信息隐藏技术

河南农业大学 《信息隐藏技术》论文（设计）

题 目用于图像内容认证的数字水印技术研究 学 院 理学院 专 业 计算机科学与技术信息安全方向 班 级 08级 学生姓名 刘高超 指导教师 党建亮 成 绩

撰写日期：2011年５月２４日 用于图像内容认证的数字水印技术研究 安徽财经大学信息工程学院 李东勤 [摘要]伴随着计算机网络技术及多媒体信息技术的快速发展，为了更好地保护数字图像，用于图像内容认证的半脆弱水印技术已成为当今研究的热点。本文重点分析了半脆弱数字水印按空间域和变换域分类的各种算法，比较了它们的优缺点，给出了认证水印系统的基本框架、性能要求及常见的攻击方法，最后提出了半脆弱水印技术研究需要解决的问题和发展方向。 [关键词]数字水印 半脆弱水印 图像内容认证 1．引言 多媒体技术和网络技术的飞速发展及广泛应用，为人们获取和交流信息带来了极大的便利。然而，网络信息的全透明性和易操作性，却使得恶意攻击者可以轻易地对其进行篡改或伪造，由此可能造成极为严重的经济损失和政治影响。因此，在这个信息数字化的时代，如何对数字媒体内容的真实性、完整性实施有效保护已成为一个严峻的现实问题，脆弱水印技术则为这一问题提供了一条有效的解决途径。根据水印识别篡改的能力可将脆弱水印划分为完全脆弱水印和半脆弱水印。完全脆弱水印能够检测出任何对图像像素值改变的操作或图像完整性的破坏操作，即图像中有一个比特的信息被改变，认证都将无法通过。脆弱水印则可将常规信号处理与恶意篡改区别对待，是存一定程度上的完整性检验 。半脆弱水印对保持图像内容基本不变的操作(如图像压缩、图像滤波和图像增强等)是鲁棒的，而对恶意篡改是脆弱的，它作为一种新的数字媒体内容认证技术，在近几年得到了迅速的发展。 2．数字水印图像认证系统框架和基本特征 2．1认证水印的一般框架 作为图像内容认证的半脆弱水印的添加与一般水印的添加在原理上是基本相同的，从数字信号处理的角度可以看作是对原始图像的调制过程。半脆弱水印的一般框架如图1与图2所示，系统主体包括水印的产生、嵌入和检测验证。 2-2半脆弱水印的基本特征 半脆弱水印作为数字水印的一种，除了具有一般水印的基本特征，如不可感知性、水印的安全性、计算有效性外，还应能够可靠地检测和定位篡改，并具有一定鲁棒性。具体来说，脆弱水印应具备以F主要特征： (1)检测篡改。半脆弱性水印最基本的功能就是能可靠地检测篡改，一个合格的图像认证水印系统应该能够检测到被保护图像上的任何非法篡改，更进一步还要求能够检测出图像被篡改的情况及篡改的位置，甚至能够分析篡改的类型并对被篡改的内容进行恢复。 (2)鲁棒性与脆弱性。在进行图像的内容篡改鉴别时，要求水印是脆弱的，若不能检测出水印的存在，则说明图像内容已经被破坏。对需要通过网络、通信线路传输的图像作品要求具有～定的抵御压缩处理的性能。因为为了提高信息传输量，通过网络传输的图像作品一般都是经过压缩处理的，因此希望水印是在满足一定鲁棒性条件下的脆弱。 (3)不可感知性与感知性。同鲁棒性水印一样，要求嵌入的水印必须是视觉上不可见的，不影响对图像作品的正常使用。 (4)水印安全和密码。一般来讲，一个认证水印系统的算法是公开的，这样水印的安全性依赖于所用的密钥，因此密钥的空间应该足够大。 (5)盲检测。认证水印的目的就是在没有原始作品的情况下，鉴定水印作品的完整性、防伪造等。有时不 能存贮未加水印的原始图像，在提取和检测水印时无法利用原始图像，因此半脆弱水印的使用要求在没有原始图像作品的情况下进行盲检测。 3．半脆弱水印的典型算法 3．