【正文】 為圖像真實(shí)性鑒別時(shí)的一種間接證據(jù)。(a)(b)(c)(d)(e) 雙重壓縮的周期性模式示意圖Lukas研究了雙重壓縮檢測(cè)和從JPEG雙重壓縮圖像中估計(jì)出原始量化表的方法 【3】 。假設(shè)一個(gè)取值在[0,127]范圍的正態(tài)分布樣本，為了演示說明雙重壓縮的周期性模式，將該樣本以四種不同的方式量化，原始樣本和4個(gè)量化樣本的直方圖如圖2．5所示。目前研究的方法主要包括JPEG雙重壓縮檢測(cè)、重采樣檢測(cè)、復(fù)制粘貼檢測(cè)和模糊檢測(cè)等。Hany Farid和A．Popescu還提出了利用量化DCT系數(shù)直方圖中出現(xiàn)的類采樣效應(yīng)來進(jìn)行圖像重壓縮檢測(cè)的方法 【2】 ，以及使用EM(Expectation／Maximization)來分析鄰近像素線性組合的概率，進(jìn)而檢測(cè)數(shù)字圖像重采樣的方法。國際上對(duì)JPEG壓縮數(shù)字圖像真?zhèn)螜z測(cè)是近年來才剛剛興起的，目前仍然處于起步階段，相關(guān)的研究隊(duì)伍僅有幾家，以美國的大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)居多。研究JPEG壓縮數(shù)字圖像真?zhèn)蔚臋z測(cè)方法具有重要的學(xué)術(shù)性和實(shí)用價(jià)值。 JPEG是目前主流的圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)，其優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)壓縮比較高的情況下，能得到較好的圖像質(zhì)量，而且圖像處理速度快。在國內(nèi)，圖片造假事件也參出不窮。其中“黃禹錫造假事件’’是一場(chǎng)讓整個(gè)科學(xué)界蒙羞的騙局。因此，對(duì)數(shù)字圖像的真?zhèn)舞b別非常重要。這也使得越來越多高品質(zhì)的，足夠以假亂真的篡改和偽造數(shù)字圖像通過網(wǎng)絡(luò)廣泛傳播。 綜上所述，本文的主要工作集中在數(shù)字圖像盲取證的系統(tǒng)框架和方法的研究上，在理論和應(yīng)用上都取得了一定的成果，這些成果將對(duì)多媒體盲取證技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生積極的推動(dòng)作用。 復(fù)制粘貼偽造圖像的盲取證方法研究。針對(duì)在同一幅圖像中復(fù)制部分特定區(qū)域來覆蓋偽造目標(biāo)區(qū)域的復(fù)制粘貼偽造類型，本文提出了一種基于小波和奇異值分解的圖像盲取證算法。關(guān)鍵詞：數(shù)字圖像盲取證，真實(shí)性檢測(cè)，圖像鑒別，復(fù)制粘貼偽造 JPEG Image Blind Forensic Technology Research ABSTRACTThis thesis makes an indepth research on the authenticity detection problem of blind digital image forensics by applying the bined methods of theory analysis,algorithm design and experiment validation．A blind forensic approach for detecting copypaste images is studied ．Copepaste fery is to copy a particular part of a digltal image and to cover another part of the same image．A blind image forensic algorithm based on wavelet and singular value deposition is proposed to detect the specific fery．In this algorithm，the copypaste fery detection is translated into a matching problem of similar block pairs．