CN102073978A - 利用不规则区域分割的数字图像认证与恢复方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种利用不规则区域分割的数字图像认证与恢复方法及系统，属于数字水印技术领域。在嵌入阶段将图像分成不规则块，建立当前图像分割块及周围图像块之间的关系，并设计了基于反馈混沌系统的认证水印构造方法，认证水印被嵌入到图像块的最低有效位上。在认证阶段生成一个参考序列，并与提取的认证水印比较，根据比较的结果检测图像是否遭受篡改攻击。该方案把不规则图像块扩展成规则图像块，进一步采用压缩编码技术来构造恢复水印，恢复水印信息被嵌入到匹配图像块的最低二位有效位上。本发明既不需要原始图像也不需要原始水印，是盲检过程，认证的结果能够直观和形象的反映篡改位置，恢复结果可以重现原始图像的大致内容。

Description

利用不规则区域分割的数字图像认证与恢复方法及系统

技术领域

本发明涉及一种数字图像的真实性认证和自恢复方法，特别是涉及基于数字水印技术的图像认证和自恢复，属于数字水印技术领域。

背景技术

计算机技术的飞速发展与信息媒体的数字化，大量的多媒体数据通过互联网广泛传播，而随着各种功能强大的图像编辑软件的出现，攻击者可以毫不费力且不留痕迹地篡改数字图像的内容。难以察觉的篡改和拼接操作破坏了图像等数字作品的真实性和完整性。“眼见为实”是人们区分真伪的依据，但通过眼睛人们很难辨别数字图像的真伪。数字图像的真实性和可信程度越来越引起人们的重视。传统上，可以采用数字签名技术来解决该问题。数字签名虽能指出数字图像是否被篡改，但不能回答图像的哪一部分被篡改、图像被篡改的程度、图像篡改前是什么样等问题。为此，研究者提出了数字图像认证水印技术来解决上述问题。

数字水印技术在数字作品中嵌入一个数字标记(即数字水印)，从而达到保护版权、验证完整性的目的。而用于篡改检测和恢复的认证水印不仅能检测和定位图像的篡改区域，且能利用隐藏在图像里的水印信息恢复篡改部分，得到原始图像的大致内容。其嵌入的水印不再是一个标记或隐秘信息，而是可以表达原始数字图像内容的特征信息。

对图像内容篡改的区域进行定位恢复的众多方案中，很多都是基于独立图像块的方法。这类方法容易遭受矢量量化攻击。该攻击利用图像块的彼此独立性构造等价类，从VQ码本中选择替代的图像块拼接成一幅伪造图像。矢量量化攻击之所以能够破坏图像的认证效果，关键原因就是每一图像块都是针对自身块的认证，其水印方案没有考虑当前图像块与其周边图像块的关系。

发明内容

本发明的目的就是有效抵抗矢量量化攻击，采用图像分割的方法合理地建立图像块之间的关系，并利用反馈混沌系统产生图像认证码，同时带有自恢复功能，该算法设计保证了认证恢复水印的有效性和可行性。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

利用不规则区域分割的数字图像认证与恢复方法，包括如下步骤：水印嵌入步骤，所述水印包括认证水印和恢复水印，将认证水印和恢复水印嵌入到图像中；图像认证与恢复步骤，从待识别图像中提取认证水印和恢复水印，通过认证水印判断待识别图像是否被篡改，通过恢复水印恢复待识别图像中被篡改部分。

所述水印嵌入步骤包括：图像分割步骤，首先将图像中的所有像素的最低两位有效位置零，然后将图像分割成互不重叠的、不规则形状的图像分割块；第一构造步骤，基于所述图像分割块，构造认证水印；第二构造步骤，基于所述图像分割块，构造恢复水印；嵌入步骤，将构造的认证水印和恢复水印嵌入到图像分割块中。

所述第一构造步骤为：对于任意一个图像分割块，将该图像分割块中的第一个像素输入混沌系统进行T次迭代后输出一个输出值，T大于等于20，第二个像素与第一个像素的输出值进行计算，其结果作为初值再次输入混沌系统进行T次迭代，依此类推，直到当前图像分割块的最后一个像素输入混沌系统进行T次迭代后输出一个混沌序列，取该混沌序列中的部分连续值作为该图像分割块的认证水印。

