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影像篡改与识别（一）：胶片时代

云鼎实验室

发布于 2021-08-24 02:40:23

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现如今，影像篡改伪造已经越来越常见，一些恶意的行为所带来的安全问题也越来越严重，如何有效地鉴别影像真伪成为了一个迫切需要解决的问题。鉴于此，云鼎实验室近年来一直持续在该领域上投入，协助腾讯慧眼产品提升了伪造图像识别的能力。现企划了影像篡改识别系列文章，为大家解惑其中的技术盲点。

2018年，一段川普鼓励比利时退出巴黎气候协议的视频[1][2]在互联网上炸开了锅。

视频中，他直视摄像机说到：“亲爱的比利时人民，这是一件大事。如你所知，我有勇气退出巴黎气候协议，你也应该这么做。”

此言论一出，立刻在国际舆论上掀起了轩然大波，许多人对美国总统毫不避讳地对比利时的气候政策发表意见表示愤怒……

尽管视频中的声音听起来有点像川普、照片看起来也似乎完全就是他本人，但事实上这并不是真正的特朗普，而是一个由比利时左翼政党sp.a制作并发布在Twitter和Facebook上的虚假视频。

众所周知，如今像这样的影像篡改是不胜枚举的，比如国内曾经著名的华南虎照片事件，还有网上铺天盖地的政客、明星恶搞视频……

当然，这些“作品”有的只是为了娱乐消遣，然而有的却是在欺骗公众，背后的影响足以误导社会舆论、牵动政局稳定，或者损害他人名誉及财产安全，那肯定不会是什么好事，人们应该引起足够的重视。今天我们就来聊一聊影像篡改那些事儿。

影像篡改的时代变迁

随着时间的推移和技术的更替，影像采集、存储和传输等方式就像一场场的接力赛，每一次的变更都留下了深深的时代烙印，而相应的篡改技术也同样经历了如下三个阶段：

胶片时代：也称“前Photoshop时代”，纸质的照片需要在暗房内通过胶卷冲洗完成，而这一时期较为鲜有的影像篡改也是源于一种“暗房技术”实现的。

上图展示了一幅通过精密的暗房技术拼接而成的照片，或许我们很难想象在那个没有PS的年代也能制作出如此震撼的照片吧。

数字时代：最为人熟知的时代，数字影像的采集、存储能够即刻完成，不必像胶片时代那样需要专业的暗房处理，有一种“开盖即饮”的感觉，而凭借强大的网络通信技术也可以轻松地实现传输自由。当然，在这个时期也出现了许许多多的篡改工具，加速了虚假影像的蔓延，它们基本上都可以被概括为“PS技术”。

人工智能时代：一个技术革新的时代，影像篡改的方法得到进一步扩展，虚假的图片可以直接利用一种叫做“深度学习”的黑盒技术创造出来，而且它的视觉逼真程度更是令人叹为观止。

上图展示了一幅利用一个叫做StyleGAN的神经网络训练生成的图片，相信没有多少人能够轻易看出它是假的吧。

当然，这些令人难以置信的照片或许只能让人依稀感受到影像篡改的技术变迁，而对于每个时代的那些神秘技法依旧是充满未知的、令人着迷的。

那么，接下来就让我们首先走进胶片时代，感受一下暗房技术的魅力所在。

胶片时代的暗房技术是什么？

“胶片”是一个富有年代感的词汇，自从1888年美国柯达公司制造出第一个柔软、可卷绕的胶卷以来，距今已有130多年的历史。

胶片本身是一种光敏成像材料，主要的作用是通过感光记录画面，而从胶片到相片还有一个最重要的环节就是暗房技术，那么暗房技术究竟是什么呢？

实际上，暗房技术指的是黑暗环境下的一系列照片冲洗技术。当然，冲洗过程需要用到一些器材，比如：放大机、计时器、安全灯、洗相盘、各种化学药水及相纸等，至于它们的使用方法，还是先来看看暗房里是如何工作[3]的？

（1）从相机的胶卷盒中取出卷绕的底片，利用化学药水依次进行显影、停影和定影处理，期间需要使用计时器来严格控制时间；

（2）用温水冲洗已经显现影像内容的底片，去除上面的溶液残留之后挂起来晾干；

（3）在安全灯光下，将底片置于放大机内，反复试验调整以确定理想的曝光时间；

（4）使用放大机将底片上的影像印放到相纸上，相纸也需要控制时间进行显影、停影和定影处理；

（5）在洗相盘中用温水冲洗相纸之后，擦干照片即可装裱使用。

当然，暗房技术还包括一些其他的处理，比如：减淡加深、曝光震动、多次曝光、刮擦底片、修饰底片（如上图）、模糊、上色、裁剪和拼接等。需要用到很多其它的辅助工具[3]，比如：喷枪、放大镜、浆糊、墨水、油漆、棉花、灯、刀具、调色板、刷子、橡皮擦、炭笔、刻度尺、胶带等等。

