研究圖像認證的數字水印技術

王琳娟+李君霞

摘要：近年來網絡技術與媒體信息數字化技術進入到了高速發展期，衍生出的圖像認證數字水印技術已經成為當下人們研究的焦點。我國是農業大國，但是因為人口基數較大，所以許多農產品都需要依賴進口才能滿足國內硬性需求，將圖像認證數字水印技術融入到農業中，可以帶動農業的發展。文中以當前圖像認證數字水印技術發展情況為基礎，結合近年來的工作經驗，提出不同的圖像認證模式下的數字水印技術模式，為后續工作的開展提供參考。

關鍵詞：圖像認證；數字水??；農業

中圖分類號：TP309.2 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）06-0081-03

數字水印是一種隱藏性比較強的信息隱藏技術，經過多年來的不斷發展，已經成功的應用到我國農業領域中，而且技術的發展前景也比較廣闊。數字水印技術包含了版權保護內容、完整性認證內容以及數字指紋等多方面的內容[1]。數字化信息不但可以提升數據的傳輸效率，同時也可以讓行業領域的信息化水平更高。雖然優點比較多，但是其劣勢也十分明顯，有惡意的個人或者有惡意的團體可以輕易的對各種信息進行修改，所以要強化數字化信息認證環節，并將此作為信息安全的關鍵領域來對待。圖像認證系統在商業、在醫學界以及在農業領域都有所建樹[2]，認證水印技術的誕生，主要利用人類知覺系統冗余，盡量在不影響數字媒體感官質量條件下，對所有媒體及媒體標志性信息當成水印來使用，將這些水印全部嵌入到媒體信息的內部，如果媒體信息的內容需要認證，則可以按照水印信息來判斷其完整性，下文將對相關信息進行闡述。

1 認證水印特征闡述

1.1 認證水印技術的不可感知性

認證水印技術自身具有一定的不可感知性，也被稱之為不可見性。在嵌入水印之后，圖像會具有一定的不可見性，這種不可見性很難讓人在視野范圍內感受到其發生的變化，這種特性和魯棒性水印有類似之處。

1.2 認證水印技術的檢驗篡改與篡改可恢復性

所有的脆弱水印系統都必須可以在短時間內高效率的對圖像篡改情況進行檢驗，可以明確出篡改信息的量以及篡改信息程度，明確篡改信息所在的位置等。目前國內脆弱水印定位大體上分成兩種不同的形式，其中第一種形式就是像素級定位能力[3]，這種定位能力也被人稱之為單像素認證技術。國外的專家學者提出，將篡改檢測和定位二者相互分離，形成脆弱水印算法[13]，并利用這種脆弱水印算法來對目前已知的攻擊手段加以預防，同時也可以對篡改定位進行計算，明確到具體的像素上，是一種行之有效的脆弱水印工作模式[4]。

第二種形式就是分塊級定位能力，也被稱之為分塊認證工作體系，國內外許多專家學者對該內容進行過研究，并提出了將篡改詳細定位到128像素子塊中。除了該環節外，工作人員在對圖像進行認證的全過程中發現，一些認證系統需要按照圖像被篡改位置來對圖像被修改之前的真實情況進行復原[5]，這是一種篡改可修復性的表現。通常情況下，篡改可恢復的形式包含兩種，分別為精確回復和模糊回復，二者中精確恢復代表操作人員需要將圖片完完全全的恢復到與原圖片相同的水準下。模糊恢復相對比較松散，只需要對修改的位置進行恢復，將其恢復成與原來內容不完全相同的水平即可。從圖像認證的角度來看，通過模糊恢復的方式來進行恢復即可，因為圖像認證系統在對圖像進行認證時，容忍恢復后圖像與原有圖像存在差別，這種差別只要不會對圖像重要的內容產生影響，就可以正常使用，這種處理方式，只能在圖像修改具有可逆性的環境中使用，才能取得理想的使用效果。

