利用梯度局部熵检测数字图像内容可信度的方法技术

本发明专利技术公开了一种利用梯度局部熵检测数字图像内容可信度的方法，对RGB彩色 图像的三个通道分别使用边缘检测算子进行卷积得到颜色向量(R，G，B)的导数，对图像 中每一像素点(x，y)分别计算gxx，gyy，gxy，对图像中每一像素点分别计算梯度方向角 θ和梯度幅值Fθ，将梯度幅值图像Fθ作为边缘图像，定义局部信息熵，并对梯度图像 求取局部信息熵，将局部熵图像和梯度图像结合起来定位羽化痕迹，对图像可信度进 行评价。本发明专利技术克服了以前算法检测结果较为武断的不足，具有较大的实用性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及图像内容信息安全领域，特别是一种图像内容真实性的盲检测方法。
技术介绍
当前对数字图像内容的保护，主要是利用数字水印和签名技术来实现的，这些技 术采用的基本思想都是通过添加附加信息对图像进行真实性鉴别。但是目前绝大多数 图像中并不含有数字水印或者签名。随着数码相机和图像处理软件的普及和流行，越 来越多的高品质的伪造图像通过网络大量传播，使人们的眼见不再为实，造成 了政治、文化、新闻和科学真实性等方面的负面影响。更进一步的，伪造照片的大量 存在很可能影响到公众的个人意识，最终让人们失去对照片的信任。因此，这一研究 的开展对社会和人们生活有着重要的军事意义，民用意义和科学意义。数字图像内容可信度评价是信息安全技术的分支之一，是在不预先向图像中嵌入 水印等标识的情况下对数字图像内容的真实性进行评价的技术。该技术通过分析图像 数据及其统计特性，来对图像中的伪造和窜改痕迹进行检测和定位，从而对图像内容 的可信度进行评价。目前，对数字图像内容可信度评价的研究尚处于起步阶段，随着国内外相关机构 对其关注程度日益提高，己取得了一些研究成果。这些研究主要针对某种具体篡改操 作对图像进行真伪检测，其中包括模糊操作，双重JPEG压縮操作，局部复制-粘贴操作，重采样操作，拼接操作等等。这些技术都是基于这样一个假设在自然图像中存 在着某些统计上的性质，倘若对图像数据进行修改则会改变其潜在的统计规律。这一 假设也是判定一幅图像是否被修改和进行篡改定位的依据。目前现有的针对伪造和篡改数字图像的检测方法，主要有Haney Farid和 Tian-Tsong提出的Blind image splicing and photomontage detecting using higher order statistics(利用高阶统计特性对图像拼接进行盲检测)，以及由Fridrich J 禾口 Soukal D提出的Detection of copy-move forgery in digital images(X寸图像中 的复制粘贴伪造进行检测)。这些方法均为针对简单图像拼接的数字图像取证方法。然 而，伪造和窜改图像最常见的操作就是图像局部的合成与润饰。因此，除了对图像合 成进行检测以外，对伪造图像的模糊、羽化、渐变等润饰操作的检测更是数字图像取证研究的重点。目前的数字图像取证算法，都存在一些问题，例如无法对拼接后进行 过润饰操作处理的图像进行检测，在实际应用中受到较大的限制。在基于合成边缘方面，已出现了一些检测合成边缘处人工模糊操作痕迹的技术。 专利公开号为CN1862598 (公开日2006.11.15)的图像伪造中模糊操作的异常色调 率取证方法中，利用模糊操作对数字图像局部色彩属性造成的异常，通过定义异常色 调集合和异常色调率，对图像色调的局部一致性和相关性程度进行量化，进而对一幅 经过伪造和人工模糊操作的数字图像进行检测。周琳娜等人在KES-AMSTA2007会议上 发表文章，利用同态滤波、移动平均滤波和数学形态学的方法对经过人工模糊处理过 的数字图像进行篡改检测。这些已存在的检测技术得到的均为是或非的二值 结果，因此检测结论较为武断。因此，目前在合成边缘方面，尽管已经提出了一些检测伪造图像的方法和研究成 果，但相对于性能越来越强大的图像编辑软件以及技术高超的伪造者来说，这些方法 和研究成果依然力量较弱，还无法从根本上遏制图像伪造的步伐。
