54图像信息隐藏与水印算法课件

5.4图像信息隐藏（数字水印）算法1图像水印算法介绍普通图像水印图像鲁棒性水印图像脆弱性水印2图像脆弱性水印3图像脆弱性水印脆弱性数字水印在保证多媒体信息一定感知质量的前提下，将数字、序列号、文字、图像标志等做为数字水印嵌入到多媒体数据中，当多媒体内容受到怀疑时，可将该水印提取出来用于多媒体内容的真伪识别，并且指出篡改的位置，甚至攻击类型等又称为易碎水印，图像载体发生变化，水印则受到破坏

4基于脆弱水印的图像认证用于认证的数字水印系统包括两个过程水印嵌入水印提取及认证

5是否已经有某种不可靠的情况发生?w=w'ww'水印提取/篡改检测故意篡改/偶然失真fw'防篡改水印算法ffw是否6原始的信息为f，在其内嵌入脆弱水印，得到含水印的信息fw认证时，被测信息是从可能经过篡改或失真的的版本fw’中提取水印根据嵌入的和恢复的水印之间是否发生变化来确定fw在经历了失真后是否可靠有效的失真水印认证方案不仅能给出图像是否失真的判断，而且能够提供关于篡改性质的信息

7对脆弱水印的要求对篡改的敏感性：当图像受到不同程度的破坏或被恶意篡改后，系统应能做出相应反应，并能通过快速的检测算法对其真伪做出判断

安全性：系统应具有很强的抗非法破解能力，以免攻击者破译水印系统后非法复制、伪造水印图像，使得篡改后的图像依然能被检测器接受

可靠性：系统应具有较小的误检率和漏检率

8对篡改的敏感性认证检测结果应能指示出被篡改图像的损害位置或估测出图像遭受了何种性质的更改

是否对篡改的敏感度越高越好？信道误码，传输丢包提高传输、存储效率而采用有损压缩技术提高图像质量而采取各种滤波和图像增强技术半脆弱水印9半脆弱水印对于保持图像内容的操作，水印具有一定的稳健性对于破坏图像内容的恶意篡改，水印具有敏感的检测能力和精确的篡改定位能力10图像认证的目的可分为“完全级认证”和“内容级认证”两类

“完全级认证”要求对图像的任何数据部分均不允许更改，检测器对图像任何轻微的改动都会做出拒绝判决——脆弱性水印“内容级认证”则是强调保护图像内容所传递的信息，而不是图像内容的具体表示方式，因此，对于任何保持图像内容的操作，如格式转换、有损压缩、去除噪声等,检测器都应该认为是可接受的更动，而不会做出拒绝判决——半脆弱性水印11图像完全级认证的水印算法

用于图像完全级认证的数字水印一般采用脆弱水印。脆弱水印算法大都由空间域LSB水印算法演变而来

典型的脆弱水印是P.W.Wong水印系统。这是一种基于公钥的图像认证和完整性数字水印系统，其基本思想就是利用hash函数的单向性和能在输入发生微小变化时得到完全不同输出值的特点，结合图像分块来完成对图像象素值微小改变的定位。同时借助公钥系统的便利性，使得任何人，只要他能获得作者的公钥，便可以完成对图像的完整性检测和身份认证

12P.W.Wong水印算法的流程

水印嵌入过程将原始图像(M×N大小)按I×J的大小进行分块，记第r个分块为将水印图像扩充为与原始图像同样大小的尺寸，亦按I×J的大小进行分块，记第r个分块为将的LSB置为零，得到的分块记为，以和M,N为参数，进行hash运算，得到将与

进行比特位上的异或运算，结果用公钥系统加密（用作者的私钥），将加密后的结果置入的LSB位得到的结果记为将得到的分块重新组合，即可得到嵌入水印后的图像

13P.W.Wong水印算法的流程水印提取过程任何人可以用公钥对图像的LSB进行解密解密结果与水印做异或，得到’以和M,N为参数，进行hash运算，得到由于在进行hash运算的时候将图像的尺寸作为参数，该水印对图像尺寸的改变显然具有敏感性由于hash函数的特殊性，任何图像象素值的改变都会在检测后水印图像的相应位置上得到体现

