基于本福德定律提高半脆弱水印图像篡改位置检测率的研究

Semi-fragile watermarking has become increasingly important as it can be used to verify the facticity and integrity of images, while tolerating some non-malicious manipulations. At present, the majority of semi-fragile schemes emphasis on improving watermarks embedding and detection algorithms, in order to improve the detection rate of localizing tampered areas. However, these algorithms have only applied a predetermined threshold, and it neglected the unpredictable non-malicious manipulations, which affect the false and miss detection rates. In our previous work, we utilized the Benford's Law to estimate the unknown Quality Factor (QF) of the watermarked images, and then according the estimated QF, appropriate thresholds could be adapted. Hence, we propose a hypothesis that the false and miss detection rates could be reduced if applying adaptive threshold by estimating the unknown non-malicious manipulations. In this project, we utilized the Benford's Law to analyses different non-malicious manipulations in different semi-fragile watermarking algorithms, to build an adaptive threshold database. The semi-fragile authentication systems could then select the most suitable threshold from this database according to the estimated non-malicious manipulations. The advantage of this research project is that could be plugged-in to the current semi-fragile watermarking systems without modifying its algorithms, as well as improving the detection rate. And the enhancing of authentication systems that is of some significance to semi-fragile watermarking research field.

半脆弱水印，因其能容忍图像经受非恶意操作的特点，在用于检测图像的真实性和完整性上有日趋重要的作用。目前多数半脆弱水印算法的研究主要侧重在改善水印嵌入及提取算法上以提高图像篡改位置检测率。但其仅使用了一个固定阈值,忽略了图像遭受非恶意操作的不定性，结果将影响图像检测的误检率和漏检率。我们前期工作发现应用本福德定律预先估测图像的压缩比率，并依此选择合适的检测阈值能有效提高检测率。据此提出假设图像检测系统能预先检测出图像经受的多种非恶意操作程度，并据此调节检测阈值，就能最大限度降低误检率和漏检率。本项目将利用本福德定律，通过实验得出不同半脆弱水印算法中，经受不同非恶意操作图像的最佳检测阈值，建立图像检测阈值库，然后据此设计自适应阈值算法用于检测图像。本项目的研究成果可用于大部分半脆弱水印算法，且能在不改变原有算法的基础上，有效提高图像篡改位置检测率，这对半脆弱水印图像认证系统的完善有重要的意义。

半脆弱水印，因其能容忍图像经受非恶意操作的特点，在用于检测图像的真实性和完整性上有日趋重要的作用。目前多数半脆弱水印算法的研究主要侧重在改善水印嵌入及提取算法上以提高图像篡改位置检测率。但其仅使用了一个固定阈值,忽略了图像遭受非恶意操作的不定性，结果将影响图像检测的误检率和漏检率。我们前期工作发现应用本福德定律预先估测图像的压缩比率，并依此选择合适的检测阈值能有效提高检测率。据此提出假设图像检测系统能预先检测出图像经受的多种非恶意操作程度，并据此调节检测阈值，就能最大限度降低误检率和漏检率。本项目利用本福德定律，通过实验得出不同半脆弱水印算法中，经受不同非恶意操作图像的最佳检测阈值，建立图像检测阈值库，然后据此设计自适应阈值算法用于检测图像。本项目的研究成果可用于大部分半脆弱水印算法，且能在不改变原有算法的基础上，有效提高图像篡改位置检测率，这对半脆弱水印图像认证系统的完善有重要的意义。通过实验Slant Transform (SLT) 图像变换的半脆弱水印认证的算法，在常用512*512像素的测试图像中，通过SLT变换方法加入水印后，进行了恶意图像篡改（64*64像素），以及非恶意图像操作（随机QF=50~95之间图像压缩和随机加入微量图像噪点），系统利用以本福德定律为基础的阈值库，找到最佳阈值并进行认证。结果显示，与使用固定阈值检测相比，使用本发明方法找到的最佳阀值在新的图像篡改位置认证中平均检测率提高了8 .51%。我们通过广义本福德定律也对Wavelet-based Contourlet Transform (WBCT) 图像变换的半脆弱水印认证的算法进行了改进。 我们利用了本福德定律的特性来分析JPEG2000图像中的系数，发现广义本福德定律会随着JPEG2000的不同压缩而变化，我们因此利用此特征来提高小波CONTOURLET图像频率域变换下的水印算法，提升下的水印算法会通过提前预测检测图像的压缩比率来给出相应的检测阈值，这样能更好的衡量水印漏检率和误检率的关系，进而提高了正确水印的检测率，也因此提高了图像是否篡改的及锁定篡改位置的认证率。