（数学专业论文）jpeg误差分析及其在被动取证中的应用.pdf

t p 文摘要 洲ii i ii ii i ii i ii ll flll y 1 7 7 9 314 报告题目 ： j p e g 误差分析及其在被动取证中的应用 博士后：骆伟祺 合作导师：赖剑煌教授，黄继武教授 摘要 近年来，数字图像的应用已经遍及到我们社会的各个领域，如新闻媒体，刑事侦 查，科学研究等等。不同于胶卷图像，我们可以借助于一些功能强大的图像编辑 软件，l ：i a d o b ep h o t o s h o p 、g i m p 等，能够很简单地实现对数字图像的修改、复制 等操作。如今，视觉上难以被察觉的虚假图像越来越多地涌现在我们的面前。因 此，数字图像真伪性的鉴别正面临着十分严峻的挑战，数字多媒体取证的研究领 域也应运而生。 传统的数字图像取证技术需要在媒体数据建立的同时，人为地进行一些预处 理操作，如数字水印的嵌入或数字签名信息的提取等。而在检测端，则需要借助 这些人为附加的信息对被保护的多媒体数据进行取证。然而，在许多实际的情况 下，待检测的图像本身并不含有这些边信息。此时，这些基于数字水印和数字签 名等主动的取证技术均会失效。 一l 一 p o s t d o c t o r a t er e p o r t 最近，国际上提出了一种全新的媒体取证技术，它不需要借助任何辅助信息 就可实现对多媒体数据取证的目的。这种新技术认为：成像设备内部操作及各种 图像后处理均会给自然图像引入一些固有的统计特性。通过提取并分析这些图像 的固有特征，我们可以估计图像的来源及检测图像经过了什么样的处理操作。因 此，这种取证模式是被动的、全盲的。 该报告主要考察了一种应用极为广泛的图像格式一j p e g 图像。通过理论分 析j p e g 压缩过程中所产生的三个主要误差( 包括量化误差，舍入误差及截断误 差) 及它们与j p e g 重压缩及某些空域隐写等操作的关系，提出了一些简单而有效 的方法去解决以下三个数字图像盲取证问题： 1 基于误差分析的j p e g 压缩历史估计。j p e g 图像在某些情况下会 以b i t m a p 格式进行处理或存储。对给定的一幅b i t m a p l 蛩像，我们想估计 它的j p e g 压缩历史：判别它是否经过 7 j p e g 压缩处理，估计j p e g 压缩时所 采用的量化步长和检测量化表。 2 基于量化效应的图像信源编码器估计。除t j p e g 压缩外，还存在许多不 同类型的图像信源编码器，女i j p e g 2 0 0 0 及各式各样的子带编码方式等等。 给定一幅b i t m a p 图像，我们通过分析该图像在各个候选编码器对应变换系数 上的量化特征，欲估计出该b i t m a p 图像之前信源编码器所使用的变换方式及 一些重要的压缩参数。 3 估计j p e gs t e g o s 的秘密信息长度。某些情况下，j p e g 解压后的图像会作 一2 一 巾文摘要 为一些空域隐写算法( 女n l s b 匹配算法等) 的原始载体图像( j p e gc o v e r ) 。 对给定的隐写后图像( j p e gs t e g o s ) ，我们首先检测出该图像之前j p e g 玉, 缩时 所采用的量化表，然后通过分析由于空域隐写所产生的像素变化及考察这 些像素变化与j p e g 重压缩中各类误差的相互关系，进而估计出图像中秘密 信息嵌入的长度。 我们对大量的自然图像进行了测试，实验结果表明：我们方法的性能要优于 现有的相关算法。 关键词：多媒体被动取证，j p e g 压, 缩误差，j p e g 压缩历史，图像信源编码，隐 写容量分析 一3 一 p o s t d o c t o r a t er e p o r t t i t l e：j p e ge r r o ra n a l y s i sa n di t sa p p l i c a t i o n st od i g i t a li m a g ef o r e n s i c s p o s td o c t o r a t e： w e i q il u o s u p e r v i s o r ： p r o f j i a n h u a n gl a i & p r o f j i w uh u a n g a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，d i g i t a li m a g e sh a v eb e c o m ei n c r e a s i n g l yp r e v a l e n t t h r o u g h o u to u rs o c i e t y ，s u c ha sn e w sr e p o r t i n g ，c r i m i n a li n v e s t i g a t i o na n ds c i e n t i f i cr e s e a r c he t c u n l i k e f i l mi m a g e s ，d i g i t a li m a g e sa r ev e r ye a s yt oa c c e s s ，t a m p e rw i t hi n f o r m a t i o na n d d u p l i c a t ew i t ht h eh e l po fv a r i o u ss o p h i s t i c a t e di m a g ee d i t i n gs o f l w a r e s ，e g a d o b ep h o t o s h o pa n dg i m p n o w a d a y s ，m o r ea n dm o r ei m a g ef o r g e r i e sw i t h o u ta n yo b v i o u sv i s u a l c l u e sh a v eb e e nf o u n de v e r y w h e r e t h e r e f o r e ，d i g i t a li m a g ea u t h e n t i f i c a t i o ni sf a c i n ga g r e a tc h a l l e n g e ，a n dt h ef i l e do fd i g i t a lm u l t i m e d i af o r e n s i c sh a sb e e nb o r n c o n v e n t i o n a lf o