专利名称：基于hsb和lsb的可恢复的半脆弱水印方法
技术领域：
本发明涉及的是一种数字水印技术领域的方法，具体是一种基于HSB和LSB 的可恢复的半脆弱水印方法。
背景技术：
数字图像的广泛应用带来了其内容真实性鉴别的问题。特别是随着各种高 质量和高精度的图像处理设备及大量的数字图像处理软件的出现，使得对数字 图像的编辑修改更加的方便。针对图像真伪鉴别问题，主要采用半脆弱数字水 印技术作为信息完整性的鉴别工具。但是，很多已有的水印嵌入与检测方法虽 然可以定位图片被篡改的位置，却基本不能提供原始图像的信息，因此很难进 行图像复原与修复的工作。
经过文献检索，Walton在文章"Information authentication for a slippery new age[J]"(《信息认证的新时代》)(Dr. Dobbs Journal. 1995, 20(4) :18-26) (Dr. Dobbs杂志)中首次提出用脆弱数字水印的方法来实现图 像检测，其方法为首先随机选择所有像素点，计算它们的灰度值中除了最低 有效位(LSB)之外的其它有效位(高7位)的校验和，并将其作为水印信号嵌 入到其LSB中。检测时，只需检测图像的校验和与提取的水印信息是否一致即 可。嵌入水印的像素在嵌入后平均只有半数像素发生改变，所以该算法能较好 的保持图像的透明性。但无法检测像素之间的交换，而且篡改者可以通过替换 图像LSB平面来移除水印信息。因此使用校验和的方法不够安全，而且该方法 的篡改定位能力比较差。
Wong等人在文章"A public key watermark for image verification and authentication[C]"(《一种基于公钥的图像鉴别与检测水印》)(Proceedings of the IEEE International Conference on Image Processing, Chicago, USA. 1998,1: 455- 459) (IEEE图像处理学报)中通过对图像的7个最高有效位及尺 寸通过Hash函数运算获得原始图像的某些特征，该特征与一有意义的二值水印
5图像经过异或操作并经公开密钥加密后嵌人到图像中最低有效位。当图像内容 受到怀疑时，首先将图像的7个最高有效位与图像尺寸经过Hash运算后得到某些 特征，然后将图像最低有效位公开解密后的结果与该特征通过异或操作后就得 到嵌入的水印模式。该算法具有定位特性，从提出的水印可以非常直观地看出 被篡改的区域。
Wong等人在文章"A watermark for image integrity and ownership verification^]"(《一种用于图像完整性与版权保护的数字水印技术》) (Proceedings of the IS &T PIC Conference, Oregon, Portland, 1998)(信 息服务与技术图片学报)中提出了一种基于分块的脆弱水印认证算法，算法的 主要思想是把图像分割为各个独立的小块，对原图每个图像块的LSB平面置零后 并经Hash函数置乱后，与水印信息进行异或操作，并结合私钥进行加密得到二 值图像的水印信号，然后分别在各小块上嵌人各自的水印，该类分块独立算法 的缺点是不能抵抗伪造真实图像的量化攻击，其原因在于各个分块是独立的。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于HSB和LSB的可恢复 的半脆弱水印方法。本发明能够精确定位图像篡改同时还可恢复原图像，保护 数字图像的真实性、完整性。
本发明是通过以下技术方案实现的
本发明通过利用Logistic混沌序列和置乱方法以及图像中LSB( Least Significant Bit,最低比特位)与HSB (Highest Significant Bit最高比特位) 位平面的特点来嵌入数字水印和进行图像的真伪检测；借助空间域中LSB位平 面所含水印信息容量大以及HSB位平面在图像篡改和水印攻击情况下具有相对 稳定性的特点，利用HSB编码生成水印信息，采用置乱算法计算出水印嵌入位 置，将水印嵌入到LSB中，并结合混沌序列的方法，对篡改区域定位。这样不 仅可对图像内容的恶意篡改进行精确地检测与定位，而且能比较精确地恢复被 篡改的原图像信息，对原图质量的影响非常小。