技术实现思路
'为了克服现有技术不能有效检测图像真伪的不足，本专利技术提供了一种利用梯度局 部熵检测数字图像内容可信度的方法，总结了伪造图像中可能存在的破绽规律，分析 了图像伪造过程可能遗留的痕迹，对图像内容信息的真实性进行可靠评价，弥补了检 测结果武断的不足，使得检测结果更为合理可靠。本专利技术的原理分析如下目前，图像合成是一种很常见的伪造图像的方法，大多 数图像在经过简单合成以后，为了消除在合成边缘产生的视觉或统计上的畸变，都会 采用模糊、羽化、渐变等操作进行后期处理。无论采用哪种润饰方法，其最终结果都 会使灰度级变化过于剧烈的拼接边缘变得平滑过渡，使新插入部分与其周围景物的色 彩或边界的过渡看起来更加自然。因此，这些操作都不可避免的使图像变得平滑和模 糊。熵是信息的不确定性度量。当图像区域中含有丰富细节，灰度变化较为剧烈时， 信息熵具有较大值；而当区域中细节较少，灰度变化较为平缓时，信息熵具有较小值。 由于润饰操作可以使图像变得平滑和模糊，则经过润饰的区域梯度也会不可避免的变 小变平滑，从信息论的角度来说，润饰区域的梯度变化的不确定性变小，即梯度幅值5的信息熵减小。因此，本专利技术针对伪造图像的模糊等润饰操作，通过对图像边缘区域 的熵值进行检测，判定图像的可信度。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤(1)通过将梯度的概念扩展到向量函数中，利用向量梯度来求取彩色图像的梯 度幅值图像。对于标量函数/(x，y)，梯度定义为在坐标(X,力处指向/的最大变化率方向的向 量(幅值和方向)，艮口Vf =(i)下面将标量函数中梯度的概念扩展到向量函数中，求得向量在任意点处的梯度(幅值和方向)，从而可以对彩色图像求梯度。令r,g,b是RGB彩色空间中沿三个颜色坐标 轴的单位向量，令u,v分别表示像素点(x,力处的颜色向量(i ,G,5)沿水平方向和沿垂 直方向的梯度，贝lju,V表示如下 ， (2)(3):g^g^,g^定义为这些向量的点乘，如下所示朋 朋 u =——r+——g + — b9x Sx朋 朋lv =——r H--g +——b^giA. = U U = U U :朋'V = V V =3;i: 朋+3G朋+(4)(5)g :U.V:lTV:---1----1--- ( 6 )像素点(X,力处的三个颜色分量i ,G,万以及由此而来的l,g^g^是X和y的函 数，利用该表示法，向量c(x,力-(i ,G,5)的最大变化率方向，即梯度方向可以由以下 角度给出朋朋3G3G朋朋:U V = U'V =---h---1---e(x,>0 = 士arctan2g,g;cjf g》(7)点力在e方向上变化率的值，即梯度幅值由下式给出，所得到的梯度幅值可以 很好地表示图像的边缘信息，因此，本专利技术将梯度幅值图像作为边缘图像。6<formula>formula see original document page 7</formula>在本专利技术中，求取图像边缘的具体过程如下a. 将图像中每个像素点的值除以255，使像素值的取值范围转化到区间[O， l]内； 'b. 对RGB彩色图像的三个通道分别使用某种边缘检测算子(可使用的算子包 括Sobel算子，Prewitt算子，Roberts算子)进行巻积，得到上述方程中所要求的导数^，,^，，，； 9x:Sxr ^j/C. 对图像中每一像素点(X,力分别计算g^g^,g^;对图像中每一像素点(X,力分别计算梯度方向角^和梯度幅值^，将梯度 幅值图像《作为边缘图像。将边缘图像中各像素值乘以255并取整，得到取值范围为[O， 255]区间的 灰度图像。(2)定义局部信息熵，并对梯度图像求取局部信息熵。假设一幅灰度本文档来自技高网...

