水印容量可变数字图像可恢复水印算法研究

谢娜++张亦姝

摘 要： 考虑到水印嵌入容量及安全性，探究出水印容量可变的一种数字图像恢复水印算法，利用这种算法对图像特征加以提取，使容量恢复水印得以生成。图像块恢复水印以图像块中随机嵌入密钥低有效位为基础，通过对比恢复水印重构特征与图像块特征，对图像块本身真实性予以判定。变容量恢复水印应该用比特数存储图像块信息，嵌入期间还用于恢复与篡改检测，既有利于减低水印嵌入容量，又有利于算法抵抗恒均值攻击功能的提升，结果表明，数字图像恢复水印算法能够得到质量较高的恢复图像与含水印图像，具有较高拼贴攻击抵抗力。

关键词： 水印容量； 可变数字图像； 水印恢复； 检测篡改

中图分类号： TN911.73?34 文献标识码： A 文章编号： 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

随着近年来我国信息科技，特别是互联网技术和数码成像技术的产生与发展，大众逐渐将数字图像当作其信息获取与交换的重要来源，同时也成为传播信息的关键载体，数字化存储和图像处理软件为编辑和修改数字图像等工作提供了很多便利条件，而且数字图像处理本身对图像显示质量具有有效提升作用，若在科学发现、新闻媒体或者法律证据等领域应用伪造与篡改数字图像，则会严重影响到政府公信力、社会诚信及科学真实性[1]。所以，对数字图像的完整性与真实性进行鉴别与检测是近些年国内外学者研究探讨的重要课题，既存在很大学术价值，又极具重要社会价值与应用前景。

本研究中的变容量恢复水印算法主要分为三大环节：生成及嵌入水印、水印提取和检测、篡改恢复。

1 生成及嵌入水印

生成及嵌入水印的过程示意图如图1所示。

具体步骤包括：

（1） 分块分类

将[2n×2m]大小的图像[X]划分为若干不重叠的图像块，根据从左向右、从上向下的顺序对图像[X]块进行编号，即：[X=Xii=1，2，…，N，]其中，图像块个数用[N=m×n]表示，[Xi=xi1，xi2，xi3，xi4，]若图像块[Xi]中最小像素与最大像素差低于3，则表示图像块[Xi]属于平滑图像块[2]。

（2） 伪随机序列及生成链块

数字图像中，用户密钥Key为[N]的生长长度，其实值伪随机序列[R=rii=1，2，…，N，]依照[R]生成块链[Xi，X′ii，i∈[1，N]]明确图像块具体嵌入位置，其中[i]代表第[i]个元素在[R]中的索引位置[3]。

（3） 提取特征

生成[v]比特块特征[Fi=fi1， fi2，…， fiv，]其中[fi2～fi6]表示图像块高5位值编码，即：

[fi2～fi6=14j=14xij8B] （1）

其中，证书二进制编码用[·B]表示。若图像块属于平滑图像块，[fi1=0，]且[v=6，]非平滑图像块类型与子类编码如图2所示，其图像块中像素最大位置以黑色表示。

[fi7～fi9]表示子类编码，[fi10～fi12]表示最大像素和及其他像素和之差的二值编码，用公式表示[4]为：

[fi10～fi12=18xi18+xi28-xi38+xi48B] （2）

（4） 恢复水印的生成

利用伪随机序列[R]中的随机数[ri]对伪随机序列[Bi=bijj=1，2，…，12]予以生成，加密图像块特征恢复水印：

[Wi=wi1，wi2，…，wiv，wij=fijbij， j=1，2，…，v] （3）

式中[]表示异或操作[5]。

（5） 水印嵌入

以图像块[Xi]为基础，利用式（2）获得块链生成映射块[X′i，]把图像块[Xi]嵌入到映射块含水印图像块[Y′i：]

若[Xi]属于非平滑图像块，那么在[Y′i]中嵌入恢复水印[wi1～wi12：]

[Y′i=x′ij8×8+4wi（j+8）+2wi（j+8）+2wi（j+4）+wij] （4）

若[Xi]属于平滑图像块，那么在[Y′i]中嵌入6 b恢复水印[6][wi1～wi6：]

[Y′i=xij4×4+2wi（j+4）+wij，j=1，2xij2×2+wij，j=3，4] （5）

2 水印提取及篡改检测

被测图像是图像[Y*，]水印嵌入逆过程为水印提取，对图像块真实性判定为篡改检测，通过篡改检测矩阵[T=tii=1，2，…，N]代表检测结果，[ti=1]代表已篡改图像块[Y*，][ti=0]代表图像块[Y*]具有真实性。

（1） 伪随机序列与生成块链

根据生成和嵌入水印的第（1），（2）步骤划分[Y*]为图像块[Y*=Y*ii=1，2，…，N，]基于密钥得到随机序列[R=rii=1，2，…，N]与块链[Y*i，Y*ii，i∈[1，N]。]

（2） 计算和重构块特征

对待测图像块[Y*，]根据上节中“生成和嵌入水印”对图像块特征进行结算，并依照其映射[Y*]提取恢复水印重构块特征[FLi：]

[FLi=W*iBi] （6）

（3） 篡改检测

首先依照对比矩阵[D]生成邻域特征矩阵：

[Δ=δii=1，2，…，Nδi=dj，j=i±1，i±n，i±n±1，i-n±1] （7）

再依照矩阵[Δ]与[D]得到初态篡改检测矩阵，即：

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

3 结 语

现阶段，数字图像可恢复水印算法中有固定的水印嵌入容量，在质量恢复与安全性提升后，基本上靠不断扩大水印嵌入容量，然而，扩大水印嵌入容量会影响到含水印图像质量，于是提出可恢复水印算法。该算法具有可变的水印嵌入容量，2×2像素的定位精度，具有较高数字图像质量等。改善该算法篡改检测性能、降低漏警率，是将来需要研究的重要内容。

参考文献

[1] 陈帆，和红杰，王宏霞，等.用于图像认证的变容量恢复水印算法[J].计算机学报，2012，35（1）：154?162.

[2] 郭广浩，刘志哲，孟庆龙，等.多级并行流水FIR数字滤波器的设计与验证[J].现代电子技术，2015，38（1）：147?148.

[3] 和红杰.数字图像安全认证水印算法及其统计检测性能分析[D].成都：西南交通大学，2008.

[4] 张好好，吴游，于睿.一种基于压缩感知的数字图像水印算法[J].现代电子技术，2014，37（22）：15?16.

[5] 刘祝华，袁文.应用整数提升小波的图像变容量恢复水印方案[J].计算机工程与应用，2013（16）：183?187.

[6] 赵新辉，张晓培.结合DCT和VQ编码的可恢复脆弱水印算法[J].科学技术与工程，2013，13（17）：5004?5009.