WO2006099788A1 - The method of digital watermark and the corresponding device, and digital camera which can append watermark - Google Patents

The method of digital watermark and the corresponding device, and digital camera which can append watermark Download PDF

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Man Liu
Xianghui Yang
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    • H04N2201/3201—Display, printing, storage or transmission of additional information, e.g. ID code, date and time or title
    • H04N2201/328—Processing of the additional information
    • H04N2201/3281—Encryption; Ciphering

Definitions

  • the present invention relates to a method and apparatus for embedding a watermark into a digital image, and a method and apparatus for verifying a digital image and a digital camera capable of embedding a watermark into a photograph taken, and more particularly to an addition of a watermark that can identify the authenticity of a digital image , verification method and device, and digital camera with watermarking device.
  • Digital cameras have become very popular due to the increasing image quality and the increasingly simplified desktop PC interface. Digital cameras are capable of taking digital images, allowing you to transfer or print them to a color printer over the Internet. Today, digital cameras have become a must-have item in our lives. Today, with the increasing popularity of digital technology, it is not difficult to modify and edit digital photos with various software. This has facilitated the tampering with the information recorded in digital photos, especially for some insurance, contracts, and electronic evidence. Photographs such as notes, their true integrity is particularly important. Therefore, the problem of true integrity authentication of digital photos is brought about. Our solution to this problem is through the photo-fidelity built into the digital camera.
  • Digital watermarking technology can effectively prevent digital images from being forged.
  • Digital watermarking technology has two branches for different purposes: one is a robust watermark, which is used to protect the author's copyright, and is used to provide legal basis in the event of a copyright dispute; one is a fragile watermark (or semi-fragile watermark), It is used to detect whether a multimedia work has been maliciously altered or damaged.
  • a fragile watermark or semi-fragile watermark
  • the literature [2] proposes to use the checksum method to calculate the eigenvalues of an image. This does not guarantee the authenticity of the image as it does with the hash algorithm. Because of the use of the checksum method, it is possible that the image has changed and the calculated value is the same.
  • the patent in [3] divides the image into two regions, calculates the hash value from one region of the image, and then embeds the obtained hash value into another region of the image using the pixel block encoding method, and then uses the region combining unit. Combine the two areas.
  • the biggest drawback of this method is that it cannot locate the area where the image has been tampered with.
  • Document [4] proposes a public key watermarking method for image authentication.
  • This digital image watermarking algorithm utilizes image segmentation to locate tamper-evident regions.
  • This method of segmenting image processing if used on a digital camera, will greatly reduce the speed of the digital camera, so it is used in digital cameras. The practicality is not ideal.
  • the invention provides a method and a device for adding and verifying a watermark in a digital image, and a method for adding and verifying a digital image watermark, and a digital camera with a watermarking device, and a watermarking device
  • Digital cameras photos taken with such digital cameras, can verify their true integrity. When the picture is edited, modified, added or deleted, it can be confirmed that the photo has been changed by verifying the true integrity of the picture, thus realizing the fidelity of the digital photo, making the digital photo possible as electronic evidence.
  • the first invention provides a method of adding a watermark to a digital image.
  • the method has: acquiring data values representing each pixel of the digital image; dividing the data of each pixel in the recorded digital image into bits for calculating image feature values, hiding watermark bits, and positioning the bits of the tamper region, Bit calculation graph for calculating image feature values in digital images
  • the step of characterizing the image; the step of setting the bit of the tampering region to 0 (or set), ie, the step of initializing; encrypting the calculated feature value, and hiding the encrypted image in the digital image using the fragile digital watermarking technique The step of the feature value.
  • the second invention provides a method of verifying the true integrity of a digital image.
  • the method has the steps of: recording, by the bit, the data of each pixel in the digital image as a bit for calculating an image feature value, a bit of the hidden watermark, and a bit for locating the tampering region, and calculating an image by using a bit in the digital image to calculate an image feature value.
  • the step of extracting the hidden watermark information from the bits of the image hiding watermark; the step of decrypting the extracted information; the step of locating the tamper region; and comparing whether the calculated feature value and the decrypted information are equal The steps, if they are equal, and the tampering area of the image is not located, indicating that the image has not been tampered with, otherwise the authenticity of the photo is not guaranteed. At this time, we can also give the tampering area of the image.
  • a third invention provides an apparatus for adding a watermark to a digital image.
  • the device has: means for obtaining a data value representing each pixel of the digital image; for dividing the data of each pixel in the recorded digital image into bits for calculating image feature values, hiding watermark bits and locating tampering a device for locating a region, a device for calculating a feature value of an image by calculating a bit of an image feature value in a digital image; a device for setting a bit of the tamper region to 0 (or set) to initialize the device for locating the tamper region; A device for encrypting feature values, and a device for hiding an encrypted feature value in a digital image using a fragile digital watermark technique.
  • the fourth invention provides an apparatus for verifying the true integrity of a digital image.
  • the device has: means for bit-recording data of each pixel in the recorded digital image as a bit for calculating an image feature value, a bit of a hidden watermark, and a bit for locating the tampering region, and calculating a bit of the image feature value in the digital image Means for calculating a feature value of an image; means for extracting hidden watermark information from the image; means for decrypting the extracted information; means for locating the tamper region; and means for comparing whether the calculated feature value and the decrypted information are equal If they are equal, and the tampering area of the image is not located, the image is true and has not been tampered with. Otherwise, the authenticity of the photo is not guaranteed. At this time, we can also give the tampering area of the image.
  • the digital camera After converting the received analog signal into a digital signal, the digital camera divides the data of each pixel in the recorded digital image into bits for calculating the image feature value, the bit of the hidden watermark, and the bit of the positioning tampering region, and then utilizes An algorithm for calculating eigenvalues such as SHA-1, MD5, CRC16, CRC32, or CRC-CCITT that computes a unique eigenvalue of the bit used to compute the image feature value in the digital signal, and then computes it using private key cryptography
  • the feature value is then embedded into the bit of the digital signal hidden watermark by using the fragile watermarking technique, and then all the bits of the positioning tampering area are set to 0 (or set to 1), and then imaged into a lossless format digital photo.
