相機(jī)閃光燈在照片中的投影特點(diǎn)及其在圖像檢驗(yàn)中應(yīng)用的研究

張文　劉思君　陳春濤

【摘 要】關(guān)于數(shù)碼照片來源設(shè)備的確認(rèn)，目前主要有基于數(shù)碼照片EXIF信息的方法，基于相機(jī)傳感器固定噪聲的方法、利用相機(jī)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(yīng)的缺陷。如EXIF信息容易修改，提取相機(jī)固定噪聲需要大量出自同一相機(jī)的照片，許多種類相機(jī)（如單反、微單相機(jī)）的鏡頭可以更換等。因此有必要進(jìn)一步豐富相關(guān)檢驗(yàn)的技術(shù)手段。不同品牌或型號(hào)的相機(jī)，其閃光燈相對(duì)于鏡頭的位置各不相同。這種位置差異會(huì)造成拍攝時(shí)照片上所形成的陰影和亮點(diǎn)的位置差異。這實(shí)際就是該種品牌或型號(hào)相機(jī)的一個(gè)種類特征。在實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)驗(yàn)人員運(yùn)用三臺(tái)具有典型性的相機(jī)進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)，在定性實(shí)驗(yàn)中，分別設(shè)置不同的情境，通過多次重復(fù)的實(shí)驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)了閃光燈相對(duì)于鏡頭的位置的差異所造成拍攝時(shí)照片上所形成的陰影和亮點(diǎn)的位置差異是不會(huì)因拍攝條件的改變而改變的。因而，研究相機(jī)閃光燈在照片中的投影特點(diǎn)，可以保證影像證據(jù)的合法性、證明影像證據(jù)的真實(shí)性、提升影像證據(jù)的關(guān)聯(lián)性，最大限度的發(fā)揮影像證據(jù)的價(jià)值，對(duì)刑事偵查中證據(jù)的合法性的確認(rèn)具有重大意義。

【關(guān)鍵詞】圖像檢驗(yàn)；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(yè)技術(shù)的快速發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛普及，圖像日益深入人心，讀圖已經(jīng)成為我們生活中不可避免的傳播符號(hào)和方式。數(shù)碼相機(jī)和具有強(qiáng)大拍照功能的智能手機(jī)已成為人們必備的消費(fèi)電子產(chǎn)品。人們可以使用智能手機(jī)隨時(shí)隨地拍攝照片，并通過社交網(wǎng)站、微博、微信等方式發(fā)布在網(wǎng)絡(luò)上。相機(jī)、手機(jī)的普及，圖像處理技術(shù)的運(yùn)用，對(duì)圖像的內(nèi)容進(jìn)行增減、挪位等已經(jīng)變得十分簡單。在光線較暗的環(huán)境拍攝照片時(shí)，人們經(jīng)常使用閃光燈來增強(qiáng)光照。閃光燈是最常用的人工攝影光源，不同品牌或型號(hào)的相機(jī)，其閃光燈相對(duì)于鏡頭的位置各不相同。這種位置差異會(huì)造成拍攝時(shí)照片上所形成的陰影的位置差異。對(duì)于司法檢驗(yàn)來說，這就是具有重要意義的特征。目前還沒有公開發(fā)表的的學(xué)術(shù)文獻(xiàn)對(duì)這一特征展開系統(tǒng)研究。同時(shí)，數(shù)字圖像技術(shù)正逐步滲入刑事攝影領(lǐng)域，并在偵破各類刑事案件中，發(fā)揮了揭露犯罪、證實(shí)犯罪和打擊犯罪的巨大作用。

不同品牌或型號(hào)的相機(jī)，其閃光燈相對(duì)于鏡頭的位置各不相同。這種位置差異會(huì)造成拍攝時(shí)照片上所形成的陰影的位置差異。這實(shí)際就是該種品牌或型號(hào)相機(jī)的一個(gè)種類特征。因此，進(jìn)行拍攝實(shí)驗(yàn)，分析不同相機(jī)閃光燈攝影照片的投影分布特點(diǎn)，通過分析計(jì)算總結(jié)其規(guī)律，并探究利用該規(guī)律進(jìn)行數(shù)碼照片來源設(shè)備確認(rèn)及圖像偽造篡改檢驗(yàn)的可行性和具體方法。

