画像Compression ผ่าน JPEG Compression ที่ง่าย

ความกังวลเกี่ยวกับความเสี่ยงจากภาพที่ถูกปลอมแปลงได้ปรากฏขึ้นในงานวิจัยในช่วงสองสามปีที่ผ่านมา โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อมีการเพิ่มขึ้นของเฟรมเวิร์กการแก้ไขภาพที่ใช้ AI ซึ่งสามารถแก้ไขภาพที่มีอยู่ได้มากกว่าการสร้างภาพใหม่

ระบบตรวจจับการปลอมแปลงส่วนใหญ่ที่มีจุดมุ่งหมายเพื่อจัดการกับเนื้อหาดังกล่าวสามารถแบ่งออกเป็นสองประเภท ได้แก่ การใช้เครื่องหมายน้ำ (watermarking) ซึ่งเป็นแนวทางที่ใช้ในการสร้างเฟรมเวิร์กความถูกต้องของภาพที่กำลังถูกส่งเสริมโดย Coalition for Content Provenance and Authenticity (C2PA)

กระบวนการทำเครื่องหมายน้ำของ C2PA เป็นแนวทางที่ใช้เมื่อเนื้อหาของภาพถูกแยกออกจากแมนิเฟสต์เดิมและแมนิเฟสต์ที่กำลังดำเนินอยู่ Source: https://www.imatag.com/blog/enhancing-content-integrity-c2pa-invisible-watermarking

สัญญาณลับเหล่านี้จะต้องทนต่อกระบวนการเข้ารหัส/การปรับให้เหมาะสมอัตโนมัติที่เกิดขึ้นบ่อยครั้งเมื่อภาพถูกส่งผ่านเครือข่ายสังคมและพอร์ทัล แต่สัญญาณเหล่านี้มักจะไม่ทนต่อการเข้ารหัสที่สูญเสียไปจากการบีบอัด JPEG (และแม้ว่าจะมีการแข่งขันกับ webp แต่รูปแบบ JPEG ยังคงถูกใช้สำหรับภาพเว็บไซต์ประมาณ 74.5%)

แนวทางที่สองคือการทำให้ภาพมีความสามารถในการตรวจจับการปลอมแปลง (tamper-evident) ตามที่ได้เสนอไว้ในเอกสารปี 2013 เรื่อง Image Integrity Authentication Scheme Based On Fixed Point Theory แทนที่จะพึ่งพาเครื่องหมายน้ำหรือลายเซ็นดิจิทัล วิธีนี้ใช้การแปลงทางคณิตศาสตร์ที่เรียกว่า Gaussian Convolution and Deconvolution (GCD) เพื่อผลักดันภาพให้เข้าสู่สถานะที่เสถียรซึ่งจะพังหากมีการแก้ไข

ผลลัพธ์ของการตรวจจับการปลอมแปลงโดยใช้ภาพที่มีจุดคงที่ที่มีค่า PSNR เท่ากับ 59.7802 dB สี่เหลี่ยมผืนผ้าขาวบ่งชี้ถึงพื้นที่ที่ถูกโจมตี Source: https://arxiv.org/pdf/1308.0679

แนวคิดนี้อาจเข้าใจได้ง่ายที่สุดในบริบทของการซ่อมแซมผ้าลูกไม้ละเอียด: ไม่ว่าจะใช้ฝีมือในการซ่อมแซมอย่างไร ส่วนที่ซ่อมแซมจะยังคงเห็นได้ชัดเจน

การแปลงนี้เมื่อใช้กับภาพขาวดำซ้ำๆ จะผลักดันภาพให้เข้าสู่สถานะที่การแปลงซ้ำจะไม่ทำให้ภาพเปลี่ยนแปลงอีกต่อไป

สถานะที่เสถียรนี้เรียกว่า จุดคงที่ (fixed point) จุดคงที่มีความหายากและไวต่อการเปลี่ยนแปลง: การเปลี่ยนแปลงเล็กๆ น้อยๆ ที่จุดคงที่จะทำให้ภาพพังและตรวจจับการปลอมแปลงได้ง่าย

ตามปกติของแนวทางนี้ อาร์ตแฟคต์จาก JPEG compression อาจเป็นอันตรายต่อความสมบูรณ์ของระบบ:

ด้านซ้าย เราจะเห็นเครื่องหมายน้ำที่ใช้กับภาพ Lenna ซึ่งเห็นได้ชัดเจนภายใต้การบีบอัดปกติ ด้านขวา โดยมีการบีบอัด JPEG 90% เราจะเห็นว่าความแตกต่างระหว่างเครื่องหมายน้ำที่รับรู้และเสียงรบกวน JPEG ที่เพิ่มขึ้นกำลังลดลง Source: https://arxiv.org/pdf/2106.14150

อะไรจะเกิดขึ้นหากเราใช้อาร์ตแฟคต์จาก JPEG compression เป็นวิธีการหลักในการรับจุดคงที่? ในกรณีนี้จะไม่ต้องใช้ระบบเสริมอื่นๆ เพราะกลไกที่ทำให้เกิดปัญหาในการตรวจจับการปลอมแปลงจะกลายเป็นรากฐานของระบบตรวจจับการปลอมแปลงเอง

การบีบอัด JPEG เป็นมาตรฐานความปลอดภัย

ระบบดังกล่าวถูกเสนอในเอกสารใหม่จากนักวิจัยสองคนจาก University of Buffalo at the State University of New York เรื่อง Tamper-Evident Image Using JPEG Fixed Points เอกสารนี้สร้างขึ้นจากงานปี 2013 และงานที่เกี่ยวข้อง โดย 공식กำหนดหลักการสำคัญและใช้การบีบอัด JPEG เป็นวิธีการที่อาจผลิตภาพที่ “ตรวจสอบความถูกต้องได้ด้วยตนเอง”

ผู้เขียนขยายความ:

‘การศึกษาพบว่าภาพจะไม่เปลี่ยนแปลงหลังจากผ่านกระบวนการบีบอัดและถอดรหัส JPEG หลายครั้ง’

‘ในอีกคำหนึ่ง หากการบีบอัดและถอดรหัส JPEG ครั้งเดียวถือเป็นการแปลงของภาพ เรียกว่า JPEG transform แล้วการแปลงนี้จะมีคุณสมบัติของจุดคงที่ คือ ภาพที่ไม่เปลี่ยนแปลงเมื่อใช้การแปลง JPEG’

ตัวอย่างการบรรจบกันของจุดคงที่ JPEG Source: https://arxiv.org/pdf/2504.17594

แทนที่จะแนะนำการแปลงหรือเครื่องหมายน้ำ เอกสารใหม่นี้กำหนดกระบวนการ JPEG เป็นระบบไดนามิก ในแบบจำลองนี้ การบีบอัดและถอดรหัส JPEG แต่ละครั้งจะผลักดันภาพให้เข้าสู่จุดคงที่ ผู้เขียนพิสูจน์ว่าหลังจากจำนวนการวนซ้ำที่จำกัด ภาพใดๆ จะเข้าสู่หรือเข้าใกล้จุดคงที่ที่การบีบอัดเพิ่มเติมจะไม่ทำให้เปลี่ยนแปลง

นักวิจัยระบุ:

‘การเปลี่ยนแปลงใดๆ ที่ภาพจะทำให้ห่างจากจุดคงที่ JPEG ซึ่งสามารถตรวจจับได้จากการเปลี่ยนแปลงในบล็อก JPEG หลังจากการบีบอัดและถอดรหัส JPEG ครั้งเดียว…’

‘ภาพที่ตรวจสอบความถูกต้องได้ด้วยตนเองโดยใช้จุดคงที่ JPEG มีข้อดีสองประการ ประการแรก ภาพที่ตรวจสอบความถูกต้องได้ด้วยตนเองจะไม่ต้องใช้การเก็บข้อมูลลักษณะที่สามารถตรวจสอบได้เหมือนกับระบบลายน้ำหรือการฝังตัวลับ’

‘ประการที่สอง เนื่องจาก JPEG เป็นรูปแบบที่ใช้กันอย่างแพร่หลายและบ่อยครั้งเป็นขั้นตอนสุดท้ายในการประมวลผลภาพ วิธีการที่เสนอจึงทนต่อการดำเนินการ JPEG ซึ่งตรงกันข้ามกับแนวทางเดิมที่อาจสูญเสียความสมบูรณ์ไปกับการบีบอัด JPEG’

ข้อค้นพบหลักของเอกสารคือการบรรจบกันของ JPEG ไม่ใช่เพียงผลพลอยได้จากดีไซน์ แต่เป็นผลลัพธ์ที่ตามมาทางคณิตศาสตร์ของการดำเนินการ JPEG

สเคมาการบีบอัดและถอดรหัส JPEG ที่กำหนดสำหรับงานใหม่

ไม่เหมือนกับการใช้เครื่องหมายน้ำ วิธีนี้ไม่ต้องใช้สัญญาณที่ฝังตัวเพิ่มเติม อ้างอิงเพียงความสอดคล้องของภาพภายใต้การบีบอัดเพิ่มเติม หากการบีบอัดใหม่ไม่ทำให้เปลี่ยนแปลง ภาพจะถือว่าถูกต้อง หากมีการเปลี่ยนแปลง จะบ่งชี้ถึงการปลอมแปลงโดยการเปลี่ยนแปลง

การทดสอบ

ผู้เขียนยืนยันพฤติกรรมนี้โดยใช้หนึ่งล้านแพทช์ภาพขาวดำ 8×8 พิกเซลที่สร้างแบบสุ่ม โดยการบีบอัดและถอดรหัส JPEG ซ้ำๆ พวกเขาพบว่าการบรรจบกันของจุดคงที่เกิดขึ้นในจำนวนการวนซ้ำที่จำกัด

ความแตกต่าง L2 ระหว่างการวนซ้ำต่อๆ ไปสำหรับหนึ่งล้านแพทช์ 8×8 ที่วัดภายใต้คุณภาพการบีบอัด JPEG ที่แตกต่างกัน

เพื่อประเมินการตรวจจับการปลอมแปลง ผู้เขียนสร้างภาพ JPEG ที่ตรวจสอบความถูกต้องได้ด้วยตนเองและใช้การโจมตี четыреประเภท: สัญญาณรบกวนแบบ “salt and pepper”; การคัดลอกและย้าย; การตัดต่อจากแหล่งภายนอก; และการบีบอัด JPEG สองครั้งโดยใช้ตารางการปรับขนาดที่แตกต่างกัน

ตัวอย่างของภาพ RGB ที่มีจุดคงที่พร้อมการตรวจจับการปลอมแปลงและการระบุตำแหน่ง รวมถึงวิธีการรบกวน四แบบที่ผู้เขียนใช้

หลังการปลอมแปลง ภาพถูกบีบอัดใหม่โดยใช้เมทริกซ์การปรับขนาดเดิม การเปลี่ยนแปลงจากจุดคงที่ถูกตรวจจับโดยการระบุบล็อกภาพที่แสดงความแตกต่างที่ไม่ใช่ศูนย์หลังการบีบอัดใหม่ ทำให้สามารถตรวจจับการปลอมแปลงและระบุตำแหน่งได้

เนื่องจากวิธีการนี้ขึ้นอยู่กับการดำเนินการ JPEG มาตรฐาน ภาพที่มีจุดคงที่จึงทำงานได้ดีกับโปรแกรมดูและแก้ไขภาพ JPEG ปกติ แต่ผู้เขียนชี้ว่าหากภาพถูกบีบอัดใหม่ในระดับคุณภาพที่แตกต่าง อาจสูญเสียสถานะจุดคงที่ ซึ่งอาจทำให้การตรวจสอบความถูกต้องไม่ทำงานและต้องจัดการอย่างระมัดระวังในการใช้งานจริง

ในขณะที่วิธีนี้ไม่ใช่เครื่องมือสำหรับการวิเคราะห์ผลลัพธ์ JPEG เพียงอย่างเดียว แต่ก็ไม่เพิ่มความซับซ้อนมากนัก ในหลักการแล้ว สามารถรวมเข้ากับกระบวนการทำงานที่มีอยู่ได้ด้วยต้นทุนที่น้อยหรือการหยุดชะงักน้อย

เอกสารนี้ยังชี้ว่าผู้โจมตีที่มีความสามารถสูงอาจพยายามสร้างการเปลี่ยนแปลงที่รักษาสถานะจุดคงที่ แต่นักวิจัยโต้แย้งว่าความพยายามดังกล่าวอาจแนะนำอาร์ตแฟคต์ที่มองเห็นได้ ซึ่งจะบ่อนทำลายการโจมตี

แม้ว่าผู้เขียนจะไม่กล่าวถึงว่าภาพ JPEG ที่มีจุดคงที่สามารถแทนที่ระบบยืนยันตัวตนภาพที่กว้างขึ้น เช่น C2PA ได้ แต่พวกเขาชี้ว่าวิธีการจุดคงที่อาจเสริมระบบเมตาดาต้าภายนอกโดยการเสนอชั้นการตรวจสอบความถูกต้องเพิ่มเติมที่ยังคงอยู่แม้ว่าเมตาดาต้าจะถูกถอดหรือสูญหายไป

สรุป

แนวทางการบีบอัด JPEG ที่มีจุดคงที่เป็นวิธีการที่ง่ายและเป็นระบบที่ไม่ต้องการเมตาดาต้าฝังตัว ลายน้ำ หรือไฟล์อ้างอิงภายนอก และได้รับความถูกต้องโดยตรงจากพฤติกรรมที่คาดการณ์ได้ของกระบวนการบีบอัด

ด้วยวิธีนี้ กระบวนการบีบอัด JPEG ซึ่งเป็นแหล่งที่มาของการเสื่อมสภาพของข้อมูล จะกลายเป็นกลไกในการตรวจสอบความสมบูรณ์ ในแง่นี้ เอกสารใหม่นี้เป็นหนึ่งในแนวทางที่มีความคิดสร้างสรรค์และประดิษฐ์มากที่สุดในการแก้ปัญหานี้ที่ผมพบในช่วงหลายปีที่ผ่านมา

งานใหม่นี้ชี้ให้เห็นถึงการเปลี่ยนแปลงจากการเพิ่มชั้นความปลอดภัยไปสู่แนวทางที่ใช้คุณลักษณะที่มีอยู่ในตัวสื่อเอง เมื่อวิธีการปลอมแปลงมีความซับซ้อนมากขึ้น เทคนิคที่ทดสอบโครงสร้างภายในของภาพอาจเริ่มมีความสำคัญมากขึ้น

นอกจากนี้ ระบบหลายระบบที่ถูกเสนอเพื่อแก้ไขปัญหานี้มักจะแนะนำการหยุดชะงักอย่างมีนัยสำคัญต่อกระบวนการประมวลผลภาพที่มีอยู่ ซึ่งบางส่วนได้ดำเนินการอย่างน่าเชื่อถือเป็นเวลาหลายปีหรือหลายทศวรรษ และจะต้องมีเหตุผลที่เข้มแข็งกว่าในการเปลี่ยนแปลง

* การแปลงอ้างอิงภายในของผู้เขียนให้เป็นลิงก์

เผยแพร่ครั้งแรกวันศุกร์ที่ 25 เมษายน 2025