劉磊 孫鵬 郎宇博 單大國 王方明 牛宇豪

1.中國刑事警察學(xué)院 2.遼寧網(wǎng)絡(luò)安全執(zhí)法協(xié)同創(chuàng)新中心

引言

視頻資料是法庭證據(jù)的重要組成部分，具有真實性、直觀性以及客觀性等特點，是犯罪認(rèn)定的重要依據(jù)。隨著視頻編輯技術(shù)的普及與發(fā)展，案件中出現(xiàn)的視頻資料常經(jīng)過編輯篡改，經(jīng)篡改后的視頻資料無法反應(yīng)客觀事實，不能成為案情認(rèn)定證據(jù)。因此，對視頻資料原始性和完整性的檢驗鑒定是其成為司法證據(jù)的前提，其中，對拼接篡改視頻的檢驗鑒定是主要檢驗內(nèi)容之一。

拼接篡改視頻檢驗分為主動檢驗和被動檢驗兩種方法。拼接篡改視頻的主動檢驗，主要應(yīng)用的是視頻數(shù)字水印技術(shù)，即在視頻中嵌入數(shù)字水印。當(dāng)對視頻進(jìn)行篡改時，嵌入的數(shù)字水印將遭到破壞，通過檢測數(shù)字水印的完整性檢驗拼接篡改視頻。該方法的優(yōu)點在于方法簡單、實用性強，但是需要提前在視頻生成過程中嵌入驗證信息或者生成散列值，甚至需要第三方認(rèn)證，在很多實際檢驗過程中難以滿足應(yīng)用條件[1]。

拼接篡改視頻的被動檢驗，即通過使用視頻的固有特征進(jìn)行檢驗，包括哈希值檢驗、視頻參數(shù)檢驗、視頻內(nèi)容檢驗以及視頻光學(xué)成像特性檢驗[2]等。

基于視頻內(nèi)容與視頻光學(xué)成像特性的經(jīng)驗性檢驗，是視頻檢驗鑒定實踐中應(yīng)用最多的檢驗方法，由鑒定專家對視頻的內(nèi)容是否符合物理規(guī)律（透視規(guī)律、光線傳播與反射規(guī)律等），以及視頻的光學(xué)成像規(guī)律（視頻偏色程度一致性、視頻亮度一致性、視頻焦距變化特點等）進(jìn)行檢驗，通過細(xì)致觀察，結(jié)合物理規(guī)律、光學(xué)成像規(guī)律以及大量檢驗鑒定經(jīng)驗，對視頻進(jìn)行檢驗。隨著檢驗鑒定要求的不斷提高，經(jīng)驗性檢驗方法過度依賴于鑒定專家的專業(yè)性及職業(yè)操守的特點及拼接篡改手段的不斷變化等問題的出現(xiàn)，使其受到極大的限制。經(jīng)驗性檢驗判斷方法理論的整合、視頻內(nèi)容與光學(xué)成像特性的量化以及拼接篡改視頻的自適應(yīng)檢驗方法研究，成為數(shù)字取證領(lǐng)域的研究重點。諸多研究中，比較成功的檢驗方法包括基于鬼影痕跡檢測修補的方法[3]；通過飛行物體與其陰影關(guān)系的檢驗方法[4]；采用分治法，將視頻分成幾部分，通過計算不同的相關(guān)系數(shù)得到每部分間的相似度，進(jìn)而對視頻進(jìn)行檢驗[5,6]等。

光學(xué)特征中，視頻的色溫是廣泛存在且穩(wěn)定的特征，視頻采集時的光源特性是穩(wěn)定的，因此視頻中每幀圖像的色溫估計值具有穩(wěn)定性。本文通過對視頻幀間色溫的比較研究，結(jié)合色溫估計法，選取色溫估計中的藍(lán)色偏量，研究該量化特征在時間維度上的變化規(guī)律，提出了基于色溫估計法的拼接篡改視頻檢驗方法。

一、色溫估計的拼接篡改視頻檢驗

采集視頻時，光源的變化是連續(xù)的，且大部分視頻采集時光源變化很小，使得采集的視頻色溫變化具有規(guī)律性，變化幅度有限?；谏珳毓烙嫷囊曨l拼接篡改檢驗方法，利用視頻色溫變化的規(guī)律性，根據(jù)文獻(xiàn)[7]中的色溫估計方法，在YCbCr色彩空間中計算視頻每幀圖像的色溫，為簡化計算并增強算法的實時性，使用圖像幀的藍(lán)色偏量值反映色溫特性，進(jìn)而通過時間序列上圖像幀藍(lán)色偏量的變化規(guī)律實現(xiàn)拼接篡改視頻的檢驗，檢驗過程如圖1所示。

