（信号与信息处理专业论文）基于数字水印的图像重建算法及多媒体安全认证系统设计.pdf

5 8 6 3 2 4 独创性说明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知， 除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人己 经发表或撰写过的研究成果 也 不包含为获得北京交通大学或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同 匕 作的同志对木研究 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了 解北京交通大学有关保留、 使用学位论文的规定， 即: 学 校有权保留送交论文的复印件， 允许论文被查阅和借阅; 学校可以公布论 文的全部或部分内容， 可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。 论 文中所有创新和成果归北京交通大学信息所所有。 未经许可， 任何单位和 个人不得拷贝。版权所有，违者必究。 学生签名 导师签名 一 艺i ; - 4 一 a m : 垂鱼沁一 日期:- 0 n 4_ 3 . 1 .; 谁 弊作 全一交 攒 , 廿如间 惫 北京交通大学硕士学位论文 中文摘要 数字化时代的到来和国际互联网的普及， 在使得数字媒体( 数字音频、 数字图像、 数字视频等) 的传播和获取变得异常快捷和方便的同时， 也带 来了数字媒体的安全问题。 数字水印技术为数字产品的知识产权保护和互 联网时代的信息安全提供了强有力的工具。 由于信息安全涉及到能否保证信息社会健康有序地发展这一社会问 题， 因此无论从研究价值、 技术含量以及应用前景来看， 数字水印技术都 处于信息科学技术发展的前沿。 数字水印技术处于多学科交叉的位置， 覆 盖了现代信号处理、 计算机应用、 多媒体技术、 信息安全理论甚至法律和 人文等许多学科领域。 从目前的发展水平来看， 数字水印技术的理论还不 够完善， 算法性能还有待进一步提高，有些应用领域尚处于萌芽状态。 本论文在本实验室对信息安全和数字水印领域研究的基础上针对当 前数字水印的热点问题数字水印的应用和安全数字水印体系进行了 进一步研究。 论文提出了基于数字水印的图像重建算法， 将数字水印技术应用于图 像重建中。 论文介绍了算法的设计思路， 着重分析了图像特征信息选择和 编解码方法， 将其作为水印进行嵌入和提取的策略， 以及提高水印抵抗剪 切攻击的鲁棒性从而提高图像重建性能的方案。 并介绍了利用特征信息作 为先验知识， 对受损图像进行复原的方法。 通过仿真试验与其它图像恢复 方案进行性能对比， 试验结果证明本文算法在有较大连续图像块丢失的情 况下能够很好的恢复丢失图像块的内容，具有较好的图像重建效果。 论文对安全数字水印体系进行了研究。目前， 学术界对于数字水印实 施架构的研究还很少， 已有的模型存在着占用大量网络流量、 不加限制的 响应版权保护请求从而造成安全隐患等问题。 木文提出了一种新的安全数 字水印体系方案， 在本方案中，由可信任第三方控制水印密钥的分发， 对 版权信息进行监控， 而把水印的加载和检测交给用户完成。 论文介绍了该 体系的组成模块， 各模块之间的通信协议和安全认证方案， 并对体系的安 全性能进行了分析。 关键字:数字水印技术图像重建特征信息安全数字水印体系 北京交通大学硕士学位论文 ab s t r a c t t h e r a p i d d e v e l o p m e n t o f d i g i t a l m u l t i m e d i a a n d i n t e rne t b r i n g s n e w p r o b l e m s t o i n f o r m a t i o n s e c u r i t y w h i c h c a n n o t b e r e s o l v e d b y t r a d i t i o n a l e n c r y p t i o n . t h e t e c h n o l o g y o f d i g i t a l w a t e r m a r k g i v e s a p r o m i s i n g s o l u t i o n t o t h i s p r o b l e m t h i s p a p e r p r o p o s e d a w a t e r m a r k - b a s e d i m a g e r e s t o r a t i o n a l g o r i t h m . t h e i m a g e s f e a t u r e i s w a t e rma r k e d i n t h e i m a g e i t s e l f . t h e n t h e e x t r a c t e d w a t e r m a r k i n f o r m a t io n i s u t i l i z e d i n t h e p r o c