Andersons vinkel
LÃļsning av JPEG-artefaktproblemet i datamengder for datamaskinsyn

En ny studie fra University of Maryland og Facebook AI har funnet en âbetydelig ytelsesstraffâ for dyplÃĶringssystemer som bruker sterkt komprimerte JPEG-bilder i deres datamengder, og tilbyr noen nye metoder for ÃĨ mildne effektene av dette.
Rapporten, med tittelen Analyzing and Mitigating JPEG Compression Defects in Deep Learning, hevder ÃĨ vÃĶre âmye mer omfattendeâ enn tidligere studier om effektene av artefakter i trening av datamaskinsyn-datamengder. Papiret finner at â[tung] til moderat JPEG-komprimering medfÃļrer en betydelig ytelsesstraff pÃĨ standardmetrikkerâ, og at neurale nettverk kanskje ikke er like robuste mot slike forstyrrelser som tidligere arbeid antyder.

Et bilde av en hund fra 2018 MobileNetV2-datamengden. Ved kvalitet 10 (venstre), feiler en klassifiseringsystem ÃĨ identifisere den riktige rasen âPembroke Welsh Corgiâ, og gjetter i stedet âNorwich terrierâ (systemet vet allerede at dette er et bilde av en hund, men ikke rasen); andre fra venstre, en ferdig JPEG-artefakt-korrektur av bildet feiler ogsÃĨ ÃĨ identifisere den riktige rasen; andre fra hÃļyre, mÃĨlrettet artefakt-korreksjon gjenopprettar den riktige klassifiseringen; og hÃļyre, det originale bildet, korrekt klassifisert. Kilde: https://arxiv.org/pdf/2011.08932.pdf
Komprimeringsartefakter som âdataâ
Ekstrem JPEG-komprimering er sannsynlig ÃĨ skape synlige eller semi-synlige kanter rundt 8Ã8-blokkene som en JPEG bestÃĨr av. NÃĨr disse blokkering- eller âringingâ-artefaktene dukker opp, er de sannsynlig ÃĨ bli misforstÃĨtt av maskinlÃĶringsystemer som virkelige verdens-elementer i bildets emne, med mindre noen kompensasjon gjÃļres for dette.

Ovenfor, vil et datamaskinsyn-maskinlÃĶringsystem trekke ut en ârenâ gradient-bilde fra et bilde av god kvalitet. Under, âblokkeringâ-artefakter i en lavkvalitets-lagring av bildet skjuler bildets egenskaper, og kan ende opp med ÃĨ âinfisereâ egenskapene som er avledet fra et bilde-sett, sÃĶrlig i tilfeller der hÃļy- og lavkvalitets-bilder forekommer i datamengden, slik som i web-skrapede samlinger hvor bare generisk data-rengjÃļring har blitt brukt. Kilde: http://www.cs.utep.edu/ofuentes/papers/quijasfuentes2014.pdf
Som vist i det fÃļrste bildet ovenfor, kan slike artefakter pÃĨvirke bilde-klassifiseringsoppgaver, med implikasjoner ogsÃĨ for tekst-gjenkjenningsalgoritmer, som kan feile ÃĨ korrekt identifisere artefakt-pÃĨvirkede tegn.
I tilfelle av bilde-syntese-treningssystemer (slik som deepfake-programvare eller GAN-basert bilde-genereringssystemer), kan en ârogueâ-blokk av lavkvalitets-, sterkt komprimerte bilder i en datamengde enten dra median-kvaliteten pÃĨ reproduksjonen ned, eller bli undertrykt og erstattet av en stÃļrre mengde hÃļykvalitets-egenskaper som er avledet fra bedre bilder i settet. I begge tilfeller er bedre data Ãļnskelig â eller, i det minste, konsistente data.
