嵌入式技术基础与实践]79基于patchwork算法的数字水印嵌入技术

嵌入式技术基础与实践]79基于patchwork算法的数字水印嵌入技术内容摘要：

图像等。 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。 声像数据的隐藏标志和篡改提示 有些数据的标志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。 没有标志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志的方法：标志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。 这种方法已被国外一些公开的遥感图像数据库所采用。 此外，数据的篡改提示也是一项很重要的工作。 现有的信号拼接和镶嵌技术可以做到 “移花接 木 ”而不为人知。 因此，如何防范对象图像、录音、录像数据的篡改攻击时重要的研究课题。 基于数字水印的篡改提示是解决这一问题的理想途径，通过隐藏水印的状态可以判断声音信号是否被篡改。 隐蔽通信及其对抗 数字水印所依赖的信息隐藏技术不仅提供了非秘密的安全途径，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，引起许多国家的重视。 综上所诉，数字水印在以数字化为特征的信息技术变革中具有重要的应用和地位。 数字水印的研究正在成为世界各国许多研究机构和人员的重要课题。 为了适应这 种形式，我国必须在这个领域加快研究步伐，才能在信息时代的角逐中掌握主动权。 目前，我国已有大量的研究人员投入到该领域加快研究步伐，并取得了很多重要成果，但与多媒体和网络安全技术的要求相比，还有很多亟待解决的问题需要研究。 数字图像水印技术 以图像为载体的数字水印技术是当前水印技术研究的重点之一，它吸引了众多研究人员和学者的兴趣。 在该领域发表的论文数目要远大于以音频、视频等信号为载体的水印方面的论文。 下面我们分别介绍空域、 DCT域、 DWT域、基于神经网络的图像水印技术，并对脆弱图像数 字水印技术也进行简单介绍。 空域图像水印技术 空域图像水印技术是指在图像的空间域中嵌入水印的技术。 最简单和有代表性的方案就是用水印信息代替图像的最低有效位或者多个位平面的所有比特的算法，这里的水印信息指的是二值比特序列。 图像的最低有效位也称为最不显著位，它是指数 79基于 Patchwork 算法的数字水印嵌入技术 _patchwork 字图像的像素值用二进制表示时的最低位。 1993 年， Tirkel等人提出了数字图像水印的一种方法。 该方法将 m 序列的伪随机信号以编 码形式的水印嵌入到灰度图像数据的 LSB 中。 为了能得到完整的 LSB 位平面而不引入噪声，图像通过自适应直方图处理，首先将每个像素值从 8b 压缩为 7b，然后将编码信息作为像素值的第 8 个比特，即嵌入了水印。 这一方法是单个 LSB 编码方法的扩展，在单个LSB编码方法中， LSB直接被编码信息所代替。 由于 LSB位平面携带着水印，因此，在嵌入水印图像没有产生失真的情况下，水印的恢复很简单，只需要提取含水印图像的 LSB位平面即可，而且这种方法是盲水印算法。 但是， LSB算法最大的缺陷是对信号处理和恶意攻击的稳健性很差， 对含水印图像进行简单的滤波、加噪等处理后，就无法进行水印的正确提取。 针对 LSB算法表现的缺陷，一些研究人员对空域图像水印技术进行了改进，使算法的稳健性和安全性得到了提高。 Matsui 等提出了一种用于图像的水印技术。 该方法是建立在对灰度级图像进行预测编码的基础之上。 预测编码方法中用预测误差编码代替对单个灰度值编码，得出相邻像素点之间的相关性。 按预先确定的顺序扫描数字图像，遍历像素点 {xi}，用预测编码法对像素点集进行编码，保留第一个值 x1，后面的值相邻像素点间的差值 ej 来代替。 他们 引入一张编码表，表中一个可能的差值 dj对应一个位值 cj，二者的关系是保密的。 为了 嵌入一位数据 b，要选择一个像素 xj 及相应的差值 ej，查询编码表，看对应于 ej 的位值 cj是否和位 b 的值相同。 如果相同，即代表当前水印位为 b，继续进行下一位水印比特 的嵌入；如果不同，则在表中选一个与 ej接近的值，使它所对应的位值也符合要求。 