Кафедра информатики и Кафедра информатики и математических математических методов защиты методов защиты

информационных системинформационных систем

(ИММЗИС)(ИММЗИС)

Одесский национальный политехнический университет

Метод определения Метод определения фальсификации цифрового фальсификации цифрового

изображения в условиях изображения в условиях возмущающих воздействийвозмущающих воздействий

Кафедра информатики и математических методов Кафедра информатики и математических методов защиты информационных системзащиты информационных систем

Внедрение новых Внедрение новых информационных технологий информационных технологий невозможно без решения невозможно без решения вопросов информационной вопросов информационной безопасности в различных безопасности в различных сферах: в политике, экономике, сферах: в политике, экономике, медицине и т.д.медицине и т.д.

Очень важной является Очень важной является проблема обеспечения проблема обеспечения подлинности цифровых подлинности цифровых изображений и создания методов изображений и создания методов выявления их фальсификации. выявления их фальсификации. Довольно часто Довольно часто сфальсифицированные сфальсифицированные изображения используются в изображения используются в качестве доказательств в суде качестве доказательств в суде (поддельный номер автомобиля, (поддельный номер автомобиля, присутствие (отсутствие) присутствие (отсутствие) конкретного человека в конкретного человека в конкретном месте…), а также в конкретном месте…), а также в других сферах жизни других сферах жизни (медицинские снимки, научные (медицинские снимки, научные исследования и т.д.). исследования и т.д.).

МНСЧБ подлинного изображенияМНСЧБ подлинного изображения

Большинство цифровых изображений Большинство цифровых изображений (ЦИ), полученных современными (ЦИ), полученных современными фотокамерами, хранятся в формате фотокамерами, хранятся в формате JPEGJPEG, одним из основных шагов которого , одним из основных шагов которого является квантование коэффициентов является квантование коэффициентов ДКП блоков, полученных после ДКП блоков, полученных после стандартного разбиения матрицы стандартного разбиения матрицы изображения. Разобьем матрицу ЦИ на изображения. Разобьем матрицу ЦИ на блоки 8*8, найдем для каждого блока блоки 8*8, найдем для каждого блока множество его сингулярных чисел (СНЧ). множество его сингулярных чисел (СНЧ). Поставим в соответствие ЦИ матрицу Поставим в соответствие ЦИ матрицу нулевых сингулярных чисел блоков нулевых сингулярных чисел блоков (МНСЧБ), каждый элемент которой (МНСЧБ), каждый элемент которой соответствует блоку и обозначает соответствует блоку и обозначает количество нулевых СНЧ в нем. На количество нулевых СНЧ в нем. На основании ранее проведенного анализа основании ранее проведенного анализа были выявлены характерные были выявлены характерные особенности этих матриц для ЦИ, особенности этих матриц для ЦИ, хранимых без потерь, после квантования хранимых без потерь, после квантования и частичного восстановления, после и частичного восстановления, после квантования и полного восстановленияквантования и полного восстановления

. .

МНСЧБ исходного ЦИ

ВОССТАНОВЛЕНИЕ ЦИ, ПОДВЕРГНУТОГО ВОССТАНОВЛЕНИЕ ЦИ, ПОДВЕРГНУТОГО JPEG-JPEG-СЖАТИЮСЖАТИЮ

МНСЧБ ЦИ после ЧВ МНСЧБ ЦИ после ПВ

Восстановление изображения после JPEG-сжатия далее будем рассматривать в двух видах: частичное восстановление (ЧВ), включающее в себя обратное ДКП без округления полученных

коэффициентов, и полное восстановление (ПВ), при котором происходит округление коэффициентов матрицы, являющейся результатом ЧВ.

Обсуждаемые ниже фотографии – полностью восстановленные после jpeg-сжатия ЦИ.

