數(shù)字圖像篡改檢測技術研究

李幸

摘 要：現(xiàn)如今，數(shù)碼設備的應用逐漸廣泛，圖像處理軟件的操作也相對簡易，這給我們美化、修飾圖像帶來了諸多便利，但同時也隱藏著一定的危害——圖像篡改的門檻越來越低，且越來越不容易被察覺。這些被篡改的數(shù)字圖像如果被別有用心者利用，再借助互聯(lián)網(wǎng)進行大肆傳播，造成的不良后果和影響將難以估量。魔高一尺，道高一丈。本文針對當前圖像篡改愈演愈烈的現(xiàn)實，重點研究針對圖像內(nèi)容的篡改方式以及對各種篡改的檢測技術。

關鍵詞：數(shù)字圖像;圖像篡改;信息安全;檢測技術

隨著科技的進步，數(shù)碼設備的分辨率越來越高，各種圖像處理軟件的功能也越來越強大，如果這些被篡改的圖像應用到醫(yī)學鑒定、新聞報道以及司法取證等環(huán)節(jié)中時，極易混淆視聽、是非不辨，容易誤導民眾信以為真，給整個社會帶來的負面影響在短期內(nèi)都無法消除。為了最大限度降低因圖像篡改而給社會、組織、個人帶來的負面影響，本文結合當前圖像篡改常見的幾種類型，重點剖析了每種篡改方式，并根據(jù)其篡改原理提出了有針對性的檢測技術。

1.圖像內(nèi)容真實性篡改

在上述幾種圖像篡改方式中，本文主要介紹其中最為常見、使用最廣泛的——圖像內(nèi)容篡改，即篡改者通過一定的技術手段篡改圖像內(nèi)容，使圖像呈現(xiàn)出與原本不同甚至截然相反的信息。

具體來說，圖像內(nèi)容的篡改大致包括四類，分別是圖像變形、圖像潤飾、圖像增強以及圖像拼接：

（1）圖像變形

這一方法指的是借助某種手段，將將某個對象逐漸演變成另一個對象的過程，或是將幾個對象整合成一個綜合體。

（2）圖像潤飾

這一方法的主要作用是讓篡改之后的圖像更加“真實”，即清除掉所有可能被識別的圖像篡改痕跡，其所借助的手段可以分為修補、羽化、銳化以及模糊等幾種。

（3）圖像增強

這一技術主要用來突出整體圖像中的某一特殊個體，在實際操作過程中主要是改變特定個體的背景色、顏色以及對比等個某一項或幾項數(shù)據(jù)[1]，淡化或者突出相應的人或物，其最基本的特點是對圖像整體內(nèi)容的改變不太顯著。

（4）圖像拼接

這一技術是將兩幅圖像具有標志特征的像素點找出，并利用相應的技術手段將一幅圖像中的特征的像素漸變?yōu)榱硪粋€圖像中的特征像素。

2.基于圖像篡改遺留痕跡特征的鑒別

數(shù)字圖像真實性的篡改方式有很多種，如“復制——粘貼”方式、圖像要素的篡改、不同圖像的拼接合成等，利用這些技術篡改之后的圖像僅憑肉眼難以區(qū)分，但是我們可以借助技術手段加以甄別。因為無論如何高明的篡改手段，只要應用到了數(shù)字圖像之上，并定會遺留下或多或少的痕跡，正如我們用鉛筆在之上寫字，再用橡皮擦掉是同樣的道理，外在的痕跡被擦除了，但深深印在紙上的痕跡缺“入紙三分”[2]。

根據(jù)篡改方式，圖像拼接包含了復制、粘貼以及旋轉(zhuǎn)縮放等操作，復制粘貼分為兩種類型，一種是在同幅圖像內(nèi)的復制粘貼，這種操作會導致同一幅圖像中不同區(qū)域有相同的像素點特性;另一種是不同圖像的復制粘貼，這種會導致不同區(qū)域具有不同的來源特征或不同的圖像統(tǒng)計特征。

