Феномен JPEG-структуры цифрового фотографического изображения и ее свойства

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Физико-математические науки


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

А. М. Чмутин*, Р. Р. Шарапов**
ФЕНОМЕН JPEG-СТРУКТУРЫ ЦИФРОВОГО ФОТОГРАФИЧЕСКОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ
И ЕЕ СВОЙСТВА
*Волгоградский государственный университет **Волгоградский государственный технический университет amchmutin@yandex. ru, james1401 @yandex. ru
Рассмотрен феномен JPEG-структуры цифровых фотографических изображений. Изучено формирование и исследованы изобразительные свойства JPEG-структур. Исходя из информативности этих свойств, показано, что JPEG-структура может служить устойчивым идентификационным признаком целостности цифрового фотографического изображения. Рассмотрено влияние инструментальных факторов фотосъемки на формирование JPEG-структуры. Отталкиваясь от результатов исследования этих факторов, предположена в перспективе возможность сличения объектов съемки по их фотографическим изображениям путем анализа соответствующих JPEG-структур.
Ключевые слова: цифровая фотография, JPEG-структура изображения, информативные свойства, сличение, идентификация, экспертные приложения.
A. M. Chmutin, R. R. Sharipov
DIGITAL PHOTOGRAPHIC IMAGE JPEG-STRUCTURE PHENOMENON
AND ITS PRORERTIES
*Volgograd State University **Volgograd State Technical University
The phenomenon of digital photographic images JPEG-structure is considered. Formation of JPEG-structures is studied and graphic properties of JPEG-structures are investigated. Starting with these properties informative content, it is shown that the JPEG-structure can serve as a steady identification sign of the digital photographic image integrity. Pressure of photographing instrumental factors on JPEG-structure formation is considered. Occuring from results of these factors research, possibility to compare photography objects under their photographic images by means of corresponding JPEG-structures analysis is assumed in the long term.
Keywords: digital photography, image JPEG-structure, informative properties, graphic information, comparison, identification, expert applications.
Сегодня можно не доказывать, что самым почтениями бытовой фототехники, и с небес-
распространенным форматом файлов, в кото- конечной скоростью передачи в Интернет. Да-
рых хранятся цифровые фотографические изо- же если сейчас, к примеру, графический файл
бражения, является JPG. Это связано и с пред- имеет иное расширение, это не значит, что ра-
нее он не просуществовал то или другое время в этом формате. Как результат, фотография подвергалась характерному для алгоритма JPEG сжатию с потерей информации, что проявляется в возникновении изобразительного эффекта, впервые обнаруженного и описанного в [1], и названного нами JPEG-структурой цифрового фотографического изображения. Последующее изучение JPEG-структур позволило найти им эффективное применение в сфере криминалистической экспертизы. Было создано, запатентовано [2] и внедрено [3] оригинальное программное обеспечение для их выявления и исследования, — пришло время обобщить научные аспекты проведенной работы.
Исследовались JPEG-структуры по представительным выборкам (всего несколько тысяч изображений). Масштаб проведенной работы подтвердил, что JPEG-структура — не единичный артефакт, а категория систематичная. Это позволяет квалифицировать ее, и в дальнейшем вести речь о новом феномене.
Продемонстрируем сущность этого феномена. На рис. 1 приведены фрагмент цифровой фотографии и его JPEG-структура. Она представляет собой не всегда целую и в той или иной степени заполненную сетку. И, хотя первым делом эту сетку хочется соотнести с текстурой изображения (по смыслу, придаваемому текстуре в [4]), как-то сразу вспоминается, что у самого изображаемого объекта этой сетки нет. Да и нефизическое происхождение сетки очевидно — оно имеет явную математическую подоплеку. Это границы блоков, на которые делится изображение в формате JPG. Чтобы сетка JPEG-структуры не потерялась на фоне прочих возможных перепадов яркости, диапазон детектирования и отображения перепадов в JPEG-структуре специально выбирается достаточно узким — таким, чтобы отсечь как можно больше этих прочих перепадов. Выбор диапазона отображения производится оператором. В первом приближении для такого выбора можно использовать метод проб и ошибок, по мере накопления опыта имеет смысл опираться на данные предшествующих исследований.
