利用圖像增強處理過程中直方圖變化規律檢驗圖像真偽性

劉皓 中國刑事警察學院

一、數字圖像直方圖概述

灰度直方圖是關于灰度級分布的函數，是對圖像中灰度級分布的統計。灰度直方圖是將數字圖像中的所有像素，按照灰度值的大小，統計其所出現的頻度。直方圖可用于判斷圖像量化時數字化參數是否恰當、在圖像的閥值分割技術中選取圖像邊界閥值、均衡化和規定化增強圖像等應用領域。直方圖的統計數據包括：平均值、中間值和標準偏差。在數字圖像處理過程中，正常情況下圖像直方圖是一條連續而平滑的曲線，當對圖像進行調整時，這條曲線就會發生變化，出現規則的不連續。

二、數字圖像增強

圖像增強是數字圖像處理的重要組成部分，傳統的圖像增強方法對于改善圖像質量發揮了其重要作用。圖像增強方法基本可以分為空域圖像增強方法和頻域圖像增強方法兩大類，如圖1所示：

由于本文主要研究數字圖像處理前后圖像直方圖參數的變化，所以對圖像亮度調整，圖像對比度增強、圖像飽和度增強，調整圖像曝光度等直接對圖像直方圖操作的圖像增強方法不做細致研究，只研究圖像平滑和圖像銳化操作對圖像直方圖參數所產生的影響。

（一）平滑圖像增強

實際獲得的圖像一般都因受到某種干擾而含有噪聲。引起噪聲的原因有敏感元件的內部噪聲、相片底片上感光材料的顆粒、傳輸通道的干擾及量化噪聲等。噪聲產生的原因決定了噪聲的分布特性及它和圖像信號的關系。根據噪聲服從的分布對其進行分類，這時可以分為高斯噪聲、泊松噪聲和顆粒噪聲等。圖像平滑技術主要用于平滑圖像中的噪聲。平滑噪聲在空間域中進行，其基本方法是求像素灰度的平均值或中值。為了既平滑噪聲又保護圖像信號，也有一些改進的技術，比如在頻域中運用低通濾波技術。由于噪聲的隨機性，它們對像素的影響將使得該像素的灰度與其鄰點的灰度顯著不同，常見的平滑圖像增強方法包括：線性濾波、中值濾波、自適應濾波。

（二）銳化圖像增強

圖像在傳輸和轉換過程中，通常質量都要降低，除了噪聲因素外，圖像一般都要變得模糊。這主要是因為圖像的傳輸或轉換系統的傳遞函數對高頻成分的衰減作用，造成圖像的細節輪廓不清晰。圖像銳化的作用就是補償圖像的輪廓，使圖像較清晰，實現方法包梯度算子和拉氏算子圖像銳化。

三、直方圖在圖像增強過程中的變化規律研究

本組實驗主要研究原始圖像在增強過程中，包括圖像平滑和圖像銳化，圖像在被處理前后，直方圖參數所表現出來的變化現象，利用多組實驗，統計出直方圖參數的變化規律。具體的實驗過程如下：

1．用相機在室內外，對不同對象采用相同分辨率，運用全自動拍照模式獲取實驗素材50組（室內、室外各25組）。

2．對實驗素材通過Image-Pro Plus軟件進行平滑和銳化，具體操作包括圖像中值濾波和銳化，比較分析圖像處理前后直方圖的參數變化規律。

3．根據直方圖參數統計結果，繪制直方圖平均值和標準偏差的變化曲線。由于圖像增強操作對圖像直方圖參數變化的影響較小，為了更好的繪制變化曲線圖總結參數變化規律，本實驗將變化前后的參數做差值，然后再擴大100倍，根據差值的變化，繪制變化曲線。

4．統計分析實驗結果。

（一）圖像中值濾波操作結果分析

1．實驗過程

應用Image-Pro Plus軟件對50組實驗素材應用矩陣模板進行中值濾波，之后再對處理后的圖像繼續進行濾波，重復5次。此操作通過修改與周圍像素明顯不同的像素點的強度來平滑圖像。它是通過將整個鄰域像素強度的中值賦給中心點來實現的，比較5次操作前后圖像直方圖變化結果。

2．實驗結果

以室內25張原始圖像為素材，中值濾波后直方圖平均值和標準偏差實驗結果如圖2和圖3所示：

繪制室內25張圖像在中值濾波前后直方圖平均值和標準偏差的變化曲線如圖4所示：

按照同樣方法，繪制室外25張圖像在中值濾波前后直方圖平均值和標準偏差的變化曲線如圖5所示：

3．實驗結果分析

（1）在對室內和室外50組圖像中值濾波后，直方圖平均值呈規律性變化，對原始圖像第一次中值濾波后，圖像直方圖平均值小幅增加，再對濾波后圖像逐級進行濾波后，平均值逐漸降低，而且減少幅度逐漸增加。

