數(shù)字圖像篡改檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究綜述

甘艷芬，鐘君柳，鄭媛裕

（1.廣東外語(yǔ)外貿(mào)大學(xué)南國(guó)商學(xué)院，廣東 廣州 510545；2.廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510550）

數(shù)字圖像篡改檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究綜述

甘艷芬1，鐘君柳2，鄭媛裕1

（1.廣東外語(yǔ)外貿(mào)大學(xué)南國(guó)商學(xué)院，廣東 廣州 510545；2.廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510550）

隨著高分辨率數(shù)碼設(shè)備的普及以及圖像處理軟件的廣泛應(yīng)用，數(shù)字圖像能夠被輕易地篡改并且人們很難發(fā)現(xiàn)改動(dòng)的痕跡，數(shù)字圖像信息安全受到挑戰(zhàn).因此，本文對(duì)目前流行的篡改手段進(jìn)行了分析探討，重點(diǎn)研究針對(duì)圖像內(nèi)容的篡改方式以及對(duì)各種篡改的檢測(cè)技術(shù).研究結(jié)果表明，隨著圖像處理技術(shù)的發(fā)展，圖像篡改方式變得越來(lái)越復(fù)雜，這需要我們的篡改檢測(cè)研究與時(shí)俱進(jìn)，不斷提出新的檢測(cè)算法，逐步提高圖像篡改的檢測(cè)技術(shù)水平.

數(shù)字圖像；圖像篡改；信息安全；篡改檢測(cè)

高分辨率的數(shù)碼設(shè)備和功能強(qiáng)大的圖像處理軟件使得數(shù)字圖像變得更加完美，但由于數(shù)字圖像的易篡改性引發(fā)了一系列的虛假圖像事件問(wèn)題.如：《非典時(shí)期的婚禮》、《青藏鐵路為野生動(dòng)物開(kāi)辟生命通道》等新聞圖片造假事件造成的不良社會(huì)影響，不僅違背了一個(gè)作為新聞工作者本身應(yīng)具有的素養(yǎng)，而且影響社會(huì)穩(wěn)定和諧.多數(shù)人對(duì)數(shù)字圖像的修改只是為了掩蓋圖片的瑕疵，讓圖片看起來(lái)更加完美，比如經(jīng)過(guò)專業(yè)處理的藝術(shù)照，人物寫(xiě)真，結(jié)婚照等，都是合法的.如果篡改者有目的地篡改圖像，用于政治、軍事領(lǐng)域時(shí)，會(huì)給社會(huì)穩(wěn)定帶來(lái)不利影響.當(dāng)篡改圖像被用于司法取證、新聞報(bào)道、醫(yī)學(xué)鑒定時(shí)，其引發(fā)的問(wèn)題會(huì)造成不可估量的損失.在當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，數(shù)字圖像傳播的途徑和平臺(tái)非常多，傳播的范圍和速度可想而知.一個(gè)虛假的圖像事件可借助網(wǎng)絡(luò)廣為傳播，如果涉及到一些敏感的政治問(wèn)題時(shí)，其所造成的社會(huì)影響是不可估量的.因此，數(shù)字圖像信息安全的問(wèn)題受到廣泛的關(guān)注.針對(duì)篡改圖像而提出的數(shù)字圖像取證技術(shù)是迫切需要的一種技術(shù)，它將廣泛應(yīng)用于軍事情報(bào)分析、新聞媒體的鑒定、文檔簽名認(rèn)證、法庭犯罪取證等領(lǐng)域，未來(lái)將成為信息安全領(lǐng)域的一大前沿研究熱點(diǎn).

1 數(shù)字圖像內(nèi)容真實(shí)性篡改

數(shù)字圖像篡改的方式多種多樣，按照Hany-Farid[2]的分類，包括圖像的合成、潤(rùn)飾、增強(qiáng)、變形、繪畫(huà)和計(jì)算機(jī)生成等六種基本類型.加上周琳娜[3]所增加的三種類型，包括二次獲取圖像、圖像攜密篡改及數(shù)字圖像版權(quán)篡改等，最終歸納為四種篡改類型，圖像原始性篡改、完整性篡改、真實(shí)性篡改以及版權(quán)篡改等.一般而言，篡改者為了讓效果圖更加逼真形象，往往會(huì)使用多種篡改手段來(lái)處理圖片.下面我們主要介紹目前最流行和使用最廣泛的篡改方式—圖像內(nèi)容篡改，即篡改者通過(guò)一定的技術(shù)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.

