CN101866477B

CN101866477B - 一种图像完整性双重保护的数字盲水印方法

Info

Publication number: CN101866477B
Application number: CN2010101975513A
Authority: CN
Inventors: 陶亮; 孙同景; 李振华; 孙兴; 同玉洁
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2010-06-11
Filing date: 2010-06-11
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2030-06-11
Also published as: CN101866477A

Abstract

本发明涉及一种图像完整性双重认证的盲数字水印方法及装置，其方法包括嵌入数字水印、数字水印的提取和目标图像的完整性认证三个部分；嵌入数字水印包括原始图像的预处理及分块奇异值分解、水印图像的预处理及敏感奇异值的嵌入、水印的二维混沌置乱加密及水印的嵌入，最后形成带水印的参与质量认证和完整性证明的图像；图像完整性认证包括水印的提取与解密装置、奇异值提取及恢复装置和篡改检测与定位装置。本发明使用了较小矩阵奇异值对数值敏感的特性并加密，还使用了二维混沌序列加密，解决了现有盲水印方法鲁棒性与脆弱性、对数字图像的损伤与防篡改能力、算法复杂度与安全性之间的矛盾，并具有较好的篡改定位和来源区分能力。

Description

一种图像完整性双重保护的数字盲水印方法

技术领域

本发明属于信息安全、模式识别领域，尤其涉及一种图像完整性双重保护及版权免受损害的数字盲水印方法。

背景技术

在数字水印研究领域，有两个分支。一是以研究水印的鲁棒性为主，代表算法有离散小波变换法和离散余弦变换法及各种衍生算法，经过该类方法处理的水印，具有很好的鲁棒性，可以有效地抵抗剪裁、滤波、压缩等攻击，但是依然存在无法检测微小的篡改和区分篡改来源等问题，图像的峰值信噪比(PSNR：Peak Signal-to-Noise Ratio)也较低；二是以研究篡改定位，篡改检测能力为主，代表算法有最低显著位平面法及各种衍生算法，该类算法在检测篡改的基础上还能够对其进行定位，但是对几何攻击的鲁棒性较第一类算法有所不及。一直以来，大多科研机构对数字水印的研究主要中心放在前者上，主要目的是对图像内部的版权水印进行保护，即便最终图像遭到譬如切割、旋转、压缩等攻击，经过一定的算法处理，依旧可以提取出大致可以判断版权信息的水印图像。而以研究篡改定位和检测能力为主的方法，主要以脆弱水印为主，也就是说水印不具备很强的抗几何攻击能力，但是该类方法恰恰利用这个特点，能够检测原始图像数据上任何一个微小的篡改，优秀的方法还能对篡改进行定位来大体指示篡改所在的位置，并能够区分篡改是来源自图像数据，或水印，还是两者兼有。本方法属于后者。

数字水印也分为两种，一是具有固定大小和特征的版权水印图(如公司商标、签名等)；二是采用原图像的变换图(如低频系数、缩略图等)。其中后者主要以研究性质为主，实际应用价值较低；本发明使用的数字水印为前者。

由于数字图像比较容易遭到篡改，在对数字图像的质量认证和完整性证明(比如法律证据图像的完整性证明、无损探伤数字图像的质量认证等)的场合，必须要求目标图像存在加密水印信息，没有水印信息的图像视为无效图像。由于认证类图像只有完整性的要求，并没有抗切割、几何变换和压缩的需求，所以本方法利用水印对像素数值改变极为敏感的特点，来完成对图像的完整性保护，以适应认证需要。

该类水印加密技术要求：

(1)必须有效地检测图像数据的微小篡改，并对其进行定位；

(2)在没有获得正确密钥的情况下，无法完成提取和篡改版权信息，具有很高的安全性；

(3)可以区分篡改来源自图像数据还是版权信息；

(4)最大程度上保证了图像的峰值信噪比。

发明内容

本发明的目的就是为了解决现有技术存在的问题，提供一种图像完整性双重保护及版权免受损害的数字盲水印方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种图像完整性双重保护的数字盲水印方法，其特征是，该方法的步骤包括嵌入数字水印、数字水印的提取及目标图像的完整性认证；

第一部分为嵌入数字水印：包括原始图像的分块及奇异值分解，将得到的敏感奇异值序列嵌入水印图像，并对水印图像进行二维混沌置乱加密，将加密后的水印嵌入原始图像的相关最低显著位平面；

