◆丁屹旻

（河南省實(shí)驗中學(xué) 河南 450002）

一種攝像頭拍攝圖像的完整性認(rèn)證算法

◆丁屹旻

（河南省實(shí)驗中學(xué) 河南 450002）

為了保證考生現(xiàn)場采集照片的完整性，維護(hù)考試的公平公正，本文提出了一種基于數(shù)字水印的攝像頭拍攝圖像完整性認(rèn)證算法。該算法利用MD5和RC4算法在采集圖像的格式字段與圖像內(nèi)容中嵌入水印信息，實(shí)現(xiàn)對視頻攝像頭拍攝的圖像進(jìn)行完整性保護(hù)和認(rèn)證，能夠準(zhǔn)確判斷圖像是否經(jīng)過了篡改，同時保證水印信息對常見圖像處理操作的魯棒性，從而為防止替考和冒名頂替事件的發(fā)生提供了一種有效的手段。

數(shù)字水?。慌臄z圖像；完整性認(rèn)證；MD5算法；RC4算法

0 引言

近年來，類似于“羅彩霞事件”的考試替考、冒名頂替上學(xué)的新聞報道在我們的生活中所見不鮮。如何有效地防止替考和冒名頂替上學(xué)事件的發(fā)生從而維護(hù)考試的公平公正，是一個值得關(guān)注和解決的問題。當(dāng)前通常的做法是進(jìn)行考生照片采集和現(xiàn)場確認(rèn)的方式來防止替考和冒名頂替。然而，如果采集的照片被人為更改，那么替考和冒名頂替事件就仍然可能發(fā)生。如何保證攝像頭拍照采集圖像的完整性，是目前圖像真實(shí)性認(rèn)證中亟需解決的關(guān)鍵問題。

數(shù)字水?。―igital Watermarking）技術(shù)是將一些標(biāo)識信息（即數(shù)字水?。┲苯忧度霐?shù)字載體當(dāng)中（包括多媒體、文檔、軟件等）或是間接表示（修改特定區(qū)域的結(jié)構(gòu)），且不影響原載體的使用價值，也不容易被探知和再次修改，但可以被生產(chǎn)方識別和辨認(rèn)。通過這些隱藏在載體中的信息，可以達(dá)到確認(rèn)內(nèi)容創(chuàng)建者、購買者、傳送隱秘信息或者判斷載體是否被篡改等目的。數(shù)字水印是保護(hù)信息安全、實(shí)現(xiàn)防偽溯源、版權(quán)保護(hù)的有效辦法。數(shù)字水印主要包括魯棒水印和脆弱水印兩類，其中脆弱水印對其所保護(hù)的數(shù)字載體的任何變換或處理操作都具有非常強(qiáng)的敏感性，主要用于多媒體數(shù)據(jù)的精確認(rèn)證。脆弱水印算法要求對篡改具有敏感性，其依賴于圖像內(nèi)容產(chǎn)生水印信息，既可以增強(qiáng)系統(tǒng)抵御統(tǒng)計攻擊的能力，又避免了在認(rèn)證檢測端額外提供原始水印信息，對惡意篡改具有敏感性，因而更適用于圖像認(rèn)證。魯棒水印是指在經(jīng)歷多種無意或有意的信號處理過程后，嵌入的數(shù)字水印仍能保持部分完整性并能被準(zhǔn)確鑒別。量化索引調(diào)制（Quantization Index Modulation，QIM）是一種典型的含邊信息數(shù)字水印嵌入方案[4]，而抖動調(diào)制（Dither Modulation，DM）作為QIM 水印方案的一種典型實(shí)現(xiàn)，由于其容量大、魯棒性好、容易實(shí)現(xiàn)盲檢測等特性已成為研究和應(yīng)用最多的方法之一。典型的水印算法中，文獻(xiàn)[5]將水印信息以隨機(jī)確定的強(qiáng)度嵌入隨機(jī)選取的圖像DCT系數(shù)中，該方法可使帶水印圖像的峰值信噪比更高，能夠抵抗中值濾波，但是不能有效抵抗JPEG壓縮；文獻(xiàn)[6]的不可見水印方法選擇每個顏色分量8x8分塊DCT 變換后最左上角的8個系數(shù)來嵌入信息，該方法具有較好的不可見性，但也能有效抵抗JPEG壓縮。上述的水印算法雖然具有較好的不可見性和一定的魯棒性，但通常不能保證攝像頭拍攝圖像的完整性。

