數字影像證據的防偽技術研究及相關系統的建立

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場物證重點實驗室，上海 200083；2.上海交通大學，上海 200240；3.上海樂呈影像技術有限公司，上海 200235）

1 背景

隨著計算機及多媒體技術的發展，數字影像進入了社會生活的各個領域，在司法領域數字影像經常以證據的形式出現，作為刑訴法規定的視聽資料證據，數字影像所占的比重越來越大。但是，由于其存在形式與傳統影像載體相比，沒有適當的原件形式，大多以復制品形式存在，容易遭到復制和篡改，因而原始證據屬性較弱，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。如何維護數字影像證據的公信力，引起了業內相關專家的重視，并對此進行了專門的討論［5-8］。本文研究利用數字水印（digital watermarking）技術對數字影像證據進行防偽處理，以維護數字影像證據的公信力。數字水印是近年來出現的數字產品版權保護技術，可以標識作者、所有者、發行者、使用者等，并攜帶有版權保護信息和認證信息，目的是鑒別出非法復制和盜用的數字產品，作為密碼學的加密或置亂技術的補充，保護數字產品的合法拷貝和傳播［9］。 該技術已經在PDF文檔、DVD以及遙感影像的版權保護等方面取得了成功的應用［10-12］，數字水印的算法很多，各種算法各有特點，適合不同領域的應用［13-16］，本文研究基于Lab色彩空間模板的盲水印算法，并建立了相關的數字影像防偽系統，為維護數字影像證據的公信力提供了一種有效的技術方案，并在司法實踐中得到了成功的應用。

2 數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定性，即嵌入信息的圖像經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字圖像水印，可用于驗證圖像的來源和版權。

（1）設計思路：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，以便于在圖像經過去同步攻擊之后恢復原始的位置與尺度。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域中，因此將圖像劃分為兩種區域：模板區域和水印區域。兩種區域都為正方形，模板區域應適當小于水印區域，并與水印區域交錯分布，如圖1所示。水印嵌入時，模板區域與水印區域的嵌入互相獨立；水印提取時，首先提取模板的位置，然后估計相應的水印區域的位置。

圖1 水印區域與模板區域分布

（2）模板的嵌入與提取：將圖像從通常的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域。將模板區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域的像素點區別開來。模板提取分為兩步：第一步是將待提取的圖像轉換到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：有模板為基礎提供同步信息，就能根據模板信息來確定水印信息的位置，從而應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，都保持對之前設定的水印圖像區域進行，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。通過由模板區域確定的水印區域，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量并增強了水印的隱蔽性。水印提取分三步：首先根據模板提取結果估計水印區域的大小與位置，將水印區域恢復為嵌入時像素大小；然后對恢復原尺度的水印區域進行信息提取。接著對提取質量進行估計；最后返回最優的提取質量與提取結果，以供進一步的分析和考量。

3 數字影像防偽系統的建立

數字影像防偽系統邏輯上可劃分為加密防偽子系統、信息管理子系統和加密信息驗證子系統。如圖2所示為系統結構示意圖，數字影像防偽系統包括：服務器1，內包含：Oracle 9i數據庫，安裝有數字影像加密防偽子系統。主要功能是存儲和加密數字影像資料，采用小型機或高端PC服務器。用戶機2，通過公安網絡與所述服務器連接，安裝有數字影像信息管理子系統，主要功能是驗證用戶的身份和權限，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，通過公安網絡與所述服務器連接，安裝數字影像加密信息驗證子系統，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；可脫離網絡獨立工作。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加密設備，其I/O通訊采取了口令保護措施，并且在出廠狀態下沒有提供讀取內部文件的接口。出廠的硬件加密器在本系統中被初始化時，系統將會自動修改I/O通訊口令，并植入本系統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并讀取其內部數據的可能性。本系統的硬件加密器包含：初始加密器4，是設備廠商所提供的特殊加密器，用于在空白系統中創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，從數據庫中復制一個新的核心加密器。核心加密器5，是登錄系統所必需的加密器，一個系統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用戶信息。用戶加密器6，是用戶登錄系統所必需的加密器，每個用戶（操作人員）都對應一個用戶加密器，用戶加密器中儲存的是用戶的相關信息，其輸出端與所述用戶機連接。用戶登錄系統時，需要在服務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，并輸入相應的用戶密碼，才可成功登錄。

4 數字影像防偽系統的應用

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

圖3 數字影像防偽系統工作界面

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