Охарактеризуем этот феномен. Для целей выявления изобразительной информации JPEG-структура вполне релевантна, поскольку она определяется свойствами каждого элемента изображения. JPEG-структура — это характеристика дифференциальная, поскольку определяется не самими яркостями элементов изображе-
Рис. 1. Изображение (сверху) и его JPEG-структура (снизу). Яркости пикселей в исходном изображении распределены в диапазоне от 0 до 242. При конвертации в формат JPG показатель качества устанавливался равным 6, детектируемый
диапазон перепадов яркости — в пределах 001… 255
ния, а их перепадами. JPEG-структура — это характеристика пороговая, поскольку ее информативность зависит от выбора границ отображаемого диапазона перепадов яркости. Как следствие, отметим, что для формирования проявляющего JPEG-структуру вейвлета, наверное, не обязательно использовать функцию Хаара — можно, по-видимому, применить и функцию Уолша, и функцию Хевисайда… [5].
Теперь систематизируем семантические изобразительные свойства [6] JPEG-структуры, имея в виду их утилитарность для последующего визуального анализа. Правда, в рамках короткой статьи мы сможем изложить их только тезисно, опуская потребную в ряде случаев аналитику.
JPEG-структура индивидуальна. У всех изображений JPEG-структуры в той или иной степени различны (если не рассматривать малоинформативные однотонные поля, у которых все
перепады яркости нулевые, и она просто вырождается). Эта неповторимость свидетельствует в пользу целесообразности использования 1РБО-структур на предмет идентификации, как самого цифрового изображения, так и его целостности.
1РБО-структура скрыта. В исходном изображении она присутствует, но неявно. Там 1РБО-структура незаметна на глаз, ибо соседствующие пиксели, как правило, сами по себе имеют разную яркость и цвет, — межблочные границы теряются на фоне этих перепадов. Программа же прорисовывает ее черно-белой, то есть с максимальным яркостным контрастом. Как результат, даже без цветовых эффектов 1РБО-структура визуализируется очень эффективно.
1РБО-структура симметрична. Как уже было сказано ранее [7], возникает 1РБО-структура вследствие особенностей сжатия в алгоритме 1РБО. В силу своей математической формализации всегда она имеет двумерную трансляционную симметрию. Период 1РБО-структуры -размер стороны квадратной ячейки, выраженный в числе пикселей — определяется только избранным стандартом сжатия в 1РБО и не зависит от показателя качества сохранения изображения в 1РО-формате.
1РБО-структура стохастична. Составляющие ее ячейки могут быть в той или иной мере заполнены, могут быть совсем пусты, а могут быть даже и не до конца прорисованы (в пределе, при вырождении 1РБО-структуры ее ячейки вообще не прорисовываются). Степень заполнения и прорисовки ячеек сильно зависит от показателя качества, выбранного при первичном преобразовании файла с изображением в формат 1РО, и от установленного диапазона индицируемых в 1РБО-структуре перепадов яркости.
1РБО-структура хроматична. Фундаментальность этого свойства лежит в природе различия порождающих 1РБО-структуру соседствующих блоков пикселей. Это различие возникает вследствие индивидуального характера огрубления цветовых данных в пределах блока при сжатии по алгоритму 1РБО. Отсюда вытекает и возможность цветного исходного изображения, и возможность цветного представления результата, и зависимость результата от яр-костного уравнения.
1РБО-структура связна (пространственно когерентна). Линии, образующие 1РБО-струк-туру, пронизывают все поле изображения без
изгибов и смещений. Единственное их искажение, проявляющееся в виде разрывов, при конечности последних не мешает визуальному восприятию связности 1РБО-структуры. Нарушение связности 1РБО-структуры позволяет сделать категорический вывод об имевшем место вмешательстве в изображения.
1РБО-структура — феномен системный по определению. Если рассматривать изображение как систему, то линии, формирующие сетку 1РБО-структуры, являются элементами этой системы — изображение без них не побывало в формате 1РО. В размерном плане ячейки, образующие 1РБО-структуру, несоизмеримы с изображением, и в то же время сама 1РБО-структура порождается свойствами пикселей -элементов еще более мелкомасштабных по отношению к ее ячейкам.
1РБО-структура — феномен исключительно устойчивый: характерно, что 1РБО-структура, однажды обретенная изображением не может ни потеряться, ни исказиться при переводе файла из 1РО в любой другой графический формат. Только вместе с самим изображением ее можно каким-либо образом изменить или уничтожить (здесь, естественно, мы не затрагиваем потенциально возможную, но исключительно трудоемкую процедуру попиксельной ретуши).
