（生物医学工程专业论文）基于小波域易碎水印的图像认证方法研究.pdf

摘要 印则强调的是一种数据完整性和有效性的标注功能以及对数据破坏和攻击的定 位能力。与传统的基于数字签名的数据认证相比，基于数字水印的认证方法的 主要优点在于不需要额外附加认证信号，而且水印可以离散地分布到数字媒体 的各个部分，提高了攻击难度，因而增加了安全性。本文主要针对基于数字水 印的图像认证方法进行了研究。 易碎水印作为图像认证水印的一种，主要用于对图像的精确认证。针对医 学图像的特殊性，在经典算法的基础上，提出了一种基于提升格式的整数小波 变换和h a s h 函数敏感性相结合的易碎水印方法。整数小波变换能够在图像分解 和重构过程中，使得图像损失为零，提高水印图像的质量。通过在小波树结构 上嵌入水印信息，可在时频域上定位篡改的区域。m d 5 算法构造的h a s h 函数的 运用提高了水印安全性和水印检测的能力。通过实验表明本算法对篡改具有高 度敏感性，且整个认证过程还需密钥完成检测，安全性很高，认证过程计算简 单且准确性很高，可以作为一种医学图像鉴定的有效方法。 鉴于有时我们并不满足于仅仅知道图像是否被修改，追求的是如何去恢复 它们被修改前的真正面目以及它们被修改的动机，进而提出了基于可恢复性水 印的图像认证方法。与传统方法相比，它采用基于小波变换的s p i h t 编码算法 生成压缩图像，一方面提高了压缩效率，在同等的嵌入容量时，使水印含有更 多图像信息，从而提高了图像恢复质量；另一方面由于s p i h t 编码算法是内嵌 编码，实现了可调的嵌入强度。最后通过实验验证了本文算法的有效性。 关键词：小波变换图像认证易碎水印h a s h 函数自嵌入水印s p i h t 编码 i i 硕士学位论文 t h es t u d yo f i m a g e 0 n a u t h e n t i c a t i o nb a s e d 玎匀v e l e td o m a i n n a m e ：z h o n gx i a o y a n s u p e r v i s o r ：c h e nw u f a n a b s t r a c t l n i m a g ea u t h e n t i c a t i o ni sat e c h n o l o g yu s e dt ov e r i f yt h ep e r c e p t u a lc o n t e n to f t h e d i g i t a li m a g e r e c e n t l yw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fn e t w o r kt e c h n o l o g ya n d m u l t i m e d i ap r o c e s s i n gt e c h n o l o g yi n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o nb a s e do nm u l t i m e d i a h a sb e e nu s e dm o r ew i d e l ya n dm o r ed e e p l yt h a ne v e rb e f o r e h o w e v e rd i g i t a l m u l t i m e d i am a ys u f f e rf r o mv a r i o u si n t e n t i o n a lo ru n i n t e n t i o n a la t t a c k s ，a l lt h e s e m a ym a k ep e o p l ed o u b tt h ei n t e g r i t ya n da u t h e n t i c i t yo fm u l t i m e d i a a sar e s u l t i n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t sp r o t e c t i o na n di n t e g r i t ya u t h e n t i c a t i o no fm u l t i m e d i a h a v er e c e i v e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n t h ed i g i t a li m a g eh o l d st h eb a l a n c ea m o n g m u l t i m e d i ai n f o r m a t i o nb e c a u s ei ti n c l u d e sm o r ei n f o r m a t i o nt h a ns o u n da n dt e x t t h u si ti se s p e c i a l l yi m p o r t a n tt op r o t e c tt h ei n t e g r i t ya n da u t h e n t i