為了解決數(shù)字圖像的完整性認(rèn)證問題，特別是常用的攝像頭拍攝圖像的完整性認(rèn)證問題，同時保證水印信息的魯棒性，結(jié)合數(shù)字水印技術(shù)具有隱蔽實(shí)施、快速便捷、持續(xù)有效等技術(shù)特點(diǎn)，本文結(jié)合脆弱水印與魯棒水印的特點(diǎn)，利用攝像頭拍攝原理、拍攝得到的圖像格式以及數(shù)字水印思想，提出了一種基于數(shù)字水印的攝像頭拍攝圖像完整性認(rèn)證算法。該算法基于脆弱水印技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對視頻攝像頭拍攝的圖像進(jìn)行完整性保護(hù)和認(rèn)證，能夠準(zhǔn)確判斷圖像是否經(jīng)過了篡改，同時利用魯棒水印技術(shù)保證水印信息對常見圖像處理操作的魯棒性。

1 本文算法

基于數(shù)字水印的攝像頭拍攝圖像完整性認(rèn)證算法可實(shí)現(xiàn)對攝像頭拍攝的JPEG格式圖像進(jìn)行采集，然后將水印信息嵌入圖像中，在不影響圖像的正常顯示和人的視覺效果前提下，達(dá)到認(rèn)證攝像頭拍照文件圖像完整性、保護(hù)圖像真實(shí)性的目的。此外，還可直接用于對一些重要的JPEG格式圖像文件的完整性認(rèn)證和保護(hù)。例如：醫(yī)學(xué)圖像和用于法庭取證的數(shù)字圖像，往往要求原始文件不能經(jīng)過任何修飾和篡改，如何從技術(shù)上來對此類圖像的完整性進(jìn)行認(rèn)證，是值得研究問題。本算法針對攝像頭拍攝得到的JPEG圖像，采用了基于格式的水印嵌入方法，當(dāng)圖像經(jīng)過任何非拷貝或打開操作后，將會被本算法判別為經(jīng)過了篡改。

本文算法具有如下特點(diǎn)：

（1）能夠?qū)z像頭數(shù)據(jù)流進(jìn)行圖像采集，并能夠?qū)Υ藞D像進(jìn)行水印嵌入；

（2）能對攝像頭拍照的圖像，保護(hù)用戶隨意選擇的需要保護(hù)的敏感區(qū)域；

（3）能可靠判決圖像是否經(jīng)過了篡改，判決結(jié)果可證明；

（4）對于圖像的修改十分敏感，除了拷貝和打開操作，對于含水印圖像的任何其他操作得到的圖像都會被判為經(jīng)過篡改；

（5）對于涂改、剪切、拉伸、縮放、壓縮等操作，能夠提取嵌入圖像內(nèi)容中的水印信息；

（6）結(jié)合了MD5[7]和RC4[8]兩種經(jīng)典加密技術(shù)，充分保證了水印和整個認(rèn)證系統(tǒng)的安全性；

（7）采取了基于JPEG圖像格式和圖像內(nèi)容的嵌入方法，對圖像的數(shù)據(jù)區(qū)不作任何修改，因此，不會對圖像的視覺效果產(chǎn)生任何影響。

1.1 圖像采集及水印嵌入算法

基于數(shù)字水印的攝像頭拍攝圖像完整性認(rèn)證算法中，攝像頭視頻設(shè)備圖像采集及水印嵌入過程流程圖如圖1所示：

在調(diào)用攝像頭拍攝圖像后，首先選擇待嵌入的水印信息并設(shè)置密鑰。為了保證輸入水印信息的魯棒性，本文采用RC4算法和密鑰對水印信息加密，采用基于圖像內(nèi)容的水印嵌入算法將水印信息嵌入到待保護(hù)圖像中。為了對圖像內(nèi)容進(jìn)行完整性認(rèn)證，本文將圖像內(nèi)容的哈希摘要作為水印信息的一部分。基于MD5算法及密鑰對圖像內(nèi)容進(jìn)行哈希，將哈希值與加密后的水印信息共同構(gòu)成水印信息。最后，使用基于圖像格式的水印嵌入算法，將水印信息添加到待保護(hù)的拍攝圖像中，即生成含水印的攝像頭拍攝圖像。

