毕业设计（论文）-基于鲁棒水印的图像认证技术研究

PAGEPAGEI基于鲁棒水印的图像认证技术研究随着网络的发展，在极大丰富了多媒体信息的同时，多媒体信息特别是图像的保护成为计算机领域的一个重要研究方向。图像保护一方面是指图像的版权保护，维护图像著作者的版权利益，另一方面是指保护图像免于恶意性修改，保护图像作为证据类信息的完整性和真实性。数字水印技术作为目前信息安全和数字媒体版权保护研究的热点，通过一定的算法将一些标志性信息嵌入原始的多媒体信息中，成为其中的一部分，不易被人的视觉系统觉察，并能对多媒体信息起到防盗版、侵权和篡改以及保护信息完整性的作用。基于水印的图像认证技术是将认证信息隐藏在原始图像中而不需要附加信息。本文根据数字水印的鲁棒性技术和数字图像认证技术入手，详细介绍了基于水印的图像认证技术的基本概念，分析了其各种性质、基本理论，并构建了图像认证的框架与原理，根据数字水印的鲁棒性，分析研究了基于鲁棒水印在低频分量上的图像认证算法。运用了MATLAB软件运行了基于图像认证的演示程序。由于图像认证的重要性，反映出不论是在学术研究还是在实际应用中，基于水印的图像认证都是一项非常有意义的技术。关键词数字水印；图像认证；图像认证算法；水印嵌入；水印提取目录摘要 IAbstract II第一章绪论 11.1课题背景和意义 11.2国内外发展现状 21.3课题的主要内容 3第二章数字水印技术概述 42.1引言 42.2数字水印特性 42.2.1不可感知性 42.2.2可证明性 42.2.3鲁棒性 52.2.4逼真性 52.2.5安全性 62.3数字水印分类 62.3.1按特性划分 62.3.2按水印所负载的媒体划分 72.3.3按检测过程划分 72.3.4按内容划分 72.3.5按水印隐藏的位置划分 72.3.6按用途划分 82.4数字水印系统 82.4.1水印生成 82.4.2水印嵌入 92.4.3水印检测 92.5本章小结 10第三章数字图像认证技术概述 113.1引言 113.2数字图像认证技术原理 113.2.1数字图像认证分类 113.2.2数字图像认证系统基本特性 123.2.3图像认证系统原理及框架 133.3数字图像认证方法 133.3.1空域方法 143.3.2变换域方法 143.4本章小结 15第四章基于鲁棒水印的图像认证算法 164.1引言 164.2算法原理 164.2.1图像的小波变换 174.2.2水印嵌入算法 184.2.3水印提取算法 184.3实验结果与分析 194.4本章小结 23结论 24参考文献 25附录一 26附录二 28附录三 29致谢 30基于鲁棒水印的图像认证技术研究PAGE25第一章绪论1.1课题背景和意义近年来，随着数据网络技术以及信息数字化的迅速发展，各种数字图像，视频、音频等多媒体应用软件的使用频率越来越高，越来越多的多媒体内容的传输和处理变得越来越简单化，多媒体软件以及内容简单化的同时使得用户对各种多媒体信息进行大量的复制和编辑、制作等操作，在极大方便了用户的同时，图像信息的完整性、内容的真实性等安全问题也一一暴露出来。这一现状带给社会的负面效应是多媒体版权得不到有效保护，使得多媒体制造者和生产者受到了严重的经济损失；数字图像非法篡改现象日益严重也给信息传送双方带来的不必要的麻烦。因此，在网络环境中，如何对数字媒体版权实施有效保护，从而保证数字媒体内容的真实性、完整性已成为一个严峻的现实问题。目前在医学、军事、法律、商业、新闻媒体等众多领域里均应用到了数字图像作品，当这些领域在传输数字图像信息的过程中一旦信息被篡改或者被攻击，如果篡改的内容涉及到国家安全、法庭举证、历史文献、商业票据、医学图像等重要数据，那么篡改结果可能会造成极大地社会影响，甚至会导致重大的经济损失。例如在法庭上，原被告双方证人所举证的照片信息是否真实，这直接关系到法官的审判结果的裁决；在历史文献上，很多年代久远的文献中所提供的信息是否正确，这都会影响到读者的正确的思维和判断；在商业上，数据的真伪性，会直接损害到交易双方的经济利益；而在医学应用上，原始图像的信息会直接影响到医生对患者的诊断，甚至会对患者造成生命的威胁等严重后果。因此，可以看到数字图像的完整性，真实性认证在众多领域都已经成为不可或缺的技术保障，所以对数字图像进行认证并实施完整性保护，已成为亟待解决的问题。认证的目的主要是验证信息发送者所发送的信息的真实性以及信息的完整性和验证信息接受者所接受到的信息的真实性和完整性，认证是信息安全技术的一个尤为重要的方面。认证技术依赖于安全的密码系统[[] 阙大顺,姚涛.一种基于混沌映射的小波域水印算法[J].武汉理工大学学报(信息与管理工程版[] 阙大顺,姚涛.一种基于混沌映射的小波域水印算法[J].武汉理工大学学报(信息与管理工程版),2005,27(05):46.图像认证技术，作为一种有效的图像信息安全技术，有效地为数字图像的保护提供了一种手段。它可以用来证明数字图像的来源是否合法，并且能够验证其内容是否真实可靠。其中，对于内容的完整性保护，基于密码学的传统加密技术已成熟的应用于加密状态下的数字媒体内容的保护，但由于传统的加密方法对内容的保护只局限在加密通信的信道中或其他加密状态下，但随着计算机软硬件技术的发展，密码被破译的可能性越来越大，信息一旦被解密，则信息就完全变成明文。