CN101694724A - 在数码相机jpeg图像中嵌入gps信息并确保图像安全的方法 - Google Patents

Abstract

一种在数码相机JPEG图像中嵌入GPS信息并确保图像安全的方法，包括在数码相机上进行安全处理和在PC机上进行验证两个步骤。在数码相机上进行安全处理时，是通过带GPS信息采集系统的数码相机，在拍照时将GPS信息保存到JPEG图像文件的文件头中；计算JPEG文件的hash值；利用私钥加密得到数字签名；将数字签名保存到JPEG文件中。在PC机上进行验证时，是从JPEG文件中提取保存的数字签名；以公钥解密提取的数字签名；计算提取数字签名后的JPEG文件的hash值；比较解密提取的数字签名解密的结果和计算的JPEG文件的hash值，对于图像进行验证。本发明结合了具备GPS信息采集系统的数码相机和具备安全功能的数码相机的特点，适用于远程验货，事故现场取证、探险考察等照片的真实性、完整性保护。

Description

在数码相机JPEG图像中嵌入GPS信息并确保图像安全的方法

技术领域

本发明属于图像信息安全领域，特别涉及一种在数码相机JPEG图像文件中嵌入GPS信息并保护文件整体安全的方法。

背景技术

随着电子技术和计算机技术的不断发展，数码相机的使用日益普及，在各行各业以及日常生活中得到了广泛应用。

由于应用的需要，出现了具备GPS信息采集功能的数码相机或配件，它们可以在拍摄照片时获取GPS信息，用于记录照片拍摄时的经度、纬度等位置信息。这类数码相机包括理光于2003年2月发表的RDC-i700G，2005年1月理光发布的GPS-Ready数码相机Pro G3，以及2007年1月理光发布的内置GPS三防相机500SE GPS。此外，还有2006年索尼发布的一款专为索尼Cyber-shot数码相机和Handycam摄像机使用的数码相机专用的GPS配件“GPS-CS1K”，以及2007年3月JOBO公司在PMA 2007上展示的外置GPS模块附件PhotoGPS。

上述具备GPS信息采集功能的数码相机或配件通常用于个人用途，对于安全性要求不高，因此并不提供保证图像信息以及与其相关的GPS信息的真实性和完整性的功能，难以满足在商业和公共事业中的应用要求。例如，攻击者可以通过伪造与数码照片相关联的GPS信息，篡改照片拍摄位置。

另一方面，由于计算机技术和软件技术的进步，使得对于数码照片图像的篡改更为容易。出于保护照片图像数据的需要，出现了通过安全手段验证所拍摄照片真实性、完整性的技术。这些技术通常采用数字签名或数字水印方式实现。

在采用数字签名保护图像数据方面，最典型的是如下文献所提出的方法。

[1]Gary L.Friedman“The trustworthy digital camera：restoringcredibility to the photographic image”IEEE Trans，Consumer Electron，Vol.39，PP.905-910，Nov.1993

该方法采用公开密钥体制，通过数码相机中内嵌的私有密钥生成图像或图像hash值的数字签名，并以另一文件方式保存。在需要时，用户可以利用公开密钥解密数字签名，并与图像或图像hash值进行比较，验证图像的真实性。这种方法最大的缺点是数字签名文件需要与图像文件一同存储和传输，不便于实际应用。

数字水印(Digital Watermarking)技术是将一些标识信息(即数字水印)直接嵌入数字载体(包括多媒体、文档、软件等)当中，但不影响原载体的使用价值，也不容易被人的知觉系统(如视觉或听觉系统)觉察或注意到。通过这些隐藏在载体中的信息，可以达到确认内容创建者、购买者、传送隐秘信息或者判断载体是否被篡改等目的。

在将数字水印技术应用于数字图像真实性和完整性保护时，主要利用了脆弱水印技术。该技术在将数字水印嵌入到图像之后，一旦图像被篡改或损坏，则将导致嵌入的水印也被破坏，因此可以通过检测数字水印是否存在实现验证图像的真实性和完整性。使用具备数字水印功能的数码相机拍摄照片，使得所拍摄的照片能够作为法庭证据，从而结束数码照片不能作为证据的历史。