r e n s i cm e t h o d sn e e ds o m e p r o a c t i v ep r o c e s s i n gs u c ha se m b e d d i n g ad i g i t a lw a t e r m a r ka n d o ra t t a c h i n gad i g i t a ls i g n a t u r ei n t ot h eh o s ti m a g ea tt h et i m e o fd a t ac r e a t i o ni no r d e rt of a c i l i t a t et a m p e r i n gd e t e c t i o na tal a t e rt i m e i nm a n yr e a l f o r e n s i cs c e n a r i o s ，h o w e v e r , t h e r ei sn os u c hs i d ei n f o r m a t i o nw i t h i nt h eq u e s t i o n a b l e d a t aa ta 1 1 t h u st h e s ea c t i v em e t h o d sw i l lf a i li ns u c hs i t u a t i o n s 一4 一 a b s t r a c t r e c e n t l y ，an e wt e c h n i q u eh a sb e e nr e p o r t e dt op r o v i d ef o r e n s i c si n f o r m a t i o no n h o wm u l t i m e d i ad a t ai sa c q u i r e da n dp r o c e s s e dw i t h o u tr e l y i n go na n ya d d i t i o n a li n f o r m a t i o n b ye x t r a c t i n ga n da n a l y z i n gt h o s ei n h e r e n tf e a t u r e si n t r o d u c e db yv a r i o u s m o d u l e si nt h ei m a g i n gd e v i c ea n d o ri m a g ep r o c e s s i n g ，i ti sp o s s i b l et oa n s w e rm a n y f o r e n s i cp r o b l e m s t h e r e f o r e ，t h i sn e wt e c h n i q u ei sp a s s i v ea n dc o m p l e t e l yb l i n d i nt h i sr e p o a ，w em a i n l yi n v e s t i g a t eo n eo ft h ec o m m o n l yu s e di m a g ef o r m a t j p e g i nap a s s i v em a n n e eb yt h e o r e t i c a l l ya n a l y z i n gt h et h r e em a i nc o m p r e s s i o n e r r o r so nj p e g c o m p r e s s i o n ( f 巴q u a n t i z a t i o ne r r o r ，r o u n d i n ge r r o r a n dt r u n c a t i o ne r r o r ) a n dt h er e l a t i o n s h i p st oj p e gr e c o m p r e s s i o na n ds o m ep o s ts p a t i a l b a s e ds t e g a n o g r a p h y o p e r a t i o n s ，w et r yt op r o p o s es e v e r a ls i m p l ey e te f f e c t i v ei n h e r e n tm e t h o d s t od e a lw i t h t h et h r e ef o l l o w i n gf o r e n s i cp r o b l e m s 1 j p e gh i s t o r ye s t i m a t i o nb a s e do nj p e ge r r o r sa n a l y s i s j p e gi m a g e sa r e s o m e t i m e sp r o c e s s e do rs t o r e da sb i t m a p s g i v e nab i t m a pi m a g e ，w ew i s ht o e s t i m a t ei t sj p e gc o m p r e s s i o nh i s t o r y ，t h a ti s ，i d e n t i f y i n gj p e gi m a g e s ，e s t i m a t i n g t h eq u a n t i z a t i o ns t e p sa n dd e t e c t i n gq u a n t i z a t i o nt a b l ep r e v i o u s l yu s e df r o mt h e j p e gd e c o m p r e s s e di m a g e 2 t r a n s f o r me n c o d e ri d e n t i f i c a t i o nb a s e do nq u a n t i z a t i o na r t i f a c t s i ti sw e l l k n o w nt h a tt h e r ea r em a n yo t h e ri m a g es o u r c ee n c o d e r sb e s i d e sj p e gc o m p r e s s i o n ， s u c ha sj p e g 2 0 0 0a n dv a r i o u ss u b b a n d se n c o