揪出合成照片的破綻:數位影像鑑識

揪出合成照片的破綻:數位影像鑑識
Pphoto Credit:科學人

我們想讓你知道的是

例如2008年2月有張得獎照片被證明作假,照片中一群瀕臨絕種的藏羚羊與附近疾馳而過的高速火車安然共處,似乎未受到任何驚嚇。2006年夏天,備受爭議的青藏鐵路在愛國聲浪中通車之後,中國有上百家報紙都刊登過這張照片,當時就引發少數人的疑問。

撰文:法瑞德(Hany Farid )
翻譯:王怡文

重點提要:

  • 以功能超強的商業影像處理軟體製作的假照片不斷出現,刺激了數位影像鑑識這個新領域的興起。
  • 根據照片上光源的不一致性(例如人的眼球反射的小亮點),可以揭穿許多假照片。
  • 利用演算法,則可找出影像的「複製區域」,或者與原始數位照片不一致的數學特性。

歷史上隨處可見照片經篡改的痕跡。史達林、毛澤東、希特勒、墨索里尼、卡斯楚與布里茲涅夫,每個人都有修改版的相片,從塑造更英勇的姿態,到刪除敵人或啤酒瓶都有。在史達林時代,假照片得在暗房裡花上好幾個小時,經過複雜的處理手續;但現今只要有部電腦,任何人都能輕易製作出幾可亂真的假照片。

幾乎每個月都有揭穿假照片的新聞事件,例如2008年2月有張得獎照片被證明作假,照片中一群瀕臨絕種的藏羚羊與附近疾馳而過的高速火車安然共處,似乎未受到任何驚嚇。2006年夏天,備受爭議的青藏鐵路在愛國聲浪中通車之後,中國有上百家報紙都刊登過這張照片,當時就引發少數人的疑問,例如羊群裡有懷孕的羚羊,但是一隻小羊也沒有,而青藏鐵路開始營運的季節,也應該有小羊。這張照片於2008在年北京地鐵站展出後,其他缺陷(例如因拼貼兩張影像所形成的接線)也紛紛曝光,終於引發大眾質疑。攝影師劉為強和他任職報社的總編輯都引咎辭職,中國政府新聞機構也為散佈假照片道歉,並且承諾從資料庫中刪除劉為強的所有作品。

這個例子以及其他許多廣為人知的假照片,都是由眼尖人士研究照片複本,看出缺陷後才揭發造假。但是在許多其他的案例中,肉眼檢視並無法識破所有的偽造痕跡,因此,運用電腦的更高科技鑑別法,亦即「數位影像鑑識」(digital image forensics),就必須應運而生。

我常常為各大媒體、執法機關、法院及個人鑑定影像,每張影像都有獨特的挑戰性,需要不同的鑑識方法。例如我會利用光源是否一致,來檢視可疑的兩人合成照;針對網路評比的釣魚比賽所收到的魚隻影像,我會搜尋縮放過的像素痕跡;至於在軟體智慧財產權爭議中常被當做證據的螢幕截取影像,則可由JPEG(一種標準數位格式)壓縮的不一致,看出篡改的跡象。

從這些例子可以看出,由於影像與修改型式變化多端,工具選擇多樣化有利於影像鑑識分析。過去五年來,我和學生、同事及一小群研究人員(人數正在成長當中),已研發出多種不同的方法,用以偵測數位影像被修改的跡象。我們研發工具的方式是,先了解特定修改方式會擾亂影像的哪些統計或幾何特性,然後設計數學演算法來揭發那些不正常的現象。透過以下幾頁中穿插的「破綻」系列圖文,我將介紹其中幾種鑑識技術。

破綻一:不同的光源

以不同照片拼湊而成的合成影像,裡面的人或物體是在不同的光源條件下拍攝的,因此會有些細微的差異,但肉眼常常看不出來。

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Pphoto Credit:科學人

如上圖的這張影像,我們團隊能估算裡面每個人或物體的光源方向(箭頭)。方法是根據一項簡單的事實:物體表面的亮度,視表面相對於光源的方位而定。例如一個球體(下圖),面對光的那一側亮度最高,另一側亮度最低,表面陰影隨每個點切面與光源方向夾角而變化。

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Pphoto Credit:科學人

為了推測光源方向,你必須知道表面上各點的方位。影像中物體的大部份區域都難以判斷方位,但是表面輪廓的邊緣例外,其上各點的方位會與輪廓邊緣垂直(上圖紅色箭頭)。我們的演算法是沿輪廓測量多點的亮度和方位,以估算光源的方向。

上圖中,警察和鴨子的光源方向不一致(如箭頭所示)。不過,我們還是得分析其他物體,才能確定被加入照片的是鴨子。

破綻二:形狀(眼睛與位置)

眼睛的形狀非常一致,因此可用來評估照片是否遭到修改。

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Pphoto Credit:科學人
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Pphoto Credit:科學人

眼睛的虹膜實際上是圓形的,但隨著眼睛轉上、下或左右轉動,在照片中看起會逐漸偏向橢圓形(a),因此藉由追蹤眼睛到相機中心點的光線路徑,可大略得知虹膜在照片裡的形狀(b)。物體在照片裡的樣子,是真實景物的光線穿過影像平面(藍色方塊)而形成,相機的主點(principal point,亦即影像平面與相機瞄準路線的交點)會落在照片中心點附近。

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我們團隊利用照片中某人的一雙虹膜,可推測他(她)的眼睛相對於相機的方位,進而推斷相機的主點落於何處。若主點離相機中心點很遠,或是從照片中的不同人物推測出不同的主點,就是偽造的證據(d)。如果能確知物體的原始形狀(例如汽車的兩個輪子),也能使用這個演算法。

不過這個技術有其限制,因為必須精確測量一個人雙眼虹膜的細微差異,才能進行分析。我和合作夥伴可以確實估算出較大的相機方位差異,例如原本在照片側邊的人物被移到中間;但如果搬移距離遠小於此,就比較難分辨。

本文獲《科學人雜誌》、《科學人粉絲團》授權刊登,原文刊載於此

責任編輯:朱家儀
核稿編輯:楊之瑜


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上班族與學生筆記必買!SwitchEasy魚骨牌iPad全系列配件

上班族與學生筆記必買!SwitchEasy魚骨牌iPad全系列配件
Photo Credit:SwitchEasy

我們想讓你知道的是

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多種iPad使用情境,SwitchEasy幫你搞定

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Photo Credit:SwitchEasy
PaperLike Note書寫版類紙膜,擁有磨砂顆粒模擬真實紙質感,高解析、無眩光,不必擔心沾附手上油污及指紋,是使用iPad創作、筆記的最佳選擇。

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本文章內容由「SwitchEasy」提供,經關鍵評論網媒體集團廣編企劃編審。


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