The wavelet transform is applied to extract the approximate ponent of the image，on which the sliding window operation is used．The quantized singular value vectors are lexieographically sorted and the copypaste fery regions are localized by detecting all neighborhood vectors． The experimental results demonstrate that the proposed approach can detect and localize the copypaste fery regions accurately,and has good robustness to JPEG pression and Gaussian noise．In conclusion，this thesis mainly focuses on the research of the systematic framework and methods for blirld digital image forensics．Some achievements have been made in theory and applications．These achievements will play a positive role in promoting the development of blind multimedia forensics．Key words： Blind digital image forensics，Authenticity detection，Image authentication， Copypaste fery. 第 1 章 緒論 課題研究的背景和意義隨著多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，高清晰度數(shù)碼相機(jī)的普及以及功能強(qiáng)大、操作簡(jiǎn)單的圖像處理軟件如Photoshop，ACDSee，iPhoto的廣泛應(yīng)用，越來越多的人可以方便地對(duì)數(shù)碼照片進(jìn)行處理和修飾，以達(dá)到潤飾照片、增強(qiáng)視覺效果的目的。篡改和偽造圖像如被大量地用于正式媒體、科學(xué)發(fā)現(xiàn)、保險(xiǎn)和法庭證物等，無疑將會(huì)對(duì)政治和社會(huì)穩(wěn)定產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。 (a)修改后的圖像 (b)原圖 路透社記者偽造黎以沖突戰(zhàn)爭(zhēng)照片，路透社宣布，圖像真?zhèn)螜z測(cè)研究現(xiàn)狀路透社記者阿德南哈吉偽造黎以沖突戰(zhàn)爭(zhēng)的照片，（a）為被哈吉修改后的照片，增加了畫面上的濃煙，同時(shí)讓煙的顏色看起來更深，(b)是真實(shí)效果。2022年2月韓國首爾大學(xué)的黃禹錫在《科學(xué)》雜志上發(fā)表了有關(guān)全球首例克隆人類胚胎干細(xì)胞的論文；2022年5月，黃禹錫又在《科學(xué)》雜志上發(fā)表論文稱，克隆培育出11個(gè)干細(xì)胞系。2022年第23屆全國攝影藝術(shù)展覽金獎(jiǎng)作品（圖（a） ） 《明天的現(xiàn)實(shí) 》 ，江蘇省攝影家協(xié)會(huì)會(huì)員陳聯(lián)軍組織公司員工賞析、借鑒獲獎(jiǎng)作品時(shí)，意外發(fā)現(xiàn)《明天的現(xiàn)實(shí)》的主圖和一本近10年前的《全球最新圖庫大百科》中一無名圖（b）極其近似，據(jù)此他指出《明天的現(xiàn)實(shí)》有抄襲嫌疑，但一直未能證實(shí)。數(shù)字圖像大多數(shù)是用JPEG格式存儲(chǔ)的。 圖像真?zhèn)螜z測(cè)研究現(xiàn)狀 國外研究現(xiàn)狀為了防止數(shù)字圖像被篡改，數(shù)字水印以及數(shù)字簽名技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，目的在于通過主動(dòng)或者被動(dòng)的手段，對(duì)數(shù)字圖像的完整性和真實(shí)性進(jìn)行鑒別，以保證執(zhí)法機(jī)構(gòu)證據(jù)鏈的完整和電子證據(jù)的真實(shí)。