用于圖像認證的半脆弱水印算法研究

（4）篡改提示
由于現(xiàn)有的信號拼接和鑲嵌技術(shù)可以做到移花接木而不為人知，基于數(shù)字水印的篡改提示是解決這一問題的理想技術(shù)途徑，通過隱藏水印的狀態(tài)可以判斷聲像信號是否被篡改。為實現(xiàn)該目的，通常可將原始圖象分成多個獨立塊，再將每個塊加入不同的水印。
同時可通過檢測每個數(shù)據(jù)塊中的水印信號，來確定作品的完整性。與其他水印不同的是，這類水印必須是脆弱的，并且檢測水印信號時，不需要原始數(shù)據(jù)。

（5）使用控制
這種應(yīng)用的一個典型的例子是DVD（Digital Video Disk， 數(shù)字化視頻光盤）防拷貝系統(tǒng)，即將水印信息加入DVD數(shù)據(jù)中，這樣DVD播放機即可通過檢測DVD數(shù)據(jù)中的水印信息而判斷其合法性和可拷貝性。從而保護制造商的商業(yè)利益。

（6）隱蔽通信及其對抗
數(shù)字水印所依賴的信息隱藏技術(shù)不僅提供了非密碼的安全途徑，可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)情報戰(zhàn)的革命。網(wǎng)絡(luò)情報戰(zhàn)是信息戰(zhàn)的重要組成部分，其核心內(nèi)容是利用公用網(wǎng)絡(luò)進行保密數(shù)據(jù)傳送。由于經(jīng)過加密的文件往往是混亂無序的，容易引起攻擊者的注意。網(wǎng)絡(luò)多媒體技術(shù)的廣泛應(yīng)用使得利用公用網(wǎng)絡(luò)進行保密通信有了新的思路，利用數(shù)字化聲像信號相對于人的視覺、聽覺冗余，可以進行各種信息隱藏，從而實現(xiàn)隱蔽通信〔4〕。

2.1.2 半脆弱數(shù)字水印的基本概念
按照水印特性，即水印抵抗攻擊噪聲能力可分為魯棒水印和脆弱水印，而半脆弱水印是介于兩者之間的水印技術(shù)。

魯棒水印是指經(jīng)受攻擊后仍然能夠提取出的水印，它能夠抵制任何企圖破壞或去除水印的操作，任何企圖移動和破壞水印的操作都將導(dǎo)致媒體質(zhì)量的嚴重損害。這個特性使得它主要用在版權(quán)保護和內(nèi)容跟蹤上。透明性(不可見性)和魯棒性是其最重要的兩個特征。

為了取得理想的魯棒性，提出了許多水印技術(shù)。如利用擴頻的方法，將水印作為一個窄帶的信號通過寬帶的信道(載體圖像)進行傳輸，各種有意無意的干擾被視作噪聲。還有基于圖像特征的自適應(yīng)水印方案，動態(tài)地改變水印嵌入?yún)?shù)來降低嵌入過程帶來的干擾，增強水印的魯棒性。脆弱水印極容易破壞，一般用于圖像的認證。任何對嵌入水印圖像的操作都會破壞嵌入其中的水印，許多的水印技術(shù)還能定位出被篡改部分的位置。但是，脆弱水印對圖像某些正常的操作魯棒性太差，比如正常的JPEG壓縮及圖像的增強。實際應(yīng)用中我們希望嵌入的水印對這些正常的操作具有一定的魯棒性同時又能夠檢測到對圖像惡意修改(比如添加、移動、扭曲圖像中的物體)。由此，就產(chǎn)生了所謂的半脆弱水印。

半脆弱水印融合了魯棒水印和脆弱水印的特性，主要用在圖像的內(nèi)容認證上，這就需要它必須具備兩個基本特性:(1)透明性:即嵌入水印的過程是不可察覺的，嵌入水印后的圖像質(zhì)量不能引起質(zhì)的變化。這是大多數(shù)水印嵌入方案所要求的。(2)盲檢測:即在認證的時候不需要原始圖像。

2.1.3 半脆弱數(shù)字水印的實現(xiàn)方法
一個典型的數(shù)字水印系統(tǒng)，包括水印的生成、水印的嵌入及水印提取的三個部分，半脆弱水印和魯棒水印的嵌入過程基本相同，但是在水印提取(即圖像認證)的過程中與魯棒水印不同。下面我們以圖像的半脆弱水印為例說明水印的嵌入和檢測過程:
(1)水印的嵌入過程
水印的嵌入算法為 ()，水印為W，原始圖像為I，嵌入水印后的圖像為 。設(shè) 。 為從圖像中抽取出要嵌入水印的屬性序列， 。 為相應(yīng)的水印序列，水印是有特殊意義的信息，如文字、序列號、公司標志、聲音等。則一般的嵌入規(guī)則為:
(加法規(guī)則) (2.1)
(乘法規(guī)則) (2.2)
利用 代替載體圖像中的V，即得到嵌入水印的圖像 。抽取的屬性序列V即可以是采樣強度/幅度(空域/時域)或者是變換系數(shù)大小(變換域)，由此對應(yīng)空域和頻域的水印算法。參數(shù) 隨著采樣的不同而不同。水印嵌入強度應(yīng)該保證水印是不可見的，即嵌入的水印應(yīng)該不影響載體圖像的原內(nèi)容和價值。算法的框架如下:

圖2.1 一般水印的嵌入框圖
(2)水印的檢測過程
水印的提取算法為 ，對于一個待測試的圖像 ，利用提取算法提取出水印 ，其中K為提取密鑰。利用W和 的差別(需要預(yù)先設(shè)置一個閾值)或者利用一個相似函數(shù)，我們就可以對圖像的真實性進行認證。脆弱水印算法的目的在于真實性認證，因此在認證的過程，或者說在水印的提取過程中不需要原始圖像;而魯棒水印的目的是版權(quán)保護，因此某些魯棒水印算法在水印提取的過程中可能需要原始圖像。一般水印檢測和認證框圖如圖2.2。

2.2 算法性能指標簡介
圖2.2 一般水印檢測和認證框圖
水印的不可感知性和穩(wěn)健性之間有一個權(quán)衡。對水印的不可感知性進行評估可以通過主觀測試或者通過質(zhì)量度量來衡量?，F(xiàn)在，在圖像和視頻的編碼壓縮領(lǐng)域最流行的失真度量標準是SNR(Signal to Noise Ratio,信噪比),以及PSNR (Peak Signal to Noise Ratio，峰值信噪比)。它們通常以dB(decibel，分貝)來度量。
(2.3)
(2.4)
其中 和 ，分別表示原始圖像和嵌入水印后的圖像中點的灰度值。X, Y分別是圖像行和列的個數(shù)。由2.4式中可以看出較高的峰值信噪比對應(yīng)較高的圖像相似程度，也就是表示嵌入水印后的圖像有較高的不可感知性。還有用MSE(Mean Squared Error,均方誤差)來度量圖像的客觀保真度的，與PSNR相反，MSE越小表示圖像的近似程度越高，即:
(2.5)
在確定了失真度量后，下一個要解決的問題就是如何評估穩(wěn)健性。根據(jù)嵌入水印的類型:一種是由某一密鑰產(chǎn)生的隨機序列;另一種是特定的信息或圖像。水印檢測的方法也相應(yīng)有兩種:對于隨機序列的判定，一般利用假設(shè)檢驗的原理計算相似性，即:
(2.6)
當(dāng) 時水印存在，否則判定水印不存在[8]。
當(dāng)然，一個可能成為標準的數(shù)字水印系統(tǒng)必須能夠抵御各式各樣的攻擊，上述的評測標準只是其中的幾個方面，如信噪比和峰值信噪比這兩種度量方法在大多數(shù)情況下可以較為準確的反映出圖像的視覺質(zhì)量，但由于它們沒有與人類的視覺系統(tǒng)和感知性相結(jié)合，所以在進行評估時又可能導(dǎo)致錯誤的結(jié)論。可見數(shù)字水印的跨學(xué)科性質(zhì)決定了其進展與相關(guān)學(xué)科的發(fā)展密切相關(guān)。

2.3 仿真介紹
Matlab是Mathworks公司開發(fā)的一種集計算、圖形可視化和編輯功能于一體的功能強大、操作簡便、易于擴充的語言，是目前國際上公認的優(yōu)秀的數(shù)學(xué)應(yīng)用軟件之一。
? 在70年代中期，Cleve Moler博士和其同事在美國國家科學(xué)基金的資助下開發(fā)了調(diào)用EISPACK和LINPACK的FORTRAN子程序庫。EISPACK是特征值求解的FOETRAN程序庫，LINPACK是解線性方程的程序庫。在當(dāng)時，這兩個程序庫代表矩陣運算的最高水平。
到70年代后期，身為美國New Mexico大學(xué)計算機系系主任的Cleve Moler，在給學(xué)生講授線性代數(shù)課程時，想教學(xué)生使用EISPACK和LINPACK程序庫，但他發(fā)現(xiàn)學(xué)生用FORTRAN編寫接口程序很費時間，于是他開始自己動手，利用業(yè)余時間為學(xué)生編寫EISPACK和LINPACK的接口程序。Cleve Moler給這個接口程序取名為Matlab，該名為矩陣(matrix)和實驗室(labotatory)兩個英文單詞的前三個字母的組合。在以后的數(shù)年里，Matlab在多所大學(xué)里作為教學(xué)輔助軟件使用，并作為面向大眾的免費軟件廣為流傳。
1983年春天，Cleve Moler到Standford大學(xué)講學(xué)，Matlab深深地吸引了工程師John Little。John Little敏銳地覺察到Matlab在工程領(lǐng)域的廣闊前景。同年，他和Cleve Moler，Steve Bangert一起，用C語言開發(fā)了第二代專業(yè)版。這一代的Matlab語言同時具備了數(shù)值計算和數(shù)據(jù)圖示化的功能。

1984年，Cleve Moler和John Little成立了Math Works公司，正式把Matlab推向市場，并繼續(xù)進行Matlab的研究和開發(fā)。
在當(dāng)今30多個數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中，就軟件數(shù)學(xué)處理的原始內(nèi)核而言，可分為兩大類。一類是數(shù)值計算型軟件，如Matlab，Xmath，Gauss等，這類軟件長于數(shù)值計算，對處理大批數(shù)據(jù)效率高；另一類是數(shù)學(xué)分析型軟件，Mathematica，Maple等，這類軟件以符號計算見長，能給出解析解和任意精確解，其缺點是處理大量數(shù)據(jù)時效率較低。MathWorks公司順應(yīng)多功能需求之潮流，在其卓越數(shù)值計算和圖示能力的基礎(chǔ)上，又率先在專業(yè)水平上開拓了其符號計算，文字處理，可視化建模和實時控制能力，開發(fā)了適合多學(xué)科，多部門要求的新一代科技應(yīng)用軟件Matlab。經(jīng)過多年的國際競爭，Matlab以經(jīng)占據(jù)了數(shù)值軟件市場的主導(dǎo)地位。