水印容量可變數(shù)字圖像可恢復(fù)水印算法研究

謝娜++張亦姝

摘 要： 考慮到水印嵌入容量及安全性，探究出水印容量可變的一種數(shù)字圖像恢復(fù)水印算法，利用這種算法對(duì)圖像特征加以提取，使容量恢復(fù)水印得以生成。圖像塊恢復(fù)水印以圖像塊中隨機(jī)嵌入密鑰低有效位為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)比恢復(fù)水印重構(gòu)特征與圖像塊特征，對(duì)圖像塊本身真實(shí)性予以判定。變?nèi)萘炕謴?fù)水印應(yīng)該用比特?cái)?shù)存儲(chǔ)圖像塊信息，嵌入期間還用于恢復(fù)與篡改檢測(cè)，既有利于減低水印嵌入容量，又有利于算法抵抗恒均值攻擊功能的提升，結(jié)果表明，數(shù)字圖像恢復(fù)水印算法能夠得到質(zhì)量較高的恢復(fù)圖像與含水印圖像，具有較高拼貼攻擊抵抗力。

關(guān)鍵詞： 水印容量； 可變數(shù)字圖像； 水印恢復(fù)； 檢測(cè)篡改

中圖分類號(hào)： TN911.73?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）17?0087?02

Research on watermark algorithm of recoverable digital image

with variable watermark capacity

XIE Na1， ZHANG Yishu2

（1. Shaanxi Energy Institute， Xianyang 712000， China； 2. Airforce Equipment， Xian 710019， China）

Abstract： A watermark algorithm of recoverable digital image with variable watermark capacity is studied according to the embedded capacity of the watermark and the security， which can extract image features to generate the recoverable capacity watermark. The recoverable watermark of image block takes LSBs of the random embedded secret key in the image block as the foundation， the authenticity of the block itself is judged by comparing the characteristics of recovery watermark reconstruction and the image block. The number of bits should be adopted by variable capacity recovery watermark to restore the image block information， which is used for recover and tamper detection during the embedded period. It is helpful to reduce the embedded watermark capacity， and enhance the ability to resist the constant mean attacks. The analysis results show that the watermark algorithm of digital image recovery can obtain the higher quality recovery image and embedded watermark image， and has higher resistance to collage attack.

Keywords： watermark capacity； variable digital image； watermark recovery； detection tampering

0 引 言

隨著近年來(lái)我國(guó)信息科技，特別是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和數(shù)碼成像技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展，大眾逐漸將數(shù)字圖像當(dāng)作其信息獲取與交換的重要來(lái)源，同時(shí)也成為傳播信息的關(guān)鍵載體，數(shù)字化存儲(chǔ)和圖像處理軟件為編輯和修改數(shù)字圖像等工作提供了很多便利條件，而且數(shù)字圖像處理本身對(duì)圖像顯示質(zhì)量具有有效提升作用，若在科學(xué)發(fā)現(xiàn)、新聞媒體或者法律證據(jù)等領(lǐng)域應(yīng)用偽造與篡改數(shù)字圖像，則會(huì)嚴(yán)重影響到政府公信力、社會(huì)誠(chéng)信及科學(xué)真實(shí)性[1]。所以，對(duì)數(shù)字圖像的完整性與真實(shí)性進(jìn)行鑒別與檢測(cè)是近些年國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究探討的重要課題，既存在很大學(xué)術(shù)價(jià)值，又極具重要社會(huì)價(jià)值與應(yīng)用前景。

本研究中的變?nèi)萘炕謴?fù)水印算法主要分為三大環(huán)節(jié)：生成及嵌入水印、水印提取和檢測(cè)、篡改恢復(fù)。

1 生成及嵌入水印

生成及嵌入水印的過(guò)程示意圖如圖1所示。

具體步驟包括：

（1） 分塊分類

將[2n×2m]大小的圖像[X]劃分為若干不重疊的圖像塊，根據(jù)從左向右、從上向下的順序?qū)D像[X]塊進(jìn)行編號(hào)，即：[X=Xii=1，2，…，N，]其中，圖像塊個(gè)數(shù)用[N=m×n]表示，[Xi=xi1，xi2，xi3，xi4，]若圖像塊[Xi]中最小像素與最大像素差低于3，則表示圖像塊[Xi]屬于平滑圖像塊[2]。