图 像作者通过在编码表中寻找相应位，可以实现对水印的恢复。 1996 年， Bender 等人提出了空域图像水印方法中著名的Patchwork 算法。 这 是一种统计算法，即在一个载体图像中嵌入具有特定统计特性的水印。 与 LSB算法不同， Patchwork 是将水印信息隐藏在图像数据的亮度统计特性中，给出了一种原始的扩频调制机制。 尽管该算法一般只能隐藏 1bit信息，但仍然可以在一定程度上对图像数据的版权给予保护。 DCT 域图像水印技术 离散预先变换简称 DCT。 任何连续的实对称函数的傅里叶变换只有余弦项，因 此，余弦变换与傅里叶变换一样有明确的物理意义， DCT 变换避免了傅里叶变换中的复数运算，他是基于实数的正交变换。 DCT变 换矩阵的基向量很近似于 Toeplitz 矩阵的特征向量，而 Toeplitz矩阵有体现了人类语言及图像信号的相关特性，故 DCT 常常被认为是对语音和图像信号的准确变换。 与空域图像水印相比，离散余弦变换域图像水印对压缩、滤波和其他一些数字处理算子具有更强的稳健性，同时又与常用的图像压缩标准 JPEG 兼容，因而得到了广泛的重视，基于 DCT 的数字水印技术是目前水印技术中研究得最多、最深入并且也是最成熟的。 较早的 DCT 水印算法是由 Cox 等人提出的。 Cox 算法不是采用分块 DCT，而是对整个图像进行 DCT，随后使用一个随机向量改变图像中前 N 个感知上最重要的 DCT 系数来嵌入水印。 通过改变DCT 系数的量化方法，并通过校验来改变其中的部分系数也可以达到嵌入水印信息的目的。 在采用分块 DCT 的水印算法中，块的大小均选择 8?8。 有学者根据高斯网络分类器决策选出一些特定的块，然后利用一个线性 DCT约束或环形 DCT检测对中频段的 DCT系数进行变换，以传输水印信息。 还可以通过对 DCT 块进行频率掩蔽以嵌入水印。 将输入图像分为若干方块，对这些方块进行计算，由于掩蔽栅格可以提供掩蔽频率附近的信号栅格的可视阀值，对每个 DCT 块计算它的频率掩蔽。 通过对最大长度的伪随机信号进行 DCT 变换，对可见的掩蔽频率进行放缩和处理，然后将这一水印加入到相应的 DCT 块中，并通过空间掩蔽来验证水印是否不可见，并控制缩放因子。 水印的测试需要原始水印和原始水印和原始图像，并利用假设检验。 该方法对 JPEG压缩、有色噪声和剪切有很好的稳健性。 小波域图像水印技术 基于小波的多媒体水印技术是近年来一个比较活跃的研究领域，特别是随着 JPEG2020 将小波变换纳入其中，对该领域的研究更加具有实际意义。 小波变换是 20 世纪 80年代后期发展起来的应用数学分支，很快被发过学者 Daubechies 和 Mallat 等人引入到信号及图像处理领域。 它具有许多良好的特征，这些性质奠定了小波域水印技术的基础。 这些特性主要表现在以下几个方面：意识图像边缘和纹理等区域的空间频率位置信息，而这些信息对于保证所嵌入水印的鲁棒性是十分重要的；二是多分辨率特性。 小 波变换构成了对图像的多尺度视频分解，它将图像分解为低分辨率逼近图像和各层次的水平、垂直、对角线方向的高分辨率的细节成分，小波域的这种对图像的对分辨率表示，对于含有水印图像的渐进传输和可分 级解码等具有重要意义。 采用该机制进行数字水印检测可以大量节省处理时间，三是小波分解的空间频率特性与 HVS 某些视觉特性的相似性。 该特性是小波变换区别于 FFT和 DCT 的一个重要方面，根据该特性可以影响高强度的水印嵌入到 HVS 不太敏感的区域，这样在保证不影响如想视觉质量的前提下，可以最大限度地增加嵌入水印的强度；四是小波变换的自适应性。 小波变换的滤波器和分解结构可以根据宿主信息特性进行自适应选择 ——这种小波变换机制被称为小波包变换，小波包变换最近已被应用到数字水印中，取得了很好的效果。 数字水印 的应用实例 随着电子政务、电子商务的迅猛发展，网上办公、网上交易逐年递增，电子文件、电子票据的真实性、完整性、不可否认性、保密性必须得到保证，数字水印技术为其提供了一个有效的技术手段。 下面给出当前数字水印技术在电子政务、电子商务中较为实用的几个实例。 