基于数字水印的图像认证技术

李海华

(杭州电子科技大学图形图像研究所,浙江杭州310018)

0 引 言

多媒体数字技术的发展使得人们可以很方便的对数字媒体进行篡改。这对数字媒体内容的完整性和真实性构成极大威胁。数字水印技术正是应这一需求而提出的新技术[1]。在许多实际应用中,人们更关心的是媒体图像的内容。如商业合同、新闻照片等,其内容是不允许篡改的,但可以对图像进行一些常规的处理。因而要求水印具有半脆弱性[2]。这种半脆弱水印可以在一定程度上容忍施加于含水印图像上的常见信号处理,又能够对图像恶意篡改做出报警反应具有定位篡改区域的能力。本文实验主要研究对含水印图像进行常规操作的鲁棒性,以及恶意篡改的脆弱性,篡改定位的准确性。

1 YCbCr色彩系统

YCbCr色彩系统是一种常见的色彩系统。JPEG采用的就是YCbCr色彩系统,它是从YUV色彩系统衍生出来的。其中的Y是指明视度,而Cb和Cr则是对U和V作少量调整得到的。RGB色彩系统和YCbCr系统之间的对应关系如下:

2 离散余弦变换

离散余弦变换域图像水印对压缩、滤波和其他一些数字处理算子具有很强的稳健性,因而得到了广泛的重视。DCT变换避免了傅立叶变换中的复数运算,它是基于实数的正交变换。DCT变换矩阵的基向量很近似于Toeplitz矩阵(系数矩阵对称1且沿着与主对角线平行的任一对角线上的元素都相等)的特征向量,而Toeplitz矩阵又体现了人类语言及图像信号的相关特性,故DCT常常被认为是对语音和图像信号的准最佳变换,同时DCT算法较易于在数字信号处理器中快速实现,因此本文以该变换为基础。

在数字图像处理中使用的是二维DCT,对一幅N×N图像s(x,y),它的DCT变换为:

反余弦变换(IDCT)为:

3 水印嵌入算法

本文提出的具有高定位精度的图像认证技术,是针对图像的拼贴攻击、图像中对象的移位、图像低通滤、图像格式转换而设计的半脆弱水印算法。算法基于图像块YCbCr色彩空间的Y分量本身产生16bits水印信息,选择图像块Y分量的16个中频系数作为水印的嵌入系数,保证了图像中所有的图像块均能够完成水印的嵌入,对整个图像区域都实现了保护。新算法具体过程描述如下:

Step 1 对RGB色彩系统的原始图像根据式1转换为YCbCr色彩系统;

Step 2 完成了色彩系统的转换之后,提取YCbCr色彩空间的Y分量进行8×8分块DCT变换,然后用指定的JPEG压缩的质量因子Q对应的量化表如图1所示对其进行量化,得到DCT块Xi,i=1,2,…,N(N代表图像块的个数);

图1 JPEG压缩中使用的量化表

Step 3 对Y分量的每个图像块量化后的系数进行Zig-zag扫描排序,选取低频的16个量化后的系数作为子块的图像特征;对Y分量每个图像块的低频16个量化后的系数进行Hash操作,产生16bits的水印信息。Hash函数采用模2取余法构造;

Step 4 将产生的16bits水印信息按强度α=10(强度系数可根据图像的纹理复杂程度进行选择,这样能达到最佳的水印视觉隐蔽特性)嵌入到本分块的中频系数中。嵌入公式如′i,k=pi,k+αsign(wi,k-0.5) i=1,2,…,w×w ,k=1,2,…,16。其中,pi,k为嵌入前中频系数′i,k为水印嵌入后中频系数,α为水印嵌入强度系数,wi,k为水印信息位,i为图像块序列,k为系数序列;

Step 5 根据式6对Y分量的每一分块进行DCT反变换;

Step 6 根据式1将YCbCr色彩系统的图像转换回RGB色彩系统,产生含水印彩色图像。

4 水印检测算法

在对水印的检测过程中,首先对原始图像进行颜色空间的转换,然后提取YCbCr色彩空间的Y分量,对Y分量进行分块DCT变换,变换之后对每一分块的低频系数用JPEG量化表对其进行量化并Hash操作产生水印信息。然后利用产生的水印信息与该分块的中频系数进行相关性比较,以判定该分块有没有被篡改。判定的规则是:对每个DCT块,若其相关性小于0,则认为该分块被篡改过,并置该分块的象素值为0,以定位。最后对Y分量的每一分块进行DCT反变换,并将含水印图像转换回RGB色彩空间。相关性计算公式如下:

5 实验结果

本实验在Matalab7.0平台下仿真得到。原始图像为标准Pepper图像(512×512象素,24 bpp),标准Airplane图像(512×512象素,24 bpp),Bed图像(600×600象素,24 bpp)。

(1)拼贴攻击仿真结果。本实验首先对含水印标准Pepper图像进行Q=50的JPEG压缩,然后对其内容进行拼贴篡改。仿真结果如图2所示:

图2 拼贴攻击仿真结果

(2)对象移位攻击仿真结果。实验首先对含水印Bed图像进行Q=60的JPEG压缩,然后对其内容进行篡改。仿真结果如图3所示:

图3 对象移位攻击仿真结果

(3)常规操作认证结论。有时候人们需要对图像进行一些常规的操作,而这些操作是不影响对图像内容的理解的。图像经过常规操作之后,水印信息仍然能够很好的保留下来。如表1所示为对含水印Pepper图像经过常规操作之后具体的水印相似性数据。实验数据表明水印对图像常规信号处理具有很好的鲁棒性。

表1 水印图像经常规信号处理后的检测结果

6 结 论

本文提出的基于数字水印的图像认证技术,对图像拼贴攻击、图像对象移位攻击等图像内容恶意篡改具有很强的抵抗能力,篡改定位准确,而且对JPEG压缩、低通滤波、格式转换等图像常规操作鲁棒,水印系统安全。可以满足实际应用的需要。

[1] 吴金海,林福宗.基于数字水印的图像认证技术[J].计算机学报,2004,27(9):1 153-1 161.

[2] Lin C Y,Chang S F.A robust image authentication method distinguishing JPEG compression from malicious manipulation[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology,2001,11(2):153-168.

[3] Lin CY,Chih Hung.Semi-fragile water marking scheme for authentication of JPEG images[J].Tamkang Journal of Science and Engineering,2007,10(1):57-66.

[4] Lin,Chih Hung.Image authentication scheme for resisting JPEG,JPEG2000 compression and scaling[J].IEICE Transactions on Information and Systems,2007,90(1):126-136.

[5] Holliman M,Memon N.Counterfeiting attacks on oblivious b lock to wise independent invisible watermarking schemes[J].IEEE Transactions on Image Processing,2000,9(3):432-441.

[6] 任娟,王蕴红.基于感兴趣区域的图像认证与自恢复算法[J].自动化学报,2004,6(3):833-843.