JPEG â Vanligvis âgodt nokâ
JPEG-komprimering er en irreversibel, tap-fyldig kodek som kan brukes pÃĨ ulike bilde-formater, selv om den primÃĶrt brukes pÃĨ JFIF-bilde-fil wrapperen. Til tross for dette, ble JPEG (.jpg)-formatet navngitt etter komprimeringsmetoden, og ikke JFIF-wrapperen for bilde-data.
Hele maskinlÃĶrings-arkitekturer har oppstÃĨtt i de senere ÃĨrene som inkluderer JPEG-stil artefakt-mildring som en del av AI-drevne oppskalering/gjenoppretting-rutiner, og AI-basert komprimeringsartefakt-fjerning er nÃĨ inkorporert i flere kommersielle produkter, som Topaz-bilde/video suite, og neurale funksjoner i nyere versjoner av Adobe Photoshop.
Siden 1986 JPEG-skjema som for tiden er i vanlig bruk, ble lÃĨst ned i begynnelsen av 1990-ÃĨrene, er det ikke mulig ÃĨ legge til metadata til et bilde som skulle indikere hvilken kvalitetsnivÃĨ (1-100) et JPEG-bilde ble lagret pÃĨ â i det minste, ikke uten ÃĨ modifisere over tretti ÃĨr med legacy-konsument-, profesjonell- og akademisk programvare-systemer som ikke forventet at slik metadata skulle vÃĶre tilgjengelig.
Derfor er det ikke uvanlig ÃĨ tilpasse maskinlÃĶrings-trening-rutiner til den evaluerte eller kjente kvaliteten pÃĨ JPEG-bilde-data, som forskerne har gjort for den nye rapporten (se under). I fravÃĶr av en âkvalitetâ-metadata-innlegg, er det for tiden nÃļdvendig ÃĨ enten kjenne detaljene om hvordan bildet ble komprimert (dvs. komprimert fra en tap-fri kilde), eller estimere kvaliteten gjennom perseptuelle algoritmer eller manuell klassifisering.
En Ãļkonomisk kompromiss
JPEG er ikke den eneste tap-fylte komprimeringsmetoden som kan pÃĨvirke kvaliteten pÃĨ maskinlÃĶrings-datamengder; komprimeringsinnstillinger i PDF-filer kan ogsÃĨ kaste informasjon pÃĨ denne mÃĨten, og kan settes til svÃĶrt lave kvalitetsnivÃĨer for ÃĨ spare disk-plass for lokal eller nett-arkivering.
Dette kan sees ved ÃĨ prÃļve ulike PDF-filer pÃĨ archive.org, noen av dem har blitt komprimert sÃĨ sterkt at de er en betydelig utfordring for bilde- eller tekst-gjenkjennings-systemer. I mange tilfeller, som for eksempel opphavsrettslige bÃļker, synes denne intense komprimeringen ÃĨ ha blitt brukt som en form for billig DRM, pÃĨ samme mÃĨte som opphavsretts-innehavere kan velge ÃĨ senke opplÃļsningen pÃĨ bruker- lastede YouTube-videoer som de har opphavsretten til, og etterlater âblokkedeâ videoer som promoteringstokene for ÃĨ inspirere âfullt opplÃļsningâ-kjÃļp, i stedet for ÃĨ slette dem.
I mange andre tilfeller er opplÃļsningen eller bildekvaliteten lav bare fordi dataene er svÃĶrt gamle, og stammer fra en tid da lokal og nett-lagring var mer kostbart, og da begrensede nett-hastigheter favoriserte hÃļyt optimerte og portable bilder over hÃļy kvalitets-reproduksjon.
Det har blitt hevdet at JPEG, selv om det ikke er den beste lÃļsningen nÃĨ, har blitt âinnskrevetâ som en uflyttbar legacy-infrastruktur som er essensielt sammenvevd med internettets grunnleggende strukturer.
