畢業(yè)設(shè)計（論文）-基于魯棒水印的圖像認(rèn)證技術(shù)研究

PAGEPAGEI基于魯棒水印的圖像認(rèn)證技術(shù)研究隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，在極大豐富了多媒體信息的同時，多媒體信息特別是圖像的保護(hù)成為計算機(jī)領(lǐng)域的一個重要研究方向。圖像保護(hù)一方面是指圖像的版權(quán)保護(hù)，維護(hù)圖像著作者的版權(quán)利益，另一方面是指保護(hù)圖像免于惡意性修改，保護(hù)圖像作為證據(jù)類信息的完整性和真實性。數(shù)字水印技術(shù)作為目前信息安全和數(shù)字媒體版權(quán)保護(hù)研究的熱點，通過一定的算法將一些標(biāo)志性信息嵌入原始的多媒體信息中，成為其中的一部分，不易被人的視覺系統(tǒng)覺察，并能對多媒體信息起到防盜版、侵權(quán)和篡改以及保護(hù)信息完整性的作用?；谒〉膱D像認(rèn)證技術(shù)是將認(rèn)證信息隱藏在原始圖像中而不需要附加信息。本文根據(jù)數(shù)字水印的魯棒性技術(shù)和數(shù)字圖像認(rèn)證技術(shù)入手，詳細(xì)介紹了基于水印的圖像認(rèn)證技術(shù)的基本概念，分析了其各種性質(zhì)、基本理論，并構(gòu)建了圖像認(rèn)證的框架與原理，根據(jù)數(shù)字水印的魯棒性，分析研究了基于魯棒水印在低頻分量上的圖像認(rèn)證算法。運(yùn)用了MATLAB軟件運(yùn)行了基于圖像認(rèn)證的演示程序。由于圖像認(rèn)證的重要性，反映出不論是在學(xué)術(shù)研究還是在實際應(yīng)用中，基于水印的圖像認(rèn)證都是一項非常有意義的技術(shù)。關(guān)鍵詞數(shù)字水??；圖像認(rèn)證；圖像認(rèn)證算法；水印嵌入；水印提取目錄摘要 IAbstract II第一章緒論 11.1課題背景和意義 11.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 21.3課題的主要內(nèi)容 3第二章數(shù)字水印技術(shù)概述 42.1引言 42.2數(shù)字水印特性 42.2.1不可感知性 42.2.2可證明性 42.2.3魯棒性 52.2.4逼真性 52.2.5安全性 62.3數(shù)字水印分類 62.3.1按特性劃分 62.3.2按水印所負(fù)載的媒體劃分 72.3.3按檢測過程劃分 72.3.4按內(nèi)容劃分 72.3.5按水印隱藏的位置劃分 72.3.6按用途劃分 82.4數(shù)字水印系統(tǒng) 82.4.1水印生成 82.4.2水印嵌入 92.4.3水印檢測 92.5本章小結(jié) 10第三章數(shù)字圖像認(rèn)證技術(shù)概述 113.1引言 113.2數(shù)字圖像認(rèn)證技術(shù)原理 113.2.1數(shù)字圖像認(rèn)證分類 113.2.2數(shù)字圖像認(rèn)證系統(tǒng)基本特性 123.2.3圖像認(rèn)證系統(tǒng)原理及框架 133.3數(shù)字圖像認(rèn)證方法 133.3.1空域方法 143.3.2變換域方法 143.4本章小結(jié) 15第四章基于魯棒水印的圖像認(rèn)證算法 164.1引言 164.2算法原理 164.2.1圖像的小波變換 174.2.2水印嵌入算法 184.2.3水印提取算法 184.3實驗結(jié)果與分析 194.4本章小結(jié) 23結(jié)論 24參考文獻(xiàn) 25附錄一 26附錄二 28附錄三 29致謝 30基于魯棒水印的圖像認(rèn)證技術(shù)研究PAGE25第一章緒論1.1課題背景和意義近年來，隨著數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及信息數(shù)字化的迅速發(fā)展，各種數(shù)字圖像，視頻、音頻等多媒體應(yīng)用軟件的使用頻率越來越高，越來越多的多媒體內(nèi)容的傳輸和處理變得越來越簡單化，多媒體軟件以及內(nèi)容簡單化的同時使得用戶對各種多媒體信息進(jìn)行大量的復(fù)制和編輯、制作等操作，在極大方便了用戶的同時，圖像信息的完整性、內(nèi)容的真實性等安全問題也一一暴露出來。這一現(xiàn)狀帶給社會的負(fù)面效應(yīng)是多媒體版權(quán)得不到有效保護(hù)，使得多媒體制造者和生產(chǎn)者受到了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失；數(shù)字圖像非法篡改現(xiàn)象日益嚴(yán)重也給信息傳送雙方帶來的不必要的麻煩。因此，在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，如何對數(shù)字媒體版權(quán)實施有效保護(hù)，從而保證數(shù)字媒體內(nèi)容的真實性、完整性已成為一個嚴(yán)峻的現(xiàn)實問題。目前在醫(yī)學(xué)、軍事、法律、商業(yè)、新聞媒體等眾多領(lǐng)域里均應(yīng)用到了數(shù)字圖像作品，當(dāng)這些領(lǐng)域在傳輸數(shù)字圖像信息的過程中一旦信息被篡改或者被攻擊，如果篡改的內(nèi)容涉及到國家安全、法庭舉證、歷史文獻(xiàn)、商業(yè)票據(jù)、醫(yī)學(xué)圖像等重要數(shù)據(jù)，那么篡改結(jié)果可能會造成極大地社會影響，甚至?xí)?dǎo)致重大的經(jīng)濟(jì)損失。例如在法庭上，原被告雙方證人所舉證的照片信息是否真實，這直接關(guān)系到法官的審判結(jié)果的裁決；在歷史文獻(xiàn)上，很多年代久遠(yuǎn)的文獻(xiàn)中所提供的信息是否正確，這都會影響到讀者的正確的思維和判斷；在商業(yè)上，數(shù)據(jù)的真?zhèn)涡裕瑫苯訐p害到交易雙方的經(jīng)濟(jì)利益；而在醫(yī)學(xué)應(yīng)用上，原始圖像的信息會直接影響到醫(yī)生對患者的診斷，甚至?xí)颊咴斐缮耐{等嚴(yán)重后果。因此，可以看到數(shù)字圖像的完整性，真實性認(rèn)證在眾多領(lǐng)域都已經(jīng)成為不可或缺的技術(shù)保障，所以對數(shù)字圖像進(jìn)行認(rèn)證并實施完整性保護(hù)，已成為亟待解決的問題。認(rèn)證的目的主要是驗證信息發(fā)送者所發(fā)送的信息的真實性以及信息的完整性和驗證信息接受者所接受到的信息的真實性和完整性，認(rèn)證是信息安全技術(shù)的一個尤為重要的方面。認(rèn)證技術(shù)依賴于安全的密碼系統(tǒng)[[] 闕大順,姚濤.一種基于混沌映射的小波域水印算法[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(信息與管理工程版[] 闕大順,姚濤.一種基于混沌映射的小波域水印算法[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(信息與管理工程版),2005,27(05):46.圖像認(rèn)證技術(shù)，作為一種有效的圖像信息安全技術(shù)，有效地為數(shù)字圖像的保護(hù)提供了一種手段。它可以用來證明數(shù)字圖像的來源是否合法，并且能夠驗證其內(nèi)容是否真實可靠。