d e r s g i v e nab i t m a pi m a g e ，w e w i s ht oi d e n t i f yw h i c ht r a n s f o r ma sw e l la ss o m ei m p o r t a n tp a r a m e t e r sp r e v i o u s l y 一5 e m p l o y e di nt h eo r i g i n a lt r a n s f o r m b a s e de n c o d e rb ya n a l y z i n gt h eq u a n t i z a t i o n a r t i f a c t so v e ra l lt h ec a n d i d a t et r a n s f o r mc o e f f i c i e n t s 3 q u a n t i t a t i v es t e g a n a l y s i sf o rg r a y - s c a l ej p e gs t e g o s j p e gd e c o m p r e s s e d i m a g e sa r es o m e t i m e ss e r v e da sc o v e ri m a g e sf o rs o m es p a t i a ld o m a i ns t e g a n a g r a p h ys u c ha sl b mm a t c h i n g g i v e naj p e gs t e g oi m a g e ，w ew i s ht of i r s t l yd e t e c t t h eq u a n t i z a t i o nt a b l eu s e di np r e v i o u sj p e g c o m p r e s s i o n ，a n dt h e nf u r t h e rt oe s t i m a t et h es e c r e tm e s s a g el e n g t hb y a n a l y z i n gt h es p a t i a lm o d i f i c a t i o n si n t r o d u c e d b yt h es t e g a n a g r a p h ya n dt h ec h a n g e sa f t e rj p e gr e c o m p r e s s i o nw i t ht h es a m e q u a n t i z a t i o nt a b l ep r e v i o u s l yu s e d t h ee x t e n s i v ee x p e r i m e n t se v a l u a t e do nt h o u s a n d so fn a t u r a li m a g e ss h o wt h ee f - f e c t i v e n e s so ft h ep r o p o s e dm e t h o d sc o m p a r e dw i t ht h er e l e v a n to n e s k e yw o r d s ： p a s s i v em u l t i m e d i af o r e n s i c s ，j p e ge r r o r s ，j p e g h i s t o r y ，i m a g e s o u r c ee n c o d e r , q u a n t i t a t i v es t e g a n a l y s i s 一6 一 c o n t e n t s c o n t e n t s 摘要1 a b s t r a c t 4 1 r e s e a r c hb a c k g r o u n d 1 2j p e gh i s t o r ye s t i m a t i o nb a s e do nj p e ge r r o r sa n a l y s i s 5 2 1 m o t i v a t i o n 5 2 2e r r o ra n a l y s i sf o rj p e gc o m p a s s i o na n d r e c o m p r e s s i o n 8 2 2 1 i d e n t i f y i n gj p e gi m a g e s 11 2 2 2 e s t i m a t i n gq u a n t i z a t i o ns t e p s 1 5 2 2 3 d e t e c t i n gq u a n t i z a t i o nt a b l e 1 9 2 3 e x p e r i m e n t a lr e s u l t s 2 6 2 3 1 i d e n t i f y i n gj p e gi m a g e s 2 6 2 3 2 e s t i m a t i n gq u a n t i z a t i o ns t e p s 3 0 2 3 3 d e t e c t i n gq u a n t i z a t i o nt a b l e 3 4 2 4 c o n c l u d i n gr e m a r k s 3 6 3t r a n s f o r me n c o d e ri d e n t i f i c a t i o nb a s e do nq u a n t i z a t i o na r t i f a c t s 4 0 3 1 m o t i v a t i o n 4 0 3 2d e t e c t i o no fq u a n t i z a t i o na r t i f a c t s 4 3 3 3i d e n t i f i c a t i o no ft r a n s f o r me n c o d e r 4 8 3 4 e x p e r i m e n t a lr e s u l t s 5 0 3 4 1 i d e n t i f y i n gj p e gi m a g e s 5 0 一7 p o s t d o c t o r a t er e p o r t 3 4 2 i d e n t i f y i n gt h et r a n s f o r m s 5 l 3 4 3 i d e n t i f y