一種基于內(nèi)容的圖像文件雕復方法技術

本發(fā)明專利技術一種基于內(nèi)容的圖像文件雕復方法屬于信息安全與計算機應用技術領域，涉及到一種JPEG圖像文件恢復方法，尤其是一種對數(shù)據(jù)存儲設備中已經(jīng)刪除、相關文件系統(tǒng)元信息遭到破壞時的JPEG圖像文件恢復方法。雕復方法首先使用操作系統(tǒng)提供的相關接口，獲取需要進行雕復操作的存儲設備的全部數(shù)據(jù)塊的有序集合；然后進行預處理，獲得待雕復數(shù)據(jù)塊集合；最后，在待雕復數(shù)據(jù)塊集合中進行雕復。本發(fā)明專利技術適用于包括NAND閃存設備在內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲設備，并且不受文件系統(tǒng)的存在與否影響，準確率較高。能在傳統(tǒng)算法無法工作的非連續(xù)存儲的數(shù)據(jù)存儲設備上正常工作，可以在刑事偵查、數(shù)據(jù)恢復領域幫助相關人員恢復重要的JPEG圖像數(shù)據(jù)。

【技術實現(xiàn)步驟摘要】
一種基于內(nèi)容的圖像文件雕復方法
本專利技術屬于信息安全與計算機應用
，涉及到一種JPEG圖像文件恢復方法，尤其是一種對數(shù)據(jù)存儲設備中已經(jīng)刪除、相關文件系統(tǒng)元信息遭到破壞時的JPEG圖像文件恢復方法。
技術介紹
在刑事偵查過程以及數(shù)據(jù)恢復中，從數(shù)據(jù)存儲設備中恢復出原有的文件是一項重要步驟，這個過程稱為雕復。其中數(shù)據(jù)存儲設備是指計算機系統(tǒng)中存儲二進制數(shù)據(jù)的外部存儲器。現(xiàn)代計算機使用最廣泛的數(shù)據(jù)存儲設備是硬盤。在硬盤上，操作系統(tǒng)傾向于將文件數(shù)據(jù)塊連續(xù)存放，因此，在文件系統(tǒng)損壞或者文件被誤刪除后，通過硬盤的連續(xù)的邏輯地址可以恢復出原有的文件數(shù)據(jù)。JPEG是當前世界上使用最廣泛的計算機圖像壓縮和存儲格式。由于文件在硬盤上是近似于連續(xù)存儲的，目前的JPEG圖像雕復方法通過JPEG文件的文件頭標志SOI和文件尾標志EOI能夠輕易地定位到其起始位置和結(jié)束位置，然后通過一定的方法排除掉兩個位置中間的異常數(shù)據(jù)塊，將剩余的數(shù)據(jù)塊按順序組合在一起，即可得到雕復完成的JPEG圖像文件。隨著技術的發(fā)展，基于與非門(NAND)閃存的存儲設備得到了快速發(fā)展。NAND閃存是一種電子可擦除程序化只讀存儲器，是一種能夠多次擦寫的存儲器。相對硬盤，其具有讀寫速度快、耗電低、噪音小、抗震性能好的優(yōu)勢，必將成為未來的主流存儲設備。限于NAND閃存設備的物理特性，在其之上的文件存儲并不是連續(xù)的，而是碎片化的，這將使現(xiàn)有的雕復方法無法正常工作。迄今為止，針對該設備上的文件雕復方法的研究還很少。
技術實現(xiàn)思路
