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文檔簡(jiǎn)介

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上數(shù)字水印的攻擊綜述摘要:數(shù)字水印是一種全新的信息安全技術(shù).本文論述了數(shù)字水印技術(shù)的應(yīng)用和安全性穩(wěn)健性的關(guān)系,對(duì)數(shù)字水印的攻擊形式進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。詳細(xì)論述了魯棒性攻擊、表達(dá)攻擊、解釋攻擊、合法攻擊四種攻擊方法;同時(shí)又對(duì)按照攻擊原理對(duì)簡(jiǎn)單攻擊,同步攻擊,削去攻擊和混淆攻擊四種攻擊進(jìn)行介紹。關(guān)鍵詞:數(shù)字水印,穩(wěn)健性,攻擊,攻擊分類(lèi)Abstract :Digital watermarking is a new data hide technology in information security domain. This paper discusses the relat

2、ionship of application, security, robustness of digital watermarking technology. According to attacking principle, there are four attacks: simple attacks, synchronization attacks, removal attacks and ambiguity attacks. This paper also discusses robustness attacks, Pre-sentation attacks, Interpretati

3、on attacks and Legal attacks。0引言隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展,特別是Internet網(wǎng)絡(luò)的日益延伸,信息媒體的數(shù)字化愈趨廣泛。信息的數(shù)字化表達(dá)為信息的存取提供了顯著的便利,極大地提高了信息表達(dá)的效率和準(zhǔn)確性。借助網(wǎng)絡(luò)人們可發(fā)布自己的作品、傳遞重要的信息、進(jìn)行學(xué)術(shù)交流以及電子商務(wù)等。但伴隨的安全性問(wèn)題亦日趨嚴(yán)重,其中數(shù)字圖像作為一種主要媒體形式,它的安全問(wèn)題尤為突出。數(shù)字化的聲像數(shù)據(jù)從本質(zhì)上說(shuō)就是數(shù)字信號(hào),如果對(duì)這類(lèi)數(shù)據(jù)也采用密碼加密方式,則其本身的信息屬性就容易被忽略。近些年,許多研究人員放棄了傳統(tǒng)密碼學(xué)的技術(shù)路線,嘗試用各種信號(hào)處理方法對(duì)聲像數(shù)據(jù)進(jìn)行隱藏加密,并將該

4、技術(shù)用于版權(quán)保護(hù)和票據(jù)防偽等領(lǐng)域,取得了良好的效果。數(shù)字水印技術(shù)對(duì)版權(quán)侵犯、非法復(fù)制、泄密和完整性問(wèn)題提供了一種有效的解決途徑,同時(shí)作為版權(quán)保護(hù)和安全認(rèn)證的有力工具,已經(jīng)引起人們廣泛的關(guān)注。1數(shù)字水印技術(shù)-數(shù)字水?。―igital Watermark)技術(shù)是指用信號(hào)處理的方法在數(shù)字化的多媒體數(shù)據(jù)中嵌入隱蔽的標(biāo)記,這種標(biāo)記通常是不可見(jiàn)的,只有通過(guò)專(zhuān)用的檢測(cè)器或閱讀器才能提取。數(shù)字水印是信息隱藏技術(shù)的一個(gè)重要研究方向。數(shù)字水印被認(rèn)為是一種最具潛力的數(shù)字作品版權(quán)保護(hù)技術(shù)。其基本思想是將含有作者電子簽名日期商標(biāo)使用權(quán)限等的數(shù)字信息作為水印信號(hào)嵌入到圖像文本視頻和音頻等數(shù)字作品中,并且在需要時(shí)能夠通過(guò)一

