用于圖像認(rèn)證的半脆弱水印算法研究

（4）篡改提示
由于現(xiàn)有的信號(hào)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(wèn)題的理想技術(shù)途徑，通過(guò)隱藏水印的狀態(tài)可以判斷聲像信號(hào)是否被篡改。為實(shí)現(xiàn)該目的，通?？蓪⒃紙D象分成多個(gè)獨(dú)立塊，再將每個(gè)塊加入不同的水印。
同時(shí)可通過(guò)檢測(cè)每個(gè)數(shù)據(jù)塊中的水印信號(hào)，來(lái)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(cè)水印信號(hào)時(shí)，不需要原始數(shù)據(jù)。

（5）使用控制
這種應(yīng)用的一個(gè)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(jī)即可通過(guò)檢測(cè)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(hù)制造商的商業(yè)利益。

（6）隱蔽通信及其對(duì)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(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)情報(bào)戰(zhàn)的革命。網(wǎng)絡(luò)情報(bào)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(jìn)行保密數(shù)據(jù)傳送。由于經(jīng)過(guò)加密的文件往往是混亂無(wú)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(jìn)行保密通信有了新的思路，利用數(shù)字化聲像信號(hào)相對(duì)于人的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)冗余，可以進(jìn)行各種信息隱藏，從而實(shí)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(dòng)和破壞水印的操作都將導(dǎo)致媒體質(zhì)量的嚴(yán)重?fù)p害。這個(gè)特性使得它主要用在版權(quán)保護(hù)和內(nèi)容跟蹤上。透明性(不可見(jiàn)性)和魯棒性是其最重要的兩個(gè)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(kuò)頻的方法，將水印作為一個(gè)窄帶的信號(hào)通過(guò)寬帶的信道(載體圖像)進(jìn)行傳輸，各種有意無(wú)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(dòng)態(tài)地改變水印嵌入?yún)?shù)來(lái)降低嵌入過(guò)程帶來(lái)的干擾，增強(qiáng)水印的魯棒性。脆弱水印極容易破壞，一般用于圖像的認(rèn)證。任何對(duì)嵌入水印圖像的操作都會(huì)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(duì)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(qiáng)。實(shí)際應(yīng)用中我們希望嵌入的水印對(duì)這些正常的操作具有一定的魯棒性同時(shí)又能夠檢測(cè)到對(duì)圖像惡意修改(比如添加、移動(dòng)、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(rèn)證上，這就需要它必須具備兩個(gè)基本特性:(1)透明性:即嵌入水印的過(guò)程是不可察覺(jué)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(cè):即在認(rèn)證的時(shí)候不需要原始圖像。

2.1.3 半脆弱數(shù)字水印的實(shí)現(xiàn)方法
一個(gè)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(gè)部分，半脆弱水印和魯棒水印的嵌入過(guò)程基本相同，但是在水印提取(即圖像認(rèn)證)的過(guò)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(shuō)明水印的嵌入和檢測(cè)過(guò)程:
(1)水印的嵌入過(guò)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(hào)、公司標(biāo)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(qiáng)度/幅度(空域/時(shí)域)或者是變換系數(shù)大小(變換域)，由此對(duì)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(qiáng)度應(yīng)該保證水印是不可見(jiàn)的，即嵌入的水印應(yīng)該不影響載體圖像的原內(nèi)容和價(jià)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(cè)過(guò)程
水印的提取算法為 ，對(duì)于一個(gè)待測(cè)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(gè)閾值)或者利用一個(gè)相似函數(shù)，我們就可以對(duì)圖像的真實(shí)性進(jìn)行認(rèn)證。脆弱水印算法的目的在于真實(shí)性認(rèn)證，因此在認(rèn)證的過(guò)程，或者說(shuō)在水印的提取過(guò)程中不需要原始圖像;而魯棒水印的目的是版權(quán)保護(hù)，因此某些魯棒水印算法在水印提取的過(guò)程中可能需要原始圖像。一般水印檢測(cè)和認(rèn)證框圖如圖2.2。

