一种图像完整性双重保护的数字盲水印方法技术

本发明专利技术涉及一种图像完整性双重认证的盲数字水印方法及装置，其方法包括嵌入数字水印、数字水印的提取和目标图像的完整性认证三个部分；嵌入数字水印包括原始图像的预处理及分块奇异值分解、水印图像的预处理及敏感奇异值的嵌入、水印的二维混沌置乱加密及水印的嵌入，最后形成带水印的参与质量认证和完整性证明的图像；图像完整性认证包括水印的提取与解密装置、奇异值提取及恢复装置和篡改检测与定位装置。本发明专利技术使用了较小矩阵奇异值对数值敏感的特性并加密，还使用了二维混沌序列加密，解决了现有盲水印方法鲁棒性与脆弱性、对数字图像的损伤与防篡改能力、算法复杂度与安全性之间的矛盾，并具有较好的篡改定位和来源区分能力。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于信息安全、模式识别领域，尤其涉及一种图像完整性双重保护及版权 免受损害的数字盲水印方法。
技术介绍
在数字水印研究领域，有两个分支。一是以研究水印的鲁棒性为主，代表算法有离 散小波变换法和离散余弦变换法及各种衍生算法，经过该类方法处理的水印，具有很好的 鲁棒性，可以有效地抵抗剪裁、滤波、压缩等攻击，但是依然存在无法检测微小的篡改和区 分篡改来源等问题，图像的峰值信噪比(PSNR:Peak Signal-to-Noise Ratio)也较低；二 是以研究篡改定位，篡改检测能力为主，代表算法有最低显著位平面法及各种衍生算法，该 类算法在检测篡改的基础上还能够对其进行定位，但是对几何攻击的鲁棒性较第一类算法 有所不及。一直以来，大多科研机构对数字水印的研究主要中心放在前者上，主要目的是对 图像内部的版权水印进行保护，即便最终图像遭到譬如切割、旋转、压缩等攻击，经过一定 的算法处理，依旧可以提取出大致可以判断版权信息的水印图像。而以研究篡改定位和检 测能力为主的方法，主要以脆弱水印为主，也就是说水印不具备很强的抗几何攻击能力，但 是该类方法恰恰利用这个特点，能够检测原始图像数据上任何一个微小的篡改，优秀的方 法还能对篡改进行定位来大体指示篡改所在的位置，并能够区分篡改是来源自图像数据， 或水印，还是两者兼有。本方法属于后者。数字水印也分为两种，一是具有固定大小和特征的版权水印图(如公司商标、签 名等)；二是采用原图像的变换图(如低频系数、缩略图等)。其中后者主要以研究性质为 主，实际应用价值较低；本专利技术使用的数字水印为前者。由于数字图像比较容易遭到篡改，在对数字图像的质量认证和完整性证明(比如 法律证据图像的完整性证明、无损探伤数字图像的质量认证等)的场合，必须要求目标图 像存在加密水印信息，没有水印信息的图像视为无效图像。由于认证类图像只有完整性的 要求，并没有抗切割、几何变换和压缩的需求，所以本方法利用水印对像素数值改变极为敏 感的特点，来完成对图像的完整性保护，以适应认证需要。该类水印加密技术要求(1)必须有效地检测图像数据的微小篡改，并对其进行定位；(2)在没有获得正确密钥的情况下，无法完成提取和篡改版权信息，具有很高的安 全性；(3)可以区分篡改来源自图像数据还是版权信息；(4)最大程度上保证了图像的峰值信噪比。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了解决现有技术存在的问题，提供一种图像完整性双重保护 及版权免受损害的数字盲水印方法。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案，其特征是，该方法的步骤包括嵌入 数字水印、数字水印的提取及目标图像的完整性认证；第一部分为嵌入数字水印包括原始图像的分块及奇异值分解，将得到的敏感奇 异值序列嵌入水印图像，并对水印图像进行二维混沌置乱加密，将加密后的水印嵌入原始 图像的相关最低显著位平面；第二部分为数字水印的提取及目标图像的完整性认证包括提取加密水印，利用 密钥对水印进行解密和恢复，分离奇异值，提取的水印与原水印的相似度计算、敏感奇异值 的变化分析、被篡改图像像素的检测与定位和篡改的来源分析；其中，第一部分嵌入数字水印步骤如下Stepl 获取需要嵌入水印的原始图像数据I (m，n)，对I (m，n)的每个元素的最低 显著位进行清零得到I' (m, n)，其中，m，n分别为图像的行像素数和列像素数；St印2 将I' (m, n)进行分块，得到相应的子矩阵；Step3 对子矩阵分别进行奇异值分解，得到相应的敏感奇异值；Step4 将各子块敏感奇异值组成的序列嵌入原始水印图像W(p，p)最低显著位平 面相应的位置，得到嵌入敏感奇异值的水印图像W' ( ，？)，其中水印图像的大小为？\ ^ 是水印图像每行或每列的像素数，同时p满足p > 32并且能被8整除；St印5:对嵌入敏感奇异值的水印图像W' (p，p)进行混沌置乱加密得到W〃(p， P)；St印6 将加密后的水印图像W〃(p，p)嵌入到r (m，n)相应的位置得到嵌入加 密水印的图像I" (m，n)。