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钱振兴:科学研究应该为社会创造价值
——记复旦大学计算机学院教授钱振兴

作者:王艳敏    发布时间:2021-02-05

导读:  复旦大学计算机学院教授、博士生导师钱振兴,多年来致力于多媒体安全、信息隐藏、数字水印、多媒体取证、人工智能安全等技术的研究。他和团队研发的多媒体信息隐藏方法,实现了云存储图像与视频的大容量安全信息隐藏及有效认证,在交叉学科应用方面开展了大量创新研究,致力于解决困扰行业发展的版权保护和数字确权等问题,从而“将论文写在祖国的大地上”。

  信息是社交媒体时代最宝贵的财富之一,贯穿于我们生活的方方面面。作为20世纪90年代兴起的信息安全新技术,信息隐藏等研究集多学科理论、技术于一身,成为先进网络空间安全领域的前沿研究热点之一。
  复旦大学计算机学院教授、博士生导师钱振兴,多年来致力于多媒体安全、信息隐藏、数字水印、多媒体取证、人工智能安全等技术的研究,提出了信息隐藏的新思路,将隐写与图像构造结合起来,为信息隐蔽传输提供了新技术和新手段。他和团队研发的多媒体信息隐藏方法,实现了云存储图像与视频的大容量安全信息隐藏及有效认证。他们积极与国家相关部门、地方传媒出版机构展开产学研合作,在交叉学科应用方面开展了大量创新研究,致力于解决困扰行业发展的版权保护和数字确权等问题,从而“将论文写在祖国的大地上”。
  “求道总须问己,得来便宜终荒”,作为一名思维缜密的理科学者,钱振兴却喜欢把自己的科研情怀诉诸诗歌,诗中饱含了他对于科研和人生发展道路的价值观念。钱振兴说,他希望把自己的科研与国家和社会的发展结合起来,让科研成果创造最大的社会价值。
  