第二部分为数字水印的提取及目标图像的完整性认证：包括提取加密水印，利用密钥对水印进行解密和恢复，分离奇异值，提取的水印与原水印的相似度计算、敏感奇异值的变化分析、被篡改图像像素的检测与定位和篡改的来源分析；

其中，第一部分嵌入数字水印步骤如下：

Step1：获取需要嵌入水印的原始图像数据I(m，n)，对I(m，n)的每个元素的最低显著位进行清零得到I′(m，n)，其中，m，n分别为图像的行像素数和列像素数；

Step2：将I′(m，n)进行分块，得到相应的子矩阵；

Step3：对子矩阵分别进行奇异值分解，得到相应的敏感奇异值；

Step4：将各子块敏感奇异值组成的序列嵌入原始水印图像W(p，p)最低显著位平面相应的位置，得到嵌入敏感奇异值的水印图像W′(p，p)，其中水印图像的大小为p×p，p是水印图像每行或每列的像素数，同时p满足p≥32并且能被8整除；

Step5：对嵌入敏感奇异值的水印图像W′(p，p)进行混沌置乱加密得到W″(p，p)；

Step6：将加密后的水印图像W″(p，p)嵌入到I′(m，n)相应的位置得到嵌入加密水印的图像I″(m，n)。

所述step2中：将I′(m，n)分成p×(p/8)块，分块后，得到I′(m，n)的各子矩阵I′_(x，y)，其中x＝1，2，……，p/8，y＝1，2，……，p。

所述step3中：对每个子矩阵I′_(x，y)进行奇异值分解，得到奇异值矩阵S_(x，y)，选取奇异值中8个二进制位作为敏感位，这样得到了p×p个敏感奇异值。

所述step5中：采用定义为

的2个Logistic映射，分别同时对W′(p，p)的行、列向量进行置乱加密，得到加密水印W″(p，p)，其中：1≤k≤m，1≤l≤n，μ₁和μ₂为混沌行为参数，x_k，x_k+1分别是第k个及第k+1个迭代运算值，y_l，y_l+1分别是第l个及第l+1个迭代运算值。

所述数字水印的提取及目标图像的完整性认证步骤如下：

Step1：从嵌入加密水印图像I″(m，n)中分离最低显著位平面，得到最低显著位平面为空的图像I_r′(m，n)，同时提取出加密水印W_r″(p，p)；

Step2：利用事先给定的密钥把加密水印W_r″(p，p)进行混沌序列解密得到W_r′(p，p)；

Step3：分离加密水印W_r′(p，p)的最低显著位平面提取出水印W_r(p，p)，同时提取出奇异值序列

Step4：对I_r′(m，n)进行分块，求出I_r′(m，n)分块矩阵的奇异值，得到奇异值序列

S = {s_{1}, s_{2}, \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot {, s}_{p^{2} / 8}};

Step5：利用公式求出提取的水印W_r(p，p)与原始水印W(p，p)的相似度，其中：p是待计算相似度水印大小，w_ij是原始水印在(i，j)位置的像素值，w_rij是提取后的水印在(i，j)位置的像素值；

Step6：比较提取出的敏感奇异值序列

与计算的敏感奇异值序列

是否相同；如果S_k，S_rk相同，则敏感奇异值S_k的来源子块未被篡改，反之，则子块数据遭到篡改，其中S_k，S_rk分别是序列S，S_r中的第k个奇异值；

Step7：根据step5计算出的相似度和step6的比较结果，定位篡改并区分篡改来源。

所述step7中，区分篡改来源的方法如下：如果s_sim＜100％且S_r与S相同则表明水印被篡改；如果s_sim＜100％且S_r与S不同则表明图像数据被篡改；如果s_sim＝100％且S_r与S相同则表明水印和图像均未被篡改；如果s_sim＜100％且S_r与S不同则表明水印和图像均被篡改。

一种图像完整性双重保护的数字盲水印装置，其特征是，它包括盲数字水印加密及嵌入装置和数字水印提取及图像完整性认证装置两部分；盲数字水印加密及嵌入装置，包括原始图像的预处理装置、原始图像预处理装置、分块矩阵装置、奇异值分解装置、水印图像预处理装置及敏感奇异值的嵌入装置、水印的二维混沌置乱加密装置、水印的嵌入装置及完整性认证装置，最后形成带水印的参与质量认证和完整性证明的图像，其中：

