數(shù)字影像證據(jù)的防偽技術(shù)研究及相關(guān)系統(tǒng)的建立

蔡能斌，鄧南，黃曉春，盧宏濤，丁建勛

（1.上海市公安局物證鑒定中心上海市現(xiàn)場物證重點實驗室，上海 200083；2.上海交通大學(xué)，上海 200240；3.上海樂呈影像技術(shù)有限公司，上海 200235）

1 背景

隨著計算機及多媒體技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字影像進入了社會生活的各個領(lǐng)域，在司法領(lǐng)域數(shù)字影像經(jīng)常以證據(jù)的形式出現(xiàn)，作為刑訴法規(guī)定的視聽資料證據(jù)，數(shù)字影像所占的比重越來越大。但是，由于其存在形式與傳統(tǒng)影像載體相比，沒有適當?shù)脑问?，大多以?fù)制品形式存在，容易遭到復(fù)制和篡改，因而原始證據(jù)屬性較弱，證明效力較為低下［1］。中國攝影金像獎事件［2］、華南虎事件［3］等一系列事件說明數(shù)碼影像易于修改是不可爭辯的事實，這使它的真實性、可靠性受到動搖［4］，曾一度成為公眾和媒體議論的焦點。如何維護數(shù)字影像證據(jù)的公信力，引起了業(yè)內(nèi)相關(guān)專家的重視，并對此進行了專門的討論［5-8］。本文研究利用數(shù)字水?。╠igital watermarking）技術(shù)對數(shù)字影像證據(jù)進行防偽處理，以維護數(shù)字影像證據(jù)的公信力。數(shù)字水印是近年來出現(xiàn)的數(shù)字產(chǎn)品版權(quán)保護技術(shù)，可以標識作者、所有者、發(fā)行者、使用者等，并攜帶有版權(quán)保護信息和認證信息，目的是鑒別出非法復(fù)制和盜用的數(shù)字產(chǎn)品，作為密碼學(xué)的加密或置亂技術(shù)的補充，保護數(shù)字產(chǎn)品的合法拷貝和傳播［9］。 該技術(shù)已經(jīng)在PDF文檔、DVD以及遙感影像的版權(quán)保護等方面取得了成功的應(yīng)用［10-12］，數(shù)字水印的算法很多，各種算法各有特點，適合不同領(lǐng)域的應(yīng)用［13-16］，本文研究基于Lab色彩空間模板的盲水印算法，并建立了相關(guān)的數(shù)字影像防偽系統(tǒng)，為維護數(shù)字影像證據(jù)的公信力提供了一種有效的技術(shù)方案，并在司法實踐中得到了成功的應(yīng)用。

2 數(shù)字圖像水印算法的研究

本文研究基于Lab色彩空間模板的盲水印方法，即在不對圖像質(zhì)量顯著影響的條件下，在圖像中嵌入信息，這種信息需要有一定的穩(wěn)定性，即嵌入信息的圖像經(jīng)過一定的修改之后仍然能夠正確提取出嵌入的信息，這種水印稱為魯棒性數(shù)字圖像水印，可用于驗證圖像的來源和版權(quán)。

（1）設(shè)計思路：該水印算法在圖像中嵌入了兩種信息，一是模板，用于定位；二是水印信息。模板含有的信息量很少，只是對像素點的一種標定，將圖像中的部分像素點定義為模板點，以便于在圖像經(jīng)過去同步攻擊之后恢復(fù)原始的位置與尺度。水印信息則是需要嵌入的信息本身。模板與水印分別嵌入在圖像的不同區(qū)域中，因此將圖像劃分為兩種區(qū)域：模板區(qū)域和水印區(qū)域。兩種區(qū)域都為正方形，模板區(qū)域應(yīng)適當小于水印區(qū)域，并與水印區(qū)域交錯分布，如圖1所示。水印嵌入時，模板區(qū)域與水印區(qū)域的嵌入互相獨立；水印提取時，首先提取模板的位置，然后估計相應(yīng)的水印區(qū)域的位置。

圖1 水印區(qū)域與模板區(qū)域分布

（2）模板的嵌入與提?。簩D像從通常的RGB三通道變換為Lab三通道，對其中的b通道值進行處理，將其中的像素點標定為模板點。對于非模板區(qū)域，進行反向的標定，使得檢測模板的時候它們不會被誤認為模板區(qū)域。將模板區(qū)域中的像素點標定為模板點的方法使量化。同樣對于非模板區(qū)域的像素點，用類似的量化進行反向標定，使其中的像素點和模板區(qū)域的像素點區(qū)別開來。模板提取分為兩步：第一步是將待提取的圖像轉(zhuǎn)換到Lab色彩空間，檢測b通道中的模板點；第二步是從檢測結(jié)果中估計模板塊的大小和位置。

