相机闪光灯在照片中的投影特点及其在图像检验中应用的研究

张文　刘思君　陈春涛

【摘 要】关于数码照片来源设备的确认，目前主要有基于数码照片EXIF信息的方法，基于相机传感器固定噪声的方法、利用相机镜头像差的方法等。这些方法虽能在一定程度上解决问题，但各自也存在相应的缺陷。如EXIF信息容易修改，提取相机固定噪声需要大量出自同一相机的照片，许多种类相机（如单反、微单相机）的镜头可以更换等。因此有必要进一步丰富相关检验的技术手段。不同品牌或型号的相机，其闪光灯相对于镜头的位置各不相同。这种位置差异会造成拍摄时照片上所形成的阴影和亮点的位置差异。这实际就是该种品牌或型号相机的一个种类特征。在实验过程中，实验人员运用三台具有典型性的相机进行对照实验，在定性实验中，分别设置不同的情境，通过多次重复的实验后，发现了闪光灯相对于镜头的位置的差异所造成拍摄时照片上所形成的阴影和亮点的位置差异是不会因拍摄条件的改变而改变的。因而，研究相机闪光灯在照片中的投影特点，可以保证影像证据的合法性、证明影像证据的真实性、提升影像证据的关联性，最大限度的发挥影像证据的价值，对刑事侦查中证据的合法性的确认具有重大意义。

【关键词】图像检验；闪光灯投影；相似三角形

0 引言

随着人们生活水平的不断提高、工业技术的快速发展和计算机技术的广泛普及，图像日益深入人心，读图已经成为我们生活中不可避免的传播符号和方式。数码相机和具有强大拍照功能的智能手机已成为人们必备的消费电子产品。人们可以使用智能手机随时随地拍摄照片，并通过社交网站、微博、微信等方式发布在网络上。相机、手机的普及，图像处理技术的运用，对图像的内容进行增减、挪位等已经变得十分简单。在光线较暗的环境拍摄照片时，人们经常使用闪光灯来增强光照。闪光灯是最常用的人工摄影光源，不同品牌或型号的相机，其闪光灯相对于镜头的位置各不相同。这种位置差异会造成拍摄时照片上所形成的阴影的位置差异。对于司法检验来说，这就是具有重要意义的特征。目前还没有公开发表的的学术文献对这一特征展开系统研究。同时，数字图像技术正逐步渗入刑事摄影领域，并在侦破各类刑事案件中，发挥了揭露犯罪、证实犯罪和打击犯罪的巨大作用。

不同品牌或型号的相机，其闪光灯相对于镜头的位置各不相同。这种位置差异会造成拍摄时照片上所形成的阴影的位置差异。这实际就是该种品牌或型号相机的一个种类特征。因此，进行拍摄实验，分析不同相机闪光灯摄影照片的投影分布特点，通过分析计算总结其规律，并探究利用该规律进行数码照片来源设备确认及图像伪造篡改检验的可行性和具体方法。

1 实验器材和方法

1.1 实验装置

尼康D7100相机，镜头：适马17-50mm 1：2.8 EX HSM。内置闪光灯。

佳能EOS 700D相机，镜头：佳能EFS18-55mm。内置闪光灯。

佳能EOS M3 相机，镜头：佳能 18-55mm。外置闪光灯：佳能90EX。

尼康CTX560三脚架。

Adobe Photoshop CS6软件。

光影魔术手软件。

1.2 实验方法

利用三台相机和其相应的内置闪光灯、外置闪光灯，分别进行定性分析和定量分析。定性分析通过成像画面中心位置与反光中心点、物体拍摄时形成的投影分布情况，对三台相机的闪光灯在照片中的投影特点进行归纳。定量分析通过相机对固定位置处的光滑球体进行拍摄，根据球面的反光以及所形成的投影判定光照方向。并根据美国达特茅斯学院计算机科学教授Hany Farid所提出的分析原理（相似三角形原理构想）进行计算。

