（信号与信息处理专业论文）基于dwt的双水印图像认证算法研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 i 基于 dwt 的双水印图像认证算法研究 摘 要 针对目前基于数字水印的数字图像认证算法恢复图像原始内容 的能力欠佳的现状本文提出了三种基于离散小波变换的数字图像 认证算法它们都具有很强的篡改检测和恢复能力 要实现篡改图像的恢复就要有足够多的图像信息而一幅图 像的数据嵌入容量是有限的要将图像的全部信息自嵌入又不影 响图像的可视性必须经过高效的数据压缩而小波变换多分辨率 分解的优良特性既能大幅度的压缩图像数据又能很好的保留图 像的绝大部分的信息最新的图像压缩标准 jpeg2000 正是基于离 散小波变换的于是本文选择使用离散小波变换来进行图像内容的 提取即经过两次离散小波变换得到图像的低频子带将其作为 数字水印自嵌入到自身图像中 第一种算法是空域嵌入算法将图像经过二次小波变换提取出 来的图像信息嵌入图像的最低有效位要实现数据的有效嵌入首 先得对待嵌入信息和嵌入空间进行研究看二者是否匹配本文选 择了 5 幅 512512 的 256 级灰度的标准测试图像来研究图像经过二 次离散小波变换后得到的低频子带信息经过研究发现这 5 幅图像 经过变换后的低频子带小波系数都是非负的 而且严格介于 0到 1024 之间其中绝大部分系数分布在 100 到 800 之间如果将低频小波 系数矩阵进行二进制位平面分解则可以得到 10 个与低频系数矩阵 太原理工大学硕士研究生学位论文 ii 大小相等的二值矩阵而原始图像经过了二次小波分解低频子带 系数矩阵大小变成了原来图像的 1/16要在原始图像的最低有效位 平面中嵌入 10 个低频系数矩阵大小的二值矩阵空间的容量是足够 的而且还有足够的余量对嵌入位置进行加密选择所以该水印算 法是可行的由于水印的嵌入和提取过程都是无信息丢失的所以 最终能从含水印的图像中提取出完整的图像信息 第二种算法是 dwt 变换域嵌入算法由于人眼对低频信息比 较敏感在其中嵌入水印信息很容易被人察觉而高频信息又容 易被低通滤波过滤掉于是选择将水印信息嵌入到中频子带中本 文选择 lh2hl2hh2 子带来嵌入水印信息 ll2由于 ll2 小波 系数都比较大介于 0 到 1024 之间嵌入难度较大本文提出了一 种将 ll2 小波系数按个十百位进行分解的思想从而有效降低了嵌 入难度将 ll2 分解成 3 个个位数的矩阵之后分别进行密钥参与 的置乱后分别嵌入到 lh2hl2hh2 子带小波系数的个位然 后进行二次小波逆变换得到嵌入水印信息的矩阵 第三种算法是将前两种空域和变换域算法进行有效融合从而 提出了双重多功能性水印数字图像认证算法该算法可以从精确认 证和选择性认证两个层面对图像进行认证有效提高了图像中水印 信息嵌入量对于图像篡改检测和恢复都具有很好的效果 关键词dwtlsb双水印图像认证图像恢复 太原理工大学硕士研究生学位论文 iii research on dual watermarking image authentication algorithm based on dwt abstract in view that digital image authentication algorithm based on digital watermarking has the poor ability to restore the original image, this paper presents three digital image authentication algorithms based on discrete wavelet transform, which all have strong tamper detection and recovery capabilities. to recover the distorted images, we must have enough image information. and the data embedding capacity of the image is limited.to embed all the information of an image to itself, without affecting the visibility of the image, data compression must be highly efficient.the wavelet has the good multi-resolution decomposition features,which both have a significant compression of image data, but also retain most of the information of an image. the latest image compression standard jpeg2000 is based on discrete wavelet transform. therefore this article use discrete wavelet transform to get the information of the