李 昂

（1福建師范大學(xué)計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)院 福建 福州 350007）

（2數(shù)字福建大數(shù)據(jù)安全技術(shù)研究所 福建 福州 350117）（3福建省公共服務(wù)大數(shù)據(jù)挖掘與應(yīng)用工程技術(shù)研究中心 福建 福州 350117）

0 引言

隨著深度學(xué)習(xí)技術(shù)的完善與發(fā)展，為人們帶來便利同時(shí)也會(huì)相應(yīng)的帶來一定的風(fēng)險(xiǎn)。尤其是換臉技術(shù)的不斷升級(jí)改進(jìn)，換臉方法所需的技術(shù)門檻越來越低，而生成的假臉則越來越逼真。因此為了達(dá)到更好的檢測(cè)精度，檢測(cè)模型不得不加深網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，增加更多的參數(shù)量以獲得更好的準(zhǔn)確率，但又會(huì)導(dǎo)致模型復(fù)雜性過高，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算效率降低等一系列問題。

現(xiàn)如今換臉檢測(cè)算法網(wǎng)絡(luò)模型復(fù)雜和參數(shù)冗余的問題是普遍存在的，大多的換臉檢測(cè)模型依靠重復(fù)堆疊網(wǎng)絡(luò)模塊，或大量引入殘差結(jié)構(gòu)，運(yùn)行效率較低。故部分換臉檢測(cè)模型為了優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)模型，提高訓(xùn)練速度，通過研究輕量級(jí)網(wǎng)絡(luò)來解決這個(gè)問題?，F(xiàn)如今一些方法雖然降低了模型的復(fù)雜度，減輕模型的計(jì)算負(fù)載，但所得到的檢測(cè)效果都不盡人意。

而本文基于EfficientNetV2網(wǎng)絡(luò)，對(duì)其進(jìn)行輕量化改進(jìn)，從而提高了模型的檢測(cè)效率。首先，將原網(wǎng)絡(luò)注意力機(jī)制SENet模塊改進(jìn)為高效通道注意力模塊（efficient channel attention，ECA），可使一維卷積自適應(yīng)地確定卷積核的大小，降低了網(wǎng)絡(luò)模型的復(fù)雜度[1]。其次對(duì)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，將原始EfficientNetV2特征提取模塊中的各個(gè)stage的卷積層數(shù)進(jìn)行調(diào)整，簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)模型架構(gòu)，提高了網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行速率。最后，通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析其他的網(wǎng)絡(luò)模型，驗(yàn)證改進(jìn)后模型的性能效果。

1 輕量化EfficientNetV2網(wǎng)絡(luò)模型

1.1 EfficientNetV2網(wǎng)絡(luò)模型

EfficientNetV2[2]模型是Google團(tuán)隊(duì)在CVPR2021上提出的對(duì)EfficientNet模型的升級(jí)版本。EfficientNetV2模型相比較于EfficientNet，它擁有更高的性能和更短的訓(xùn)練周期。EfficientNetV2分為Stage0到Stage7。第0個(gè)Stage是一個(gè)卷積核大小為3×3步距為2的普通卷積層，之后的Stage1～Stage3和Stage4～Stage6分別是在重復(fù)堆疊Fused-MBConv和MBConv結(jié)構(gòu)，而Stage7由一個(gè)普通的1x1的卷積層。EfficientNetV2模型在Stage4～Stage6中都使用了通道注意力機(jī)制，即SE（Squeeze-and-Excitation）壓縮-激勵(lì)模塊[3]。

1.2 提出的輕量化EfficientNetV2模型

針對(duì)上述情況，本文從通道注意力機(jī)制SE模塊和各階段堆疊次數(shù)對(duì)EfficientNetV2進(jìn)行優(yōu)化，提出的輕量化EfficientNetV2網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 本文提出的輕量化EfficientV2網(wǎng)絡(luò)模型

一方面，EfficientNetV2模型在Stage4～Stage6中使用的通道注意力機(jī)制是SE模塊，其全局平均池化層和兩個(gè)全連接層構(gòu)成的殘差結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的冗余的參數(shù)量會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算負(fù)擔(dān)。針對(duì)這種情況，本文采用更加輕量化的注意力機(jī)制高效通道注意力模塊ECA來代替SE模塊，減少了模型參數(shù)量和提升網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)算效率。