所述的嵌入数字水印，包括如下步骤
①将所要嵌入水印的载体图片进行分块，块的大小为2X2，分别以^表 示，A = (lKiQ，夂是总的块数。用下列矩阵表示4 =
②计算每个块的平均值
(1)
取出该值的HSB分量，由于图像像素的取值范围是0-255，用8个比特表示
J — J力76 J*5 3 J*2 J*1 )
这里取最高的4个比特，艮卩if ,j,，z，,:i^作为该位置的水印信息。
③采用置乱方法计算出水印嵌入位置，包括步骤如下
将整个水印载体图片的像素以行扫描的方式进行编号1,2，3，,A ，M*iV， M和 iV分别是图片的长宽，然后将图片分成4大块，以A， B， C， D表示， 然后进行对角线交换，如下所示
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交换后像素代表的新的编号就是所要求的/(A:)。将嵌入位置/("对应的的 分块像素用下式表示
a/(t)2
③水印嵌入位置和混沌序列产生。利用如下方法进行置乱将整个水印载
体图片的像素以行扫描的方式进行编号1,2，3,,八，似*^, M和W分别是图片的 长宽，然后将图片分成4大块，以A， B， C， D表示，然后进行对角线交换，如下 所示
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交换后像素代表的新的编号就是所要求的/(A:)。将嵌入位置/(W对应的的分块 像素用下式表示
/1 —
④提取出"〃4、。，"M、""m、2，"m、3的最低LSB分量0)。，On,"^"2,")^3 ，
7并分别用I/7 ， Z/6,《5,1/4来替换。
⑤利用用户相关的密钥通过Logistic混沌系统产生一组混沌序列g(A:)， A = (1K《)。每个图像块^对应一个混沌序列比特，用将图像块4的 ",。像素的"S比特替换，从而此图像块完成水印嵌入，取下一个图像块嵌入水 印直到所有图像块完成类此操作。
所述的图像的真伪检测，包括如下步骤
①将嵌入水印的载体图片以2X2的大小进行分块，取出其中一个块以^表 示。其块内元素如下矩阵
4 =
②计算这个块的平均值
(2)
*64
与嵌入部分对应取出该值的HSB的高4个比特分量《A7,Z^6，《A5，Zt'6
③用与嵌入部分对应的置乱算法产生水印嵌入位置块/("，将此位置的分
块像素用下式表示
4r("=
"/(*)0
"/(4)2 fl/(*)3
AO
—*A0
A0
"/("3与S64，如果
并提取出")(i)o,fl)(i)1，a)(jt)2,a)(Jt)3的最低LSB分量":)。,"》帅，a/(;)2，^w3 。
④ 分别比较")。与zr ，与r ， ")2与—*60
在上面的比较中有一个比特不相符则转到步骤⑥进行进一步的防篡改检测，反 之转到步骤⑤进行混沌序列的检测。
⑤ 混沌序列的检测。用与水印嵌入部分对应得混沌序列初值产生一个混沌 序列g("，用将a^比特提取出来与g("相比较，如果两者不同，则转到步骤
⑥还要进一步的确认。如果步骤④中没有检测到篡改并且本步骤也没有检测到 篡改则认为这个图像块没有受到篡改，进行下一个图像块的检测，直到所有图 像块完成检测为止。◎以4为中心的8个图像块分别用《表示，分别计算这些块的《y与对应 的混沌序列g(A:)不同的数量，计为wr(yt)，再计算以《w为中心的8个图像块与 混沌序列不同的数量"/(A:)，如果m"(Q ^ w/(A:)，则说明该图像块受到篡改， 转到步骤⑦进行原图像块恢复，反之该图像块没有篡改，进行下一个图像块检 测。
⑦如果检测到图像块受到篡改，则通过"^)。，"；"，"^)2,"^)3恢复 出原图像块的数据。即":。&
—":2":3——《《—
其中疋=128"7(°t)。 + 64《"+ 32";)2 +16":3 。