优秀的暗房师们在众多工具的协助下，可以使用二次曝光来拼接照片或底片、可以使用漂白剂照亮照片或完全清洗掉部分内容、可以使用画笔进行手工美术绘画……

事实上，这些技术手法一一对应着我们熟知的PS技术，这也就是为什么胶片时代又称“前Photoshop时代”，早在Photoshop出现以前就已经有了这些处理技术，PS只是数字化的延伸了暗房技术而已。

Photoshop工具图标的由来

如今Photoshop软件的工具栏包含了各式各样的处理工具，然而有一些工具的图标却是让人啼笑皆非，比如：裁剪工具、画笔工具、减淡加深工具等[3]。

（1）裁剪工具的图标外观是比较难看的，它是一个能够始终保持长宽比例不变的滑动小装置，可以对图像进行裁剪和缩放处理，而它实际上来源于下图这个暗房工具。

（2）PS软件包含了画笔工具、历史画笔工具、修复画笔工具等各种类型的画笔，它们被广泛用于图像的编辑或修饰处理，而图标也同样来源于暗房中的画笔工具。

（3）减淡和加深这两个PS工具来源于暗房里的棒棒糖形状的工具，它们可以用来延长或者缩短曝光时间，让图像中任何区域变得更亮或者更暗，甚至渐变效果。

暗房大师的“上帝之手”

帕布鲁•伊尼里奥是一位世界著名的马格南图片社首席暗房师，当年许多经典作品[4][5]都出自他手，因此一向被誉为“暗房魔术师”。

上图是20世纪女神奥黛丽•赫本坐在汽车里的情景，可以看到，左边图上包含了大量的数字注释及线条，其实这些都是这位暗房师的杰作。

当然，这张相片经过多次曝光时间的调整后，对比右图可以明显发现，赫本的面部表情和车身反光等效果提升了许多。

在这张《詹姆斯•迪恩在时代广场》的照片上，那些令人费解的公式备注和线条圆圈（修改多达30处），同样能够让人感受到这位“暗房魔术师”的超群技艺。

试想一下，那是一个没有PS“选取工具”的年代，这一切都需要依靠人工裁剪出不同形状的遮光片处理完成，纵使是帕布鲁•伊尼里奥这样专业的暗房师，恐怕也需要几个小时甚至更长的时间才能完成一幅如此精良的作品。美国著名摄影师杰瑞•尤斯曼也是一位顶级的暗房特技大师，他打破了传统摄影美学的限制，通过自身精湛的暗房技术创造出了一幅幅令人惊奇的超现实影像作品[6]，被誉为“后摄影时代”的开拓者。

2016年，在美国纽约露西奖的艺术摄影颁奖采访[7]中，杰瑞•尤斯曼提到自己有七台放大机，一般刚开始只会用到两、三台，通过观察连续不同的印样来确定基本创作方案后，再反复测试正确的曝光值和遮挡影像的时间，期间还会考虑影像的具体构成元素，大约需要经过几天的时间才能完成这样一幅类似“悬案”的影像作品。

杰瑞•尤斯曼的作品正如他自己所说，“我的最终目的是使我自己感到惊奇，我最大的乐趣便是面对探索过程中的悬念。”

胶片时代的目视篡改识别

影像篡改的暗房处理过程非常“艰辛”，需要借助大量工具经过多次遮挡曝光、底片修饰、模糊、上色、裁剪、拼接等手法才能影印到相纸上。

那么，胶片时代有没有一些有效的真伪识别方法呢？

实际上，胶片时代与我们熟知的数字时代有所不同，复杂的手工处理工序常常会导致“创作”失败，而这种篡改的困难性也使得纸质照片的可信度普遍高于数字图像。此外，对比存储介质本身的差异也能想象到，胶片时代的识别手法要显得单一笨拙很多。

那个年代的人们大多是基于目视法辨别的，当然可以借助一些简单的技术或设备，比如：放大镜、显微镜等。目视法指的是根据照片中的内容特征进行鉴别[8]，比如说：

自然规律检验法，观察照片中的事物是否遵循自然规律，那么暗房大师杰瑞•尤斯曼的那种“摄影蒙太奇”风格的作品显然无法过关，比如2006年他所拍摄的《走向深夜》，人类的双手从树干中生出，这显然是不可能的。

透视规律检验法，验证影像中的物体是否遵循空间透视规律，通常，摄像机的拍摄符合小孔成像原理，应该具备近大远小特性。另外，平行于画面的直线应该保持原来的方向不消失，垂直于画面的直线应该相交于一点。
光照原理检验法，也称“阴影检验法”，一般情况下，光源、物体、影子会在同一直线上，可以观察物体的光影分布是否合理，像那些通过多次曝光拼接合成的照片是很有可能发现端倪的。但是，在多光源或散射光源情况下可能会比较困难。
景深原理检验法，当相机焦距对准某一点时，在“聚焦平面”前后会形成一个由清晰变模糊的范围，可以分析同一成像平面上是否存在虚实不均的情况。