基于保角变换图像哈希生成及图像篡改检测定位方法技术

本发明专利技术公开了一种基于保角变换的图像哈希方法，步骤包括：提取特征、生成中间Hash、生成密钥、加密、压缩数据，生成最终图像哈希。本发明专利技术还公开了一种该方法生成的图像哈希进行图像篡改的检测及定位方法，步骤包括：对于接收到的图像哈希值Ho和Haffman树HTo；生成测试图像的中间Hash；估计几何变换；利用Hash的全局性进行篡改检测；利用Hash的局部性进行篡改定位。本发明专利技术的方法，对几何变换具有鲁棒性；对恶意篡改攻击具有敏感性，能检测出细微的纹理变化和颜色变化攻击；不仅能检测出图像内容是否被篡改，而且能够确定被篡改区域的位置。

【技术实现步骤摘要】
基于保角变换图像哈希生成及图像篡改检测定位方法
本专利技术属于图像篡改检测
，涉及一种基于保角变换的图像哈希生成方法，以及对该方法所生成的图像哈希进行图像篡改的检测及定位方法。
技术介绍
目前，数字媒体技术的发展和功能强大的图像编辑软件的广泛使用，使得图像编辑和篡改越来越容易，数字图像的篡改手段越来越丰富，大量经过精密篡改的图片使人们对照片的信任程度越来越低，与此同时引起了各种不良的社会影响。因此，如何检测数字图像内容的真实性，成为急需解决的重要问题。展开对数字图像内容真实性检测技术的研究，对维护互联网的公共信任秩序、维护法律公正、新闻诚信、科学诚信等，具有十分重要的意义。数字图像取证是一种有效的数字图像内容真实性认证技术，包括主动取证和被动取证，它们都可以鉴别图像是否经过了篡改，但各自有着不同的应用领域。主动取证包括数字水印和图像哈希(图像Hash)。数字水印应用于图像认证存在两个不足：一是必须嵌入图像从而破坏了图像的原始信息；二是由于太过敏感而对常规图像操作不具有鲁棒性。图像哈希是近年来新兴发展起来的一种图像内容认证技术。图像哈希技术通过对图像内容提取简短摘要，来支持图像内容认证。其认证的思想在于，一旦生成了图像哈希，该Hash可以被保存用于日后检测原始图像是否被篡改，或者用来提供证据，证明原始图像的内容是否被作为伪造图片的素材。图像哈希具有检测能力强、适应面广、不易被篡改者回避等优点。图像哈希的生成包括两个阶段：1)图像提取特征；2)加密、编码、压缩，生成Hash值。图像哈希的主要用途有：图像内容的真实性和有效性认证，图像检索，图像数字水印。为了满足这些应用需求，图像哈希的设计应该满足以下性质：对常规图像处理操作的鲁棒性、对几何变换(特别是旋转\缩放)的鲁棒性，区别性(无碰撞性)、安全性(抗伪造攻击)、对内容改变的敏感性、紧凑性、篡改定位能力等。早期的图像哈希主要集中在讨论图像是否被篡改，只能给出图像内容是否真实的二值性判断，并不能检测被篡改的区域位于图像上的什么位置[1,2,3]。后继的方法强调检测被篡改的图像区域，但很多该类方法对内容保持的图像处理操作如JPEG压缩、旋转、加噪、缩放、滤波等，以及旋转/缩放等几何变换不具有鲁棒性。如文献[4,5,6]中所使用的是基于图像变换的方法，使用二维离散余弦变换(DCT)的低频系数或二维离散小波变换的低频系数来生成Hash。虽然这些方法也提供了基本的篡改定位功能，但基本上都对几何变换不具有鲁棒性。近年来，最新的图像哈希方法同时强调对图像内容保持操作和几何畸变的鲁棒性和对恶意攻击所造成的变化的敏感性，以及检测被篡改区域的能力。为了做到这一点，近年来有不少最新的图像哈希方法被提出。如Zhao等人在文献[7]中提出了一种基于图像纹理和形状特征的图像哈希，这种方法利用图像的Zernike矩和纹理特征生成Hash值。随后他们又在文献[8]中提出了一种利用图像全局和局部特征生成图像哈希值的方法，这种方法是以Zernike矩为全局特征，以图像显著区域中的位置和纹理信息为局部特征点，生成Hash值。文献[9]提出一种基于视觉水印检测的感知Hash方法。此方法运用线性高通滤波器对图像进行滤波，然后运用Weibull模型提取图像块的统计参数，利用密钥生成最终的Hash值。实验结果表明，此方法对于内容保持操作和几何变换都具有较好的鲁棒性。