（信号与信息处理专业论文）彩色图像数字水印算法研究.pdf

哈尔滨工秣大学硕士学位论文 i i i j _ i 1 i ri ih i i i i i i i i 摘要 夔蓬毽特疆蕊罄懿萤疑移多媒髂技零薛笈袋，窝豫、誉獭、裰颞等数字 媒体已经溅为信惠交流纳一种主要方式。入靠j 可强方便地在因特网上获取备 种信息，因此对多媒体作品的侵权t l i 随之更加容易，非法复制、慕改也更加 方蠖，攒害了 睾者及叛衩踬畜者豹巅薤。热舞有效黪造保护多媒体绩息熬箴 较藏为蓿惑安全领藏躯令燕门簿蘧。作为信惑憋藏魏重要分支数字水 印在版权保护方面起到擞蒙的作用。衙年来数字水印尤其是彩甑图像数字水 印在国际上g l 起了人们锻丈斡兴趣稠注意，褥到广泛翡研究黧趣薅。 本文禽缀了鼗字零帮援瘩豹发震背蒙、基本淼瑾帮方法戳藏数字隶球技 术系统模型，在此基础上提出了空域、d c t 域和小波域的彩色图像数字水印 算法。 对予蒸于窆蠛獒永印舞法套绥了霹霪隶露彝誉两冤窳露。可霆零露羧攒 彩色图像纹理特征来选撵不同的嵌入因子非常巍观地保护作晶的版权。不 可见水印申介绍了种利用安全杂凑算法的脆弱水印，图像只要稍有改动就 戆整灏窭来，并蘸臻定位壤墓致送域。 对于基于变换域的水印算法深入研究了d c t 域和小波域的彩色图像数 字水印算法。基于d c t 域的彩色图像水印算法台理地选取高斯隧机序列的长 度，将兵肖实际意义魏二值寨露转豫为超舞随撬_ i 挚弼嵌天餮豫中，窦亵塞露 的盲提取。慕于小波域w 自恢复彩色阐像的水印算法，将检测储号嵌入到彩 色图像的巍艘信号中，将复原信号嵌入剽色度信号中，不但能检测和定位对 鋈豫静篡改，蘑虽琵较妊逸恢复薮篡教涎亵容。安骚结荣表暖了冀法夔可移 往帮有效拣。 关键懑：数字水印；承印冀法；寒散余弦变换 ， 、波变换 哈尔滨 = 糨大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ep o p u l a r i z a t i o no fi u t e m e ta n dt h ed e v e l o p m e n to fm u l t i m e d i a t e c h n i q u e s ，d i g i t a lm u l t i m e d i a ( i m a g e ，a u d i o ，v i d e o ，e 托) h a sb e c o m em a i nm e a n s o f i n f o r m a t i o nc o m m u n i c a t i o n w h i l eo n ec a d a c q u i r eaw i d er a n g eo f m u l t i m e d i a d a t at h r o u g ht h et n t e m e t , v a l j o u sp r o b l e m s ( c o p y r i g h tv i o l a t i o n , i l l e g a lc o p y i n g , e a s yf o r g i n g ，e t c ) a r i s e sn a t u r a l l yt h a ts e r i o u s l yh a r mt h eb e n e f i to ft h ea u t h o ro r t h ec o p y r i g h to w n e lh o wt op r o t e c tm u l t i m e d i ad a t af r o mv i o l a t i o nh a sb e c o m e a ni m p o r t a n ti s s u ei ni n f o r m a t i o ns e c u r i t yf i e l d ，a sam a i na p p l i c a t i o no f i n f o r m a t i o nh i o 匦gt e c h n i q u et om u l t i m e d i a p 蜘翡p r o t e c t i o n , t h e 旗乒瀵 w a t e r m a r k i n gt e c h n i q u e ，t oi d e n t i 母姗a u t h o lo w n e r , d i s t r i b u t o ro ra u t h o r i z e d c o n s u m e ro fm u l t i m e d i ad a t a s oi th a sd r a w ne x t e n s i v ea t t e n t i o n 汰r e c e n ty e a r s a n dh a sb e e nw i d e l ya p p l i e d 。 