基于數(shù)字水印的圖像鑒定取證技術(shù)研究

何晶

摘 要：隨著數(shù)碼相機(jī)，數(shù)字打印掃描等電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，獲取數(shù)字圖像變得十分快捷；隨著電子計(jì)算機(jī)的高速發(fā)展，圖形圖像處理軟件功能的日益強(qiáng)大，使得偽造和篡改圖像變得十分容易。如果不法分子將偽造和篡改的圖像用于法庭證物，保險(xiǎn)取證，新聞媒體，科學(xué)發(fā)現(xiàn)中，將會(huì)對社會(huì)安全穩(wěn)定帶來極大不良影響，因此對數(shù)字圖像的鑒定取證技術(shù)受到相關(guān)人士的廣泛關(guān)注，具有深遠(yuǎn)的科學(xué)意義和重要的政治價(jià)值。本文即針對基于數(shù)字誰贏的圖像鑒定取證技術(shù)展開了研究，以期推動(dòng)圖像鑒定取證的進(jìn)一步發(fā)展。

關(guān)鍵詞：數(shù)字水印；圖像；鑒定取證

中圖分類號(hào)： TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)：2095-2163（2015）04-

Research on Technology of Digital Watermarking based on Image Authentication

HE Jing

（Department of Information Engineering，Chongqing Youth Vocational & Technical College，Chongqing 400712， China）

Abstract： With digital cameras， digital print scan electronic devices widely used， obtaining digital images become very fast. With the rapid development of computer， graphic image processing software function more powerful makes it easy to forge and tamper images become very easy. If the criminals will be forged and tampered with the image for forensic evidence， evidence of insurance， news media， scientific discovery which could bring great adverse effects on socail safety and stability. So forensic techniques for the identification of digital image receive the extensive concern of the stakeholders， and has profound scientific significance and important political value. According to the aboved，the paper researches on the technology of digital watermarking based on image authentication，for promoting the further development of identification of evidence.

Keywords： Digital Watermarking； Image； Identification of Evidence

0 引 言

在時(shí)下的數(shù)字多媒體時(shí)代中，網(wǎng)絡(luò)、電視隨處可見各類數(shù)字圖片，并且隨著數(shù)碼相機(jī)和電子計(jì)算機(jī)的日趨發(fā)達(dá)，以及圖形圖像處理軟件功能的日益強(qiáng)大，使得獲取，編輯和修改圖像變得十分容易。但先進(jìn)的技術(shù)往往是把“雙刃劍”，在方便，娛樂人們的同時(shí)，也給不法分子可乘之機(jī)，對社會(huì)生活安全帶來了嚴(yán)重不良影響。

基于此，即使人們對圖像真實(shí)性的鑒定和取證問題產(chǎn)生了高度重視，越來越多的國內(nèi)外技術(shù)專家投入到圖像鑒定取證技術(shù)的研究且已獲得初步的進(jìn)展與。

1 圖像鑒定取證技術(shù)

數(shù)字圖像鑒定取證技術(shù)是計(jì)算機(jī)取證技術(shù)的一個(gè)分支，是使用邏輯推導(dǎo)、統(tǒng)計(jì)分析等方法對數(shù)字圖像的某些特征進(jìn)行識(shí)別、提取、收集、分析、驗(yàn)證、確認(rèn)，以達(dá)到鑒定和認(rèn)證數(shù)字圖像是否發(fā)生了篡改操作的目的，并進(jìn)一步用以確保數(shù)字圖像內(nèi)容的原始性、真實(shí)性和完整性的一種技術(shù)[1]，主要應(yīng)用于信息安全、保險(xiǎn)舉證、版權(quán)保護(hù)等方面。

數(shù)字圖像鑒定取證技術(shù)分為主動(dòng)取證和被動(dòng)取證兩類[2]。其中，數(shù)字圖像主動(dòng)取證技術(shù)是指提前將驗(yàn)證信息嵌入到原始數(shù)字圖像中，通過提取驗(yàn)證信息來驗(yàn)證數(shù)字圖像是否篡改、并評估來源信息，主要包括用以保證信息保密傳輸、數(shù)據(jù)交換完整、交易身份確認(rèn)的數(shù)字簽名技術(shù)，用以保證數(shù)字圖像版權(quán)、完整性的數(shù)字水印技術(shù)等；而數(shù)字圖像被動(dòng)取證技術(shù)（數(shù)字圖像盲取證技術(shù)）則是當(dāng)下的數(shù)字領(lǐng)域的前沿研究熱點(diǎn)，應(yīng)用范圍更廣，并不需要提前將驗(yàn)證信息嵌入到原始數(shù)字圖像中，僅僅利用圖像本身的統(tǒng)計(jì)特征變化來辨別真?zhèn)?，主要包括圖像篡改檢測鑒定取證技術(shù)、圖像隱秘分析鑒定取證技術(shù)、圖像來源鑒定取證技術(shù)三個(gè)方面。