本发明结合传统的半脆弱水印图像防篡改的方法，通过利用置乱理论产生 水印嵌入位置；根据HSB位平面在图像篡改和水印攻击情况下相对稳定性高的 特性，利用HSB编码生成水印信息；结合LSB位平面所含信息容量大的特点， 在图像最低有效位平面嵌人水印；使用混沌序列原理对图像内容的恶意篡改进 行精确地检测与定位并比较精确地恢复被篡改的原图像信息。本发明在充分利 用空间冗余度大等特点的基础上，将图像信息编码嵌入在图像之中，不仅可以 检测出对媒体是否存在恶意篡改，精确定位出篡改区域，并且尽量减少对图片 质量的影响，而且在检测时不需要额外的信息，可以实现盲检测和水印提取， 甚至判断篡改方式以及恢复出被篡改的数据，从而保护数字图像的真实性、完 整性。
图1为本发明图像水印生成与嵌入端流程图； 图2为本发明图像篡改检测与恢复端流程图。 图3为实施例效果示意图。
具体实施例方式
以下结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方 案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不 限于下述的实施例。本实施例涉及的系统在图像水印嵌入端由水印生成模块、水印嵌入位置生 成模块、水印嵌入模块三部分组成，结合本实施例基于HSB和LSB的可恢复的 半脆弱水印方法的技术方案，具体实施应用如下-
(1) 水印生成模块——首先将水印载体图片以2X2的大小进行分块，计 算每个块的平均值《，取出该值的HSB分量，由于图像像素的取值范围是0-255，
用s个比特表示zfc=(i/7，z/6，zf,《4，》3,z/2,ur)2,取最高的4个比特，
即Zf,Z/s,Zf,《M乍为该位置的水印信息。利用用户相关的密钥通过 Logistic混沌系统产生一组混沌序列，A: = (1K夂)。
(2) 水印嵌入位置生成模块——利用如下方法进行置乱将整个水印载 体图片的像素以行扫描的方式进行编号1，2,3，,八，^*^， M和iV分别是图片的 长宽，然后将图片分成4大块，以A， B， C， D表示，然后进行对角线交换，如下 所示
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交换后像素代表的新的编号就是所要求的/(A:)。将嵌入位置/("对应的的分块 像素用下式表示
^ — a/(4)o "/帅 (3)水印嵌入模块——提取出"，。，"W1,"/W2,"/W3的最低LSB分量
《)2，"^，并分别用ir，《6，(,《4来替换。将(l)中得到的混
沌序列比特的每一个比特位对应每个图像块4 ，用将图像块^的at。 像素的a^比特替换，从而此图像块完成水印嵌入，取下一个图像块嵌入水印直 到所有图像块完成类此操作。
本实施例涉及的系统在图像篡改检测与恢复端由嵌入位置生成模块、图像水 印提取模块、篡改检测和内容恢复模块三个模块组成，结合本实施例基于HSB和 LSB的可恢复的半脆弱水印方法的技术方案，具体实施应用如下
(1)嵌入位置生成模块——用与嵌入部分对应的置乱算法产生水印嵌入
10位置块/("，将此位置的分块像素用下式表示:
<formula>formula see original document page 11</formula>
并提取出《w。，《W1,《W2，《(i)3的最低LSB分量a));，, "))flH2，")
<formula>formula see original document page 11</formula>
(2)图像水印提取模块——将嵌入水印的载体图片以2X2的大小进行分 块，取出其中一个块以^表示，& = (lK/0。其块内元素如下矩阵
<formula>formula see original document page 11</formula>
计算每个块的平均值
<formula>formula see original document page 11</formula>
与嵌入部分对应取出该值的HSB的高4个比特分量Z^7,《,《65,《64
(3) 篡改检测和内容恢复模块
-分别比较")。与(7
