الصور الذاتية التحقق من خلال الضغط JPEG البسيط

الاهتمامات حول المخاطر التي تطرحها الصور المزورة ظهرت بانتظام في الأبحاث على مدار السنوات القليلة الماضية، ولا سيما في ضوء موجة جديدة من الإطارات القائمة على الذكاء الاصطناعي لتحرير الصور قادرة على تعديل الصور الحالية، بدلا من إنشائها بشكل مباشر.

معظم أنظمة الكشف المقترحة التي تتعامل مع هذا النوع من المحتوى تنقسم إلى فئتين: الأولى هي العلامة المائية – وهي نهج بديل تم بناؤه في إطار صحة الصورة الآن يتم تعزيزه من قبل التحالف من أجل برهان المحتوى والأصالة (C2PA).

إجراء العلامة المائية C2PA هو بديل، يجب أن يحدث في حالة انفصال محتوى الصورة عن سجله الأصلي والمتواصل. مصدر: https://www.imatag.com/blog/enhancing-content-integrity-c2pa-invisible-watermarking

يجب أن تكون هذه “الإشارات السرية” قادرة على الصمود أمام الإجراءات التلقائية لإعادة التشفير والتحسين التي تحدث غالبًا أثناء انتقال الصورة عبر الشبكات الاجتماعية والمنصات – لكنها غالبًا ما لا تكون قادرة على الصمود أمام نوع Lossy لإعادة التشفير المطبق عبر ضغط JPEG (ورغم المنافسة من قبل المطالبين مثل webp، لا يزال صيغ JPEG يستخدم لتقريبا 74.5% من جميع صور المواقع).

النهج الثاني هو جعل الصور ظاهرة للتلاعب، كما اقترح لأول مرة في الورقة عام 2013 مخطط مصادقة صحة الصورة القائم على نظرية النقطة الثابتة. بدلا من الاعتماد على العلامات المائية أو التوقيعات الرقمية، استخدم هذا الأسلوب تحويلًا رياضيًا يسمى الانتشار والانعكاس الجاوسي (GCD) لتحريك الصور نحو حالة مستقرة ستنهار إذا تم تعديلها.

من الورقة ‘مخطط مصادقة صحة الصورة القائم على نظرية النقطة الثابتة’: نتائج تحديد التلاعب باستخدام صورة نقطة ثابتة مع PSNR 59.7802 dB. المربعات البيضاء تشير إلى المناطق الخاضعة للهجمات. اللوحة A (اليسار) تعرض التعديلات المطبقة، بما في ذلك الضوضاء الموضعية والمرشحات والهجمات القائمة على النسخ. اللوحة B (اليمين) تظهر الإخراج المقابل للكشف، مع تسليط الضوء على المناطق المخادعة المحددة بواسطة عملية المصادقة. مصدر: https://arxiv.org/pdf/1308.0679

يمكن فهم هذا المفهوم بسهولة في سياق إصلاح قطعة من القماش الرقيق: بغض النظر عن دقة الحرفية المستخدمة في إصلاح الشبكة، فإن الجزء المُصلح سيكون دائمًا يمكن تمييزه.

عند تطبيق هذا التحويل بشكل متكرر على صورة بالأبيض والأسود، يُشجع ذلك الصورة بشكل متزايد نحو حالة حيث لا يحدث تطبيق التحويل مرة أخرى أي تغيير.

تسمى هذه النسخة المستقرة من الصورة نقطة ثابتة. النقاط الثابتة نادرة وحساسة للتغييرات – أي تعديل صغير لصورة نقطة ثابتة سيؤدي几乎 بالتأكيد إلى كسر وضعها “ثابت”، مما يجعل من السهل الكشف عن التلاعب.

كما هو الحال دائمًا مع هذه النهج، فإن الفنون من ضغط JPEG يمكن أن تهدد سلامة الخطة:

على اليسار، نرى علامة مائية تم تطبيقها على وجه الصورة الأيقونية ‘Lenna’ (Lena)، والتي تكون واضحة تحت الضغط العادي. على اليمين، مع ضغط JPEG بنسبة 90%، يمكننا رؤية أن الفرق بين العلامة المائية المتصورة ونمو ضوضاء JPEG يقل. مصدر: https://arxiv.org/pdf/2106.14150

ماذا لو، بدلاً من ذلك، يمكن استخدام فنون ضغط JPEG نفسه كوسيلة رئيسية للحصول على نقطة ثابتة؟ في这种 الحالة، لن يكون هناك حاجة إلى أنظمة خارجية إضافية، لأن الآلية نفسها التي تسبب عادة المشاكل للعلامات المائية واكتشاف التلاعب ستشكل أساس إطار اكتشاف التلاعب نفسه.

