摘要：隨著數(shù)字技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展，越來越多的數(shù)字媒體出現(xiàn)在日常生活中。圖像內(nèi)容認(rèn)證數(shù)字水印技術(shù)得到了越來越多的關(guān)注。本文主要對(duì)目前的圖像內(nèi)容認(rèn)證水印技術(shù)進(jìn)行介紹，重點(diǎn)介紹了兩類算法。在本文的最后，對(duì)下一步的研究方向也進(jìn)行了闡述。
　　關(guān)鍵詞：圖像內(nèi)容認(rèn)證；數(shù)字水印；脆弱水印；半脆弱水印
　　近年來，隨著數(shù)字技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為我們提供的無限的資源。多媒體數(shù)據(jù)逐漸成為人們獲取信息的重要來源，并成為了人們生活的重要組成部分[1,7]。然而，數(shù)字媒體在帶給人們方便的同時(shí)，也引入了一些潛在的風(fēng)險(xiǎn)：敏感的信息可能輕易的被竊取、竄改、非法復(fù)制和傳播。以數(shù)字圖像為例，作為物證的照片如果被惡意地修改后就可能扭曲法律事件的真實(shí)面貌，使好人蒙冤而壞人卻逍遙法外[2]；對(duì)X光片的一個(gè)不經(jīng)意的修改可能會(huì)造成誤診等等[1,3,4]。在這些特定的場(chǎng)合下，需要明確地知道圖像是否被修改過，也就是說需要對(duì)圖像的真實(shí)性(完整性)進(jìn)行驗(yàn)證。因此在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境對(duì)數(shù)字化信息實(shí)施有效的版權(quán)保護(hù)和信息安全顯得越來越重要。
　　1圖像內(nèi)容認(rèn)證數(shù)字水印技術(shù)概述
　　數(shù)字圖像的安全問題是多媒體信息安全的重點(diǎn)，具有廣泛的代表性。數(shù)字圖像具有數(shù)據(jù)量大、冗余性高、對(duì)失真不敏感、保密性低、易編輯和修改且格式繁多等特點(diǎn)[5-6]，因此簡(jiǎn)單的將密碼技術(shù)用于數(shù)字圖像的安全保護(hù)顯然是行不通的，而傳統(tǒng)的加密技術(shù)對(duì)信息的保護(hù)只局限在加密通信的信道中或其他加密狀態(tài)下，一旦解密將毫無保護(hù)可言[8-10]。數(shù)字圖像安全更偏重于版權(quán)保護(hù)與圖像內(nèi)容的完整性和可信性認(rèn)證，為了認(rèn)證數(shù)字圖像的可信性和完整性，往往需要建立有效的圖像認(rèn)證系統(tǒng)。
　　2圖像內(nèi)容認(rèn)證數(shù)字水印分類
　　數(shù)字圖像的真實(shí)性和完整性保護(hù)就是在保證數(shù)字媒體信息一定視覺質(zhì)量的前提下，將與媒體內(nèi)容相關(guān)或不相關(guān)的標(biāo)志信息作為水印直接嵌入到媒體內(nèi)容中，當(dāng)媒體內(nèi)容需要認(rèn)證時(shí)，可將水印提出鑒定其是否真實(shí)完整。作為圖像真實(shí)性和完整性的保護(hù)，水印本身應(yīng)對(duì)篡改具有一定的敏感性和脆弱性。一般情況下，根據(jù)水印識(shí)別篡改的能力可以將其歸納為以下兩種。
　　2.1完全脆弱性數(shù)字水印(FragileWatermark)
　　完全脆弱性數(shù)字水印(一般簡(jiǎn)稱脆弱性數(shù)字水印)主要應(yīng)用于精確認(rèn)證。它最基本的任務(wù)是水印能夠檢測(cè)出任何對(duì)圖像象素值改變的操作或圖像完整性的破壞操作，即圖像中有一個(gè)比特的信息被改變，認(rèn)證都將無法通過，如在醫(yī)學(xué)上，由于圖像的一點(diǎn)點(diǎn)改動(dòng)都可能會(huì)影響最后的診斷結(jié)果，因此要求嵌入的水印就應(yīng)當(dāng)屬于完全脆弱性數(shù)字水印。
　　
　　2.2半脆弱性數(shù)字水印(Semi-fragileWatermark)