其中，對于內(nèi)容的完整性保護(hù)，基于密碼學(xué)的傳統(tǒng)加密技術(shù)已成熟的應(yīng)用于加密狀態(tài)下的數(shù)字媒體內(nèi)容的保護(hù)，但由于傳統(tǒng)的加密方法對內(nèi)容的保護(hù)只局限在加密通信的信道中或其他加密狀態(tài)下，但隨著計算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展，密碼被破譯的可能性越來越大，信息一旦被解密，則信息就完全變成明文。即使非法攔截者在截獲密文后無法破譯，但可以將其破壞后再發(fā)送，而且密碼學(xué)中的數(shù)據(jù)完整性的認(rèn)證方法對多媒體內(nèi)容的保護(hù)也無能為力：一方面是由于多媒體內(nèi)容的真實性認(rèn)證往往需容忍一定程度的失真，而密碼學(xué)中的認(rèn)證方法卻不容許一個比特的改變；另一方面是由于用于多媒體認(rèn)證的認(rèn)證信息往往需要直接嵌入到多媒體內(nèi)容當(dāng)中，沒有另外保存，而密碼學(xué)中的認(rèn)證方法則需另外保存信息認(rèn)證碼。因此，由于密碼學(xué)對多媒體內(nèi)容保護(hù)能力的局限，近年來，在知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)、防篡改及信息內(nèi)嵌式注釋等領(lǐng)域，國外學(xué)者提出了一種嶄新的數(shù)字媒體保護(hù)技術(shù)，即數(shù)字水印技術(shù)[[] 潘偉.用于圖像認(rèn)證的數(shù)字水印算法[D].遼寧:東北大學(xué)碩士學(xué)位論文[] 潘偉.用于圖像認(rèn)證的數(shù)字水印算法[D].遼寧:東北大學(xué)碩士學(xué)位論文,2008:1-4.近年來，為了解決數(shù)字產(chǎn)品的版權(quán)保護(hù)問題，魯棒水印技術(shù)已成為一個研究熱點。魯棒水印技術(shù)是指數(shù)字水印算法的魯棒性。魯棒性是指含有水印的載體在受到一定程度的噪聲、濾波、壓縮以及剪切等攻擊之后，水印仍然能夠被提取。利用魯棒性這一特點可以對圖像信息的內(nèi)容完整性以及對媒體進(jìn)行版權(quán)信息認(rèn)證，是水印技術(shù)的主要研究方向之一?；隰敯羲?shù)字圖像進(jìn)行認(rèn)證的技術(shù)無論是對科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步還是對社會的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，都具有非常重要的應(yīng)用價值和經(jīng)濟(jì)意義。1.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀1993年數(shù)字水印被正式提出來，A.Z.Tirkel等撰寫的“Electronicwatermark”[[] TirkelA,RankinG,etal.Eleetronicwatermark[C].In:ProceedingsofDICTA’93.Macquarie,Sydney,1993,666-672.]一文中首次使用了“watermark”這一術(shù)語。這一命名的提出標(biāo)志著數(shù)字水印技術(shù)作為一門研究學(xué)科的誕生。VanSchyndel在ICIP(InternationalConferenceonImageProcessing)會議上發(fā)表了題為“Adigitalwatermark”[[] VanSchyndelR,TirkelA,OsbomeC.Adigitalwatermark[C].In:ProceedingsofIEEEInternationalConferenceofImageProceeding,Austin,Texas,IEEEPress,1994,86-90.]的論文，這是第一篇在主要國際學(xué)術(shù)會議發(fā)表的關(guān)于數(shù)字水印的文章，該論文闡明了關(guān)于水印的重要概念，被認(rèn)為是一篇具有歷史價值的文獻(xiàn)。1996年5月30日在英國劍橋牛頓研究所召開的第一屆國際信息隱藏學(xué)術(shù)研討會中對信息隱藏的部分術(shù)語和學(xué)科分支進(jìn)行了統(tǒng)一和規(guī)范，[] TirkelA,RankinG,etal.Eleetronicwatermark[C].In:ProceedingsofDICTA’93.Macquarie,Sydney,1993,666-672.[] VanSchyndelR,TirkelA,OsbomeC.Adigitalwatermark[C].In:ProceedingsofIEEEInternationalConferenceofImageProceeding,Austin,Texas[] 陳洪濤.基于HVS的圖像變換域魯棒性數(shù)字水印算法研究[D].湖南:中南大學(xué)碩士學(xué)位論文,2009:2-3.[] A.Tirkel,G.A.Rankin,R.VanSchyndel.Electronicwatermark[C].DigitalImageComputingTechnologyandApplication-DICTA93,MacquarieUniversity當(dāng)前國際上已存在數(shù)字音視頻委員會(DAVIC)、版權(quán)保護(hù)技術(shù)工作小組(CPTWG)、安全數(shù)字音樂索引(SDMI)、唱機(jī)工業(yè)國際同盟(IFPI)等許多從事數(shù)字水印技術(shù)研究的組織。國際上著名的IBM、Philip等信息技術(shù)公司也已經(jīng)涉足數(shù)字水印技術(shù)領(lǐng)域。在美國的南加利福尼亞大學(xué)、普林斯頓大學(xué)、加拿大的多倫多大學(xué)等著名大學(xué)的圖像研究實驗室成立了專門用于數(shù)字水印技術(shù)研究的軟件工具包的數(shù)字水印技術(shù)研究項目。緊跟世界水印技術(shù)發(fā)展的步伐，國內(nèi)學(xué)術(shù)界近年來已有不少有實力的大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)相繼投入數(shù)字水印技術(shù)領(lǐng)域的研究。其中包括中科院自動化研究所的模式識別國家重點實驗室、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)[[] 牛夏牧,陸哲明,孫圣和.彩色數(shù)字水印嵌入技術(shù)[J].電子學(xué)報,2000,28(9):10-12.]等，都是我國投入水印技術(shù)研究較早，并且取得良好成績的單位。[] 牛夏牧,陸哲明,孫圣和.彩色數(shù)字水印嵌入技術(shù)[J].電子學(xué)報,2000,28(9):10-12.國內(nèi)數(shù)字水印技術(shù)的發(fā)展還處于初級階段，但數(shù)字水印公司的出現(xiàn)與發(fā)展，為水印技術(shù)由理論研究向商品化轉(zhuǎn)變開辟了道路，我國公司自主研發(fā)的數(shù)字水印系統(tǒng)軟件和數(shù)字水印產(chǎn)品的研制成功，對數(shù)字產(chǎn)品版權(quán)保護(hù)以及數(shù)字水印技術(shù)的研究和發(fā)展指明了方向并有效保障了信息安全產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。