北京大学校长基金论文集2003年基于JPEG2000的应用于多媒体认证的半脆弱水印算法.doc

北京大学校长基金论文集（2003年） 基于JPEG 2000 的应用于多媒体认证的半脆弱水印算法 基于JPEG2000的应用于多媒体认证的 半脆弱水印算法 A semi-fragile Watermark Scheme for Image Authentication Based on JPEG2000 北京大学电子学系 00级 刘彬 Dept. of Electronics Peking University 00 Bin Liu 摘要： JPEG2000已经成为国际上应用越来越广泛的图像压缩标准， 基于JPEG 2000的数字水印技术也随着这项技术的成熟发展的越来越多样化。加之数字水印技术越来越多的应用于多媒体认证之中。为了防止对多媒体图像的恶意篡改和认证， 本文将对基于这种新兴的图像压缩标准提出一种新颖的半脆弱水印的算法。该算法通过直接从原始图像中提取特征，经过编码作为数字水印嵌入到该图像中去，而不增加其他额外的信息。为了提高算法的安全性，本文还引入了个人私钥对水印信号进行加密。实验的结果显示，在图像没有受到任何改变的情况下，可以顺利的通过此认证系统；进一步，即使图像经过了一些常用的图像处理，如JPEG压缩等后，仍然可以通过认证；而当图像受到恶意的攻击后，则检测不到水印信号，被恶意攻击的部分可以被认证系统检测出来。 关键词：JPEG-DCT , JPEG 2000, 半脆弱水印，多媒体认证，DCT，私钥 引言： 因特网技术由于其快速性和极低的价格使其成为一种优秀的多媒体传播途径。但是伴随着因特网的飞速发展，对多媒体的版权保护等问题日益凸现。一些防止非法使用多媒体的方法不断的被提了出来。传统的保护多媒体版权的方法是将数字水印（可以是作者的版权号码等）直接嵌入到被保护的多媒体作品中【1】。而这样的数字水印技术又因目的不同而有两个分支：一种是鲁棒水印，它用来保护作者的版权，在发生版权纠纷的时候用来提供法律依据；一种是脆弱水印（或半脆弱水印），它用来检测多媒体作品是否受到了恶意的篡改和损坏。对于鲁棒水印而言，其必须足够鲁棒，以至于在多媒体作品受到攻击和篡改后，仍然能够正确的被提取出来，兹以证明作者的版权。而脆弱水印的主要目的在于证明多媒体作品的合法性。现在多媒体照片不能作为法庭的证据，就是因为多媒体照片可以很容易的被??种软件（如Photoshop）修改而不被发现；而医学图像中的任意一点变化都可能使医生对病情做出错误的判断。因此在这些场合，对多媒体产品的合法性认证比版权认证更加重要。 就脆弱水印技术而言，早期的脆弱水印主要将精力集中检测多媒体产品是否被篡改过。但是它们不能准确的定位出被篡改的区域和程度。Friedman设计了一种数码相机【2】，该相机可以在生成每一幅图片的同时加入数字水印，它可以用来证明该图像没有被改动过，也可以通过水印查找特定的一幅图片。Jaejin Lee将纠错码（ECC）技术运用到数字水印的生成中去，提高了水印信号的抗干扰能力【3】。就数字水印算法本身而言，也有空间域和频域的不同。空间域的算法中，例如可以通过选择不同的系数来改变一幅图像象素的最低有效位（LSB）达到嵌入水印信号的目的【4】。而Chen和Wang在【5】中提出了从图像的空间域提取鲁棒信号，并将其嵌入到图像小波变换后的系数中作为水印的算法。同样，在【6】中，Lin和Chang为了使算法能够抵御JPEG压缩，在设计水印信号时，通过量化系数的选取，保持了DCT系数间的不变性。 在本文中，我们设计了一种新颖的半脆弱水印算法。该算法通过对水印信号的检测，可以有效的探测到对被保护图像的恶意篡改，同时定位出被篡改的区域。对篡改区域的定位使我们能够知道1） 由篡改区域分析篡改者的动机。2） 可能的篡改者。3）篡改的内容是否合法【7】。为了增加系统的安全性，我们在算法中引入了作者的私钥。 本文的结构如下：在第二部分， 对JPEG-DCT 与JPEG2000的算法进行比较，在第三部分，我们详细的阐述算法本身；第四部分给出实验的结果；而总结在第五部分给出。 2 JPEG 标准 JPEG2000已经成为一个标准。在这篇论文里，我们将对比她与JPEG-DCT以及其它标准图像编码。利用JPEG2000的水印算法在第二部分给出。第三部分给出实验结果。第四部分讨论我们的实验结果以及以后的工作。 JPEG－DCT是一种广泛应用的图像压缩标准。但是将是未来JPEG2000是新一代图像压缩的标准。在这一部分将给出基于两种标准的算法。 2.1 JPEG-DCT 编码： JPEG-DCT起源于80年代是著名的ISO、ITU－t标准。很多技术例如baseline和lossless模型就是基于JPEG-DCT。 Baseline模型支持有损编码。而lo