c i t yo ft h ei m a g e i ng e n e r a ld i g i t a ls i g n a t u r ea n dd i g i t a lw a t e r m a r k i n ga r et h et w om a i nm e t h o d s t op e r f o r mt h ei m a g ea u t h e n t i c a t i o n a l t h o u g hd i g i t a ls i g n a t u r ei sa p p l i c a b l et o i m a g ea u t h e n t i c a t i o na n ds e c u r i t yt r a n s i t i o n ，o nt h eo n eh a n de n c r y p t i o nm e t h o dm a y i n v o k ep e o p l et od e c r y p ti t ，a n do nt h eo t h e rh a n di ti g n o r e st h ev i s u a lc h a r a c t e r i s t i c a b s t l - a c t o fi m a g e d i g i t a lw a t e r m a r k i n gt e c h n i q u e sc a nb eu s e df o rp u r p o s e ss u c ha sh i d d e n t r a n s f e r , s t o r a g e ，l a b e l ，h u m a nr e c o g n i t i o nc o p y r i g h tp r o t e c t i o ne t c ，b ye m b e d d i n ga s e c r e ti m p e r c e p t i b l es i g n a ld i r e c t l yi n t ot h ed a t at ob ep r o t e c t e d w a t e r m a r k i n gu s e d t oa u t h e n t i c a t et h ei m a g ep l a c ee m p h a s i so ns e n s i t i v i t yt o w a r d s t a m p e r e di m a g ea n d o r i e n t a t i o no ft a m p e r e dr e g i o n c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lt e c h n i q u e so fd i g i t a l s i g n a t u r e ，t h em a i na d v a n t a g eo fd i g i t a lw a t e r m a r k i n gi st h a ti td o n tn e e de x t r a a u t h e n t i c a t i o ns i g n a l t h u si tc a ni m p r o v et h es e c u r i t yb y d i s t r i b u t i n gi t s e l fi n t ot h e d i g i t a lm u l t i m e d i as oa st om a k ei th a r dt oa t t a c k t h ea t t e n t i o no fd i s s e r t a t i o ni s f o c u s e do ni m a g ea u t h e n t i c a t i o nm e t h o d sb a s e do nd i g i t a lw a t e r m a r k i n g f r a g i l ew a t e r m a r k i n gi su s u a l l ya p p l i e dt oe x a c ti m a g ea u t h e n t i c a t i o n af r a g i l e w a t e r m a r kb a s e do nc l a s s i ca l g o r i t h mi s d e s i g n e db yi n t e g r a lw a v e l e tt r a n s f o r m c o m b i n e dw i t hh a s hf u n c t i o ni no r d e rt ov e r i f yt h ea u t h e n t i c i t ya n di n t e g r i t yo f m e d i c a li m a g e t h ei n t e g e rw a v e l e t sc a ni m p r o v et h eq u a l i t yo fw a t e r m a r k e d i