（通信与信息系统专业论文）文本图像认证技术研究.pdf

摘要 2 0 世纪末，数字多媒体的安全问题成为信息安全领域的研究热点。文本图像作为一 类特殊的数字多媒体，在社会生活中具有举足轻重的地位。在当前脆弱的互联网安全机 制下，某些重要文本图像的使用有很多安全隐患。因此，有必要对文本图像的认证技术 进行深入研究，用以保障这些重要文本的安全使用。 本文首先全面介绍并分析了当前文本图像认证领域的研究现状，然后分别对二值文 本图像认证和鲁棒文本图像认证进行了深入研究，主要成果如下： ( 1 ) 针对当前二值文本图像认证算法无法有效解决图像均匀区篡改认证问题，提出 一种基于短数字签名的二值文本图像认证算法。该算法通过对图像的均匀区分布情况提 取长度很短的数字签名，有效的解决了图像均匀区的篡改认证问题；并且，算法在保证 良好不可见性的前提下，对非均匀区有7 5 的理论篡改检测概率。 ( 2 ) 经过观察和分析发现，二值文本图像1 6 模块中心像素点翻转后并不会改变图像 行、列扫描向量的游程个数。基于这一特性，设计了一种新的基于数字水印的二值文本 图像认证算法，实现了二值文本图像均匀区的认证保护和较高精度的篡改定位。实验表 明，算法能有效认证图像均匀区，并具有较高篡改检测率和良好不可见性。 ( 3 ) 针对汉字的骨架结构特性，设计了一种文本图像特征提取的新方法。实验表明， 这种提取文本图像特征的方法具有一定的抗噪能力，可用于文本图像的内容认证和篡改 定位。 ( 4 ) 改进了一种小波域水印嵌入方法，通过减少修改参数的个数来改善原算法不可 见性较差这一缺点。实验表明，改进后嵌入算法的鲁棒性较原算法略有下降，但不可见 性远优于原算法，可用于文本图像的版权保护和内容认证。 ( 5 ) 首次分析了对灰度文本图像进行内容认证的必要性，并结合( 3 ) 、( 4 ) 的结论，提 出种鲁棒文本图像内容认证方案。实验表明，该方案对灰度文本图像有5 0 的篡改检 测概率、并具有较好不可见性和一定的鲁棒性。 关键词 图像认证，二值文本，数字签名，数字水印，篡改定位 a b s t r a c t i nt h el a t e2 0 t hc e n t u r y , s e c u r i t yi s s u e so nd i 西t a lm u l t i m e d i ab e c o m eah o tr e s e a r c hi nt h e i n f o r m a t i o ns e c u r i t yf i e l d a sas p e c i a l 虹n do fd i g i t a lm e d i a , t e x ti m a g ep l a y sad e c i s i v er o l e i ns o c i a ll i f e i nt h ec u r r e n tf r a g i l ei n t e m e ts e c u r i t ym e c h a n i s m ，t h e r ea r el o t so fs e c u r i t y p r o b l e m si nu s i n gs o m ei m p o r t a n tt e x ti m a g e s t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r y t os t u d yt e x ti m a g e a u t h e n t i c a t i o ni n d e p t hi no r d e rt op r o t e c tt h e s ei m p o r t a n tt e x t s f i r s t l y , t h ec u r r e n tr e s e a r c hs t a t u sa b o u tt e x ti m a g ea u t h e n t i c a t i o ni si n t r o d u c e da n d a n a l y z e di nt h ef i r s tt w oc h a p t e r so ft h i sp a p e r t h e nb i n a r yt e x ti m a g e sa u t h e n t i c a t i o na n d r o b u s ti m a g ea u t h e n t i c a t i o ni ss t u d i e di n - d e p t hr e s p e c t i v e l yi nt h el a s tt h r e ec h a p t e r s t h e m a i nr e s u l t st ot h er e s e a r c ha r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) b e c a u s ec u r r e n tb i n a r yt e x ti m a g ea u t h e n t i c a t i o na l g o r i t h mc a n n o te f f e c t i v e l