在采用数字水印保护图像数据方面，最典型的是如下文献所提出的方法。

[1]爱普生所提供的具有数字水印功能的数码相机：Epson PhotoPC700/750Z(1.2Mp)、Epson PhotoPC 800/800Z(2.1Mp)和Epson PhotoPC 3000Z(3.1Mp)

[2]柯达所提供的具有数字水印功能的数码相机：Kodak DC-200(0.9Mp)、Kodak DC-260(1.3Mp)和Kodak DC-290(2.1Mp)

[3]Paul Blythe and Jessica Fridrich.Secure digital camera.DigitalForensic Research Workshop，Baltimore，August 11-13，2004

[4]数字图像水印的方法及相应装置和可添加水印的数码相机，申请号：200510055680.8，申请日：2005.3.23

[5]一种带数字水印功能的数码相机，申请号：200510003430.X，申请日：2005.12.31

上述方法中，[1]和[2]属于已停产的数码相机，[2]添加的是可见水印，且是在拍照之后使用柯达软件进行添加，不利于其实际应用。对于[3]和[4]，其控制数据嵌入的密钥在验证时需要公开提供和使用，存在安全性隐患，难以实际应用。[5]则需要在验证时使用原拍照相机，如果相机在异地或损坏，则无法进行验证。

此外，下述文献提出了一种基于给定的数码相机噪声及JPEG压缩过程产生的误差而设计的用于鉴别数码相机JPEG图像真伪的方法。它只能用于图像数据的鉴别，而不能验证JPEG文件中所带的其它属性信息的真实性和完整性。

[1]一种数码相机JPEG图像的真伪鉴别方法，申请号：200610036601.3，申请日：2006.07.20

特别重要的是，上述所有为数码照片图像提供安全功能的数码相机或方法，不具备GPS信息采集和保存的功能，不能记录照片拍摄时的经度、纬度等位置信息。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术的不足，利用带GPS信息采集系统的数码相机，将获取的GPS信息保存到JPEG图像文件的文件头中，并通过安全处理保证其真实性和完整性。使用户可以对于JPEG数码照片整体(包括含GPS信息的JPEG文件头及图像压缩数据)的真实性和完整性进行公开、远程验证，适用于远程验货，事故现场取证、探险考察等照片的真实性、完整性保护。

为实现上述目的，本发明通过带GPS信息采集系统的数码相机，在拍照时将GPS信息保存到JPEG图像文件的文件头中，计算JPEG文件整体，包括其中的文件头和图像压缩数据的hash值，并利用数码相机中保存的私钥加密hash值得到数字签名，然后将数字签名保存到JPEG文件头的特殊位置，或以数字水印方式嵌入到JPEG文件的图像压缩数据中。在验证过程中，不需要数码相机的参与，而是从JPEG文件中提取数字签名并以与加密私钥相对应的公钥解密，并与提取数字签名后的JPEG文件的hash值进行比较，以验证JPEG文件的真实性和完整性。所使用的解密公钥可通过纸质文档、光盘或Web等方式公开提供。本发明可以验证数码照片JPEG文件中的GPS信息是否与照片拍摄时获取的GPS信息一致，同时也可验证其它数码照片属性信息和图像数据是否被篡改。

如上所述，在将数字签名保存到JPEG文件时，本发明提出了将数字签名保存到JPEG文件头的特殊位置，或以数字水印方式嵌入到JPEG文件的图像压缩数据中两种具体实现方式。在具体使用时，可由用户根据需要选择其中一种。

方法一将数字签名保存到JPEG文件头中，可分为嵌入和验证两部分，分别在数码相机内和用户PC机上予以实现。

嵌入部分的具体步骤包括：

1.在数码相机获取数码照片图像的同时，由其所带的GPS采集系统获取经度、纬度、时间等GPS信息，并将GPS信息保存到数码照片JPEG文件的文件头中；

2.计算JPEG文件的hash值；

3.利用数码相机中保存的私钥对于hash值加密得到数字签名；

4.将数字签名保存到JPEG文件头中。

验证部分的具体步骤包括：

1.从需要验证的JPEG文件的文件头中提取保存的数字签名；

2.以与加密私钥相对应的公钥解密提取数字签名；

3.计算提取数字签名后的JPEG文件的hash值；

4.比较利用公钥对于提取的数字签名解密的结果和计算得到的提取数字签名后的JPEG文件的hash值，对于图像的真实性、完整性进行验证。

方法二将数字签名嵌入到JPEG文件的图像压缩数据中，可分为嵌入和验证两部分，分别在数码相机内和用户PC机上实现。

嵌入部分具体步骤包括：

1.确定嵌入数字签名的位置

该步骤需要利用JPEG图像压缩原理，在对于原始图像进行分块、DCT变换和量化后，选择DCT变换的部分高频AC系数作为嵌入数字签名的位置，以免造成嵌入数字签名后图像质量明显下降。