5、定的技術(shù)檢測(cè)手段抽取出水印,以此作為判斷數(shù)字作品的版權(quán)歸屬和跟蹤起訴非法侵權(quán)的證據(jù)1。數(shù)字水印技術(shù)的研究主要集中在空間域和變換域兩個(gè)方面。從綜合性能分析,空間域數(shù)字水印方法應(yīng)用領(lǐng)域較窄,對(duì)一些攻擊的抵抗性較差;變換域的數(shù)字水印方法對(duì)有損壓縮和其他的信號(hào)處理具有較強(qiáng)的免疫力,因此更具優(yōu)越性目前占據(jù)了主要地位2。目前數(shù)字水印的應(yīng)用領(lǐng)域有身份認(rèn)證數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)跟蹤數(shù)字指紋版權(quán)保護(hù)等,它們對(duì)數(shù)字水印的穩(wěn)健性提出了不同層次的要求。2水印攻擊的分類(lèi) -對(duì)數(shù)據(jù)的各種編輯和修改常常導(dǎo)致信息損失,又由于水印與數(shù)據(jù)緊密結(jié)合,所以也會(huì)影響到水印的檢測(cè)和提取,這些操作統(tǒng)稱(chēng)為攻擊。數(shù)字水印的攻擊技術(shù)可以用來(lái)評(píng)測(cè)數(shù)字水印

6、的性能,它是數(shù)字水印技術(shù)發(fā)展的個(gè)重要方面。如何提高水印的魯棒性和抗攻擊能力是水印設(shè)計(jì)者最為關(guān)注的問(wèn)題。水印攻擊與密碼攻擊一樣,包括主動(dòng)攻擊和被動(dòng)攻擊。主動(dòng)攻擊的目的并不是破解數(shù)字水印,而是篡改或破壞水印,使合法用戶(hù)也不能讀取水印信息。而被動(dòng)攻擊則試圖破解數(shù)字水印算法。相比之下,被動(dòng)攻擊的難度要大得多,但一旦成功,則所有經(jīng)該水印算法加密的數(shù)據(jù)全都失去了安全性。主動(dòng)攻擊的危害雖然不如被動(dòng)攻擊的危害大,但其攻擊方法往往十分簡(jiǎn)單,易于廣泛傳播。無(wú)論是密碼學(xué)還是數(shù)字水印,主動(dòng)攻擊都是一個(gè)令人頭疼的問(wèn)題。對(duì)于數(shù)字水印來(lái)說(shuō),絕大多數(shù)攻擊屬于主動(dòng)攻擊。 -值得一提的是,主動(dòng)攻擊并不等于肆意破壞。以版權(quán)保護(hù)水印

7、為例,如果將嵌入了水印的數(shù)字藝術(shù)品弄得面目全非,對(duì)攻擊者也沒(méi)有好處,因?yàn)樵馐芷茐牡乃囆g(shù)品是無(wú)法銷(xiāo)售的。對(duì)于票據(jù)防偽水印來(lái)說(shuō),過(guò)度損害數(shù)據(jù)的質(zhì)量是沒(méi)有意義的。真正的主動(dòng)水印攻擊應(yīng)該是在不過(guò)多影響數(shù)據(jù)質(zhì)量的前提下,除去數(shù)字水印。 -密碼攻擊一般分為唯密文攻擊(ciphertext only attack)、選擇明文攻擊(chosen plaintext attack)和已知明文攻擊(known plaintext attack)。參照密碼學(xué)的概念,可以定義水印攻擊的幾種情形。 -(1) 唯密寫(xiě)攻擊(stego only attack) -唯密寫(xiě)攻擊是指攻擊者只得到了含有水印的數(shù)據(jù),并不了解水印的內(nèi)

8、容,這是最常見(jiàn)的情形。 -(2) 已知掩蔽信息攻擊(know cover attack) -已知掩蔽信息攻擊是指攻擊者不僅得到了含有水印的數(shù)據(jù),而且還得到了不含有水印的原始數(shù)據(jù),這顯然是攻擊者所希望的。 -(3) 已知水印攻擊(known message attack) -有些攻擊者為了破解水印,常常冒充合法使用者,得到一些已知水印內(nèi)容的數(shù)據(jù),然后分析水印隱藏的位置。這種攻擊與密碼學(xué)中的已知明文攻擊非常相似。 -(4) 選擇密寫(xiě)攻擊(chosen stego attack) -如果攻擊者得到了水印嵌入軟件,就可以嘗試在媒體數(shù)據(jù)中嵌入各種信息,從而構(gòu)成選擇密寫(xiě)攻擊,這是一種最有希望破解數(shù)字水印算

