CN105160617A - 图像篡改定位方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种图像篡改定位方法，包括如下步骤：对欲发送图像进行特征提取；根据上述提取的特征计算得到欲发送图像的哈希值；接收所述欲发送图像及其哈希值；对所述接收的图像进行特征提取；根据上述提取的特征计算得到所述接收图像的哈希值；根据所述欲发送图像的哈希值及接收图像的哈希值，对图像进行认证及篡改定位。本发明还涉及一种图像篡改定位系统。本发明能够产生一组具有较强鲁棒性的哈希，无须通过不同哈希值就能实现图像内容真实性认证和篡改定位，且实现方案简单，计算复杂度低。

Description

图像篡改定位方法及系统

技术领域

本发明涉及一种图像篡改定位方法及系统。

背景技术

感知哈希函数作为数字签名的重要组成部分，能够认证图像的真实性和来源信息，在多媒体信息安全领域中有着广泛地应用。

对于保持图像内容的处理操作(例如：轻微旋转、滤波、压缩和噪声干扰)，感知哈希函数具有很好的鲁棒性；对于改变图像内容的恶意篡改，则具有较强的灵敏性。感知哈希函数的上述特性使得原始图像和经过内容保持操作的图像能够通过认证，而阻截那些恶意篡改的伪造图像。

目前，国内外的学者对图像篡改定位的感知哈希算法进行了比较深入和系统的研究，提出了多种有效可行的方法。现有感知哈希算法的鲁棒性逐渐提高，使得基于感知哈希的图像主动认证技术日渐成熟，但在实际应用中，不仅需要认证一幅图像的真实性，同时还希望可以通过感知哈希函数定位图像中被篡改的具体内容，即篡改定位。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种图像篡改定位方法及系统。

本发明提供一种图像篡改定位方法，该方法包括如下步骤：a.对欲发送图像进行特征提取；b.根据上述提取的特征计算得到欲发送图像的哈希值；c.接收所述欲发送图像及其哈希值；d.对所述接收的图像进行特征提取；e.根据上述提取的特征计算得到所述接收图像的哈希值；f.根据所述欲发送图像的哈希值及接收图像的哈希值，对图像进行认证及篡改定位。

其中，所述的步骤a包括：得到欲发送图像的像素矩阵I；对所述像素矩阵I进行尺寸标准化及滤波操作，以得到像素矩阵获取所述像素矩阵的边缘点；计算每个边缘点在像素矩阵的梯度方向和模值对像素矩阵进行分块处理，并根据每个图像块中边缘点梯度方向和模值得到所述欲发送图像的鲁棒特征向量F'。

所述的步骤b包括：将所述欲发送图像的鲁棒特征向量F'进行二值化编码，得到所述欲发送图像的哈希值。

所述的步骤f包括：将所述欲发送图像的哈希值及所述接收图像的哈希值进行比对，若二者的归一化汉明距离小于阈值T_a，则通过认证；否则，拒绝认证；对于拒绝认证的图像，计算接收图像每个分块的哈希值，并与接收到的哈希值相应的区段进行比对，若归一化汉明距离大于阈值T_b，则判定该图像分块受到篡改，并在图像相应位置标注。

所述归一化的汉明距离定义为x和y分别表示长度为N的二元哈希值，N表示哈希长度。

本发明还提供一种图像篡改定位系统，包括相互电性连接的特征提取模块、哈希计算模块、接收模块、认证及篡改定位模块，其中：所述特征提取模块用于对欲发送图像进行特征提取；所述哈希计算模块用于根据上述提取的特征计算得到欲发送图像的哈希值；所述接收模块用于接收所述欲发送图像及其哈希值；所述特征提取模块还用于对所述接收的图像进行特征提取；所述哈希计算模块还用于根据上述提取的特征计算得到所述接收图像的哈希值；所述认证及篡改定位模块用于根据所述欲发送图像的哈希值及接收图像的哈希值，对图像进行认证及篡改定位。

其中，所述的特征提取模块具体用于：得到欲发送图像的像素矩阵I；对所述像素矩阵I进行尺寸标准化及滤波操作，以得到像素矩阵获取所述像素矩阵的边缘点；计算每个边缘点在像素矩阵的梯度方向和模值，对像素矩阵进行分块处理，并根据每个图像块中边缘点梯度方向和模值，得到所述欲发送图像的鲁棒特征向量F'。