另一方面，上述網(wǎng)絡(luò)每個(gè)階段的堆疊次數(shù)隨著網(wǎng)絡(luò)層數(shù)的加深大致呈指數(shù)型增長(zhǎng)，影響了網(wǎng)絡(luò)模型的計(jì)算速度，還有可能導(dǎo)致梯度消失的問題。本算法重新定義網(wǎng)絡(luò)各階段重復(fù)堆疊的次數(shù)減少各階段網(wǎng)絡(luò)堆疊次數(shù)，在保證網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)確率的情況下實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的輕量化改造。

1.3 ECA模塊

在EfficientNetV2網(wǎng)絡(luò)中，通道注意力機(jī)制使用了SENet，是在CVPR2017上首次被提出的，其中心思想是動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)特征矩陣各層的重要程度，但SENet不利于網(wǎng)絡(luò)模型的輕量化，影響了網(wǎng)絡(luò)模型的計(jì)算速度還有可能導(dǎo)致梯度消失的問題。

ECA（Efficient Channel Attention）高效通道注意力模塊正是一種不降維的局部跨信道交互策略，其通過非線性自適應(yīng)確定的一維卷積來實(shí)現(xiàn)。因此本文使用ECA模塊既避免了維度縮減，又有效捕獲了跨通道交互。如圖2所示，ECA模塊去掉了SE模塊的2層全連接層，采用一維卷積。實(shí)驗(yàn)證明，這種方法可以保證運(yùn)算效率和檢測(cè)準(zhǔn)確性。此外，ECA模塊可以通過大小為k的快速一維卷積有效實(shí)現(xiàn)，其中內(nèi)核大小k代表本地跨通道交互的覆蓋范圍。

圖2 ECANet模塊結(jié)構(gòu)示意圖

本文將注意力機(jī)制 SE模塊改進(jìn)為 ECA模塊，既避免降維導(dǎo)致的副作用，提高了網(wǎng)絡(luò)模型的精度，同時(shí)大大減少了參數(shù)量，簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)模型架構(gòu)，提高了網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行速率，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)輕量化的構(gòu)想。

1.4 模型優(yōu)化

在EfficientNetV2網(wǎng)絡(luò)中，隨著網(wǎng)絡(luò)深度的增加，每層的重復(fù)堆疊次數(shù)大致呈指數(shù)型增長(zhǎng)，其會(huì)大大減慢訓(xùn)練和測(cè)試過程。故本節(jié)重新定義EfficientNetV2每個(gè)階段的重復(fù)次數(shù)。在原網(wǎng)絡(luò)中，Stage1～Stage6中Fuse-MBconv（MBConv）的重復(fù)次數(shù)為[2,4,4,6,9,15]，而本文將每階段的重復(fù)次數(shù)調(diào)整為[1,2,1,3,3,6]。

原網(wǎng)絡(luò)層數(shù)復(fù)雜，所消耗的計(jì)算資源多。因此對(duì)原網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)化，保留了網(wǎng)絡(luò)中的核心架構(gòu)，減少了網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，簡(jiǎn)化了計(jì)算量同時(shí)也能達(dá)到很好的分類檢測(cè)效果。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本節(jié)首先介紹了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集，其次是實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)參數(shù)的設(shè)置，最后分析模型的效果，并與修改前的網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)有換臉檢測(cè)方法做對(duì)比。

2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集

本文所使用的數(shù)據(jù)集是FaceForensics++（FF++）[4]，包含1000段來自于YouTube上的真實(shí)視頻，基于DeepFakes，F(xiàn)ace2Face，F(xiàn)aceSwap，F(xiàn)aceShifter，NeutralTextures五種篡改方式進(jìn)行面部圖像的篡改合成。此外為了生成質(zhì)量等級(jí)不同的視頻，其使用由兩種不同壓縮率，即高質(zhì)量HQ（c23）和低質(zhì)量LQ（c40）。本文選取了DeepFakes、Face2Face、FaceSwap、FaceShifter、NeutralTextures五種篡改方式的數(shù)據(jù)集作為本實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)集，將每段視頻取30幀的方式得到實(shí)驗(yàn)樣本的數(shù)據(jù)集。

2.2 實(shí)驗(yàn)環(huán)境及參數(shù)

本文實(shí)驗(yàn)使用CPU為Intel(R) Xeon(R) Silver 4210R CPU @ 2.40GHz，顯卡為NVIDIA GeForce RTX 3080，CUDA版本為11.5。深度學(xué)習(xí)框架使用pytorch，版本為1.10.0。為提高模型分類精度和訓(xùn)練效率，本文實(shí)驗(yàn)的損失函數(shù)為CrossEntropyLoss，采用Adam優(yōu)化器進(jìn)行優(yōu)化，學(xué)習(xí)率為3e-4，每次實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練200輪，實(shí)驗(yàn)采用準(zhǔn)確率（Acc）作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.3.1 改進(jìn)后的參數(shù)量的變化

