一種基于圖像內(nèi)容特征的自適應(yīng)水印認證系統(tǒng)

陳星娥

(福建江夏學院 電子信息科學學院,福建 福州 350108)

一些水印的生成并不是基于圖像內(nèi)容本身的，這使得水印認證時需要原始水印的提供，這種方法雖魯棒性強，但存儲和維護成本高,且泄密風險大，因此本系統(tǒng)采用水印盲檢測，在對原始圖像進行三層小波變換后，在圖像的低頻部分LL3中提取圖像的內(nèi)容特征作為水印信息.數(shù)字水印嵌入應(yīng)考慮其在載體圖像中的嵌入強度，嵌入強度越大，魯棒性越強，但載體圖像失真可能性越高，不能保證水印的不可見性；而嵌入強度越小，載體圖像越不失真，但水印的魯棒性越差，抗各種攻擊的能力就越弱[1].要很好地平衡水印的不可見性和魯棒性，在水印嵌入時應(yīng)利用人眼視覺系統(tǒng)(HVS)特性，結(jié)合圖像特性，確定圖像不同區(qū)域的最佳水印嵌入強度.

本文提出的基于圖像內(nèi)容特征的自適應(yīng)圖像水印認證系統(tǒng)，其選取圖像小波變換的低頻信息作為圖像特征產(chǎn)生水印信息，水印嵌入時在保證水印不可見性的前提下,根據(jù)人眼的視覺特性和圖像的局部特征，使水印隨著局部特征的變化而自適應(yīng)的調(diào)整嵌入的強度.本系統(tǒng)中水印的產(chǎn)生和嵌入都是基于圖像的，因而在水印檢測和認證過程無需原始圖像和水印的提供，實現(xiàn)了系統(tǒng)的水印盲檢測功能.

1 自適應(yīng)水印認證系統(tǒng)

1.1 視覺掩蔽特性

1)頻率掩蔽特性.人眼對圖像小波解后的不同子帶的噪聲敏感度不同，對低頻子帶的噪聲較為敏感，而對高頻子帶的噪聲不敏感，尤其對45°方向的頻帶敏感度較低.

2)亮度掩蔽特性.人眼對低亮度背景下的噪聲較為敏感，低亮度背景下的噪聲比高亮度背景下的噪聲更容易被察覺.

3)紋理掩蔽特性.人眼對圖像平滑區(qū)的噪聲較敏感，而對紋理區(qū)的噪聲不敏感.

其中:θ為小波子帶的方向，λ(l,θ)、Λ(l,i,j)、Ξ(l,i,j)分別為各子帶的頻率掩蔽特性、亮度掩蔽特性和紋理掩蔽特性.

1.2 水印認證系統(tǒng)要求

1)水印要全面反映出圖像的變化.

2)水印檢測時不需要原始圖像的參與，即實現(xiàn)盲檢測.

3)如果含水印圖像沒有被修改，則必須滿足從中提取出來的水印信息與原始水印信息應(yīng)完全相同.

4)如果含水印圖像被修改并改變了圖像內(nèi)容，則必須滿足從中提取出來的水印信息與原始水印信息的不同，即要求系統(tǒng)對惡意圖像篡改的敏感性.

5)如果含水印圖像雖被修改，但并不導(dǎo)致圖像內(nèi)容的變化，則必須滿足從中提取出的水印信息與原始水印信息的相同，即要求系統(tǒng)對非惡意操作的魯棒性.

6)通過對提取出的水印信息與原始水印信息的差別比較，判斷圖像內(nèi)容的完整性.

1.3 水印的生成與預(yù)處理

圖像三級小波變換后的LL3子帶集中了原始圖像的主要能量，包含了原始圖像的基本特征信息，因此本系統(tǒng)選擇在LL3子帶中提取圖像的內(nèi)容特征產(chǎn)生水印信息.為保證水印信息的安全，本系統(tǒng)根據(jù)Logistic映射對初值的敏感性及具有白噪聲的統(tǒng)計特性，用Logistic 映射將提取出的水印信息調(diào)制成待嵌入的水印信息[2].本文設(shè)定圖像的高度和寬度分別為M，N，水印的生成與預(yù)處理步驟如下.

1)生成實值混沌序列，利用Logistic映射生成實值混沌序列Xk(k=1,2, …)，然后從序列Xk中選取(M/8)*(N/8)個元素，而Logistic映射的初始值則作為密鑰進行保存.xk=uxk-1(1-xk-1).

