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四川大学硕士学位论文 d c t 域上基于h v s 的盲水印添加方法 概率论与数理统计专业 研究生韩强导师马洪 俑晏： 本文首先对一种常见的混沌系统t e n t m a p 帐篷映射做了简要介绍，说明了 t e n t m a p 映射所具有的类似高斯白噪声的良好性质，说明了t e n t - m a p 帐篷映射 所生成的序列具有良好的伪随机性。 其次，本文对人类视觉特性( h v s ) 做了较为详细的介绍，阐述了人类视 觉的纹理，频率及照度掩蔽，以及这些掩蔽在数字水印技术中的应用， 再次，本文简要介绍了离散余弦变换。 在所有以上介绍的基础上，本文提出了离散余弦( d c t ) 变换域上基于人 类视觉特性( h v s ) 的两种盲水印添加方法。添加水印的过程中，本文利用 t e n t m a p 帐篷映射来生成伪随机序列，并利用伪随机序列对所要添加的水印进 行置乱和加密，在对原始图像进行离散余弦变换的基础上，对水印进行了添加， 并根据人类视觉特性( h v s ) 对嵌入的水印强度进行了调整，使水印的嵌入强 度在不引起视觉警觉的基础上得到显著提高，增强了水印的稳健性及不可见行。 实验证明这两种方法都取得了良好的效果。 关键词： 盲水印混沌序列离散余弦变换人类视觉特性稳健性 四川大学硕士学位论史 b l i n dw a t e r m a r k a l g o r i t h m s b a s e do nh v si nd c t d o m a i n m a j o r ：p r o b a b i l i t ya n ds t a t i s t i c s g r a d u a t eh a nq i a n g a d v i s o rm ah o n g a b s t r a c t ： i nt h isp a p e rw ei n t r o d u c eaw e l l k n o w nc h a o t i cs y s t e m “t e n t m a p ” s h o w i n gt h a t “t e n t m a p 。c a ng e n e r a t es e r i e sh a v i n gc h a r a c t e ra sg a u s s w h i t en o i s es e t i e s a f t e rt h a tw er e c o m m e n ds o m er e s u l t so fh u m a nv i s u a ls y s t e ma n ds h o w t h eu s eo f t h e mi nd i g i t a lw a t e r m a r kt e c h n o l o g y t h e nw ei n t r o d u c et h ef o r m u l a so fd c tt r a n s f o r m b yv i r t u eo fa b o v er e s u l t s ，t w ob l i n dw a t e r m a r ka 1 9 0 r i t h r n sb a s e do n h v si nd c td o m a i na r ep r o p o s e di nt h i sp a p e r i nt h e s ea l g o r i t h m s ，c h a o t i c s y s t e m “t e n tm a p i su s e dt og e n e r a t et w oc h a o t i cs e q u e n c ea sak e yo f e m b e d d i n g a 1 1w o r k sa r ed o n ei nd c td o m a i n f o rt h eh i g h e rr o b u s t n e s s ， w eu s et h et h e o r yo fh v st od e c i d et h ee m b e d d i n gs t r e n g t hu n d e r1 0 w d is t o r t i o n t w ob l i n dw a t e r m a r ka l g o r i