54圖像信息隱藏與水印算法課件

5.4圖像信息隱藏（數(shù)字水?。┧惴?圖像水印算法介紹普通圖像水印圖像魯棒性水印圖像脆弱性水印2圖像脆弱性水印3圖像脆弱性水印脆弱性數(shù)字水印在保證多媒體信息一定感知質(zhì)量的前提下，將數(shù)字、序列號(hào)、文字、圖像標(biāo)志等做為數(shù)字水印嵌入到多媒體數(shù)據(jù)中，當(dāng)多媒體內(nèi)容受到懷疑時(shí)，可將該水印提取出來(lái)用于多媒體內(nèi)容的真?zhèn)巫R(shí)別，并且指出篡改的位置，甚至攻擊類型等又稱為易碎水印，圖像載體發(fā)生變化，水印則受到破壞

4基于脆弱水印的圖像認(rèn)證用于認(rèn)證的數(shù)字水印系統(tǒng)包括兩個(gè)過(guò)程水印嵌入水印提取及認(rèn)證

5是否已經(jīng)有某種不可靠的情況發(fā)生?w=w'ww'水印提取/篡改檢測(cè)故意篡改/偶然失真fw'防篡改水印算法ffw是否6原始的信息為f，在其內(nèi)嵌入脆弱水印，得到含水印的信息fw認(rèn)證時(shí)，被測(cè)信息是從可能經(jīng)過(guò)篡改或失真的的版本fw’中提取水印根據(jù)嵌入的和恢復(fù)的水印之間是否發(fā)生變化來(lái)確定fw在經(jīng)歷了失真后是否可靠有效的失真水印認(rèn)證方案不僅能給出圖像是否失真的判斷，而且能夠提供關(guān)于篡改性質(zhì)的信息

7對(duì)脆弱水印的要求對(duì)篡改的敏感性：當(dāng)圖像受到不同程度的破壞或被惡意篡改后，系統(tǒng)應(yīng)能做出相應(yīng)反應(yīng)，并能通過(guò)快速的檢測(cè)算法對(duì)其真?zhèn)巫龀雠袛?/p>

安全性：系統(tǒng)應(yīng)具有很強(qiáng)的抗非法破解能力，以免攻擊者破譯水印系統(tǒng)后非法復(fù)制、偽造水印圖像，使得篡改后的圖像依然能被檢測(cè)器接受

可靠性：系統(tǒng)應(yīng)具有較小的誤檢率和漏檢率

8對(duì)篡改的敏感性認(rèn)證檢測(cè)結(jié)果應(yīng)能指示出被篡改圖像的損害位置或估測(cè)出圖像遭受了何種性質(zhì)的更改

是否對(duì)篡改的敏感度越高越好？信道誤碼，傳輸丟包提高傳輸、存儲(chǔ)效率而采用有損壓縮技術(shù)提高圖像質(zhì)量而采取各種濾波和圖像增強(qiáng)技術(shù)半脆弱水印9半脆弱水印對(duì)于保持圖像內(nèi)容的操作，水印具有一定的穩(wěn)健性對(duì)于破壞圖像內(nèi)容的惡意篡改，水印具有敏感的檢測(cè)能力和精確的篡改定位能力10圖像認(rèn)證的目的可分為“完全級(jí)認(rèn)證”和“內(nèi)容級(jí)認(rèn)證”兩類

“完全級(jí)認(rèn)證”要求對(duì)圖像的任何數(shù)據(jù)部分均不允許更改，檢測(cè)器對(duì)圖像任何輕微的改動(dòng)都會(huì)做出拒絕判決——脆弱性水印“內(nèi)容級(jí)認(rèn)證”則是強(qiáng)調(diào)保護(hù)圖像內(nèi)容所傳遞的信息，而不是圖像內(nèi)容的具體表示方式，因此，對(duì)于任何保持圖像內(nèi)容的操作，如格式轉(zhuǎn)換、有損壓縮、去除噪聲等,檢測(cè)器都應(yīng)該認(rèn)為是可接受的更動(dòng)，而不會(huì)做出拒絕判決——半脆弱性水印11圖像完全級(jí)認(rèn)證的水印算法

用于圖像完全級(jí)認(rèn)證的數(shù)字水印一般采用脆弱水印。脆弱水印算法大都由空間域LSB水印算法演變而來(lái)