（2）直方圖標準偏差變化規律：在對原始圖像第一次濾波后，標準偏差沒有明顯的變化規律，小幅的增加和減少現象都有出現，但在對濾波后圖像進行第二次濾波后，標準偏差都呈大幅度的減少趨勢，而且減少幅度逐漸增加。

（3）通過比較室內和室外的曲線圖發現，室內外直方圖參數變化規律基本相同，曲線的走向一致，但是室外圖像直方圖參數變化范圍和曲線斜率變化明顯大于室內。

（二）圖像銳化操作結果分析

按照圖像平滑實驗流程進行操作，對圖像進行銳化增強，所得的實驗結果如下：

1．在對室內25組圖像銳化后，直方圖平均值呈先減小后增大的變化趨勢，對圖像分別第一次、第二次后，圖像直方圖平均值相應減小，再進行第三次銳化后圖像直方圖平均值曲線出現拐點，平均值開始逐漸增加。在對室外25組圖像進行第一次和第二次銳化后，圖像平均值和室內結果相符，都呈減小趨勢，但是在第三次銳化后，由于室外光線條件復雜，對圖像亮度變化影響較大，圖像直方圖曲線沒有明顯變化規律。

2．直方圖標準偏差變化規律，在對原始圖像銳化后，標準偏差呈現規律性變化，在室內和室外標準偏差都是先增大后減小的變化趨勢，由于標準偏差指的是圖像中亮值間的偏差，其數值的大小，與圖像對比度的變化一致，如果圖像對比度小，反差不大，則標準偏差值低。對圖像進行一次和兩次銳化后，增加了圖像的細節信息，使圖像邊緣輪廓更加明顯，所以圖像的對比度可以得到相應的增強，但隨著銳化次數的增加，圖像大面積被細節化，對比度隨即減小，所以標準偏差呈現先增大后減小的變化趨勢。

3．同圖像中值濾波實驗一致，室外由于光線的變化，圖像直方圖參數變化范圍和曲線斜率變化明顯大于室內。

四、圖像增強實驗測試

1．實驗步驟：一是確定圖像的敏感部分，如人物頭像、文字、物體連接處等細節；二是根據可疑部分的實際情況分別進行中值濾波和銳化的圖像增強處理實驗；三是查看圖像直方圖參數是否符合實驗規律。

2．從實驗數據里隨機選取5組原始圖像，利用PHOTOSHOP CS4對其進行模糊、平滑、銳化等簡單處理，對處理后圖像進行中值濾波實驗，所得平均值及標準偏差實驗結果如圖6所示：

繪制5組測試圖像中值濾波前后直方圖平均值和標準偏差變化曲線如圖7所示：

從上圖曲線數據可知，對非原始圖像進行圖像中值濾波實驗，無論是直方圖平均值參數，還是標準偏差參數，都不符合實驗規律，可判定，上述5組圖像為偽造圖像。

3．應用PHOTOSHOP CS4軟件對原始數字圖像做常用的處理，如對兩張照片更換頭像，在處理過程中，一定對原始圖像進行了平滑，模糊等操作，按照圖像增強實驗過程，對處理后的圖像進行操作，統計直方圖參數，查看是否符合實驗規律，從而判斷圖像真偽。待檢驗圖像如圖8和圖9所示：

4．另外分別選取兩幅圖像頸部的懷疑被篡改的部分，并進行灰度化，如圖10和圖11所示，按照圖像增強實驗過程對上述兩幅圖像進行處理，所得圖像直方圖平均值和標準偏差結果如圖12所示：

5．按照圖像增強實驗統計的直方圖參數變化規律，圖11的平均值參數變化與實驗明顯不符合，可判斷圖11為偽造圖像。

五、結論

本論文通過百余張照片的千余組實驗，通過分析實驗數據，繪制相關的圖表，得出利用圖像增強處理過程中直方圖參數變化規律來判斷數字圖像真偽的檢驗方法結論。此規律可以作為一種輔助手段與別的檢測手段一起檢測圖像是否經過了篡改。同時通過比較室內和室外的曲線圖發現，室內外直方圖參數變化規律基本相同，曲線的走向一致，但由于室外光線條件變化復雜，室外圖像直方圖參數變化范圍和曲線斜率變化明顯大于室內。

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