t h m sa r et e s t i f i e db o t hs h o wg o o d p e r f o r m a n c e t h er o b u s t n e s sa n din v isibilit yo fw a t e r m a r ka r ei m p r o v e d o b v i o u s l y k e y w o r d s ：b l i n dw a t e r m a r k ，c h a o t i cs e q u e n c e ，d c t ，h v s ，r o b u s t n e s s 四川大学硕士学位论文 1 引言 随着计算机网络和通信技术的飞速发展，数字媒体( 包括数字图象，数字 视频，数字音频) 已得到了广泛的应用，但由于数字媒体容易被复制与篡改， 因此数字媒体的信息安全，知识产权保护和认证等问题也变的日益为人们所重 视，数字水印作为一种新的有效的加密手段，近几年得到了广泛的关注。 数字水印( d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ) 技术是解决数字媒体版权保护问题的有效 补充办法，依据所嵌入的媒体不同，数字水印可分为图像水印、音频水印、视 频水印、文本水印和网络水印。与传统加密系统不同的是，数字水印技术应用 的主要目的并不是限制对媒体的访问，而是确保媒体中水印不被改变或消除， 为媒体提供必要的证明信息。 本文主要针对数字图象水印。对于数字图象水印，从图像处理的角度看， 嵌入水印可以视为在强背景( 原始图像) 下迭加一个弱信号( 水印) 。由于人类的视 觉系统( h u m a nv i s u a ls y s t e m s ) 分辨率受到一定的限制，只要迭加信号 的幅度低于h v s 的对比度门限，人类视觉系统就无法感觉到信号的存在，从而 可以做到对水印的添加。 数字图像水印目前研究的主要问题是：如何在不引起视觉感觉显著变化的 基础上尽量提高水印的嵌入强度和抗攻击能力。 目前采用的主要方法有： 1 ) 利用人类视觉特性提高水印的嵌入强度，例如s w a n s o n 等人在d c t 域 和d w t 域算法中应用了视觉系统的频率掩蔽特性 1 4 】。 2 ) 采用在频域上嵌入水印的方法，使水印能量分布在整个图像上，提高水 印的抗攻击能力和不可见性。目前频域嵌入方法主要集中在d c t 域及d w t 域 上，例如文献 1 4 。 3 ) 利用伪随机水印嵌入以提高水印的稳健性，并起到加密的作用，例如 c o x 等人曾提出，嵌入g a u s s i a n 随机序列产生的水印具有更好的稳健性1 1 5 】。 此外盲水印由于其检测不需要原始图像，更具保密性及广泛性因而也成为 四j i l 大学硕士学位论文 研究的主流。 在本文中我们提出了离散余弦( d c t ) 变换域上基于人类视觉特性( h v s ) 的两种盲水印添加方法。 2 混沌系统简述及t e n t m a p 映射 2 1 混沌系统简述 混沌( c h a o s ) 是一种貌似无规则的运动，指在确定性系统中的出现的类似 随机的过程。这里的确定性系统指动力系统，它们通常由常微分方程，偏微分 方程，差分方程，甚至一些简单的迭代方程所描述，而且方程系数都是确定的。 混沌研究早期的例子是1 9 6 3 年，气象学家e l o r e n z 提出的简化大气对流运 动方程： z2 。o x - f a y y7 一zz4 - r z y z z y 一 日z 由它明确地得到了由确定性方程产生的随机性结果，即混沌序列。后来，这 组曲线被科学家们作为表示“混沌”的经典图形而引用。 1 9 7 2 年，约克偶然发现了e l o r e n z 的研究结果，从而有意识地开展了这 方面的研究工作。1 9 7 5 年，约克和他的学生李天岩发表了周期3 意味着混沌 一文，从此，“混沌”步入科学界，成为一门新科学。1 9 7 6 年，数学生态学家 梅，对一个很简单的非线性种群增长差分方程模型进行研究，也发现在一定参 数值域内会产生随机解。这一研究影响甚广，它诱使许多科学家都卷入这场“混 沌”研究之中【1 】。 混沌序列的性质 1 3 ： 1 )混沌序列是由确定性方程( 微分形式或离散形式) 产生的，正因为此， 它的产生和接收可以受到使用者的控制。 2 四川i 大学硕士学位论文 2 )混沌只有在非线性系统( 非线性映射) 中才能产生。 