CN101236645A - 基于无损数字水印的图像篡改检测和定位方法 - Google Patents

Abstract

一种图像完整性认证技术领域的基于无损数字水印的图像篡改检测和定位方法，首先从图像中选择认证区域，对认证区域进行多层次划分，然后对每一层次子区域内的图像数据计算其认证码，将认证区域的描述信息，以及各子区域的认证信息添加到水印负荷中，采用具有区域选择性的无损数字水印方法嵌入到图像中；篡改检测和定位时，从水印负荷中读取认证区域的描述信息，在恢复后的图像上重构出认证区域，对认证区域进行多层次划分，并对每一层次子区域内的图像数据计算认证码，将其与水印负荷中提取出的对应子区域的认证码进行比较，确定篡改发生的区域。本发明中任何在非嵌入区域内的篡改均不影响水印信息的正确提取。

Description

基于无损数字水印的图像篡改检测和定位方法

技术领域

本发明涉及一种图像处理技术领域的方法，具体是一种基于无损数字水印的图像篡改检测和定位方法。

背景技术

利用现有的技术手段可以很容易地对数字化的图像数据进行篡改，单纯依靠人眼很难判断图像是否被篡改。图像的完整性认证和篡改检测变得越来越重要。传统的基于密码学的完整性认证是通过计算数据的认证码来进行的。认证码可以是由密钥控制的杂凑函数，即消息认证码，也可以是对杂凑函数采用非对称加密体制计算得到的数字签名。其中，杂凑函数是将任意长的数字串映射成一个较短的定长输出数字串的函数。利用传统的基于密码学的完整性认证，通常是将图像数据的消息认证码或数字签名放在文件头里，如医学数字图像通讯标准(DICOM)格式文件头。然而，当图像文件格式发生转化时，DICOM文件头里的认证信息会丢失掉。数字水印技术是直接将附加信息嵌入到图像本身，单凭人眼察觉不出水印信息的存在。利用数字水印技术对图像的完整性进行认证时，通常是把将图像数据的消息认证码或数字签名，称之为认证信息，直接嵌入在图像中。

无损数字水印(也称可逆水印)能够在提取水印信息后完全恢复原始图像，因而可以去掉嵌入水印带来的失真。无损数字水印解决了嵌入水印信息引起的失真问题，但现有的大多数无损数字水印方法丧失了传统的基于图像分块的数字水印方法所具备的篡改定位的功能。其原因在于，一些无损水印方法的水印容量太小，无法提供足够的篡改定位精度；而一些具有较大容量的无损水印方法对图像上任意一点微小的篡改非常敏感，即微小的篡改都可能导致水印解码错误，从而不能成功提取水印信息或对图像进行恢复。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利申请号为200710039128.9，专利名称为“具有区域选择性的无损数字水印方法”，该专利提出了一种大容量的无损水印方法，将水印的嵌入区域选择在图像的感兴趣区域之外，嵌入水印引起的失真也被限制在感兴趣区域之外，因而加过水印的图像可以直接应用于医学诊断，不需要每次都要进行水印信息的提取和原始图像的恢复。如果对图像的篡改发生在嵌入区域之外，均不会影响水印信息的正确提取。由于嵌入区域的面积相对于整个图像较小，由于篡改而导致不能正确提取水印信息和恢复原始图像的概率相对较低。如果水印的嵌入区域在图像的感兴趣区域之外，而篡改发生在感兴趣区域之内，则水印信息总能正确提取。