其中:xk∈(0,1)，0≤u≤4.當3.569 945 6

2)生成二值混沌序列，對實值混沌序列通過閾值變換得到二值混沌序列T(Xk),K=1,2,…, (M/8)*(N/8)，本文的閾值設(shè)定為0.5，該序列由0或1構(gòu)成.

3)用Logistic映射對基于圖像內(nèi)容的水印信息進行調(diào)制，將水印信息與二值混沌序列進行異或操作得到待嵌入的水印信息.

1.4 水印嵌入子帶的選取

水印嵌入子帶的選取是決定水印的不可見性和魯棒性的關(guān)鍵因素，同時也決定水印對各種攻擊及攻擊位置的分析判斷能力.根據(jù)人眼視覺特性，嵌入的水印信息必須低于HVS的對比門限，才能保證水印的不可見性.對圖像進行三層小波變換后可得到一個低頻子帶LL3和9個細節(jié)子帶，圖像的低頻子帶聚集了圖像的大部分能量，對圖像的一般操作(如JPEG壓縮，圖像縮放，低通濾波)有較好的魯棒性，但人類視覺對這部分的失真比較敏感，如果將水印信息全部嵌入到此子帶，則無法很好的保證水印的不可見性[3].通過分析發(fā)現(xiàn)人類視覺對圖像的細節(jié)子帶(即高頻部分)失真不是很敏感，將水印嵌入到此部分能使圖像具備抗噪聲疊加等攻擊的能力.因此本系統(tǒng)選擇將水印嵌入到圖像的低頻和高頻中，以提高系統(tǒng)的抗攻擊能力.

1.5 水印的自適應(yīng)嵌入

水印嵌入強度也是決定系統(tǒng)不可見性和魯棒性的至關(guān)重要的因素，強度太大則破壞了水印的不可見性，但也不能過小，會導(dǎo)致水印提取檢測的失敗.而自適應(yīng)嵌入能很好地折衷水印的不可見性和魯棒性問題[4].

為提高水印的嵌入質(zhì)量，本系統(tǒng)在進行高頻部分嵌入時，是對圖像的高頻系數(shù)進行排序，再選擇水印的嵌入位置，因為兼顧了嵌入子帶和嵌入強度，同時嵌入時采用了多分辨率重復(fù)自適應(yīng)方法，大大提高了水印的不可見性和魯棒性.

本系統(tǒng)先將圖像進行三層小波變換，后在圖像的低頻部分LL3中進行圖像內(nèi)容特征的提取，并用Logistic映射將提取出的水印信息調(diào)制成待嵌入的水印信息，要嵌入的小波系數(shù)位置確定后，根據(jù)人眼視覺系統(tǒng)模型得到JND門限值，根據(jù)門限值確定了量化參數(shù)后，就可對相應(yīng)的小波系數(shù)用量化參數(shù)進行量化并完成水印信息的嵌入.嵌入了水印后的小波系數(shù)通過小波逆變換就可得到含水印圖像，如圖1.水印嵌入過程具體如下：

1)圖像小波變換.對圖像進行三層小波變換，得到一個低頻子帶LL3和9個細節(jié)子帶LHi,HLi,HHi(i=1,2,3).

2)水印信息生成.在圖像的低頻部分LL3中提取圖像的內(nèi)容特征作為水印信息，并用Logistic混沌序列調(diào)制得到待嵌入的數(shù)字水印信息.

3)量化參數(shù)選擇.量化參數(shù)的取值是很重要的，因為其決定著嵌入到圖像中的水印對圖像失真的敏感性.要保證水印的不可見性，量化參數(shù)的取值就不能太大，取值太大，水印對圖像失真的敏感度越低，導(dǎo)致不能正確識別出圖像失真，但量化參數(shù)取值也不能太小，這會使水印對圖像失真過于敏感，導(dǎo)致系統(tǒng)的圖像認證失敗.

圖1 水印的自適應(yīng)嵌入流程圖Fig.1 Flow chart of self-adaptive embedding

1.6 水印的提取及認證

水印的提取過程基本上是嵌入過程的逆過程，在水印的提取和認證階段，應(yīng)盡量不需要原始圖像的參與，否則，會影響水印的檢測效率，甚至降低水印的實際應(yīng)用的意義.水印的提取及認證流程如下：

步驟1：從待檢測圖像中提取出原始水印信息;

步驟2：對待檢測圖像用上文提到的水印生成辦法，提取基于待檢測圖像內(nèi)容特征的水印信息，并利用Logistic的混沌映射調(diào)制得到最終水印信息;

步驟3：比較步驟1、2得到的水印信息，確認圖像內(nèi)容的完整性.如圖2所示.

