??? 摘? 要: 提出了一種新的用于圖像認(rèn)證的半易損電子水印系統(tǒng)。水印方案采用基于小波變換" title="小波變換" target="_blank">小波變換的空間—頻域分析方法,定義了一個(gè)小波系數(shù)量化函數(shù),由該量化函數(shù)實(shí)現(xiàn)水印的產(chǎn)生、嵌入和提取。水印圖像沒(méi)有任何失真,因而可以通過(guò)改變量化參數(shù)實(shí)現(xiàn)水印的多級(jí)嵌入,進(jìn)一步提高圖像的認(rèn)證能力。?

??? 關(guān)鍵詞: 電子水印? 小波變換? 圖像認(rèn)證? 半易損電子水印

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??? 隨著多媒體和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展及廣泛應(yīng)用,對(duì)圖像、音頻、視頻等多媒體內(nèi)容的保護(hù)成為迫切需要解決的問(wèn)題。對(duì)多媒體內(nèi)容的保護(hù)分為兩個(gè)方面:一是版權(quán)保護(hù),二是內(nèi)容完整性(真實(shí)性)保護(hù),即認(rèn)證(或稱(chēng)為“篡改提示”)。傳統(tǒng)的加密方法對(duì)內(nèi)容的保護(hù)有很大的局限性,而新興的信息隱藏技術(shù)則彌補(bǔ)了這些缺陷。信息隱藏用于多媒體保護(hù)上稱(chēng)為電子水印,是將與多媒體內(nèi)容相關(guān)或不相關(guān)的一些標(biāo)示信息直接嵌入多媒體內(nèi)容當(dāng)中,但不影響原媒體的使用價(jià)值,并不容易被人的知覺(jué)系統(tǒng)察覺(jué)到。通過(guò)這些隱藏在多媒體內(nèi)容中的信息,可以達(dá)到確認(rèn)內(nèi)容創(chuàng)建者、購(gòu)買(mǎi)者或鑒定是否真實(shí)完整的目的。?

??? 用于版權(quán)保護(hù)的電子水印稱(chēng)為魯棒水印(Robust Watermarking);用于多媒體內(nèi)容真實(shí)性鑒定(或篡改提示)的水印稱(chēng)為易損水印(Fragile Watermarking)。近來(lái),同時(shí)具備魯棒性和易損性水印特征的水印方法,即半易損水印(Semi-fragile Watermarking)被提出,半易損水印結(jié)合了易損水印和魯棒水印的特點(diǎn)。和魯棒水印一樣,半易損水印能夠容忍一定程度的信號(hào)處理失真(不是惡意的攻擊),例如有損壓縮引起的量化噪聲。同時(shí)半易損水印又具備易損水印的特性,能夠判斷出圖像是否被篡改,并對(duì)圖像的篡改區(qū)域進(jìn)行定位。半易損水印主要應(yīng)用于篡改檢測(cè)和圖像認(rèn)證。能否判斷多媒體內(nèi)容是否被篡改以及篡改的程度,對(duì)于半易損水印系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是極其重要的。因而半易損電子水印系統(tǒng)更象是易損水印系統(tǒng),是一種強(qiáng)化了的易損電子水印系統(tǒng)。?

??? 以往的圖像認(rèn)證方法^[1～7]存在著一定的缺點(diǎn):或者是嵌入方法簡(jiǎn)單,極易受到攻擊;或者容易產(chǎn)生檢測(cè)誤差,從而使得檢測(cè)結(jié)果不可靠;或者存在應(yīng)用上的局限性。本文將提出一種全新的半易損電子水印方案,這一方案將基本上能夠滿足應(yīng)用上的需要。?

1 方案概述?

??? 本文采用小波變換而不是空域方法^[1～3]或者DCT方法^[6～7]來(lái)嵌入水印,因?yàn)樾〔ㄗ儞Q是一種空間—頻域分析方法,能同時(shí)反映圖像的空間位置和頻率。小波變換的局部化作用能夠檢測(cè)到圖像被篡改的區(qū)域,而小波變換的頻率域則反映了被篡改的尺度(頻帶)。作者認(rèn)為根據(jù)空間—頻域上的失真來(lái)表征圖像的篡改比只給出是否失真或只知道被篡改的位置更為有效,從而更具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。?

??? 水印的嵌入和檢測(cè)都是通過(guò)對(duì)小波分解系數(shù)進(jìn)行量化來(lái)實(shí)現(xiàn)的,量化的步長(zhǎng)決定防止篡改的靈敏度。一般來(lái)說(shuō),量化步長(zhǎng)越長(zhǎng),越能容忍一定的失真;相反,量化步長(zhǎng)小,則對(duì)篡改反映就靈敏。半易損水印的嵌入和檢測(cè)、評(píng)估原理圖如圖1所示。一個(gè)有效的密鑰包括:著作者的ID,即水印、系數(shù)選擇密鑰、量化參數(shù)Δ,也有可能是某一小波函數(shù)。?

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??? 水印的嵌入主要包括以下三個(gè)過(guò)程。?