即使非法拦截者在截获密文后无法破译，但可以将其破坏后再发送，而且密码学中的数据完整性的认证方法对多媒体内容的保护也无能为力：一方面是由于多媒体内容的真实性认证往往需容忍一定程度的失真，而密码学中的认证方法却不容许一个比特的改变；另一方面是由于用于多媒体认证的认证信息往往需要直接嵌入到多媒体内容当中，没有另外保存，而密码学中的认证方法则需另外保存信息认证码。因此，由于密码学对多媒体内容保护能力的局限，近年来，在知识产权保护、防篡改及信息内嵌式注释等领域，国外学者提出了一种崭新的数字媒体保护技术，即数字水印技术[[] 潘伟.用于图像认证的数字水印算法[D].辽宁:东北大学硕士学位论文[] 潘伟.用于图像认证的数字水印算法[D].辽宁:东北大学硕士学位论文,2008:1-4.近年来，为了解决数字产品的版权保护问题，鲁棒水印技术已成为一个研究热点。鲁棒水印技术是指数字水印算法的鲁棒性。鲁棒性是指含有水印的载体在受到一定程度的噪声、滤波、压缩以及剪切等攻击之后，水印仍然能够被提取。利用鲁棒性这一特点可以对图像信息的内容完整性以及对媒体进行版权信息认证，是水印技术的主要研究方向之一。基于鲁棒水印对数字图像进行认证的技术无论是对科学技术的进步还是对社会的经济发展，都具有非常重要的应用价值和经济意义。1.2国内外发展现状1993年数字水印被正式提出来，A.Z.Tirkel等撰写的“Electronicwatermark”[[] TirkelA,RankinG,etal.Eleetronicwatermark[C].In:ProceedingsofDICTA’93.Macquarie,Sydney,1993,666-672.]一文中首次使用了“watermark”这一术语。这一命名的提出标志着数字水印技术作为一门研究学科的诞生。VanSchyndel在ICIP(InternationalConferenceonImageProcessing)会议上发表了题为“Adigitalwatermark”[[] VanSchyndelR,TirkelA,OsbomeC.Adigitalwatermark[C].In:ProceedingsofIEEEInternationalConferenceofImageProceeding,Austin,Texas,IEEEPress,1994,86-90.]的论文，这是第一篇在主要国际学术会议发表的关于数字水印的文章，该论文阐明了关于水印的重要概念，被认为是一篇具有历史价值的文献。1996年5月30日在英国剑桥牛顿研究所召开的第一届国际信息隐藏学术研讨会中对信息隐藏的部分术语和学科分支进行了统一和规范，[] TirkelA,RankinG,etal.Eleetronicwatermark[C].In:ProceedingsofDICTA’93.Macquarie,Sydney,1993,666-672.[] VanSchyndelR,TirkelA,OsbomeC.Adigitalwatermark[C].In:ProceedingsofIEEEInternationalConferenceofImageProceeding,Austin,Texas[] 陈洪涛.基于HVS的图像变换域鲁棒性数字水印算法研究[D].湖南:中南大学硕士学位论文,2009:2-3.[] A.Tirkel,G.A.Rankin,R.VanSchyndel.Electronicwatermark[C].DigitalImageComputingTechnologyandApplication-DICTA93,MacquarieUniversity当前国际上已存在数字音视频委员会(DAVIC)、版权保护技术工作小组(CPTWG)、安全数字音乐索引(SDMI)、唱机工业国际同盟(IFPI)等许多从事数字水印技术研究的组织。国际上著名的IBM、Philip等信息技术公司也已经涉足数字水印技术领域。在美国的南加利福尼亚大学、普林斯顿大学、加拿大的多伦多大学等著名大学的图像研究实验室成立了专门用于数字水印技术研究的软件工具包的数字水印技术研究项目。紧跟世界水印技术发展的步伐，国内学术界近年来已有不少有实力的大学和科研机构相继投入数字水印技术领域的研究。其中包括中科院自动化研究所的模式识别国家重点实验室、哈尔滨工业大学、清华大学[[] 牛夏牧,陆哲明,孙圣和.彩色数字水印嵌入技术[J].电子学报,2000,28(9):10-12.]等，都是我国投入水印技术研究较早，并且取得良好成绩的单位。[] 牛夏牧,陆哲明,孙圣和.彩色数字水印嵌入技术[J].电子学报,2000,28(9):10-12.国内数字水印技术的发展还处于初级阶段，但数字水印公司的出现与发展，为水印技术由理论研究向商品化转变开辟了道路，我国公司自主研发的数字水印系统软件和数字水印产品的研制成功，对数字产品版权保护以及数字水印技术的研究和发展指明了方向并有效保障了信息安全产业的发展。1.3课题的主要内容本课题涉及的内容主要包括了基于数字水印鲁棒性的特点对数字图像进行认证，其鲁棒性认证首先需要区分恶意攻击和偶然操作，只有涉及到图像的内容发生变化，则通过图像传达的信息才是不完整的、不可信的。本论文中介绍了数字水印的特性、分类以及数字水印系统，继而根据数字水印的鲁棒性和鲁棒水印的发展现状，总结数字水印的特征分类及主要应用。针对鲁棒水印的算法进行分析，利用鲁棒水印算法，结合数字图像的认证技术原理、数字图像认证的框架；利用变换域中的小波变换方法等常用的数字图像认证方法对其图像进行有效认证。基于鲁棒水印的图像真实性认证的实现。通过选定适合的通道把水印嵌入，经过合理的改变，充分利用图像信息，在保证不可知性和允许一定失真范围的情况下，提高数字图像水印系统的鲁棒性。根据鲁棒性的特征及其基于鲁棒水印的图像认证模型，实现对水印的有效提取对其图像进行认证。第二章数字水印技术概述2.1引言数字水印技术作为数字媒体版权保护的一种有效手段已成为了当今信息科学中的一个新颖而具有广阔应用前景的技术。将数字水印直接嵌入到数字载体中，但嵌入水印后其载体的使用价值不受影响，自身的视觉效果亦不受影响的技术即是数字水印技术。数字水印针对不同的应用场合和媒体特征有不同的水印技术和方法，例如鲁棒水印、可逆水印、脆弱水印、半脆弱水印等。本章将会根据数字水印技术的基础知识，介绍对于不同的数字水印系统、不同的应用数字水印的不同特性。例如：数字水印技术的可证明性、不可感知性、鲁棒性、逼真性、安全性这几大特性是一般数字水印系统通常都具备的特征。2.2数字水印特性在不同的数字水印系统，不同的应用中，对数字水印的要求也不尽相同。一般的数字水印通常具有不可感知性、鲁棒性、可证明性、逼真性、安全性等特性[[] 陈明奇,钮心忻,杨义先.数字水印研究进展和应用[J].通信学报,2001,05:71-79.][] 陈明奇,钮心忻,杨义先.数字水印研究进展和应用[J].通信学报,2001,05:71-79.2.2.1不可感知性对于数字图像来说，不可感知性包含以下两方面内容：一方面是指视觉上的不可见性，即利用人类视觉或听觉系统的特性向数字作品中嵌入数字水印，在经过一系列处理后，隐藏对象没有明显的降质现象，其实质是要求嵌入的水印不可以影响原图像的视觉质量。同时，嵌入的水印不会引起人的感知，当人们从视觉上无法区分原始载体图像和嵌入水印后的图像时，水印才是真正不可感知的。另一方面是指嵌入水印后的对象与原始载体对象具有一致的特性，即使用统计方法也无法提取出水印或确定水印的存在。在非盲检测算法中，对水印的感知透明性要求较高，在盲检测算法中，只要嵌入的水印不被感知即可[[] 周蓉.基于数字水印的图像通信的安全性研究[D].上海:东华大学硕士学位论文[] 周蓉.基于数字水印的图像通信的安全性研究[D].上海:东华大学硕士学位论文,2008:12-14.2.2.2可证明性可证明性是指水印应能为受到版权保护的数字产品的版权提供完全和可靠的证据。数字水印的版权信息应能唯一地判定数字作品的版权所有者，水印算法应能识别被嵌入到数字产品中的所有者的相关信息(如序列号、产品标志或有意义的文字等)，并能在需要的时候将其提取出来，提取出的水印或水印判决的结果应能够确切地表明所有权，可避免发生多重所有权的纠纷。水印可以用来判别数字产品是否受到保护，并能够监视被保护数据的传播、完整性、真伪鉴别以及非法拷贝控制等。2.2.3鲁棒性鲁棒性是指数字水印在经过无意或有意的信号处理过程后，数字水印仍能保持其完整性和鉴别的准确性，它是鲁棒水印应有的特性。鲁棒性测试主要包括数字水印对数据同步的依赖程度、抗各种线性和非线性滤波的能力，以及抵御几何变换等其它攻击的能力。数字水印应能够承受不同的物理和几何的失真，其中包括图像压缩、滤波、加噪、剪切、插入、尺寸变化等无意攻击和恶意攻击。鲁棒性是衡量水印经过信号的处理能力。鲁棒水印算法应能从经过信号处理过程的水印图像中提取出嵌入的水印或者能够证明水印的存在。不同类型的水印算法对鲁棒性的要求也各不相同，各具特点。例如，用于图像完整性认证的脆弱水印算法，在最理想的情况下是不具有任何鲁棒性的；半脆弱水印算法则要求对特定的操作鲁棒，而其它操作脆弱；在多媒体进行版权保护中，则要求尽可能的操作都具有鲁棒性[[] PeiS,GuoJ.High-capacitydatahidinginhalftoneimagesusingminimal-errorbitsearchingandleast-meansquarefilter[J].[] PeiS,GuoJ.High-capacitydatahidinginhalftoneimagesusingminimal-errorbitsearchingandleast-meansquarefilter[J].IEEETransactionsonImageProcessing,2006,15(6):1665-1679.目前有了更进一步的要求，即静止图像和视频图像对几何变换也应是鲁棒的，鲁棒性并非一个简单的数值。一个水印对某种处理是鲁棒的，但也许对其它处理非常脆弱，在很多的应用中，过分的要求水印对所有可能的处理都具有鲁棒性是不必要的。通常情况下，只需要求水印从嵌入到检测阶段具有鲁棒性，例如电视或电台的广播监控只要求水印在传输的过程中是鲁棒的，对于电视而言这意味着水印只需要有损压缩、模拟传输和少量的水平或者垂直的变换即可，而对旋转、缩放、高通滤波等是不需要再广播中进行处理的。2.2.4逼真性逼真性指水印系统输出的含有水印的数字图像作品与其原始作品相比较，如果由水印所引起的降质是视觉感官上难以察觉的,那么称该水印具有逼真性。多媒体的传输质量不同，其逼真性的要求也不同，由于传输技术的原因，在使用AM广播传输音频或NTSC广播标准传输含水印视频时，受到广播质量差的影响，人们几乎无法察觉经过信道质量退化后的原始作品与其水印版本之间的差异。在信号质量很好(如HDTV、DVD的视频和音频)时，则对水印作品的逼真性要求较高。在有些应用中，甚至会用一定的失真来换取高鲁棒性或者较低的代价。例如对于好莱坞的原始胶片来说，由水印引起的可见的细微扭曲并不会降低它们的价值。但失真要保证在一定的水印容量的范围内，才可以保证数字图像作品的逼真性[[] [] 张玲峰,胡玉平.数字水印技术的应用及研究[J].职教与经济研究,2004,2(1):45-46.2.2.5安全性是指水印能够抵抗破坏水印攻击行为的能力。非授权去除、非授权检测以及非授权嵌入均属于破坏水印攻击行为。非授权去除是指在未得到许可的情况下，利用某种手段使含水印作品中的水印信息无法被正确检测到；非受权嵌入指非法向作品中嵌入水印信息，已达到某种目的。而非受权检测则根据严重程度不同分为不同等级，如果攻击者成功提取并破译了水印信息，属最严重级别；其次是攻击者提取除了水印信息，但无法成功破解其具体内容，最轻的级别是攻击者知道水印信息的存在，但是无法检测出水印信息，同时不能破解出其具体内容，通常不会造成伤害。安全性的高低，通常由嵌入算法及水印密钥共同决定[[] 刘乃成.[] 刘乃成.用于图像认证的数字水印算法研究[D].云南:昆明理工大学硕士学位论文,2009:6-7.在水印系统中，未经授权者是很难插入并伪造水印的，除非对数字水印具有足够的知识。在商业应用中的水印系统，其算法必须是公开的。算法的安全性应取决于密钥和算法设计本身，而不是通过对算法进行保密以取得安全性。安全性测试主要是对破解水印算法的时间以及复杂性进行评估，以此作为水印安全性的指标。通常在设计水印的产生方法、编码方式和水印的嵌入位置时，都需要考虑到安全性。2.3数字水印分类2.3.1按特性划分按水印的特性可以将数字水印分为鲁棒水印和脆弱水印两类。鲁棒性水印是指经受攻击后仍然能够检测或者提取水印。目前，鲁棒水印主要用于在数字产品的版权保护方面，例如：作品中标识著作权信息，如作者、作品序号等，它要求嵌入的水印能够经受各种常用的编辑处理。脆弱数字水印主要用于完整性保护，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，人们根据脆弱水印的状态就可以判断数据是否被篡改过[[] 岳青青.数字水印技术及其发展[J].中国品牌与防伪,2011,2:63-64. ]，对于脆弱水印的[] 岳青青.数字水印技术及其发展[J].中国品牌与防伪,2011,2:63-64. 2.3.2按水印所负载的媒体划分按水印所附载的媒体，我们可以将数字水印划分为图像水印、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。随着数字技术的发展，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。2.3.3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明文水印和盲水印。明文水印在检测过程中需要原始数据，而盲水印的检测只需要密钥，不需要原始数据。一般来说，明文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。2.3.4按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。2.3.5按水印隐藏的位置划分按数字水印的隐藏位置，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信号空间上叠加水印信息，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。随着数字水印技术的发展，各种水印算法层出不穷，水印的隐藏位置也不再局限于上述四种。应该说，只要构成一种信号变换，就有可能在其变换空间上隐藏水印[[] 王丽娜,郭迟,李鹏.信息隐藏技术实验教程[M].武汉:武汉大学出版社,2004,1-50.][] 王丽娜,郭迟,李鹏.信息隐藏技术实验教程[M].武汉:武汉大学出版社,2004,1-50.2.3.6按用途划分不同的应用需求造就了不同的水印技术。按水印的用途，我们可以将数字水印划分为票据防伪水印、版权保护水印、篡改提示水印和隐蔽标识水印。票据防伪水印是一类比较特殊的水印，主要用于打印票据和电子票据的防伪。一般来说，伪币的制造者不可能对票据图像进行过多的修改，所以，诸如尺度变换等信号编辑操作是不用考虑的。但另一方面，人们必须考虑票据破损、图案模糊等情形，而且考虑到快速检测的要求，用于票据防伪的数字水印算法不能太复杂。版权标识水印是目前研究最多的一类数字水印。数字作品既是商品又是知识作品，这种双重性决定了版权标识水印主要强调隐蔽性和鲁棒性，而对数据量的要求相对较小。篡改提示水印是一种脆弱水印，其目的是标识宿主信号的完整性和真实性。隐蔽标识水印的目的是将保密数据的重要标注隐藏起来，限制非法用户对保密数据的使用。2.4数字水印系统一个完整的数字水印系统的设计包括三部分，数字水印的生成，数字水印的嵌入和数字水印的提取[[] 范国华,丁仁源,杜哲明.基于MATLAB的数字水印系统的设计与开发[J].信息系统工程, 2010,(6):57-58.]。数字水印技术实际上是通过对水印载体媒质的分析、嵌入信息的与处理、嵌入方式的设计、嵌入调制的控制等几个关键技术环节经合理化优化，寻求满足不可感知性、安全可靠性、稳健性等诸条件约束许下的[] 范国华,丁仁源,杜哲明.基于MATLAB的数字水印系统的设计与开发[J].信息系统工程, 2010,(6):57-58.该系统的输入是水印信息W、原始载体数据L和一个可选的私钥或公钥K。其中原始载体数据L代表要保护的多媒体产品，如图像、文档、音频、视频等；水印信息W可以是任何形式的数据，如字符或栅格；二值图像、灰度图像或彩印图像；3D图像等等。