信息与系统科学相关工程与技术

赵春晖，刘巍

基于分块压缩感知的图像半脆弱零水印算法

赵春晖，刘巍

目的：数字水印作为一种有效解决图像版权、内容认证和完整性保护等问题的技术，长期受到国内外学者和工程技术人员的关注。但是传统的水印技术需要向宿主图像中嵌入水印，影响了图像的原有信息，这在很多对图像内容要求很高的应用中是不允许的。近年来提出的压缩感知（Compressive Sensing，CS）理论为零水印的构造提供了一种可行的解决途径。方法：针对数字图像的内容认证和完整性保护问题，本文提出了一种基于分块压缩感知的图像半脆弱零水印算法（BCS-SFZ）。首先将图像划分成若干分块，分块大小可以根据水印数据量和篡改定位精度调整。再按照压缩感知理论对各个图像块进行观测，并将观测值作为零水印信息注册保存。BCS-SFZ采用了零水印技术来保证原始图像数据不被干扰，满足了对图像质量要求较高的应用。结果：实验结果表明，BCS-SFZ算法可以准确定位非法篡改并借助水印信息恢复被篡改的区域。压缩感知理论的引入为算法提供了保密性支持，并且有利于实现图像成像与水印生成的同步，同时该算法实现简单，计算复杂度低。攻击者对于零水印图像的攻击分为3种情况：（1）仅知道图像内容；（2）仅知道水印内容；（3）既知道图像内容又知道水印内容。几乎所有的水印系统都是根据第1种情况设计的，攻击者很难在不知道水印构造的前提下对水印图像进行不被察觉的篡改。第2种情况针对含有保密内容的图像，例如军事应用中的遥感图像以及用于法庭作证的证据图像，攻击者在无法窃取原始图像的情况下从水印数据库中窃取了零水印信息，并希望由此推断出原始图像的内容。水印的保密性由压缩感知观测值的保密性提供，观测矩阵中元素的随机性决定了观测值具有随机噪声的性质，独立于密钥使用时不具备任何实际意义，这一特性使得攻击者在不经过重建的前提下无法通过分析观测值来推断原始图像的内容，确保了第2种情况下的保密性。对于第3种情况，参考水印检测原理可知，任何对于图像具有实际意义的修改都会造成像素灰度值较大范围的变化，而这种变化均会被水印检测出来，这就使得攻击者在同时获得图像与水印的情况下也无法构造出既不会被检测又有具实际意义篡改。当然如果攻击者具备同时替换版权人手中的密钥以及数据库中的注册水印的能力的话，那么他可以对图像进行有效篡改，而在此种情况下所有水印算法对其均失效。结论：BCS-SFZ将压缩感知理论与零水印技术相结合，实现了一种新的半脆弱水印策略。图像通过压缩感知获得的观测值包含原图像携带的所有信息，可以简洁而全面的表征图像的全部特征。以观测值作为水印具有操作简单（仅需要通过一个线性变换即可）、对恶意篡改敏感和对合法操作容忍度高、保密性好等优点，而且被篡改内容可以通过水印信息恢复。

来源出版物：自动化学报, 2012, 38(4): 609-617

入选年份：2015

软件定义的系统与知识自动化：从牛顿到默顿的平行升华

王飞跃

摘要：回顾知识自动化的历史，起源可以追溯到古希腊亚里多士德的描述性知识和原始的形式逻辑以及工业革命之初英国布尔对其变革性的拓展。半个世纪前人工智能的正式提出，以及随后而来的知识表示、专家系统、知识工程、智能系统等，构成了知识自动化完整的演变发展历史。本文从Cyberspace、社会信号和默顿系统的兴起这一时代特征为起点，讨论知识自动化的意义与相关的科学问题，从智能算法到知识机器人看其技术基础及趋势，从软件定义的系统和流程探讨其与系统工程的内在关联，从平行系统的角度研究其在复杂控制和 管理过程中的重要作用。为什么我们现在需要知识自动化？一言以概之：工业时代需要工业自动化，知识时代必须知识自动化。工业时代的发展在许多方面对人类的体力提出了“非分”的要求，迫使人们必须依靠工业自动化的手段来“补偿”其体能上的不足，才能实施、运营、维护各类大型或精密的系统和过程；同理，面临物联网、大数据、云计算、智能技术等，正在迅速兴起的知识时代也对人类的智力提出了更高、更加“非分”的要求，人们更需要借助知识自动化的方法来“弥补”其智能上的不足，进而才能去完成各种层出不穷的不定、多样、复杂任务大数据特别是社会信号的出现为知识时代复杂任务的描述、建模和解析提供了新的思路。以网络信息为主要表现形式的开源数据，虽然被认为是印刷出版发明后知识之产生与传播的又一场革命，但其价值仍未被充分地认识。在过去相当长的时间里，对于正式渠道的态势评估和决策支持而言，基本还处于“无用”状态。无用之用，众用之基：大数据时代，我们应该以开源信息为主，汇集海量数据，然后通过定量的方式来描述、分析、评判知识的价值，服务于企业、科技甚至社会决策。从技术发展的角度而言，在机械化、电气化、信息化、网络化之后，我们正进入第5个发展阶段，即虚实互动的平行化时代。软件定义的系统、“激活”的情报以及灵活的动态网群组织将成为平行时代成功企业管理和运营不可或缺的关键因素。软件定义系统的构建和使用，为企业管理和决策提供了真实可靠的科学依据。在企业内部，构建与之互动演化、反馈执行、协同发展的人工流程、人工工厂及人工企业，可针对流程执行管理、资源分配调度及企业生产制造进行建模计算、生产优化以及监控预警。在企业外部，利用知识自动化技术，可针对特定问题，将各种各样的相关网站、博客、论坛、微博、微信及其组合视为观察和获取企业决策所需知识的“信源频道”和“传感网络”，从而高效并准确捕获目标定位的企业竞争情报和决策需求信号。随后基于软件定义的企业对需求信号进 行数据计算和知识解析，构造“激活”的情报，为企业流程管理、生产制造、决策制定提供有效准确和灵活的输入。在这其中，动态网群组织（CMOs）是社会信号获取、社会需求定位的关键。这要求我们必须充分认识到世界正从牛顿系统为主导向以默顿系统为主导的演化，并迫切需要考虑智能的“虚实二象性”。在牛顿系统中，多数定律是发现的；在默顿系统中，多数定律是发明的。利用泛在的便携式移动传感设备、蓬勃发展的社会媒体以及网络世界无限的信息和智力资源，知识自动化将把人纳入数据生成、信息感知、知识推理、智慧解析、决策执行，然后生成新的数据的整个闭环过程中。因此，平行时代的知识自动化必然是信息化、自动化、智能化、人机化等的有机融合，必须从物理信息系统（CPS）走向物理社会信息或社会物理信息系统（CPSS）。

来源出版物：自动化学报, 2015, 41(1): 1-8

入选年份：2015