篡改技術(shù)主要有圖像拼接、圖像增強(qiáng)、圖像潤(rùn)飾以及圖像的變形幾大類:

（1）圖像拼接是將兩幅圖像具有標(biāo)志特征的像素點(diǎn)找出，并利用相應(yīng)的技術(shù)手段將一幅圖像中的特征的像素漸變?yōu)榱硪粋€(gè)圖像中的特征像素.

（2）圖像的潤(rùn)飾主要是對(duì)篡改后圖像篡改痕跡的清除，進(jìn)行圖像潤(rùn)飾的主要技術(shù)手段是對(duì)篡改區(qū)域進(jìn)行模糊、銳化、羽化、修補(bǔ)等清除痕跡的措施，經(jīng)過(guò)潤(rùn)飾后圖像的真實(shí)性后變得更強(qiáng).

（3）圖像增強(qiáng)是一種突出圖像中的某一特殊對(duì)象的技術(shù).這種技術(shù)的特點(diǎn)是不顯著改變圖像中的內(nèi)容，其主要對(duì)圖像特定對(duì)象的對(duì)比度、顏色、背景等進(jìn)行改變，對(duì)圖像中目標(biāo)區(qū)域或人、物進(jìn)行突出或淡化.

（4）圖像變形是一種比較特殊的數(shù)字圖像修改和漸變的方法，它是將某個(gè)對(duì)象逐漸演變成另一個(gè)對(duì)象的過(guò)程，或是將幾個(gè)對(duì)象整合成一個(gè)綜合體.

2 數(shù)字圖像篡改檢測(cè)技術(shù)

圖像篡改是指為了達(dá)到某種目的而故意對(duì)圖像內(nèi)容進(jìn)行修改.圖像篡改檢測(cè)旨在判斷數(shù)字圖像是否經(jīng)過(guò)篡改操作[4].由于圖像篡改的方法比較多，導(dǎo)致對(duì)篡改圖像的檢測(cè)難以有統(tǒng)一的認(rèn)證算法.國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者紛紛提出針對(duì)某一種篡改技術(shù)的一些解決的技術(shù).下面對(duì)這些目前比較流行的數(shù)字圖像篡改檢測(cè)算法進(jìn)行詳細(xì)闡述.

根據(jù)數(shù)字圖像取證中所使用的檢測(cè)依據(jù)不同，數(shù)字圖像被動(dòng)取證技術(shù)分為以下三種類型：包括基于成像設(shè)備一致性的來(lái)源取證技術(shù)；基于圖像篡改過(guò)程遺留痕跡特征的取證技術(shù)；基于圖像內(nèi)在統(tǒng)計(jì)特性的取證技術(shù).

2.1 基于成像設(shè)備一致性的真實(shí)性檢測(cè)

從數(shù)字圖像的獲取來(lái)源出發(fā)，我們知道，每個(gè)采集設(shè)備都具備自己的參數(shù)特性，其中包括設(shè)備品牌、設(shè)備類型、設(shè)備個(gè)體等.因此通過(guò)獲取數(shù)碼設(shè)備的各個(gè)參數(shù)來(lái)確定圖像的來(lái)源，以檢測(cè)圖像是否被篡改過(guò).根據(jù)文獻(xiàn)[5],基于圖像獲取設(shè)備一致的方法又分為：基于CFA插值一致性的檢測(cè)方法、基于模式噪聲一致性的檢測(cè)方法、基于相機(jī)響應(yīng)函數(shù)一致性的檢測(cè)方法和基于色差一致性檢測(cè)方法.

(1)基于CFA插值一致性的檢測(cè)

由于數(shù)碼相機(jī)傳感器只能接收光的強(qiáng)度分量，而無(wú)法識(shí)別光的顏色的特點(diǎn).一般相機(jī)利用一個(gè)傳感器來(lái)接收彩色光，同時(shí)為了能夠獲取完整的彩色圖像數(shù)據(jù)，相機(jī)內(nèi)部使用了插值操作，使自然圖像中每個(gè)色彩通道內(nèi)的像素產(chǎn)生特有的相關(guān)性.而當(dāng)圖像的某一區(qū)域被篡改后，該區(qū)域中的像素值就失去了這種相關(guān)性，由此可檢測(cè)出篡改的圖像區(qū)域.基于CFA插值檢測(cè)的方法具有不錯(cuò)的認(rèn)證效果，但需要大量訓(xùn)練樣本進(jìn)行訓(xùn)練.

