教你如何鉴定数字图像真伪[转帖]

大嘴河马

来源：环球科学

    历史上对照片大做手脚的事例不可胜数。有人修改照片是为了让自己的形象更有魅力，有人则是为了从照片上抹去自己不喜欢的人或物。以前，伪造的照片需要在暗室里经过好几个钟头的繁琐操作才能出炉；现今，任何人只要有一台电脑，便可不费吹灰之力地伪造照片，而且伪造得非常高明，别人极难察觉出
来。


    这张照片有好几处修改痕迹。利用后面介绍的数字取证鉴定技巧，我们可以找到这些做了手脚的地方。（答案见后文）

    几乎每个月都会有一张伪造的图片曝光。今年2月，一张显示濒危动物藏羚羊（Tibetan antelope）在青藏铁路桥下穿过的照片被揪了出来。在这张获奖照片上，崭新的高速列车呼啸而过，而藏羚羊似乎没有受到任何影响。为庆祝举世瞩目的青藏铁路建成通车，2006 年，数百家中国媒体转载了这张照片。但很快就有人注意到照片中的古怪：部分藏羚羊是怀孕的母羊，却不见小羊，而在青藏铁路通车的那个季节，照理是应该有小羊的。今年，这张照片在北京地铁公开展出之后，更多的破绽被揪了出来，比如两张照片的拼接线清晰可见。于是，人们公开提出了质疑。事发后，这张照片的炮制者刘为强被他所在的大庆晚报社解聘，而该报总编亦引咎辞职。中国官方新闻机构公开致歉，并保证从数据库中删除刘为强拍摄的所有照片。

    同其他许多臭名昭著的照片伪造事件一样，在这个弄虚作假的案例中，一些高度警觉的人仔细观察，找出了这样或那样的破绽。然而，在许多情况下，单凭肉眼很难发现作弊的蛛丝马迹，因此我们需要基于计算机的更加专业的方法——数字图像鉴定术。

    常有新闻媒体、执法部门、法院及公民个人委托我鉴别图片的真伪。每张待鉴定的照片都向我提出了新的、不同以往的挑战，需要采用不同的办法来解决。我曾通过检测光线来寻找破绽，最终发现一张两人合影是由他们各自的照片拼合而成；拿到一张别人上传到网上参加钓鱼竞赛的照片，我就会查找照片是否存在因缩放操作而产生的像素伪迹；对于一幅在软件所有权争议中作为证据的屏幕截图，由于发现 JPEG 压缩（一种标准的数据格式）存在不一致的漏洞，我断定有人在其中做了手脚。

    上述例子表明，图片种类繁多，弄虚作假的伎俩也五花八门，因此图像鉴定需要用到多种多样的工具。过去5年中，我、我的同事、学生和一群目前人数尚少却在不断增加的研究人员，已经研究出多种方法来揭露数字图片中的造假行径。在开发每一种工具时，我们的第一步，便是弄清一幅图片有哪些统计特性或几何特性会受到某种具体作弊手法的干扰及破坏；第二步则是编制一套数学算法来找出这些破绽。下面几页的插图及说明，介绍了5种取证分析技巧。

    照片真实与否，可以决定一个人会不会遭受牢狱之灾，或者鉴定出最新宣布的科学发现究竟是革命性进展、还是一场让整个领域蒙羞的骗局。伪造的照片还可以左右选举结果：在1950 年美国大选期间，一张米勒德·E· 泰丁斯（Millard E. Tydings） 参议员与美国GCD（American Communist Party）领导人厄尔·白劳德（Earl Browder）交谈的照片被曝光，泰丁斯因此在竞选中落败，后来人们怀疑这张照片是被修改过的。近几年的政治宣传广告中，作伪照片的案例更是层出不穷。 2004 年初，有人在互联网上发布了一幅伪造的剪报，刻意显示民主党总统候选人约翰·克里（John Kerry）在20 世纪70 年代一次反越战活动中同美国著名女星简·方达（Jane Fonda）站在同一台上。因此，现在我们比以往更加有必要知道，什么时候才能够“眼见为实”。

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明暗问题

    从不同的照片上截取所需图像，合成一张新照片时，由于拍摄时光线条件不同，不同照片上的人或物会存在细微差别。但肉眼往往很难觉察这些差异。


    在上面这张照片中，照射到JC的光源方向与照射鸭子的光源方向不符（箭头所示）。但我们还需要分析其他一些东西，才能确定鸭子是被添加到这张照片上去的。

    由于眼睛的形状是高度一致的，因此眼睛对于评估一张照片是否被修改非常关键。在分析图示照片时，我们的研究团队能够估算出相对于照片中每个人或物体的光源方向。这一方法基于一个简单的事实：照射到某个表面上的光线多少，取决于该表面与光源的相对方向。例如，一个球体面向光源的一侧被照得最亮，而背向光源一侧则最暗；整个球面上的光照随着球面与光线方向之间夹角的变化由明到暗逐渐过渡。

    为了推导出光源的方向，必须知道表面的局部取向。但对于照片中的某个物体来说，大多数部位的取向很难确定。唯一的例外是表面轮廓，在这个位置上局部取向与轮廓线垂直（左图中红色箭头所示）。只要测量轮廓上若干点处的亮度和取向，就可以估算出光源的方向。




（原图）

    开篇提问的答案：镜面高光的不一致（下）显示骑在前面的两位车手并不是一起被拍摄到这张照片中的。女孩面部所显示的光源方向与“她”的身体及其他几位车手所显示的光源方向（箭头所示）完全不同。而被塞进照片中的那个消防栓则是另一个光源方向。克隆的树丛、草地及道路边缘遮盖了背景中的车手①。通过分析哪些像素的相关性受到破坏，或许可以发现几处徽标被抹掉了②，女孩戴的头盔也是伪造的③，只是把旁边那位男车手的头盔复制过来改变了颜色而已。