image,which is by two discrete wavelet transform to obtain images of low-frequency 太原理工大学硕士研究生学位论文 iv sub-band, as a digital watermark embedded in their own. the first algorithm is the spatial embedding algorithm, to embed the image information in lsb.to embed the data effectively, firstly we research the embedded information and the embedding space, to see whether it matches or not. this article selected five standard test images of the 256 grayscale and 512 by 512 to research its low-frequency sub- band information.the research found that they are non-negative, and strictly between 0 and 1000, most of which between 100 and 800. through binary bit-plane decomposition we can get 10 matrixes which have the same size of low frequency coefficient matrix. through second wavelet decomposition, the size of low frequency sub-band coefficient matrix is sixteenth of the one of the original image. ten binary matrix of the same size of the low-frequency coefficient matrix embedded in the least significant bit-plane of the original image, the space capacity is enough.we also have sufficient margin to encrypt the embedded position selection. therefore, the watermarking algorithm is feasible. because the watermark embedding and extraction processes have no loss of the information, we can extract the complete information of the original image from the watermarked image. the second algorithm is the dwt transform domain embedding algorithm. since the human eye is sensitive to low frequency information, in which the watermark information embedded can be easily detected. 太原理工大学硕士研究生学位论文 v the high-frequency information is filtered out easily by low-pass filter. then we choose to embed watermark in the frequency sub-band. this choice is lh2, hl2, hh2 embedded watermark ll2. as ll2 wavelet coefficients was relatively large, between 0 and 1000, embedding more difficult. this paper presents a method of decomposition of wavelet coefficients by-digits, thus effectively reducing the difficulty of embedding.the ll2 all broken down into three-digit matrix, respectively scrambling with the key,were embedded in the lh2, hl2, hh2 subband wavelet coefficients bits,then inverse discrete wavelet transform twice,so get the embedded watermark matrix. the third method