2 數(shù)字水印

數(shù)字水印是數(shù)字圖像主動(dòng)取證技術(shù)的重要代表，涵蓋多媒體技術(shù)、圖像信息處理、模式識(shí)別、密碼學(xué)、數(shù)字通信等多學(xué)科領(lǐng)域，廣泛應(yīng)用于版權(quán)保護(hù)、隱蔽通信和篡改認(rèn)證。這種技術(shù)利用數(shù)字作品中普遍存在的隨機(jī)性和冗余數(shù)據(jù)，在不破壞圖像顯示效果的前提下，將作品的作者、版本號(hào)、出版單位等水印信息經(jīng)過特定算法處理后預(yù)先嵌入到未經(jīng)篡改過的原始數(shù)字圖像中，需要對圖像進(jìn)行鑒別時(shí)，再通過逆算法提取水印，以判別對象是否受到保護(hù)，監(jiān)視被保護(hù)數(shù)據(jù)的傳播、真?zhèn)舞b別和非法拷貝、解決版權(quán)糾紛并為法庭提供證據(jù)。

根據(jù)識(shí)別篡改的能力和容忍圖像被修改的程度，目前有三種水印類型：（1）魯棒水??；（2）易碎水印；（3）半易碎水印。這三種類型的主要區(qū)別是數(shù)字圖像經(jīng)過裁切、潤色、特效等多種技術(shù)處理后水印信號(hào)能否被完整檢測和提取出來[3]。具體來說，魯棒水印的目標(biāo)就是在經(jīng)過諸如噪音、濾波、JPEG壓縮、重采樣等各種信號(hào)處理之后，水印信息不被破壞，仍能被檢測和提取出來。魯棒水印抗干擾能力非常好，能夠承受大量的、不同的物理和幾何失真，主要應(yīng)用于數(shù)字作品的版權(quán)保護(hù)；而易碎水印則對圖像處理改動(dòng)具有非常強(qiáng)的敏感性，不允許對數(shù)字作品進(jìn)行修飾、增強(qiáng)、裁切等操作，一旦在圖像中存在較小的變化就足以破壞加入的水印。易碎水印可以準(zhǔn)確定位圖像被篡改的區(qū)域，甚至可以恢復(fù)被篡改區(qū)域，主要應(yīng)用于多媒體數(shù)據(jù)的精確認(rèn)證；敏感性位于以上兩者之間的即是半易碎水印，其中只有少數(shù)允許的處理操作不會(huì)改變水印信號(hào)的原貌，但對常見的圖像篡改手段比如雙 JPEG壓縮、去噪處理以及圖像格式的轉(zhuǎn)換等非常不敏感，主要應(yīng)用于信息的魯棒性認(rèn)證。

3 基于數(shù)字水印的圖像鑒定取證模型研究

3.1系統(tǒng)概述

系統(tǒng)采用 B/S（瀏覽器/服務(wù)器）結(jié)構(gòu)，具有分布性強(qiáng)，功能擴(kuò)展容易，維護(hù)簡單方便，共享性高等特點(diǎn)；采用微軟的.net平臺(tái)，具有跨語言，跨平臺(tái)，安全，以及對開放互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議的支持等優(yōu)點(diǎn)；選用普適性的C++語言，表現(xiàn)出有效性、靈活性、便于移植等諸多優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又添加了面向?qū)ο缶幊痰闹С郑峁┚哂袕?qiáng)大的編程功能，可方便地構(gòu)造出模擬現(xiàn)實(shí)問題的實(shí)體和操作；而且，選用高性能的Oracle數(shù)據(jù)庫作為系統(tǒng)后臺(tái)的數(shù)據(jù)庫，因而又為系統(tǒng)添加了穩(wěn)定性強(qiáng)，安全性能高，支持大量多媒體數(shù)據(jù)等出眾優(yōu)點(diǎn)。