2.生成包含GPS信息的JPEG文件

该步骤将所确定的嵌入数字签名的位置的最低位(LSB)置为0或1，并将经过处理后的DCT变换系数，重压缩为数码照片JPEG文件，其文件头的EXIF部分保存有包括GPS信息在内的数码照片属性信息。

3.计算JPEG文件的hash值；

4.利用数码相机中保存的私钥对于hash值加密得到数字签名；

5.将数字签名嵌入到选定的量化后的DCT变换系数的LSB位中；

6.将经过上述处理后的DCT变换系数，重压缩为嵌入了数字签名的JPEG文件。

验证部分的具体步骤包括：

1.根据嵌入数字签名时相同的原理，在需要验证的JPEG文件中，确定嵌入数字签名的位置；

2.从JPEG文件中提取嵌入的数字签名

依次从所确定的嵌入数字签名的DCT变换系数的LSB位中提取嵌入的数字签名。

3.生成提取数字签名后的JPEG文件

将嵌入数字签名的DCT变换系数的LSB位置为0或1，并将经过处理后的DCT变换系数，重压缩为提取数字签名后的JPEG文件。

4.以与加密私钥相对应的公钥解密提取的数字签名；

5.计算提取数字签名后的JPEG文件的hash值；

6.比较利用公钥对于提取的数字签名解密的结果和计算得到的提取数字签名后的JPEG文件的hash值，对于图像的真实性、完整性进行验证。

本发明的优点在于：

1.结合具备GPS信息采集系统的数码相机和具备安全功能的数码相机的特点，实现了对于包含GPS信息的JPEG图像文件的真实性、完整性验证；

2.GPS信息不是作为水印嵌入到JPEG文件的图像数据中，而是按照相应标准，保存在JPEG文件的EXIF部分；

3.采用公钥密码体制，使用保存在数码相机中的私钥对于JPEG文件整体的hash值进行加密以计算数字签名，并将其保存到JPEG文件的EXIF部分或嵌入到图像压缩数据中。在验证时仅需要使用公钥，也不需要原数码相机参与，更利于公开、远程验证，使用更为方便、灵活；

4.提供对于JPEG文件的整体保护，包括JPEG文件头保存的与图像相关的属性信息，以及图像数据本身；

5.将数字签名保存或嵌入JPEG文件中，不需要使用另一文件保存数字签名，更利于实际应用。

附图说明

图1是将数字签名保存到JPEG文件头的嵌入部分的流程图

图2是将数字签名保存到JPEG文件头的验证部分的流程图

图3是将数字签名嵌入到JPEG文件图像压缩数据的嵌入部分的流程图

图4是将数字签名嵌入到JPEG文件图像压缩数据的验证部分的流程图

图5是DCT变换示意图

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细描述。

方法一将数字签名保存到JPEG文件头中，可分为嵌入和验证两部分，分别在数码相机内和用户PC机上予以实现。

嵌入部分如图1所示，其具体步骤包括：

1.获取图像数据和GPS信息并生成JPEG文件

由数码相机光电系统获取图像数据，由数码相机内嵌或外置的GPS信息采集系统获取拍摄时的时间、地点等GPS信息，这方面已有成熟技术。对于图像进行JPEG压缩，并将GPS信息保存到JPEG文件的文件头中，得到包含GPS信息的JPEG文件F₁。