原始图像的预处理装置及分块奇异值分解装置：首先对m×n的原始图像I(m，n)进行最低显著位清空操作，然后根据p×p大小的正方形水印，把清空了最低显著位的原始图像分解成p×(p/8)块，对原始图像矩阵分块完成后，分别对各块进行奇异值分解，得到p×(p/8)个正交矩阵对U_x和V_x，和p×(p/8)个奇异值对角矩阵S_x；

水印图像的预处理装置及敏感奇异值的嵌入装置：水印图像需要进行预处理，即在水印生成时保留其最低显著位平面为零，在p×(p/8)个奇异值对角矩阵S_x中各选择8个二进制位的敏感奇异值位，这样敏感奇异值位一共有p×p个比特，按照顺序将各个比特嵌入到水印的LSB平面中，得到水印W′(p，p)；

水印的二维混沌置乱加密装置：W′(p，p)经过二维混沌置乱加密后得到最终水印W″(p，p)；

水印的嵌入装置：把带奇异值的水印嵌入到被清空最低显著位原始图像中，得到带水印的图像；

完整性认证装置：最后形成带水印的参与质量认证和完整性证明的图像。

所述数字水印提取及图像完整性认证装置包括水印的提取与解密装置、奇异值提取及恢复装置和水印篡改检测装置及图像数据篡改检测装置；其中：

水印的提取与解密装置：分离待认证图像的最低显著位平面，进行线性压缩后，按照申请认证单位给予的密钥进行混沌序列解密；

奇异值提取及恢复装置：分离解密后图像的最低显著位平面，并提取出敏感奇异值序列；然后对分离最低显著位平面的图像进行分块，求出各子块的奇异值，计算出敏感奇异值序列；

水印篡改检测装置及图像数据篡改检测装置：获取申请认证单位的水印图像与提取的水印图像进行相似度计算，将计算出的敏感奇异值序列与提取出的敏感奇异值序列进行比较，根据相似度计算结果和奇异值序列的比较结果来判断是否存在篡改、篡改定位于图像的位置和篡改的来源。

本发明的有益效果：本发明可以对单个像素值的微小篡改进行检测，并能够对其进行定位，还能区分篡改是来源自图像数据还是水印，版权信息同样具备足够的鲁棒性和安全性。该方法可以有效地杜绝数字图像质量认证和完整性证明过程中的舞弊行为。本发明主要应用于对图像数据的保护，检测微小篡改，定位篡改位置，区分篡改来源，不仅仅可以检测到微小到单个像素的篡改，还可以对其精确定位到块，另外能够区分篡改来源自图像数据、水印、还是两者都有。

附图说明

图1是本发明的装置图；

图2是典型原始图像；

图3为典型水印图像；

图4是水印经混沌置乱加密后的图像；

图5是篡改检测图像，凡是检测到篡改的子块即用白色表示；

图6是图像完整性认证装置流程图；

其中，1原始图像获取装置，2原始图像预处理装置，3分块矩阵装置，4奇异值分解装置，5敏感奇异值嵌入装置，6水印的二维混沌置乱加密装置，7水印的嵌入装置，8水印的提取与解密装置，9奇异值提取及恢复装置，10完整性认证装置，11水印图像预处理装置，12水印篡改检测装置，13图像数据篡改检测装置。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明：

在本发明中，原始图像I(m，n)可为灰度或彩色图像，大小为m×n(一般来说m＞n，考虑到图像的分辨率，一般m和n不小于1000)，格式应为未压缩的8位以上精度位图格式(BMP或TIFF)；水印图像W(p，p)为p×p正方形图像(考虑到水印的图像精度和美观性，一般p≥32并且能被8整除，如32、64、128等)，表现了版权拥有机构的版权信息，比如公司商标等。

如图1所示提供了一种图像完整性双重保护的数字盲水印装置，本发明的装置包括盲数字水印加密及嵌入装置和图像完整性认证装置两部分。盲数字水印加密及嵌入装置，包括原始图像的预处理装置1、原始图像预处理装置2、分块矩阵装置3、奇异值分解装置4、水印图像预处理装置11及敏感奇异值的嵌入装置5、水印的二维混沌置乱加密装置6、水印的嵌入装置7及完整性认证装置10，最后形成带水印的参与质量认证和完整性证明的图像，其中：

