用于圖像認證的半脆弱水印算法研究

1.1.2 使用半脆弱數(shù)字水印的必要性
數(shù)字水印是往多媒體數(shù)據(jù)（如圖像、聲音、視頻信號等）中添加某些數(shù)字信息以達到版權(quán)保護等作用。如果沒有魯棒性的要求，水印與信息偽裝技術(shù)上的處理本質(zhì)上是完全一致的。在絕大多數(shù)情況下我們希望添加的信息是不可察覺的，并且希望攻擊者在不破壞數(shù)據(jù)本身質(zhì)量的情況下無法將水印去掉。發(fā)展數(shù)字水印技術(shù)的原動力就是為了提供多媒體數(shù)據(jù)的版權(quán)保護。按水印的特性可以將數(shù)字水印分為魯棒數(shù)字水印和脆弱數(shù)字水印兩類。魯棒數(shù)字水印主要用于在數(shù)字作品中標識著作權(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，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。

圖像認證的目的是確認作品沒有受到惡意篡改，可用脆弱水印來實現(xiàn)認證。為了便于操作，脆弱水印對某些變換具有較低的魯棒性，而對另外一些則更低。脆弱水印對圖像的改變極為敏感，即使最微小的改變也會導(dǎo)致檢測到改變。比如說，對一副圖像進行很小的質(zhì)量的JPEG(Joint Photographic Experts Group，聯(lián)合圖像專家組)壓縮（1％），加入了脆弱水印的圖像在檢測時，給出的結(jié)論就是圖像被篡改，即圖像已不是原來的或者說可以接受的圖像了。但是實際上，就HVS(Human Visual System，人類視覺系統(tǒng))來說，1％的JPEG是完全可以接受的。這就是說，對于現(xiàn)在廣泛使用的數(shù)字圖像來說，少量的不在關(guān)鍵位上的改變是完全可以接受的，在視覺或者聽覺上即HVS上是不會有很大的感覺的。此時，基于脆弱水印的精確認證就無法實現(xiàn)認證功能。

1.1.3使用半脆弱數(shù)字水印的優(yōu)點
近年來，國內(nèi)外有關(guān)認證水印的研究日益增加，根據(jù)識別能力的不同，又分為脆弱水印和半脆弱水印。脆弱水印不是本文要討論的重點。由于實際應(yīng)用上的不確定性，導(dǎo)致了簡單的數(shù)字水印不能勝任，人們提出了半脆弱水印。比如說了法庭上的證據(jù)，圖像的或音頻的，簡單的水印加入了，敵手可能破解水印，并加入有利于敵手的篡改水印，這樣原始的水印就無法發(fā)揮作用。用了半脆弱水印的話，任何敵手的惡意篡改都可能被檢測到，并由于算法的不同，而采取水印毀滅或是諸如水印以篡改的信息。這樣，這種證據(jù)就不能被敵手應(yīng)用了。另外，由于水印是半脆弱的，在非惡意攻擊下，比如JPEG壓縮后，檢測系統(tǒng)給出的結(jié)論仍然會是通過認證。這就是因為半脆弱水印對善意攻擊的魯棒性而體現(xiàn)的優(yōu)勢。總的來說，即對惡意篡改的脆弱性和對善意改變的魯棒性。

1.1.4 課題目標
研究的過程就是學(xué)習(xí)數(shù)字水印的相關(guān)知識的過程，并在一定的理解的前提下能提出自己的想法，并在仿真平臺上實現(xiàn)。具體來說，就是了解數(shù)字水印的概念，發(fā)展，理解半脆弱數(shù)字水印的提出和意義，實現(xiàn)方法，現(xiàn)有算法，實現(xiàn)一個自己的能用于圖像認證的半脆弱水印算法。具體針對本算法，要實現(xiàn)的四個部分如下：
（1） 水印預(yù)處理（Preprocessing） 嵌入水印前將要嵌入的水印進行某種處理，以達到加密的目的。本算法是使用海明碼處理水印后再用高斯序列處理，才成為要嵌入的水印。
（2） 水印嵌入（Embedding） 采用分塊植入方法，原圖像分成8塊，由圖像的能量和方差決定分塊，再給每塊賦基準域值噪聲。
（3） 水印檢測（Detection） 從植入水印后的圖像中提取水印信息，并把圖像和原圖像，水印和原水印進行比較。
（4） 攻擊檢測（Attack detecting） 對遭受攻擊的圖像進行水印提取和分析，從而判斷圖像是否遭受惡意篡改。

