相機閃光燈在照片中的投影特點及其在圖像檢驗中應用的研究

張文　劉思君　陳春濤

【摘 要】關于數碼照片來源設備的確認，目前主要有基于數碼照片EXIF信息的方法，基于相機傳感器固定噪聲的方法、利用相機鏡頭像差的方法等。這些方法雖能在一定程度上解決問題，但各自也存在相應的缺陷。如EXIF信息容易修改，提取相機固定噪聲需要大量出自同一相機的照片，許多種類相機（如單反、微單相機）的鏡頭可以更換等。因此有必要進一步豐富相關檢驗的技術手段。不同品牌或型號的相機，其閃光燈相對于鏡頭的位置各不相同。這種位置差異會造成拍攝時照片上所形成的陰影和亮點的位置差異。這實際就是該種品牌或型號相機的一個種類特征。在實驗過程中，實驗人員運用三臺具有典型性的相機進行對照實驗，在定性實驗中，分別設置不同的情境，通過多次重復的實驗后，發現了閃光燈相對于鏡頭的位置的差異所造成拍攝時照片上所形成的陰影和亮點的位置差異是不會因拍攝條件的改變而改變的。因而，研究相機閃光燈在照片中的投影特點，可以保證影像證據的合法性、證明影像證據的真實性、提升影像證據的關聯性，最大限度的發揮影像證據的價值，對刑事偵查中證據的合法性的確認具有重大意義。

【關鍵詞】圖像檢驗；閃光燈投影；相似三角形

0 引言

隨著人們生活水平的不斷提高、工業技術的快速發展和計算機技術的廣泛普及，圖像日益深入人心，讀圖已經成為我們生活中不可避免的傳播符號和方式。數碼相機和具有強大拍照功能的智能手機已成為人們必備的消費電子產品。人們可以使用智能手機隨時隨地拍攝照片，并通過社交網站、微博、微信等方式發布在網絡上。相機、手機的普及，圖像處理技術的運用，對圖像的內容進行增減、挪位等已經變得十分簡單。在光線較暗的環境拍攝照片時，人們經常使用閃光燈來增強光照。閃光燈是最常用的人工攝影光源，不同品牌或型號的相機，其閃光燈相對于鏡頭的位置各不相同。這種位置差異會造成拍攝時照片上所形成的陰影的位置差異。對于司法檢驗來說，這就是具有重要意義的特征。目前還沒有公開發表的的學術文獻對這一特征展開系統研究。同時，數字圖像技術正逐步滲入刑事攝影領域，并在偵破各類刑事案件中，發揮了揭露犯罪、證實犯罪和打擊犯罪的巨大作用。

不同品牌或型號的相機，其閃光燈相對于鏡頭的位置各不相同。這種位置差異會造成拍攝時照片上所形成的陰影的位置差異。這實際就是該種品牌或型號相機的一個種類特征。因此，進行拍攝實驗，分析不同相機閃光燈攝影照片的投影分布特點，通過分析計算總結其規律，并探究利用該規律進行數碼照片來源設備確認及圖像偽造篡改檢驗的可行性和具體方法。

1 實驗器材和方法

1.1 實驗裝置

尼康D7100相機，鏡頭：適馬17-50mm 1：2.8 EX HSM。內置閃光燈。

佳能EOS 700D相機，鏡頭：佳能EFS18-55mm。內置閃光燈。

佳能EOS M3 相機，鏡頭：佳能 18-55mm。外置閃光燈：佳能90EX。

尼康CTX560三腳架。

Adobe Photoshop CS6軟件。

光影魔術手軟件。

1.2 實驗方法

利用三臺相機和其相應的內置閃光燈、外置閃光燈，分別進行定性分析和定量分析。定性分析通過成像畫面中心位置與反光中心點、物體拍攝時形成的投影分布情況，對三臺相機的閃光燈在照片中的投影特點進行歸納。定量分析通過相機對固定位置處的光滑球體進行拍攝，根據球面的反光以及所形成的投影判定光照方向。并根據美國達特茅斯學院計算機科學教授Hany Farid所提出的分析原理（相似三角形原理構想）進行計算。

