一种面向图像内容认证的半脆弱数字水印算法

半脆弱水印嵌入的算法， 量化步长由频域掩蔽数值决定， 从而 使水印的嵌入不会导致图像质量的下降。 文献 ［２］ 提出了通
过密钥生成水印序列，嵌入到图像分块 ＤＣＴ 域的 ＤＣ 系数中， ＪＰＥＧ 压缩中用不同步长量化所产生的不变性而嵌入水印，实 Ｌｉｎ 等人
［３］
利用由伪随机序列控制的预测编码器来实现水印嵌入和检测。 把 ＤＣＴ 系 数 之 间 的 大 小 作 为 水 印 信 号， 并 根 据
中图分类号 ： ＴＰ３０９畅 ２ 文献标志码 ： Ａ 文章编号 ： １００１唱 ３６９５（２０１０）０１唱 ０２３４唱 ０３
Ｎｅｗ ｓｅｍｉ唱 ｆｒａｇｉｌｅ ｗａｔｅｒｍａｒｋｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｉｍａｇｅ ｃｏｎｔｅｎｔ ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ
Ｅｘａｍｉｎａｔｉｏｎ ， Ｊｉｎａｎ ２５００１２， Ｃｈｉｎａ ； ３． Ｓｈａｎｄａ Ｏｍａｒｓｏｆｔ Ｃｏ ． ， Ｌｔｄ ． ， Ｊｉｎａｎ ２５０１００， Ｃｈｉｎａ ） （１． Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｊｉｎａｎ ２５００１４， Ｃｈｉｎａ ； ２． Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ Ｅｎｔｒａｎｃｅ
Ｔ
要依据是图像矩阵的奇异值稳定性好， 能够抵抗轻微的扰动。 符合半脆弱水印的基本要求。 嵌入方法采用分块嵌入规则，将
对于灰度为 ２５６，大小为 ２５６ × ２５６ 的图像， 首先将图像分
为 １ ０２４ 个 ８ × ８ 的互相不重叠的子块， 并将其赋予 １ ～ １ ０２４
其中一部分用于提取图像特征， 即组成等待嵌入的数字水印， 另外一部分用于水印嵌入。 子块划分算法如下： 代，以去除系统的暂态： ａ） 对于设定的初始数值， 首先进行下式的一定次数的迭
０ 引言
随着多媒体技术和网络技术的飞速发展及广泛应用，人们 在享受了快速获取信息的同时， 也面临着盗版、 信息失控等非 常严重的威胁。 作为内容认证和版权保护的一种重要手段，数 字水印技术受到了广泛的关注，应用范围也越来越多。 对数字 内容的保护一般分为两个方面： 版权保护和内容完整性保护 （ 即认证）。 用于版权保护的数字水印要求有很强的鲁棒性和 安全性，一般称为鲁棒性水印， 它要求能够抵抗各种旨在破坏 水印的攻击。 而用于多媒体内容真实性鉴定的水印，一般称为 脆弱性水印。 对于脆弱性水印，只要嵌入水印的图像有任何改 变，嵌入的水印都将被破坏。 考虑在实际应用中， 数字图像一 般数据量较大，需要以压缩方式存储及传输，且最终用户所需 通常是原始图像经压缩或其他保持图像内容的操作处理后的 图像，所以并不需要脆弱水印对所有的修改都非常敏感，对恶 意窜改高度敏感和对内容保护操作鲁棒的半脆弱水印更能适
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"#$% 中定义的标准量化表
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图像块中 235 系数分布
１畅 ２ 水印嵌入
由于数字图像可以用二维矩阵表示，可以利用矩阵理论中
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的奇异值分解技术来构造水印模型。 根据矩阵理论， 设 Ａ 为 Ｎ× Ｎ 的非负矩阵， 则 Ａ ＝ ＵＳＶ 。 其中：Ｕ、 Ｖ 是酉矩阵； Ｓ 是 一个对角阵，对角线上的元素从上到下依次递减排序， 被称为 矩阵的奇异值，最前面的若干奇异值集中了大部分矩阵的能 量。 在文献［５］ 中指出使用 ＳＶＤ 变换来作为水印嵌入域的主 文献［６］ 进一步指出大奇异值对 ＪＰＥＧ 压缩的稳定性， 这正好 上述剩余的 ５１２ 个子块按照序列生成的先后顺序进行逐个嵌 入。 水印信号嵌入过程如下： ａ） 预先设置参数 Ｊ（ Ｊ 通常取偶数， 算法迭代后可能改变， ｂ） 对编号为 ５１３ ～ １ ０２４ 的每一个分块进行 ＳＶＤ 变换分
ｂ） 取 编 号 ｌ ＝ｍｏｄ ［ ａｂｓ （ ｘ ｉ ） －ｆｌｏｏｒ （ ａｂｓ （ ｘ ｉ ）） ×１０ ， ｃ） 反复执行 ａ） 和 ｂ），直到找到 １ ０２４ 个互不相同的编号。 ｄ） 将前面 １ ～ ５１２ 个编号代表的图像子块依次排列，用于 对用于特征提取部分的每一个图像子块，用下列的算法进