ضغط JPEG كقاعدة أمان

يقترح نظام من هذا القبيل في ورقة جديدة من قبل两个 باحثين في جامعة بوفالو في جامعة نيويورك. بعنوان صورة واضحة للتلاعب باستخدام نقاط JPEG الثابتة، تقدم الورقة الجديدة بناءً على العمل عام 2013 والاعمال ذات الصلة، من خلال صياغة مبادئها المركزية رسميًا لأول مرة، وكذلك من خلال الاستفادة ببراعة من ضغط JPEG نفسه كوسيلة ل生产 صورة “ذاتية التحقق”.

يقول المؤلفون:

‘تُظهر الدراسة أن الصورة لا تتغير بعد خضوعها لعدة دورات من عملية ضغط و فك ضغط JPEG.

‘بمعنى آخر، إذا اعتبرنا دورة واحدة من ضغط و فك ضغط JPEG تحويلًا للصورة، يُسمى تحويل JPEG، فإن هذا التحويل يظهر خاصية وجود نقاط ثابتة، أي صور لا تتغير عند تطبيق تحويل JPEG.’

من الورقة الجديدة، توضيح لتقارب نقطة JPEG الثابتة. في الصف العلوي، نرى صورة تخضع لضغط JPEG المتكرر، مع كل تكرار يُظهر عدد وموقع البكسل المتغيرة؛ في الصف السفلي، يتم رسم المسافة L2 بين التكرارات المتعاقبة عبر إعدادات جودة الضغط المختلفة. بشكل متناقض، لا توجد حلاً أعلى لهذه الصورة متاحة. مصدر: https://arxiv.org/pdf/2504.17594

بدلاً من تقديم تحويلات خارجية أو علامات مائية، يُعرِّف الباحثون عملية JPEG ك نظام ديناميكي. في هذا النموذج، كل دورة من ضغط و فك ضغط JPEG تحرك الصورة نحو نقطة ثابتة. يثبت المؤلفون أن أي صورة، بعد عدد من التكرارات، تصل أو تقترب من حالة حيث لن يحدث ضغط إضافي أي تغيير.

يقول الباحثون:

‘أي تعديلات على الصورة ستسبب انحرافات عن نقاط JPEG الثابتة، والتي يمكن الكشف عنها كتغييرات في كتلة JPEG بعد دورة واحدة من ضغط و فك ضغط JPEG…’

‘الصورة الواضحة للتلاعب القائمة على نقاط JPEG الثابتة لها ميزتان. الأولى، الصور الواضحة للتلاعب تلغي الحاجة إلى تخزين خارجي لميزات قابلة للتحقق، كما هو مطلوب في مخططات الطباعة، أو دمج أثر مخفي، كما هو الحال في طرق العلامة المائية. الصورة نفسها تعمل كدليل على صحتها، مما يجعل الخطة ذاتية التحقق بشكل nội.

‘ثانياً،由于 JPEG هو صيغ واسع الاستخدام وغالبًا ما يكون الخطوة الأخيرة في خط أنابيب معالجة الصور، فإن الطريقة المقترحة مقاومة لعمليات JPEG. هذا يتناقض مع النهج الأصلي الذي قد يفقد أثر السلامة بسبب JPEG.’

الرؤية الرئيسية للورقة هي أن تقارب JPEG ليس مجرد نتيجة لتصميمه، ولكن نتيجة رياضية حتمية لعملياته. التحويل المتناسق المتقطع، الكمية، الجولة، والقص جميعًا يشكلون تحويلًا يؤدي (في ظل الشروط الصحيحة) إلى مجموعة من النقاط الثابتة المتوقعة.

مخطط لعمليات ضغط و فك ضغط JPEG تم صياغته للاستخدام في العمل الجديد.

على عكس العلامة المائية، هذا الأسلوب لا يتطلب إشارة مدمجة. المرجع الوحيد هو استمرار الصورة نفسها تحت الضغط الإضافي. إذا لم يحدث إعادة الضغط أي تغيير، يُفترض أن الصورة أصلية. إذا حدث،那么 التلاعب يتم إظهاره بواسطة الانحراف.

الاختبارات

أثبت المؤلفون هذا السلوك باستخدام مليون رقعة من بيانات الصور الرمادية ثمانية بت، تم توليدها بشكل عشوائي. من خلال تطبيق ضغط و فك ضغط JPEG المتكرر على هذه الرقعة، لاحظوا أن التقارب إلى نقطة ثابتة يحدث في عدد من الخطوات. تم رصد هذا العملية عن طريق قياس المسافة L2 بين التكرارات المتعاقبة، مع تقلل الفروق حتى استقرار الرقعة.

