基于彩色四元数小波域的彩色图像取证研究

Color image passive forensics is a frontier research topic in information security, and in existing schemes color image independent channels are used, which led to the relative information among three color channels and the loss of original color information, thereby reducing the forensics precision. This project aims to propose a new color image passive forensics mechanism: image forensics based on color quaternion wavelet domain, which develops the theory and technology of color image forensics. The main research content includes: 1) pioneering research on color quaternion (integer) wavelet transform and the establishment of passive forensics model based on color quaternion wavelet domain develop the application of quaternion transform domain; 2) The proposed quaternion statistics are used to propose the computer generated image (CG) / photograph (PG) forensics scheme based on the magnitude and phases of the color quaternion wavelet, and improve its identification accuracy; 3) the image source detection schemes based on the color quaternion wavelet phase pattern noise and the context 3D predictor pattern noise are respectively proposed to improve the detection performance; 4)the color quaternion wavelet phase estimation feature and the single light source motion field feature are proposed to solve the problem of color image splicing detection. This project will not only explore the forensics characteristic of color quaternion wavelet but provide new tool and idea for image forensics.

彩色图像的被动取证是目前信息安全的前沿课题，而现有方法多局限于彩色图像的独立通道研究，导致彩色图像通道间相关信息以及色彩信息的丢失，进而降低了取证精度。本项目旨在提出一种彩色图像被动取证机制：基于彩色四元数小波域的图像取证，并对此进行一系列的拓展研究。主要研究内容包括：1）开拓性地研究彩色四元数（整数）小波变换，建立彩色四元数小波域的被动取证模型，拓展四元数小波的应用领域；2）运用提出的四元数统计特征，设计基于彩色四元数小波幅值幅角特征的计算机生成图像（CG）/真实图像（PG）取证方案，提高其鉴别精度；3）分别提出基于彩色四元数小波幅角噪声模式和上下文立体预测算子噪声模式的图像来源取证算法，提升彩色图像的来源检测性能；4）分别提出彩色四元数小波幅角估计和单一光源运动场的拼接特征，解决彩色图像的混合拼接检测问题。本项目不仅揭示了彩色四元数小波的取证特性，而且也为图像取证提供了新工具和新思路。

由于彩色图像的色彩信息和通道能够为取证提供有效信息，使得彩色图像取证的性能进一步提升，因此本项目旨在研究四元数与彩色图像被动取证的一系列问题，主要研究内容包括以下四个方面：1）研究了彩色图像的CG/PR取证问题，提出了一类基于彩色四元数小波变换的CG/PR检测方案，该方案首次建立了彩色四元数小波变换取证模型，在此基础上，提出了四元数高阶小波特征和四元数高阶小波预测特征，旨在充分利用彩色图像的信息，为彩色图像的取证提供技术积累；2）研究了彩色图像的篡改检测和定位问题，提出了一系列基于四元数离散余弦变换和四元数主成分信息的彩色图像篡改检测和定位的方案，该类方案通过关联图像的彩色信息丰富特征种类和提升特征鲁棒性，旨在解决实际问题中的篡改图像检测和定位；3）研究了彩色图像重压缩取证问题，提出了一类基于四元数映射的彩色图像JPEG重压缩检测方案，该类方案利用四元数原理对图像特征进行高维映射，保留通道之间的关联性，旨在解决广播网络中图像的操作链取证；4）在四元数的研究基础上拓展性研究了四元数卷积神经网络，首次提出了一类基于四元数神经网络的取证方案，该类方案利用四元数的空间关联性和卷积神经网络特性提高了传统卷积网络的取证精度，旨在解决对广播的非法追踪中存在的证据获取问题。上述四个方面的研究在性能上都获得了较大幅度的提高，具有较强的应用前景和价值，同时也为彩色图像取证领域的发展进一步夯实了理论基础。