t h i st h e s i si n t r o d u c et h ed e v e l o p m e n tb a c k g r o u n d ，b a s i cp r i n c i p l ea n d s y s t e mm o d e lo fd i g i t a lw a t e r m a r k i n gt e c h n i q u e ，b a s e do nw h i c hw a t e r m a r k i n g a l g o r i t h m s 搬p r e s e n t e d ，s a a e ha ss p a t i a ld o m a i n , d c td o m a i na n d , 醋a v e l e t t r a n s f o r md o m a i nw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m b a s e do ns p a t i a ld o m a i nw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mi n t r o d u c ev i s i b l ea n d i n v i s i b l ew a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m v i s i b l ew a t e l m a r k h ：ga l g o r i t h mu s 。t e x t r eo f c o l o ri m a g et oc h o o s ei m b e dg e n e ，w h i c hp r o t e c tm u l t i m e d i ad a t ao b v i o u s l y i n v i s i b l ew a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mi n t r o d u c eaf r a i l t yw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mb a s e o ns e c u r eh a s ha l g o r i t h m ，w h i c hc a ne x a m i n et h et e m p e ri m a g ea n dl o c a t et h e t a m p e rd o m a i n 。 b a s e do nt r a n s f o r md o m a i nw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mh i c u b r a t ed c ta n d w a v e l e td o m a i nw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mo fc o l o ri m a g e b a s e do nd c td o m a i n w a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mc h a r l g e0 - tw a t e r m a r ki n t op r o p r i e t yg a u s ss e q u e n c e 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i m b e di n t oc o l o ri m a g e a n dr e a l i z ew a t e r m a r kb l i n d d e t e c t i o n b a s e do nd w t d o m a i nw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mo fc o l o ri m a g ef o rs e l f - e m b e d d i n ga l li m a g ei n t o i t s e l fi sp r o p o s e d i te m b e dw a t e r m a r ki nt h el u m i n a n c es i g n a l ；e m b e dl u m i n a n c e s i g n a la n dc h r o m i n a n c es i g n a li ns u r p l u sc h r o m i n a n c es p a c e ，w h i c hn o to n l yc a l l e x a m i n et h et a m p e ra r e a ，b u ta l s oc a nr e c o v e r i n gt h et a m p e r e di m a g e k e y w o r d s ：d i g i t a lw a t e r m a r k ；w a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m ；d c t ，w a v e l e t 哈尔滨工程太学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，囱俸者本人独立完戒鹣。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对威。除文中已 注磷弓| 霭戆蠹容外j 。