9、法的攻擊。 3數(shù)字水印的攻擊 -如前所述,破解數(shù)字水印算法十分困難,在實(shí)際應(yīng)用中,水印主要面臨的是主動(dòng)攻擊。各種類(lèi)型的數(shù)字水印算法都有自己的弱點(diǎn),例如,時(shí)域擴(kuò)頻隱藏對(duì)同步性的要求嚴(yán)格,破壞其同步性(如數(shù)據(jù)內(nèi)插),就可以使水印檢測(cè)器失效。31 按照攻擊方法分類(lèi)按照數(shù)字水印的攻擊方法可講水印分為四類(lèi)3:魯棒性攻擊(Robustmss attack)、表達(dá)攻擊(Pre-sentation attack) 、解釋攻擊(Interption attack)、合法攻擊(Legal attack)。311 魯棒性攻擊這類(lèi)攻擊其實(shí)是直接攻擊,目的在于擦除或除去在標(biāo)記過(guò)的數(shù)據(jù)中的水印而不影響到像的使用。這類(lèi)攻擊

10、修改圖像像素的值,大體上可再細(xì)分為兩種類(lèi)型:信號(hào)處理攻擊法和分析攻擊法。典型的信號(hào)處理攻擊法包括無(wú)惡意的和常用的一些信號(hào)處理方法,例如:壓縮,濾波,縮放,打印和掃描等我們對(duì)圖像經(jīng)常采取這些處理以適應(yīng)不同的要求,例如:對(duì)圖像進(jìn)行壓縮以得到更快的網(wǎng)絡(luò)傳送速度。信號(hào)處理攻擊法也包括通過(guò)加上噪聲而有意修改圖像,以減弱圖像水印的強(qiáng)度,我們用強(qiáng)度這一術(shù)語(yǔ)來(lái)衡量嵌入水印信號(hào)的幅度相對(duì)于所嵌入的數(shù)據(jù)幅度,類(lèi)似于通信技術(shù)中的調(diào)制系數(shù)這一概念。應(yīng)該指出,人們通常有這佯的誤解:一個(gè)幅度很小的水印可以通過(guò)加上類(lèi)似幅度的噪聲來(lái)除去,實(shí)際上,相關(guān)檢測(cè)器對(duì)隨機(jī)噪聲這類(lèi)攻擊是很穩(wěn)健的。因此,在實(shí)際應(yīng)用中,噪聲并不是嚴(yán)重的問(wèn)題

11、,除非噪聲相對(duì)于圖像來(lái)說(shuō)幅度太大或者噪聲同水印是相關(guān)的。分析攻擊法包括在水印的插入和檢測(cè)階段采用特殊方法來(lái)擦除或減弱圖像中的水印。這類(lèi)攻擊往往是利用了特定的水印方案中的弱點(diǎn),在許多倒子中,它證明了分析研究即已足夠,不必在真買(mǎi)圖像上測(cè)試這類(lèi)攻擊。的共謀攻擊或多重文檔攻擊就是這類(lèi)攻擊,共謀攻擊用同一圖像嵌入了不同水印后的不同版本組臺(tái)而產(chǎn)生一個(gè)新的“嵌入了水印”圖像,從而減弱水印的強(qiáng)度312 表達(dá)攻擊此類(lèi)攻擊有別于穩(wěn)健性攻擊之處在于它并不需要除去數(shù)字產(chǎn)品內(nèi)容中嵌入的水印,它是通過(guò)操縱內(nèi)容從而使水印檢測(cè)器無(wú)法檢測(cè)到水印的存在。例如:表達(dá)攻擊可簡(jiǎn)單地通過(guò)不對(duì)齊一個(gè)嵌入了水印的圖像來(lái)愚弄自動(dòng)水印檢測(cè)器,實(shí)

12、際上在表達(dá)攻擊中并未改變?nèi)魏螆D像像素值。更多的關(guān)于表達(dá)攻擊的例子包括旋轉(zhuǎn),放大及通常的仿射變換該類(lèi)攻擊的主要思想是在檢測(cè)水印之前。水印方案要求嵌入了水印的圖像被正確地對(duì)齊。 觀有的一些圖像及視頻水印方案中,圖像中除嵌入水印外還需嵌入一個(gè)登記摸式以抵抗幾何失真,但在應(yīng)用中、這個(gè)登記模式往往成了水印方案的致命弱點(diǎn)如果正常的登記過(guò)程被攻擊者阻止,那么,水印的檢測(cè)過(guò)程就無(wú)法進(jìn)行而失效。對(duì)一個(gè)成功的表達(dá)攻擊而言,它并不需要擦除或除士水印。為了戰(zhàn)勝表達(dá)攻擊,水印軟件應(yīng)有同人的交互才能進(jìn)行成功的檢測(cè)?;蛘撸O(shè)計(jì)成為能容納通常的表達(dá)模式,盡管在工程上實(shí)現(xiàn)這樣的智能仍是非常困難的。313 解釋攻擊在一些水印方案

