基于认证水印的图像篡改检测与定位解读.docx
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基于认证水印的图像篡改检测与定位解读
目录
摘要III
ABSTRACTIV
1绪论1
1.1课题的背景及意义1
1.2数字水印技术的国内外研究现状及发展前景2
1.3数字水印系统的典型框架4
1.3.1水印信号的生成4
1.3.2水印嵌入算法模块4
1.3.3水印的提取和检测算法模块5
1.4数字水印的分类和应用领域6
1.4.1数字水印的分类6
1.4.2数字水印的应用领域7
1.5本文的主要工作8
2.图像认证技术及相关知识9
2.1引言9
2.2认证水印基础知识9
2.2.1认证水印的分类9
2.2.2认证水印的技术要求10
2.2.3认证水印的一般框架11
2.2.4认证水印的性能评估12
2.3关于脆弱水印的研究15
2.3.1空间域方法15
2.3.2变换域方法17
2.3.3其他方法17
2.3.4脆弱水印的未来发展方向18
2.4关于半脆弱水印的研究19
2.4.1空间域方法19
2.4.2变换域方法19
2.4.3半脆弱水印的未来发展方向21
2.5本章小结22
3.DCT变换技术23
3.1离散余弦变换简介23
3.1.1离散余弦变换定义23
3.1.2离散余弦变换主要应用23
3.2离散余弦变换函数介绍24
3.3DCT变换编码的步骤24
3.3.1DCT变换24
3.3.2量化25
4.基于认证水印的图像篡改检测与定位26
4.1引言26
4.2水印的生成26
4.3水印的嵌入29
4.4水印的检测30
4.4.1水印的提取31
4.4.2提取认证信息33
4.4.3篡改检测与定位34
4.5实验结果与分析37
5.结论与展望41
5.1全文总结41
5.2研究展望41
致谢43
参考文献44
附录46
摘要
随着网络和多媒体技术的发展,多媒体数据逐渐成为人们获取信息的重要来源,如何有效地保护这些信息的安全成为当前研究的热点。
数字水印作为信息隐藏技术的重要分支,也是版权保护的重要手段。
它通过在原始信息中嵌入秘密信息一水印来证明该信息的所有权或完整性,以此来抵制对数字作品的盗版或篡改。
本文着重讨论基于认证水印的图像篡改检测定位。
本文首先介绍了数字水印研究的背景及现状、数字水印的基本概念、分类、应用和国内外研究动态,并详细论述了图像数字水印算法所涉及的一些关键问题,如变换域,篡改检测等。
该算法利用8*8图像子块各元素的算术平均值和最大值的特定关系作为基准生成随机水印信息,并将水印信息嵌入到中频分量上,因为人的视觉系统对低频特别敏感而高频部分的信息在量化过程中往往会丢失。
然后将提取的水印信息和认证水印信息相比较,如果不同则说明被篡改相同则说明没有被篡改。
大量的实验数据证明本算法对图像的篡改有较好的定位能力。
关键词:
数字水印;认证水印;离散余弦变换;篡改检测;篡改定位
Thealgorithmofimagetamperdetectionandlocalizationbasedontheauthenticationwatermark.
ABSTRACT
Theadvancementofnetworkandmultimediatechnologieshasbeengraduallymakingthemultimediadataanimportantsourcefromwhichpeoplecanacquireinformation.Howtoefficientlyandsafelyprotectsuchinformationisnowbeingthehotspotincurrentstudies.Asoneoftheimportantbranchesofinformationhidingtechnology,digitalwatermarkingisalsoanimportantmeasuretoprotecttheintellectualproperty.Byembeddingtheconfidentialinformation,knownaswatermarkintotheoriginalinformation,itsproprietaryandintegritycanbeverifiedinordertoprotectagainstillegalcopyingoralteringofthedigitalproduct.Thisarticleemphasizesonthealgorithmofimagetamperdetectionandlocalizationbasedontheauthenticationwatermark.
Atthebeginningofthisarticle,thebackgroundandpresentsituationofstudiesondigitalwatermark,basicconcept,classificationandapplicationofwatermark,aswellasresearchtrendsintheworldareintroduced.Somekeypointssuchastransformdomainandimagetamperdetectionandlocalization.Thealgorithmusesthespecificrelationsbetweenthearithmeticofmeanandmaximumof8*8sub-blockelementsasabenchmarktogeneraterandomwatermarkandembedwhichintotheintermediatefrequencycomponent,asthehumanvisualsystemisparticularlysensitivetolowfrequencyandtheinformationofthehigh-frequencyisoftenlostinthequantizationprocess.Andthencomparetheinformationofextractedwatermarkwiththeinformationofauthenticwatermark,iftheyaredifferentthenithasbeentampered,ifthesamethenithasnotbeentampered.Largenumberofexperimentaldataprovesthatthealgorithmhasagoodabilityoflocationoftheimagetampering.