文献[10]提出了一种基于图形-背景分离的图像哈希生成方法。此方法首先对图像进行DCT分解，然后对DCT系数进行高斯平滑，提取前景图形，生成Hash值。参考关于图像哈希技术的最新研究结果，当前的研究热点之一是希望图像哈希方法对内容保持的图像处理操作和几何畸变具有鲁棒性，并同时具有篡改检测与篡改定位功能。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于保角变换的图像哈希生成方法，解决了现有技术中的图像处理操作和几何畸变鲁棒性差的问题。本专利技术的另一个目的是提供上述方法生成的图像哈希进行图像篡改的检测及定位方法，解决了现有技术中篡改检测与篡改定位对几何变换的无效性问题。本专利技术采用的技术方案是，基于保角变换的图像哈希生成方法，按照以下步骤实施：步骤1、提取特征输入大小为No1×No2的图像I0，先将图像I0转换成灰度图像，然后对该灰度图像进行保角变换得到直径为No的圆形图像用一级DB2小波变换处理得到小波低频重构图，称为W0；将W0划分成半径为的圆形区域，简称为子圆，G是预先设定的，设相邻两个子圆的圆心相对于图像中心的圆心角为α，每一个子圆用Bok表示，其中k＝1,...,M,M由ro和α决定，令Bok(x,y)代表子圆Bok中空间位置(x,y)的灰度值，用Nok表示子圆Bok包含的像素点数量，计算每一个子圆Bok的灰度均值：用Canny算子对每一个Bok提取边缘，设Eok表示边缘图像，令Eok(x,y)表示Eok中空间位置在(x,y)的灰度值值，计算边缘点在Eok中所占的比例：步骤2、生成中间Hash令Co＝(μo1,po1,...,μoM,poM),Co中元素的排列顺序是由对应的图像块，逆时针从图像的最外层向里，依次排列，C0即为图像I0的中间Hash；步骤3、生成密钥使用logistic映射产生混沌序列，设K∈(0,1)是由接收方与发送方共享的初始密钥，令L(·)表示映射：令k1＝K，令k＝(k1,k2,...,k2M)，k的长度为l＝2M；步骤4、加密令即为图像I0经过加密的Hash值；步骤5、压缩数据对进行Huffman编码，生成Haffman树HTo，中的每一个元素用其在Haffman树所对应的Haffman编码来取代，生成最终图像哈希Ho。本专利技术采用的第二个技术方案是，利用上述方法生成的图像哈希进行图像篡改的检测及定位方法，按照以下步骤实施：步骤1、对于接收到的图像哈希值Ho和Haffman树HTo首先进行Haffman解码，然后利用初始密钥K以及密钥生成步骤中的密钥生成算法生成密钥k，解密获得原始图像I0的中间Hash值Co；步骤2、生成测试图像的中间Hash将大小为Nt1×Nt2的输入图像It转换成灰度图像，然后使用保角变换得到直径为Nt的圆形图像对进行一级DB2小波变换，得到低频重构图像，称为Wt，将Wt划分成半径为的子圆，设相邻两个子圆的圆心与Wt的中心所成圆心角为α；每一个子圆用Btk',表示，其中k'＝1,...,M',M'由rt和α决定，利用图像哈希生成方法中描述的算法生成It的图像哈希值Ht，且它的中间Hash值Ct是：Ct＝(μt1,pt1,...,μtM,ptM)；步骤3、估计几何变换从Ct中取子集C't＝(μt1,pt1,...,μts,pts)，其中的元素对应于Wt的最外层子圆；根据C't中元素的个数，从Co中取同样元素个数的子集C'o＝(μo1,po1,...,μos,pos)，其中的元素应该对应于W0的最外层子圆，计算C'o中每一对(μoj,poj)与C't中所有(μti,pti)的差的绝对值，依次记为：对结果Δ1先按均值差的绝对值从小到大排序，取前10对值，再对该10对值按照从小到大排序，取第一对值，不失一般性，记为：则Wt中(μtj,ptj)∈C't能够被认为与W0中(μo1,po1)∈C'o相对本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于保角变换的图像哈希方法，其特征在于，按照以下步骤实施： 