13、中??赡艽嬖趯?duì)檢測(cè)出的水印的多個(gè)解釋。例如,一個(gè)攻擊行試圖在忙同一個(gè)嵌入了水印的圖像中再次嵌入另一個(gè)水印,該水印有著與所有者嵌入的水印相同的強(qiáng)度,由于一個(gè)圖像中出現(xiàn)了兩個(gè)水印,所以導(dǎo)致了所有權(quán)的爭(zhēng)議。在解釋攻擊中,圖像像素值或許被改變或或許不被改變。此類(lèi)攻擊往往要求對(duì)所攻擊的特定的水印算法進(jìn)行深入徹底的分析。解釋攻擊中,攻擊者并沒(méi)有除去水印而是在原圖像中“引入”了他自己的水印,從而使水印失去了意義,盡管他并沒(méi)有真正地得到原圖像。在這種情況下,攻擊者同所有者和創(chuàng)造者一樣擁有發(fā)布的圖像的所有權(quán)的水印證據(jù)。對(duì)統(tǒng)計(jì)水印技術(shù)同樣可進(jìn)行解釋攻擊,盡管在統(tǒng)計(jì)水印技術(shù)的檢測(cè)階段不需要原圖像。這種獨(dú)特的攻擊利用

14、了水印方案的可逆性,這個(gè)特性使攻擊者可以加上或減去水印。補(bǔ)救和解決方法包括在插入水印過(guò)程中,加入一個(gè)原圖像的單向HASH函數(shù),使攻擊者除去水印而不產(chǎn)生視覺(jué)上可察覺(jué)的降質(zhì)是不可能的。314 合法攻擊這類(lèi)攻擊同前三類(lèi)攻擊都不同,前三類(lèi)類(lèi)可歸類(lèi)類(lèi)為技術(shù)攻擊,而合法攻擊剛完全不同。攻擊者希望在法庭上利用此類(lèi)攻擊,它們的攻擊是在水印方案所提供的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)或科學(xué)證據(jù)的范圍之外進(jìn)行的。合法攻擊可能包括現(xiàn)有的及將來(lái)的有關(guān)版權(quán)和有關(guān)數(shù)字信息所有權(quán)的法案,因?yàn)樵诓煌乃痉?quán)中,這些法律有可能有不同的解釋。理解和研究合法攻擊要比理解和研究技術(shù)上的攻擊要困難難的多。作為一個(gè)起點(diǎn),我們首先應(yīng)致力于建立一個(gè)綜臺(tái)全面的法律基

15、礎(chǔ)設(shè)施,以確保正當(dāng)?shù)氖褂盟『屠盟〖夹g(shù)提供的保護(hù)。同時(shí),避免合法攻擊導(dǎo)致降低水印應(yīng)有的保護(hù)作用。合法攻擊是難以預(yù)料的,但是一個(gè)真正穩(wěn)健的水印方案必須具備這樣的優(yōu)點(diǎn):攻擊者使法庭懷疑數(shù)字水印方案的有效性的能力降至最低。32 按照攻擊原理分類(lèi)按照數(shù)字水印的攻擊原理可講水印分為下面四類(lèi)6:簡(jiǎn)單攻擊同步攻擊削去攻擊和混淆攻擊。321 簡(jiǎn)單攻擊簡(jiǎn)單攻擊又稱(chēng)為波形攻擊、噪聲攻擊。它試圖對(duì)整個(gè)水印化數(shù)據(jù)進(jìn)行操作來(lái)削弱嵌入的水印的幅度,導(dǎo)致數(shù)字水印提取發(fā)生錯(cuò)誤,甚至根本提取不出水印信號(hào)。常見(jiàn)的操作有線性濾波、通用非線性濾波、壓縮、加噪聲、漂移、像素域量化、數(shù)模轉(zhuǎn)換gamma修正等。簡(jiǎn)單攻擊中的操作會(huì)給水印