1РБО-структура информативна. И, как правило, если 1РБО-структура актуальную информацию несет, то эта информация — о целостности изображения или его искажении [8], то есть значимая прежде всего с точки зрения криминалистики. На этом свойстве основан способ экспертного исследования цифровых фотографических изображений, всесторонне освещенный в методической разработке [9].
Наконец, теоретически 1РБО-структура инвариантна к смещению и засветке (математически — это инвариантность относительно сдвигов в фокальной плоскости и в свете [10]). 1РБО-структура не инвариантна к развороту и масштабу (как следствие, к ракурсу при фотографировании) [11]. Но, если эти свойства в пространственном измерении интуитивно более или менее очевидны априори, то в световом -они еще требуют подтверждения. Для этого мы провели следующий модельный эксперимент. На рис. 2 приведены изображения известного логотипа, полученные при вдвое различающихся освещенностях, и соответствующие им 1РБО-структуры. При этом границы диапазона отображения для более светлого снимка тоже уве-
личены вдвое*. Результат сравнения ХРБО-струк-тур говорит сам за себя.
Рис. 2. Слева — ШБО-структура изображения при полной засветке- справа — при половинной
Изложенные свойства инвариантности 1РБО-структур позволяют генерализовать вывод о принципиальной возможности сличения по 1РБО-структурам не только цифровых фотографических изображений, но и самих объектов фотографирования. Сличение, естественно, предполагается с использованием уже не корреляционного, а структурно-лингвистического подхода к анализу изобразительной информации [6]. А подобная задача, хотя и кажется поначалу несколько академичной, в криминалистике может иметь серьезные экспертные приложения- в технике — может быть востребована в системах распознавания образов, что с учетом взрывного роста количества цифровой фотографической аппаратуры делает ее весьма актуальной.
*Описанная здесь и ранее совокупность приемов отнюдь не отрицает иных путей отображения 1РБО-структуры.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Шарипов, Р. Р. Разработка пакета прикладных программ для обработки изображений объектов экспертизы методом вейвлет-анализа: дипломная работа / рук. А. М. Чму-тин. — Волгоград: ВолГУ, 2007. — 69 с.
2. Шарипов, Р. Р. Программа для идентификации целостности цифровых изображений: Свидетельство о государственной регистрации № 2 009 613 106 от 16. 06. 2009.
3. Чмутин, А. М. Пакет прикладных программ, реализующий вейвлет-анализ цифровых фотографических изображений для выявления вставленных фрагментов: Акт внедрения результатов инициативной разработки от 01. 09. 2008.
4. Прэтт, Э. Цифровая обработка изображений / Э. Прэтт. В 2 кн. Кн. 2. — М.: Мир, 1982. — 480 с.
5. Залманзон, Л. А. Преобразования Фурье, Уолша, Хаара и их применение в управлении, связи и других областях / Л. А. Залманзон. — М.: Наука, 1989. — 496 с.
6. Информационная оптика: учеб. пособие / Б. С. Рин-кевичюс [и др.] - под ред. Н. Н. Евтихиева. — М.: Изд-во МЭИ, 2000. — 612 с.
7. Чмутин, А. М. Исследование целостности цифровых фотоизображений методом вейвлет-анализа / А. М. Чму-тин, Р. Р. Шарипов // Сб. докл. 19 Междунар. конф. «Лазеры. Измерения. Информация». Т. 2. — СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2009. — С. 202−212.
8. Ганзен, В. А. Восприятие целостных объектов /
В. А. Ганзен. — СПб.: Изд-во СПбГУ, 2007. — 319 с.
9. Рвачева, О. В. Спецпрактикум: Методическое пособие к выполнению лабораторных работ по компьютерным технологиям криминалистической экспертизы / О. В. Рва-чева, А. М. Чмутин, Р. Р. Шарипов — под ред. А. М. Чму-тина. — Волгоград: ВолГУ, 2012. — 48 с.: ил.
10. Вигнер, Ю. Этюды о симметрии / Ю. Вигнер. — М.: Мир, 1971. — 318 с.
11. Раушенбах, Б. В. Геометрия картины и зрительное восприятие / Б. В. Раушенбах. — СПб.: Азбука-классика, 2002. — 320 с.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой