基于图像特征的图像哈希算法及实现

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随着全球互联网和多媒体技术的快速发展,数字图像应用已变得极其广泛。当今多媒体通信不再受时间、空间和地域限制,任何人在任何时间、地点都可以轻松地获取自己所需的信息。然而,正是由于网络的这种开放性,使恶意使用者有了可趁之机,越来越多的盗版图像、视频、音频文件发布在网络上,这不仅危害了版权所有人的合法权益,同时也引发了人们对网络信息可靠性的担忧。因此,需要通过技术手段来确保网络信息的真实性和可信性。在目前保护信息安全的手段主要有两种:除了数字水印以外,另一种是数字哈希。与前者不同,图像哈希只依赖于图像内容本身,而不需要任何嵌入,优势是能够节省大量存储空间。怎样才能提取有效的哈希呢?这是我们当前所面临的主要任务之一。除此之外,哈希鲁棒性也是我们需要考虑的另一个方面。在通信过程中,往往会经历不改变图像内容的操作,例如JPEG压缩,加噪等。因此,在图像认证中,只要图像内容没有显著变化,我们就认为图像合法。如果算法鲁棒性太低,会对常规操作过于敏感,混淆恶意操作;如果算法敏感性较低,就对恶意操作视而不见。因此,我们要解决好鲁棒性与安全性之间的矛盾。在本文中,我们提出了一种新的哈希提取方案,主要依赖图像Harris稳健角点和图像频谱来构造,故兼有两者的优势。由角点提取的哈希部分对较大的几何操作具有很强的鲁棒性。但是,对于高斯噪声、滤波等不改变图像内容的常规操作,鲁棒性并不理想。当遭遇相对较大的几何操作时,提取的这部分哈希分量变化不明显。这部分提取的主要步骤是:首先选取稳健Harris角点,对角点周围信息进行奇异值分解,然后编码生成哈希分量。一般来说,图像内容发生变化,哈希分量也会随之变化。与此同时,另一部分的哈希分量由图像的傅立叶频谱提取。它对JPEG压缩、滤波等操作鲁棒性好,但是不能抵抗大尺度的几何操作。从物理意义上讲,图像幅度谱决定图像各频率成分的数量,而相位谱每一频率分量在图像中的位置,只要每一频率分量保存在正确位置,图像就会被完整保存下来。当我们改变相位信息时,图像就会变得杂乱无章。一般来说,图像的相位信息对外界干扰具有很强的敏感性,由它所得哈希部分正好可以弥补角点的缺陷,即角点对几何操作鲁棒性良好,而对JPEG压缩,滤波等操作效果欠佳。而这正好是图像傅里叶频谱所长之处。因此,为了结合两者的优势,将两部分提取的哈希分量有机结合起来,使这种方法得到的哈希在鲁棒性和安全性上有了显著提高。该论文成果主要有以下几点:1)该方法对图像篡改和恶意攻击敏感(即安全性良好),同时对常规操作鲁棒性良好;2)由此方法提取的哈希长短适中,能够节省存储空间。结合Matlab仿真测试数据,我们分别从区分性、安全性和鲁棒性这三个方面来分析这种哈希提取算法在图像认证方面的性能。在这个过程中,我们分别与Min Wu的两种算法和NMF算法做比较。实验结果表明:与先前从图像单一特征提取哈希的算法相比,该方法对JPEG低品质压缩、加噪、亮度变化和滤波等常规操作具有良好的鲁棒性。与此同时,它还能有效地抵御一些尺度较大的几何操作(如较大尺度的旋转、剪切等),同时对图像篡改等恶意攻击敏感。总之,该方法在改善安全性和鲁棒性上有了很大提高。
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