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    基于插值檢測的掃描圖像源辨識方法*

    2013-04-24 11:41:39房穗韜方艷梅
    關(guān)鍵詞:掃描儀鄰域插值

    房穗韜,方艷梅

    (中山大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,廣東 廣州 510006)

    隨著數(shù)字照片時(shí)代的到來,用于商業(yè)交往的傳統(tǒng)支票運(yùn)作方式,逐漸被通過掃描傳遞的數(shù)字影像支付方式替代,大大提高了資金轉(zhuǎn)帳和利用效率。然而,掃描的數(shù)字圖像因其易操作性,往往會被惡意利用。因此,開展針對圖像真實(shí)性的掃描圖像取證研究,對于確保公共信任秩序、打擊犯罪、維護(hù)司法公正和新聞?wù)\信具有十分重要的社會意義。

    國內(nèi)對掃描圖像認(rèn)證的研究極少,國外研究集中在基于成像過程的一致性上。Gloe[1]把對傳感器噪聲源的識別算法用于掃描圖像的辯識,并用TIFF格式圖像在三種掃描儀模型中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析,但因掃描儀的玻璃板上可能存在劃痕或灰塵[2],使其結(jié)果受到影響;Delp等[3-4]一方面應(yīng)用掃描儀的模式噪聲嘗試區(qū)分三種掃描儀,對TIFF格式的圖像庫區(qū)分度達(dá)到96%,一方面通過傳感器模式噪聲的自然統(tǒng)計(jì)特性嘗試對掃描圖像、數(shù)碼相機(jī)圖像及CG這三類的TIFF格式圖像進(jìn)行區(qū)分,三類圖像兩兩區(qū)分度均在85%;此外,Gou[5]等提出了一種基于圖像去噪、鄰域分析、小波分析等多角度的自然統(tǒng)計(jì)特征提取方法,對掃描圖像源進(jìn)行認(rèn)證。實(shí)驗(yàn)中嘗試了對7種掃描儀進(jìn)行區(qū)分,每種掃描儀的圖像為26幅,每幅圖像均提取60維特征,平均準(zhǔn)確率約為90%。由于實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)庫樣本偏少,實(shí)驗(yàn)結(jié)果仍需進(jìn)行大量的測試。

    本文通過分析掃描圖像(scanned image, SG)、數(shù)碼相機(jī)圖像(digital image, DG)、計(jì)算機(jī)生成圖像(computer image, CG)三類圖像的成像過程中的固有區(qū)別,針對目前流行的JPEG格式圖像提出了應(yīng)用EM算法與圖像噪聲的自然統(tǒng)計(jì)特性相結(jié)合的分類源辨識方法,達(dá)到了區(qū)分掃描儀圖像與其他兩類圖像的目的,其中區(qū)分SG與CG及DG混合類圖像,達(dá)到了接近95%的識別率。

    1 掃描儀成像過程分析

    常見的掃描儀一般包括主板、掃描頭、光學(xué)系統(tǒng)、機(jī)械機(jī)構(gòu)等四個(gè)部分[6]。掃描儀的原理如圖1所示,掃描儀工作時(shí),光源會把光線照射在準(zhǔn)備輸出的圖像上,為了能均勻地照在SG圖像,掃描儀光源為長度與工作平臺寬度一樣寬的長條形,掃描時(shí)做垂直于掃描方向的動作,每掃描一行就能得到原圖像橫向一行的圖像信息。照射到原圖上的光線經(jīng)反射后,穿過一個(gè)較細(xì)的縫隙,形成一條橫向光帶,再經(jīng)過一組反射鏡的折射,最后由一個(gè)光學(xué)透鏡聚焦再照到感光器件CCD上,CCD實(shí)現(xiàn)數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換功能,把聚焦產(chǎn)生的光信號轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的模擬信號后,生成數(shù)字信號,暫存在緩存器中。掃描儀在機(jī)械傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)與掃描介質(zhì)進(jìn)行相對運(yùn)動后,會得到全部的圖像信息,并按照掃描的前后順序把數(shù)據(jù)傳遞給連接的計(jì)算機(jī)中。最終圖稿被顯示在屏幕前,還需在掃描儀中經(jīng)過自帶軟件的重新處理,其中包括插值、顏色變換、白平衡、曝光率控制、降噪等預(yù)處理[7]。