KeyWords:
digitalwatermarking;authenticationwatermarking;discretecosinetransform;tamperdetection;tamperlocalizatio
1绪论
1.1课题的背景及意义
近年来,随着数字技术和计算机网络的迅速发展,人类已经进入了数字时代,计算机网络为我们提供的无限的资源。
各种形式的数字多媒体作品(图像、视频、音频等)纷纷以网络的形式发表,而多媒体数据逐渐成为人们获取信息的重要来源,并成为了人们生活的重要组成部分,多媒体信息的交流已达到了前所未有的深度和广度.然而,任何事物都有正反两方面,数字媒体在带给人们方便的同时,也引入了一些潜在的风险:
敏感的信息可能轻易的被窃取、窜改、非法复制和传播。
虽然大多数情况下人们修改文件都有合法的目的,但有些时候也有人不注意甚至是怀着恶意改变原来作品的内容,从而造成严重的后果。
以数字图像为例,作为物证的照片如果被恶意地修改后就可能扭曲法律事件的真实面貌,使好人蒙冤而坏人却逍遥法外;对x光的一个不经意的修改可能会造成误诊等等。
在这些特定的场合下,我们需要明确地知道图像是否被修改过,也就是说,找们需要对图像的真实性(完整性)进行验证。
因此,如何在网络环境种对数字化信息实施有效的版权保护(CopyrightProtection)和信息安全(InformationSecurity)手段显得越来越重要,信息安全已经成为人们关心的焦点,也是当今信息领域的研究热点之一[l].
传统的密码学方法对多媒体内容的保护具有一定的局限性,因为采用加密方法只能在加密状态下保护加密数据,一旦解密,数据就失去了保护.这标志着一门新兴的交叉学科一信息隐藏学的正式诞生。
如今信息隐藏学作为隐蔽通信和知识产权保护等的主要手段,正得到广泛的研究与应用。
数字水印技术是一种有效的数字产品版权保护和数据安全维护技术,是信息隐藏技术研究领域的一个重要分支。
其基本思想源于古代的隐写术(Steganography)[2,3]。
单词Steganography来源于希腊词汇steganos和graphia,意思是将有用或重要的信息隐藏于其他信息里面以掩饰其存在。
目前虽有许多文献讨论有关数字水印技术的问题,但数字水印始终没有个明确、统一的定义。
国外的Cox等人把数字水印定义为“不可感知地在作品中嵌入信息的操作行为”[12];国内的杨义先等人则认为。
数字水印是永久镶嵌在其它数据(宿主数据)中具有鉴别性的数字信号或模式,而且并不影响宿主数据的可用性”[13]。
实际上自古以来信息伪装就一直被人们所应用,而目前信息隐藏再次受到人们的重视,其动力则来自计算机和因特网的发展[4-7]。
数字形式的多媒体产品由于可以方便地完全复制并在网络环境下广泛散发,大范围的侵权拷贝行为受到了音像、出版、影视和软件等行业的高度关注.数字水印技术将具有特定意义的标记,利用数字嵌入的方法隐藏在数字图像、声音、文档、图书、视频等数字产品中,用以证明创作者对其作品的所有权,并作为鉴定.起诉非法侵权的证据,同时通过对水印的检测和分析来保证数字信息的完整可靠性,从而成为知识产权保护和数字多媒体防伪的有效手段。
数字水印技术除应具备信息隐藏技术的一般特点外,还有着其固有的特点和研究方法。
从信息安全的保密角度而言,如果隐藏的信息被破坏掉,系统可以视为安全的,因为秘密信息并未泄露:
而在数字水印系统中,隐藏信息的丢失即意味着版权信息的丢失,从而失去了版权保护的功能,这一系统就是失败的。
因此数字水印技术必须具有安全性、无歧义性、计算有效性和可证明性[8].本论文主要探讨有关用于图像内容认证的数字水印算法研究.在下文中,如果不作特殊说明,所提到的图像都是以二进制形式保存的数字图像,而不是传统意义的印刷型图像。
半脆弱水印针对的是图像内容篡改证明问题和图片真伪识别问题,也就是多媒体信息的完整性验证。
根据嵌入的水印信息,判断多媒体信息是否被篡改,并且能指出被篡改的具体位置,从而保护多媒体信息的完整性,同时也为数字版权管理提供有效技术支持。
现在常用的半脆弱水印技术可以分别从空间域和变换域来进行。
空间域主要在图像最低有效位平面嵌人水印,这种方法的优点是容量特别大。
常用的变换域由DFT,DCT,DWT或者用矢量量化。
或者分为按图像分块或者图像的内容和特征来嵌入水印信息。
1.2数字水印技术的国内外研究现状及发展前景
数字水印技术从正式提出至今虽然只有短短十几年,但由于它是应用于开放性网络上的多媒体信息隐藏技术,为解决版权保护和内容完整性认证、来源认证、篡改认证,网上发行、用户跟踪等一系列问题提供了一个崭新的技术研究方向,因此在数字产品的知识产权保护、隐蔽标识、篡改提示、隐蔽通信和防伪等方面具有十分看好的应用前景.
