数字水印中二值图像信息隐藏方法研究

赵可新,刘振名

(河北工程技术高等专科学校,河北沧州 061001)

数字水印中二值图像信息隐藏方法研究

赵可新,刘振名

(河北工程技术高等专科学校,河北沧州 061001)

通过对数字水印技术和二值图像信息隐藏方法研究,给出了二值图像信息隐藏算法,有效提高了电子签章系统的安全性。

数字水印;二值图像;信息隐藏;信息安全

近几年,政务电子化成为了社会数字化的一个新的发展方向,相关信息加密的技术的相对成熟以及对数字信息安全认证的广泛需求,使得电子签章技术得到了各行业的广泛关注,成为信息安全传输的研究趋势之一。电子签章系统的技术基础是数字签名和数字水印技术[1]。

1 数字水印技术

数字水印技术,是指在数字化的数据内容中嵌入不明显的记号。被嵌入的记号通常是不可见或不可察觉的,但是通过一些计算操作可以被检测或被提取。水印与原数据(如图像、音频、视频数据)紧密结合并隐藏其中,成为不可分离的一部分[2]。

数字水印技术是隐写术的一种,隐写术是将数据隐藏(或嵌入)在另一种称为掩饰体(cover)、宿主(host)或载体(carrier)的数据中让人无法察觉。修改后的掩饰体可以作为消息存储和发送,其中包括被隐藏的数据,即隐写对象(stego object),如图1所示。

数字水印主要有以下特点:

1)不可见性(Invisibility):加入水印后的图像不能有视觉质量上的下降,与原始图像对比,很难发现二者的差别。

2)鲁棒性(Robustness):加入图像中的水印必须能够承受施加于图像的变换操作(如加入噪声、滤波、有损压缩、重采样、D/A或A/D转换等),不会因为变换处理而丢失,水印信息经提取后应清晰可辨。

3)安全性(Security):数字水印应能抵抗各种蓄意攻击,必须能够唯一地标识原始图像的相关信息,任何第三方都不能伪造他人的水印信息。

数字水印兼有版权保护和内容真实性、完整性认证的功能。鲁棒水印和易碎水印分别完成了这两个功能。研究发现,一个具有微弱鲁棒性的水印,由于其对众多图像操作的鲁棒性较低,因此,操作结果或多或少地会在提取水印上有所反映。根据这一特性,用户可以确定原始图像有没有被非法用户进行图像“操作”。这一类水印被称为易碎水印。

易碎水印的研究热点目前已经转向在对特定操作鲁棒的同时保持对其他操作易碎的半易碎水印的研究。一般一个易碎水印应该满足三个基本要求,分别是:对篡改高度敏感;不可见性;不容易被替换。

图1 数据隐藏和提取的步骤

2 二值图像

二值图像,顾名思义,就是图像像素只存在“0”,“1”两个值,也叫做二进制图像。一般的二值图像都是纯黑白的,每一个像素值都将去两个离散值(0或1)中的一个,“0”表示黑,“1”表示白。针对印章图像,根据人们的习惯,印章的颜色基本上都是红色的,因此,也可以用二值图像来表示只有红、白两种颜色的印章图像。在研究中设定,红色像素用离散值“1”表示,白色像素用离散值“0”表示。如图2所示。

二值图像存储简单、结构紧凑等独特优势使其在数据传真、文字识别、条码识别和数字签名中得到了广泛的应用,基于二值图像信息隐藏的研究就有其独特的应用价值。然而,有关彩色图像、灰度图像的信息隐藏技术层出不穷,但针对二值图像的信息隐藏算法却并不多见,这是因为彩色、灰度图像的信息隐藏技术大多采用改变小部分被选择的像素值而不会引起视觉上察觉的方法,然而这种方法不能直接应用于像素值不是“1”就是“0”的二值图像。