    由上述成像過程分析可知,SG與其他生成設(shè)備圖像存在以下區(qū)別。

    1) 掃描儀是逐行掃描的,采用一維的CCD來獲取二維圖像,只存在水平方向的像素點(diǎn),掃描儀的最大分辨率由步進(jìn)電機(jī)的最小位移和水平像素點(diǎn)的數(shù)量共同決定。

    2) 掃描儀分一次掃描與三次掃描兩種掃描技術(shù),分別由一個(gè)CCD掃描RGB三通道三次或使用三個(gè)線性的CCD一次性掃描RGB三個(gè)通道,兩種技術(shù)均不存在顏色插值過程。

    3) 掃描介質(zhì)一般不可能完全覆蓋掃描儀的玻璃板,掃描過程中通常只有一部分單元參與掃描過程,而且由于是逐行掃描,圖像在存儲前要經(jīng)過掃描儀自帶軟件進(jìn)行內(nèi)部處理,其中包括插值、顏色變換、白平衡、曝光率控制、降噪等等。

    4) 常年使用的掃描儀上經(jīng)常會存在一些物理上的小缺陷,如劃痕與灰塵,這些物理特性即使在壓縮率較高的SG上,也依然會被檢測出來。

    圖1 掃描儀原理Fig.1 The principle of scanner

    由于掃描儀在成像過程中均是采用逐行掃描,導(dǎo)致了行與行之間沒有運(yùn)用插值運(yùn)算,SG與DG圖像在傅立葉頻譜圖上的差異如圖2所示,SG的橫向周期性與列向周期性不一樣,導(dǎo)致了在頻譜圖上有明顯的亮線,而DG圖像則是橫縱周期一致,中間有一明顯的亮點(diǎn),高頻低頻成分均勻分布。根據(jù)此差別,本文提取EM算法結(jié)果中的殘留誤差的加權(quán)平均系數(shù)與噪聲圖像的自然統(tǒng)計(jì)特性作為統(tǒng)計(jì)特征,區(qū)分SG與其他類型圖像,具體的流程如下。

    圖2 傅里葉頻譜圖(a)和(b)SG圖像; (c)和(d)DG圖像Fig.2 Fourier spectrum(a) and (b) for SG image, (c) and (d) for DG image

    2 EM算法

    現(xiàn)實(shí)世界中經(jīng)常存在著一些“不完全數(shù)據(jù)”,即數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù)是不完整的,通過引入額外的參數(shù),可以對這些數(shù)據(jù)集合進(jìn)行優(yōu)化,EM算法[8],即期望最大化算法。它是一種當(dāng)觀測數(shù)據(jù)不完整時(shí),求解最大似然估計(jì)的迭代算法。

    而在數(shù)字圖像中,圖像的樣本點(diǎn)可以分為兩類:第一類是與相鄰樣本相關(guān)聯(lián)的樣本點(diǎn)集合,用C1表示;第二類是與它們的相鄰點(diǎn)不相關(guān)的樣本點(diǎn)集合,用C2表示,圖像中的每個(gè)樣本點(diǎn)要么屬于C1,要么屬于C2,EM算法就是求解圖像像素點(diǎn)屬于C1的迭代算法[9]。一幅圖像應(yīng)用EM算法迭代求解圖像中的像素相關(guān)性的流程圖見圖3。

    圖3 EM算法流程圖Fig.3 The flow chart of the EM algorithm

    在上述流程中,本文選定鄰域N為3,即假設(shè)樣本點(diǎn)周圍3×3的范圍為樣本點(diǎn)的插值區(qū)間,每幅圖像均提取鄰域的加權(quán)系數(shù)作為該圖像的第一類特征,即應(yīng)用EM算法后,每幅圖像的分類特征維數(shù)為48維。

    后驗(yàn)概率圖是一幅圖像經(jīng)過EM算法后的結(jié)果之一,它反映了一幅圖像中的像素點(diǎn)屬于C1的概率,如圖4所示。由于C1類像素點(diǎn)是由鄰域像素點(diǎn)插值達(dá)到的,因而根據(jù)不同類型的圖像,呈現(xiàn)一定周期性。SG經(jīng)過EM算法后得到的插值概率圖像也是一種周期性信號,所以本文可通過傅立葉變換觀察其中的周期特性。

