利用图像重采样过程中直方图变化规律检验图像真伪性

刘皓

（中国刑警学院 辽宁 沈阳 110035）

利用图像重采样过程中直方图变化规律检验图像真伪性

刘皓

（中国刑警学院 辽宁 沈阳 110035）

目前数字图像已广泛应用于人们的生活和工作中，同时图像编辑软件的迅速发展，使得人们更容易利用这些图像编辑工具破坏图像原始性和真实性，数字图像篡改和伪造如被用于正式媒体、科学发现和法庭证物等，将会对政治和社会稳定产生重要的影响。基于此背景，提出了一种图像真伪检验的新方法，以直方图的平均值和标准偏差值为具体的参考量，对数字图像重采样处理前后直方图参数变化规律进行研究，并利用此规律判断数字图像的真伪性。

图像重采样 直方图 图像真伪检验

1 数字图像直方图概述

从数学上来讲，图像的灰度直方图是图像各灰度值统计特征与图像灰度值的函数，它反映了图像中每种灰度值出现的频率。直方图可用于判断图像量化时数字化参数是否恰当，在图像的阀值分割技术中选取图像边界阀值，均衡化和规定化增强图像等应用领域。直方图的统计数据包括平均值、中间值和标准偏差。在数字图像处理过程中，正常情况下图像直方图是一条连续而平滑的曲线，当对图像进行调整时，这条曲线就会发生变化，出现规则的不连续。

2 数字图像重采样

图像的放大、缩小是图像处理的一项基本操作。图像缩放也叫图像分辨率转换、图像重采样。通常情况下，数字图像的重采样是指给定的图像在x轴方向缩放a倍，在y轴方向缩放b倍，获得一副新的图像，如果a=b，即在x轴方向和y轴方向缩放比例相同，称这样的缩放为图像的全比例缩放。如果a≠b，则图像的比例缩放会改变原始图像像素间的相对位置，产生几何畸变。在本研究中，我们只研究a=b的情况，即全比例缩放。

数字图像是离散化的点阵数据，如果图像按比例缩放后产生的图像像素在原图像中找不到相应的像素点，就需要进行近似处理，即图像的插值运算。图像插值是数字图像处理中一项重要技术，插值算法的好坏将直接关系到图像的失真程度。一般有三类插值处理方法。一类是直接赋值为和它最相近的像素值，称为最邻近插值法；另一类为线性内插方法，根据像素点四个相邻点的灰度值，通过两次插值计算出灰度值，称作双线性插值法；还有一类称为双三次插值，它考虑了邻近的4×4像素，一共16个像素，因此它在图像质量上有明显的优势。

3 直方图在图像重采样过程中的变化规律研究

原始图像在重采样过程中，直方图参数表现出规则变化现象，利用多组实验，统计出直方图参数的变化规律。具体的实验过程如下：

（1）应用相机在采用分辨率分别为320×240和2240×1680，运用全自动拍照模式获取实验素材各25组。

（2）对实验素材通过PhotoShop CS4软件，分别应用最邻近插值、双线性插值和双三次插值三种插值算法将原始分辨率为320×240的图像依次放大1倍，同时将分别率2240×1680的图像依次缩小1倍，比较每次缩放前后直方图参数的变化，分析应用三种插值算法缩放图像直方图参数的差别。

（3）根据直方图参数统计结果，绘制直方图平均值和标准偏差的变化曲线。由于图像缩放操作对图像直方图参数变化的影响较小，为了更好地绘制变化曲线图总结参数变化规律，本实验将变化前后的参数做差值，然后再扩大100倍，根据差值的变化，绘制变化曲线。

3.1 图像放大操作结果分析

以25张分别率为320×240的原始图像为素材，应用最邻近插值法放大，直方图平均值实验结果如下表所示。

表 对25张图像应用最邻近插值法放大直方图平均值参数结果表

运用同样方法可以得到标准偏差参数结果，并依据两个参数结果绘制25张图像应用最邻近插值法放大前后直方图平均值和标准偏差的变化曲线，如图1所示。

图1 25张图像最邻近插值法放大前后直方图平均值和标准偏差变化曲线

采用同样的方法，对这25张原始图像，应用双线性插值法和双三次插值法放大，并绘制直方图平均值和标准偏差的变化曲线。实验结果分析如下：

（1）应用最邻近插值第一次放大操作后，图像直方图平均值参数基本不发生变化，在第二次放大后，平均值大幅增加，并随放大操作逐渐增加。标准偏差无明显变化规律，但变化范围较小。

（2）应用双线性插值放大图像，图像直方图平均值参数逐渐增大，但第一次放大操作后，平均值增幅不大，在第二次放大后，平均值大幅增加，几乎是第一次增加量的一倍，之后增幅趋于平稳。标准偏差呈逐渐减少状态，第一次放大后，减少的幅度最大，之后趋于平稳。