is effective integrate the former two algorithms, which proposed dual watermarking algorithm for digital image authentication. the algorithm can make two aspects of image authentication that is accurately authentication and selective certification.the algorithm also effectively improves the watermark information amount of the watermarked image and has very good results for image tamper detection and recovery. key words: dwt, lsb, dual watermarking, image authentication, image restoration 声 明 本人郑重声明所呈交的学位论文是本人在指导教师的指导下独立 进行研究所取得的成果除文中已经注明引用的内容外本论文不包含其他 个人或集体己经发表或撰写过的科研成果对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体均己在文中以明确方式标明本声明的法律责任由本人承担 论文作者签名 日期 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管使用学位论文的规定其中包括 ? 1学校有权保管 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件? 2学校可以采 用影印缩印或其它子复制手段复制并保存学位论文? 3学校可允许学位论文 被查阅或借阅? 4学校可以学术交流为目的 复制赠送和交换学位论文? 5学 校可以公布学位论文的全部或部分内容保密学位论文在解密后遵守此规 定 签 名 日期 导师签名 日期 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 第一章 绪论 1.1 课题研究背景及意义 二十一世纪是数字化信息化的时代在人类社会生活的各个角落信息无处 不在在商业界信息甚至成了财富的代名词谁掌握了最新的商业消息谁就掌握了 商业的主动权当然在科技领域资讯也是尤为重要的只有掌握了科技领域的前沿 信息你才能站在科技的最前沿做出令世人瞩目的成就随着网络化的普及人类 进入了信息时代各种数字信息在网上泛滥尤其是多媒体信息如音乐电影以及 图片更是成为人们肆意下载传播的对象在人们享受信息化带来的便利的同时 某些人的合法权益也在受到侵害由于数字化的产品容易被别人修改很多数字化产 品的版权问题越来越受到人们的重视而数字图像作为数字媒体信息的重要组成部分 更是成为人们重点保护的对象人们在很多时候希望图片能够无失真的传输到目的地 在被篡改以后能够恢复成原始的图像例如政府机要法庭举证医疗记录和历史文 献等重要内容如果遭到了人们有意或无意的篡改就可能会导致很严重的后果为 此数字图像认证技术便应运而生了图像认证技术是通过检测图像内容信息的完整 性和真实性来判断图像是否被恶意篡改它分为两类基于数字签名的图像认证和基 于数字水印的图像认证 传统认证技术并不适于验证图像内容的真实性因为传统认证技术是一种严格的 认证技术在数据的传输过程中认证系统不容许数据有任何改变这样就限制了这 种认证机制的应用尤其是对图像内容的认证人们不仅希望知道图像有没有被改动 还想知道改动是否影响了图像的内容以及能否从改动过的图像中还原出原始的图像 目前脆弱水印只能检测图像是否被篡改没有恢复能力或者恢复能力有限而半脆弱 水印可以进行图像内容的认证但是对于图像是否有轻微的改动却无能为力前者 是篡改检测粒度过小后者是篡改检测粒度过大我们需要一种检测粒度可调或者双 检测粒度的图像认证算法 在这样的背景下一种基于图像内容的图像认证技术逐渐发展起来这种图像认 证技术不仅能够鉴定图像是否有改动还能对图像的改动幅度进行鉴定是否涉及到 图像内容的改动检测出改动后有足够的能力恢复出原始图像因此这种图像认证技 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 术具有非常重要的实际意义和应用价值 1.2 国内外研究现状 图像认证技术分为两类精确认证和选择性认证前者是一种密码学意义上的严 格的数据认证而选择性图像认证能够容忍一定误差的认证机制即允许数字图像有 一定程度的改动例如适度的 jpeg压缩去噪和对比度调整等图像内容不变的处理 能够区分恶意和非恶意的操作同时能检测出删除篡改等改动图像内容的恶意操作 并且能够准确定位出图像被删除篡改的具体位置本文研究的基于 dwt的图像认证 技术既能用于精确图像认证技术也能用于模糊图像认证它是两者结合的产物对 于图像的认证提供两个级别的认证一是图像是否有丝毫改动二是篡改的幅度有多 大是否影响了图像的真实内容在图像认证技术中主要用到两种技术数字签名 和数字水印技术 到目前为止国内外学者对于数字水印和数字签名已经做了大量的研究工作并 