经检索还发现，M.Celik等在《IEEE Transaction on Image Processing，vol.15，pp.1042-1049，2006》(IEEE图像处理分刊，2006年第15期第1042-1049页)上发表的“Lossless watermarking for image authentication：A new framework and animplementation”(无损数字水印应用于图像认证：一种新框架和实现)，该文中提出了一种将传统的基于图像分块认证的有损水印系统和另外一种无损水印系统结合起来的新框架，可实现篡改定位和无失真恢复原始图像的功能。其不足之处在于：由于嵌入水印引起的失真源自两种水印系统，水印失真幅度常常比较高，并且嵌入水印引起的失真很难限制在感兴趣区域之外。如果该框架应用于医学图像等领域，为了保证感兴趣区域内的图像数据不因嵌入水印引起的失真而影响医学诊断的精确性，水印信息的提取和原始图像的恢复不得不每次都要进行，这给实际应用带来很大的不便。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种基于无损数字水印方法的图像篡改检测和定位的方法，使其利用具有区域选择性的无损数字水印方法，直接将用于篡改检测的图像的局部认证信息作为水印负荷的一部分嵌入到图像中，在不需要另一种传统的基于图像分块认证的有损水印系统的情况下，能够同时实现篡改定位和无失真恢复原始图像的功能。同时，由于水印的嵌入能有意识地避开感兴趣区域，从而不会对感兴趣区域内的图像数据造成失真。如果应用于医学领域，加过水印的图像可以直接应用于医学诊断，不需要每次都进行水印信息的提取和原始图像的恢复步骤，这给实际应用带来很大方便。

本发明是通过如下技术方案实现的，本发明包括如下步骤：

步骤一，从图像中选择认证区域，对认证区域进行多层次划分；

所述认证区域，是指整个原始图像，或者是原始图像的一部分，认证区域的形状是矩形，或者是多边形，认证区域的选取可由人工在图像上选取，也可以事先自动设置。

所述进行多层次划分，是指将认证区域划分为具有多层次结构的子区域，从最顶层开始，将认证区域划分为互不重叠的子区域，然后对子区域进行进一步的划分，形成一个多层次结构；对于矩形区域，将它不断地划分为四个互不重叠的子矩形区域；对于多边形区域，先将它划分为互不重叠的三角形区域，然后将三角形区域不断地划分为三个互不重叠的子三角形区域。

步骤二，认证信息的产生和嵌入；

对多层次结构中的每一个子区域内的图像数据计算其用于完整性认证的认证码，从最顶级开始，按照从高级到低级的原则，以及事先设定的空间扫描顺序将每个子区域的认证码依次串接起来，得到图像的局部认证信息，并采用具有区域选择性的无损数字水印方法中的水印嵌入过程，将认证区域的描述信息和图像的局部认证信息添加到水印负荷中，进行水印信息的嵌入。

步骤三，认证信息的提取和篡改检测及定位；

采用具有区域选择性的无损数字水印方法中的水印提取和原始图像的恢复过程，将认证区域的描述信息和图像的局部认证信息从水印负荷中提取出来，在恢复后的图像上重构出认证区域，按照与嵌入过程相同的方法对认证区域进行多层次划分，并对每一层次子区域内的图像数据计算其认证码，将其与水印负荷中提取出的对应子区域的认证码进行比较，如果两者完全匹配，则表示该区域内图像数据没有被篡改；如果两者不匹配，表示该区域内图像数据已被篡改，对被篡改的区域内的子区域进行一步认证并加以标示，直到所有提取的认证信息比较完毕。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明中任何在非嵌入区域内的篡改均不影响水印信息的正确提取；由于嵌入区域相对较小，由于篡改而导致不能正确提取水印信息和恢复图像的概率相对较低。本发明能够适用于对信息的失真非常敏感的领域，如医学图像、军事图像等，可用于图像的完整性认证、篡改检测和定位。

附图说明

图1为本发明的认证区域为矩形区域时的多层次划分示意图

其中：(a)为1级原始矩形区域；(b)为2级划分结果；(c)为3级划分结果；(d)为4级划分结果。

图2为本发明的认证区域为多边形区域时的多层次划分示意图

其中：(a)为1级原始五边形区域；(b)为2级划分结果；(c)为3级划分结果；(d)为4级划分结果。

图3为本发明的实施例的篡改检测和定位效果图

其中：(a)为原始医学超声图像；(b)为加过水印的图像，其中白色的三个四边形为嵌入区域的轮廓；(c)为篡改过的图像，其中图像的中央部分的一些像素被人为替换为两个黑色小方块，图像右上角的日期由原来的“2000/09/29”人为改为“2000/09/20”；(d)为当整个图像作为认证区域时的篡改定位结果；(e)为当一个矩形区域作为认证区域时的篡改定位结果；(f)为当一个多边形区域作为认证区域时的篡改定位结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例以图3(a)所示的医学超声图像作为原始图像，进行篡改检测和定位，包括如下具体步骤：

