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【导读】:在月饼事件中,阿里开除了 5 位用脚本秒杀月饼的技术人员。后有员工对外泄露了内网通报的截图,泄露者已被查出并处理。后续有媒体报道提到,阿里对员工的访问界面加了一层肉眼无法识别的东西。有网友对这个技术好奇,在知乎提问:

在月饼事件中的新闻中提到。阿里对员工访问的界面做了一定的处理。貌似这不是简单的水印。这种处理是什么,是怎么做到的呢?

伯小乐整理了 2 位知乎网友的回答分享。(均已获授权)

一、liu fuqiang 的分享,3800+ 顶

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

本文分为五个部分,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;第五部分附录(源代码)。

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。

在原答案中,存在措辞欠妥之处,对此表示由衷的歉意

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和频域方法,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。

上式为傅里叶变换公式,ƒ(t) 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),ω 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。

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 (不要问我为什么不用Lena,那是我前女友),

之后进行傅里叶变换,下图变换后的频域图像,

这是我想加的水印,尺寸200*100,

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,

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,

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,

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),

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。

水印提取是水印叠加的逆过程,

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。

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:

再进行水印提取:

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:

进行循环补全:

提取水印:

3.伸缩攻击(这个实验明码做的,水印能量较高,隐匿性不强):

提取水印(水印加的不好,混频挺严重的):

4.旋转攻击(明码):

提取水印:

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):

提取结果:

6.PS 4像素马赛克/均值滤波等,攻击后图像(这是我女朋友吗?丑死了):

提取水印后图像:

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:

测试结果:

8. 亮度调节(明码):

水印提取:

9.色相调节(明码):

水印提取:

10.饱和度调节(明码):

水印:

11.对比度(明码):

水印:

12.评论区用waifu2x去噪后图片:

解水印:

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):

提取水印:

14.对于背景纯色的图其实也是无所谓的

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

最终提取出的水印:

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

提取水印为:

16.屏摄,好吧,这个实验我做哭了

屏摄图:

实验结果:

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,健壮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。

=====彩蛋====

我在上图明码写入了信息。为了抵抗jpg压缩,我水印能量较高,并且因为没有编码,能量分布不均。图中规律性纹路,就是你懂的。嘿嘿,你懂的,解开看看吧。

@杨一丁 在答案中给出了上图隐写的内容,(雾)。

五、附录

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%% 傅里叶变换加水印源代码
%% 运行环境 Matlab2010a
clc;clear;close all;
alpha = 1;
%% read data
im = double(imread('gl1.jpg'))/255;
mark = double(imread('watermark.jpg'))/255;
figure, imshow(im),title('original image');
figure, imshow(mark),title('watermark');
%% encode mark
imsize = size(im);
%random
TH=zeros(imsize(1)*0.5,imsize(2),imsize(3));
TH1 = TH;
TH1(1:size(mark,1),1:size(mark,2),:) = mark;
M=randperm(0.5*imsize(1));
N=randperm(imsize(2));
save('encode.mat','M','N');
for i=1:imsize(1)*0.5
for j=1:imsize(2)
TH(i,j,:)=TH1(M(i),N(j),:);
end
end
% symmetric
mark_ = zeros(imsize(1),imsize(2),imsize(3));
mark_(1:imsize(1)*0.5,1:imsize(2),:)=TH;
for i=1:imsize(1)*0.5
for j=1:imsize(2)
mark_(imsize(1)+1-i,imsize(2)+1-j,:)=TH(i,j,:);
end
end
figure,imshow(mark_),title('encoded watermark');
%imwrite(mark_,'encoded watermark.jpg');
%% add watermark
FA=fft2(im);
figure,imshow(FA);title('spectrum of original image');
FB=FA+alpha*double(mark_);
figure,imshow(FB); title('spectrum of watermarked image');
FAO=ifft2(FB);
figure,imshow(FAO); title('watermarked image');
%imwrite(uint8(FAO),'watermarked image.jpg');
RI = FAO-double(im);
figure,imshow(uint8(RI)); title('residual');
%imwrite(uint8(RI),'residual.jpg');
xl = 1:imsize(2);
yl = 1:imsize(1);
[xx,yy] = meshgrid(xl,yl);
figure, plot3(xx,yy,FA(:,:,1).^2+FA(:,:,2).^2+FA(:,:,3).^2),title('spectrum of original image');
figure, plot3(xx,yy,FB(:,:,1).^2+FB(:,:,2).^2+FB(:,:,3).^2),title('spectrum of watermarked image');
figure, plot3(xx,yy,FB(:,:,1).^2+FB(:,:,2).^2+FB(:,:,3).^2-FA(:,:,1).^2+FA(:,:,2).^2+FA(:,:,3).^2),title('spectrum of watermark');
%% extract watermark
FA2=fft2(FAO);
G=(FA2-FA)/alpha;
GG=G;
for i=1:imsize(1)*0.5
for j=1:imsize(2)
GG(M(i),N(j),:)=G(i,j,:);
end
end
for i=1:imsize(1)*0.5
for j=1:imsize(2)
GG(imsize(1)+1-i,imsize(2)+1-j,:)=GG(i,j,:);
end
end
figure,imshow(GG);title('extracted watermark');
%imwrite(uint8(GG),'extracted watermark.jpg');
%% MSE and PSNR
C=double(im);
RC=double(FAO);
MSE=0; PSNR=0;
for i=1:imsize(1)
for j=1:imsize(2)
MSE=MSE+(C(i,j)-RC(i,j)).^2;
end
end
MSE=MSE/360.^2;
PSNR=20*log10(255/sqrt(MSE));
MSE
PSNR
%% attack test
%% attack by smearing
%A = double(imread('gl1.jpg'));
%B = double(imread('attacked image.jpg'));
attack = 1-double(imread('attack.jpg'))/255;
figure,imshow(attack);
FAO_ = FAO;
for i=1:imsize(1)
for j=1:imsize(2)
if attack(i,j,1)+attack(i,j,2)+attack(i,j,3)>0.5
FAO_(i,j,:) = attack(i,j,:);
end
end
end
figure,imshow(FAO_);
%extract watermark
FA2=fft2(FAO_);
G=(FA2-FA)*2;
GG=G;
for i=1:imsize(1)*0.5
for j=1:imsize(2)
GG(M(i),N(j),:)=G(i,j,:);
end
end
for i=1:imsize(1)*0.5
for j=1:imsize(2)
GG(imsize(1)+1-i,imsize(2)+1-j,:)=GG(i,j,:);
end
end
figure,imshow(GG);title('extracted watermark');
%% attack by cutting
s2 = 0.8;
FAO_ = FAO;
FAO_(:,s2*imsize(2)+1:imsize(2),:) = FAO_(:,1:int32((1-s2)*imsize(2)),:);
figure,imshow(FAO_);
%extract watermark
FA2=fft2(FAO_);
G=(FA2-FA)*2;
GG=G;
for i=1:imsize(1)*0.5
for j=1:imsize(2)
GG(M(i),N(j),:)=G(i,j,:);
end
end
for i=1:imsize(1)*0.5
for j=1:imsize(2)
GG(imsize(1)+1-i,imsize(2)+1-j,:)=GG(i,j,:);
end
end
figure,imshow(GG);title('extracted watermark');
%%小波变换加水印,解水印大家按照加的思路逆过来就好
clc;clear;close all;
%% read data
im = double(imread('gl1.jpg'))/255;
mark = double(imread('watermark.jpg'))/255;
figure, imshow(im),title('original image');
figure, imshow(mark),title('watermark');
%% RGB division
im=double(im);
mark=double(mark);
imr=im(:,:,1);
markr=mark(:,:,1);
img=im(:,:,2);
markg=mark(:,:,2);
imb=im(:,:,3);
markb=mark(:,:,3);
%% parameter
r=0.04;
g = 0.04;
b = 0.04;
%% wavelet tranform and add watermark
% for red
[Cwr,Swr]=wavedec2(markr,1,'haar');
[Cr,Sr]=wavedec2(imr,2,'haar');
% add watermark
Cr(1:size(Cwr,2)/16)=...
Cr(1:size(Cwr,2)/16)+r*Cwr(1:size(Cwr,2)/16);
k=0;
while k<=size(Cr,2)/size(Cwr,2)-1
Cr(1+size(Cr,2)/4+k*size(Cwr,2)/4:size(Cr,2)/4+...
(k+1)*size(Cwr,2)/4)=Cr(1+size(Cr,2)/4+...
k*size(Cwr,2)/4:size(Cr,2)/4+(k+1)*size(Cwr,2)/4)+...
r*Cwr(1+size(Cwr,2)/4:size(Cwr,2)/2);
Cr(1+size(Cr,2)/2+k*size(Cwr,2)/4:size(Cr,2)/2+...
(k+1)*size(Cwr,2)/4)=Cr(1+size(Cr,2)/2+...
k*size(Cwr,2)/4:size(Cr,2)/2+(k+1)*size(Cwr,2)/4)+...
r*Cwr(1+size(Cwr,2)/2:3*size(Cwr,2)/4);
Cr(1+3*size(Cwr,2)/4+k*size(Cwr,2)/4:3*size(Cwr,2)/4+...
(k+1)*size(Cwr,2)/4)=Cr(1+3*size(Cr,2)/4+...
k*size(Cwr,2)/4:3*size(Cr,2)/4+(k+1)*size(Cwr,2)/4)+...
r*Cwr(1+3*size(Cwr,2)/4:size(Cwr,2));
k=k+1;
end;
Cr(1:size(Cwr,2)/4)=Cr(1:size(Cwr,2)/4)+r*Cwr(1:size(Cwr,2)/4);
% for green
[Cwg,Swg]=WAVEDEC2(markg,1,'haar');
[Cg,Sg]=WAVEDEC2(img,2,'haar');
Cg(1:size(Cwg,2)/16)=...
Cg(1:size(Cwg,2)/16)+g*Cwg(1:size(Cwg,2)/16);
k=0;
while k<=size(Cg,2)/size(Cwg,2)-1
Cg(1+size(Cg,2)/4+k*size(Cwg,2)/4:size(Cg,2)/4+...
(k+1)*size(Cwg,2)/4)=Cg(1+size(Cg,2)/4+...
k*size(Cwg,2)/4:size(Cg,2)/4+(k+1)*size(Cwg,2)/4)+...
g*Cwg(1+size(Cwg,2)/4:size(Cwg,2)/2);
Cg(1+size(Cg,2)/2+k*size(Cwg,2)/4:size(Cg,2)/2+...
(k+1)*size(Cwg,2)/4)=Cg(1+size(Cg,2)/2+...
k*size(Cwg,2)/4:size(Cg,2)/2+(k+1)*size(Cwg,2)/4)+...
g*Cwg(1+size(Cwg,2)/2:3*size(Cwg,2)/4);
Cg(1+3*size(Cg,2)/4+k*size(Cwg,2)/4:3*size(Cg,2)/4+...
(k+1)*size(Cwg,2)/4)=Cg(1+3*size(Cg,2)/4+...
k*size(Cwg,2)/4:3*size(Cg,2)/4+(k+1)*size(Cwg,2)/4)+...
g*Cwg(1+3*size(Cwg,2)/4:size(Cwg,2));
k=k+1;
end;
Cg(1:size(Cwg,2)/4)=Cg(1:size(Cwg,2)/4)+g*Cwg(1:size(Cwg,2)/4);
% for blue
[Cwb,Swb]=WAVEDEC2(markb,1,'haar');
[Cb,Sb]=WAVEDEC2(imb,2,'haar');
Cb(1:size(Cwb,2)/16)+b*Cwb(1:size(Cwb,2)/16);
k=0;
while k<=size(Cb,2)/size(Cwb,2)-1
Cb(1+size(Cb,2)/4+k*size(Cwb,2)/4:size(Cb,2)/4+...
(k+1)*size(Cwb,2)/4)=Cb(1+size(Cb,2)/4+...
k*size(Cwb,2)/4:size(Cb,2)/4+(k+1)*size(Cwb,2)/4)+...
g*Cwb(1+size(Cwb,2)/4:size(Cwb,2)/2);
Cb(1+size(Cb,2)/2+k*size(Cwb,2)/4:size(Cb,2)/2+...
(k+1)*size(Cwb,2)/4)=Cb(1+size(Cb,2)/2+...
k*size(Cwb,2)/4:size(Cb,2)/2+(k+1)*size(Cwb,2)/4)+...
b*Cwb(1+size(Cwb,2)/2:3*size(Cwb,2)/4);
Cb(1+3*size(Cb,2)/4+k*size(Cwb,2)/4:3*size(Cb,2)/4+...
(k+1)*size(Cwb,2)/4)=Cb(1+3*size(Cb,2)/4+...
k*size(Cwb,2)/4:3*size(Cb,2)/4+(k+1)*size(Cwb,2)/4)+...
b*Cwb(1+3*size(Cwb,2)/4:size(Cwb,2));
k=k+1;
end;
Cb(1:size(Cwb,2)/4)=Cb(1:size(Cwb,2)/4)+b*Cwb(1:size(Cwb,2)/4);
%% image reconstruction
imr=WAVEREC2(Cr,Sr,'haar');
img=WAVEREC2(Cg,Sg,'haar');
imb=WAVEREC2(Cb,Sb,'haar');
imsize=size(imr);
FAO=zeros(imsize(1),imsize(2),3);
for i=1:imsize(1);
for j=1:imsize(2);
FAO(i,j,1)=imr(i,j);
FAO(i,j,2)=img(i,j);
FAO(i,j,3)=imb(i,j);
end
end
figure, imshow(FAO); title('watermarked image');

