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一种面向图像认证和抗无意失真的安全数字签名方法

Secure and Incidental Distortion Tolerant Digital Signature for Image Authentication

  • 摘要: 随着多媒体技术和网络技术的飞速发展和广泛应用,数字多媒体产品的存储、处理和传输变得越来越方便和快捷,多媒体知识产权的保护问题显得越来越重要。然而,因为多媒体数据量大,具有不同的压缩标准和文件格式,经常经历各种保持内容质量的常规信号处理操作(如JPEG压缩等);而传统的加密与认证技术(如MD5和SHA-1等)只能进行比特流的认证,无法考虑到多媒体的内容,对任何比特哪怕是一位比特的改变都很敏感,因而在多媒体认证方面将显得无能为力。多媒体数字签名技术为多媒体进行内容保护提供了一种有效的解决手段。多媒体数字签名(Digital signature),又称为多媒体鲁棒哈希签名(Robust hash),它是指一个多媒体对象的感知特征(Perceptual features)或简短的摘要(Short summaries)。多媒体数字签名技术可应用于多媒体认证与鉴别、内容索引与分析、数字水印、大规模媒体库管理、以及拷贝检测及版权保护等。这是一个新兴的研究方向,其广阔的应用前景已经开始吸引了众多的研究者投入到这一行列。本文提出了一种新颖的、面向图像认证的、安全的、抗无意失真的数字签名方法。该数字签名是基于对分块DCT系数进行主成分分析(PCA)后的Hotelling T平方统计量(HTS)而生成的。图像所有分块的HTS值构成了一幅唯一的、稳定的分块边缘图,即融合结构和统计特征的数字签名(SSS)。该数字签名的特点是它很短、能够在对保持图像内容的处理具有鲁棒性的同时对改变图像内容的攻击非常敏感,而且易于定位篡改的块。在签名匹配时,我们用Fisher准则自适应地确定签名比较的最佳阈值,以区分恶意的攻击和造成无意失真的处理操作。另外,我们通过在PCA之前对DCT系数用混沌序列进行加密,使得生成的签名具有很好的安全性。实验结果表明该算法对图像认证很有效。多媒体数字签名的鲁棒性和篡改敏感性之间是相互矛盾的,为了在两者之间取得有效折衷,本文的贡献在于提出了一种融合结构特征和统计特征的数字签名方法,即以对DCT系数进行PCA变换后的HTS统计量作为签名。在签名匹配时,根据不同的像内容用Fisher判别准则自适应地确定签名比较的阈值。

     

    Abstract: In this paper, a secure and incidental distortion tolerant signature method for image authentication is proposed. The generation of authentication signature is based on Hotelling's T-square Statistic (HTS) via Principal Component Analysis (PCA) of block DCT coefficients. HTS values of all blocks construct a unique and stable ``block-edge image'', i.e., Structural and Statistical Signature (SSS). The characteristic of SSS is that it is short, and can tolerate content-preserving manipulations while keeping sensitive to content-changing attacks, and locate tampering easily. During signature matching, the Fisher criterion is used to obtain optimal threshold for automatically and universally distinguishing incidental manipulations from malicious attacks. Moreover, the security of SSS is achieved by encryption of the DCT coefficients with chaotic sequences before PCA. Experiments show that the novel method is effective for authentication.

     

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