所述第二构造步骤为：沿着各个图像分割块的最大边缘将其扩展成形状规则的外切矩形，记录每一扩展矩形的位置信息，即起始像素位置、长度和宽度，对各个扩展后的图像分割块进行编码压缩，得到每一分割图像块的压缩码流，压缩码流即为恢复水印。

所述嵌入步骤为：将每个不规则图像分割块中的认证水印信息嵌入到自身的不规则图像块的某些像素的最低有效位上，恢复水印信息则嵌入到另一块不规则图像块中的像素的最低两位有效位上，并要避免覆盖嵌入像素最低有效位中已嵌入的认证水印。

所述图像认证与恢复步骤包括：待识别图像分割步骤，先将待识别图像中的所有像素的最低两位有效位置零，再使用与水印嵌入步骤中相同的分割方法把待识别图像分割成互不重叠的、不规则形状的图像分割块；认证水印提取步骤，把上述分割结果应用在未置零的待识别图像上，在未置零的待识别图像的每个图像分割块中提取认证水印；参考序列产生步骤，在置零后的待识别图像中，基于所述图像分割块，应用与认证水印构造步骤相同的方法产生一个参考序列；认证步骤，比较每个图像分割块中提取的认证水印和由该图像分割块产生的参考序列，如果二者相同，则该图像分割块通过认证，判断没有篡改发生；否则，判断该图像分割块发生了篡改操作，对篡改区域进行标记，表示检测定位的结果；恢复步骤，提取每个通过认证的图像分割块中存储的位置信息，判断该位置信息所涉及的区域是否含有被标记的篡改部分，如果某个位置信息涉及的区域内含有篡改部分，则提取该图像分割块的恢复信息对篡改区域进行重建，直到整幅图像的篡改区域被完全恢复。

一种利用不规则区域分割的数字图像认证与恢复系统，包括：水印嵌入模块，所述水印包括认证水印和恢复水印，用于将认证水印和恢复水印嵌入到图像中；图像认证与恢复模块，用于从待识别图像中提取认证水印和恢复水印，通过认证水印判断待识别图像是否被篡改，通过恢复水印恢复待识别图像中被篡改部分。

所述水印嵌入模块包括：图像分割单元，用于首先将图像中的所有像素的最低两位有效位置零，然后将图像分割成互不重叠的、不规则形状的图像分割块；第一构造单元，用于基于所述图像分割块，构造认证水印；第二构造单元，用于基于所述图像分割块，构造恢复水印；嵌入单元，用于将构造的认证水印和恢复水印嵌入到图像分割块中。

所述第一构造单元，用于对于任意一个图像分割块，将该图像分割块中的第一个像素输入混沌系统进行T次迭代后输出一个输出值，T大于等于20，第二个像素与第一个像素的输出值进行计算，其结果作为初值再次输入混沌系统进行T次迭代，依此类推，直到当前图像分割块的最后一个像素输入混沌系统进行T次迭代后输出一个混沌序列，取混沌序列中的部分连续值作为该图像分割块的认证水印。

所述第二构造单元，用于沿着各个图像分割块的最大边缘将其扩展成形状规则的外切矩形，记录每一扩展矩形的位置信息，即起始像素位置、长度和宽度，对各个扩展后的图像分割块进行编码压缩，得到每一分割图像块的压缩码流，压缩码流作为恢复水印。

所述嵌入单元，用于将每个不规则图像分割块中的认证水印信息嵌入到自身的不规则图像块的某些像素的最低有效位上，恢复水印信息则嵌入到另一块不规则图像块中的像素的最低两位有效位上，并要避免覆盖嵌入像素最低有效位中已嵌入的认证水印。