??? 首先,對(duì)原始圖像進(jìn)行L級(jí)的離散小波變換,得到3L個(gè)細(xì)節(jié)子圖像,即分別為L(zhǎng)個(gè)水平方向上的子圖像;L個(gè)垂直方向上的子圖像和L個(gè)對(duì)角方向上的子圖像,及一個(gè)逼近圖像(位于最低尺度)。最大分解尺度L由用戶(hù)根據(jù)需要定義。用f_k，l(m，n)，k=h，v，d表示第l尺度的細(xì)節(jié)子圖像,其中l(wèi)=1，2,…,L表示分解尺度,k=h，v，d分別表示水平、垂直和對(duì)角子圖像,(m，n)為l尺度下的空間位置;用f_a，L(m，n)表示逼近子圖像。?

??? 其次,對(duì)小波系數(shù)進(jìn)行量化,量化過(guò)程其實(shí)就是嵌入比特流的過(guò)程(量化細(xì)節(jié)下節(jié)詳細(xì)論述)。設(shè)水印為w(i)，i=1，2,…,N_w;N_w為需要嵌入水印的比特?cái)?shù)。定義一個(gè)ckey(i)，i=1，2,…,N_w為小波系數(shù)選擇密鑰,用來(lái)確定水印比特嵌入的位置,水印比特通過(guò)合適的量化嵌入到系數(shù)ckey(i)。?

??? 最后,對(duì)量化后的圖像小波系數(shù)執(zhí)行相應(yīng)的L級(jí)離散小波逆變換,生成隱藏水印的圖像(水印圖像)。?

??? 給定認(rèn)證圖像水印的提取可參見(jiàn)圖1(b)。對(duì)給定圖像先進(jìn)行離散小波變換,小波系數(shù)選擇密鑰ckey(i)用來(lái)確定水印系數(shù)。量化函數(shù)Q(·)用來(lái)量化這些分解系數(shù),并確定水印的比特值。?

??? 下面定義一個(gè)篡改評(píng)估函數(shù)來(lái)計(jì)算或者評(píng)估認(rèn)證圖像的被篡改程度。?

??? 定義1函數(shù)TAF為篡改評(píng)估函數(shù)(tamper assessment function)。其中,w為嵌入的水印,為提取出來(lái)的水印,N_w為水印比特?cái)?shù),?

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??? 由定義可知,篡改評(píng)估函數(shù)的值在0到1之間。為了判斷圖像是否被篡改,給定閾值th∈[0，1]。如果TAF(w，)≥th則表明圖像被篡改,并且TAF(w，)越大,篡改得越嚴(yán)重。相反,如果0)≤th,則認(rèn)為圖像的失真是合理的圖像處理結(jié)果(無(wú)意的),是可以忽略的。如果TAF(w，)=0,則表示認(rèn)證圖像和水印圖像完全一致。閾值th由用戶(hù)根據(jù)應(yīng)用需要而設(shè)定,對(duì)于較高安全性的認(rèn)證,th應(yīng)設(shè)得小些。篡改評(píng)估函數(shù)的大小用來(lái)評(píng)價(jià)圖像被篡改的程度。后面將會(huì)看到,如果認(rèn)證圖像使用了JPEG壓縮,那么評(píng)價(jià)的結(jié)論是圖像的失真主要發(fā)生在較高的分辨尺度。如果圖像壓縮后某一部分還被剪切、替換,那么圖像的較低分辨率也將改變。因而,正常的圖像處理操作下,圖像較低分辨率往往能夠通過(guò)認(rèn)證。?

2 小波系數(shù)的量化——水印嵌入?

??? 對(duì)于給定的實(shí)數(shù)小波變換,小波系數(shù)f_k，l(m，n)都是實(shí)數(shù)。按定義2的方法對(duì)小波系數(shù)進(jìn)行量化,按圖2的方法給每一個(gè)實(shí)系數(shù)分配一個(gè)二進(jìn)制比特。?

??? 定義2 Q(f)為一個(gè)量化函數(shù),它將一個(gè)實(shí)系數(shù)投影為集合{0,1}。?

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??? 這里Δ為一個(gè)正實(shí)數(shù),稱(chēng)之為量化參數(shù),如圖2所示。?

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??? 以下規(guī)則將水印比特w(i)嵌入到與之相對(duì)應(yīng)的系數(shù)ckey(i),這里,用f_k，l(m，n)代替ckey(i)。?

??? (1)如果Q(f_k，l(m，n))=w(i),那么小波系數(shù)不作改變?

??? (2)反之,如果Q(f_k，l(m，n))≠w(i),使用以下方法強(qiáng)制:Q(f_k，l(m，n))=w(i)：?

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??? 這里,Δ為圖2和式(2)中的量化參數(shù),：=表示賦值操作。?

??? 采用公式(2)的量化函數(shù)對(duì)小波系數(shù)進(jìn)行量化,將量化比特直接作為用戶(hù)水印,這樣就不需要式(3)的水印嵌入過(guò)程,也就是說(shuō)量化過(guò)程與水印的嵌入過(guò)程融為一體。這一方法的好處在于:?