ys o l v e t h ep r o b l e mt h a tt a m p e r i n ga u t h e n t i c a t i o nt ot h eu n i f o r m i t yo fi m a g e ，an e wb i n a r yt e x ti m a g e a u t h e n t i c a t i o na l g o r i t h mb a s e do ns h o r ta i g i “s i g n a t u r ei sp r o p o s e d i nt h i sn e wa l g o r i t h m ， t h ed i s t r i b u t i o no ft h eu n i f o r ma r e ai nt h ei m a g ei se x t r a c t e dt oas h o r ts i g n a t u r e ，w h i c hc a n e f f e c t i v e l ys o l v et h ei s s u et a m p e r i n ga u t h e n t i c a t i o nt ot h eu n i f o r m i t yo fi m a g e w i t hg o o d i n v i s i b i l i t y , t h ea l g o r i t h mh a st h et h e o r e t i c a lp r o b a b i l i t yo ft a m p e rd e t e x t i o n7 5 t ot h e n o n - u n i f o r ma r e ao ft h ei m a g e ( 2 ) t h r o u g ho b s e r v i n ga n da n a l y z i n g , i ti sf o u n dt h a tt u m i n gt h ec e n t r ep i x e lo ft h e - 16 - b l o c k sd o e sn o tc h a n g et h en u m b e ro fr u n st ot h er o wo rc o l u m ns c a nv e c t o r so ft h eb i n a r y t e x ti m a g e b a s e do nt h i sf e a t u r e ，an e wb i n a r yt e x ti m a g ea u t h e n t i c a t i o na l g o r i t h mb a s e do n w a t e r m a r ki sd e s i g n e d ，b yw h i c ht h eu n i f o r ma r e ao ft h ei m a g ec a nb ec e r t i f i e da n dh i g h a c c u r a c yp o s i t i o n i n g c a nb ea c h i e v e d t h ee x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h ea l g o r i t h mg a l l e f f e c t i v e l yc e r t i f i c a t et h eu n i f o r ma r e a so ft h ei m a g e ，谢t l lah i g h e rt a m p e r i n gd e t e c t i o nr a t e a n d g o o di n v i s i b i l i t y ( 3 ) c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ec h a r a c t e rs t r u c t u r e , an e wt e x ti m a g ef e a t u r e e x t r a c t i n gm e t h o di sd e s i g n e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h i si m a g ef e a t u r ee x t r a c t i n g m e t h o dh a sac e r t a i na n t i n o i s ea b i l i t ya n di tc a l lb eu s e df o rt e x ti m a g ec o n t e n ta u t h e n t i c a t i n g a n dt a m p e rl o c a t i n g v ( 4 ) aw a v e l e td o m a i nw a t e r m a r ke m b e d d i n gm e t h o di si m p r o v e d t h ep o o ri n v i s i b i l i t yo f t h eo r