（1）基于圖像內(nèi)容的水印嵌入算法

基于圖像內(nèi)容的水印嵌入算法將水印信息擴(kuò)頻后，利用拍攝圖像的中低頻系數(shù)嵌入水印信息，在不影響圖像質(zhì)量的前提下，可保證水印信息對JPEG壓縮、高斯噪聲、中值濾波等操作的魯棒性。本文為了增強(qiáng)水印的安全性及魯棒性，在嵌入水印之前，對其進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制。設(shè)原始信息為“0”、“l(fā)”序列，其長度為N，即：

將該序列以一定的片率cr（cr為大于l的正奇數(shù)）進(jìn)行按位擴(kuò)展，得到序列：

然后利用偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器根據(jù)密鑰K產(chǎn)生一長度為Ncr·的偽隨機(jī)“0”、“l(fā)”序列R，且將它與M進(jìn)行按位異或，得到最后要嵌入的水印信息：

為了保證水印信息的魯棒性，采用抖動調(diào)制算法將水印信息嵌入在圖像的中低頻系數(shù)中。抖動調(diào)制首先將水印信息或由水印信息確定的抖動量加到載體上，然后進(jìn)行量化以嵌入水印信息。根據(jù)抖動調(diào)制的定義，水印嵌入過程可用下式描述：

其中x表示原始載體數(shù)據(jù)；wx表示嵌入水印之后的數(shù)據(jù)；為四舍五入取整函數(shù)；Δ表示由JPEG量化表確定的量化步長；m表示水印信息；()dm是與m相對應(yīng)的抖動量；是與m相對應(yīng)的量化器。

圖1 圖像采集及水印嵌入過程流程圖

（2）基于圖像格式的水印嵌入算法

基于圖像格式的嵌入算法利用JPEG文件格式中的冗余字段，實(shí)現(xiàn)水印的嵌入。JPEG圖像文件的主要格式如下：

表1 JPEG圖像文件格式

0xFFD4 哈弗曼表標(biāo)志0xFFDA 圖像數(shù)據(jù)標(biāo)志0xFFD9 圖像結(jié)束標(biāo)志

在這里本文關(guān)注的部分為注釋字段。JPEG的注釋字段允許把注釋數(shù)據(jù)加入到JPEG圖像中，注釋字段以0xFFEF為開始標(biāo)志，后面2字節(jié)的無符號數(shù)表示為注釋字段的長度+2，這里的2是指長度值本身占用的2個字節(jié)，再后面為注釋數(shù)據(jù)，一個合法的注釋段如下圖所示：

圖2 JPEG圖像注釋段（例）

由JPEG圖像格式可知，我們可以在注釋字段后加入一定長度的水印信息。因此，可以將加密后的水印信息嵌入到JPEG文件注釋區(qū)的后面，因為改變的是注釋字段，因而不會影響圖像的質(zhì)量。

1.2 圖像完整性認(rèn)證算法

圖3 圖像完整性認(rèn)證過程流程圖

基于數(shù)字水印的攝像頭拍攝圖像完整性認(rèn)證算法中，圖像完整性認(rèn)證過程流程圖如圖3所示。在認(rèn)證階段，首先打開待認(rèn)證的圖像，并輸入密鑰信息。然后利用MD5算法和密鑰對圖像內(nèi)容進(jìn)行哈希。接著從圖像格式中的注釋字段提取嵌入的水印信息，并將水印信息中的哈希值與再次獲取的圖像內(nèi)容哈希值進(jìn)行對比，即可判斷圖像內(nèi)容是否保持完整或經(jīng)過篡改。若哈希值相等，則認(rèn)證通過，利用RC4算法和密鑰提取水印信息；若哈希值不等，則認(rèn)證失敗，說明圖像經(jīng)過篡改。通過RC4算法和密鑰提取嵌入在圖像內(nèi)容中的水印信息。

