论文摘要：基于优化的数字图像反取证技术

不断更新换代的数字相机和强大的数字图像编辑软件极大地降低了图像篡改的难度。在互联网这个信息高速传播的平台上，恶意篡改图像一经发布，就会快速扩散，可能会给个人或者社会带来不良的影响甚至引起重大的经济损失。数字图像取证正是在这种背景下提出来的一种对数字图像进行保护和认证的技术。与数字图像水印技术相比，数字图像取证不需要事先向图像中嵌入认证信息，仅通过对图像本身进行分析即可判断图像是否经过修改。与数字图像取证相对应的技术是数字图像反取证，其目标是在保持一个较高的图像质量的同时，隐藏图像修改造成的不自然痕迹，使处理后图像不被取证方法检查出来。数字图像反取证技术研究现有取证技术的弱点，为可靠的数字图像取证技术的发展提供支持。

本论文主要站在反取证的角度上，对三个数字图像反取证问题进行了深入的研究：JPEG压缩、中值滤波和光照环境。此外，本文还提出一个基于3D光照环境的图像取证方法。论文的主要工作如下：

1. 基于总变差“块效应”去除算法的JPEG反取证算法BTVJ。JPEG反取证的目标是去除JPEG压缩在图像中留下的不自然痕迹。然而，存在JPEG取证检测器可以检查出图像是否经过JPEG压缩或者JPEG反取证处理。本文将JPEG图像“块效应”去除问题公式化为一个由总变差项和“块效应”测量项组成的价值函数，JPEG反取证图像可以通过优化该函数得到。在保持一个较高的图像质量的条件下，BTVJ算法可以提高JPEG反取证图像的取证不可检测性，并且能够在去除“块效应”压缩痕迹的同时，达到迷惑其他高级的JPEG取证检测器的目的。另外，通过优化一个特征价值函数，基于图像校准的JPEG取证检测器也被击败了。实验表明，BTVJ算法在反取证图像的取证不可检测性和图像质量上均优于现有的JPEG反取证算法。

2. 基于改进的DCT直方图平滑算法的JPEG反取证算法DHSJ。这部分工作是在上文提出的基于总变差“块效应”去除算法的JPEG反取证算法的基础之上完成的。基于总变差的“块效应”去除方法可以恢复JPEG图像中部分DCT信息。根据这些信息，本文建立了一个用于DCT直方图平滑的自适应局部抖动信号添加模型。接下来，通过求解一个简化的分配问题，算法对图像进行视觉感知的DCT直方图匹配。其中，分配问题最小化的价值函数为DCT系数修改在图像空域引起的总视觉感知质量丢失。最后，“块效应”的二次去除和图像去校准操作成功地将JPEG反取证图像的检测器输出降低到正常水平。与BTVJ算法相比，改进的JPEG反取证算法DHSJ可以取得更好的取证不可检测性和图像质量之间的平衡。此外，本文还通过实验验证了将DHSJ算法应用于双重JPEG压缩场景中的可能性。

3. 基于图像反卷积的中值滤波反取证算法DCMF。中值滤波是一个常见的图像去噪和平滑操作，也被研究者们用于掩盖图像重采样和JPEG压缩痕迹。为了进行中值滤波反取证，本文提出一个基于图像变分反卷积的优化问题，它包含一个卷积项、一个相对于中值滤波图像的图像保真度项和一个图像先验模型项。其中第一项主要用于近似中值滤波过程；第二项可以使处理后图像仍然保留部分中值滤波的去噪或者隐藏其他图像处理操作痕迹的效果；最后一项使用广义Gauss分布对像素差值进行建模，可以调整处理后图像的像素差值分布。在一定的参数设置下，该框架可以被用作一种中值滤波图像后处理方法，本文通过被椒盐噪声污染的图像上的实验证明了算法的有效性。在使用另外一个参数设置和额外的像素值扰动策略的情况下，中值滤波反取证算法DCMF可以取得比现有算法更好的取证不可检测性，以及比中值滤波图像更高的图像质量。此外，实验表明，DCMF算法在掩盖中值滤波本身的痕迹的同时，能够不破坏滤波本身隐藏图像重采样和JPEG压缩痕迹的效果。

4. 基于2D光照环境的反取证L2AFc和L2AFe，以及基于3D光照环境的取证算法L3F。首先，本文提出修改图像中物体边缘部分像素值和建立反取证3D光照环境两种方法用于迷惑基于2D光照环境的取证检测器，指出基于3D光照环境的取证方法更为可靠。与现有的关注特殊形状物体（如人脸）的基于3D光照环境的取证方法不同，本文提出使用从明暗恢复形状方法对普通物体的形状进行3D建模，从而可以估计出用于取证的3D光照环境系数。本文提出的L3F取证方法具有更好的通用性，因为物体的3D形状信息是在没有预先定义形状模型的情况下，从图像中直接提取出来的。

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