且已经提出了很多具有应用价值的图像认证方案基于数字签名的图像认证方案主要 是通过某种映射或方法从图像中提取出认证摘要信息然后通过某种渠道告知接收方 接收方用同样的映射或方法从接收到的图像中提取认证摘要信息然后对比二者是否 有差异无差异则通过认证有差异则认证失败而基于数字水印的图像认证是从图 像中提取出图像的特征信息或者与图像无关的水印信息再嵌入到原始图像中然后 由接收方通过提取水印信息来进行图像认证数字签名由于需要额外传送摘要信息 增加了系统的复杂性和风险性而数字水印将认证信息嵌入到图片中减少了额外传 输的风险更易于实现 基于水印的图像认证最初都是在空域进行的以后逐渐拓展到变换域和压缩域 空间域认证方法主要包括两类基于像素的水印和基于分块的基于像素的水印算 法主要是基于 lsb 的方法就是将水印图像嵌入到载体图像的最低有效位平面上这 种方法简单实用且容易实现但是对噪声非常敏感不容许对图像有任何的改动文 献1提出的方案是将原始图像的所有像素值中高 7 位的校验和作为水印信息嵌入到 图像的最低有效位上其中位置的选择跟高 7 位的校验和有关系在认证的时候通 过比较提取的水印信息与图像的校验和来判断图像是否被恶意篡改这种方案的优点 是只需要修改一半的像素就能完成水印信息的嵌入psnr 比较高缺点是系统的安全 性不高容易遭受 lsb 替换攻击文献2中提出的方案是先将图像的 lsb 置零然 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 后将水印信息进行 rs 编码最后再把编码后的水印信息嵌入在原始图像的最低有效位 上这种方案不但具有检错的能力还具有一定的纠错能力基于分块的脆弱水印 是先将图像分块然后将水印信息嵌入到各自分块中文献3提出的方案是先将图像 分割为各个独立的小块然后将各自的水印分别嵌入到各个独立的小块上由于这种 基于分块的算法中各个分块是独立的因此它的缺点就是不能抵抗伪造真实图像的量 化攻击文献4提出的方案为了消除文献3中算法的分块独立性采用了分层的分块 认证方法来进行认证 图像在传输过程中很多是压缩后传输的为了获得很高的压缩比人们会进行 有损压缩jpeg 压缩就是一种有损压缩而有损压缩中使用最广泛的是 dct 变换和 小波变换等方法而且变换域更善于提取图像的特征因此变换域认证算法越来越多 变换域认证方法是通常对图像的变换域系数进行操作将水印信息嵌入到图像的变换 域系数中或者是在图像变换域上提取水印信息文献5和文献6中提出的方案都是 基于小波变换的文献5中嵌入水印的过程是通过量化 haar 小波变换系数来实现的 而文献6则是先对原始图像进行 spiht压缩然后把水印信息嵌入到经过 spiht 压缩 的小波系数中文献7提出的方案中通过对原始图像进行 jpeg 量化然后取量化后 的 dct 低频系数进行二进制编码得到水印信息然后嵌入到图像的最低有效位由于 该方案采用了纠错编码技术因此可以在一定程度上恢复原始图像的内容文献8 中提出的方案是先对原始图像的每个 88 图像块进行 dct变换然后利用 jpeg 量化 矩阵对 dct 低频系数分别进行量化再利用 zigzag 扫描这些量化后的系数并对其进 行编码最后将编码后的数据嵌入到图像的 lsb 平面上这种方案的优点是可以根据 提取的水印信息近似的复原图像缺点是嵌入的水印极其脆弱图像 lsb 平面上像素 值的任何微小变化都可能导致认证失败经过研究和分析发现变换域方法突出的优 点就是能够较好抵抗现有的压缩标准能够在容许一定压缩比的情况下有效地检测出 篡改区域并且将其定位缺点是对于篡改区域的定位一般是 88 大小的块精确度不 如空间域水印定位 经过对以上算法的分析不难发现到目前为止数字图像认证主要基于两种技 术一种是基于数字签名的图像认证技术需要传递额外的摘要信息而摘要信息需 要加密传送或者随图像一起传送而接收方需要原图像参与摘要的提取认证方案比 较复杂另一种是基于数字水印的图像认证技术有脆弱水印适合于精确图像认证 但篡改恢复能力有限半脆弱水印对正常的图像操作有一定的鲁棒性但篡改恢复能 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 力仍然有待改善所以我们有必要研究一种篡改检测篡改定位及恢复功能较强的基 于数字水印的认证算法 1.3 本文的主要工作 基于小波变换的双水印认证系统中本文主要完成了以下工作 (1)对目前基于水印的数字图像认证典型算法进行了深入研究提出了两种基于小 波变换的数字图像认证系统一种是自嵌入到图像的 lsb 位平面的另一种是自嵌入 到二次 dwt小波变换后的中频小波系数中它们都具有较强的图像篡改检测能力 (2)将上述两种算法有机结合起来提出了双水印数字图像认证系统大大增强了 数字图像认证系统的认证能力 (3)针对图像二次小波变换后低频小波系数数值较大不方便嵌入到图像中于是 提出了小波系数分解的思想本人按照个十百这种十进制位来对低频系数进行分解 降低了嵌入难度 1.4 本文的结构安排 本文的结构安排 第一章是绪论主要介绍了国内外数字图像认证系统的研究现状第二章介绍了 数字水印的原理分类应用和典型算法以及具体用于认证的水印算法第三章介绍 了人类视觉系统(hvs)和混沌理论,并对数字水印的生成和嵌入算法进行了深入研究 第四章介绍了两种基于 dwt小波变换的图像认证算法第五章提出了一种双重多功 