突破边界 产学研优势互补推进版权保护
  信息隐藏技术利用人类感觉器官对数字信号的感觉冗余,将一个信息隐藏在另一个信息中,一直被应用于网络空间安全领域。通过先进的信息隐藏技术,哪怕直接使用社交网络传递信息,也让人难以发现。
  数字隐写、隐写分析、数字水印、可逆隐藏、数字取证、隐私保护、网络攻防……自20世纪90年代开始,基于信息隐藏的网络多媒体信息安全技术逐渐受到国内研究者关注。进入社交媒体时代,多媒体信息安全问题也越来越受到国家和社会的重视,不断发展的信息隐藏技术也在网络空间安全中扮演着重要角色。在钱振兴看来,加快信息隐藏等技术的发展,既可以实现增强保密通信的安全性,也可以服务于国家网络空间安全,利用对应技术手段检测多媒体信息,有效防范秘密信息的泄露。
  钱振兴生长于江苏省南通市的农村,从小刻苦学习,成绩优异,高考时如愿考入中国科学技术大学。高中数学成绩很好,但他读的专业却是电子科学技术,为此他曾一度引以为憾,但很快,偏信号与信息处理方向的学科知识极大地激发了他的研究兴趣。2003年本科毕业后,钱振兴获得了保送读研的机会,他放弃了原来打算出国的想法,在中国科学技术大学读完了硕士和博士。
  在中国科学技术大学,钱振兴感受到了这所顶尖名校浓厚的学术氛围。从研究生开始,他就跟着导师和师兄师姐一起,参与计算机视觉实验室的研究,涉入保密传输等领域。博士毕业后,钱振兴曾短暂地加入国内某大型通信企业,并被派往北非工作了一段时间。尽管在企业的工作时间仅有一年,钱振兴却很快察觉,他最感兴趣、最擅长的工作应该是在大学里继续从事科学研究。于是,他果断辞职,回到了高校。此后10年,钱振兴一直跟随上海大学的资深教授王朔中老师从事信息隐藏研究工作,取得了一批研究成果。2014年,钱振兴入选上海市启明星人才计划。
  2020年11月30日,中共中央政治局就加强我国知识产权保护工作举行第二十五次集体学习。习近平总书记在主持学习时强调,知识产权保护工作关系国家治理体系和治理能力现代化,关系高质量发展,关系人民生活幸福,关系国家对外开放大局,关系国家安全。全面建设社会主义现代化国家,必须从国家战略高度和新发展阶段要求出发,全面加强知识产权保护工作。钱振兴所从事的数字多媒体版权保护正是知识产权保护的重要组成部分。随着互联网的普及与发展,他所从事的工作也日益凸显出其重要性。
  “在数字化版权保护方面,比如一张图片或一个短视频,如何证明是你创作的呢?通过信息隐藏的技术手段,我们就可以把创作者的身份放到图片或者短视频中,打上不可见的‘数字水印’,当遇到版权盗用时,就可以将‘数字水印’提取出来,对产品进行确权。”在钱振兴看来,基于信息隐藏的数字取证等相关技术已被广泛应用于民间的多媒体安全,在版权保护等领域发挥着重要作用。钱振兴说,不仅如此,数字取证的手段则可用于鉴定多媒体信息真伪,经过数字取证技术,可以有效检测出通过“换脸”、音频合成等手段制作的多媒体信息。
  在上海大学工作了10年左右,钱振兴加入了复旦大学,并与张新鹏教授一起成立了复旦大学计算机学院多媒体安全实验室。经过3年多的发展,实验室已获批或承担多个国家自然科学基金重点、国家重点研发计划课题等项目,团队有10名博士、30多名硕士研究生一起参与课题研究。
  “最近几年来,我们把研究重点逐渐转向社会应用,为国家和社会创造更大价值。”钱振兴说,如今实验室正在与国家文旅部直属单位、凤凰传媒集团等机构展开产学研合作,在交叉学科方面开展创新研究,利用数字水印等手段,做好文创IP、新闻产品的版权保护和防伪工作。
  2020年5月,中国文化传媒新文创(IP)平台依托复旦大学多媒体安全实验室和国内多媒体信息安全领域的顶级专家团队正式上线中传暗水印技术,这项技术以国际领先的加性隐码技术为基础,打造出了安全可控、具有自主知识产权的暗水印,用于多媒体内容版权确权、监控溯源、维权取证。
  2020年11月10日,中国文化传媒集团的新文创(IP)平台与复旦大学计算机科学技术学院签订了《产学研合作协议》,共同推动文化和旅游传媒权益保护、文化和旅游文旅传媒内容理解与评价、文化和旅游文旅数据分析与精准服务、文化和旅游文旅信息传播与引导等多项技术在文化和旅游文旅行业的应用与发展。
  通过全方位资源共享与优势互补,复旦大学与中国文化传媒新文创(IP)平台共同建设“文化传媒智能计算实验室”项目,开展文化和旅游文旅传媒权益保护等多方面的产学研合作,共同致力于国内亟待解决的版权保护和数字确权等问题研究。双方前期合作开展的工作,还获得了中国发明协会的发明创业成果奖二等奖。
  近年来,针对《现代快报》、《新华日报》以及视觉江苏等媒体单位和平台面临的侵权风险,钱振兴和团队利用数字水印技术,与《现代快报》等媒体机构联合开发了一套基于信息隐藏技术的溯源系统,实现了对新闻报道和多媒体产品进行防伪、溯源,打击侵权盗版行为,防止资产流失。正是基于与《现代快报》等文化传媒单位合作开发的这一套系统,钱振兴和团队获得了中国产学研合作创新成果奖。
  “谁拿出去用,就有谁的身份信息在里面。如果有人把它非法盗用了,都可以追究他的责任。”钱振兴说。
  