1 實(shí)驗(yàn)器材和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

尼康D7100相機(jī)，鏡頭：適馬17-50mm 1：2.8 EX HSM。內(nèi)置閃光燈。

佳能EOS 700D相機(jī)，鏡頭：佳能EFS18-55mm。內(nèi)置閃光燈。

佳能EOS M3 相機(jī)，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(shù)手軟件。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

利用三臺(tái)相機(jī)和其相應(yīng)的內(nèi)置閃光燈、外置閃光燈，分別進(jìn)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(diǎn)、物體拍攝時(shí)形成的投影分布情況，對(duì)三臺(tái)相機(jī)的閃光燈在照片中的投影特點(diǎn)進(jìn)行歸納。定量分析通過相機(jī)對(duì)固定位置處的光滑球體進(jìn)行拍攝，根據(jù)球面的反光以及所形成的投影判定光照方向。并根據(jù)美國達(dá)特茅斯學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)教授Hany Farid所提出的分析原理（相似三角形原理構(gòu)想）進(jìn)行計(jì)算。

實(shí)驗(yàn)中所有的拍攝均使用閃光燈，所有相機(jī)的拍攝均用Av檔（即程光圈優(yōu)先模式）進(jìn)行拍攝，ISO均設(shè)置為100。拍攝地點(diǎn)在室內(nèi)，光照來源均為閃光燈和日光燈。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.1 定性實(shí)驗(yàn)

1）對(duì)一定距離的黑墻拍攝，看不同相機(jī)閃光燈（含外接閃光燈）中心反光點(diǎn)與畫面中心位置的聯(lián)系與區(qū)別。

實(shí)驗(yàn)步驟：

（1）距墻3m，相機(jī)高度1.65m；

（2）三臺(tái)相機(jī)，焦距定為50mm，對(duì)焦在墻面上，光圈優(yōu)先模式，分別開閃光進(jìn)行拍攝。

2）對(duì)標(biāo)準(zhǔn)物（桿狀），在一定距離上拍攝，看不同相機(jī)（閃光）拍攝時(shí)投影在地面上的分布情況。

實(shí)驗(yàn)步驟：

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

（2）三臺(tái)相機(jī)，焦距定為50mm，對(duì)焦在掃帚上，光圈優(yōu)先模式，分別開閃光進(jìn)行拍攝。

3）閃光拍攝光滑球體，看其反光點(diǎn)的情況（位置、形狀、大?。?。

實(shí)驗(yàn)步驟：

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

（2）三臺(tái)相機(jī)，焦距定為50mm，對(duì)焦在光滑球體上，光圈優(yōu)先模式，分別開閃光進(jìn)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(shí)驗(yàn)步驟：

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

（2）兩臺(tái)相機(jī)（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(xiàn)實(shí)意義，所以不在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)），焦距定為50mm，對(duì)焦在人眼睛上，光圈優(yōu)先模式，分別開閃光進(jìn)行拍攝。

2.2 定量分析：以光滑球體為被攝物

實(shí)驗(yàn)設(shè)置：

1）固定光滑球體的位置，設(shè)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(tái)相機(jī)進(jìn)行拍攝。

實(shí)驗(yàn)步驟：

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

2）三臺(tái)相機(jī)，焦距定為50mm，對(duì)焦在球體中心上，光圈優(yōu)先模式，分別開閃光進(jìn)行拍攝；

3）對(duì)三個(gè)畫面中的不同投影進(jìn)行計(jì)算。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論與初步運(yùn)用

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：

（1）三個(gè)相機(jī)的反光中心點(diǎn)與畫面中心點(diǎn)均不在一點(diǎn)上，其中佳能M3因?yàn)槭峭饨娱W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(diǎn)相距更小。

（2）反光中心點(diǎn)都在畫面中心點(diǎn)的正上方。

2）對(duì)標(biāo)準(zhǔn)物（桿狀），在一定距離上拍攝，看不同相機(jī)（閃光）拍攝時(shí)投影在地面上的分布情況（見圖2）。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：