所述图像认证与恢复模块包括：待识别图像分割单元，用于先将待识别图像中的所有像素的最低两位有效位置零，再使用与水印嵌入步骤中相同的分割方法把待识别图像分割成互不重叠的、不规则形状的图像分割块；认证水印提取单元，用于把上述分割结果应用在未置零的待识别图像上，在未置零的待识别图像的每个图像分割块中提取认证水印；参考序列产生单元，用于在置零后的待识别图像中，基于所述图像分割块，应用与认证水印构造步骤相同的方法产生一个参考序列；认证单元，用于比较每个图像分割块中提取的认证水印和由该图像分割块产生的参考序列，如果二者相同，则该图像分割块通过认证，判断没有篡改发生；否则，判断该图像分割块发生了篡改操作，对篡改区域进行标记，表示检测定位的结果；恢复单元，用于提取每个通过认证的图像分割块中存储的位置信息，判断该位置信息所涉及的区域是否含有被标记的篡改部分，如果某个位置信息涉及的区域内含有篡改部分，则提取该图像分割块的恢复信息对篡改区域进行重建，直到整幅图像的篡改区域被完全恢复。

相对于现有技术而言，本发明通过图像分割的方法建立了整幅图像各个分割块间的关系，能有效够抵抗矢量量化攻击。反馈混沌系统保证了每个像素点都有等价的贡献，使水印认证码更加合理有效。此外，检测过程既不需要原始图像也不需要原始水印，为盲检测。认证的结果能够直观和形象的反映篡改的位置，恢复的图像可以高质量的反映原始图像的内容。

附图说明

图1本发明的主流程图；

图2水印嵌入方法流程图；

图3图像认证与恢复方法流程图；

图4水印嵌入模块结构图；

图5图像认证与恢复模块结构图；

图6(a)为认证水印嵌入过程示意图；

图6(b)为恢复水印嵌入过程示意图；

图7为像素值和混沌系统的反馈值的结合示意图；

图8为认证水印的具体构造示意图；

图9为恢复水印的具体构造示意图；

图10为嵌入恢复水印时寻找匹配块的示意图；

图11(a)为本发明的利用不规则区域分割的图像认证恢复水印的构造过程示意图；

图11(b)为本发明的利用不规则区域分割的图像认证恢复水印的提取过程示意图；

图12(a)为原始Elaine图像；

图12(b)为篡改攻击后的图像；

图12(c)为对原始Elaine图像进行图像分割；

图12(d)为对篡改后的Elaine图像进行图像分割；

图12(e)为对Elaine图像进行认证定位的结果；

图12(f)为对篡改图像进行恢复的结果；

图13(a)为原始Boat图像；

图13(b)为矢量量化攻击后的图像；

图13(c)为对原始Boat图像进行图像分割；

图13(d)为对矢量量化攻击后的Boat图像进行图像分割；

图13(e)为对Boat图像进行认证定位的结果；

图13(f)为对篡改图像进行恢复的结果。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，利用不规则区域分割的数字图像认证与恢复方法，包括如下步骤：水印嵌入步骤S101，所述水印包括认证水印和恢复水印，将认证水印和恢复水印嵌入到图像中；图像认证与恢复步骤S102，从待识别图像中提取认证水印和恢复水印，通过认证水印判断待识别图像是否被篡改，通过恢复水印恢复待识别图像中被篡改部分。

如图2所示，水印嵌入步骤包括：图像分割步骤S201，首先将图像中的所有像素的最低两位有效位置零，然后将图像分割成互不重叠的、不规则形状的图像分割块；第一构造步骤S202，基于所述图像分割块，构造认证水印；第二构造步骤S203，基于所述图像分割块，构造恢复水印；嵌入步骤S201，将构造的认证水印和恢复水印嵌入到图像分割块中。

第一构造步骤为：对于任意一个图像分割块，将该图像分割块中的第一个像素输入混沌系统进行T次迭代后输出一个输出值，T大于等于20，第二个像素与第一个像素的输出值进行计算，其结果作为初值再次输入混沌系统进行T次迭代，依此类推，直到当前图像分割块的最后一个像素输入混沌系统进行T次迭代后输出一个混沌序列，取该混沌序列中的部分连续值作为该图像分割块的认证水印，选取的连续值的个数可在10到T之间，个数越多安全性相对越高，本方案中选取个数为20。第二构造步骤为：沿着各个图像分割块的最大边缘将其扩展成形状规则的外切矩形，记录每一扩展矩形的位置信息，即起始像素位置、长度和宽度，对各个扩展后的图像分割块进行编码压缩，得到每一分割图像块的压缩码流，压缩码流即为恢复水印。嵌入步骤为：将每个不规则图像分割块中的认证水印信息嵌入到自身的不规则图像块的某些像素的最低有效位上，恢复水印信息则嵌入到另一块不规则图像块中的像素的最低两位有效位上，并要避免嵌入到像素最低有效位中已嵌入了认证水印的位置上。