由于其在信息安全和经济上的重要地位,发展较为迅速,世界各国的科研机构、大学和商业集团都积极的参与或投资支持此方面的研究.如美国财政部、美国版权工作组、美国洛斯阿莫斯国家实验室、美国海陆空研究实验室、欧洲电信联盟、德国国家信息技术研究中心、麻省理工学院、剑桥大学、瑞士洛桑联邦工学院、微软公司、朗讯贝尔实验室等都在进行这方面的研究工作。
IBM公司、日立公司、NEC公司、Pioneer电子公司和Sony公司等五家公司还宣布联合研究基于信息隐藏的电子水印。
他们都投入相当大的人力和财力致力于该项技术的研究并取得了一定的成果。
VanSchyndel在ICIP’94会议上发表的“Adigitalwatermark"[9]是第一篇在主要会议上发表的关于数字水印的文章。
1996年5月30日--6月1日,在英国剑桥牛顿研究所召开了第一届国际信息隐藏学术研讨会(IHW)[10],至今该研讨会已举办了四届。
另外,再IEEE和SPIE等一些重要国际会议上也开辟了信息隐藏与数字水印相关的专题技术研究。
欧洲已有几项较大的工程项目都有关于信息隐藏与数字水印方面的专项研究,如VIVA和ACTS项目中.1998年以来,<正EE图像处理》、(IEEE会报》、《正EE通信选题》、‘IEEE消费电子学》、《sPm》等许多国际重要期刊都组织了数字水印技术专刊或专题报道。
此外欧洲、北美以及其他的一些关于图像、多媒体研究方面的国际会议都有专门的数字水印讨论组。
近年来,有关认证水印的论述日益增加,根据识别篡改的能力,一般把认证水印分为脆弱水印(FragileWatermarking)和半脆弱水印(Semi—fragileWatemarking)两种。
脆弱水印通过嵌入机制直接嵌入宿主内部,且任何象素值轻微的改变,其中包括正常的图像处理(如:
压缩,滤波,加噪声等)都会导致嵌入的水印信息无法检测,这使得水印信息的删除十分困难,同时也保证了嵌入信息可以与原信息脱离。
总的来说脆弱水印的鲁棒性太差,无论对恶意篡改还是对正常的图像处理都非常敏感,实用性较差。
为了改变这一现状,同时具有脆弱水印和鲁棒性水印两种功能的半脆弱水印应运而生,半脆弱水印在容忍一定程度的常见信号处理操作的同时,还可把正常的信号处理与恶意篡改区别对待.篡改发生时,半脆弱水印认证系统不仅可提供篡改的破坏发生的位置,而且可帮助分析篡改类型.另外,基于半脆弱水印的自嵌入水印还可恢复被篡改的部分.半脆弱水印作为一项新型数字媒体认证技术,这几年得到长足发展,并且逐步从静止图像扩展到数字音频和视频等领域。
我国学术界也紧跟世界水印技术发展的脚步,一批有实力的科研机构相继投入到这一领域的研究中来。
为了促进数字水印及其他信息隐藏技术的研究和应用,1999年12月,我国信息安全领域的何德全院士、周仲义院士、蔡吉人院士与有关应用研究单位联合发起召开了我国第一届信息隐藏学术研讨会,2000年和2001年又分别在北京和西安开了第2和第3届。
2000年1月,由国家“863”智能机专家组合中科院自动化所模式识别重点实验室组织召开了数字水印学术研讨会,来自国家自然科学基金委员会,国家信息安全测评认证中心、中国科学院、国防科技大学、清华大学、上海交通大学、天津大学、中国科技大学、北京大学、北京理工大学、中山大学、北京电子技术应用研究所等单位的专家学者和研究人员深入讨论了数字水印的关键技术,报告了各自的研究成果.从目前的研究发展来看,我国相关学术领域的研究与世界水平相差不远,而且有自己独特的研究思路,但就研究成果来说,大多局限在初始阶段,尚未形成一个完整的理论知识体系,而且还没有商品化的软件推出,在实际领域中的应用还十分有限。