16、化數(shù)據(jù)造成類(lèi)噪聲失真,在水印提取和校驗(yàn)過(guò)程中將得到一個(gè)失真變形的水印信號(hào)??梢圆捎脙煞N方法抵抗這種類(lèi)噪聲失真:增加嵌入水印的幅度和冗余嵌入。322 同步攻擊同步攻擊又稱(chēng)為禁止提取攻擊(detection-disabling attacks)。 這種攻擊試圖破壞載體數(shù)據(jù)和水印的同步性。被攻擊的數(shù)字作品中水印仍然存在,而且幅度沒(méi)有變化,但是水印信號(hào)已經(jīng)錯(cuò)位不能維持正常水印提取過(guò)程所需要的同步性。這樣水印提取器就不可能、或者無(wú)法實(shí)行對(duì)水印的恢復(fù)和提取。同步攻擊通常采用幾何變換方法,如縮放、空間方向的平移、時(shí)間方向的平移、旋轉(zhuǎn)、剪切、剪塊、像素置換、二次抽樣化像素或者像素簇的減少或者增加等。同步攻擊比

17、簡(jiǎn)單攻擊更加難以防御。因?yàn)橥焦羝茐乃』瘮?shù)據(jù)中的同步性,使得水印嵌入和水印提取這兩個(gè)過(guò)程不對(duì)稱(chēng)。而對(duì)于大多數(shù)水印技術(shù),水印提取器都需要事先知道嵌入水印的確切位置。這樣經(jīng)過(guò)同步攻擊后水印將很難被提取出來(lái)。因此在對(duì)抗同步攻擊的策略中應(yīng)該設(shè)法使得水印的提取過(guò)程變得簡(jiǎn)單。323 削去攻擊削去攻擊試圖通過(guò)分析水印化數(shù)據(jù),將水印化數(shù)據(jù)分離成為載體數(shù)據(jù)和水印信號(hào),然后拋棄水印,得到?jīng)]有水印的載體數(shù)據(jù)達(dá)到非法盜用的目的。常見(jiàn)的方法有聯(lián)合攻擊、去噪、確定的非線性濾波、采用圖像綜合模型的壓縮。針對(duì)特定的加密算法在理論上的缺陷,也可以構(gòu)造出對(duì)應(yīng)的削去攻擊。聯(lián)合攻擊通常采用一個(gè)數(shù)字作品的多個(gè)不同的水印化拷貝實(shí)現(xiàn)。

18、數(shù)字作品的一個(gè)水印化拷貝成為一個(gè)檢測(cè)體。324 混淆攻擊混淆攻擊又稱(chēng)為死鎖攻擊、倒置攻擊、偽水印攻擊、偽源數(shù)據(jù)攻擊。這種攻擊試圖生成一個(gè)偽源數(shù)據(jù)偽水印化數(shù)據(jù)來(lái)混淆含有真正水印的數(shù)字作品的版權(quán)。 一個(gè)例子是倒置攻擊雖然載體數(shù)據(jù)是真實(shí)的水印信號(hào)也存在但是由于嵌入了一個(gè)或者多個(gè)偽造的水印混淆了第一個(gè)含有主權(quán)信息的水印失去了唯一性。在混淆攻擊中同時(shí)存在偽水印、偽源數(shù)據(jù)、偽水印化數(shù)據(jù)和真實(shí)水印、真實(shí)源數(shù)據(jù)、真實(shí)水印化數(shù)據(jù)。要解決數(shù)字作品正確的所有權(quán),必須在一個(gè)數(shù)據(jù)載體的幾個(gè)水印中判斷出具有真正主權(quán)的水印。一種對(duì)策是采用時(shí)間戳timestamps 技術(shù)。時(shí)間戳由可信的第三方提供,可以正確判斷誰(shuí)第一個(gè)為載體

