（计算机应用技术专业论文）图像哈希性能分析的若干关键问题研究.pdf

a b s tr a c t t h ep o p u l a r i t yo fi m a g ee d i t i n gs o f t w a r eh a sr e s u l t e di nm a n yi l l e g a lu s e so fd i g i t a l i m a g e s i nt h i ss i t u a t i o n ，s o m ec o m p u t e rt e c h n i q u e sa r eu r g e n t l yr e q u i r e dt ov e r i f y i m a g ei n t e g r i t ya n d t h e nt op r e v e n ti m a g ef o r g e r y i m a g eh a s h i n gi so n eo ft h em o s t i m p o r t a n tt e c h n i q u e sf o ri m a g ea u t h e n t i c a t i o n m o s to ft h ep r e v i o u sw o r k sh a v e b e e nc o n d u c t e do nt h ed e s i g no fi m a g eh a s h i n gs c h e m ei nt h el a s td e c a d e ，b u ta f e w t h e o r e t i c a lw o r k sh a v ea d d r e s s e dt h ep e r f o r m a n c ea n a l y s i so fi m a g eh a s h i n g t h e r ea r em a i l l l yt h r e er e q u i r e dp r o p e r t i e sf o ri m a g eh a s h i n g ，w h i c ha r es e c u - r i t y , f r a g i l i t ya n dr o b u s t n e s s i nt h i sr e p o r t ，w ef o c u so nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i so f t h es e c u r i t ya n df r a g i l i t yo fi m a g eh a s h i n g t h er e s e a r c hw o r ko ft h er e p o r tm a i n l y c o n t a i n st h r e ep a r t s i nt h ef i r s tp a r to ft h er e p o r t ，w eh a v ei n v e s t i g a t e st h er a n d o m - h e s sm e a s u r e ，w h i c hu s e sd i f f e r e n t i a le n t r o p ya sam e t r i ct oe v a l u a t et h es e c u r i t yo f r a n d o m i z e di m a g ef e a t u r e s b yt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，w eh a v ef o u n dt h a tr a n d o m n e s s m e a s u r ei sn o ts u i t a b l ea sac o m p l e t em e a s u r eo fr a n d o m n e s sf o ri m a g eh a s h i n g i t w o u l db em o r ea p p r o p r i a t et ou s es c a l i n gi n v a r i a n tm e a s u r e st oe v a l u a t et h es e c u r i t y i nt h es e c o n dp a r t ，b a s e do nt h ec o l l i s i o n - f r e ep r o p e r t y , w ep r o p o s e dan e wf r a m e - w o r kc a l l e df e a t u r es e c u r i t yf o rt h es e c u r i t ya n a l y s i so fi m a g eh a s h i n ga n dr e v e a l t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nf e a t u r es e c u r i t ya n di m a g er e c o n s t r u c t i o n m o r e o v e r ，w e a p p l yt h et h e o r yo ff e a t u r es e c u r i t yt os t u d ys o m ep r a c t i c a li m a g eh a s h i n gs c h e m e s i nt h el a s tp a r t ，w ep r o p o s eam e a s u r ec a l l e de x p e c t e dd i s c r i m i n a b i l i t y , a n dt h e n ， a b s t r a c t b a s e do nt h ep r o p o s e dm e a s u r e ，t h e o r e t i c a n ya n a l y z et h ef r a g i l i t yf o ri m a g e h a s h i n g ， e s p e c i a l l yf o rt h ei m a g eh a s h i n gs c h e m et h a tu s e sa d a p t i v eq u a n t i z a t i o n w ea l s o c o n d u c ts o m ee x p e r i m e n t st ov a l i d a t eo u rt h e o r e t i c a la n a l y s i so nt h ef r a g i l i t y b a s e do nt h ea b o v er e s e a r c hw o r k ，w eh a v eo b t a i n e ds o m et h e o r e t i c a lr e s u l t so n t h ep e r f o r m a n c ea n a l y s i so fi m a g eh a s h i n g ，w h i c hm a yp r o v i d es o m ei n s i g h t sf o rt h e d e s i g no fw e l l - p e r f o r m i n gi m a g eh a s h i n gs c h e m e s k e y w o r d s ：i m a g eh a s h i n g ，i m a g ea u t h e n t i c a t i o n ，s e c u r i t y , f r a i l t y c o n t e n t s a b s t r a c t l i s to ff i g u r e s l i s to f 西6 l e s 1i n t r o d u c t i o n l 1 1 s i g n i f i c a n c eo fi m a g eh a s h i n g 1 1 2f r a m e w o r ko fi m a g eh a s hf u n c t i o n 2 1 3h o wt oa u t h e n t i c a t ei m a g e sb yu s i n gi m a g eh a s h i n g 3 1 4t h r e er e q u i r e dp r o p e r t i e so fi m a g eh a s h i n g 3 1 5as u r v e yo ft h er e s e a r c ho ni m a g eh a s h i n g 5 1 6o u t l i n eo ft h er e p o r t 8 2as t u d yo nt h er a n d o m n e s sm e a s u r eo fi m a g eh a s h i n g 9 2 1 i n t r o d u c t i o n 9 c o n t e n t s 2 2r a n d o m n e s sm e a s u r e 1 0 2 3 s c a l i n go p e r a t i o n 1 1 2 4 a n a l y s i so fr a n d o m n e s sm e a s u r e 1 1 2 5 c o n c l u s i o n ，1 5 3a n a l y s i so ft h ef e a t u r es e c u r i t yo fi m a g eh a s h i n g1 6 3 1 i n t r o d u c t i o n 1 6 3 2 t h e o r yo ff e a t u r es e c u r i t y 1 7 3 2 1d e f i n i t i o n sr e l a t e dt of e a t u r es e c u r i t y 1 7 3 2 2 r e l a t i o n s h i pb e t w e e nf e a t u r es e c u r i t ya n di m a g er e c o n s t r u c t i o n2 0 3 3c a s es t u d i e so nf e a t u r es e c u r i t y 2 2 3 3 1 h i s t o g r a mb a s e ds c h e m e 2 2 3 3 2f o u r i e rb a s e ds c h e m e 2 3 3 3 3r a n d o mp a r t i t i o n i n gs c h e m e 2 5 3 3 4s m o o t hr a n d o mp a t t e r ns c h e m e 2 8 3 4 c o n c l u s i o n 3 0 4f r a g i l i t ya n a l y s i so fa d a p t i v eq u a n t i z a t i o n - b a s e di m a g eh a s h i n g3 1 4 1 i n t r o d u c t i o n 3 1 4 2 g r a yc o d e 3 2 4 3 a d a p t i v eq u a n t i z a t i o n 3 5 c o n t e n t s 4 3 1u n i f o r mq u a n t i z a t i o n 3 5 4 3 2d e t e r m i n i s t i ca d a p t i v eq u a n t i z a t i o n 3 6 4 3 3 r a n d o ma d a p t i v eq u a n t i z a t i o n 3 6 4 3 4d i s c r e t es c h e m eo fr a n d o ma d a p t i v eq u a n t i z a t i o n 3 7 4 4d e f i n i t i o no fe x p e c t e dd i s c r i m i n a b i l i t y 3 9 4 5 a n a l y s i so ft h ee x p e c t e dd i s c r i m i n a b i l i t yf o rf r a g i l i t y 4 0 4 6 e x p e r i m e n t a lr e s u l t s 4 9 4 7c o n c l u s i o n 5 7 5c o n c l u s i o n r 电f e r e n c e s ab i o g r a p h y bp u b l i c a t i o n sd u r i n gt h ep o s t d o cp e r i o d cf u n d e dp r o j e c t v 6 6 6 9 7 3 7 4 7 6 l i s to f f i g u r e s 1 1f o u rp i p e l i n es t a g e so fa ni m a g eh a s hf u n c t i o n 2 3 1 3 2 t w oo r i g i n a ls t a n d a r di m a g e s ( a ) l e n ai m a g e ( b ) p e p p e r si m a g e 2 3 t w oi m a g e sf o r g e db yh i s t o g r a mm a t c h i n g ( a ) f o r g e di m a g et h a t h a st h es a m eh i s t o g r a ma st h eo r i g i n a lp e p p e r si m a g e ( b ) f o r g e d i m a g et h a th a st h es a m eh i s t o g r a ma st h eo r i g i n a ll e n ai m a g e 2 4 3 3t w oi m a g e sf o r g e db ym o d i f y i n gf o u r i e rm a g n i t u d e ( a ) f o r g e di m - a g et h a th a st h es a m eh a s hf e a t u r e ( f o r m u l a t e db ye q ( 3 1 ) ) a st h e o r i g i n a lp e p p e r si m a g e ( b ) f o r g e di m a g et h a th a st h es a m eh a s h f e a t u r ea st h eo r i g i n a ll e n ai m a g e 2 6 4 1 c o m p a r i s o nb e t w e e nt h et w oi m a g eh a s h i n gs c h e m e st h a tu s et h e n a t u r a lb i n a r yc o d ea n dg r a yc o d e r e s p e c t i v e l y 3 3 4 2 p r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o