基于JPEG XR的半脆弱數字水印技術研究

陳自剛，何金枝

(南陽理工學院計算機與信息工程學院，河南南陽473004)

用于完整性認證的數字水印又可以分為完全脆弱水印和半脆弱水印。前者通常對像素值的每個可能改變非常敏感，能夠檢測出任何對圖像像素值的改變或對圖像完整性的破壞。半脆弱水印的脆弱性是有選擇的，它只對反映媒體內容特征的數據改變敏感。在實際應用中，往往需要數字水印能夠有效區分有意攻擊(如剪切、擦除)與無意攻擊(如壓縮)。因此半脆弱水印技術被廣泛研究和關注。半脆弱水印強調的是一種數據完整性和有效性的標注功能和對數據破壞和攻擊的定位分析能力［1-2］。

1 JPEG XR碼流結構

JPEG XR圖像的內部第一個通道是亮度通道，可以擁有多個色彩通道。一幅JPEG XR圖像在水平方向和垂直方向上可以含有1～4 096個分割塊，每個分割塊的高度和寬度都相同。分割塊是一個二維的相鄰宏塊的集合。每個宏塊是由4×4塊構成，每個宏塊是由4×4采樣點構成［3-5］。JPEG XR圖像的碼流結構有兩個基本模式［3-5］：空間模式和頻率模式，如圖1所示。碼流中都是先存放圖像頭信息，里面標識了此碼流所采取的碼流結構模式;之后是一張索引信息表，標識了每個分割塊的存放位置。兩種模式均以分割塊為單位。

圖1 JPEG XR的碼流結構

在空間模式中，每個分割塊的碼流按照宏塊順序輸出。

每個分割塊中的宏塊經兩層LBT(Lapped Biorthogonal Transform)［6］變換后構成頻率模式，每個分割塊中包含DC、低通系數、高通系數和彈性位4個包并安排在一起。JPEG XR編解碼算法［7］中定義了字段BANDS_PRESENT(4 bit)，用來表示碼流結構中頻率模式時不同的頻帶的存在情況，如表1所示。這樣的模式使得圖像能夠漸進式顯示。圖像的壓縮率高低的體現是低通系數、高通系數和彈性位是否存在或者存在比例。

表1 字段BANDS_PRESENT定義

2 基于JPEG XR的半脆弱數字水印嵌入

2.1 基于JPEG XR的半脆弱水印嵌入框架

JPEG XR圖像的頻率模式碼流結構是以分割塊為基本單位，使得實現基于圖像內容的半脆弱水印變得非常方便，不用對原JPEG XR圖像進行任何分割和處理?；贘PEG XR的半脆弱數字水印技術主要是為了圖像的穩定性認證和內容認證。其嵌入過程主要包括提取和構造基于圖像內容的二值水印信息，水印信息置亂和嵌入水印等過程，如圖2所示。

圖2 半脆弱數字水印嵌入框圖

如果碼流結構是空間模式，需要將空間模式轉換為頻率模式。兩種碼流結構模式的轉換不需要緩存整幅圖像，而是以分割塊(TILE)為單位進行模式之間的轉換，且模式轉換需要的緩存很小。

2.2 基于圖像的二值水印

JPEG XR圖像的頻率模式碼流結構是以分割塊為基本單位。每個分割塊的DC系數和LP系數包含了圖像的主要能量信息，只需提取每個分割塊的DC系數和LP系數就能得到圖像的特征信息。即每16×16像素的宏塊在第一次變換時就能產生一個本宏塊內容的4×4像素的二值數字水印信息，對每個分割塊依次處理就能得到基于圖像內容的二值數字水印信息。但是，JPEG XR編解碼算法中允許子帶只保留DC系數(如表1所示)，故這里對DC系數和LP系數分開處理提取和構造圖像特征，以提高半脆弱數字水印的穩定性，如圖3所示。

定義為

圖3 圖像特征提取

式中：i為圖像的第i個分割塊;j為第i個分割塊的第j個宏塊;k為第j個宏塊的在第一次LBT變換后的第k個LP系數。k=0時只考慮該分割塊的DC系數;1≤k≤15，為第j個宏塊的在第一次LBT變換后的LP系數。另外：α為分割塊的DC系數閾值，α取每個分割塊的所有DC系數的平均值;β為分割塊的LP系數閾值，β取每個分割塊的所有LP系數的平均值。式(1)是基于DC系數提取的水印圖像，即為1/16×M×1/16×N的二值矩陣。式(2)是基于DC系數和LP系數提取的水印圖像，即為1/4×M×1/4×N的二值矩陣。它反映了圖像的所有宏塊內容的1/16信息。

2.3 二值水印置亂

設提取的二值數字水印圖像大小為M'×N'像素，像素坐標為(x，y)，且 x=0，1，2，…，M'-1;y=0，1，2，…，N'-1。用式(3)構成二維不等長圖像置亂變換實現(x，y)映射為(x'，y')［8］。