i g i n a la l g o r i t h mi sh i g h l yi m p r o v e db yr e d u c i n gt h en u m b e ro f p a r a m e t e r st om o d i f y e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h er o b u s t n e s so ft h ei m p r o v e de m b e d d i n gm e t h o di ss l i g h t l y w o r et h a nt h eo n # n a io n e ，b u tt h ei n v i s i b i l i t yi sm u c hb e t t e rt h a nt h e o r i g i n a lo n e t h e i m p r o v e da l g o r i t h mc a nb eu s e df o rp r o t e c t i n gt h ec o p y r i g h ta n da u t h e n t i c a t i n gt h ec o n t e n to f t h et e x ti m a g e ( 5 ) t h en e c e s s i t yo fa u t h e n t i c a t i n gt h ec o n t e n to ft h eg r a yt e x ti m a g ei sp r o p o s e di nt h e p a p e r c o m b i n gw i t ht h ec o n c l u s i o n so f ( 3 ) a n d ( 4 ) ，ar o b u s tt e x ti m a g ec o n t e n ta u t h e n t i c a t i o n a l g o r i t h mi sp r o p o s e d e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h ea l g o r i t h mh a sat a m p e r i n g d e t e c t i n g p r o b a b i l i t y5 0 t ot h eg r a yt e x ti m a g e ，a n dt h ei n v i s i b i l i t ya n dr o b u s t n e s sw o r k sw e l l k e yw o r d s i m a g ea u t h e n t i c a t i o n ，b i n a r yt e x t , d i 百t a ls i g n a t u r e ，d i g i t a lw a t e r m a r k ，t a m p e r sl o c a t i n g 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。学校 有权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。本人允许 论文被查阅和借阅。本人授权西北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。同时授权中国科学技术信息研究所等机构将本学位论 文收录到中国学位论文全文数据库或其它相关数据库。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：熟鱼塾 知p 年多月f 乒日 指导教师签名：够 加，p 年6 月旷日加，p 年白月f j 日 西北大学学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西 北大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的 同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 二也 思。 学位论文作者签名：啦鲰 加p 年月日 西北大学硕士学位论文 第一章绪论 近年来，对数字多媒体一图像、音频、视频的保护成为信息安全领域的研究热点。 隶属于数字多媒体范畴，文本图像特指一类具有文本含义的特殊图像，如：被转换为图 片格式的电子文档、纸质文本的扫描图像等。文本图像认证就是指采用图像处理、数字 水印、密码学等相关技术，来保证文本图像的完整性、可靠性；其研究目的是对重要的 文本图像进行版权保护或防篡改。随着社会经济的发展与网络应用的普及，人们对重要 文本图像安全性的要求也日渐增高，因此，学者们对文本图像认证技术的研究热情也越 来越高。 1 1引言 2 0 世纪末，随着网络应用的普及和信息技术的高速发展，网络化办公、网上电子商 务和远程电子政务等逐步成为社会的主要发展趋势。网络期刊的发行、电子档案存储、 电子合同分发必然日渐普及，电子票据、电子证件也日益广泛。这种信息数字化进程给 社会生活带来了极大便利，同时，也带来与之相应的安全隐患。