典型的脆弱水印是P.W.Wong水印系統(tǒng)。這是一種基于公鑰的圖像認(rèn)證和完整性數(shù)字水印系統(tǒng)，其基本思想就是利用hash函數(shù)的單向性和能在輸入發(fā)生微小變化時(shí)得到完全不同輸出值的特點(diǎn)，結(jié)合圖像分塊來(lái)完成對(duì)圖像象素值微小改變的定位。同時(shí)借助公鑰系統(tǒng)的便利性，使得任何人，只要他能獲得作者的公鑰，便可以完成對(duì)圖像的完整性檢測(cè)和身份認(rèn)證

12P.W.Wong水印算法的流程

水印嵌入過(guò)程將原始圖像(M×N大小)按I×J的大小進(jìn)行分塊，記第r個(gè)分塊為將水印圖像擴(kuò)充為與原始圖像同樣大小的尺寸，亦按I×J的大小進(jìn)行分塊，記第r個(gè)分塊為將的LSB置為零，得到的分塊記為，以和M,N為參數(shù)，進(jìn)行hash運(yùn)算，得到將與

進(jìn)行比特位上的異或運(yùn)算，結(jié)果用公鑰系統(tǒng)加密（用作者的私鑰），將加密后的結(jié)果置入的LSB位得到的結(jié)果記為將得到的分塊重新組合，即可得到嵌入水印后的圖像

13P.W.Wong水印算法的流程水印提取過(guò)程任何人可以用公鑰對(duì)圖像的LSB進(jìn)行解密解密結(jié)果與水印做異或，得到’以和M,N為參數(shù)，進(jìn)行hash運(yùn)算，得到由于在進(jìn)行hash運(yùn)算的時(shí)候?qū)D像的尺寸作為參數(shù)，該水印對(duì)圖像尺寸的改變顯然具有敏感性由于hash函數(shù)的特殊性，任何圖像象素值的改變都會(huì)在檢測(cè)后水印圖像的相應(yīng)位置上得到體現(xiàn)

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圖像內(nèi)容級(jí)認(rèn)證的水印算法

用于圖像內(nèi)容級(jí)認(rèn)證的數(shù)字水印系統(tǒng)屬于半脆弱水印

與JPEG相結(jié)合的半脆弱數(shù)字水印算法：這類水印認(rèn)證算法一般是根據(jù)JPEG編、解碼器的特點(diǎn)而設(shè)計(jì)的,故水印算法通常對(duì)JPEG壓縮具有較好的魯棒性,而對(duì)其他的圖像操作反應(yīng)敏感

從魯棒水印算法演變而來(lái)的半脆弱水印算法：該類算法主要是借鑒魯棒圖像水印算法的一些經(jīng)典方法(如擴(kuò)頻水印、提取圖像重要特征生成水印等)來(lái)設(shè)計(jì)相應(yīng)的認(rèn)證算法

15基于視覺(jué)掩蔽模型的半脆弱水印算法將人眼視覺(jué)掩蔽模型應(yīng)用于數(shù)字水印系統(tǒng)，會(huì)使嵌入水印后的圖像具有更好的主觀視覺(jué)質(zhì)量

基于小波域的半脆弱水印算法由于小波變換是一種空間—頻率分析方法，能同時(shí)反映圖像的空間位置和頻率小波變化的局部化作用能夠檢測(cè)到圖像被篡改的區(qū)域小波變換的頻率域則反映了被篡改的尺度（頻帶）16基于離散小波變換的用于彩色圖像的內(nèi)容級(jí)認(rèn)證水印算法

水印嵌入流程

原始圖像小波變換水印信息嵌入水印小波逆變換含水印圖像小波系數(shù)塊選擇小波系數(shù)分塊量化參數(shù)17嵌入過(guò)程對(duì)原始圖像進(jìn)行L級(jí)的離散小波變換通過(guò)密鑰選擇每層的水平、垂直和對(duì)角線三個(gè)圖像塊的系數(shù)上嵌入水印嵌入算法（均值量化、系數(shù)量化、等等）1819篡改檢測(cè)（水印提取）對(duì)水印圖像進(jìn)行L級(jí)的離散小波變換根據(jù)密鑰確定水印嵌入位置，提取水印對(duì)提取的水印與原水印進(jìn)行比較小波變換水印信息水印檢測(cè)含水印圖像嵌入水印的位置對(duì)各級(jí)小波系數(shù)分塊量化參數(shù)失真檢測(cè)20各級(jí)小波變換對(duì)應(yīng)了不同的尺度（頻率）根據(jù)不同級(jí)別上水印改變的程度判斷是惡意篡改還是偶然篡改定義每一級(jí)的篡改程度21例