e s s o f i m a g e r e s t o r a t i o n s i m u l a t i o n e x p e r i m e n t s h o w s t h a t t h e a l g o r it h m c a n a l m o s t r e s t o r e t h e c o n t e n t o f m i s s e d p o r t io n , a n d h a s b e tt e r r e s t o r a t i o n d u a l i t y t h a n o t h e r a lg o r i t h m a n e t w o r k o r i e n t e d m u l t i m e d i a s e c u r i t y a u t h e n t i c a t i o n p r o t o c o l m o d e l b a s e d o n t h e p u b l i c k e y c r y p t o g r a m s y s t e m a n d d i g i t a l w a t e r m a r k in g t e c h n i q u e i s p r o p o s e d . i n t h i s s y s t e m t h e t r u s t e d t h i r d p a r t y c o n t r o l s t h i s d i s tr i b u t i o n o f t h e k e y o f e n c r y p t i o n a n d t h e p r o c e s s o f t h e e m b e d d i n g a n d e x t r a c t i n g o f t h e w a t e r m a r k i s t a k e n c h a r g e d b y t h e u s e r s t h e m s e l v e s . t h e p r o t o c o l o f c o m m u n i c a t i o n o f d i ff e r e n t p a r t s a n d t h e s o l u t i o n o f s e c u r i t y i s a n a l y z e d . k e y wo r d s : d i g i t a l w a t e r m a r k i n gw a t e r m a r k - b as e d i m a g e r e s t o r a t i o n m u l t i m e d i a s e c u r i t y a u th e n t i c a t i o n p r o t o c o l m o d e l 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 1 . 1论文的背景和意义 随着i n t e rn e t 网络的迅速发展和多媒体技术的日 臻成熟， 数字媒体( 数 字音频、 数字图像、 数字视频等) 的传播和获取变得异常快捷和方便，同 时也显著地提高了信息表达的准确度和效率。人们借助于计算机、网络、 扫描仪、 数码相机等电子设备可以方便快捷地将数字媒体传播到世界的各 个角落， 因而数字图书馆、 在线服务和电子商务等多媒体服务有了十 一 分广 阔的前景。 然而在全球一体化的网络环境下， 数字信号处理和网络传输技术的发 展， 使得数字媒体在丰富我们的视觉和听觉的同时， 也被盗版者以 低廉的 成本复制，并被毫无限制地编辑、修改、传播。出于对自身利益的考虑， 数字作品的所有者迫切需要解决知识产权的保护问 题。目 前， 在现有通信 环境下， 数字媒体的信息安全、 有效的版权保护和认证问题变得日益突出， 且已成为数字世界中一个非常重要和紧迫的议题。 在多媒体数据的网 l 交易和传送中， 数字媒体的安全问题包含两个方 面的内容: 一是多媒体数据的访问控制和安全传输， 二是对多媒体内容的 保护。 目 前的信息资源系统， 如数字图书馆、 远程教育系统等， 广泛采用访 问控制机制以保护网络资源的版权，即通过本地网或广域网控制某些 i p 地址或终端的连接， 限制某些用户的访问权限， 从而有效地防止非法用户 对计算机系统的访问 p 1 。 但是如果用户以 合法账号得到多媒体信息， 再对 数据进行非法复制和传播，则安全访问控制机制就无能为力了。 以往多媒体内容保护的主要手段是以香农 ( s h a n o o n ) 信息论及密码 北京交通大学硕士学位论文 学理论为基础的 信息加密技术。 它首先将多媒体数据文件加密后发布， 使 得非法攻击者无法在网络传递过程中直接获得机密信息， 从而给数据提供 了有效的保护， 达到了信息安全的目的。 但这并不能完全解决问题。 加密 技术方法在如下问题2 1 : 1 ) 加密后的文件因其不可理解性妨碍了多媒体 信息在网络上的传播并且易遭受攻击 ( 破译) ; 2 ) 保护媒体产品 ( 如加密 电视频道) 时在数据传输过程中虽有保护作用， 但数据一旦被接收并解密， 其保护作用也随着消失;3 )证实多媒体信息的数据真实性、完整性时对 一些常见的操作 ( 如数据压缩) 无容错能力。 