如图3所示，图像认证与恢复步骤包括：待识别图像分割步骤S301，先将待识别图像中的所有像素的最低两位有效位置零，再使用与水印嵌入步骤中相同的分割方法把待识别图像分割成互不重叠的、不规则形状的图像分割块；认证水印提取步骤S302，把上述分割结果应用在未置零的待识别图像上，在未置零的待识别图像的每个图像分割块中提取认证水印；参考序列产生步骤S303，在置零后的待识别图像中，基于所述图像分割块，应用与认证水印构造步骤相同的方法产生一个参考序列；认证步骤S304，比较每个图像分割块中提取的认证水印和由该图像分割块产生的参考序列，如果二者相同，则该图像分割块通过认证，判断没有篡改发生；否则，判断该图像分割块发生了篡改操作，对篡改区域进行标记，表示检测定位的结果；恢复步骤S305，提取每个通过认证的图像分割块中存储的位置信息，判断该位置信息所涉及的区域是否含有被标记的篡改部分，如果某个位置信息涉及的区域内含有篡改部分，则提取该图像分割块的恢复信息对篡改区域进行重建，直到整幅图像的篡改区域被完全恢复。

一种利用不规则区域分割的数字图像认证与恢复系统，包括：水印嵌入模块，所述水印包括认证水印和恢复水印，用于将认证水印和恢复水印嵌入到图像中；图像认证与恢复模块，用于从待识别图像中提取认证水印和恢复水印，通过认证水印判断待识别图像是否被篡改，通过恢复水印恢复待识别图像中被篡改部分。

如图4所示，水印嵌入模块包括：图像分割单元401，用于首先将图像中的所有像素的最低两位有效位置零，然后将图像分割成互不重叠的、不规则形状的图像分割块；第一构造单元402，用于基于所述图像分割块，构造认证水印；第二构造单元403，用于基于所述图像分割块，构造恢复水印；嵌入单元404，用于将构造的认证水印和恢复水印嵌入到图像分割块中。

第一构造单元，用于对于任意一个图像分割块，将该图像分割块中的第一个像素输入混沌系统进行T次迭代后输出一个输出值，T大于等于20，第二个像素与第一个像素的输出值进行计算，其结果作为初值再次输入混沌系统进行T次迭代，依此类推，直到当前图像分割块的最后一个像素输入混沌系统进行T次迭代后输出一个混沌序列，取混沌序列中的部分连续值作为该图像分割块的认证水印。第二构造单元，用于沿着各个图像分割块的最大边缘将其扩展成形状规则的外切矩形，记录每一扩展矩形的位置信息，即起始像素位置、长度和宽度，对各个扩展后的图像分割块进行编码压缩，得到每一分割图像块的压缩码流，压缩码流和位置信息一并作为恢复水印。嵌入单元，用于将每个不规则图像分割块中的认证水印信息嵌入到自身的不规则图像块的某些像素的最低有效位上，恢复水印信息则嵌入到另一块不规则图像块中的像素的最低两位有效位上，并要避免嵌入到像素最低有效位中已嵌入了认证水印的位置上。

如图5所示，图像认证与恢复模块包括：待识别图像分割单元501，用于先将待识别图像中的所有像素的最低两位有效位置零，再使用与水印嵌入步骤中相同的分割方法把待识别图像分割成互不重叠的、不规则形状的图像分割块；认证水印提取单元502，用于把上述分割结果应用在未置零的待识别图像上，在未置零的待识别图像的每个图像分割块中提取认证水印；参考序列产生单元503，用于在置零后的待识别图像中，基于所述图像分割块，应用与认证水印构造步骤相同的方法产生一个参考序列；认证单元504，用于比较每个图像分割块中提取的认证水印和由该图像分割块产生的参考序列，如果二者相同，则该图像分割块通过认证，判断没有篡改发生；否则，判断该图像分割块发生了篡改操作，对篡改区域进行标记，表示检测定位的结果；恢复单元505，用于提取每个通过认证的图像分割块中存储的位置信息，判断该位置信息所涉及的区域是否含有被标记的篡改部分，如果某个位置信息涉及的区域内含有篡改部分，则提取该图像分割块的恢复信息对篡改区域进行重建，直到整幅图像的篡改区域被完全恢复。