1.3課題的主要內(nèi)容本課題涉及的內(nèi)容主要包括了基于數(shù)字水印魯棒性的特點對數(shù)字圖像進(jìn)行認(rèn)證，其魯棒性認(rèn)證首先需要區(qū)分惡意攻擊和偶然操作，只有涉及到圖像的內(nèi)容發(fā)生變化，則通過圖像傳達(dá)的信息才是不完整的、不可信的。本論文中介紹了數(shù)字水印的特性、分類以及數(shù)字水印系統(tǒng)，繼而根據(jù)數(shù)字水印的魯棒性和魯棒水印的發(fā)展現(xiàn)狀，總結(jié)數(shù)字水印的特征分類及主要應(yīng)用。針對魯棒水印的算法進(jìn)行分析，利用魯棒水印算法，結(jié)合數(shù)字圖像的認(rèn)證技術(shù)原理、數(shù)字圖像認(rèn)證的框架；利用變換域中的小波變換方法等常用的數(shù)字圖像認(rèn)證方法對其圖像進(jìn)行有效認(rèn)證?；隰敯羲〉膱D像真實性認(rèn)證的實現(xiàn)。通過選定適合的通道把水印嵌入，經(jīng)過合理的改變，充分利用圖像信息，在保證不可知性和允許一定失真范圍的情況下，提高數(shù)字圖像水印系統(tǒng)的魯棒性。根據(jù)魯棒性的特征及其基于魯棒水印的圖像認(rèn)證模型，實現(xiàn)對水印的有效提取對其圖像進(jìn)行認(rèn)證。第二章數(shù)字水印技術(shù)概述2.1引言數(shù)字水印技術(shù)作為數(shù)字媒體版權(quán)保護(hù)的一種有效手段已成為了當(dāng)今信息科學(xué)中的一個新穎而具有廣闊應(yīng)用前景的技術(shù)。將數(shù)字水印直接嵌入到數(shù)字載體中，但嵌入水印后其載體的使用價值不受影響，自身的視覺效果亦不受影響的技術(shù)即是數(shù)字水印技術(shù)。數(shù)字水印針對不同的應(yīng)用場合和媒體特征有不同的水印技術(shù)和方法，例如魯棒水印、可逆水印、脆弱水印、半脆弱水印等。本章將會根據(jù)數(shù)字水印技術(shù)的基礎(chǔ)知識，介紹對于不同的數(shù)字水印系統(tǒng)、不同的應(yīng)用數(shù)字水印的不同特性。例如：數(shù)字水印技術(shù)的可證明性、不可感知性、魯棒性、逼真性、安全性這幾大特性是一般數(shù)字水印系統(tǒng)通常都具備的特征。2.2數(shù)字水印特性在不同的數(shù)字水印系統(tǒng)，不同的應(yīng)用中，對數(shù)字水印的要求也不盡相同。一般的數(shù)字水印通常具有不可感知性、魯棒性、可證明性、逼真性、安全性等特性[[] 陳明奇,鈕心忻,楊義先.數(shù)字水印研究進(jìn)展和應(yīng)用[J].通信學(xué)報,2001,05:71-79.][] 陳明奇,鈕心忻,楊義先.數(shù)字水印研究進(jìn)展和應(yīng)用[J].通信學(xué)報,2001,05:71-79.2.2.1不可感知性對于數(shù)字圖像來說，不可感知性包含以下兩方面內(nèi)容：一方面是指視覺上的不可見性，即利用人類視覺或聽覺系統(tǒng)的特性向數(shù)字作品中嵌入數(shù)字水印，在經(jīng)過一系列處理后，隱藏對象沒有明顯的降質(zhì)現(xiàn)象，其實質(zhì)是要求嵌入的水印不可以影響原圖像的視覺質(zhì)量。同時，嵌入的水印不會引起人的感知，當(dāng)人們從視覺上無法區(qū)分原始載體圖像和嵌入水印后的圖像時，水印才是真正不可感知的。另一方面是指嵌入水印后的對象與原始載體對象具有一致的特性，即使用統(tǒng)計方法也無法提取出水印或確定水印的存在。在非盲檢測算法中，對水印的感知透明性要求較高，在盲檢測算法中，只要嵌入的水印不被感知即可[[] 周蓉.基于數(shù)字水印的圖像通信的安全性研究[D].上海:東華大學(xué)碩士學(xué)位論文[] 周蓉.基于數(shù)字水印的圖像通信的安全性研究[D].上海:東華大學(xué)碩士學(xué)位論文,2008:12-14.2.2.2可證明性可證明性是指水印應(yīng)能為受到版權(quán)保護(hù)的數(shù)字產(chǎn)品的版權(quán)提供完全和可靠的證據(jù)。數(shù)字水印的版權(quán)信息應(yīng)能唯一地判定數(shù)字作品的版權(quán)所有者，水印算法應(yīng)能識別被嵌入到數(shù)字產(chǎn)品中的所有者的相關(guān)信息(如序列號、產(chǎn)品標(biāo)志或有意義的文字等)，并能在需要的時候?qū)⑵涮崛〕鰜?，提取出的水印或水印判決的結(jié)果應(yīng)能夠確切地表明所有權(quán)，可避免發(fā)生多重所有權(quán)的糾紛。水印可以用來判別數(shù)字產(chǎn)品是否受到保護(hù)，并能夠監(jiān)視被保護(hù)數(shù)據(jù)的傳播、完整性、真?zhèn)舞b別以及非法拷貝控制等。2.2.3魯棒性魯棒性是指數(shù)字水印在經(jīng)過無意或有意的信號處理過程后，數(shù)字水印仍能保持其完整性和鑒別的準(zhǔn)確性，它是魯棒水印應(yīng)有的特性。魯棒性測試主要包括數(shù)字水印對數(shù)據(jù)同步的依賴程度、抗各種線性和非線性濾波的能力，以及抵御幾何變換等其它攻擊的能力。數(shù)字水印應(yīng)能夠承受不同的物理和幾何的失真，其中包括圖像壓縮、濾波、加噪、剪切、插入、尺寸變化等無意攻擊和惡意攻擊。魯棒性是衡量水印經(jīng)過信號的處理能力。魯棒水印算法應(yīng)能從經(jīng)過信號處理過程的水印圖像中提取出嵌入的水印或者能夠證明水印的存在。不同類型的水印算法對魯棒性的要求也各不相同，各具特點。例如，用于圖像完整性認(rèn)證的脆弱水印算法，在最理想的情況下是不具有任何魯棒性的；半脆弱水印算法則要求對特定的操作魯棒，而其它操作脆弱；在多媒體進(jìn)行版權(quán)保護(hù)中，則要求盡可能的操作都具有魯棒性[[] PeiS,GuoJ.High-capacitydatahidinginhalftoneimagesusingminimal-errorbitsearchingandleast-meansquarefilter[J].[] PeiS,GuoJ.High-capacitydatahidinginhalftoneimagesusingminimal-errorbitsearchingandleast-meansquarefilter[J].IEEETransactionsonImageProcessing,2006,15(6):1665-1679.目前有了更進(jìn)一步的要求，即靜止圖像和視頻圖像對幾何變換也應(yīng)是魯棒的，魯棒性并非一個簡單的數(shù)值。一個水印對某種處理是魯棒的，但也許對其它處理非常脆弱，在很多的應(yīng)用中，過分的要求水印對所有可能的處理都具有魯棒性是不必要的。通常情況下，只需要求水印從嵌入到檢測階段具有魯棒性，例如電視或電臺的廣播監(jiān)控只要求水印在傳輸?shù)倪^程中是魯棒的，對于電視而言這意味著水印只需要有損壓縮、模擬傳輸和少量的水平或者垂直的變換即可，而對旋轉(zhuǎn)、縮放、高通濾波等是不需要再廣播中進(jìn)行處理的。2.2.4逼真性逼真性指水印系統(tǒng)輸出的含有水印的數(shù)字圖像作品與其原始作品相比較，如果由水印所引起的降質(zhì)是視覺感官上難以察覺的,那么稱該水印具有逼真性。多媒體的傳輸質(zhì)量不同，其逼真性的要求也不同，由于傳輸技術(shù)的原因，在使用AM廣播傳輸音頻或NTSC廣播標(biāo)準(zhǔn)傳輸含水印視頻時，受到廣播質(zhì)量差的影響，人們幾乎無法察覺經(jīng)過信道質(zhì)量退化后的原始作品與其水印版本之間的差異。