例如传统的数字签名认证方 法， 利用一个单向函数产生一个比特序列作为数据签名， 并与信息一同传 播给用户。 用户可以将接收到的信息通过一个具有相同算法的接收器， 把 得到的比 特序列和收到的数字签名做比 较， 如果两者都符合， 那么说明信 息是可靠的， 否则， 可以 肯定信息在传播过程中 被篡改了 3 1 。 尽管上述方 法对于报文数据是有效的， 但是， 这种方法在多媒体信息的传播中往往不 具有实用性。 因为多媒体信息的冗余度较高， 在实际应用中经常需要在不 改变媒体内容的前提下对比特流进行处理。 比如为了节省传输带宽与存储 空间， 数字媒体通常要采用有损压缩格式， 因此对多媒体的真实性、 完整 性认证需要容许一定程度的失真， 而密码学中的认证机制不能容许一个比 特的失真。并且传统数字签名认证方法仅将信息作为一个比特流进行处 理，并不考虑各种媒体信息的数据结构和特征，因此只能判断其完整性， 无法区分数据签名是偶然被损坏还是受了人为的篡改， 更无法确定哪部分 数据被篡改3 1 。 所以， 需要向多 媒体信息安全领域引 入一种既能判断内 容 是否失真、又能对失真进行定位的新型认证机制。 对于数字产品的 版权保护通常采用标记法4 1 。 这种方法不修改数字产 品的内容， 而是将版权声明以附加信息的方式存放在数字产品的头部， 或 是存为单独的文件， 并与产品一起发送给客户， 典型算法是数字签名。 标 北京交通大学硕士学位论文 记法的最大缺陷是由于版权信息与作品内 容分离， 所以很容易被非法去 除。 因此， 要想在数字产品的整个生命周期发挥保护作用， 就有必要将版 权信息与数字作品的内容结合起来。 数字水印技术就是在这样的背景下产生的， 它为上述诸多问题提供了 一个潜在的有效解决方案。 数字水印是信息隐藏技术中最重要的一个分支 5 1所谓数字水印就是永久镶嵌在其他数据 ( 宿主数据)中 具有可鉴别性 的数字信号或模式，而且不影响宿主数据的可用性。 尽管版权保护是数字水印技术发展的原动力， 但随着研究的深入， 人 们发现数字水印在其他领域中可以有诸多重要应用。 在多媒体中加入数字 水印， 可以确立版权拥有者、 认证多媒体来源的真实性、 识别购买者、 提 供有关数字内容的其他附加信息、 确认所有权认证和跟踪侵权行为。 它在 篡改鉴定、 数据的分级访问、 数据跟踪和检测、 商业和视频广播、 i n t e rn e t 数字媒体的服务付费、 电 子商务认证鉴定等方面具有十分广阔的应用前景 6 1 数字水印技术既充分利用了网络和数字媒体的便利， 又能在一定程度 上克服了传统信息安全方法的局限性， 为多媒体信息提供有效的保护， 因 此得到了国内外众多学者的广泛关注，自 1 9 9 3 年以来，它已引起工业界 的浓厚兴趣， 并日益成为国际上非常活跃的研究领域。 鉴于数字水印的应 用前景和在经济、 技术上的重要性， 全球支持或开展此项研究的政府机构 和研究部门很多， 包括美国财政部、欧洲电信联盟、 麻省理工学院、 微软 公 司、 朗 讯贝 尔实 验室等 机构， 同 时， i b m 、 日 立、 n e c , p i o n e e ; 和s o n y 五家公司还宣布联合研究基于信息隐藏的数字水印。 与此同时， 一些公司 已 逐步推出了 有关水印技术的商用软件系统 ( 如 d i c e的专利技术7 1 ) , d i g i m a r c c o r p o r a t i o n 的d ig i m a r c t o o l s , m e d ia s e 。 的s y s c o p 9 1 , s ig n a f y i n c . 的o w n e r m a r k 1 , s ig n u m t e c h n o lo g ie s 的s u r e s ig n l 1 1 、 剑 桥 大 学 的 北京交通大学硕士学位论文 s t i r m a r l c t 1 z 1 等) 。 尽管目 前国内外数字水印 技术的研究者正在努力建立一个相对完备 的、 能够提供普遍指导意义的理论基础， 但就目 前而言， 这项工作还远远 没有达到令人满意的 地步。 如何使数字水印 技术从零散的、 技术性的、 面 向问题的研究， 转向系统的、 全面的理论与实践相结合， 还需要人们付出 艰辛的努力。 本论文是作者所在实验室包含加密技术、 数字水印技术、 访 问控制技术、 生物认证技术等多种信息安全技术在内的多方位多媒体信息 安全体系的理论研究和仿真建模体系的重要组成部分， 主要涉及数字水印 技术应用和实施的研究。 1 . 2论文的主要内容 本论文介绍了数字水印的概念及分类，系统的基本框架及性能指标， 数字水印的主要应用领域及发展趋势; 提出了基于数字水印的图像重建算 法， 着重讨论了水印信息的生成和编码， 因为水印序列的长度和它所包含 图像特征信息的多少， 是影响水印图像及重建图像质量的决定性因素， 也 是水印图像抵抗各种攻击的基础;对安全数字水印认证系统进行了研究， 提出了基于we b s e r v i c e 的三方认证系统，是对数字水印技术实施方案研 究领域的有益探索。 