CN101059863A - 一种认证水印的嵌入与检测方法及其系统和用途 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种认证水印的嵌入与检测方法及其系统和用途。该发明中的嵌入方法主要包含数字指纹的计算过程和数字指纹的嵌入过程，内容是利用一种基于“量化块均值”的数字指纹，生成认证水印序列，再将认证水印的信息嵌入到图像块中，生成带认证水印的数字影像。该发明中的检测方法包括完整性认证和篡改定位，内容是通过提取出认证水印信息，将认证水印中的数字指纹和二值随机序列分离出来，然后通过验证这些数据来实现完整性认证与篡改定位。本发明的优点在于：本发明及其系统可以对有损压缩之后的数字影像进行篡改检测，定位精度高；运算速度快，算法的所有操作均在时域中完成；系统安全性高，可以抵抗替代攻击，矢量量化攻击，拚图攻击和测试攻击等典型攻击。

Description

一种认证水印的嵌入与检测方法及其系统和用途

技术领域：

本发明有关计算机数字图像处理与识别，特别涉及一种基于数字指纹的认证水印的嵌入与检测方法及其系统和用途。

背景技术：

计算机技术的发展和互联网的普及使数字化的图像、单据、文件或者档案得以广泛应用在很多电子商务和电子政务的重要业务中，比如说银行的票据截留业务[1]，税务部门的增值税票的认证业务[2]，档案管理部门的电子档案业务[3]等等。在这些应用中，纸质的银行支票、增值税票、文件以及书籍被扫描或者拍照，转换成数字影像，从而实现在业务流程中对于纸质原本的替代功能。数字影像具有传输快捷、海量存贮和方便管理等一系列优点，但是数字影像往往很容易被恶意篡改，造假者可以利用常用的数字图像处理工具没有痕迹的更改数字影像的内容，并且利用网络传输的漏洞，将伪造的或者篡改之后的数字影像替代原有正常的数字影像。因此，对于数字化的电子票据，电子表单和电子档案的内容完整性认证以及篡改检测技术，对于电子商务和电子政务的应用和推广，起到至关重要的作用。

众所周知，电子签名技术可以实现对于电子数据的完整性认证，但是电子签名技术不能直接应用在数字影像的完整性认证上，因为1)数字影像常常被存储为有损压缩的格式，比如将扫描的图像从TIF转换成JPEG，这样的压缩不改变数字影像的内容，但是改变了数字影像存贮的电子数据。如果直接采用电子签名的方法，将产生认证错误；2)电子签名的认证信息往往独立于数字影像的内容保存，如果数字影像的格式转变，将造成电子签名信息的丢失；3)电子签名技术无法实现对于数字影像的篡改定位。

数字水印技术是指在数字图像中加入不可见或者隐约可见的版权信息或者认证信息，这样，数字图像的认证可以通过提取其中的版权信息和认证信息实现。数字水印技术分为鲁棒型和脆弱型两类，鲁棒型指作为水印嵌入的版权信息可以抵抗图像的各种变换，比如平移、旋转、剪切、滤波、或者是恶意的更改、涂抹等；脆弱型指作为水印嵌入的认证信息对于图像的各种变换敏感，即一旦图像有了变化，认证的水印信息也相应的产生变化，并且将篡改的区域标识出来。脆弱型水印的这种特性决定了这种技术比较适合数字影像的完整性认证。

目前，已经有一些先例利用脆弱型水印实现数字影像的完整性认证，比如，Yeung和Mintzer提出的二值查找表的方法[参考1]及其几个变体[参考2][参考3]，Wong提出的分块数字签名的方法[参考4]及其几个变体[参考5][参考6][参考7][参考8]。这些方法可以实现一定程度上的数字影像认证以及篡改定位，但是它们均不能抵抗数字影像的有损压缩，比如，当对数字影像进行JPEG压缩之后，尽管图像的内容没有变化，但是以上方法都会认证失败。因此，有些方法尝试找到一些对应JPEG压缩不变的频率特征，对这些特征加入认证水印信息，从而实现一种能够抵抗JPEG压缩的脆弱型水印[参考9]，此类方法的缺点是运算量大，并且比较依赖于特定的图像压缩格式。

具体的参考文献有如下

1.M.Yeung and F.Minzter，“An Invisible Watermarking technique for image verification，”inProc.IEEE Intl.Conf.Image Processing，vol.1，Santa Barbara，USA，October 1997，pp.680-683.

2.N.Memon，S.Shende，and P.W.Wong，“On the security of the Yeung-Mintzer authenticationwatermark”，inProc.of the IS & T PICS Symposium，Savannah，Georgia，March 1999.

3.J.Fridrich，M.Goljan，and A.C.Baldoza，“New fragile authentication watermark for images”，in Proc.IFEE Int’l Conf.Image Processing，2000，pp：446-449.

4.P.W.Wong，“A Public Key Watermark for Image Verification and Authentication，”in Proc.IEEE Intl.Conf.Image Processing，vol.I，Chicago，USA，October 1998，pp.455-459.

5.M.Holliman and N.Memon，“Counterfeiting attacks on obvious blockwise independentinvisible watermarking schemes”，IEEE Trans.Image Processing，vol.9，no.3，pp：432-441，2000.

6.J.Fridrich，“Security of fragile authentication watermarks with localization，”in Proc.SPIEPhotonic West，vol.4675，Electronic Imaging 2002，Security and Watermarking ofMultimedia Contents，2002，pp.691-700.

7.D.Coppersmith，F.Mintzer，C.Tresser，C.W.Wu，and M.M.Yeung，“Fragile imperceptibledigital watermark with privacy control，”in Proc.SPIE/IS&T Int.Symp.Electronic Imaging：Science and Technology，San Jose，CA，1999，vo.3657，pp.79-84.

8.M.U.Celik，G.Sharma，E.Saber，and A.M.Tekalp，“A hierarchical image authenticationwatermark with improved localization and security，”in Proc.IEEE Int.Conf.ImageProcessing，2001，vol.2，pp.502-505.

9.J.Zhao and E.Koch，“Embedding robust labels into images for copyright protection，”inIntellectural Property Rights New Technologies，Proc.KnowRight’95 Conf.，1995，pp.242-251.

10.J.Fridrich，M.Goljan，and N.Memon，“Further attacks on Yeung-Mintzer fragilewatermarking scheme，”in Proc.SPIE Photonic West，Electronic Imaging 2000，Security andWatermarking of Multimedia Contents，San Jose，CA，Jan，24-26，2000，pp.428-437.

发明内容：

本发明的一个目的是提供一种基于数字指纹的认证水印的嵌入与检测方法。其中，嵌入方法是将输入的图像分块，计算该图像的数字指纹，生成认证水印序列，再将认证水印的信息嵌入到图像块中，生成带认证水印的数字影像。而对嵌入的认证水印的检测方法，具体包括完整性认证和篡改定位。

本发明的另一个目的是提供一种基于数字指纹的认证水印的嵌入与检测方法的系统。

用于实现该方法所述的功能。

为达到上述方法中所述的目的，本发明主要利用基于“量化块均值”的数字指纹技术通过下述技术方案加以实现。

该认证水印的嵌入方法步骤主要包含数字指纹的计算过程和数字指纹的嵌入过程：

数字指纹的计算过程依次包括：

1]计算每个图像块的均值；

2]按照特定的量化表量化均值；

3]提取摘要信息；

4]加密；

其特征在于：

1]先将数字影像均匀分成n×n大小的图像块(block)，对其中任何一个块计算其均值M_bi；

2]在一个预先定义好的2D查找表中找到其对应的量化值Q_bi＝Lut(M_bi)；

3]将Q_bi的最后一位(LSB，Least Significant Bit)清零；

4]照此方法处理所有的图像块，得到一个量化均值的集合 $S={\left\{Q_{\mathrm{bi}}\right\}}_{i=1}^M,$ 其中M为图像块的总数；

5]对这个集合提取摘要 $H\left(S\right)={\left\{h_i\right\}}_{i=1}^L,(h_i\∈[\mathrm{0,1}\left]\right),$ L为摘要的长度，摘要提取算法可以采用shal，md5等方法；

6]对于生成的摘要使用密钥K加密，就得到数字指纹 $P=E_K\left(H\left(S\right)\right)={\left\{p_i\right\}}_{i=1}^M,(p_i\∈[\mathrm{0,1}\left]\right),$ M为数字指纹二值序列的长度(与图像块的总数相同)。加密的过程是，先利用密钥K生成一个长度为M的二值随机序列 $R={\left\{r_i\right\}}_{i=1}^M,(r_i\∈[\mathrm{0,1}\left]\right),$ 再用R对摘要H(S)进行循环异或操作得到P；