1空间域方法 空间域方法是直接修改信号的值(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。Dittmann 把提取的图像边缘特征作为水印信息嵌入空间域，采用Canny边缘检测器，即通过比较被测图像边缘与提取的水印信息是否一致来判断图像真伪。这种算法能较好地将常规图像处理操作和恶意篡改相区分，但对各种压缩敏感。 在文献[9]中，Lin等人通过改进空间域像素之间的相关性来提高检测效果。通过密钥在原始图像DCT域提取伪随机的白噪声序列，并将此序列视为认证序列，把水印序列叠加到每个8x8的DCT块上三角矩阵中(直流DC和高频AC除外)，对DCT块进行反变换，并结合水印尺度因子合成含水印图像。通过对提取的水印和原伪随机序列求相关来完成认证。此算法几乎对所有的图像处理操作都有较强的鲁棒性，不足的是对图像平滑处理较敏感。 3．2变换域方法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。目前，大多数半脆弱水印算法采用离散余弦变换(DCT)和离散小波变换(DWT)。 在文献10中，Lin和Chang首先把原图分成8x8的子块，然后采用JPEG量化矩阵对子块分别进行量化来嵌入水印信息。根据预量化理论，这些量化后的DCT系数，在JPEG压缩后，采用前量化矩阵就可精确重构；其次，利用图像进行JPEG压缩编码前后，不同的两个图像块中相应DCT系数相对关系不变的特征来生成水印。整个算法实现过程中只是改变嵌入域的DCT系数，且可同时在DCT域嵌入认证信息和用于恢复被篡改部分的信息。在认证时，只利用压缩的比特流来重构量化的DCT系数，而无需回到产生水印的像素域。此算法虚警率近似为0，对大多数攻击(如去噪，剪切，亩方图均衡及替换等)检测效果好，抗JPEG压缩能力强。 在文献11中，Paquet等人则结合人类视觉系统(HVS)量化小波包系数。首先生成ID序列，并用此序列选择小波变换函数及分解层数，在此基础上进行小波包分解，再次运用ID序列选择所要嵌入水印的区域及系数，利用人类视觉掩蔽特性，对不同的小波系数选择合适的嵌入强度，完成小波包系数量化的同时将ID序列一起嵌入，经小波包重构后得到含水印的图像，最后用密钥提取水印，结合小波包系数区域分别进行带内频域及带间空域比较得出认证结果。 3．3其他方法 文献12中提出一种基于矢量量化的半脆弱水印技术。算法首先把原图编码分块，用原图像的尺寸和图像块大小进行相关运算并结合特定二值图像产生水印，把每个图像块视为一个矢量，对应每一个图像块矢量用VQ编码器在码书里找出最佳匹配码字代替该图像块，找到最近码字后，VQ编码器用码字下标代替输入矢量作为索引值反射到解码器，对应每个水印比特在码书里寻找合适的匹配码字，并把水印嵌入到图像块相应位置中。提取水印时，把待测图像分块，用解码器根据索引值用同一码书重构相应的码字，根据嵌入规则提取水印。此法对JPEG和VQ压缩具有较好性能。 4．半脆弱水印攻击行为分析 半脆弱水印主要任务是为了保证数字媒体内容的真实性和完整性，且水印本身具有一定脆弱性，因此施加于鲁棒水印的攻击方法，如简单攻击、同步攻击、削去攻击、混淆攻击等对认证水印系统的效果是微乎其微的。认证水印通常采用的是把图像的量化值记录下来作为水印，或者以图像的Hash值作为种子，由伪随机序列发生器产生的水印，都能较好地抵抗伪造攻击。认证水印系统最需要抵抗的就是那些没法篡改图像的内容却 不损坏水印信息的“伪认证”攻击。