实施例：

本实施例包含两个阶段，即水印的构造和嵌入阶段；水印提取、认证和恢复阶段。

水印的构造和嵌入阶段：

如图6(a)所示，本发明在认证水印嵌入阶段主要包括以下三个步骤：

步骤1：图像分割：对于一幅M×N大小的图像I，首先将所有像素的最低二位有效位(Two-LSB)置零作为水印的嵌入位，然后使用分水岭分割的方法把图像分割成互不重叠、形状不规则的L个区域，且每个区域可能包含不同的像素个数，用N_i表示第i个分割区域里的像素个数。该图像的分割结果可由公式(2)表示，I＝{X(i)，1≤i≤L}(2)，其中，X(i)表示第i个分割的图像块，L表示一幅图像分割的总块数。

步骤2：认证水印的构造：在每个分割的不规则图像块中，认证水印主要通过该图像块内部的全部像素值输入到一个反馈混沌系统而获得。具体的设计过程如下。

对于图像第i个分割块X(i)，它包含的各个像素记为s(k)，其中k＝1，2，3，...N_i，N_i为第i块中的总像素个数。块中每个像素依次输入到反馈混沌系统中。如图7所示，每个输入的像素都将参与混沌系统的初值计算。以初值为基础，混沌系统进行T次迭代。第T次结果作为混沌系统的反馈值参与下一个初值的运算。也就是，每个像素将与混沌系统的反馈值结合，计算出下一个初值。该过程可以由公式(3)表示，v(k，0)＝s(k)+v(k-1，T)(3)，其中，v(k，0)是当输入为第k个像素时混沌系统的初值；T的取值为75。反馈的引入能够保证该分割图像块中的每个像素在构造水印的过程中具有等价的作用。在图7中，v(0，T)被设置为0；v(k，0)表示当输入为第k个像素时混沌系统的初值；v(k，T)则是混沌系统T次迭代之后的输出。

本方案在具体实施中可以采用混合光学双稳混沌系统，该系统可由公式(4)来描述，x_n+1＝4sin²(x_n-2.5)       (4)，

用v(k，0)代替公式(4)中的x_n，执行T次迭代后，将产生一个混沌序列。第T次的结果v(k，T)将作为反馈参与下一个初值的运算。

如图7所示，当分割块X(i)中的最后一个像素被输入后，将产生序列{v(n)，n＝1，2，...，T}。从该序列中选出连续的20个元素，作为认证水印，记为W_o＝{w_o(k)，k＝1，2，...，20}。由于W_o中的每个元素都是浮点值，不能直接应用于本方案中。所以，还要将这些浮点值转换成二值序列，记为W＝{w(k)，k＝1，2，...，20}。转换过程如下：如果w_o(k)大于阈值Th，令w(k)为1；否则，令w(k)为0。该转换过程可由公式(5)描述，

$w\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}1,& w_o\left(k\right)>\mathrm{Th}\\ 0,& \mathrm{Otherwise}\end{array}\right.---\left(5\right)$

这里Th取值为8/3。

步骤3：认证水印嵌入：本方案将水印信息嵌入到当前图像分割块中前20个非零像素的最低有效位上，嵌入过程按照公式(6)完成，

(6)，遍历所有的图像分割块之后，一幅含有认证水印的新图像就产生了。

如图6(b)所示，本发明在恢复水印嵌入阶段主要包括以下三个步骤：

步骤1：不规则区域的扩展：为了在嵌入恢复水印时不额外记录不规则图像块的形状信息，将不规则区域按照最大外接矩形的原则扩展成规则的形状。记录扩展后规则区域的图像内容信息来构造恢复水印。

