信息與系統科學相關工程與技術

趙春暉，劉巍

基于分塊壓縮感知的圖像半脆弱零水印算法

趙春暉，劉巍

目的：數字水印作為一種有效解決圖像版權、內容認證和完整性保護等問題的技術，長期受到國內外學者和工程技術人員的關注。但是傳統的水印技術需要向宿主圖像中嵌入水印，影響了圖像的原有信息，這在很多對圖像內容要求很高的應用中是不允許的。近年來提出的壓縮感知（Compressive Sensing，CS）理論為零水印的構造提供了一種可行的解決途徑。方法：針對數字圖像的內容認證和完整性保護問題，本文提出了一種基于分塊壓縮感知的圖像半脆弱零水印算法（BCS-SFZ）。首先將圖像劃分成若干分塊，分塊大小可以根據水印數據量和篡改定位精度調整。再按照壓縮感知理論對各個圖像塊進行觀測，并將觀測值作為零水印信息注冊保存。BCS-SFZ采用了零水印技術來保證原始圖像數據不被干擾，滿足了對圖像質量要求較高的應用。結果：實驗結果表明，BCS-SFZ算法可以準確定位非法篡改并借助水印信息恢復被篡改的區域。壓縮感知理論的引入為算法提供了保密性支持，并且有利于實現圖像成像與水印生成的同步，同時該算法實現簡單，計算復雜度低。攻擊者對于零水印圖像的攻擊分為3種情況：（1）僅知道圖像內容；（2）僅知道水印內容；（3）既知道圖像內容又知道水印內容。幾乎所有的水印系統都是根據第1種情況設計的，攻擊者很難在不知道水印構造的前提下對水印圖像進行不被察覺的篡改。第2種情況針對含有保密內容的圖像，例如軍事應用中的遙感圖像以及用于法庭作證的證據圖像，攻擊者在無法竊取原始圖像的情況下從水印數據庫中竊取了零水印信息，并希望由此推斷出原始圖像的內容。水印的保密性由壓縮感知觀測值的保密性提供，觀測矩陣中元素的隨機性決定了觀測值具有隨機噪聲的性質，獨立于密鑰使用時不具備任何實際意義，這一特性使得攻擊者在不經過重建的前提下無法通過分析觀測值來推斷原始圖像的內容，確保了第2種情況下的保密性。對于第3種情況，參考水印檢測原理可知，任何對于圖像具有實際意義的修改都會造成像素灰度值較大范圍的變化，而這種變化均會被水印檢測出來，這就使得攻擊者在同時獲得圖像與水印的情況下也無法構造出既不會被檢測又有具實際意義篡改。當然如果攻擊者具備同時替換版權人手中的密鑰以及數據庫中的注冊水印的能力的話，那么他可以對圖像進行有效篡改，而在此種情況下所有水印算法對其均失效。結論：BCS-SFZ將壓縮感知理論與零水印技術相結合，實現了一種新的半脆弱水印策略。圖像通過壓縮感知獲得的觀測值包含原圖像攜帶的所有信息，可以簡潔而全面的表征圖像的全部特征。以觀測值作為水印具有操作簡單（僅需要通過一個線性變換即可）、對惡意篡改敏感和對合法操作容忍度高、保密性好等優點，而且被篡改內容可以通過水印信息恢復。

來源出版物：自動化學報, 2012, 38(4): 609-617

入選年份：2015

軟件定義的系統與知識自動化：從牛頓到默頓的平行升華

王飛躍

摘要：回顧知識自動化的歷史，起源可以追溯到古希臘亞里多士德的描述性知識和原始的形式邏輯以及工業革命之初英國布爾對其變革性的拓展。半個世紀前人工智能的正式提出，以及隨后而來的知識表示、專家系統、知識工程、智能系統等，構成了知識自動化完整的演變發展歷史。本文從Cyberspace、社會信號和默頓系統的興起這一時代特征為起點，討論知識自動化的意義與相關的科學問題，從智能算法到知識機器人看其技術基礎及趨勢，從軟件定義的系統和流程探討其與系統工程的內在關聯，從平行系統的角度研究其在復雜控制和 管理過程中的重要作用。為什么我們現在需要知識自動化？一言以概之：工業時代需要工業自動化，知識時代必須知識自動化。工業時代的發展在許多方面對人類的體力提出了“非分”的要求，迫使人們必須依靠工業自動化的手段來“補償”其體能上的不足，才能實施、運營、維護各類大型或精密的系統和過程；同理，面臨物聯網、大數據、云計算、智能技術等，正在迅速興起的知識時代也對人類的智力提出了更高、更加“非分”的要求，人們更需要借助知識自動化的方法來“彌補”其智能上的不足，進而才能去完成各種層出不窮的不定、多樣、復雜任務大數據特別是社會信號的出現為知識時代復雜任務的描述、建模和解析提供了新的思路。以網絡信息為主要表現形式的開源數據，雖然被認為是印刷出版發明后知識之產生與傳播的又一場革命，但其價值仍未被充分地認識。在過去相當長的時間里，對于正式渠道的態勢評估和決策支持而言，基本還處于“無用”狀態。無用之用，眾用之基：大數據時代，我們應該以開源信息為主，匯集海量數據，然后通過定量的方式來描述、分析、評判知識的價值，服務于企業、科技甚至社會決策。從技術發展的角度而言，在機械化、電氣化、信息化、網絡化之后，我們正進入第5個發展階段，即虛實互動的平行化時代。軟件定義的系統、“激活”的情報以及靈活的動態網群組織將成為平行時代成功企業管理和運營不可或缺的關鍵因素。軟件定義系統的構建和使用，為企業管理和決策提供了真實可靠的科學依據。在企業內部，構建與之互動演化、反饋執行、協同發展的人工流程、人工工廠及人工企業，可針對流程執行管理、資源分配調度及企業生產制造進行建模計算、生產優化以及監控預警。在企業外部，利用知識自動化技術，可針對特定問題，將各種各樣的相關網站、博客、論壇、微博、微信及其組合視為觀察和獲取企業決策所需知識的“信源頻道”和“傳感網絡”，從而高效并準確捕獲目標定位的企業競爭情報和決策需求信號。隨后基于軟件定義的企業對需求信號進 行數據計算和知識解析，構造“激活”的情報，為企業流程管理、生產制造、決策制定提供有效準確和靈活的輸入。在這其中，動態網群組織（CMOs）是社會信號獲取、社會需求定位的關鍵。這要求我們必須充分認識到世界正從牛頓系統為主導向以默頓系統為主導的演化，并迫切需要考慮智能的“虛實二象性”。在牛頓系統中，多數定律是發現的；在默頓系統中，多數定律是發明的。利用泛在的便攜式移動傳感設備、蓬勃發展的社會媒體以及網絡世界無限的信息和智力資源，知識自動化將把人納入數據生成、信息感知、知識推理、智慧解析、決策執行，然后生成新的數據的整個閉環過程中。因此，平行時代的知識自動化必然是信息化、自動化、智能化、人機化等的有機融合，必須從物理信息系統（CPS）走向物理社會信息或社會物理信息系統（CPSS）。

來源出版物：自動化學報, 2015, 41(1): 1-8

入選年份：2015