3 )在某一非线性系统中，混沌状态的出现不仅与其映射形式有关，而 且还与系统方程的参数有关，即只有一定的参数空间对应着混沌状 态。 4 )在混沌运动中，系统的运动状态对初始值非常敏感( 对微小差异有放 大作用1 ，相邻的初始点将导致截然不同的运动轨迹，即完全不同的 混沌序列。 2 2t e n t - m a p 帐篷映射 考虑离散时间非线性迭代方程： 坼+ 。= f g 。) ( 1 ) 式中f ：( o ，1 ) 一( 0 ，1 ) 由如下映射决定： t e n t m a p 映射定义如下： 荆= ( 1 _ 二z 训： x c i ( 2 ) 其中0 般 g 为一整数，通过实验来确定的，当某一8 x 8 块的边缘点个数超过g 时，认为该块图像纹理比较复杂，b ：是和纹理有关的嵌入强度，具体数值 由实验得出。可以看出对于纹理越复杂的图像块选择的嵌入强度b ；也越 大。 f b ) 照度掩蔽： 没第k 个8 x 8 分块d c t 变换后对应的d c 分量为d c 。，它可以用来 反映第k 块的平均亮度，反映背景亮度的强弱。 当d c z 时，醛= ； 当d c k ，时，娣= y 其中 y i ，为一阈值 筇是与背景亮度有关的嵌入强度，笸由实验确定。可以看出背景亮度 较大时选取较大的嵌入强度y 。，背景亮度较小时选取较小的h ，这与 w e b e r 定理相吻合 ( c ) 总的嵌入强度：b 。= 毵+ 筇 3 水印的添加： 9 四川大学硕士学位论文 对，进行8 8 的分块，分别做8 8 的d c t 变换，每块选取1 个中频 系数及z i g z a g 排序中相邻的6 个系数，计算这6 个相邻系数的均值，不防 设我们在第k 块选取的系数是( 4 ，4 ) ，其相邻的系数为 坼( 7 ，1 l 坼( 6 ，2 l 矗( 5 ，3 l 以( 3 ，5 l 屯( 2 ，6 l h 0 ，7 ) 。 求平均值为： ( 4 ，4 ) = k ( 7 ，1 ) + & ( 6 ，2 ) + 耳( 5 匀+ h ( 3 5 ) + 伍6 ) + 砩，6 ， 当以= i 时取：，( 4 ，4 ) = x ：( 4 ，4 ) + 巩 当w k = 0 时取：x 。( 4 ，4 ) = z ：( 4 ，4 ) 一b 。； 1 k 3 2 3 2 4 对添加水印的8 8 分块进行i d c t 变换并进行攻击，得到含有水印的图像 7 。 5 水印的提取： 把含有水印的图像7 进行8 8 分块，进行d c t 变换，计算 ( 4 ，4 ) = 晦( 7 ，1 ) + 茸( 6 2 ) + 夏) + 五q 5 ) + 茸亿6 ) + 砭 7 ) ) 6 ： 当x k ( 4 ，4 ) ( 4 ，4 ) 时戗= l 当夏( 4 ，4 ) 残( 4 ，4 ) i t 寸俄= 0 ， l k 3 2 3 2 可以看出，如果没有受到攻击，有瓦( 4 ，4 ) = 以( 4 ，4 ) ，( 4 ，4 ) = x ：( 4 ，4 ) 。 六个系数的平均使得即使受到攻击，( 4 ，4 ) 与冠( 4 ，4 ) 差异也不是很大，这 一点保证了提取的质量。 6 对提取的水印信号进行反置乱，然后重构获得水印 吼) 。为了客观的评价 恢复的水印与原水印的相似程度有： 1 0 四川大学硕士学位论文 谛( f ，_ ，) w ( j ，) 肥2 夏砸矿釉嘴衡量。 j 7 实验效果： 本方法在m a t l a b 6 5 平台之上，图的( a ) ，( b ) ，( c ) ，( d ) 分别是水印，置乱 后的水印，原始图像，和添加了水印的图像。 图一：( a ) 水印( b ) 置乱的水印( c ) 原始图像( d ) 含水印图像( p s n r = 4 1 5 3 ) 可以看出置乱后的字符分散在了整个水印图像上，有良好的置乱效果。 下面图二中的( a ) ，( b ) ，( c ) ，( d ) 分别是对图( d ) 进行质量因子为4 5 的j p e g 压 缩，进行四分之一剪切，均值滤波，椒盐噪声的攻击后提取的水印。 图二( a ) 5 2 算法二 ( c ) 1 同卜i 对水印进行置乱和拉伸得到舨 ，；g c g 日 i 做8 8 的块，进行d c t 变 换。 2 跟据人类视觉系统的纹理掩蔽，照度掩蔽，分别求出每一块的( 边缘 点个数) 和d c 。，并根据公式( 3 ) 及d c t 系数频率敏感度表c ( 见第二部 分) ，求得块频率掩盖s 。m r 。 ( a ) 纹理掩蔽： 当g 时：b ；= ； 1 l 四川大学硕士学位论文 反之 b ：= 1其中胁 ，时：w = 凡； 反之b ：= y l其中y 。 y 。 ( c ) 频率掩盖： 当s d c t h 时： = 风； 反之w = 届其中p o 卢。 ( d ) b t = b ：wx b 7 1 k 1 0 2 4 ； 其中风，“，y 。，y ，p o ，届是通过实验选取的提取水印效果好的数 值，提取效果用n c 值及p s n r 来衡量：g ，与方法一相同，h 为一闽值， 当s “，r h ，认为频率掩蔽较明显。同样b 。决定了不同的水印嵌入强度。 3 利用量化方法在每一8 x 8 图像分块上添加5 次水印： 选取5 个z i g z a g 排序中连续的中频d c t 系数，假设5 个系数是 “( 3 ，3 l 靠( 2 ，4 ) x k ( 1 ，5 ) ，( 1 ，6 l k ( 2 ，5 ) ，举例先在h ( 3 ，3 ) 上添加水印。 ( 1 ) 当= o rr o u n d k ( 3 ，3 ) b 。) 为偶数时： _ ( 3 ，3 ) = ( r o u n d k ( 3 ，3 ) x b 。) 一1 ) 巩， 为奇数时： h ( 3 ，3 ) = r o u n d ( x 。( 3 ，3 ) xb 。) b k ( 2 ) 当嵋= l 且r o u n d ( x 。( 3 ，3 ) x b 。) 为偶数时： 札( 3 ，3 ) = r o u n d ( x 。( 3 ，3 ) b 。) b k 为奇数时：x 。( 3 ，3 ) = ( ，一o u n d ( x 。( 3 ，3 ) 以) 一1 ) b k 1 2 四川大学硕上学位论文 这样保证了，当以= 0 时收。( 3 ，3 ) x b k 为奇数，而嵋= 1 时故。( 3 ，3 ) b 。为偶 数。同样方法我们对其他4 个系数都量化嵌入，这样水印“就被嵌入了5 次。 对添加水印的8 。8 分块进行i d c t 变换，并进行攻击，得到含有水印的图像7 。 4 水印的提取。 对7 进行8 8 分块并进行d c t 变换，并利用7 的特性求得瓦( 与求坑的 过程相同，实验证明瓦与以只有少数几个会不相同) 。然后分别考察五( 3 ，3 ) ， 瓦( 2 ，4 ) ，瓦( 1 ，5 ) ，砭( 1 ，6 ) ，茸( 2 ，5 ) 这5 个系数，例如考察夏( 3 ，3 ) 。我们知道 在未加攻击的情况下，夏( 3 ，3 ) 与耳( 3 ，3 ) 相等：当7 受到攻击时，则瓦( 3 ，3 ) 与 k ( 3 ，3 ) 有所不同。 r o u n d k ( 3 ，3 ) 瓦) 为偶数时： 雠= 1 反之截= 0 。 对其他4 个做同样处理求得5 个水印序列 雠 扣：i 协：l 扣：i p ； ，对结 果进行融合： 若：戗+ 醒+ 醒+ 群+ 饿3 则 戗= 1 若：截+ 截+ 戗+ 截+ 俄2 则 或= 0 1 k 3 2 3 2 得到水印 戗) ，之后对提取的水印进行反置乱，重构后获取二值图象。 j 实验效果 图中的( a ) ，( b ) ，( c ) ，( d ) 分别是含水印的图像( p s n r = 4 2 1 3 ) 、对水印图像进行 质量因子为4 5 的j - p e g 压缩、进行四分之一剪切和椒盐噪声攻击后抽取的水印。 四川大学硕士学位论文 图- - ： ( a )( c )( d ) 6 实验效果的比较 锋法一、算法_ 二以及只量化添加一条水印的实验效果比较： 我们对加了水印的图像使用了压缩、剪切、滤波，加噪等攻击。 6 5 ( 质量4 5 ( 质量因1 4 剪均值滤标准差00 20 0 2 椒 因子)子)切波高斯盐 算法一( p s n r ) 3 5 53 1 21 3 42 773 2 42 1 2 算法一( n c ) 1 oo 9 1 20 9 3 9 09 8 7 0 9 9 3o9 5 4 算法二( p s n r ) 3 7 13 1 21 3 42 7 73 2 52 1 5 算法二( n c )0 9 9 2 0 8 9 00 9 3 9o 8 7 l 0 9 4 9 0 9 2 6 一条水印( p s n r ) 3 8 03 1 81 3 42 7 83 3 22 1 6 一条水印( n c )0 9 8 0 0 8 4 90 9 2 808 2 0 0 9 2 0 o 8 9 l 上述表格中，质量因子指的是m a t l a b 软件中的压缩质量因子，值越小 代表对图像压缩越厉害，比如“质量因子4 5 ”较之“质量因子6 5 ”意味着对图 像的压缩比更高。