大數(shù)據(jù)時(shí)代數(shù)字圖書館視域下的圖像資源版權(quán)保護(hù)研究

徐彤陽(yáng)，尹 凱（.山西財(cái)經(jīng)大學(xué)信息管理學(xué)院；2.中國(guó)科學(xué)院文獻(xiàn)情報(bào)中心）

圖像作為一種圖文并茂、形象直觀的信息表現(xiàn)形式，廣泛應(yīng)用于信息傳遞和信息交流，是大數(shù)據(jù)時(shí)代公眾獲取信息的主要來(lái)源。隨著大量非法修改偽造圖像的出現(xiàn)，公眾的版權(quán)保護(hù)意識(shí)日益增強(qiáng)，在數(shù)字圖書館中圖像資源的版權(quán)保護(hù)也逐漸成為學(xué)者們的研究重點(diǎn)。目前，面對(duì)圖像資源版權(quán)侵權(quán)問(wèn)題，在健全規(guī)章制度、完善法律法規(guī)的前提下，運(yùn)用技術(shù)手段對(duì)數(shù)字圖書館的圖像資源進(jìn)行版權(quán)保護(hù)是最直接有效的方法。

1 圖像資源版權(quán)保護(hù)方法概述

1.1 主動(dòng)保護(hù)方法

圖像資源版權(quán)主動(dòng)保護(hù)方法的原理是指在圖像作品中嵌入水印或簽名等先驗(yàn)信息，通過(guò)對(duì)這些先驗(yàn)信息進(jìn)行檢測(cè)來(lái)判斷圖像作品是否被修改，以此來(lái)確保圖像作品版權(quán)的完整性（見(jiàn)圖1）。主動(dòng)保護(hù)方法是保護(hù)數(shù)字圖書館圖像資源版權(quán)的有效途徑之一，利用主動(dòng)保護(hù)方法進(jìn)行圖像資源版權(quán)保護(hù)的研究已取得了豐碩的成果。［1-6］

圖1 圖像資源版權(quán)主動(dòng)保護(hù)方法的流程

數(shù)字水印技術(shù)是指通過(guò)特定算法將少量的不容易被人的視覺(jué)所察覺(jué)的標(biāo)識(shí)性信息（即數(shù)字水?。┣度氲綌?shù)字圖書館的圖像作品中，并且是在盡量不影響原始圖像使用價(jià)值的前提下。當(dāng)需要對(duì)圖像作品進(jìn)行版權(quán)認(rèn)證時(shí)，利用相應(yīng)的算法提取待測(cè)圖像中的數(shù)字水印，通過(guò)對(duì)這些數(shù)字水印進(jìn)行檢測(cè)，可以達(dá)到獲取圖像內(nèi)容的原始信息和檢驗(yàn)圖像是否被修改等目的。［7］數(shù)字簽名技術(shù)是指通過(guò)對(duì)比從原始圖像作品和待檢測(cè)圖像作品中提取出來(lái)的、與內(nèi)容相關(guān)的摘要信息來(lái)確定圖像作品版權(quán)的完整性。對(duì)兩個(gè)摘要信息進(jìn)行對(duì)比，若摘要信息一致，則接收的圖像作品版權(quán)完整，否則，說(shuō)明圖像版權(quán)遭到侵犯。［8］

可見(jiàn)，主動(dòng)保護(hù)方法可以有效確保數(shù)字圖書館圖像資源版權(quán)的完整性，但也存在一定的局限性。一方面，主動(dòng)保護(hù)方法需要事先在圖像中嵌入標(biāo)識(shí)信息，事后對(duì)這些信息進(jìn)行取證。但實(shí)際上，現(xiàn)有的絕大多數(shù)圖像資源并沒(méi)有被事先嵌入標(biāo)識(shí)性信息，這就導(dǎo)致該方法不能被廣泛的應(yīng)用。另一方面，在圖像資源中嵌入標(biāo)識(shí)性信息可能會(huì)影響圖像質(zhì)量，這在數(shù)字圖書館中某些對(duì)圖像質(zhì)量要求很高的領(lǐng)域是不能被接受的。因此，主動(dòng)保護(hù)方法還不能完全滿足數(shù)字圖書館圖像資源版權(quán)保護(hù)的需求。

