信息與系統(tǒng)科學(xué)相關(guān)工程與技術(shù)

趙春暉，劉巍

基于分塊壓縮感知的圖像半脆弱零水印算法

趙春暉，劉巍

目的：數(shù)字水印作為一種有效解決圖像版權(quán)、內(nèi)容認(rèn)證和完整性保護(hù)等問題的技術(shù)，長期受到國內(nèi)外學(xué)者和工程技術(shù)人員的關(guān)注。但是傳統(tǒng)的水印技術(shù)需要向宿主圖像中嵌入水印，影響了圖像的原有信息，這在很多對圖像內(nèi)容要求很高的應(yīng)用中是不允許的。近年來提出的壓縮感知（Compressive Sensing，CS）理論為零水印的構(gòu)造提供了一種可行的解決途徑。方法：針對數(shù)字圖像的內(nèi)容認(rèn)證和完整性保護(hù)問題，本文提出了一種基于分塊壓縮感知的圖像半脆弱零水印算法（BCS-SFZ）。首先將圖像劃分成若干分塊，分塊大小可以根據(jù)水印數(shù)據(jù)量和篡改定位精度調(diào)整。再按照壓縮感知理論對各個(gè)圖像塊進(jìn)行觀測，并將觀測值作為零水印信息注冊保存。BCS-SFZ采用了零水印技術(shù)來保證原始圖像數(shù)據(jù)不被干擾，滿足了對圖像質(zhì)量要求較高的應(yīng)用。結(jié)果：實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，BCS-SFZ算法可以準(zhǔn)確定位非法篡改并借助水印信息恢復(fù)被篡改的區(qū)域。壓縮感知理論的引入為算法提供了保密性支持，并且有利于實(shí)現(xiàn)圖像成像與水印生成的同步，同時(shí)該算法實(shí)現(xiàn)簡單，計(jì)算復(fù)雜度低。攻擊者對于零水印圖像的攻擊分為3種情況：（1）僅知道圖像內(nèi)容；（2）僅知道水印內(nèi)容；（3）既知道圖像內(nèi)容又知道水印內(nèi)容。幾乎所有的水印系統(tǒng)都是根據(jù)第1種情況設(shè)計(jì)的，攻擊者很難在不知道水印構(gòu)造的前提下對水印圖像進(jìn)行不被察覺的篡改。第2種情況針對含有保密內(nèi)容的圖像，例如軍事應(yīng)用中的遙感圖像以及用于法庭作證的證據(jù)圖像，攻擊者在無法竊取原始圖像的情況下從水印數(shù)據(jù)庫中竊取了零水印信息，并希望由此推斷出原始圖像的內(nèi)容。水印的保密性由壓縮感知觀測值的保密性提供，觀測矩陣中元素的隨機(jī)性決定了觀測值具有隨機(jī)噪聲的性質(zhì)，獨(dú)立于密鑰使用時(shí)不具備任何實(shí)際意義，這一特性使得攻擊者在不經(jīng)過重建的前提下無法通過分析觀測值來推斷原始圖像的內(nèi)容，確保了第2種情況下的保密性。對于第3種情況，參考水印檢測原理可知，任何對于圖像具有實(shí)際意義的修改都會造成像素灰度值較大范圍的變化，而這種變化均會被水印檢測出來，這就使得攻擊者在同時(shí)獲得圖像與水印的情況下也無法構(gòu)造出既不會被檢測又有具實(shí)際意義篡改。當(dāng)然如果攻擊者具備同時(shí)替換版權(quán)人手中的密鑰以及數(shù)據(jù)庫中的注冊水印的能力的話，那么他可以對圖像進(jìn)行有效篡改，而在此種情況下所有水印算法對其均失效。結(jié)論：BCS-SFZ將壓縮感知理論與零水印技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了一種新的半脆弱水印策略。圖像通過壓縮感知獲得的觀測值包含原圖像攜帶的所有信息，可以簡潔而全面的表征圖像的全部特征。以觀測值作為水印具有操作簡單（僅需要通過一個(gè)線性變換即可）、對惡意篡改敏感和對合法操作容忍度高、保密性好等優(yōu)點(diǎn)，而且被篡改內(nèi)容可以通過水印信息恢復(fù)。