　　在開放的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，如有損JPEG壓縮等圖像處理是不可避免的，同時(shí)具有脆弱水印和魯棒性水印兩種功能的半脆弱水印應(yīng)運(yùn)而生，它在容忍一定程度的常見信號(hào)處理操作的同時(shí)，還可把正常的信號(hào)處理與惡意篡改區(qū)別對(duì)待。篡改發(fā)生時(shí)，不僅可提供篡改的破壞發(fā)生位置，而且可幫助分析篡改類型。另外基于半脆弱水印的自嵌入水印還可恢復(fù)被篡改的部分。
　　3圖像內(nèi)容認(rèn)證數(shù)字水印的技術(shù)要求
　　認(rèn)證水印的目的是檢測(cè)出圖像在傳輸、發(fā)布或其它有可能引起改變的過程中是否發(fā)生了非法的編輯、修改、破壞或惡意的篡改。認(rèn)證水印技術(shù)主要研究：認(rèn)證作品是否有過任何形式的修改；作品變化是否顯著；作品被修改部分的位置確定；被修改的作品能否恢復(fù)。
　　3.1檢測(cè)篡改能力
　　這是認(rèn)證水印技術(shù)最基本的要求。一個(gè)合格的圖像認(rèn)證水印系統(tǒng)應(yīng)該能夠檢測(cè)到被保護(hù)圖像上的任何非法篡改，還要求能夠檢測(cè)出圖像被篡改的情況及篡改的位置，最好能夠糾正恢復(fù)被改動(dòng)的內(nèi)容。圖像被篡改的情況也包括圖像被篡改處理所使用的方法，如高通濾波、低通濾波等。
　　3.2足夠大的密鑰空間
　　不同密鑰產(chǎn)生的水印信號(hào)應(yīng)該是不相同的，檢測(cè)時(shí)必須擁有正確的密鑰才能正確檢測(cè)。由于作品的分發(fā)數(shù)量巨大、作品數(shù)目不限定性等，所以用于水印的密鑰數(shù)量非常大，即要求用于認(rèn)證水印的密鑰空間必須足夠大。
　　4圖像內(nèi)容認(rèn)證數(shù)字水印的性能評(píng)估
　　4.1主觀評(píng)價(jià)
　　主觀評(píng)價(jià)是從人類視覺的角度來考慮的。要進(jìn)行公平合理的評(píng)估和比較，在評(píng)估過程中就要考慮水印的可感知性。當(dāng)使用主觀測(cè)試包括兩個(gè)步驟。第一步：將失真的數(shù)據(jù)集按照從最好到最壞的次序排列；第二步：挑選的測(cè)試人員對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)集進(jìn)行評(píng)定，描述所處理對(duì)象的可感知性。
　　這種評(píng)定可以基于ITU-RRec500質(zhì)量等級(jí)級(jí)別，表1列出了等級(jí)級(jí)別和相應(yīng)的可感知性以及質(zhì)量。
　　表1ITU-RRec500從1到5范圍的質(zhì)量等級(jí)級(jí)別
　　　　4.2客觀評(píng)價(jià)
　　到目前為止，仍然沒有一個(gè)良好的客觀衡量手段來對(duì)數(shù)字水印算法做出合理的評(píng)估。一種數(shù)字水印算法的隱形性如何，受到攻擊的穩(wěn)健性、安全性如何，這種算法是否實(shí)用，所有這些問題都需要客觀的評(píng)價(jià)手段。這個(gè)問題有待進(jìn)一步的研究。
　　5圖像內(nèi)容認(rèn)證數(shù)字水印的一般框架
　　圖像魯棒性認(rèn)證和內(nèi)容認(rèn)證的半脆弱水印系統(tǒng)框架，包括水印嵌入和水印提取認(rèn)證兩部分，圖1與圖2分別給出了水印的嵌入與圖像的完整性驗(yàn)證框圖。
　　
　　圖1水印嵌入框架
　　由于脆弱和半脆弱性數(shù)字水印要檢測(cè)出篡改位置并進(jìn)行定位，因此，通常嵌入的水印信息是與原始圖像內(nèi)容相關(guān)的信息，但也可以是不相關(guān)的。其嵌入過程是：首先對(duì)原始圖像進(jìn)行特征提取，再將水印信息嵌入到原始圖像中就得到嵌入水印后的受保護(hù)圖像。
　　
　　圖2水印提取框架
　　圖像認(rèn)證時(shí)，根據(jù)密鑰提取出受保護(hù)圖像中的水印信息。然后將提取出來的水印信息與原始水印信息相比較，若二者一致，則圖像未被更改；若二者不一致，則認(rèn)為圖像已被更改，并給出有關(guān)圖像改動(dòng)的詳細(xì)信息。如果嵌入的水印信息是與原始圖像內(nèi)容相關(guān)的信息，并確保水印的嵌入不會(huì)改變圖像的這些內(nèi)容特征，則圖像認(rèn)證時(shí)，只需將提取出的水印信息與被測(cè)圖像的內(nèi)容特征進(jìn)行比較。目前各種水印認(rèn)證算法主要在水印信息的生成和嵌入兩個(gè)過程存在一定的差異。