能水印数字图像认证算法最后对本论文的工作进行了总结并指出进一步的研究 方向 太原理工大学硕士研究生学位论文 5 第二章 基于水印的图像认证技术研究 2.1 数字水印 2.1.1 数字水印的起源 数字水印来源于传统水印传统水印是指通过一定的物理手段将某些图像隐藏到 纸张中如纸币上的水印邮票发票上的水印等这些水印都有一个共同的特点就是 可见性因为如果看不到水印那么添加的水印就没有意义了最早的水印出现在 13 世纪意大利的 fabriano 镇通过在纸模中加入细线模板当纸浆流入时存在细线的 区域会略薄更透明一些这就是最初的水印图形到了 18 世纪在欧洲和美国制造 的产品中纸水印已经变得非常实用水印被用作商标记录纸张的生产日期显示 原始纸张的尺寸后来水印开始用于纸币和其它文件的防伪措施纸水印的存在既 不影响美感也不影响纸张的使用中国是世界上最早发明造纸术的国家也是最早 使用纸币的国家北宋初年四川成都民间发明了交子交子上的印文就是一种水 印技术 纸张水印和消隐技术启发了在数字环境下水印的使用数字水印的产生最早可追 溯到 1954 年它的产生源于对音乐作品的版权保护在 1954 年美国 muzak 公司的 emil hembrooke 为带有水印的音乐作品申请了一项专利此后水印技术得到了广泛 地应用但当时数字水印只是作为一种版权认证的工具直到 1993 年tirkel 等所撰 写的electronic water mark一文中首次使用了水印(water mark)一词这一命名标志 着数字水印技术研究学科的诞生 数字水印是指在数字化的数据内容中嵌入不明显的记号即将带有标识作用的数 字水印信息嵌入到数字载体中但不影响原载体的使用价值也不容易被人的感知系 统所察觉通过这些隐藏在数字载体中的水印信息可以达到确认内容创建者购买 者传送隐秘信息或者判断数字载体是否被篡改等目的与传统水印相比数字水印 具有诸多优点无磨损隐蔽性和保密性 数字水印是一个横跨计算机科学生理学密码学数据通信等多门学科并与 网络的发展密切相关的交叉科学它作为一种新兴技术具有巨大的潜在应用市场 对它的研究具有重要的学术和实用价值 太原理工大学硕士研究生学位论文 6 2.1.2 数字水印的基本原理 数字水印的原理即水印信息之所以能隐藏在多媒体数据中主要是基于以下两个 特点 1多媒体信息本身具有很大的冗余性从信息论的观点来看未压缩的多媒体信 息的编码率是很低的所以将某些信息嵌入到多媒体信息中进行秘密传送是完全可行 的并不会影响多媒体信息本身的传送和使用 2人眼或人耳对某些信息拥有一定的掩蔽效应例如人眼对任一点灰度的分辨能 力只有 12-24 级对边沿的信息不敏感等利用人类感官的这些特点可以很好的隐 藏信息 不同的应用对数字水印的要求不尽相同通常一个有效的数字水印算法应具备以 下几方面的要求透明性鲁棒性或者敏感性安全性盲检测和自恢复等特性 (1)透明性 水印不能影响待嵌入对象的正常使用如图像的可视性音乐的可听性即水印 对用户来说应该是透明的 (2)鲁棒性或者敏感性 精确认证要求水印具有高度的敏感性选择性认证要求水印对不涉及内容修改的 操作鲁棒而对针对内容的篡改操作较为敏感 (3)安全性 指水印算法抵抗恶意攻击的能力即它必须能够承受一定程度的人为攻击而使 水印信息不会被破坏针对水印的攻击主要有未经授权的删除未经授权的嵌 入未经授权的检测其中未经授权的删除和嵌入被看作是主动攻击因为这些 攻击需要修改载体来实现而未经授权的检测不修改载体因此被认为是被动攻击 安全性中还包括了不可检测性指隐蔽载体与原始载体具有一致的特性(如具有一致的 统计噪声分布等)以便使非法拦截者无法判断是否有隐蔽信息 (4)盲检测和自恢复性 盲检测指水印的检测和提取不需要原始图像参与而自恢复性指含水印图像经过 一些操作或变换造成失真或破坏的情况下从留下的片段中恢复水印信号且恢复过 程中不需要原始图像参与 一般而言上述这些特性很难同时达到最佳只能根据需要在不同特点之间取得 折中或设定可调范围以使得水印系统能够达到最佳系统状态 太原理工大学硕士研究生学位论文 7 2.1.3 数字水印的分类 数字水印技术可以从不同的应用角度进行分类数字水印的类型也有许多种如可 见水印盲水印鲁棒性水印等等这些水印并不是并列存在的而是相互重叠的 常见的水印分类主要有以下几种 (1)按特性划分 按水印的特性可以将数字水印分为鲁棒型数字水印和脆弱型数字水印两类鲁棒 型数字水印主要用于在数字作品中标识著作权信息它要求嵌入的水印能够经受各种 常见的处理操作脆弱型数字水印主要用于内容的完整性保护与鲁棒水印的要求相 反脆弱水印必须对信号的改动很敏感所以人们可以根据脆弱水印的状态就可以判 断资料是否被篡改过 (2)按水印所嵌入的对象划分 按水印所附载的媒体我们可以将数字水印划分为静止图像水印音频水印视 频水印文本水印以及用于三维网格模型的网格水印等随着水印技术的发展会有 更多种类的数字媒体出现同时也会产生相应的水印技术 (3)按检测过程划分 按水印的检测过程可以将数字水印划分为盲水印水印和非盲水印如果在检测水 印时需要参考未加水印的原始图像将这类数字水印方案称为非盲水印方案反之 如果在检测中无需参考未加水印的原始图像将这类水印方案被称为盲水印方案一 般来说盲水印的鲁棒性比较强但其应用受到存储成本的限制目前学术界研究的 数字水印大多数是盲水印 (4)按密钥的不同划分 从数字水印算法中所采用的用户密钥的不同可分为私钥水印和公钥水印私钥水 