所述的哈希计算模块用于将所述欲发送图像的鲁棒特征向量F'进行二值化编码，得到所述欲发送图像的哈希值。

所述的认证及篡改定位模块具体用于：将所述欲发送图像的哈希值及所述接收图像的哈希值进行比对，若二者的归一化汉明距离小于阈值T_a，则通过认证；否则，拒绝认证；对于拒绝认证的图像，计算接收图像每个分块的哈希值，并与接收到的哈希值相应的区段进行比对，若归一化汉明距离大于阈值T_b，则判定该图像分块受到篡改，并在图像相应位置标注。

所述的归一化的汉明距离定义为x和y分别表示长度为N的二元哈希值，N表示哈希长度。

本发明图像篡改定位方法及系统，能够产生一组具有较强鲁棒性的哈希，无须通过不同哈希值就能实现图像内容真实性认证和篡改定位，避免了哈希值冗长的缺点，同时本发明采用的图像特征对噪声干扰和滤波等常见的内容保持操作也具有鲁棒性。本发明实现方案简单，计算复杂度也更低。

附图说明

图1为本发明图像篡改定位方法的流程图；

图2为本发明图像篡改定位系统的硬件架构图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细的说明。

参阅图1所示，是本发明图像篡改定位方法较佳实施例的作业流程图。

步骤S401，对欲发送图像进行特征提取。也即，根据欲发送图像计算得到该欲发送图像的鲁棒性特征。具体流程如下：

a)根据欲发送图像得到该图像的像素矩阵I，首先通过线性插值的方法将所述图像标准化到M×_N的像素尺寸，然后对尺寸标准化后的图像先后进行窗口为w×w、标准差为sigma的高斯低通滤波，及窗口为w×w的中值滤波，得到滤波后像素矩阵 表示I经尺寸标准化和滤波处理后的像素矩阵。

b)利用Canny算子得到所述像素矩阵的边缘点，计算每个边缘点在像素矩阵的梯度方向和模值。应当理解的是，所述Canny算子可以替换成sobel、prewitt等其它边缘检测算子。将所述边缘点的梯度方向按任意角度为间隔进行量化，本实施例采用以45度为间隔量化为,1个35方}向。将所述像素矩阵分成K个大小为P×Q像素的图像块B_i(其中P为M的约数，Q为N的约数，i＝1,2,...,K)，并统计每个图像块B_i中边缘点梯度方向的直方图h_i(d)，以及相对应方向角度中梯度的模值之和g_i(d)，其中d＝1,2,...,8，分别对应{-180,-135,-90,-45,0,45,90,135}8个方向。

c)对每个图像块B_i的h_i(d)和g_i(d)分别单独进行零均值化处理，具体操作方式如下表述：

${\tilde{h}}_i\left(d\right)=h_i\left(d\right)-{\stackrel{\‾}{h}}_i,{\tilde{g}}_i\left(d\right)=g_i\left(d\right)-{\stackrel{\‾}{g}}_i$

其中，和分别为h_i(d)和g_i(d)中心化后的值，和分别为h_i(d)和g_i(d)的均值，d＝1,2,...,8。然后将和依次排列得到图像块B_i的16维特征f_i，即f_i＝[h_i(1),...,h_i(8),g_i(1),...,g_i(8)]。将各个图像块的特征f_i依次排列得到长度为16×K的向量F＝[f₁,f₂,…f_i,…,f_K]。在密钥Key的控制下，产生一个与F相同长度的仅包含+1或-1二个元素的均匀分布的随机序列C。将F与C相应位置的元素相乘，得到所述欲发送图像的鲁棒特征向量F'。

步骤S402，根据上述提取的特征计算得到欲发送图像的哈希值。具体而言：

根据得到欲发送图像的哈希值进行二值化编码，即对于所述欲发送图像的鲁棒特征向量F'，若其元素F′(j)＞0，则令F'(j)＝1，否则，F'(j)＝0。从而得到输入图像长度为16×K比特的哈希值。其中j＝1,2,3,...,16×K。

应当理解的是，还可以为其它的二值编码方式，比如格雷码。

步骤S403，接收所述欲发送图像及其哈希值。

步骤S404，对所述接收的图像进行特征提取。也即，根据所述接收的图像计算得到该接收的图像的鲁棒性特征。具体的特征提取流程与步骤S401类似，不再赘述。

步骤S405，根据上述提取的特征计算得到所述接收图像的哈希值。得到接收图像的哈希值的具体流程与步骤S402类似，不再赘述。

步骤S406，根据所述欲发送图像的哈希值及接收图像的哈希值，对图像进行认证及篡改定位。具体步骤如下：

a)将所述欲发送图像的哈希值及所述接收图像的哈希值进行比对，若二者的归一化汉明距离(biterrorrate，BER误码率)小于阈值T_a，则认为图像的内容未被改变，通过认证；否则，认为图像内容受到篡改，拒绝认证。

b)图像篡改定位是通过逐块比对欲发送图像的哈希值与接收图像的哈希值是否一致来实现的。即首先计算接收图像每个分块的哈希值，并与接收到的哈希值相应的区段进行比对，若归一化汉明距离大于阈值T_b，则判断该图像分块受到篡改，并在图像相应位置标注。