本專利技術要解決的技術問題是如何在包括NAND閃存設備在內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲設備上雕復JPEG圖像文件。通過本方法，在連續(xù)和不連續(xù)存儲的存儲設備上，即使文件系統(tǒng)損壞或是文件被刪除，仍然可以雕復出原始的JPEG圖像文件。本專利技術能滿足數(shù)據(jù)恢復和計算機取證工作的需要，對用戶計算機中的JPEG圖像進行雕復。本專利技術采用的技術方案是一種基于圖像內(nèi)容的JPEG文件雕復方法，雕復方法首先通過操作系統(tǒng)獲取需要雕復的存儲設備的全部數(shù)據(jù)塊，然后經(jīng)過預處理方法對其進行篩選得到待雕復數(shù)據(jù)塊集合，最后經(jīng)過雕復過程得到雕復完成的JPEG圖像文件。方法的具體步驟如下：1.獲取需要進行雕復操作的存儲設備的全部數(shù)據(jù)使用操作系統(tǒng)提供的相關接口，獲取需要進行雕復操作的存儲設備的全部數(shù)據(jù)。這里的存儲設備是指需要在其中進行雕復工作的整個存儲設備或者單個分區(qū)。這些數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)塊的形式存在，數(shù)據(jù)塊的大小和順序與原始存儲設備上的簇一致。將所有數(shù)據(jù)塊組成一個集合。獲得的集合稱為原始數(shù)據(jù)塊集合。2.預處理為了降低上一步獲得的原始數(shù)據(jù)塊集合的規(guī)模，需要進行預處理。根據(jù)JPEG圖像標準，JPEG圖像文件由標記和標記段分割。將原始數(shù)據(jù)塊集合分為JPEG圖像頭數(shù)據(jù)塊集合和非JPEG圖像頭數(shù)據(jù)塊集合。分類依據(jù)為：若某個數(shù)據(jù)塊和它之后毗鄰的若干個數(shù)據(jù)塊能夠按原有順序組成滿足JPEG圖像標準規(guī)定的、不間斷的、從SOI標記到SOS標記段的二進制數(shù)據(jù)流，則該數(shù)據(jù)流中字節(jié)所屬的數(shù)據(jù)塊全部屬于JPEG圖像頭數(shù)據(jù)塊集合；否則，數(shù)據(jù)塊屬于非JPEG圖像頭數(shù)據(jù)塊集合。然后，從非JPEG圖像頭數(shù)據(jù)塊集合中排除掉滿足以下任一條件的數(shù)據(jù)塊：(a)數(shù)據(jù)流包含JPEG圖像標準保留的標記：0xFFF0～0xFFED、0xFF02～0xFFBF；(b)不包含EOI標記，且熵值低于某個閾值。其中，數(shù)據(jù)塊的熵值定義如公式(1)：pi為該數(shù)據(jù)塊中，值為i的字節(jié)的出現(xiàn)的頻率。最后，將兩個集合合并，生成的集合稱為待雕復數(shù)據(jù)塊集合。3.雕復在待雕復數(shù)據(jù)塊集合中進行雕復。在YCbCr色彩空間中，定義兩像素P1(Y1,Cb1,Cr1)和P2(Y2,Cb2,Cr2)之間的距離如公式(2)：根據(jù)JPEG圖像標準，JPEG圖像數(shù)據(jù)是以最小編碼單元為單位進行編碼的。對于JPEG圖像文件的第i個數(shù)據(jù)塊，定義其前向匹配距離如式(3)：其中Pi,j是第j個滿足以下任一條件的像素：(1)該像素所在的最小編碼單元的數(shù)據(jù)完全來自于第i個數(shù)據(jù)塊，且該像素與在對第i個數(shù)據(jù)塊解碼之前已經(jīng)獲得的某一像素P′i,j相鄰；(2)該像素所在的最小編碼單元的數(shù)據(jù)來自于第i個數(shù)據(jù)塊和第i-1個數(shù)據(jù)塊，且該像素與已經(jīng)獲得的某一像素P′i,j相鄰。雕復算法流程如下：步驟一：在待雕復數(shù)據(jù)塊集合中尋找一個由SOI標記開始的數(shù)據(jù)塊。