高斯、椒盐加噪攻击中o 0 2 代表了噪声的强度。 表中的n c 值已在上文中说明，反映了恢复的水印与原水印的相似程度。 p s n r 指峰值信噪比，所用公式为： p s n r = m + n + m a x ( 2 m ，”) u 。一吒，。) 2 ， n ，。代表原始图像中坐标为( m ，n ) 的象素点，：。代表嵌入水印并经过攻击 后的图像中坐标为( m ，”) 的象素点，m 和分别是行和列的个数，在这里引用 s p n r 的目的在于反映各种攻击对原图像的扭曲程度，值越小反映改变的越厉 4 四川大学硕士学位论文 害，可以看出剪切、滤波、加噪对原始图像的改变都很大，但仍然可以提取出 与原水印相似程度很高的水印。 从表中结果可以看出：对于剪切的攻击，两种方法由于采用了相同的置乱 方法，因而无明显差异，但对于均值滤波，高斯噪声等攻击，算法一有较好的 效果，这是由于算法一采用对六个相邻系数求平均的方法，在受到攻击时，六个系 数的均值不会显著改变( 系数的改变可能在求平均时相互抵消) ，而算法二中一 条水印每块只改变一个d c t 系数，在攻击时容易被影响，虽然最后进行了融合， 但仍然比算法一的效果差。 相对于只嵌入一条水印的方法，算法二嵌入五条水印，最后对提取结果进 行了融合，在不引起视觉效果明显下降的情况下，无论在压缩，滤波还是加噪 攻击的情况下提取的效果都要好一些，对于这一点是可以理解的，因为方法二 利用了五条水印的信息，比只嵌入一条水印从信息的角度来讲要多，而且在可 接受的范围内算法二牺牲了图像的一部分视觉效果，作为补偿稳健性就得以提 高。 结束语 由于人类视觉对低频系数改变很敏感，而高频系数的改变又很难抵抗压缩 攻击。因而本文提出的两种盲水印方法都是选择中频上嵌入水印。在添加水印 的过程中我们利用混沌序列对水印做了置乱和加密，并利用人类视觉特性 ( h v s ) 对嵌入的水印强度进行了调整，使水印的嵌入强度在不引起视觉警觉 的基础上得到显著提高，增强了水印的稳健性。实验证明这两种方法都取得了 良好的效果。 四川大学硕上学位论文 参考文献 f 1 赵凯华朱照宣。非线性物理导论 m 。北京大学非线性科学中心，1 9 9 2 年8 月。 2 赵春明尤肖虎程时昕。混沌序列的数字发生及其在通信中的应用 j 东南大学学报， 第2 5 卷第4 期，1 9 9 5 年7 月。 3 朱秀昌，刘峰，胡栋。数字图象处理图像通信 m 北京邮电大学出版社，2 0 0 2 年2 月， 北京。 ， 4 美 i n g e m a r j c o x ，m a t t h e wl m i l l e l ，：j e f f r e y a b l o o m 著，手颖，黄志蓓等译。数字 水印 m 电子工业出版社。北京 5 毛耀斌，卓成春，王执铨，戴跃伟。一种基于人眼视觉特性的图像水印方法 j 厦门大 学学报，第4 0 卷，增刊1 2 0 0 1 年8 月。 6 黄继武，y u nq s h i ，程卫东。dct 域图像水印：嵌入对策和算法 j 。电子学报， 4 ，2 0 0 0 ，v 0 1 2 8n o 4 ：5 7 6 0 7 王振龙，顾岚。时间序列分析 m 中国统计出版社。2 0 0 0 年2 月。北京 8 陈希孺。数理统计引论 岫。北京：科学出版社，2 0 0 2 。 9 汪小帆，戴跃伟，茅耀斌。信息隐藏技术方法与应用 m 。北京：机械工业出版社，2 0 0 t 。 1 0 a b w a t s o n ，g y y a n g ，j ，a s o l o m o n ，a n dj v i l l a s e n o r ”v is u a lt h r e s h o l d sf o r w a v e l e tq u a n t i z a t i o ne r r o r ，”h u m a nv i s i o na ne 1 e c t r o n i ci m a g i n g ，s p i e 一2 6 5 7 ：3 8 1 3 9 2 1 9 9 6 11 a b w a t s o n ，”d c tq u a n t i z a t i o nm a t r i c e s o p t i m i z e d f o ri n d i v i d u a l i m a g e s ，”h u m a nv i s i o n ，v i s u a lp r o c e s s i n g ，a n dd i g i t a ld i s p l a y i v ，s p i e 1 9 1 3 ：2 0 22 1 6 ，1 9 9 3 1 2 黄继武，谭铁牛。