（1）同幅圖像內(nèi)的“復制——粘貼”

如果在同幅圖像內(nèi)采用“復制——粘貼”的篡改方式，那么會造成圖像源區(qū)域與篡改區(qū)域二者之間的高度一致性。

借助這一特征，我們在針對同幅圖像內(nèi)的“復制——粘貼”篡改方式時，最常采用的識別技術是匹配搜索。

（2）不同圖像間的“復制——粘貼”

在實際應用中，不同圖像之間“復制——粘貼”的篡改方式更為常見。借助這一技術拼接到一起的圖像，識別難度要低于上述的再同幅圖像內(nèi)的“復制——粘貼”的圖像。我們在識別這一類被篡改的圖像時，要想檢測出篡改的圖像區(qū)域，可以分析圖像本身的特征分析或是對羽化值。

3.基于成像設備一致性的真實性檢測

（1）基于CFA插值一致性的檢測

如果對一幅圖像進行了人為篡改，“彩色濾鏡”（CFA）的插值會留下變化過的痕跡。目前常用的數(shù)碼相機大多用CCD/CMOS感光器件，并且一般只有一個單色的感光器件，所以在數(shù)字圖像的成像過程中，成像傳感器在一個像素點上只能獲取RGB當中一種信息，每個像素只能得到RGB三通道中的一種顏色，其余兩種顏色信息由“彩色濾鏡”（CFA）插值得到。

（2）模式噪聲一致性檢測

一幅原始的圖像帶有相機特有的模式噪聲。一般而言，如果兩款相機的模式噪聲不同，則證明這是兩款不同型號的相機。如果圖像中的某一區(qū)域中的模式噪聲區(qū)別于其他區(qū)域，那么可證明此區(qū)域是被篡改的。

（3）相機響應函數(shù)一致性檢測

相機響應函數(shù)CRF（camera response function）是相機的特性之一，它將CCD傳感器感應到的輻照度轉(zhuǎn)換成亮度值，最后以底片或數(shù)字的形式記錄下來[5]。不同的相機具有不同的響應函數(shù)，根據(jù)單幅圖像中不同色彩間的邊緣像素來進行推算，進而估計不同區(qū)域的響應函數(shù)[3]，如果結果不一致則可認為圖像經(jīng)過了人為篡改。

（4）基于色差一致性檢測

數(shù)字圖像獲取設備的感光器件是圖像獲取的重要因素，它不同于成像相對穩(wěn)定的膠片相機，不同數(shù)字圖像獲取設備對自然場景拍攝出的照片會顯示出不同的視覺效果，這是因為數(shù)碼相機等成像設備在對自然場景成像過程中產(chǎn)生失真，我們稱這種由于感光器件對不同光線聚焦不準確的失真為色差。這種失真通常分為兩類：橫向的失真誤差和縱向的失真誤差。基于橫向的色差較為穩(wěn)定的特點，對橫向色差進行建模，計算后分析對比每個顏色相向通道的關聯(lián)情況，以此來實現(xiàn)對可疑區(qū)域的定位。

4.結論

針對數(shù)字圖像篡改的檢測是一項具有挑戰(zhàn)性的工作.不僅要分析各種圖像篡改技術原理，從圖像形成原理以及固有特性上分析，還必須從包括圖像的存儲特征、圖像的篡改特點以及篡改后處理技術的特點這幾方面出發(fā)，正確辨識具體的圖像篡改方式，這樣才能針對各種篡改技術研究出相應的認證算法。

參考文獻

[1] Farid H. Creating and Detecting Doctored and Virtual Image： Implications to the Child Pornography Prevention Act[R].USA：Dartmouth College，2012.

[2] 周琳娜.數(shù)字圖像盲取證技術研究[D].北京：北京郵電大學，2007.

[3] 王俊文.數(shù)字圖像內(nèi)容篡改盲取證研究[D].南京：南京理工大學，2010.