步骤一，认证区域的选取和多层次划分：认证区域指的是图像中需要进行认证的区域，它可以是整个原始图像〔如图3(d)〕，也可以是图像的一部分〔如图3(e-f)〕，认证区域的形状可以是矩形〔如图3(e)〕，也可以是由人工勾勒出的多边形区域〔如图3(f)〕。认证区域的选取可以由人工选取，也可以事先自动设置。选取认证区域后，将认证区域划分为互不重叠的子区域，认证区域的划分按照多层次结构来进行，从最顶层开始，将图像数据划分为互不重叠的子区域，然后对子区域进行进一步的划分，形成一个多层次结构。

以下针对认证区域是矩形区域和多边形区域两种情况分别说明多层次划分结构。

在图1中，矩形区域X〔如图1(a)〕被不断划分为2×2个互不重叠的子矩形区域。用X_ij ^l表示多层次结构中的子矩形区域，其中下标ij表示该子矩形区域所处的空间位置，l表示该子矩形区域所处的级数，总的级数用L来表示。图1中，总的级数为4，图1(b-d)分别为2、3和4级划分的结果。子矩形区域X_ij ^l是由级数为l+1上的2×2个子矩形区域组成，该多层次结构可以表示为：

$\left[\begin{array}{cc}{X}_{2i,2j}^{l+1}& X_{2i,2j+1}^{l+1}\\ X_{2i+\mathrm{1,2}j}^{l+1}& X_{2i+\mathrm{1,2}j+1}^{l+1}\end{array}\right]=X_{\mathrm{ij}}^l,l\∈\{\mathrm{2,3},\·\·\·,L-1\}$

在最顶级，即第1级，只有一个原始矩形区域，即 $X_{00}^1=X,$ 见图1(a)。对于给定的矩形区域，所有级数低于它并且属于它的所有子矩形区域的集合，称为其子孙。

图2中，多边形区域X〔如图2(a)〕首先被划分为互不重叠的三角形区域，然后每一个三角形区域被进一步划分为三个子三角形区域。图2中，总的级数同样为4，图2(b-d)分别为2、3和4级划分的结果。用X_i ^l表示多层次结构中的子区域，其中下标i表示该子区域所在的空间顺序，扫描的顺序由事先设定，如光栅扫描顺序。该多层次结构可以表示为：

$\left[\begin{array}{ccc}{X}_{3i}^{l+1}& X_{3i+1}^{l+1}& X_{3i+2}^{l+1}\end{array}\right]=X_i^l,l\∈\{\mathrm{3,4},\·\·\·,L-1\}$

对于图中的五边形区域，在2级层次上分解为三个子三角形区域{X₀ ²，X₁ ²，X₂ ²}。一般来说，具有n个顶点的多边形区域可以分解为n-2个互不重叠的三角形区域。在最顶级，即第1级，只有一个原始多边形区域，即 $X_0^1=X,$ 参见图2(a)。需要指出的是，还存在其它的方式对多边形区域进行划分，例如，具有n个顶点的多边形区域可以划分为n个互不重叠的子三角形区域，让该多边形的中心作为所有子三角形共同的顶点。

步骤二，认证信息的产生和嵌入：认证信息的产生包括对所划分的区域内图像数据的用于完整性认证的认证码的计算，图像数据包括像素值的所有位信息(也包括最低比特位信息)。

所述认证信息的产生，对于矩形认证区域，具体为：先计算每一个子矩形区域X_ij ^l内的图像数据的杂凑值H_ij ^l，然后计算其消息认证码S_ij ^l，其中，H_ij ^l和S_ij ^l的下标ij表示所计算的子区域所处的空间位置，上标l表示所计算的子区域所处的级数，总的级数仍用L表示，l∈{1，2，…，L}，S_ij ^l表示第l级图像中空间位置为(i，j)的图像块的认证码，上述过程可以用公式表示为：对于l∈{1，2，…，L}