印方案在加载水印和检测水印过程中采用同一密钥因此需要在发送和接收双方中 间有一安全通信通道以确保密钥的安全传送而公钥水印则在水印的加载和检测过程 中采用不同的密钥由所有者用一个仅其本人知道的密钥加载水印加载过水印的信 息可由任何知道公开密钥的人来进行检测也就是说任何人都可以进行水印的提取或 检测但只有所有者可以插入或加载水印 (5)按水印内容划分 按数字水印的内容可以将水印划分为有意义水印和无意义水印有意义水印是指 水印本身也是某个数字图像(如商标图像)或数字音频片段的编码无意义水印则只对应 太原理工大学硕士研究生学位论文 8 于一个序列号有意义水印的优势在于如果由于受到攻击或其他原因致使解码后的 水印破损人们仍然可以通过视觉观察确认是否有水印但对于无意义水印来说如 果解码后的水印序列有若干码元错误则只能通过统计决策来确定信号中是否含有水 印 (6)数字水印从感官上分类 从感观上看数字水印可分为两大类可见水印和不可见水印更准确地说应是 可察觉水印和不可察觉水印可见数字水印最常见的例子是有线电视频道上所特有的 半透明标识其主要目的在于明确标识版权防止非法使用虽然降低了资料的商业 价值却无损于所有者的使用不可见数字水印是将数字水印隐藏视觉或听觉上不 可见(严格说应是无法察觉)目的是为了对数字信息的版权进行鉴别保护原创造者和 所有者的版权不可见数字水印往往用在商用的高质量图像上而且往往配合数据解 密技术一同使用不可见水印根据鲁棒性可再细分为鲁棒的不可见水印和脆弱的不可 见水印 (7)按数字水印的嵌入位置划分 按数字水印的嵌入位置我们可以将其划分为时空域数字水印频域数字水印 时频域数字水印和时间尺度域数字水印时空域数字水印是直接在数据上叠加水印信 息对采样点的幅值做出改变而频域数字水印时频域数字水印和时间尺度域数字 水印则分别是在 dct变换域时频变换域和小波变换域上隐藏水印从目前的情况看 变换域方法正日益普遍因为变换域方法通常都具有很好的鲁棒性对图像压缩常 用的图像滤波以及噪声均有一定的抵抗力并且一些水印算法还结合了当前的图像和 视频压缩标准(如 jpegmpeg 等)因而有很大的实际意义 2.2 图像认证水印 2.2.1 认证水印的分类 根据识别篡改的能力可以将认证水印划分为以下几个层次 1完全脆弱性水印 完全脆弱性水印9-14能够检测出任何改变图像像素值或破坏图像完整性的操作如 在医学图像数据库中由于图像的一点点改动可能都会影响最后的诊断结果此时嵌 入的水印就应当属于完全脆弱水印这样即使只有 1 比特的信息改变水印认证也无 法通过目前主要应用于精确认证 太原理工大学硕士研究生学位论文 9 将完全脆弱性水印嵌入到数字作品中在需要认证时只要能提取出水印则表 明该作品没有被篡改过完全脆弱水印是数字信息完整性的可靠保障但是它仅限于 说明作品没有被恶意改变却不能保证作品没有被恶意篡改的可能因为伪造一个和 其嵌入的作品相对独立的脆弱水印是很容易的例如替代攻击等恶意篡改 2半脆弱性水印 在许多实际应用中脆弱性水印有其不适应的地方脆弱性数字水印的鲁棒性太 差对数字信号的处理无论是常规处理还是对恶意篡改都非常敏感实用性不强数 字信息在开放的网络环境下是不可能做到保证数字信号 1 比特都不被改变比方说图 像或视频音频在复制编辑剪辑和网络传送过程中难免有少量比特的改变但这 是不会影响原作品实质上的改变还有对图像进行有损压缩等处理会造成数字媒体信 息的可接受改变这类处理一般不影响数字媒体信息的实质内容但却不能通过精确 认证为了更好地适应信息时代应用的需求半脆弱水印应运而生它兼有鲁棒性水 印和脆弱性水印这两种水印的优点在容忍一定程度的常见信号处理操作的同时还 可以区分正常的信号处理与恶意的篡改是在一定程度上的完整性检验在篡改发生 时半脆弱水印认证系统不仅可准确提供篡改的位置和可靠的篡改破坏度而且可以 帮助详细分析篡改类型在特定的条件下还可以进行篡改的恢复 3可擦除水印 在一些具体应用中嵌入过多比特的水印信息而导致图像发生改变是不可接受的 例如在医学图像数据库中对图像的微小改动可能都会影响最后的诊断结果在法庭 上证物照片的丝毫模糊都将造成证物丧失说服力不能成为呈堂证供在这种情况下 唯一可保证图像能完好无损没有改变的方法就是使用可擦除水印但是目前还没 有比较成熟的可擦除水印系统在理想的情况下可擦除水印系统必须满足以下条件 确保将水印 100%的有效嵌入载体图像可将已嵌入水印的图像恢复到初始状态 具有极小的虚警概率但要同时满足这三个条件目前尚没有很好的解决方法要找 到平衡三者间性能最佳状态是有矛盾的如果满足了后面两条第一条将无法得到满 足因为可擦除性要求能从已嵌入水印图像中恢复出原始图像这就意味着将所有图 像都加了水印即要达到 100%的嵌入水印就意味着将有 100%的虚警率产生 4嵌入签名 嵌入签名指的是把图像本身作为水印嵌入即通过找出原始图像中仅对合法失真 保持不变的特征并利用它们构建一个水印这不仅可以鉴别图像的内容而且可以 太原理工大学硕士研究生学位论文 10 部分恢复被修改的区域根据水印特点将嵌入式认证水印分为用于精确认证的密 码签名和嵌入半脆弱签名 5述事型水印 在某些应用中人们更希望知道作品是如何被改写的而不仅是得知作品是否已 被改变述事型水印就是研究嵌入数字作品中的一个已知水印是如何被改写的述事 型水印的最通用形式就是能区分大量不同的失真国内对这类水印的研究才刚刚起步 