但随着国内信息化程度的提高和电子商务逐渐走向实用化,信息隐藏与数字水印技术将会拥有更加广阔的应用前景。
1.3数字水印系统的典型框架
我们认为,一个完整的水印系统应该包括3个主要的部分:
水印信号的生成,水印的嵌入,水印的提取或检测。
1.3.1水印信号的生成
典型的水印信号的W′的生成使依赖于密钥足与水印信息W。
W=F0(W,K)(1.1)
若水印的所有者不希望水印被其他人知道,则F0应该是不可逆的[ll].近年来的研究表明,基于原始图像I的水印信号具有更好的抗攻击能力,即
W′=F0(W,K,I)(1.2)
1.3.2水印嵌入算法模块
水印信号通常嵌入在时域(音频)、空域(图像),空时域(视频),或变换域(离散余弦变换、离散小波变换等)中.假设原始图像为I,嵌入水印后的受保护图像为IW,水印信号为W,水印嵌入算法为F1,则水印嵌入过程通常可以表示为:
IW=F1(I,W)
图1.3.1是一个通用的水印系统嵌入模型。
要嵌入的信息经过密钥加密处理后通过嵌入算法嵌入到载体对象中,得到用于发布的含有水印信号的媒体对象.
图1.1水印系统嵌入模型
1.3.3水印的提取和检测算法模块
水印的提取或检测是对水印进行验证的过程。
其目的是判断对象中是否含有水印来证明对象的版权信息。
水印的提取过程基本是嵌入过程的逆过程。
设提取函数为D。
提取的水印W。
W=D(IW,I,K)(1.4)
图1.3.2是水印提取的一般性模型
图1.2水印信号提取模型
如果水印信号需要通过一个检测器来检测水印信号的存在与否,那么一般使用检测函数C,使用一个判别阈值与水印信号的检测值比较,判断水印存在与否。
图1.3.3是水印检测的一般性模型。
1.3水印信号检测模型
1.4数字水印的分类和应用领域
1.4.1数字水印的分类
我们对现有的数字水印的算法根据出发点不同和应用不同可以有多种分类方法,常用的分类方法有以下几种:
1.按水印的特性可以将数字水印分为鲁棒数字水印和脆弱数字水印两类。
鲁棒数字水印主要用于在数字作品中标识版权所有者的信息,它要求嵌入的水印能够经受各种常规的信号处理;脆弱数字水印主要用于完整性保护和内容认证,脆弱水印必须对信号的改动很敏感,人们根据脆弱水印的状态就可以判断数据是否被篡改过。
2.按水印所嵌入的媒体,我们可以将数字水印划分为图像水印、音频水印、视频水印、文本水印以及用于三维网格模型的网格水印等。
随着数字技术的发展,会有更多种类的数字媒体出现,同时也会产生相应的水印技术。
3.按水印的检测过程可以将数字水印划分为明文水印和盲水印.明文水印在检测过程中需要原始数据,而盲水印的检测只需要密钥,不需要原始数据。
4.数字水印按照外观可以分为可见数字水印和不可见数字水印两类。
如果嵌入的水印强度足够大,能够用肉眼直接观察到,则称之为可见水印。
而含有不可见水印的数据通常与原始数据紧密结合在一起,难以用肉眼观察到。
5.按数字水印的隐藏位置,我们可以将其化分为时(空)域数字水印、频域数字水印、时/频域数字水印和时间/尺度域数字水印.
1.4.2数字水印的应用领域
虽然数字水印技术的发展只有短短几年时间,但其软件产业已经有相当的规模。
作为数据安全领域中的新生事物,它具有很高的技术含量和很强的生命力,同时也孕育着广阔的市场和巨大的商机。
数字水印的主要应用主要有以下几个方面:
1.数字作品的版权保护
数字产品(如扫描图像、数字音乐、视频、三维动画)的版权保护是当前的热点问题。
由于数字作品的拷贝、修改非常容易,而且可以做到与原作完全相同,所以原创者不得不采用一些会严重破坏作品质量的手段加上所有者版权标志,而这种明显可见的标志很容易被篡改。
数字水印利用数据隐藏原理使版权标志不可见或不可听,既不损害原作品,又达到了版权保护的目的.