7]生成数字指纹；

数字指纹的嵌入过程依次包括：

1]读取每块对应的认证水印的位信息；

2]将位信息写入量化后块均值的LSB位；

3]按照的块均值调整块中的象素值；

其特征在于根据数字指纹计算过程所得到的数字指纹P，将P作为认证水印序列(长度为M)嵌入到图像块中，生成带认证水印的数字影像。

对于该嵌入的认证水印的检测过程，该检测方法包括完整性认证和篡改定位。其特征在于该方法是将图像分块，计算量化均值，之后提取出作为水印嵌入的数字指纹信息P′，同时计算出该水印图像的摘要 $H\left(S\right)\′={\left\{h_i^{\′}\right\}}_{i=1}^L,(h_i^{\′}\∈[\mathrm{0,1}\left]\right).$ 接着利用水印密钥K生成长度为M的二值随机序列 $R={\left\{r_i\right\}}_{i=1}^M,(r_i\∈[\mathrm{0,1}\left]\right),$ 再用R对P′进行异或操作，将异或的结果分成多个长度为L的数据段，通过投票法选择其中相同数目最多的数据段作为原始图像的摘要H(S)，进一步用R对摘要H(S)进行循环异或操作得到水印嵌入时的原始数字指纹P。这样可以通过对比H(S)和H(S)′实现图像的完整性认证，以及对比P和P′实现篡改定位。

为实现本发明以上所述方法的系统，该系统包括认证水印的嵌入系统与认证水印的检测系统。

对于认证水印的嵌入系统，该系统包含扫描仪、添加水印服务器、水印密钥K，其特征在于：

-扫描仪，该设备可以将原始票据的图像扫描进计算机，以便对图像之后加入认证水印作进一步处理。

-添加水印装置，该装置可以是带有独立操作系统和水印嵌入算法软件的计算机主机；也可以是带有独立操作系统和水印嵌入算法软件的嵌入式系统；用来将扫描仪扫描成数据的图像信息进行水印添加处理。

-水印密钥K，该装置可以由用户输入，也可以存贮在一个物理介质中。用户通过插入带水印密钥的key，才能对此图像提取数字指纹，并添加认证水印。

对于认证水印的检测系统，该系统包含认证水印服务器、水印密钥K，其特征在于：

-认证水印服务器，该装置可以是带有独立操作系统和认证算法软件的计算机主机；也可以是带有独立认证模块的嵌入式系统；用来对经过该认证水印加密底票据图像进行水印认证处理。

-水印密钥K，该装置可以由用户输入，也可以存贮在一个物理介质中。用户通过插入带水印密钥的key，才能实现认证，如果发现图像中有篡改则报警，并且确定和标识图像中被篡改的部位。

当然，由上述系统所构成的装置，其装置中添加水印模块和检测水印模块可以放置于一个计算机处理单元中，使其对扫描输入的图像进行水印添加操作，对输入的验证图像进行水印认证操作；且该处理单元可以是同时安装水印添加软件和水印检测软件的，带有独立操作系统的计算机主机，也可以是同时安装水印添加软件和水印检测软件的，带有独立操作系统的嵌入式系统。

本发明的有益效果为：本发明方法及其用来实现该方法的系统可以对数字影像进行完整性认证和篡改定位。其优点在于该方法基于数字指纹特征，可以准确的判断数字影像的完整性，如果数字影像被篡改，可以准确定位篡改区域。并且由于数字指纹特征只和图像的内容有关，对于不改变图像内容的各种格式(如JPEG、GIF、TIFF等常用格式)的图像压缩稳定，因此，数字影像的压缩不影响对应数字影像完整性的验证。此外由于数字指纹的提取在时域中完成，因此算法速度块，所占计算资源少。当然还有该算法安全性高，具体体现在：由于数字指纹的生成需要水印密钥，没有密钥的篡改者无法生成篡改后图像的数字指纹；检测时，如果没有密钥，篡改者也无法进行测试攻击[参考6]；由于认证水印基于数字指纹产生，导致每幅图嵌入的认证水印均不相同，因此篡改者很难找到两幅或者多幅具有相同数字指纹的图像，进行替代攻击[参考10]，矢量量化攻击和拚图攻击[参考10]。