1.2 被動(dòng)保護(hù)方法

針對(duì)主動(dòng)保護(hù)方法在圖像資源版權(quán)保護(hù)方面的局限性，本文利用被動(dòng)保護(hù)方法對(duì)數(shù)字圖書館中沒(méi)有被嵌入先驗(yàn)信息的圖像作品的真實(shí)性進(jìn)行檢測(cè)。若被檢測(cè)的圖像作品的真實(shí)性被破壞，則表明該圖像作品的版權(quán)遭到侵犯；反之，該圖像版權(quán)沒(méi)有遭到破壞。被動(dòng)保護(hù)方法是指在待測(cè)圖像作品沒(méi)有被嵌入標(biāo)識(shí)性信息的情況下，利用圖像作品本身的特征變化，對(duì)其內(nèi)容的真實(shí)性進(jìn)行檢測(cè)，從而對(duì)圖像作品的版權(quán)進(jìn)行認(rèn)證和保護(hù)的一種方法。當(dāng)檢測(cè)人員對(duì)圖像作品的真實(shí)性進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，只能從圖像本身入手，沒(méi)有與圖像相關(guān)的任何原始信息。圖像資源版權(quán)的被動(dòng)保護(hù)方法的流程見(jiàn)圖2。

圖2 圖像資源版權(quán)被動(dòng)保護(hù)方法的流程

數(shù)字圖書館中被修改的圖像作品經(jīng)過(guò)了特定的后期處理，雖在大多數(shù)情況下無(wú)法被視覺(jué)感知，但會(huì)導(dǎo)致圖像本身的特征發(fā)生變化。檢測(cè)人員可以利用這個(gè)特點(diǎn)來(lái)檢測(cè)圖像作品的真實(shí)性，對(duì)其版權(quán)進(jìn)行認(rèn)證和保護(hù)。圖像作品的被動(dòng)保護(hù)方法主要有三種：基于圖像作品偽造過(guò)程遺留痕跡的檢測(cè)、基于圖像作品內(nèi)在統(tǒng)計(jì)特性的檢測(cè)和基于圖像作品成像設(shè)備一致性的檢測(cè)。［9］其中，應(yīng)用最廣的是基于圖像作品偽造過(guò)程遺留痕跡的檢測(cè)，這也是本文的研究重點(diǎn)?；趫D像作品偽造過(guò)程遺留痕跡的檢測(cè)是指通過(guò)對(duì)修改后的圖像作品的特征進(jìn)行分析，找出并分析修改操作在圖像作品中遺留的修改痕跡，從而對(duì)其真實(shí)性進(jìn)行檢測(cè)。不同的修改手段會(huì)產(chǎn)生不同的遺留痕跡，盡管這些遺留痕跡不易被察覺(jué)，但可以利用計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)進(jìn)行分析，從而判斷出圖像作品受到的修改類型，甚至可以對(duì)修改區(qū)域進(jìn)行定位與修復(fù)。

目前，修改遺留痕跡檢測(cè)方法主要包括：復(fù)制-粘貼檢測(cè)、模糊檢測(cè)、重采樣檢測(cè)和JPEG雙重壓縮檢測(cè)等。［10］

（1）復(fù)制-粘貼檢測(cè)。復(fù)制-粘貼是在圖像作品修改操作中應(yīng)用最為廣泛而有效的手段之一，它將圖像作品中的某一區(qū)域復(fù)制出來(lái)，粘貼到同一副圖或其他圖像中的某一特定區(qū)域，從而達(dá)到偽造源圖像中沒(méi)有的情景或隱藏源圖像中重要對(duì)象的目的。根據(jù)粘貼區(qū)域的來(lái)源，復(fù)制-粘貼檢測(cè)可分為同幅圖像作品的復(fù)制-粘貼修改和異幅圖像作品的復(fù)制-粘貼修改兩類。① 同幅圖像作品在色彩度和亮度等方面相對(duì)一致，變化比較平滑，圖像的局部塊與整體圖像的相容性較高，因此在同幅圖像中進(jìn)行復(fù)制-粘貼修改操作時(shí)不會(huì)讓人產(chǎn)生顯著的視覺(jué)差異，它是數(shù)字圖書館中最為常見(jiàn)的一種圖像修改手段。對(duì)同幅圖像作品進(jìn)行復(fù)制-粘貼操作后，圖像中會(huì)出現(xiàn)相似程度極高的不同區(qū)域塊，學(xué)者們根據(jù)這一特點(diǎn)提出了一些檢測(cè)方法。② 異幅圖像作品的復(fù)制-粘貼修改操作在圖像的色彩度和亮度等方面的變化比較大，在修改區(qū)域的邊緣往往會(huì)形成容易被察覺(jué)的痕跡。為了削弱甚至消除這種不同圖像結(jié)合邊緣的不連續(xù)程度，往往會(huì)在后期處理上對(duì)其進(jìn)行羽化、模糊等潤(rùn)飾操作。與同幅圖像作品的復(fù)制-粘貼修改操作相比，異幅圖像的修改往往將多種修改操作結(jié)合使用，這就使得圖像作品的真實(shí)性檢測(cè)問(wèn)題更加復(fù)雜。因此，雖然異幅圖像作品的復(fù)制-粘貼操作在圖像修改中也非常多見(jiàn)，但目前學(xué)者們對(duì)這方面的研究還處在初步探索階段。