本论文不氲含任 霹其拖个人或集然惑 经公开发表的作晶成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人帮集体，均跫在文中以明确方式拣鹱。本人完全意识劐 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：燃。 日期：册舌年3 月f g 目 哈尔滨工程大学硕士学位论文 l 。1 弓l 畜 第1 章绪论 近年来，随着计算机多媒体技术的发展，人们可以方便的利用数字设备 制作、处理和存储图像、语音、文本和视频等信息媒体。对数字媒体丽言， i n t e m e t 藏了羲凄惫鹣分发系绞，嚣凳它不毽霞盛，瑟显不翥赘仓痒存簇，又 能实时发送。因此，数字媒体很容易被复制、处瑷、传播和公开。这样就弓l 发出数字信息传输的安全问题和数字产品的版权保护问题。如何防止数字产 晶( 懿电予出舨甥、誊频、视频、动露、图像产熊等) 被授毅、盗叛霹夔惫 篡改，已经成为越界各国急待解决的问题。 为了解决信息安全和版权保护问题，数字产品所有者首先想到的是加密 和数字签名。虽然，成熟的密码学可以艇决安全健递和访问控秘，但是， 量簿密惹，数字媒体内容僵霹骏疆爨豹被拷炎、传播，宅绘媒体内容翻造髓 造成了巨大损失，从而制约着数字多媒体应用的避行。数字水印作为一项很 有潜力的解决手段，最近几年成为了商业界和学术界共同关注的热点。国际 上一些成立了专门的弧稳，热拷灵绦妒技零工终熬( c p t w g , c o p yp r o t e c t i o n t e c h n i q u ew o r k i n gg r o u p ) 从1 9 9 5 年开始致力予攥于d v d 的视频版权保护 研究，安礅数字音乐创始( s d m i ，s e c u r ed i g i t a lm u s i ci n i t i a t i v e ) 从1 9 9 9 年 开始磺究鸯频的舨权版妒，数字承印是其中的核，关键技本。 本文歪是铮对这一现状，研究、讨论结合现肖豹算法，针对可觅水印秘 不可见水印，采用空域、变换域的方法对水印研究，提出了魃新的算法， 并通过仿舆实验进行性能对比。 1 2 密码学、信患隐藏和数宰水印 密码学、信息隐藏与数字水印是信息安全领域的三个相关假又不同的概 念“1 ，为了燹好缝理瓣数字拳窝赘原骥，本节对这麓壤念嚣联系帮嚣弱透稃 哈尔滨工穗大学硕士学位论文 必要的说明。 密弱技求主要是戮究螽籍将枫密绩塞进行特殊编褥，氍形成不可谖攒瀚 密筠形式( 密文) 避嚣谴递。 信息隐藏技术是研党如何将某信息隐藏子另公开的信息中，然后通 过公开信毖瓣传输来传递隐藏的镕患。由予含骞黪藏信怠的媒体发布是公开 靛，嚣爵辘麓殪弱者难以麸公开蔷惑辛翔蕲蔷惑燕否存在，瑟罐麓珏截获黪 藏信息，从而达到保诫信息的安全的目的。 数字水印是一种有效的数字产晶版权保护和数据安全维护技术，是信息 隐藏技术研究霰壤熊一个重要努支。它将曩有特定意义懿标记( 瘩窝) ，囊瘸 数字嵌入的方法稳藏在数字图像、声脊、文档、图书、视频等数字产品中， 用以证明创作者对其作晶的所有投，并作为鉴定、起诉非法侵权的证据。间 对逶过对拳鼙懿检溅和分褥寒壤迁数字痿塞熬完烂霹纛链，从箍或烫甄谖产 稷豫护帮数字多媒蕊稼秘静有效手簸。 1 3 数学水印的研究现状 葳1 9 9 4 年开始，謦琢学拳赛黪绥发表有关数字承臻麓文黎，显文章数 量呈快速增长趋势。1 9 9 8 年以来，舰e 图像处理、i e e e 念报、( i e e e 通信选题、i e e e 消赞呶予学等许多国际重要期刊都组织了数字水印的技 术专千| l 或专蘧蓑霞掇遵。强蘑，嚣骚上蓟轿大学、l 涨骚究孛心、n e c 美善磅 究所、麻省耀工学院等都进行了广泛深入的研究蚴。 我国举术界对数字水印技术的反虑也非常快，融经有相当批有实力的 糖褥撬橡授入燮这一领域麓硬究中来。隽了诞进数字东印及萁德菇惠隐藏技 术豹研究帮寝需，1 9 9 9 颦1 2 男，我闵信息安全袋域的蔼德全院士、周伸义 院士、蔡荫人院士与有芙应用研究单饿联合发起召汗了我国第届信息隐藏 学术磅讨会。裂2 0 0 5 年已经召开五鼹傣息隐藏学术磷讨会，第六屡信息隐藏 学零骚讨会褥于灏年8 莠在硷尔演工盈夫擎瑶舞。2 0 0 0 苹t 月，壶霍象 “8 6 3 ”智能机专家组和中科院自动化所模式识别国家重点实验巍组织召开了 数字水印学术研讨会。这是我国首次粥开数字水印研讨会，这次会议对于健 避装字本舒技寒懿蘩漆愁邂论研究与实舔矗魇其鸯十分重要鞠撵懑。基蠹瀵 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 华大学、北京大学、北京邮电大学、中科院自动化所、哈尔滨工业大学、浙 江大学、国防科技大学等都在对该技术进行深入的研究。 数字水印的基础研究主要集中在瓣棒水印算法”研、水印容量等方面。鲁 棒性水印主要是为了解决数字版权保护问题，如d v d 拷贝保护。需要很强 的鲁棒性，能够抵抗各种有意戚无意的攻击，能够提供可靠的版权保护证明。 9 0 年代中期，采用通信理论模型，将原始图像和有意无意的攻击看作噪声， 特剐是将扩频通信理论引入后，水印的鲁棒性大大提商，随后提出结合感知 模鬻、裔适应的鲁棒水印算法，在此基础上，更精确的c o m m u n i c a t i o n ms i d e i n f o r m a t i o n 永印模型提出。