其中，美國Dartmouth大學(xué)的Hany Farid教授等人用對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行了多尺度小波分解和高階統(tǒng)計(jì)建模 【1】 的方法對(duì)拍攝的照片圖像、掃描圖像以及計(jì)算機(jī)生成的圖像進(jìn)行盲檢測(cè)。Hany Farid還提出了基于主成分分析的方法 【3】 ，在同幅圖復(fù)制粘貼檢測(cè)過程中解決了運(yùn)算量過大和魯棒性差的問題。JPEG圖像雙重壓縮是指一幅JPEG圖像被解壓，然后用另一個(gè)量化表重新壓縮存儲(chǔ)。其中(a)為原始樣本的直方圖；(b)為以q=2進(jìn)行單次量化后的樣本直方圖；(c)為以q=3進(jìn)行單次量化后的樣本直方圖，可以看出(b)、(c)在值域范圍內(nèi)也近似呈正態(tài)分布；(d)、(f)為雙重量化后的樣本直方圖。Popescu利用這種周期性模式來檢測(cè)圖像的真實(shí)性。2．重采樣檢測(cè)方法圖像編輯過程中，常常涉及到重采樣操作，如旋轉(zhuǎn)、縮放等。同濟(jì)大學(xué)的朱秀明對(duì)Popescu提出的算法 【4】 進(jìn)行了改進(jìn)，提出通過增加小補(bǔ)償量的辦法來避免EM算法可能遇到的奇異點(diǎn) 【5】 。復(fù)制粘貼類型的圖像偽造，雖然可能對(duì)篡改圖像進(jìn)行了一定的邊緣處理，但是圖像中的復(fù)制區(qū)域和相對(duì)應(yīng)的粘貼區(qū)域基本上相似。但是他們的算法中都是對(duì)原始圖像分塊，導(dǎo)致圖像塊的數(shù)目大，從而使得檢測(cè)算法的運(yùn)算量較大。大連理工大學(xué)信息安全研究中心劉文鋒、孔祥維 【9】 等在2022年的PCM會(huì)議上發(fā)表文章，利用色彩變化提出檢測(cè)圖像篡改和檢測(cè)隱藏信息的方法。 問題分析近年來，對(duì)JPEG圖像真?zhèn)螜z測(cè)方法的研究發(fā)展較快，以Hany Farid，ShihfuChang，Allebach and E．J．Dclp等人領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)和國內(nèi)的研究學(xué)者提出了一些檢測(cè)方法和研究成果。2．現(xiàn)有的針對(duì)性的、非統(tǒng)計(jì)性取證算法的適應(yīng)性都較弱，都只能針對(duì)某一種篡改手段進(jìn)行取證。(2)JPEG的圖像篡改取證技術(shù)，距離實(shí)際應(yīng)用仍然有一定的差距，各種算法均有稍嫌苛刻的局限性，且算法復(fù)雜度較高，盲檢測(cè)性較低。本文在總結(jié)了近年來數(shù)字圖像盲取證技術(shù)的主要研究成果的基礎(chǔ)上，嘗試提出了一個(gè)數(shù)字圖像盲取證的基本框架。我們的研究思路應(yīng)該首先針對(duì)不同類型的圖像篡改，研究開發(fā)出更多行之有效的針對(duì)性檢測(cè)方法或盲取證工具。首先描述了復(fù)制一粘貼偽造模型，然后闡述了本章提出的復(fù)制粘貼偽造圖像盲取證算法，最后對(duì)算法進(jìn)行了總結(jié)。數(shù)字簽名鑒別技術(shù)本質(zhì)上是比對(duì)分別從原始圖像和待檢測(cè)圖像中提取出來的、與內(nèi)容相關(guān)的信息摘要【13】 。 數(shù)字圖像鑒別技術(shù)數(shù)字簽名鑒別 數(shù)字盲取證數(shù)字水印鑒別 數(shù)字圖像鑒別技術(shù)分類 數(shù)字簽名鑒別技術(shù)數(shù)字簽名最初建立在哈希(Hashing)法和加密法的基礎(chǔ)上，主要用于文本信息的鑒別，之后逐漸擴(kuò)展應(yīng)用于多媒體數(shù)據(jù)的鑒別。Lu在小波域中提取圖像的結(jié)構(gòu)信息作為特征來生成數(shù)字簽名，用于對(duì)圖像進(jìn)行鑒別 【16】 。同時(shí)將圖像變換到頻域提取恢復(fù)特征，可用于恢復(fù)圖像。數(shù)字簽名的保存形式是它最大的不足，由于它不能夠?qū)㈣b別數(shù)據(jù)與原始圖像數(shù)據(jù)相融合，這樣在傳輸過程容易被攻擊者發(fā)現(xiàn)、截獲和偽造。最早的空域水印方法是基于最低有效位LSB(Least Significant Bit)的方法 【17】 ，即在圖像最低有效位平面嵌入水印，這樣做可以保證嵌入的水印不可見，但是該水印容易被破壞，導(dǎo)致算法的魯棒性差。