若找不到這樣的數(shù)據(jù)塊，算法結(jié)束，否則轉(zhuǎn)入步驟二。步驟二：將該數(shù)據(jù)塊從待雕復數(shù)據(jù)塊中排除。使用JPEG解碼器對該數(shù)據(jù)塊以及與其毗鄰的若干后續(xù)數(shù)據(jù)塊進行解碼，直至解出完整的一行最小編碼單元為止。若這一過程無法完成，放棄當前圖像的雕復，轉(zhuǎn)入步驟一，否則繼續(xù)解碼到當前數(shù)據(jù)塊結(jié)束，轉(zhuǎn)入步驟三。步驟三：保存此時解碼器的工作情況，即解碼狀態(tài)和相關內(nèi)存區(qū)域，稱為斷點，k＝1。轉(zhuǎn)入步驟四。步驟四：恢復解碼器的工作情況至斷點。從待雕復數(shù)據(jù)塊集合中取第k個數(shù)據(jù)塊，拼接到斷點處繼續(xù)解碼至該數(shù)據(jù)塊結(jié)束。此時計算并保存該數(shù)據(jù)塊的前向匹配距離。如果解碼過程觸發(fā)解碼器的異常，則認為該數(shù)據(jù)塊的前向匹配距離為無窮大。轉(zhuǎn)入步驟五。額外的，如果一個數(shù)據(jù)塊包含的數(shù)據(jù)未能成功解出一個完整的最小編碼單元，放棄當前圖像的雕復，轉(zhuǎn)入步驟一。步驟五：若k等于待雕復數(shù)據(jù)塊集合的元素個數(shù)，即對該集合的遍歷已經(jīng)結(jié)束，在已經(jīng)保存的所有前向匹配距離中尋找最小值，將該值對應的數(shù)據(jù)塊作為下一個正確的數(shù)據(jù)塊，拼接到斷點后，解碼至該數(shù)據(jù)塊結(jié)束，轉(zhuǎn)入步驟六；否則，k＝k+1，轉(zhuǎn)入步驟四。步驟六：若達到了雕復結(jié)束的條件，將當前獲得的所有數(shù)據(jù)塊按順序輸出成為雕復完成的JPEG圖像文件，轉(zhuǎn)入步驟一；否則，轉(zhuǎn)入步驟三。最終，得到的全部輸出文件即雕復完成的JPEG圖像。本專利技術的有益效果是根據(jù)JPEG圖像的內(nèi)容特征，專利技術了一種基于圖像內(nèi)容的JPEG文件雕復方法，該方法在尋找每個數(shù)據(jù)塊時對整個集合進行遍歷，挑選與已經(jīng)解碼完成的圖像最匹配的數(shù)據(jù)塊作為正確的數(shù)據(jù)塊，能夠在傳統(tǒng)的硬盤和新式的NAND閃存設備上雕復被刪除的JPEG圖像，具有很高的準確率。附圖說明圖1是本專利技術雕復過程的流程圖。圖2是計算數(shù)據(jù)塊的前向匹配距離的示意圖。其中，右側(cè)圖形是一幅JPEG圖像，1、2、3、4、5、6、7、8、9—9個方格為最小編碼單元。具體實施方式以下結(jié)合技術方案和附圖詳細敘述本專利技術的具體實施方式。附圖1是本專利技術雕復過程的流程圖，附圖2是計算數(shù)據(jù)塊的前向匹配距離的示意圖，其中，右側(cè)圖形代表一幅JPEG圖像，該圖像由上下兩個數(shù)據(jù)塊組成，9個方格代表9個最小編碼單元。兩個數(shù)據(jù)塊的邊界發(fā)生在5號最小編碼單元中，即解碼得到5號最小編碼單元需要上下兩個數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)。左側(cè)圖形是右側(cè)圖形的放大圖，每個最小編碼單元中的小方格代表一個像素。要根據(jù)公式(3)，計算下方數(shù)據(jù)塊的前向匹配距離包含的像素是圖中用深色標記出的像素。實驗設本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術保護點】
