数字影像证据的防伪技术研究及相关系统的建立

2011-11-09蔡能斌邓南黄晓春卢宏涛丁建勋

影像技术 2011年6期

蔡能斌，邓南，黄晓春，卢宏涛，丁建勋

（1.上海市公安局物证鉴定中心上海市现场物证重点实验室，上海 200083；2.上海交通大学，上海 200240；3.上海乐呈影像技术有限公司，上海 200235）

1 背景

随着计算机及多媒体技术的发展，数字影像进入了社会生活的各个领域，在司法领域数字影像经常以证据的形式出现，作为刑诉法规定的视听资料证据，数字影像所占的比重越来越大。但是，由于其存在形式与传统影像载体相比，没有适当的原件形式，大多以复制品形式存在，容易遭到复制和篡改，因而原始证据属性较弱，证明效力较为低下［1］。中国摄影金像奖事件［2］、华南虎事件［3］等一系列事件说明数码影像易于修改是不可争辩的事实，这使它的真实性、可靠性受到动摇［4］，曾一度成为公众和媒体议论的焦点。如何维护数字影像证据的公信力，引起了业内相关专家的重视，并对此进行了专门的讨论［5-8］。本文研究利用数字水印（digital watermarking）技术对数字影像证据进行防伪处理，以维护数字影像证据的公信力。数字水印是近年来出现的数字产品版权保护技术，可以标识作者、所有者、发行者、使用者等，并携带有版权保护信息和认证信息，目的是鉴别出非法复制和盗用的数字产品，作为密码学的加密或置乱技术的补充，保护数字产品的合法拷贝和传播［9］。该技术已经在PDF文档、DVD以及遥感影像的版权保护等方面取得了成功的应用［10-12］，数字水印的算法很多，各种算法各有特点，适合不同领域的应用［13-16］，本文研究基于Lab色彩空间模板的盲水印算法，并建立了相关的数字影像防伪系统，为维护数字影像证据的公信力提供了一种有效的技术方案，并在司法实践中得到了成功的应用。

2 数字图像水印算法的研究

本文研究基于Lab色彩空间模板的盲水印方法，即在不对图像质量显著影响的条件下，在图像中嵌入信息，这种信息需要有一定的稳定性，即嵌入信息的图像经过一定的修改之后仍然能够正确提取出嵌入的信息，这种水印称为鲁棒性数字图像水印，可用于验证图像的来源和版权。

（1）设计思路：该水印算法在图像中嵌入了两种信息，一是模板，用于定位；二是水印信息。模板含有的信息量很少，只是对像素点的一种标定，将图像中的部分像素点定义为模板点，以便于在图像经过去同步攻击之后恢复原始的位置与尺度。水印信息则是需要嵌入的信息本身。模板与水印分别嵌入在图像的不同区域中，因此将图像划分为两种区域：模板区域和水印区域。两种区域都为正方形，模板区域应适当小于水印区域，并与水印区域交错分布，如图1所示。水印嵌入时，模板区域与水印区域的嵌入互相独立；水印提取时，首先提取模板的位置，然后估计相应的水印区域的位置。

图1 水印区域与模板区域分布

（2）模板的嵌入与提取：将图像从通常的RGB三通道变换为Lab三通道，对其中的b通道值进行处理，将其中的像素点标定为模板点。对于非模板区域，进行反向的标定，使得检测模板的时候它们不会被误认为模板区域。将模板区域中的像素点标定为模板点的方法使量化。同样对于非模板区域的像素点，用类似的量化进行反向标定，使其中的像素点和模板区域的像素点区别开来。模板提取分为两步：第一步是将待提取的图像转换到Lab色彩空间，检测b通道中的模板点；第二步是从检测结果中估计模板块的大小和位置。