原始图像的预处理装置2及分块奇异值分解装置：首先对m×n的原始图像I(m，n)进行最低显著位LSB清空操作，然后根据p×p大小的正方形水印，把清空了LSB的原始图像分解成p×(p/8)块，分解方法为把行分成ceil(m/p)块(ceil()函数的作用是求不小于给定实数的最小整数)，则行方向上，每个块应有m/ceil(m/p)个列元素，实际上必然存在m≤m/ceil(m/p)，如果小于号成立，则需要在行方向把m个列元素补零扩展为m/ceil(m/p)个列元素即可，列方向分块方法与此相同。对原始图像矩阵分块完成后，分别对各块进行奇异值分解，得到p×(p/8)个正交矩阵对U_x和V_x，和p×(p/8)个奇异值对角矩阵S_x。取S_x的目的就是为了利用多个奇异值中较小的数值对矩阵元素的敏感特性，来检测微小的篡改。

水印图像的预处理装置11及敏感奇异值的嵌入装置5：水印图像需要进行预处理，即在水印生成时保留其LSB平面为零，在p×(p/8)个奇异值对角矩阵S_x中各选择8个二进制位的敏感奇异值位，这样敏感奇异值位一共有p×p个比特，按照顺序将各个比特嵌入到水印的LSB平面中，得到水印W′(p，p)。

水印的二维混沌置乱加密装置6：采用定义为的2个Logistic映射(1≤k≤m，1≤l≤n)，分别同时对行、列向量进行置乱加密，密钥为{x₀，μ₁，y₀，μ₂}，带有奇异值的水印W′(p，p)经过二维混沌置乱后得到最终水印W″(p，p)。

水印的嵌入装置7：把带奇异值水印进行行列的线性扩展后，嵌入到被清空LSB原始图像的相关LSB位置得到最终图像。

如图6所示，图像完整性认证装置包括水印的提取与解密装置8、奇异值提取及恢复装置9和水印篡改检测装置12及图像数据篡改检测装置13。

水印的提取与解密装置8：分离待认证图像的LSB平面，进行线性压缩后，按照申请认证单位给予的密钥{x₀，μ₁，y₀，μ₂}进行混沌序列解密；

奇异值提取及恢复装置9：分离解密后图像的LSB平面，并组合成为提取的敏感奇异值序列。然后求分离LSB平面后图像的分块，分别求奇异值，然后得到计算出的敏感奇异值序列；

篡改检测与定位装置包括水印篡改检测装置12及图像数据篡改检测装置13：获取申请认证单位的水印图像与提取的水印图像进行相似度计算，按要求求分离LSB后图像的敏感奇异值序列与提取出的敏感奇异值序列进行比较，按照表1的规定来区分是否存在篡改、篡改定位于图像的位置和篡改的来源。

本发明的方法包括嵌入数字水印、数字水印的提取和目标图像的完整性认证三个部分：

第一部分为数字水印的嵌入方法：首先清除原始图像的最低显著位平面，然后对其分块矩阵的各子块分别进行奇异值分解，得到相应的脆弱奇异值并分离其敏感位，将敏感位嵌入水印图像，再对水印图像进行二维混沌置乱加密，最后将加密后的水印嵌入被清空LSB原始图像的相关LSB位置，得到参与质量认证的版权数字图像。

第二部分为数字水印的提取方法：包括加密水印的提取，利用密钥对水印进行解密和恢复，分离奇异值。

第三部分为目标图像的完整性认证方法：包括提取的水印与原水印的相似度计算、敏感矩阵奇异值的变化分析、被篡改图像像素的检测与定位、篡改的来源分析等。

其中第一部分数字水印的嵌入方法，包括以下步骤：

第一步：获取需要嵌入水印的原始图像数据I(m，n)，对I(m，n)的每个元素的最低显著位(LSB)进行清零得到I′(m，n)，计算公式为I′(m，n)＝I(m，n).& 0xFFFE；