6监控水印 在某些场合由于人们仅仅对图像的视觉效果感兴趣而不在乎图像本身内容的改 变一旦发生篡改只要篡改不影响图像的视觉效果那么这些篡改都是被允许的这 类水印的鲁棒性较强主要用于对图像进行真伪鉴别等 2.2.2 多重数字图像水印的算法研究 目前在数字产品中仅仅嵌入一种水印已经不能满足人们的要求在很多情况下 人们需要的是多重水印或者多功能的水印根据水印嵌入域划分可以将水印算法分为 空间域算法变换域算法以及空域和变换域混合算法下面对每种算法进行研究 1 空间域算法 该类算法是直接修改数字图像中的某些像素值其中典型的算法是直接修改图像 像素的最低有效位 lsb,这可保证嵌入的水印是不可见的但由于使用了图像不重要的 像素位嵌入的水印信息量不能过多算法鲁棒性差如果嵌入的数据量过多将会 直接影响图像的质量而且水印信息很容易被滤波图像量化几何变形和压缩攻击等 操作破坏这种方法只适用于噪声很弱以及对嵌入水印的图像处理很弱的应用场合 在时空域算法中重要的一大类算法是脆弱水印或半脆弱水印算法因为这类算法具 有对攻击的时间或空间位置的定位能力后期多用于内容认证或篡改提示 在文献15中作者阐述了一种就与扩频技术的单一水印嵌入算法特点是可以再 很小的图像中嵌入水印水印嵌入和提取时需要两个密钥之后通过选取不同的密 钥在同一图像中嵌入两个不同的水印并可以根据提供的密钥单独选取从而为数 字产品提供双重保护 文献16中提出一种快速双层盲提取水印技术第一层水印通过改变直流系数嵌 入用于抵抗高频攻击第二层水印基于拼凑技术用于抵抗低频攻击两种水印嵌 入的方式和空间不同互不影响互相补充引起的视觉失真也比较小这种算法适 用于水印信息比较短的情况不仅速度快而且实现起来非常简单 太原理工大学硕士研究生学位论文 11 2 变换域算法 变换域算法中最具代表性的是 cox 等人17在 1997 年提出的扩展频谱法它的重要 贡献在于首次明确提出了这样的观点水印应放在视觉最重要的地方如频域的低频 系数这样有利于提高水印的鲁棒性基于变换域的水印技术可以嵌入大量比特数据 而不会导致可察觉的缺陷往往采用类似扩频图像的技术来隐藏数字水印信息这类 技术一般基于常用的图像变换离散傅立叶变换 dft离散余弦变换 dct离散小波 变换 dwt等其安全性也较空域法高即使当水印图像经过一些通用的几何变形和信 号处理操作而产生比较明显的变形后仍然能提取出一个可信赖的水印拷贝其物理意 义清晰不可见性和鲁棒性好并且与压缩标准兼容所以有较好的抗压缩能力目 前大多数变换域算法都是采用离散余弦变换 dct和离散小波变换 dwt 文献18中提到的鸡尾酒算法在变换域中定义了两种系数调整方法正向调整 (增大变换域系数)和负向调整(减小变换域系数)通过两种调整方式在一幅吐血爱你个 中同时嵌入两个互补性的水印从而保证在受到不同攻击的情况下至少有一个水印仍 然存在从而增强鲁棒性 文献19提出一种复合水印嵌入方式即在两个不同的变换域内嵌入不同的水印解 决不同的问题在离散余弦变换 dct 域中变换系数被当做小波系数处理一层一层 地重复嵌入同一水印从而即使受到攻击的含水印图像质量也十分差仍然可以准确 地读取水印信息在离散傅里叶变换 dft 域中嵌入另一水印来抵抗几何攻击即旋 转平移和缩放等 文献2021中提出了一种可以同时实现版权保护和内容认证的水印算法该算法 将选定的小波系数作为掩蔽阈值单元然后利用文献16中提出的鸡尾酒算法将量 化结果调整成为左阈值和右阈值单元以嵌入水印同时原始量化结果被记录下来作 为隐藏水印水印提取时可用来重构原始图像而且失真度很小鸡尾酒算法本身 就具有很强抗攻击能力稳重又对其检测方式进行改进从而使算法的鲁棒性有进一步 的提高此外通过比较提取出来的水印与图像中隐藏水印的区别可恨容易看出何 处被篡改从而具备内容认证的作用换句话说在最终获得的含水印图像中既包含 鲁棒水印又包含脆弱水印 文献22提出了一种认证 jpeg-2000 图像内容完整性的多功能水印算法具体思想 是在图像的重要区域(roi)中第一层也就是信息层的 hh1子带中嵌入一个脆弱水印 为区别普通的图像处理和有意的攻击分析信息层的数据并按一定的方式形成一个水 太原理工大学硕士研究生学位论文 12 印嵌入到背景层的 hl3lh3和 hh3子带中 文献23中提出了一种基于小波变换的多功能水印算法该算法在静止图像中嵌入 一个鲁棒水印和一个脆弱水印其中鲁棒水印利用一种控制量化过程嵌入到图像的低 频系数中而脆弱水印则在高频系数中嵌入这种算法可区分有意攻击(如改变或删除 图像的某一部分)和无意攻击(如有损压缩)还可以确定被攻击的位置 3空域和变换域混合算法 文献24提出一种混合多功能水印算法在空域中利用由密钥控制的三个不同函 数 r f g f b f 在灰度图像中嵌入一个二值脆弱水印 b具体方式如下 rgb ( , )( ( , )( ( , )( ( , )b i jfr i jfg i jfb i j= (2-1) 在变幻域中原始图像被分块并在每一块中嵌入同一个鲁棒水印在检测时如果从 各个图像块中提取出来的水印质量都非常高那么说明整幅图像没有变化如果所有 水印的质量都比较低说明图像可能经过了某种图像操作如果大部分水印质量都比 较高而仅有小部分水印质量较低那么这一小部分水印对应的图像块就很有可能被 局部篡改过了嵌入的脆弱水印相对鲁棒水印来说能量较低不会影响到后者内容认 证的作用 