(2)模式噪聲一致性檢測(cè)

一幅原始的圖像帶有相機(jī)特有的模式噪聲.一般而言，如果兩款相機(jī)的模式噪聲不同，則這是兩款不同型號(hào)的相機(jī).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.但由于在檢測(cè)時(shí)需要有照片獲取設(shè)備或一些由該設(shè)備拍攝的照片，缺乏靈活性，此外，由于相機(jī)變焦，曝光程度的不同特點(diǎn)，其準(zhǔn)確性會(huì)受到一定的影響.

(3)相機(jī)響應(yīng)函數(shù)一致性檢測(cè)

相機(jī)響應(yīng)函數(shù)CRF(camera response function)是相機(jī)的特性之一，它將CCD傳感器感應(yīng)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(lái)[6].不同的相機(jī)具有不同的響應(yīng)函數(shù)，根據(jù)單幅圖像中不同色彩間的邊緣像素來(lái)進(jìn)行推算，進(jìn)而估計(jì)不同區(qū)域的響應(yīng)函數(shù)，如果結(jié)果不一致則可認(rèn)為圖像經(jīng)過(guò)了篡改.

2.2 基于圖像篡改過(guò)程遺留痕跡特征的取證技術(shù)

根據(jù)篡改方式，圖像拼接就包含了復(fù)制、粘貼以及旋轉(zhuǎn)縮放等操作，復(fù)制粘貼分為兩種類型，一種是在同幅圖像內(nèi)的復(fù)制粘貼，這種操作會(huì)導(dǎo)致同一幅圖像中不同區(qū)域有相同的像素點(diǎn)特性;另一種是不同圖像的復(fù)制粘貼，這種會(huì)導(dǎo)致不同區(qū)域具有不同的來(lái)源特征或不同的圖像統(tǒng)計(jì)特征.

（1）同幅圖像內(nèi)的復(fù)制粘貼

在同幅圖像內(nèi)進(jìn)行復(fù)制粘貼，那么篡改區(qū)域的特征與圖像源區(qū)域是相似的.針對(duì)這種方式的檢測(cè)技術(shù)主要是采用匹配搜索的方式，將數(shù)字圖像劃分成不同的區(qū)域塊，通過(guò)離散余弦變換的變換系數(shù)、主成分分析、小波系數(shù)等來(lái)提取圖像塊的特征，對(duì)圖像塊進(jìn)行字典排序，以此來(lái)判定篡改的圖像區(qū)域.

（2）不同圖像間的復(fù)制粘貼

大部分的圖像是由兩張或者更多的圖像復(fù)制粘貼拼接而成的.這類圖像容易為人被察覺(jué)，所以需要經(jīng)過(guò)大量的后期處理.對(duì)于從其他圖像復(fù)制粘貼得來(lái)的圖像區(qū)域，為了使原本不連續(xù)的邊緣變得自然，能與原圖合理地銜接起來(lái)，達(dá)到視覺(jué)的一致性，篡改者會(huì)對(duì)復(fù)制粘貼的邊緣部分進(jìn)行重采樣、羽化、模糊等處理.在這種情況下，往往會(huì)留下一定的人工篡改痕跡，破壞了圖像的內(nèi)在統(tǒng)計(jì)特性.因此，通過(guò)對(duì)圖像本身的特征分析或是對(duì)羽化值的分析，可以檢測(cè)出篡改的圖像區(qū)域.

a)基于光源方向不一致性的檢測(cè)

對(duì)于不同圖像而言，拍攝場(chǎng)景不同，其光照條件是不一樣的.根據(jù)這一特征學(xué)者們提出了鑒定的依據(jù)，如果判定同一幅圖像中不同區(qū)域的物體具有不同的光照方向，就可以認(rèn)定圖像是被篡改的.Mahajan[7]根據(jù)這個(gè)原理，提出了基于球面頻率不變量的檢測(cè)圖像光照一致性的方法，但只能是進(jìn)行二維方向的檢測(cè)，且只適用于光源充足的情況下.

b)基于JPEG壓縮圖像的檢測(cè)

JPEG是一種有損壓縮格式，當(dāng)圖像被篡改，再次存儲(chǔ)為JPEG圖像時(shí)，會(huì)受到二次壓縮量化.圖像經(jīng)過(guò)兩次壓縮后DCT系數(shù)后發(fā)生周期變化，可根據(jù)系數(shù)的周期性特點(diǎn)來(lái)檢測(cè)圖像的真實(shí)性，另外，經(jīng)過(guò)多次壓縮的JPEG圖像質(zhì)量會(huì)下降，根據(jù)JPEG圖像的特點(diǎn)，當(dāng)檢測(cè)出某一圖像區(qū)域的質(zhì)量低于其他區(qū)域時(shí)，可認(rèn)定圖像是篡改的.