本论文主要完成了以下工作: 1 . 对基于数字水印的图像重建算法的研究，包括如下几个方面 特征数据的选取: 针对图像小波变换近似子图数据量小但却包含了 图像的整体信息这一特点， 本论文选取图像小波变换的近似子图作 为特征信息。 水印序列的生成: 对于实数性质的特征信息， 须选择合适的编码方 案， 将其编码为比特流， 才能作为水印信息。 针对水印应用的具体 北京交通大学硕士学 位论文 情况， 要求所选择的编码方案压缩比 高， 信息损失尽可能少。 本论 文借鉴j p e g编码格式， 采用了一种简单但有效的编码方案， 生成 水印序列。 水印嵌入及提取方案: 本文提出的图像重建算法从本质上来说是为 了弥补剪切攻击对图像造成的影响。 而剪切对于图像中的水印序列 同样造成了影响。 针对这一问题， 本文选取了能够提高水印抗剪切 攻击的鲁棒性以及检测准确性的嵌入及提取方案。 图像重建 实验结果及结论分析_ 2 . 提出了 基于w e b s e r v i c e 的安全数字水印认证系统， 包括如下几个方面 的内容 对己有的安全数字水印体系进行研究，指出了它的漏洞和缺陷 为设计安全数字水印体系，对网络安全协议、公钥密码体系等进 行了研究， 并对采用j a v a 技术部署的w e b s e r v i c e 的体系结构， 核 心的技术元素 ( x ml , s o a p , ws d l )等进行了深入学习。 设计了安全认证系统的体系结构， 各组成部件的功能， 通信协议。 对认证系统与we b s e r v i v e 结合的必然性与可行性进行了论证和分 析。 按照 w e b s e r v i c e三层结构模型设计了 该认证系统的各项安全方 案。 ， .3 论文的结构 论文的结构如下: 第一章: 阐述了数字水印技术产生的背景， 介绍了传统安全方案在多 媒体信息保护方面的缺陷， 由此引申出数字水印与传统信息安全技术的一 北京交通大学硕士学位论文 些区别和联系，以及发展数字水印技术的紧迫性和必要性。 第二章: 详细介绍了 数字水印的基本概念和分类， 从通信理论角度出 发的水印系统框架， 基本的性能要求和度量指标， 以及目 前国内 外研究和 发展趋势。 第三章: 介绍了传统图像重建算法的一般思路， 在此基础上提出了基 于数字水印的图像重建算法。 本章详细讲述了 算法的基本思路， 具体实现 方案，并进行了实验仿真，并对实验结果进行了分析。 第四章: 提出了采用we b s e r v ic e 架构安全数字水印认证系统的方案， 对系统的架构、认证服务器的组成、通信协议和流程进行了分析和设计， 着重讨论了系统的安全措施和性能。 第五章:对整个论文作一总结。 北京交通大学硕士学位论文 第二章数字水印技术 2 . 1数字水印的概念及分类 2 . 1 . 1数字水印的概念 数 字 水印( d ig it a l w a t e r m a r k in g ) 是 解决 版 权 保 护问 题的 有效 补 充办 法 1 3 1 。 它是在数字声音、 图像、 文档或视频码流中嵌入标识信息水印， 用以证明原创作者对作品的所有权， 或作为鉴定盗版或侵权的证据， 除此 以 外，也可用于秘密通信 ( s e c r e t a n d i n v i s i b l e c o m m u n i c a t i o n ) 和隐 含信 息 标 注 ( h id d e n a n n o t a t i o n ) 等 14 1 。 人 们无 法 从 表面 上 感知 水印 ， 只 有 专 用的监测器或计算机软件才可以检测出隐藏的数字水印。在版权保护方 面， 数字水印方法解决的是数字媒体版权保护的三个层次( 包括进入控制、 使用权控制和设置识别标记) 的技术中最后一个层次， 即设置识别标记的 问题。 从图像处理的角度， 在图像中嵌入水印可以视为在强背景( 原始图像) 下迭加一个视觉上看不到的弱信号 ( 水印) 。由于人的视觉系统 ( h u m a n v i s u a l s y s t e m , h v 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， h v s 就无法感觉到信号的 存在。因此， 可以 利用视 觉生理和图像处理的知识来实现。 另一方面， 从通信理论的角度， 嵌入水 印可理解为在一个宽带信道上传输的一个窄带信号， 可以 运用信息论和扩 频通信的理论和技术来实现。图2 . 1 为图像水印嵌入过程的简单框图。 水印的检测则往往可以理解为在一个有噪信道 ( 水印图像) 中弱信号 ( 水印)的检测问题。图2 .2 为图像水印检测过程的简单框图。 北京交通大学硕士学位论文 图2 . 1 水印嵌入算法 图2 .2 水印 检测算法 数字水印算法通常包含两个基本方面: 水印的嵌入和水印的提取或检 测。 水印可由多种模型构成， 如随机数字序列、 数字标识、 文本以及图像 等。从稳健性和安全性考虑，常常需要对水印进行随机化以及加密处理。 