（3）应用双三次插值放大图像，图像直方图平均值和标准偏差参数变化规律与最邻近插值一致。

（4）在三种插值算法中，应用双线性插值算法扩大后，图像直方图参数变化范围最大，而另外两种算法变化较小，并且变化趋势基本一致。

3.2 图像缩小操作结果分析

采用与图像放大同样的方法和操作过程所得实验分析结果如下：

（1）应用最邻近插值缩小图像，图像直方图平均值呈减小趋势，前三次缩小后，直方图平均值逐渐减小，减小幅度相近，在第四次缩小操作后，平均值变化趋于平缓。在两次缩小操作后标准偏差小幅度增加，在进行第三次缩小后，标准偏差增加幅度变大，而第四次缩小时，标准偏差又呈减小趋势。

（2）应用双线性插值缩小图像，图像直方图平均值呈现逐渐增加趋势，并且增加幅度很大。标准偏差在前三次缩小后基本没有变化，但在第四次缩小后，标准偏差大幅度减小。

（3）应用双三次插值缩小图像，前三次缩小操作后，图像直方图平均值呈减小趋势，减小幅度相近，而在第四次缩小后，平均值基本不发生变化。在进行三次缩小操作后，图像直方图标准偏差呈增加趋势，而第四次缩小时，标准偏差出现拐点，呈大幅减小趋势。

（4）从三张变化曲线图标可以看出，应用最邻近插值和双三次插值算法缩小图像，图像直方图参数变化规律基本相同，而双线性插值算法在直方图平均值参数变化上与另外两种插值算法相反，在标准偏差参数变化上，前三次缩小操作后双线性插值算法与其它两种算法略有不同，但在第四次缩小操作后，三种算法标准偏差参数变化趋势一致，都呈现大幅度减小状态。

（5）在三种插值算法中，应用双线性插值算法缩小后，图像直方图参数变化范围最大，而另外两种算法变化较小，并且变化趋势基本一致。

4 图像重采样实验测试

在图像篡改过程中，常伴有对图像的重采样操作。在实验素材中选取5组分辨率为640×480的原始图像，应用PhotoShop CS4软件选取图像中的一部分做自由变换处理，将局部图像分辨率更改为320× 240，此图像即为利用PhotoShop CS4软件生成的新图像。其中一组如图2和图3所示。

图2 原始图像分别率为640×480

图3 局部放大后图像分辨率为320×240

将5组经过PhotoShop CS4按照上述方法篡改后的图像分别应用三种插值算法进行图像放大实验，得到平均值及标准偏差，并绘制5组测试图像分别用三种插值算法放大后直方图平均值和标准偏差变化曲线，如图4和图5所示。

图4 5组测试图像三种插值算法放大前后直方图平均值变化曲线

图5 5组测试图像三种插值算法放大前后直方图标准偏差变化曲线

实验结果分析如下：

在对测试图像应用最邻近插值放大图像后，图像直方图平均值参数在第二次放大后的变化与图像放大实验中的结论相违背。在应用双线性插值放大图像时，平均值参数没有在第二次放大后出项大幅增加状态，与实验结论相违背。在做双三次插值放大图像实验时，在第三次和第四次放大图像时的实验现象与实验结论不符。所以可以判断出，这5组图像均不是原始数字图像。

5 结论

本研究对百余张照片的千余组实验，通过分析实验数据，绘制相关的图表，得出利用图像重采样过程中直方图参数变化规律来判断数字图像真伪的检验方法结论。一是查看EXIF信息确定拍摄条件（包括相机类型、环境、分辨率等）；二是确定图像的敏感部分，如人物头像、文字、物体连接处等细节；三是根据可疑部分的实际情况分别进行重采样实验；四是查看图像直方图参数是否符合实验规律。此规律可以作为一种辅助手段与其他检测手段一起检测图像是否经过了篡改。同时通过比较室内和室外的曲线图发现，室内外直方图参数变化规律基本相同，曲线的走向一致，但由于室外光线条件变化复杂，室外图像直方图参数变化范围和曲线斜率变化明显大于室内。

[1]胡学龙，许开字．数字图像处理[M]．北京：电子工业出版社，2006.

[2]冯清枝．基于直方图修正的图像增强技术[J]．广东公安科技，2003，5(2).

[3]汪志云，黄梦为，等．基于直方图的图像增强及其MTALAB实现明[J]．计算机工程与科学，2006，28(2).

[4]周琳娜．数字图像盲取证技术研究[D]．北京：北京邮电大学，2007.

（责任编辑：孟凡骞）

TP391.4

A

2014-6-12

2014年辽宁省自然科学基金项目（编号：2014020193）。

刘皓（1981-），男，山东单县人，中国刑警学院网络信息中心实验师，硕士，主要从事高校信息化、数字图像处理、图像真伪性检验研究。