    圖4為圖像經(jīng)過EM算法后的運(yùn)算結(jié)果,圖4(c)列表明,DG圖像的行與列都參與插值運(yùn)算,故在傅立葉頻譜圖上,DG圖像是行與列周期性一致,呈均勻分布;而SG則因成像過程是逐行掃描,經(jīng)掃描儀內(nèi)部軟件處理時(shí),其只有列方向參與插值運(yùn)算,其傅立葉頻譜圖的行列方向周期性不一致,在頻譜圖上呈現(xiàn)出一條明顯的亮線;而CG圖像則因其生成過程,而在傅立葉頻譜圖上毫無規(guī)律性。

    圖4 三類JPEG圖像經(jīng)EM算法的結(jié)果Fig.4 EM results of images

    實(shí)驗(yàn)過程中為了更好地觀察傅立葉頻譜圖,對它進(jìn)行了相應(yīng)變換,把頻譜移頻到原點(diǎn)。變換后的圖像頻率分布會以原點(diǎn)為中心呈對稱分布,中心區(qū)域表示圖像的低頻成分,外部為圖像的高頻成分。

    3 掃描儀傳感器噪聲

    除了應(yīng)用EM算法對SG進(jìn)行源取證,本文嘗試引入傳感器噪聲的自然統(tǒng)計(jì)特性作為宏觀統(tǒng)計(jì)特征對上述算法進(jìn)行補(bǔ)充。傳感器模式噪聲的識別算法已經(jīng)成功應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)的分類取證[10],在這些研究中發(fā)現(xiàn),模式噪聲中存在著兩種不同的成分:一種是隨機(jī)噪聲,它會隨著不同圖像的變化而改變,不利于識別,另外一種是固定噪聲,它不會隨著圖像的變化而改變,是代表傳感器內(nèi)部的固有的噪聲,這種噪聲在掃描儀中也存在[11]。利用這種固有的特征,我們把兩種成份分離,得到想要的固有部分,然后提取其自然統(tǒng)計(jì)特征,用SVM進(jìn)行區(qū)分[12]。

    圖像掃描是逐行進(jìn)行的,故產(chǎn)生的每一行數(shù)字圖像都是由相同傳感器像素產(chǎn)生的,所以對于SG,行平均值可以近似地被稱為行傳感器噪聲參數(shù),這種均值處理在減低隨機(jī)噪聲的影響時(shí),也同時(shí)增強(qiáng)了固有噪聲。同理,將列平均值稱為列傳感器噪聲參數(shù)[13]。實(shí)現(xiàn)過程如下,通過去噪算法獲取噪聲圖像,設(shè)該圖像的分辨率大小為M×N,于是

    In=I-Ide

    (1)

    (2)

    (3)

    這里,X與Y的協(xié)方差函數(shù)定義為,C(X,Y)

    (4)

    用ρrow(i)表示行平均噪聲參數(shù)與每一行的傳感器噪聲參數(shù)的協(xié)方差函數(shù)[14],其定義為

    (5)

    同理,用ρrow(i)表示列平均噪聲參數(shù)與每一列的傳感器噪聲參數(shù)的協(xié)方差函數(shù),其定義為

    (6)

    (7)

    對于光學(xué)分辨率較高的掃描圖片,在大部分圖片上都會有很好的效果,它反應(yīng)行列相關(guān)系數(shù)的比值。

    通過預(yù)處理,我們把圖像轉(zhuǎn)換成灰度圖,再經(jīng)過雙密度雙樹小波變換的去噪算法[15],得到其噪聲圖像。把噪聲圖像經(jīng)過如上處理后,統(tǒng)計(jì)其自然特性,獲取所需的15個(gè)特征值,作為本文算法的第二類特征。

    4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

    實(shí)驗(yàn)中采用支持向量機(jī)SVM[16-17]作為分類器。對每個(gè)圖像我們只取了部分大小(如1 024×1 024、512×512)作特征提取對象。對圖像庫的圖像提取了EM算法特征和噪聲特征,然后分別選取了部分圖像特征對SVM進(jìn)行了訓(xùn)練,其余圖像特征用于測試[18]。

    實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)庫分為三部分,分別是DG圖像庫、CG圖像庫和SG圖像庫,其中SG圖像庫分別來自18臺不同的掃描儀,當(dāng)中包括了150 dpi到600 dpi的747幅圖像,而CG圖像均是從網(wǎng)絡(luò)下載的747幅圖像,DG圖像庫包含了6個(gè)品牌相機(jī)的1 494幅圖像。掃描儀、相機(jī)的列表分別如表1、表2所示。