数字签名 数字签名是一种对多媒体信息进行论证的有效手段，它是由信息发送者对要传送的信息进行某种处理，用以论证信息的信息隐藏技术与传统密码学有本质的区别，传统密码学是将明文加密成密文，使信息不可理解，是隐藏了信息的内容； 而信息隐藏技术着重隐藏了信息的存在。 数字水印技术和数字签名各有优势和不足。 数字签名容易受到攻击，而数字水印的安全度不高。 如果将数字水印和数字签名有机地结合起来，以之为基础构成一种新的水印方案，其安全性、可信度、求证精度都将会大大地提高，这无疑将是多媒体技术研究发展的一个很有前途的方向。 把数字签名作为水印隐藏在图像中，数字签名方法用 DSA，数字水印方法用 DCT。 DSA 签名基于离散对数问题的数字签名标准，虽说它仅提供数字签名，不提供数据加密功能，但它具有算法简 便实用、易实现等优点。 而考虑 用 DCT 是实变换，它具有良好的能量压缩能力，而且可以利用人的视觉系统在 DCT 域内的特性。 在电子印章中的应用 电子印章是实现电子公文的一个核心技术，目前常用的电子印章设计方法一般是利用 Active X控件嵌入技术，并对此控件图像进行镂空处理，使印章更逼真。 同时，每个印章都对应有一个印章识别码使印章唯一可识别，以及设置密码用来防止他人对印章的修改。 这种印章在外观表现形式上虽能达到纸上盖章的效果，也具有一定的防修改、防伪功能，但这些都是为了保护印章本身的，不能对电子公文进行保护。 电子印章应保证信息的完整性和真实性。 我国《电子签名法》的颁布为其推广使用提供了法律基础。 但是，电子印章只能对电子数据的完整性和真实性进行验证，而不能对电子文件保证真实性和不可篡改性，因此需要对文件的身份进行验证，来证明文件的有效性。 电子印章必须与电子文件建立某种逻辑关联，利用单项散列算法或摘要算法生成待签文件的摘要，用以辨别电子文件签署者的身份，保证文件的完整性，并表示签署者同意电子文件所陈述的内容。 可以通过密码验证、签名验证、指纹验证、虹膜验证等方式验证用户身份。 电子印章和文件绑定，可验证文件 的可靠性，一旦被绑定的区域发生改变，印章将失效。 指纹身份认证水印 生物特征的认证是根据人体特征信息进行的认证技术，包括指纹、掌纹、虹膜、话音、人脸、足纹、 DNA 等。 研究表明，上述的任何一个特征，两个人相同的概率及其微小，可唯一证明个人身份，满足个人身份的确定性和不可否认性。 在这些特征中，终生不变，易于获取，应用广泛，全世界各个行业都接受的个人特征应首选指纹。 利用指纹的唯一性和不变性生成数字水印信号，基于人眼视觉系统特性，在宿主图像的高频小波子层中嵌入合法用户的指 纹特征信息，同时，合理地调整水印嵌入强度，使攻击者难以察觉到指纹信息的存在，指纹身份认证水印综合了水印技术和指纹识别两者的优势。 远程网络环境下，指纹特征的提取和匹配时分离的，指纹特征的信息需要通过公共 通信信道传送给远端匹配器，所以很容易受到攻击。 直接采用数字水印用于身份认证仍然不足以抵抗此类重放攻击。 一旦攻击者通过非法窃取嵌入指纹特征的水印图像，虽然不能得到指纹特征信息，但通过重新发提交水印图像，仍然可以通过身份认证获取对远程系统的访问权。 通过采用用户端和服务器端两次 “握手 ”方式来抵 抗这种重放攻击，并构造了一个指纹身份认证水印系统。 79基于 Patchwork 算法的数字水印嵌入技术 _patchwork 第三章 Patchwork 数字水印 Patchwork 算法的概述 “Patchwork”一词原指一种用各种颜色和形状的碎布片拼接而成的布料，它形象地说明了该算法的核心思想，即在图像域上通过大量的模式冗余来实现鲁棒数字水印。 Patchwork 算法是一种数据量较小、能见度很低、鲁棒性很强的数字水印算法，其生成的水印能够抗图像剪裁、模糊化和色彩抖 动。 以隐藏 1bit 数据为例， Patchwork 算法首先通过伪随机数生成器产生两个随机数序列，分别按图像的尺寸进行缩放，成为随机点坐标序列。 然后将其中一个坐标序列对应的像素亮度值降低，同时升高另一坐标序列对应的像素亮度。 由于亮度变化的幅度很小，而且随机散布，并不集中，所以不会明显影响图像质量。 所选取的伪随机数生成器的种子就是算法的密钥。 Patchwork 算法方法描述 假设算法针对 256级线性量化系统，其初始值为 0，所有亮度等级均匀分布，各点相互独立。 算法叙 述如下。 在图像中随机选出两点 A和 B。 设 A 的亮度为 a， B的亮度为b，令。