摘 要

随着互联网技术和各种图像处理软件的高度普及和应用，人们能随意地编辑、修改图像，而不需具备高水平的专业技术。被篡改过的数字图像将会导致受众对信息的错误感知，数字图像本身所携带信息的安全性受到了广泛的挑战。在这样的背景下，数字图像的被动盲取证技术获得了越来越多的关注和研究。数字图像复制粘贴篡改是使用最广泛的一种篡改方式，本文针对这种篡改方式的盲取证算法进行了分析和研究，为数字图像复制粘贴篡改提供了一种有效实用的取证方法。

本文主要的研究内容如下：

1. 研究了数字图像盲取证技术的目的与意义，归纳总结了国内外研究现状，对比分析了现有的一些数字图像盲取证算法。
2. 完成了基于SIFT的数字图像复制粘贴篡改盲取证算法的研究与仿真实现。按照检测空间极值点、准确定位关键点、确定关键点方向、对关键点进行描述这四个步骤研究了SIFT特征提取的过程，研究了k-d树的建立与BBF搜索算法以完成特征向量的匹配，最后完成了算法仿真实现，且分析了利用SIFT算法进行盲取证过程中图像关键点数目的特点及匹配阈值对实验结果的影响。
3. 提出了一种基于SIFT-CSLBP的数字图像复制粘贴篡改盲取证算法。研究了LBP特征、CSLBP特征，对提取的SIFT特征进行改进，提取关键点的SIFT-CSLBP特征，将CSLBP特征应用于图像盲取证分析，完成了算法仿真实现。仿真实验结果表明，基于SIFT-CSLBP的方法相比于基于SIFT的方法缩短了算法的运行时间，且对复制粘贴篡改的若干后处理操作（旋转、对比度变化、亮度变化、缩放、加噪）也具有较好的鲁棒性。
4. 在上述算法仿真实现的基础上，对比分析了基于SIFT的盲取证算法与基于SIFT-CSLBP的盲取证算法的时间复杂度，然后对两种算法每一步所需的运算量进行了分析，最后利用MATLAB和C混合编程实现了基于GUI的数字图像篡改盲取证系统。

关键词：数字图像篡改；盲取证；SIFT；SIFT-CSLBP；MATLAB与C混合编程

Abstract

With the high popularity and application of Internet technology and a variety of image processing software, people can edit and modify images freely without the need for a high level of technical expertise. Tampered images will result in an error message on the audience's perception, the information security of the digital image has been challenged widely. In this context, digital image blind forensics are gained more and more attention and study. Image copy-paste tamper is one of the most common ways of tamper, this article mainly carries on effective analysis and study for blind forensics algorithms aimed at this kind of tamper to provide a practical and effective way for image copy-paste tamper forensics.

The research of this paper contains the following aspects:

1. It studies the purpose and significance of the digital image blind forensics technology and summarizes the research status. Some of the existing digital image blind forensics algorithms are analyzed comparatively.
2. It completes the research and simulation of digital image copy-paste tamper forensics algorithm based on SIFT. According to the four steps of detecting space extreme points, positioning the key points accurately, determining the directions of the key points, describing the key points, it studies the process of SIFT feature extraction. K-d tree and BBF search algorithm are studied in order to complete the matching feature vectors. It achieves algorithm simulation finally, and analyzes the feature of image’s key points as well as the influences of match threshold to the experimental results.
3. It proposes a digital image copy-paste tamper blind forensics algorithm based on SIFT-CSLBP. After studying on the LBP feature and CSLBP features, it applies the CSLBP feature to the analysis of image forensics by extracting the SIFT-CSLBP features of key points, and it completes the algorithm simulation. Experimental results show that compared with the SIFT-based approach, the SIFT-CSLBP-based approach also has good robustness for copy-paste tampering images with some post-processing operation at the case of less running time.
4. Based on the simulation of above algorithms, it compares and analyzes the algorithm's time complexity of SIFT-based blind forensics algorithm and SIFT-CSLBP-based blind forensics algorithm. Then it analyzes each step of calculations required of two algorithms. Finally, it achieves image forensics system based on GUI using MATLAB and C mixed programming.