$H_{\mathrm{ij}}^l=H\left(X_{\mathrm{ij}}^l\right)$

$S_{\mathrm{ij}}^l=S(H_{\mathrm{ij}}^l,K)$

其中，H(·)为杂凑函数，采用128比特的MD5(Message-Digest Algorithm 5，消息摘要方法5)杂凑函数，S(·)为消息认证函数，采用64比特的HMAC(用于消息认证的密钥控制的杂凑)函数，K为认证用的密钥，其它的杂凑函数和消息认证函数也可以根据实际需要采用。

认证信息的产生对于多边形区域，其过程与矩形区域相同，区别只在多层次结构的形成。

所述认证区域，其描述信息用符号R_A来表示，在描述信息中只记录顶点的数目和顶点的坐标值来描述一个多边形区域或矩形区域，描述该区域所需的比特数为‖R_A‖＝‖n_v‖+n_v×‖(x，y)‖，其中符号‖x‖表示用来描述x所需的比特数，n_v表示顶点的数目，(x，y)表示顶点的坐标值，通过R_A可以完全重构出认证区域。对于一个1024×1024大小的图像，描述一个顶点的纵坐标和横坐标各需要10比特。如果没有选取认证区域，则默认为整个图像为认证区域。

所述认证信息，其比特流用S来表示，包括认证区域的描述信息，以及对该区域进行多层次划分所得到的所有子区域的认证信息。从最顶级开始，按照从高级到低级的原则，以及事先设定的扫描顺序将每个子区域的认证码依次加入到S中，即：

$S=R_A\⊕S_{00}^1\⊕S_{00}^2\⊕S_{01}^2\⊕S_{10}^2\⊕S_{11}^2\·\·\·\⊕S_{\mathrm{ij}}^l$

其中，符号表示比特的串接，S₀₀ ¹表示第一级图像的认证码，如图1(a)，S₀₀ ²表示第二级图像左上部分的认证码，S₀₁ ²表示第二级图像右上部分的认证码，S₁₀ ²表示第二级图像左下部分的认证码，S₁₁ ²表示第二级图像右下部分的认证码，如图1(b)。

假定给定的水印负荷为P，水印负荷P包括附加信息D、原始图像的数字签名DS以及局部认证信息S，即P＝DDSS。

所述原始图像的数字签名DS，具体为：首先计算原始图像的杂凑值，然后对该杂凑值进行加密，采用RSA(Rivest-Shamir-Adleman，一种以三位科学家人名字母缩写命名的算法)非对称加密体制，利用用户的私有密钥对杂凑值加密得到数字签名DS。

所述认证信息的嵌入，采用具有区域选择性的无损数字水印方法的水印嵌入过程，将含有认证区域的描述信息和图像的局部认证信息的水印负荷嵌入到图像中，完成认证信息的嵌入。

所述认证信息的嵌入，其嵌入区域的选择准则是尽可能地避开感兴趣区域，以减少嵌入水印信息引起的失真对图像的感兴趣区域带来的影响。如果水印嵌入区域选择在图像的感兴趣区域之外，嵌入水印信息引起的失真就不会影响感兴趣区域内的图像质量。如图3(b)为嵌入了原始图像的数字签名以及局部认证信息的图像，其中包括原始图像的杂凑值“6cac2ace305cea4937a4922647137091”。图中白色的三个四边形为嵌入区域的轮廓，水印引起的失真仅仅局限在这些四边形区域内，而在图像的感兴趣区域之内没有引起失真。

