转换成128维的向量表示F＝{f(x1),f(x2)…f(xt)…f(xt+s)}。
步骤三：人脸对比预测
步骤三的输入是人脸的向量表示，输出的是预测人脸与视频中已存在的人脸的相关性值。如果是伪造视频，那么这个相关性值更接近0，如果是真是视频那么这个相关性值更接近1。首先将人脸的向量表示输入到GRU网络中，GRU网络将集成前t帧的信息，对后s帧的人脸进行预测，预测得到后s帧的向量表示：
Figure BDA0003048910720000051
通过公式(7)得到
Figure BDA0003048910720000052
和f(xt)…f(xt+s)相关性值。
步骤四：模型训练
利用keras框架将步骤一二三按照图2所示的设计来搭建模型，进行端到端的训练。设定网络模型的初始学习率是0.001，最小学习率为0.0001，损失函数为公式(8)所示，模型的目标是极小化损失值。当验证集的损失值连续两个epoch没有变化的时候，将学习率调整为原来的0.2倍。损失函数未收敛的时候，模型将损失函数回传到人脸表征模块，重新调整人脸的向量表示，进而重新调整人脸的预测。当训练集的损失函数收敛的时候保存模型。第一阶段的训练得到了4个二分类模型。第二阶段训练时先将第一阶段的模型参数进行迁移，再进行迭代优化训练，模型收敛时保存模型。
步骤五：模型测试
步骤五的输入是Celeb-DF数据集，输出是视频标签，如果预测为真视频，则输出为1，如果预测为假视频，则输出为0。为了测试模型的鲁棒性，我们使用未参与训练的Celeb-DF 数据集测试训练好的模型。Celeb-DF数据集的预处理操作和训练数据的保持一致。调用保存好的模型进行测试，得到预测人脸与视频中已存在的人脸的相关性值。如果相关性值大于0.5，那么最后输出1，表示该视频被预测为真视频。如果相关性值小于或者等于0.5，那么最后输出为0，表示该视频被预测为假视频。
综上所述，本发明设计了一种基于表征对比预测学习的深度伪造视频检测方法，该方法具有鲁棒性，能实现对未参与训练的数据库中的伪造视频进行检测，符合实际场景中伪造视频检测的要求。
本领域技术人员可以理解，本发明的保护范围不局限于所述的具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征进行等同的更改或替换，需要注意的是，更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于表征对比预测学习的深度伪造视频检测方法，其特征包括：
1)提出一种基于表征学习的卷积神经网络人脸表征模型；
2)提出一种基于对比预测学习的时序人脸回归预测方法；
3)提出一种分阶段式训练的深度伪造视频检测方案。
2.根据权利要求1所述的一种基于表征对比预测学习的深度伪造视频检测方法，其特征在于：通过编码多个时间点共享的信息来学习特征，同时丢弃局部信息，得到人脸的向量表示；表征模型由四个模块构成，每个模块包含一个卷积层，一个激活层，一个批量归一化层，一个池化层构成，各个模块的参数如图1所示，在第四个模块之后使用一个全连接层得到人脸的向量表示。
3.根据权利要求1所述的一种基于表征对比预测学习的深度伪造视频检测方法，其特征在于：使用对比预测的方法，对时序的人脸向量进行预测；真实视频中的人脸是表情自然丰富具有感染力的，而虚假视频中的人脸表情是僵硬不自然的，经过预测之后，对于真实视频，预测帧会接近于视频中真实存在的帧，而对于虚假视频，不自然的人脸表情会导致预测帧不准确，从而使得预测帧与视频中已存在的帧之间的相关性较低，最后通过对比预测帧和已存在的帧之间的相关性来建模。
4.根据权利要求1所述的一种基于表征对比预测学习的深度伪造视频检测方法，其特征在于：通过两阶段的训练，得到具有鲁棒性的深度伪造视频检测模型；将源任务的训练参数迁移到目标任务，使得最终的模型融合多种伪造视频的特征，提升模型的鲁棒性。
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