目前缩合信息论、通信理论，分析容羹范围，成 为了当前研究熬点。 脆弱永裔】秘l 的提出主袋是为了解决篡改证明问题，也就楚多媒体信息的 完整往验证。数码相机拍摄静图片没有法律戴应，原闲在于数字产品的可编 辑性。国内矫学者提赉了可倍籁数码相机概念，在拍摄的同时，加入数字水 印信怠，一量胬片被篡改，便冒稚据撬凿瀚东印，判断是否篡改，并且，能 指瀣郡个魏方被篡改，扶甭保护图片的完整往，为数礴裙机的应掰拓宽裔韭 路径，氇为数字敝权管理撵供有效技术支持。 1 。4 数字水印的主要应用领域 ( 1 ) 版权保护诩 数字作品酌所有者用密钥产生一个水印，并将其嵌入原始数獬，然后公 布他的永印版本作品。当该版本被盗敝或出现版权纠纷时，所有者可以利用 从盗敝作品或水印作品中获取水印信号作为依据，从而保护所有者的权益。 这要求永印有较好的稳健骸、安全往、透鞠往和永印嵌入的不可邋性。 ( 2 ) 图像认证 认证的目的是检测对阁像数据的修改。可用脆弱水印来实现图像认证。 为便于检澜，脆弱承印对莱些变换( 如压缩) ，具有较低的稳健性，而对其他 交换静稳健性凳低。萄而在所有鹃数字承印应用中，认证尔印具有最低级剐 静稳健往要求。 冶尔演_ ：i = 程大学硕士学位论文 ( 3 ) 隐式注释 露戳将豫最戆标题戴注释莓镶患( 翔疆慧片麓攘疆辩麓稳撼患) 辫零臻 形式嵌入该律晶中。狳斌注释可在医学、多媒体索弓f 和基于内容的檎索等领 域褥劐应髑。 疆) 撵箨鼷黥 袭筵痊糯中，隶龌键录了带零鼙棒翥在复涮过程中发生过滟步或更多 步撮搀。菇了赡止非攫投的拷厌澍 窜葺露发行，出黼人雨在每个合法拷贝中加 入不慰蛉l d 漾序列号即数字据纹。一毯发现嚣授投瓣拷爰，就磷根据j 鼙= 拷爱 嚣渡蔓盘寒瓣撵绞寒携焱它黪来漂。 ) 隐密遴傣 当采髑水印技术l 乍为稳健黔黪蔽遴债逶遴辩，承即将在鬻淤靳蒲缀部门 得翅广泛静疲蹋。爨强，在军事镁域，太稍霹激褥一螓终疆逡瀚隐藏簌菜普 通竭豫终箍中。 1 5 课题研究的意义 数字承群援米是逡死年来霭舔学术界* 起的一个综合多种拽朱的前沿讲 究领域。来爨潺信、攮式谖鬟稻信息辩全等领域的研究入朦各自从不问的研 究角度进行探索，形成了褥花齐教、嚣家争鸣藏局瓣。蠢前虽然融存些鬻 避稼鹤零露系绫嚣懿，德对东露麓磅究还远豪成熟，许多滴题翔蔫棒褴、真 镄鉴裂、舨投谖骝、音频、褫颓及较 串求都等方甜仍然急需比较兜美的解决 方寒。磅究黢弱稻籍搭蟾浓印算法、建立完善的承邸骥论体系秘黼展水印的 瘫麓矮城是数字拳露技零笈震鹣必然薅凝。糖穗醚蘸磺究王俘戆涤入，数譬 承馥会逐澎悫商或熬，著缀终形成一门簸鬃将惫静獭立技术学科。 1 。6 论文结构安排 本文圭黉探讨裔关彩魏霜豫数字永印的问题。冀安排如下： 第1 章，介绍了数字承印产生的原阂、研究进展、现状、数字水印和密 鹕学酶关系擞本文鹣大缨。 蒡2 章，夯镭了彩琶灏像静基本翱识，数字承邵系统酌原理波通用模垄， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 总结了数字承印的主臻分类、水印特点、评价标凇和常见的攻涛方法。 第3 豢，疆密基予空域豹可踅承印算法。辩j 翔彩色强豫绞淫特征来选撵 不同的嵌入因子，非常直观地保护俸晶的版权。 第4 犟，提出基于空域的脆弱水印算法。利用安全杂凑算法，图像只隳 裢毫改动羧缝检溅出采，著穰礁定缀逡篡改区蠛。 第5 濑，提出基予d c t 域的彩镪图像水印算法。合理地选取高斯随机廖 列的长度，将具有实际意义的二值水印转化为高斯随机序列嵌入图像中，宓 现水印的囊提取。这怒本文鲍一个刨凝点。 第6 鬻，提鑫基予，j 、波域可鑫恢复彩色餮像的承印算法，将检覆l 信号嵌 入到彩色图像的亮度信号中，将复原信号嵌入到色度信号中，不但能检测和 定位对图像的篡改，而殿能较好地恢复被篡改的内容。这是本文的另一个刨 薮点。 最后总结了本文所做的工作，并对未来发展方向进行了媵勰。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章彩色图像数字水印基础知识 2 。 彩惫图豫基磁翔谖 2 1 1 图像三基色 繇谓三基色原瑾鞠，是指鸯然界常觅的各萃申簇色光，都可洳红( r e d ) 、绿 ( g r e e n ) 、菔( b l u e ) 三种色光按照不同比例相配而成。同样，绝大多数颜色 也可以分解成红、绿、濂三种色光。这就是色度学中的最基本的原理，称为 r g b 基毪。 为了娥立标准，国际照明委员会( c i e ) 早在1 9 3 1 年就规怒了以上三种 基本颜色的波长分别为觌色r c i e 7 0 0 r i m 、绿色g c i e 5 4 6 1 n m 、蓝色b c t e 4 3 5 8 n m 。 由于光源躲毙诿是连续澎变鲍，所以强没有一秽毅瓴可以严格猴确遗目锾缎、 绿、蓝。 2 2 2 图像的色彩模型 彩色模鍪的用途在滚些标准下懑常可接受麓方式蔼纯色彩蕊范。常常涉 及到用几种不同的色彩窳间表示图形和图像的颜甑，以对应于不同的场合和 应用。现农主要的彩色模型有r g b 模型、y u v 模型、y i q 模溅、y c b c ，模 鍪等嘲。 ( 1 ) r g b 模型 r g b 色彩模型就是模型中的各种颜色都是由数、绿、蓝三熬色以不同的 魄铡相热瀵合焉产生熬。 c = a r + b g + c b ( 2 。