在二值图像中隐藏数据的主要问题是这种图像没有或具有少量“噪声”,即使只改变某些像素的之,也可能被察觉和引起怀疑,从而导致对这些被察觉发生了改变像素值的攻击。

图2 印章图像示例

2.1 二值图像信息隐藏的特点

在信息隐藏技术中,鲁棒性和嵌入容量是最为重要的两个指标。二值图像信息隐藏技术的鲁棒性指的是技术对抗打印、扫描、传真等转换攻击的能力。对于一般的信息隐藏技术,增强鲁棒性会以牺牲隐藏容量作为代价。信息隐藏技术的嵌入容量与鲁棒性是一对矛盾,要增强技术的鲁棒性将会使以技术的嵌入容量降低。还可以观察到,增强技术鲁棒性的关键是将秘密信息(或水印)嵌入在经过了大量合理统计,覆盖了大部分像素的位置上,而不是嵌入到某个特定的、严格挑选的位置上。比如,鲁棒性较强的文本行移位方法就是将秘密信息(或水印)嵌入在文本像素水平行的质心位置,而鲁棒性较弱的边界修改法则将秘密信息(或水印)嵌入到一些边界像素的特定外形上。

2.2 二值图像数据隐藏方法[3]

由于二值图像只有黑、白两个色调这个特性,对这两个反差极大的色调做直接修改很容易引起视觉异常。二值图像信息隐藏无法照搬彩色图像信息隐藏算法。由于二值图像的信息隐藏很容易引起视觉异常,因此在信息嵌入时应重点考虑视觉上的隐蔽性(即视觉的空间屏蔽效应)。目前所见的文献中,二值图像信息隐藏的方法包括:大块图像做微小平行移位,小范围图像做修改,有条件的进行以空间分辨率换取颜色分辨率。

1)分块嵌入的隐藏方法

分块嵌入的二值图像信息隐藏方法是一种较为典型的隐藏方法,由于其算法简单、隐藏容量大,相对于其它算法而言具有更强的实用性。这一类嵌入方法就是把图像分成大小为M×N的子块,然后对划分的子块按某种规则进行计算确定嵌入策略,根据嵌入策略找出可以修改的像素,然后直接对该像素进行修改。这种方法对所有的二值图像均适用。

2)游程修改嵌入方法

Matsui等人提出了一种修改像素游程的信息嵌入方法,该方法主要针对传真文件实施。传真文件每行包含1728个像素,这1728个像素包含有许多游程,游程数据采用霍夫曼编码记录数据。具体的嵌入策略非常简单,即修改游程边缘的像素,使游程加一或减一,用游程的奇偶性来携带信息。很明显该方法也可以适用于所有的二值图像,只是在短游程较多时会影响图像的视觉效果。

3)文字特征修改法

基于文字特征修改的算法根据文字的笔画特征进行嵌入,具有较好的视觉效果。第1步首先分析字体的笔画连接,然后根据分析结果按笔画分块,再将分得的笔画块分成4个部分。第2步计算每个笔画的平均宽度,一般用游程来计算。第3步将4个笔画块分成两组,通过让一组笔画变粗,另一组笔画变细来完成信息嵌入。潜入策略很简单:第一组变粗、第二组变细嵌入“1”,反之则嵌入“0”。信息提取也非常简单,首先计算按嵌入时进行的分块方式分块,比较每个笔画的4个子块的粗细是否相同即可完成提取。该方法能够经受二次量化的攻击。

4)边界修改法

这是一种基于边界的隐藏方法,它首先将字符分成8个基本的边界,然后在一对固定边界长度为5个像素的边界模式上进行信息嵌入,嵌入策略为删除一个边界像素或添加一个边界像素。这种方式有个独一无二的特性,那就是用于信息嵌入的边界长度为5个像素的两个边界模式互为对效应,也就是说,只要修改在中间位置的一个模式的像素值将会影响另一模式。这个特性为无需参考原始文本的嵌入信息提取提供了很大便利,不需要应用先验知识就可进行信息的提取。实验结果表明,该方法可以允许在分辨率为300 dpi的满篇数字化文档上每个字节(或连接套件)嵌入5 169 bits信息。该方法可以应用于如文本文档或工程画图等使用连接套件的普通文档图像。

5)基于半色调图像的嵌入算法

半色调技术就是利用单一的颜色(黑色)模仿出百余种连续灰度等级,其技术核心为数字抖动(dither),即用数字空间分辨率链换取亮度幅度分辨率。该技术被广泛地应用在书报刊物的印刷,打印输出等应用领域。由于半色调图像用空间分辨率来表示亮度分辨率,因此可以用直接修改像素的方法进行信息嵌呻。当然针对半色调图像嵌入方法也有一些特殊要求,有些算法需要原始的灰度图像。

