M2SFormer: Multi-Spectral and Multi-Scale Attention with Edge-Aware Difficulty Guidance for Image Forgery Localization

Ju-Hyeon Nam1 ，Dong-Hyun Moon1 ，Sang-Chul Lee1,2
1仁荷大学电子与计算机工程系
2DeepCardio

摘要

图像处理技术发展迅猛，既催生了创新应用场景，也催生了数字图像的恶意篡改。基于深度学习的方法在像素级伪造定位方面已取得高精度，但在计算开销和表征能力方面仍存在局限，尤其在应对细微或复杂的篡改时表现欠佳。本文提出M2SFormer，这是一种基于Transformer编码器的创新框架，旨在攻克现有技术难题。与传统方法分别处理空间和频率线索不同，M2SFormer通过在跳跃连接中统一多频段和多尺度注意力机制，借助全局上下文信息，能更精准捕捉各类伪造特征。此外，我们的框架通过采用全局先验图（一种反映伪造检测难度的曲率度量指标）来解决上采样过程中细节丢失的问题。该指标能引导难度导向注意力模块更有效地保留细微操作痕迹。在多个基准数据集上的大量实验表明，M2SFormer模型不仅超越了现有最先进模型，在跨领域检测和定位伪造行为时展现出更强的泛化能力。

引言

我们能相信媒体上的信息吗？
随着图像编辑技术的飞速发展，数字图像处理能力日益精进，既催生了创意应用，也滋生了恶意篡改[32,36,40,70]。这种现象引发重大社会关切——伪造图像可能导致虚假信息传播、法律纠纷频发、公众信任危机加剧，进而助长社会不稳定[2,49,63]。因此，图像伪造检测技术备受瞩目。早期方法主要采用基于基础手工特征的传统手段，例如JPEG压缩痕迹[54,71]、传感器模式噪声（SPN）[10,35]以及色彩滤光阵列（CFA）插值模式[12,16]。然而这些方法主要聚焦于图像级检测（二元分类），对新型伪造类型存在泛化能力不足的问题[28,67]。
随着深度学习时代的到来，像素级伪造检测（二值分割）技术已取得显著进展，曼陀罗网络[67]和SPAN [28]等模型在自动提取伪造痕迹方面表现优异。然而，尽管这些方法成效显著，但其计算成本高昂且表征能力不足，导致对新型伪造类型难以有效泛化[8,77]。近年来，注意力机制的引入[11,27,66]缓解了部分挑战，提升了基于UNet架构编码器-解码器模型的伪造检测效率与性能[23,43,77]。不过，当伪造内容较为隐蔽或与原图高度相似时，现有方法仍存在鉴别困难的问题，导致实际应用场景中的检测效果有所下降[18,41,69]。
近年来，频域方法在图像分类[9,38,56,75]、语义分割[4,37,72]和目标检测[39,78]等多个领域得到广泛应用，旨在提升模型对未知领域的泛化能力和抗干扰能力。值得注意的是，相较于依赖空间域线索进行伪造定位的方案，频域信号分析往往能更有效地揭示细微的篡改痕迹[18,21,42,47,55,69]。然而现有研究因效率考量，通常将空间域与频域割裂处理，未能构建统一框架。这导致目前缺乏能同时整合空间与频率信息的统一式注意力机制，主要源于对计算效率的顾虑。由此引出一个关键研究问题：“如何在高效整合空间与频率注意力的同时，有效捕捉细微的伪造特征？”
为解决上述问题，我们提出了一种新颖的频率-空间统一注意力机制——在跳跃连接中引入多光谱-多空间（M2S，Spectral and Multi-Spatial）注意力模块，用于伪造检测定位。我们研发的M2S注意力模块包含两大核心机制：频率域与空间域。在频率域方面，我们采用二维离散余弦变换（2D DCT）[1]的基图像生成通道级注意力图。通过选择性地加权相关频率分量，该方法既能精准提取关键频谱信息，又能从多光谱视角完整保留空间上下文特征。在空间域处理方面，我们采用受SIFT启发的特征金字塔结构，精准捕捉剪切粘贴操作产生的细微异常边界线索。通过逐层应用空间注意力机制，有效突显这些伪造特征。同时，我们对每个输入样本进行量化评估，并开发出融合难度引导注意力（DGA）与Transformer模块的解码器——该解码器将难度等级转化为文本表征，并结合通道级注意力机制，显著提升模型应对复杂样本的能力。通过将M2S注意力模块与基于边缘感知DGA的Transformer解码器相结合，我们提出了一种名为M2SFormer的Transformer架构——这是一种新型伪造检测模型，能够充分利用全局依赖关系，并能稳定捕捉不同操作类型、形状和尺寸下的伪造掩码。在多个公开基准数据集上的大量实验表明，M2SFormer不仅超越了现有模型，在跨领域伪造检测中显著提升了泛化性能，还具有更强的适应性。此外，我们在附录（第8节）中详细阐述了M2SFormer在人工智能领域的应用价值。本文的贡献可归纳如下：

我们提出了一种基于Transformer的新型伪造定位框架M2SFormer，该框架将M2S注意力模块与边缘感知的DGAbased Transformer解码器高效集成，相比现有方法显著提升了伪造定位性能。
通过在跳跃连接中整合多光谱与多尺度注意力机制，能更精准捕捉伪造痕迹。此外，全局先验图可量化伪造定位难度，在上采样后引导难度导向注意力模块，从而在复杂区域保留细节特征。
在多个基准数据集上的大量实验表明，M2SFormer优于现有模型，在跨未见领域的伪造定位中显著提高了泛化性能。

为评估各模型性能，我们选取了图像分割领域常用的三个指标：Dice分数系数（DSC）[48]和平均交并比（mIoU）。