趙可新,劉振名

(河北工程技術(shù)高等?？茖W(xué)校,河北滄州 061001)

數(shù)字水印中二值圖像信息隱藏方法研究

趙可新,劉振名

(河北工程技術(shù)高等專科學(xué)校,河北滄州 061001)

通過對數(shù)字水印技術(shù)和二值圖像信息隱藏方法研究,給出了二值圖像信息隱藏算法,有效提高了電子簽章系統(tǒng)的安全性。

數(shù)字水印;二值圖像;信息隱藏;信息安全

近幾年,政務(wù)電子化成為了社會數(shù)字化的一個新的發(fā)展方向,相關(guān)信息加密的技術(shù)的相對成熟以及對數(shù)字信息安全認證的廣泛需求,使得電子簽章技術(shù)得到了各行業(yè)的廣泛關(guān)注,成為信息安全傳輸?shù)难芯口厔葜?。電子簽章系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)是數(shù)字簽名和數(shù)字水印技術(shù)[1]。

1 數(shù)字水印技術(shù)

數(shù)字水印技術(shù),是指在數(shù)字化的數(shù)據(jù)內(nèi)容中嵌入不明顯的記號。被嵌入的記號通常是不可見或不可察覺的,但是通過一些計算操作可以被檢測或被提取。水印與原數(shù)據(jù)(如圖像、音頻、視頻數(shù)據(jù))緊密結(jié)合并隱藏其中,成為不可分離的一部分[2]。

數(shù)字水印技術(shù)是隱寫術(shù)的一種,隱寫術(shù)是將數(shù)據(jù)隱藏(或嵌入)在另一種稱為掩飾體(cover)、宿主(host)或載體(carrier)的數(shù)據(jù)中讓人無法察覺。修改后的掩飾體可以作為消息存儲和發(fā)送,其中包括被隱藏的數(shù)據(jù),即隱寫對象(stego object),如圖1所示。

數(shù)字水印主要有以下特點:

1)不可見性(Invisibility):加入水印后的圖像不能有視覺質(zhì)量上的下降,與原始圖像對比,很難發(fā)現(xiàn)二者的差別。

2)魯棒性(Robustness):加入圖像中的水印必須能夠承受施加于圖像的變換操作(如加入噪聲、濾波、有損壓縮、重采樣、D/A或A/D轉(zhuǎn)換等),不會因為變換處理而丟失,水印信息經(jīng)提取后應(yīng)清晰可辨。

3)安全性(Security):數(shù)字水印應(yīng)能抵抗各種蓄意攻擊,必須能夠唯一地標識原始圖像的相關(guān)信息,任何第三方都不能偽造他人的水印信息。

數(shù)字水印兼有版權(quán)保護和內(nèi)容真實性、完整性認證的功能。魯棒水印和易碎水印分別完成了這兩個功能。研究發(fā)現(xiàn),一個具有微弱魯棒性的水印,由于其對眾多圖像操作的魯棒性較低,因此,操作結(jié)果或多或少地會在提取水印上有所反映。根據(jù)這一特性,用戶可以確定原始圖像有沒有被非法用戶進行圖像“操作”。這一類水印被稱為易碎水印。

易碎水印的研究熱點目前已經(jīng)轉(zhuǎn)向在對特定操作魯棒的同時保持對其他操作易碎的半易碎水印的研究。一般一個易碎水印應(yīng)該滿足三個基本要求,分別是:對篡改高度敏感;不可見性;不容易被替換。

圖1 數(shù)據(jù)隱藏和提取的步驟

2 二值圖像

二值圖像,顧名思義,就是圖像像素只存在“0”,“1”兩個值,也叫做二進制圖像。一般的二值圖像都是純黑白的,每一個像素值都將去兩個離散值(0或1)中的一個,“0”表示黑,“1”表示白。針對印章圖像,根據(jù)人們的習(xí)慣,印章的顏色基本上都是紅色的,因此,也可以用二值圖像來表示只有紅、白兩種顏色的印章圖像。在研究中設(shè)定,紅色像素用離散值“1”表示,白色像素用離散值“0”表示。如圖2所示。