Также было выявлено, что МНСЧБ, получаемые после одного и двух Также было выявлено, что МНСЧБ, получаемые после одного и двух квантований при совпадении сеток разбиения на блоки матрицы изображения квантований при совпадении сеток разбиения на блоки матрицы изображения

будут мало отличаться друг от друга как при ЧВ, так и при ПВбудут мало отличаться друг от друга как при ЧВ, так и при ПВ ..

1 – Исходное ЦИ CELL.TIF (а)МНСЧБ после ЧВ (б)

после ПВ (в)

2− МНСЧБ после второгоквантования и ЧВ ЦИ (а)

ПВ ЦИ (б)

ВЛИЯНИЕ СДВИГА СРБ НА МНСЧБ ЦИВЛИЯНИЕ СДВИГА СРБ НА МНСЧБ ЦИ

1 – МНСЧБ при сдвиге СРБ на 1 покаждой оси (а); на 4 и 3

по осям ОХ и ОУ

соответственно (б)

2 – МНСЧБ дважды квантованного ПВ

ЦИ при сдвиге сетки разбиения на 2 позиции по каждой оси

Рассмотрим наиболее часто встречающийся способ фальсификации изображения. Пусть часть ЦИ, которое будем называть основным изображением, заменяется частью ЦИ, далее называемой вклейкой. Основное изображение и изображение, из которого взята вклейка, получены при помощи современных фотокамер. Пусть полученный фотомонтаж снова сохраняется в формате JPEG. Это приводит к повторному квантованию коэффициентов ДКП. Если основное изображение и вклейка являются результатами одинарного квантования, то вероятность совпадения сеток разбиения на блоки (СРБ) основного изображения и вклейки, использованных при их квантовании, после осуществления фотомонтажа мала, а значит особенности МНСЧБ, возникающие за счет такого несовпадения, укажут на наличие фальсификации.

АЛГОРИТМ ВИЯВЛЕНИЯ АЛГОРИТМ ВИЯВЛЕНИЯ ФАЛЬСИФИКАЦИИ ЦИФРОВОГО ФАЛЬСИФИКАЦИИ ЦИФРОВОГО

ИЗОБРАЖЕНИЯИЗОБРАЖЕНИЯРазбить матрицу ЦИРазбить матрицу ЦИ

на блоки 8×8 на блоки 8×8 Для каждого блока определить Для каждого блока определить множество СЧмножество СЧПостроить МНСЧБПостроить МНСЧБВыделить подобласти Выделить подобласти значительного значительного «беспорядочного» разброса «беспорядочного» разброса значений элементовзначений элементовАнализ СЧ блоков выделенных Анализ СЧ блоков выделенных подобластей, соответствующих подобластей, соответствующих наименьшим значениям наименьшим значениям МНСЧБ. Вклейки определяются МНСЧБ. Вклейки определяются теми подобластями, для теми подобластями, для которых среди этих блоков которых среди этих блоков будет значительная часть таких, будет значительная часть таких, большая часть СЧ которых большая часть СЧ которых

сравнима с нулем.сравнима с нулем. Изображение CELL1 (а); МНСЧБ после квантования CELL1 (б).

Как правило, фальсификация ЦИ редко обходится без цифровой обработки с помощью Как правило, фальсификация ЦИ редко обходится без цифровой обработки с помощью соответствующего программного обеспечения. Поэтому возникает вопрос – как повлияет цифровая соответствующего программного обеспечения. Поэтому возникает вопрос – как повлияет цифровая

обработка изображения на поведение СЧ и на работу нашего метода? Рассмотрим в качестве примера обработка изображения на поведение СЧ и на работу нашего метода? Рассмотрим в качестве примера обработку изображения в программе обработку изображения в программе Adobe PhotoshopAdobe Photoshop ввиду ее высокой популярности и ввиду ее высокой популярности и

общедоступности. Наиболее часто употребляемые в ходе обработки ЦИ операции и инструменты – общедоступности. Наиболее часто употребляемые в ходе обработки ЦИ операции и инструменты – масштабирование, размытие, резкость, клонирование. Согласно статистическим данным, полученным масштабирование, размытие, резкость, клонирование. Согласно статистическим данным, полученным

