大數據時代數字圖書館視域下的圖像資源版權保護研究

徐彤陽，尹 凱（.山西財經大學信息管理學院；2.中國科學院文獻情報中心）

圖像作為一種圖文并茂、形象直觀的信息表現形式，廣泛應用于信息傳遞和信息交流，是大數據時代公眾獲取信息的主要來源。隨著大量非法修改偽造圖像的出現，公眾的版權保護意識日益增強，在數字圖書館中圖像資源的版權保護也逐漸成為學者們的研究重點。目前，面對圖像資源版權侵權問題，在健全規章制度、完善法律法規的前提下，運用技術手段對數字圖書館的圖像資源進行版權保護是最直接有效的方法。

1 圖像資源版權保護方法概述

1.1 主動保護方法

圖像資源版權主動保護方法的原理是指在圖像作品中嵌入水印或簽名等先驗信息，通過對這些先驗信息進行檢測來判斷圖像作品是否被修改，以此來確保圖像作品版權的完整性（見圖1）。主動保護方法是保護數字圖書館圖像資源版權的有效途徑之一，利用主動保護方法進行圖像資源版權保護的研究已取得了豐碩的成果。［1-6］

圖1 圖像資源版權主動保護方法的流程

數字水印技術是指通過特定算法將少量的不容易被人的視覺所察覺的標識性信息（即數字水印）嵌入到數字圖書館的圖像作品中，并且是在盡量不影響原始圖像使用價值的前提下。當需要對圖像作品進行版權認證時，利用相應的算法提取待測圖像中的數字水印，通過對這些數字水印進行檢測，可以達到獲取圖像內容的原始信息和檢驗圖像是否被修改等目的。［7］數字簽名技術是指通過對比從原始圖像作品和待檢測圖像作品中提取出來的、與內容相關的摘要信息來確定圖像作品版權的完整性。對兩個摘要信息進行對比，若摘要信息一致，則接收的圖像作品版權完整，否則，說明圖像版權遭到侵犯。［8］

可見，主動保護方法可以有效確保數字圖書館圖像資源版權的完整性，但也存在一定的局限性。一方面，主動保護方法需要事先在圖像中嵌入標識信息，事后對這些信息進行取證。但實際上，現有的絕大多數圖像資源并沒有被事先嵌入標識性信息，這就導致該方法不能被廣泛的應用。另一方面，在圖像資源中嵌入標識性信息可能會影響圖像質量，這在數字圖書館中某些對圖像質量要求很高的領域是不能被接受的。因此，主動保護方法還不能完全滿足數字圖書館圖像資源版權保護的需求。

1.2 被動保護方法

針對主動保護方法在圖像資源版權保護方面的局限性，本文利用被動保護方法對數字圖書館中沒有被嵌入先驗信息的圖像作品的真實性進行檢測。若被檢測的圖像作品的真實性被破壞，則表明該圖像作品的版權遭到侵犯；反之，該圖像版權沒有遭到破壞。被動保護方法是指在待測圖像作品沒有被嵌入標識性信息的情況下，利用圖像作品本身的特征變化，對其內容的真實性進行檢測，從而對圖像作品的版權進行認證和保護的一種方法。當檢測人員對圖像作品的真實性進行檢測時，只能從圖像本身入手，沒有與圖像相關的任何原始信息。圖像資源版權的被動保護方法的流程見圖2。

圖2 圖像資源版權被動保護方法的流程

數字圖書館中被修改的圖像作品經過了特定的后期處理，雖在大多數情況下無法被視覺感知，但會導致圖像本身的特征發生變化。檢測人員可以利用這個特點來檢測圖像作品的真實性，對其版權進行認證和保護。圖像作品的被動保護方法主要有三種：基于圖像作品偽造過程遺留痕跡的檢測、基于圖像作品內在統計特性的檢測和基于圖像作品成像設備一致性的檢測。［9］其中，應用最廣的是基于圖像作品偽造過程遺留痕跡的檢測，這也是本文的研究重點。基于圖像作品偽造過程遺留痕跡的檢測是指通過對修改后的圖像作品的特征進行分析，找出并分析修改操作在圖像作品中遺留的修改痕跡，從而對其真實性進行檢測。不同的修改手段會產生不同的遺留痕跡，盡管這些遺留痕跡不易被察覺，但可以利用計算機技術來進行分析，從而判斷出圖像作品受到的修改類型，甚至可以對修改區域進行定位與修復。