步骤2：恢复水印的构造：如图9所示，在每个扩展成规则形状的图像块中，对其中的每个8*8图像块进行离散余弦变换(DCT)，再选用适当的量化表进行量化取整，减小非零系数的幅度，增加零值系数的个数，从而有利于后面的压缩编码。根据量化后的系数特点，对相邻8*8块的直流(DC)系数进行差分脉冲编码调制(DPCM)，对量化后的交流(AC)系数进行游程长度编码(RLE)，最后使用霍夫曼编码技术做进一步的压缩处理。这样可以有效地减少恢复信息的嵌入容量，既保证了恢复信息可以完全的嵌入到图像块中，又有利于提高水印图像的透明性。

步骤3：恢复水印的嵌入：为了保证有效地恢复被篡改区域，不规则图像块X(i)的恢复水印信息要嵌入到另外一块不规则图像块X(i’)中。嵌入时要除去匹配块像素中已嵌入认证水印的最低位的位置，避免恢复信息的覆盖。因为各个不规则图像块大小不一，选择匹配块时要考虑到是否能完全承载下压缩后的恢复信息。因此，对所有图像块的恢复信息容量按由多到少进行一个排序，相应的，对所有不规则图像块也按包含像素个数由大到小生成一个序列。较多的恢复信息要嵌入到较大的不规则图像块的最低二位比特位上(除去已嵌入认证水印的位置)。若排序中恰巧遇到由扩展后的规则图像块生成的恢复信息要对应嵌入自身不规则图像块的情况，则向后交换不规则图像块排序中的相邻两块，使该恢复信息嵌入到下一个不规则图像块中。特别的，当扩展后的规则图像块排序中的最后一个恰巧对应自身不规则图像块时，则该恢复信息嵌入到前一个不规则图像块中。具体过程如图10所示，图中，上下两排标记分别表示扩展的规则图像块排序和不规则图像块排序后的标记。此外，本方案在嵌入每个图像块的恢复信息的同时记录下这个图像块的位置，即该图像块的左上顶点位置和长宽信息，一同嵌入到匹配图像块的低比特位上。遍历所有图像分割块之后，一幅含有认证和恢复水印的新图像I就产生了。

图像的内容认证和恢复阶段：

如图11(b)所示，图像的内容认证和恢复主要包含五个步骤：

步骤1：忽略可疑图像I的最低二位有效位，再使用和嵌入过程中相同的分割方法把图像分割成互不重叠、形状各异的图像块，即水印的嵌入位不参与图像的分割过程。

步骤2：在每个分割的图像块中，通过读取图像最低有效位的方法提取认证水印。

步骤3：使用当前图像分割块的全部像素值，应用反馈混沌系统产生一个参考序列。这一过程与嵌入过程中产生水印的方法相同。

步骤4：若前后二次分割的结果不同，则前后分割的图像块包含的像素不同，产生的参考序列和提取出的认证水印会有差异。比较提取的水印和产生的参考序列，从而判断图像块是否遭受篡改。如果两个信号中的每个元素都相同，就说明该图像块通过了认证，没有篡改发生；否则，就判断该图像块发生了篡改操作。最后用全白来标记篡改发生的位置。如果一个图像块被判断为是经过篡改的，那么该图像块被标记为全白色。若一个图像块通过了认证，判断为真实的，没有经过篡改的，则显示为图像中的原始像素值。

步骤5：对每一个通过认证的图像块，通过读取图像低有效位的方法提取位置信息。根据每个位置信息找出其所指向的区域，判断该区域内是否含有标记的全白区域，即判断位置信息指向区域内是否含有篡改区域。若存在篡改区域，则提取该图像块中的恢复信息，经过离散余弦反变换(IDCT)等解压缩过程，得到可反映原始图像内容的像素值。最后把得到的恢复像素值替换标记为全白的篡改区域。对所有标记的篡改区域进行恢复后，就可得到一幅反映原始图像真实内容的恢复图像。

实验中采用256×256的Elaine图像为载体，本发明的含水印图像和原始图像的峰值信噪比(PSNR)为44.54dB，如图12(a)所示。图12(b)是对图12(a)的篡改图像。在图12(b)中，攻击者剪切了Lena帽子上的装饰物，并将剪切的部分粘贴到目标图像Elaine的手臂部分。图12(c)、图12(d)分别是对原始图像和篡改后图像的分割结果。通过比较，对前后二次分割不同的区域用阴影标记。对篡改图像进行认证定位的结果如图12(e)所示。标记为白色的区域为篡改的部分。检测结果能够准确的发现这种人眼很难发现的篡改操作。图12(f)表示的是对图12(e)的恢复结果，与原始图像的峰值信噪比(PSNR)为39.29dB。该实验是从其他图像中剪切一个图像区域，粘贴到目标图像中。应用本发明提出的方法可以很容易的检测出篡改操作，并对篡改发生的位置进行定位和有效的恢复，恢复后的图像效果在人眼的视觉上没有差别。