1.2半脆弱數(shù)字水印的研究現(xiàn)狀
利用半脆弱性水印進行圖像內(nèi)容認證在保證數(shù)字媒體信息一定視(或聽)覺質(zhì)量的前提下，將與媒體內(nèi)容相關(guān)或不相關(guān)的標志信息作為水印直接嵌入媒體內(nèi)容中，當(dāng)媒體內(nèi)容需要認證時，可將水印提出鑒定其是否真實完整。由于半脆弱性水印本身在對篡改具有一定的敏感性和脆弱性的同時，仍然具備數(shù)字水印的一般特征，如不可見、安全性和對某些圖像信號處理的穩(wěn)健性，因此在圖像內(nèi)容認證中獲得了廣泛的使用。目前，半脆弱水印已應(yīng)用于新聞圖片、電子商務(wù)、法律案件、醫(yī)學(xué)圖像、工程設(shè)計等領(lǐng)域。

近年來，國內(nèi)外有關(guān)認證水印的研究日益增加，根據(jù)識別能力的不同，又分為脆弱水印和半脆弱水印。脆弱水印不是本文要討論的重點。早期的脆弱水印技術(shù)大多采用對圖像重要性校驗和將水印嵌入到LSB (Least Significant Bit,最低有效位)平面上的方法對媒體內(nèi)容的完整性進行認證。改進后的脆弱水印算法有了新的特性，不僅可實現(xiàn)對篡改位置的定位，有的甚至可用于篡改部位的復(fù)原。但總的來說這些脆弱水印的魯棒性較低，無論對惡意篡改還是對正常的圖像處理都非常敏感，而事實上大多數(shù)圖像內(nèi)容認證的應(yīng)用并不需要如此精確，因此完全脆弱性水印在實際應(yīng)用中實用性不高。

為了提高脆弱性水印在實際應(yīng)用中的實用性，同時具有脆弱水印和魯棒性水印兩種功能的半脆弱水印應(yīng)運而生。半脆弱水印在容忍一定程度的常見信號處理操作的同時，還可把正常的信號處理與惡意篡改區(qū)別對待。篡改發(fā)生時，半脆弱水印認證系統(tǒng)不僅可提供篡改的破壞量位置，而且可幫助分析篡改類型。另外，基于半脆弱水印的自嵌入水印還可恢復(fù)被篡改的部分。半脆弱水印作為一項新型數(shù)字媒體認證技術(shù)，近年來得到長足發(fā)展，并且逐步從靜止圖像擴展到視頻等領(lǐng)域。視頻水印從實現(xiàn)算法上來說同靜止圖像水印并無太大差別，但對半脆弱水印算法的實時性要求是必要的，而且應(yīng)能處理連續(xù)幀序列。由于實際應(yīng)用上的不確定性，導(dǎo)致了簡單的數(shù)字水印不能勝任，人們提出了半脆弱水印。比如說了法庭上的證據(jù)，圖像的或音頻的，簡單的水印加入了，敵手可能破解水印，并加入有利于敵手的篡改水印，這樣原始的水印就無法發(fā)揮作用。用了半脆弱水印的話，任何敵手的惡意篡改都可能被檢測到，并由于算法的不同，而采取水印毀滅或是諸如水印以篡改的信息。這樣，這種證據(jù)就不能被敵手應(yīng)用了。另外，由于水印是半脆弱的，在非惡意攻擊下，比如JPEG壓縮后，檢測系統(tǒng)給出的結(jié)論仍然會是通過認證。這就是因為半脆弱水印對善意攻擊的魯棒性而體現(xiàn)的優(yōu)勢?？偟膩碚f，即對惡意篡改的脆弱性和對善意攻擊的魯棒性。

脆弱水印因為在內(nèi)容認證方面的重要性而受到日益廣泛的關(guān)注。在惡意篡改和偶然攻擊之間必須要有一個確定，所以半脆弱水印要對內(nèi)容保護的操作要有一定的魯棒性。一個半脆弱水印要具備以下三個要求：對惡意篡改的高度敏感性和對內(nèi)容保護操作的魯棒性、不可見性、安全性。半脆弱水印不但要對惡意的攻擊特別敏感，還要對一些常規(guī)的圖像操作具有一定的魯棒性，據(jù)此區(qū)分偶然攻擊和惡意篡改。因為JPEG壓縮的普遍性，抗JPEG壓縮一直是半脆弱水印研究的重點和難點[3-5]。國際上已有這方面的諸多論文問世。