目前，修改遺留痕跡檢測方法主要包括：復制-粘貼檢測、模糊檢測、重采樣檢測和JPEG雙重壓縮檢測等。［10］

（1）復制-粘貼檢測。復制-粘貼是在圖像作品修改操作中應用最為廣泛而有效的手段之一，它將圖像作品中的某一區域復制出來，粘貼到同一副圖或其他圖像中的某一特定區域，從而達到偽造源圖像中沒有的情景或隱藏源圖像中重要對象的目的。根據粘貼區域的來源，復制-粘貼檢測可分為同幅圖像作品的復制-粘貼修改和異幅圖像作品的復制-粘貼修改兩類。① 同幅圖像作品在色彩度和亮度等方面相對一致，變化比較平滑，圖像的局部塊與整體圖像的相容性較高，因此在同幅圖像中進行復制-粘貼修改操作時不會讓人產生顯著的視覺差異，它是數字圖書館中最為常見的一種圖像修改手段。對同幅圖像作品進行復制-粘貼操作后，圖像中會出現相似程度極高的不同區域塊，學者們根據這一特點提出了一些檢測方法。② 異幅圖像作品的復制-粘貼修改操作在圖像的色彩度和亮度等方面的變化比較大，在修改區域的邊緣往往會形成容易被察覺的痕跡。為了削弱甚至消除這種不同圖像結合邊緣的不連續程度，往往會在后期處理上對其進行羽化、模糊等潤飾操作。與同幅圖像作品的復制-粘貼修改操作相比，異幅圖像的修改往往將多種修改操作結合使用，這就使得圖像作品的真實性檢測問題更加復雜。因此，雖然異幅圖像作品的復制-粘貼操作在圖像修改中也非常多見，但目前學者們對這方面的研究還處在初步探索階段。

（2）模糊檢測。模糊操作是數字圖書館中圖像作品在修改后期最為常見而有效的一種潤飾手段，目的是為了讓修改區域與原始圖像更好地融為一體。［11］經過復制-粘貼修改操作的圖像會在修改區域存在視覺差異，特別是異幅圖像作品的復制-粘貼修改，為了淡化和去除在修改區域與原始圖像之間的視覺上斷層，往往會采用模糊操作進行后期處理，掩蓋修改痕跡，從而獲得無縫的偽造圖像。模糊操作主要是對偽造圖像作品修改區域的像素值進行平均，使修改后的圖像作品的修改區域與原始圖像更好地融合在一起。因此，檢測模糊操作痕跡能為圖像作品的真實性檢測提供有力的憑據。

（3）重采樣檢測。圖像作品在進行過復制-粘貼修改操作后，為了消除修改痕跡，通常需要對偽造部分做幾何變換，如縮放、旋轉等。這樣的操作會對圖像進行重采樣，并且會在偽造后的圖像作品中留下重采樣的痕跡，經重采樣后的偽造圖像的修改區域塊的像素與其周圍原始圖像的像素之間會產生特殊的相關性。［12］因此，可以檢測圖像作品是否存在重采樣痕跡，進而檢測圖像作品的真實性。但是在某些情況下，圖像作品的幾何變換操作被認為是必要的，所以僅僅根據圖像的重采樣痕跡的檢測結果并不能說明圖像作品被偽造過，重采樣檢測方法只能作為一種輔助手段。

（4）JPEG雙重壓縮檢測。JPEG格式是數字圖書館存儲數字圖像時最為推薦和適用的格式，它只需要較少的存儲空間，就可獲得形象生動的圖像，而且支持所有主要計算機平臺和Web瀏覽器，十分適合網上傳輸。JPEG格式的圖像作品在經過偽造后需要重新保存，那么圖像作品就經過了雙重JPEG壓縮。雙重JPEG壓縮具有某些一次JPEG壓縮所不具備的特征，可以通過檢測這些獨有的特性來確定圖像作品是否遭受雙重JPEG壓縮，進而判斷圖像作品的真實性。需要注意的是，經過了雙重壓縮并不能絕對說明圖像作品被偽造過，因為在很多情況下為了節省存儲空間或者重新保存，都會經過重壓縮操作。因此，在圖像真實性檢測過程中，JPEG雙重壓縮不能直接作為圖像偽造的依據，只能作為一種輔助手段。

2 被動保護方法在圖像版權保護中的應用

本文嘗試利用被動保護方法對圖像作品的真實性進行檢測，彌補主動保護方法在數字圖書館圖像資源版權保護方面的缺陷，從另一角度對數字圖書館圖像作品的版權進行認證和保護。本文對偽造圖像（經過異幅圖像的復制-粘貼修改操作，再經過模糊潤飾操作處理后的圖像作品）進行研究，利用一種模糊檢測方法對圖像作品真實性進行檢測，并對修改區域進行定位（見圖3）。

圖3 圖像作品真實性檢測流程

2.1 圖像子塊劃分

劃分子塊是指對二次模糊操作的兩幅圖像分別實施位置對應、大小相等的子塊劃分，并采用相應的算法提取圖像子塊中的特征，進行統計分析，判斷其是否經過相應的修改操作。需要注意的是，圖像子塊劃分的大小會影響最后修改區域定位的精度。圖像子塊劃分得過小，子塊中包含的反映修改操作特性的信息就會較少，可能導致在圖像子塊中提取的特征不能真實反映圖像修改操作的特性，產生誤判；圖像子塊劃分得過大，雖然可以包含更多信息，但會導致修改區域的定位結果不夠精確，特別是修改區域邊緣的圖像子塊，它們可能既包含部分修改區域也包含部分非修改區域。因此，圖像子塊劃分的大小是影響最后修改區域定位精度的關鍵。

