圖像文件防篡改技術(shù)綜述

張昊昱 王娟 李良瀟 洪興宇

成都信息工程大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)院 四川 成都 610200

引言

防篡改技術(shù)，主旨是指利用原圖片數(shù)據(jù)和待測(cè)圖片數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，判斷是否被篡改。圖像文件可以分成位圖文件和矢量圖文件，位圖由像素點(diǎn)構(gòu)成，具有單元素、單層次等特征。矢量圖由直線和曲線等元素構(gòu)成，具有多層次、多元素等特征。本文就此兩種主流圖片的防篡改技術(shù)進(jìn)行總結(jié)和分析，并探討其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

1 位圖文件的防篡改

位圖文件在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用十分廣泛，比如相片、彩超以及遙感影像等。位圖文件格式很多，如：BMP、JPEG、PNG等。

文獻(xiàn)[1]提出將圖像塊分類并生成各自的圖像校驗(yàn)碼和特征值，借此生成水印并使用LSB算法進(jìn)行水印嵌入，從而得到再次生成的水印信息，比較兩個(gè)水印信息即可獲取篡改位置，但其對(duì)子塊分類之精度仍有不足。文獻(xiàn)[2]提出利用密鑰生成偽隨機(jī)二值矩陣作為認(rèn)證水印，對(duì)每個(gè)像素最低有效位置零后進(jìn)行Contourlet變換嵌入認(rèn)證水印，對(duì)待檢測(cè)圖像進(jìn)行同嵌入過(guò)程的Contourlet變換從而提取水印信息，與原認(rèn)證水印逐位比較即可達(dá)到防篡改目的。文獻(xiàn)[3]提出，結(jié)合格網(wǎng)劃分思想和感知哈希技術(shù)設(shè)計(jì)一種對(duì)內(nèi)容操作保持具有魯棒性，對(duì)內(nèi)容改變操作具有敏感性的DEM感知哈希算法實(shí)現(xiàn)防篡改。但此算法僅針對(duì)數(shù)據(jù)高程模型且防篡改精度有限，局限性很大。文獻(xiàn)[4]提出利用PCA降維處理DCT系數(shù)首位數(shù)字特征進(jìn)行特征抽取，定位JPEG圖片的篡改區(qū)域。利用RGB顏色空間的B分量嵌入脆弱水印，采用盲提取水印算法提取脆弱水印并利用混沌映射形成脆弱水印矩陣并進(jìn)行2×2分塊，R、G、B分量進(jìn)行分塊計(jì)算均值并提取最高4bit組成2×2矩陣，兩者的2×2分塊進(jìn)行比較即可達(dá)到防篡改目標(biāo)，但其針對(duì)某些篡改方式、如JPEG壓縮攻擊時(shí)性能不高。

綜上可知，針對(duì)位圖文件的防篡改技術(shù)的研究十分廣泛。其中心原理是：首先將位圖文件數(shù)據(jù)劃分成小單元塊，以多種傅里葉變換為方式提取出文件特征作為圖像校驗(yàn)碼，或者采用水印技術(shù)把特征值嵌入到文件，需要時(shí)提取水印嵌入的特征值進(jìn)行對(duì)比，從而獲取被篡改的位置。

2 矢量圖文件的防篡改

矢量圖文件的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，然而針對(duì)矢量圖文件防篡改技術(shù)研究領(lǐng)域鮮有人至。采用基于聚類的實(shí)體分組方法，將矢量地圖進(jìn)行數(shù)據(jù)劃分，利用混沌映射為每個(gè)實(shí)體組產(chǎn)生脆弱水印，采用修改脆弱水印最低有效位方式嵌入水印后，在待檢測(cè)圖像的每個(gè)實(shí)體組中提取排序后各坐標(biāo)點(diǎn)水印嵌入位的最低有效位連成二值序列，與原有脆弱水印進(jìn)行逐位對(duì)比即可達(dá)到防篡改目標(biāo)。該技術(shù)的主旨為對(duì)矢量圖的數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊處理產(chǎn)生水印并進(jìn)行嵌入，需要時(shí)提取水印嵌入的特征值進(jìn)行對(duì)比，從而獲取被篡改的位置。