持续创新 开创隐写和可逆信息隐藏新技术
  “一是要抗攻击,数字隐藏的内容是否会被破坏?二是隐藏内容的不可见性有多强,虽然人眼看不出来,人工智能是否可以检测出来?三是在不同的应用场景中,如何能够将隐藏信息快速提取出来?”在钱振兴看来,多媒体内容安全领域,目前仍有着以上诸多研究挑战。例如,经过20多年的发展,信息隐藏中广泛应用的“隐写”技术从经典隐写开始,发展到隐写编码,再到安全隐写,成果丰硕。然而,随着隐写对抗技术的发展,隐写在安全性上遇到了很大的挑战。
  隐写技术将信息隐藏在数字载体中发送给接收者,可用于机密信息的隐蔽传输,国内外学者已发展了一系列通过修改图像来承载秘密信息的隐写方法,但由于改变了图像内容的固有特征,容易给隐写分析者留下线索。钱振兴带领的基于秘密信息驱动生成数字图像课题项目组则提出了构造式隐写的新思路,将隐写与图像构造结合起来,这种方式不再通过“修改—嵌入”模式来实现隐写,而是以秘密信息为驱动,构造生成各种类型的多媒体图片,直接内藏隐藏信息。
  “这种方法不是通过修改载体来承载这些秘密信息,而是通过直接构造一个载体、塑造一个场景。”钱振兴认为,这一创新有着重要意义。一方面,由于构造式图像的过程中具备随机性,充分利用这种随机性可将秘密信息蕴含在生成的图像中,具备天然的安全性,可对抗隐写分析技术,其中许多科学问题值得研究,为隐写技术的发展开辟了新的途径;另一方面,构造式隐写又是数据表示的一种新形式,将无意义数据表示为有视觉效果的图像内容,为数据表示提供了新的思路。相关研究成果可用于隐蔽通信,即如何安全地有效地将信息隐藏在载体中进行传输,可为信息安全部门所使用,保障国家安全。另外,相关的信息隐藏技术还可以在安全云存储、隐私保护、版权管理与保护等领域提供技术支持。在项目执行的3年多时间里,钱振兴和团队成员开展了包括基于构造纹理图像的新型隐写、基于构造图形图像的新型隐写、新型隐写机制、其他新型隐写研究。
  如在基于构造纹理图像的隐写研究中,纹理图像作为一种设计与表现形式,在实际生活中有广泛应用,日本人Otori与Kuriyama曾经提出在纹理中隐藏秘密信息的方法,然而这些方法在安全性上存在很大的漏洞,容易被第三方检测出隐写的存在,同时数据隐藏又常导致可被肉眼感知的失真。课题组则提出了通过构造纹理图像来隐藏秘密信息,提出了利用纹理合成的随机性来表示秘密信息,提升了隐写的安全性,不仅具备良好的视觉效果,还能保证信息隐藏的安全性。针对最常用的图像压缩,课题组还提出可抵抗JPEG压缩的构造纹理式隐写方法,对质量因子为50以上的JPEG压缩,提取正确率为100%。
  在基于构造图形图像的隐写研究进展上,课题组提出在构造图形图像的过程中实现秘密信息的隐藏,从湿拓画(Marbling)、缠绕画(Tangle)、动画表情3种类型生成图像上展开研究。针对动画表情在社交网络上被广泛使用的特点,钱振兴和团队提出在合成动画表情的过程中,利用帧内和帧间的变化特点,根据调色板数据映射秘密信息,使动画表情既有良好的视觉效果,同时又能抵抗隐写分析。
  涉及信息隐藏的理论和方案设计,并非一帆风顺。作为国内外最早进行“密文域”可逆数据隐藏理论研究的实验室,找到理论的支撑极为困难,钱振兴和团队希望从信息论的角度来探索一套分布式的编码方法。如今,经过4年多的研究,他们在密文域可逆数据隐藏的新框架、高效的密文域可逆数据隐藏方法、特定场景中的密文域可逆数据隐藏3个方面已经取得了一系列创新研究成果。
  钱振兴和课题组分析了基于编码理论的密文域可逆隐藏,并通过LDPC编码实现了高容量的密文域可逆隐藏方法,提出了JPEG密文域可逆数据隐藏的新框架;传统方法中云端在密文中嵌入附加信息后,需要解密后才能恢复原始图像内容,他们则提出了云端实现嵌入与恢复的新框架,用户只需要加密文件、解密文件,不需要额外的操作,该框架使得密文域可逆隐藏更具实用性。不仅如此,课题组还提出了高容量的密文域可逆隐藏方法,通过结合明文域预测域来实现密文域隐藏,两个方面共同提高密文域隐藏的容量。面对医学图像这一特定的使用场景,钱振兴和团队还专门设计了专用的基于循环移位、多重嵌入的密文图像可逆信息隐藏方法,在无损恢复原始图像的前提下,提升了数据嵌入率,实现了医学图像中的大容量信息隐藏及有效认证保护。
  