设i 为数字图像， w为水印信号， k为密码， 那么处理后的水印w由 函数 f 定义如下: w = f ( i , wk ) 如果水印所有者不希望水印被其他人知道， ( 2 - 1 ) 那么函数 f 应该是非可逆 北京交通大学硕士学位论文 的。在水印的嵌入过程中， 设有编码函数e ，原始图像i 和水印w， 那么 水印图像 i w可表示如下: i w = e ( i , w ) ( 2 - 2) 其中w由式 ( 2 - 1 )定义。 水印检测是水印算法中最重要的步骤。 若将这一过程定义为解码函数 d ，那么输出的可以 是一个判定水印存在与否的0 - 1 决策，也可以是包含 各种信息的 数据流， 如文本、 图 像 等 夕 口 果己 知图 像i 和有版 权疑问的图 像 i w，则有: 平* = d ( 彻 , i )( 2 - 3 ) c ( w , w * , k , s ) = :， 9 存在 w 不存在 ( 2 - 4 ) 其中w* 为提取出的水印，k为密码， 函数c做相关检测， s 为决策闭值。 这种形式的检测函数是创建有效水印框架的一种最简便的方法， 如假设检 验或水印相似性检验。 检测器的输出结果如充分可信则可在法庭上作为版权保护的潜在证 据。 那么这实际上要求水印的检测过程和算法应该完全公开。 对于假设检 验的理论框架，可能的错误有如下的两类: 第一类错误:检测到水印但水印实际上不存在。该类错误用误识率 ( p r o b a b il it y o f f a ls e a la r m ) 凡衡 量 第 二 类 错 误: 没 有 检 n 9 y lj 水印 而 水 印 实 际 存 在， 用 拒 绝 错 误 率p , 表 不 。 总 错 误 率 为p . = p f. 十 p ， 且 当 p ; 变 小 时 检 测 性 能 变 好 。 但 是 检 测 北京交通大学硕士学位论文 的 可 靠 性则 只 与 误 识 率p ， 有 关。 注 意 到 两 类 错 误 实 际 上 存 在 竞 争 存 在。 2 . 1 . 2数字水印的分类 由于当前有太多的人正从事数字水印的研究， 已经出现了众多数字水 印方案， 也有许多公司已 推出了数字水印的产品， 所以无法罗列出所有数 字水印算法和方案， 只能从分类的角度对现存的数字水印方案进行概要介 绍。 i 按数字水印的隐藏位置划分 根据数字水印的加载位置的不同， 水印可分为两大类: 空间域数字水 印和变换域数字水印。 早期的水印算法从本质上来说都是空间域上的， 水印直接加载在数据 上， 即 将数字水印 按某种算法直接叠 加到图 像的 空间 域 ( s p a t i a l d o m a i n ) . 有代表性的几种方法是: ( 1 ) 最低有效位方法 ( l s b 法) 该方法利用原数据的最低几位来隐藏信息( 具体取多少位，以人的听 觉或视觉系统无法觉察为原则) 。l s b方法的优点是计算速度比较快，而 且很多算法在提取水印和验证水印的存在时不需要原始图像， 但可嵌入的 水印数量也受到了限制， 采用此方法实现的水印是很脆弱的， 无法经受一 些无损和有损的信息处理， 抵抗图像的几何变形、 噪声和图像压缩的能力 较差，而且，如果确切地知道水印隐藏在几位 l s b中，则水印也很容易 被擦除或绕过。 ( 2 ) p a t c h w o r k 方法及纹理块映射编码方法 这两种方法都是b e n d e r 等提出的。 p a t c h w o r k 方法是随机选择n对像 素点( a , . b ) ， 然后将每 个a 点的 亮度值加1 , 每 个b ; 点的 亮 度值减1 ， 这 北京交通大学硕士学位论文 样整个图像的平均亮度保持不变。适当地调整参数，p a t c h w o r k方法对 j p e g压缩、 f i r滤波以 及图 像裁剪有一定的 抵抗力。 但该方法嵌入的 信 息量有限。 纹理块映射将一块纹理映射至与其相似的纹理上去， 视觉不易 察觉。该算法的隐蔽性较好，并且对有损的j p e g和滤波、 压缩及扭转等 操作具有抵抗能力， 但仅适用于具有大量任意纹理区域的图像， 而且不能 完全自 动完成。 c 3 ) 文档结构微调方法 水印信息通过轻微调整文档中的以下结构来完成编码， 这包括: 垂直 移动行距;水平调整字距;调整文字特性 ( 如字体) 。基于此方法的水印 可以抵抗一些文档操作， 如照相复制和扫描复制， 但也很容易被破坏， 而 且仅适用于文档图像类。 基于变换域的数字水印技术是先将图像做某种变换 ( 通常是正交变 换) ，然后把水印嵌到图像的变换域 ( t r a n s f o r m d o m a i n )中 ( 如d c t 域， w a v e l e t 域 ， f o u r i e r m e ll in 域 ， f o u r i e r 变 换 域 ， 分 形 或 其 他 变 换 域 等) 。 基 于变换域的技术可以嵌入大量比特数据而不会导致可察觉的缺陷。 从目前 的情况看， 变换域方法正日 益普遍。 因为变换域方法通常都具有很好的稳 健性， 对图像压缩、 常用的图像滤波以及噪声均有一定的抵抗力，并且一 些水印算法还结合了当前的图像和视频压缩标准 ( 如j p e g , m p e g等) ， 因而有很大的实际意义。 