🍍原文： A Blockchain-based System for Secure Image Protection Using Zero-watermark

🍍写在前面： 原文是一篇 2020 年的 CCF-C，它对传统的零水印技术进行了改进，并与区块链应用结合了起来。

Experimental Comparison and Analysis

我们分别测试了零水印 $(\mathsf{zero}\mathsf{watermark})$ 算法和上述 $\mathsf{SC}$。区块链部分在 $\mathsf{Rinkeby}$ 网络上进行测试，这是最接近以太坊主网的测试网络之一。我们实现了一个案例来分析系统的成本和性能。

运行环境为：

• 硬件：i7-4790@3.60GHz CPU，4GB RAM
• 系统：ubuntu 16.04LTS

程序使用 $\mathsf{Matlab}$ 和 $\mathsf{Solidity}$ 编写。

由此可见，零水印 $(\mathsf{zero}\mathsf{watermark})$ 算法是用 $\mathsf{Matlab}$ 写的。

1 Performance Test

在本节中，我们对提出的零水印算法进行了稳健性 $\mathsf{robust}$ 分析，并将其与类似的零水印算法进行了比较。实验中使用了六幅 $512\times 512$ 的 灰度图像：

• $\mathsf{Lena},\mathsf{Baboon},\mathsf{Barbara},\mathsf{Bridge},\mathsf{Airplane},\mathsf{Goldhill}$

以及一个 $\mathsf{H}$ 标志图像。如下图所示：

下图展示了零水印生成过程中的图像，主要包括特征图、水印图和零水印图。

不知道这些图是实验中真实生成的，还是随便意思一下的😇

使用六幅图像的归一化相关系数 $(\mathsf{NC})$ 的平均值作为比较指标。$\mathsf{NC}$ 值的计算公式如下：

$$NC(F,\hat{F})=\frac{{\sum }_i^{}{\sum }_j^{}F(i,j)\hat{F}(i,j)}{\sqrt{{\sum }_i^{}{\sum }_j^{}F(i,j{)}^2}\sqrt{{\sum }_i^{}{\sum }_j^{}\hat{F}(i,j{)}^2}}$$

其中，$\mathsf{F}$ 代表原始的水印图像，而 ${\mathsf{F}}^{\prime }$ 代表恢复出的水印图像。$\mathsf{NC}$ 值是一个小于 $1$ 的数值，其值越高，通常意味着恢复出的水印效果越好。

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实验结果如下表所示：

第一列是针对图像的攻击类型，后三列是文献方案和本文方案的 $\mathsf{NC}$ 值。

实验结果如下图所示：

就是把表格里的数据画成了图😇

由上表和上图可见，我们提出的零水印方案比其他零水印方案更具鲁棒性，特别是在对抗几何攻击方面的鲁棒性优于其他两种零水印算法。

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实验中测试的智能合约成本如下表所示：

上表列出了与合约执行相关的成本，这些成本在合约反复运行时变化不大。只有改变合约当前状态的行为会消耗燃料，而仅仅查看它不会花费金钱。通过实验，我们可以看到系统运行正常，且成本相对较低。与传统的第三方相比，区块链在成本方面具有巨大的优势。

测试了部署两个智能合约分别需要的 $\mathsf{Gas}$ 消耗，以及调用图像存档合约内部函数的 $\mathsf{Gas}$ 消耗。

2 Security and Privacy Analysis

本框架采用区块链、$\mathsf{IPFS}$ 和智能合约 $(\mathsf{SC})$ 技术，构建了一个无需可信第三方的零水印图像保护系统。与传统的加水印技术相比，该系统在保证安全的同时，降低了成本，并显著提升了隐私保护水平。接下来，我们将对这一系统的安全性和隐私性进行详细分析。

• $\mathsf{a})$ 消除可信第三方：有别于传统水印技术依赖第三方进行争议解决，我们的解决方案将所有数据存储在区块链上，并通过智能合约进行管理。这样做有效地消除了第三方可能带来的数据篡改风险。数据的加密存储措施进一步防止了数据泄露，而智能合约的自动化执行流程则确保了数据传输的高度可靠性。
• $\mathsf{b})$ 安全性和隐私性保障：在使用 $\mathsf{IPFS}$ 对大文件进行分片分布式存储的过程中，我们上传至 $\mathsf{IPFS}$ 的文件均为加密的图像数据。这意味着 $\mathsf{IPFS}$ 的节点虽能检索到加密数据片段，但无法获取任何有价值的信息。文件的关键扰乱参数 $\mathsf{Key}$ 被安全地存储在智能合约中，并且只有得到授权的用户和文件所有者能够访问。换言之，任何未授权的第三方既无法从 $\mathsf{IPFS}$ 下载加密图像，也无法获得 $\mathsf{Key}$。因此，只要以太坊网络和零水印算法保持安全，整个框架的安全性便得到了充分保障。