來源出版物：自動化學(xué)報(bào), 2012, 38(4): 609-617

入選年份：2015

軟件定義的系統(tǒng)與知識自動化：從牛頓到默頓的平行升華

王飛躍

摘要：回顧知識自動化的歷史，起源可以追溯到古希臘亞里多士德的描述性知識和原始的形式邏輯以及工業(yè)革命之初英國布爾對其變革性的拓展。半個(gè)世紀(jì)前人工智能的正式提出，以及隨后而來的知識表示、專家系統(tǒng)、知識工程、智能系統(tǒng)等，構(gòu)成了知識自動化完整的演變發(fā)展歷史。本文從Cyberspace、社會信號和默頓系統(tǒng)的興起這一時(shí)代特征為起點(diǎn)，討論知識自動化的意義與相關(guān)的科學(xué)問題，從智能算法到知識機(jī)器人看其技術(shù)基礎(chǔ)及趨勢，從軟件定義的系統(tǒng)和流程探討其與系統(tǒng)工程的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，從平行系統(tǒng)的角度研究其在復(fù)雜控制和 管理過程中的重要作用。為什么我們現(xiàn)在需要知識自動化？一言以概之：工業(yè)時(shí)代需要工業(yè)自動化，知識時(shí)代必須知識自動化。工業(yè)時(shí)代的發(fā)展在許多方面對人類的體力提出了“非分”的要求，迫使人們必須依靠工業(yè)自動化的手段來“補(bǔ)償”其體能上的不足，才能實(shí)施、運(yùn)營、維護(hù)各類大型或精密的系統(tǒng)和過程；同理，面臨物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、智能技術(shù)等，正在迅速興起的知識時(shí)代也對人類的智力提出了更高、更加“非分”的要求，人們更需要借助知識自動化的方法來“彌補(bǔ)”其智能上的不足，進(jìn)而才能去完成各種層出不窮的不定、多樣、復(fù)雜任務(wù)大數(shù)據(jù)特別是社會信號的出現(xiàn)為知識時(shí)代復(fù)雜任務(wù)的描述、建模和解析提供了新的思路。以網(wǎng)絡(luò)信息為主要表現(xiàn)形式的開源數(shù)據(jù)，雖然被認(rèn)為是印刷出版發(fā)明后知識之產(chǎn)生與傳播的又一場革命，但其價(jià)值仍未被充分地認(rèn)識。在過去相當(dāng)長的時(shí)間里，對于正式渠道的態(tài)勢評估和決策支持而言，基本還處于“無用”狀態(tài)。無用之用，眾用之基：大數(shù)據(jù)時(shí)代，我們應(yīng)該以開源信息為主，匯集海量數(shù)據(jù)，然后通過定量的方式來描述、分析、評判知識的價(jià)值，服務(wù)于企業(yè)、科技甚至社會決策。從技術(shù)發(fā)展的角度而言，在機(jī)械化、電氣化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化之后，我們正進(jìn)入第5個(gè)發(fā)展階段，即虛實(shí)互動的平行化時(shí)代。軟件定義的系統(tǒng)、“激活”的情報(bào)以及靈活的動態(tài)網(wǎng)群組織將成為平行時(shí)代成功企業(yè)管理和運(yùn)營不可或缺的關(guān)鍵因素。軟件定義系統(tǒng)的構(gòu)建和使用，為企業(yè)管理和決策提供了真實(shí)可靠的科學(xué)依據(jù)。在企業(yè)內(nèi)部，構(gòu)建與之互動演化、反饋執(zhí)行、協(xié)同發(fā)展的人工流程、人工工廠及人工企業(yè)，可針對流程執(zhí)行管理、資源分配調(diào)度及企業(yè)生產(chǎn)制造進(jìn)行建模計(jì)算、生產(chǎn)優(yōu)化以及監(jiān)控預(yù)警。在企業(yè)外部，利用知識自動化技術(shù)，可針對特定問題，將各種各樣的相關(guān)網(wǎng)站、博客、論壇、微博、微信及其組合視為觀察和獲取企業(yè)決策所需知識的“信源頻道”和“傳感網(wǎng)絡(luò)”，從而高效并準(zhǔn)確捕獲目標(biāo)定位的企業(yè)競爭情報(bào)和決策需求信號。隨后基于軟件定義的企業(yè)對需求信號進(jìn) 行數(shù)據(jù)計(jì)算和知識解析，構(gòu)造“激活”的情報(bào)，為企業(yè)流程管理、生產(chǎn)制造、決策制定提供有效準(zhǔn)確和靈活的輸入。在這其中，動態(tài)網(wǎng)群組織（CMOs）是社會信號獲取、社會需求定位的關(guān)鍵。這要求我們必須充分認(rèn)識到世界正從牛頓系統(tǒng)為主導(dǎo)向以默頓系統(tǒng)為主導(dǎo)的演化，并迫切需要考慮智能的“虛實(shí)二象性”。在牛頓系統(tǒng)中，多數(shù)定律是發(fā)現(xiàn)的；在默頓系統(tǒng)中，多數(shù)定律是發(fā)明的。利用泛在的便攜式移動傳感設(shè)備、蓬勃發(fā)展的社會媒體以及網(wǎng)絡(luò)世界無限的信息和智力資源，知識自動化將把人納入數(shù)據(jù)生成、信息感知、知識推理、智慧解析、決策執(zhí)行，然后生成新的數(shù)據(jù)的整個(gè)閉環(huán)過程中。因此，平行時(shí)代的知識自動化必然是信息化、自動化、智能化、人機(jī)化等的有機(jī)融合，必須從物理信息系統(tǒng)（CPS）走向物理社會信息或社會物理信息系統(tǒng)（CPSS）。

來源出版物：自動化學(xué)報(bào), 2015, 41(1): 1-8

入選年份：2015