如果电子档案或者电子 合同的真实、完整性得不到有力保障，电子证件、票据无法辨明真伪，必然会引发人们 对这些重要电子资料的质疑，进而阻碍社会的发展进步。因此，即享受信息发展带来的 便利，同时，保证电子数字信息资料的安全、可靠使用，已成为一个十分紧迫的课题【l l 。 日常生活中，许多文本图像( 如商业合同、法律文件、以及转换成图片格式的电子 文档等) 比普通图像、音频或视频之类的多媒体更具有使用价值。随着网络应用的发展， 某些商业合同和政府文件的分发也转向网络，如果一旦出现对这些重要文本资料的恶意 篡改，引发的后果将不堪设想。此外，网络期刊、网络书籍取代传统期刊、书籍的态势 已初见端倪。因此，研究文本图像的认证方法对电子商务、电子政务、网络书刊的发展 有重要意义【2 】。 文本图像作为一类特殊图像，相比于普通图像认证难度更大，国内对该方向的研究 报道也相对较少，因此有很多理论与实际问题值得去深入研究【3 1 。本文的研究目的是针 对文本图像存在的安全问题，提出适应于文本图像自身特性的认证技术。该研究对多媒 体信息安全理论的发展和实际应用具有重要意义；其研究成果可应用于电子政务、电子 商务、国家安全、数字图书馆等领域。 1 2 研究现状与存在问题 与其它非文本图像相比，文本图像独具特性：纹理细微丰富且均匀分布，除呈现小 第一章绪论 区域边缘特性外，还存在大面积平坦背景区。因此，这种结构特性导致对文本图像认证 的研究较少，研究难度较大。 相对于传统图像认证，文本图像认证起步很晚，目前，国内外专门针对文本图像认 证的研究机构相对较少，国际上知名的也仅是贝尔实验室的一个研究小组对于采用数字 水印方法保护纸张形式的文本进行了多年的研究【4 】。根据e 1 i e e e 、中国期刊网等数据 库的检索情况看来，目前还没有专门针对文本图像认证的综述性论文。 尽管如此，也并不意味着文本图像认证的研究工作完全没有开展进行。近年来，伴 随着传统图像数字水印技术的发展成熟，以文本图像为载体的水印技术逐步受到了的关 注，从公开发表的相关文献来看，文本图像水印技术的研究成为当今文本图像认证领域 研究的主要表现形式【5 - 1 0 。 从实际应用背景考虑，文本图像认证可大致划分为两个研究方向：二值文本图像认 证以及鲁棒文本图像认证。其中，二值文本图像认证的主要应用背景是针对电子档文本 图片的篡改定位检测和版权保护。鲁棒文本图像认证的主要应用背景则是对纸质文档及 其打印扫描图像进行版权保护。 以下两小节就分别对这两个方向的研究情况进行介绍。 1 2 1 二值文本图像认证研究现状与存在问题 二值文本图像是指具有文本含义的二值图像，其像素值不是1 就是0 ，由电子文档 转换来的图片就属于二值文本图像。 目前，对二值文本图像的认证大多是基于数字水印技术的，主要采用的方法是像素 变异法。该方法通过对二值文本图像进行像素增加、翻转、移动等来嵌入信息，从而实 现对图像的认证。 像素变异法起源于2 0 0 0 年，m i nw u 发表的一篇论文1 1 】。在该文章中，m i nw u 首 次中提出了基于修改二值图像块内黑白像素个数奇偶性来嵌入水印的方法。其核心是通 过修改“可翻转”像素点的像素值并利用“置乱”操作嵌入大量水印信息。对于如何对像素 的“可翻转进行评定，m i nw u 提出了一套评价方案。通过考查像素的邻域分布来确定 翻动该像素所引起图像失真程度大小，具体的评价过程是通过计算翻像素周围像素分布 的平滑性和连通性来实现的。 在该论文【1 1 】基础上，m i nw h 又将这种像素变异的思想应用于二值图像认证保护， 在部分附加码的参与下，可在高质量的印刷和扫描后，提取绝大部分水印信息，用于二 值图像版权保护【1 2 1 。在该文献1 2 1 中，m i nw u 将基于“分块思想”的像素变异法用于信息 2 西北大学硕士学位论文 隐藏，并在部分附加码参与下，可实现高质量印刷和扫描后隐藏信息的盲提取。 始于m i i lw u 的像素变异法是一种有效的二值图像水印嵌入策略，该方法视觉隐蔽 性好，并可实现盲检测。此算法一经提出立刻引起其它学者的广泛关注，许多学者对其 进行研究改进，进而开启了二值文本图像认证研究领域的新景象。 在文献【1 3 】中，l u 把基于距离倒数定位失真检测( d i s t a n c er e c i p r o c a ld i s t o r t i o n m e a s u r e ，d i m m ) 用于计算二值图像像素翻转的优先级中，其目的在于降低图像嵌入 水印引起的失真，最终形成了当前普遍使用的二值图像失真度评价的 d r d m 准则”。 c h a o t l 4 】基于d r d m 准则又设计了计算像素翻转优先级的新规则，选择优先级高的 像素嵌入水印，进一步改善了嵌入水印后原图像的视觉效果。 在文献f 1 5 1 6 】中，y a n g 提出一种考虑大量相邻像素点的二值图像认证方法，它改进 了m i nw u 翻转像素评分方法，通过考虑大量相邻像素点，对可翻转像素进行详细分类， 分别考虑了单一翻转和双翻转的情况，保证了像素点翻转前后可嵌入不变性，大大提高 了可嵌入位置的利用率，更适用于平滑度较高的二值文本图像。 在文献【l 7 】中，y a n g 提出一种“嵌入双层水印”的思想，一层用于完整性认证，另 一层用于篡改定位。