опытным путем, было выявлено, что при обработке ЦИ вышеперечисленными инструментами СЧ опытным путем, было выявлено, что при обработке ЦИ вышеперечисленными инструментами СЧ действительно меняются, так как меняется структура изображения . Но при этом качественная картина действительно меняются, так как меняется структура изображения . Но при этом качественная картина

остается прежней. Следовательно, обработка в остается прежней. Следовательно, обработка в PhotoshopPhotoshop не повлияет на эффективность работы не повлияет на эффективность работы данного метода обнаружения фальсификации ЦИ.данного метода обнаружения фальсификации ЦИ.

Сингулярный спектр исходного ЦИ Сингулярный спектр ЦИ после размытия

Влияние обработки ЦИ в Влияние обработки ЦИ в PhotoshopPhotoshop на его сингулярные числа на его сингулярные числа

Влияние обработки ЦИ в Влияние обработки ЦИ в PhotoshopPhotoshop на его сингулярные числа на его сингулярные числа

Сингулярный спектр ЦИ после четырехкратное увеличения

АПРОБАЦИЯ ПРЕДЛОЖЕННОГО МЕТОДААПРОБАЦИЯ ПРЕДЛОЖЕННОГО МЕТОДА

Возьмем фотографию, сделанную современной цифровой фотокамерой в формате JPEG. Требуется проверить, настоящий ли номер автомобиля, присутствующего на фотоснимке.

АПРОБАЦИЯ ПРЕДЛОЖЕННОГО МЕТОДААПРОБАЦИЯ ПРЕДЛОЖЕННОГО МЕТОДА

Вырежем из изображения номер автомобиля – это значительно уменьшит размер обрабатываемого файла.

Рассмотрим МНСЧБ данного фрагмента изображения. В области, соответствующей второй цифре 5, появляется нехарактерный для остальной части изображения разброс чисел – 1, 2 и 7. Это можно объяснить несовпадением СРБ основного изображения и вклейки. И именно это определяет фальсификацию в данном месте ЦИ.

АПРОБАЦИЯ ПРЕДЛОЖЕННОГО МЕТОДААПРОБАЦИЯ ПРЕДЛОЖЕННОГО МЕТОДА

В результате мы пришли к выводу, что фотография данного номера автомобиля была сфальсифицирована средствами цифровой обработки изображения и не может быть использована для идентификации автомобиля. Действительно, настоящий номер автомобиля «ВН 0577 АА».

Выявление фотомонтажаВыявление фотомонтажа На данном фрагменте фотографии кусочком неба закрыт самолет, по которому можно определить, к примеру, место или время создания фотографии. На МНСЧБ четко видна область вклейки.

Главная героиня из электрички перенесена в…

Выявление фотомонтажаВыявление фотомонтажа

…деревянный домик. Разброс значений МНСЧБ возникает именно в области вклейки.

Выявление фотомонтажаВыявление фотомонтажа

Была ли лодка? Цифры не врут. Определенно, не было!

Таким образом на кафедре ИММЗИС Таким образом на кафедре ИММЗИС рразработаназработан практический практический метод обнаружения фальсификации цифровых изображений на метод обнаружения фальсификации цифровых изображений на основе анализа возмущений сингулярных чисел блоков матрицы основе анализа возмущений сингулярных чисел блоков матрицы

изображения, который дает возможность не только установить сам изображения, который дает возможность не только установить сам факт фальсификации цифровой фотографии в условиях факт фальсификации цифровой фотографии в условиях

различных возмущающих воздействий, но и достаточно точно различных возмущающих воздействий, но и достаточно точно локализировать область такого изменения, не привлекая для этого локализировать область такого изменения, не привлекая для этого никакие дополнительные технические средства, а также средства никакие дополнительные технические средства, а также средства

обработки полученного изображения. Вся анализируемая обработки полученного изображения. Вся анализируемая информация предоставляется непосредственно матрицей ЦИ. информация предоставляется непосредственно матрицей ЦИ.