CN111861844A - 一种基于图像分块认证的可逆水印方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于图像分块认证的可逆水印方法，能够实现可逆水印与脆弱水印以双模的方式嵌入到图像载体，实现定位图像信息篡改并且对篡改区域的主要信息进行恢复，同时秘密信息得到正确提取的功能。包括：载体嵌入水印，负责将秘密信息和用于篡改定位和篡改还原的脆弱水印嵌入到载体图像；秘密图像提取信息可逆恢复，负责从还原的载密图像提取秘密信息，并且还原原始载体图像的内容。本发明通过构造基于图像分块认证的可逆水印方法，为图像可逆信息隐藏提供了新的设计思路。

Description

一种基于图像分块认证的可逆水印方法
技术领域
本发明属于图像处理领域，尤其涉及基于图像分块认证的可逆水印方法。
背景技术
随着互联网和移动端应用的快速发展和普及，数字图像媒体内容作为最重要的信息载体之一，已经成为了信息通信的主流媒介。在公开的网络坏境下，如何将一些不愿意被别人获悉的内容进行传递，如何保证信息传递的准确完好，有效地利用技术手段来确保数据和隐私的安全，是信息安全领域一直需要考虑的问题。传统的密码学方法使用加密算法将被传递的信息转化为无法被读取的无意义乱码，利用相应的密钥对密文恢复成原始明文，同时结合数字签名机制，对数据的完整性和发送者的身份信息进行验证来满足上述需求。但是由于无意义的乱码在公开信道中传输会引起大量第三方攻击者的兴趣和注意，增大了信息被获取和破坏重放的风险等，所以传统的密码学方法在实际应用中存在一定局限性。
为了避免通信内容被截获，信息隐藏技术用“隐匿秘密通信存在”的方式来保护通信的安全，通过掩盖通信这一行为本身存在的事实，利用图像中存在的冗余信息区域和人类视觉系统的局限性特征，在人类感官不受影响的情况下，将需要被嵌入的秘密信息，如标签、元数据等嵌入到初始的图像载体中，可以达到标注、隐蔽通信等目的，从而为更多领域的应用提供更有力的保护。同时，脆弱水印技术作为信息隐藏的分支技术，在载体受到篡改或者破坏时，通过对这些攻击失真敏感的水印来标记图像被改变的位置和信息，并通过水印中存在的辅助信息，一定程度恢复被改变的位置，对载体内容进行完整性的认证。
评价可逆信息隐藏算法的性能指标主要有三个：信息嵌入容量、重建载体质量、结构相似性。信息嵌入容量是指在载体图片内能够隐藏的信息数量；重建载体质量是用来衡量当嵌入秘密信息之后，载密图像相较于秘密图像与载体直接差异的指标，多用峰值信噪比衡量；结构相似性是指通过图像组成的维度，从亮度、对比度和结构三个方面来衡量图像不可感知质量的指标。
近些年内在信息隐藏研究中，有相当一部分算法是基于像素预测技术实现的。由于图像语义的特征，对某一像素周围或附近的像素点进行考量，会发现它们之间存在一定的相关性，所以可以在这些能够被预测的信息上嵌入对应的秘密信息实现信息隐藏。目前很多的研究方法为了能够更好地提取信息，会将预测的差值进行扩展，来实现更好的鲁棒性。
由于在现有被提出的大多信息隐藏模型中，在嵌入阶段中原始载体通常会有不可恢复的失真。在一些领域中对传输图像的精确要求较高，需要尽可能保留原始图像更多的信息，因此可逆隐写技术被实现，并得到了更广泛的关注和快速的发展。在这个基础上，结合信息隐藏和可逆隐写的可逆信息隐藏技术，不仅保留了信息隐藏算法的优点和特点，同时还可以无损还原原始载体数据和秘密信息。在这个过程中，密码算法需要能够高效安全地保护隐私数据秘密性的同时，还要具有高可逆性。因此，在不安全信道中图像被篡改的情况下保证载体和水印的安全性和完整性，在实际场景应用中都具有重要的实际价值和应用空间。
发明内容
本发明提出一种基于图像分块认证的可逆水印算法，通过将图像分块并使用块链的方式，最终实现可逆水印与脆弱水印以双模的方式嵌入到图像载体，实现其图像信息隐藏中高可逆、高嵌入率、载体抗攻击鲁棒性的效果。
本发明提供一种基于图像分块认证的可逆水印方法，分为载体嵌入水印和秘密图像提取信息可逆恢复两部分，载体嵌入水印包括以下步骤：