Key words: Digital image tamper; Blind forensics; SIFT; SIFT-CSLBP; MATLAB and C mixed programming

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题研究的目的和意义 1

1.2 数字图像盲取证技术的国内外研究现状 3

1.3 本文研究的主要内容及章节安排 4

第2章 数字图像复制粘贴篡改及盲取证算法分析 5

2.1 数字图像复制粘贴篡改 5

2.2 数字图像复制粘贴篡改盲取证常见算法 6

2.2.1 穷举搜索法 6

2.2.2 自相关检测法 6

2.2.3 基于DCT系数检测算法 7

2.2.4 基于 PCA 的检测算法 8

2.2.5 基于小波和奇异值分解的检测算法 9

2.2.6 现有算法的比较分析 10

2.3 本章小结 11

第3章 基于SIFT的数字图像盲取证算法研究与仿真实现 12

3.1 SIFT特征提取 12

3.1.1 检测尺度空间极值点 13

3.1.2 准确定位关键点 15

3.1.3 确定关键点方向 17

3.1.4 关键点的描述 18

3.2特征向量匹配 19

3.2.1 k-d树的建立 20

3.2.2 BBF搜索算法 20

3.2.3 特征向量匹配 21

3.3 算法仿真与实验结果分析 21

3.3.1 算法流程设计 21

3.3.2 实验结果及其分析 22

3.4 本章小结 25

第4章 基于SIFT-CSLBP数字图像盲取证算法设计与实现 26

4.1 SIFT-CSLBP特征提取 26

4.1.1 LBP特征 26

4.1.2 CSLBP特征 27

4.1.3 提取关键点的CSLBP特征 28

4.2 算法仿真与实验结果分析 28

4.2.1 算法流程设计 28

4.2.2 实验结果及其分析 29

4.3 本章小结 36

第5章 算法比较分析及数字图像盲取证系统设计实现 37

5.1 算法比较分析 37

5.2 数字图像盲取证系统的设计实现 39

5.2.1 系统功能结构设计 39

5.2.2 系统设计实现 39

5.3 本章小结 43

第6章 总结与展望 44

6.1 论文工作总结 44

6.2 未来工作展望 45

参考文献 46

致 谢 48

第1章 绪论

1.1 课题研究的目的和意义

伴随着科技进步，数字图像在我们的工作生活中扮演着越来越重要的角色，是新时代技术发展的重要产物。我们工作生活的领域里有着各种各样的数字图像，数字图像正得到越来越广泛的应用与传播。

然而，先进技术往往有利也有弊。数字图像获取手段的多样化和图像编辑软件的智能化在给人们带来方便的同时也给人们的工作生活带来了很多消极的影响。PS等图像处理软件使常人都能十分随意地编辑、篡改图像，而不需具备高水平的专业技术，这在一定程度上打破了人们“眼见为实”的传统思想，从而让人们对数字图像的真实性产生了质疑。在这些工具的帮助下，即便是普通爱好者也可能成为潜在的篡改者，熟练的操作者更是能非常好地利用数字图像的一些后期处理工具来掩藏篡改遗留的痕迹。被篡改过的数字图像将会导致受众对信息的错误感知，数字图像本身所携带信息的安全性受到了广泛的挑战^[1]。

图1.1所示的是为了能够更好地展示男子气概，显示总统的风度，篡改者利用南方政治家卡尔霍恩的照片（如图1.1(a)所示）将美国总统林肯的头像移植到了卡尔霍恩的身体上（如图1.1(b)所示）。图1.2展示的是为了彰显个人的英雄形象，意大利墨索里尼在骑马照中摆出英雄的坐姿（如图1.2(a)所示），通过图像篡改将照片中的马夫移去了（如图1.2(b)所示），这才显得他气势十足。