　　6圖像內(nèi)容認(rèn)證數(shù)字水印算法簡(jiǎn)介與進(jìn)一步研究方向介紹
　　6.1脆弱水印的研究
　　6.1.1脆弱水印算法簡(jiǎn)介
　　脆弱性數(shù)字水印是水印能夠檢測(cè)出任何對(duì)圖像象素值的改變或?qū)�圖像完整性破壞的操作。根據(jù)水印信息的嵌入域不同，可將脆弱水印算法分為空間域方法和變換域方法兩類。空間域方法是使用各種可能的方法來直接修改圖像象素的值。早期的脆弱性水印技術(shù)大多由空間域LSB水印算法演變而來。變換域方法是先對(duì)圖像進(jìn)個(gè)某種可逆的數(shù)學(xué)變換，然后對(duì)變換域的系數(shù)進(jìn)行某種修改，再進(jìn)行逆變換得到圖像。基于變換域的脆弱水印算法主要包括離散余弦變換(DCT)和離散小波變換(DWT)兩大類。
　　6.1.2脆弱水印的未來發(fā)展方向
　　脆弱水印認(rèn)證系統(tǒng)作為認(rèn)證系統(tǒng)的分類，廣泛應(yīng)用于以媒體信息為主要交流方式的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)系統(tǒng)中。但隨著數(shù)字媒體信息頻繁交互，信息管理權(quán)限分級(jí)的細(xì)化，如何保證信息不被越權(quán)接收和發(fā)布使用，如何保證接發(fā)雙方彼此信任，都是脆弱水印認(rèn)證系統(tǒng)必須解決的問題。
　　脆弱水印認(rèn)證系統(tǒng)還存在著一個(gè)潛在的嚴(yán)重缺陷：即使是以一種可控的方式，嵌入水印也必定或多或少的改變?cè)�作品。而在一些�?yàn)證原作是否改變的應(yīng)用中，任何微小的改變都是不允許的，例如，用作法庭證據(jù)的文本信息改變幾個(gè)字符(僅涉及幾個(gè)比特)也會(huì)改變證據(jù)的性質(zhì)。因此在一定場(chǎng)合下脆弱水印必須以一種能完全去除的方式嵌入，且在認(rèn)證過程中逐個(gè)比特地恢復(fù)出原作的原貌。這種可擦除的脆弱水印值得進(jìn)一步探討。
　　6.2半脆弱水印的研究
　　6.2.1半脆弱水印算法簡(jiǎn)介
　　半脆弱性數(shù)字水印比完全脆弱性數(shù)字水印的魯棒性稍微強(qiáng)一些，允許圖像一定的改變，是在一定程度上的完整性檢驗(yàn)。按照實(shí)現(xiàn)方法的不同也可分為空間域方法和變換域方法兩類。
　　6.2.2半脆弱水印的未來發(fā)展方向
　　在實(shí)際應(yīng)用中，由于數(shù)字圖像的數(shù)據(jù)量十分龐大，當(dāng)前在數(shù)據(jù)庫(kù)和網(wǎng)上的圖像多以JPEG壓縮形式存儲(chǔ)和傳輸，JPEG壓縮本身為有損壓縮，且由質(zhì)量因子的不同，損失的信息也有差別，水印信息如何在保持其與圖像內(nèi)容之間良好相關(guān)性的同時(shí)兼容各種壓縮標(biāo)準(zhǔn)，是一個(gè)值得探討的問題。
　　隨著大量消費(fèi)類數(shù)字視頻產(chǎn)品的推出，以半脆弱水印為重要組成部分的視頻與音頻真?zhèn)舞b別技術(shù)的市場(chǎng)需求更加迫切，因此可以預(yù)料在今后的幾年里，視頻與音頻的半脆弱水印技術(shù)研究將成為熱點(diǎn)。
　　7結(jié)論
　　本文主要對(duì)圖像內(nèi)容認(rèn)證數(shù)字水印技術(shù)進(jìn)行介紹。首先介紹了該技術(shù)的應(yīng)用背景以及技術(shù)分類，然后介紹了該技術(shù)的要求以及性能評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。緊接著本文介紹了圖像內(nèi)容認(rèn)證數(shù)字水印算法的一般框架。在本文的最后一部分對(duì)目前的主要的算法進(jìn)行介紹，同時(shí)對(duì)下一步的研究方向進(jìn)行了初步的闡述。
　　
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