附图说明：

图1为认证法水印的嵌入流程示意图。

图2为数字指纹的计算过程。

图3为数字指纹的嵌入过程。

图4为对于带水印的数字影像的验证过程的示意图。

图5一张票据加入认证水印前后影像的对比图。

图6为对影像进行篡改检测的示例图。

图7为认证水印的嵌入系统的示意图。

图8为认证水印的完整性检测以及篡改定位系统的示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步说明

图1为认证法水印的嵌入流程示意图。该过程主要涉及两个过程，即数字指纹的计算过程与数字指纹的嵌入过程。其具体实施过程为：首先将输入的数字图像分块，计算该图像的数字指纹，生成认证水印序列，再将认证水印的信息嵌入到图像块中，生成带认证水印的数字影像。

图2为上面所提到的认证法水印的嵌入流程中数字指纹的计算过程。其具体实施过程依次包括：1.计算每个图像块的均值；2.按照特定的量化表量化均值；3.提取摘要信息；4.加密；5.生成数字指纹；

图3为上面所提到的认证法水印的嵌入流程中数字指纹的嵌入过程。其具体实施过程依次包括：1.读取每块对应的认证水印的位信息；2.将位信息写入量化后块均值的LSB位；3.按照的块均值调整块中的象素值；

图5一张票据加入认证水印前后影像的对比图。图5a为原始的票据影像，图5b为加入认证水印后的票据影像。从图像表面观察，加入认证水印后的票据，其图象在文字与背景颜色上略淡于原始的票据。显然然很难分辨两张票据的分别。

上述内容均为本发明方法中所述的认证水印的嵌入过程的具体实施方式，以下内容为本发明方法中所述的认证水印的检测过程，即对数字影像进行完整性验证以及篡改定位。

图4为对于带水印的数字影像的验证过程。其具体实施过程为：

先将图像分块，计算量化均值，之后提取出作为水印嵌入的数字指纹信息P′，同时计算出该水印图像的数字摘要 $H\left(S\right)\′={\left\{h_i^{\′}\right\}}_{i=1}^L,(h_i^{\′}\∈[\mathrm{0,1}\left]\right).$ 接着利用水印密钥K生成长度为M的二值随机序列 $R={\left\{r_i\right\}}_{i=1}^M,(r_i\∈[\mathrm{0,1}\left]\right),$ 再用R对P′进行异或操作，将异或的结果分成多个长度为L的数据段，通过投票法选择其中相同数目最多的数据段作为原始图像的数字摘要H(S)，进一步用R对摘要H(S)进行循环异或操作得到水印嵌入时的原始数字指纹P。这样可以通过对比H(S)和H(S)′实现图像的完整性认证，以及对比P和P′实现篡改定位。

图6为对影像进行篡改定位的示例图。图6a表示对带有认证水印的票据影像进行篡改的地方。图6b为对带有认证水印的票据影像进行篡改检测所得到的结果。可以看出该支票的票面金额和日期都被恶意篡改，利用图像处理软件加以篡改的结果几乎肉眼察觉不到，对这样的支票图像进行篡改检测，可以有效的发现篡改区域，就是在图六中以“黑×”标识的区域。

图7为认证水印的嵌入系统的示意图。该系统包含扫描仪、添加水印服务器、水印密钥。在实际应用中票据通过扫描仪扫描至“添加水印服务器”，用户必须插入带水印密钥的key，才能对此图像提取数字指纹，并添加认证水印。

图8为认证水印的完整性检测以及篡改定位系统的示意图。该系统由一台认证水印服务器组成，在实际应用中也同样需要用户插入带水印密钥的key才能实现认证，如果发现图像中有篡改则报警。

本发明提供的一种基于数字指纹的认证水印的嵌入与检测方法及其系统不仅限于数字影像信息，同时也可以应用在数字音频流和视频流的完整性认证。对于银行的票据截留业务、增值税票的认证、电子档案的管理以及数码相片的管理等方面有着极为广阔的推广与应用前景。

Claims (16)

1、一种基于数字指纹的认证水印的嵌入方法，该嵌入方法主要包含数字指纹的计算过程和数字指纹的嵌入过程，内容是根据一种基于“量化块均值”的数字指纹，将输入的图像分块，计算该图像的数字指纹，将其作为认证水印嵌入到图像块中，从而生成带认证水印的数字影像，该方法中由数字指纹所得到的认证水印的嵌入的步骤为：