（一）色溫估計方法

色溫估計，即估算圖像采集時的光源色溫。周榮政等[10]使用YCbCr模型進(jìn)行色溫估計，進(jìn)而對圖像的偏色進(jìn)行檢驗校正，其中Y代表像素點亮度，Cb代表藍(lán)色的濃度偏移量，Cr代表紅色的濃度偏移量，RGB色彩空間和YCbCr的轉(zhuǎn)換公式為：

在Nakano[8]和 Lee[9]等的研究基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[10]使用改進(jìn)的約束條件進(jìn)行色溫估計：

通過約束選取合適的白點，當(dāng)亮度Y較小時，Cb和Cr的范圍控制的較小，只有藍(lán)紅兩色濃度偏移量較小的像素點用于色溫估計；當(dāng)亮度Y較大時，Cb和Cr的范圍控制的較大，此時的Cb和Cr偏移量較大的像素點也可作為色溫估計參考點，使得更多的像素點加入到色溫估計中，減小誤差，提高色溫估計精度。

（二）色溫估計的視頻真?zhèn)涡詸z驗

視頻是光源發(fā)出的光經(jīng)物體反射后，由攝像頭捕捉并記錄下來的光信息。拍攝時，光源發(fā)出的光具有連續(xù)性，光源的色溫也是連續(xù)變化的。當(dāng)光照射到物體上并經(jīng)過反射，被攝像機鏡頭記錄，光源色溫以及設(shè)備特性使得視頻產(chǎn)生特定的偏色特性。在拍攝的視頻中，表現(xiàn)為第k幀圖像和第k+1幀圖像的偏色程度相同或差值很小，即相鄰兩幀圖像的偏色程度變化差值在一定閾值內(nèi)，當(dāng)連續(xù)兩幀圖像的偏色程度差值超出一定閾值時，視頻即在該處發(fā)生了篡改。

1. 偏色特征量計算

時長為t的待檢驗視頻Ft,解碼為時間軸上的圖像幀序列Ik(i,j),k=1,2,......,n,其中n為圖像幀總數(shù)，i,j為圖像的寬和長。對每幀圖像使用式（2）選取圖像白點，并計算這些白點處藍(lán)色偏量的均值，即該幀圖像的藍(lán)色偏量特征，用以反映圖像的偏色程度：

其中Cb(k)是第k幀圖像的藍(lán)色偏量特征，Cbw(z1)為該幀圖像中第z1個白點的藍(lán)色偏量值，N1為該幀圖像中白點總數(shù)。使用式（3）計算每一幀圖像的藍(lán)色偏量特征，得到視頻的藍(lán)色偏量特征Cb(k)。

在時間維度上，視頻的藍(lán)色偏量特征整體趨勢變化平緩，在局部具有明顯的無規(guī)律波動，但是相鄰幀間變化幅度小于一定閾值。相鄰幀間藍(lán)色偏量特征值的快速波動，一是由于光源色溫并非恒定不變，而是處于一定規(guī)律性的時刻變化中；二是由于使用的色溫估計方法存在誤差，當(dāng)場景隨時間變化，圖像內(nèi)的白點個數(shù)以及白點位置均發(fā)生變化，使得圖像藍(lán)色特征值發(fā)生變化，因此相鄰幀間藍(lán)色偏量差值時刻變化。光源的緩慢變化以及場景的時刻更新，在時間維度上具有連續(xù)性，因此圖像色溫變化幅度是有限的，使得相鄰幀間藍(lán)色偏量特征值的變化幅度有限。使用DCb(k)表示藍(lán)色偏量變化量：

其中Cb(k+1)與Cb(k)分別為第k+1幀以及第k幀圖像的藍(lán)色偏量特征值，n為視頻幀數(shù)。

2. 異常數(shù)據(jù)檢測

無拼接篡改視頻的藍(lán)色偏量變化量有限，小于一定閾值，而在拼接篡改視頻的拼接處，相鄰幀間視頻藍(lán)色偏量變化量明顯大于其他幀間藍(lán)色偏量變化量，故通過對視頻藍(lán)色偏量變化量的異常數(shù)據(jù)檢測，可對拼接篡改視頻進(jìn)行檢測，并找出拼接篡改處。

視頻的拍攝環(huán)境與拍攝內(nèi)容的多樣性，使得不同拍攝視頻的藍(lán)色偏量變化量不盡相同，根據(jù)視頻的光學(xué)特性自適應(yīng)選取閾值θ：

