基于数字水印的图像真实性主动取证关键技术研究

摘要

数字图像取证(Digital Image Forensic)是通过对数字图像的篡改、伪造和隐写进行分析、鉴别和认证，判断数字图像的来源、原始性、完整性和真实性，分为主动取证和被动取证两类。本论文研究内容是基于数字水印的数字图像真实性主动取证技术，保证数字图像一定视觉质量的前提下，将认证信息嵌入数字图像自身以记录图像所经历的变化，通过篡改检测鉴别数字图像的真实性，并利用篡改恢复提供篡改证据。
　　本论文以数字图像为研究对象，以提高篡改检测性能与恢复质量为目标，从恢复数据编码、篡改检测和“同步篡改”三个关键问题，展开基于数字水印的数字图像真实性主动取证技术研究。具体工作如下。
　　一、分析和研究了现有数字图像主动技术，综述了基于数字水印的数字图像真实性主动取证技术的研究现状和常用评价指标，分析指出各种伪造攻击（如拼贴攻击、恒特征攻击等）是数字图像真实性主动取证技术最大安全威胁，恢复数据编码、篡改检测和同步篡改是提高图像恢复质量要解决的关键问题。
　　二、针对现有单像素主动取证算法漏警率高、嵌入容量大的问题，提出一种基于邻域阈值比较单像素主动取证算法。将基于像素生成的认证数据置乱加密后嵌入图像的最低有效位，设计“邻域阈值比较”的篡改检测策略来判定每个像素的真实性。推导给出了阈值动态选取，分析了邻域大小不同时算法虚/漏警率与篡改比例的关系。理论分析和实验结果表明，在不增加水印嵌入容量情况下，“邻域阈值比较”有效提高了不同篡改条件下单像素主动取证算法的篡改检测性能。同时，实验验证了“邻域阈值比较”在一维信号上的可行性。
　　三、在分析研究现有基于DCT的自嵌入主动取证算法的基础上，提出一种“基于多链阈值”DCT变容量主动取证算法。将图像块变长恢复数据分段嵌入在不同图像块以建立多个图像块间的相关性，设计一种适用于多相关嵌入的多链阈值检测方法。讨论了变长恢复数据的分段原则，推导给出多链阈值检测的篡改检测性能和阈值动态选取。变容量嵌入策略有效缓解了恢复数据编码质量与嵌入容量之间的矛盾，“多链阈值检测”不仅提高了算法抵抗拼贴、恒特征等伪造攻击的能力，还能通过阈值选取有效降低算法漏警率，为提高篡改图像恢复质量奠定了基础。
　　四、为提高大图像比例篡改下的恢复质量，提出一种结合基编码和同步修复的数字图像主动取证算法。为解决数字图像主动取证中“同步篡改”问题，该算法依次采用两个策略:(1)同时嵌入基编码和变长编码，在嵌入容量不显著增加条件下降低同步篡改率;(2)分别采用邻域修复和图像修复两种方法恢复同步篡改块。实验结果表明，该算法在不显著增加水印容量前提下，不仅能抵抗已知的伪造攻击，而且有效提高大比例篡改图像的恢复质量。
　　五、兼顾算法嵌入容量、定位精度、篡改恢复质量和安全性，提出一种基于变长均值编码和邻域预测的图像真实性主动取证算法。该算法将2×2图像块进行变长均值编码，生成不等长恢复数据——平滑块6比特，纹理块12比特。设计邻域预测修复方法来兼顾恢复图像的真实性和质量。变长恢复数据用较少比特保存丰富的图像块信息，仅被嵌入一次且同时用于篡改检测与恢复，在降低嵌入容量同时，可有效提高算法定位精度和抵抗恒均值、拼贴等已知伪造攻击能力，同时，通过邻域预测修复策略有效提高了算法的篡改恢复质量。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 数字图像取证研究的背景与意义

1．2 数字图像取证技术研究现状

1．2．1 数字图像被动取证技术

1．2．2 数字图像主动取证技术

1．3 本文主要研究内容

第2章 基于数字水印的图像真实性主动取证技术

2．1 概述

2．2 数字图像真实性主动取证水印技术概述

2．2．1 脆弱水印

2．2．2 半脆弱水印

2．2．3 安全性

2．3 存在的问题

2．4 定量评价指标

2．5 本章小结

第3章 基于邻域阈值比较的单像素主动取证算法

3．1 定位型数字图像真实性主动取证算法

3．1．1 基于Hash分块主动取证水印算法

3．1．2 单像素主动取证水印算法

3．2 邻域阈值比较主动取证算法

3．2．1 取证图像生成

3．2．2 篡改检测——邻域阈值比较

3．2．3 阈值选取

3．3 实验结果及比较分析

3．3．1 一般篡改

3．3．2 拼贴攻击

3．3．3 一维信号的邻域比较检测

3．4 本章小结

第4章 基于多链阈值的DCT变容量主动取证算法

4．1 DCT自恢复主动取证算法及其安全性分析

4．1．1 Fridrich的DCT主动取证算法

4．1．2 DCT主动取证研究的关键问题

4．2 改进DCT主动取证水印算法

4．2．1 Qian分类编码

4．2．2 He块链生成及邻域统计检测

4．2．3 存在的问题

4．3 多相关变容量嵌入和多链阈值检测

4．3．1 变长恢复数据生成与分段

4．3．2 多相关变容量嵌入

4．3．3 多链阈值检测算法

4．4 多链阈值检测的性能分析

4．4．1 基本检测矩阵Bn的分布

4．4．2 多链统计矩阵Ω及邻域特征ξi的分布

4．4．3 阈值的动态选取

4．5 篡改检测结果与对比分析

4．5．1 一般篡改

4．5．2 拼贴攻击

4．5．3 恒特征攻击

4．6 本章小结

第5章 结合基编码与同步修复的数字图像主动取证算法

5．1 同步篡改问题

5．1．1 参考共享

5．1．2 重复嵌入

5．2 结合基编码和多相关主动取证算法

5．2．1 结合基编码的变长恢复数据生成

5．2．2 变长恢复数据分段嵌入与多链阈值检测

5．2．3 结合同步修复的篡改恢复

5．3 实验结果与比较分析

5．3．1 嵌入容量与不可见性

5．3．2 一般篡改下的恢复性能

5．3．3 拼贴攻击下的恢复性能

5．3．4 组合攻击和多区域篡改

5．4 本章小结

第6章 基于变长均值编码和邻域预测的主动取证算法

6．1 基于均值编码的恢复数据生成

6．1．1 Lin的均值编码与分层检测

6．1．2 Zhang分层均值编码及认证数据

6．1．3 He认证数据改进及邻域统计检测

6．1．4 编码重构质量比较与分析

6．2 变长均值编码

6．2．1 变长恢复数据生成

6．2．2 重构块内容及重构误差

6．2．3 分类阈值与编码性能

6．3 变容量嵌入主动取证算法

6．3．1 取证图像生成

6．3．2 篡改检测

6．3．3 邻域预测篡改恢复

6．3．4 邻域预测恢复效果实验仿真

6．4 实验及性能比较分析

6．4．1 嵌入容量与不可见性

6．4．2 安全性

6．4．3 不同篡改下性能比较

6．4．4 组合攻击和多区域篡改

6．5 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文