二值圖像存儲簡單、結(jié)構(gòu)緊湊等獨特優(yōu)勢使其在數(shù)據(jù)傳真、文字識別、條碼識別和數(shù)字簽名中得到了廣泛的應(yīng)用,基于二值圖像信息隱藏的研究就有其獨特的應(yīng)用價值。然而,有關(guān)彩色圖像、灰度圖像的信息隱藏技術(shù)層出不窮,但針對二值圖像的信息隱藏算法卻并不多見,這是因為彩色、灰度圖像的信息隱藏技術(shù)大多采用改變小部分被選擇的像素值而不會引起視覺上察覺的方法,然而這種方法不能直接應(yīng)用于像素值不是“1”就是“0”的二值圖像。

在二值圖像中隱藏數(shù)據(jù)的主要問題是這種圖像沒有或具有少量“噪聲”,即使只改變某些像素的之,也可能被察覺和引起懷疑,從而導(dǎo)致對這些被察覺發(fā)生了改變像素值的攻擊。

圖2 印章圖像示例

2.1 二值圖像信息隱藏的特點

在信息隱藏技術(shù)中,魯棒性和嵌入容量是最為重要的兩個指標。二值圖像信息隱藏技術(shù)的魯棒性指的是技術(shù)對抗打印、掃描、傳真等轉(zhuǎn)換攻擊的能力。對于一般的信息隱藏技術(shù),增強魯棒性會以犧牲隱藏容量作為代價。信息隱藏技術(shù)的嵌入容量與魯棒性是一對矛盾,要增強技術(shù)的魯棒性將會使以技術(shù)的嵌入容量降低。還可以觀察到,增強技術(shù)魯棒性的關(guān)鍵是將秘密信息(或水印)嵌入在經(jīng)過了大量合理統(tǒng)計,覆蓋了大部分像素的位置上,而不是嵌入到某個特定的、嚴格挑選的位置上。比如,魯棒性較強的文本行移位方法就是將秘密信息(或水印)嵌入在文本像素水平行的質(zhì)心位置,而魯棒性較弱的邊界修改法則將秘密信息(或水印)嵌入到一些邊界像素的特定外形上。

2.2 二值圖像數(shù)據(jù)隱藏方法[3]

由于二值圖像只有黑、白兩個色調(diào)這個特性,對這兩個反差極大的色調(diào)做直接修改很容易引起視覺異常。二值圖像信息隱藏無法照搬彩色圖像信息隱藏算法。由于二值圖像的信息隱藏很容易引起視覺異常,因此在信息嵌入時應(yīng)重點考慮視覺上的隱蔽性(即視覺的空間屏蔽效應(yīng))。目前所見的文獻中,二值圖像信息隱藏的方法包括:大塊圖像做微小平行移位,小范圍圖像做修改,有條件的進行以空間分辨率換取顏色分辨率。

1)分塊嵌入的隱藏方法

分塊嵌入的二值圖像信息隱藏方法是一種較為典型的隱藏方法,由于其算法簡單、隱藏容量大,相對于其它算法而言具有更強的實用性。這一類嵌入方法就是把圖像分成大小為M×N的子塊,然后對劃分的子塊按某種規(guī)則進行計算確定嵌入策略,根據(jù)嵌入策略找出可以修改的像素,然后直接對該像素進行修改。這種方法對所有的二值圖像均適用。

2)游程修改嵌入方法

Matsui等人提出了一種修改像素游程的信息嵌入方法,該方法主要針對傳真文件實施。傳真文件每行包含1728個像素,這1728個像素包含有許多游程,游程數(shù)據(jù)采用霍夫曼編碼記錄數(shù)據(jù)。具體的嵌入策略非常簡單,即修改游程邊緣的像素,使游程加一或減一,用游程的奇偶性來攜帶信息。很明顯該方法也可以適用于所有的二值圖像,只是在短游程較多時會影響圖像的視覺效果。