圖2 水印的提取及認證流程圖Fig.2 Flow chart of watermark extraction and certification

2 試驗結(jié)果分析

在仿真試驗中，本系統(tǒng)采用的是256×256大小的灰度圖像作為載體圖像，采用的是haar小波基對圖像進行三層小波變換.

2.1 水印的不可見性

其中：I表示原始載體圖像，IW表示含水印圖像，M、N分別表示圖像的高度和寬度.利用PSNR可以反映出含水印圖像與原始圖像之間的差異程度，其值越大表示兩幅圖像差別越小，PSNR的值如果高于35db時，兩幅圖像就有很高的相似度，就很難分辨出兩幅圖像.在仿真實驗中，將原始圖像與含水印圖像進行比較，圖像幾乎察覺不出變化，如圖3所示，PSNR值為45.121，進而判斷水印的不可見性良好，很難察覺水印的存在.

圖3 水印嵌入前后圖像效果比較Fig.3 Comparison of images before and after embedding watermark

2.2 對常規(guī)圖像處理操作的魯棒性

圖像可能遭受兩種類型的攻擊：一種是圖像的常規(guī)處理操作，如JPEG壓縮、濾波、圖像縮放等.另一種是惡意圖像篡改操作，如圖像剪切、涂改等操作.本水印的魯棒性要求水印圖像在遭受常規(guī)圖像處理操作后，水印能正常提取出來.水印的能否正常提取是通過原始水印與提取出的水印的相似度來衡量的，本文用相關(guān)系數(shù)NC來衡量.

其中：W′(u,v)和w(u,v)分別表示待檢測水印W′和原始水印w在位置(u,v)的值.仿真試驗中，分別對圖像進行了JPEG壓縮(壓縮因子為60)、中值濾波[5 5]和高斯噪聲添加(均值為0，方差為0.01)等常規(guī)圖像處理操作測試后，圖像的主要基本特征不會受到影響，被篡改的區(qū)域呈均勻分布或隨機分布，水印信息能正常提取出來，且水印相似度都較高.試驗表明水印圖像對常規(guī)圖像處理操作具有較強的魯棒性.如圖4.

圖4 常規(guī)圖像處理操作測試結(jié)果Fig.4 The test results of the common image processing operations

2.3 對惡意篡改操作的脆弱性

仿真試驗中，對圖像進行圖像剪切和圖像替換等惡意篡改攻擊測試時，本系統(tǒng)能檢測出連續(xù)的篡改區(qū)域，并統(tǒng)計出篡改區(qū)域的個數(shù)超過水印不可見性允許的閾值，如圖5.試驗表明水印圖像在遭受惡意篡改操作時，系統(tǒng)能判斷出圖像遭受了惡意篡改，對圖像內(nèi)容完整性能做出準確無誤的判斷，達到預(yù)期目標.

圖5 惡意篡改攻擊測試結(jié)果Fig.5 The test results of the malicious tampering attack

2.4 與其它系統(tǒng)的比較

與其它系統(tǒng)相比，本圖像水印認證系統(tǒng)具有以下優(yōu)點.

1)水印信息是基于原始圖像生成的，選取圖像小波變換后的低頻部分提取出圖像的內(nèi)容特征作為水印信息.

2)混沌置亂技術(shù)的應(yīng)用，利用Logistic映射具有白噪聲的統(tǒng)計特性，用Logistic映射將提取出的水印信息調(diào)制成待嵌入的水印信息，大大提高了水印的安全性.

3)水印的自適應(yīng)嵌入，本系統(tǒng)根據(jù)人眼的視覺特性及圖像嵌入位置的局部特征自適應(yīng)的調(diào)整水印嵌入強度，并能保證含水印圖像的不可見性和魯棒性.

4)水印的提取檢測過程無需原始圖像的提供，實現(xiàn)了盲檢測.

3 結(jié)論

數(shù)字水印技術(shù)是解決網(wǎng)絡(luò)傳輸中的圖像作品安全隱患的一種有效手段，本文提出了一種基于圖像特征的自適應(yīng)水印認證系統(tǒng)，在水印不可見性的基礎(chǔ)上，根據(jù)人眼的視覺特性及要嵌入水印位置的圖像局部特征實現(xiàn)數(shù)字水印的自適應(yīng)嵌入.系統(tǒng)在保證了水印不可見性的同時，能夠正確識別常規(guī)圖像處理和惡意圖像篡改操作，達到系統(tǒng)圖像認證的要求.

參考文獻:

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[4] 王景中.張哲銘.一種新的自適應(yīng)數(shù)字水印算法[J].電子設(shè)計工程,2012(10):66-70.