AI技術(shù)在圖像水印處理中的應(yīng)用
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水印作為一種保護(hù)版權(quán)的有效方式被廣泛地應(yīng)用于海量的互聯(lián)網(wǎng)圖像，針對水印的各種處理顯得越來越重要，比如水印的檢測和水印的去除與反去除。在這里我們和大家分享一下業(yè)余期間在水印智能化處理上的一些實(shí)踐和探索，希望可以幫助大家在更好地做到對他人圖像版權(quán)保護(hù)的同時，也能更好地防止自己的圖像被他人濫用。
我們大家在日常生活中如果下載和使用了帶有水印的互聯(lián)網(wǎng)圖像，往往既不美觀也可能會構(gòu)成侵權(quán)。為了避免使用帶有水印的圖像帶來的各種影響，最直接的做法就是將帶有水印的圖像找出來丟棄不用，此外還有一種不推薦的做法就是去掉圖像上的水印后再使用。
接下來我們將會圍繞上述兩種大家常見的做法展開，首先介紹如何利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)快速搭建一個水印檢測器，實(shí)現(xiàn)水印的自動檢測，同時我們還會進(jìn)一步展示在水印檢測的基礎(chǔ)上如何利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)設(shè)計一個水印去除器，自動將圖像上的水印去除。
無論是搭建水印檢測器或是水印去除器，都需要海量水印圖像作為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。然而現(xiàn)實(shí)中并沒有直接可以使用的水印圖像數(shù)據(jù)集。因此，我們的首要任務(wù)是構(gòu)建一個水印圖像數(shù)據(jù)集。首先我們要收集各式各樣的水印，為了保證后續(xù)模型良好的泛化性能，水印的種類要盡可能的多，水印樣式也要盡可能的豐富。
我們一共收集了80種來自于公司、組織和個人的水印，包括了中文、英文和logo等不同樣式。接下來就是制作帶水印的圖像，為了保證圖像數(shù)據(jù)的一般性，我們將公開的PASCAL VOC 2012數(shù)據(jù)集的圖像作為原始的無水印圖像，然后利用圖像處理工具將收集的80種水印以隨機(jī)的大小、位置和透明度打在原始圖像上，同時記錄下水印的位置信息，從而得到第一個大規(guī)模的水印圖像數(shù)據(jù)集。
水印數(shù)據(jù)集的80%被劃分為訓(xùn)練集，剩余的20%被劃分為測試集，為了適應(yīng)現(xiàn)實(shí)場景中需要機(jī)器自動檢測和去除從未見過的水印的需求，我們確保訓(xùn)練集中的水印不會出現(xiàn)在測試集中，這樣可以很好地模擬現(xiàn)實(shí)生活中的使用場景?，F(xiàn)在水印圖像數(shù)據(jù)集已經(jīng)準(zhǔn)備就緒，接下來就是如何去搭建水印檢測器和去除器。
水印在圖像中的視覺顯著性很低，具有面積小，顏色淺，透明度高等特點(diǎn)，帶水印圖像與未帶水印圖像之間的差異往往很小，區(qū)分度較低。為了構(gòu)建一個有效的水印檢測器，我們將圖像水印檢測問題轉(zhuǎn)化為一種特殊的單目標(biāo)檢測任務(wù)，即判斷圖像中是否有水印這一單目標(biāo)存在。
當(dāng)前基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測模型有很多，可以分為以Faster R-CNN為代表的兩階段目標(biāo)檢測算法和以YOLO和RetinaNet等為代表的單階段目標(biāo)檢測算法。前者是先由算法生成一系列待檢測目標(biāo)的候選框，再通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行候選框的分類；后者則不用產(chǎn)生候選框，直接將目標(biāo)邊框定位的問題轉(zhuǎn)化為回歸問題處理。一般來說單階段的算法在檢測速度上會更快，但檢測精度上會有所下降。我們在這里分別基于Faster R-CNN、YOLOv2和RetinaNet這三種目標(biāo)檢測算法來搭建水印檢測器，從對比的結(jié)果來看，三種方法都展現(xiàn)了令人滿意的檢測效果，其中以RetinaNet最優(yōu)。
為了更加直觀地展示我們搭建的基于RetinaNet的水印檢測器的效果，我們將測試集上的水印檢測結(jié)果可視化，藍(lán)色的框是實(shí)際的水印區(qū)域，紅色的框是檢測器定位的水印區(qū)域，從可視化結(jié)果可以看出，對于未出現(xiàn)在訓(xùn)練集中的水印，我們的水印檢測器依然可以一眼就看穿。有了這樣一款水印檢測器，我們就可以在海量圖像中快速又準(zhǔn)確地檢測出帶水印的圖像。
如果只是利用AI來自動檢測水印，是不是總感覺少了點(diǎn)什么？接下來我們在水印檢測的基礎(chǔ)上往前再走一步，利用AI實(shí)現(xiàn)水印的自動去除。因?yàn)樗≡趫D像上的面積較小，所以直接對整幅圖像進(jìn)行水印去除顯得過于粗暴，也會嚴(yán)重拖慢去除速度。針對這種情況我們結(jié)合水印檢測設(shè)計了更貼合實(shí)際操作的水印處理流程，我們先通過水印檢測器檢測出水印區(qū)域，然后對水印區(qū)域進(jìn)行水印去除操作。
水印去除問題可以看作是一個從圖像到圖像的轉(zhuǎn)換問題，即將帶水印的圖像轉(zhuǎn)換為無水印的圖像。這里我們使用全卷積網(wǎng)絡(luò)來搭建水印去除器，實(shí)現(xiàn)這種圖像到圖像的轉(zhuǎn)換。全卷積網(wǎng)絡(luò)的輸入是帶水印的圖像區(qū)域，經(jīng)過多層卷積處理后輸出無水印的圖像區(qū)域，我們希望網(wǎng)絡(luò)輸出的無水印圖像能夠和原始的無水印圖像盡可能的接近。
為了盡可能提升網(wǎng)絡(luò)輸出無水印圖像的質(zhì)量，我們采用U-net結(jié)構(gòu)替換了傳統(tǒng)的編解碼器結(jié)構(gòu)，將輸入信息添加到輸出中，從而盡可能保留了圖像的背景信息。同時我們采用感知損失（Perceptual Loss）和一范數(shù)損失（L1 Loss）相結(jié)合的方式替換傳統(tǒng)的均方誤差損失（MSE Loss），使輸出的無水印圖像在細(xì)節(jié)和紋理上能夠更貼近原圖。
我們將水印去除器在測試集上的一些去水印效果可視化，左列是輸入的水印區(qū)域，右列是輸出的無水印區(qū)域。從可視化的結(jié)果可以看出對未知水印的去除效果還是不錯的。
針對水印的各種處理一直是研究的熱點(diǎn)，也吸引了越來越多的關(guān)注。本文介紹了如何通過當(dāng)前流行的深度學(xué)習(xí)技術(shù)來搭建水印的檢測器和去除器，實(shí)現(xiàn)對水印的智能處理。
在后續(xù)的文章中，我們會進(jìn)一步介紹一種更強(qiáng)大的水印去除器，也會提出一些對水印反去除的思考。值得注意的是，版權(quán)保護(hù)是大家一直要堅持的事情，水印去除的研究目的更多是為了通過攻擊水印來驗(yàn)證其是否有效，從而促進(jìn)水印反去除能力的提升。保護(hù)版權(quán)，AI有責(zé)。
一些資料
[1] Large-scale visible watermark detection and removal with deep convolutional networks
[2] Focal loss for dense object detection
[3] U-net: Convolutional networks for biomedical image segmentation
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