陳經會等：一種基于脆弱水印技術的圖像認證方法

摘 要：基于計算全息圖編碼的水印技術是一種脆弱水印技術，由于其極容易被破壞的特性，非常適合用于圖像內容的認證，在圖像的認證鑒定的時候，通過比較提取的水印和初始水印的相關性鑒定圖像內容的完整性，可以有效防止篡改和對修改圖像的欺騙性應用。同時，圖像的內容被篡改時，水印信息應該提供圖像被偽造的證據。利用計算全息圖作為水印，嵌入的水印可能被使用傅里葉變換恢復，進而，宿主圖像也能被利用同樣的全息模式進行篡改和嵌入水印，為了避免這種弊端，還需要引入加密方法。

關鍵詞：圖像認證；脆弱水印；計算全息圖；高級加密標準

A Method for Image Authentication Based on Fragile Watermarking

CHEN Jinghui，ZHANG Xueping

(College of Information Science and Engineering，Henan University of Technology，Zhengzhou，450001，China)

Abstract：In this paper a content fragile watermarking based on computer generated hologram coding technique is presented.This technology is fit for image authentication exactly because the CGH watermark is prone to be destroyed.Content fra-gile watermarking techniques aim to prevent tampering and fraudulent use of modified images.Therefore，if parts of the image are replaced，the watermark information should indicate evidence of forgery.Using computer generated hologram watermarking，the embedded mark could be recovered by means of a Fourier transform.Due to this fact the host image can be tampered and watermarked with the same holographic pattern.So，an encryption method must be included to avoid this possibility.It could be applied to color images and grey-scale ones.The integrity of the image would be verified by the correlation between the original mark and the extracted one.

Keywords：

image authentication;fragile watermarking;computer generated hologram;AES

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1 引 言

隨著數字革命的到來，通信和數據處理領域都發生了巨大的變化，數字圖像也在逐漸代替傳統的圖片形式，數字圖像更容易編輯、修改和使用。例如，在新聞單位從自由記者那里購買新聞照片時，數字圖像的易用性可能使得新聞單位得到的是經過修改的圖像，即提供者受利益驅使，為了提高新聞價值，可能對圖像內容進行了修改。這樣以來，證明圖像的原始真實性就變的非常重要了^［1］。

圖像內容認證主要有兩種認證方式。一種為完全認證，在傳輸的每個階段都必須認證且要求中間所有實體都是可信的；另一種為內容認證，此時可以將數字簽名與圖像一起傳輸，僅僅在接收端進行認證，這樣就不必冒必須信任所有中間人的風險，提高了認證的可信度。此外，對于完全認證往往具有許多中間階段，因此數據產生者無法對數據簽注，而內容認證則可以做到這一點。

內容脆弱水印是在宿主圖像經過線形或非線形轉換的時候非常容易被改變或破壞的一種水印^［2］。內容脆弱水印是為了認證圖像的完整性，因此，設計的水印不但要能證明圖像內容是否被篡改，而且，圖像的部分內容被替換時，水印信息應該提供圖像被偽造的證據。脆弱水印對修改的敏感性決定了其在數字圖像認證中的應用，也就是說，脆弱水印是為了驗證數字圖像在加入水印之后是否被破壞或替換的嵌入信息。圖像認證在法律、商業和新聞業中都有極高的應用價值。

本文提出了一套系統的水印認證方案：采用計算全息圖水印技術驗證數字圖像的原始真實性，同時為了得到更好的安全性，采用了密鑰加密。當用戶收到一副測試圖像時，可以檢測圖像的真實性，檢測過程需要“邊信息”(在這里，邊信息指密鑰和原始水印圖像），最后使用相關系數來比較提取的水印和原始水印。文中采用了計算全息圖編碼技術，首先介紹生成特定模式的水印，用適當的數學公式描述加密方法，然后通過測試論證算法的安全性和水印的脆弱性。

2 基于計算全息圖編碼技術的內容脆弱水印

水印是用來驗證數據是否被惡意修改(脆弱水印）或者保護知識產權(魯棒水印）的，對于數字圖像鑒定的脆弱水印需要考慮：二次水印;水印對正常操作的敏感性；水印的可見性。基于計算全息圖編碼技術的內容脆弱水印的重要特點就是內容脆弱，即對于任何改變宿主圖像的可視內容的操作都可以被檢測到，另外一個重要特點是水印是CGH(計算全息圖），同時嵌入信息和宿主相關，這樣使得水印和噪聲非常類似，不容易被偵測和移除。

CGH是根據衍射原理利用計算機產生的數字全息圖，并且可以數字化重構^［3］。在水印算法中，我們把CGH偽裝成噪聲嵌入數字圖像中作為水印，文中所用到的水印圖像如圖1所示。

在把水印圖像嵌入宿主圖像之前要把其轉換成CGH，首先把水印圖像IM(mark image)的寬度和高度分別調整為宿主圖像IH(hosting image) 寬度和高度的四分之一，然后將其置入到與宿主圖像尺度相同的結構中，再把修改后的水印圖像變換成灰度彌漫型的傅里葉變換全息圖(CGH)^［2］，如圖2所示，我們通過這些操作模擬離軸全息術得到計算全息圖。