密钥K可以用功能来加强安全性，以避免未授权的恢复和修复水印，在数字水印系统中密钥可以有也可以没有。2.4.1水印生成水印生成算法G应保证水印的唯一性、有效性、不可逆性等属性。水印信息可以由多种模型构成，如随机数字序列、数字标识、文本以及图像等。从鲁棒性和隐秘性角度考虑，常常需要对有意义水印进行随机化以及加密处理。2.4.2水印嵌入水印的嵌入算法有很多，定义水印嵌入过程的通用公式：(2-1)式中LW——表示嵌入水印后的数据；L——表示原始数据数据；W——表示水印集合；K——表示密钥集合[[] 吴香秦.试论数字水印技术及其发展[J].兰台世界,2009,4:20-21.][] 吴香秦.试论数字水印技术及其发展[J].兰台世界,2009,4:20-21.图2-1水印嵌入结构图2.4.3水印检测对于水印嵌入和提取技术而言，无论是从其整体框架的构思还是具体细节的实现，都往往取决于研究者的研究背景以及各自的入手角度。对于数字水印的检测过程主要是检测水印存在与否，检测方案的目标则是尽量降低错判与漏判的概率。通常情况下，水印的嵌入、检测过程都采用密钥来加强保护效果。本文中数字水印检测系统的输入端包含三个部分：含水印信息的待检测图像LW，水印信息W，以及密钥K。在某些算法中通常不需要水印信息或者原始信息，只需要输入检测图像和水印密钥。本文检测系统的输入信息在水印检测算法D的控制下，提取认证信息，分析认证信息，判断其是否含有水印信息。下图2-2是水印检测的结构框图。图2-2水印检测结构框图2.5本章小结数字水印技术作为一种新兴的技术，有着强大的生命力和巨大的商业潜能，在本章主要从数字水印的技术分类、特性以及系统构成几个方面进行了简单的概述。数字水印技术有其自身固有的特点且完全不同与普通水印。数字水印是一种嵌入到具有某种意义的原始载体作品中的数字信号，被嵌入的信号通常是不可见或者不可知的，但是通过对水印载体的检测仍然可以提取出水印或者判定水印是否存在。根据数字水印的算法有多种分类方法，本章节中按照数字水印系统不同的需求和应用，对数字水印进行了分类。通过对数字水印特性和分类了解数字水印系统的组成，从而引出数字水印系统的主要内容。数字水印系统包含嵌入器和检测器两大部分。水印系统的特性取决其实际应用的需求和在应用中数字水印所起到的作用。第三章数字图像认证技术概述3.1引言随着网络技术的飞速发展，人们的工作、学习、生活和娱乐都进入了全球一体化的数字网络化的时代。快捷廉价的数字传输手段为人们获取和交流信息带来了极大的便利。然而，网络信息的透明性和易操作性，却使得恶意攻击者可以轻易地对多媒体内容进行篡改或破坏，被篡改后的内容将会直接影响到用户和多媒体制造商的利益。因此，对于多媒体制造商和开发商而言，如何利用图像认证技术，对其多媒体信息内容的完整性保护以及对对媒体信息版权的保护已经成为了亟待解决的问题。本章节介绍图像认证系统以及图像认证的系统框架。本章结构安排如下：第二节介绍数字图像认证技术的基本原理、基本特性以及分类。根据数字图像认证技术的不同，图像认证系统也不同，本小节中简述了数字图像认证系统的框架。第三节中介绍了数字图像认证的方法，包括空间域方法和变换域等常见方法。根据图像认证的不同方法对其图像来源进行真实性、内容的完整性认证。第四节中将对本章内容做出总体的概括总结。3.2数字图像认证技术原理图像认证技术是对数字图像的内容进行认证的一门技术。图像认证技术主要包括两方面的内容，即篡改检测和篡改定位，前者用来判断图像是否真实，后者用来判断图像哪些地方不真实。目前，图像认证技术是对数字图像的真实性、完整性实施保护最有效的方法之一。要解决数字图像的真实性问题，一般可采用数字签名的方法或者是数字水印的方法。3.2.1数字图像认证分类根据不同的标准有不同的数字图像认证分类方法，下面介绍几种图像的分类方法。根据图像认证的实现方法分类。图像认证的实现方法有基于数字签名的方法和基于数字水印的方法，所以图像认证可以分为基于水印的图像认证和基于签名的图像认证。相比基于数字签名图像认证只是简单地将认证信息作为原始图像的头文件或者作为一个独立的文件，增加了需要传输的信息量，而且攻击者可以很容易的从传输文件中获取认证信息。而基于数字水印的图像认证，由于图像中固有的冗余和相关性，因此可以将认证信息嵌入隐藏到将要认证的图像中，另行存储和发送，避免了数字签名技术的安全隐患。显然，基于水印的图像认证具有更好的应用价值，因为它不需要额外的附加信息，检测中只需要待测图像就足够了。根据图像认证目标分类。图像认证根据目标分类可分为两种：完全性认证和鲁棒性认证。完全性认证检测所有的图像处理操作，只要图像被修改过即便是修改一个像素值的改变也能被检测到。鲁棒性认证和完全性认证的最根本区别就在于，对于完全性认证不管图像遭遇的是偶然攻击还是恶意攻击，只要是数字图像发生变化，它就是不完整、不可信的；而对于鲁棒性认证，需要区分图像处理是恶意攻击或者偶然操作，只有当图像内容发生变化时，信息才是不完整、不可信的。不同的应用可能需要不同类别的认证，医学图像数据库可能需要的是完全性的数字图像认证，然而图像、音频、视频娱乐信息可能就需要鲁棒性数字图像认证[[] 牛俊杰.基于水印的图像认证算法研究与应用[D].浙江:浙江大学硕士学位论文[] 牛俊杰.基于水印的图像认证算法研究与应用[D].浙江:浙江大学硕士学位论文,2007:8-10.3.2.2数字图像认证系统基本特性数字图像认证的目的就是检测图像是否被恶意篡改或者伪造，一个有效的数字图像认证系统一般都具有下面的基本特性。