实验表明，此方法具有一定的篡改定位能力，并可抵抗涂改、剪切、 擦除等攻击。 文献【1 8 。2 0 】中的算法各异，但是其共同点是利用基于水印技术的像素变异法实现了对 二值图像的篡改定位( 理论篡改定位检测率为5 0 ) 。至此，二值文本图像认证的研究 应用已由最初的只能进行版权保护和完整性认证，发展到可以对图像实现篡改定位的阶 段。 这种研究状况一直持续到2 0 0 8 年，李赵红【2 u 在其论文里明确地提出“有必要特别考 虑二值文本图像均匀区篡改情况”这一“问题”。在此之前的二值文本图像认证算法多是 基于图像分块像素变异法的，在二值图像的均匀区( 全白或全黑区域) 嵌入水印很容易 被察觉，因此这些算法都选择不对图像均匀区进行认证，如果用全白的图像块代替原始 图像块，算法对此类篡改的检测则会失效。李赵红在其论文【2 1 1 提出的基于等级结构的二 值图像认证算法，就可以很好的解决图像均匀区篡改的问题。尽管该算法的复杂度较高， 但却开创了二值文本图像认证领域一个新的研究点，也是长久以来悬而未决的难点一 如何对二值文本图像均匀区进行认证保护。 事实上，在此之前，也有学者曾对二值文本图像均匀区认证进行了部分尝试，只是 没有明确提出“图像均匀区认证”的概念。早在2 0 0 4 年，张小华 2 2 1 就提出了把二值图像 3 第一章绪论 均匀区的块标号作为附加信息用以保护均匀区的方法。其缺点是需要附加的信息太长， 不利于实际应用。由于受二值文本图像本身的结构特点所限，从近两年该领域发表的论 文来看，能有效解决图像均匀区篡改的算法很少，亟待进一步研究。 综上所述，当前已有二值文本图像认证算法普遍存在以下两个问题： 1 ) 篡改检测概率低( 一般只有5 0 ) ； 2 ) 难以简单、有效的实现图像均匀区的认证保护。 因此，本文的部分研究工作就以解决这两个问题而展开。 1 2 2 鲁棒文本图像认证研究现状与存在问题 鲁棒文本图像认证的应用背景是：对纸质文本图像进行认证保护，并且被保护的文 本图像在经过打印扫描等操作后，算法依然有效。因此，此类算法必须具有很好的抗噪 声性能。再加文本图像本身冗余度小的特点，因此，鲁棒文本图像认证的研究难度更大， 进展较缓慢。 s h e n gh u a n 9 1 2 3 提出一种鲁棒性较强的保护纸质文本的方法，其基本思想是对需要 保护的原始文本通过分层加密调相来嵌入一幅有意义的二值图像，当用特制的符合各层 调相密钥特性的膜片覆盖到原始文本时，被嵌入的二值图像就能呈现出来，用于证明该 文本的版权所属。该算法可以抵抗打印、复印和扫描带来的二次量化噪声。谭论正 2 4 1 提出一种利用d w t 变化在小波域嵌入水印的策略对文本图像进行版权保护。该算法也 可以抵抗打印、复印和扫描引入的噪声。其他类似的算法见文献【2 5 。3 0 】。另外，j a yf r a s e r 3 1 】提出了一种比较新颖的保护纸质文档的方法，其基本做法是用不同质地的感光材料给 纸质文本上随机的打上不同色泽的感光点阵，然后统计感光点阵的分布特性并进行数学 计算，得到一个二值序列并作为文件的附加码。用于保证纸质文本的完整性和真实性。 总体来看，当前该领域的研究重点还停留在对原始文本图像的版权保护阶段。除了 文献【3 1 1 ，其他的算法【2 5 。3 0 】均无法察觉对文本图像的小部分篡改( 因为小部分篡改完全不 会影响到算法嵌入的有意义二值图像的提取) 。但是，在现实应用中，对重要文档的局 部篡改也会引发严重后果，如：篡改了持有者姓名的资格证书、篡改了关键信息的重要 文件资料等。这些文本图像在被局部篡改后，依然可以提取原先嵌入的版权保护信息， 但由于文本内容局部发生了篡改，造成对某些重要文本内容的错误理解。 综上所述，作者认为，在鲁棒文本图像认证研究领域，存在着无法对局部内容篡改 进行识别和定位的问题，迫切需要对该问题进行深入研究。本文的后半部分工作就是针 对这一问题展开的。 4 西北大学硕士学位论文 1 3 本文研究内容及章节安排 本文在深入分析已有算法优缺点的基础上，针对当前文本图像认证算法的不足，从 文本图像结构特性着眼，将算法的认证能力与算法复杂度综合考虑，以解决当前文本图 像认证领域存在问题为目的，开展了一系列的研究工作。 本文所做的主要工作如下： ( 1 ) 总结分析了当前国内外文本图像认证的研究现状，以及文本图像认证领域已有的研 究成果和存在问题，指出了当前文本图像认证领域应有的研究重点。 ( 2 ) 对文本图像认证的相关理论进行综述，包括图像认证的基本模式、文本图像认证的 评价准则以及典型算法。 ( 3 ) 提出一种基于短签名的二值文本图像认证算法。该算法有效的解决了二值文本图像 认证领域的图像均匀区认证的问题，并把篡改定位检测率提高到7 5 ，同时保证了 算法具有良好的不可见性。 ( 4 ) 利用二值图像的1 6 模块中心跳转后游程分布具有不变性这一特性，提出了一种新的 基于水印的二值文本图像认证算法。实验表明该算法可以对图像均匀区进行有效认 证，并具有7 5 的篡改检测率和良好的不可见性； ( 5 ) 针对汉字文本图像，在空间域上，提出一种基于汉字结构的文本特征提取新方法， 并对其鲁棒性进行了实验分析。 ( 6 ) 改进了一种图像小波域水印嵌入算法；结合( 5 ) 部分结论，提出一种能进行篡改定位 的鲁棒文本图像认证方案。经实验验证，该方案可实现文本图像的篡改定位，并具 有一定鲁棒性。 本文的章节安排如下： 第一章指出课题内涵极其研究意义、现状及该研究领域存在的问题。 第二章概述了图像认证的两种基本模式、文本图像认证的评价准则和典型算法。 第三章提出一种基于短签名的二值文本图像认证算法，并进行算法性能分析和实验。 第四章提出一种基于水印的二值文本图像认证算法，并安排实验分析验证了算法性能。 第五章提出一种能进行篡改定位的鲁棒文本图像认证方案。并安排实验，分析和验证 了方案的不可见性、定位检测能力和鲁棒性。 结论对本文的研究成果进行总结，并指出了文本图像认证领域进一步的研究方向。 5 西北大学硕士学位论文 第二章文本图像认证评价指标与典型算法 文本图像认证领域的研究开始时间较短，因此很多理论和概念还没有自成体系，现 有文本图像认证的一些理论概念和评价标准很多是从传统图像认证领域移植过来的。然 而，文本图像认证相比于传统图像认证又具有自身特点，相信随着该领域研究的推进， 更适合于文本图像认证的理论和标准体系也会日益完善。下面就对已有的文本图像认证 的概念、理论进行简单的总结。 2 1 图像认证的基本模式 传统图像认证的是从研究非文本图像开始的，当时并行的研究方法有基于数字签名 的认证和基于数字水印的认证两类。这两种认证模式的根本差别在于，基于签名的认证 模式需要把对图像提取特征的签名信息另外传送；基于水印的认证模式则把对图像提取 的特征信息直接嵌入到原始图像中，而不需要另外附加信息。 由于传统图像认证的研究主体一非文本图像一般具有较大信息的冗余度，嵌入大量 水印信息后，图像的视觉效果改变不明显，因此，基于数字水印的图像认证算法取得了 较好的实验结果，并且有逐步取代基于数字签名的认证算法的趋势。当前的图像认证算 法多是基于数字水印的。由于文本图像认证研究的起步远远晚于传统图像认证，受图像 认证研究领域的影响，当前文本图像认证的主要模式也是基于数字水印的。 下面就用框图分别简单介绍一下图像认证的两种基本模式：数字水印模式和数字签 名模式。 2 1 1 基于数字水印的认证模式 图l 基于数字水印的认证模式 附注l ：在本文所有的流程图中，加粗的方框表示进行的操作，其它的不规则框，则表示操作的原 始数据或者操作的结果。下文将不再对此进行说明。 7 第二章文本图像认证评价指标与典型算法 2 1 2 基于数字签名的认证模式 图2 基于数字签名的认证模式 2 2 文本图像认证典型算法 目前，针对于传统图像载体的水印嵌入方法有很多，并且日趋成熟，但是由于文本 图像的特殊性，导致这些对于传统图像行之有效的方法，无论是基于图像空间域，还是 基于图像变换域，都不再适用于文本图像。为此，一些学者积极的进行了诸多探索，有 选择地继承和改进了传统图像认证水印算法，设计出一些针对文本图像的可行方案，形 成了包括l s b 、l s p b 、像素变异、d c t 和d w t 变换域法在内的文本图像水印算法。 下面就对上述几种典型算法进行简单介绍： l s b l s b ( l e a s ts i g n i f i c a n tb i t ) ，意为最低有效位。此类算法的基本原理就是在图像视 觉上最不明显位置嵌入水印信息，由于图像视觉最不明显位置有限，所以此类算法曾较 普遍的出现于图像认证的早期，后因其认证能力有限逐步被其他算法取代。但是这种最 低有效位的思想却被延续下来与其他算法结合，当前应用广泛的变换域算法也隐含了 “最低有效位”的思想。 l s p b l s p b ( l e a s ts i g n i f i c a n tp i x e lb l o c k ) ，指最不明显像素块。此类算法的实质上是对 l s b 算法的改进，通过分块使得图像的各个子块都具有了自己的l s b ，从而增加了水印 的嵌入量，提高了算法的认证能力。这种分块的思想也被延续下来与其他方法结合，广 泛用于当前文本图像认证。 像素变异法 8 西北大学硕士学位论文 该算法的基本原理是依据特定的可翻转像素选取规则，通过修改图像的部分可翻转 像素点来嵌入水印信息，从而对图像进行认证。由于像素变异法具有较好的视觉效果和 较大的嵌入容量，因此，当前被广泛用于二值文本图像认证。 d c t 和d w t 变换 d c t ( d i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m ，离散余弦变换，简称d c t 变换) 和d w t ( d i s c r e t e w a v e l e tt r a n s f o r m ，离散小波变换，简称d c t 变换) 变换法是指对图像进行d c t 变换或 者d w t 变换，通过修改图像的d c t 域高频系数或者d w t 变换的高频子代系数来嵌入 水印，该方法简便易实现，可灵活应用，因此被广泛的用于鲁棒文本图像认证。 2 3 文本图像认证评价指标 评价文本图像认证算法的性能常用到以下几个参考指标，不同应用背景下的算法不 一定要求满足所有指标，在对算法进行评价时应根据其应用背景选取适合的评价指标。 下面就对各个指标进行简单介绍： 不可感知性 不可感知性指的是算法在对原始图像处理后，处理后图像与原始图像的差异被感知 到程度，分为主观和客观两种评价方式。