CN108269221B - 一种jpeg重压缩图像篡改定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及数字图像取证技术领域,更具体地,涉及一种JPEG重压缩图像篡改定位方法。包括以下步骤:S1.估计DCT系数值,计算出篡改区域的DCT系数C1和未篡改区域的DCT系数C2的值;S2.用归一化灰度梯度共生矩阵对DCT系数分布的混合模型进行建模;S3.计算出带未知参数的DCT系数条件概率;S4.对未知参数进行估计,将估计得到的参数代入至S3步骤中,得到不含未知参数的DCT系数条件概率;S5.计算某一频率f上的篡改概率图S6.得到DCT系数块的篡改概率图;S7.利用连通性和高斯权值滤波对篡改概率图后处理;S8.对篡改区域进行定位。本发明首次使用二阶的灰度梯度共生矩阵对DCT的混合分布进行了建模,得到了更为准确的混合分布模型,使得对JPEG重压缩篡改定位更加的准确。
Description
技术领域
本发明涉及数字图像取证技术领域,更具体地,涉及一种JPEG重压缩图像篡改定位方法。
背景技术
随着网络和智能设备的普及,数字图像在信息传播中的重要性日益突出。但是由于数字图像编辑技术的快速发展,数字图像内容的篡改变得越来越容易,这为数字图像的真实性和安全性带来了挑战。因此,如何实现数字图像在传播、共享和应用过程中的内容真实性和安全性的可靠认证具有重要的实际意义。
JPEG图像重压缩篡改检测是数字图像取证技术的一个重要分支,其目的是为了检测数字图像中是否存在篡改操作,即检测给定的数字图像是否是通过裁剪和合成操作从而生成的组合图像,并且成功定位出篡改区域。JPEG图像是人们日常中最常使用的图片格式,因此,对JPEG图像的被动取证是近来的热门研究领域之一。在人们对JPEG图像进行篡改时,通常伴随着图像的重压缩操作。篡改操作会破坏JPEG图像的重压缩特征,通过对重压缩特征的分析可定位出篡改区域。通过对图像拼接内容的精心选择和对拼接边缘的修饰操作可以使得拼接痕迹很难通过肉眼来判别,而JPEG重压缩篡改定位可以作为一条重要的线索检测篡改区域。因此有效的JPEG图像重压缩篡改检测在信息安全保障体系中可以发挥非常重要的作用。该技术主要可以应用在:司法取证、新闻纪实、科技报道等应用领域中。
现有的JPEG图像重压缩篡改定位技术主要分为两种:一种是通过再次对图像进行压缩,利用压缩的前后DCT系数在统计上的差异判断出哪些DCT系数值可能是篡改后的,由此根据这些可疑点定位出可疑区域,但是这类方法有适用条件,当第一次量化因子大于第二次的量化因子的时候,该方法失效;另一种是基于条件概率混合模型进行求解的。将待检测的图像的DCT系数分布看做是篡改区域DCT系数和非篡改区域DCT系数的混合分布,通过求解每个8*8块的篡改概率定位出篡改区域。这类方法中的区别主要在于条件概率混合模型的选取和后处理的添加。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种JPEG重压缩图像篡改定位方法,能够有效地检测定位出图像中是否存在篡改痕迹,具有检测快、不需要人为判断和鲁棒性高的优点。
为解决上述问题,本发明提供的技术方案为:一种JPEG重压缩图像篡改定位方法,其中,包括以下步骤:
S1.估计DCT系数值,计算出篡改区域的DCT系数C1和未篡改区域的DCT系数C2的值,对于待测的JPEG重压缩图像,系数C1通过对原始未量化的直方图C0用第二次压缩质量因子Q2进行压缩得到,系数C2通过对原始未量化的直方图C0用第一次压缩质量因子Q1和第二次压缩质量因子Q2进行压缩得到;首先根据其量化因子Q2进行反量化,而后逆DCT变换,去掉左侧和上侧4行使图像不再具有重压缩特性,再进行DCT变换,就可以得到近似的C0分布。随后,在第一个AC频率f上使用Q2对应位置上的量化步长q2进行量化,得到C1;对于C2因为Q1对应位置的q1未知,将在S4中使用极大似然估计法对参数进行估计而后进行求解。
S2.用归一化灰度梯度共生矩阵对DCT系数分布的混合模型进行建模,分别对C1和C2进行灰度梯度共生矩阵的特征提取,提取特征时,将C1或C2zig-zag上某一频率f上的DCT系数取出作为一个矩阵,使用阈值T进行截断操作,大于T的系数全部替换为T,小于-T的系数全部替换为-T,然后对该矩阵计算出其水平方向上的灰度梯度共生矩阵;
S3.计算出带未知参数的DCT系数条件概率,将C1和C2得到的灰度梯度共生矩阵进行归一化,对于在某一频率的位置为(u,v)的DCT块中,对于某个DCT系数xi且它邻接块中的DCT系数的差值的绝对值为得到篡改和非篡改的条件概率和可以分别表示为:
其中,du和dv分别为u和v的偏移量,du,dv∈{-1,0,1},脉冲函数δ1为:
脉冲函数δ2为:
S4.对未知参数进行估计,测试篡改图的DCT分布可以看做是篡改区域DCT系数和非篡改区域DCT系数的混合分布,定义α为篡改区域所图像的比例,则有其中,P(xi)是DCT系数xi所存在的可能性,P(xi)中含有待估计参数q1,所以表示为P(xi|q1);在估计参数q1时因为含有隐含变量α,所以采用极大似然估计法对参数q1进行估计:
进一步计算矩阵中所有点的篡改概率,这些概率值按矩阵中点的顺序就可以得到某一频率f上的篡改概率图,篡改概率图中的每一个点代表的是每个8*8块的篡改概率;
S6.按zig-zag的排列顺序求出前21个AC系数的篡改概率图,21个频率上的篡改概率求平均后,得到DCT系数块的篡改概率图;
S7.利用连通性和高斯权值滤波对篡改概率图后处理,根据图像的先验条件可知图像的篡改和非篡改区域都是连续的,所以可以通过连通性比较每个点与它周围点概率值的关系筛选出篡改概率图中概率估计不准确的点,然后利用高斯加权滤波对可疑点进行修改:
w为邻接块的概率所占的比重:
γ为调节系数,可以调节待修正的概率值中Ptmp(u,v)和其周围概率值之间的比重;
S8.对篡改区域进行定位,对得到的篡改概率图进行二值分割,选择阈值为0.5,则1所代表的8*8的块是篡改区域,0代表的是未篡改区域,而后得到的二值进行再次降噪,最终定位篡改区域。
在本发明中,首次使用二阶的灰度梯度共生矩阵对DCT的混合分布进行了建模,有效利用了相邻DCT点对和图像内容连续的一些先验知识,得到了更为准确的混合分布模型,使得对JPEG重压缩篡改定位更加的准确。
与现有技术相比,有益效果是:本发明使用二阶归一化灰度梯度共生矩阵对条件概率建模,相对比直接用DCT系数直方图值作为其条件概率,它既包含了JPEG图像的双重压缩效应的统计特征,又能反映出相邻DCT系数的共生关系,能反映更多图像细节,得到更为准确的篡改概率图。而后通过我们提出的基于高斯加权滤波对篡改概率图进行处理,使定位更精准。
附图说明
图1为本发明方法流程图。
图2为本发明实施例中测试用的未篡改JPEG图像。
图3为本发明实施例中待处理JPEG篡改图像。
图4为本发明实施例中得到的篡改概率图。
图5为本本发明实施例定位结果图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明,不能理解为对本专利的限制;为了更好说明本实施例,附图某些部件会有省略、放大或缩小,对于本领域技术人员来说,附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明,不能理解为对本专利的限制。
如图1所示,一种一种JPEG重压缩图像篡改定位方法,其中,包括以下步骤:
步骤1.估计DCT系数值,计算出篡改区域的DCT系数C1和未篡改区域的DCT系数C2的值,对于待测的JPEG重压缩图像,首先根据其量化因子Q2进行反量化,而后逆DCT变换,去掉左侧和上侧4行使图像不再具有重压缩特性,再进行DCT变换,就可以得到近似的C0分布。随后,在第一个AC频率f上使用Q2对应位置上的量化步长q2进行量化,得到C1;对于C2因为Q1对应位置的q1未知,将在S4中使用极大似然估计法对参数进行估计而后进行求解。
步骤2.用归一化灰度梯度共生矩阵对DCT系数分布的混合模型进行建模,分别对C1和C2进行灰度梯度共生矩阵的特征提取,提取特征时,将C1或C2zig-zag上某一频率f上的DCT系数取出作为一个矩阵,使用阈值T进行截断操作,大于T的系数全部替换为T,小于-T的系数全部替换为-T,然后对该矩阵计算出其水平方向上的灰度梯度共生矩阵;这里注意到C2含有未知的参数q1,实际求解中,我们可以遍历q1的所有可能取值,压缩的质量因子在50-95之间时,q1步长需要遍历从1到质量因子为50时对应频率上的步长值。在每种q1的可能性下都对应得到了DCT系数分布的混合模型。
对于C2,要将所有对应q1可能的情况都算出来;
其中,du和dv分别为u和v的偏移量,du,dv∈{-1,0,1},脉冲函数δ1为:
脉冲函数δ2为:
步骤4.对未知参数进行估计,测试篡改图的DCT分布可以看做是篡改区域DCT系数和非篡改区域DCT系数的混合分布,定义α为篡改区域所图像的比例,则有其中,P(xi)是DCT系数xi所存在的可能性,P(xi)中含有待估计参数q1,所以表示为P(xi|q1);在估计参数q1时因为含有隐含变量α,所以采用极大似然估计法对参数q1进行估计:
进一步计算矩阵中所有点的篡改概率,这些概率值按矩阵中点的顺序就可以得到某一频率f上的篡改概率图,篡改概率图中的每一个点代表的是每个8*8块的篡改概率;
步骤6.重复S2到S6的过程,按zig-zag的排列顺序求出前21个AC系数的篡改概率图,21个频率上的篡改概率叠加求平均,得到DCT系数块的篡改概率图;如图4所示,为测试图像所得到的篡改概率图。
步骤7.利用连通性和高斯权值滤波对篡改概率图后处理,根据图像的先验条件可知图像的篡改和非篡改区域都是连续的,所以可以通过连通性比较每个点与它周围点概率值的关系筛选出篡改概率图中概率估计不准确的点,然后利用高斯加权滤波对可疑点进行修改:
w为邻接块的概率所占的比重:
γ可用来调节自身和周围相邻点的贡献比例,实验中取γ=0.3。
步骤8.对篡改区域进行定位,对得到的篡改概率图进行二值分割,选择阈值为0.5,则1所代表的8*8的块是篡改区域,0代表的是未篡改区域,而后得到的二值进行再次去噪,最终定位篡改区域。如图2至5所示,是基于归一化灰度梯度共生矩阵混合模型的JPEG重压缩图像篡改检测方法的实验效果。图2原始未篡改前的图像,来自公开的数据集CASIATIDE v2.0,图3为待处理的JPEG篡改图像,图4是得到的篡改概率图,图5是最终的篡改定位的结果,从图中可以明显地看出定位效果比较理想。
在本发明中,首次使用二阶的灰度梯度共生矩阵对DCT的混合分布进行了建模,有效利用了相邻DCT点对和图像内容连续的一些先验知识,得到了更为准确的混合分布模型,使得对JPEG重压缩篡改定位更加的准确。
显然,本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种JPEG重压缩图像篡改定位方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1.估计DCT系数值,计算出篡改区域的DCT系数C1和未篡改区域的DCT系数C2的值;
S2.用归一化灰度梯度共生矩阵对DCT系数分布的混合模型进行建模;
S3.计算出带未知参数的DCT系数条件概率;
S4.对未知参数进行估计,将估计得到的参数代入至S3步骤中,得到不含未知参数的DCT系数条件概率;
S5.计算某一频率f上的篡改概率图:提取测试图片某一频率f上的DCT系数值组成一个矩阵,计算矩阵中所有点的篡改概率,这些概率值按矩阵中点的顺序就可以得到某一频率f上的篡改概率图,篡改概率图中的每一个点代表的是每个8*8块的篡改概率;
S6.按zig-zag的排列顺序求出前21个AC系数的篡改概率图,21个频率上的篡改概率求平均后,得到DCT系数块的篡改概率图;
S7.利用连通性和高斯权值滤波对篡改概率图后处理;
S8.对篡改区域进行定位。
2.根据权利要求1所述的一种JPEG重压缩图像篡改定位方法,其特征在于,所述的S1步骤中对于待测的JPEG重压缩图像,系数C1通过对原始未量化的直方图C0用第二次压缩质量因子Q2进行压缩得到,系数C2通过对原始未量化的直方图C0用第一次压缩质量因子Q1和第二次压缩质量因子Q2进行压缩得到。
3.根据权利要求2所述的一种JPEG重压缩图像篡改定位方法,其特征在于,所述的系数C1、系数C2具体计算方法为:
首先根据其量化因子Q2进行反量化,而后逆DCT变换,并使图像不再具有重压缩特性,再进行DCT变换,得到近似的C0分布;
随后,在第一个AC频率f上使用Q2对应位置上的量化步长q2进行量化,得到C1;对于C2因为Q1对应位置的量化步长q1未知,将在S4中对参数q1进行估计后再求解。
4.根据权利要求3所述的一种JPEG重压缩图像篡改定位方法,其特征在于,所述的S2步骤具体包括:分别对C1和C2进行灰度梯度共生矩阵的特征提取,提取特征时,将C1或C2zig-zag上某一频率f上的DCT系数取出作为一个矩阵,使用阈值T进行截断操作,大于T的系数全部替换为T,小于-T的系数全部替换为-T,然后对该矩阵计算出其水平方向上的灰度梯度共生矩阵。
9.根据权利要求8所述的一种JPEG重压缩图像篡改定位方法,其特征在于,所述的S8步骤具体包括:对得到的篡改概率图进行二值分割,选择阈值为0.5,则1所代表的8*8的块是篡改区域,0代表的是未篡改区域,而后得到的二值进行再次降噪,最终定位篡改区域。
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