安全性：安全性系统应具有很强的抗非法攻击的能力，以免恶意攻击者非法复制、伪造数字图像信息。因此所有的认证系统都应该依赖某种私有密钥，且这些私有密钥应该都具有很大的可能性空间，可防止私有密钥被推测出来。对攻击的敏感性：数字图像认证中，当图像受到破坏或被恶意篡改后，系统能通过快速检测算法做出真伪性鉴别，定位篡改发生的位置，那些没有被篡改过的部分可继续使用。在实际应用中，通常需要认证检测结果对图像损害的性质或程度做出定性、定量分析和估测。根据具体的认证目的不同，数字图像认证系统对图像改动的敏感性要求也不尽相同。盲认性：对于数字图像认证来说，原始图像对验证方来说是不可用的，即数字水印提取算法应是盲提取的。可靠性：数字图像认证系统应具较小的虚警率和漏警率。系统的虚警率反映检测器对用户许可的图像改动报警示错的概率；系统的漏警率则反映检测器对用户不能接受的图像篡改未能报警示错的概率。由于图像认证检测结果直接关系到图像的真伪及其所具有的价值大小，因此虚警率和漏警率是评价数字图像认证系统性能的重要指标[[] 张静,张春田.数字图像认证技术[J].计算机科学,[] 张静,张春田.数字图像认证技术[J].计算机科学,2003,30(3):96-97.3.2.3图像认证系统原理及框架本小节介绍基于水印的图像认证系统的基本框架和原理。根据图像认证的数字水印的方法，可知道水印系统主要包括了水印的产生、嵌入、和检测验证，而图像认证系统主要有三部分构成，包括水印嵌入、水印提取和认证。图像认证系统的认证原理是：首先将提取的水印信息通过嵌入的算法将其嵌入到原始图像中，并确保水印的嵌入不会引起图像主观质量的明显下降，嵌入的水印信息可以与原始图像内容相关或无关，得到的含有水印的图像经过信道被接收。接收到的含有水印的图像信息通过检测的算法对图像进行检测，从被检测图像中提取水印信息，将提取到的原始水印信息相比较，根据比较结果可判定出图像是否被篡改，从而达到认证的目的。如果提取原始图像的内容或特征作为水印信息嵌入图像，并确保水印的嵌入不会改变图像的这些内容或特征，则图像认证时，只需将提取的水印信息与被测图像的内容或特征进行比较，而不必再另外提供原始水印信息。图像认证系统的框架如下图3-1所示。图3-1图像认证系统框架图3.3数字图像认证方法数字水印在图像认证中得到了广泛的研究，根据实际需求差异，可将数字水印的图像认证方法分为两大类型：脆弱数字图像水印和半脆弱数字图像水印[[] 赵小飞.数字水印技术及其在电子商务中的应用[J].通信与广播电视,2004,(4):39-40.]。脆弱数字图像水印的特点是认证图像发生任何改变，都有可能导致水印检测失败，对图像信息的改变十分敏感，主要用于图像的完全认证中。在数字图像的存储过程中，尤其在开放网络环境中难免会受到一些非恶意的处理，适当的压缩和噪声。在保持图像重要内容的情况下，在许多实际应用中更能希望这种非恶意的改变与恶意篡改区分开来，于是在脆弱水印的基础上衍生了半脆弱字图像水印，即水印能够经受一些常规的处理，同时对非法的恶意修改表现出脆性。半脆弱水印是近年来研究较多的认证方法。然而，根据图3-1的系统框架，结合其特性按照实现方法的不同，大体可分为空域方法和变换域方法[] 赵小飞.数字水印技术及其在电子商务中的应用[J].通信与广播电视,2004,(4):39-40.3.3.1空域方法完全脆弱性数字水印主要应用于图像的精确认证。它是用各种方法直接修改像素的值(如最低有效位)。早期的脆弱性水印技术大多数由空域的LSB水印算法演变而来，具有算法简单，易于实现的优点。而对于空域的半脆弱水印方法主要是通过改变图像空间信号来嵌入水印。因为半脆弱性水印比完全的脆弱性水印具有鲁棒性，允许图像有一定的改变，在一定程度上的完整性检验。当篡改发生时，半脆弱水印的图像认证系统不仅可提供篡改的破坏量以及篡改位置，而且可以帮助分析篡改类型以及篡改数据的恢复。空域方法是直接在空间域修改信号的值(如最低位)。此类方法对压缩和滤波有较好的鲁棒性，但嵌入的水印信息不能太多，否则将影响感官质量。国外学者，Walton提出了一种把所有像素值中的高7位的校验和作为水印信息的算法[[] WongPW.Apublickeywatermarkforimageverificationandauthentication[A].Proceedingsofthe IEEEInternationalConferenceonImageProcessing[C].Chicage,Illinois,USA[] WongPW.Apublickeywatermarkforimageverificationandauthentication[A].Proceedingsofthe IEEEInternationalConferenceonImageProcessing[C].Chicage,Illinois3.3.2变换域方法完全性脆弱数字水印是利用局部或者全局的图像变换的方法来改变系数，再用变换后的系数来嵌入水印。半脆弱水印变换域方法指的是先对图像进行某种可逆的数学变换，然后对变换域的系数进行某种修改，再进行逆变换得到嵌入水印后的图像。半脆弱水印系统的要求在变换域中都能得到较好地满足。由于变换域的方法能够对图像的能量进行重组集中，能够很好地符合半脆弱水印的要求，因此目前大多数半脆弱水印算法都是变换域方法。其中研究最多的主要有离散余弦变换和离散小波变换方法。此外，完全脆弱性数字水印和半脆弱水印也可以采取其它方法。