水印容量可變數字圖像可恢復水印算法研究

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字圖像恢復水印算法，利用這種算法對圖像特征加以提取，使容量恢復水印得以生成。圖像塊恢復水印以圖像塊中隨機嵌入密鑰低有效位為基礎，通過對比恢復水印重構特征與圖像塊特征，對圖像塊本身真實性予以判定。變容量恢復水印應該用比特數存儲圖像塊信息，嵌入期間還用于恢復與篡改檢測，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，結果表明，數字圖像恢復水印算法能夠得到質量較高的恢復圖像與含水印圖像，具有較高拼貼攻擊抵抗力。

關鍵詞： 水印容量； 可變數字圖像； 水印恢復； 檢測篡改

中圖分類號： TN911.73?34 文獻標識碼： A 文章編號： 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

隨著近年來我國信息科技，特別是互聯網技術和數碼成像技術的產生與發展，大眾逐漸將數字圖像當作其信息獲取與交換的重要來源，同時也成為傳播信息的關鍵載體，數字化存儲和圖像處理軟件為編輯和修改數字圖像等工作提供了很多便利條件，而且數字圖像處理本身對圖像顯示質量具有有效提升作用，若在科學發現、新聞媒體或者法律證據等領域應用偽造與篡改數字圖像，則會嚴重影響到政府公信力、社會誠信及科學真實性[1]。所以，對數字圖像的完整性與真實性進行鑒別與檢測是近些年國內外學者研究探討的重要課題，既存在很大學術價值，又極具重要社會價值與應用前景。

本研究中的變容量恢復水印算法主要分為三大環節：生成及嵌入水印、水印提取和檢測、篡改恢復。

1 生成及嵌入水印

生成及嵌入水印的過程示意圖如圖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，根據從左向右、從上向下的順序對圖像[X]塊進行編號，即：[X=Xii=1，2，…，N，]其中，圖像塊個數用[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） 偽隨機序列及生成鏈塊

數字圖像中，用戶密鑰Key為[N]的生長長度，其實值偽隨機序列[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） 恢復水印的生成

利用偽隨機序列[R]中的隨機數[ri]對偽隨機序列[Bi=bijj=1，2，…，12]予以生成，加密圖像塊特征恢復水印：

[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，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

被測圖像是圖像[Y*，]水印嵌入逆過程為水印提取，對圖像塊真實性判定為篡改檢測，通過篡改檢測矩陣[T=tii=1，2，…，N]代表檢測結果，[ti=1]代表已篡改圖像塊[Y*，][ti=0]代表圖像塊[Y*]具有真實性。

（1） 偽隨機序列與生成塊鏈

根據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，]基于密鑰得到隨機序列[R=rii=1，2，…，N]與塊鏈[Y*i，Y*ii，i∈[1，N]。]

（2） 計算和重構塊特征

對待測圖像塊[Y*，]根據上節中“生成和嵌入水印”對圖像塊特征進行結算，并依照其映射[Y*]提取恢復水印重構塊特征[FLi：]

[FLi=W*iBi] （6）

（3） 篡改檢測

首先依照對比矩陣[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]得到初態篡改檢測矩陣，即：

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

3 結 語

現階段，數字圖像可恢復水印算法中有固定的水印嵌入容量，在質量恢復與安全性提升后，基本上靠不斷擴大水印嵌入容量，然而，擴大水印嵌入容量會影響到含水印圖像質量，于是提出可恢復水印算法。該算法具有可變的水印嵌入容量，2×2像素的定位精度，具有較高數字圖像質量等。改善該算法篡改檢測性能、降低漏警率，是將來需要研究的重要內容。

參考文獻

[1] 陳帆，和紅杰，王宏霞，等.用于圖像認證的變容量恢復水印算法[J].計算機學報，2012，35（1）：154?162.

[2] 郭廣浩，劉志哲，孟慶龍，等.多級并行流水FIR數字濾波器的設計與驗證[J].現代電子技術，2015，38（1）：147?148.

[3] 和紅杰.數字圖像安全認證水印算法及其統計檢測性能分析[D].成都：西南交通大學，2008.

[4] 張好好，吳游，于睿.一種基于壓縮感知的數字圖像水印算法[J].現代電子技術，2014，37（22）：15?16.

[5] 劉祝華，袁文.應用整數提升小波的圖像變容量恢復水印方案[J].計算機工程與應用，2013（16）：183?187.

[6] 趙新輝，張曉培.結合DCT和VQ編碼的可恢復脆弱水印算法[J].科學技術與工程，2013，13（17）：5004?5009.