上述的归一化的汉明距离定义为x和y分别表示长度为N的二元哈希值，N表示哈希长度。

应当理解的是，本实施例采用归一化的汉明距离作为哈希值相似性的度量标准，同样可以采用夹角余弦，杰卡德相似系数等其他相似性度量标准。

参阅图2所示，是本发明图像篡改定位系统的硬件架构图。该系统包括相互电性连接的特征提取模块、哈希计算模块、接收模块、认证及篡改定位模块。

所述特征提取模块用于对欲发送图像进行特征提取。也即，根据欲发送图像计算得到该欲发送图像的鲁棒性特征。具体流程如下：

a)根据欲发送图像得到该图像的像素矩阵I，首先通过线性插值的方法将所述图像标准化到M×N的像素尺寸，然后对尺寸标准化后的图像先后进行窗口为w×w、标准差为sigma的高斯低通滤波，及窗口为w×w的中值滤波，得到滤波后像素矩阵 表示I经尺寸标准化和滤波处理后的像素矩阵。

b)利用Canny算子得到所述像素矩阵的边缘点，计算每个边缘点在像素矩阵的梯度方向和模值。应当理解的是，所述Canny算子可以替换成sobel、prewitt等其它边缘检测算子。将所述边缘点的梯度方向按任意角度为间隔进行量化，本实施例采用以45度为间隔量化为,1个35方}向。将所述像素矩阵分成K个大小为P×Q像素的图像块B_i(其中P为M的约数，Q为N的约数，i＝1,2,...,K)，并统计每个图像块B_i中边缘点梯度方向的直方图h_i(d)，以及相对应方向角度中梯度的模值之和g_i(d)，其中d＝1,2,...,8，分别对应{-180,-135,-90,-45,0,45,90,135}8个方向。

c)对每个图像块B_i的h_i(d)和g_i(d)分别单独进行零均值化处理，具体操作方式如下表述：

${\tilde{h}}_i\left(d\right)=h_i\left(d\right)-{\stackrel{\‾}{h}}_i,{\tilde{g}}_i\left(d\right)=g_i\left(d\right)-{\stackrel{\‾}{g}}_i$

其中，和分别为h_i(d)和g_i(d)中心化后的值，和分别为h_i(d)和g_i(d)的均值，d＝1,2,...,8。然后将和依次排列得到图像块B_i的16维特征f_i，即f_i＝[h_i(1),...,h_i(8),g_i(1),...,g_i(8)]。将各个图像块的特征f_i依次排列得到长度为16×K的向量F＝[f₁,f₂,…f_i,…,f_K]。在密钥Key的控制下，产生一个与F相同长度的仅包含+1或-1二个元素的均匀分布的随机序列C。将F与C相应位置的元素相乘，得到所述欲发送图像的鲁棒特征向量F'。

所述哈希计算模块用于根据上述提取的特征计算得到欲发送图像的哈希值。具体而言：

根据得到欲发送图像的哈希值进行二值化编码，即对于所述欲发送图像的鲁棒特征向量F'，若其元素F′(j)＞0，则令F'(j)＝1，否则，F'(j)＝0。从而得到输入图像长度为16×K比特的哈希值。其中j＝1,2,3,...,16×K。

应当理解的是，还可以为其它的二值编码方式，比如格雷码。

所述接收模块用于接收所述欲发送图像及其哈希值。

所述特征提取模块还用于对所述接收的图像进行特征提取。也即，根据所述接收的图像计算得到该接收的图像的鲁棒性特征。具体的特征提取流程与前述对欲发送图像进行特征提取类似，不再赘述。