m a g e b yr e d u c i n gt h el o s so fi m a g eq u a l i t yt oz e r od u r i n gt h ei m a g ed e c o m p o s i t i o na n d r e c o n s t r u c t i o n w a t e r m a r k i n ge m b e d d e di n t oq u a d t r e e sc a l ll o c a t et h et a m p e r e d r e g i o n a n dt h eh a s hf u n c t i o nc o n s t r u c t e dw i t hm d 5a l g o r i t h mi n c r e a s e st h es e c u r i t y a n da b i l i t yo ft a m p e rl o c a l i z a t i o no fw a t e r m a r k t h er e s u l t so fe x p e r i m e n ti n d i c a t e s t h a tw a t e r m a r ks c h e m ei sh i g h l ys e n s i t i v et ot h ed i s t o r t i o no ft h ei m a g ea n ds i n c e i t r e q u i r e sak e yd u r i n gb o t ht h ei n s e r t i o na n dt h ee x t r a c t i o np r o c e d u r e s ，i th a sh i g h s e c u r i t ya n dt h ew h o l ep r o c e s si ss i m p l ea n da c c u r a t e s e e i n gt h a ts o m e t i m e sw ea r en o ts a t i s f i e dw i t hk n o w i n gw h e t h e rt h ei m a g eh a s b e e nm o d i f i e do rn o t ，as c h e m ef o rs e l f - e m b e d d i n ga ni m a g ei n t oi t s e l fi sp r o p o s e d a sam e a n sf o rd e t e c t i n ga n dl o c a t i n gt a m p e r , a n ds e l f - r e c o v e r i n g c o m p a r e dw i t h t r a d i t i o n a lm e t h o d s ，i t g e n e r a t e sc o m p r e s s e di m a g eb a s e do ns p i h tc o d i n g a l g o r i t h m t h u s i te n h a n c e st h e c o m p r e s s i o np e r f o r m a n c ea n dm o r ei m a g e i n f o r m a t i o ni si n c l u d e do fe q u i v a l e n te m b e d d i n gc a p a c i t y a tt h es a m et i m ef o rt h e 硕士学位论文 s p i h ta l g o r i t h mi sa ne m b e d d e dc o d i n ga l g o r i t h m ，i tc a na d j u s tt h es i z eo f w a t e r m a r k i n gt oc h a n g et h ee m b e d d i n gi n t e n s i t ya c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls i t u a t i o n f i n a l l y , e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h ee f f i c i e n c yo f t h ea l g o r i t h m k e y w o r d s ：w a v e l e tt r a n s f o r m ；i m a g ea u t h e n t i c a t i o n ；f r a g i l ew a t e r m a r k i n g ； h a s hf u n c t i o n ；s e l f - e m b e d d i n gw a t e r m a r k i n g ；s p i h te n c o d i n g 南方医科大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究 成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。