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丌加[L议a岸)。勺A ， "/("与4 "。如果在上面的比较中有一个比特不相符则转到防篡
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改检测阶段，反之则转到混沌序列的检测阶段。在防篡改检测阶段，以《为中 心的8个图像块分别用《表示，分别计算这些块的《;1与对应的混沌序列不 同的数量，计为^r(Q，再计算以^;)为中心的8个图像块与混沌序列不同的数 量^r'(fc)，如果^ ^r、A;)，则说明该图像块受到篡改，通过
"〉H,"》L2,"/(°t)3恢复出原图像块的数据。即<formula>formula see original document page 11</formula>
其中《=128":)。 + 64fl:)i +32":)2 +16":)3 ，反之该图像块没有篡改，进行下 一个图像块检测；在混沌序列检测阶段，用与水印嵌入部分对应得混沌序列初 值产生一个混沌序列g(A:)，用将《比特提取出来与g("相比较，如果两者不 同，则转到步骤6还要进一步的确认。如果步骤4中没有检测到篡改并且本步骤 也没有检测到篡改则认为这个图像块没有受到篡改，进行下一个图像块的检测， 直到所有图像块完成检测为止。将本实施例应用于LENA和BABOON图片，并用PSNR值作为衡量水印对载体 图片质量的影响，从附图3.b中可以看出LENA图片水印的透明性很好，没有视 觉上的差异，LENA测量的PSNR值为48. 1229dB， BABOON测量的PSNR值为 48.0529。攻击试验，如附图3.c所示，将512X512大小的灰度图片LENA加载 水印。然后在含水印的LENA图片上a.切去一个方形的区域，并用黑色填充； b.再切去一个方形的区域，并用白色填充；c.将LENA图片自身的一部分移动到
其他部分(在肩部)；d.任意画一条干扰线；经本实施例检测并修复后，在说
明书附图3.d中可以清晰和准确的检测出被篡改的区域。并且，在检测到有篡 改后，进一步的可以恢复出被篡改的原像素，如附图3.e。将BABOON的鼻子和 眼睛的颜色换掉，在附图3.h中可以明显的看出检测出的篡改区域。从而证明 了本实施例的有效性。
权利要求
1、一种基于HSB和LSB的可恢复的半脆弱水印方法，其特征在于，通过利用Logistic混沌序列和置乱方法以及图像中LSB与HSB位平面的特点来嵌入数字水印和进行图像的真伪检测，借助空间域中LSB位平面所含水印信息容量大以及HSB位平面在图像篡改和水印攻击情况下具有相对稳定性的特点，利用HSB编码生成水印信息，采用置乱方法计算出水印嵌入位置，将水印嵌入到LSB中，并结合混沌序列的方法，对篡改区域定位。
2、 根据权利要求1所述的基于HSB和LSB的可恢复的半脆弱水印方法，其 特征是，所述的嵌入数字水印，包括如下步骤①将所要嵌入水印的载体图片进行分块，块的大小为2X2，分别以4矩阵表示<formula>formula see original document page 2</formula>其中<formula>formula see original document page 2</formula>， K是总的块数；② 计算每个块的平均值<formula>formula see original document page 2</formula>，取出该值的HSB分量，由于图像像素的取值范围是o-255，用s个比特表示4K(,:^,:^，:^,:^,:^,:^，d 这里取最高的4个比特，即if,:^，:i"f，z/M乍为该位置的水印信息；③ 采用置乱方法计算出水印嵌入位置，以下式表示<formula>formula see original document page 2</formula>其中以行扫描的方式编号1.2.3…；④ 提取出a卿，a卿，fl鄉，a卿的最低LSB分量4^)o，《;，;)2，《)3 ，并分别用《7 ，《6 ， Z/5 ， Z/4来替换；⑤ 利用用户相关的密钥通过Logistic混沌系统产生一组混沌序列g(A)， = (1K《)，每个图像块4对应一个混沌序列比特g(Q ，用将图像块4的A。像素的"S比特替换，从而此图像块完成水印嵌入，取下一个图像块嵌入水印直到所有图像块完成类此操作。
