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합성곱신경망 기반의 StyleGAN 이미지 탐지모델
A StyleGAN Image Detection Model Based on Convolutional Neural Network 원문보기

멀티미디어학회논문지 = Journal of Korea Multimedia Society, v.22 no.12, 2019년, pp.1447 - 1456  

김지연 (Center for Software Educational Innovation, Seoul Women's University) ,  홍승아 (Dept. of Information Security, Seoul Women's University) ,  김하민 (Dept. of Information Security, Seoul Women's University)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

As artificial intelligence technology is actively used in image processing, it is possible to generate high-quality fake images based on deep learning. Fake images generated using GAN(Generative Adversarial Network), one of unsupervised learning algorithms, have reached levels that are hard to discr...

주제어

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AI 본문요약
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문제 정의

  • 48개의 시나리오는 제안된 모델의 파라미터 조합으로 개발되었기 때문에 시나리오별 실험 결과를 비교하면 모델 파라미터와 성능의 상관관계를 분석할수 있다. 따라서 FN과 FP 분석을 통해 어떤 모델 파라미터들이 모델의 성능에 많은 영향을 미치는지 분석해보고자 한다. Fig.
  • StyleGAN은 얼굴 이미지를 생성하는 데에 최적화된 모델로서 고품질의 가짜 이미지 생성이 가능하기 때문에 범죄에 악용될 소지 또한 높다. 따라서 본 논문에서는 NVIDIA에서 개발한 StyleGAN 이미지를 탐지하기 위한 모델을 대표적인 이미지 데이터 딥러닝 모델인 합성곱신경망 (Convolutional Neural Network, CNN) 기반으로 제안한다. 제안된 모델은 여러 모델 파라미터를 가지도록 설계되며, 파라미터의 조합으로 48개의 실험 시나리오를 생성하여 진짜 얼굴 데이터 15만 개와 Style GAN으로 생성된 얼굴 데이터 15만 개를 활용하여 학습 및 평가한다.
  • 그러나 컨볼루션 계층 수 및 커널 사이즈는 모델의 성능에 큰 영향을 미치지 못하고, 드롭아웃을 통해 학습된 뉴런의 일부를 제거하면 가짜 얼굴 이미지 탐지 시 성능을 향상 시킬 수 있음을 확인하였다. 본 논문에서는 실험결과에 대한 고찰로서 진짜 얼굴이미지의 해상도에 따라 실험결과가 어떻게 달라지는지 추가로 분석해 보았다. 본문에서 94x94인 CelebA 진짜 이미지 15만 장과 StyleGAN 가짜 이미지 15만 장을 사용했다면, 추가실험에서는 해상도가 1024×1024인 CelebA-HQ 이미지 3만장과 StyleGAN 이미지 3만장을 활용하여 48개의 동일한 시나리오로 모델을 학습하였다.
  • 커널 개수가 너무 많으면 시공간 자원에서 모두 낭비를 초래하고, 너무 적으면 특징 학습량이 부족해진다. 본 논문에서는 커널 개수에 차이를 두어 커널 수에 따른 모델의 성능을 비교할 수 있게 한다.
  • 본 논문은 StyleGAN에 의해 생성된 가짜 얼굴 이미지를 탐지하기 위한 CNN 기반의 딥러닝 모델을 제안하였다. 제안된 모델은 학습할 이미지를 RGB에서 그레이스케일로 변환하는 데이터 전처리 과정, 컨볼루션 계층 모델링에 필요한 컨볼루션 계층 수, 커널 크기, 커널 개수, 그리고 드롭아웃을 모델 파라미터로 가지도록 설계하였다.
  • 본 논문의 모델을 제안하기에 앞서 인공지능 기반의 가짜 이미지를 탐지하는 관련 연구들의 동향을 살펴보고자 한다. 가짜 이미지 탐지 연구들은 GAN 으로 생성한 이미지를 딥러닝이나 머신러닝 기반으로 탐지하는 연구, 그리고 위조 이미지를 탐지하기 위해 GAN을 활용하는 연구 등이 존재한다.
  • 컨볼루션 계층(Convolution Layer)이 추가될수록 신경망은 학습을 통해 더욱 복잡한 형상을 인식하고, 이미지를 대표할 수 있는 공통적인 특징을 얻을 수있게 된다. 본 연구에서는 컨볼루션 계층 수를 다르게 하여 정확도를 비교할 수 있도록 모델을 설계한다. 계층 수와 정확도가 비례하는 것은 아니기 때문에 계층 수를 다르게 하여 모델을 학습하면서 높은 성능을 보이는 계층 수를 찾는 것이 필요하다.
  • 얼굴 이미지를 다루는 많은 연구들이 진짜 얼굴 이미지로서 CelebA 데이터셋을 사용하고, 가짜 이미지는 DCGAN, WGAN 등 기존에 발표된 다양한 모델들을 활용하여 생성하고 있지만, 최근에 발표된 StyleGAN을 활용한 연구들은 미비한 실정이다. 이에 본 연구에서는 StyleGAN으로 생성된 가짜 이미 지를 탐지하기 위한 모델을 CNN 기반으로 제안하고자 한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
GAN이 발표 된 이후 제안된 모델들로는 어떤 것들이 있는가? StyleGAN[4]은 2018년 12월 NVIDIA 연구원이 개발하여 2019년 2월에 공개된 새로운 GAN 모델이다. GAN이 발표된 이후, DCGAN, BEGAN, PGGAN (Progressive Growing of GAN)[5] 등 기존의 GAN 모델을 보완하는 모델들이 다수 제안되었다. 그러나 이러한 모델이 사람 얼굴 이미지 생성에 활용될 경우, 부자연스러운 이미지가 생성되거나 이미지의 성별, 연령 등 세부적인 사항을 조절하기가 매우 어렵다는 한계가 있었다.
GAN은 어떻게 활용되고 있는가? 이미 영상·이미지·텍스트 생성 등 다양한 분야에 GAN이 활발히 사용되고 있으며, 2019년 2월에는 NVIDIA에서도 GAN 기반으로 유명 연예인의 얼굴 이미지를 학습한 후, 가짜 얼굴 이미지를 생성하는 기술을 발표하였다[2]. GAN은 사람 얼굴뿐만 아니라, 동물, 풍경 등 어떤 객체라도 인공지능이 현실과 거의 유사하게 이미지를 만들어 낼 수 있게 하는 진화된 이미지 처리기술로 활용되고 있다. 그러나 딥러닝에 의해 가짜 미디어 생성이 쉬워질수록, 이러한 기술이 정치적 또는 상업적으로 악용될 수 있는 소지 또한 많아졌다.
StyleGAN은 기존 GNA 모델을 보완하여 제시된 모델들의 어떠한 단점을 보완하여 제작된 것인가? GAN이 발표된 이후, DCGAN, BEGAN, PGGAN (Progressive Growing of GAN)[5] 등 기존의 GAN 모델을 보완하는 모델들이 다수 제안되었다. 그러나 이러한 모델이 사람 얼굴 이미지 생성에 활용될 경우, 부자연스러운 이미지가 생성되거나 이미지의 성별, 연령 등 세부적인 사항을 조절하기가 매우 어렵다는 한계가 있었다. NVIDIA에서는 이러한 단점들을 보완하여 사람 얼굴 이미지 생성에서 높은 품질을 보이는 StyleGAN을 공개하였다.
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