除与外单位合作项目将予以明确方式规定外，本研究已发表与未发表成 果的知识产权均归属南方医科大学。 本人承诺承担本声明的法律效果。 作者签名：钟乳燕 日期：删年月z 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权南方医科大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于( 请在以下相应方框内打“ ) ： 1 、保密口，在一年解密后适用本授权书。 2 、不保密“ 作者签名：钟j 啦荪 日期：乃- r 年f 月z 日 新签名：谚如盯日期：加分年6 月日 硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 随着计算机多媒体技术和网络技术的迅猛发展，多媒体数字产品( 数字图 像、数字视频、数字音频等) 得到了广泛应用。相对于传统模拟信号，数字信号 具有高质量，高效存储，易于编辑处理，能够通过计算机网络快速传输，特别 是可以方便地得到与原产品完全一致的复制品等优点。然而，由于这些特点， 也导致针对多媒体数字产品的非法复制和篡改更加难以防范。因此，多媒体认 证成为一个迫切需要解决的问题。图像作为一种最普遍的多媒体以其直观易懂 非常具有说服力的特点，已经成为我们获取信息和发布信息的主要方式。因此， 针对图像的认证和完整性保护是非常有必要的，例如： 随着电子商务、电子政务的发展，必然对电子票据的安全和防伪提出更 高的要求。而且，在从传统商务、政务向电子商务、政务转换的过程，会出现 大量过渡性的电子文件，如各种纸质票据的扫描图像等，都需要相应的技术保 护。 照片经常在法庭、报纸、杂志、电视、i n t e r n e t 上被用作证据，但是 其易于修改和伪造的特点又使人对其真实性产生怀疑。图像认证技术引入照片 的拍摄者来向接收者提供对照片真实性的认证。除此之外，身份证、护照、执 照等证件上的照片的真实性也需要相同的技术进行认证。 对于政府机构和军事部门的机密文件和图像资料、工业上正在研制的新 产品造型、尖端的科研图像数据等，如何保证它们在网络和其它信道上传输的 安全，在通信日益发达的今天，显得越发重要。 随着医疗信息自动化，保护电子病历的的数据完整性和病人的隐私权对 医院来说越来越迫切。因此，必须发展相应的认证和完整性保护技术以满足医 学影像管理中隐私权和数据完整性保护的需求。 第一章绪论 通常解决数字图像的真实性问题，一般有两种方法：基于数字签名的方法和 基于数字水印的方法。基于数字签名的图像认证是将图像看成消息，通常使用 一个杂凑函数计算图像的摘要，然后将其追加在图像文件之后，收方收到图像 后，计算图像的摘要值，并与传来的摘要值比较，从而判断图像的完整性。然 而，图像数据并不能完全等同于消息，它含有很多冗余信息，因此，这种认证 方式在实际操作中存在着很多问题。水印技术则利用了图像数据含有冗余的特 点，通过轻微地修改图像在图像中嵌入保护完整性的信息，以使作者能利用正 确的密钥检验图像是否经过改动并且识别变动的部位。本文研究的主要目的是 针对数字图像的具体特点，着眼于数字图像内容特征，采取与传统的密码学有 着根本区别的，基于数字图像的内容特征的方法，来对图像数据进行有效认证， 以弥补传统数字签名方法的不足。 1 2 图像认证水印算法的历史发展和研究现状 从数字水印技术的概念被提出到现在这十几年间，数字水印的算法研究取 得了广泛的关注和较快的进步。结合本课题方向，我们接下来回顾认证水印算 法在此期间国内外的研究发展。 1 2 1 用于图像精确认证的易碎水印1 4 1 用于图像精确认证的数字水印技术一般采用易碎水印，易碎水印算法大都 由空间域l s b 水印算法演变而来。w a l t o n 最早提出了用于图像认证的l s b 水 印认证算法【l 】。y e u n g 和m i n t z e r 则利用二值图像作为水印认证信息，根据提取 的二值水印图像是否完整来判断被测图像的真伪【2 1 。w o n g 在认证水印的安全性 方面进行了改进，将公钥体制引入数字水印认证系统中，使得每一个图像接收 者均可以进行认证检测，从而使得水印认证系统更加实用化【3 1 。 基于l s b 的水印算法经适当改进后，不仅可以用于图像的完整性认证，还 可以用于破损图像的复原。f r i d r i c h 和g o l j a n 对原始图像经j p e g 量化后的d c t 2 硕士学位论文 低频系数进行二进制编码，并把编码后的数据嵌入到图像的最低有效位【4 】。这 种图像自嵌方法既可以用来进行图像认证，而且当图像破损后，还可以根据提 取的水印信息近似地复原图像。l e e 和w o n 则采用差错控制编码技术对最低有 效位置零后的图像像素值进行r s 编码，把编码后的结果嵌入在原始图像的最 低有效位上【5 】，这种算法不仅具有检错能力，还具有一定的纠错能力。 