【技术保护点】
利用梯度局部熵检测数字图像内容可信度的方法，其特征在于包括下述步骤：　第一步，利用向量梯度来求取彩色图像的梯度幅值图像，具体过程如下：　ａ．将图像中每个像素点的值除以２５５，使像素值的取值范围转化到区间［０，１］内；　ｂ．对ＲＧＢ彩色图像的三个通道分别使用边缘检测算子进行卷积，得到颜色向量（Ｒ，Ｇ，Ｂ）的导数＊Ｒ／＊ｘ，＊Ｒ／＊ｙ，＊Ｇ／＊ｘ，＊Ｇ／＊ｙ，＊Ｂ／＊ｘ，＊Ｂ／＊ｙ；　ｃ．对图像中每一像素点（ｘ，ｙ）分别计算ｇ↓［ｘｘ］＝｜＊Ｒ／＊ｘ｜↑［２］＋｜＊Ｇ／＊ｘ｜↑［２］＋｜＊Ｂ／＊ｘ｜↑［２］，ｇ↓［ｙｙ］＝｜＊Ｒ／＊ｙ｜↑［２］＋｜＊Ｇ／＊ｙ｜↑［２］＋｜＊Ｂ／＊ｙ｜↑［２］，ｇ↓［ｘｙ］＝＊Ｒ／＊ｘ　＊Ｒ／＊ｙ＋＊Ｇ／＊ｘ　＊Ｇ／＊ｙ＋＊Ｂ／＊ｘ　＊Ｂ／＊ｙ；ｄ．对图像中每一像素点（ｘ，ｙ）分别计算梯度方向角θ（ｘ，ｙ）＝１／２ａｒｃｔａｎ［２ｇ↓［ｘｙ］／ｇ↓［ｘｘ］－ｇ↓［ｙｙ］］和梯度幅值Ｆ↓［θ］（ｘ，ｙ）＝＊＊＊，将梯度幅值图像Ｆ↓［θ］作为边缘图像；　ｅ．将边缘图像中各像素值乘以２５５并取整，得到取值范围为［０，２５５］区间的灰度图像；　第二步，定义局部信息熵，并对梯度图像求取局部信息熵，步骤如下：　ａ．对梯度图像中的像素（ｘ，ｙ），以（ｘ，ｙ）为中心，定义大小为ｍ×ｎ的区域ψ＝｛（ｘ↓［１］，ｙ↓［１］）｜ｘ－（ｍ－１）／２≤ｘ↓［１］≤ｘ＋（ｍ－１）／２，ｙ－（ｎ－１）／２≤ｙ↓［１］≤ｙ＋（ｎ－１）／２｝，３≤ｍ，ｎ≤７；　ｂ．利用公式Ｈ（ψ）＝－＊ｐ↓［ｊ］ｌｏｇｐ↓［ｊ］和ｐ↓［ｊ］＝ｎ↓［ｊ］／Ｍ×Ｎ对区域ψ求取局部信息熵，作为像素点（ｘ，ｙ）的输出；其中，ｐ↓［ｊ］表示灰度值ｊ在区域ψ中出现的概率，ｎ↓［ｊ］为区域ψ中具有灰度值ｊ的像素总数，Ｌ表示该图像中所有灰度级的个数，Ｈ（ψ）表示区域ψ的局部信息熵；　ｃ．遍历梯度图像中每个像素点，执行步骤ａ和ｂ，得到局部熵图像；　第三步，将局部熵图像和梯度图像结合起来定位羽化痕迹，对图像可信度进行评价，具体步骤如下：　设图像中（ｘ，ｙ）处的像素点为ｑ，对应的梯度图像中灰度值为Ｇ↓［ｑ］，对应的局部熵图像中的灰度值为Ｅ↓［ｑ］，如下选择阈值Ｔ↓［１］，Ｔ↓［２］，ε，标记ｑ为可疑点或伪造点，其中Ｍ×Ｎ为图像大小，　＊＊＊　Ｔ↓［１］＝１／Ｍ×Ｎ∑Ｇ↓［ｑ］　Ｔ↓［２］＝１／Ｍ×Ｎ∑Ｅ↓［ｑ］　ε＝Ｔ↓［２］／α　（３≤α≤７）　遍历图像中每一像素，找出所有的可疑点和伪造点，记录可疑点个数为ｎｕｍ↓［１］，伪造点个数为ｎｕｍ↓［２］，则图像的可信度ｃｒｅｄｉｂｉｌｉｔｙ＝１－ｎｕｍ↓［２］／ｎｕｍ↓［１］；　对图像中所有的伪造点和非伪造点赋予不同灰度值，得到一幅二值图像，利用形态学运算对伪造点进行处理，如果最终可以得到一个封闭或者连通区域，则认为该区域为伪造区域。...