步骤三，认证信息的提取和篡改检测及定位：采用具有区域选择性的无损数字水印方法的水印提取和原始图像的恢复过程，将认证区域的描述信息和图像的局部认证信息从水印负荷中提取出来，具体如下：首先从水印负荷中提取整个图像的数字签名，利用用户的公有密钥对数字签名采用RSA非对称加密体制进行解密得到关于原始图像的杂凑值，然后对恢复后的图像重新计算其杂凑值，将它与解密得到的杂凑值进行比较，如果两者完全匹配，表明整个图像没有篡改，图像的完整性得到确认，不需要进行进一步的篡改检测；如果两者不匹配，表明图像的一些部分已被篡改，则进行下一步的篡改检测和定位。

在图3(c)中，将加过水印的图像〔如图3(b)〕的感兴趣区域的中央部分的一些像素人为替换为两个黑色小方块(为了便于区分和显示)，并将图像右上角的日期由原来的“2000/09/29”人为改为“2000/09/20”然后对图3(c)进行水印的提取和原始图像的恢复。原始图像的杂凑值“6cac2ace305cea4937a4922647137091”以及其它水印信息均能无误地提取。恢复后的图像计算其杂凑值，得到“8fe45d3f834478da838abd413c 431e63”，与提取出的原始图像的杂凑值不匹配，表示图像已被篡改，则进行下一步的篡改检测和定位。

篡改检测和定位时，首先从水印负荷中提取局部认证信息，从中提取认证区域的描述信息，在恢复后的图像中重构出认证区域。如果没有指定认证区域，则认为整个图像为认证区域，参见图3(d)所示的整个图像为认证区域。图3(e)所示的为一个矩形区域指定为认证区域，而图3(f)所示的为一个五边形区域指定为认证区域。按照与嵌入过程相同的方法进行多层次划分，并对每一层次的子区域内的图像数据计算认证码，将其与从水印负荷中提取的认证码进行比较。如果两者完全匹配，则表示该区域内的图像数据没有被篡改，其子孙不需要进行进一步比较；如果两者不匹配，表示该区域内图像数据已被篡改。继续对被篡改的区域内的子区域进行一步认证，直到所有提取的认证信息比较完毕。在图3(d-f)中，阴影的颜色表示可信度，颜色浅的表示可信度高，颜色深的表示可信度弱。图3(d)中三处篡改被三个颜色最深的子矩形所定位。图3(e)中，认证区域内的两处篡改被两个颜色最深的子矩形所定位。图3(f)中，五边形区域内的一处篡改被一个颜色最深的三角形所定位。

因为杂凑函数对图像中任何数据的改动均十分敏感，因此，利用该认证机制，能够检测出图像中任意一个数据的篡改，其中也包括图像的最低比特位平面内的数据。同时，由于本实施例利用具有区域选择性的无损数字水印方法进行水印的嵌入和提取，可以把嵌入水印引起的失真控制在感兴趣区域之外，不需要每次都进行水印信息的提取和原始图像的恢复步骤，水印信息的提取和原始图像的恢复只是在需要时才进行。任何在非嵌入区域或感兴趣区域之内的篡改均不影响水印信息的正确提取，从而不会影响篡改检测和定位。

Claims (8)

1、一种基于无损数字水印的图像篡改检测和定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，从图像中选择认证区域，对认证区域进行多层次划分，划分为具有多层次结构的子区域；

步骤二，认证信息的产生和嵌入，对多层次结构中的每一个子区域内的图像数据计算其用于完整性认证的认证码，从最顶级开始，按照从高级到低级的原则，以及事先设定的空间扫描顺序将每个子区域的认证信息依次串接起来，得到图像的局部认证信息，并采用具有区域选择性的无损数字水印方法中的水印嵌入过程，将认证区域的描述信息和图像的局部认证信息添加到水印负荷中，进行水印信息的嵌入；