2 算法實(shí)驗與分析

為驗證本文算法性能，基于VS2008軟件開發(fā)環(huán)境實(shí)現(xiàn)了基于數(shù)字水印的攝像頭拍攝圖像完整性認(rèn)證算法。實(shí)驗主要分為兩個部分：（1）圖像完整性認(rèn)證實(shí)驗；（2）對比實(shí)驗。

2.1 圖像完整性認(rèn)證實(shí)驗

選擇連接本地計算機(jī)的攝像頭視頻設(shè)備，并根據(jù)攝像頭的分辨率等性能選擇一個合適的攝像頭視頻設(shè)備。隨后即可出現(xiàn)攝像頭采集的視頻信息，如圖4（a）所示。輸入密鑰及水印信息并拍照，即可生成并保存含有水印信息的采集圖像，如圖4（b）所示。打開生成圖像，并利用算法程序進(jìn)行認(rèn)證，輸入密鑰后，即顯示圖像未經(jīng)過篡改并成功提取水印信息，如圖4（c）所示。對圖像進(jìn)行JPEG壓縮，并導(dǎo)入壓縮后的圖像進(jìn)行認(rèn)證，在輸入正確密鑰后，圖像無法認(rèn)證成功，如圖4（d）所示。

圖4 圖像完整性認(rèn)證實(shí)驗

本節(jié)實(shí)驗結(jié)果表明，本算法所生成的含水印攝像頭拍攝圖像不影響圖像的視覺質(zhì)量，并可在圖像未篡改時成功認(rèn)證并提取水印信息。當(dāng)輸入密鑰錯誤或圖像被修改過，則無法正確提取水印，即圖像認(rèn)證失敗。實(shí)驗表明，本算法針對攝像頭拍攝的JPEG格式圖像，基于數(shù)字水印嵌入算法，達(dá)到了完整性認(rèn)證的目的。同時，基MD5和RC4等公開密碼算法，保證了水印信息的安全性。

2.2 對比實(shí)驗

在Windows 10環(huán)境下，對本文算法及文獻(xiàn)[9]、文獻(xiàn)[10]中的算法進(jìn)行了對比測試。首先分別用本文算法及上述算法生成含水印圖像，并對圖像進(jìn)行涂改、剪切、拉伸、縮放、壓縮和保存操作后，對圖像進(jìn)行篡改檢測，實(shí)驗結(jié)果如表2所示。其中，“√”表示可以成功檢測到圖像篡改，“×”表示無法檢測到圖像篡改。

表2 對比實(shí)驗結(jié)果

上述實(shí)驗結(jié)果表明，本文所提出的基于數(shù)字水印的攝像頭拍攝圖像完整性認(rèn)證算法，針對圖像涂改、剪切、拉伸、縮放、壓縮和保存操作，均可實(shí)現(xiàn)圖像內(nèi)容的完整性認(rèn)證，能夠準(zhǔn)確判斷圖像是否經(jīng)過了篡改。同時，算法能夠正確提取圖像中嵌入的水印信息，表明嵌入的水印信息對常見的圖像操作具有一定的魯棒性。

3 總結(jié)

近年來，考生照片采集和現(xiàn)場確認(rèn)成為了防止替考和冒名頂替上學(xué)事件的發(fā)生、維護(hù)考試的公平公正的一種重要手段。為了認(rèn)證采集圖像的完整性，本文提出了一種基于數(shù)字水印的攝像頭拍攝圖像完整性認(rèn)證算法。該算法利用MD5和RC4算法在采集圖像的格式字段與圖像內(nèi)容中嵌入水印信息，實(shí)現(xiàn)對視頻攝像頭拍攝的圖像進(jìn)行完整性保護(hù)和認(rèn)證，能夠準(zhǔn)確判斷圖像是否經(jīng)過了篡改，同時保證嵌入的水印信息具有一定的魯棒性，從而為防止替考和冒名頂替事件的發(fā)生提供了一種有效的手段。

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