在信號質(zhì)量很好(如HDTV、DVD的視頻和音頻)時，則對水印作品的逼真性要求較高。在有些應(yīng)用中，甚至?xí)靡欢ǖ氖д鎭頁Q取高魯棒性或者較低的代價。例如對于好萊塢的原始膠片來說，由水印引起的可見的細(xì)微扭曲并不會降低它們的價值。但失真要保證在一定的水印容量的范圍內(nèi)，才可以保證數(shù)字圖像作品的逼真性[[] [] 張玲峰,胡玉平.數(shù)字水印技術(shù)的應(yīng)用及研究[J].職教與經(jīng)濟(jì)研究,2004,2(1):45-46.2.2.5安全性是指水印能夠抵抗破壞水印攻擊行為的能力。非授權(quán)去除、非授權(quán)檢測以及非授權(quán)嵌入均屬于破壞水印攻擊行為。非授權(quán)去除是指在未得到許可的情況下，利用某種手段使含水印作品中的水印信息無法被正確檢測到；非受權(quán)嵌入指非法向作品中嵌入水印信息，已達(dá)到某種目的。而非受權(quán)檢測則根據(jù)嚴(yán)重程度不同分為不同等級，如果攻擊者成功提取并破譯了水印信息，屬最嚴(yán)重級別；其次是攻擊者提取除了水印信息，但無法成功破解其具體內(nèi)容，最輕的級別是攻擊者知道水印信息的存在，但是無法檢測出水印信息，同時不能破解出其具體內(nèi)容，通常不會造成傷害。安全性的高低，通常由嵌入算法及水印密鑰共同決定[[] 劉乃成.[] 劉乃成.用于圖像認(rèn)證的數(shù)字水印算法研究[D].云南:昆明理工大學(xué)碩士學(xué)位論文,2009:6-7.在水印系統(tǒng)中，未經(jīng)授權(quán)者是很難插入并偽造水印的，除非對數(shù)字水印具有足夠的知識。在商業(yè)應(yīng)用中的水印系統(tǒng)，其算法必須是公開的。算法的安全性應(yīng)取決于密鑰和算法設(shè)計本身，而不是通過對算法進(jìn)行保密以取得安全性。安全性測試主要是對破解水印算法的時間以及復(fù)雜性進(jìn)行評估，以此作為水印安全性的指標(biāo)。通常在設(shè)計水印的產(chǎn)生方法、編碼方式和水印的嵌入位置時，都需要考慮到安全性。2.3數(shù)字水印分類2.3.1按特性劃分按水印的特性可以將數(shù)字水印分為魯棒水印和脆弱水印兩類。魯棒性水印是指經(jīng)受攻擊后仍然能夠檢測或者提取水印。目前，魯棒水印主要用于在數(shù)字產(chǎn)品的版權(quán)保護(hù)方面，例如：作品中標(biāo)識著作權(quán)信息，如作者、作品序號等，它要求嵌入的水印能夠經(jīng)受各種常用的編輯處理。脆弱數(shù)字水印主要用于完整性保護(hù)，與魯棒水印的要求相反，脆弱水印必須對信號的改動很敏感，人們根據(jù)脆弱水印的狀態(tài)就可以判斷數(shù)據(jù)是否被篡改過[[] 岳青青.數(shù)字水印技術(shù)及其發(fā)展[J].中國品牌與防偽,2011,2:63-64. ]，對于脆弱水印的[] 岳青青.數(shù)字水印技術(shù)及其發(fā)展[J].中國品牌與防偽,2011,2:63-64. 2.3.2按水印所負(fù)載的媒體劃分按水印所附載的媒體，我們可以將數(shù)字水印劃分為圖像水印、音頻水印、視頻水印、文本水印以及用于三維網(wǎng)格模型的網(wǎng)格水印等。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，會有更多種類的數(shù)字媒體出現(xiàn)，同時也會產(chǎn)生相應(yīng)的水印技術(shù)。2.3.3按檢測過程劃分按水印的檢測過程可以將數(shù)字水印劃分為明文水印和盲水印。明文水印在檢測過程中需要原始數(shù)據(jù)，而盲水印的檢測只需要密鑰，不需要原始數(shù)據(jù)。一般來說，明文水印的魯棒性比較強(qiáng)，但其應(yīng)用受到存儲成本的限制。目前學(xué)術(shù)界研究的數(shù)字水印大多數(shù)是盲水印。2.3.4按內(nèi)容劃分按數(shù)字水印的內(nèi)容可以將水印劃分為有意義水印和無意義水印。有意義水印是指水印本身也是某個數(shù)字圖像（如商標(biāo)圖像）或數(shù)字音頻片段的編碼；無意義水印則只對應(yīng)于一個序列號。有意義水印的優(yōu)勢在于，如果由于受到攻擊或其他原因致使解碼后的水印破損，人們?nèi)匀豢梢酝ㄟ^視覺觀察確認(rèn)是否有水印。但對于無意義水印來說，如果解碼后的水印序列有若干碼元錯誤，則只能通過統(tǒng)計決策來確定信號中是否含有水印。2.3.5按水印隱藏的位置劃分按數(shù)字水印的隱藏位置，我們可以將其劃分為時（空）域數(shù)字水印、頻域數(shù)字水印、時/頻域數(shù)字水印和時間/尺度域數(shù)字水印。時（空）域數(shù)字水印是直接在信號空間上疊加水印信息，而頻域數(shù)字水印、時/頻域數(shù)字水印和時間/尺度域數(shù)字水印則分別是在DCT變換域、時/頻變換域和小波變換域上隱藏水印。隨著數(shù)字水印技術(shù)的發(fā)展，各種水印算法層出不窮，水印的隱藏位置也不再局限于上述四種。應(yīng)該說，只要構(gòu)成一種信號變換，就有可能在其變換空間上隱藏水印[[] 王麗娜,郭遲,李鵬.信息隱藏技術(shù)實驗教程[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2004,1-50.][] 王麗娜,郭遲,李鵬.信息隱藏技術(shù)實驗教程[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2004,1-50.2.3.6按用途劃分不同的應(yīng)用需求造就了不同的水印技術(shù)。按水印的用途，我們可以將數(shù)字水印劃分為票據(jù)防偽水印、版權(quán)保護(hù)水印、篡改提示水印和隱蔽標(biāo)識水印。票據(jù)防偽水印是一類比較特殊的水印，主要用于打印票據(jù)和電子票據(jù)的防偽。一般來說，偽幣的制造者不可能對票據(jù)圖像進(jìn)行過多的修改，所以，諸如尺度變換等信號編輯操作是不用考慮的。但另一方面，人們必須考慮票據(jù)破損、圖案模糊等情形，而且考慮到快速檢測的要求，用于票據(jù)防偽的數(shù)字水印算法不能太復(fù)雜。版權(quán)標(biāo)識水印是目前研究最多的一類數(shù)字水印。數(shù)字作品既是商品又是知識作品，這種雙重性決定了版權(quán)標(biāo)識水印主要強(qiáng)調(diào)隱蔽性和魯棒性，而對數(shù)據(jù)量的要求相對較小。篡改提示水印是一種脆弱水印，其目的是標(biāo)識宿主信號的完整性和真實性。隱蔽標(biāo)識水印的目的是將保密數(shù)據(jù)的重要標(biāo)注隱藏起來，限制非法用戶對保密數(shù)據(jù)的使用。2.4數(shù)字水印系統(tǒng)一個完整的數(shù)字水印系統(tǒng)的設(shè)計包括三部分，數(shù)字水印的生成，數(shù)字水印的嵌入和數(shù)字水印的提取[[] 范國華,丁仁源,杜哲明.基于MATLAB的數(shù)字水印系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)[J].信息系統(tǒng)工程, 2010,(6):57-58.]。數(shù)字水印技術(shù)實際上是通過對水印載體媒質(zhì)的分析、嵌入信息的與處理、嵌入方式的設(shè)計、嵌入調(diào)制的控制等幾個關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)經(jīng)合理化優(yōu)化，尋求滿足不可感知性、安全可靠性、穩(wěn)健性等諸條件約束許下的[] 范國華,丁仁源,杜哲明.