《基于robert-边缘检测算子的图像盲取证技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于robert-边缘检测算子的图像盲取证技术（15页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、成人高等教育毕 业 论 文（设 计）题 目：基于 Robert 边缘检测算子的图像盲取证技术完 成 人：专 业：计算机科学与技术年级层次：2012 级专升本指导教师：完成时间：河北科技师范学院继续教育学院制基于 Robert 边缘检测算子的图像盲取证技术河北科技师范学院计算机科学与技术专业 2012 级 摘要:当今社会中，随着计算机及多媒体技术的快速发展和日趋完善,社会已经进入了以数字图像为中心的数字文化时代,然而由于 Pohtoshop、ACDSee 等专业数字图像处理软件的广泛使用,对数字图像的篡改也变的越来越容易。频频出现由于数字图像篡改而引发的新闻事件、法律案件，不管是有意的还是无意的
2、篡改，都或多或少地给社会和人们的日常生活带来诸多不便，甚至产生严重的后果，这就需要我们研究出一种有效的图像取证技术来检测数字图像的真实性。本文主要研究最常见的图像篡改方法，即复制-粘贴篡改方法。通过数字图像自身的属性，利用 Robert 边缘检测算子与阈值分割技术的结合的方法，采用 VC+6.0 编程实现，来对图像的真实性进行有效的检测。关键词：盲取证，边缘检测 ，Robert 算子，阈值分割1 绪论伴随着计算机技术以及多媒体技术的快速发展，数字图像的篡改现象也变得十分普遍，被篡改的数字图像如果被恶意使用和传播，那将会对社会的政治、经济、文化的发展以及社会的和谐稳定产生负面的影响，因此，当前社
3、会迫切需要数字图像的取证技术对各类被质疑的图像和照片的真实性进行有效的检测。1.1 研究的背景及意义 在过去，人们使用胶卷来实现对照片的篡改，但篡改过程比较繁琐而且还需要专业的技能和一些附加条件如暗室、特殊的开发人员，相纸等。如今，由于多功能的数码相机以及功能强大的数字图像处理软件的大量涌现，使得数字图像的篡改变得简单而且频繁。2008 年，伊朗革命卫队网站对伊朗发射导弹的照片进行了拼接修改。从下面的照片图 1.1中可以看出右图中被标记出的那两枚导弹激起的灰尘形状是一样，所以，该照片给当时的伊朗带来了许多质疑声，有关人员对该图进行了检查，后来证实该图被处理过。2010 年，在埃及， 金字塔报上
4、曾刊登了一期中东领导人和谈时几个领导人走红地毯的图像（图1.2右为刊登图，及篡改图，图1.2左为原图)，从原图中可以看到美国总统奥巴马位置略微靠前，而在篡改图中，埃及总统穆巴拉克位置由原图最右边的位置移至篡改图的最前方，让人们误以为埃及才是和谈的主导力量。图 1.1 伊朗导弹齐射图片，左图为原图，右图为篡改图，照片显示，左图中第四颗导弹还处在发射位置，右图中则显示为升空状态。图 1.2 埃及报纸修改中东和谈领导人图片，将穆巴拉克变成“领头人”左图为原图，右图为篡改图篡改图像不仅仅只有以上几个例子，仅通过上面这几个篡改和伪造图像的例子，我们就可以发现，如果篡改不能被有效的检测出来，势必会对国家乃
5、至世界的政治、经济、军事以及外交的正常秩序造成严重的后果，因此，对图像真实性的鉴别在社会的诸多领域里都引起了人们的极大关注。现如今，我们迫切的需要研究出一种新的技术来解决这个问题。因此，数字图像盲取证技术应运而生，可以帮助人们处理一些这方面的问题。数字图像盲取证的理论以及技术的研究引起了人们的重视，它可以帮助人们解决一些与图像相关的法律纠纷、政治问题等。但是就目前来看，这方面的研究在国内外还处于探索的阶段，具有很好的发展前景。1.2 数字图像的取证技术数字图像的取证技术是指对数字图像进行分析、鉴别和认证，判断其是否经过人为的伪造、篡改和隐密，目前，数字图像取证技术主要包括两大类，即主动取证技术