步骤三，认证信息的提取和篡改检测及定位，采用具有区域选择性的无损数字水印方法中的水印提取和原始图像的恢复过程，将认证区域的描述信息和图像的局部认证信息从水印负荷中提取出来，从恢复后的图像中重构出认证区域，按照与嵌入过程相同的方法对认证区域进行多层次划分，并对每一层次子区域内的图像数据计算其认证码，将其与水印负荷中提取出的对应子区域的认证码进行比较，如果两个认证码完全匹配，则表示该区域内图像数据没有被篡改；否则表示该区域内图像数据已被篡改，对被篡改的区域内的子区域进行一步认证并加以标示，直到所有提取的认证信息比较完毕。

2、根据权利要求1所述的基于无损数字水印的图像篡改检测和定位方法，其特征是，所述认证区域是指整个原始图像，或者是原始图像的一部分，认证区域的形状是矩形，或者是多边形，认证区域的选取由人工在图像上选取，或事先自动设置。

3、根据权利要求1所述的基于无损数字水印的图像篡改检测和定位方法，其特征是，所述进行多层次划分，是指将认证区域划分为具有多层次结构的子区域，从最顶层开始，将认证区域划分为互不重叠的子区域，然后对子区域进行进一步的划分，形成一个多层次结构；对于矩形区域，将它不断地划分为四个互不重叠的子矩形区域；对于多边形区域，先将它划分为互不重叠的三角形区域，然后将三角形区域不断地划分为三个互不重叠的子三角形区域。

4、根据权利要求1所述的基于无损数字水印的图像篡改检测和定位方法，其特征是，所述的认证信息的产生和嵌入中的图像数据，是指包括像素值的所有位信息的图像数据，包括最低比特位的信息。

5、根据权利要求1所述的基于无损数字水印的图像篡改检测和定位方法，其特征是，所述认证信息的产生，对于矩形认证区域，具体为：先计算每一个子矩形区域X_ij ^l内的图像数据的杂凑值H_ij ^l，然后计算其消息认证码S_ij ^l，其中，H_ij ^l和S_ij ^l的下标ij表示所计算的子区域所处的空间位置，上标l表示所计算的子区域所处的级数，总的级数用L表示，l∈{1，2，…，L}，S_ij ^l表示第l级图像中空间位置为(i，j)的图像块的认证码；

认证信息的产生对于多边形区域，其过程与矩形区域相同，区别只在多层次结构的形成。

6、根据权利要求1所述的基于无损数字水印的图像篡改检测和定位方法，其特征是，所述的认证信息的嵌入，采用具有区域选择性的无损数字水印方法的水印嵌入过程，其嵌入区域的选择准则是尽可能地避开感兴趣区域，减少嵌入水印信息引起的失真对图像的感兴趣区域带来的影响。

7、根据权利要求1所述的基于无损数字水印的图像篡改检测和定位方法，其特征是，所述认证区域的描述信息，用R_A来表示，在描述信息中只记录顶点的数目和顶点的坐标值来描述一个多边形区域或矩形区域，描述该区域所需的比特数为‖R_A‖＝‖n_v‖+n_v×‖(x，y)‖，其中符号‖x‖表示用来描述x所需的比特数，n_v表示顶点的数目，(x，y)表示顶点的坐标值，通过R_A能完全重构出认证区域。

8、根据权利要求1、4、5、6其中之一所述的基于无损数字水印的图像篡改检测和定位方法，其特征是，所述认证信息，其比特流用S来表示，包括认证区域的描述信息，以及对该区域进行多层次划分所得到的所有子区域的认证信息，从最顶级开始，按照从高级到低级的原则，以及事先设定的扫描顺序将每个子区域的认证码依次加入到S中，即：

$S=R_A\⊕S_{00}^1\⊕S_{00}^2\⊕S_{01}^2\⊕S_{10}^2\⊕S_{11}^2\·\·\·\⊕S_{\mathrm{ij}}^l$

其中，符号表示比特的串接，R_A为认证区域的描述信息，S_ij ^l为消息认证码，S₀₀ ¹表示第一级图像的认证码，S₀₀ ²表示第二级图像左上部分的认证码，S₀₁ ²表示第二级图像右上部分的认证码，S₁₀ ²表示第二级图像左下部分的认证码，S₁₁ ²表示第二级图像右下部分的认证码。

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