圖像文件防篡改技術綜述

張昊昱 王娟 李良瀟 洪興宇

成都信息工程大學 網絡空間安全學院 四川 成都 610200

引言

防篡改技術，主旨是指利用原圖片數據和待測圖片數據進行對比，判斷是否被篡改。圖像文件可以分成位圖文件和矢量圖文件，位圖由像素點構成，具有單元素、單層次等特征。矢量圖由直線和曲線等元素構成，具有多層次、多元素等特征。本文就此兩種主流圖片的防篡改技術進行總結和分析，并探討其未來發展趨勢。

1 位圖文件的防篡改

位圖文件在生產生活中的應用十分廣泛，比如相片、彩超以及遙感影像等。位圖文件格式很多，如：BMP、JPEG、PNG等。

文獻[1]提出將圖像塊分類并生成各自的圖像校驗碼和特征值，借此生成水印并使用LSB算法進行水印嵌入，從而得到再次生成的水印信息，比較兩個水印信息即可獲取篡改位置，但其對子塊分類之精度仍有不足。文獻[2]提出利用密鑰生成偽隨機二值矩陣作為認證水印，對每個像素最低有效位置零后進行Contourlet變換嵌入認證水印，對待檢測圖像進行同嵌入過程的Contourlet變換從而提取水印信息，與原認證水印逐位比較即可達到防篡改目的。文獻[3]提出，結合格網劃分思想和感知哈希技術設計一種對內容操作保持具有魯棒性，對內容改變操作具有敏感性的DEM感知哈希算法實現防篡改。但此算法僅針對數據高程模型且防篡改精度有限，局限性很大。文獻[4]提出利用PCA降維處理DCT系數首位數字特征進行特征抽取，定位JPEG圖片的篡改區域。利用RGB顏色空間的B分量嵌入脆弱水印，采用盲提取水印算法提取脆弱水印并利用混沌映射形成脆弱水印矩陣并進行2×2分塊，R、G、B分量進行分塊計算均值并提取最高4bit組成2×2矩陣，兩者的2×2分塊進行比較即可達到防篡改目標，但其針對某些篡改方式、如JPEG壓縮攻擊時性能不高。

綜上可知，針對位圖文件的防篡改技術的研究十分廣泛。其中心原理是：首先將位圖文件數據劃分成小單元塊，以多種傅里葉變換為方式提取出文件特征作為圖像校驗碼，或者采用水印技術把特征值嵌入到文件，需要時提取水印嵌入的特征值進行對比，從而獲取被篡改的位置。

2 矢量圖文件的防篡改

矢量圖文件的應用領域十分廣泛，然而針對矢量圖文件防篡改技術研究領域鮮有人至。采用基于聚類的實體分組方法，將矢量地圖進行數據劃分，利用混沌映射為每個實體組產生脆弱水印，采用修改脆弱水印最低有效位方式嵌入水印后，在待檢測圖像的每個實體組中提取排序后各坐標點水印嵌入位的最低有效位連成二值序列，與原有脆弱水印進行逐位對比即可達到防篡改目標。該技術的主旨為對矢量圖的數據進行分塊處理產生水印并進行嵌入，需要時提取水印嵌入的特征值進行對比，從而獲取被篡改的位置。

該針對矢量圖文件的防篡改技術有效保持了矢量地圖文件的數據精度，但其泛用性很弱，僅限于使用地理信息系統（GIS）進行處理的矢量地圖文件格式（SHP），解碼方式不同于使用AutoCAD處理的矢量圖文件，如：DXF、DXB和DWG等。若將使用AutoCAD處理的矢量圖文件強行轉換成SHP格式，會造成要素丟失變形、數據冗余、屬性信息不足等問題，從而造成源文件數據大范圍失真。

3 研究現狀及未來展望

針對圖像文件防篡改技術研究現狀為：①針對位圖文件防篡改技術研究居多，針對矢量圖文件防篡改技術研究的文獻少有。②現有針對位圖文件篡改技術十分成熟，已經可以解決大部分的針對位圖文件的篡改攻擊問題。③現有針對圖像文件篡改技術大多只針對一種或幾種格式的圖像文件，存在泛用性弱的缺點。

針對圖像文件的防篡改技術的研究未來可分為兩個方向。一是針對位圖文件防篡改技術的優化。現有針對位圖文件防篡改技術，其精度和速度方面的研究已碩果累累，甚至對篡改位置的恢復研究也初步見效。然而針對位圖文件的防篡改技術的泛用性的研究仍具有很大的研究空間。是否存在一種可以針對所有格式的位圖文件的防篡改技術，或者是否存在一種可以防范所有針對某種格式的位圖文件的篡改方式的技術等等。現有針對位圖文件的防篡改技術的原理大致相同，因此針對位圖文件的防篡改技術的泛用性研究是具有一定的研究價值的。

二是針對其他矢量圖文件的防篡改技術的研究。現有針對矢量圖文件的防篡改技術研究文獻稀少，針對矢量圖文件的防篡改技術的研究前景十分廣闊。針對矢量圖文件的防篡改技術研究未來可以分三步進行：首先是針對各種格式的矢量圖文件防篡改技術研究，且可以細化為針對不同篡改方式各種格式矢量圖文件的防篡改技術研究。第二步是將其數據源分類，各自成為一個研究方向。如針對數據來自人為構造的矢量圖文件的防篡改技術研究可以成為一個方向，針對數據來自自然采集的矢量圖文件防篡改技術研究為另一個方向。第三步，分析各種針對矢量圖文件的防篡改技術原理是否有共同的特點，是否有可能存在一個適用于所有矢量圖文件的防篡改技術。針對矢量圖文件的防篡改技術研究進行到這一步已然是最為艱難的階段，進行到這步就說明針對矢量圖文件防篡改技術的研究已經有了相當可觀的成果。