1.3 認證水印技術在檢測過程中不需要使用原始圖像

為了從根本上提升照片真實性，工作人員需要在成像的過程中，利用自動化的手段來嵌入水印，這種嵌入方式操作比較簡單，但是原始數據會丟失。如果可以明確原始數據，則內容真偽并不需要鑒別，所以認證水印系統檢測并不需要原始圖像輔助。

2 脆弱與半脆弱水印技術

脆弱和半脆弱水印技術是當下我國水印技術發展的一個很重要組成部分之一，經過多年來的不斷使用與完善，已經取得了一定的成效，但是依然有許多問題處于沒無法解決的階段，需要加以完善。

2.1 以圖像內容為基礎的水印認證算法

將圖像內容為基礎，對水印的認證算法進行完善，這種處理模式不但可以提升系統抵御統計功能的能力，同時還能從根本上減少認證檢測端額外提供原始水印信息的情況發生，區別出所有操作指令是否具有惡意性，成功的為圖像認證提供參考[6]。經過多年來的不斷發展，其部分算法已經開始應用與圖像內容相關的各種水印信息，但是在處理不同應用提取圖像特征的過程中，所生成的水印原始圖像一般都會發生變化。而且在嵌入的過程中，圖像特征變化十分明顯，會影響圖像質量，所以要對相關技術加以完善。

2.2 水印的安全性問題研究

在使用水印技術時，不同的使用條件對水印保密安全性的要求不同。目前已有的半脆弱水印技術，一般情況下都是通過鑰匙加密的方式來提升系統的安全性。這種運行模式會產生較多的安全密匙信息，而且想要管理這些信息也有一定的難度，所以必須要將半脆弱水印認證系統和密碼學系統內公開密匙算法相互結合，才能從根本上提升水印安全性，設計出更加安全可靠的水印認證計算方式，構建出相應的標準及協議。

2.3 圖像認證與圖像壓縮編碼

將圖像認證技術與圖像壓縮編碼技術相互融合，可以有效提升系統運行質量。因為數字媒體信息會在數據庫與網絡等媒介上，通過壓縮的方式進行儲存，也可以通過壓縮的方式實現傳輸，所以必須要對水印信息進行調控，保證水印信息可以始終處在良好的狀態下，并可以同時適應不用的壓縮標準，這也是未來一段時間內的主要研究方向之一[7]。當下國內針對JPEG編以及解碼器等，提出了不同的水印認證算法，且取得了一定的成效。但是與圖像壓縮標準認證水印算法相關聯的材料數量依然比較少，這一弊端近年來日漸凸顯。endprint

2.4 視頻與音頻認證技術

近年來隨著科學技術的不斷發展與多媒體技術的日漸完善，各種視頻軟件、視頻設備、音頻設備走入人們的視野。高速發展的多媒體設備行業不僅為社會發展提供了動力，同時也給半脆弱水印帶來了全新的挑戰，使其必須要不斷的進行技術革新[8]，才能保證不被高速發展的社會所淘汰。但是因為時間域隱蔽效應等特性的影響，使其理論模型很難構建。農業在當前社會發展背景下，也開始走入到多媒體時代，全生產周期都可以通過多媒體設備來記錄，后期還可以利用多媒體設備來宣傳農業產物。但是因為沒有一個高效的模型，所以影響了當下視頻與音頻半脆弱水印技術的正常使用[9]，并且音頻編碼格式與視頻編碼格式也會制約水印技術的正常發展，所以在未來的一段時間內，音頻與視頻半脆弱水印技術也必然會是我國研究的關鍵環節之一。

2.5 構建評測標準

當下國內許多的多媒體認證水印技術都存在欠缺，雖然可以起到推動農業發展的作用，但是整體效果并不理想，還有許多環節需要完善。比如水印嵌入算法與水印檢測算法中的理論研究算法等。分別從水印構造模型與水印能量理論估計等諸多環節入手，全面評價水印系統，并對不同的水印系統進行比較。