1)将载体图像的最高有效位MSB位视为冗余空间，使用梯度调整算法(GAP)遍历图像找到可用的嵌入像素位，并将预测错误的像素位置写入误差矩阵；
2)待嵌入的秘密信息经隐藏密钥加密，将预测误差位的信息与秘密信息组合并构造新的嵌入信息，将新的信息嵌入到载体图像中，生成隐藏有秘密信息的载密图像，其大小与原始图像相同；
3)将基于频域的自恢复水印嵌入到(2)中生成的载密图像中，得到既包含秘密信息又包含脆弱水印的双模水印图片。
进一步地，步骤2)中秘密信息嵌入使用明文域中的信息嵌入算法；
进一步地，步骤3)中先将隐藏有秘密信息的图像分割为不重叠的子块，然后将图像分块内的DCT低频信息均值作为该块的均值，并将其作为脆弱水印，嵌入到下一个子块的DCT分块中。
最后将更新后的各个子块进行逆DCT变换，得到包含有脆弱水印的图像。
秘密图像提取信息可逆恢复包括以下步骤：
4)接收端收到载密图像后，提取脆弱水印的信息，判断图像是否发生篡改并进行恢复；
5)载密图像恢复过后，提取嵌入的秘密信息，进行秘密信息的恢复。
6)使用恢复的预测错误像素位信息，结合预测可逆地恢复原始载体图像。
进一步地，步骤4)中先将载密图像分割为不重叠的子块，对分块后的各个子块进行DCT变换，在每个DCT子块中，提取出上一子块信息生成的脆弱水印，从而判断该块是否发生篡改并进行恢复载密图像；
进一步地，步骤5)中回收并恢复所有的预测误差位，跳过所有错误，直接通过读取各可用像素最高有效位的方式提取嵌入的秘密信息，然后使用数据隐藏密钥解密秘密信息得到对应的明文；
进一步地，步骤6)中保留不可用像素位的信息，结合恢复的预测错误像素位信息，使用梯度调节方法来预测可用像素的最大有效位，恢复原始载体图像。
利用本发明的方法可以很好地将脆弱水印标记载体被篡改的位置，恢复载体原始图像，正确提取载体中的秘密信息，与现有技术相比具有以下优点：
1、在不受攻击的情况下，可以高可逆地恢复秘密信息和原始载体；
2、在发生攻击如裁剪和拼贴攻击的情况下，可以定位绝大多数发生篡改的位置，并较大地恢复载体图像所保留的视觉信息，同时秘密信息可以完全正确地被提取。
附图说明
图1为本发明方法进行载体嵌入水印的流程框架图。
图2为本发明方法进行秘密图像提取信息可逆恢复的流程框架图。
图3为使用本发明方法进行嵌入秘密信息和脆弱水印的实例图。
图4为使用本发明方法进行篡改定位及篡改恢复的实例图。
具体实施方式
为使本发明的上述特点和优点更明显易懂，下面结合具体实施方式和附图对本发明作进一步详细说明。
本发明设计的可逆水印方法基于图像分块认证，利用图像分块之间互相认证的方式引入DCT域的脆弱水印机制，可以对传输中发生的攻击和篡改进行定位和还原，并且脆弱水印的存在和篡改恢复过程不会影响现有可逆水印的提取。其主要步骤包括：
步骤101、将载体图像的最高有效位MSB位视为冗余空间，使用梯度调整算法(GAP)遍历图像找到可用的嵌入像素位，并将预测错误的像素位置写入误差矩阵；
步骤201、待嵌入的秘密信息用隐藏密钥加密；
步骤202、遍历扫描像素预测阶段生成的误差矩阵，将预测误差位的信息与秘密信息组合并构造新的嵌入信息；
步骤203、扫描所有像素点，保留不可用位的像素值，将新的嵌入信息嵌入到可用像素位中；
步骤301、将隐藏有秘密信息的图像分割为不重叠的子块；
步骤302、对分块后的每个子块进行DCT变换；
步骤303、计算每个子块的平均强度，对平均强度进行位平面分割，生成脆弱水印，将脆弱水印嵌入到按顺序对应的下一个子块的 DCT分块的高频分量中；
步骤304、将更新后的各个子块进行逆DCT变换，完成脆弱水印嵌入到图像中；
步骤401、接收图像，对图像进行分割，得到各不重叠的子块；
步骤402、将分块后的各个子块进行DCT变换；
步骤403、在每个DCT子块中，提取对应的脆弱水印，每块中提取的水印为上一子块信息生成的脆弱水印；
步骤404、计算每个子块中的平均强度，根据生成的平均强度和提取水印的强度信息做比较，判断该块是否发生了篡改同时进行恢复；
步骤405、对图像进行逆DCT变换，得到篡改恢复后的载密图像；