（3）水印的嵌入与提取：有模板为基础提供同步信息，就能根据模板信息来确定水印信息的位置，从而应用频域盲水印方法进行水印信息的提取和嵌入。在嵌入和提取水印时，都保持对之前设定的水印图像区域进行，可以充分利用频域水印算法的不可见性以及鲁棒性。水印信息为固定大小的二值图像，且应小于被嵌入的图像，从而可以在图像中嵌入冗余水印信息，增强鲁棒性。通过由模板区域确定的水印区域，对其进行频域变换，在频域中嵌入二值的水印信息，之后再将该区域反变换为图像信息再重新放回图像中。这种做法的好处是水印信息的存储分布在整个图像当中，并且对图像的可见部分影响较小，保持了原始图像的质量并增强了水印的隐蔽性。水印提取分三步：首先根据模板提取结果估计水印区域的大小与位置，将水印区域恢复为嵌入时像素大小；然后对恢复原尺度的水印区域进行信息提取。接着对提取质量进行估计；最后返回最优的提取质量与提取结果，以供进一步的分析和考量。

3 数字影像防伪系统的建立

数字影像防伪系统逻辑上可划分为加密防伪子系统、信息管理子系统和加密信息验证子系统。如图2所示为系统结构示意图，数字影像防伪系统包括：服务器1，内包含：Oracle 9i数据库，安装有数字影像加密防伪子系统。主要功能是存储和加密数字影像资料，采用小型机或高端PC服务器。用户机2，通过公安网络与所述服务器连接，安装有数字影像信息管理子系统，主要功能是验证用户的身份和权限，可以通过建立树状目录来对图像文件进行存储管理、用户和角色的管理以及日志管理；可以针对事件进行条件组合查询以及对图像进行简单的编辑处理等。验证机3，通过公安网络与所述服务器连接，安装数字影像加密信息验证子系统，即水印验证装置，其主要功能是验证图像资料是否被非法篡改；可脱离网络独立工作。采用双屏工控电脑，铝合金外壳，具有抗压，防暴特性。

此外，本系统采用了硬件加密器控制用户机以及验证机的工作，硬件加密器为可编程的USB加密设备，其I/O通讯采取了口令保护措施，并且在出厂状态下没有提供读取内部文件的接口。出厂的硬件加密器在本系统中被初始化时，系统将会自动修改I/O通讯口令，并植入本系统特有的端口通讯程序，以确保只有合法的硬件加密器，才能在本系统中正常使用，杜绝了混淆、伪造硬件加密器的可能性。硬件加密器采用高度集成化的工艺制造，将CPU，RAM，ROM，I/O通讯模块集成在一块芯片上，从而杜绝了从硬件上破坏合法的硬件加密器，分离出RAM和ROM并读取其内部数据的可能性。本系统的硬件加密器包含：初始加密器4，是设备厂商所提供的特殊加密器，用于在空白系统中创建核心加密器和用户加密器，以及在核心加密器损坏或遗失的情况下，从数据库中复制一个新的核心加密器。核心加密器5，是登录系统所必需的加密器，一个系统中只能有一个核心加密器，其输出端与所述用户机连接。核心加密器中储存有水印信息及相关用户信息。用户加密器6，是用户登录系统所必需的加密器，每个用户（操作人员）都对应一个用户加密器，用户加密器中储存的是用户的相关信息，其输出端与所述用户机连接。用户登录系统时，需要在服务器上插入一个核心加密器，在用户机上插入两个代表操作人员的用户加密器，并输入相应的用户密码，才可成功登录。

4 数字影像防伪系统的应用

如图3所示为数字影像防伪系统工作界面。截至2011年8月31日，该系统已在上海市虹口区“2011·1·27”凶杀案等553起案件的数字影像资料中得到应用，共加密处理影像文件19210张，各级公安机关通过本系统下载应用加密图像共55170张次。确保了这些案件的数字影像材料的证据效力。总之，数字影像证据防伪技术的研究及相关系统的建立和应用、推广，有利于推动数字影像取证工作的程序化、规范化和标准化进程；提升对作为证据使用的司法数字影像的管理水平，为全国司法机关提供了一个可供参考的范例。