第二步：对I′(m，n)进行分块。为了高效地利用水印图像W(p，p)的LSB平面，按照本方法约定，需要把I′(m，n)分成p×(p/8)块。分解方法为把行分成ceil(m/p)块(ceil()函数的作用是求不小于给定实数的最小整数)，则行方向上，每个块应有m/ceil(m/p)个列元素，实际上必然存在m≤m/ceil(m/p)，如果小于号成立，则需要在行方向把m个列元素补零扩展为m/ceil(m/p)个列元素即可，列方向分块方法与此相同。分块后，得到I′(m，n)的各子矩阵I′_(x，y)，其中x＝1，2，……，p/8，y＝1，2，……，p。对每个子矩阵I′_(x，y)按照公式I′_(x，y)＝U_(x，y)S_(x，y)V^H _(x，y)进行奇异值分解，得到奇异值矩阵S_(x，y)，其中奇异值是按照从大到小的顺序从(0，0)排列到(k，k)，其中k为矩阵S_(x，y)行列的较小值；

第三步：对于S_(x，y)中的k个奇异值，较小的奇异值对矩阵元素数值的变化非常敏感，而较大的奇异值具有更好的鲁棒性。本方法利用较小奇异值的敏感特性，来判断矩阵元素数值是否发生了变化。选取S_(x，y)中(k，k)位置的最小奇异值中8个二进制位作为敏感位。具体方法为对小于1奇异值进行乘2操作，直到整数位上不为0，再取该数的高8个二进制位作为敏感位；对于大于1的奇异值，进行除2操作，直到整数位上为0，则取上次操作的数值高8个二进制位作为位。对p×(p/8)个奇异值矩阵S_(x，y)进行上述操作，得到p×(p/8)个敏感位组成一个敏感奇异值序列，由于每个敏感奇异值位包含8个比特，则一共有p×p个比特，将p×p个比特按分块矩阵的位置次序嵌入到水印图像W(p，p)的LSB平面中，则整个平面被敏感奇异值的二进制位填满，得到嵌入奇异值的水印图像W′(p，p)。

第四步：Logistic映射定义为x_k+1＝f(μ，x_k)＝μx_k(1-x_k)，其中，当x_k∈(0，1)，3.57≤μ≤4时，工作于混沌态。从x₀开始通过迭代运算得到混沌序列{x_k}后，对其进行从小到大排序得到{x′_k}，再取{x′_k}中各元素在{x_k}中的下标记为地址码{A_k}，最后根据{A_k}把置乱对象的各个元素重新排列即完成了混沌映射置乱。如果不知道初始值x₀和分枝参数μ的精确值，则无法把置乱后的对象进行还原，{x₀，μ}即是一对密钥。由于水印图像数据可以看作是m个行向量或n个列向量的集合，具有二维相关性。采用定义为的2个Logistic映射(1≤k≤m，)1≤l≤n，分别同时对行、列向量进行置乱加密，密钥{x₀，μ₁，y₀，μ₂}增加为两对，安全性更好，带有奇异值的水印W′(p，p)经过二维混沌置乱后得到最终水印W″(p，p)。

第五步：最后把经过置乱加密后的数字水印W″(p，p)嵌入到数字图像I′(m，n)中。由于I′(m，n)的LSB平面和W″(p，p)平面大小不同，则需要把W″(p，p)进行行列的线性扩展后，嵌入到I′(m，n)的相关LSB位置得到最终图像I″(m，n)。其中线性扩展的方法是，首先把W″(p，p)的每个元素的二进制位按照MSB到LSB的顺序进行展开形成(p×u)×(p×u)的矩阵SA_{(p×u，p×u)}，其中u为W″(p，p)中每个元素的二进制位数，即水印图像的精度。然后，求扩展比例系数l₁＝ceil(m/(p×u))和l₂＝ceil(n/(p×u))，则把SA(p×u，p×u)中的每个元素在行列方向上分别重复l₁和l₂倍，得到SA(p×u×l₁，p×u×l₂)，其中m≤p×u×l₁，n≤p×u×l₂。最后由公式I″(m，n)＝I′(m，n).|SA(p×u×l₁，p×u×l₂)得到最终图像I″(m，n)，当m＜p×u×l₁或n＜p×u×l₂时，SA(p×u×l₁，p×u×l₂)中的部分元素无法参与或运算，则只运算前m×n个即可。

第二部分为数字水印的提取方法，包括以下步骤：

第一步：提取最终图像I″(m，n)的LSB平面，I″(m，n)变为LSB平面为空的I_r′(m，n)，根据原始图像和原始水印的大小(即m，n和p的值)把LSB平面按比例缩小，并提取出置乱水印W_r″(p，p)，如果水印图像已经过篡改那么W_r″(p，p)将与W″(p，p)不同，如未经篡改则二者相同；W_r″(p，p)是在最终图像I″(m，n)中提取出来的置乱水印，由于并无法得知最终图像I″(m，n)是否被篡改，所以W_r″(p，p)与W″(p，p)可能存在差异，凡是从最终图像提取出来的数据均带有下标r；