体现价值 让科研成果真正地被应用起来
  钱振兴和团队一系列的研究项目,不仅给国家相关部门和社会机构开发了新的保密传输工具,也在各领域开始被关注和应用,推动了复旦大学多媒体内容安全研究方向的发展。如今,在延续此前研究的基础上,钱振兴带领团队就社交媒体中的虚假信息取证这一领域更前沿的问题展开研究,希望通过研究发展出基于高阶时效社交网络的虚假信息传播模型以及基于多维度挖掘的真伪文本取证方法。同时,他和团队希望能够构建针对虚假图像内容的通用篡改取证方法,对社交媒体上的大量造假信息进行有效分析,并提出对抗深度视音频伪造的联合式鲁棒取证,挖掘用户行为和数据传播等多模态特征,建立跨模态特征规整化和语义对抗融合机制,实现单分类媒体内容的真伪识别。如今,这一研究已经得到了国家相关部门和复旦大学的高度重视,钱振兴和团队密切联系国内相关研究机构共同展开攻关。
  从事科研工作之外,作为复旦大学教授、博士生导师,钱振兴也把自己的精力更多地放在了教学和人才培养的工作上,并在数据安全与隐私保护、信息论与编码、数字图像处理、信息网络与安全等课程中,给予学生悉心指导。至今,他已指导毕业了几十名硕士和博士研究生。
  在对学生的指导上,钱振兴也有着自己的一套方法。他认为教授指导研究生,并非让学生发发论文、做做项目,等到毕业就完事了,而是要关心学生的多个方面。在学生个人发展道路上,他认为需要启发学生自己多思考,甚至帮助学生找到自己的发展方向。“是去企业发展?还是去机关事业单位发展?又或者是愿意走学术研究的道路?我们要根据个人目标和定位,给他们相应的指导。”钱振兴认为,让学生找准自己人生的发展道路,是作为大学教授的首要职责。
  其次,指导研究生还要真正关心他们的思想动态,与学生交流谈心。在钱振兴看来,尽管研究生的年龄普遍已经20多岁甚至有的已经30岁以上了,但由于长年在校读书,对社会的各方面情况并不够了解,与人打交道也比较少,如果不能及时关注学生的思想动态,就容易出现严重后果。针对学生的科研能力培养,他认为必须注重让学生多做一些新的东西。“必须要培养学生拥有创新的思想,这对于他们未来的科研道路发展是大有裨益的。” 他说。
  钱振兴继承了自己在中国科学技术大学时导师传承给自己严谨、勤奋的科研精神,从周一到周日,他几乎都在从事教学和科研,夜晚经常在实验室研究到深夜。经过十余年的不懈努力,他取得了丰硕的学术成果,发表论文100余篇,代表性论文发表于IEEE TDSC、TCSVT、TMM、TIFS、SPL、TCC、TIP等国际刊物上,申请专利十余项,在多媒体信息安全等领域逐渐建立了自己的核心优势。
  “下一阶段,更重要的是把自己的科研与国家和社会的发展结合起来,侧重于产学研的合作,把自己研究的东西真正地在社会上应用起来。”钱振兴说,他相信每一位科研工作者都有让自己的科研成果创造更大社会价值的梦想,为祖国多做点贡献,培养多一些人才。他认为,“把论文写在祖国大地上”不能只是说说而已。如今,随着实验室参与的产学研项目越来越多,实验室的科研成果已经在不断扩展应用领域。
  “决定告别故乡,小河不在脚下流淌;江南令人厌倦,塞北又不知在何方。”“走过六月的南方,只剩一点忧伤。那反复吟唱的,总是优美沧沧。如同是几片落叶,极其偶然地相撞。别急忙,这时光。天上鲜有乌云,倘若少了太阳,还会有月色和星光……”尽管是个理工科研工作者,但钱振兴却还“藏”着一个文学梦。他喜欢写诗,喜欢读史,喜欢研究思想和文化类书籍,每天至少要留半小时以上时间看书。在学校网站个人主页上“兴趣爱好”一栏中,钱振兴留下了自己从2008年至今创作的几首诗歌。
  在名为《求道》的一首诗中,他这样写道:求道总须问己,得来便宜终荒;行於成时方知,性体穷处光明。或许,在自己的人生选择和科研“求道”路上,钱振兴正是遵循着这样一种敢于“问己”的精神。他也深刻践行着这样一种价值观——只有自己付出艰辛努力得来的成果,才会散发最诱人的芳香。
  
专家简介  
  钱振兴,中国科学技术大学学士、博士,现任复旦大学计算机学院教授、博士生导师。主要从事多媒体安全、信息隐藏、数字取证等领域研究,主持过国家重点研发计划课题、国家自然科学基金(重点、面上、联合、青年等)、上海自然科学基金等10多个课题项目,发表论文120篇,其中SCI论文60多篇、IEEE重要期刊论文20多篇。相关研究成果在国务院文旅部、国家有关部门、凤凰传媒、新华传媒、上海文广等单位获得应用。2014年入选上海市启明星人才计划,曾获得中国产学研合作创新成果奖、中国发明创业成果奖二等奖(均为第一完成人)。担任中国图像图形学会数字媒体取证与安全、中国电子学会多媒体信息安全专委会委员,担任多个国际期刊的审稿人与客座编辑。
  
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