基于MATLAB的數(shù)字水印系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)[J].信息系統(tǒng)工程, 2010,(6):57-58.該系統(tǒng)的輸入是水印信息W、原始載體數(shù)據(jù)L和一個可選的私鑰或公鑰K。其中原始載體數(shù)據(jù)L代表要保護(hù)的多媒體產(chǎn)品，如圖像、文檔、音頻、視頻等；水印信息W可以是任何形式的數(shù)據(jù)，如字符或柵格；二值圖像、灰度圖像或彩印圖像；3D圖像等等。密鑰K可以用功能來加強(qiáng)安全性，以避免未授權(quán)的恢復(fù)和修復(fù)水印，在數(shù)字水印系統(tǒng)中密鑰可以有也可以沒有。2.4.1水印生成水印生成算法G應(yīng)保證水印的唯一性、有效性、不可逆性等屬性。水印信息可以由多種模型構(gòu)成，如隨機(jī)數(shù)字序列、數(shù)字標(biāo)識、文本以及圖像等。從魯棒性和隱秘性角度考慮，常常需要對有意義水印進(jìn)行隨機(jī)化以及加密處理。2.4.2水印嵌入水印的嵌入算法有很多，定義水印嵌入過程的通用公式：(2-1)式中LW——表示嵌入水印后的數(shù)據(jù)；L——表示原始數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)；W——表示水印集合；K——表示密鑰集合[[] 吳香秦.試論數(shù)字水印技術(shù)及其發(fā)展[J].蘭臺世界,2009,4:20-21.][] 吳香秦.試論數(shù)字水印技術(shù)及其發(fā)展[J].蘭臺世界,2009,4:20-21.圖2-1水印嵌入結(jié)構(gòu)圖2.4.3水印檢測對于水印嵌入和提取技術(shù)而言，無論是從其整體框架的構(gòu)思還是具體細(xì)節(jié)的實現(xiàn)，都往往取決于研究者的研究背景以及各自的入手角度。對于數(shù)字水印的檢測過程主要是檢測水印存在與否，檢測方案的目標(biāo)則是盡量降低錯判與漏判的概率。通常情況下，水印的嵌入、檢測過程都采用密鑰來加強(qiáng)保護(hù)效果。本文中數(shù)字水印檢測系統(tǒng)的輸入端包含三個部分：含水印信息的待檢測圖像LW，水印信息W，以及密鑰K。在某些算法中通常不需要水印信息或者原始信息，只需要輸入檢測圖像和水印密鑰。本文檢測系統(tǒng)的輸入信息在水印檢測算法D的控制下，提取認(rèn)證信息，分析認(rèn)證信息，判斷其是否含有水印信息。下圖2-2是水印檢測的結(jié)構(gòu)框圖。圖2-2水印檢測結(jié)構(gòu)框圖2.5本章小結(jié)數(shù)字水印技術(shù)作為一種新興的技術(shù)，有著強(qiáng)大的生命力和巨大的商業(yè)潛能，在本章主要從數(shù)字水印的技術(shù)分類、特性以及系統(tǒng)構(gòu)成幾個方面進(jìn)行了簡單的概述。數(shù)字水印技術(shù)有其自身固有的特點且完全不同與普通水印。數(shù)字水印是一種嵌入到具有某種意義的原始載體作品中的數(shù)字信號，被嵌入的信號通常是不可見或者不可知的，但是通過對水印載體的檢測仍然可以提取出水印或者判定水印是否存在。根據(jù)數(shù)字水印的算法有多種分類方法，本章節(jié)中按照數(shù)字水印系統(tǒng)不同的需求和應(yīng)用，對數(shù)字水印進(jìn)行了分類。通過對數(shù)字水印特性和分類了解數(shù)字水印系統(tǒng)的組成，從而引出數(shù)字水印系統(tǒng)的主要內(nèi)容。數(shù)字水印系統(tǒng)包含嵌入器和檢測器兩大部分。水印系統(tǒng)的特性取決其實際應(yīng)用的需求和在應(yīng)用中數(shù)字水印所起到的作用。第三章數(shù)字圖像認(rèn)證技術(shù)概述3.1引言隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們的工作、學(xué)習(xí)、生活和娛樂都進(jìn)入了全球一體化的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)化的時代?？旖萘畠r的數(shù)字傳輸手段為人們獲取和交流信息帶來了極大的便利。然而，網(wǎng)絡(luò)信息的透明性和易操作性，卻使得惡意攻擊者可以輕易地對多媒體內(nèi)容進(jìn)行篡改或破壞，被篡改后的內(nèi)容將會直接影響到用戶和多媒體制造商的利益。因此，對于多媒體制造商和開發(fā)商而言，如何利用圖像認(rèn)證技術(shù)，對其多媒體信息內(nèi)容的完整性保護(hù)以及對對媒體信息版權(quán)的保護(hù)已經(jīng)成為了亟待解決的問題。本章節(jié)介紹圖像認(rèn)證系統(tǒng)以及圖像認(rèn)證的系統(tǒng)框架。本章結(jié)構(gòu)安排如下：第二節(jié)介紹數(shù)字圖像認(rèn)證技術(shù)的基本原理、基本特性以及分類。根據(jù)數(shù)字圖像認(rèn)證技術(shù)的不同，圖像認(rèn)證系統(tǒng)也不同，本小節(jié)中簡述了數(shù)字圖像認(rèn)證系統(tǒng)的框架。第三節(jié)中介紹了數(shù)字圖像認(rèn)證的方法，包括空間域方法和變換域等常見方法。根據(jù)圖像認(rèn)證的不同方法對其圖像來源進(jìn)行真實性、內(nèi)容的完整性認(rèn)證。第四節(jié)中將對本章內(nèi)容做出總體的概括總結(jié)。3.2數(shù)字圖像認(rèn)證技術(shù)原理圖像認(rèn)證技術(shù)是對數(shù)字圖像的內(nèi)容進(jìn)行認(rèn)證的一門技術(shù)。圖像認(rèn)證技術(shù)主要包括兩方面的內(nèi)容，即篡改檢測和篡改定位，前者用來判斷圖像是否真實，后者用來判斷圖像哪些地方不真實。目前，圖像認(rèn)證技術(shù)是對數(shù)字圖像的真實性、完整性實施保護(hù)最有效的方法之一。要解決數(shù)字圖像的真實性問題，一般可采用數(shù)字簽名的方法或者是數(shù)字水印的方法。3.2.1數(shù)字圖像認(rèn)證分類根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)有不同的數(shù)字圖像認(rèn)證分類方法，下面介紹幾種圖像的分類方法。根據(jù)圖像認(rèn)證的實現(xiàn)方法分類。圖像認(rèn)證的實現(xiàn)方法有基于數(shù)字簽名的方法和基于數(shù)字水印的方法，所以圖像認(rèn)證可以分為基于水印的圖像認(rèn)證和基于簽名的圖像認(rèn)證。相比基于數(shù)字簽名圖像認(rèn)證只是簡單地將認(rèn)證信息作為原始圖像的頭文件或者作為一個獨立的文件，增加了需要傳輸?shù)男畔⒘?，而且攻擊者可以很容易的從傳輸文件中獲取認(rèn)證信息。而基于數(shù)字水印的圖像認(rèn)證，由于圖像中固有的冗余和相關(guān)性，因此可以將認(rèn)證信息嵌入隱藏到將要認(rèn)證的圖像中，另行存儲和發(fā)送，避免了數(shù)字簽名技術(shù)的安全隱患。顯然，基于水印的圖像認(rèn)證具有更好的應(yīng)用價值，因為它不需要額外的附加信息，檢測中只需要待測圖像就足夠了。根據(jù)圖像認(rèn)證目標(biāo)分類。