2.2 圖像對應字塊相關性計算

本文基于二次模糊相關性的方法對經過模糊處理的偽造圖像進行真實性檢測。［13］二次模糊相關性方法的主要原理是偽造圖像的二次模糊操作前后圖像修改區域相關性要大于背景區域相關性，即可以對比不同區域對應圖像子塊之間的相關系數來對偽造圖像的模糊修改區域進行檢測和定位，從而對圖像的真實性進行檢測。

基于二次模糊相關性的方法對模糊處理后的偽造圖像進行二次模糊操作，具體公式為

其中，s（x，y）表示經過模糊處理的偽造圖像，f（x，y）表示二次模糊函數，h（x，y）表示經過二次模糊處理后的偽造圖像。接下來，對 s（x，y） 和 h（x，y） 分別進行位置對應、大小相等的子塊劃分，得到smn（x，y） 和 hmn（x，y），運算 smn（x，y） 和 hmn（x，y） 得到（i，j） 和（i，j）。二次模糊處理前后的圖像的對應位置子塊之間的相關性可描述為

其中，ρmn為二次模糊處理前后的圖像對應位置子塊之間相關性的相關系數。依照上述步驟，依次將所有對應位置子塊的（i，j） 和（i，j） 帶入式 （2），則可計算出圖像所有對應位置子塊之間的相關系數。

2.3 圖像真實性檢測與修改區域定位

在計算出二次模糊處理前后的圖像中所有對應位置子塊之間的相關系數后，基于二次模糊相關性方法就可以根據相關系數對偽造圖像的修改區域進行檢測，進而實現對圖像真實性的檢測。偽造圖像修改區域的定位是指在已經確認圖像作品經過修改偽造處理的情況下，通過相應的算法來實現對修改區域的定位。在本文的實驗中，根據圖像對應子塊之間的相關系數對圖像子塊進行定位標識，在所有子塊相關系數計算完成后，就可以在定位結果圖中看到對修改區域的標識。

2.4 實驗驗證

實驗的操作軟件為Matlab2015B和Photoshop。本文選取了三組經過Photoshop模糊操作處理后的偽造圖像為實驗對象，大小為256x256，（a）組、（b）組為源圖像，（c）組是經過模糊處理的偽造圖像（見圖4）。本文選用高斯模糊作為二次模糊方式。通過大量試驗，發現將劃分的子塊大小設置為8較為合適。實驗按照圖3所示流程進行，將（a）組圖像中的一部分復制-粘貼到（b）組圖像中的特定區域，對修改區域進行模糊操作得到（c）組圖像，則（c）組就是經過模糊操作處理后的偽造圖像；對（c）組圖像進行高斯模糊操作得到（d）組圖像，則（d）組就是經過二次模糊處理后的圖像；對（c）組圖像和（d）組圖像分別進行大小相同的子塊劃分，計算對應位置子塊之間的相關性，由于（c）組圖像與（d）組圖像中修改區域的相關性要大于背景區域的相關性，因此可以實現對圖像模糊修改區域的檢測，同時對其真實性進行了檢測，并根據相關系數對相應位置的子塊進行定位標識得到（e）組圖像，則（e）組圖像就是修改區域顯示結果。

圖4 實驗結果

（e）組圖像可以清晰地反映出圖像的偽造區域，雖然存在誤判的圖像子塊，但數量極少。可見，本文采用的基于二次模糊相關性的方法可以有效檢測經過模糊處理的偽造圖像的真實性，而且可以定位圖像的修改區域。

3 數字圖書館圖像資源版權保護面臨的問題

目前，雖然對于數字圖書館圖像資源版權保護的研究工作已經取得了很多進展，但還是有許多問題需要進行深入的探索。［14-16］圖像作品在經過特定的修改操作后會引起圖像本身的特征發生變化，被動保護方法通過檢測這種圖像特征的變化來確定圖像作品遭受的修改類型，以此來對圖像作品的真實性進行檢測，從而對圖像作品的版權進行保護。但是被動保護方法中所涉及的技術只能檢測一種指定的修改操作，還沒有一種通用的方法可以檢測出所有類型的修改操作，而且隨著圖像處理軟件功能的不斷強大，圖像真實性檢測問題將更加復雜。因此，如何將多種檢測方法進行有效融合，研究出能夠檢測出多種混合修改操作的檢測方法是當前研究的重點。

在數字圖書館的圖像資源版權保護中，主動保護方法和被動保護方法都屬于事后保護手段，并不能阻止版權侵犯活動的發生。對數字圖書館圖像資源版權的保護應該遵循“預防為主、防治結合”的原則，因此，可以將用戶訪問控制技術、信息加密技術、信息隱藏技術、防拷貝技術和數字版權管理技術等多種保護技術結合使用，對數字圖書館的圖像資源版權進行較為全面的保護。同時，制定嚴謹、合理的版權保護管理制度和法律法規，用科學的保護技術和健全的管理制度共同為數字圖書館圖像資源版權保駕護航。