原始圖像含水印圖像22實(shí)驗(yàn)：JPEG有損壓縮

不同JPEG壓縮比下篡改率JPEG壓縮質(zhì)量9080706000.02510.14090.24860000.01250000.00780000第一級(jí)第二級(jí)第三級(jí)第四級(jí)結(jié)論：當(dāng)壓縮質(zhì)量為60時(shí)，圖像的低頻部分的篡改率仍為0，認(rèn)為是可信的。即該算法能夠抵抗JPEG壓縮

23實(shí)驗(yàn)：局部篡改24不同小波層上進(jìn)行失真檢測(cè)的結(jié)果第一層

第二層25

第三層

第四層結(jié)論：該算法能夠區(qū)分常用的圖像處理操作和惡意攻擊，并且能很好地定位出圖像的篡改位置

不同小波層上對(duì)圖進(jìn)行失真檢測(cè)的結(jié)果

26半脆弱水?。ɡ?728自嵌入水?。ɡ╝）塊B1被壓縮后隱藏到塊B2的LSB中29自嵌入水?。ɡ╞）車牌部分被調(diào)換30自嵌入水?。ɡ╟）提取并恢復(fù)后的圖像（車牌被改正過(guò)來(lái)）31自嵌入數(shù)字水印技術(shù)提取原始載體的特征形成水印，并將其嵌入到原始載體中可實(shí)現(xiàn)原始載體的篡改檢測(cè)、篡改定位和篡改區(qū)域內(nèi)容自恢復(fù)識(shí)別水印篡改和內(nèi)容篡改32自嵌入脆弱數(shù)字水印系統(tǒng)的框架33自嵌入脆弱認(rèn)證水印算法

——基于奇異值分解和混沌映射認(rèn)證水印產(chǎn)生及嵌入注：不是將認(rèn)證水印序列嵌入在自身塊的LSB，而是將其嵌入在相應(yīng)映射塊的LSB。這樣，不同子塊之間形成一定關(guān)系，可以有效抵抗拼貼攻擊34篡改檢測(cè)及定位過(guò)程35實(shí)驗(yàn)篡改圖像內(nèi)容（未改變LSB）篡改圖像定位圖像36篡改LSB（篡改水印）二值Jingwu圖像篡改圖像定位圖像37既篡改圖像內(nèi)容又篡改水印灰度Kids圖像篡改圖像定位圖像38拼貼攻擊將含水印圖像象素區(qū)域（47:76,87:106）剪切下來(lái)，替換象素區(qū)域（53:82,141:160）篡改圖像定位圖像39該算法特點(diǎn)：如果定位圖像上只存在白色點(diǎn)集中的區(qū)域，那么此時(shí)屬于篡改圖像內(nèi)容如果定位圖像上只存在隨機(jī)分布的孤立白色點(diǎn)，那么此時(shí)屬于篡改水印如果定位圖像上既存在白色點(diǎn)集中的區(qū)域又存在隨機(jī)分布的孤立白色點(diǎn)，那么此時(shí)屬于既篡改圖像內(nèi)容又篡改水印

40脆弱性水印的分類完全脆弱性水印水印能夠檢測(cè)出任何對(duì)圖像像素值進(jìn)行改變的操作或?qū)D像完整性的破壞半脆弱水印水印能夠允許圖像有一定的改變，它是在一定程度上的完整性檢驗(yàn)

圖像可視內(nèi)容鑒別水印對(duì)圖像的主要特征進(jìn)行真?zhèn)舞b別，即比前兩類水印更加穩(wěn)健自嵌入水印把圖像本身作為水印加入，不僅可以鑒別圖像的內(nèi)容，還可以部分恢復(fù)被修改的區(qū)域，保護(hù)隱私權(quán)41經(jīng)常不斷地學(xué)習(xí),你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量St