解密:阿里巴巴公司根据截图查到泄露信息的员工的技术是?


发布人:admin分类:漏洞播报浏览量:30发布时间:2017-11-29

:本文作者fuqiang liu,文章原载于知乎,(公众号:)已获授权。

本文通过一个的实验,简要介绍频域手段添加数字盲水印的方法,并进一步验证其抗攻击性。在上述实验的基础上,总结躲避数字盲水印的方法。(多图预警)

本文分为四个部分,第一部分综述;第二部分频域数字盲水印制作原理介绍;第三部分盲水印攻击性实验;第四部分总结;

一、综述

本文提供的一种实现“阿里通过肉眼无法识别的标识码追踪员工”的技术手段。通过看其他答主的分析,阿里可能还没用到频域加水印的技术。

相对于空域方法,频域加盲水印的方法隐匿性更强,抵抗攻击能力更强。这类算法解水印困难,你不知道水印加在那个频段,而且受到攻击往往会破坏图像原本内容。本文简要科普通过频域手段添加数字盲水印。对于web,可以添加一个背景图片,来追踪截图者。

所谓盲水印,是指人感知不到的水印,包括看不到或听不见(没错,数字盲水印也能够用于音频)。其主要应用于音像作品、数字图书等,目的是,在不破坏原始作品的情况下,实现版权的防护与追踪。

添加数字盲水印的方法简单可分为空域方法频域方法,这两种方法添加了冗余信息,但在编码和压缩情况不变的情况下,不会使原始图像大小产生变化(原来是10MB添加盲水印之后还是10MB)。

空域是指空间域,我们日常所见的图像就是空域。空域添加数字水印的方法是在空间域直接对图像操作(之所以说的这么绕,是因为不仅仅原图是空域,原图的差分等等也是空域),比如将水印直接叠加在图像上。

我们常说一个音有多高,这个音高是指频率;同样,图像灰度变化强烈的情况,也可以视为图像的频率。频域添加数字水印的方法,是指通过某种变换手段(傅里叶变换,离散余弦变换,小波变换等)将图像变换到频域(小波域),在频域对图像添加水印,再通过逆变换,将图像转换为空间域。相对于空域手段,频域手段隐匿性更强,抗攻击性更高

所谓对水印的攻击,是指破坏水印,包括涂抹,剪切,放缩,旋转,压缩,加噪,滤波等。数字盲水印不仅仅要敏捷性高(不被人抓到),也要防御性强(抗打)。就像Dota的敏捷英雄往往是脆皮,数字盲水印的隐匿性和鲁棒性是互斥的。(鲁棒性是抗攻击性的学术名字)

二、频域制作数字盲水印的方法

信号是有频率的,一个信号可以看做是无数个不同阶的正弦信号的的叠加。

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上式为傅里叶变换公式,是指时域信号(对于信号我们说时域,因为是与时间有关的,而图像我们往往说空域,与空间有关),是指频率。想要对傅里叶变换有深入了解的同学,建议看一下《信号与系统》或者《数字信号处理》的教材,里面系统介绍了傅里叶变换、快速傅里叶变换、拉普拉斯变换、z变换等。

简而言之,我们有方法将时域信号转换成为频域,同样,我们也能将二维信号(图像)转换为频域。在上文中提到,图像的频率是指图像灰度变换的强烈情况。关于此方面更系统的知识,参见冈萨雷斯的《图像处理》。

下面以傅里叶变换为例,介绍通过频域给图像添加数字盲水印的方法。注意,因为图像是离散信号,我们实际用的是离散时间傅里叶变换,在本文采用的都是二维快速傅里叶变换,快速傅里叶变换与离散时间傅里叶变换等价,通过蝶型归并的手段,速度更快。下文中傅里叶变换均为二维快速傅里叶变换。

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上图为叠加数字盲水印的基本流程。编码的目的有二,一是对水印加密,二控制水印能量的分布。以下是叠加数字盲水印的实验。