二、shotgun 的回答分享,254 顶

其实如果防御做得好,想绕过还真的没那么容易。按照DLP,也就是数据防泄密的思路:

1.重要的图片或者文档内加水印,文件里面再加上全息数字水印(这个大家都说得很全面了)

然而这就足够了吗?或者说只有这些防护?乃义务!

2.所有终端监控敏感操作:另存、截屏、剪贴板、对敏感文档的操作等等,上述行为一律上传到审计服务器上备份待查。

3.禁止未授权(未安装终端防护程序)的终端接入内网和业务系统。

4.有敏感操作或者跨终端登录的时候通过摄像头拍摄人脸(知道为什么扎克伯格要贴摄像头了吧)

5.定期对硬盘进行文件扫描,关键字、相似度、OCR等方法识别出可能是敏感或者涉密的文件,并提取特征,进行标定。

6.同样采用散列值、关键字、相似度匹配等方法检查所有网络出口:邮件、聊天、网站、网盘等,对传输内容全部解码进行审计并且记录。

7.检查或者关闭所有物理出口,USB、Wi-Fi、蓝牙、音频口(防止通过耳机口盗窃数据)。

8.所有文件落地加密(文件加密或者全盘加密),偷硬盘也没用。

9.所有电子设备进出办公区域全部审核检查。

10.核心机密文档不落地,存放于核心服务器,采用远程终端或者虚拟窗口方式查阅/编辑。

别笑,富士康和华为基本上就是这么干的。