在设计一个好的数字水印算法时， 往往还需要考 虑图像的局部统计特性和人的视觉特性，以提高水印的稳健性和不可见 胜o 与空间域的数字水印方法比较，变换域的数字水印方法具有如下优 点: 在变换域中嵌入的水印信号能量可以散布到空间域的所有像素 上，有利于保证水印的不可见性; m在变换域， 人类视觉系统的某些特性 ( 如频率掩蔽效应) 可以更方 北京交通人学硕士学位论文 便地结合到水印编码过程中; 。变换域的方法可与国际数据压缩标准兼容， 从而实现在压缩域内的 水印算法，同时，也可抵抗相应的有损压缩。 i i 按数字水印的外观划分 从外观上看， 数字水印可分为两大类: 可见水印和不可见水印。 更准 确地说应是可觉察水印和不可觉察水印， 这是对图像而言， 通常， 我们采 用上述提法来概括所有媒体上的水印。 i i i按检测过程划分 按水印的检测过程可以将数字水印算法划分为私有水印( 也称非盲水 印) 、半公开和公开水印 ( 也称半盲和盲水印) 。 私有水印在恢复阶段需要 原始的宿主信息。 由 于能够借助原始信息作参考， 所以能够去除很多信号 在传输过程中引入的失真， 因此水印的检测和恢复准确性高。 但是这种方 案增加了储存、 维护成本和泄密的风险 ( 比 如原始宿主信息在储存中容易 被盗或者错误使用) ， 更为严重的是， c r a v e r 在1 9 9 7 年提出了著名的“ i b m 攻击” 方法， 绝大多数在水印检测时需要原始数据的数字水印算法都不能 抵抗 i b m攻击，所以从安全性的角度出发应尽量采用半公开和公开水印 方案( 1 5 1 。 半公开 水印 在检测时 不需要原始数据， 但需要参照原始的 水印 信 息。 公开水印在进行水印恢复时仅仅需要一个密钥， 既不需要原始数据也 不需要原始水印信息， 因此使用最为方便。 这是水印研究中最具挑战性的 问题，也是今后学术界的主要研究方向。 i v 按密钥的不同划分 同密码算法根据密钥的不同可分为私钥算法和公钥算法类似， 数字水 印算法中也可根据所采用的用户密钥的不同分为私钥水印和公钥水印。 私 钥水印方案在加载水印和检测水印过程中采用同一密钥， 因此， 需要在发 送和接收双方中间有一安全通信通道以 确保密钥的安全传送。 而公钥水印 北京交通大学硕士学位论文 则在水印的加载和检测过程中采用不同的密钥， 由所有者用一个仅其本人 知道的密钥加载水印， 加载过水印的通信可由任何知道公开密钥的人来进 行检测。 也就是说任何人都可以进行水印的提取和检测， 但只有所有者可 以插入或加载水印。 v按载体划分 根据载体的不同， 数字水印可分为: 静止图像水印、 视频水印、 声音 水印和文本水印等。这个分类方法比较直观，不再赘述。 v i 按特征信息的使用划分 k u t t e r 将空域和变换域水印算法统称为第一代水印，并首次提出 第二 代水印的概念， 即在水印处理过程中利用原始多媒体的重要数据特征的水 印 算法为 第二代水印 1 6 。 这 些 特征可以 是 抽象的， 也 可以 是语义上 有意义 的， 如图像的特征可以取其边缘、 边角点、 纹理区域等， 音频的特征可以 取短时能量函数、短时零交叉率、元音音轨形状的变化、 音调信息等， 视 频的特征可以为宏块的 亮度平均值。 第一代水印是基于全局的算法， k u t t e r 指出其缺点在于没有将水印信息直接嵌入在知觉重要成分中， 因此鲁棒性 较差。 第二代水印是基于内 容特征的算法， 使水印信息的分布与宿主内容 有关， 这有别于某些第一代算法仅在水印调制强度上引入宿主内容的自 适 应特性。 由于特征点具有的协变性， 可对宿主遭受的攻击进行预测和校正， 有利于提高水印的鲁棒性和安全性。 特征信息在水印处理过程中主要有两 种用途: 0特征信息可作为水印算法的参考位置，目 的是提高水印的鲁棒性， 也可用作其他用途。 m直接修改特征点的灰度值或系数值，嵌入水印。 此外， 按照对水印基本理论理解的角度， 可以 将数字水印算法划分为 北京交通大学硕士学位论文 基于通信理论的水印算法和基于信息论的水印算法 z . 2数字水印系统的框架、性能要求及度量指标 2 . 2 . 1数字水印系统的基本框架 如图2 .3 所示， 水印处理系统的基本框架可以 定义为六元体 ( x , w , k,，e, d ) ; 失真 n 人类知觉系统 原始的数 字产品x 水印嵌入 算法e 显示/ 播放 ，个一 - ) ， 了 接收到 的媒体 信息m 水 印 生 * p #p 成 c i一 - 水印检测/ 恢复算法d 水印是否存在 水印w 密钥 k 图2 .3数字水印系统的基本框架 ( 1 ) x代表数字产品x的 集合，如数字音频、 数字图 像、数字视频和 文本等多媒体文件。 ( 2 ) w代表水印信号w的集合。通常定义水印为如下的信号: w 二 w (k ) c w (k ) e u , k e fy 1 ( 2 - 5 ) 承 “ 表 示d 维 的 水印 信 号 空 间 ， d = 1 ,2 ,3 分 别 对 应 声 音、 静 止图 像 和 视 频。 水印 信息可以 是二 值 序列，u - 0 , 1 或u = ( - 1 , 1 ) ， 或者 是伪随 机高 斯 噪声，甚至可以是音频、具有直观意义的图像和视频。 ( 3 ) k 是水印 处 理过程中 使 用到的 密钥k的 集 合， 密钥在水印 的生 成、 嵌入位置的选取以及在水印提取过程中均起到重要的作用， 可以说整个水 北京交通大学硕士学位论文 印系统的安全性来源于密钥的不确定性。 仔 ) g表示利用密钥k 、 信息m ( 如作者签名) 和待嵌入水印的数字 产品x共同生成水印的算法， 即 w = g ( x , , k , m) ( 2 - 6 ) 这里x 代表原始的数字产品。早期的水印信号通常由伪随机数发生器或 混沌系统产生 1 7 1 。 近年来， 人们注意到由 宿主数据中 产生的 水印具有与宿 主 一一对应、 抵抗伪 造攻击的 特点 1 1 8 1 ， 因 此出 现了 许多由 宿主 产生水印的 算法。 ( 5 ) e表示将水印w嵌入数字产品x中 的嵌入算法，即 x = e ( 茂， w, k ) ( 2 - 7 ) 这里x w 代表嵌入水印后得到的数字产品。 ( 6 ) d表示水印检测或提取算法，即 d (x , k , x ) 。 w0 or 1 (2-8 ) 或者 d (x , k ，一 。 wor ， ( 2 - 9 ) 这里1 和0 分别表示水印的有无， 在水印的某些应用， 如版权保护， 仅检 测水印是否存在就能满足要求， 而对于隐蔽通信、 内容认证等应用还需要 恢复出水印信息本身。因此有的水印检测和提取算法需要原始数据的参 与，如式 ( 2 - 8 )式，有的则不需要，如式 ( 2 - 9 ) 0 2 . 2 . 2数字水印系统的基本性能要求及度量指标 面向不同应用环境的水印系统在算法性能上既表现出不同的特点， 又 北京交通大学硕士学位论文 印系统的安全性来源于密钥的不确定性。 ( 4 ) g 表示利用密钥k 、信息m ( 如作者签名) 和待嵌入水印的数字 产品x 共同生成水印的算法，即 = g ( x o ，k ，m ) ( 2 - 6 ) 这里咒代表原始的数字产品。早期的水印信号通常由伪随机数发生器或 混沌系统产生1 7 1 。近年来，人们注意到由宿主数据中产生的水印具有与宿 主一一对应、抵抗伪造攻击的特点1 8 1 ，因此出现了许多由宿主产生水印的 算法。 ( 5 ) e 表示将水印矿嵌入数字产品x 中的嵌入算法，即 x 。= e ( x o ，w ，k )( 2 7 ) 这里蜀代表嵌入水印后得到的数字产品。 ( 6 ) d 表示水印检测或提取算法，即 d ( l ，k ，以) = o 二1 ( 2 - 8 ) 或者 d ( 以，耻 o 三1 ( 2 - 9 ) 这里1 和0 分别表示水印的有无，在水印的某些应用，如版权保护，仅检 测水印是否存在就能满足要求，而对于隐蔽通信、内容认证等应用还需要 恢复出水印信息本身。因此有的水印检测和提取算法需要原始数据的参 与，如式( 2 - 8 ) 式，有的则不需要，如式( 2 9 ) 。 2 2 2 数字水印系统的基本性能要求及度量指标 面向不同应用环境的水印系统在算法性能上既表现出不同的特点，又 北京交通大学硕士学位论文 有着共同的属性。一般地，数字水印应具备如下的基本特性： ( 1 ) 不可见性 对于以模拟方式存储和分发的信息( 如电视节目) ，或是以物理形式 存储的信息( 如报刊、杂志) ，用可见的标志就足以表明其所有权。但在 数字方式下，标志信息极易被修改或擦除。因此应根据多媒体信息的类型 和几何特性，利用用户提供的密钥将水印隐藏到一系列随机产生的位置 中，使人无法察觉。这包含两个方面的意思，一个指视觉上的不可见性， 即因嵌入水印导致图像的变化对观察者的视觉系统来讲应该是不可察觉 的，数字水印的存在不应明显干扰被保护的数据，不影响被保护数据的正 常使用。最理想的情况是水印图像与原是图像在视觉上一模一样，至少是 人眼无法区别的，这是绝大多数水印算法所应达到的要求；另方面水印 用统计方法也是不能恢复的，如对大量的用同样方法和水印处理过的信息 产品即使用统计方法也无法提取水印或确定水印的存在。图2 4 左例为原 始图像，右侧为加了水印后的图像。 ( 2 ) 可证明性 水印应能为受到版权保护的信息产品的归属提供完全和可靠的证据。 水印算法识别被嵌入到保护对象中的所有者的有关信息( 如注册的用户号 码、产品标志或有意义的文字等) 应能在需要的时候将其提取出来。水印 可以用来判别对象是否受到保护，并能够监视被保护数据的传播、真伪鉴 别以及非法拷贝控制等。 ( 3 ) 鲁棒性易损性 鲁棒性是指在经历多种无意或有意的信号处理过程后，数字水印仍能保持 完整或仍能被准确鉴别，它是鲁棒水印的应有特性。鲁棒性测试主要包括 数字水印对数据同步的依赖程度、抗各种线性和非线性滤波的能力，以及 抵御几何变换等其它攻击的能力。易损性是指水印随宿主信息经历的信号 北京交通大学硕士学位论文 处理过程而发生变化的性质，它是易损水印的应有特性。水印的鲁棒性和 易损性 图2 4 水印的不可见性 是一对矛盾，对水印鲁棒性和易损性的要求高低取决于不同的应用环境。 对水印鲁棒性和易损性可使用相同的评定标准，常见的有相关系数 和归化汉明距离。相关系数用来衡量原始水印与提取的水印( 或含有 水印的多媒体信息) 之间的相关性，定义如下： ，、盘w ( ，) 谛( o “呐2 蕊n = 蠢2 n 。