数字指纹的计算过程依次包括：

1]计算每个图像块的均值；

2]按照特定的量化表量化均值；

3]提取摘要信息；

4]加密；

5]生成数字指纹；

数字指纹的嵌入过程依次包括：

1]读取每块对应的认证水印的位信息；

2]将位信息写入量化后块均值的LSB位；

3]按照块均值调整图像块中的象素值；

2、根据权利要求1所述的嵌入方法，该方法中所包含的数字指纹计算过程，其特征为：

1]先将数字影像均匀分成n×n大小的图像块(block)，对其中任何一个块计算其均值M_bi；

2]在一个预先定义好的2D查找表中找到其对应的量化值Q_bi＝Lut(M_bi)；

3]将Q_bi的最后一位(LSB，Least Significant Bit)清零；

4]照此方法处理所有的图像块，得到一个量化均值的集合 $S={\left\{Q_{\mathrm{bi}}\right\}}_{i=1}^M,$ 其中M为图像块的总数；

5]对这个集合提取摘要，并且使用密钥K加密，就得到数字指纹 $P=E_K\left(H\left(S\right)\right)={\left\{p_i\right\}}_{i=1}^M,$ (p_i∈[0，1])，M为数字指纹二值序列的长度(与图像块的总数相同)；

3、根据权利要求1所述的嵌入方法，该方法中所包含的数字指纹嵌入过程，其特征为根据数字指纹计算过程所得到的数字指纹P，将P作为认证水印的信息嵌入到图像块中，生成带认证水印的数字影像。

4、根据权利要求1所述的嵌入方法，该方法中所述的认证水印基于图像的内容产生，可以抵抗不改变图像内容的无损压缩和有损压缩。

5、根据权利要求4所述的不改变图像内容的压缩，该压缩格式可以是JPEG、GIF、TIFF等常用格式。

6、一种基于数字指纹的认证水印的检测方法，其特征在于该检测方法包括完整性认证和篡改定位，具体过程是将图像分块，计算量化均值，之后提取出认证水印信息P′，再用密钥K解密，得到嵌入的原始图像摘要H(S)和嵌入的原始数字指纹P，然后计算该水印图像的图像摘要H(S)′，从而可以通过对比H(S)和H(S)′实现图像的完整性认证，以及对比P和P′实现篡改定位。

7、一种基于数字指纹的认证水印的嵌入方法的系统，该系统包含扫描仪、添加水印服务器、水印密钥K，其特征在于：

-扫描仪，该设备可以将原始票据的图像扫描进计算机，以便对图像之后加入认证水印作进一步处理。

-添加水印装置，该装置可以是带有独立操作系统和水印嵌入算法软件的计算机主机；也可以是带有独立操作系统和水印嵌入算法软件的嵌入式系统；用来将扫描仪扫描成数据的图像信息进行水印添加处理。

-水印密钥K，该装置可以由用户输入，也可以存贮在一个物理介质中。用户通过插入带水印密钥的key，才能对此图像提取数字指纹，并添加认证水印。

8、一种基于数字指纹的认证水印的检测方法的系统，该系统包含认证水印服务器、水印密钥K，其特征在于：

-认证水印服务器，该装置可以是带有独立操作系统和认证算法软件的计算机主机；也可以是带有独立认证模块的嵌入式系统；用来对经过该认证水印加密底票据图像进行水印认证处理。

-水印密钥K，该装置可以由用户输入，也可以存贮在一个物理介质中。用户通过插入带水印密钥的key，才能实现认证，如果发现图像中有篡改则报警，并且确定和标识图像中被篡改的部位。

9、一种基于数字指纹的认证水印的水印添加和水印检测的方法装置。其特征在于该装置中添加水印模块和检测水印模块可以放置于一个计算机处理单元中，使其对扫描输入的图像进行水印添加操作，对输入的验证图像进行水印认证操作；且该处理单元可以是同时安装水印添加软件和水印检测软件的，带有独立操作系统的计算机主机，也可以是同时安装水印添加软件和水印检测软件的，带有独立操作系统的嵌入式系统。

10、一种基于数字指纹的认证水印的嵌入方法，该方法能够用于数字影像上。

11、一种基于数字指纹的认证水印的嵌入方法，该方法能够用于数字音频流上。

12、一种基于数字指纹的认证水印的嵌入方法，该方法能够用于数字视频流上。

13、一种基于数字指纹的认证水印的认证方法，该方法能够用于数字影像上。

14、一种基于数字指纹的认证水印的认证方法，该方法能够用于数字音频流上。

15、一种基于数字指纹的认证水印的认证方法，该方法能够用于数字视频流上。

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