其中，T為閾值系數(shù)，當(dāng)T取值較小時，閾值θ對幀間色溫變化較敏感，誤檢率較高；當(dāng)T取值較大時，閾值θ對幀間色溫變化不敏感，當(dāng)視頻拼接篡改的兩幀間色溫變化較小時，易發(fā)生漏檢。經(jīng)實驗，當(dāng)T取值在[10,20]時，能夠得到較好的檢測結(jié)果。

拼接篡改視頻的檢測，即使用閾值θθ 檢驗藍(lán)色偏量變化量中的異常數(shù)據(jù)：

當(dāng)視頻藍(lán)色偏量變化量滿足式（6）時，在第k幀與第k+1幀處，視頻即經(jīng)過拼接篡改。

二、實驗仿真

根據(jù)監(jiān)控視頻內(nèi)容，選取三段不同的視頻為實驗組a：第一段視頻為背景固定、前景固定的監(jiān)控視頻，第二段視頻為背景靜止、前景運動的監(jiān)控視頻，第三段視頻為背景運動、前景運動的監(jiān)控視頻。為便于比較實驗結(jié)果，將視頻解碼為圖像幀后，分別選取其中連續(xù)的500幀圖像作為實驗素材。

將a組三段視頻中第50幀、第250幀、第450幀分別使用PS進(jìn)行處理，通過改變圖像的色彩平衡模擬色溫變化，然后將其放回到原圖像幀序列中，作為實驗組b，模擬拼接篡改視頻。圖2為實驗組a中第一段視頻截圖，圖3為實驗組b中第一段視頻截圖。

對a、b兩組視頻使用基于色溫估計法的拼接篡改視頻檢驗方法進(jìn)行檢驗，三段監(jiān)控視頻的DCb(k)分別為圖4～圖6。

圖4a為使用靜止場景下的正常監(jiān)控視頻藍(lán)色偏量變化數(shù)據(jù)圖，視頻內(nèi)容無明顯變化，DCb(k)值較小，均小于0.45；圖4b為該視頻經(jīng)篡改后的藍(lán)色偏量變化數(shù)據(jù)圖，篡改幀與其他幀有較大的色溫差異，故在k=49、249、449時，DCb較 大，相對于其他幀處的DCb值有明顯差異，滿足式(6)，即在第49幀和第50幀、第50幀和第51幀、第249幀和第250幀、第250幀和第251幀、第449幀和第450幀以及第450幀和第451幀處發(fā)生過拼接篡改。

圖5a為使用背景靜止、有前景運動的監(jiān)控視頻藍(lán)色偏量變化數(shù)據(jù)圖，其中DCb(k)值均較??；圖5b為篡改視頻的藍(lán)色偏量變化數(shù)據(jù)圖，篡改幀與其前后幀間的藍(lán)色偏量變化量較大，相較于正常幀處藍(lán)色偏量變化量差異十分明顯，使用式（6）對圖5b的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，能準(zhǔn)確判斷出視頻中經(jīng)篡改的圖像幀。

圖6a為使用攝像頭運動拍攝的視頻藍(lán)色偏量變化量數(shù)據(jù)圖，背景的運動使得色溫估計結(jié)果有較大波動，但仍然在允許范圍內(nèi)。圖6b為經(jīng)篡改的視頻藍(lán)色偏量變化數(shù)據(jù)圖，在視頻拼接處，幀間藍(lán)色偏量變化量與其他幀間藍(lán)色偏量變化差異較大，經(jīng)式（6）可檢驗出拼接篡改幀。

不同場景下的監(jiān)控視頻，DCb(k)值變化特性不同，但是均能使用基于色溫估計法的拼接篡改視頻檢驗方法，成功檢驗出經(jīng)篡改的視頻，并定位出篡改幀。

三、結(jié)論

經(jīng)實驗仿真，通過色溫估計并比較幀間藍(lán)色偏量變化幅度，能對拼接篡改視頻進(jìn)行檢驗，并能找出拼接篡改幀，為科學(xué)地運用視頻的光學(xué)特性對視頻進(jìn)行檢驗提供了新的思路。但同時，該方法仍具有一定的局限性，如夜間各色霓虹燈下場景、光源雜亂無序場景、光源變化具有較大突變場景下拍攝的視頻，在應(yīng)用此方法進(jìn)行拼接篡改視頻的檢驗鑒定時，將受到較大的限制。

拼接篡改視頻檢驗的研究將作為視頻證據(jù)研究的一項重要工作持續(xù)進(jìn)行，更精確的色溫估計方法、更準(zhǔn)確的T值選取策略、更精密的實驗，均能提高基于色溫估計法的拼接篡改視頻檢驗方法的準(zhǔn)確率。

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