3)文字特征修改法

基于文字特征修改的算法根據(jù)文字的筆畫特征進行嵌入,具有較好的視覺效果。第1步首先分析字體的筆畫連接,然后根據(jù)分析結(jié)果按筆畫分塊,再將分得的筆畫塊分成4個部分。第2步計算每個筆畫的平均寬度,一般用游程來計算。第3步將4個筆畫塊分成兩組,通過讓一組筆畫變粗,另一組筆畫變細來完成信息嵌入。潛入策略很簡單:第一組變粗、第二組變細嵌入“1”,反之則嵌入“0”。信息提取也非常簡單,首先計算按嵌入時進行的分塊方式分塊,比較每個筆畫的4個子塊的粗細是否相同即可完成提取。該方法能夠經(jīng)受二次量化的攻擊。

4)邊界修改法

這是一種基于邊界的隱藏方法,它首先將字符分成8個基本的邊界,然后在一對固定邊界長度為5個像素的邊界模式上進行信息嵌入,嵌入策略為刪除一個邊界像素或添加一個邊界像素。這種方式有個獨一無二的特性,那就是用于信息嵌入的邊界長度為5個像素的兩個邊界模式互為對效應(yīng),也就是說,只要修改在中間位置的一個模式的像素值將會影響另一模式。這個特性為無需參考原始文本的嵌入信息提取提供了很大便利,不需要應(yīng)用先驗知識就可進行信息的提取。實驗結(jié)果表明,該方法可以允許在分辨率為300 dpi的滿篇數(shù)字化文檔上每個字節(jié)(或連接套件)嵌入5 169 bits信息。該方法可以應(yīng)用于如文本文檔或工程畫圖等使用連接套件的普通文檔圖像。

5)基于半色調(diào)圖像的嵌入算法

半色調(diào)技術(shù)就是利用單一的顏色(黑色)模仿出百余種連續(xù)灰度等級,其技術(shù)核心為數(shù)字抖動(dither),即用數(shù)字空間分辨率鏈換取亮度幅度分辨率。該技術(shù)被廣泛地應(yīng)用在書報刊物的印刷,打印輸出等應(yīng)用領(lǐng)域。由于半色調(diào)圖像用空間分辨率來表示亮度分辨率,因此可以用直接修改像素的方法進行信息嵌呻。當然針對半色調(diào)圖像嵌入方法也有一些特殊要求,有些算法需要原始的灰度圖像。

6)文本行行移位,文本字符移位法

文本行移位和字符移位的隱藏方法就是將文本圖像的一行字符,一個字符或是一個字符群做微小的整體移位來攜帶信息。這種方法適用于文本內(nèi)容的二值圖像。該技術(shù)通過修改字符間距、行間距來攜帶信息,修改幅度為1/381 cm(1/150英寸)。嵌入策略非常簡單,比如說字符行向上移嵌入“1”,向下移嵌入“0”,字符行向左移嵌入“1”,向右移嵌入“0”,嵌入的水印可以經(jīng)的起掃描和打印的攻擊,具有一定的魯棒性。由于水印在打印或掃描時難免會引入量化噪聲,水印恢復(fù)時用極大似然法來判別。

3 二值圖像中可修改像素點的選取

相對于數(shù)字水印嵌入技術(shù)來說,信息隱藏不可避免的要對圖像進行修改,因而也將不可避免的引起圖像質(zhì)量的下降。信息隱藏的一個要求就是要盡可能的減少圖像的降質(zhì),以避免肉眼的識別,因而信息隱藏首先是建立在視覺系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上。但由于二值圖像的特殊性,只要對圖像稍作改動,人眼就能夠辨別出來,這無疑是給二值圖像的信息隱藏帶來的困難。正因如此,有關(guān)二值圖像的信息隱藏算法非常少。