19、數(shù)據(jù)加了水印。這樣就可以判斷水印的真實(shí)性。33 其他攻擊331 IBM攻擊IBM攻擊是針對(duì)可逆、非肓水印算法而進(jìn)行的攻擊。其原理為:設(shè)原始圖像為I,加入水印WA的圖像為IA=I+WA。攻擊者首先生成自己的水印WF,然后創(chuàng)建一個(gè)偽造的原圖IF=IA-WF,即IA=IF+WF。此后,攻擊者可聲稱(chēng)他擁有l(wèi)A的版權(quán)。因?yàn)楣粽呖衫闷鋫卧煸瓐DIF從原圖l中檢測(cè)出其水印WF;但原作者也能利用原圖從偽造原圖IF中檢測(cè)出其水印WA。這就產(chǎn)生無(wú)法分辨與解釋的情況。防止這攻擊的有效辦法就是研究不可逆水印嵌入算法,如哈希過(guò)程。332 StirMark攻擊StirMark是英國(guó)劍橋大學(xué)開(kāi)發(fā)的水印攻擊軟件4,它采用軟

20、件方法,實(shí)現(xiàn)對(duì)水印載體圖像進(jìn)行的各種攻擊,從而在水印載體圖像中引入一定的誤差,可以以水印檢測(cè)器能否從遭受攻擊的水印載體中提取璀洌出水印信息來(lái)評(píng)定水印算法抗攻擊的能力。如StirMark可對(duì)水印載體進(jìn)行重采樣攻擊,它可以模擬首先把圖像用高質(zhì)量打印機(jī)輸出,然后再利用高質(zhì)量掃描儀掃描重新得到其圖像這一過(guò)程中引入的誤差。另外,StirMark還可以對(duì)水印載體圖像進(jìn)行幾何失真攻擊,它可以以幾乎注意不到的輕微程度對(duì)圖像進(jìn)行拉伸、剪切、旋轉(zhuǎn)等幾何操作。StirMark還通過(guò)一個(gè)傳遞函數(shù)的應(yīng)用,模擬非線性的AD轉(zhuǎn)換器的缺陷所帶來(lái)的誤差,這通常見(jiàn)于掃描儀或顯示設(shè)備。333 馬賽克攻擊馬賽克攻擊方法首先把圖像分割

21、成許多個(gè)小圖像,然后將每個(gè)小圖像放在HTML頁(yè)面上拼湊成個(gè)完鏨的圖像。一般的Web瀏覽器都可以在組織這螳圖像時(shí)在圖像中間不留任何縫隙,并且使這些圖像的整體效果看起來(lái)和原圖一樣從而使得探測(cè)器無(wú)法從中檢測(cè)到侵權(quán)行為。這種攻擊方法主要用于對(duì)付在Internet上開(kāi)發(fā)的自動(dòng)侵權(quán)探測(cè)器,該探測(cè)器包括一個(gè)數(shù)字水印系統(tǒng)和個(gè)Web爬行者。這一攻擊方法的弱點(diǎn)在于,一旦當(dāng)數(shù)字水印系統(tǒng)要求的圖像最小尺寸較小時(shí),則需要分割成非常多的小圖像,這樣將使生成頁(yè)面的二作會(huì)非常繁瑣口。334 跳躍攻擊 跳躍攻擊主要用于對(duì)音頻信號(hào)數(shù)字水印系統(tǒng)的攻擊,其一般實(shí)現(xiàn)方法是在音頻信號(hào)上加入一個(gè)跳躍信號(hào),即首先將信號(hào)數(shù)據(jù)分成500個(gè)采樣點(diǎn)為個(gè)單位的數(shù)據(jù)塊,然后在每一數(shù)據(jù)塊中隨機(jī)復(fù)制或刪除個(gè)采樣點(diǎn)來(lái)得到499或501個(gè)采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)塊,然后將數(shù)據(jù)塊按原來(lái)順序重新組合起來(lái)。實(shí)驗(yàn)表明,這種改變對(duì)古典音樂(lè)信號(hào)數(shù)據(jù)也幾乎感覺(jué)不到,但是卻可以非常有效地阻止水印信號(hào)的檢測(cè)定位,以達(dá)到難以提取水印信號(hào)的目的。類(lèi)似的方法也可以用來(lái)攻擊圖像數(shù)據(jù)的數(shù)字水印系統(tǒng)其實(shí)現(xiàn)方法也非常簡(jiǎn)單,即只要隨機(jī)地刪除一定數(shù)量的像素列

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