3 二維DCT彩色圖像數字水印算法

3.1 灰度圖與魯棒性標準闡述

數字水印屬于信息安全要素中十分關鍵的一個構成環節，同時也是所有的數字產品保護自身版權的一種手段之一，被廣泛的應用到農業領域。農業領域是我國社會發展與經濟發展的關鍵性領域之一，也是保證人們日常生活質量以及人們生存的基本領域?；叶葓D圖像是前些年領域比較常見的一種水印算法，并且經過多年來的不斷使用，已經具有了一定的使用經驗。與之相對應的是彩色圖像數字水印計算模式，與灰度圖模式相比，彩色圖像數字水印計算模式更加滿足當下社會發展的需求，可以有效提升工作質量，讓水印技術為農業發展服務[10]。以灰度圖為基礎，在灰度圖的基礎之上，對各種彩色圖像進行處理，可以有效簡化處理流程，并降低圖像的最終處理難度，讓灰度圖像其內部的信息更加完整、更加可靠?；叶葓D像處理過程很難有其余的色度信息融入，只是單一的利用灰度圖彩色圖像處理技術來對目標進行處理，所以這種圖片嵌入水印并不會出現顏色分量的問題。但是從實際使用的角度來研究發現，日常生活過程中彩色圖像屬于最為常見對應一種圖像，而且彩色圖像其內部圖像的灰度信息數量更多，所以提供出完全不同的信息，并利用這些信息來對一些不合法的版權進行抵抗，這也從側面論證了在系統內部嵌入水印來保護版權的重要性[11]。

不可見性與魯棒性也是當前數字水印當中比較廠家的兩個標準，且兩個標準相互之間存在一定的相同之處。不同的標準相互之間一般都是比較矛盾的，所以在嵌入水印的過程中[12]，必須要做好圖像感知容量方面的工作，不僅能夠保證水印系統不可見性，同時還需要讓水印更加穩定，這也從側面證明了水印技術對魯棒性的影響及重要性。

3.2 二維DCT彩色圖像數字水印算法

以二維DCT彩色圖像數字水印算法作為基礎，對RGB格式下的原始彩圖進行轉換，將其轉換成為YIQ模式下的新圖片，并取出分量y，對其進行分塊處理，并在DCT領域內嵌入不同的二值水印圖像，將二值水印圖像和I、Q等分量相互結合，最終通過YIQ色彩空間對其進行轉換，使其可以成功轉換到RGB色彩空間當中，提升處理效果，并得出全新的含有水印彩色圖像的最終處理結果。此外，還要對水印進行提取處理，整個提取處理流程比較繁瑣，需要關注的細節也比較多，對水印嵌入來說具有十分重要的意義，這一過程下文將進行詳細闡述[13]。

3.2.1 DCT彩色圖像數字水印算法中的亂置原理

通過亂置的形式來對水印進行加密，并調制水印，以此來消除掉水印像素空間層面的相關性。在進行計算的過程中，一般會先是利用Arnold的圖像變換亂置技術來對目標進行處理，因為Arnold變換屬于其遍歷理論中所涵蓋的一種變化形式，被人們稱之為貓臉變換。假設圖像素坐標分別為x、y，且xy∈{0，1，…，N-1}，N代表了圖像矩陣階數，可以對Arnold進行變換處理，將其變換成為

這種變換方式，是一種完全可以使其相互對應的變換方式，利用相關公式來對目標圖像的內容進行迭代處理，通過迭代的方式來產生出一些不同的圖像結果，這種圖像結果對后續處理具有十分重要的意義，直至圖像的結果可以滿足工作開展的基本要求方可停止。Arnold自身的變換還具有一定的周期性特點，如果迭代發展到某一個環節，可以得出最原始的數據圖像，此時可以將迭代的次數當成密匙來對待，并對水印圖像進行變換處理，利用變換處理的形式來得出最終的水印圖像結果。