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图像内容级认证的水印算法

用于图像内容级认证的数字水印系统属于半脆弱水印

与JPEG相结合的半脆弱数字水印算法：这类水印认证算法一般是根据JPEG编、解码器的特点而设计的,故水印算法通常对JPEG压缩具有较好的鲁棒性,而对其他的图像操作反应敏感

从鲁棒水印算法演变而来的半脆弱水印算法：该类算法主要是借鉴鲁棒图像水印算法的一些经典方法(如扩频水印、提取图像重要特征生成水印等)来设计相应的认证算法

15基于视觉掩蔽模型的半脆弱水印算法将人眼视觉掩蔽模型应用于数字水印系统，会使嵌入水印后的图像具有更好的主观视觉质量

基于小波域的半脆弱水印算法由于小波变换是一种空间—频率分析方法，能同时反映图像的空间位置和频率小波变化的局部化作用能够检测到图像被篡改的区域小波变换的频率域则反映了被篡改的尺度（频带）16基于离散小波变换的用于彩色图像的内容级认证水印算法

水印嵌入流程

原始图像小波变换水印信息嵌入水印小波逆变换含水印图像小波系数块选择小波系数分块量化参数17嵌入过程对原始图像进行L级的离散小波变换通过密钥选择每层的水平、垂直和对角线三个图像块的系数上嵌入水印嵌入算法（均值量化、系数量化、等等）1819篡改检测（水印提取）对水印图像进行L级的离散小波变换根据密钥确定水印嵌入位置，提取水印对提取的水印与原水印进行比较小波变换水印信息水印检测含水印图像嵌入水印的位置对各级小波系数分块量化参数失真检测20各级小波变换对应了不同的尺度（频率）根据不同级别上水印改变的程度判断是恶意篡改还是偶然篡改定义每一级的篡改程度21例

原始图像含水印图像22实验：JPEG有损压缩

不同JPEG压缩比下篡改率JPEG压缩质量9080706000.02510.14090.24860000.01250000.00780000第一级第二级第三级第四级结论：当压缩质量为60时，图像的低频部分的篡改率仍为0，认为是可信的。即该算法能够抵抗JPEG压缩

23实验：局部篡改24不同小波层上进行失真检测的结果第一层

第二层25

第三层

第四层结论：该算法能够区分常用的图像处理操作和恶意攻击，并且能很好地定位出图像的篡改位置

不同小波层上对图进行失真检测的结果

26半脆弱水印（例）2728自嵌入水印（例）（a）块B1被压缩后隐藏到块B2的LSB中29自嵌入水印（例）（b）车牌部分被调换30自嵌入水印（例）（c）提取并恢复后的图像（车牌被改正过来）31自嵌入数字水印技术提取原始载体的特征形成水印，并将其嵌入到原始载体中可实现原始载体的篡改检测、篡改定位和篡改区域内容自恢复识别水印篡改和内容篡改32自嵌入脆弱数字水印系统的框架33自嵌入脆弱认证水印算法

——基于奇异值分解和混沌映射认证水印产生及嵌入注：不是将认证水印序列嵌入在自身块的LSB，而是将其嵌入在相应映射块的LSB。这样，不同子块之间形成一定关系，可以有效抵抗拼贴攻击34篡改检测及定位过程35实验篡改图像内容（未改变LSB）篡改图像定位图像36篡改LSB（篡改水印）二值Jingwu图像篡改图像定位图像37既篡改图像内容又篡改水印灰度Kids图像篡改图像定位图像38拼贴攻击将含水印图像象素区域（47:76,87:106）剪切下来，替换象素区域（53:82,141:160）篡改图像定位图像39该算法特点：如果定位图像上只存在白色点集中的区域，那么此时属于篡改图像内容如果定位图像上只存在随机分布的孤立白色点，那么此时属于篡改水印如果定位图像上既存在白色点集中的区域又存在随机分布的孤立白色点，那么此时属于既篡改图像内容又篡改水印

40脆弱性水印的分类完全脆弱性水印水印能够检测出任何对图像像素值进行改变的操作或对图像完整性的破坏半脆弱水印水印能够允许图像有一定的改变，它是在一定程度上的完整性检验

图像可视内容鉴别水印对图像的主要特征进行真伪鉴别，即比前两类水印更加稳健自嵌入水印把图像本身作为水印加入，不仅可以鉴别图像的内容，还可以部分恢复被修改的区域，保护隐私权41经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量St