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基于YOLOv2模型的監(jiān)控系統(tǒng)喪失對人物的識(shí)別能力,從而實(shí)現(xiàn)在攝像頭下順利”隱身”的效果

電子工程師 ? 來源:lq ? 2019-04-29 17:37 ? 次閱讀

近日,一個(gè)來自比利時(shí)魯汶大學(xué)(KU Leuven)的科研團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),使用特殊設(shè)計(jì)的圖案遮擋部分身體,就可以讓基于 YOLOv2 模型的監(jiān)控系統(tǒng)喪失對人物的識(shí)別能力,從而實(shí)現(xiàn)在攝像頭下順利”隱身”的效果。他們把這樣的圖案叫做”對抗圖案”(Adversarial Patch)。

監(jiān)控探頭在如今的大小城市中隨處可見。據(jù)報(bào)道,北京市在 2015 年就已建成了由 3 萬余個(gè)監(jiān)控探頭組成的立體防控網(wǎng)絡(luò),覆蓋了城市街道的所有重點(diǎn)部位。這些探頭在交通管理、治安聯(lián)防、環(huán)境保護(hù)等各個(gè)方面,都發(fā)揮著越來越重要的作用。

近年來,卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)模型在學(xué)術(shù)界早已風(fēng)生水起。其中許多技術(shù)的應(yīng)用,特別是用于監(jiān)控探頭的對象識(shí)別,也已經(jīng)進(jìn)入了我們的日常生活。

圖 |基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (CNN) 的街面對象識(shí)別(來源:Dayan Mendez/Ebenezer Technologies)

然而,CNN模型的缺點(diǎn)卻也十分明顯。

首先,我們目前無法徹底地解釋它實(shí)現(xiàn)圖像識(shí)別的機(jī)制。CNN 模型的結(jié)構(gòu)通常十分復(fù)雜。在訓(xùn)練中,模型不斷地識(shí)別不同類型的圖片,自主調(diào)整上百萬個(gè)參數(shù)的數(shù)值,最終就可以達(dá)到極高的識(shí)別準(zhǔn)確率。

這就像是一個(gè)”黑箱子”,我們只知道放入一個(gè)圖片,就能得到它的類別名稱,但是我們看不到也弄不清箱子里的過程。更重要的是,由于訓(xùn)練數(shù)據(jù)中并不存在為了迷惑識(shí)別器而特意設(shè)計(jì)的圖片(比如給衣服印上特制圖案),識(shí)別器對不常見的變化就幾乎完全不能寬容。

Ian Goodfellow 帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)曾經(jīng)做過這樣的實(shí)驗(yàn),對圖片中個(gè)別的像素點(diǎn)數(shù)值做一些人眼無法察覺的細(xì)微修改之后,CNN模型就徹底喪失了識(shí)別的準(zhǔn)確率。正所謂即使數(shù)據(jù)只是”失之毫厘”,CNN 識(shí)別器的功效也會(huì)”謬以千里”。

由魯汶大學(xué)副教授 Toon Goedemé帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì),便是利用了 CNN 模型的這些”弱點(diǎn)”。發(fā)明了一套嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆椒ǎ脕砩煽梢悦曰?CNN 的”對抗圖案”。用圖案擋住人體的某個(gè)部分,監(jiān)控探頭就無法檢測到這個(gè)人的存在。

圖 |使用”對抗圖案”讓識(shí)別器無法識(shí)別(來源:Simen Thys/KU Leuven)

實(shí)驗(yàn)中,被 Toon Goedemé 和他的團(tuán)隊(duì)”迷惑”的攝像頭,使用著名的 YOLOv2 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。YOLOv2 屬于實(shí)時(shí)對象識(shí)別模型,它的結(jié)構(gòu)是由 9 個(gè)不同尺寸的卷積層連接而成。當(dāng)一張圖片從輸入層進(jìn)入 YOLOv2 后,在輸出層會(huì)得到一系列的向量。向量里記錄的是以原始圖片上各個(gè)位置為中心,5 種不同尺寸的檢測框中存在探測目標(biāo)的概率,他們把這些概率中的最大值計(jì)作 L_obj。

圖 |YOLOv2 工作流程示意圖。中間上圖表示不同尺寸和位置的檢測框,中間下圖表示按照概率劃分出可能存在目標(biāo)的區(qū)域。(來源:Simen Thys/KU Leuven)

要想生成可以迷惑 YOLOv2 的”對抗圖案”,首先需要有一個(gè)可以準(zhǔn)確識(shí)別人物的 YOLOv2 模型,并且隨機(jī)生成一張初始的”對抗圖案”。然后,使用 YOLOv2 模型將每張訓(xùn)練圖片中的人體都框選出來。再用現(xiàn)有的”對抗圖案”覆蓋住已識(shí)別的一部分人體。最后把覆蓋后的訓(xùn)練圖片送回到模型中再次識(shí)別,并計(jì)算相應(yīng)的優(yōu)化目標(biāo)值 L。然后使用反向傳播法 (backpropagation) 和 Adam 算法,相應(yīng)調(diào)整”對抗圖案”上的像素?cái)?shù)值。不斷重復(fù)覆蓋識(shí)別和調(diào)整像素值的過程,持續(xù)降低目標(biāo)值 L,直至得到最優(yōu)的”對抗圖案”。

整個(gè)過程中,YOLOv2 模型的參數(shù)值沒有任何的改變,它僅僅被用來改進(jìn)”對抗圖案”。

圖 |”對抗圖案”的生成工藝(來源:Simen Thys/KU Leuven)

為了生成效果最佳的”對抗圖案”,研究人員對比了優(yōu)化目標(biāo) L 的不同計(jì)算方法。其中最小化識(shí)別率(Minimising Objectness Score, OBJ)方法取得了最滿意的效果。在 OBJ 方法下,L 被定義為 L_obj,L_nps 和 L_tv 的加權(quán)平均值。其中,L_obj 是檢測框中存在探測目標(biāo)的最大概率,L_nps 表示”對抗圖案”的打印難度,L_tv 衡量的是它像素點(diǎn)間的變化程度(為了使圖片看起來柔和)。

圖 |優(yōu)化目標(biāo) L 的不同計(jì)算方法比較,可見 OBJ 方法生成的”對抗圖案”使模型查全率(Recall)和查準(zhǔn)率 (Precision) 都下降最快。(來源:Simen Thys/KU Leuven)

在得到最佳的”對抗圖案”之后,研究團(tuán)隊(duì)把它打印了出來。然后特意制作了一段演示視頻,展示其在現(xiàn)實(shí)中”迷惑”YOLOv2 模型的能力。

圖 | ”對抗圖案”演示視頻截圖(來源:Simen Thys/KU Leuven)

不可否認(rèn),卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)作為近幾年人工智能AI)技術(shù)發(fā)展的主流和前沿,許多應(yīng)用已經(jīng)開始融入普通人的生活。然而,它所存在的局限性也一定不能被否認(rèn)和忽視。恰恰因?yàn)檫@些”漏洞”的存在,人們將更加努力地探索和發(fā)展這項(xiàng)新技術(shù)。未來,越來越多的 CNN 模型將會(huì)被創(chuàng)造或者改造,并終將為人類帶來更多的便利和價(jià)值。

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原文標(biāo)題:給T恤印上一個(gè)圖案,就能在監(jiān)控下實(shí)現(xiàn)“隱身”?

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