（2）模糊檢測(cè)。模糊操作是數(shù)字圖書館中圖像作品在修改后期最為常見(jiàn)而有效的一種潤(rùn)飾手段，目的是為了讓修改區(qū)域與原始圖像更好地融為一體。［11］經(jīng)過(guò)復(fù)制-粘貼修改操作的圖像會(huì)在修改區(qū)域存在視覺(jué)差異，特別是異幅圖像作品的復(fù)制-粘貼修改，為了淡化和去除在修改區(qū)域與原始圖像之間的視覺(jué)上斷層，往往會(huì)采用模糊操作進(jìn)行后期處理，掩蓋修改痕跡，從而獲得無(wú)縫的偽造圖像。模糊操作主要是對(duì)偽造圖像作品修改區(qū)域的像素值進(jìn)行平均，使修改后的圖像作品的修改區(qū)域與原始圖像更好地融合在一起。因此，檢測(cè)模糊操作痕跡能為圖像作品的真實(shí)性檢測(cè)提供有力的憑據(jù)。

（3）重采樣檢測(cè)。圖像作品在進(jìn)行過(guò)復(fù)制-粘貼修改操作后，為了消除修改痕跡，通常需要對(duì)偽造部分做幾何變換，如縮放、旋轉(zhuǎn)等。這樣的操作會(huì)對(duì)圖像進(jìn)行重采樣，并且會(huì)在偽造后的圖像作品中留下重采樣的痕跡，經(jīng)重采樣后的偽造圖像的修改區(qū)域塊的像素與其周圍原始圖像的像素之間會(huì)產(chǎn)生特殊的相關(guān)性。［12］因此，可以檢測(cè)圖像作品是否存在重采樣痕跡，進(jìn)而檢測(cè)圖像作品的真實(shí)性。但是在某些情況下，圖像作品的幾何變換操作被認(rèn)為是必要的，所以僅僅根據(jù)圖像的重采樣痕跡的檢測(cè)結(jié)果并不能說(shuō)明圖像作品被偽造過(guò)，重采樣檢測(cè)方法只能作為一種輔助手段。

（4）JPEG雙重壓縮檢測(cè)。JPEG格式是數(shù)字圖書館存儲(chǔ)數(shù)字圖像時(shí)最為推薦和適用的格式，它只需要較少的存儲(chǔ)空間，就可獲得形象生動(dòng)的圖像，而且支持所有主要計(jì)算機(jī)平臺(tái)和Web瀏覽器，十分適合網(wǎng)上傳輸。JPEG格式的圖像作品在經(jīng)過(guò)偽造后需要重新保存，那么圖像作品就經(jīng)過(guò)了雙重JPEG壓縮。雙重JPEG壓縮具有某些一次JPEG壓縮所不具備的特征，可以通過(guò)檢測(cè)這些獨(dú)有的特性來(lái)確定圖像作品是否遭受雙重JPEG壓縮，進(jìn)而判斷圖像作品的真實(shí)性。需要注意的是，經(jīng)過(guò)了雙重壓縮并不能絕對(duì)說(shuō)明圖像作品被偽造過(guò)，因?yàn)樵诤芏嗲闆r下為了節(jié)省存儲(chǔ)空間或者重新保存，都會(huì)經(jīng)過(guò)重壓縮操作。因此，在圖像真實(shí)性檢測(cè)過(guò)程中，JPEG雙重壓縮不能直接作為圖像偽造的依據(jù)，只能作為一種輔助手段。

2 被動(dòng)保護(hù)方法在圖像版權(quán)保護(hù)中的應(yīng)用

本文嘗試?yán)帽粍?dòng)保護(hù)方法對(duì)圖像作品的真實(shí)性進(jìn)行檢測(cè)，彌補(bǔ)主動(dòng)保護(hù)方法在數(shù)字圖書館圖像資源版權(quán)保護(hù)方面的缺陷，從另一角度對(duì)數(shù)字圖書館圖像作品的版權(quán)進(jìn)行認(rèn)證和保護(hù)。本文對(duì)偽造圖像（經(jīng)過(guò)異幅圖像的復(fù)制-粘貼修改操作，再經(jīng)過(guò)模糊潤(rùn)飾操作處理后的圖像作品）進(jìn)行研究，利用一種模糊檢測(cè)方法對(duì)圖像作品真實(shí)性進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)修改區(qū)域進(jìn)行定位（見(jiàn)圖3）。