c)基于模糊銳化的檢測(cè)

模糊操作是掩飾篡改痕跡的常用操作之一，篡改者會(huì)在圖像合成后采用模糊、漸變、淡化等潤(rùn)飾操作來(lái)使合成圖像變得更加自然和完美.人工模糊破壞了圖像在成像時(shí)所造成的失焦連續(xù)性，利用這一特點(diǎn)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)邊緣像素點(diǎn)的局部模糊來(lái)判定圖像是否被篡改過(guò).在銳化檢測(cè)方面，通過(guò)構(gòu)造效應(yīng)強(qiáng)度分布圖和提取振鈴響應(yīng)的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)圖像銳化操作痕跡的鑒別，實(shí)現(xiàn)了一種有效的測(cè)度算法.

2.3 基于圖像內(nèi)在統(tǒng)計(jì)特性的取證技術(shù)

篡改和偽造必然在一定程度上影響和損壞圖像的內(nèi)在統(tǒng)計(jì)特性.自然圖像一致性特征大多用于圖像拼接檢測(cè)方面.學(xué)者們?cè)谶@方面提出了相位特征的方法和基于圖像內(nèi)在統(tǒng)計(jì)特性的雙相干幅度的方法，還有邊緣百分比特征、圖像質(zhì)量度量特征和二元相似性度量特征等.

3 結(jié)論

鑒于篡改數(shù)字圖像方法的多樣性以及復(fù)雜性，針對(duì)數(shù)字圖像篡改的檢測(cè)是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作.不僅要通過(guò)對(duì)各種圖像篡改技術(shù)原理的分析，在對(duì)圖像進(jìn)行檢測(cè)時(shí)必須從圖像的形成原理以及固有特性上進(jìn)行分析，還必須從以下幾個(gè)點(diǎn)出發(fā)，包括圖像的存儲(chǔ)特征、圖像的篡改特點(diǎn)以及篡改后處理技術(shù)的特點(diǎn)，正確辨別出篡改的各種方式，這樣才能針對(duì)各種篡改技術(shù)研究出相應(yīng)的認(rèn)證算法.隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，圖像篡改的方式會(huì)更加復(fù)雜，篡改者會(huì)將多種篡改技術(shù)應(yīng)用于同一幅篡改圖中，在針對(duì)單一篡改類型的取證算法研究還有待提高.逐步提高在圖像篡改檢測(cè)方面的水平，不斷完善取證技術(shù)的認(rèn)證效率，探索針對(duì)多種篡改技術(shù)的統(tǒng)一檢測(cè)方法，是未來(lái)研究的一個(gè)關(guān)鍵性方向.

〔1〕新聞圖片造假事假回放[EB/OL].http://www.zhongmin.net/yingyuan_congtan/qita_tuwen/xinwen_zaojia.htm，2017-5-16.

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

〔3〕周琳娜數(shù)字圖像盲取證技術(shù)研究[D].北京：北京郵電大學(xué)，2007.

〔4〕徐俊瑜，杜思良，李煜祺，等.數(shù)字圖像被動(dòng)取證技術(shù)[J].指揮信息系統(tǒng)與技術(shù)，2016,7(1):7-12.

〔5〕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(xué)，2010.

〔6〕Johnson M K,Farid H.Exposing digital forgeries through chromatic aberration,In:Proceedings of the 8th workshop on Multimedia and security, Geneva, Switzerland: IEEE,2006,48-55.

〔7〕徐亮，史金昌.數(shù)字圖像拼接篡改盲取證技術(shù)研究[J].電子設(shè)計(jì)工程，2012,20(13):182-185.

〔8〕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(xué)，2010.

〔9〕Mahajan D,Ramamoorthi R,Curless B.A theory of frequency domain in variants:spherical harmonic identities for BRDF/lighting transferandimage consistency[J].IEEE Transactionson Pattern Analysisand Machine Intelligence,2008,30(20):197-213.

TP391.4

A

1673-260X（2017）12-0017-03

2017-10-18

本文系2016年度廣州市哲學(xué)社會(huì)科學(xué)發(fā)展“十三五”規(guī)劃課題項(xiàng)目“基于互聯(lián)網(wǎng)信息安全的數(shù)字圖像篡改輿情事件預(yù)防對(duì)策與技術(shù)研究”（編號(hào)：2016GZQN23）研究成果之一