（2） 偽隨機(jī)序列及生成鏈塊

數(shù)字圖像中，用戶密鑰Key為[N]的生長(zhǎng)長(zhǎng)度，其實(shí)值偽隨機(jī)序列[R=rii=1，2，…，N，]依照[R]生成塊鏈[Xi，X′ii，i∈[1，N]]明確圖像塊具體嵌入位置，其中[i]代表第[i]個(gè)元素在[R]中的索引位置[3]。

（3） 提取特征

生成[v]比特塊特征[Fi=fi1， fi2，…， fiv，]其中[fi2～fi6]表示圖像塊高5位值編碼，即：

[fi2～fi6=14j=14xij8B] （1）

其中，證書二進(jìn)制編碼用[·B]表示。若圖像塊屬于平滑圖像塊，[fi1=0，]且[v=6，]非平滑圖像塊類型與子類編碼如圖2所示，其圖像塊中像素最大位置以黑色表示。

[fi7～fi9]表示子類編碼，[fi10～fi12]表示最大像素和及其他像素和之差的二值編碼，用公式表示[4]為：

[fi10～fi12=18xi18+xi28-xi38+xi48B] （2）

（4） 恢復(fù)水印的生成

利用偽隨機(jī)序列[R]中的隨機(jī)數(shù)[ri]對(duì)偽隨機(jī)序列[Bi=bijj=1，2，…，12]予以生成，加密圖像塊特征恢復(fù)水?。?/p>

[Wi=wi1，wi2，…，wiv，wij=fijbij， j=1，2，…，v] （3）

式中[]表示異或操作[5]。

（5） 水印嵌入

以圖像塊[Xi]為基礎(chǔ)，利用式（2）獲得塊鏈生成映射塊[X′i，]把圖像塊[Xi]嵌入到映射塊含水印圖像塊[Y′i：]

若[Xi]屬于非平滑圖像塊，那么在[Y′i]中嵌入恢復(fù)水印[wi1～wi12：]

[Y′i=x′ij8×8+4wi（j+8）+2wi（j+8）+2wi（j+4）+wij] （4）

若[Xi]屬于平滑圖像塊，那么在[Y′i]中嵌入6 b恢復(fù)水印[6][wi1～wi6：]

[Y′i=xij4×4+2wi（j+4）+wij，j=1，2xij2×2+wij，j=3，4] （5）

2 水印提取及篡改檢測(cè)

被測(cè)圖像是圖像[Y*，]水印嵌入逆過(guò)程為水印提取，對(duì)圖像塊真實(shí)性判定為篡改檢測(cè)，通過(guò)篡改檢測(cè)矩陣[T=tii=1，2，…，N]代表檢測(cè)結(jié)果，[ti=1]代表已篡改圖像塊[Y*，][ti=0]代表圖像塊[Y*]具有真實(shí)性。

（1） 偽隨機(jī)序列與生成塊鏈

根據(jù)生成和嵌入水印的第（1），（2）步驟劃分[Y*]為圖像塊[Y*=Y*ii=1，2，…，N，]基于密鑰得到隨機(jī)序列[R=rii=1，2，…，N]與塊鏈[Y*i，Y*ii，i∈[1，N]。]

（2） 計(jì)算和重構(gòu)塊特征

對(duì)待測(cè)圖像塊[Y*，]根據(jù)上節(jié)中“生成和嵌入水印”對(duì)圖像塊特征進(jìn)行結(jié)算，并依照其映射[Y*]提取恢復(fù)水印重構(gòu)塊特征[FLi：]

[FLi=W*iBi] （6）

（3） 篡改檢測(cè)

首先依照對(duì)比矩陣[D]生成鄰域特征矩陣：

[Δ=δii=1，2，…，Nδi=dj，j=i±1，i±n，i±n±1，i-n±1] （7）

再依照矩陣[Δ]與[D]得到初態(tài)篡改檢測(cè)矩陣，即：

[T0=t0ii=1，2，…，Nt0i=1，（di=1）&（δi≥δ′i）0，其他] （8）

3 結(jié) 語(yǔ)

現(xiàn)階段，數(shù)字圖像可恢復(fù)水印算法中有固定的水印嵌入容量，在質(zhì)量恢復(fù)與安全性提升后，基本上靠不斷擴(kuò)大水印嵌入容量，然而，擴(kuò)大水印嵌入容量會(huì)影響到含水印圖像質(zhì)量，于是提出可恢復(fù)水印算法。該算法具有可變的水印嵌入容量，2×2像素的定位精度，具有較高數(shù)字圖像質(zhì)量等。改善該算法篡改檢測(cè)性能、降低漏警率，是將來(lái)需要研究的重要內(nèi)容。

參考文獻(xiàn)

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