利用图像增强处理过程中直方图变化规律检验图像真伪性

刘皓 中国刑事警察学院

一、数字图像直方图概述

灰度直方图是关于灰度级分布的函数，是对图像中灰度级分布的统计。灰度直方图是将数字图像中的所有像素，按照灰度值的大小，统计其所出现的频度。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。

二、数字图像增强

图像增强是数字图像处理的重要组成部分，传统的图像增强方法对于改善图像质量发挥了其重要作用。图像增强方法基本可以分为空域图像增强方法和频域图像增强方法两大类，如图1所示：

由于本文主要研究数字图像处理前后图像直方图参数的变化，所以对图像亮度调整，图像对比度增强、图像饱和度增强，调整图像曝光度等直接对图像直方图操作的图像增强方法不做细致研究，只研究图像平滑和图像锐化操作对图像直方图参数所产生的影响。

（一）平滑图像增强

实际获得的图像一般都因受到某种干扰而含有噪声。引起噪声的原因有敏感元件的内部噪声、相片底片上感光材料的颗粒、传输通道的干扰及量化噪声等。噪声产生的原因决定了噪声的分布特性及它和图像信号的关系。根据噪声服从的分布对其进行分类，这时可以分为高斯噪声、泊松噪声和颗粒噪声等。图像平滑技术主要用于平滑图像中的噪声。平滑噪声在空间域中进行，其基本方法是求像素灰度的平均值或中值。为了既平滑噪声又保护图像信号，也有一些改进的技术，比如在频域中运用低通滤波技术。由于噪声的随机性，它们对像素的影响将使得该像素的灰度与其邻点的灰度显著不同，常见的平滑图像增强方法包括：线性滤波、中值滤波、自适应滤波。

（二）锐化图像增强

图像在传输和转换过程中，通常质量都要降低，除了噪声因素外，图像一般都要变得模糊。这主要是因为图像的传输或转换系统的传递函数对高频成分的衰减作用，造成图像的细节轮廓不清晰。图像锐化的作用就是补偿图像的轮廓，使图像较清晰，实现方法包梯度算子和拉氏算子图像锐化。

三、直方图在图像增强过程中的变化规律研究

本组实验主要研究原始图像在增强过程中，包括图像平滑和图像锐化，图像在被处理前后，直方图参数所表现出来的变化现象，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．用相机在室内外，对不同对象采用相同分辨率，运用全自动拍照模式获取实验素材50组（室内、室外各25组）。

2．对实验素材通过Image-Pro Plus软件进行平滑和锐化，具体操作包括图像中值滤波和锐化，比较分析图像处理前后直方图的参数变化规律。

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。由于图像增强操作对图像直方图参数变化的影响较小，为了更好的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。

4．统计分析实验结果。

（一）图像中值滤波操作结果分析

1．实验过程

应用Image-Pro Plus软件对50组实验素材应用矩阵模板进行中值滤波，之后再对处理后的图像继续进行滤波，重复5次。此操作通过修改与周围像素明显不同的像素点的强度来平滑图像。它是通过将整个邻域像素强度的中值赋给中心点来实现的，比较5次操作前后图像直方图变化结果。

2．实验结果

以室内25张原始图像为素材，中值滤波后直方图平均值和标准偏差实验结果如图2和图3所示：

绘制室内25张图像在中值滤波前后直方图平均值和标准偏差的变化曲线如图4所示：

按照同样方法，绘制室外25张图像在中值滤波前后直方图平均值和标准偏差的变化曲线如图5所示：

3．实验结果分析

（1）在对室内和室外50组图像中值滤波后，直方图平均值呈规律性变化，对原始图像第一次中值滤波后，图像直方图平均值小幅增加，再对滤波后图像逐级进行滤波后，平均值逐渐降低，而且减少幅度逐渐增加。

（2）直方图标准偏差变化规律：在对原始图像第一次滤波后，标准偏差没有明显的变化规律，小幅的增加和减少现象都有出现，但在对滤波后图像进行第二次滤波后，标准偏差都呈大幅度的减少趋势，而且减少幅度逐渐增加。

（3）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，但是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。

（二）图像锐化操作结果分析

按照图像平滑实验流程进行操作，对图像进行锐化增强，所得的实验结果如下：

1．在对室内25组图像锐化后，直方图平均值呈先减小后增大的变化趋势，对图像分别第一次、第二次后，图像直方图平均值相应减小，再进行第三次锐化后图像直方图平均值曲线出现拐点，平均值开始逐渐增加。在对室外25组图像进行第一次和第二次锐化后，图像平均值和室内结果相符，都呈减小趋势，但是在第三次锐化后，由于室外光线条件复杂，对图像亮度变化影响较大，图像直方图曲线没有明显变化规律。

2．直方图标准偏差变化规律，在对原始图像锐化后，标准偏差呈现规律性变化，在室内和室外标准偏差都是先增大后减小的变化趋势，由于标准偏差指的是图像中亮值间的偏差，其数值的大小，与图像对比度的变化一致，如果图像对比度小，反差不大，则标准偏差值低。对图像进行一次和两次锐化后，增加了图像的细节信息，使图像边缘轮廓更加明显，所以图像的对比度可以得到相应的增强，但随着锐化次数的增加，图像大面积被细节化，对比度随即减小，所以标准偏差呈现先增大后减小的变化趋势。

3．同图像中值滤波实验一致，室外由于光线的变化，图像直方图参数变化范围和曲线斜率变化明显大于室内。

四、图像增强实验测试

1．实验步骤：一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；二是根据可疑部分的实际情况分别进行中值滤波和锐化的图像增强处理实验；三是查看图像直方图参数是否符合实验规律。

2．从实验数据里随机选取5组原始图像，利用PHOTOSHOP CS4对其进行模糊、平滑、锐化等简单处理，对处理后图像进行中值滤波实验，所得平均值及标准偏差实验结果如图6所示：

绘制5组测试图像中值滤波前后直方图平均值和标准偏差变化曲线如图7所示：

从上图曲线数据可知，对非原始图像进行图像中值滤波实验，无论是直方图平均值参数，还是标准偏差参数，都不符合实验规律，可判定，上述5组图像为伪造图像。

3．应用PHOTOSHOP CS4软件对原始数字图像做常用的处理，如对两张照片更换头像，在处理过程中，一定对原始图像进行了平滑，模糊等操作，按照图像增强实验过程，对处理后的图像进行操作，统计直方图参数，查看是否符合实验规律，从而判断图像真伪。待检验图像如图8和图9所示：

4．另外分别选取两幅图像颈部的怀疑被篡改的部分，并进行灰度化，如图10和图11所示，按照图像增强实验过程对上述两幅图像进行处理，所得图像直方图平均值和标准偏差结果如图12所示：

5．按照图像增强实验统计的直方图参数变化规律，图11的平均值参数变化与实验明显不符合，可判断图11为伪造图像。

五、结论

本论文通过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，得出利用图像增强处理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。此规律可以作为一种辅助手段与别的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]夏良正,数字图象处理[M]．南京:东南大学出版社, 1999.

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