而当含水印的图像遭受矢量量化攻击时，该算法同样可以检测出篡改操作。仿照矢量量化攻击的篡改方式对图13(a)进行篡改，篡改其中一部分区域的像素值，但保持在视觉上没有任何变化，如图13(b)所示。图13(c)、8(d)是相应的分割结果。通过比较分割结果和提出的认证水印信息，可以有效的检测到图像被篡改的位置，如图13(e)所示。最后对篡改图像进行恢复，可有展现原始图像的大致内容，如图13(f)所示，与原始图像的峰值信噪比(PSNR)为40.54dB。该实验证明该项发明可以有效的抵抗矢量量化攻击。从以上的结果可以看出，本发明提出的方法能够检测出人眼难以发现的篡改，而且可以高质量的恢复图像被篡改的区域。该方案运算简单方便，耗时短。

以上对本发明所提供的一种利用不规则区域分割的数字图像认证与恢复方法及系统进行详细介绍，本文中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种利用不规则区域分割的数字图像认证与恢复方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

水印嵌入步骤，所述水印包括认证水印和恢复水印，将认证水印和恢复水印嵌入到图像中；

图像认证与恢复步骤，从待识别图像中提取认证水印和恢复水印，通过认证水印判断待识别图像是否被篡改，通过恢复水印恢复待识别图像中被篡改部分。

2.根据权利要求1所述的一种利用不规则区域分割的数字图像认证与恢复方法，其特征在于，所述水印嵌入步骤包括：

图像分割步骤，首先将图像中的所有像素的最低两位有效位置零，然后将图像分割成互不重叠的、不规则形状的图像分割块；

第一构造步骤，基于所述图像分割块，构造认证水印；

第二构造步骤，基于所述图像分割块，构造恢复水印；

嵌入步骤，将构造的认证水印和恢复水印嵌入到图像分割块中。

3.根据权利要求2所述的一种利用不规则区域分割的数字图像认证与恢复方法，其特征在于：所述第一构造步骤为：对于任意一个图像分割块，将该图像分割块中的第一个像素输入混沌系统进行T次迭代后输出一个输出值，T大于等于20，第二个像素与第一个像素的输出值进行计算，其结果作为初值再次输入混沌系统进行T次迭代，依此类推，直到当前图像分割块的最后一个像素输入混沌系统进行T次迭代后输出一个混沌序列，取该混沌序列中的部分连续值作为该图像分割块的认证水印。

4.根据权利要求2所述的一种利用不规则区域分割的数字图像认证与恢复方法，其特征在于：所述第二构造步骤为：沿着各个图像分割块的最大边缘将其扩展成形状规则的外切矩形，记录每一扩展矩形的位置信息，即起始像素位置、长度和宽度，对各个扩展后的图像分割块进行编码压缩，得到每一分割图像块的压缩码流，压缩码流即为恢复水印。

5.根据权利要求2所述的一种利用不规则区域分割的数字图像认证与恢复方法，其特征在于：所述嵌入步骤为：将每个不规则图像分割块中的认证水印信息嵌入到自身的不规则图像块的某些像素的最低有效位上，恢复水印信息则嵌入到另一块不规则图像块中的像素的最低两位有效位上，并要避免覆盖像素最低有效位中已嵌入的认证水印。

