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1、中国科学E辑:信息科学2008年第38卷第4期:533~552《中国科学》杂志社www.scichina.cominfo.scichina.comSCIENCEINCHINAPRESS一种高定位精度的可恢复水印算法①*①②和红杰,张家树,陈帆①西南交通大学信号与信息处理四川省重点实验室,成都610031;②西南交通大学信息安全与国家计算网格实验室,成都610031*E-mail:hehojie@mars.swju.edu.cn收稿日期:2007-02-12;接受日期:2007-04-23西南交通大学博士生创新基金(2007)、教育部新世纪优秀人才支持计划(批准号
2、:NECT-05-0794)和四川省应用基础研究(批准号:2006J13-10)资助项目摘要针对现有可恢复水印算法定位精度低和虚警概率高的问题,提出一关键词种高定位精度的可恢复脆弱水印算法,分别推导给出了随机篡改与区域篡改数字水印条件下算法的虚警概率和漏警概率,并定义了衡量篡改恢复图像质量的4个篡改恢复指标.基于2×2图像块生成水印信息不仅能有效提高算法的定位精度,而且虚警概率漏警概率降低了算法对随机篡改的虚警概率;基于密钥随机生成水印嵌入位置并结合图像块8-邻域被篡改的情形,使得算法对区域篡改的虚警概率接近于0.与现有可恢复水印算法相比,不仅有效解决了可恢复水
3、印算法的篡改定位问题,而且提高了可恢复水印算法对随机噪声的鲁棒性;同时,也为定量分析认证水印算法的性能提出一种客观的评价指标.计算机技术的飞速发展与信息媒体的数字化以及各种图像编辑软件的出现,使得攻击者可以毫不费力且不留痕迹地篡改数字图像的内容.中国有句古话:“耳听为虚,眼见为实”,亲眼所见是人们区分真伪的依据,但是多媒体数据的易操作性使人们通过眼睛难辨真伪.如何检测数字图像的完整性、真实性等问题引起了研究者的广泛关注.传统的数字签名技术在鉴别数字图[1]像真实性时,存在不能适应图像处理需求和不能定位图像被篡改位置等缺陷.近年来,基于数字水印的数字图像认证技术已
4、成为国内外的前沿性研究课题.基于数字水印的图像认证技术分为精确认证(hardauthentication)和模糊认证(softauthentica-[2]tion)两类,它们要解决的核心问题是鉴别数字图像的真实性(篡改检测)和定位数字图像被篡改[3,4][5~7][8]的位置(篡改定位),并由此推断图像被篡改的程度和方式.1999年Fridrich等人首次提出了一种自嵌入水印算法,该算法不仅能定位图像被篡改的位置,而且还能近似恢复被篡改图像块的内容,充分展示了基于数字水印的图像认证技术优势.近几年来,出现了不少有关可恢复533和红杰等:一种高定位精度的可恢复水印
5、算法[9~16]水印算法的研究报道.总结起来,可恢复水印算法有以下特点:通过分块实现篡改定位;基于图像块内容生成水印以实现篡改恢复;加密水印信息并基于密钥选取水印嵌入位置来提高算法的安全性;兼顾不可见性和水印嵌入容量,水印信息一般被嵌入在数字图像的低位平面LSBs(lesssignificantbits).在现有可恢复水印算法中,对“篡改恢复图像质量”的讨论多是在“水[8~13]印信息不被篡改”的条件下进行的,而实际应用中被测图像有少量水印信息改变是完全可能的:一方面通过网络传输的数字图像不可避免地会受信道噪声(随机篡改)的影响;另一方面,攻击者在篡改图像内容(
6、区域篡改)时也不可能刻意保持水印信息不变以利于篡改恢复.已有研究[14~16][16]者注意到该问题并提出了相应的解决方案,例如,Lin等人提出利用CRC(cyclicredun-dancycheck)来检测水印信息是否被篡改.只有当水印信息没有被篡改时,隐藏于其中的压缩信息才用于恢复对应图像块的原始内容.该方法有效避免了使用错误的水印信息恢复未被篡改的图像块,但同时也放弃了对某些篡改块的恢复,从而使被恢复图像的可信性大大降低.因此,Lin等提出的“提高篡改恢复质量”方法是不可行的.通过对现有可恢复水印算法深入研究发现,以下两个方面的问题是导致部分水印信息被篡改
7、时,现有可恢复水印算法恢复质量不高的主要原因:1)虚警概率高.可恢复水印算法中,基于图像块内容生成的水印信息不是嵌入图像块自身之中,而是嵌入在另一图像块的LSBs.假设图像块X1的水印信息嵌入在图像块X2中,当X2被篡改,根据现有可恢复水印的篡改检查算法,图像块X1和X2将同时被检测,即真实的图像块X1误判为被篡改(虚警).2)篡改定位精度低.现有可恢复水印算法中,图像块大小至少为8×8,算法的篡改定位精度低.当被测图像有水印信息篡改时,上述两个问题使现有可恢复水印算法的篡改恢复质量急剧下降.一方面,对误判为篡改(虚警)的真实图像块的“恢复”无疑严重降低了篡改恢
8、复图像的质[17~19]