6、和被动取证技术（也称为盲取证技术） ，它们都可以实现对数字图像的真实性和完整性的鉴别，但其检测原理和方法是有区别的，各自的适用范围也不同。1.2.1 数字图像的主动取证技术数字图像的主动取证技术是指在数字图像成像的时候添加数字水印或数字签名等附加信息，在取证过程中对嵌入附加信息进行完整性验证，来判断图像是否被篡改，这种技术主要包括以鲁棒数字水印为代表的防伪技术，以脆弱数字水印为代表的防篡改技术，以及以数字签名、数字指纹为代表的认证技术。但是，图像主动取证技术在现实生活中还是不太理想，主要包括以下几点：（1） 图像嵌入的附加信息要求具有不轻易被破坏的能力;（2） 嵌入数字水印、数字签名以及数字指
7、纹等附加信息会影响图像的质量; （3） 附加信息需要三方的配合，才可以确保它是有用信息; （4） 就目前而言，数码相机市场上大多数的数码相机都不支持在成像时嵌入数字水印、数字签名等附加信息，只有极少数的高端数码相机才支持，而且算法体系也不统一，所以实用性不高。1.2.2 数字图像的被动取证技术与数字图像主动取证技术相比，数字图像的盲取证技术渐渐显现出它的优势，这里之所以称之为盲，指的是不依赖于任何数字水印、数字签名等附加信息，只需要取证图像的参与即可完成对数字图像真实性和完整性的认证，数字图像盲取证技术直接根据待取证图像本身，即实现对图像的真伪以及来源的鉴别，无需对数字图像进行任何预处理，它相
8、对于数字图像的主动取证技术来说，具有实用性更高，应用价值更强的特点。1.3 数字图像边缘检测概述 1.3.1 数字图像的格式分类数字图像的格式主要包括：BMP 格式、JPEG 格式、GIF 格式、PSD 格式、PNG 格式等。现如今，数字图像的类别主要有两种形式，即以点阵形式描述图像的位图和以数学方法描述图像的一种由几何元素组成的描绘类、矢量类以及面向对象的格式 。下面我们主要介绍一下两种具有代表性图像格式：BMP 格式和 JPEG 格式。“BMP 格式是一种与硬件设备无关的位图格式，未经过压缩，使用非常广范，典型的 BMP图像文件由三部分组成：位图文件头数据结构，位图信息数据结构，以及定义颜
9、色等信息。JPEG 格式也是应用最广泛的图像格式之一，它采用一种特殊的有损压缩算法，将不易被人眼察觉的图像颜色删除，从而达到较大的压缩比，一般可达到 2:1 甚至是 40:1，因为 JPEG 格式的文件尺寸较小下载速度快，所以是互联网上使用最广泛的图像格式。 ” 由于在 Windows 环境中运行的图形图像软件都支持 BMP 图像格式，以及精确地突显边缘，因此，本文研究的图像格式采用未经压缩的位图格式BMP 格式。1.3.2 边缘检测技术边缘是图像的最基本的特征，它说得是图像中周围的像素灰度有阶跃性变化或山顶状变化的那些像素的集合，它具有幅度和方向两个基本特征，平行于边缘走向，像素灰度变化比较
10、平缓；垂直于边缘走向，像素灰度变化剧烈。图像边缘对于图像的识别以及计算机分析等都有很大的用处，本质上来说图像的边缘是对图像局部特性不连续性如纹理结构的突变、灰度的突变、颜色的突变等的反映，由于 标志着一个区域的终结，另一个区域的开始，因此它可以用来分割图像。图像噪声是指图像中各种妨碍人们对图像信息接收的那些因素。 所有基于边界分割的图像分析方法的都要用到边缘检测技术。该技术首先要对图像某一小块区域特性的间断性进行检测，接着再将它们重新连接成边界，把不同的区域区分开来。此时，那些边缘被检测出来的图像，要进一步地进行形状的分析和特征的提取。为了比较确切地提取边缘，研究者们已经研究出很多边缘检测算子