n sa b o u tt h ec o n t i n u o u sh a s hv e c t o ro fs w a m i - n a t h a n sh a s h i n gs c h e m e 5 1 l i s to ff i g u r e s 4 3 4 4 4 5 4 6 4 7 4 8 f r a g i l i t yc u r v e s ，r o b u s t n e s sc u r v e sa n dr o cc u r v e so ff r i d r i c h s s c h e m eu n d e rv a r i o u sq u a n t i z a t i o ns c h e m e s i ts h o u l db ep o i n t e d o u tt h a tt h eb i tl e n g t ho ft h eg r a yc o d e w o r di ss e tt ob e2b i t si n t h ee x p e r i m e n t s 5 8 f r a g i n t yc u r v e s ，r o b u s t n e s sc u r v e sa n dr o cc u r v e so ff r i d r i c h s s c h e m eu n d e rv a r i o u sq u a n t i z a t i o ns c h e m e s i ts h o u l db ep o i n t e d o u tt h a tt h eb i tl e n g t ho ft h eg r a yc o d e w o r di ss e tt ob e6b i t si n t h ee x p e r i m e n t s 5 9 f r a g i l i t yc u r v e s ，r o b u s t n e s sc u r v e 8a n dr o cc u r v e so fv e n k a t e s a n s s c h e m eu n d e rv a r i o u sq u a n t i z a t i o ns c h e m e s i ts h o u l db ep o i n t e do u t t h a tt h eb i tl e n g t ho ft h eg r a yc o d e w o r di ss e tt ob e2b i t si nt h e e x p e r i m e n t s 6 0 f r a g i l i t yc u r v e s ，r o b u s t n e s sc u r v e sa n dr o cc u r v e so fv e n k a t e s a n s s c h e m eu n d e rv a r i o u sq u a n t i z a t i o ns c h e m e s i ts h o u l db ep o i n t e do u t t h a tt h eb i tl e n g t ho ft h eg r a yc o d e w o r di ss e tt ob e6b i t si nt h e e x p e r i m e n t s ， 6 1 f r a g i l i t yc u r v e s ，r o b u s t n e s sc u r v e sa n dr o c c u r v e so fs w a m i n a t h a n s s c h e m eu n d e rv a r i o u sq u a n t i z a t i o ns c h e m e s i ts h o u l db ep o i n t e do u t t h a tt h eb i tl e n g t ho ft h eg r a yc o d e w o r di ss e tt ob e2b i t si nt h e e x p e r i m e n t s 6 2 f r a g i n t yc u r v e s ，r o b u s t n e s sc u r v e sa n dr o cc u r v e so fs w a m i n a t h a n s s c h e m eu n d e rv a r i o u sq u a n t i z a t i o ns c h e m e s i ts h o u l db ep o i n t e do u t t h a tt h eb i tl e n g t ho ft h eg r a yc o d e w o r di ss e tt ob e6b i t si nt h e e x p e r i m e n t s 6 3 l i s to f f i g u r e s 4 9 f r a g i l i t yc u r v e s ，r o b u s t n e s sc u r v e sa n dr o cc u r v e so fm o n g a ss c h e m e u n d e rv a r i o u sq u a n t i z a t i o ns c h e m e s i ts h o u l db ep o i n t e do u tt h a t t h eb i tl e n g t ho ft h eg r a yc o d e w o r di ss e tt ob e2b i t si nt h ee x p e r i - m e n t s 6 4 4 1 0 f r a g i l i t yc u r v e s r o b u s t n e s sc u r v e sa n dr o cc u r v e so fm o n g a ss c h e m e u n d e rv a r i o u sq u a n t i z a t i o ns c h e m e s i ts h o u l db ep o i n t e do u tt h a t t h eb i tl e n g t ho ft h eg r a yc o d e w o r di ss e tt ob e6b i t si nt h e e x p e r i - m e n t s 6 5 l i s t 4 1e x p e c t e dd i s c r i m i n a b i l i t i e su n d e rv a r i o u sq u a n t i z a t i o ns c h e m e s 5 3 4 2e x p e c t e dd i s c r i m i n a b i l i t i e su n d e rt h ec h a n g e0 f t h ep a r a m e t e rco fq u a n t i z a t i o n4 5 5 4 3e x p e c t e dd i s c r i n a b i l i t i e su n d e rt h ec h a n g eo f t h ep a r a m e t e rno fq u a n t i z a t i o n4 5 5 c h a p t e r1 i n t r o d u c t i o n c h a p t e r1 i n t r o d u c t i o n 1 1 s i g n i f i c a n c eo fi m a g eh a s h i n g t h ep o p u l a r i t yo fi m a g ee d i t i