    表1 掃描儀圖像庫1)Table 1 Scanner image database

    1)格式均為JPEG

    表2 數(shù)碼相機(jī)圖像庫1)Table 2 Digital image database

    1)格式均為JPEG

    4.1 檢測率分析

    首先本文應(yīng)用EM算法提取插值概率圖像與傅立葉頻譜圖,區(qū)分三類圖像。每幅圖像應(yīng)用EM算法后得到的殘留誤差的加權(quán)平均系數(shù)為分類特征,共48維。三類圖像特征分成如下三組實(shí)驗(yàn)對象: SG圖像與CG圖像、SG圖像與DG圖像、SG圖像與CG&DG混合圖像(MG)。按上述實(shí)驗(yàn)組別,用SVM對特征進(jìn)行訓(xùn)練和預(yù)測,其中數(shù)據(jù)庫中70%的圖像樣本訓(xùn)練,30%的圖像用于預(yù)測,結(jié)果由圖5(a)的ROC性能曲線表示,其中曲線圖中橫坐標(biāo)表示虛警率,縱坐標(biāo)為檢測率。

    表3顯示,SG圖像與CG圖像的源分類達(dá)到了91.79%,具有較好的效果,因?yàn)镃G類圖像在成像過程中不存在插值運(yùn)算,而SG類圖像在列方向上存在著插值運(yùn)算;同理,掃描儀與數(shù)碼相機(jī)的成像過程不同,插值算法及插值鄰域也會不同,相機(jī)的顏色濾波陣列是周期性排列的,因此,經(jīng)過插值后圖像傅里葉頻譜圖同樣呈現(xiàn)周期性,DG圖像行與列的鄰域均參與了插值運(yùn)算,而SG圖像只在列方向上存在著插值操作,故SG圖像與DG圖像的源取證也達(dá)到了很不錯的效果,有93.96%。最后,SG圖像與其余兩類圖像組成的混合圖像也有較好的分類效果,區(qū)分率為91.30%。

    表3 SG圖像源取證ROC曲線性能指標(biāo)Table 3 Scanned image source identification ROC curve parameter

    由于實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)庫采用的是JPEG格式圖像[16],JPEG圖像在其壓縮量化過程中,圍繞其減少圖像存儲空間的目的,必不可少地會損失部分高頻的細(xì)節(jié)特征,削弱圖像像素間的相關(guān)性,故用作實(shí)驗(yàn)對象難度較大。本文嘗試引入傳感器噪聲的自然統(tǒng)計(jì)特性作為宏觀的統(tǒng)計(jì)特征對上述算法進(jìn)行補(bǔ)充。一幅圖像通過提取噪聲圖像后,計(jì)算上述提及的噪聲自然統(tǒng)計(jì)特性共15維統(tǒng)計(jì)特征,通過SVM訓(xùn)練及預(yù)測,觀察算法的識別率,結(jié)果如表3所示。

    表3表明,若只應(yīng)用噪聲圖像的統(tǒng)計(jì)特征區(qū)分

    SG圖像與其他兩類圖像,效果并不顯著。SG圖像與CG圖像的源辨識率達(dá)到87.28%,SG圖像與DG圖像的源辨識率為90.4%,SG圖像與其余兩類混合類圖像的源辨識率為89.51%。因?yàn)镃G圖像是通過電腦生成的,不存在固有的傳感器噪聲;同理,掃描儀與數(shù)碼相機(jī)的成像過程不同,固有的傳感器噪聲自然統(tǒng)計(jì)特性也會不同,所以傳感器噪聲的自然統(tǒng)計(jì)特性能從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度對三類圖像稍作區(qū)分。

    最后,本文對兩種算法特征進(jìn)行合并整理,用SVM訓(xùn)練圖像庫的特征值,仍用70%進(jìn)行訓(xùn)練,剩下30%進(jìn)行測試,結(jié)果由圖5(a)的ROC性能曲線展示。

    綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出,當(dāng)把兩類算法特征協(xié)同應(yīng)用時(shí),SG與CG類圖像的源取證達(dá)到了理想的效果,有93.24%;SG與DG圖像的源取證更達(dá)到了明顯的效果,檢測率為96.14%,SG與混合類圖像的區(qū)分也有94.93%,比在單獨(dú)應(yīng)用一種算法的效果有所提高,ROC各性能參數(shù)如表3所示。文獻(xiàn)[4]中,Khanna的方法應(yīng)用于三色通道中提取得到的45維特征對三類TIFF格式辨識率為85%,JPEG格式圖像為79.8%,如圖5(b)所示。本文算法針對JPEG格式圖像平均準(zhǔn)確率為94.93%,對比文獻(xiàn)[4],更具有實(shí)用性及廣泛性。