所述st印2中将I' (m，n)分成pX(p/8)块，分块后，得到I' (m，n)的各子矩 阵 I' (x,y)，其中 x = 1，2，……，p/8，y=l，2，……，p。所述st印3中对每个子矩阵I' (x,y)进行奇异值分解，得到奇异值矩阵S(x,y)，选 取奇异值中8个二进制位作为敏感位，这样得到了 pXp个敏感奇异值。fx,,, = U.XJI-X,,)所述st印5中采用定义为 映射，分别同时对r (p，p)的行、列向量进行置乱加密，得到加密水印W" (p，p)，其中1彡k彡m，l彡1彡n， P i和P 2为混沌行为参数，xk, xk+1分别是第k个及第k+1个迭代运算值，y1+1分别是第 1个及第1+1个迭代运算值。所述数字水印的提取及目标图像的完整性认证步骤如下Stepl 从嵌入加密水印图像I" (m, n)中分离最低显著位平面，得到最低显著位 平面为空的图像1/ (m，n)，同时提取出加密水印W/ (p，p);St印2 利用事先给定的密钥把加密水印I “ (p，p)进行混沌序列解密得到 Wr' (p，p)；St印3 分离加密水印W/ (p，p)的最低显著位平面提取出水印Wjp，p)，同时提 取出奇异值序列又 Step4 对Ir' (m，n)进行分块，求出1/ (m，n)分块矩阵的奇异值，得到奇异值序列 St印5 利用公式、 求出提取的水印Wr(p，p)与原始水印 w(p，p)的相似度，其中p是待计算相似度水印大小，是原始水印在(i，j)位置的像素 值，wriJ是提取后的水印在(i，j)位置的像素值；St印6 比较提取出的敏感奇异值序列 与计算的敏感奇异值序列 是否相同；如果sk，sA相同，则敏感奇异值sk的来源子块未被篡改，反之，则子块数据遭到篡改，其中sk，SA分别是序列S，Sr中的第k个奇异值；St印7 根据st印5计算出的相似度和st印6的比较结果，定位篡改并区分篡改来 源。所述st印7中，区分篡改来源的方法如下如果ssim < 100%且民与S相同则表明 水印被篡改；如果ssim< 100%且S,与S不同则表明图像数据被篡改；如果ssim= 100%且 sr与S相同则表明水印和图像均未被篡改；如果Ssim < 100%且民与S不同则表明水印和 图像均被篡改。一种图像完整性双重保护的数字盲水印装置，其特征是，它包括盲数字水印加密 及嵌入装置和数字水印提取及图像完整性认证装置两部分；盲数字水印加密及嵌入装置， 包括原始图像的预处理装置、原始图像预处理装置、分块矩阵装置、奇异值分解装置、水印 图像预处理装置及敏感奇异值的嵌入装置、水印的二维混沌置乱加密装置、水印的嵌入装 置及完整性认证装置，最后形成带水印的参与质量认证和完整性证明的图像，其中原始图像的预处理装置及分块奇异值分解装置首先对mXn的原始图像I(m，n) 进行最低显著位清空操作，然后根据pXp大小的正方形水印，把清空了最低显著位的原始 图像分解成pX (p/8)块，对原始图像矩阵分块完成后，分别对各块进行奇异值分解，得到 pX (p/8)个正交矩阵对Ux和Vx，和pX (p/8)个奇异值对角矩阵Sx 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种图像完整性双重保护的数字盲水印方法，其特征是，该方法的步骤包括嵌入数字水印、数字水印的提取及目标图像的完整性认证；第一部分为嵌入数字水印：包括原始图像的分块及奇异值分解，将得到的敏感奇异值序列嵌入水印图像，并对水印图像进行二维混沌置乱加密，将加密后的水印嵌入原始图像的相关最低显著位平面；第二部分为数字水印的提取及目标图像的完整性认证：包括提取加密水印，利用密钥对水印进行解密和恢复，分离奇异值，提取的水印与原水印的相似度计算、敏感奇异值的变化分析、被篡改图像像素的检测与定位和篡改的来源分析；其中，第一部分嵌入数字水印步骤如下：Ｓｔｅｐ１：获取需要嵌入水印的原始图像数据Ｉ（ｍ，ｎ），对Ｉ（ｍ，ｎ）的每个元素的最低显著位进行清零得到Ｉ′（ｍ，ｎ），其中，ｍ，ｎ分别为图像的行像素数和列像素数；Ｓｔｅｐ２：将Ｉ′（ｍ，ｎ）进行分块，得到相应的子矩阵；Ｓｔｅｐ３：对子矩阵分别进行奇异值分解，得到相应的敏感奇异值；Ｓｔｅｐ４：将各子块敏感奇异值组成的序列嵌入原始水印图像Ｗ（ｐ，ｐ）最低显著位平面相应的位置，得到嵌入敏感奇异值的水印图像Ｗ′（ｐ，ｐ），其中水印图像的大小为ｐ×ｐ，ｐ是水印图像每行或每列的像素数，同时ｐ满足ｐ≥３２并且能被８整除；Ｓｔｅｐ５：对嵌入敏感奇异值的水印图像Ｗ′（ｐ，ｐ）进行混沌置乱加密得到Ｗ″（ｐ，ｐ）；Ｓｔｅｐ６：将加密后的水印图像Ｗ″（ｐ，ｐ）嵌入到Ｉ′（ｍ，ｎ）相应的位置得到嵌入加密水印的图像Ｉ″（ｍ，ｎ）。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陶亮，孙同景，李振华，孙兴，同玉洁，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：88[中国|济南]