該針對(duì)矢量圖文件的防篡改技術(shù)有效保持了矢量地圖文件的數(shù)據(jù)精度，但其泛用性很弱，僅限于使用地理信息系統(tǒng)（GIS）進(jìn)行處理的矢量地圖文件格式（SHP），解碼方式不同于使用AutoCAD處理的矢量圖文件，如：DXF、DXB和DWG等。若將使用AutoCAD處理的矢量圖文件強(qiáng)行轉(zhuǎn)換成SHP格式，會(huì)造成要素丟失變形、數(shù)據(jù)冗余、屬性信息不足等問(wèn)題，從而造成源文件數(shù)據(jù)大范圍失真。

3 研究現(xiàn)狀及未來(lái)展望

針對(duì)圖像文件防篡改技術(shù)研究現(xiàn)狀為：①針對(duì)位圖文件防篡改技術(shù)研究居多，針對(duì)矢量圖文件防篡改技術(shù)研究的文獻(xiàn)少有。②現(xiàn)有針對(duì)位圖文件篡改技術(shù)十分成熟，已經(jīng)可以解決大部分的針對(duì)位圖文件的篡改攻擊問(wèn)題。③現(xiàn)有針對(duì)圖像文件篡改技術(shù)大多只針對(duì)一種或幾種格式的圖像文件，存在泛用性弱的缺點(diǎn)。

針對(duì)圖像文件的防篡改技術(shù)的研究未來(lái)可分為兩個(gè)方向。一是針對(duì)位圖文件防篡改技術(shù)的優(yōu)化?，F(xiàn)有針對(duì)位圖文件防篡改技術(shù)，其精度和速度方面的研究已碩果累累，甚至對(duì)篡改位置的恢復(fù)研究也初步見(jiàn)效。然而針對(duì)位圖文件的防篡改技術(shù)的泛用性的研究仍具有很大的研究空間。是否存在一種可以針對(duì)所有格式的位圖文件的防篡改技術(shù)，或者是否存在一種可以防范所有針對(duì)某種格式的位圖文件的篡改方式的技術(shù)等等。現(xiàn)有針對(duì)位圖文件的防篡改技術(shù)的原理大致相同，因此針對(duì)位圖文件的防篡改技術(shù)的泛用性研究是具有一定的研究?jī)r(jià)值的。

二是針對(duì)其他矢量圖文件的防篡改技術(shù)的研究?，F(xiàn)有針對(duì)矢量圖文件的防篡改技術(shù)研究文獻(xiàn)稀少，針對(duì)矢量圖文件的防篡改技術(shù)的研究前景十分廣闊。針對(duì)矢量圖文件的防篡改技術(shù)研究未來(lái)可以分三步進(jìn)行：首先是針對(duì)各種格式的矢量圖文件防篡改技術(shù)研究，且可以細(xì)化為針對(duì)不同篡改方式各種格式矢量圖文件的防篡改技術(shù)研究。第二步是將其數(shù)據(jù)源分類，各自成為一個(gè)研究方向。如針對(duì)數(shù)據(jù)來(lái)自人為構(gòu)造的矢量圖文件的防篡改技術(shù)研究可以成為一個(gè)方向，針對(duì)數(shù)據(jù)來(lái)自自然采集的矢量圖文件防篡改技術(shù)研究為另一個(gè)方向。第三步，分析各種針對(duì)矢量圖文件的防篡改技術(shù)原理是否有共同的特點(diǎn)，是否有可能存在一個(gè)適用于所有矢量圖文件的防篡改技術(shù)。針對(duì)矢量圖文件的防篡改技術(shù)研究進(jìn)行到這一步已然是最為艱難的階段，進(jìn)行到這步就說(shuō)明針對(duì)矢量圖文件防篡改技術(shù)的研究已經(jīng)有了相當(dāng)可觀的成果。