实验中所有的拍摄均使用闪光灯，所有相机的拍摄均用Av档（即程光圈优先模式）进行拍摄，ISO均设置为100。拍摄地点在室内，光照来源均为闪光灯和日光灯。

2 实验内容

2.1 定性实验

1）对一定距离的黑墙拍摄，看不同相机闪光灯（含外接闪光灯）中心反光点与画面中心位置的联系与区别。

实验步骤：

（1）距墙3m，相机高度1.65m；

（2）三台相机，焦距定为50mm，对焦在墙面上，光圈优先模式，分别开闪光进行拍摄。

2）对标准物（杆状），在一定距离上拍摄，看不同相机（闪光）拍摄时投影在地面上的分布情况。

实验步骤：

（1）扫帚竖直放置（距墙1m），相机距墙3m（相机高度为1m）。扫帚相机连线垂直于墙面；

（2）三台相机，焦距定为50mm，对焦在扫帚上，光圈优先模式，分别开闪光进行拍摄。

3）闪光拍摄光滑球体，看其反光点的情况（位置、形状、大小）。

实验步骤：

（1）光滑球体放置于桌面上（距墙0.5m），相机距墙3m（相机高度为1.5m）。球体相机连线垂直于墙面；

（2）三台相机，焦距定为50mm，对焦在光滑球体上，光圈优先模式，分别开闪光进行拍摄。

4）相距一定距离拍摄人物，观察眼球反光情况，头颈在地面的投影情况。

实验步骤：

（1）人（1.71m）以墙为背景，距离墙1.5m，相机距墙3m（相机高为1.2m）。人与相机的连线垂直于墙面；

（2）两台相机（尼康D7100和佳能700D）*（外置闪光灯在拍摄人体距离太近的情况下没有现实意义，所以不在实验范围内），焦距定为50mm，对焦在人眼睛上，光圈优先模式，分别开闪光进行拍摄。

2.2 定量分析：以光滑球体为被摄物

实验设置：

1）固定光滑球体的位置，设置好拍摄距离、球和墙的间距；

2）固定拍摄距离，分别使用三台相机进行拍摄。

实验步骤：

1）光滑球体放置于板凳（高42.0cm）上，距墙面42.0cm，相机（高42.0cm）距墙150.0cm。球体与相机的连线垂直于墙面；

2）三台相机，焦距定为50mm，对焦在球体中心上，光圈优先模式，分别开闪光进行拍摄；

3）对三个画面中的不同投影进行计算。

3 实验结果讨论与初步运用

实验结果分析：

（1）三个相机的反光中心点与画面中心点均不在一点上，其中佳能M3因为是外接闪光灯，相距最大；佳能700D和尼康D7100相距较小，但相比之下佳能700D点相距更小。

（2）反光中心点都在画面中心点的正上方。

2）对标准物（杆状），在一定距离上拍摄，看不同相机（闪光）拍摄时投影在地面上的分布情况（见图2）。

实验结果分析：

（1）杆子在背景上形成的投影符合镜头成像的规律，利用相似三角形的计算原理得出的数值与实际实验所得数据相差在合理范围内。

（2）佳能M3因为是外接闪光灯，光量较大，阴影处的反差先对较小。佳能700D和尼康D7100的成像基本符合。但是，杆子上形成的反光中心点上有差异，尼康D7100的更聚集更亮。

3）闪光拍摄光滑球体，看其反光点的情况（位置、形状、大小）（见图3）。

实验结果分析：

在此实验条件设置下，佳能M3的投影最长，因为是外接闪光灯，光量较大，阴影处的反差先对较小，其闪光中心点距画面中心点的距离最近。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点上有差异，尼康D7100的更聚集更亮。

4）相距一定距离拍摄人物，观察眼球反光情况（见图4）。

实验结果分析：

在此实验设置下，两图中的闪光灯亮点均在眼球上部，但尼康D7100内置闪光灯在眼球上所形成的亮点形状近似于锐角三角形，佳能700D内置闪光灯在眼球上所形成的亮点近似于圆形。且，尼康D7100的亮点面积稍小，佳能700D的亮点面积稍大。

在上述实验中，我们可以发现，不同的相机因为其闪光灯与镜头相对位置的差异而引起的成像画面中的闪光灯亮点与画面中心的位置的差异是由相机本身决定而不是摄影角度、被摄物体所决定的。所以，通过对相机闪光灯位置差异的研究可以倒推处照片是否为同一相机所拍摄，也可以根据照片中阴影和亮点的位置来推断拍摄相机的型号。根据美国达特茅斯学院计算机科学教授Hany Farid曾在他的个人博客中提出过基于闪光灯投影进行图像检验的设想中提到的相似三角形原理的构想，对拍摄照片进行定量计算，提高研究的准确性。

4 实验结论

在实验过程中，实验人员运用了尼康、佳能单反和佳能微单，分别对应运用内置闪光灯和外置闪光灯，选取的实验设备具有典型性和差异性，拍摄以相机内的全局平均测光、光圈优先模式进行拍摄，在曝光正确的基础上，对闪光灯在成像照片中形成的亮点和阴影的分析是具有科学性和稳定性的，所以通过对闪光灯的研究是可以正确真实的判定照片的真伪和认定照片是否为同一相机所拍摄。

根据教授Hany Farid提出的理论我们在把具象的图片转化为抽象的数据时，运用相似三角形理论可以将理论与实践结合起来，从而相互印证。在图像检验中，相机闪光灯摄影照片的投影分布特点，通过分析计算总结其规律，并探究利用该规律进行数码照片来源设备确认及图像伪造篡改检验，是可行且科学的。

【参考文献】

[1]倪前兵.图像证据的合法性[C].江苏警官学院院报，2002（9）.

[2]黎智辉，许小京，王永强，李志刚.影像证据探讨[J].2015（2）.

[3]汪茜，张洁.图像符号的特征及图像阅读的意义[z].2005（1）.

[责任编辑：杨玉洁]