  • the bit of the tampering area of the positioning image becomes 1 (or becomes 0), the corresponding area has been tampered with.
  • the calculated hash value and the decrypted iceprint information are compared. If they are equal, and the tampering area of the photo is not located, the photo is true, otherwise the photo has been tampered with. At this time, we can locate the image. When the value at the tampering area position becomes 1, the area where the photo has been tampered with is located, thereby completing the authentication of the photo.
  • the digital camera with watermarking device of the present invention includes a watermark adding system in a digital camera and a corresponding photo verification method.
  • a system for adding a watermark in a digital camera includes: means for acquiring a digital signal signal value, a bit dividing means, means for initializing a tampering area, means for calculating a feature value, an encrypting means, and a watermark embedding means.
  • the process of photo verification including reading of digital signals, identifying corresponding bits, obtaining a unique eigenvalue of the digital signal through a corresponding algorithm for calculating eigenvalues, and extracting a hidden watermark from the digital signal using a corresponding fragile digital watermarking technique Information, decrypting the extracted watermark information, locating the tamper region, comparing the calculated feature value, and the decrypted watermark information. If the two are equal, and the tampering region of the photo is not located, the photo is true and has not been tampered with. Otherwise, the true integrity of the photo is not guaranteed. At this time, we can use the corresponding method to locate the area where the photo has been tampered with.
  • the system for adding a watermark in a digital camera of the present invention includes:
  • the analog signal converted into a digital signal.
  • the bit dividing means is configured to bitwise divide the data of each pixel in the recorded digital image into bits for calculating image feature values, bits for hiding the watermark, and bits for locating the tamper region.
  • the encryption device encrypts the calculated feature value with the private key.
  • the watermark embedding device embeds the encrypted feature value into the bit of the digital signal hiding watermark by using a fragile digital watermarking technique.
  • the method of photo verification can be seen as the reverse of the operation performed by the watermark adding device:
  • the first step is to read the digital signal, first recovering the digital signal from the lossless format photo.
  • the second step records the data of each pixel in the digital image by bit as the bit of the image feature value, the bit of the hidden watermark, and the location tampering.
  • the third step uses the corresponding algorithm for calculating the eigenvalues for calculating the data in the bits of the image feature value to obtain a unique eigenvalue of the digital signal.
  • the fourth step is to extract the hidden watermark information from the bits of the digital signal hidden watermark by using the corresponding fragile digital watermarking technique.
  • the fifth step is to decrypt the extracted watermark information by using the public key.
  • the sixth step is to locate the tampering area of the photo and find the area where the value of the tampering area is 1 (or 0).
  • the seventh step is to compare the obtained hash value with the decrypted watermark information. If the two are equal, and the tampering area of the photo is not located,
  • the calculated feature value is matched with the embedded feature value. If the bits of the hidden watermark and the bits of the position of the tampering area are filled with color signals such as black or white, then such data can be entered entirely into the algorithm for calculating the eigenvalues. This ensures correct verification results even after embedding data.
  • the digital camera of the embodiment can also hide information such as the ID of the camera, the date of the shooting, the position measured by the GPS, and the like in the photograph taken. It should be noted that after we obtain the digital signal of the digital camera, we must first embed the information into the digital signal ready to calculate the eigenvalue, and then calculate it. Otherwise it will affect the results of photo verification. ,
  • the present invention employs an appropriate algorithm for calculating eigenvalues, the calculated eigenvalues are unique.
  • the digital signal is input into the algorithm for calculating the eigenvalue, and then its unique eigenvalue is calculated. Finally, the digital photo is saved in a lossless manner during imaging, which ensures that the photo can be correctly detected even if a point is changed. This provides a good guarantee for the correctness of the true integrity certification of digital photos.
  • the present invention divides the information of each pixel in a digital signal into three parts in a bit, and a part is used as a unique feature for generating a digital signal.
  • the present invention successfully hides data information from image visual insensitivity according to human visual characteristics when embedding feature values.
  • the area ensures that the visual difference between the images before and after embedding the watermark is minimal.
  • the security of the algorithm is improved, so that even if the watermark algorithm is disclosed, the others cannot simulate the embedding of the watermark because they do not have the private key embedded in the watermark.
  • the public key allows anyone to verify the true integrity of the photo, making it more versatile.
  • Figure 1 is a diagram of the apparatus within the digital camera of the present invention.
  • FIG. 2 is a flow chart of a method for verifying a photo of the present invention
  • Figure 3 is a photo taken with a digital camera with a watermarking device
  • Figure 4 is the verification result of Figure 3.
  • Figure 5 is a photo of Figure 3 after being tampered with
  • Figure 6 is the verification result of Figure 5 and the falsified area
  • a digital camera with a watermarking device comprising: means for obtaining a digital signal value, the device for reading a digital signal
  • the digital signal is a digital signal converted from an optical signal to an analog signal in the digital camera; a bit dividing device configured to bitwise divide the data of each pixel in the recorded digital image into bits for calculating the image feature value, a bit that hides the watermark and a bit that locates the tamper region; initializes a device that locates the tamper region, the device sets all of the data on the bits of the image tampering region to a fixed value, such as all 0s or all ones, to facilitate verification Positioning the tampered region of the image; means for calculating the feature value, the device for calculating a unique feature value of the input digital signal based on the bit of the image feature value calculated in the digital image; the encrypting device, the device encrypting the calculation using the private key The feature value; the watermark embedding device, which uses the fragile digital watermarking technique to embed the encrypted feature value into the bit of the digital signal hiding watermark.