其中，主观评价更符合人类视觉特性，但是实 际应用起来较困难。当前客观评价中，d r d m l 3 2 1 准则和扭曲度p 3 1 准则被广泛用于特别针 对二值图像的算法，这两个标准比较符合人眼的视觉特性。p s n r ( 峰值信噪比) 是评 价传统灰度图像失真度的准则，用于评价灰度文本图像失真度具有一定的局限性和欺骗 性，目前还没有专门针对灰度文本图像的不可感知性评价标准出现。 篡改定位精度与篡改定位能力 一般来讲，具有篡改定位能力的图像认证算法都是基于分块的。篡改定位精度就是 指算法所能定位篡改块的最小图像块尺寸，即图像分块的大小，一般用( o x o ) 来表示。 篡改定位能力，一般由篡改检测率、漏检率与虚警率来表征： 篡改检测率，即：“可检测到的篡改块数”占“篡改块总数”的百分比。 漏检率，即：“未被检测到的篡改块”占“实际篡改块总数”的百分比。 虚警率，即：“未被篡改但被误认做篡改块的个数”占“实际篡改块总数”的百分比。 安全性 安全性的高低则代表了算法抵抗攻击性能的强弱。算法的安全性一般由参与算法的 密钥空间大小来决定。密钥空间越大算法的安全性越好。 9 第二章文本图像认证评价指标与典型算法 鲁棒性 鲁棒性的强弱表征了算法抵抗各类噪声以及常规图像处理的操作的能力。 2 4 本章小结 本章首先对图像认证的两种基本模式进行了说明；然后介绍了当前文本图像认证的 几种典型算法；最后列出了文本图像认证算法的几个主要评价指标。 1 0 西北大学硕士学位论文 第三章基于短签名的二值文本图像认证方案 从公开发表文献来看，当前二值文本图像的认证算法多是基于数字水印的。但是， 二值文本图像与非文本图像相比具有其特殊性，即：只包含两种像素值，不是0 就是1 ， 信息冗余度小，所以，二值文本图像嵌入水印后引起的视觉质量的下降也比非文本图像 要明显得多。因此，采用基于数字水印的方法来认证二值文本图像，出于对嵌入水印后 图像视觉效果的考虑，以及二值文本图像水印嵌入量瓶颈的限制，算法的篡改检测概率 很低( 一般只有5 0 左右) 【3 3 2 2 1 。， 此外，在二值文本图像的均匀区( 全白或全黑区域) 嵌入水印信息很容易被察觉， 因此，现有水印算法通常选择不对二值文本图像的均匀区嵌入水印。 因此，目前基于水印的二值文本图像认证算法普遍存在以下两个问题： 1 ) 篡改检测概率低； 2 ) 难以简单、有效的实现对图像均匀区的认证保护。 这是由二值文本图像本身的结构特点所决定的。鉴于当前基于水印的方法无法很好 的解决这两个问题，本章从图像认证的另一个研究方向出发，提出了一种基于短签名的 二值文本图像认证算法，从而有效的回避了水印复杂的嵌入和提取过程，仅通过对图像 做简单的预处理，提取长度很短的数字签名就能达到较好的认证效果。理论分析和仿真 实验证明：算法具有良好的视觉效果和较高的篡改定位能力，并可简单、有效的对图像 均匀区进行认证保护。 3 1 算法原理和实现 3 1 1 算法结构 本文总体算法流程如下：图3 为对原始二值文本图像i 预处理和提取数字签名的 流程图，图4 为对接收到图像i g 进行认证的流程图。 图3 预处理和提取数字签名 第三章基于短签名的二值文本图像认证方案 图4 图像认证和篡改定位 发送方先对图像1 分块，同时把子块大小作为密钥k l ，按子块内像素是否一致把 图像分为两类：均匀子块和非均匀子块。对非均匀子块进行预处理，使得每个非均匀子 块满足归一化特征，从而产生预处理后的图像i g ；利用均匀子块在整个图像中的分布信 息以及密钥k 2 提取数字签名s ，把签名s 和i g 一并发送。 接收方对收到的图像i g 按密钥k 1 再次分块，并分成两类子块。先对非均匀子块按 是否满足归一化特征进行非均匀认证；再利用密钥k 2 对均匀子块二次提取数字签名s g ， 通过比较s 和s g ，实现均匀区认证；最后，由联合认证环节排除了均匀区认证环节可 能出现的虚警，最终确定出图像被篡改的位置。 3 1 2 图像非均匀块的预处理 为了实现对图像非均匀区的保护，算法在对图像分块后，对图像的非均匀区做了如 下预处理：确定归一化特征，判断每个非均匀子块是否满足该特征；满足归一化特征的 子块不做任何改动；不满足归一化特征的子块，翻转部分像素点，使其具有归一化特征。 ( 1 ) 可翻转像素位置的选择 目前，评价二值图像像素点翻转对图像视觉质量的影响有三种评分方案：m i i lw u 评 分准则【1 2 】、基于l s p b ( 最不明显像素块) 的评分准则【列和基于p s d ( 像素扩展差) 的评分 准则【2 1 1 。这三种评分方案都能有效的衡量像素的可翻转性。但是，基于p s d 的评分准 则在考虑像素周围分布的扩展性上明显优于前两种评分方法，刚好满足本算法中图像分 块大小灵活的特点，因此，图像非均匀区的预处理采用基于p s d 的评分准则来选取可 翻转点。 按文献【2 1 1 的描述，p s d 求法如下： 首先考察一个以d 为中心，大小为c o x 国的图像块b ，其中国要求为奇数，图像块b 1 2 西北大学硕士学位论文 中所有像素点的值记为a ( m ，n ) ，( m ，n ) 为像素点的坐标，m = n = l ，2 ，国那么点d 坐标为( mo , no ) ，m 。