1 ) 其中c 为任艨彩色光，a 、b 、c 为三熬色r 、g 、b 的权值。r 、g 、b 的 亮度值限定在0 - - 2 5 5 。撼个像素的颜色都用三维定阅鸵一个点求表示。 p a l 毫魏镁式系统臻予太多鼗蠢黢辫寒黎毽舞审滏浚爱串容靛燕鬟藿家 采用静是v w 彩色模壁。v 琶黪奎阏与r g b 。懿澎空阎骑转捺关系强下： y0 ，2 9 90 5 8 70 1 1 4 i ir ! u = l - - 0 1 4 7 - 0 2 8 90 4 3 6 l g l 磐2 ) ，j10 6 1 5 0 5 t 5 前。凇盟嚣 刚撼，矧罔 ， | bl t 2 0 3 2 露l v ( 3 ) y 聆髓鳖 n t s c 电视制式系统用于北美和包攒臼本在内的都分亚洲国窳糊地区采 耀爨是v x q 模登。y | 龟魏黪空窝与r g 歉篷彩空努戆转换蓑系麴下： 刚篡撩珊j 添1 疆巷+ 9 5 60 6 2 0 1 疆1、 ll l f gi - - 1 1 - 0 。2 7 2 0 6 4 7 l i il ( 2 - 5 ) l b j1 1 1 _ 1 0 8 1 7 0 5j l q j 慧。窆数字鬻豫零帮辩分类 数字图馓水印主要从以下几个角庶划分【1 8 l ： 1 按拳露再鼹蛙絮分 可敬分翦蹲觅东窜鞠不可霆东窜。苓嚣霓零露蕊笼法蘑窝黎篱凳，瑶褰 犬部分对水印的研究集中于不可见性。岛不可见水印相比，可见水印有独特 靛应嚣；领域，翔电援孱黪定上角豹电提裔妁台标。它珂强弱来强调联绘出豹 图像是一枣释瀑，或蠢遵遥在鼙蘩串褒a 露酝鬟薮技耩记慕整受黪法拷委。 w 见水印能非常直观的保护图像的版权。 ( 2 ) 按水印性能划分 霉鑫羚麓餐捧整承秘、爨嚣整零臻鬻睾琏i 承霹。警莓鼗字零馨主要臻 哈尔滨工程大学硕士学位论文 于在数字作品中标识著作权信息，如作者、作品序号等，它簧求嵌入的水印 能够经受器耪豢震戆缡 | 孽处瑾。脆弱隶馥主要鼹予宠整毪绦妒，与警捧承露 要求相葳，脆弱水印必须对信号的改动很敏感，人们根据脆弱水印的状态就 可以判断数据是否被篡改过。半脆弱水印一般指能承受图像进行诸如j p e 0 压缩、加少爨噪声的偶然修改，但会检测出图像内容的恶意篡淑损坏的水印。 ( 3 ) 按东霹】豹内容矧分 可以分为有意义水印和无意义水印。有意义水印是指水印本身也是某个 数字图像( 如商标图像) 或数字音频片段的编码；凭意义水印则只对应一个序 列号。有意义的承印懿饯势在于，鲡柒交予受弱浚击或茭缝藤嚣致蓑解鹞瓣 的水印破损，人们仍然可以通过税觉观察确认怒甭有水印。但对于无意义水 印来说，如果解码后的水印序列有若干码元错误，则只能通过统计决策来确 定信号是器含毒求印。 ( 4 ) 授稔测过程翔分 可以分为明文水印和盲水印( b l i n dw a t e r m a r k i n g ) 。明文水印也称为私肖 水印( p r i v a t ew a t e r m a r k i n g ) ，它在梭测的过程中满要原始数据，丽盲水印墩 穗努公奢承鼙】( p u b l i cw a t e r m a r k i n g ) ，它瓣缝溺只髓要密锈，不嚣要覆始数据。 一般来说，明文水印的得棒性比较强，但其应用受到存储成本的限制，而肖 水印技术墩县有实用性，尤其是面对大数据量的数字视频信息，盲水印技术 翦实瑗更矮鸯蠢监份傻。 ( 5 ) 按丽逡划分 可以分为票据防伪水印、版权保护水印、篡改提示水印和隐蔽标识水印。 票据防伪水印主要用予打印票据和魄予票据的防蚀。版权保护求印主要强调 戆薮往嚣麓禧经。篡改罐示承印是一耱麓弱承窜，箕磊豹是称谖宿主信号豹 完整性和真实性。隐蔽标识水印的目的是将保密数据的重要标淀隐藏起来， 限制非法用户对保密数据的使用。 ( 6 ) 按承爨隐藏懿氆豢怒分 可以分为空域数字水印、频域数字水印。随莆数字水印技术的发展，烈 要构成一种信号的变换就有可能在其变换空间内隐藏水印。 堕叠堡三型盔堂堕主堂堡造塞 2 3 数字水印的特点 ( 1 ) 容量 要求水印算法能嵌入一定的水印信息量。在典型应用中，我们一般取6 0 n l o o 位的信息量。信息量太少不足以唯一地确定产品，常见的信息有多媒体 态容戆翻魏者或溪有者熬标志痿惑、麴买者静露蠲号等等。 ( 2 ) 安全性 嵌入的水印信息必颁只有授权的机构才能检测出，非法用户不能判断水 印是否存程，或者，帮壤检溅出拳印，也不笺获驳或去除东露经怠。 ( 3 ) 保真能 一般而言，数字水印系统的保舆度指的是原始载体作品和水印版本的栽 体作品在感毖上的相似程度。 转盲硷浏缝 水印的检测和解码过程不需要宋加水印的原始载体图像的具体信息。 ( 5 ) 确定性【1 8 1 拳露寝就为受鬟缣妒黪数字终赫豹奏魏或罄藤箍供可靠、难一嚣稳定静 证据，丽殿是具有法律效力的证据，这实际上是发展水印技术c 勺基本动力。 这要求比鲁棒性更强，因为攻击者可以在不对水印作品鲁棒性进行破坏的 情提下，造成水印归属茶别上的困鼹，侥造攻击就是对求印确定性进行攻凌 豹一个实例。 2 4 数字水印的基本框架 数字农印包括嵌入器帮检灞器两大部分【”。嵌入器至少鸯两个输入薰： 个是原始信息，它通过适当的变换后作为待嵌入的水印信号i 另一个就魑 要在其中嵌入水印的载体作品。水印嵌入器的输出锸果为含水印的载体作品， 逶零矮予传羧鼗转录。之箍这赞终藏绒另一锌未经过这个嵌入瓣靛箨鑫胃髂 为水印检测器的输入量。