Arven fra fortiden
Til tross for at senere innovasjoner som JPEG 2000, PNG og (mest nylig).webp-formatet tilbyr bedre kvalitet, ville gjen-innspilling av eldre, hÃļyt populÃĶre maskinlÃĶrings-datamengder sannsynligvis âtilbake-setteâ kontinuiteten og historien til ÃĨr-for-ÃĨr datamaskinsyn-utfordringer i den akademiske samfunnet â en hindring som ville gjelde ogsÃĨ i tilfelle av om-lagring av PNG-datamengde-bilder pÃĨ hÃļyere kvalitetsinnstillinger. Dette kunne betraktes som en type teknisk gjeld.
Mens venerable server-drevne bilde-behandlings-biblioteker som ImageMagick stÃļtter bedre formater, inkludert.webp, oppstÃĨr ofte bilde-transformasjons-krav i legacy-systemer som ikke er satt opp for annet enn JPG eller PNG (som tilbyr tap-fri komprimering, men pÃĨ bekostning av latency og disk-plass). Selv WordPress, CMS-en som driver nÃĶrmere 40% av alle nettsteder, la bare til.webp-stÃļtte for tre mÃĨneder siden.
PNG var en sen (kanskje for sen) inngang i bilde-format-sektoren, oppstÃĨtt som en ÃĨpen kilde-lÃļsning i slutten av 1990-ÃĨrene som en reaksjon pÃĨ en 1995-erklÃĶring fra Unisys og CompuServe om at royalties skulle betales pÃĨ LZW-komprimeringsformatet brukt i GIF-filer, som ofte ble brukt pÃĨ den tiden for logoer og flate-fargede elementer, selv om formatets gjenfÃļdsel i begynnelsen av 2010-ÃĨrene sentrerte seg rundt dets evne til ÃĨ tilby lav-bÃĨndbredde, snappy animert innhold (ironisk nok, animerte PNG-er fikk aldri popularitet eller bred stÃļtte, og ble sogar forbudt fra Twitter i 2019).
Til tross for sine mangler, er JPEG-komprimering rask, plass-efektiv og dypt inntrent i systemer av alle typer â og derfor ikke sannsynlig ÃĨ forsvinne fullstendig fra maskinlÃĶrings-scenen i nÃĶr fremtid.
à gjÃļre det beste av AI/JPEG-vÃĨpenhvilen
I en viss grad har maskinlÃĶrings-samfunnet tilpasset seg JPEG-komprimeringens svakheter: i 2011 publiserte den europeiske radiologiske samfunnet (ESR) en studie om âBrukbarheten av irreversibel bilde-komprimering i radiologisk bilde-behandlingâ, og ga retningslinjer for âakseptabelâ tap; nÃĨr den venerable MNIST tekst-gjenkjennings-datamengden (hvis bilde-data opprinnelig ble levert i en ny binÃĶr format) ble portet til et âvanligâ bilde-format, JPEG, ikke PNG, ble valgt; og en tidligere (2020) samarbeid fra den nye rapportens forfattere tilbÃļd âen ny arkitekturâ for ÃĨ kalibrere maskinlÃĶrings-systemer til JPEG-bilde-kvalitetens mangler, uten at modellene mÃĨtte bli trent pÃĨ hver JPEG-kvalitetsinnstilling â en funksjon som ble brukt i den nye studien.
I virkeligheten er forskning pÃĨ nytten av kvalitets-variant JPEG-data en relativt blomstrende felt i maskinlÃĶrings-forskning. Et (uavhengig) 2016-prosjekt fra Center for Automation Research ved University of Maryland, sentrerer faktisk pÃĨ DCT-domÃĶnet (hvor JPEG-artefakter oppstÃĨr ved lave kvalitetsinnstillinger) som en rute til dypt funksjons-uttrekk; et annet prosjekt fra 2019 konsentrerer seg om byte-nivÃĨ-lesing av JPEG-data uten den tidskrevende nÃļdvendigheten av ÃĨ faktisk dekomprimere bildene (dvs. ÃĨpne dem pÃĨ et eller annet tidspunkt i en automatisert arbeidsflyt); og en studie fra Frankrike i 2019 aktivt utnytter JPEG-komprimering i tjeneste av objekt-gjenkjennings-rutiner.
