姚園園

（河南警察學(xué)院 刑事科學(xué)技術(shù)系，河南 鄭州 450000）

基于光照特性的室外場景照片真實性檢驗

姚園園

（河南警察學(xué)院 刑事科學(xué)技術(shù)系，河南 鄭州 450000）

光是形成影像的必要條件，光照特性是照片場景的要素.室外場景照片通常以自然光照明，有其相應(yīng)的光學(xué)物理特性.分析室外場景圖像中光源的光位、光質(zhì)、光比、光強、光色等性質(zhì)，對圖像進行基于陰影輪廓清晰程度、基于被攝體明暗反差、基于反射、基于色溫一致性和基于陰影與光照方向一致性的檢驗，可以用來鑒別圖像的真實性.

光照特性；室外場景；圖像；真實性檢驗

數(shù)字圖像處理技術(shù)的不斷提高使數(shù)字圖像更容易被修改和變造，加大了識別篡改圖像的難度.就檢驗方法而言，目前并沒有一種通用的檢測手段可針對所有類型的偽造照片均有效，特定的篡改場景需用特定的檢驗方法.數(shù)字照片真實性原始性檢驗方法主要分為兩類：針對場景的檢驗和針對設(shè)備的檢驗.

光照特性是照片場景中的重要特性.光是形成影像的必要條件，光源具有復(fù)雜的光學(xué)物理特性，如光的直線傳播特性，光源的位置、數(shù)量、強度，光源的色溫等等，隨著成像過程這些復(fù)雜的光學(xué)物理特性被記錄在照片中.圖像處理的手段很難精確的令篡改照片中場景的光照情況與原始光照保持完全一致.因此可通過圖像表現(xiàn)出的光照特征來判斷該照片的原始性和真實性.室外場景往往處于自然光的光照下，光照特征明顯，因此可通過對光照特性的分析來有效鑒別室外場景照片的真實性.

1 基于光質(zhì)的檢驗

1.1 光質(zhì)

攝影中的光質(zhì)指光的硬軟性質(zhì).光的硬指光產(chǎn)生的陰影輪廓鮮明，亮部與暗部反差大.光的軟指光產(chǎn)生的陰影輪廓漸變，亮部與暗部反差小.對于室外自然光下場景來說，直射日光光質(zhì)為硬.間接日光，即陰雨霧雪天、陰影中的光照為軟光.

1.2 基于光質(zhì)的照片檢驗

光質(zhì)的差異在照片中可體現(xiàn)為陰影輪廓的清晰程度的差異.一天中早晚時段日光不強烈，光位較低，陰影的亮度較高，邊緣輪廓不清晰，長度大；午間左右，照度高，光位高，則陰影亮度低，邊緣清晰，較短.晴天光質(zhì)硬，影子清晰；陰天光質(zhì)軟，影子柔和或無影子.當(dāng)物體影子的邊緣輪廓清晰度與光照出現(xiàn)明顯不一致時，可證明為偽造照片.

2 基于光比的檢驗

2.1 光比

光比指被攝體上亮部與暗部受光強弱的差別.光比大時被攝物體上亮部與暗部之間亮度反差大，反之亮度反差小.

2.2 根據(jù)被攝體的亮度反差檢驗

以日光為光源的室外場景照片中，因日光接近無限遠，則同一場景中受光物體的光比應(yīng)一致，即明暗反差程度應(yīng)一致.一天中的不同時間，不同地點，及不同天氣條件下，物體受光的光比均有差異.通過比較受光部位與陰影部位的平均亮度差異，可反映兩者是否受光一致，是否真實地共存于同一場景.

如人物照片中，若人物在室外光照下，臉朝向一致，且周圍無遮擋物.則照片中的人物面部的受光一致，亮部與暗部的光比應(yīng)一致.分別選擇存疑人物與其他人面部的相同部位，采集若干個采樣點.采樣點應(yīng)包括亮部、暗部、中間部.獲得各采樣點的Lab值，將兩人面部相同部位采樣點的求其亮度比，若結(jié)果差異較大，說明圖像存在拼接篡改.

3 基于光強的檢驗

3.1 光強

光強指光源的發(fā)光強弱程度.對于單幅照片來講，室外自然光線下的同一場景的同質(zhì)物體接受的光強理論上一致.

3.2 基于光強及反射的檢驗

根據(jù)簡單光照模型和光強衰減的基本原理可得照片中某一點的亮度值應(yīng)該為如下公式：

其中E為光源強度，K為漫反射系數(shù)，與物體材質(zhì)與入射波長相關(guān)，f入(d1)，f反(d2)，分別指入射光衰減函數(shù)與反射光率減函數(shù)，分別由入射距離與反射距離決定.室外場景日光作為無限遠點光源，f入(d1)一致，K一致，入射角θ一致.因此室外照片中，相同反射率的物質(zhì)，攝影距離相同的話，亮度應(yīng)一致.將檢材照片轉(zhuǎn)化為灰度圖像，找圖像中相同位置相同材質(zhì)相同部位對亮度進行測量，可判斷其是否經(jīng)過篡改.