图像的完全认证不允许对图像进行任何轻微的改动，而实际应用中，数字 图像因其数据量较大，通常以压缩方式存储或传输；再者，由于图像处理软件 各异，图像格式众多，因此最终用户所要认证的通常是原始图像经有损压缩或 其他保持图像内容的操作处理后的图像，因此，对图像进行内容认证在现实生 活中更为实用。 1 2 2 用于图像模糊认证的半易碎水印 用于图像模糊认证的数字水印系统属于半易碎性数字水印系统。根据所采 用的具体技术不同，半易碎数字水印算法又可细分为以下几类： ( 1 ) 从鲁棒性扩频水印技术演变而来的半易碎水印【】 该类算法主要是借鉴鲁棒性图像水印算法的一些经典方法( 如扩频水印、 提取图像重要特征生成水印等) 来设计相应的认证算法，这样的认证算法一般 具有比较全面的、适中的鲁棒性，更确切地应该称之为“半鲁棒性水印算法 。 f r i d r i c h 提出了一种适用于数字相机的半鲁棒性认证算法【6 1 ，该算法从原始 图像的每个8 x 8 图像块提取具有一定鲁棒性的m 位二进制信息，将提取的二进 制信息和数字相机的d 以及该图像块的序号一起经扩频处理后嵌入在该图像 块的d c t 中频系数上。图像认证时，从被测图像中提取二进制信息经过同样的 扩频处理后，与提取的水印信息作相关运算，并对运算结果选取适当的门限来 进行认证检测。该算法对恶意的图像篡改，如替换或添加图像特征能做出报警 反应，对常见的图像处理操作，如j p e g ( q 5 5 ) 压缩、亮度对比度调整、滤波、 直方图均衡等都具有较好的鲁棒性。f r i d r i c h 进一步给出了从原始图像中提取鲁 棒性二进制信息的方法【7 】，该方法提取出的信息对常见的图像处理操作( 包括 第一章绪论 旋转、缩放在内) 都具有不变性。 l i n 等人在原始图像每个8 8 图像块的d c t 中频系数上叠加一个不同的 伪随机序列【8 1 ，算法根据自然图像中一般平滑区较多，边缘区较少的特点，认 为在没有边缘存在的情况下，图像相邻像素差值信号的能量主要是由水印嵌入 引起的，该算法通过一个改进的相关运算来进行图像认证。对于j p e g 有损压 缩( q 9 0 ) 后被篡改的图像，算法检测篡改区域的准确率为9 0 左右，但图 像边缘和纹理越多，算法的可靠性越差。t e f a s 和p i t a s 提出了用二维混沌动态 系统对二值水印信息进行扩频预处理，将预处理后的水印信息调制在原始图像 的空间域或变换域；图像认证时，根据提取水印信息的正确率来判断图像的真 伪【9 1 。该算法较简单，水印嵌入位置由混沌映射控制，虽然不是基于分块操作， 但也能够指示图像篡改位置。算法对于高质量的j p e g ( q 9 0 ) 压缩具有鲁 棒性。 ( 2 ) 基于量化图像小波系数的半易碎水印算法 1 0 , 1 2 - 1 3 】 由于小波变换在时域和频域均具有良好的局部定位性质，而且新的静止图 像压缩标准j p e g 2 0 0 0 是基于小波变换的，小波域的数字水印认证技术也是当 前的研究热点之一。 x i e 和a r c e 通过对图像小波系数进行非线性的排序变换来实现水印嵌入 【1 0 1 ，这种非线性的排序变换实质上是对小波系数进行量化，即将位于不同范围 内的小波系数分别量化成1 或o ；同时s a i d 和p e a r l m a n 还提出将这种水印算法 与s p i h t 压缩算法【l l 】结合起来，在编码端首先运行s p i h t 算法，而后选择那 些能够承受压缩的小波系数区进行水印嵌入，从而确保水印信息经s p i h t 压缩 后仍能成功地被恢复出来。k u n d u r 等人采用与文献【l o 】类似的方法对图像的h a a r 小波系数进行量化，并根据量化步长来控制水印的鲁棒性【1 2 】，算法最后利用攻 击估测函数将图像遭受的恶意篡改与j p e g 压缩、中值滤波等保持图像内容的 操作区分开来。y u 等人提出通过量化小波系数的加权平均值来嵌入水印【1 3 】，他 们认为图像小波系数的变化近似服从高斯分布，对图像进行恶意攻击所导致的 4 硕士学位论文 小波系数变化往往具有较大的方差，而由偶然因素造成图像失真引起的系数变 化往往具有较小的方差，从而将恶意攻击与偶然失真区分开来。这种方法比直 接量化单个小波系数具有更好的鲁棒性。 ( 3 ) 与j - p e g 编解码相结合的半易碎水印算法【1 和1 5 】 这类水印认证算法一般是根据j p e g 编、解码器的特点而设计的，故算法 通常对j p e g 压缩具有较好的鲁棒性，而对其他的图像操作反应敏感。 w u 和l i u 提出了一种基于私有查找表的半脆弱水印算法【1 4 】。该算法首先 提取图像的特征并结合一些自定义信息形成水印；然后构造一个私有查找表将 j - p e g 量化后每个可能出现的d c t 系数映射成1 或0 ，由此实现水印嵌入。检 测器根据查找表提取水印信息与原始水印信息进行对照比较来判断图像的完整 性。算法运行速度较快，而且还可与鲁棒性水印算法结合起来，以实现对图像 进行版权保护和完整性认证的双重功能。 l i n 和c h a n g 推导出数字图像经j p e g 压缩编码前后，图像d c t 系数上的 两个不变特型1 5 】：( 1 ) 当d c t 系数被调整到某个量化等级q h 的整数倍后，若采 用小于q h 的量化级进行j p e g 压缩编码，则该d c t 系数会被精确地恢复；( 2 ) 在j p e g 压缩编码前后，一对编码块中两个对应d c t 系数的相对大小关系是不 变的。