文献25将水印信息分成3段嵌入三个不同的图像层次中第一段水印信息量最少 在空域中嵌入第二段水印信息量稍大嵌入dct域中第三段水印信息量最大嵌 入小波域中水印提取时空域的去方法非常简单提取出来的水印可以为后面两段 水印的提取提供足够的信息所以不再需要其他密钥用来特别针对两段变换域水印的 提取从而降低了传输信息的总量 2.2.3 认证水印易受攻击分析 数字图像在 internet 网上传输的过程中难免会遭到来自不同领域不同方式的各 类攻击为了确保数字图像的安全传递首先得仔细分析各种可能攻击的方式从而 及早采取有效的预防措施同样地将数字水印技术应用到内容认证领域也必须考 虑到水印可能面临的各种攻击抗攻击能力是数字水印系统评测中非常重要的一项性 能指标因此有必要系统地了解一下常见的攻击类型 认证水印其水印本身具有一定脆弱性故施加于鲁棒水印的攻击方法如简单攻 击解释攻击删除攻击混淆攻击等对认证水印系统是没有明显影响的而设法篡 改图像的内容却不损坏水印信息的伪认证攻击就有明显影响了另一类是脆弱水 印的安全性攻击即通过对水印的研究推断密钥或减少密钥的搜索空间以此篡改信息 太原理工大学硕士研究生学位论文 13 内容就现有的文献阐述对水印认证系统可能实施的有效攻击主要有以下几种 (1)基于含水印作品库的攻击 此攻击法属统计分析范畴首先搜索出需篡改的信息然后进行拼贴替换最后 将篡改后的图像输入认证系统来通过验证即采用同一密钥在不用图像上嵌入同样的 水印信息时攻击者可能会对大量的嵌有水印的图像进行强力搜索与统计分析从中 找出水印存在的规律然后建立一个含水印作品的数据库通过搜索篡改者可以得 到需篡改的数据块然后从数据库中查找与之最相近的但含有不同信息的数据块进行 拼贴其替换效果非常显著该方法只适用于分块独立系统因为在这个系统中一 是搜索空间相对较小攻击者可对分块尤其是单样本情况下进行独立搜索从而得到 需篡改的信息二是嵌入图像块中的水印与它的位置无关便于对分块进行统计从 而建立数据库便于将来的替换操作 应付这种攻击的有效地方法是为每个作品使用不同的水印密钥但这种方法只有 得到正确的密钥才能通过认证所以并不实际文献26提出应用计算每个图像块的签 名时既根据图像块本身的数据还依据周围图像块的数据实验证明此法更为实用 (2)重新嵌入水印 此类攻击的实施方法有两类一类是攻击者先破译水印的嵌入方法然后再篡改 后的图像上重新嵌入水印另一类是由于使用特定的设备嵌入水印造成的如一些数 字相机在摄取图像数据后会自动生成含有水印的图像攻击者将篡改后的图像重新用 数字相机摄入就可以实现对系统的攻击 2.2.4 认证水印的发展方向 数字信息的真实性和完整性认证在网络技术和多媒体技术的迅速发展下变得越来 越重要采用数字水印技术进行多媒体信息内容认证是一个方兴未艾的高新技术前沿 课题目前关于半脆弱性认证水印技术的研究在理论和实际成果方面都远不如鲁棒 性水印技术和脆弱性认证水印技术成熟还存在许多问题有待深入研究 (1)水印认证标准的建立 水印认证技术要得到广泛应用必须建立一系列评价标准以适应多种不同的水 印认证算法和系统质量评测标准的建立需要综合考虑各个方面以确保标准的通用 性和有效性这是一个急需解决的重要问题 (2)鲁棒性和脆弱性的平衡 半脆弱水印兼备鲁棒性与脆弱性如何在这两者之间找到一个平衡点充分发挥 太原理工大学硕士研究生学位论文 14 各自的最佳效果从而实现对图像的多重目的的保护也是一个有待解决的问题 (3)与图像压缩编码算法相结合 图像本身所包含的信息是巨大的如何通过压缩编码来提取最少量的且包含图像 完整信息的水印使其可以很方便的嵌入到自身图像中并能抵抗各种图像压缩的水 印信息损失将使得系统具有更好的可靠性和图像恢复能力但由于各压缩标准中对 质量因子的要求不同保留的重要信息也有差别如何在保持其与图像内容之间良好 相关性的同时兼容各种压缩标准是值得探讨的问题 (4)与密码技术相结合 安全性一直是水印认证系统的关键由于水印嵌入提取过程是可逆的嵌入过 程中加密问题就显得尤为重要如果让攻击者得到了你的水印嵌入方法即使密钥不 知道他也可以尝试爆破性攻击提取出你的水印然后替换掉或者直接以同样的方式 嵌入自己的水印让你无法得到自己真实的水印信息如何将数字水印认证系统与密 码学等传统保密技术配合起来建立一套完整的认证方案将是未来一个重要的研究方 向 (5)完善视/音频的认证体系 目前针对静止图像的数字水印技术的研究相对比较完善但是作为多媒体内 容的重要组成部分音频视频信息产品的内容认证技术发展相对缓慢现有的音 频视频编码格式的复杂多样性是造成其发展缓慢的重要原因而音频视频的应用 范围要比图像广泛的多市场需求比较大所以针对音频视频的数字水印认证技术 将成为今后的一个研究热点和研究难点 总的来说数字水印认证技术的发展将朝着智能化技术综合化和多种媒体综合 化迈进其前景是非常广阔的 2.3 本章小结 本章首先介绍了数字水印的起源基本原理和分类之后介绍了认证水印的分类 研究了一些经典的多重数字图像水印算法分析了认证水印容易遭受的各种攻击类型 最后预测了认证水印的未来发展方向 太原理工大学硕士研究生学位论文 15 第三章 数字水印技术研究 3.1 人类视觉系统 为了保证图像传输的安全我们希望通过往图像中添加水印来实现而图像中的 水印在图像传输或图像处理的过程中难免会被改变可以看成是攻击为了图像的 安全我们希望水印强度越强越好但是水印强度