4 基于光色的檢驗

4.1 光色

光色也叫色溫，體現(xiàn)為光的顏色.攝影時，根據(jù)相機的白平衡參數(shù)，將場景景物轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像.因此同一張照片內(nèi)物體的色溫反映應(yīng)為一致.

4.2 基于色溫一致性的檢驗

日光在一天中的色溫有規(guī)律的變化，日出日落時刻色溫較高，色彩偏暖，呈橙色黃色；正午時分，光色接近純白色；晴朗天空與陰影下色溫偏高，光色呈藍色.在一天的不同時刻，不同的天氣，以及人工光源的影響下，場景都具有一定的色溫特征.數(shù)碼相機的白平衡這一參數(shù)，可以通過具體參數(shù)值的設(shè)置在一定程度上矯正偏色現(xiàn)象，或創(chuàng)造出偏色照片.在實際成像過程中環(huán)境色溫差異、成像設(shè)備的差異以及白平衡參數(shù)選擇的不同，都會導(dǎo)致照片表現(xiàn)出色溫特征.對于異源拼接類的偽造照片，色溫的差異可以作為判斷圖像篡改的依據(jù).此類檢驗可查找圖像中可疑區(qū)域與參考區(qū)域理論上色彩相同的部分，分析其色溫是否一致.

為了使檢驗的依據(jù)更科學(xué)，可以通過量化計算的方法來估計色溫，再根據(jù)色溫差異進行判斷.孫鵬等人[1]首先使用色溫估計方法，判斷圖像是否存在拼接篡改嫌疑.楊建梅等人[2]提出了基于色溫的人臉拼接類的篡改圖像檢測方法.使用色溫估計的基本檢測方法是在待檢驗圖像中劃分出參考區(qū)域和嫌疑區(qū)域，利用色溫估算法分別計算出參考區(qū)域與嫌疑區(qū)域的色溫估計值，計算兩者的色溫距離.當(dāng)此色溫距離大于給定的色溫差異閾值時，可判定為篡改照片.此方法需要拍攝同光源條件下的包含待檢測目標的真實圖像，應(yīng)用具有一定的局限性.

5 基于光位的檢驗

5.1 光位

光位指光照的方向，即光源與被攝體的相對位置.光位有順光、側(cè)光、逆光、頂光、腳光之分，能夠影響被攝物體的形態(tài)和質(zhì)感.

5.2 基于光照角度及陰影的照片檢驗

5.2.1 基于光照方向一致性的檢驗

順光位指配光方向與相機光軸方向一致，它的造型特點是景物整體明亮，沒有陰影或有少量的陰影，明暗反差不強烈.前側(cè)光配光方向與相機光軸成45度左右夾角，被攝體有較好的明暗反差，立體感比較強烈.正側(cè)光與相機成90度夾角，景物明暗反差強烈，質(zhì)感較強.逆光與側(cè)逆光與相機光軸成大于90度夾角，景物正面處于黑暗中，輪廓清晰明顯.室外光線以頂光常見，頂光照明使物體水平面亮度高于垂直面亮度.

通過分析照片的受光情況，可以判斷光位.人工分析的方法在光位差異較大的偽造照片上的檢驗效果較好.但如果造假者對光照進行了修改或者重新渲染，或者造假照片的原始照片本身的光位差異不大，用人工方法則不易準確地分辨.

直接觀察來判斷光照方向是否一致的方法依賴經(jīng)驗，而缺乏量化數(shù)據(jù)支撐.光照方向的量化估計在計算機視覺中已經(jīng)得到了廣泛的研究，美國Dartmouth大學(xué)的研究團隊最先將此問題引入數(shù)字圖像的盲檢測中[3].以漫反射理論為基礎(chǔ)的光照模型Lambert模型經(jīng)常用以計算光源方向[4-5].天氣晴朗時的太陽可以認為是無限遠光源，即無限遠處的單個光源，光線近似平行光.在鑒別圖像真?zhèn)螘r，將照片轉(zhuǎn)化為灰度圖像.選擇照片中反射具有各向同性的物體表面，根據(jù)公式1，在物體表面輪廓上選擇至少4個點即可求解出光源方向L.將計算出的可疑區(qū)域與檢測區(qū)域的光照方向進行比較，即可判斷圖像是否經(jīng)過篡改.