学家科研奖励基金资助项目 （２００８ ＢＳＢ３８００１）
应实际的要求，尤其在网络时代具有更重要的应用价值。 要求：ａ） 透明性好，嵌入水印后图像的质量高；ｂ） 半脆弱性，对 力，能准确定位恶意窜改的位置； ｄ ） 盲检测， 提取水印不需要
［１］
用于内容认证的半脆弱水印，在算法设计上应该满足以下
常规处理具有鲁棒性，对恶意窜改具有脆弱性； ｃ） 窜改定位能 原始图像。 １９９６ 年 Ｚｈｕ Ｂｉｎ 等人 提出了一种在 ＤＣＴ 域实现
四个值中。
假设 ＷＭ ＝ Ｗｉ ，Ａｉ 分解得到的矩阵 Ｓｉ 中的最大四个元素值为 Ｖｉ （ ｉ ＝ １，…，４），最后该值将被修改为 Ｖ′ １，…，４），矩阵 Ｓ ｉ ｉ（ｉ ＝ 将被修改为 Ｓ′ ｉ 。 修改算法由以下两步组成： （ ａ） 计算：
Ｘ＝ 榾 （ Ｖｉ ／ Ｊ ） 」 （ 榾 」 表示向下取整 ）
ｃ） 对任一分块 Ａｉ ， 把 Ｗｉ 嵌入其中。 嵌入具体方法如下：
图像的特征提取。
行特征提取：为了实现半脆弱水印的抗压系数的半脆弱水印算法， 并对 其作了一定的改进；嵌入水印通过图像块低频系数之间的关系 生成并依次嵌入到待嵌入部分的子块中，使得该算法不仅能够 定位窜改位置，而且能够抵抗压缩，检测也不需要原始水印，提 高了此半脆弱数字水印算法的适用性和稳定性。 水印的生成算法如下： ａ） 将编号为 １ ～ ５１２ 的每个图像分块进行 ＤＣＴ 得到 ＤＣＴ
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１ 水印嵌入算法
混沌系统由于其本身的类随机性和遍历性的特点，在数字 水印的水印生成、算法设计中得到了广泛应用。 本文采用基于 混沌系统的数字水印嵌入技术。 为了使算法具有一定的鲁棒 性，本文不是在每一分块都提取图像特征水印进行嵌入，而是 采取了与传统的整体水印嵌入不同的方法：首先将原始图像进 行分块；然后采取将一部分图像块用来生成水印信息， 而另外 的部分则用来嵌入水印。 １畅 １ 水印生成
主要研究方向为计算机图形学 、数字图像处理 ； 刘江 （１９７９唱 ） ，男 ，硕士研究生 ，主要研究方向为图形图像处理 、 信息安全 ．
作者简介 ： 王蓓蓓 （１９８４唱 ） ，女 ， 硕士研究生 ，主要研究方向为数字图像处理 、数字水印 （ ｌｏｖｌｙｂｅｔｔｙ１１２６＠１２６． ｃｏｍ ） ；王希常 （１９６７唱 ） ， 男 ， 研究员 ，
ｘ０ ＝ ４ ｘ０ （１ － ｘ０ ）
的编号；然后根据 Ｌｏｇｉｓｔｉｃ 混沌映射将其随机地分成两个部分，
其决定了奇异值改变的幅度 ）， Ｊ 的最后取值和水印图像大小 将作为提取水印的密钥。
Ｕｉ Ｓｉ Ｖｉ ，水印将嵌入到 Ｓｉ 最大的 解，设某个分块为 Ａｉ ，则 Ａｉ ＝
１３
１０２４］ ＋ １。 显然，ｌ∈［１，１０２４］。
第１ 期
王蓓蓓 ，等 ：一种面向图像内容认证的半脆弱数字水印算法 １，…，４）。 生成的水印即为 Ｗｉ （ ｉ ＝
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第 ２７ 卷第 １ 期 ２０１０ 年 １ 月
计 算 机 应 用 研 究 Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ
Ｖｏｌ． ２７ Ｎｏ． １ Ｊａｎ ．２０１０
一种面向图像内容认证的 半脆弱数字水印算法 倡
王蓓蓓 ， 王希常 ， 刘 江
软件有限公司， 济南 ２５０１００） 摘 要： 提出了一种面向内容认证的半脆弱数字水印算法 。 该算法利用混沌系统的类随机性和遍历性的特点 ， 将载体图像分成两部分 ，其中一部分用于提取基于图像特征的水印 ，另外一部分则用来嵌入提取的特征水印 ， 水 要求 ，并保证在对常见的 ＪＰＥＧ 压缩稳健的同时 ，能有效地区分偶然失真和恶意窜改 。 印信号嵌入到矩阵奇异值 （ ＳＶＤ ） 较大的数据中 。 实验表明算法达到了不可见性 、盲检测性等半脆弱水印的基本
现了窜改定位和估计值恢复。 文献 ［４］ 提出了一种基于混沌 子带中。
系统的半脆弱数字水印算法，并将水印嵌入到小波变换的逼近 本文在总结以上算法优点的基础上，对文献［４］ 进行了改 进，提出了一种新的面向图像内容认证的半脆弱数字水印算
收稿日期 ： ２００９唱 ０３唱 ３０； 修回日期 ： ２００９唱 ０５唱 ２１ 基金项目 ： 山东省自然科学基金资助项目 （ ２００５ ＺＲＢ０１００１ ） ；２００８ 年度山东省中青年科