3、根据权利要求1所述的基于HSB和LSB的可恢复的半脆弱水印方法，其特征是，所述的采用置乱方法计算出水印嵌入位置，步骤如下将整个水印载体图片的像素以行扫描的方式进行编号1,2,3,，A ,M*W， M和 iV分别是图片的长宽，然后将图片分成4大块，以A， B， C， D表示， 然后进行对角线交换，如下所示<formula>formula see original document page 3</formula>最后获得交换后像素代表的的/("，将嵌入位置/("对应的的分块像素用下式表示<formula>formula see original document page 3</formula>
4、根据权利要求1所述的基于HSB和LSB的可恢复的半脆弱水印方法，其 特征是，所述的图像的真伪检测，包括如下步骤①将嵌入水印的载体图片以2X2的大小进行分块，取出其中一个块以4矩阵表示<formula>formula see original document page 3</formula>②计算这个块的平均值<formula>formula see original document page 3</formula>与嵌入部分对应取出该值的HSB的高4个比特分J^ ,,、，、 ③用与嵌入部分对应的置乱方法产生水印嵌入位置块/(A:)，将此位置的分 块像素用下式表示<formula>formula see original document page 3</formula>并提取出a)w。,《wl，《W2,a)W3的最低LSB分量a:)o,a:)p《d，a:)3;④分别比较《)。与z，，""与y6， ":W5， ":W4，如果有一个比特不相符则转到步骤⑥进行进一步的防篡改检测，反之转到步骤⑤进 行混沌序列的检测；◎混沌序列的检测，完成所有图像块检测；⑥ 以4为中心的8个图像块分别用《表示，分别计算这些块的a^与对应 的混沌序列g("不同的数量，计为^K"，再计算以^("为中心的8个图像块与 混沌序列不同的数量w/("，如果m"("2er/0t)，则说明该图像块受到篡改， 转到步骤⑦进行原图像块恢复，反之该图像块没有篡改，进行下一个图像块检⑦ 如果检测到图像块受到篡改，贝lj通过"y^。，"？^，") "2,")^)3恢复 出原图像块的数据，即<formula>formula see original document page 4</formula>其中2;=128":)0 + 6O2《)2+16":)3 。
5、根据权利要求14所述的基于HSB和LSB的可恢复的半脆弱水印方法，其特 征是，所述的混沌序列的检测，包括步骤如下用与水印嵌入部分对应得混沌序列初值产生一个混沌序列g(A;),用将aS1比特提取出来与g(A:)相比较，如果两者不同，则转到步骤⑥进一步的确认；如果 步骤④中没有检测到篡改并且本步骤也没有检测到篡改，则认为这个图像块没 有受到篡改，进行下一个图像块的检测，直到所有图像块完成检测为止。
全文摘要
一种数字水印技术领域的基于HSB和LSB的可恢复的半脆弱水印方法。通过利用Logistic混沌序列和置乱方法以及图像中LSB与HSB位平面的特点来嵌入数字水印和进行图像的真伪检测，借助空间域中LSB位平面所含水印信息容量大以及HSB位平面在图像篡改和水印攻击情况下具有相对稳定性的特点，利用HSB编码生成水印信息，采用置乱方法计算出水印嵌入位置，将水印嵌入到LSB中，并结合混沌序列的方法，对篡改区域定位。本发明不仅可对图像内容的恶意篡改进行精确地检测与定位，而且能比较精确地恢复被篡改的原图像信息，对原图质量的影响非常小。
文档编号G06T1/00GK101673390SQ20091019578
公开日2010年3月17日 申请日期2009年9月17日 优先权日2009年9月17日
发明者剑 李, 琳 李, 李建华, 李生红, 波 苏, 波 金, 进 马 申请人:上海交通大学