根据JPEG文件标准，所有的JPEG文件以字符串“0xFFD8”开头，并以字符串“0xFFD9”结束。其具体格式如表1所示。

表1 JPEG文件格式

FFD8	图像开始(SOI)标记
		FFE0~FFEF	APPn标记，其中n＝0～15
FFFB	一个或多个量化表DQT
		FFC0	帧图像开始SOF
FFC4	一个或者多个Huffman表DHT
		FFDA	扫描开始SOS(Start of Scan)
FFD9	图像结束EOI(End of Image)

在JPEG文件头中有一系列“0xFF？？”格式的字符串，称为“标识”，用来标记JPEG文件的信息段。其中0xFFE0-~0xFFEF之间的标识符称为“应用标记”，没有被常规JPEG文件利用。

其中以“0xFFE0”标识符开始的部分通常用于JFIF(JPEG File Interchange

Format，JPEG档案交换格式)，以“0xFFE1”标识符开始的部分标记通常用于EXIF，以“0xFFE2”标识符开始的部分标记通常用于FlashPix扩展数据，以0xFFE3~0xFFEF标识符开始的部分一般没有使用。

EXIF是Exchangeable image file(可交换图形文件)的缩写，它是专门为数码相机照片设定的，可以记录数码照片的属性信息，包括数码相机生产厂家、设备型号、图像分辨率、快门速度、光圈系数、感光度、焦距等，也包括GPS信息。因此，我们可以按照EXIF格式，将GPS信息保存到JPEG文件的EXIF部分。

关于EXIF格式的具体描述，可以参见

[1]Digital Still Camera Image File Format Standard(Exchangeableimage file format for Digital Still Cameras：Exif)Version 2.1

[2]Exchangeable image file format for digitalstill cameras：ExifVersion 2.2

2.计算hash值

计算JPEG文件F₁的hash值H。计算方式可使用标准算法，例如MD5，SHA-1等。

3.计算数字签名

从数码相机中获取保存的私钥K_pri，并利用私钥K_pri对于hash值H加密得到数字签名S。加密方式可使用标准公钥密码算法，例如RSA。

4.将数字签名保存到JPEG文件头中

由于JPEG文件头中以0xFFE3~0xFFEF标识符开始的部分一般没有使用，而是规定为用户可自定义的部分，我们选用以“FFE3”标记符开始的部分来保存数字签名。将数字签名S保存到JPEG文件F₁的文件头中以“FFE3”标记符开始的部分，得到包含数字签名S的JPEG文件F₂.

验证部分如图2所示，其具体步骤包括：

1.提取数字签名

假设需要验证JPEG文件F′₁的真实性和完整性，根据数字签名保存的方式，可以从JPEG文件头中以“FFE3”标记符开始的部分中提取存储的数字签名S′，并重新生成一个提取数字签名S′后(即舍弃JPEG文件头以“FFE3”标记符开始的部分)的JPEG文件F′₂。

2.解密数字签名

以与加密私钥相对应的公钥K_pub解密提取的数字签名S′，该公钥K_pub可以纸质文档、光盘或Web等方式公开提供给用户。

3.计算hash值

计算提取数字签名S′后的JPEG文件F′₂的hash值H′。

4.验证图像

比较步骤2利用公钥K_pub对于提取的数字签名S′的解密结果和步骤3计算得到的提取数字签名S′后的JPEG文件F′₂的hash值H′，如果二者相同，则图像的真实性、完整性得到确认，否则，认为图像被篡改。

方法二将数字签名嵌入到JPEG文件的图像压缩数据中，可分为嵌入和验证两部分，分别在数码相机内和用户PC机上实现。

嵌入部分如图3所示，其具体步骤包括：

1.确定嵌入数字签名的位置

由数码相机光电系统获取图像数据后，需要确定将用于嵌入数字签名的位置。

在JPEG压缩标准中，彩色图像以YUV颜色模式表达，其中Y代表亮度信号，U和V分别代表两个色差信号。在嵌入数字签名时，可以使用其中一个或多个分量，我们假定使用Y分量。确定嵌入数字签名位置的具体步骤包括：

(1)对于彩色图像Y分量进行8×8分块；

(2)对于各分块分别进行DCT变换；

(3)对于DCT变换后各分块分别进行量化；

各8×8分块DCT变换系数分布如图5所示。其中左上角的系数为直流(DC)系数，其余系数为交流(AC)系数。按照Z字形编排，可以将AC系数按照从低频到高频的顺序排列，如图5所示为按Z字形编排的AC系数的顺序号。