第二步：利用事先给定的密钥{x₀，μ₁，y₀，μ₂}，把置乱数字水印W_r″(p，p)还原为带有奇异值的数字水印W_r′(p，p)；

第三步：分离数字水印W_r′(p，p)的LSB平面并组成奇异值序列

求I_r′(m，n)分块矩阵奇异值，其中分块方法和第一部分的第二步是一样的，得到奇异值序列

W_r′(p，p)经过分离LSB平面成为LSB平面为空的W_r(p，p)。

第三部分为目标图像的完整性认证方法，包括以下步骤：

第一步：比较提取出的水印W_r(p，p)与原水印W(p，p)，利用公式

分析它们的相似度，如果s_sim＜100％，则检测到篡改；

第二步：比较提取出的敏感奇异值序列

与计算的敏感奇异值序列

第三步：根据水印和敏感奇异值序列的比较情况，定位篡改并区分篡改来源，其中相似度s还可以作为篡改程度的评价指标，若s_sim＜99％则认为图像篡改严重。

表1篡改来源对照表

相似度s_sim比较	敏感奇异值序列对应位比较	篡改来源
			＜100％	相同	水印
＝100％	相异	图像数据
			＝100％	相同	无篡改
＜100％	相异	水印和图像数据

图2是基于Varian公司产品Paxscan2520数字平板探测器成像系统上获得的焊缝及像质计数字图像(透照参数：管电压150KV、管电流2mA、工件厚度12mm、滤波为0.5mm黄铜)，图像精度为14位，格式为TIFF非压缩灰度格式，大小为1920*1536像素。

图3为典型水印图像，是图像版权拥有机构自定义的图像，精度为8位，格式为BMP非压缩灰度格式，大小为64*64，由于需要对水印的LSB进行操作，所以在生成水印时，保留其LSB平面为空，那么本身有256级灰度的水印图像实际用到了128级。

在实际应用中，将图2所示的图像和图3所示的水印图像按照本方法所规定的内容进行加密生成最终图像。将最终图像中的(50，50)和(100，100)像素进行人为篡改，前者只修改14位最终图像数据的高13位二进制值，保持LSB不变；后者则修改包括LSB在内的所有数据位。该两处篡改，(50，50)处的由于LSB不变则不会影响到嵌入的水印数据，(100，100)处的会篡改对应的水印数据，而两处对应的图像数据都发生了变化。按照图6所示的篡改检测流程可知，两处篡改所在子块对应的提取出的敏感奇异值和重新计算的敏感奇异值必然不相同，则检测出两处数据篡改，并定位到(50，50)和(100，100)像素的所为分块，图5中凡是检测到图像数据被篡改的子块即用白色表示。而(100，100)处的篡改会影响到嵌入的水印数据，利用密钥进行水银解密提取并恢复，原水印数据参与计算，由图像相似度公式计算得s_sim＜99.99963％检测到水印遭到篡改。

由于本发明存在需要对原始图像和水印的LSB平面清零的问题，则需要对操作LSB后的图像进行质量评价，即采用峰值信噪比PSNR来评价图像质量的损失。

数字图像屏蔽了LSB位的视觉损失，可以通过计算其PSNR值来判断。PSNR值用来衡量修改后的图像与原始图像之间的视觉差别，计算公式为

其中，m和n分别是图像横纵像素数，k是图像分辨率。

图2中的最终参与认证的数字图像大小为1920×1536，精度为14位，并且I′中的每个LSB位都被篡改，则由该公式计算可得PSNR＝84.29dB，而当PSNR＞36dB时人眼将无法分辨图像变化，所以修改图像的LSB位不会对其视觉效果有任何影响。