= n 。- - - ( r 口+ 1 ) 2 假设图像块b 的均值为p ，那么像素点b ( m ，n ) 的偏 差为6 ( r r m ) = l s ( r 1 1 ，n ) - v q 。于是，定义图像块b 的像素扩展差( p i x e ls p r e a d ，p s ) 如下： p s = 8 ( m ，n ) w ( m ，n ) ( 3 1 ) 其中：w ( m n ) ： 1 l m 2 m 0 n = n 。 如果图像块b 的中心点d 翻转以后 i ( m m o ) 2 + ( n - n o ) 2 其它 的像素扩展为p s ，那么点d 的“可翻转性”由其翻转前后图像块的像素扩展差( p i x e l s p r e a dd e v i a t i o n ，p s d ) 来衡量，表示如下： p s d = i p s p s7 i( 3 2 ) 利用( 3 2 ) 式，计算出每个像素点的p s d 值。选定合适的阂值t ，p s d 下的像素点定为“可 翻转”，p s d f 的像素点定为“不可翻转”。像素点的p s d 值越小，说明该点的可翻转性 越好。 ( 2 ) 归一化特征的选取及性能分析 选取归一化特征时应考虑两个指标：1 ) 实现归一化特征平均每个非均匀子块需要翻 动像素点的数目( t n ，t u r n e dn u m b e r ) ；2 ) 未经预处理就满足归一化特征的非均匀子块个 数占非均匀子块总数的百分比( s g r ，s e p a r a t i o ng e n e r a t i o nr a t e ) 。t n 关系到预处理后 图像的视觉质量，t n 越小，预处理后图像视觉效果越好。s g r 关系到算法的认证能力， s g r 越小，任意一个非均匀子块未经预处理就满足归一化特征的概率就越小，算法的认 证能力就越强。由于s g r 和t n 存在间接反比关系，出于对预处理后图像质量和算法认 证能力双重要求，需要在选择归一化特征时考虑在t n 和s g r 之间进行折衷。 本文算法规定每个子块包含的像素点个数n 为奇数，即n = n 。+ n 。，n 。为子块内 1 的个数，n 。为子块内0 的个数，在此前提下，对非均匀块选取的归一化特征为：n 为 奇数，l n o y 2 j 为f 禺数( 其中：l j 表示对的下取整值) 。由于n = n ，+ n 。，所以n 。和n 。的 奇偶性是互不独立的。但是n ，和in 2i 的奇偶性却是互相独立的，这样，其奇偶性组合 共有4 中情况，分别为：( 奇数，偶数) 、( 奇数，奇数) 、( 偶数，奇数) 、( 偶数，偶数) ， 我们归一化的做法就是通过跳转块内像素点将后3 种情况同一到第1 中情况，由于在假 设图像的0 、1 分布为均匀分布的情况下，上述四种情况是等概率出现的，因此，任选 一个组合作为归一化特征时，s g r 均为2 5 ，而归一化后的非均匀块如果被篡改，这种 1 3 第三章基于短签名的二值文本图像认证方案 篡改能被正确检测的概率为1 - 2 5 = 7 5 。 同时，当我们选第一种组合情况为归一化特征时，任意一个非均匀子块向归一化特 征跳变的可能情况如表1 所示： 表1 任意非均匀子块归一化可能翻转的像素个数 由于子块内0 、1 分布具有随机性，因此出现上述的任意一种情况的概率都是相等 的，根据概率理论，任意一个非均匀子块在向归一化特征跳变时平均需要修改的像素点 数为： 皿砌) _ a 呻电2 5 ) i q + q 2 5 n 签1 = l ( 3 3 ) 由以上分析可得出结论：选取n ，为奇数、w 2 j 为偶数作为预处理的归一化特征，平 均每个非均匀子块只需要修改一个像素点就可以实现预处理，这样不仅可以有效保证图 像视觉质量，而且可以保证对非均匀块7 5 的篡改检测概率。 ( 3 ) 图像非均匀区预处理的步骤 s t e p l 计算原始图像i m 。每个像素点的像素扩展差，则全图的像素扩展差记为：p s d 。 s t e p 2将图像分成m n 个大小相等的子块，各子块标号记为：k i i ( i = l ， 2 ，m ；j = 1 ，2 ，n ) ，每个子块含有个像素点，要求为奇数，并把作为 密钥k l 。 s t e p 3 检测出所有图像非均匀子块( 即各像素值不全相同的子块) ，统计每个非均匀子 块内0 、1 像素点的个数，记0 的个数为n 。，l 的个数为n 。若n 。、n ，满足如 下归一化特征：n ，为奇数，in o 2i 为偶数，则该块不做修改；如果不满足，则根 据该块内各像素的p s d 值，翻动p s d 值最小的n 个像素点( n 2 ) ，使得该子 块内n 。、n 。满足归一化特征。从而产生预处理后的图像i g 。 1 4 西北大学硕士学位论文 3 1 3 提取数字签名 为了对图像的均匀区进行保护，算法先提取了图像所有均匀块的分布信息，然后通 过混沌迭代运算产生一列定长的数字签名。 ( 1 ) l o g i s t i e 混沌映射原理 l o g i s t i c 映射是一类简单但是被广泛研究的混沌动力系统，可用如下非线性差分方 程来描述： x 。+ l = 九x 。( 1 - x 。) (