2.2 算法性能指標(biāo)簡(jiǎn)介
圖2.2 一般水印檢測(cè)和認(rèn)證框圖
水印的不可感知性和穩(wěn)健性之間有一個(gè)權(quán)衡。對(duì)水印的不可感知性進(jìn)行評(píng)估可以通過(guò)主觀測(cè)試或者通過(guò)質(zhì)量度量來(lái)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(biāo)準(zhǔn)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(lái)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(diǎn)的灰度值。X, Y分別是圖像行和列的個(gè)數(shù)。由2.4式中可以看出較高的峰值信噪比對(duì)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(lái)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(gè)要解決的問(wèn)題就是如何評(píng)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(jī)序列;另一種是特定的信息或圖像。水印檢測(cè)的方法也相應(yīng)有兩種:對(duì)于隨機(jī)序列的判定，一般利用假設(shè)檢驗(yàn)的原理計(jì)算相似性，即:
(2.6)
當(dāng) 時(shí)水印存在，否則判定水印不存在[8]。
當(dāng)然，一個(gè)可能成為標(biāo)準(zhǔn)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(píng)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)只是其中的幾個(gè)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(zhǔn)確的反映出圖像的視覺(jué)質(zhì)量，但由于它們沒(méi)有與人類的視覺(jué)系統(tǒng)和感知性相結(jié)合，所以在進(jìn)行評(píng)估時(shí)又可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)論?？梢?jiàn)數(shù)字水印的跨學(xué)科性質(zhì)決定了其進(jìn)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(kāi)發(fā)的一種集計(jì)算、圖形可視化和編輯功能于一體的功能強(qiáng)大、操作簡(jiǎn)便、易于擴(kuò)充的語(yǔ)言，是目前國(guó)際上公認(rèn)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(guó)國(guó)家科學(xué)基金的資助下開(kāi)發(fā)了調(diào)用EISPACK和LINPACK的FORTRAN子程序庫(kù)。EISPACK是特征值求解的FOETRAN程序庫(kù)，LINPACK是解線性方程的程序庫(kù)。在當(dāng)時(shí)，這兩個(gè)程序庫(kù)代表矩陣運(yùn)算的最高水平。
到70年代后期，身為美國(guó)New Mexico大學(xué)計(jì)算機(jī)系系主任的Cleve Moler，在給學(xué)生講授線性代數(shù)課程時(shí)，想教學(xué)生使用EISPACK和LINPACK程序庫(kù)，但他發(fā)現(xiàn)學(xué)生用FORTRAN編寫接口程序很費(fèi)時(shí)間，于是他開(kāi)始自己動(dòng)手，利用業(yè)余時(shí)間為學(xué)生編寫EISPACK和LINPACK的接口程序。Cleve Moler給這個(gè)接口程序取名為Matlab，該名為矩陣(matrix)和實(shí)驗(yàn)室(labotatory)兩個(gè)英文單詞的前三個(gè)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(fèi)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(jué)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(yǔ)言開(kāi)發(fā)了第二代專業(yè)版。這一代的Matlab語(yǔ)言同時(shí)具備了數(shù)值計(jì)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(chǎng)，并繼續(xù)進(jìn)行Matlab的研究和開(kāi)發(fā)。
在當(dāng)今30多個(gè)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(jì)算型軟件，如Matlab，Xmath，Gauss等，這類軟件長(zhǎng)于數(shù)值計(jì)算，對(duì)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(hào)計(jì)算見(jiàn)長(zhǎng)，能給出解析解和任意精確解，其缺點(diǎn)是處理大量數(shù)據(jù)時(shí)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(jì)算和圖示能力的基礎(chǔ)上，又率先在專業(yè)水平上開(kāi)拓了其符號(hào)計(jì)算，文字處理，可視化建模和實(shí)時(shí)控制能力，開(kāi)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(guò)多年的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，Matlab以經(jīng)占據(jù)了數(shù)值軟件市場(chǎng)的主導(dǎo)地位。