对于需要嵌入奇异值的水印，假设每个像素的LSB都发生变化，由公式计算可得PSNR＝48.13，人眼无法分辨出水印图像嵌入奇异值敏感位前后的差别。

本发明中对于图像质量认证和完整性证明场合，JPEG或PNG等压缩图像格式并不适用。故本方法并未考虑嵌入水印前后图像压缩格式的问题。

Claims

1.一种图像完整性双重保护的数字盲水印方法，其特征是，该方法的步骤包括嵌入数字水印、数字水印的提取及目标图像的完整性认证；

其中，第一部分嵌入数字水印步骤如下：

Step2：将I′(m，n)进行分块，得到相应的子矩阵；

Step4：将各子块敏感奇异值组成的序列嵌入原始水印图像W(p，p)最低显著位平面相应的位置，得到嵌入敏感奇异值的水印图像W′(p，p)，其中水印图像的大小为p×p，p是水印图像每行及每列的像素数，同时p满足p≥32并且能被8整除；

2.如权利要求1所述的一种图像完整性双重保护的数字盲水印方法，其特征是，所述step2中：将I′(m，n)分成p×(p/8)块，分块后，得到I′(m，n)的各子矩阵I′_(x，y)，其中x＝1，2，……，p/8，y＝1，2，……，p。

3.如权利要求1所述的一种图像完整性双重保护的数字盲水印方法，其特征是，所述step3中：对每个子矩阵I′_(x，y)进行奇异值分解，得到奇异值矩阵S_(x，y)，选取奇异值中8个二进制位作为敏感位，p×(p/8)个子矩阵共得到p×p比特敏感奇异值位。

4.如权利要求1所述的一种图像完整性双重保护的数字盲水印方法，其特征是，所述step5中：采用定义为

\{\begin{matrix} x_{k + 1} = μ_{1} x_{k} (1 - x_{k}) \\ y_{l + 1} = μ_{2} y_{l} (1 - y_{l}) \end{matrix}

5.如权利要求1所述的一种图像完整性双重保护的数字盲水印方法，其特征是，所述数字水印的提取及目标图像的完整性认证步骤如下：

S_{r} = {s_{r 1}, s_{r 2}, \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot, s_{r p^{2} / 8}};

S = {s_{1}, s_{2}, \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot, s_{p^{2} / 8}};

Step5：利用公式

求出提取的水印W_r(p，p)与原始水印W(p，p)的相似度，其中：p是待计算相似度水印大小，w_ij是原始水印在(i，j)位置的像素值，w_rij是提取后的水印在(i，j)位置的像素值；

Step6：比较提取出的敏感奇异值序列

与计算的敏感奇异值序列

6.如权利要求5所述的一种图像完整性双重保护的数字盲水印方法，其特征是，所述step7中，区分篡改来源的方法如下：如果s_sim＜100％且S_r与S相同则表明水印被篡改；如果s_sim＝100％且S_r与S不同则表明图像数据被篡改；如果s_sim＝100％且S_r与S相同则表明水印和图像均未被篡改；如果s_sim＜100％且S_r与S不同则表明水印和图像均被篡改。

7.一种图像完整性双重保护的数字盲水印装置，其特征是，它包括盲数字水印加密及嵌入装置和数字水印提取及图像完整性认证装置两部分；盲数字水印加密及嵌入装置，包括原始图像获取装置、原始图像预处理装置、分块矩阵装置、奇异值分解装置、水印图像预处理装置、敏感奇异值的嵌入装置、水印的二维混沌置乱加密装置、水印的嵌入装置及完整性认证装置，最后形成带水印的参与质量认证和完整性证明的图像，其中：

原始图像预处理装置、分块矩阵装置及奇异值分解装置：首先对m×n的原始图像I(m，n)进行最低显著位清空操作，然后根据p×p大小的正方形水印，把清空了最低显著位的原始图像分解成p×(p/8)块，对原始图像矩阵分块完成后，分别对各块进行奇异值分解，得到p×(p/8)个正交矩阵对U_x和V_x，和p×(p/8)个奇异值对角矩阵S_x；

水印的嵌入装置：把最终水印W″(p，p)嵌入到被清空最低显著位原始图像中，得到带水印的图像；

8.如权利要求7所述的一种图像完整性双重保护的数字盲水印装置，其特征是，所述数字水印提取及图像完整性认证装置包括水印的提取与解密装置、奇异值提取及恢复装置和水印篡改检测装置及图像数据篡改检测装置；其中：

奇异值提取及恢复装置：分离解密后水印图像的最低显著位平面，并提取出敏感奇异值序列；然后对分离最低显著位平面的待认证图像进行分块，求出各子块的奇异值，计算出敏感奇异值序列；