圖3 圖像作品真實(shí)性檢測(cè)流程

2.1 圖像子塊劃分

劃分子塊是指對(duì)二次模糊操作的兩幅圖像分別實(shí)施位置對(duì)應(yīng)、大小相等的子塊劃分，并采用相應(yīng)的算法提取圖像子塊中的特征，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，判斷其是否經(jīng)過(guò)相應(yīng)的修改操作。需要注意的是，圖像子塊劃分的大小會(huì)影響最后修改區(qū)域定位的精度。圖像子塊劃分得過(guò)小，子塊中包含的反映修改操作特性的信息就會(huì)較少，可能導(dǎo)致在圖像子塊中提取的特征不能真實(shí)反映圖像修改操作的特性，產(chǎn)生誤判；圖像子塊劃分得過(guò)大，雖然可以包含更多信息，但會(huì)導(dǎo)致修改區(qū)域的定位結(jié)果不夠精確，特別是修改區(qū)域邊緣的圖像子塊，它們可能既包含部分修改區(qū)域也包含部分非修改區(qū)域。因此，圖像子塊劃分的大小是影響最后修改區(qū)域定位精度的關(guān)鍵。

2.2 圖像對(duì)應(yīng)字塊相關(guān)性計(jì)算

本文基于二次模糊相關(guān)性的方法對(duì)經(jīng)過(guò)模糊處理的偽造圖像進(jìn)行真實(shí)性檢測(cè)。［13］二次模糊相關(guān)性方法的主要原理是偽造圖像的二次模糊操作前后圖像修改區(qū)域相關(guān)性要大于背景區(qū)域相關(guān)性，即可以對(duì)比不同區(qū)域?qū)?yīng)圖像子塊之間的相關(guān)系數(shù)來(lái)對(duì)偽造圖像的模糊修改區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)和定位，從而對(duì)圖像的真實(shí)性進(jìn)行檢測(cè)。

基于二次模糊相關(guān)性的方法對(duì)模糊處理后的偽造圖像進(jìn)行二次模糊操作，具體公式為

其中，s（x，y）表示經(jīng)過(guò)模糊處理的偽造圖像，f（x，y）表示二次模糊函數(shù)，h（x，y）表示經(jīng)過(guò)二次模糊處理后的偽造圖像。接下來(lái)，對(duì) s（x，y） 和 h（x，y） 分別進(jìn)行位置對(duì)應(yīng)、大小相等的子塊劃分，得到smn（x，y） 和 hmn（x，y），運(yùn)算 smn（x，y） 和 hmn（x，y） 得到（i，j） 和（i，j）。二次模糊處理前后的圖像的對(duì)應(yīng)位置子塊之間的相關(guān)性可描述為

其中，ρmn為二次模糊處理前后的圖像對(duì)應(yīng)位置子塊之間相關(guān)性的相關(guān)系數(shù)。依照上述步驟，依次將所有對(duì)應(yīng)位置子塊的（i，j） 和（i，j） 帶入式 （2），則可計(jì)算出圖像所有對(duì)應(yīng)位置子塊之間的相關(guān)系數(shù)。

2.3 圖像真實(shí)性檢測(cè)與修改區(qū)域定位

在計(jì)算出二次模糊處理前后的圖像中所有對(duì)應(yīng)位置子塊之間的相關(guān)系數(shù)后，基于二次模糊相關(guān)性方法就可以根據(jù)相關(guān)系數(shù)對(duì)偽造圖像的修改區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像真實(shí)性的檢測(cè)。偽造圖像修改區(qū)域的定位是指在已經(jīng)確認(rèn)圖像作品經(jīng)過(guò)修改偽造處理的情況下，通過(guò)相應(yīng)的算法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)修改區(qū)域的定位。在本文的實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)圖像對(duì)應(yīng)子塊之間的相關(guān)系數(shù)對(duì)圖像子塊進(jìn)行定位標(biāo)識(shí)，在所有子塊相關(guān)系數(shù)計(jì)算完成后，就可以在定位結(jié)果圖中看到對(duì)修改區(qū)域的標(biāo)識(shí)。