圖像認(rèn)證根據(jù)目標(biāo)分類可分為兩種：完全性認(rèn)證和魯棒性認(rèn)證。完全性認(rèn)證檢測所有的圖像處理操作，只要圖像被修改過即便是修改一個像素值的改變也能被檢測到。魯棒性認(rèn)證和完全性認(rèn)證的最根本區(qū)別就在于，對于完全性認(rèn)證不管圖像遭遇的是偶然攻擊還是惡意攻擊，只要是數(shù)字圖像發(fā)生變化，它就是不完整、不可信的；而對于魯棒性認(rèn)證，需要區(qū)分圖像處理是惡意攻擊或者偶然操作，只有當(dāng)圖像內(nèi)容發(fā)生變化時，信息才是不完整、不可信的。不同的應(yīng)用可能需要不同類別的認(rèn)證，醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)庫可能需要的是完全性的數(shù)字圖像認(rèn)證，然而圖像、音頻、視頻娛樂信息可能就需要魯棒性數(shù)字圖像認(rèn)證[[] ?？〗?基于水印的圖像認(rèn)證算法研究與應(yīng)用[D].浙江:浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文[] ?？〗?基于水印的圖像認(rèn)證算法研究與應(yīng)用[D].浙江:浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文,2007:8-10.3.2.2數(shù)字圖像認(rèn)證系統(tǒng)基本特性數(shù)字圖像認(rèn)證的目的就是檢測圖像是否被惡意篡改或者偽造，一個有效的數(shù)字圖像認(rèn)證系統(tǒng)一般都具有下面的基本特性。安全性：安全性系統(tǒng)應(yīng)具有很強(qiáng)的抗非法攻擊的能力，以免惡意攻擊者非法復(fù)制、偽造數(shù)字圖像信息。因此所有的認(rèn)證系統(tǒng)都應(yīng)該依賴某種私有密鑰，且這些私有密鑰應(yīng)該都具有很大的可能性空間，可防止私有密鑰被推測出來。對攻擊的敏感性：數(shù)字圖像認(rèn)證中，當(dāng)圖像受到破壞或被惡意篡改后，系統(tǒng)能通過快速檢測算法做出真?zhèn)涡澡b別，定位篡改發(fā)生的位置，那些沒有被篡改過的部分可繼續(xù)使用。在實際應(yīng)用中，通常需要認(rèn)證檢測結(jié)果對圖像損害的性質(zhì)或程度做出定性、定量分析和估測。根據(jù)具體的認(rèn)證目的不同，數(shù)字圖像認(rèn)證系統(tǒng)對圖像改動的敏感性要求也不盡相同。盲認(rèn)性：對于數(shù)字圖像認(rèn)證來說，原始圖像對驗證方來說是不可用的，即數(shù)字水印提取算法應(yīng)是盲提取的?？煽啃裕簲?shù)字圖像認(rèn)證系統(tǒng)應(yīng)具較小的虛警率和漏警率。系統(tǒng)的虛警率反映檢測器對用戶許可的圖像改動報警示錯的概率；系統(tǒng)的漏警率則反映檢測器對用戶不能接受的圖像篡改未能報警示錯的概率。由于圖像認(rèn)證檢測結(jié)果直接關(guān)系到圖像的真?zhèn)渭捌渌哂械膬r值大小，因此虛警率和漏警率是評價數(shù)字圖像認(rèn)證系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)[[] 張靜,張春田.數(shù)字圖像認(rèn)證技術(shù)[J].計算機(jī)科學(xué),[] 張靜,張春田.數(shù)字圖像認(rèn)證技術(shù)[J].計算機(jī)科學(xué),2003,30(3):96-97.3.2.3圖像認(rèn)證系統(tǒng)原理及框架本小節(jié)介紹基于水印的圖像認(rèn)證系統(tǒng)的基本框架和原理。根據(jù)圖像認(rèn)證的數(shù)字水印的方法，可知道水印系統(tǒng)主要包括了水印的產(chǎn)生、嵌入、和檢測驗證，而圖像認(rèn)證系統(tǒng)主要有三部分構(gòu)成，包括水印嵌入、水印提取和認(rèn)證。圖像認(rèn)證系統(tǒng)的認(rèn)證原理是：首先將提取的水印信息通過嵌入的算法將其嵌入到原始圖像中，并確保水印的嵌入不會引起圖像主觀質(zhì)量的明顯下降，嵌入的水印信息可以與原始圖像內(nèi)容相關(guān)或無關(guān)，得到的含有水印的圖像經(jīng)過信道被接收。接收到的含有水印的圖像信息通過檢測的算法對圖像進(jìn)行檢測，從被檢測圖像中提取水印信息，將提取到的原始水印信息相比較，根據(jù)比較結(jié)果可判定出圖像是否被篡改，從而達(dá)到認(rèn)證的目的。如果提取原始圖像的內(nèi)容或特征作為水印信息嵌入圖像，并確保水印的嵌入不會改變圖像的這些內(nèi)容或特征，則圖像認(rèn)證時，只需將提取的水印信息與被測圖像的內(nèi)容或特征進(jìn)行比較，而不必再另外提供原始水印信息。圖像認(rèn)證系統(tǒng)的框架如下圖3-1所示。圖3-1圖像認(rèn)證系統(tǒng)框架圖3.3數(shù)字圖像認(rèn)證方法數(shù)字水印在圖像認(rèn)證中得到了廣泛的研究，根據(jù)實際需求差異，可將數(shù)字水印的圖像認(rèn)證方法分為兩大類型：脆弱數(shù)字圖像水印和半脆弱數(shù)字圖像水印[[] 趙小飛.數(shù)字水印技術(shù)及其在電子商務(wù)中的應(yīng)用[J].通信與廣播電視,2004,(4):39-40.]。脆弱數(shù)字圖像水印的特點是認(rèn)證圖像發(fā)生任何改變，都有可能導(dǎo)致水印檢測失敗，對圖像信息的改變十分敏感，主要用于圖像的完全認(rèn)證中。在數(shù)字圖像的存儲過程中，尤其在開放網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中難免會受到一些非惡意的處理，適當(dāng)?shù)膲嚎s和噪聲。在保持圖像重要內(nèi)容的情況下，在許多實際應(yīng)用中更能希望這種非惡意的改變與惡意篡改區(qū)分開來，于是在脆弱水印的基礎(chǔ)上衍生了半脆弱字圖像水印，即水印能夠經(jīng)受一些常規(guī)的處理，同時對非法的惡意修改表現(xiàn)出脆性。半脆弱水印是近年來研究較多的認(rèn)證方法。然而，根據(jù)圖3-1的系統(tǒng)框架，結(jié)合其特性按照實現(xiàn)方法的不同，大體可分為空域方法和變換域方法[] 趙小飛.數(shù)字水印技術(shù)及其在電子商務(wù)中的應(yīng)用[J].通信與廣播電視,2004,(4):39-40.3.3.1空域方法完全脆弱性數(shù)字水印主要應(yīng)用于圖像的精確認(rèn)證。它是用各種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術(shù)大多數(shù)由空域的LSB水印算法演變而來，具有算法簡單，易于實現(xiàn)的優(yōu)點。而對于空域的半脆弱水印方法主要是通過改變圖像空間信號來嵌入水印。因為半脆弱性水印比完全的脆弱性水印具有魯棒性，允許圖像有一定的改變，在一定程度上的完整性檢驗。當(dāng)篡改發(fā)生時，半脆弱水印的圖像認(rèn)證系統(tǒng)不僅可提供篡改的破壞量以及篡改位置，而且可以幫助分析篡改類型以及篡改數(shù)據(jù)的恢復(fù)?？沼蚍椒ㄊ侵苯釉诳臻g域修改信號的值(如最低位)。此類方法對壓縮和濾波有較好的魯棒性，但嵌入的水印信息不能太多，否則將影響感官質(zhì)量。