一种用于图像认证的无失真半易损电子水印系统

    摘要：提出了一种新的用于图像认证的半惚损电子水印系统。水印方案采用基于小波变换的空间—频域分析方法，定义了一个小波系统数量化函数，由该量化函数实现水印的产生、嵌入和提取。水印图像没有任何失真，因而可以通过改变量化参数实现水印的多级嵌入，进一步提高图像的认证能力。

    关键词：电子水印 小波变换 图像认证 半易损电子水印

随着多媒体和网络技术的飞速发展及广泛应用，对图像、音频、视频等多媒体内容的保护成为迫切需要解决的问题。对多媒体内容的保护分为两个方面：一是版板保护：二是内容完整性（真实性）保护，即认证（或称为“篡改提示”）。传统的加密方法对内容的保护有很大的局限性，而新兴的信息隐藏技术则弥补了这些缺陷。信息隐藏用于多媒体保护上称为电子水印，是将与多媒体内容相关或不相关的一些标示信息直接嵌入多媒体内容当中，但不影响原媒体的使用价值，并不容易被人的知觉系统察觉到。通过这些隐藏在多媒体内容中的信息，可以达到确认内容创建者、购买者或鉴定是否真空完整的目的。

用于版权保护的电子水印称为鲁棒水印（Robust Watermarking）；用于多媒体内容真实性鉴定（或篡改提示）的水印称为易损水印（Fragile Watermarking）。近来，同时具备鲁棒性和易损性水印特征的水印方法，即半易损水印（Semi-fragile Watermarkin）被提出，半易损水印结合了易损水印和鲁棒水印的特点。和鲁棒水印一样，半易损水和能够容忍一定程度的信息处理失真（不是恶意的攻击），例如有损压缩引起的量化噪声。同时半易损水印又具备易损水印的特性，能够判断出图像是否被篡改，并对图像的篡改区域进行定位。半易损水印主要应用于篡改检测和图像认证。能否判断多媒体内容是否被篡改以及篡改的程序，对于半易损水印系统来说是极其重要的。因而半易损电子水印系统更象是损水印系统，是一种强化了的易损电子水印系统。

以往的图像认证方法[1～7]存在着一定的缺点；或者是嵌入方法简单，极易受到攻击；或者容易产生检测误差，从而使得检测结果不可靠；可者存在应用上的局限性。本文将提出一种全新半易损电子水印方案，这一方案将基本上能够满足应用上的需要。

1 方案概述

本文采用小波变换而不是空域方法[1～3]或者DCT方法[6～7]来嵌入水印，因为水波变换是一种空间—频域分板方法，能同时反映图像的空间位置和频率。小波变换的局部化作用能够检测到图像被篡改的区域，而小波变换的频率域则反映了被篡改的尺度（频带）。作者认为根据空间一频域上的失真来表征图像的篡改比只给出是否失真或只知道被篡改的位置更为有效，从而更具实际应用价值。

水印的嵌入和检测都是通过对小波分解系数进行量化来实现的，量化的步长决定防止篡改的灵敏度。一般来说，量化步长越长，越能容忍一定的失真；相反，量化步长小，则对篡改反映就灵敏。半易损水印的嵌入和检测、评估原理图如图1所示。一个有效的密钥包括：著作者的ID，即水印，系数选择密钥、量化参数Δ，也有可能是某一小波函数。

水印的嵌入主要包括以下三个过程。

首先，对原始图像进行L级的离散小波变换，得到3L个细节子图像，即分别为L个水平方向上的子图像；L个垂直方向上的子图像和L个对角方向上子图像，及一个逼近图像（位于最低尺度）。最大分解尺度L由用户根据需要定义。用fk,l(m，n),k=h,v,d表示第l尺度的细节子图像，其中l=1,2,…，L表示分解尺度,k=h,v,d分别表示水平、垂直和对角子图像，（m,n）为l尺度下的空间位置；用fa,L(m,n)表示逼近子图像。

    其次，对小波系数进行量化，量化过程其实现是嵌入比特流的过程（量化细节下节详细论述）。设水印为w(i),i=1,2,…,Nw;Nw为小波系统选择密钥，用来确定水印比特嵌入的位置，水印比特通过合适的量化嵌入到系数ckey（i）。

最后，对量化后的图像小波系数进行相应的L级离散小波逆变换，生成隐藏水印的图像（水印图像）。

给定认证图像水印的提取可参见图1（b）。对给定图像先进行离散小波变换，小波系数选择密钥ckey（i）用来确定水印系数。量化函数Q（·）用来量化这些分解系数，并确定水印的比特值。