實驗中所有的拍攝均使用閃光燈，所有相機的拍攝均用Av檔（即程光圈優先模式）進行拍攝，ISO均設置為100。拍攝地點在室內，光照來源均為閃光燈和日光燈。

2 實驗內容

2.1 定性實驗

1）對一定距離的黑墻拍攝，看不同相機閃光燈（含外接閃光燈）中心反光點與畫面中心位置的聯系與區別。

實驗步驟：

（1）距墻3m，相機高度1.65m；

（2）三臺相機，焦距定為50mm，對焦在墻面上，光圈優先模式，分別開閃光進行拍攝。

2）對標準物（桿狀），在一定距離上拍攝，看不同相機（閃光）拍攝時投影在地面上的分布情況。

實驗步驟：

（1）掃帚豎直放置（距墻1m），相機距墻3m（相機高度為1m）。掃帚相機連線垂直于墻面；

（2）三臺相機，焦距定為50mm，對焦在掃帚上，光圈優先模式，分別開閃光進行拍攝。

3）閃光拍攝光滑球體，看其反光點的情況（位置、形狀、大小）。

實驗步驟：

（1）光滑球體放置于桌面上（距墻0.5m），相機距墻3m（相機高度為1.5m）。球體相機連線垂直于墻面；

（2）三臺相機，焦距定為50mm，對焦在光滑球體上，光圈優先模式，分別開閃光進行拍攝。

4）相距一定距離拍攝人物，觀察眼球反光情況，頭頸在地面的投影情況。

實驗步驟：

（1）人（1.71m）以墻為背景，距離墻1.5m，相機距墻3m（相機高為1.2m）。人與相機的連線垂直于墻面；

（2）兩臺相機（尼康D7100和佳能700D）*（外置閃光燈在拍攝人體距離太近的情況下沒有現實意義，所以不在實驗范圍內），焦距定為50mm，對焦在人眼睛上，光圈優先模式，分別開閃光進行拍攝。

2.2 定量分析：以光滑球體為被攝物

實驗設置：

1）固定光滑球體的位置，設置好拍攝距離、球和墻的間距；

2）固定拍攝距離，分別使用三臺相機進行拍攝。

實驗步驟：

1）光滑球體放置于板凳（高42.0cm）上，距墻面42.0cm，相機（高42.0cm）距墻150.0cm。球體與相機的連線垂直于墻面；

2）三臺相機，焦距定為50mm，對焦在球體中心上，光圈優先模式，分別開閃光進行拍攝；

3）對三個畫面中的不同投影進行計算。

3 實驗結果討論與初步運用

實驗結果分析：

（1）三個相機的反光中心點與畫面中心點均不在一點上，其中佳能M3因為是外接閃光燈，相距最大；佳能700D和尼康D7100相距較小，但相比之下佳能700D點相距更小。

（2）反光中心點都在畫面中心點的正上方。

2）對標準物（桿狀），在一定距離上拍攝，看不同相機（閃光）拍攝時投影在地面上的分布情況（見圖2）。

實驗結果分析：

（1）桿子在背景上形成的投影符合鏡頭成像的規律，利用相似三角形的計算原理得出的數值與實際實驗所得數據相差在合理范圍內。

（2）佳能M3因為是外接閃光燈，光量較大，陰影處的反差先對較小。佳能700D和尼康D7100的成像基本符合。但是，桿子上形成的反光中心點上有差異，尼康D7100的更聚集更亮。

3）閃光拍攝光滑球體，看其反光點的情況（位置、形狀、大小）（見圖3）。

實驗結果分析：

在此實驗條件設置下，佳能M3的投影最長，因為是外接閃光燈，光量較大，陰影處的反差先對較小，其閃光中心點距畫面中心點的距離最近。佳能700D和尼康D7100的成像基本符合，但是，水杯上形成的反光中心點上有差異，尼康D7100的更聚集更亮。

4）相距一定距離拍攝人物，觀察眼球反光情況（見圖4）。

實驗結果分析：

在此實驗設置下，兩圖中的閃光燈亮點均在眼球上部，但尼康D7100內置閃光燈在眼球上所形成的亮點形狀近似于銳角三角形，佳能700D內置閃光燈在眼球上所形成的亮點近似于圓形。且，尼康D7100的亮點面積稍小，佳能700D的亮點面積稍大。

在上述實驗中，我們可以發現，不同的相機因為其閃光燈與鏡頭相對位置的差異而引起的成像畫面中的閃光燈亮點與畫面中心的位置的差異是由相機本身決定而不是攝影角度、被攝物體所決定的。所以，通過對相機閃光燈位置差異的研究可以倒推處照片是否為同一相機所拍攝，也可以根據照片中陰影和亮點的位置來推斷拍攝相機的型號。根據美國達特茅斯學院計算機科學教授Hany Farid曾在他的個人博客中提出過基于閃光燈投影進行圖像檢驗的設想中提到的相似三角形原理的構想，對拍攝照片進行定量計算，提高研究的準確性。

4 實驗結論

在實驗過程中，實驗人員運用了尼康、佳能單反和佳能微單，分別對應運用內置閃光燈和外置閃光燈，選取的實驗設備具有典型性和差異性，拍攝以相機內的全局平均測光、光圈優先模式進行拍攝，在曝光正確的基礎上，對閃光燈在成像照片中形成的亮點和陰影的分析是具有科學性和穩定性的，所以通過對閃光燈的研究是可以正確真實的判定照片的真偽和認定照片是否為同一相機所拍攝。

根據教授Hany Farid提出的理論我們在把具象的圖片轉化為抽象的數據時，運用相似三角形理論可以將理論與實踐結合起來，從而相互印證。在圖像檢驗中，相機閃光燈攝影照片的投影分布特點，通過分析計算總結其規律，并探究利用該規律進行數碼照片來源設備確認及圖像偽造篡改檢驗，是可行且科學的。

【參考文獻】

[1]倪前兵.圖像證據的合法性[C].江蘇警官學院院報，2002（9）.

[2]黎智輝，許小京，王永強，李志剛.影像證據探討[J].2015（2）.

[3]汪茜，張潔.圖像符號的特征及圖像閱讀的意義[z].2005（1）.

[責任編輯：楊玉潔]