- 2 池 ，v “2 刈) “1 其中w ( o 和讯，) 分别是嵌入和恢复的水印信息，。是水印的长度。对于鲁 棒水印来说，应尽量使尸达到最大。而对于易损水印，这个值应该尽量 2 北京变通大学硕_ 上学位论文 如果数字水印是由二值数据组成的，还可以采用归一化汉明距离来 估计嵌入和恢复的水印的相似性。这里的归一化汉明距离表示为： l p l i d 奶2 亩吾“。嘶o ( 2 1 1 ) 其中w ( t ) 、存( ) 、n 。的定义同上，o 是异或运算符。 ( 4 ) 检测和提取的准确性 在一些应用中，如版权保护系统，检测端只需要判断水印是否存在 于待铡多媒体中。而在其它应用环境，如隐蔽通信、安全认证系统中， 则需要将被嵌的水印信息完全提取出来。但不论在哪种应用中，水印的 检测和提取算法都应具有良好的准确性。水印检测器可能会发生两种错 误： 虚警错误( 也称一类错误、假阳性错误) ：水印没有存在于宿主 信息中，但检测算法检测到了水印的存在。 漏警错误( 也称二类错误、假阴性错误) ：水印存在于宿主信息 中，但检测算法未能检测到水印的存在。 虚警概率和漏警错误是衡量水印检测准确性的主要指标。般说来， 随着虚警概率变小，漏警错误会增大，反之亦然。 水印提取算法的准确性既可用错误比特率( 错误提取的比特数与水 印总数之比) 来衡量，也可用原始水印与提取水印的归一化汉明距离( 如 式2 1 1 所示) 来衡量。 ( 5 ) 安全性 一个水印体制要走向商业应用，其算法必须公开。算法的安全性应 完全取决于密钥，而不是通过对算法进行保密以取得安全性。水印系统 的安全性是指未经授权者很难插入伪造水印，或检测到水印的存在。除 非对数字水印具有足够的先验知识，任何破坏和消除水印的企图都将严 北京交通大学硕士学位论文 重破坏多媒体信息的质量。 安全性测试主要是对破解水印算法的时间及复杂性进行评估，以此 作为水印安全性的指标。 好的数字水印算法在设计水印的产生办法、 编 码方式和水印的嵌入位置时，都需要考虑到安全性。 ( 6 )面向用户性 数字水印系统可以根据用户的需要进行设计，即面向用户定制系 统。比如在产品发行网 络或d v d播放器中，为满足对多媒体数据实时处 理的要求， 水印处理算法 ( 尤其是水印检测算法) 必须足够快， 并容易用 硬件实现。 而对于高度安全的图像认证水印系统， 对实时性的要求就会让 位于对准确度的要求，而居于第二位了。 2 . 3数字水印的主要应用领域 一般来说，图像数字水印技术的主要用途包括: ( 1 )数字媒体的版权保护和跟踪。 研究数字水印技术的最初动机就是为了解决数字媒体的版权问题，由 于数字信息可以方便、 无失真地被复制， 盗版者通过非法复制、 非法销售 可以获得巨大的利润。 数字水印技术虽然不能阻止盗版活动的发生， 但它 可以判别对象是否受到保护， 监视被保护数据的传播、 确认非法拷贝、 解 决版权纠纷并为法庭提供证据。 应用数字水印技术， 可以辨认媒体所有权 信息、 媒体合法用户信息， 对媒体的传播进行跟踪。 例如在发行的每个拷 贝中嵌入不同的水印， 称为数字指纹， 其目 的是通过授权用户的信息来识 别数据的发行拷贝，监控和跟踪使用过程中的非法拷贝。 目 前， 用于版权保护的数字水印在水印技术的所有应用领域发展速度 最快， 现己 进入了初步实用化的阶段。 仅1 9 9 8 - 1 9 9 9 年度， u s p t o( 美国 专利商标局)的专利数据库中就有 2 9 项是关于版权保护的数字水印技术 北京交通大学硕士学位论文 的。 d i g im a r c 公 司的 水印 软 件已 经 被 集成 到p h o t o s h o p . p a i n t s h o p p r o 等 广 为使用的图 像处理产品，同时提供水印 s d k ，允许软件开发人员 将数字 水印结合进自己的应用当中。 由世界2 3 0 多个企业和团体组成的国际性组 织“ d v d论坛” 已经确定了以加密技术为主、数字水印技术为辅的新型 d v d版 权保 护方 案 0 9 1 。 然而目 前 市 场 上的 数 字水印 产品 在 技 术上 还 不成 熟， 很容易被破坏或破解， 如安全数字音乐发起组织 ( s d m i ) 在2 0 0 0 年 公布的保护数字音频的水印软件，仅经过短短几个月的时间就被攻破了 2 0 1 。 因此用于版权保护的数字水印 技术距离真正的实用阶段还有很长的路 要走。 ( 2 )多媒体认证 由于数字作品易修改的特性降低了自 身的可信度， 利用多媒体编辑软 件篡改数字作品内容， 可以做到“ 移花接木” 而不为人知。因此以数字形 式记录的事故现场照片、 犯罪现场记录等很难作为法庭证据，以数字形式 表现的艺术品也难辨真伪。 采用易损或半易损水印则可很好地解决这一难 题 2 11 。 认证水印被嵌入多 媒体信息之后， 随着宿主信息经历相同的处理过 程， 并相应地发生变化， 甚至可以确定哪一部分信息被恶意攻击。 对于宿 主信息在传输和存储过程中的必要操作， 如压缩、 滤波等， 认证水印又能 表现出一定的鲁棒性。 因此通过鉴别认证水印的变化， 就能验证原始数据 的完整性和真实性2 2 1 ( 3 ) 使用控制 利用数字水印技术， 可以 对媒体文件的使用环