11、以及一些改进的算子 。但各个算子都有自己的优缺点和适用的领域。本文着重对 Robert 边缘检测算子进行理论分析以及结果验证。但是，边缘检测算子检测出的边缘并不一定是准确的。 1.3.3 边缘检测的分类概述通常用一阶或两阶导数来检测边缘，如下图所示。不同的是一阶导数认为最大值对应边缘位置，而二阶导数则用零点对应边缘的位置。 （1.3）图像灰度变化 （1.4）一阶导数 （1.5）二阶导数传统的边缘检测算子有基于一阶导数 Robert 算子、Prewitt 算子、Sobel 算子等，基于二阶导数的 Laplacian（拉普拉斯）算子、LOG（高斯拉普拉斯）算子等。每种算子都有各自的特点，下面仅简单
12、介绍前三种算子的特点。Robert 算子可以比较准确地对定位图像边缘，它检测水平和垂直边缘的效果要比斜向边缘的效果好一些，但是该算子对噪声比较敏感，常用来处理那些边缘明显且噪声较少的图像分割。它是一种利用局部差分算子寻找边缘的算子。Prewitt 算子可以有效地消除一些噪声，消除噪声的原理是计算像素的平均灰度值，但是这就相当于对图像进行了低通滤波，因此 Prewitt 算子相对于 Robert 算子对边缘的定位略微显得要差些。Sobel 算子和 Prewitt 算子原理差不多，但是在 Sobel 算子中，距离不同的像素具有不同的权值，换句话说就是邻域的像素对当前像素会产生不同的影响，所以，对算
13、子的结果也会产生不同的影响，距离远的产生的影响会比较小。2 基于 Robert 算子的边缘检测的实现2.1 Robert 算子简介边缘检测的实质是：采用某种算子在图像中提取出目标区域与背景间的交界线，将边缘定义为图像灰度发生急剧性变化的那些区域边界。边缘检测图像灰度分布的梯度决定了图像灰度的变化程度。梯度对应的是一阶导数的信息，梯度算子是一阶导数算子。梯度算子效果最好时出现在图像的噪声和模糊处理程度较小，边缘的灰度值相差较大的情况下。对一个连续的图像 ，可以用矢量表示像素点 处的梯度表示为：.(2.1)yxfFyxf ),(),(其中 和 分别来表示 沿着 方向和 方向的梯度。就目前来看，基于
14、微分的边缘检测算子应用比较多，梯度算子就是其中的一种重要的检测算法，而 Robert 算子是梯度算子的一种，而许多结果也显示，用 Robert 梯度检测边缘比较好。因此，本论文主要研究 Robert 算子，来实现合成图像的盲取证。图像边缘梯度值以及梯度方向的计算公式如（2.2）式和（2.3）式所示：.（2.2）12 2(,)(,)(,)(,)(,)sxyfnyfxfxynfxy（n=1，2，.）.（2.3）1(,)ta(,)(,)/(,)(,)ffff（n=1，2，.） 其中 为图像灰度分布函数， 为图像边缘的梯度值， 为梯度的方向，(,)fxy(,)sxy(,)xy梯度方向是图像灰度值变化变
15、化最快的方向。Robert 算子采用的是对角方向相邻的两个像素的差值，故也称为四点差分法，它是一种通过局部差分的方法来定位边缘的算子，首先通过计算对角线方向相邻两个像素的差值来近似代表梯度幅值，然后再选取合适的阈值来提取边缘。将（2.2）式改写为：.（2.4）)1,(),1(),1(),(),(F yxfxfyxfyfx和.（2.5）22)1,(),1(),1(),(),(F yxfxfyxfyfyx其中 表示点 处像素的灰度值，则（2.4）式是 Robert 边缘检测算子的差（,（,分形式， （2.5）式是其一阶偏导（微分）的形式，事实上，现在计算机处理的图像大部分是数字图像，在数字图像领域中，根据实际的情况判断应该使用差分还是微分。上述算子对应两个模板，如（2.6）式所示。在实际应用当中，图像中的每个像素点利用这两个模板进行卷2积运算。.（2.6）10102.2 阈值分割阈值也就是临界值，在数字图像处理中阈值就是基于图片亮度的