n gs o f t w a r eh a sn o to n l yb r o u g h tg r e a tc o n v e n i e n c e t oo u rl i f e ，b u th a sa l s or e s u l t e di nm a n yi l l e g a lu s e so fd i g i t a li m a g e s i nt h i s s i t u a t i o n ，s o m ec o m p u t e rt e c h n i q u e sa r eu r g e n t l yr e q u i r e dt ov e r i f yi m a g ei n t e g r i t y a n dt h e nt op r e v e n ti m a g ef o r g e r y c r y p t o g r a p h i ch a s hf u n c t i o n s ，s u c ha sm d 5a n d s h a 一1 1 】 h a v eb e e nu s e df o rd a t aa u t h e n t i c a t i o n h o w e v e r ，t h e s ef u n c t i o n sa r es o s e n s i t i v et om i n o rm o d i f i c a t i o n so fi n p u td a t at h a te v e no n eb i tc h a n g eo fi n p u td a t a i sl i k e l yt oc a u s eas i g n i f i c a n tc h a n g ei nt h eh a s hv a l u e i no r d e rt oi m p r o v et h e r o b u s t n e s so fc r y p t o g r a p h i ch a s hf u n c t i o n s ，i m a g eh a s h i n gw a sf i r s ti n t r o d u c e db y s c h n e i d e re ta l ，【2 】s u b s e q u e n t l y , i th a sb e e nw i d e l y a p p l i e di ni m a g ea u t h e n t i c a t i o n 3 ，4 ，5 ，6 ，7 ，8 ，9 】i ts h o u l db ep o i n t e do u tt h a ti m a g eh a s h i n gh a sa l s ob e e na p p l i e d i no t h e ra r e a s ，s u c ha si m a g er e t r i e v a l 1 0 i nt h i sr e p o r t ，t h ew o r d i m a g eh a s h i n g j n s tr e f e r st ot h ep e r c e p t u a lh a s h i n gu s e di ni m a g ea u t h e n t i c a t i o n c h a p t e r1 i n t r o d u c t i o n f i g u r e1 1 ：f o u rp i p e l i n es t a g e so fa ni m a g eh a s hf u n c t i o n 1 2f r a m e w o r ko fi m a g eh a s hf u n c ti o n i m a g eh a s h i n gp e r f o r m si m a g ea u t h e n t i c a t i o nb yc o m p a r i n gt h es i m i l a r i t yo ft w o i m a g eh a s hv a l u e st h a ta r ee x t r a c t e db yak e y - d e p e n d e n th a s hf u n c t i o nf r o mt h e o r i g i n a li m a g ea n dt h ei m a g et ob ea u t h e n t i c a t e d ，r e s p e c t i v e l y t h ek e y - d e p e n d e n t h a s hf u n c t i o ni sav e r yi m p o r t a n tp a r to ft h ei m a g eh a s h i n gb a s e da u t h e n t i c a t i o n s y s t e m ，w h i c h ，a ss h o w n i nf i g 1 1 ，c a ng e n e r a l l yb er e g a r d e da sc o n s i s t i n go ff o u r p i p e l i n es t a g e s ( i e ，t h ef e a t u r ee x t r a c t i o ns t a g e ，t h eq u a n t i z a t i o ns t a g e ，t h ed i s c r e t e - b i n a r yc o n v e r s i o ns t a g e ，a n dt h ec o m p r e s s i o ns t a g e ) i nt h ef e a t u r ee x t r a c t i o ns t a g e ， t h eh a s hf u n c t i o ne x t r a c t st h ei m a g ef e a t u r e sf r o mt h ei n p u ti m a g et og e n e r a t et h e c o n t i n u o u sh a s hv e c t o r t h e n ，t h ec o n t i n u o u sh a s hv e c t o ri sq u a n t i z e di n t ot h e d i s c r e t eh a s hv e c t o ri nt h eq u a n t i z a t i o ns t a g e t h et h i r ds t a g ec o n v e r t st h ed i s c r e t e h a s hv e c t o ri n t ot h eb i n a r yh a s hs t r i n g f i n a l l y , t h eb i n a r yh a s hs t r i n gi sc o m p r e s s e d i n t oas h o r to n ei nt h ec o m p r e s s i o ns t a g e 2 c h a p t e r1 i n t r o d u c t i o n 1 3h o wt oa u t h e n t i c a t ei m a g e sb yu s i n gi m a g e h a s h i n g i m a g ea u t h e n t i c a t i o ni sat e c h n i q u eu s e df o rj u d g i n gw h e t h e rt h er e c e i v e di m a g ei s a u t h e n t i co rn o t t h ea