他们用第2 个不变特性生成水印信息，用第1 个不变特性进行水印嵌入。 算法允许图像在一定的范围内进行j p e g 有损压缩编码，而对其他的恶意攻击 做出反应，系统误检率为0 ，但算法的局部检错能力不够理想。 1 2 3 用于图像认证的可逆水印算法【1 2 】 无损认证水印技术是近年来的一个应用热点，主要应用于高保真要求的军 事、医疗图像中【2 0 1 。它发展的早期多是不具备篡改定位能力的易碎水印算法 1 6 q 8 , 2 1 1 ，随后也有既具备篡改定位能力、也有一定鲁棒性的半易碎水印算法的 提出【1 9 , 2 2 】。早期的无损认证水印算法是基于l s b 方法实现的，从这层意义来讲， 它属于图像完全认证的类别。f r i d r i c h 等用一种l s b 方法实现了j p e g 图像的无 损认证水印算法【l6 1 。该方法用于存放认证信息的多余空间是通过对图像的l s b 5 第一章绪论 位信息无损压缩而获得的。为增大水印容量和减小嵌入失真，后来用r s 的嵌 入方案对先前算法进行了改进【2 1 1 。h o n s i n g e r 在2 0 0 1 年申请的专利中，利用加 性的扩频水印嵌入认证信息。该方案的无损机制通过数模算法( m o d u l o 撕t h m e t i c ) 来保证【1 。7 1 。t i a n 利用整数小波变换实现了小波系数无损改动机制，提 出了一种基于小波变换的无损认证水印。该算法在恢复原始图像的过程中，需 要的计算量较大【l8 1 。以上无损认证算法都没有篡改定位的能力，因此不具备水 印认证技术相比数字签名的最大优势。 1 3 本文的主要工作与内容安排 1 3 1 主要工作 针对经典图像认证算法的不足和基于水印认证系统的具体要求，在广泛的 理论研究和大量的实验基础上，着重对易碎水印算法和自嵌入水印算法进行了 研究，主要完成了以下工作： ( 1 ) 提出了一种基于整数小波变换、结合小波树结构和h a s h 函数的易碎水 印算法。整数小波变换能够在图像分解和重构过程中，使得图像损失为零，可 提高水印图像质量。在小波树结构上嵌入水印信息，可在时频域上定位篡改的 区域。而m d 5 算法构造的h a s h 函数的运用提高了水印安全性和水印检测的能 力。 ( 2 ) 提出了一种基于小波域内嵌编码的自嵌入水印算法。小波变换克服了 d c t 变换在图像压缩中的局限性，s p i h t 编码则利用了小波变换系数的特性， 提高了压缩性能，在同等的嵌入容量时，使水印含有更多图像信息，从而在保 证水印透明性前提下，较传统方法提高了图像恢复质量。 1 3 2 内容安排 全文共分5 章，具体内容如下： 第一章绪论，从网络数字作品保护的实际出发，论述了本文研究工作的必 6 硕士学位论文 要性和意义，接着详细介绍了图像认证水印算法的历史发展及研究现状，最后 简要描述了本文的主要工作及整体章节安排。 第二章图像认证水印技术，首先对数字签名技术和认证水印技术进行了简 要的介绍，在指出了传统密码学中数字签名技术用于图像认证的不足之处后， 重点介绍了水印认证技术用于图像认证的基本原理，包括基于数字水印的图像 认证系统框架，系统要求，算法分类和性能分析等。 第三章分析了已有经典算法的缺陷，在此基础上，提出了一种基于提升格 式的整数小波变换和h a s h 函数敏感性相结合的易碎水印方法，进行了实验验 证，并对其安全性进行了分析。 第四章在考虑视觉特性的基础上，给出了一种基于s p i h t 编码的水印生 成方法，并结合使用l o g i s t i c 和c a t 双重混沌映射，实现了一种基于整数小波变 换的自嵌入水印算法，并对其实验结果进行了分析。 第五章作为本文的结束，对整个论文工作进行了总结并展望了下一步研究 应该解决的问题。 7 第二章基于数字水印的图像认证技术 第二章基于数字水印的图像认证技术 2 1 图像认证技术 图像认证主要是检测图像内容的原始性。它主要回答以下两个问题【2 4 】：( 1 ) 图像是否真实，也就是图像是否被恶意篡改? ( 2 ) 如果图像不真实，那么哪些地 方不真实? 回答问题( 1 ) 的方法常被称为“篡改检测”，而回答问题( 2 ) 的方法 常被称为“篡改定位 。 根据所采用的认证技术不同，图像的认证可分两类：基于数字签名的认证 和基于水印系统的认证。下面就这两种方法进行了简要的介绍和比较。 2 1 1 基于数字签名的图像认证方法 原始图像i 图像完全性判决 ( a ) 数字签名生成( b ) 用数字签名进行图像认证 图2 1基于数字签名的图像认证系统框图 f i g2 - 1t h eb l o c kd i a g r a mo fi m a g ea u t h e n t i c a t i o ns y s t e mb a s e do ns i g n a t u r e 传统的数字签名是通过一个单向函数对要传送的报文进行摘要处理得到 的，用以确认报文来源并核实报文是否发生变化的一个字母数字串。