Din等人利用图像的自相似性提出了基于自空域的脆弱水印算法。该系统与变换域方法不同处在于算法实现过程中并不改变图像中任何数据。半脆弱水印则借鉴数字签名认证技术的优点，采取纠错编码区分有损压缩等常规图像处理引起的偶然失真，同时采用公钥密钥机制PKI结合Hash算法产生水印并确保其安全性。3.4本章小结为了确保图像信息的真实性、完整性，一个有效的数字图像认证系统必须具有敏感性、可靠性以及安全性等特性。本章结合图像认证系统的特性，介绍了数字图像认证的基本原理，通过原始图像嵌入水印信息后，得到的含有水印的图像信息，在通过信道传输过程中，对图像进行合理的处理或者恶意攻击后，对图像进行提取，提取后的水印与原始的水印信息进行比较，从而做出正确的认证。然而对于不同的图像认证系统又有不同的认证方法。对于水印认证系统又分为了完全脆弱系统和半脆弱水印系统。本章结合完全脆弱水印系统以及半脆弱水印系统介绍了空域和变换域等图像认证方法。空域和变换域的认证方法各有其优点和缺点，这两种认证方法的选择要依据认证系统而选择。第四章基于鲁棒水印的图像认证算法4.1引言近年来，数字水印技术作为版权保护的有效方法以成为研究的热点。版权保护对水印的鲁棒性的要求很高，因此鲁棒性数字水印技术也得到了长足的发展。对于图像认证系统而言，其主要验证的是信息发送者发送的信息的完整性和真实性。认证技术又依赖于安全的密码系统，因此保证认证系统的安全性就不得不提到密钥和算法。在数字水印认证系统中，对于版权保护以及数字图像的真实性认证、视频音频等应用领域需要的鲁棒性要求都较高，因为鲁棒性认证允许一定的失真范围，只要图像的内容不发生变化，信息都是完整的。因此基于鲁棒水印的图像认证算法是实现图像认证的关键问题。本章结合第三章中的图像认证的原理和基本框架，主要讲解基于鲁棒水印的图像认证算法来实现图像的认证过程。目前,随着数字水印技术的深入发展，越来越多的水印算法被提出。数字水印算法研究主要集中于在变换域，例如：离散小波变换（DWT）、离散余弦变换（DCT）、离散傅里叶变换（DFT）[[] 于帅珍.基于DWT的彩色图像数字水印算法[J].现代计算机,2005,(12):40-42.]。本文提出了一种小波变换的水印算法。一方面，根据小波变换低频子带抗干扰性强和具有较大感觉容量的特性，选择在小波变换域低频子带中嵌入水印。数据的嵌入强度由载体图像的特性决定，并综合人类视觉系统的纹理掩蔽特性来调节强度因子，该算法对常见的图像处理，例如：JPEG压缩、滤波等具有良好的鲁棒性。另一方面，在变换域中嵌入水印，信号能量可以扩展到空间域所有像素上，有利于保证水印的不可见性[] 于帅珍.基于DWT的彩色图像数字水印算法[J].现代计算机,2005,(12):40-42.该章节中将主要利用离散小波变换算法的低频特性，保证其鲁棒性的同时进行水印的嵌入和提取。4.2算法原理基于鲁棒水印的图像认证算法的核心即是鲁棒水印的嵌入和提取，而水印的嵌入和提取都是基于小波变换算法。本文以大小为的原始灰度图像A，水印图像为,其尺寸大小为的二值图像为例，介绍本文算法的基本原理。水印图像的尺寸相对于载体图像要小很多。水印图像所能嵌入的区域也比水印的尺寸大出很多。嵌入的原始图像尺寸为水印尺寸的k倍，其实质是相当于分辨率为，灰度级为k的一幅图像。假设这幅嵌入水印后的图像为，水印提取是相当于提取出遭到破坏后的图像的过程。水印图像分k次嵌入到载体图像的不同区域，当一个区域受到破坏后，其他区域的水印仍然能够完好存在。受到破坏的水印区域，在提取时相当于对含水印图像某个或者多个位平面引入了噪声，而未受到破坏的位置其灰度值仍然很高，局部的破坏只会影响一个或几个位平面。水印信息代表了图像中比较有规律的位平面。如果被破坏的位平面是少量随机噪声，则水印信息应能够被容易的辨认出。这就是基于水印算法的基本思想。4.2.1图像的小波变换小波变换是一种变分辨率分析方法，它对高频信号采用小时窗，对低频信号采用大时窗进行分析，这与自然界中高频信号一般持续时间短，而低频信号持续时间较长的时频分布特性相吻合，适用于图像处理[[] 周熠.图像小波变换低频域的水印嵌入与检测算法[J].微电子学与计算机,2004,21(5):66-68.]。小波变换用于图像处理的基本思想是对图像进行多分辨率分解，分解成不同空间、不同频率的子图像，然后再对子图像的系数进行处理。然而，对系数的处理是小波变换用于图像处理的核心。根据S.Mallat的塔式分解算法[[] MallatS.ATheoryofMultiresolutionSignalDecomposition:TheWaveletRepresentation[J].IEEETransactionsonPatternAnalysisandMachineIntelligent,1989,11(5):647-653.][] 周熠.图像小波变换低频域的水印嵌入与检测算法[J].微电子学与计算机,2004,21(5):66-68.[] MallatS.ATheoryofMultiresolutionSignalDecomposition:TheWaveletRepresentation[J].IEEETransactionsonPatternAnalysisandMachineIntelligent,1989,11(5):647-653.图像经过小波分解后生成的小波图像具有与原图像不同的特性，在子带LL部分集中了原始图像的绝大部分信息，成为原始图像的逼近子图。