3.2.2 DCT彩色圖像色彩空間轉換工作模式

色彩感知是當下專家學者都在研究的一個發展方向，同時也是DCT技術研究的一個重點內容。色彩感知對人類的視覺感知影響比較大，是視覺感知系統內部比較關鍵的一個構成要素之一，同時也是視覺感知的關鍵特征之一，可以通過色彩空間來對二者相互性關系進行闡述，同時RGB色彩也可以適當的融入，因為RGB色彩系統是當下較為常見，而且使用效果比較理想的一種系統之一，因此可以利用相關的技術手段來獲取彩色的圖像亮度信息，并對彩色圖像進行轉換。將彩色圖像從RGB色彩轉換到YIQ色彩系統當中，并明確兩個不同系統相互之間的關系，其關系如下圖1所示；

YIQ色彩空間可以對色彩進行分量化表示，分別將不同的色彩表示成三個完全不同的分量，分別為亮度、色度以及飽和度。

3.2.3 中頻系數選擇與嵌入量問題

嵌入水印時可以在DCT域高頻嵌入水印，但是這種水印嵌入模式很容易被一些信號處理模式破壞掉，實用性并不理想。如果在低頻的位置嵌入，會因為受到視覺特性的影響，導致人體視覺對低頻分量格外敏感，影響低頻分量的科學性，同時低頻分量如果發生改變，也很容易被人察覺到。為了全面體現出水印的不可見性以及魯棒性折衷，選擇通過中頻帶系數與嵌入水印的方式來對目標進行處理。這里，可以先對圖像進行處理，將圖像劃分成為8X8且完全不重疊的塊，因為圖像的復雜程度和圖像的視覺隱蔽特性二者之間呈正比關系，所以可以充分的利用這一特性，并結合實際需求，在不同的模塊中分別嵌入完全不同的水印信息。相比較之下，可以在相對復雜的模塊當中多嵌入一些水印，如果模塊不夠復雜，可以適當的少嵌入一些水印，也可以不嵌入。endprint

根據該特點，相關專家學者提出了許多不同的塊復雜度計算方法，并結合圖像特征等形式，來對常見的紋理特點以及常見的邊緣特性等進行提取。提取結果中的邊緣數量越多，代表了圖像的復雜性越高，同時其視覺掩蔽效果也更加理想，可以在其中多嵌入一些水印。還可以對圖像梯度平均值進行計算，并利用圖像梯度平均值計算的形式來表明表征與紋理復雜度，這也是目前最為常見的一種塊計算方法。梯度平均值直接影響著塊紋理特征，如果梯度平均值比較高，則代表了塊的紋理特征相對比較明顯，塊復雜度也比較大，可以利用計算塊平均梯度值的形式來確定塊復雜度。假定x方向與y方向梯度分別為i與j，則

3.2.4 自適應原始圖像水印調整形式

水印圖像和原始圖像的塊數必須要始終處在相同的等級下，并對置亂之后的水印進行劃分，詳細分成不同的且相互之間不會發生重疊的小塊，再將所有的小塊都利用DCT進行變換。按照

3.2.5 數字水印檢測方法闡述

在對水印進行提取的過程中，可以將其當成水印嵌入逆過程來看待。對待檢測圖像進行處理，使其從RGB色彩空間轉換成YIQ色彩空間，明確具體的Y分量值，并將Y分量作為基礎，對所有塊體進行DCT轉換處理。按照一定的模式來對中頻系數進行提取，并結合相關的公式來對Wp等進行計算，結合DCT進行轉換，最終得出理想的水印圖像，并對已經提取出的所有水印進行Arnold反置亂處理，經過置亂處理后，都會存在一定的誤差，需要對這些誤差進行調整，才能計算出具體的二值水印圖像。

4 結語

上文首先從認證水印技術在檢測過程中不需要使用原始圖像、認證水印技術的檢驗篡改與篡改可恢復性、認證水印技術的不可感知性三個方面，對認證水印特征進行闡述。之后分別從以圖像內容為基礎的水印認證算法、水印的安全性問題研究、圖像認證與圖像壓縮編碼、視頻與音頻認證技術、構建評測標準等方面，討論了脆弱與半脆弱水印技術，最后提出了二維DCT彩色圖像數字水印算法，希望可以為后續工作的開展提供參考，促進相關產業的發展。

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