  • the steps to verify the operation of a digital photo are as follows:
  • the first step is to read the digital signal, first returning the digital signal from the lossless format photo.
  • the second step records the data of each pixel in the digital image as the bit of the image feature value, the bit of the hidden watermark, and the bit of the tampering region.
  • the third step is to calculate the bit data of the image feature value according to the digital image. Run the corresponding method of calculating the eigenvalue to obtain the unique eigenvalue of the digital signal.
  • the fourth step is to extract the hidden watermark information from the bits of the digital signal hidden watermark by using the corresponding fragile digital watermarking technique.
  • the fifth step is to decrypt the extracted watermark information using the public key.
  • the sixth step is to locate the falsified area of the image, and record the position of the value different from the value assigned to the corresponding position in the tampering area to obtain the tampering area of the image.
  • the seventh step is to compare the obtained feature value with the decrypted watermark information. If the two are equal, and the tampering area of the photo is not located, then the photo is true and has not been tampered with, otherwise the photo has been tampered with, and at the same time We can give the area where the photo has been tampered with.
  • the digital signal processed is the YUV data in the 8-4-1 format.
  • YUV is a color coding method
  • YUV data in 8-4-4 format where "8-4-4" refers to the arrangement of YUV data.
  • the actual application is not limited to this.
  • a digital signal of an image such as image data in RGB format
  • the feature value of the image, the rest of the data is used as the calculation of the feature value, and so on.
  • the lowest bit of the Y value to locate the tamper region, and the second lowest bit of the Y value embeds the encrypted feature value, and the rest of the data is used to calculate the feature value of the image.
  • the actual application is not limited to this. Theoretically, as long as the data of the eigenvalues, the data embedded in the cryptographic feature values, and the data of the occlusion tampering area cover all the data bits of all the pixels, and the bits of the tampering area are involved in all the pixels, it is necessary to ensure that Enough space to hide encrypted feature values.
  • the method of dividing data must ensure the quality of the image and cannot cause perceptible changes. For example, we choose to modify the data on the lowest and the second lowest of the Y value, based on this consideration, try not to make the image quality have a significant change.
  • each bit of each pixel is used here is to make a random change of one pixel detectable. But if the user knows that the possible changes are more than one pixel, or if he only wants to detect a change in a region, then the rate of change of pixels and bits can be reduced accordingly. For example, it is not necessary to set each pixel to a bit that locates the tampering region, and a combination of three portions does not need to cover each bit of all pixels.
  • Obtaining a value of a digital signal signal for reading out a digital signal the digital signal being a digital signal converted from an optical image into an analog signal in the digital camera for digitizing data of each pixel in the recorded digital image Divided into a computed image bit division device
  • the unique eigenvalue is calculated.
  • the cryptographic device uses the unique eigenvalue extracted by the private key cryptography to embed the calculated eigenvalue into the digital signal using the fragile digital watermarking technique.
  • Figure 3 is a photograph taken with a digital camera having the apparatus of the present invention, which is a scene of a serious traffic accident, which we use as an example.
  • the digital camera we first convert the optical image into an analog signal using CCD or CMOS, and then the A/D converter converts the obtained analog signal into a digital signal.
  • the received digital signal is a TOV data stream in the 8-4-4 format. Then, we set the LSB bit (least significant bit) of each Y value in the YUV data stream to 0, which is used as the bit to locate the tampering image area. After that, we set all the data in the lower Y position of the YUV data stream to 0.
  • Figure 4 is a verification result of the digital photograph of Figure 3.
  • the YUV data stream of the 2-1-1 format is read from the digital photo in the TIF format, and then the YUV data stream of the 2-1-1 format is converted into the YUV data stream of the 8-4_4 format, after which we put The YUV data stream of the 8-4-4 format is copied into an array.
  • we set the LSB bit and the lower low bit of each Y value data in the array to 0, and then obtain the 160 of the array by the SHA-1 algorithm.
  • the bit hash value expressed in hexadecimal, is "E6C2BD995EDCF316887EFD24EC5492A8C2991C53".
  • Figure 5 is an example of tampering with the photo shown in Figure 3.
  • This kind of change to the electronic version of the photo is very simple and easy to implement, but for taking pictures of this kind of document or taking photos as electronic evidence, its authenticity is an issue we urgently need to know.
  • Fig. 6 is a result of verification of the falsified digital photograph shown in Fig. 5.
  • the YUV data stream of the 2-1-1 format is read from the digital photo in the TIF format, and then the YUV data stream of the 2-1-1 format is converted into the YUV data stream of the 8-1-4 format.
  • the 160-bit hash value expressed in hexadecimal, is "E5442CC3B4281EAAAAFBAD00BECAB7C957226E26".