فرق L2 بين التكرارات المتعاقبة لمليون رقعة 8×8، تم قياسها تحت جودة ضغط JPEG المختلفة. كل عملية تبدأ مع رقعة واحدة مضغوطة بJPEG وتراقب تقليل الفرق عبر الضغط المتكرر.

为了 تقييم اكتشاف التلاعب، بنى المؤلفون صور JPEG واضحة للتلاعب وقاموا بتطبيق أربعة أنواع من الهجمات: ضوضاء الملح والفلفل؛ عمليات النسخ-النقل؛ اللصق من مصادر خارجية؛ و ضغط JPEG المزدوج باستخدام جدول كمية مختلف.

مثال على صورة RGB ذات نقطة ثابتة مع اكتشاف وتحديد موقع التلاعب، بما في ذلك أربعة أساليب الإختراق المستخدمة من قبل المؤلفين. في الصف السفلي، يمكننا رؤية أن كل أسلوب إختراق يخون نفسه، بالنسبة إلى صورة النقطة الثابتة المولدة.

بعد التلاعب، تم إعادة ضغط الصور باستخدام مصفوفة الكمية الأصلية. تم الكشف عن الانحرافات من النقطة الثابتة عن طريق تحديد كتل الصورة التي أظهرت فروق غير صفرية بعد إعادة الضغط، مما مكن من اكتشاف وتحديد موقع المناطق المخادعة.

由于 هذه الطريقة تستند بالكامل إلى عمليات JPEG القياسية، تعمل صور النقطة الثابتة بشكل جيد مع معارض و محررات JPEG العادية؛ لكن المؤلفين يشيرون إلى أن إذا تم إعادة ضغط الصورة بجودة مختلفة، يمكن أن تفقد وضعها الثابت، مما قد يؤدي إلى كسر المصادقة، ويتطلب التعامل بحذر في الاستخدام الحقيقي.

في حين أن هذه الأداة ليست فقط لتحليل مخرجات JPEG، فهي لا تضيف الكثير من التعقيد. في المبدأ، يمكن أن تكون متوافقة مع سير العمل الحالية مع تكلفة أو إزعاج طفيف.

يقر المؤلفون بأن خصماً متقدمًا قد يحاول صياغة تغييرات معادية تحافظ على وضع النقطة الثابتة؛ لكنهم يعتقدون أن هذه الجهود سوف تroduce في الغالب أثر مرئي، مما يؤدي إلى إحباط الهجوم.

في حين أن المؤلفين لا يزعمون أن صور JPEG الثابتة يمكن أن تحل محل أنظمة البرهان الأوسع مثل C2PA، فهم يشيرون إلى أن أساليب النقطة الثابتة يمكن أن تكون مكملاً للاطار الخارجي لمetadata من خلال تقديم طبقة إضافية من أدلة التلاعب التي تظل حتى عندما يتم إزالة أو فقدان البيانات الوصفية.

الاستنتاج

يقدم نهج JPEG الثابت بديلاً بسيطًا ومتكاملًا لأنظمة المصادقة التقليدية، لا يتطلب أي بيانات وصفية مدمجة أو علامات مائية أو ملفات مرجعية خارجية، وبدلاً من ذلك يستمد الصحة مباشرة من السلوك المتوقع لعملية الضغط.

بهذه الطريقة، يعيد الأسلوب ضغط JPEG – وهو مصدر شائع لتحلل البيانات – كآلية لتحقق السلامة. في هذا الصدد، تعتبر الورقة الجديدة واحدة من أكثر النهج المبتكرة والمبتكرة لمواجهة هذه المشكلة التي واجهتها على مدار السنوات القليلة الماضية.

يشير العمل الجديد إلى تحول بعيدًا عن الإضافات المتعددة للأمان، وباتجاه نهج يعتمد على الخصائص المدمجة في الوسائط نفسها. مع نمو أساليب التلاعب في التعقيد، قد تبدأ تقنيات اختبار هيكل الصورة الداخلي في أن تهم أكثر.

علاوة على ذلك، تقدم العديد من الأنظمة البديلة المقترحة لمواجهة هذه المشكلة إزعاجًا كبيرًا من خلال الحاجة إلى تغييرات في سير العمل المثبتة جيدًا لمعالجة الصور – بعضها يعمل بشكل موثوق لسنوات أو حتى عقود، والتي سوف تتطلب تبريرًا أقوى لاعادة التجهيز.

* تحويلي لمراجع المؤلفين الداخلية إلى روابط.

نشر لأول مرة يوم الجمعة، 25 أبريل 2025