6.根据权利要求1所述的一种利用不规则区域分割的数字图像认证与恢复方法，其特征在于，所述图像认证与恢复步骤包括：

待识别图像分割步骤，先将待识别图像中的所有像素的最低两位有效位置零，再使用与水印嵌入步骤中相同的分割方法把待识别图像分割成互不重叠的、不规则形状的图像分割块；

认证水印提取步骤，把上述分割结果应用在未置零的待识别图像上，在未置零的待识别图像的每个图像分割块中提取认证水印；

参考序列产生步骤，在置零后的待识别图像中，基于所述图像分割块，应用与认证水印构造步骤相同的方法产生一个参考序列；

认证步骤，比较每个图像分割块中提取的认证水印和由该图像分割块产生的参考序列，如果二者相同，则该图像分割块通过认证，判断没有篡改发生；否则，判断该图像分割块发生了篡改操作，对篡改区域进行标记，表示检测定位的结果；

恢复步骤，提取每个通过认证的图像分割块中存储的位置信息，判断该位置信息所涉及的区域是否含有被标记的篡改部分，如果某个位置信息涉及的区域内含有篡改部分，则提取该图像分割块的恢复信息对篡改区域进行重建，直到整幅图像的篡改区域被完全恢复。

7.一种利用不规则区域分割的数字图像认证与恢复系统，其特征在于，包括：

水印嵌入模块，所述水印包括认证水印和恢复水印，用于将认证水印和恢复水印嵌入到图像中；

图像认证与恢复模块，用于从待识别图像中提取认证水印和恢复水印，通过认证水印判断待识别图像是否被篡改，通过恢复水印恢复待识别图像中被篡改部分。

8.根据权利要求7所述的一种利用不规则区域分割的数字图像认证与恢复系统，其特征在于：所述水印嵌入模块包括：

图像分割单元，用于首先将图像中的所有像素的最低两位有效位置零，然后将图像分割成互不重叠的、不规则形状的图像分割块；

第一构造单元，用于基于所述图像分割块，构造认证水印；

第二构造单元，用于基于所述图像分割块，构造恢复水印；

嵌入单元，用于将构造的认证水印和恢复水印嵌入到图像分割块中。

9.根据权利要求8所述的一种利用不规则区域分割的数字图像认证与恢复系统，其特征在于：

所述第一构造单元，用于对于任意一个图像分割块，将该图像分割块中的第一个像素输入混沌系统进行T次迭代后输出一个输出值，T大于等于20，第二个像素与第一个像素的输出值进行计算，其结果作为初值再次输入混沌系统进行T次迭代，依此类推，直到当前图像分割块的最后一个像素输入混沌系统进行T次迭代后输出一个混沌序列，取混沌序列中的部分连续值作为该图像分割块的认证水印；

所述第二构造单元，用于沿着各个图像分割块的最大边缘将其扩展成形状规则的外切矩形，记录每一扩展矩形的位置信息，即起始像素位置、长度和宽度，对各个扩展后的图像分割块进行编码压缩，得到每一分割图像块的压缩码流，压缩码流作为恢复水印；

所述嵌入单元，用于将每个不规则图像分割块中的认证水印信息嵌入到自身的不规则图像块的某些像素的最低有效位上，恢复水印信息则嵌入到另一块不规则图像块中的像素的最低两位有效位上，并要避免覆盖像素最低有效位中已嵌入的认证水印。

10.根据权利要求7所述的一种利用不规则区域分割的数字图像认证与恢复方法，其特征在于，所述图像认证与恢复模块包括：

待识别图像分割单元，用于先将待识别图像中的所有像素的最低两位有效位置零，再使用与水印嵌入步骤中相同的分割方法把待识别图像分割成互不重叠的、不规则形状的图像分割块；

认证水印提取单元，用于把上述分割结果应用在未置零的待识别图像上，在未置零的待识别图像的每个图像分割块中提取认证水印；

参考序列产生单元，用于在置零后的待识别图像中，基于所述图像分割块，应用与认证水印构造步骤相同的方法产生一个参考序列；

认证单元，用于比较每个图像分割块中提取的认证水印和由该图像分割块产生的参考序列，如果二者相同，则该图像分割块通过认证，判断没有篡改发生；否则，判断该图像分割块发生了篡改操作，对篡改区域进行标记，表示检测定位的结果；

恢复单元，用于提取每个通过认证的图像分割块中存储的位置信息，判断该位置信息所涉及的区域是否含有被标记的篡改部分，如果某个位置信息涉及的区域内含有篡改部分，则提取该图像分割块的恢复信息对篡改区域进行重建，直到整幅图像的篡改区域被完全恢复。

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