??? (1)沒(méi)有引入水印的嵌入誤差,從而避免了舍入誤差和溢出誤差^[8],解決了半易損水印算法上的困難。?

??? (2)不會(huì)引起圖像的失真。不像別的水印算法一樣,按上述方法,由于不存在水印的嵌入過(guò)程,甚至不需要進(jìn)行小波逆變換,因而根本不會(huì)引起任何的圖像失真。?

??? (3)可以進(jìn)行多重水印的嵌入。由小至大定義一個(gè)量化參數(shù)序列Δ1，Δ2，…，Δn,分別對(duì)小波系數(shù)進(jìn)行各量化參數(shù)的量化,從而得到一個(gè)水印序列w1，w2，…，w_n。因而,可以對(duì)認(rèn)證圖像進(jìn)行多重認(rèn)證,一般來(lái)說(shuō),TAF(w₁，₁)≥TAF(w₂，₂)≥…≥TAF(w_n，_n)，這樣給圖像的認(rèn)證提供了更多的信息,從而有效地提高了認(rèn)證的判斷力。?

3 試驗(yàn)分析?

??? 本節(jié)通過(guò)幾個(gè)試驗(yàn)對(duì)上述方案進(jìn)行仿真分析。用于實(shí)驗(yàn)的圖像是標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試圖像,如Lena(圖3a)和Couple(圖3c)。第一個(gè)試驗(yàn)用Photoshop軟件對(duì)Lena圖局部模糊化,如圖3b,Lena圖帽子上的部分羽毛被模糊化。第二個(gè)試驗(yàn)是對(duì)Couple 圖進(jìn)行剪切、替代,如圖3d,電話和電話桌被替換成背景色。第三個(gè)試驗(yàn)是對(duì)Lena圖進(jìn)行小波零樹(shù)圖像編碼壓縮。?

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??? 以上三個(gè)試驗(yàn)的結(jié)果分別見(jiàn)圖4、圖5和表1。實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2對(duì)圖像進(jìn)行4個(gè)尺度的小波分解,量化參數(shù)設(shè)置為Δ=5。圖中,白色部分表示被篡改。實(shí)驗(yàn)表明,各尺度下的篡改評(píng)估函數(shù)值相差不大,這也說(shuō)明了局部模糊化和剪切—替換操作不僅篡改了圖像的高頻部分,同時(shí)還篡改了圖像的低頻部分。雖然兩個(gè)試驗(yàn)的篡改評(píng)估函數(shù)值都不大,但是注意到被篡改的部分只占整個(gè)圖像的一小部分,例如實(shí)驗(yàn)2,從防篡改時(shí)—頻檢測(cè)圖可知,篡改部分大約占整個(gè)圖像的1/9,因而,篡改評(píng)估函數(shù)值大約為1/9*1/2,這和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。因而,實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2應(yīng)認(rèn)為圖像被篡改。?

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??? 實(shí)驗(yàn)3對(duì)Lena圖像進(jìn)行5個(gè)尺度的小波分解。由表1可見(jiàn)。高頻部分的篡改評(píng)估函數(shù)值一般大于低頻部分,這和圖像壓縮所造成的失真主要體現(xiàn)在高頻部分相吻合。在較高的壓縮比下,低頻部分的篡改評(píng)估函數(shù)值仍然很小,因而,該方法可以承受較高的壓縮比(CR)。?

??? 應(yīng)該指出的是,以上實(shí)驗(yàn)的水印嵌入(小波系數(shù)量化)均在圖像小波分解的細(xì)節(jié)子圖部分完成。利用本文的方法,甚至可以把水印嵌入到逼近子圖,而這對(duì)于以前的方法來(lái)說(shuō)是很難做到的。?

??? 本文提出了一種新的用于圖像認(rèn)證的防篡改半易損電子水印技術(shù)。該技術(shù)具有以下幾個(gè)特點(diǎn):?

??? (1)與現(xiàn)有的易損水印技術(shù)不同,本文的技術(shù)采用基于小波變換的空間—頻域水印嵌入方法。因而,篡改檢測(cè)結(jié)果不僅反映空間位置,而且能夠反映被篡改的頻域尺度。?

??? (2)不僅能夠回答圖像哪些位置(頻帶)是否被篡改,而且利用篡改評(píng)估函數(shù),能夠反映被篡改的程度。?

??? (3)圖像的認(rèn)證非常靈活,用戶(hù)可以根據(jù)需要通過(guò)設(shè)置靈敏性參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像的不同靈敏度等級(jí)的認(rèn)證。?

??? (4)采用基于圖像內(nèi)容的水印方案,水印由量化器產(chǎn)生,量化過(guò)程與水印嵌入過(guò)程融為一體。這樣,水印圖像沒(méi)有任何的失真;同時(shí),可以實(shí)現(xiàn)水印的多重嵌入,從而提高了圖像的認(rèn)證能力。

??? 據(jù)作者所知,目前還沒(méi)有其它的多媒體電子水印系統(tǒng)具備這樣的功能。?

參考文獻(xiàn)?

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