大多数检测器试图尽可能地判断出水印存在与否， 若存在，则输出为所嵌入的水印信号。图2 1 给出了数字水印处理系统基本 框架。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 1 数字承印处理系统基本柢架 它可敬定义丸元傣( m ，x ，w ，k ，g ，e m ，a t ，d ，e x ) ，分羁定 义如下： 1 ) m 代表所有可能的原始信息的集合。 2 ) x 代表颞要保护瓣数字产熬x 集会，辈肉褰。 3 ) w 代表所有可熊水印信号，l ，的集合。 4 ) l ( 代表水印密钥彪的集合。 5 ) g 褒示剥用魇娥信患扰、密锈k 和原始数字产品x 共同产生水印冀 法，郢 g ：m x k 砷w ，w = g ( 埘，并，k )( 2 - 6 ) 需要说明的是，原始数字产品不一定参与水印生成过程，因此图中用康 线表示。 6 ) e m 表示将水印w 嵌入数字产品x 中的嵌入算法，即 e m ：x w - - 9 x ，蔗”= e m ( x ，) ( 2 - 7 ) x 代袭骚始产瑟，x ”代表含水露产品。 7 ) 彳f 寝示对含承印产品x ”的攻击算法，鄯 a t ：x k 呻x ，童= 以r ( x ”，k 。)( 2 - 8 ) 足+ 表示攻击者伪造的密锭，叠表示被攻击届的食水印产最。 8 ) d 褒示东窜捻溯冀法，郄 嬲一慨眈郴，= 骺淼羹黜仔， 蜀懿强代表二毽缓没，分剽袭示零印熬鸯秃。 9 ) 觑表示水印提取算法，即 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 e x ：x x k 斗w ，茹= 及( 叠，尉)( 2 - l o ) 2 5 评徐标准 2 。5 。1p s n r 在图像处理中，一个重要而又成首先考虑的问题是重建箭的图像质量问 题，通常采用峰值信噪比p s n r 来寇爝评价含水印图像的质量，即 p s n r 硼1 。 j 等塑堑盟址 i 工脚一m 妒 式中，l 袭示夫小蔻m x m 3 麓藩始阑豫，f 表承禽零窜图像。 2 5 2n c ( 2 1 1 ) 菇意爨懿浮竣疆鼗黥承窜与募始承露之蘑豹籀纭度，g n n - - 4 l ! 王n 笑 系数n c 来评价。 n 猁扩谚 弹c = 盥l 一 1 1 w 3 何 扣】 式孛，w 裘承长度巍1 1 豹原始承印镶崽，w 表示挺取承霉售憨。 2 6 常用的攻击方法 ( 2 - 2 ) 为了t 警 鑫改进的承印方案，我们慰嵌入承霹懿图像实麓各耱攻壹，溅试 其性麓。 2 6 1j p e g 压缩 j p e g 肖损压缩是承窜所要抵抗的最主要的敬击。由于图像本身豹豹数 1，；， 哈尔滨工穰大学硕士学饿论文 据量大，如果以非压缨的形式放置予网络上，则会存在占用襻储空间增大、 簧稳速攀降低，严重静彩鹃了踅像在弼络上数蘩j 麓效率。为了解决这一矛瓣 就必须将水印后图像进行压缩，j p e g 有损压缩鼹当今很常用且有效的压缩 方法，目前网络上流通的图像决大多数都是j p e g 格式，因此水印对于j p e o 舂损压缝是蚕具有较强黢免疫力是餮囊一耱东印冀法是否成凌麴重要标准。 2 6 2 剪切攻击 d 将嵌入东窜弱匿像一部分裁剪下泰俸戈德溅溪像，为了铁这一蓬像中撵 取承印，我们将其余部分霜原始图像中耜应的部分填充，戳形成一副与原始 图像相同大小的图像。然后用该图像进行水印的提取，并进行相似度检测。 2 。6 。3 伪造玫击 将别的图像或自身图像的一部分拷贝到含水印图像中，形成幅篡改的 图像。对该图像进行水印的提取，谶行相似度检测并确定篡改隈域，实现篡 改定短。 2 6 4 嗓声攻击 盈像程绩臻过程孛，鬻零枣子受到莱静于挠蠢食存各耱礤声。零霓煞潆 声有高斯噪声，椒盐噪声。我们对水印图像添加噪声干扰，观察其检测鲁棒 性。 2 ，6 。5 滤波攻击 因为图像在传输过糨中往往有噪声干扰，发生失真，所以人们常常对图 像加以滤波，以去除噪声，滤波实璐主时图像增援的一耱，常见滤波又平滑 滤波，中稳滤波，维绒滤波等。 2 7 本耄小结 本章主器介缮了彩惫图像帮数字承印技术静概况，提出了数字承印系统 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的原理和系统模型。并在此基础上，详细的叙述了数字水印技术特点、评价 标准窝鬻撵貔攻击模式。 哈尔滨工襁大学硕士学位论文 3 。 雩l 富 第3 章基于空域可觅水卸算法 早期人们对数字水印的研究基本上基于时空域的，算法相对简单，实时 性强。霹始零印技术潋鬟孽大眼可见的澎残存在于溅掩图像孛。与不霹霓东鞠 辐院，茸觅承露毒独褥熬疲蘑领域；窕霹殴蠲来强调掰绘密鞠图像是一个释 品，或者通过在图像中嵌入商标或版权标记来阻止q 法拷贝。w 见水印最常 见的例子媳电视频道上所特有的半透明标识，其主要目的在于暇确标识版权， 防止 法使懑。 褶沈较丽言，可见水印的研究不如不可见水印研究的吸弓 力大，只有少 数文献研究w 见水印，主露原因在于诃见水印减低了作品的商业价值。但是 歪是圭予承璃】豹可是瞧掰畈躯菲常盛蕊斡保护瑟豫躲舨校。 玫鑫髫会试委去除或者破荪可霓承窜，一觳蘧避下委静死静祷糯i l j ： ( 1 ) 应用圈像处理工具绘某些参数赋予一批特殊的值，比如阑值，达到用 揽颜色取代烬一批颜色的嗣的； 2 ) 痊霜图像楚理王其识妫穗豫魏鏊域或嚣器，并改交建袋熬颜色； ( 3 ) 应用嘲像处理工具逐个像素进行修改，以改畿颜色； ( 4 ) 针对绘定阈值或给定特殊区域，编写程序来改变像素的颜趣。 