本小節(jié)將提出的網(wǎng)絡(luò)與原EfficientNetV2網(wǎng)絡(luò)在參數(shù)量方面進(jìn)行比較，通過實(shí)驗(yàn)可知：EfficientNetV2、只使用ECA模塊、只簡(jiǎn)化每個(gè)階段stag和簡(jiǎn)化每個(gè)階段Stage&ECA模塊的參數(shù)量分別為20.78 M、17.12 M、8.67 M和7.32 M。從結(jié)果來看，不管是簡(jiǎn)化每個(gè)階段的重復(fù)次數(shù)還是用ECA模塊替換原SENet，在網(wǎng)絡(luò)參數(shù)上都有了明顯的減少，三種方法的參數(shù)量較原模型分別減少了17.61%、58.28%和64.78%，提高了運(yùn)算速度，符合本文輕量化網(wǎng)絡(luò)的目的。

2.3.2 ECA模塊

在本節(jié)，我們將只替換ECA模塊得到的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與EfficientNetV2在FaceForensice++（FF++）數(shù)據(jù)集的5種篡改類型上的每輪訓(xùn)練所需要的平均時(shí)間(秒)和檢測(cè)準(zhǔn)確率進(jìn)行比較，結(jié)果圖3所示。

圖3 在基于c23和c40的五種篡改方式數(shù)據(jù)集上訓(xùn)練一輪所需時(shí)間的對(duì)比（0：Deepfakes 1：Face2Face 2：FaceShifter 3：FaceSwap 4：NeuralTextures）

在原EfficientNetV2模型基礎(chǔ)上將SE模塊修改為ECA，在訓(xùn)練時(shí)間上發(fā)生了顯著的變化。首先對(duì)于5種篡改方式，在訓(xùn)練時(shí)間上都有顯著的縮短，整體上大約下降了6.17%，在提高網(wǎng)絡(luò)模型的運(yùn)算效率方面有了顯著的改善。因此，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)證明了本文的想法在提高網(wǎng)絡(luò)效率，構(gòu)造輕量化網(wǎng)絡(luò)模型方向上是可行的。

此外，在原EfficientNetV2模型基礎(chǔ)上將SE模塊修改為ECA，在準(zhǔn)確率Acc方面表現(xiàn)不俗，除了FaceSwap和NeuralTextures在c40上準(zhǔn)確率Acc略微下降外，其余的準(zhǔn)確率都有上升。具體如表1所示：

表1 與EfficientNetV2準(zhǔn)確率的對(duì)比

2.3.3 與其他模型的比較

將本文方法與其他方法在FaceForensice++壓縮率為c40的低質(zhì)量數(shù)據(jù)集上的4種篡改類型上的檢測(cè)準(zhǔn)確率進(jìn)行比較，結(jié)果如表2所示。對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

表2 與其他方式對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在僅使用ECA模塊的模型（Ours1）和簡(jiǎn)化每個(gè)階段Stage并且使用ECA模塊的模型（Ours2）上，雖在FaceSwap和NeuralTextures兩種篡改方式上準(zhǔn)確率略微下降，而在DeepFakes和Face2Face的篡改方式上，準(zhǔn)確率都有較為明顯的提升，并且在綜合所有篡改方式進(jìn)行測(cè)試時(shí)，本文的兩種模型都比EfficientNetV2模型有著較為明顯的提升。更重要的是，兩種模型的參數(shù)量比原模型分別減少了17.61%和64.78%，所需要的運(yùn)算時(shí)間也大幅度提升。因此本文算法將EfficientNetV2輕量化改造后，模型的參數(shù)量和訓(xùn)練時(shí)間都大幅度降低，在保證檢測(cè)準(zhǔn)確度的情況下，能夠更加高效的完成換臉檢測(cè)任務(wù)，輕量化構(gòu)想有效可行。

3 結(jié)論

本文基于EfficientNetV2網(wǎng)絡(luò)，提出一種輕量化的換臉檢測(cè)模型。首先，將注意力機(jī)制SE模塊改進(jìn)為ECA模塊，減少了模型的參數(shù)量；其次，對(duì)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，將原始EfficientNetV2特征提取模塊中的各個(gè)stage（階段）的卷積層數(shù)進(jìn)行調(diào)整，簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)模型架構(gòu)，提高了網(wǎng)絡(luò)模型的運(yùn)算效率。