i n gt h eb l o c ks i z e s 5 3 3 4 4 i d e n t i f y i n gt h ed e c o m p o s i t i o nl e v e l s 5 4 3 5 c o n c l u d i n gr e m a r k s 5 7 4q u a n t i t a t i v es t e g a n a l y s i sf o rg r a y s c a l ej p e gs t e g o s 5 9 4 1m o t i v a t i o n 5 9 4 2 p r o p o s e dm e t h o d s 6 2 4 2 1 d e t e c t i n gq u a n t i z a t i o nt a b l ef r o mj p e gs t e g o s 6 3 4 2 2 e s t i m a t i n gm e s s a g el e n g t hf r o mj p e gs t e g o s 6 4 4 3 e x p e r i m e n t a lr e s u l t s 6 6 4 3 1 d e t e c t i n gq u a n t i z a t i o nt a b l ef r o mj p e gs t e g o s 6 6 4 3 2 e s t i m a t i n gm e s s a g el e n g t hf r o mj p e gs t e g o s 6 8 4 4 c o n c l u d i n gr e m a r k s 7 2 5c o n c l u s i o no f t h i sr e p o r t 7 3 r e f e r e n c e s 7 6 l i s to fa b b r e v i a t i o n s 8 2 b i o g r a p h y w o r ks u m m a r y a c k n o w l e d g e m e n t s 一8 一 r e s e a r c hb a c k g r o u n d w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fh i g h q u a l i t yd i g i t a lc a m e r a s ，p o w e r f u lp c sa n ds o p h i s t i c a t e de d i t i n gt o o l s ，i ti sb e c o m i n gi n c r e a s i n g l ye a s yt ot a m p e rw i t hd i g i t a li m a g e s i nv i s u a l l yr e a l i s t i cm a n n e r n o w a d a y s ，m o r ea n dm o r ei m a g ef o r g e r i e sc a nb ef o u n d e v e r y w h e r e a n dm o s to ft h e ma r ed i f f i c u l tt ob ed e t e c t e db yo u rn a k e de y e si fw i t h o u t o r i g i n a lr e f e r e n c e sa ss h o w ni nf i g i 1a n df i g 1 2 i nf a c t ，t h e s ee x a m p l e sa r ej u s ta t i po ft h ei c e b e r ga n di tw i l lg e tw o r s e s e e i n gi sn ol o n g e rb e l i e v i n g 【l 】d i g i t a li m a g e f o r g e r y , l i k ea n yo t h e ri l l e g a la n dp e r n i c i o u sa c t i v i t i e s ，w o u l dl e a dt op o t e n t i a l l ys e r i o u s m o r a l ，e t h i c a la n d o rl e g a lc o n s e q u e n c e s t h e r e f o r e ，v e r i f y i n gt h ea u t h e n t i c i t yo fd i g i t a l i m a g e sh a sb e c o m eav e r yi m p o r t a n ti s s u e t y p i c a l l y ，t h e r ea r et w ot e c h n i q u e st od e a lw i t hd i g i t a li m a g ea u t h e n t i c a t i o n t h e f i r s to n e c a nb ec l a s s i f i e da sa na c t i v ew a y ，s u c ha sd i g i t a lw a t e r m a r kb a s e da n ds i g n a t u r e b a s e da p p r o a c h e s 【2 ，3 】i na c t i v ea p p r o a c h e s ，w en e e dt oi n s e r ta ni m p e r c e p t i b l ed i g i t a l w a t e r m a r ko ra t t a c had i g i t a ls i g n a t u r et ot h ei m a g ea tt h et i m eo ft h ed a t a sc r e a t i o n i no r d e rt of a c i l i t a t et a m p e r i n gd e t e c t i o na tal a t e rt i m e i nm a n yf o r e n s i c s c e n a r i o s ， h o w e v e r , w ec a nn o tr e c o v e rt h o s ew a t e r m a r k so rs i g n a t u r e sf