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Description

数字图像水印的方法及相应装置和可添加水印的数码相机
【技术领域】
本发明涉及向数字图像中嵌入水印的方法和装置 , 以及验证数字图像的方法和装置和一 种可以向所拍照片嵌入水印的数码相机,特别涉及一种可鉴别数字图像真实性的水印的添加、 验证方法和装置及带添加水印装置的数码相机。
【背景技术】
由于逐步提高的图像质量和日益简化的桌面 PC界面， 数码照相机已经变得非常流行。 数码照相机能够拍摄数字化的图像， 从而允许你把它们通过互联网来传送或打印到彩色打印 机上。 时至今日， 数码相机差不多已经成为我们生活中的必备品了。 在数码技术日渐普及 的今天， 利用各种软件对数码照片进行修改、 编辑已非难事， 这给窜改数码照片所记录的信 息带来了便利， 尤其是对于一些想作为电子证据的保险、 合同、 票据等照片， 它们的真实完 整性就显得尤为重要。 因此就引出了数码照片真实完整性认证的问题。 我们解决这个问题的 办法就是通过数码相机内置的照片保真装置来实现的。
数字水印技术可以有效防止数字图像被伪造。 数字水印技术因目的不同有两个分支： 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窜改和损坏。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窜改后， 仍然能够正确的被提 取出来， 兹以证明作者的版权。 而脆弱氷印的主要目的在于证明多媒体作品的真实性。 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各种软件 （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， 对多媒体产品的真实性认证比版权认证更加重要。
与数字水印和数码相机相关的背景技术可参阅以下几篇文献。
[1] GL.Friedman "The trustworthy digital camera restoring credibility to the photographic image" IEEE Trans, Consumer Electron, Vol. 39, PP.905-910, Nov. 1993
[2] S. Walton, Information authentication for a slippery new age[J], Dr. Dobbs Journal, 1995, 20(4): 18-26
[3] 中国专利文献 "向图像嵌入鉴定信息的系统及图像改变检测系统" 申请号： 97121196.9, 申请日： 97.10.27 [4] Wong P W. A public key watermark for image verification and authentication [A]. In: Proc of the IEEE International Conference on Image Processing (ICIP '98) [C], Chicago, Illinois, USA, 1998, 1 :455-459
文献 [1]中 Friedman提出了一种基于数字签名的方法， 用来确认数码相机照片的真实性， 此方法是利用公开密钥体制， 再通过相机中的私有密钥来生成图像的数字签名， 作为另一文 件保存， 与图像一同发行。这样普通用户通过公开密钥， 再结合图像文件及其数字签名文件， 即可验证图像的真实性， 但这种方法具有增加了存储空间、 不便管理数字签名信息、 不能探 测失真情况的缺点。
文献 [2]提出用 checksum (校验和）的方法计算图像的特征值。这样不能象使用哈希算法 那样保证图像的真实性。 因为使用校验和的方法， 有可能图像变了， 计算出的值却一样。
文献 [3]中的专利把图像分成两个区域， 从图像的一个区域计箅散列值， 然后把得到的散 列值利用像素块编码方法嵌入到图像的另一个区域，再用区域组合单元把两个区域合并起来。 这个方法最大的缺点就是不能定位出图像被窜改的区域。
文献 [4]提出了一种用于图像认证的公开密钥水印方法。这种数字图像的水印算法是利用 为图像分块来定位窜改的区域的， 这种分块处理图像的方法如果使用在数码相机上， 将大大 降低数码相机的拍照速度， 因此， 用在数码相机上实用性并不理想。
此外， 现有技术中已有多种成熟的计算图像特征值的算法。 例如 SHA- 1算法， 关于该算 法 的 描 述 和 C 语 言 源 代 码 在 internet rfcs3174 中 有 详 细 的 描 述 (http: //www. faqs. org/rf cs/rfc3174. html ), 这是一份最权威的文档。
【发明内容】
本发明 "数字图像水印的添加、 验证方法和装置及带添加水印装置的数码相机" 的目的 在于： 公开一种在数字图像中添加、 验证水印的方法和装置， 以及一种带添加水印装置的数 码相机， 用这种数码相机拍出的照片， 可以验证其真实完整性。 当图片被编辑、 修改、 增删 后， 可以通过验证图片真实完整性的方法， 得知照片已经被改动过了， 从而实现了数码照片 的保真， 使得数码照片作为电子证据成为可能。
为了达到上述目的， 本发明是这样进行的。
首先， 第一个发明提供了一种在数字图像中添加水印的方法。 该方法具有： 获取表示数 字图像每个象素的数据值； 将记录数字图像中各像素点的数据按位划分为计算图像特征值的 位、 隐藏水印的位和定位窜改区域的位的步骤， 利用数字图像中计算图像特征值的位计算图 像的特征值的步骤； 将定位窜改区域的位全部置 0 (或置 1 )即初始化的步骤； 将计算出的特 征值加密的步骤， 以及利用脆弱数字水印技术在数字图像中隐藏加密后的特征值的步骤。
第二个发明提供了一种验证数字图像真实完整性的方法。 该方法具有： 将记录数字图像 中各像素点的数据按位标识为计算图像特征值的位、 隐藏水印的位和定位窜改区域的位的步 骤， 利用数字图像中计算图像特征值的位计算图像的特征值的步骤； 从图像隐藏水印的位中 提取隐藏的水印信息的步骤； 解密提取出的信息的步骤； 定位窜改区域的步骤； 以及比对计 算出的特征值和解密后的信息是否相等的步骤， 如果相等， 并且也没有定位出图像的窜改区 域， 说明图像是真实没有被窜改过的， 否则说明照片的真实性没有保障， 这个时候， 我们还 可以给出图像的窜改区域。