2.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)的操作軟件為Matlab2015B和Photoshop。本文選取了三組經(jīng)過(guò)Photoshop模糊操作處理后的偽造圖像為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，大小為256x256，（a）組、（b）組為源圖像，（c）組是經(jīng)過(guò)模糊處理的偽造圖像（見(jiàn)圖4）。本文選用高斯模糊作為二次模糊方式。通過(guò)大量試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)將劃分的子塊大小設(shè)置為8較為合適。實(shí)驗(yàn)按照?qǐng)D3所示流程進(jìn)行，將（a）組圖像中的一部分復(fù)制-粘貼到（b）組圖像中的特定區(qū)域，對(duì)修改區(qū)域進(jìn)行模糊操作得到（c）組圖像，則（c）組就是經(jīng)過(guò)模糊操作處理后的偽造圖像；對(duì)（c）組圖像進(jìn)行高斯模糊操作得到（d）組圖像，則（d）組就是經(jīng)過(guò)二次模糊處理后的圖像；對(duì)（c）組圖像和（d）組圖像分別進(jìn)行大小相同的子塊劃分，計(jì)算對(duì)應(yīng)位置子塊之間的相關(guān)性，由于（c）組圖像與（d）組圖像中修改區(qū)域的相關(guān)性要大于背景區(qū)域的相關(guān)性，因此可以實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像模糊修改區(qū)域的檢測(cè)，同時(shí)對(duì)其真實(shí)性進(jìn)行了檢測(cè)，并根據(jù)相關(guān)系數(shù)對(duì)相應(yīng)位置的子塊進(jìn)行定位標(biāo)識(shí)得到（e）組圖像，則（e）組圖像就是修改區(qū)域顯示結(jié)果。

圖4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（e）組圖像可以清晰地反映出圖像的偽造區(qū)域，雖然存在誤判的圖像子塊，但數(shù)量極少?？梢?jiàn)，本文采用的基于二次模糊相關(guān)性的方法可以有效檢測(cè)經(jīng)過(guò)模糊處理的偽造圖像的真實(shí)性，而且可以定位圖像的修改區(qū)域。

3 數(shù)字圖書館圖像資源版權(quán)保護(hù)面臨的問(wèn)題

目前，雖然對(duì)于數(shù)字圖書館圖像資源版權(quán)保護(hù)的研究工作已經(jīng)取得了很多進(jìn)展，但還是有許多問(wèn)題需要進(jìn)行深入的探索。［14-16］圖像作品在經(jīng)過(guò)特定的修改操作后會(huì)引起圖像本身的特征發(fā)生變化，被動(dòng)保護(hù)方法通過(guò)檢測(cè)這種圖像特征的變化來(lái)確定圖像作品遭受的修改類型，以此來(lái)對(duì)圖像作品的真實(shí)性進(jìn)行檢測(cè)，從而對(duì)圖像作品的版權(quán)進(jìn)行保護(hù)。但是被動(dòng)保護(hù)方法中所涉及的技術(shù)只能檢測(cè)一種指定的修改操作，還沒(méi)有一種通用的方法可以檢測(cè)出所有類型的修改操作，而且隨著圖像處理軟件功能的不斷強(qiáng)大，圖像真實(shí)性檢測(cè)問(wèn)題將更加復(fù)雜。因此，如何將多種檢測(cè)方法進(jìn)行有效融合，研究出能夠檢測(cè)出多種混合修改操作的檢測(cè)方法是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。

在數(shù)字圖書館的圖像資源版權(quán)保護(hù)中，主動(dòng)保護(hù)方法和被動(dòng)保護(hù)方法都屬于事后保護(hù)手段，并不能阻止版權(quán)侵犯活動(dòng)的發(fā)生。對(duì)數(shù)字圖書館圖像資源版權(quán)的保護(hù)應(yīng)該遵循“預(yù)防為主、防治結(jié)合”的原則，因此，可以將用戶訪問(wèn)控制技術(shù)、信息加密技術(shù)、信息隱藏技術(shù)、防拷貝技術(shù)和數(shù)字版權(quán)管理技術(shù)等多種保護(hù)技術(shù)結(jié)合使用，對(duì)數(shù)字圖書館的圖像資源版權(quán)進(jìn)行較為全面的保護(hù)。同時(shí)，制定嚴(yán)謹(jǐn)、合理的版權(quán)保護(hù)管理制度和法律法規(guī)，用科學(xué)的保護(hù)技術(shù)和健全的管理制度共同為數(shù)字圖書館圖像資源版權(quán)保駕護(hù)航。