【技术特征摘要】
1、利用梯度局部熵检测数字图像内容可信度的方法，其特征在于包括下述步骤第一步，利用向量梯度来求取彩色图像的梯度幅值图像，具体过程如下a.将图像中每个像素点的值除以255，使像素值的取值范围转化到区间内；b.对RGB彩色图像的三个通道分别使用边缘检测算子进行卷积，得到颜色向量(R，G，B)的导数<maths id=math0001 num=0001 ><math><![CDATA[ <mrow><mfrac> <mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>R</mi> </mrow> <mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>x</mi> </mrow></mfrac><mo>,</mo><mfrac> <mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>R</mi> </mrow> <mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>y</mi> </mrow></mfrac><mo>,</mo><mfrac> <mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>G</mi> </mrow> <mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>x</mi> </mrow></mfrac><mo>,</mo><mfrac> <mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>G</mi> </mrow> <mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>y</mi> </mrow></mfrac><mo>,</mo><mfrac> <mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>B</mi> </mrow> <mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>x</mi> </mrow></mfrac><mo>,</mo><mfrac> <mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>B</mi> </mrow> <mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>y</mi> </mrow></mfrac><mo>;</mo> </mrow>]]></math> id=icf0001 file=A2009100213140002C1.tif wi=42 he=9 top= 73 left = 66 img-content=drawing img-format=tif orientation=portrait inline=yes/></maths>c.对图像中每一像素点(x，y)分别计算<maths id=math0002 num=0002 ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>g</mi> <mi>xx</mi></msub><mo>=</mo><msup> <mrow><mo>|</mo><mfrac> <mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>R</mi> </mrow> <mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>x</mi> </mrow></mfrac><mo>|</mo> </mrow> <mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup> <mrow><mo>|</mo><mfrac> <mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>G</mi> </mrow> <mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>x</mi> </mrow></mfrac><mo>|</mo> </mrow> <mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup> <mrow><mo>|</mo><mfrac> <mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>B</mi> </mrow> <mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>x</mi> </mrow></mfrac><mo>|</mo> </mrow> <mn>2</mn></msup><mo>,</mo> </mrow>]]></math> id=icf0002 file=A2009100213140002C2.tif wi=35 he=9 top= 88 left = 105 img-content=drawing img-format=tif orientation=portrait inline=yes/></maths><maths id=math0003 num=0003 ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>g</mi> <mi>yy</mi></msub><mo>=</mo><msup> <mrow><mo>|</mo><mfrac> <mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>R</mi> </mrow> <mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>y</mi> </mrow></mfrac><mo>|</mo> </mrow> <mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup> <mrow><mo>|</mo><mfrac> <mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>G</mi> </mrow> <mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>y</mi> </mrow></mfrac><mo>|</mo> </mrow> <mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup> <mrow><mo>|</mo><mfrac> <mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>B</mi> </mrow> <mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>y</mi> </mrow></mfrac><mo>|</mo> </mrow> <mn>2</mn></msup><mo>,</mo> </mrow>]]></math> id=icf0003 file=A2009100213140002C3.tif wi=36 he=10 top= 88 left = 145 img-content=drawing img-format=tif orientation=portrait inline=yes/></maths><maths id=math0004 num=0004 ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>g</mi> <mi>xy</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>R</mi> </mrow> <mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>x</mi> </mrow></mfrac><mfrac> <mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>R</mi> </mrow> <mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>y</mi> </mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac> <mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>G</mi> </mrow> <mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>x</mi> </mrow></mfrac><mfrac> <mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>G</mi> </mrow> <mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>y</mi> </mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac> <mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>B</mi> </mrow> <mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>x</mi> </mrow></mfrac><mfrac> <mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>B</mi> </mrow> <mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>y</mi> </mrow></mfrac><mo>;</mo> </mrow>]]></math></maths>d.对图像中每一像素点(x，y)分别计算梯度方向角<maths id=math0005 num=0005 ><math><![CDATA[ <mrow><mi>&theta;</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>,</mo> <mi>y</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn></mfrac><mi>arctan</mi><mo>[</mo><mfrac> <msub><mrow> <mn>2</mn> <mi>g</mi></mrow><mi>xy</mi> </msub> <mrow><msub> <mi>g</mi> <mi>xx</mi></msub><mo>-</mo><msub> <mi>g</mi> <mi>yy</mi></msub> </mrow></mfrac><mo>]</mo> </mrow>]]></math> id=icf0005 file=A2009100213140002C5.tif wi=47 he=12 top= 115 left = 131 img-content=drawing img-format=tif orientation=portrait inline=yes/></maths>和梯度幅值<maths id=math0006 num=0006 ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>F</mi> <...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑江滨，李哲，
申请(专利权)人：郑江滨，李哲，
类型：发明
国别省市：87