步骤1、提取特征 输入大小为No1×No2的图像I0，先将图像I0转换成灰度图像，然后对该灰度图像进行保角变换得到直径为No的圆形图像用一级DB2小波变换处理得到小波低频重构图，称为W0；将W0划分成半径为的圆形区域，简称为子圆，G是预先设定的，设相邻两个子圆的圆心相对于图像中心的圆心角为α，每一个子圆用Bok表示，其中k＝1,...,M,M由ro和α决定，令Bok(x,y)代表子圆Bok中空间位置(x,y)的灰度值，用Nok表示子圆Bok包含的像素点数量，计算每一个子圆Bok的灰度均值：用Canny算子对每一个Bok提取边缘，设Eok表示边缘图像，令Eok(x,y)表示Eok中空间位置在(x,y)的灰度值值，计算边缘点在Eok中所占的比例： 步骤2、生成中间Hash 令Co＝(μo1,po1,...,μoM,poM),Co中元素的排列顺序是由对应的图像块，逆时针从图像的最外层向里，依次排列，C0即为图像I0的中间Hash； 步骤3、生成密钥 使用logistic映射产生混沌序列，设K∈(0,1)是由接收方与发送方共享的初始密钥，令L(·)表示映射：令k1＝K，令k＝(k1,k2,...,k2M)，k的长度为l＝2M； 步骤4、加密 令即为图像I0经过加密的Hash值；步骤5、压缩数据 对进行Huffman编码，生成Haffman树HTo，中的每一个元素用其在Haffman树所对应的Haffman编码来取代，生成最终图像哈希Ho。...

【技术特征摘要】
1.一种基于保角变换的图像哈希方法，其特征在于，按照以下步骤实施：步骤1、提取特征输入大小为No1×No2的图像I0，先将图像I0转换成灰度图像，然后对该灰度图像进行保角变换得到直径为No的圆形图像用一级DB2小波变换处理得到小波低频重构图，称为W0；将W0划分成半径为的圆形区域，简称为子圆，G是预先设定的，设相邻两个子圆的圆心相对于图像中心的圆心角为α，每一个子圆用Bok表示，其中k＝1,...,M,M由ro和α决定，令Bok(x,y)代表子圆Bok中空间位置(x,y)的灰度值，用Nok表示子圆Bok包含的像素点数量，计算每一个子圆Bok的灰度均值：用Canny算子对每一个Bok提取边缘，设Eok表示边缘图像，令Eok(x,y)表示Eok中空间位置在(x,y)的灰度值，计算边缘点在Eok中所占的比例：步骤2、生成中间Hash令Co＝(μo1,po1,...,μoM,poM)，Co中元素的排列顺序是由对应的图像块，逆时针从图像的最外层向里，依次排列，C0即为图像I0的中间Hash；步骤3、生成密钥使用logistic映射产生混沌序列，设K∈(0,1)是由接收方与发送方共享的初始密钥，令L(·)表示映射：令k1＝K，令k＝(k1,k2,...,k2M)，k的长度为l＝2M；步骤4、加密令即为图像I0经过加密的Hash值；步骤5、压缩数据对进行Huffman编码，生成Haffman树HTo，中的每一个元素用其在Haffman树所对应的Haffman编码来取代，生成最终图像哈希Ho。2.根据权利要求1所述的基于保角变换的图像哈希方法，其特征在于，所述的步骤2中，使用混沌密钥对中间Hash进行加密。3.一种进行图像篡改的检测及定位方法，利用权利要求1所述的基于保角变换的图像哈希方法所生成的图像哈希，其特征在于，按照以下步骤实施：步骤1、对于接收到的图像哈希值Ho和Haffman树HTo首先进行Haffman解码，然后利用初始密钥K以及密钥生成步骤中的密钥生成算法生成密钥k，解密获得原始图像I0的中间Hash值Co；步骤2、生成测试图像的中间Hash将大小为Nt1×Nt2的测试图像It转换成灰度图像，然后使用保角变换得到直径为Nt的圆形图像对进行一级DB2小波变换，得到低频...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓峰，张立新，周晓瑞，曾能亮，韩萧，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61