所述哈希计算模块还用于根据上述提取的特征计算得到所述接收图像的哈希值。得到接收图像的哈希值的具体流程与前述计算得到欲发送图像的哈希值类似，不再赘述。

所述认证及篡改定位模块用于根据所述欲发送图像的哈希值及接收图像的哈希值，对图像进行认证及篡改定位。具体步骤如下：

a)将所述欲发送图像的哈希值及所述接收图像的哈希值进行比对，若二者的归一化汉明距离(biterrorrate，BER误码率)小于阈值T_a，则认为图像的内容未被改变，通过认证；否则，认为图像内容受到篡改，拒绝认证。

b)图像篡改定位是通过逐块比对欲发送图像的哈希值与接收图像的哈希值是否一致来实现的。即首先计算接收图像每个分块的哈希值，并与接收到的哈希值相应的区段进行比对，若归一化汉明距离大于阈值T_b，则判断该图像分块受到篡改，并在图像相应位置标注。

上述的归一化的汉明距离定义为x和y分别表示长度为N的二元哈希值，N表示哈希长度。

应当理解的是，本实施例采用归一化的汉明距离作为哈希值相似性的度量标准，同样可以采用夹角余弦，杰卡德相似系数等其他相似性度量标准。

虽然本发明参照当前的较佳实施方式进行了描述，但本领域的技术人员应能理解，上述较佳实施方式仅用来说明本发明，并非用来限定本发明的保护范围，任何在本发明的精神和原则范围之内，所做的任何修饰、等效替换、改进等，均应包含在本发明的权利保护范围之内。

Claims (10)

1.一种图像篡改定位方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

a.对欲发送图像进行特征提取；

b.根据上述提取的特征计算得到欲发送图像的哈希值；

c.接收所述欲发送图像及其哈希值；

d.对所述接收的图像进行特征提取；

e.根据上述提取的特征计算得到所述接收图像的哈希值；

f.根据所述欲发送图像的哈希值及接收图像的哈希值，对图像进行认证及篡改定位。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法所述的步骤a包括：

得到欲发送图像的像素矩阵I；

对所述像素矩阵I进行尺寸标准化及滤波操作，以得到像素矩阵

获取所述像素矩阵的边缘点；

计算每个边缘点在像素矩阵的梯度方向和模值；对像素矩阵进行分块处理，并根据每个图像块中边缘点梯度方向和模值，得到所述欲发送图像的鲁棒特征向量F'。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的步骤b包括：

将所述欲发送图像的鲁棒特征向量F'进行二值化编码，得到欲发送图像的哈希值。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的步骤f包括：

将所述欲发送图像的哈希值及所述接收图像的哈希值进行比对，若二者的归一化汉明距离小于阈值T_a，则通过认证；否则，拒绝认证；

对于拒绝认证的图像，计算接收图像每个分块的哈希值，并与接收到的哈希值相应的区段进行比对，若归一化汉明距离大于阈值T_b，则判定该图像分块受到篡改，并在图像相应位置标注。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述归一化的汉明距离定义为x和y分别表示长度为N的二元哈希值，N表示哈希长度。

6.一种图像篡改定位系统，其特征在于，该系统包括相互电性连接的特征提取模块、哈希计算模块、接收模块、认证及篡改定位模块，其中：

所述特征提取模块用于对欲发送图像进行特征提取；

所述哈希计算模块用于根据上述提取的特征计算得到欲发送图像的哈希值；

所述接收模块用于接收所述欲发送图像及其哈希值；

所述特征提取模块还用于对所述接收的图像进行特征提取；

所述哈希计算模块还用于根据上述提取的特征计算得到所述接收图像的哈希值；

所述认证及篡改定位模块用于根据所述欲发送图像的哈希值及接收图像的哈希值，对图像进行认证及篡改定位。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述的特征提取模块具体用于：

得到欲发送图像的像素矩阵I；

对所述像素矩阵I进行尺寸标准化及滤波操作，以得到像素矩阵

获取所述像素矩阵的边缘点；

计算每个边缘点在像素矩阵的梯度方向和模值；对像素矩阵进行分块处理，并根据每个图像块中边缘点梯度方向和模值，得到所述欲发送图像的鲁棒特征向量F'。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述的哈希计算模块用于将所述欲发送图像的鲁棒特征向量F'进行二值化编码，得到欲发送图像的哈希值。

9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述的认证及篡改定位模块具体用于：

将所述欲发送图像的哈希值及所述接收图像的哈希值进行比对，若二者的归一化汉明距离小于阈值T_a，则通过认证；否则，拒绝认证；

对于拒绝认证的图像，计算接收图像每个分块的哈希值，并与接收到的哈希值相应的区段进行比对，若归一化汉明距离大于阈值T_b，则判定该图像分块受到篡改，并在图像相应位置标注。

10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述的归一化的汉明距离定义为x和y分别表示长度为N的二元哈希值，N表示哈希长度。