一種基于內(nèi)容的圖像文件雕復方法，其特征在于：首先使用操作系統(tǒng)提供的相關接口，獲取需要進行雕復操作的存儲設備的全部數(shù)據(jù)塊的有序集合；然后進行預處理，獲得待雕復數(shù)據(jù)塊集合；最后，在待雕復數(shù)據(jù)塊集合中進行雕復；所述預處理包括以下步驟：分類：將原始數(shù)據(jù)塊集合分為JPEG圖像頭數(shù)據(jù)塊集合和非JPEG圖像頭數(shù)據(jù)塊集合；分類依據(jù)為：若某個數(shù)據(jù)塊和它之后毗鄰的若干個數(shù)據(jù)塊能夠按原有順序組成滿足JPEG圖像標準規(guī)定的、不間斷的、從SOI標記到SOS標記段的二進制數(shù)據(jù)流，則該數(shù)據(jù)流中字節(jié)所屬的數(shù)據(jù)塊全部屬于JPEG圖像頭數(shù)據(jù)塊集合；否則，數(shù)據(jù)塊屬于非JPEG圖像頭數(shù)據(jù)塊集合；然后，從非JPEG圖像頭數(shù)據(jù)塊集合中排除掉滿足以下任一條件的數(shù)據(jù)塊：(a)數(shù)據(jù)流包含JPEG圖像標準保留的標記：0xFFF0～0xFFED、0xFF02～0xFFBF；(b)不包含EOI標記，且熵值低于某個閾值；其中，數(shù)據(jù)塊的熵值定義如公式(1)：E=-Σi=0255pilog2pi---(1)]]>其中，pi為該數(shù)據(jù)塊中，值為i的字節(jié)的出現(xiàn)的頻率；最后，將兩個集合合并，生成的集合稱為待雕復數(shù)據(jù)塊集合；所述在待雕復數(shù)據(jù)塊集合中進行雕復的過程：在YCbCr色彩空間中定義兩像素P1(Y1,Cb1,Cr1)和P2(Y2,Cb2,Cr2)之間的距離如公式(2)：Distance(P1,P2)=(Y1-Y2)2+(Cb1-Cb2)2+(Cr1-Cr2)2---(2)]]>對于JPEG圖像文件的第i個數(shù)據(jù)塊，定義其前向匹配距離如式(3)：ForwardDistance(i)=1nΣi=1nDistance(pi,j,Pi,j′)---(3)]]>其中，Pi,j是第j個滿足以下任一條件的像素：(a)該像素所在的最小編碼單元的數(shù)據(jù)完全來自于第i個數(shù)據(jù)塊，且該像素與在對第i個數(shù)據(jù)塊解碼之前已經(jīng)獲得的某一像素P′i,j相鄰；(b)該像素所在的最小編碼單元的數(shù)據(jù)來自于第i個數(shù)據(jù)塊和第i?1個數(shù)據(jù)塊，且該像素與已經(jīng)獲得的某一像素P′i,j相鄰；步驟一：在待雕復數(shù)據(jù)塊集合中尋找一個由SOI標記開始的數(shù)據(jù)塊；若找不到這樣的數(shù)據(jù)塊，算法結(jié)束，否則轉(zhuǎn)入步驟二；步驟二：將該數(shù)據(jù)塊從待雕復數(shù)據(jù)塊中排除；使用JPEG解碼器對該數(shù)據(jù)塊以及與其毗鄰的若干后續(xù)數(shù)據(jù)塊進行解碼，直至解出完整的一行最小編碼單元為止；若這一過程無法完成，放棄當前圖像的雕復，轉(zhuǎn)入步驟一，否則繼續(xù)解碼到當前數(shù)據(jù)塊結(jié)束，轉(zhuǎn)入步驟三；步驟三：保存此時解碼器的工作情況，即解碼狀態(tài)和相關內(nèi)存區(qū)域，稱為斷點，k＝1；轉(zhuǎn)入步驟四；步驟四：恢復解碼器的工作情況至斷點；從待雕復數(shù)據(jù)塊集合中取第k個數(shù)據(jù)塊，拼接到斷點處繼續(xù)解碼至該數(shù)據(jù)塊結(jié)束；此時計算并保存該數(shù)據(jù)塊的前向匹配距離；如果解碼過程觸發(fā)解碼器的異常，則認為該數(shù)據(jù)塊的前向匹配距離為無窮大；轉(zhuǎn)入步驟五；額外的，如果一個數(shù)據(jù)塊包含的數(shù)據(jù)未能成功解出一個完整的最小編碼單元，放棄當前圖像的雕復，轉(zhuǎn)入步驟一；步驟五：若k等于待雕復數(shù)據(jù)塊集合的元素個數(shù)，即對該集合的遍歷已經(jīng)結(jié)束，在已經(jīng)保存的所有前向匹配距離中尋找最小值，將該值對應的數(shù)據(jù)塊作為下一個正確的數(shù)據(jù)塊，拼接到斷點后，解碼至該數(shù)據(jù)塊結(jié)束，轉(zhuǎn)入步驟六；否則，k＝k+1，轉(zhuǎn)入步驟四；步驟六：若達到了雕復結(jié)束的條件，將當前獲得的所有數(shù)據(jù)塊按順序輸出成為雕復完成的JPEG圖像文件，轉(zhuǎn)入步驟一；否則，轉(zhuǎn)入步驟三；最終，得到的全部輸出文件即雕復完成的JPEG圖像。...

【技術特征摘要】
1.一種基于內(nèi)容的圖像文件雕復方法，其特征在于：首先使用操作系統(tǒng)提供的相關接口，獲取需要進行雕復操作的存儲設備的全部數(shù)據(jù)塊的有序集合；然后進行預處理，獲得待雕復數(shù)據(jù)塊集合；最后，在待雕復數(shù)據(jù)塊集合中進行雕復；所述預處理包括以下步驟：分類：將原始數(shù)據(jù)塊集合分為JPEG圖像頭數(shù)據(jù)塊集合和非JPEG圖像頭數(shù)據(jù)塊集合；分類依據(jù)為：若某個數(shù)據(jù)塊和它之后毗鄰的若干個數(shù)據(jù)塊能夠按原有順序組成滿足JPEG圖像標準規(guī)定的、不間斷的、從SOI標記到SOS標記段的二進制數(shù)據(jù)流，則該數(shù)據(jù)流中字節(jié)所屬的數(shù)據(jù)塊全部屬于JPEG圖像頭數(shù)據(jù)塊集合；否則，數(shù)據(jù)塊屬于非JPEG圖像頭數(shù)據(jù)塊集合；然后，從非JPEG圖像頭數(shù)據(jù)塊集合中排除掉滿足以下任一條件的數(shù)據(jù)塊：(a)數(shù)據(jù)流包含JPEG圖像標準保留的標記：0xFFF0～0xFFED、0xFF02～0xFFBF；(b)不包含EOI標記，且熵值低于閾值5.0；其中，數(shù)據(jù)塊的熵值定義如公式(1)：其中，pi為該數(shù)據(jù)塊中，值為i的字節(jié)的出現(xiàn)的頻率；最后，將兩個集合合并，生成的集合稱為待雕復數(shù)據(jù)塊集合；所述在待雕復數(shù)據(jù)塊集合中進行雕復的過程：在YCbCr色彩空間中定義兩像素P1(Y1,Cb1,Cr1)和P2(Y2,Cb2,Cr2)之間的距離如公式(2)：對于JPEG圖像文件的第i個數(shù)據(jù)塊，定義其前向匹配距離如式(3)：

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：孔祥維，張博，
申請(專利權)人：大連理工大學，
類型：發(fā)明
國別省市：遼寧;21