Testing og konklusjoner
For ÃĨ returnere til den siste studien fra UoM og Facebook, sÃļkte forskerne ÃĨ teste JPEG-forstÃĨelse og nytte pÃĨ bilder komprimert mellom 10-90 (under hvilken, bildet er umulig forstyrret, og over hvilken det er likt med tap-fri komprimering). Bildene som ble brukt i testene ble for-komprimert pÃĨ hver verdi innenfor mÃĨl-kvalitetsomrÃĨdet, og medfÃļrte minst ÃĨtte trenings-sesjoner.
Modellene ble trent pÃĨ stokastisk gradient-decsent over fire metoder: baseline, hvor ingen ekstra mildninger ble lagt til; supervised fine-tuning, hvor treningssettet har fordelen av forhÃĨnds-trente vekter og merket data (selv om forskerne innrÃļmmer at dette er vanskelig ÃĨ replikere i forbruker-nivÃĨ-applikasjoner); artefakt-korreksjon, hvor augmentasjon/forbedring utfÃļres pÃĨ de komprimerte bildene fÃļr trening; og mÃĨl-rettet artefakt-korreksjon, hvor artefakt-korrekt-nettverket blir fin-justert pÃĨ returnerte feil.
Trening skjedde pÃĨ en rekke ulike apte datamengder, inkludert flere varianter av ResNet, FastRCNN, MobileNetV2, MaskRCNN og Kerasâ InceptionV3.
Eksempel pÃĨ tap-resultater etter mÃĨl-rettet artefakt-korreksjon vises nedenfor (lavere = bedre).

Det er ikke mulig ÃĨ dykke dypt inn i detaljene av resultatene som ble oppnÃĨdd i studien, fordi forskernes funn er delt mellom mÃĨlet om ÃĨ evaluere JPEG-artefakter og nye metoder for ÃĨ lettelse av dette; treningen ble iterert per-kvalitet over sÃĨ mange datamengder; og oppgavene inkluderte flere mÃĨl som objekt-deteksjon, segmentering og klassifisering. I virkeligheten stiller den nye rapporten seg som en omfattende referanse-arbeid som behandler flere problemer.
Likevel konkluderer papiret bredt med at âJPEG-komprimering har en bratt straff over hele linjen for tung til moderat komprimeringâ. Det hevder ogsÃĨ at deres nye, umerkede mildnings-strategier oppnÃĨr bedre resultater enn andre lignende tilnÃĶrminger; at, for komplekse oppgaver, forskernes supervised-metode ogsÃĨ overgÃĨr sine likeverdige, til tross for ÃĨ ikke ha tilgang til grunn-sannhets-merker; og at disse nye metodene tillater modell-gjenbruk, siden vektene som er oppnÃĨdd er overfÃļrbar mellom oppgaver.
I klassifisering-oppgaver, sier papiret uttrykkelig at âJPEG forringrer gradient-kvaliteten samt induserer lokaliserings-feilâ.
Forskerne hÃĨper ÃĨ utvide fremtidige studier for ÃĨ dekke andre komprimerings-metoder som JPEG 2000, samt WebP, HEIF og BPG. De foreslÃĨr ogsÃĨ at deres metode kunne bli brukt i lignende forskning pÃĨ video-komprimerings-algoritmer.
Siden mÃĨl-rettet artefakt-korreksjons-metoden har vist seg ÃĨ vÃĶre sÃĨ suksessfull i studien, signaliserer forfatterne ogsÃĨ sin intensjon om ÃĨ slippe vektene som ble trent under prosjektet, og forventer at â[mange] applikasjoner vil dra nytte av ÃĨ bruke vÃĨre TTAC-vektene uten noen modifikasjon.â
Â
n.b. Kilde-bilde for artikkelen kommer fra thispersondoesnotexist.com