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隐藏方法就是将文本图像的一行字符,一个字符或是一个字符群做微小的整体移位来携带信息。这种方法适用于文本内容的二值图像。该技术通过修改字符间距、行间距来携带信息,修改幅度为1/381 cm(1/150英寸)。嵌入策略非常简单,比如说字符行向上移嵌入“1”,向下移嵌入“0”,字符行向左移嵌入“1”,向右移嵌入“0”,嵌入的水印可以经的起扫描和打印的攻击,具有一定的鲁棒性。由于水印在打印或扫描时难免会引入量化噪声,水印恢复时用极大似然法来判别。

3 二值图像中可修改像素点的选取

相对于数字水印嵌入技术来说,信息隐藏不可避免的要对图像进行修改,因而也将不可避免的引起图像质量的下降。信息隐藏的一个要求就是要尽可能的减少图像的降质,以避免肉眼的识别,因而信息隐藏首先是建立在视觉系统模型的基础上。但由于二值图像的特殊性,只要对图像稍作改动,人眼就能够辨别出来,这无疑是给二值图像的信息隐藏带来的困难。正因如此,有关二值图像的信息隐藏算法非常少。

为了能够在二值图像上隐藏数据,同时又要减少对二值图像质量影响,必须确定在图像的哪些位置可以隐藏数据,哪些位置不能隐藏数据,然后才能设计一个好的隐藏算法。像素点的选取可以通过设定像素点的可选分值来判断该像素点是否适用于修改。

可选分值是用于表示某个像素点的可修改程度的,像素点的可选分值越大,该像素点修改以后,越不容易引起图像视觉上的变化。根据文献,可选分值的大小受期临域的光滑性的影响,还受其临域的连通性的影响。因此,可以根据这两种情况的改变,计算可选分值的大小。

3.1 计算每个像素点的临域光滑性

1)设以像素点X为中心,检查该像素点周围八个像素点的像素值,若所有八个像素点的像素值全为“0”或者全为“1”或者中心像素点X与周围像素点的像素值均不相同,则设定该像素点X的可选分值为一个部可能出现的极大值,如“-1000”,则可根据这个值判定该像素点为不可选像素点。

2)如果像素点X周围八个像素点的情况不是1)中所提到的,那么计算该像素点水平平滑度Sh(i,j)、垂直平滑度Sv(i,j)、对角线平滑度Sd1(i,j)、Sd2(i,j)、临域内黑色连通分量数B、临域内白色连通分量数W。

式中,I[]为指示函数;p(i,j)为第i行、第j列像素的像素值。平滑度越小,临域越平滑。

连通分量的计算可以根据四连通的定义来计算。通过观察像素改变对图像可视性的影响可知:

1)临域平滑度越小,像素改变对图像的影响越小,所以像素的可选分值应该越小,且水平平滑度和垂直平滑度对像素的可选分值的影响大于两个对角线平滑度;

2)中心像素点像素值的改变所造成的临域平滑度的改变量越大,对于像素点可选分值的影响越大,且水平和垂直方向上的改变量的影响远大于两个对角线上的改变量;

3)中心像素点像素值的改变引起的黑色连通分量的变化以及白色连通分量的变化越大,对图像的可视性影响越大。

基于以上原则,可以构建像素可选分值计算公式:

其中,a1＜a2,a4＞a5。

通过计算像素点的可选分值,从而可以评断一个像素点是否可以进行修改以及该像素点修改后对于图像的可视性的影响的大小,从而可以选择对于图像可视性影响相对较小的像素点进行修改进,减小修改后像素点对图像的可视性影响。

4 结论

通过对数字水印技术中二值图像数据隐藏方法的研究,给出了二值图像中像素点的选取方法。该方法有效提高了电子签章系统的安全性。

[1] 王东临.电子印章让电子签名走向百姓[J].信息化建设,2005,(5):22-23.

[2] 程兴国,王蔚然.一种有效地结合数字签名与数字水印的算法[J].福建电脑,2004,(11):60-61.

[3] 周波,陈健.一种适用于二值图像的数字水印算法[J].上海交通大学学报,2005,38(9):1509-1514.

(责任编辑:张铁壁)

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

国家863项目(2.5.1.25)

赵可新(1970-),女(汉),河北泊头人,硕士,河北工程技术高等专科学校副教授,研究方向:计算机应用技术。