步骤501、参照误差矩阵，回收并恢复所有的预测误差位；
步骤502、跳过所有的错误，遍历每个像素的MSB位提取秘密信息；
步骤503、使用数据隐藏密钥解密秘密信息得到对应的明文；
步骤601、借助误差矩阵，保留不可用像素位的信息，使用梯度调节方法预测可用像素的MSB位，恢复原始载体图像。
本发明在标准图像数据集上的8位灰度图像进行了验证，图3为由本发明方法进行嵌入秘密信息和脆弱水印的实例图，可以看到，从视觉上，还原后图像的整体视觉质量不变，和原图有着极高的相似性。图4为使用本发明方法进行篡改定位及篡改恢复的实例图，可以看到被篡改的图像的基本信息均被还原出来，且秘密信息可以完全正确被提取，在可逆信息隐藏中，所提出的方法具有良好的可用性。
本发明实现了以双模的方式，将脆弱水印嵌入到图像的DCT高频分量中，借助图像分块的块链，实现定位图像信息篡改并且对篡改区域的主要信息进行恢复，同时秘密信息得到正确提取的功能。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种基于图像分块认证的可逆水印方法，其特征在于，包括：
A、像素预测：将载体图像的最高有效位MSB位视为冗余空间，使用梯度调整算法(GAP)遍历图像找到可用的嵌入像素位，并将预测错误的像素位置写入误差矩阵；
B、秘密信息嵌入：待嵌入的秘密信息经隐藏密钥加密，将预测误差位的信息与秘密信息组合并构造新的嵌入信息，将新的信息嵌入载体图像中，生成隐藏有秘密信息的载密图像，其大小与原始图像相同；
C、脆弱水印嵌入：将基于频域的自恢复水印嵌入到隐藏有秘密信息的载密图像中，得到既包含秘密信息又包含脆弱水印的双模水印图片；
D、篡改定位及还原：接收端收到载密图像后，提取脆弱水印的信息，判断图像是否发生篡改并进行恢复；
E、秘密信息提取：载密图像恢复过后，提取嵌入的秘密信息，进行秘密信息的恢复；
F、载体重建：使用恢复的预测错误像素位信息，结合预测可逆地恢复原始载体图像。
2.根据权利要求1所述的一种基于图像分块认证的可逆水印方法，其特征在于，步骤B进一步包括以下步骤：
B1、待嵌入的秘密信息用隐藏密钥加密；
B2、遍历扫描像素预测阶段生成的误差矩阵，将预测误差位的信息与秘密信息组合并构造新的嵌入信息；
B3、扫描所有像素点，保留不可用位的像素值，将新的嵌入信息嵌入到可用像素位中。
3.根据权利要求1所述的一种基于图像分块认证的可逆水印方法，其特征在于，步骤C下进一步包括以下步骤：
C1、将隐藏有秘密信息的图像分割为不重叠的子块；
C2、对分块后的每个子块进行DCT变换；
C3、计算每个子块的平均强度，对平均强度进行位平面分割，生成脆弱水印，将脆弱水印嵌入到按顺序对应的下一个子块的DCT分块的高频分量中；
C4、将更新后的各个子块进行逆DCT变换，完成脆弱水印嵌入到图像中。
4.根据权利要求1所述的一种基于图像分块认证的可逆水印方法，其特征在于，步骤D进一步包括以下步骤：
D1、接收图像，对图像进行分割，得到各不重叠的子块；
D2、将分块后的各个子块进行DCT变换；
D3、在每个DCT子块中，提取对应的脆弱水印，每块中提取的水印为上一子块信息生成的脆弱水印；
D4、计算每个子块中的平均强度，根据生成的平均强度和提取水印的强度信息做比较，判断该块是否发生了篡改同时进行恢复；
D5、对图像进行逆DCT变换，得到篡改恢复后的载密图像。
5.根据权利要求1所述的一种基于图像分块认证的可逆水印方法，其特征在于，步骤E进一步包括以下步骤：
E1、参照误差矩阵，回收并恢复所有的预测误差位；
E2、跳过所有的错误，遍历每个像素的MSB中提取秘密信息；
E3、使用数据隐藏密钥解密秘密信息得到对应的明文。
6.根据权利要求1所述的一种基于图像分块认证的可逆水印方法，其特征在于，步骤F进一步包括以下步骤：
F1、借助误差矩阵，保留不可用像素位的信息，使用梯度调节方法预测可用像素的MSB位，恢复原始载体图像。
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