这是原图像,尺寸300*240 

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之后进行傅里叶变换,下图变换后的频域图像,

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这是我想加的水印,尺寸200*100,

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这是我编码后的水印,编码方式采用随机序列编码,通过编码,水印分布到随机分布到各个频率,并且对水印进行了加密,

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将上图与原图的频谱叠加,可见图像的频谱已经发生了巨大的变化,

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之后,将叠加水印的频谱进行傅里叶逆变换,得到叠加数字水印后的图像,

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肉眼几乎看不出叠加水印后的图像与原图的差异,这样,数字盲水印已经叠加到图像中去。
实际上,我们是把水印以噪声的形式添加到原图像中。
下图是在空域上的加水印图与原图的残差(调整了对比度,不然残差调小看不见),

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可以看出,实际上上述方法是通过频域添加冗余信息(像噪声一样)。这些噪声遍布全图,在空域上并不容易破坏。
最终,均方误差(MSE)为0.0244
信噪比(PSNR)为64.2dB

那么,为什么频谱发生了巨大的变化,而在空域却变化如此小呢?这是因为我们避开了图像的主要频率。下图是原图频谱竖过来的样子,其能量主要集中在低频。

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水印提取是水印叠加的逆过程,

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经提取后,我们得到如下水印,问:为什么水印要对称呢?嘿嘿,大家想想看。

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三、攻击性实验

本部分进行攻击性实验,来验证通过频域手段叠加数字盲水印的鲁棒性。

1.进行涂抹攻击,这是攻击后的图片:

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再进行水印提取:

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2.进行剪切攻击,就是网上经常用的截图截取一部分的情况:

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进行循环补全:

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提取水印:

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3.伸缩攻击(这个实验明码做的,水印能量较高,隐匿性不强):

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提取水印(水印加的不好,混频挺严重的):

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4.旋转攻击(明码):

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提取水印:

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5.JPEG压缩后(这个实验我好像是拿明码做的,能量主要加在了高频):

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提取结果:

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6. PS 4像素马赛克/均值滤波等,攻击后图像

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提取水印后图像:

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7.截屏,

截屏后我手动抠出要测试的图像区域,并且抽样或者插值到原图尺寸:

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测试结果:

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8. 亮度调节(明码):

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水印提取:

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9.色相调节(明码):

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水印提取:

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10.饱和度调节(明码):

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水印:

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11.对比度(明码):

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水印:

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12. 评论区用waifu2x去噪后图片:

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解水印:

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13.美图秀秀,我对我女票一键美颜,美白,磨皮,加腮红,加唇彩(有一种很羞耻的感觉,捂脸):

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提取水印:

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14. 对于背景纯色的图其实也是无所谓的

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能量系数为10时加水印图片:觉得太显噪就把能量系数调低,不过水印的隐秘性和鲁棒性是互斥的

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最终提取出的水印:

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15.我用将RGB>600的像素设置成为(0,255,0)来模拟PS魔术手,

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提取水印为:

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16.屏摄,好吧,这个实验我做哭了
屏摄图:

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实验结果:

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我把水印能量系数调整到2000都没有用。
屏摄之后与原图信噪比为4dB左右,我用多抽样滤波的方式试过,滤不掉屏摄引入的噪声。屏摄不仅引入了椒盐噪声,乘性噪声,还有有规律的雪花纹理(摩尔纹)。

四、总结

基于频域的盲水印方法隐藏性强,鲁棒性高,能够抵御大部分攻击。但是,对于盲水印算法,鲁棒性和隐匿性是互斥的。

本文方法针对屏摄不行,我多次实验没有成功,哪位大神可以做一下或者讨论讨论。还有二值化不行,这是我想当然的,觉得肯定不行所以没做实验。其他的我试了试,用给出的方法调整一下能量系数都可以。

我想大家最关心的是什么最安全,不会被追踪。
不涉及图像的都安全,比如拿笔记下来。
涉及图像的屏摄最安全,
截屏十分不安全。

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