第三个发明提供了一种在数字图像中添加水印的装置。 该装置具有： 用于得到表示数字 图像每个象素的数据值的装置； 用于将记录数字图像中各像素点的数据按位划分为计算图像 特征值的位、 隐藏水印的位和定位窜改区域的位的装置， 利用数字图像中计算图像特征值的 位计算图像的特征值的装置； 将定位窜改区域的位全部置 0 (或置 1 )的装置即初始化定位窜 改区域的装置； 将计算出的特征值加密的装置， 以及利用脆弱数字水印技术在数字图像中隐 藏加密后的特征值的装置。
第四个发明提供了一种验证数字图像真实完整性的装置。 该装置具有： 用于将记录数字 图像中各像素点的数据按位标识为计算图像特征值的位、 隐藏水印的位和定位窜改区域的位 的装置， 利用数字图像中计算图像特征值的位计算图像的特征值的装置； 从图像中提取隐藏 的水印信息的装置； 解密提取出的信息的装置； 定位窜改区域的装置； 以及比对计算出的特 征值和解密后的信息是否相等的装置， 如果相等， 并且也没有定位出图像的窜改区域， 说明 图像是真实没有被窜改过的， 否则说明照片的真实性没有保障， 这个时候， 我们还可以给出 图像的窜改区域。
我们还设计了一种带添加水印装置的数码相机。 这种数码相机将接收到的模拟信号转换 为数字信号后， 将记录数字图像中各像素点的数据按位划分为计算图像特征值的位、 隐藏水 印的位和定位窜改区域的位， 然后利用某种诸如 SHA-1、 MD5、 CRC16、 CRC32 或 CRC- CCITT 的计算特征值的算法， 计算出这个数字信号中用于计算图像特征值的位的唯一特征值， 然后 利用私钥加密计算出的特征值， 再利用脆弱水印技术将加密后的特征值嵌入到数字信号隐藏 水印的位中， 然后将定位窜改区域的位全部置 0 (或者置 1 ), 再成像成无损格式的数码相片。 当需要验证数码相片的真实完整性时， 我们先从数码照片中还原出数字信号， 将记录数字图 像中各像素点的数据按位标识为计算图像特征值的位、 隐藏氷印的位和定位窜改区域的位， 然后通过相应的计算特征值的算法， 计算出数字信号像素点中用于计算图像特征值的位的唯 . 一特征值， 再根据脆弱水印算法提取出隐藏在数字信号中隐藏水印的位的水印信息， 然后利 用公钥解密提取出的水印信息。 之后检查定位图像窜改区域的位， 如果定位图像窜改区域的 位有的变为了 1 (或者变为了 0), 说明相应的区域被窜改了。 最后比较计算出的哈希值和解 密后的氷印信息， 如果相等， 并且也没有定位出照片的窜改区域， 说明照片是真实的， 否则 说明照片被窜改过了， 这个时候， 我们可以根据定位窜改区域位置上的值变为 1的情况定位 出照片被窜改的区域， 从而完成了照片的认证。
本发明中带添加水印装置的数码相机包括数码相机中添加水印的系统和相应的照片验证 方法。 数码相机中添加水印的系统， 包括： 获取数字信号信号值的装置、 位划分装置、 初始 化定位窜改区域的装置、 计算特征值的装置、 加密装置和水印嵌入装置。 照片验证的过程， 包括数字信号的读取、 识别相应的位、 通过相应的计算特征值的算法， 得到数字信号的唯一 特征值、 从数字信号中利用相应的脆弱数字水印技术提取出隐藏的水印信息、 解密提取出的 水印信息、 定位出窜改区域、 比较计算出的特征值和解密后的水印信息， 如果二者相等， 并 且也没有定位出照片的窜改区域， 说明照片是真实没有被窜改过的， 否则照片的真实完整性 没有保障， 这个时候， 我们可以利用相应的方法定位出照片窜改的区域。 现详细说明如下： 本发明中数码相机内添加水印的系统， 包括：
获取数字信号信号值的装置， 用于读取出数字信号的值， 此数字信号是由光学图像反 应到数码相机
内的模拟信号转换成的数字信号。
位划分装置， 用于将记录数字图像中各像素点的数据按位划分为计算图像特征值的位、 隐藏水印的位和定位窜改区域的位。
初始化定位窜改区域的装置， 用于将定位窜改区域的位全部置 0或置 1。
计算特征值的装置,用于利用数字图像中计算图像特征值的位将输入的数字信号的唯一 特征值计算出来。
加密装置， 利用私钥加密计算出的特征值。
水印嵌入装置， 利用脆弱的数字水印技术将加密后的特征值嵌入到数字信号隐藏水印 的位中。
照片验证的方法， 可以看成与水印添加装置所进行的操作相反的步骤：
第一步为数字信号的读取， 先从无损格式的照片中还原出数字信号。 第二步将记录数字图像中各像素点的数据按位标识为计算图像特征值的位、 隐藏水印的 位和定位窜改
区域的位。
第三步对计算图像特征值的位中的数据运用相应的计算特征值的算法， 得到数字信号的 唯一特征值。
第四步为从数字信号隐藏水印的位中利用相应的脆弱数字水印技术提取出隐藏的水印信 息。
第五步为利用公钥解密提取出的水印信息。
第六步为定位照片的窜改区域， 找出定位窜改区域位置上值为 1 (或 0) 的区域。
第七步为比较得到的哈希值和解密后的水印信息， 如果二者相等， 并且也没有定位出照 片的窜改区域，
说明照片是真实没有被窜改过的， 否则说明照片被窜改了， 这个时候， 我们可以给出照片窜 改的区域。
注意，在计算数字信号的特征值时，我们只使用计算图像特征值的位中的数据参与运算。 这是为了保
证计算的特征值与嵌入的特征值之间是匹配的。 如果隐藏水印的位和定位窜改区域的位上的 数据都用诸如黑色或白色等颜色信号填充的话， 那么这样的数据就可以整个地输入计算特征 值的算法。 这样， 即使嵌入数据之后也能保证正确的验证结果。
另外， 本实施例所述的数码相机， 还可以在拍出的照片中隐藏诸如相机的 ID， 拍摄的日 期， 及由 GPS测量的位置等等信息。 需要说明的是， 我们获取到数码相机的数字信号后， 首 先要向准备计算特征值的数字信号中嵌入这些信息， 然后再进行计算才可。 否则将影响照片 验证的结果。 ，
而且， 为了对付通过打开相机而非法访问保存在数码相机内部的信息， 我们可以使用蜂 窝式电话中使用的诸如防篡改模块。如果进行这种非法访问， 则认为密钥 SK被盗， 并对于由 密钥 SK加密的图像数据，一概认为照片的真实完整性无法保证。这就防止了由第三者非法行 为引起的损坏。
我们在验证照片的时候，还可以在 Internet上建立认证中心，任何人都可以在这里验证 图片的真实完整性， 公证验证的结果。
此外， 虽然上述实施例是对于数码相机说明的， 但本发明不限于此， 而是可以适用于诸 如数字视频等数字系统。
本发明 "数字图像水印的添加、 验证方法和装置及带添加水印装置的数码相机" 的优点 如下：