基于數(shù)字水印的圖像鑒定取證模型如圖1所表示。該系統(tǒng)主要包括五個(gè)模塊：用戶管理模塊，水印處理模塊，版權(quán)認(rèn)證模塊，結(jié)果顯示模塊和數(shù)據(jù)庫模塊。在此，給出各個(gè)組成模塊的功能解析，如下所示。

（1）用戶管理模塊控制賬號(hào)信息，包括新用戶注冊、用戶登錄、用戶信息設(shè)置和修改、密碼修改等功能；

（2）水印處理模塊利用算法將水印嵌入圖像中或從待檢測圖像中提取水?。?/p>

（3）版權(quán)認(rèn)證模塊對提取水印進(jìn)行認(rèn)證，確定版權(quán)信息；

（4）結(jié)果顯示模塊，顯示圖像認(rèn)證結(jié)果，如版權(quán)信息、作者信息、出版社信息等；

（5）數(shù)據(jù)庫模塊記錄版權(quán)信息、編碼信息和水印信息的對應(yīng)關(guān)系，記錄合法用戶的信息。

圖1 基于數(shù)字水印的圖像鑒定取證模型

Fig.1 Image forensics model based on digital watermarking

3.2水印處理模塊

系統(tǒng)中，水印處理模塊的設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)的重點(diǎn)。在水印算法的選擇上，對比了目前主流的多種水印算法，如基于 DCT（離散余弦變換）域的自適應(yīng)數(shù)字水印算法、基于JPEG 壓縮標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字水印算法和基于 DWT（離散小波變換）的數(shù)字水印算法等，由此可知DWT小波變換具有良好的時(shí)域和頻域局部定位特性，能保證在JPEG的有損壓縮下水印具有一定的魯棒性，也能在一定壓縮比的條件下檢測出是否發(fā)生篡改并精確定位位置，克服了馬賽克現(xiàn)象，克服了傳統(tǒng)傅立葉變換和余弦變換無法很好表現(xiàn)圖像時(shí)頻特性的缺點(diǎn)，使得DWT離散小波變換域水印算法具有廣闊的研究和應(yīng)用前景。

3.2.1水印嵌入

水印嵌入步驟如圖2所示。

圖2 水印嵌入

Fig.2 Watermark embedding

（1）將彩色水印圖像進(jìn)行二值化處理，即將圖像上的點(diǎn)的灰度置為0或255，也就是將整個(gè)圖像呈現(xiàn)出明顯的黑白效果；

（2）用DWT對宿主圖實(shí)行二維小波變換；

（3）如果二值化后的水印圖像對應(yīng)像素值為 0，則在宿主圖像小波變換后的對角高頻相應(yīng)位置嵌入信息，并用密鑰標(biāo)注嵌入位置；

（4）將二維 DWT 逆變換后即可得到已嵌入水印后的圖像[4]。

3.3.2水印提取

水印提取步驟如圖3所示。

圖3 水印提取

Fig.3 Watermark extraction

（1） 用DWT對含有水印的圖像實(shí)行二維小波變換，得到近似分量、對角細(xì)節(jié)分量、垂直細(xì)節(jié)分量、水平細(xì)節(jié)分量；

（2） 在分解后的對角細(xì)節(jié)分量中根據(jù)密鑰提取水印信息；

（3） 將還原后的對角細(xì)節(jié)分量變維，利用函數(shù)實(shí)行小波逆變換，得到還原后的宿主圖。

4 結(jié)束語

隨著多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字圖像廣泛應(yīng)用于人們生活、工作和娛樂中，并在新聞報(bào)道、醫(yī)學(xué)研究、生物科學(xué)、法律取證等領(lǐng)域扮演越來越重要的角色。為了鑒定圖像的真?zhèn)?，保護(hù)圖像的版權(quán)，越來越多的專家學(xué)者投入到圖像鑒定取證技術(shù)的研究中，數(shù)字水印技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。本文對基于數(shù)字水印的圖像鑒定取證模型進(jìn)行研究，選取了主流的基于 DWT（離散小波變換）的數(shù)字水印算法，對水印嵌入和水印提取過程進(jìn)行分析，以期推動(dòng)圖像鑒定取證的研究發(fā)展。

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