一般来讲，认证水印嵌入时为了保证其安全性，通常使用密码算法或密钥，使未经授权者无法抽取水印，但当用同一密钥嵌入大量的数字媒体后，攻击者会对这些数字媒体进行大量分析，破译密钥，进而对图像大肆篡改，却仍可通过认证。因此，设计密钥时必须考虑其搜索空间应足够大，而且不同密钥之间最好正交，这样也就保证了密钥很难被推断出。目前，关于半脆弱水印认证技术的攻击方法的报道还较少，据已有的文献来看，可能实施的有效攻击主要有以下几种：①量化攻击．② 密码分析攻击．③黑盒攻击,④特征选取攻击 。 读后感——半脆弱水印技术的研究展望 半脆弱水印技术为网络环境下多媒体的内容保护提供了一个有效的解决方案。作为数字水印技术的一个重要分支，半脆弱水印技术目前还是一个未成熟的研究领域，在理论和实际成果方面还远不如鲁棒性水印技术那么成熟，未来还应在如下几个方面进行探讨和研究： (1)依赖于图像内容的半脆弱水印算法的研究 采用基于图像内容的水印信息，既可以增强系统抵御统计攻击的能力，又避免了在认证检测端额外提供原始水印信息，而且由于图像内容一般对各类常规图像处理操作具有鲁棒性，对恶意篡改具有敏感性，因此依赖于图像内容的水印算法更适用于图像内容认证。目前在半脆弱水印算法中，水印信息的生成大多与图像内容无关，虽有一部分算法采用了与图像相关的水印信息，但针对不同的应用提取图像何种特征、生成的水印长度如何与宿主可容量相匹配以及如何使水印的嵌入不引起图像特征发生变化，确保最终得至 一个对篡改灵敏、视觉透明性好、抗攻击能力强并且局部检错能力高的水印认证系统，这些问题目前尚无令人十分满意的答案，所以在这些方面还需要进行更深入的分析和研究。 (2)篡改可恢复性 目前的许多基于半脆弱水印技术的图像认证系统都能找到图像被修改的地方，这个特性常被称为篡改定位特性。对于半脆弱水印我们应该不仅仅知道图像是否被修改和哪里被修改，还应该知道如何去恢复它们，这个特性被称为篡改可恢复性。一般说来，有两种恢复策略：一种是精确恢复，也就是能够恢复成和原来一模一样的效果；另一种是模糊恢复，也就是能把被修改的地方恢复成和原来的内容相差不多。对于图像内容认证来说，精确恢复并不是它的目标，取而代之的是模糊恢复，即容忍恢复后的图像和原来图像之间存在一定程度的差别。只要这种差别不影响对图像的重要内容的解释，这种恢复就是有意义的。在现有的文献中，共有3种模糊恢复方法：①在原来的图像中嵌入冗余信息，比如嵌入错误纠正码Error Correction Code，ECC)I ，在一定程度上可以达到恢复的功能；②在图像中嵌入原图像的低分辨率版本，达到自嵌入的效果；③盲恢复，也就是先判断出对图像的修改类型，并估计适当的参数，然后进行逆向操作。当然，只有对图像的修改操作是可逆的，盲恢复才能起作用。 (3)水印认证技术与公开密钥算法的结合 认证系统通常采用公开密钥体制，因为这样更符合实际应用需要。但目前绝大多数水印认证算法是基于私钥体制的，这就在一定程度上限制了水印认证系统的使用范围，也是半脆弱水印认证技术不及数字签名认证技术实用的一个重要原因。因此，如何将密码学中的公开密钥算法融合到半脆弱水印算法中，设计安全可靠的公钥水印认证算法将是未来一个重要的研究方向。 (4)水印认证标准的建立 目前虽有众多半脆弱水印算法被提出，由于缺乏权威的测评方法，用户对这些产品难分良莠。因此，水印认证技术要得到广泛的应用，必须建立相应的标准，这包括水印嵌入标准、检测标准和系统功能测试标准(在注重研究水印认证算法的同时，还应重视对攻击方法的研究，这将有利于设计更安全可靠的水印认证系统)。同时，还需要解决许多的社会和法律问题。