（1）桿子在背景上形成的投影符合鏡頭成像的規(guī)律，利用相似三角形的計(jì)算原理得出的數(shù)值與實(shí)際實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)相差在合理范圍內(nèi)。

（2）佳能M3因?yàn)槭峭饨娱W光燈，光量較大，陰影處的反差先對(duì)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(diǎn)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(diǎn)的情況（位置、形狀、大小）（見圖3）。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：

在此實(shí)驗(yàn)條件設(shè)置下，佳能M3的投影最長，因?yàn)槭峭饨娱W光燈，光量較大，陰影處的反差先對(duì)較小，其閃光中心點(diǎn)距畫面中心點(diǎn)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(diǎn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：

在此實(shí)驗(yàn)設(shè)置下，兩圖中的閃光燈亮點(diǎn)均在眼球上部，但尼康D7100內(nèi)置閃光燈在眼球上所形成的亮點(diǎn)形狀近似于銳角三角形，佳能700D內(nèi)置閃光燈在眼球上所形成的亮點(diǎn)近似于圓形。且，尼康D7100的亮點(diǎn)面積稍小，佳能700D的亮點(diǎn)面積稍大。

在上述實(shí)驗(yàn)中，我們可以發(fā)現(xiàn)，不同的相機(jī)因?yàn)槠溟W光燈與鏡頭相對(duì)位置的差異而引起的成像畫面中的閃光燈亮點(diǎn)與畫面中心的位置的差異是由相機(jī)本身決定而不是攝影角度、被攝物體所決定的。所以，通過對(duì)相機(jī)閃光燈位置差異的研究可以倒推處照片是否為同一相機(jī)所拍攝，也可以根據(jù)照片中陰影和亮點(diǎn)的位置來推斷拍攝相機(jī)的型號(hào)。根據(jù)美國達(dá)特茅斯學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)教授Hany Farid曾在他的個(gè)人博客中提出過基于閃光燈投影進(jìn)行圖像檢驗(yàn)的設(shè)想中提到的相似三角形原理的構(gòu)想，對(duì)拍攝照片進(jìn)行定量計(jì)算，提高研究的準(zhǔn)確性。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

在實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)驗(yàn)人員運(yùn)用了尼康、佳能單反和佳能微單，分別對(duì)應(yīng)運(yùn)用內(nèi)置閃光燈和外置閃光燈，選取的實(shí)驗(yàn)設(shè)備具有典型性和差異性，拍攝以相機(jī)內(nèi)的全局平均測(cè)光、光圈優(yōu)先模式進(jìn)行拍攝，在曝光正確的基礎(chǔ)上，對(duì)閃光燈在成像照片中形成的亮點(diǎn)和陰影的分析是具有科學(xué)性和穩(wěn)定性的，所以通過對(duì)閃光燈的研究是可以正確真實(shí)的判定照片的真?zhèn)魏驼J(rèn)定照片是否為同一相機(jī)所拍攝。

根據(jù)教授Hany Farid提出的理論我們?cè)诎丫呦蟮膱D片轉(zhuǎn)化為抽象的數(shù)據(jù)時(shí)，運(yùn)用相似三角形理論可以將理論與實(shí)踐結(jié)合起來，從而相互印證。在圖像檢驗(yàn)中，相機(jī)閃光燈攝影照片的投影分布特點(diǎn)，通過分析計(jì)算總結(jié)其規(guī)律，并探究利用該規(guī)律進(jìn)行數(shù)碼照片來源設(shè)備確認(rèn)及圖像偽造篡改檢驗(yàn)，是可行且科學(xué)的。

【參考文獻(xiàn)】

[1]倪前兵.圖像證據(jù)的合法性[C].江蘇警官學(xué)院院報(bào)，2002（9）.

[2]黎智輝，許小京，王永強(qiáng)，李志剛.影像證據(jù)探討[J].2015（2）.

[3]汪茜，張潔.圖像符號(hào)的特征及圖像閱讀的意義[z].2005（1）.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]