（3）水印的嵌入與提取：有模板為基礎(chǔ)提供同步信息，就能根據(jù)模板信息來確定水印信息的位置，從而應(yīng)用頻域盲水印方法進行水印信息的提取和嵌入。在嵌入和提取水印時，都保持對之前設(shè)定的水印圖像區(qū)域進行，可以充分利用頻域水印算法的不可見性以及魯棒性。水印信息為固定大小的二值圖像，且應(yīng)小于被嵌入的圖像，從而可以在圖像中嵌入冗余水印信息，增強魯棒性。通過由模板區(qū)域確定的水印區(qū)域，對其進行頻域變換，在頻域中嵌入二值的水印信息，之后再將該區(qū)域反變換為圖像信息再重新放回圖像中。這種做法的好處是水印信息的存儲分布在整個圖像當中，并且對圖像的可見部分影響較小，保持了原始圖像的質(zhì)量并增強了水印的隱蔽性。水印提取分三步：首先根據(jù)模板提取結(jié)果估計水印區(qū)域的大小與位置，將水印區(qū)域恢復(fù)為嵌入時像素大小；然后對恢復(fù)原尺度的水印區(qū)域進行信息提取。接著對提取質(zhì)量進行估計；最后返回最優(yōu)的提取質(zhì)量與提取結(jié)果，以供進一步的分析和考量。

3 數(shù)字影像防偽系統(tǒng)的建立

數(shù)字影像防偽系統(tǒng)邏輯上可劃分為加密防偽子系統(tǒng)、信息管理子系統(tǒng)和加密信息驗證子系統(tǒng)。如圖2所示為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，數(shù)字影像防偽系統(tǒng)包括：服務(wù)器1，內(nèi)包含：Oracle 9i數(shù)據(jù)庫，安裝有數(shù)字影像加密防偽子系統(tǒng)。主要功能是存儲和加密數(shù)字影像資料，采用小型機或高端PC服務(wù)器。用戶機2，通過公安網(wǎng)絡(luò)與所述服務(wù)器連接，安裝有數(shù)字影像信息管理子系統(tǒng)，主要功能是驗證用戶的身份和權(quán)限，可以通過建立樹狀目錄來對圖像文件進行存儲管理、用戶和角色的管理以及日志管理；可以針對事件進行條件組合查詢以及對圖像進行簡單的編輯處理等。驗證機3，通過公安網(wǎng)絡(luò)與所述服務(wù)器連接，安裝數(shù)字影像加密信息驗證子系統(tǒng)，即水印驗證裝置，其主要功能是驗證圖像資料是否被非法篡改；可脫離網(wǎng)絡(luò)獨立工作。采用雙屏工控電腦，鋁合金外殼，具有抗壓，防暴特性。

此外，本系統(tǒng)采用了硬件加密器控制用戶機以及驗證機的工作，硬件加密器為可編程的USB加密設(shè)備，其I/O通訊采取了口令保護措施，并且在出廠狀態(tài)下沒有提供讀取內(nèi)部文件的接口。出廠的硬件加密器在本系統(tǒng)中被初始化時，系統(tǒng)將會自動修改I/O通訊口令，并植入本系統(tǒng)特有的端口通訊程序，以確保只有合法的硬件加密器，才能在本系統(tǒng)中正常使用，杜絕了混淆、偽造硬件加密器的可能性。硬件加密器采用高度集成化的工藝制造，將CPU，RAM，ROM，I/O通訊模塊集成在一塊芯片上，從而杜絕了從硬件上破壞合法的硬件加密器，分離出RAM和ROM并讀取其內(nèi)部數(shù)據(jù)的可能性。本系統(tǒng)的硬件加密器包含：初始加密器4，是設(shè)備廠商所提供的特殊加密器，用于在空白系統(tǒng)中創(chuàng)建核心加密器和用戶加密器，以及在核心加密器損壞或遺失的情況下，從數(shù)據(jù)庫中復(fù)制一個新的核心加密器。核心加密器5，是登錄系統(tǒng)所必需的加密器，一個系統(tǒng)中只能有一個核心加密器，其輸出端與所述用戶機連接。核心加密器中儲存有水印信息及相關(guān)用戶信息。用戶加密器6，是用戶登錄系統(tǒng)所必需的加密器，每個用戶（操作人員）都對應(yīng)一個用戶加密器，用戶加密器中儲存的是用戶的相關(guān)信息，其輸出端與所述用戶機連接。用戶登錄系統(tǒng)時，需要在服務(wù)器上插入一個核心加密器，在用戶機上插入兩個代表操作人員的用戶加密器，并輸入相應(yīng)的用戶密碼，才可成功登錄。

4 數(shù)字影像防偽系統(tǒng)的應(yīng)用

如圖3所示為數(shù)字影像防偽系統(tǒng)工作界面。截至2011年8月31日，該系統(tǒng)已在上海市虹口區(qū)“2011·1·27”兇殺案等553起案件的數(shù)字影像資料中得到應(yīng)用，共加密處理影像文件19210張，各級公安機關(guān)通過本系統(tǒng)下載應(yīng)用加密圖像共55170張次。確保了這些案件的數(shù)字影像材料的證據(jù)效力?？傊?，數(shù)字影像證據(jù)防偽技術(shù)的研究及相關(guān)系統(tǒng)的建立和應(yīng)用、推廣，有利于推動數(shù)字影像取證工作的程序化、規(guī)范化和標準化進程；提升對作為證據(jù)使用的司法數(shù)字影像的管理水平，為全國司法機關(guān)提供了一個可供參考的范例。

圖3 數(shù)字影像防偽系統(tǒng)工作界面

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