基于图像 数字签名方法与传统的数据签名方法是类似的，只是在生成信息摘要时要充分 考虑图像数据的特点，要生成对可接受的合法操作具有鲁棒性的数字签名，其 8 硕士学位论文 认证过程基本框架示意图如图2 1 所示。 数字签名要求保证以下3 点： ( 1 ) 接收者能够核实发送者对原数据的签名； ( 2 ) 发送者事后不能抵赖对原数据的签名； ( 3 ) 接收者或其它人不能伪造对原数据的签名。 同时数据签名应该依赖于数据本身的内容，而这些签名包括一些只有签名 者自己才知道的秘密信息。因此，数字签名不可能被伪造，而认证者能通过检 验在数字签名中传递的信息是否和所收到的多媒体数据的内容相匹配，来验证 所收到的多媒体数据是不是真的。 2 1 2 基于数字水印的图像认证方法 ( a ) 水印嵌入 被测图像j 1 w 图像完整性判决 ( b ) 用数字水印进行图像认证 图2 2 基于数字水印的图像认证系统框图 f i g 2 - 2t h eb l o c kd i a g r a mo fi m a g ea u t h e n t i c a t i o ns y s t e mb a s e do nw a t e r m a r k i n g 由于图像数据的含义是基于其内容的，所以能通过修改图像的比特流来嵌 入一些密码，即水印，而不改变其内容的含义。这种被嵌入的水印表示一张特 殊的数字数据生成器的定义表、或表示某些用特殊准则生成的基于内容的密码。 因为水印被嵌入在数据中，一旦数据被操作修改，这些水印也会跟着被修改， 这样认证系统就能通过检验它们来验证数据的完整性，其认证过程基本框架示 9 第二章基于数字水印的图像认证技术 意图如图2 2 所示。关于其原理、框架、要求、性能分析等将在2 2 节中进行进 一步的详细介绍。 2 1 3 两者比较 数字签名，是指从认证对象数据中提取加密形式的消息摘要。它通常存放 在一个独立的文件中，并与认证数据对象附在一起被用于证明数据的完整性和 真实性。而数字认证水印将认证对象作为通信信道，嵌入的水印不可感知，可 以包含一个特殊的产品d ，也可以是一些基于内容的码字，水印信息在必要时 被提取出来用于认证。相比数字签名技术，满足要求的数字认证水印技术有以 下优点： ( 1 ) 无需额外的消息认证码存放空间：数字签名技术需要单独的文件空间用 于存放从对象中提取的消息摘要。而认证水印技术将认证码嵌入认证载体，这 样一来，认证字将会一直依附在数据对象中，起到对载体内容的保护作用，而 且在需要认证时以密钥直接提取，方便安全。 ( 2 ) 可实现认证精度的可调节：数字签名技术利用密码学原理，将数据对象 以哈希映射的方法投影到一定长度的消息认证码字。一般来讲，只要认证对象 的数据发生了改动，得到的哈希值就完全不同；授权方通过比较原始对象的哈 希摘要和待检测对象的哈希摘要就能得出认证对象有否被改动的结论。但是， 这种方法大都对细微的数据改动敏感，认证敏感度甚至以1 比特为单位。而多 媒体认证的特点要求接收合适的压缩编码处理，数字认证水印的算法设计比较 灵活，精度可以根据应用要求的不同而调节；即既可以实现完全认证( 敏感度 小到1 比特信息) ，也可以实现内容认证( 对内容的改动敏感) 。 ( 3 ) 可实现篡改区域的定位：数字签名技术大都只能说明数据对象的被篡改 与否，而不能指明被篡改的位置。数字认证水印技术的检测结果不但有篡改与 否的结论，而且还能说明数据对象被篡改的程度，并对被篡改的区域进行定位。 ( 4 ) 可实现一定程度的自恢复：数字签名技术只能被用于证明数据对象的真 实性和完整性。数字认证水印技术还能通过自嵌入的方法对被毁坏的部分进行 l o 硕士学位论文 一定程度的自恢复。这种功能在篡改发生后通过提取水印形式的备份信息，恢 复一定程度的原始内容，在实际应用中具有重要价值。 2 2 基于数字水印的图像认证算法设计策略 所谓认证水印( a u t h e n t i c a t i o nw a t e r m a r k i n g ) 就是在保证数字媒体信息一定 视( 或听) 觉质量的前提下，将与媒体内容相关或不相关的标志信息作为水印直 接嵌入媒体内容中，当媒体内容需认证时，可将水印提出鉴定其是否真实完整。 认证水印除了具有数字水印的一般特征，如不可见、稳健性、安全性外，水印 本身必须对篡改具有一定的敏感性和脆弱性。 2 2 1 认证水印的基本框架和系统要求 认证水印系统的一般框架如图2 3 所示，系统主体包括三部分：水印的产生、 嵌入和检测认证。在认证水印的嵌入过程中，首先根据需要进行真伪鉴别的层 次对原始图像进行特征提取，为保证水印的定位能力和安全性，需要将原始水 印与提取的特征及密钥经嵌入运算得到实际要嵌入的内容，然后取代原始图像 中的特征，从而得到含水印图像。水印提取时首先对待检测图像进行特征提取， 然后根据相同的密钥通过水印提取运算提取水印，为得到较好地篡改定位效果， 有时还需要与原始水印进行比较，如图中虚线所示。 第二章基于数字水印的图像认证技术 图2 3 认证水印系统的一般结构组成 f i g 2 - 3t h es t r u c t u r ea n dt h ec o m p o s i t i o no fw a t e r m a r k i n gs y s t e mf o rs e c u r ei m a g e 完成一个图像认证系统的设计后，往往需要评价系统的性能。