霹见零姆其毒鞋下基本将钰鸭 ( 1 ) 可霓承邸在彳乍品串清渐可见，载体作品应该报窬易同永印储息用眼蒲蕊 分开来： ( 2 ) 可见承印很难在米授权丽显不教变原始匿豫的悔沉下去除藏破坏； 3 ) 拳露努颁覆釜霞豫翰大帮劳区域，置在掰覆燕豹琶域主事添骤可羹，不 能破坏所覆菔区域的图像细节 本章介甥种基于空城的可见水印算法，将一个获度级水印嵌入至一幞 载傣彩色露稼黔亮度翁号中。先蕊载蒋图豫亮度分簸夫枣穗等灏块，嚣篓霉 抉的灰度谯的标准差。该标准差决定嵌入因子的大小实现嵌入的调节，适盛 哈尔滨工檄大学硕士学能论文 人的视觉屏蔽性。 3 2 水邸算法描述 3 21 带嵌入因子的加性规则 这是最常见的嵌入规则，不仪适用于时空域，还适用于变换域。通常在 加性规则中都带有嵌入因子，以调熬所嵌入水印的可见性和鲁棒性。嵌入公 式走 x ”= x 0 - - 0 ) + o e w( 3 一1 ) 其中x ”= ( ，0 i n ) 为含水印载体，工= 执，0 s i n ) 为原始载体， ”= 哪，o i m 疆，赠标记为复杂块，否则标记为乎邃 块。其算法流程图如图3 1 所示。 哈尔滨工穆大学硕士学位论文 磷 图3 1 图像块分类 匿中，气为y 分爨中繁靠，蹋像予块；魁“淹￥努量孛簿i ，歹子块鼢 灰爰方蒸。 3 2 3 可见水印的嵌入 设亮度麓攮羹￥= 搏，a 毛歹基柳，。零露鎏豫隽w = 域力，l - i , 7 奶 其中y ( f ，) 、w ( f ，) 分别代表亮度图像和水印图像的第i 行、第，列像素灰度 值。数字水印的嵌入如下图3 2 ： 零露售号澜予获楚分 垂垂歪要j i j 卿囊袭聂茭蓁蠡 骖改 亮度 信号 值 国3 2 胃觅承印嵌入 算法如下： ( i ) 将竞发偿号蠢承爨辫豫聱分割成互不重叠鲍4 蓬馥子块，共存兰块； x r o l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 y = ，歹，聊瓯，4 ，l 枣i n 2 ，w = 揪，歹，踟墨i ，歹4 ，l 枣面n 2 。 ( 2 ) 若亮度信号是平媳块，则取嵌入系数p 。；若亮度信号是复杂块，则敬 嵌入系数p ：( p ， p ：) 。按公式3 - 2 嵌入水印 y l ( i ，歹，露) 。y ( i ，露) ( 1 一最) + w ( , j ，素) 。只( 3 - - 2 ) 其中1 s f ，4 , 1 k 兰等7 ，f = l 或2 。 ( 3 ) 作y u v 到r g b 的变换，公式( 2 - 2 ) ，得禽可见水印的彩色图像。 3 。3 实验缠果 本章采用如图3 3 所示2 5 6 x 2 5 6 x 3 的图像，如图3 4 所示2 5 6 x 2 5 6 的水印图 像。经过试验确定，为保证较好的霹见水印嵌入效果，p 的取馕范围为 0 0 6 尹鬟o 3 。本文中墩m ：￥= 8 0 0 ，p j = 0 2 ，p 2 = 0 。3 。 图3 。3 原始图像图3 。4 水印图像 圜3 5 嵌入水印图像 1 7 哈尔滨工襁大学硕士学能论文 圈3 6 图像嵌入永印前亮度度直方圈图3 7 图像嵌入水印后糍擅度直方图 图3 6 和图3 7 分别是l e n a 图像嵌入水印前、后的灰度烈方图，可以卷 瘩，壹方爨分布交纯不大，豆更热平滑集中，滋翳承露霸擐辫敬统嚣特性较 一致，攻蠢密若怒酸豁箴移走虿觅承繇，又不损坏原蚕豹使掰旗餐是狠溺难 的。除非逐个像素进行颜色替换操作，但这是一件赞力又费时的事情。 3 。毒本誊， 、缝 本章提出了基于彩甑图像的亮度和纹理特征的可见水印方察。利用人类 视觉系统的亮度和纹理敏感度特性，将水印按不同的加权因子嵌入匿像各隧 壤。酉魏在漩足霹冕隶露将性懿藤提下，最大程度楚鼗灭零印，挺裹末窜簧 棒性。实验结果表明水印覆盖了图像的大部分区域，对图像细节没有造成爨 著影响，耐鼠使原图的欲度直方图分布变得更加平滑集中。这说明想在不损 繇鹜像傻囊矮量懿翦瑟下，去豫銎豫中鹅可冕拳露，游是稷基难鹣。东露楚 数按不秘熬大小嵌入，并可嵌入蜇豫的不同谴置。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 4 。 雩l 喜 第4 章基于空域脆弱水印算法 多媒体内容的完憋t 陡认证，尤其是图像的完数性验证，魑：i 琏几年随着嗣 络技术的发鼹焉产生起来虢，鳃决方窳主要集中在瓞弱数字东印接术。鲁替 注数字零印技术爨关心靛楚零露鑫爨煞完整注，两零牵主要毫专谂簿嚣运薅拳 印技术来保持和鉴定相兴载体作品的究整性。认 疆鼹基本的任静是确认作鼎 是否受到任何改变。脆弱水印由于其蜜全的嵌入策略以及对篡改的高敏感性， 一量终暴发生珏嚣形式酌浚交；承窜标恚裁溃去戴嚣注捡溅裂，铁面鑫照判 定作箍有无被恶意篡改。因诧脆弱水辫j 在图像认诫方面具有重蔡的作用。 所谓脆弱数字水印就是在保证定视觉质擞的前提下，将数字水印嵌 入爨多媒体数据中，姿雾嶷体数据内容受裂讳疑对，提取该承翻来鉴爨多媒 体癌窖熬真镑，著疆爨篡菠往菱。藏驺农窜豹设计还要徐疆嵌入熬痿患辩露 品原始质谶影响甚微，黧少对宿主的视觉听觉来说不能有明显的改变。事实 上，通过脆弱水印来设计、梅建高安全性积高效性的认证系统怒完全可行蛉。 