1. 由于本发明采用了适当的计算特征值的算法， 便得计算出的特征值具有唯一性。
我们把得到
的数字信号输入计算特征值的算法， 然后计算出它的唯一的特征值， 最后成像时又以无损的 形式保存数码照片， 这都保证了照片即使一个点的改动都能够正确地检测出来。 这为数码照 片真实完整性认证的正确性提供了很好的保证。
2. 由于本发明的系统内置于数码相机，故使用起来非常方便，并且在照片成像前已 经加上了水
印信息， 从最开始就保证了数码照片的真实性。
3. 本发明把数字信号中各像素点的信息按位分为三部分，一部分用做生成数字信号 的唯一特征
值， 一部分用来隐藏水印信息， 一部分用来定位窜改图像的区域， 这就解决了水印的嵌入会 改变数字信号， 从而改变计算出的特征值的问题。当图像被改动后， 它还原出的数字信号中， 要么是计算出的特征值变化了， 要么是隐藏的水印信息变化了， 要么是定位窜改图像的区域 变化了。 我们比较计算出的特征值和提取出的水印信息， 如果它们相同， 并且定位窜改图像 的区域也没有变化， 那么说明图像是真实没有被窜改的， 反之就说明图像被改动过了， 同时 我们还能给出图像窜改的区域。
4. 本发明在嵌入特征值时， 根据人类的视觉特性， 成功的将数据信息隐藏在图像视 觉不敏感
的区域， 保证嵌入水印前后的图像视觉差别最小。
5. 利用公开密钥算法， 提高了算法的安全性， 使得即使水印算法公开的话， 旁人也 无法模拟水印的嵌入， 因为他们没有嵌入水印的私钥。 而公钥又使得任何人都可以验证照片 的真实完整性， 使得更符合实际的应用。
6. 我们知道， 数码相机的微处理器速度十分慢， 和 PC上的 CPU的处理速度无法相 提并论。 我们没有使用分块的方法处理图像， 使得处理速度大大提高， 从而使得应用在数码 相机中成为可能。 【附图说明】
图 1是本发明数码相机内的装置图 .
图 2是本发明验证照片的方法的流程图
图 3是用带添加水印装置的数码相机拍出的照片
图 4是图 3的验证结果
图 5是图 3被窜改后的照片
图 6是图 5的验证结果及定位出的窜改区域
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明作进一步的详细描述， 并请参阅附图。 图 1中数码相机内的装置 可以分为 6个部分。 图 2验证照片的操作可以分成 7个步骤。
带添加水印装置的数码相机， 包括： 获取数字信号信号值的装置， 这个装置用于读取 出数字信号的
值，此数字信号是由光学图像反应到数码相机内的模拟信号转换成的数字信号；位划分装置， 用于将记录数字图像中各像素点的数据按位划分为计算图像特征值的位、 隐藏水印的位和定 位窜改区域的位； 初始化定位窜改区域的装置， 这个装置将定位图像窜改区域的位上的数据 全部置成某个固定值， 诸如全 0或全 1， 以便于在验证时定位出图像的被窜改区域； 计算特 征值的装置， 这个装置用于根据数字图像中计算图像特征值的位将输入的数字信号的唯一特 征值计算出来； 加密装置， 这个装置利用私钥加密计算出的特征值； 水印嵌入装置， 这个装 .置利用脆弱数字水印技术将加密后的特征值嵌入到数字信号隐藏水印的位中。
验证数码照片的操作的步骤如下： 第一步为数字信号的读取， 先从无损格式的照片中还 原出数字信号。 第二步将记录数字图像中各像素点的数据按位标识为计算图像特征值的位、 隐藏水印的位和定位窜改区域的位； 第三步根据数字图像中计算图像特征值的位的数据运行 相应的计算特征值的箅法， 得到数字信号的唯一特征值。 第四步为从数字信号隐藏水印的位 中利用相应的脆弱数字水印技术提取出隐藏的水印信息。 第五步为利用公钥解密提取出的水 印信息。 第六步为定位图像的被窜改区域， 记录下和原来在定位窜改区域相应位上赋的值不 同的值的位置， 得到图像被窜改的区域。 第七步为比较得到的特征值和解密后的水印信息， 如果二者相等， 并且也没有定位出照片的窜改区域， 那么说明照片是真实没有被窜改过的， 否则说明照片被窜改了， 同时我们可以给出照片被窜改过的区域。
具体装置和流程， 参见附表 1和附表 2。 值得一提的是， 我们在所举的例子中， 处理的数字信号是 8— 4—4格式的 YUV数据。 YUV 是一种颜色编码方法， 8— 4— 4格式的 YUV数据， 其中 "8— 4— 4 "指的是 YUV数据的排 列方式。 当然实际应用中并非仅限于此， 一般来说， 只要是图像的数字信号即可， 比如 RGB 格式的图像数据， 我们可以使用 B分量的最低位定位图像的窜改区域， 把 G分量的最低位隐 藏图像的特征值， 其余的数据用作特征值的计算等等。 另外， 在此具体实施例中， 我们使用 Y值的最低位定位窜改区域， Y值的次低位嵌入加密的特征值，其余的数据全部用来计算图像 的特征值。 实际应用中也并非局限于此。 理论上讲， 只要计算特征值的数据、 嵌入加密特征 值的数据和定位窜改区域的数据覆盖了全部像素的所有数据位， 并且定位窜改区域的位要涉 及到全部像素即可， 并且要保证有足够的空间隐藏加密的特征值。 比如， 我们使用 Y值的最 低位嵌入加密的特征值， 使用 Y值的次低位定位窜改的图像区域或者组合某几位去隐藏加密 的特征值等等。 又或者， 我们可以使用 U值的最低位嵌入加密的特征值， 使用 V值的最低位 定位窜改的图像区域， 其余的数据去计算特征值。 再举一个例子， 我们还可以使用一部分 Y 值的最低位嵌入加密的特征值， 另一部分 Y值的最低位定位窜改的图像区域， 其余的数据去 计算特征值。 当然， 我们更可以只使用一部分象素数据去隐藏加密的特征值和定位窜改的图 像区域。 比如， 我们可以使用一部分象素的次低位嵌入加密的特征值， 最低位定位图像的窜 改区域， 这部分象素的其他位和另一部分象素的所有位的数据都用来计算特征值等等。 划分 数据的方法有很多， 但是特别注意的是， 划分数据的方法一定要保证图像的质量， 不能造成 可感知的改变。 比如我们选取在 Y值的最低位和次低位上修改数据， 都是基于这个考虑， 尽 量的不要使图像质量有较明显的变化。
这里之所以利用了每个像素的每个位， 是为了让随意一个像素的变化都能检测出来。 但 如果用户知道可能的改动都不止一个像素， 或者他只想检测出一个区域的变化， 那么就可以 相应地减少像素和位数的改变率。 比如就不需要将每个像素都设置定位窜改区域的位， 也不 需要三个部分的组合覆盖所有像素的每个位。
数码相机内添加水印的系统
装置 作甩 .