其中，I是點 (x,y)處的灰度值，R是常反射曲率，N是點(x,y)處的法向，L是光源方向，A為環(huán)境光常量.在某些情況下對光照方向的計算誤差不可忽略，如被攝物體不是嚴格的朗勃表面，拍攝場景中存在不可忽略的環(huán)境光影響（如大片雪地反光）等.

5.2.2 基于陰影方向一致性的檢驗

光照產(chǎn)生陰影，光位的不同使陰影方向有差異.而在同樣的光照條件下，陰影的大小、方向、濃淡、邊緣的清晰程度應(yīng)該具有一致性.物體的大小、高矮不同；一天中不同時刻、處于地球上的不同經(jīng)緯度，其陰影的長度都不相同.但在同一場景下，不同物體其陰影長度與物體高度的比例應(yīng)該一致.如果照片中出現(xiàn)無法解釋原因的陰影不一致，則該照片可能被篡改.例如某些拼接-合成類篡改照片，篡改者往往忽略影子的移植，出現(xiàn)圖像中有些物體存在陰影，而有些物體沒有陰影.基于陰影一致性的檢驗適用于一個至少存在兩個對象的場景，若場景中只存在單個目標，則無法通過陰影的差異進行檢測.

當(dāng)自然光照射到物體上時，在地面或某些表面形成的陰影形態(tài)與物體本身形態(tài)一致，物體上的某點與陰影邊緣某點相互對應(yīng)，滿足一定的幾何關(guān)系.將投射陰影中的一個點，與對應(yīng)的投影物體上的點相連，便可手動找出光源方向區(qū)域.根據(jù)光源方向線是否接近平行，即可判斷多個陰影場景的真實性.

5.2.3 基于光照-陰影一致性的檢驗

基于光照-陰影一致性的檢驗可檢測多個物體的場景，也可檢驗單個物體的場景.它結(jié)合考慮場景整體的光照與陰影的情況.陰影依賴光照而存在，故陰影的狀態(tài)與光照直接相關(guān).單個光源產(chǎn)生單個陰影，多個光源可形成多個陰影，且陰影的亮度也較高.光源的光位與陰影方向相反.若照片場景不符合以上規(guī)律，則有較大可能偽造.單根據(jù)光照或陰影的不一致判斷篡改照片，需照片中有多個物體相互對照.根據(jù)物體表面估計出的光照方向與陰影估出的光源方向是否具有一致性，不僅可以檢測有多個物體的照片，還可以檢測只有一個物體的照片.若光源太陽直接反應(yīng)在拍攝場景中，則光照方向可直接確定.多數(shù)照片中不直接出現(xiàn)光源位置，此時可根據(jù)前文5.2.1中的方法計算出光照方向，再用5.2.2的手動方法判斷由陰影確定的光照方向，對兩者進行比較，以確定光照是否存在矛盾[6].

6 結(jié)語

由于光照物理特性的影響以及室外場景對象與細節(jié)的多樣性，使得室外場景照片的色彩及亮度變化復(fù)雜，篡改操作很難把光照效果和定向的光源完全相匹配.光照分析的方法針對多數(shù)異源拼接-合成類的照片的分析判斷結(jié)果較為理想.但針對同源拼接-合成類篡改，以及某些同一時間同一地點拍攝的多張照片之間進行拼接-合成類篡改，則很難根據(jù)光照進行判斷，因為此時光照特性高度相似，差異很小.根據(jù)光照特性檢驗圖像真?zhèn)胃m用于有直接日光照射的場景.同時此類方法不受圖像分辨率的制約，無論圖像分辨率高或低，對光照的分析無影響.

〔1〕孫鵬，楊洪臣，代雪晶.拼接篡改圖像的色溫估計取證方法[J].計算機輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報,2012，24（9）:1194-1196.

〔2〕楊健梅，黃添強，江偉堅.基于人臉色溫的拼接圖像篡改檢測 [J].山東大學(xué)學(xué)報 (工學(xué)版)，2013，43（5）:24-29.

〔3〕M.K.Johnson and H.Farid,Exposing digital forgeries by detecting inconsistencies in lighting[C].Proc.7th Workshop on ACM Multimedia and Security,New York,2005:1-10.

〔4〕陳海鵬，申鉉京，呂穎達，金玉善.基于 Lambert光照模型的圖像真?zhèn)蚊よb別算法[C].計算機研究與發(fā)展TP,2011，48(7):1237-1245.

〔5〕李葉舟，胡靜.基于光照方向不一致的圖像盲取證技術(shù)[J].北京郵電大學(xué)學(xué)報，2011,34（3）:26-30.

〔6〕牛少彰，黃艷麗，孫曉婷.投影與光照方向一致性的圖像篡改檢測 [J].北京郵電大學(xué)學(xué)報，2014,37（5）:61-65.

TB81；TP391

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1673-260X（2017）12-0032-03

2017-09-06