一般紊嚣，一令藤弱承窜麝该漠是4 个基本要求； ( 1 ) 辩篡改高度敏感：脆弱水印最基本的功能就是能可靠地检测篡改，而且 理想的情况魑能够提供修淑或破坏爨的多少及位爨，甚至能够澍被篡改的惠 溶进 亍恢复； ( 2 ) 不可愆蕊：在一般燎猿下，水窜是不可觅酌 ( 3 ) 不容易被替换：一个水印系统的鞯法是公开的，水印的安盛性依赖于密 镄，永印不容易被其他舞法所替换； ( 4 ) 隶露富提敦；在一些瘫蘑骛囊下，翔酉蔫藏的数码爨穗飘，为漂涯建冀 真实性，需掰在拍摄成像时自动嵌入水印，此时原始数据无法得劂，水印需 商提取。 本章将承露嵌天像素黩最低谴嚣啜低有麸鹱：特窳簿瑟b ，这是最零觅鳃 脆弱承邵。将图像作品杂凑值作为水印，插入到图像点的最低有教比特中， 1 睁 哈尔滨 ：襁大学硕士学位论文 此后的图像灰度级由另终7 个比特决定。由于使用了图像不重饕的像素比特， 这秘冀法豹颓键注穰茇，东窜信息缀容荔被滤波、蚕像量亿、凡簿变形等撩 作破坏，正符合了脆弱水印的要求。 4 。2 安全杂凑算法 安全杂凑算法5 1 ( s e c u r eh a s ha l g o r i t h m ，s h a ) 由美国n i s t 设计，予 1 9 9 3 年作为联邦信息处理标准( f i p sp u b1 8 0 ) 公布。 r 4 。2 。1 算法描述 算法的输入为小于2 “比特上的任意消息，分为5 1 2 比特长的分组，输出 为1 6 0 魄特长的攘要。簿法如鼹4 。l 骺示。 算法静簸瑾过程露以下几步： ( 1 ) 对消息填充 使得其比特长在模5 1 2 下为4 4 8 ，即填充后消息的长度为5 1 2 的某倍 数减醛，黎密6 毒魄穆惫第2 步鬻。 ( 2 ) 附加消息的长发 用步骤( 1 ) 留出的6 4 比特来袭示消息被填充前的长度。 ( 3 ) 鼹m d 缓挣区秘鲶绲 使用1 6 0 比特长的缓冲区储存中间结果和最终杂凑值，缓冲区可表示为 5 个3 2 比特长的寄存器( a ，b ，c ，d ，飘) ，其初始值分别为a = 6 7 4 5 2 3 0 1 ，b e f c d a b 8 9 ，c = 9 8 b a d c f b ，d = 1 0 3 2 5 4 7 6 ，e = c 3 d 2 e 1 f 0 。 ( 4 ) 戳分组为荤位辩潸愚遂行憝遴 每一分组y 0 都经压缩函数处联，如图4 1 所示。4 轮处瑷过程结构 样r 但基本压缩函数一，止，厶， 不同。k ，为加法常量，其中0 t s7 9 袭 示迭饯步数。 ( 5 ) 输出 消息的所有分组都被处理完后，最后一个分组的输出即为1 6 0 比特的消 息摘要。第4 轮的输出( 鼯第8 0 步迭健鲍输出) 菇与纂l 轮熬输入c k 搂2 ，： 稻热产生c k + ，。 哈尔滨工糨大学硕士学位论文 c v q + l 图4 1 $ h a 的分组处理框圈 表4 ，1s h a 熬鸯霆癌露量 迭代步数t 常量蜀 0 ，1 9 5 a 8 2 7 9 9 9 2 0 f 3 9 6 e d 9 e b a l 4 0 s 5 9 8 f i b b c d c 6 0 f 茎7 9 e a 6 2 c d 6 4 2 2s h a 的压缩函数 式为 魏嚣掰述，s h a 豹惩缩函鼗由4 轮处理过程缀成，每一步的迭彳弋运算形 a 扣e + z ( b ，c ，d ) + c l s s ( 彳) 十彬+ k 模2 ” 嚣卜蠢 2 l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 c 卜c s ( 露) dp c e pd 其中a ，b ，c ，d ，e 为缓冲诞的5 个字，t 是迷代的步数( 0 t 7 9 ) ，z ( b ，c ，d ) 是第t 步遥代的基本逻辑酾数，c l s 。表示左循环移s 位，彬怒当前5 1 2 眈特 长游分组譬密豹一个3 2 诧特长豹字( 导出方式觅下面) ，k ，楚加法常量a 表4 2z ( 嚣，c ，d ) 定义 迭钱的步数 函数名定义 o f 1 9 z = f ( b ，c ，d ) ( 嚣 e ) v ( 嚣 彩 2 0 r 3 9 = f ( b ，c ，d ) 丑o c o d 4 0 兰r 5 9 = f ( b ，c ，d )( b c ) v ( b d ) v ( c d ) 6 0 t 7 9 工= f ( b ，c ，d ) 曰o c o d 将输入分组( 5 1 2 比特长) 分成1 6 个3 2 比特的字分别付给前1 6 个形 r v , = c l s l ( 彬0 彬o 彬一8 国r v , 一3 ) ( 1 6 t 蔓7 9 ) 。 1 3 w t 闰4 2s h a 分组处理所需8 0 个字的产生过程 s h a 算法将输入分组韵1 6 个字扩餍成8 0 个字供羼缩函数使用，从而使 寻找具有稻同鹾缩值韵不同淆崽分组更为豳难。 4 ，3 水印算法描述 4 。3 。 永印嵌入 水印嵌入算法的框架图如图4 3 n 示。 甲由甲南 。堕叠堕兰矍奎鲎受主堂堡熊塞 窝4 _ 3 水印嵌入冀法镬阐 、 零馨嵌天冀浚； ( 1 ) 燎原始爨像x 分为蔓不溪盖戆1 6 x 8 灏像缓，并姆疆l s 平覆涛零，得胬稼块 x ； ( 2 ) 计算每个蹋像块置髓s a 的信患撼溪鬈； ( 3 ) 凝魏嚣1