    當(dāng)實(shí)驗(yàn)圖像數(shù)據(jù)庫是JPEG圖像格式時(shí),圖片在壓縮量化過程中特征有損失,文獻(xiàn)[5]中提出了它們在這方面的缺陷,本文算法在一定程度上彌補(bǔ)了JPEG圖像壓縮過程中造成的特征損失,提高了利用盲檢測辨識SG與其他兩類圖像的準(zhǔn)確率。本文算法與文獻(xiàn)[5]的對比結(jié)果如圖5(a)與圖5(c)所示,從準(zhǔn)確率的角度觀察,本文算法比文獻(xiàn)[5]略優(yōu);從算法的計(jì)算復(fù)雜度觀察,本文算法為O(n),文獻(xiàn)[5]所提算法為O(n2),本文算法運(yùn)行時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于文獻(xiàn)[5]所提算法。

    在實(shí)驗(yàn)過程中,本文實(shí)驗(yàn)對象采用JPEG格式而不采用TIFF格式,原因在于,從實(shí)用性及普適性角度來看,TIFF格式所占存儲空間比JPEG格式要大很多,一般來說,一幅300萬像素照相產(chǎn)生的DG圖片,JPEG格式1 M大小,但是TIFF格式20 M大??;正因TIFF格式圖像所需存儲空間大,其包含的信息也比JPEG格式圖像多,從信息量的角度上看,區(qū)分JPEG格式的源分類圖像,要比TIFF格式困難得多。

    圖5 SG圖像源取證ROC曲線(a) 本文綜合算法的ROC曲線;(b) 文獻(xiàn)[4]所提算法;(c) 文獻(xiàn)[5]所提算法Fig.5 Scanned image source identification ROC curve(a) Proposed Synthesis algorithm; (b) Khanna's algorithm[4]; (c) Gou’s algorithm[5]

    由于EM算法中相關(guān)因子個(gè)數(shù)N的選取對結(jié)果有較大影響,本文通過比較鄰域N分別為3,4,5時(shí),EM算法的準(zhǔn)確率,最后選取了N=3完成了上述實(shí)驗(yàn),鄰域N為4和5時(shí),本文算法結(jié)果如表4所示。從表中可以看出,領(lǐng)域N越大,準(zhǔn)確率反而會降低,選取合適的鄰域N對實(shí)驗(yàn)非常重要。

    表4 改變鄰域N時(shí)EM算法的準(zhǔn)確率Table 4 The accuracy of the EM algorithm with a different N

    4.2 穩(wěn)定性分析

    為了驗(yàn)證算法的穩(wěn)定性,我們采取“M-重交叉驗(yàn)證”的方法。在操作過程中,我們把CG類跟SG類的圖像庫特征各分成10份,分別為M1,M2,M3…M10,每份74張,每次用其中的9份組成各自的圖像庫,然后放入SVM中進(jìn)行訓(xùn)練及測試,最后實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。從圖中,我們可以看出,各性能指標(biāo)上下波動不大,表示算法相對穩(wěn)定。

    圖6 M重交叉驗(yàn)證穩(wěn)定性分析Fig.6 Stability of M-fold cross validation

    此外,我們還針對圖像的大小對本算法進(jìn)行穩(wěn)定性分析。針對1 024×1 024、512×512及256×256這三種不同尺寸,我們對SG圖像與CG圖像進(jìn)行了穩(wěn)定性分析,結(jié)果如表5所示。

    表5 對不同尺寸的SG與CG圖像應(yīng)用綜合算法Table 5 ROC curve parameter by SG and CG

    從表5可以看出,隨著圖像的大小不斷降低,本算法的正確率并沒有大幅下降,說明算法較穩(wěn)定,針對小尺寸圖像,也能達(dá)到較好的效果。

    5 結(jié) 論

    本文提出了一種基于圖像插值檢測,并與掃描儀傳感器噪聲的行列自然統(tǒng)計(jì)特性相結(jié)合的一種新算法來對掃描圖像進(jìn)行源取證。本文證明了插值檢測不僅能應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)的源分類檢測,也同樣能應(yīng)用于掃描圖像取證。檢測圖像的插值相關(guān)性還有很多方法,下一步可以從這方面進(jìn)一步研究,提高算法的準(zhǔn)確率。

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