图像隐形水印综述 j 自动化学报，第2 6 卷，第5 期，2 0 0 0 年9 月。 1 3 荆涛，宋建中。混沌序列的产生及其验证方法 j 长春邮电学院学报，1 9 9 8 年， 第1 6 卷，第4 期。 1 4 s w a n a o nmd ，z h ub ，t e w f i kah m u l t i r e s o l u t i o ns c e n e b a s e dv i d e ow a t e r m a r k i n g u s i n gp e r c e p t u a lm o d e l s i e e ej s e l e c t a r e a s c o m m u n ，1 9 9 8 ，1 6 ( 4 ) ：5 4 0 5 5 0 1 5 3 c o x ij ，k i i a nj ，l e i g h t o nf t ，s h a m o o n t s e c u r es p r e a ds p e c t r u m w a t e r m a r k i n g f o rm u l t i m e d i a i e e et r a n s o ni m a g ep r o c e s s i n g ，1 9 9 7 ，6 ( 1 2 ) ：1 6 7 3 - - 1 6 8 7 1 6 a ，b w a t s o n ，”d c tq u a n t i z a t i o n m a t r i c e s o p t i m i z e d f o ri n d i v i d u a l 1 6 四川大学硕士学位论文 i m a g e s ，”h u m a nv i s i o n ，v i s u a lp r o c e s s i n g ，a n dd i g i t a ld i s p l a y i v s p i e 1 9 1 3 ：2 0 2 2 1 6 1 9 9 3 1 7 s a k a i h ，t o k u m a r a h a u t o c o r r e l a t i o n so fac e r t a i nc h a o s i e e et r a n s 1 9 8 0 a s s p 一2 8 ：5 8 8 5 9 0 1 8 武栓虎，谈正。基于混沌序列的视频图像数字水印隐藏与多分辨分析 j 。 西安交通大学学报，2 0 0 0 ，3 4 ( 6 ) ：3 5 3 9 1 9 王东生，曹磊。混沌、分形及其应用 m 。合肥：中国科学技术出版社，1 9 9 5 2 0 吕金虎，陆君安，陈士华。混沌时间序列 蝴。武汉大学出版社，2 0 0 2 。 2 1 陈奉苏。混沌学及其应用 m 。北京：中国电力出版社。1 9 9 8 。 2 2 f e i g e n b a u mmj q u a n t i t a t i v eu n i v e r s a l i t yf o rac l a s so fn o n l i n e a r t r a n s f o r m a t i o n s j s t a t p h y s ，1 9 ( 1 ) ，1 9 7 8 ：t h eu n i v e r s a lm e t r i cp r o p e r t i e s o fn o n l i n e a rt r a n s f o r m a t i o n s j s t a rp h y s ，2 1 ( 6 ) ，1 9 7 9 2 3 g r a s s b e r g e rp g e n e r a l i z e dd i m e n s i o no fs t r a n g ea t t a c t o r s ，p h y s l e t t ， 9 7 ，1 9 8 7 2 4 a h t e w f i ka n dm ，s w a n s o n d a t ah i d i n gf o rm u l t i m e d i ap e r s o n a li z