获取数字信号信号值的 用于读取出数字信号的值，此数字信号是由光学图像反 应到数码相机内的模拟信号转换成的数字信号 用于将记录数字图像中各像素点的数据按位划分为计算图像 位划分装置
特征值的位、 隐藏水印的位和定位窜改区域的位 初始化定位窜改区域的
用于将定位窜改区域的位全部置 0或置 1 用于根据计算图像特征值的位中的数据将输入的数字信号的 计算特征值的装置
唯一特征值计算出来 加密装置 利用私钥加密计箅出的唯一特征值 利用脆弱的数字水印技术将计算出的特征值嵌入到数字信号 水印嵌入装置
隐藏水印的位中
验证数码照片的方法的步骤
Figure imgf000012_0001
图 3是用具有本发明的装置的数码相机拍出的照片，这拍的是一起恶性交通事故的现场, 我们用它来作例子。拍照时， 在数码相机内部， 我们先利用 CCD或 CMOS将光学图像转换成模 拟信号， 然后由 A/D转换器把得到的模拟信号转换为数字信号。 我们这个实施例中， 接收到 的数字信号是 8—4—4格式的 TOV数据流。然后，我们把 YUV数据流中每个 Y值的 LSB位（最 低有效位） 都置 0， 用做定位窜改图像区域的位。 之后， 我们把 YUV数据流中 Y值次低位上 的数据也全部置 0。 需要说明的是， 就象前面已经提到的， 我们划分数据的方法并非一种； 并且初始值也不一定是 0， 1也可以。然后， 我们通过 SHA- 1算法， 计算出此时 YUV数据流的 160位哈希值， 以 16进制表示， 为 " E6C2BD995EDCF316887EFD24EC5492A8C2991C53"。 然后 我们利用私钥加密这 160位哈希值， 之后我们将加密后的哈希值顺序且重复的嵌入每个 Y值 的次低位内， 如果当前要嵌入的哈希值中的位为 " 1 "， 那么我们就把当前要嵌入的 Y值的次 低位置 1 ; 如果当前要嵌入的哈希值中的位为 "0"， 那么我们就不进行任何操作， 直至最后 一个 Y值。 这样， YUV数据流已经经过了水印添加装置的处理。 最后， 我们通过照片成像装 置， 把 8— 4一 4的 YUV数据流转换成 2—1— 1的 YUV数据流， 然后保存成 TIF格式的数字图 像。
图 4是图 3的数码照片的验证结果。验证的时候， 从 TIF格式的数码照片中读出 2— 1一 1格式的 YUV数据流，然后把 2— 1一 1格式的 YUV数据流转换成 8— 4_4格式的 YUV数据流， 之后我们把 8—4— 4格式的 YUV数据流拷贝到一个数组中， 然后我们把这个数组中每个表示 Y值数据的 LSB位和次低位都置 0， 然后通过 SHA-1算法， 得到这个数组的 160位哈希值， 以 16进制表示， 为 "E6C2BD995EDCF316887EFD24EC5492A8C2991C53 " 。 然后我们读取 8— 4—4 格式的 YUV数据流中每个 Y值的次低位的值， 组成一个序列， 此序列再用公钥解密， 得到解 密后的哈希值， 用 16进制表示， 为" E6C2BD995EDCF316887EFD24EC5492A8C2991C53"。然后， 我们再査看 YUV数据流中每个 Y值的 LSB的值， 发现这些值全为 0。 我们可以看出， 计算出 的 YUV数据流的 160位哈希值和解密后的水印信息是相同的， 并且定位窜改区域也没有找到 图像有改动的区域， 这说明照片是没有被窜改过的， 这时候返回的验证对话框提示我们 "图 像完整无损！ "
图 5是一个窜改图 3所示的照片的实例。 在实例中， 我们把图 3所示的照片中的车牌号 码由 "沪 D 00000"改为 "沪 D 10000" 。 这种对于电子版照片的改动是非常简便易行、 容易 实现的， 但是对于拍照这种文件或者拍的照片想作为电子证据， 瑯么它的真实性是我们迫切 需要知道的问题。
图 6是图 5所示的窜改后的数码照片的验证结果。 验证的时候， 从 TIF格式的数码照片 中读出 2—1— 1格式的 YUV数据流， 然后把 2—1一 1格式的 YUV数据流转换成 8—4一 4格式 的 YUV数据流， 之后我们把 8— 4— 4格式的 YUV数据流拷贝到一个数组中， 然后我们把这个 数组中每个表示 Y值数据的 LSB位和次低位都置 0， 然后通过 SHA-1算法， 得到这个数组的 160位哈希值， 以 16进制表示， 为 "E5442CC3B4281EAAAAFBAD00BECAB7C957226E26"。 然后 我们读取 8—4— 4格式的 YUV数据流中每个 Y值的次低位的值， 组成一个序列， 此序列是没 有规律的值。 我们无需再用公钥解密， 就可以知道， 计算出的 YUV数据流的 160位哈希值和 水印信息不可能相同， 这样照片的真实完整性就没有保证， 这时候返回的验证对话框提示我 们 "图像已被窜改！"， 这个时候， 由于数据值已改变， 所以通过连接数据值已改变的点， 就 可以得到图像的窜改区域， 如图中黑框所示。
至此， 本发明中已经描述了数字图像水印的添加、 验证方法和装置及带添加水印装置的 数码相机。 对本领域普通技术人员来说， 在不脱离本发明所附权利要求所限定的精神和范围 的情况下， 可以作出各种改变和变形。

Claims

权 利 要 求
1. 一种在数字图像中添加水印的方法， 其特征在于： 方法包括以下步骤：
获取图像数据， 得到表示数字图像每个象素的数据的数据值； '
划分数据位， 根据使用目的的不同对数据位进行划分；
数字图像特征值的计算， 利用特征值计算算法计算数字图像的唯一特征值；
将定位窜改区域的位全部置 0 (或置 1 );
加密计箅出的特征值；
利用脆弱数字水印技术在数字图像中隐藏加密后的特征值。 .
