用于图像认证的半脆弱水印算法研究

1984年，Cleve Moler和John Little成立了Math Works公司，正式把Matlab推向市场，并继续进行Matlab的研究和开发。
在当今30多个数学类科技应用软件中，就软件数学处理的原始内核而言，可分为两大类。一类是数值计算型软件，如Matlab，Xmath，Gauss等，这类软件长于数值计算，对处理大批数据效率高；另一类是数学分析型软件，Mathematica，Maple等，这类软件以符号计算见长，能给出解析解和任意精确解，其缺点是处理大量数据时效率较低。MathWorks公司顺应多功能需求之潮流，在其卓越数值计算和图示能力的基础上，又率先在专业水平上开拓了其符号计算，文字处理，可视化建模和实时控制能力，开发了适合多学科，多部门要求的新一代科技应用软件Matlab。经过多年的国际竞争，Matlab以经占据了数值软件市场的主导地位。

在Matlab进入市场前，国际上的许多软件包都是直接以FORTRANC语言等编程语言开发的。这种软件的缺点是使用面窄，接口简陋，程序结构不开放以及没有标准的基库，很难适应各学科的最新发展，因而很难推广。Matlab的出现，为各国科学家开发学科软件提供了新的基础。在Matlab问世不久的80年代中期，原先控制领域里的一些软件包纷纷被淘汰或在Matlab上重建。

MathWorks公司1993年推出了Matlab 4.0版，1995年推出4.2C版（for win3.X）1997年推出5.0版。1999年推出5.3版。Matlab5.X较Matlab 4.X无论是界面还是内容都有长足的进展，其帮助信息采用超文本格式和PDF格式，在Netscape 3.0或IE 4.0及以上版本，Acrobat Reader中可以方便地浏览。

时至今日，经过MathWorks公司的不断完善，Matlab已经发展成为适合多学科，多种工作平台的功能强大大大型软件。在国外，Matlab已经经受了多年考验。在欧美等高校，Matlab已经成为线性代数，自动控制理论，数理统计，数字信号处理，时间序列分析，动态系统仿真等高级课程的基本教学工具；成为攻读学位的大学生，硕士生，博士生必须掌握的基本技能。在设计研究单位和工业部门，Matlab被广泛用于科学研究和解决各种具体问题。在国内，特别是工程界，Matlab一定会盛行起来。可以说，无论你从事工程方面的哪个学科，都能在Matlab里找到合适的功能〔7〕。

第三章 图像认证半脆弱水印算法原理与总体设计

半脆弱水印技术既可以在一定程度上容忍施加于含水印数字媒体上的常见信号处理操作(如叠加噪声、平滑滤波、有损压缩等)，又能够对恶意篡改做出报警反应且具有定位篡改区域的能力，故在网络时代具有更重要的应用价值。近几年，半脆弱图像数字水印技术研究取得了很大进展，陆续提出了诸如与JPEG编解码器相结合、基于视觉掩蔽特性、基于量化系数等多种水印嵌入算法。这些半脆弱型水印算法普遍具有篡改检测较出色、虚警率较低的优点，但也不同程度存在透明性较差、对某些常规信号处理不够鲁棒、篡改区域定位不够准确等不足。

3.1 用于图像认证算法的特殊要求分析
图像认证的目的是确认作品没有受到任何改变，可用脆弱水印来实现图像认证。为了便于检测，脆弱水印对某些变换(如压缩)，具有较低的健壮性，面对其他变换的健壮性更低。脆弱水印对图像的改变极其敏感，适于图像的精确认证，但对数字图像来说，少量比特的改变不会造成原作品实质上的不同，事实上有的失真(如有损压缩等)会修改作品中很多的比特，但在视觉上不会造成改变。在许多应用中，两幅图像在视觉上相似就意昧着其压缩版本是可接受的。此时，基于脆弱水印的精确认证无法实现图像认证，这促使研究人员提出能够进行选择认证的半脆弱水印。目前大多数图像数字水印研究都集中在版权保护水印上，而对图像认证水印的研究相较少，针对这种情况，论文中提出了一种能经受JPEG压缩的半脆弱水印算法。该方法将两个水印位嵌入到图像每个8*8块的高频DCT(Discrete Cosine Transform,离散余弦变换)系数中，水印信号和嵌入的位置由DCT系数样本和密钥决定。这种水印可以从严重的JPEG压缩中保存下来，但对低通滤波和噪声等极为敏感，可用于图像的选择认证〔8〕。

3.2 实现认证功能的总体设计
所谓认证水印就是在保证数字媒体信息一定视(或听)觉质量的前提下，将与媒体内容相关或不相关的标志信息作为水印直接嵌入媒体内容中，当媒体内容需要认证时，可将水印提出鉴定其是否真实完整。认证水印除了具有数字水印的一般特征，如不可见、稳健性、安全性外，水印本身对篡改必须具有一定的敏感性和脆弱性。因此，同样在数字媒体中嵌入信息，认证水印与鲁棒水印的不同之处在于当信息内容发生改变时，认证水印信息会发生一定程度的改变。要实现对于图像的认证功能，在水印嵌入和检测上就有一些要求了。本身嵌入的水印就不能对要保护的图像在感官上有太大的改变，这就要求嵌入的水印要在较低的有效位上，嵌入的水印不能是显式的。提取出水印后，我们要把水印和嵌入的水印进行比较，以确定水印是否被篡改，最终才能认证图像。