國外學(xué)者，Walton提出了一種把所有像素值中的高7位的校驗和作為水印信息的算法[[] WongPW.Apublickeywatermarkforimageverificationandauthentication[A].Proceedingsofthe IEEEInternationalConferenceonImageProcessing[C].Chicage,Illinois,USA[] WongPW.Apublickeywatermarkforimageverificationandauthentication[A].Proceedingsofthe IEEEInternationalConferenceonImageProcessing[C].Chicage,Illinois3.3.2變換域方法完全性脆弱數(shù)字水印是利用局部或者全局的圖像變換的方法來改變系數(shù)，再用變換后的系數(shù)來嵌入水印。半脆弱水印變換域方法指的是先對圖像進(jìn)行某種可逆的數(shù)學(xué)變換，然后對變換域的系數(shù)進(jìn)行某種修改，再進(jìn)行逆變換得到嵌入水印后的圖像。半脆弱水印系統(tǒng)的要求在變換域中都能得到較好地滿足。由于變換域的方法能夠?qū)D像的能量進(jìn)行重組集中，能夠很好地符合半脆弱水印的要求，因此目前大多數(shù)半脆弱水印算法都是變換域方法。其中研究最多的主要有離散余弦變換和離散小波變換方法。此外，完全脆弱性數(shù)字水印和半脆弱水印也可以采取其它方法。Din等人利用圖像的自相似性提出了基于自空域的脆弱水印算法。該系統(tǒng)與變換域方法不同處在于算法實現(xiàn)過程中并不改變圖像中任何數(shù)據(jù)。半脆弱水印則借鑒數(shù)字簽名認(rèn)證技術(shù)的優(yōu)點，采取糾錯編碼區(qū)分有損壓縮等常規(guī)圖像處理引起的偶然失真，同時采用公鑰密鑰機(jī)制PKI結(jié)合Hash算法產(chǎn)生水印并確保其安全性。3.4本章小結(jié)為了確保圖像信息的真實性、完整性，一個有效的數(shù)字圖像認(rèn)證系統(tǒng)必須具有敏感性、可靠性以及安全性等特性。本章結(jié)合圖像認(rèn)證系統(tǒng)的特性，介紹了數(shù)字圖像認(rèn)證的基本原理，通過原始圖像嵌入水印信息后，得到的含有水印的圖像信息，在通過信道傳輸過程中，對圖像進(jìn)行合理的處理或者惡意攻擊后，對圖像進(jìn)行提取，提取后的水印與原始的水印信息進(jìn)行比較，從而做出正確的認(rèn)證。然而對于不同的圖像認(rèn)證系統(tǒng)又有不同的認(rèn)證方法。對于水印認(rèn)證系統(tǒng)又分為了完全脆弱系統(tǒng)和半脆弱水印系統(tǒng)。本章結(jié)合完全脆弱水印系統(tǒng)以及半脆弱水印系統(tǒng)介紹了空域和變換域等圖像認(rèn)證方法。空域和變換域的認(rèn)證方法各有其優(yōu)點和缺點，這兩種認(rèn)證方法的選擇要依據(jù)認(rèn)證系統(tǒng)而選擇。第四章基于魯棒水印的圖像認(rèn)證算法4.1引言近年來，數(shù)字水印技術(shù)作為版權(quán)保護(hù)的有效方法以成為研究的熱點。版權(quán)保護(hù)對水印的魯棒性的要求很高，因此魯棒性數(shù)字水印技術(shù)也得到了長足的發(fā)展。對于圖像認(rèn)證系統(tǒng)而言，其主要驗證的是信息發(fā)送者發(fā)送的信息的完整性和真實性。認(rèn)證技術(shù)又依賴于安全的密碼系統(tǒng)，因此保證認(rèn)證系統(tǒng)的安全性就不得不提到密鑰和算法。在數(shù)字水印認(rèn)證系統(tǒng)中，對于版權(quán)保護(hù)以及數(shù)字圖像的真實性認(rèn)證、視頻音頻等應(yīng)用領(lǐng)域需要的魯棒性要求都較高，因為魯棒性認(rèn)證允許一定的失真范圍，只要圖像的內(nèi)容不發(fā)生變化，信息都是完整的。因此基于魯棒水印的圖像認(rèn)證算法是實現(xiàn)圖像認(rèn)證的關(guān)鍵問題。本章結(jié)合第三章中的圖像認(rèn)證的原理和基本框架，主要講解基于魯棒水印的圖像認(rèn)證算法來實現(xiàn)圖像的認(rèn)證過程。目前,隨著數(shù)字水印技術(shù)的深入發(fā)展，越來越多的水印算法被提出。數(shù)字水印算法研究主要集中于在變換域，例如：離散小波變換（DWT）、離散余弦變換（DCT）、離散傅里葉變換（DFT）[[] 于帥珍.基于DWT的彩色圖像數(shù)字水印算法[J].現(xiàn)代計算機(jī),2005,(12):40-42.]。本文提出了一種小波變換的水印算法。一方面，根據(jù)小波變換低頻子帶抗干擾性強(qiáng)和具有較大感覺容量的特性，選擇在小波變換域低頻子帶中嵌入水印。數(shù)據(jù)的嵌入強(qiáng)度由載體圖像的特性決定，并綜合人類視覺系統(tǒng)的紋理掩蔽特性來調(diào)節(jié)強(qiáng)度因子，該算法對常見的圖像處理，例如：JPEG壓縮、濾波等具有良好的魯棒性。另一方面，在變換域中嵌入水印，信號能量可以擴(kuò)展到空間域所有像素上，有利于保證水印的不可見性[] 于帥珍.基于DWT的彩色圖像數(shù)字水印算法[J].現(xiàn)代計算機(jī),2005,(12):40-42.該章節(jié)中將主要利用離散小波變換算法的低頻特性，保證其魯棒性的同時進(jìn)行水印的嵌入和提取。4.2算法原理基于魯棒水印的圖像認(rèn)證算法的核心即是魯棒水印的嵌入和提取，而水印的嵌入和提取都是基于小波變換算法。本文以大小為的原始灰度圖像A，水印圖像為,其尺寸大小為的二值圖像為例，介紹本文算法的基本原理。水印圖像的尺寸相對于載體圖像要小很多。水印圖像所能嵌入的區(qū)域也比水印的尺寸大出很多。嵌入的原始圖像尺寸為水印尺寸的k倍，其實質(zhì)是相當(dāng)于分辨率為，灰度級為k的一幅圖像。假設(shè)這幅嵌入水印后的圖像為，水印提取是相當(dāng)于提取出遭到破壞后的圖像的過程。水印圖像分k次嵌入到載體圖像的不同區(qū)域，當(dāng)一個區(qū)域受到破壞后，其他區(qū)域的水印仍然能夠完好存在。受到破壞的水印區(qū)域，在提取時相當(dāng)于對含水印圖像某個或者多個位平面引入了噪聲，而未受到破壞的位置其灰度值仍然很高，局部的破壞只會影響一個或幾個位平面。水印信息代表了圖像中比較有規(guī)律的位平面。如果被破壞的位平面是少量隨機(jī)噪聲，則水印信息應(yīng)能夠被容易的辨認(rèn)出。這就是基于水印算法的基本思想。4.2.1圖像的小波變換小波變換是一種變分辨率分析方法，它對高頻信號采用小時窗，對低頻信號采用大時窗進(jìn)行分析，這與自然界中高頻信號一般持續(xù)時間短，而低頻信號持續(xù)時間較長的時頻分布特性相吻合，適用于圖像處理[[] 周熠.圖像小波變換低頻域的水印嵌入與檢測算法[J].微電子學(xué)與計算機(jī),2004,21(5):66-68.]。小波變換用于圖像處理的基本思想是對圖像進(jìn)行多分辨率分解，分解成不同空間、不同頻率的子圖像，然后再對子圖像的系數(shù)進(jìn)行處理。然而，對系數(shù)的處理是小波變換用于圖像處理的核心。根據(jù)S.Mallat的塔式分解算法[[] MallatS.ATheoryofMultiresolutionSignalDecomposition:TheWaveletRepresentation[J].IEEETransactionsonPatternAnalysisandMachineIntelligent,1989,11(5):647-653.][] 周熠.圖像小波變換低頻域的水印嵌入與檢測算法[J].微電子學(xué)與計算機(jī),2004,21(5):66-68.