圖像感知哈希測評基準(zhǔn)及算法研究.pdf

1、數(shù)字媒體在數(shù)量上的急劇膨脹和應(yīng)用方式上的推陳出新，為傳統(tǒng)的數(shù)字媒體管理和使用方式提出了新的挑戰(zhàn)。感知哈希技術(shù)通過對媒體感知信息的簡短摘要和基于摘要的匹配，為媒體內(nèi)容的識別和認(rèn)證提供了更為靈活、有效和安全的解決方式，成為一個被寄予厚望的新興技術(shù)。但是，感知哈希還是一個遠未成熟的研究方向，尤其是關(guān)于它的基本性能特征的理解，還存在許多基礎(chǔ)性的關(guān)鍵問題需要解決。
　　感知哈希最基本的性能特征是感知魯棒性。魯棒性要求感知哈希算法以圖像的感知

2、內(nèi)容，而不是二進制數(shù)據(jù)為依據(jù)計算哈希值。目前感知哈希的研究缺乏對人類主觀視覺感知特性的充分考慮，在提高魯棒性的努力中背離了“感知”的初衷，在性能比較時也缺乏一個合理的依據(jù)。感知哈希的摘要性、單向性和抗碰撞性使得它能夠滿足許多安全性應(yīng)用環(huán)境的要求。但是由于缺乏對安全性應(yīng)用目標(biāo)和算法性能之間關(guān)系的足夠清晰的認(rèn)識，致使目前以提高哈希值隨機性為主要目的的安全性研究并沒有達到預(yù)期的效果。
　　針對上述問題，本文首先系統(tǒng)綜述了圖像感知哈希的起

3、源、發(fā)展、應(yīng)用和研究現(xiàn)狀，總結(jié)了感知哈希的應(yīng)用模式和性能要求，以及現(xiàn)有的算法性能測評方法，并指出其中存在的具體問題。然后，本文分別研究了圖像感知哈希魯棒性與區(qū)分性的測評基準(zhǔn)，基于人類視覺系統(tǒng)的感知哈希算法和基于結(jié)構(gòu)信息編碼的感知哈希算法。
　　論文的主要研究工作和創(chuàng)新性簡述如下：
　　提出了感知哈希媒體對象空間劃分的概念，在空間中定義了感知邊界和物理邊界。指出了感知哈希算法的核心目標(biāo)是在媒體對象空間中劃分感知邊界或物理邊界，

4、并在邊界之內(nèi)度量感知距離。
　　提出基于主觀識別實驗方法的魯棒性與區(qū)分性測評基準(zhǔn)，和相應(yīng)的算法性能測試與比較方法。并通過主觀識別實驗獲得了人對圖像失真/降質(zhì)的主觀感受的經(jīng)驗數(shù)據(jù)。
　　以逼近感知邊界為目標(biāo)，提出4種基于人類視覺系統(tǒng)的感知哈希算法。提出基于循環(huán)編碼的感知哈希算法，討論了不同感知通道在感知特征提取中的作用。提出基于感知誤差度量的，對比度掩蔽閾值作為加權(quán)的，和基于多通道分解和誤差合并的感知哈希算法。通過魯棒性與區(qū)分

5、性基準(zhǔn)測試說明了人類視覺感知特性的因素在感知哈希算法中的作用，并明確了人類視覺系統(tǒng)研究本身存在的局限和感知哈希在借鑒其成果時所存在的問題。
　　以逼近物理邊界為目標(biāo)，提出了基于結(jié)構(gòu)信息編碼的魯棒感知哈希算法。測試表明該算法能夠以很低的計算復(fù)雜度獲得很好的魯棒性與區(qū)分性。
　　提出基于高階亮度差與隨機置亂方法的安全感知哈希算法，進一步提高了算法對物理邊界的逼近能力。并由于多個輪次的置亂與擴散操作的結(jié)合，極大的提高了輸出哈希值的

6、隨機性。同時，通過對算法的安全性基準(zhǔn)測試、置亂與擴散性能分析，澄清了目前感知哈希安全性研究中存在的認(rèn)識誤區(qū)，指出對于關(guān)注圖像整體真實性與密鑰安全的識別應(yīng)用，安全需求的滿足可以以算法的區(qū)分性與哈希值的隨機性為基礎(chǔ)；而僅依賴哈希值的隨機性并不足以支持關(guān)注圖像局部內(nèi)容真實性的認(rèn)證應(yīng)用。
　　最后，為了解決算法對局部篡改的敏感性與魯棒性之間的矛盾，本文提出了具備篡改檢測與定位功能的感知哈希認(rèn)證算法。并指出圖像認(rèn)證對局部內(nèi)容真實性的關(guān)注，可