Wu模擬JPEG壓縮過程，對(duì)量化后的DCT系數(shù)通過查詢表嵌入兩類數(shù)據(jù)：視覺上有意義的圖案和在圖像變換域提取的內(nèi)容特征。 吳提出了一種基于小波與DCT雙重域的主動(dòng)式數(shù)字圖像內(nèi)容鑒別方法 【19】 ，該方法利用偽隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器生成鑒別水印，提取圖像小波分解后其近似分量的量化編碼作為恢復(fù)特征，然后利用改進(jìn)的均值量化調(diào)制算法實(shí)現(xiàn)半脆弱水印的嵌入。更重要的是，無論數(shù)字簽名還是數(shù)字水印鑒別技術(shù)都很容易造成圖像鑒別盲區(qū)，因?yàn)樗鼈兌夹枰獔D像提供方進(jìn)行摘要的提取或水印的嵌入，即鑒別需要圖像提供方進(jìn)行配合，從而導(dǎo)致兩者的應(yīng)用受到限制。這就是第三類鑒別技術(shù)：數(shù)字圖像盲取證，它是一種新的圖像鑒別思路。相比國外，國內(nèi)在該領(lǐng)域的研究起步較晚，開始從事這方面研究的主要有中山大學(xué)、國防科技大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)和北京郵電大學(xué)等。為了達(dá)到混淆視聽的效果，圖像篡改偽造過程通常涉及一系列的圖像處理操作，包括基本的處理操作(如重采樣、壓縮、模糊和羽化等)以及特定的處理操作(如復(fù)制一粘貼、圖像修復(fù)等)。自然圖像通常是由數(shù)字采集設(shè)備獲取的，不同的采集設(shè)備具有不同的特性，如鏡頭的光學(xué)畸變不同、相機(jī)使用的顏色濾波陣列CFA(ColorFilter Array)和相應(yīng)的插值算法不同 【20】 等。但是，即使如此，它們也會(huì)在一定程度上影響和破壞圖像的內(nèi)在統(tǒng)計(jì)特性?；谶@個(gè)觀點(diǎn)，本文以面向真實(shí)性檢測(cè)的數(shù)字圖像盲取證作為研究主題，探索新的用于檢測(cè)圖像真實(shí)性的盲取證方法。該框架主要由以下幾部分組成：圖像建模、特征提取與特征分析、算法設(shè)計(jì)、測(cè)試與驗(yàn)證、圖像篡改檢測(cè)定位或圖像分類、圖像源特性(包括圖像偽造手段、成像過程、圖像統(tǒng)計(jì)特性等)以及圖像數(shù)據(jù)庫等。 針對(duì)該偽造類型，本文提出了一種基于小波和奇異值分解的復(fù)制粘貼偽造圖像盲取證方法。 數(shù)字圖像盲取證的基本框架 數(shù)字圖像盲取證作為一種不依賴于任何預(yù)簽名提取或預(yù)嵌入信息來鑒別圖像真?zhèn)魏蛠碓吹募夹g(shù)，正逐步成為多媒體安全領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)，且有著廣泛的應(yīng)用前景。就鑒別數(shù)字圖像真實(shí)性和來源的盲取證技術(shù)而言，目前還缺乏系統(tǒng)的、統(tǒng)一的方法論和框架體系。 特征提取與特征分析 算法設(shè)計(jì) 測(cè)試與驗(yàn)證 圖像篡改檢測(cè)定位圖像數(shù)據(jù)庫圖像源特性反饋 數(shù)字圖像盲取證的基本框架根據(jù)數(shù)字圖像盲取證的基本框架，下面分別對(duì)每個(gè)組成部分進(jìn)行介紹。經(jīng)典的自然圖像統(tǒng)計(jì)模型包括：自然圖像功率譜、小波系數(shù)的邊緣分布模型、圖像的高階統(tǒng)計(jì)分布模型以及馬爾可夫模型等。 圖像盲取證流程 盲取證流程是數(shù)字圖像盲取證基本框架的主體部分，主要包括：在圖像建模的基礎(chǔ)上進(jìn)行特征分析與提取、算法的具體設(shè)計(jì)、算法的測(cè)試與驗(yàn)證，最后進(jìn)行圖像鑒別(圖像篡改檢測(cè)定位或圖像分類)。在對(duì)特征分析的基礎(chǔ)上，利用已建立的模型提取能夠反映圖像模型本質(zhì)的特征，這圖像建模關(guān)系著盲取證算法的鑒別效果。在設(shè)計(jì)算法時(shí)應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：①算法的研究對(duì)象(如圖像的類型)及應(yīng)用范圍；②算法對(duì)篡改圖像的檢測(cè)準(zhǔn)確性；③算法對(duì)圖像被篡改偽造區(qū)域的定位功能；④算法對(duì)噪聲和壓