r o mt h eq u e s t i o n a b l ed a t a b e c a u s et h e ym a yh a v eb e e nc o n t a m i n a t e db ys o m ei m a g ep r o c e s s i n g ，s u c ha si m a g e r o t a t i o na n dl o s s yc o m p r e s s i o n ，o rt h e r ei sn os u c hs i d ei n f o r m a t i o nw i t h i nt h eg i v e n d a t aa ta 1 1 i ns u c hs i t u a t i o n s ，t h e s ea c t i v ea p p r o a c h e sw o u l db e c o m eu s e l e s s 一l 一 p o s t d o c t o r a t er e p o r t ( a ) c o m p o s i t ei m a g e ( b ) o r i g i n a li m a g e1( c ) o r i g i n a li m a g e 2 f i g 1 1 t h i sd i g i t a lc o m p o s i t eo fab r i t i s hs o l d i e ri nb a s r a 。g e s t u r i n gt oi r a q ic i v i l i a n su r g i n gt h e m t os e e kc o v e r t h i se x a m p l ei sf r o m 【4 1 r e c e n t l y ，a n o t h e ra l t e r n a t i v et e c h n i q u eh a sb e e np r o p o s e d1 5 ，6 】t op r o v i d ef o r e n s i c i n f o r m a t i t h i st e c h n i q u ea s s u m e st h a tt h eo r i g i n a lm u l t i m e d i ad a t ah a ss o m ei n h e r e n t f e a t u r e si n t r o d u c e db yt h ev a r i o u si m a g i n gd e v i c e sa n d o r p o s t p r o c e s s i n g b ya n a l y z i n g h o wi ti sa c q u i r e da n dp r o c e s s e d ，w ec a na n s w e rs o m ef o r e n s i cq u e s t i o n s ，s u c ha sw h e r e i st h ed a t ac o m i n gf r o m ，w h e t h e ri ti sa no r i g i n a lo n e o rn o t ，a n dw h a tt a m p e r i n go p e r a t i o n sh a db e e nd o n ep r e v i o u s l y , a n ds oo n c o m p a r e dw i t hp r i o ra c t i v ea p p r o a c h e s ，t h e n e w t e c h n i q u ed o e sn o tr e l yo na n ye x t r ai n f o r m a t i o ns u c ha saw a t e r m a r ko ras i g n a t u r e t h e r e f o r e ，i ti sp a s s i v ea n dc o m p l e t e l yb l in d i t i sw e l l k n o w nt h a tj p e gi st h ec o m m o n l yu s e dc o m p r e s s i o ns t a n d a r da n dh a s b e e nf o u n di nm a n ya p p l i c a t i o n s f o ri n s t a n c e ，m o s td i g i t a lc a m e r a so nt h em a r k e t e x p o r tt h i sf i l ef o r m a t ，a n dm o s ti m a g ee d i t i n gs o f t w a r ep a c k a g e ss u c ha sa d o b ep h o t o s h o p ，g i m p , s u p p o at h eo p e r a t i o no fj p e gc o m p r e s s i o n t h e r e f o r e ，a n a l y z i n gt h i st y p e o fi m a g e sw o u l d p l a yau s e f u lr o l ei nd i g i t a li m a g ef o r e n s i c sa n ds t e g a n a l y s i s h o w e v e r , j p e gi m a g e sa r es o m e t i m e s p r o c e s s e do rs t o r e da sb i t m a p s i nt h a tc a s e ，w ew i l lh a v en o k n o w l e d g ea b o u tw h e t h e rt h eb i t m a pc o m e sf r o maj p e gi m a g e ，ar a w b i t m a pi m a g e o r a n yo t h e ri m a g es o u r c ef o r m a t s i d e n t i f y i n gw h e t h e ra b i t m a ph a sp r e v i o u s l yb e e nj p e g c o m p r e s s e da n di fs ow h a tq u a