基于數字水印的圖像鑒定取證技術研究

何晶

摘 要：隨著數碼相機，數字打印掃描等電子設備的廣泛應用，獲取數字圖像變得十分快捷；隨著電子計算機的高速發展，圖形圖像處理軟件功能的日益強大，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，保險取證，新聞媒體，科學發現中，將會對社會安全穩定帶來極大不良影響，因此對數字圖像的鑒定取證技術受到相關人士的廣泛關注，具有深遠的科學意義和重要的政治價值。本文即針對基于數字誰贏的圖像鑒定取證技術展開了研究，以期推動圖像鑒定取證的進一步發展。

關鍵詞：數字水印；圖像；鑒定取證

中圖分類號： TP391 文獻標識碼： A 文章編號：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

在時下的數字多媒體時代中，網絡、電視隨處可見各類數字圖片，并且隨著數碼相機和電子計算機的日趨發達，以及圖形圖像處理軟件功能的日益強大，使得獲取，編輯和修改圖像變得十分容易。但先進的技術往往是把“雙刃劍”，在方便，娛樂人們的同時，也給不法分子可乘之機，對社會生活安全帶來了嚴重不良影響。

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

1 圖像鑒定取證技術

數字圖像鑒定取證技術是計算機取證技術的一個分支，是使用邏輯推導、統計分析等方法對數字圖像的某些特征進行識別、提取、收集、分析、驗證、確認，以達到鑒定和認證數字圖像是否發生了篡改操作的目的，并進一步用以確保數字圖像內容的原始性、真實性和完整性的一種技術[1]，主要應用于信息安全、保險舉證、版權保護等方面。

數字圖像鑒定取證技術分為主動取證和被動取證兩類[2]。其中，數字圖像主動取證技術是指提前將驗證信息嵌入到原始數字圖像中，通過提取驗證信息來驗證數字圖像是否篡改、并評估來源信息，主要包括用以保證信息保密傳輸、數據交換完整、交易身份確認的數字簽名技術，用以保證數字圖像版權、完整性的數字水印技術等；而數字圖像被動取證技術（數字圖像盲取證技術）則是當下的數字領域的前沿研究熱點，應用范圍更廣，并不需要提前將驗證信息嵌入到原始數字圖像中，僅僅利用圖像本身的統計特征變化來辨別真偽，主要包括圖像篡改檢測鑒定取證技術、圖像隱秘分析鑒定取證技術、圖像來源鑒定取證技術三個方面。

2 數字水印

數字水印是數字圖像主動取證技術的重要代表，涵蓋多媒體技術、圖像信息處理、模式識別、密碼學、數字通信等多學科領域，廣泛應用于版權保護、隱蔽通信和篡改認證。這種技術利用數字作品中普遍存在的隨機性和冗余數據，在不破壞圖像顯示效果的前提下，將作品的作者、版本號、出版單位等水印信息經過特定算法處理后預先嵌入到未經篡改過的原始數字圖像中，需要對圖像進行鑒別時，再通過逆算法提取水印，以判別對象是否受到保護，監視被保護數據的傳播、真偽鑒別和非法拷貝、解決版權糾紛并為法庭提供證據。

根據識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）魯棒水印；（2）易碎水印；（3）半易碎水印。這三種類型的主要區別是數字圖像經過裁切、潤色、特效等多種技術處理后水印信號能否被完整檢測和提取出來[3]。具體來說，魯棒水印的目標就是在經過諸如噪音、濾波、JPEG壓縮、重采樣等各種信號處理之后，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，主要應用于數字作品的版權保護；而易碎水印則對圖像處理改動具有非常強的敏感性，不允許對數字作品進行修飾、增強、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。易碎水印可以準確定位圖像被篡改的區域，甚至可以恢復被篡改區域，主要應用于多媒體數據的精確認證；敏感性位于以上兩者之間的即是半易碎水印，其中只有少數允許的處理操作不會改變水印信號的原貌，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換等非常不敏感，主要應用于信息的魯棒性認證。

3 基于數字水印的圖像鑒定取證模型研究

3.1系統概述

系統采用 B/S（瀏覽器/服務器）結構，具有分布性強，功能擴展容易，維護簡單方便，共享性高等特點；采用微軟的.net平臺，具有跨語言，跨平臺，安全，以及對開放互聯網標準和協議的支持等優點；選用普適性的C++語言，表現出有效性、靈活性、便于移植等諸多優點，同時又添加了面向對象編程的支持，提供具有強大的編程功能，可方便地構造出模擬現實問題的實體和操作；而且，選用高性能的Oracle數據庫作為系統后臺的數據庫，因而又為系統添加了穩定性強，安全性能高，支持大量多媒體數據等出眾優點。

基于數字水印的圖像鑒定取證模型如圖1所表示。該系統主要包括五個模塊：用戶管理模塊，水印處理模塊，版權認證模塊，結果顯示模塊和數據庫模塊。在此，給出各個組成模塊的功能解析，如下所示。

（1）用戶管理模塊控制賬號信息，包括新用戶注冊、用戶登錄、用戶信息設置和修改、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印；

（3）版權認證模塊對提取水印進行認證，確定版權信息；

（4）結果顯示模塊，顯示圖像認證結果，如版權信息、作者信息、出版社信息等；

（5）數據庫模塊記錄版權信息、編碼信息和水印信息的對應關系，記錄合法用戶的信息。

圖1 基于數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

系統中，水印處理模塊的設計是整個系統的重點。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）域的自適應數字水印算法、基于JPEG 壓縮標準的數字水印算法和基于 DWT（離散小波變換）的數字水印算法等，由此可知DWT小波變換具有良好的時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生篡改并精確定位位置，克服了馬賽克現象，克服了傳統傅立葉變換和余弦變換無法很好表現圖像時頻特性的缺點，使得DWT離散小波變換域水印算法具有廣闊的研究和應用前景。

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

（2）用DWT對宿主圖實行二維小波變換；

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

（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行二維小波變換，得到近似分量、對角細節分量、垂直細節分量、水平細節分量；

（2） 在分解后的對角細節分量中根據密鑰提取水印信息；

（3） 將還原后的對角細節分量變維，利用函數實行小波逆變換，得到還原后的宿主圖。

4 結束語

隨著多媒體技術和網絡技術的快速發展，數字圖像廣泛應用于人們生活、工作和娛樂中，并在新聞報道、醫學研究、生物科學、法律取證等領域扮演越來越重要的角色。為了鑒定圖像的真偽，保護圖像的版權，越來越多的專家學者投入到圖像鑒定取證技術的研究中，數字水印技術應運而生。本文對基于數字水印的圖像鑒定取證模型進行研究，選取了主流的基于 DWT（離散小波變換）的數字水印算法，對水印嵌入和水印提取過程進行分析，以期推動圖像鑒定取證的研究發展。

參考文獻：

[1] 朱艷玲.數字圖像取證的關鍵技術研究[D].北京：北京郵電大學，2011.

[2] 陳鉗生.數字圖像取證技術及其發展[J].硅谷，2011（10）：17，26.

[3] 趙蘭普，劉成安.基于數字水印的圖像認證技術[J].河南科學，2007，25（6）：984-987.

[4] 張秀英.基于小波變換的數字水印算法研究[D].成都：電子科技大學，2009.