HL、LH、HH子带中保持了原始图像垂直边缘细节、水平边缘细节、斜边缘细节，统称为原始图像的细节子图，它们刻画了原始图像的边缘细节。图4-1一级小波分解图4.2.2水印嵌入算法本文中选择在小波域上来实现鲁棒水印算法。水印的嵌入算法步骤如下：原始灰度图像A大小为，水印图像为,其尺寸大小为的二值图像。第一步：对原始图像进行一级小波分解，得到不同分辨率级下的细节子带图像LH、HL、HH和一个在低频部分集中了原始图像的绝大部分信息的子图LL。第二步：将低频部分的子图不重复的划分为个大小的子块图像，即。第三步：对子块图像在其每个像素重复嵌入水印信息。1、设子块图像当前待嵌入水印的像素值p，计算量化值(4-1)其中round——舍入取整函数；——预先设定的量化步长。2、构建像素值p嵌入水印信息后的像素值(4-2)3、将子块图像中的每个像素值替换为相应嵌入了水印信息的像素值后，使得到了含水印的子块图像。第四步：所有子块图像处理完毕后，即得到了含水印的子块图像。第五步：将嵌入完毕后的子图像进行小波反变换，得到嵌入水印后的图像。4.2.3水印提取算法在对含有水印的图像进行提取时，其图像可能已经受到过水印攻击。需要注意的是，若含有水印的图像收到了几何攻击，那么图像的宽、高可能就不再与原始图像相同了。本文的水印提取算法如下：第一步：首先把含有水印信息的图像进行一级小波分解，得到三个细节子图和一个子图。第二步：将含有水印的子图不重复的划分为大小的子块图像，其中子块图像的个数由的实际尺寸决定。第三步：从子块图形中提取水印信息。1、设子块图像当前待提取水印的像素值为，计算量化值(4-3)其中——向下取整函数。2、设当前像素值对应的水印信息为，根据的奇偶性确定相应的水印信息；若为奇数，则取值为1；否则取值为0。即(4-4)3、提取了子块图像所有像素值对应的水印信息后，根据这些水印信息值为1或0的多数来决定取出的水印；若这些值一半及以上为1，则取值为1；否则，取值为0。第四步：所有子块图像处理完毕后，即得到了提取出的二值水印。4.3实验结果与分析本文算法的实验采用512512大小的256级灰度lena图像作为原始图像如图4-2，以3232大小的有意义二值图像作为水印信息，如图4-3。取图像分块大小为88量化步长为4。本文将用MATLAB实现基于鲁棒水印的图像认证显示程序。程序见附录。图4-2原始图像图4-3水印图像通过MATLAB运行后，水印嵌入后的图像变化如下图4-4所示。图4-4含水印的图像水印嵌入过程如图4-5、水印提取过程如图4-6所示。水印的嵌入过程以及水印提取过程的程序见附录。图4-5水印嵌入步骤图4-6水印提取步骤当图像进行正常处理，图像内容基本不会发生改变，其内容是完整的，但图像受到恶意攻击后，图像信息是不完整的。下面将用图片的形式直观的展现出含水印的图像在受到不同攻击后，含水印图像的变化、水印信息的变换。当含水印图片受到常用攻击后的图像如下图4-7，受到攻击后的水印信息图4-8所示。图4-7受到常用攻击后的图像图4-8受到常用攻击后提取出的水印图像由图4-7、图4-8可知，含水印信息的图像受到常用攻击后，其水印图像并没有发生明显改变，其图像信息仍然是完整的，但水印信息却收到了影响。下图4-9、图4-10为含水印信息的图像受到裁剪攻击后的含水印图像以及受到攻击后的水印信息。图4-9受到裁减攻击后的图像图4-10受到裁减攻击后的提取出的水印图像图4-11受到旋转攻击后的图像图4-12受到旋转攻击后提取出的水印图像常用攻击、裁剪攻击、旋转攻击这三中攻击方式均在图像的正常处理范围内，因此在受到攻击后含有水印信息的图像并不会受到明显影响，只有水印信息会受到影响。图4-13、4-14是含水印的图像受到抹黑攻击后的图像以及受到抹黑攻击后提取出的水印图像，提取出的水印与原水印图像相比较没有明显变化，其水印具有较强的鲁棒性。图4-13受到抹黑攻击后的图像图4-14受到抹黑攻击后提取出的水印图像4.4本章小结近年来，基于小波变换的算法越来越成为水印研究的一个新的领域。在本章节中提出了一种在低频小波上嵌入水印的算法。本章中详细介绍了基于低频小波变换的水印嵌入及提取算法，通过水印的嵌入和提取的算法完成基于鲁棒水印的数字图像认证的核心算法。本章节中利用了小波变换的低频特性，保证了其图像水印的不可见性，鲁棒性的同时对图像进行了水印嵌入。由于小波变换是将图像的能量集中在低频分量中，因此本文在嵌入水印图像前，先对原始图像进行了一级小波变换，从而使原始图像的绝大部分信息都可以集中到低频平滑部分，在低频分量中嵌入水印。在低频分量嵌入水印容易影响图像的视觉效果，便于观察；相反，纹理和边缘特征等高频信息都集中在水平、垂直、对角分量中，在这些分量上嵌入水印，不易被人眼察觉,并且图像经过处理这些高频信息容易丢失，从而导致水印鲁棒性不强。同时，本章节中通过鲁棒水印的图像认证算法，分析运用了MATLAB软件实现对图像认证的演示程序。结论数字水印的图像认证技术的研究涉及多学科交叉的特点，成为国际学术界的研究热点。数字水印的图像认证技术处于迅速发展的阶段，在实际应用的许多方面不成熟。本文主要从几个方面对数字水印的图像认证技术进行整体概述，指出了它的学术意义及现实意义，给出了图像认证技术的应用领域及实用性，阐述了该技术基本特性，分析了其系统框架，并对算法进行研究描述。以后基于数字水印的图像认证技术的研究将侧重于完善理论、提高数字水印算法的同时能够保证其图像认证系统的稳健性、安全性、研究在实际网络中的应用和建立相关标准等方面。在网络信息技术迅猛发展的当下，数字水印技术面临的攻击与日俱增，数字水印