数字图像篡改内容可恢复的变容量水印生成与认证方法

摘要

一种数字图像篡改内容可恢复的变容量水印的生成与认证方法，将2×2的图像块分为平滑图像块和非平滑图像块，平滑图像块提取6比特特征，非平滑图像块提取12比特特征，将图像块特征加密后生成图像块恢复水印并随机嵌入其他图像块中，通过比较图像块特征的一致性并结合块邻域特性判定其真实性。对判定为篡改的图像块，根据其相应恢复水印是否被篡改分两步执行不同篡改恢复操作以提高篡改恢复质量。本发明根据图像块自身特性生成变容量恢复水印，且恢复水印同时用于篡改定位和篡改恢复，在保证足够图像特征的同时降低了水印嵌入容量，兼顾了含水印图像质量和篡改恢复质量；同时提高了安全性，能抵抗拼贴攻击、均值攻击等已知伪造攻击。

主权项

1.一种数字图像篡改内容可恢复的变容量水印生成与认证方法，包括如下步骤：A、水印生成与嵌入A1、图像分块并分类：将大小为2m×2n的原始图像X分为m×n个互不重叠的2×2图像块X_i＝{x_i1，x_i2，x_i3，x_i4}，其中，i为图像块编号，i＝1，2，...，N，N＝m×n为图像块个数；并根据图像块内容将图像块分为平滑图像块和非平滑图像块两类；A2、伪随机序列与块链生成：基于用户密钥Key生成长度为N的实值伪随机序列R＝{r_i|i＝1，2，...，N}，由R的索引有序序列生成块链{(X_i，X_i′)|i，i′∈[1，N]}，i′为R索引有序序列中第i个元素的值，X_i’为X_i的映射块；A3、变容量特征提取：对每个图像块X_i计算生成v比特块特征F_i＝{f_i1，f_i2，...，f_iv}，其中，f_i2～f_i6为图像块X_i高5位平均值的5位二进制编码，如果图像块X_i为平滑图像块，则v＝6且f_i1＝0，否则v＝12，f_i1＝1，f_i7～f_i12为非平滑图像块的细节编码；A4、变容量水印生成：利用伪随机序列R的第i个随机数r_i生成二值伪随机序列B_i＝{b_ij|j＝1，2，...12}，加密图像块特征F_i＝{f_i1，f_i2，...，f_iv}生成恢复水印W_i＝{w_i1，w_i2，...，w_iv}，$w_{\mathrm{ij}}=f_{\mathrm{ij}}\oplus b_{\mathrm{ij}}$其中，为异或操作；对平滑图像块b_ij的下标j取值范围为1～6，对非平滑图像块b_ij的下标j取值范围为1～12；A5、变容量水印嵌入：把图像块X_i的恢复水印W_i嵌入其映射块X_i’的低有效位生成含水印图像块Y_i’，如果X_i为非平滑图像块，如果X_i为平滑图像块，B、水印提取与比较B1、分块、伪随机序列和块链生成：Y^*是含水印图像Y传输后接收到的被测图像，按A1步操作把Y^*分为2×2块再按A2步相同的操作和密钥Key生成随机序列R和块链B2、块特征计算与重构：对每个被测图像块按A3步操作计算出图像块特征同时根据从其映射图像块低有效位提取的恢复水印重构出块特征$F_i^L=W_i^{*}\oplus B_i$其中，B_i为基于r_i生成的长度为12的二值伪随机序列，从其映射图像块低位提取水印信息按以下公式得到，B3、分类特征比较：比较被测图像块高位计算得到的块特征和从其映射块低有效位提取恢复水印重构的块特征按下列公式生成比较矩D＝{d_i|i＝1，2，...，N}，其中$c=6(1+f_{i1}^{*});$C、篡改检测C1、计算生成比较矩阵D的邻域特征矩阵Δ＝{δ_i|i＝1，2，...，N}，δ_i＝∑d_j，j＝i±1，i±n，i+n±1，i-n±1C2、根据比较矩阵D和及其邻域特征矩阵Δ，生成初态篡改检测矩阵T⁰$T^0=\left(t_i^0\right|i=\mathrm{1,2},...,N),$C3、根据C2步生成的初态篡改检测矩阵T⁰生成篡改检测矩阵T，其中j＝i±1，i±n，i±n±1，t_i＝1表示被测图像块被篡改，t_i＝0表示被测图像块是真实的；D、篡改恢复如果T中元素不全为0，表明被测图像中存在篡改图像块，则对被测图像依次执行以下两步得到篡改恢复图像Y^R；D1、特征恢复：对判定为篡改的图像块如果其映射块Y_i’^*是真实的，用B2步重构块特征对进行恢复，其中，Γ^-1()为图像块特征编码函数的反函数；同时生成标示矩阵L，用以标记没有被恢复的篡改块，D2、邻域恢复：如果L中元素不全为0，对l_i＝1对应图像块利用与其相邻12个像素中的有效像素均值修正图像块中的每一个像素的值。