u t h e n t i c a t i o ns y s t e mo fi m a g eh a s h i n gm a i n l yc o n s i s t so f t w op a r t s ，w h i c ha r et h es e n d i n gs i d ea n dt h er e c e i v i n gs i d e ，r e s p e c t i v e l y g i v e na n o r i g i n a li m a g et ob ea u t h e n t i c a t e da n dt h ek e y - d e p e n d e n th a s hf u n c t i o nw i t has e c r e t k e ys e t ，i nt h es e n d i n gs i d e ，t h es e n d e rc h o o s e st h es e c r e tk e yf r o mt h eg i v e nk e ys e t a n du s e st h ek e y - d e p e n d e n th a s hf u n c t i o nt og e n e r a t ea l li m a g eh a s hv a l u ea c c o r d i n g t ot h eo r i g i n a li m a g e t h e nb o t ht h e o r i g i n a li m a g ea n dt h ei m a g eh a s hv a l u ea r e t r a n s m i t t e dt ot h er e c e i v e rt h r o u g hac e r t a i nc h a n n e l i nt h er e c e i v i n gs i d e ，t h e r e c e i v e ra l s ou s e st h eg i v e nk e y - d e p e n d e n th a s hf u n c t i o na n dt h es a m es e c r e tk e yt o g e n e r a t ean e wi m a g eh a s hv a l u ea c c o r d i n gt ot h er e c e i v e di m a g e t h e nt h er e c e i v e r v e r i f i e st h ea u t h e n t i c i t yo ft h er e c e i v e di m a g eb yc o m p a r i n gt h es i m i l a r i t yb e t w e e n t h er e c e i v e di m a g eh a s hv a l u ea n dt h en e w g e n e r a t e di m a g eh a s hv a l u e 1 4t h r e er e q u i r e dp r o p e r t i e so fi m a g eh a s h i n g l e tzd e n o t ea ni m a g es e t w h i c hc o n s i s t so fan u m b e ro fo r i g i n a li m a g e sa n dt h e i r m o d i f i e dv e r s i o n s g i v e na ni m a g ei z ，t h eh a s hf u n c t i o nh ，w h i c hd e p e n d so n as e c r e tk e yk 瓦，c a ng e n e r a t ea ni m a g eh a s hv a l u eb yh = h ( i ，k ) ，w h e r e 瓦 d e n o t e st h ek e ys e to fh l e t 厶d e n zd e n o t ea l li n c i d e n t a l l ym o d i f i e dv e r s i o no fi ， w h i c hi sp e r c e p t u a l l yi d e n t i c a lt oi ( g e n e r a l l y , i n c i d e n t a li m a g em o d i f i c a t i o n si n c l u d e n o i s ea d d i t i o n ，i m a g ef i l t e r i n g ，g e o m e t r i cd i s t o r t i o n ，i m a g ec o m p r e s s i o n ，g a m m ac o t - r e c t i o n ，a n ds oo n 7 】) a l s o ，l e ti d i f f zd e n o t ead i f f e r e n ti m a g eo ram a l i c i o u s l y m o d i f i e dv e r s i o no fi ，w h i c hi sp e r c e p t u a l l yd i f f e r e n tf r o mi 3 c h a p t e r1 i n t r o d u c t i o n f o rt h ei m a g eh a s h i n ga p p l i e di ni m a g ea u t h e n t i c a t i o n ，t h e r ea r em a i u l yt h r e e r e q u i r e dp r o p e r t i e s 【7 ，6 ，8 ，w h i c ha r el i s t e d3 8f o l l o w s 1 r o b u s t n e s s r o b u s t n e s si st h ed e g r e et ow h i c ha ni m a g eh a s h i n gs c h e m e t o l e r a t e si n c i d e n t a li m a g em o d i f i c a t i o n s g i v e nas e c r e tk e yk 瓦a n da t h r e s h o l d7 0 t h er o b u s t n e s so fi m a g eh a s h i n gc a nb em e a s u r e db y r ( 7 ) = p r ( d ( h ( i ，k ) ，h ( i i d 。n ，k ) ) 7 - ) f o rv ，i d e ，z( 1 1 ) w h e r ep r ( a ) d e n o t e st h ep r o b a b i l i t yo ft h ee v e n ta ，a n dd ( h i ，h 2 ) d e n o t e sa c e r t a i nd i s t a n c eb e t w e e nt h et w oi m a g eh a s hv a l u e sh ia n dh 2 f o raf i x e d t h r e s h o l d 丁，t h el a r g e rt h ev a l u eo fr ( 7 - ) ，t h em o r er o b u s tt oi n c i d e n t a li m a g e m o d i f i c a t i o n st h ei m a g