下面给出了 评价认证系统的6 个性能参数： ( 1 ) 安全性：一个系统应该使攻击者无法伪造出一幅真实的图像来欺骗系统。 安全性是系统中最重要的参数。任何不够安全的系统都不具备实际应用价 值，终究会被淘汰。 ( 2 ) 敏感性：系统对恶意篡改是否足够敏感，也就是系统应尽可能地检测出各 种恶意篡改，而不是把恶意篡改误认为是可以接受的操作。 ( 3 ) 鲁棒性：系统对可以接受的操作是否足够鲁棒，也就是一个认证系统应该 使可以接受的操作都尽量地不会被误认为是对图像的恶意篡改。 ( 4 ) 方便性：一个系统在使用过程中应尽量方便，比如基于数字水印的方法就 比基于数字签名的方法在验证时更加方便，因为不需要附加的信息。 ( 5 ) 篡改定位能力：一个系统应使认证的基本处理单元尽可能地小，提高篡改 定位的精确度，有利于判断篡改操作的类型和篡改的严重程度。 ( 6 ) 篡改可恢复能力：如果一个系统具有篡改恢复能力，那当然给系统锦上添 花，提高系统的性能。 一个理想的系统应该足够安全，能够检查出任何修改，同时还能把篡改定 1 2 硕士学位论文 位到单个像素。但是，安全与篡改定位通常是一对矛盾，需要进行折中考虑。 许多系统都牺牲篡改定位的精确度，以获取足够的安全。通常，如果两种算法 的6 个性能参数中有5 个或4 个相同或类似，那么比较这两种算法的优劣性才 具有意义。 2 2 2 认证水印算法 目前，各种文献中提出的用于数据认证的数字水印大体上可分为以下四个 层次： 易碎水印：能够检测出任何对图像像素改变的操作或图像完整性的破坏； 半易碎水印：具有一定的稳健性，对于像素变化的敏感性要比易碎水印差 一些。因此，即可以用来定量地分析图像被篡改的程度，又能区分简单的l s b 上的噪声和恶意的篡改操作； 对图像内容的认证及混合水印：有时候，图像经过一些无害的操作处理， 如滤波、去噪、对比度增强等，只要没有影响到图像的内容或视觉效果，都认 为是可接受的。因此，可以只对图像的内容进行认证； 自嵌入水印：即图像本身被作为水印嵌入到图像中，不但能检测到被篡改 或损坏的区域，而且可以恢复丢失的信息。 2 2 3 性能评价 虽然近几年基于水印的图像认证技术得到人们的广泛关注，并给出多种有 效可行的系统，但是直到目前为止，它还是发展中的技术，还没有一个统一的 标准和公认的评价方法。嵌入失真、虚警概率、漏警概率以及系统安全性是衡 量系统性能的几个重要指标。 ( 1 ) 嵌入失真 作品的质量决定其价值。数字水印必须是不可感知的，从而保证加水印的 作品与原始作品之间的感知相似性，经典的衡量方法都是基于误差，表2 - 1 列 出了部分常用的基于误差的失真度量方法，其中i 咖和i 哪分别表示原始图像和 1 3 第二章基于数字水印的图像认证技术 测试图像的像素，其中峰值信噪比( p s n r ) 和信噪t v , ( s n r ) 是两种常用的评价图 像质量方法。但是，这些度量方法并不能很好地反映人类感知系统对数字作品 的评价，有的时候甚至会产生严重的不一致。近年来，人们转向研究人类的生 理模型，并把研究成果用于设计基于感知的度量方法。这一类成果极大地促进 了媒体压缩技术的发展，也给数字水印技术注入了新的思想。 表2 1衡量基于误差的失真度量方法 t a b 2 一lt h em e t h o d sf o re v a l u a t i n gd i s t o r t i o nm e t r i cb a s e do ne r r o r ( i 哪一乞。) 2 均方差 m s e = ” m n ( i 札。一乞，。) 2 归一化均方差 脚= ”i 札。z i n 。2 信噪比 姗。1 0 1 0 9 l 。( 盖一乞2 z 峰值信噪比 枷删o g l 。( i ：乏n ) l m n m a x i z z ( i 巩。一乞。) 2 图像保真度 伊= 1 眠”i m 。： ( 2 ) 虚警概率( f a l s ea l a r mp r o b a b i l i t y ) 和漏警概率( m i s sp r o b a b i l i t y ) 系统应具有较小的虚警率和漏警率。系统的虚警率反映检测器对用户许 可的图像改动报警示错的概率；系统的漏警率则反映检测器对用户不能接受 的图像篡改未能报警示错的概率。由于认证检测结果直接关系到图像的真伪 及其具有的价值大小，因此虚警率和漏警率是评价认证系统性能的重要指 标。 1 4 硕士学位论文 ( 3 ) 图像认证安全性分析 由于认证水印是易损的，攻击者的目的并不是让水印不可读。事实上，因 为水印是易损的，所以很容易破坏水印，相反攻击者的目的在于改动图像而不 被水印检预, i j n 。因此认证水印受到的攻击主要有三类： 不可检测的篡改。攻击者试图改变认证图像而不被算法检测到或者作一些 操作，以误导检测器，使其做出错误的判断。 信息泄漏。攻击者试图获取有关认证密钥的信息，包括水印嵌入的位置、 同步检测信息、密钥统计特性等。 协议缺陷。即使没有信息泄漏并且能够以高概率检测所有的差错，当攻击 者可以不受限制地访问认证设备或者提交认证图像时，水印方案也是不安 全的。 1 5 第三章基于h a s h 函数敏感性