(4)选择部分高频AC系数作为嵌入数字签名的位置。例如图5中的第21~48的AC系数，以免造成嵌入数字签名后图像质量明显下降

根据数字签名的位数可以从多个8×8分块DCT变换系数中选择部分高频AC系数作为嵌入数字签名的位置。

所选择的嵌入数字签名的DCT变换系数的个数由数字签名的位数决定，而数字签名的位数又决定于hash值的位数。根据安全性的需要和计算性能的要求，可由用户确定所需要的hash值的位数。其位数越长，越安全，但计算时间越长。一般可选择128位、256位或512位。

2.生成JPEG文件

将所选择的量化后的DCT变换系数的最低位(LSB)置为0或1，并将经过上述处理后的DCT变换系数，重压缩为数码照片JPEG文件F₁。结合由数码相机内嵌或外置的GPS信息采集系统获取拍摄时的时间、地点等GPS信息，该JPEG文件的文件头的EXIF部分保存有包括GPS信息在内的数码照片属性信息。

3.计算hash值

计算JPEG文件F₁的hash值H。计算方式可使用标准算法，例如MD5，SHA-1等。

4.计算数字签名

从数码相机中获取保存的私钥K_pri，并利用私钥K_pri对于hash值H加密得到数字签名S。加密方式可使用标准公钥密码算法，例如RSA。

5.嵌入数字签名

使用数字签名S的各位依次替换步骤3中所选定的嵌入位置的DCT变换系数量化值的LSB位，将其嵌入到图像中。

6.生成嵌入了数字签名的JPEG文件

将经过上述处理后的DCT变换系数，重压缩为嵌入了数字签名的JPEG文件F₂。

验证部分如图4所示，其具体步骤包括：

1.确定嵌入数字签名的位置

假设需要验证JPEG文件F′₁的真实性和完整性。根据JPEG压缩和解压缩原理，从JPEG文件可得到量化后的DCT变换系数，然后按照嵌入时相同的方式可以确定嵌入数字签名的DCT变换系数，即确定在哪些8×8分块DCT变换系数中的哪些高频AC系数中嵌入了数字签名。

2.提取数字签名

依次从所确定的嵌入数字签名的DCT变换系数的LSB位中提取嵌入的数字签名S′。

3.生成提取数字签名后的JPEG文件

按照嵌入部分相同的方式将所确定的嵌入数字签名的DCT变换系数的LSB位置为0或1，并将经过上述处理后的DCT变换系数，重压缩为提取数字签名S′后的JPEG文件F′₂，它与需要验证的原始JPEG文件F′₁相比，除了部分DCT变换系数以外，其余信息不变。

4.解密数字签名

以与加密私钥相对应的公钥K_pub解密提取的数字签名S′，该公钥K_pub可以纸质文档、光盘或Web等方式公开提供给用户。

5.计算hash值

计算提取数字签名S′后的JPEG文件F′₂的hash值H′。

6.验证图像

比较步骤4中利用公钥K_pub对于提取的数字签名S′的解密结果和步骤5中计算得到的提取数字签名S′后的JPEG文件F′₂的hash值H′，如果二者相同，则图像的真实性、完整性得到确认，否则，认为图像被篡改。

Claims (1)

1.一种在数码相机JPEG图像中嵌入GPS信息并确保图像安全的方法，其特征在于包括在数码相机上进行安全处理和在PC机上进行验证两个步骤：

1)在数码相机上进行安全处理：

(1)通过带GPS信息采集系统的数码相机，在拍照时将GPS信息保存到JPEG图像文件的文件头中；

(2)计算JPEG文件整体，包括其中的文件头和图像压缩数据的hash值；

(3)利用数码相机中保存的私钥加密hash值得到数字签名；

(4)将数字签名保存到JPEG文件中；

2)在PC机上进行验证：

(1)从JPEG文件中提取保存的数字签名；

(2)以与加密私钥相对应的公钥解密提取的数字签名；

(3)计算提取数字签名后的JPEG文件的hash值；

(4)比较利用公钥对于提取的数字签名解密的结果和计算得到的提取数字签名后的JPEG文件的hash值，对于图像的真实性、完整性进行验证。

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