2. 如权利要求 1所述的方法，其特征在于：所述的划分数据位的步骤将记录数字图像中各像素点的 数据按位划分为计算图像特征值的位、 隐藏水印的位和定位窜改区域的位。
3. 一种数字图像真实完整性的验证方法， 其特征在于：
通过相应的计算特征值的算法， 得到无损格式数字图像的唯一特征值；
再从数字图像中利用相应的脆弱数字水印技术提取出隐藏的水印信息， 之后将提取出的水印信息解 密；
然后定位图像的窜改区域；
最后比较计算出的特征值和解密后的水印信息， 如果二者相等， 并且也没有定位出图像的窜改区域， 那么说明图像是真实没有被窜改过的， 否则图像的真实完整性没有保障， 这个时候， 我们可以定位出图像 的窜改区域。
4. 如权利要求 3所述的方法， 其特征在于： 所述得到无损格式数字图像的唯一特征值的步骤包括： 第一步将记录数字图像中各像素点的数据按位进行划分；
第二步利用数字图像中计算图像特征值的位计算图像的特征值。
5. 如权利要求 4所述的方法， 其特征在于： 所述划分步骤中， 将记录数字图像中各象素点的数据按 位划分为计算图像特征值的位、 隐藏氷印的位和定位窜改区域的位。
6. 如权利要求 3所述的方法， 其特征在于： 所述对所提取的水印信息解密的步骤包括：
第一步， 从数字图像隐藏水印的位提取隐藏的水印信息；
第二步， 根据所提取的隐藏的水印信息对所提取的水印信息进行解密。
.
7. 一种在数字图像中添加水印的装置， 包括： 获取数据的装置， 用于得到表示数字图像每个象素的数据的数据值；
位划分装置， 用于将记录数字图像中各像素点的数据按位进行划分；
特征值产生装置， 用来计算数字图像的特征值；
初始化定位窜改区域的装置， 用来设置定位窜改区域的值；
加密装置， 用来加密计算出的特征值；
隐藏装置， 利用脆弱数字水印技术在数字图像中隐藏加密后的特征值。
8. 如权利要求 7所述的装置，其特征在于所述的位划分装置可以将记录数字图像中各象素点的数据 按位划分为计算图像特征值的位、 隐藏水印的位和定位窜改区域的位。
9. 一种数字图像真实完整性的验证装置， 包括：
位划分装置， 用于将记录数字图像中各像素点的数据按位进行划分；
特征值产生装置， 用于计算数字图像的特征值；
' 提取水印装置， 用于从图像中提取隐藏的水印信息；
解密装置， 用于解密提取出的信息；
定位窜改区域的装置， 用于给出图像窜改的区域；
比对装置， 比对计算出的特征值和解密后的信息是否相等， 如果相等， 并且也没有定位出图像的窜 改区域， 说明图像是真实没有被窜改过的， 否则说明图像的真实性没有保障， 这个时候， 我们还可以给出 图像的窜改区域。
10. 如权利要求 9所述的装置， 其特征在于所述的位划分装置可以将记录数字图像中各象素点的 数据按位划分为计算图像特征值的位、 隐藏水印的位和定位窜改区域的位。
11. 一种带添加水印装置的数码相机包括- 获取数字信号信号值的装置， 用于读取出数字信号的值；
位划分装置， 用于将记录数字图像中各像素点的数据按位划分；
初始化定位窜改区域的装置， 用于设置定位窜改区域的值的装置；
计算特征值的装置， 用于计算出数字信号的唯一特征值；
加密装置， 用于加密计算出的特征值；
水印嵌入装置， 根据计算出的特征值向数字信号中嵌入脆弱水印信息。
12. 如权利耍求 11所述的数码相机， 其特征在于所述的获取数字信号信号值的装置中的 "数字 信号"是由光学图像反映到数码相机内的模拟信号转换成的数字信号。
13. 如权利耍求 11所述的数码相机， 其特征在于所述的位划分装置可以将记录数字图像中各像 素点的数据按位划分为计算图像特征值的位、 隐藏水印的位和定位窜改区域的位。
14. 如权利要求 11所述的数码相机， 其特征在于所述的水印嵌入装置利用脆弱的数字水印技术 将加密后的特征值嵌入到数字信号中。
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