變換矩陣即可作為水印圖像置亂的密鑰。

2.4 二值水印的嵌入

盡管JPEG XR編解碼算法支持多種外部圖像格式，但JPEG XR只定義了6種內部圖像格式：Y、YUV4∶2∶0、YUV4∶2∶2、YUV4∶4∶4、n 通道和 YUVK。這些內部圖像格式都是用定點整數來表示［10-11］。且其變換過程采用兩級LBT變換。因此考慮如下操作：

1)將JPEG XR碼流解碼至色彩變換階段后，LBT變換前;

2)根據置亂的二值水印點的位置提取對應位置像素點;

3)提取該像素點的Y分量值;

4)將該像素點的Y分量值的最低有效位替換為水印點的二值;

5)按照JPEG XR編碼過程重新LBT變換，直到JPEG XR編碼碼流產生。

3 半脆弱數字水印提取與定位

在對JPEG XR圖像認證時，首先從JPEG XR圖像中提取數字水印信息，將提取的基于圖像內容的二值數字水印信息與該圖像相應位置的圖像轉換的二值圖像進行比較。如果兩者一致，則說明圖像未被篡改;如果兩者不一致，則說明圖像已被篡改，根據位置關系就能發現那個(些)宏塊或者塊被篡改，即對篡改處進行定位。如圖4所示。

圖4 半脆弱數字水印提取定位框圖

水印提取過程如下操作：

1)將JPEG XR碼流解碼至色彩變換階段后，LBT變換前;

2)提取對應位置像素點;

3)提取該像素點的Y分量值;

4)根據該像素點的Y分量值的最低有效位獲取水印點的二值;

5)反置亂后獲取嵌入在JPEG XR圖像中的水印;

6)和先前構造的水印進行比較，發現篡改并定位。

4 實驗結果與分析

實驗原始宿主圖像是256×256×8的亮度通道的Lena圖像，如圖5a所示。提取既有DC系數又有LP系數基于圖像內容的64×64的二值圖像為水印信息，如圖5b所示。把水印嵌入Lena圖像之后的Lena圖像，如圖5c所示。很顯然圖5a和5c的大小沒有任何變換。對含水印的Lena圖像加高斯噪聲(0.1)的圖像，如圖5d所示。對含水印的Lena圖像進行剪切，如圖5e所示。對含水印的Lena圖像進行剪切提取水印圖像中的64×64的二值水印信息，如圖5f所示。實驗中采用峰值信噪比(PSNR)來評價嵌入水印后圖像的質量，并用相關系數(NC)來評價提取出的水印圖像和原水印圖像的相似性。如表2所示。

表2 幾種攻擊方式下的實驗結果

目前支持JPEG XR的圖像顯示和處理軟件較少，PC機實驗中對JPEG XR圖像的顯示是利用安裝irfanview_plugins_433_setup.exe(其中包含有Hdp.dll)后的irfanview-v4.33-chinese-xbeta軟件完成的。

實驗結果表明基于JPEG XR的半脆弱性數字水印技術對常規圖像處理操作具有較強的穩定性，同時對于圖像認證、篡改檢測等方面都具有較好的性能。

5 總結

基于JPEG XR的半脆弱性數字水印技術將水印信息嵌入到圖中對應像素點的Y分量的最低有效位，保證了所嵌入水印信息的不可見性，對常規圖像處理操作具有較強的穩定性;同時對于惡意篡改攻擊等表現出一定的脆弱性，具有一定的檢測篡改的能力，可以定位到哪個塊被改變。該技術也是一種盲水印技術，實現無源提取?；贘PEG XR的半脆弱數字水印技術的研究，將有助于推動這一新圖像標準的推廣和應用。

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［3］ISO/IEC.JTC 1/SC 29/WG 1.ISO/IEC CD 29199-2：2010，JPEG XR image coding system-Part 2：Image coding specification［S］.2010.

［4］ISO/IEC.JTC 1/SC 29/WG 1.ISO/IEC CD 29199-2 cor.2，JPEG XR image coding system-Part 2：Image coding specification［S］.2011.

［5］ISO/IEC.JTC 1/SC 29/WG 1.ISO/IEC CD 29199-3：2010，JPEG XR image coding system-Part 3：Motion JPEG XR［S］.2010.

［6］MALVAR H S.Biorthogonal and nonuniform lapped transforms for transform coding with reduced blocking and ringing artifacts［J］.IEEE Trans.Signal Processing，1998，46(4)：1043-1053.

［7］ISO/IEC.JTC 1/SC 29/WG 1.ISO/IEC FCD 29199-5：2010，JPEG XR image coding system--Part 5：Reference software［S］.2010.

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［10］陳自剛，朱海華.JPEG XR在S3C2410A上的實現與優化［J］.電視技術，2012，36(13)：16-18.

［11］吳靜龍.JPEG XR碼流控制算法的研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2010.