n t i z a t i o ns t e p s t a b l eh a v eb e e nu s e di sac r u c i a lf i r s ts t e p f o rm a n y i m a g ef o r e n s i c s t e g a n a l y s i sa l g o r i t h m s f o ri n s t a n c e ，w ec a ni d e n t i f yt h es o u r c e c a m e r am o d e lo rn a r r o wd o w nt h ep o s s i b l ec a m e r am o d e l s 【7 】b ye s t i m a t i n gt h eq u a n t i z a t i o nt a b l e s t e p so ft h ej p e gd e c o m p r e s s e di m a g e f o rs o m e f o r e n s i c s t e g a n a l y s i s 一3 一 p o s t d o c t o r a t er e p o r t a l g o r i t h m s ，s u c ha sd o u b l ej p e gc o m p r e s s i o nd e t e c t i o n 【8 ，9 1 ，“s h i f t r e c o m p r e s s i o n ” d e t e c t i o n 【10 ，t a m p e r e dr e g i o n sl o c a l i z a t i o ni nc o m p o s i t ei m a g e s 【11 ，12 ，s t e g a n a l y s i s o fy a s s ( y e ta n o t h e rs t e g a n o g r a p h i cs c h e m e ) 1 3 ，1 4 ，q u a n t i t a t i v es t e g a n a l y s i sf o r j p e gs t e g o s 【15 】e ta 1 u s u a l l yh a v et of i r s td e t e r m i n ew h e t h e ra g i v e ni m a g ei sa j p e g i m a g eo rn o tb e f o r ed e t e c t i o n ，a n ds o m ea l g o r i t h m se g 【10 ，1 4 ，15 】a r ed e p e n d e n to n t h eq u a n t i z a t i o ns t e p s t a b l eu s e di np r e v i o u sj p e gc o m p r e s s i o n ，a n ds oo n i nt h i sr e p o r t ，w ea n a l y z et h em a i ns o u r c e so fe r r o r s ( f e q u a n t i z a t i o ne r r o r , r o u n d i n ge r r o ra n dt r u n c a t i o ne r r o r ) i n t r o d u c e db ys i n g l ej p e gc o m p r e s s i o na n dd e c o m p r e s s i o n ，a n dt h e ns h o wt h e i rr e l a t i o n s h i p st oj p e gr e c o m p r e s s i o na n ds o m es p a t i a ls t e g a n a g r a p h ys u c ha sl s bm a t c h i n g b a s e do no u r t h e o r e t i c a la n a l y s i s ，w ep r o p o s et h r e e n o v e lm e t h o d sf o rt h et h r e ef o r e n s i ca p p l i c a t i o n si ne s t i m a t i n gt h ej p e gh i s t o r y ( i n c l u d i n gi d e n t i f y i n gj p e gi m a g e s ，e s t i m a t i n gq u a n t i z a t i o ns t e p sa n dd e t e c t i n gq u a n t i z a t i o n 2j p e gh i s t o r ye s t i m a t i o nb a s e do nj p e ge r r o r sa n a l y s i s _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ - - - _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ 一 2j p e gh i s t o r ye s t i m a t i o nb a s e do nj p e ge r r o r sa n a l y s i s 2 1m o t i v a t i o n a sm e n t i o n e di nt h ep r e v i o u sc h a p t e r , i ti si m p o r t a n tt oe s t i m a t et h ej p e gc o m p r e s s i o nh i s t o r yf r o mab i t m a pi m a g e i nt h i sc h a p t e r , w ew i l li n v e s t i g a t et h r e ef o r e n s i c i s s u e sr e l a t e dt ot h i sp r o b l e m ，t h a ti s ，i d e n t i f y i n gj p e g i m a g e s ，e s t i m a t i n gq u a n t i z a t i o n s t e p s