為了能夠在二值圖像上隱藏數(shù)據(jù),同時又要減少對二值圖像質(zhì)量影響,必須確定在圖像的哪些位置可以隱藏數(shù)據(jù),哪些位置不能隱藏數(shù)據(jù),然后才能設(shè)計一個好的隱藏算法。像素點的選取可以通過設(shè)定像素點的可選分值來判斷該像素點是否適用于修改。

可選分值是用于表示某個像素點的可修改程度的,像素點的可選分值越大,該像素點修改以后,越不容易引起圖像視覺上的變化。根據(jù)文獻,可選分值的大小受期臨域的光滑性的影響,還受其臨域的連通性的影響。因此,可以根據(jù)這兩種情況的改變,計算可選分值的大小。

3.1 計算每個像素點的臨域光滑性

1)設(shè)以像素點X為中心,檢查該像素點周圍八個像素點的像素值,若所有八個像素點的像素值全為“0”或者全為“1”或者中心像素點X與周圍像素點的像素值均不相同,則設(shè)定該像素點X的可選分值為一個部可能出現(xiàn)的極大值,如“-1000”,則可根據(jù)這個值判定該像素點為不可選像素點。

2)如果像素點X周圍八個像素點的情況不是1)中所提到的,那么計算該像素點水平平滑度Sh(i,j)、垂直平滑度Sv(i,j)、對角線平滑度Sd1(i,j)、Sd2(i,j)、臨域內(nèi)黑色連通分量數(shù)B、臨域內(nèi)白色連通分量數(shù)W。

式中,I[]為指示函數(shù);p(i,j)為第i行、第j列像素的像素值。平滑度越小,臨域越平滑。

連通分量的計算可以根據(jù)四連通的定義來計算。通過觀察像素改變對圖像可視性的影響可知:

1)臨域平滑度越小,像素改變對圖像的影響越小,所以像素的可選分值應(yīng)該越小,且水平平滑度和垂直平滑度對像素的可選分值的影響大于兩個對角線平滑度;

2)中心像素點像素值的改變所造成的臨域平滑度的改變量越大,對于像素點可選分值的影響越大,且水平和垂直方向上的改變量的影響遠大于兩個對角線上的改變量;

3)中心像素點像素值的改變引起的黑色連通分量的變化以及白色連通分量的變化越大,對圖像的可視性影響越大。

基于以上原則,可以構(gòu)建像素可選分值計算公式:

其中,a1＜a2,a4＞a5。

通過計算像素點的可選分值,從而可以評斷一個像素點是否可以進行修改以及該像素點修改后對于圖像的可視性的影響的大小,從而可以選擇對于圖像可視性影響相對較小的像素點進行修改進,減小修改后像素點對圖像的可視性影響。

4 結(jié)論

通過對數(shù)字水印技術(shù)中二值圖像數(shù)據(jù)隱藏方法的研究,給出了二值圖像中像素點的選取方法。該方法有效提高了電子簽章系統(tǒng)的安全性。

[1] 王東臨.電子印章讓電子簽名走向百姓[J].信息化建設(shè),2005,(5):22-23.

[2] 程興國,王蔚然.一種有效地結(jié)合數(shù)字簽名與數(shù)字水印的算法[J].福建電腦,2004,(11):60-61.

[3] 周波,陳健.一種適用于二值圖像的數(shù)字水印算法[J].上海交通大學(xué)學(xué)報,2005,38(9):1509-1514.

(責任編輯:張鐵壁)

Research of Method for Binary Image Information Hiding in Digital Watermarking

ZHAO Ke-xin,LIU Zhen-ming
(Hebei Engineering and Technical College,Cangzhou 061001,China)

Through the research of digital watermarking technology and the methods of binary image information hiding,the information hiding algorithm for binary images is given.This method effectively improves the security of electronic signature systems.

digital watermarking;binary image;information hiding;information security

T P391.4

A

1008-3782(2011)01-0047-04

2010-12-14

國家863項目(2.5.1.25)

趙可新(1970-),女(漢),河北泊頭人,碩士,河北工程技術(shù)高等?？茖W(xué)校副教授,研究方向:計算機應(yīng)用技術(shù)。