[] MallatS.ATheoryofMultiresolutionSignalDecomposition:TheWaveletRepresentation[J].IEEETransactionsonPatternAnalysisandMachineIntelligent,1989,11(5):647-653.圖像經(jīng)過小波分解后生成的小波圖像具有與原圖像不同的特性，在子帶LL部分集中了原始圖像的絕大部分信息，成為原始圖像的逼近子圖。HL、LH、HH子帶中保持了原始圖像垂直邊緣細(xì)節(jié)、水平邊緣細(xì)節(jié)、斜邊緣細(xì)節(jié)，統(tǒng)稱為原始圖像的細(xì)節(jié)子圖，它們刻畫了原始圖像的邊緣細(xì)節(jié)。圖4-1一級小波分解圖4.2.2水印嵌入算法本文中選擇在小波域上來實現(xiàn)魯棒水印算法。水印的嵌入算法步驟如下：原始灰度圖像A大小為，水印圖像為,其尺寸大小為的二值圖像。第一步：對原始圖像進(jìn)行一級小波分解，得到不同分辨率級下的細(xì)節(jié)子帶圖像LH、HL、HH和一個在低頻部分集中了原始圖像的絕大部分信息的子圖LL。第二步：將低頻部分的子圖不重復(fù)的劃分為個大小的子塊圖像，即。第三步：對子塊圖像在其每個像素重復(fù)嵌入水印信息。1、設(shè)子塊圖像當(dāng)前待嵌入水印的像素值p，計算量化值(4-1)其中round——舍入取整函數(shù)；——預(yù)先設(shè)定的量化步長。2、構(gòu)建像素值p嵌入水印信息后的像素值(4-2)3、將子塊圖像中的每個像素值替換為相應(yīng)嵌入了水印信息的像素值后，使得到了含水印的子塊圖像。第四步：所有子塊圖像處理完畢后，即得到了含水印的子塊圖像。第五步：將嵌入完畢后的子圖像進(jìn)行小波反變換，得到嵌入水印后的圖像。4.2.3水印提取算法在對含有水印的圖像進(jìn)行提取時，其圖像可能已經(jīng)受到過水印攻擊。需要注意的是，若含有水印的圖像收到了幾何攻擊，那么圖像的寬、高可能就不再與原始圖像相同了。本文的水印提取算法如下：第一步：首先把含有水印信息的圖像進(jìn)行一級小波分解，得到三個細(xì)節(jié)子圖和一個子圖。第二步：將含有水印的子圖不重復(fù)的劃分為大小的子塊圖像，其中子塊圖像的個數(shù)由的實際尺寸決定。第三步：從子塊圖形中提取水印信息。1、設(shè)子塊圖像當(dāng)前待提取水印的像素值為，計算量化值(4-3)其中——向下取整函數(shù)。2、設(shè)當(dāng)前像素值對應(yīng)的水印信息為，根據(jù)的奇偶性確定相應(yīng)的水印信息；若為奇數(shù)，則取值為1；否則取值為0。即(4-4)3、提取了子塊圖像所有像素值對應(yīng)的水印信息后，根據(jù)這些水印信息值為1或0的多數(shù)來決定取出的水?。蝗暨@些值一半及以上為1，則取值為1；否則，取值為0。第四步：所有子塊圖像處理完畢后，即得到了提取出的二值水印。4.3實驗結(jié)果與分析本文算法的實驗采用512512大小的256級灰度lena圖像作為原始圖像如圖4-2，以3232大小的有意義二值圖像作為水印信息，如圖4-3。取圖像分塊大小為88量化步長為4。本文將用MATLAB實現(xiàn)基于魯棒水印的圖像認(rèn)證顯示程序。程序見附錄。圖4-2原始圖像圖4-3水印圖像通過MATLAB運(yùn)行后，水印嵌入后的圖像變化如下圖4-4所示。圖4-4含水印的圖像水印嵌入過程如圖4-5、水印提取過程如圖4-6所示。水印的嵌入過程以及水印提取過程的程序見附錄。圖4-5水印嵌入步驟圖4-6水印提取步驟當(dāng)圖像進(jìn)行正常處理，圖像內(nèi)容基本不會發(fā)生改變，其內(nèi)容是完整的，但圖像受到惡意攻擊后，圖像信息是不完整的。下面將用圖片的形式直觀的展現(xiàn)出含水印的圖像在受到不同攻擊后，含水印圖像的變化、水印信息的變換。當(dāng)含水印圖片受到常用攻擊后的圖像如下圖4-7，受到攻擊后的水印信息圖4-8所示。圖4-7受到常用攻擊后的圖像圖4-8受到常用攻擊后提取出的水印圖像由圖4-7、圖4-8可知，含水印信息的圖像受到常用攻擊后，其水印圖像并沒有發(fā)生明顯改變，其圖像信息仍然是完整的，但水印信息卻收到了影響。下圖4-9、圖4-10為含水印信息的圖像受到裁剪攻擊后的含水印圖像以及受到攻擊后的水印信息。圖4-9受到裁減攻擊后的圖像圖4-10受到裁減攻擊后的提取出的水印圖像圖4-11受到旋轉(zhuǎn)攻擊后的圖像圖4-12受到旋轉(zhuǎn)攻擊后提取出的水印圖像常用攻擊、裁剪攻擊、旋轉(zhuǎn)攻擊這三中攻擊方式均在圖像的正常處理范圍內(nèi)，因此在受到攻擊后含有水印信息的圖像并不會受到明顯影響，只有水印信息會受到影響。圖4-13、4-14是含水印的圖像受到抹黑攻擊后的圖像以及受到抹黑攻擊后提取出的水印圖像，提取出的水印與原水印圖像相比較沒有明顯變化，其水印具有較強(qiáng)的魯棒性。圖4-13受到抹黑攻擊后的圖像圖4-14受到抹黑攻擊后提取出的水印圖像4.4本章小結(jié)近年來，基于小波變換的算法越來越成為水印研究的一個新的領(lǐng)域。在本章節(jié)中提出了一種在低頻小波上嵌入水印的算法。本章中詳細(xì)介紹了基于低頻小波變換的水印嵌入及提取算法，通過水印的嵌入和提取的算法完成基于魯棒水印的數(shù)字圖像認(rèn)證的核心算法。本章節(jié)中利用了小波變換的低頻特性，保證了其圖像水印的不可見性，魯棒性的同時對圖像進(jìn)行了水印嵌入。由于小波變換是將圖像的能量集中在低頻分量中，因此本文在嵌入水印圖像前，先對原始圖像進(jìn)行了一級小波變換，從而使原始圖像的絕大部分信息都可以集中到低頻平滑部分，在低頻分量中嵌入水印。在低頻分量嵌入水印容易影響圖像的視覺效果，便于觀察；相反，紋理和邊緣特征等高頻信息都集中在水平、垂直、對角分量中，在這些分量上嵌入水印，不易被人眼察覺,并且圖像經(jīng)過處理這些高頻信息容易丟失，從而導(dǎo)致水印魯棒性不強(qiáng)。同時，本章節(jié)中通過魯棒水印的圖像認(rèn)證算法，分析運(yùn)用了MATLAB軟件實現(xiàn)對圖像認(rèn)證的演示程序。結(jié)論數(shù)字水印的圖像認(rèn)證技術(shù)的研究涉及多學(xué)科交叉的特點，成為國際學(xué)術(shù)界的研究熱點。數(shù)字水印的圖像認(rèn)證技術(shù)處于迅速發(fā)展的階段，在實際應(yīng)用的許多方面不成熟。本文主要從幾個方面對數(shù)字水印的圖像認(rèn)證技術(shù)進(jìn)行整體概述，指出了它的學(xué)術(shù)意義及現(xiàn)實意義，給出了圖像認(rèn)證技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域及實用性，闡述了該技術(shù)基本特性，分析了其系統(tǒng)框架，并對算法進(jìn)行研究描述。以后基于數(shù)字水印的圖像認(rèn)證技術(shù)的研究將側(cè)重于完善理論、提高數(shù)字水印算法的同時能夠保證其圖像認(rèn)證系統(tǒng)的穩(wěn)健性、安全性、研究在實際網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用和建立相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)等方面。在網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)迅猛發(fā)展的當(dāng)下，數(shù)字水印技術(shù)面臨的攻擊與日俱增，數(shù)字水印