2.声像数据的隐藏标识和篡改提示
数据的标识信息往往比数据本身更具有保密价值,如遥感图像的拍摄日期、经,纬度等。
没有标识信息的数据有时甚至无法使用,但直接将这些重要信息标记在原始文件上又很危险。
数字水印技术提供了一种隐藏标识的方法,标识信息在原始文件上是看不到的,只有通过特殊的阅读程序才可以读取。
这种方法已经被国外一些公开的遥感图像数据库所采用.
此外,当数字作品被用于法庭、医学、新闻及商业时,常需要确定它们的内容是否被修改、伪造或特殊处理过。
为实现该目的,通常可将原始图像分成多个相互独立的子块,再将每个子块加入不同的水印。
同时可通过检测每个数据子块中的水印信号,来确定作品的完整性。
与其他水印不同,这类水印必须是脆弱的,并且检测水印信号时,不需要原始数据。
3.商务交易中的票据防伪
随着高质量图像输入输出设备的发展,特别是精度超过1200dpi的彩色喷墨、激光打印机和高精度彩色复印机的出现,使得货币、支票以及其他票据的伪造变得更加容易。
另一方面,在从传统商务向电子商务转化的过程中,会出现大量过度性的电子文件,如各种纸质票据的扫描图像等.即使在网络安全技术成熟以后,各种电子票据也还需要一些非密码的认证方式。
数字水印技术可以为各种票据提供不可见的认证标志,从而大大增加了伪造的难度。
4.隐藏通信及其对抗
数字水印所依赖的信息隐藏技术不仅提供了非密码的安全途径,更引发了信息战,尤其是网络情报战的革命,产生了一系列新颖的作战方式,引起了许多国家的重视。
网络情报战是信息战的重要组成部分,其核心内容是利用公用网络进行保密数据传送。
迄今为止,学术界在这方面的研究思路一直未能突破“文件加密”的思维模式,然而,经过加密的文件往往是混乱无序的,容易引起攻击者的注意。
网络多媒体技术的广泛应用使得利用公用网络进行保密通信有了新的思路,利用数字化声像信号相对于人的视觉、听觉冗余,可以进行各种时(空)域和变换域的信息隐藏,从而实现隐蔽通信。
1.5本文的主要工作
本文主要以灰度图像为研究图像,将图像分解成8*8的子块,并把每个子块进行量化,并把水印信息嵌入到中频分量中,然后将水印提取出来和认证水印比较,看是否被篡改,若被篡改则对篡改位置进行定位。
主要内容如下:
1.该算法的具体嵌入和提取方法
2.利用Matlab软件实验验证,并对实验结果进行分析。
2.图像认证技术及相关知识
2.1引言
数字图像的安全问题的是多媒体信息安全的重点,具有广泛的代表性。
数字图像具有数据量大、冗余性高,对失真不敏感、保密性低、易编辑和修改且格式繁多等特点,因此简单的将密码技术用于数字图像的安全保护显然是行不通的,而且传统的加密技术对信息的保护只局限在加密通信的信道中或其他加密状态下,一旦解密,将毫无保护可言。
数字图像安全更偏重于版权保护和图像内容的完整性和可信性认证,为了认证数字图像的可信性和完整性,往往需要建立有效的图像认证系统(ImageAuthenticationSystem)·
图像认证和经典的信息认证既存在相同点又有本质区别,两者共同的目的在于认证自己所需要的信息内容在传输过程中是否被恶意篡改。
但是对于数字图像,其在传输过程中所遭遇的不仅有恶意操作,而且更多的是不改变图像内容的偶然操作,如JPEG压缩、图像增强、线性滤波等,它不仅需要判断图像内容的可信性和真实性,还要区分恶意篡改和偶然操作,同时检测、定位度量、修复恶意篡改。
目前,采用数字水印技术进行数字图像的真实性,完整性认证己成为信息认证领域的研究热点。
用于图像真实性、完整性认证的数字水印一般包括(完全)脆弱性数字水印和半脆弱性数字水印。
2.2认证水印基础知识
2.2.1认证水印的分类
数字水印的真实性和完
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