（信号与信息处理专业论文）抗打印扫描图像水印技术的研究与实现.pdf

中文摘要 摘要：数字水印是信息隐藏技术的一个重要分支。它是将具有特殊意义的数字标 识加入数字媒体中，可用来判断和识别数字媒体的版权所有、验证产品的真伪以 及标记侵权产品。被嵌入的水印信息一般是不可见的，可以通过一定的计算操作 检测或是提取。其中，嵌入的水印信息可以是版权标志、产品相关信息或是用户 序列号等。印刷证件防伪问题在当今社会愈加重要。本文研究的主要内容就是将 数字水印技术应用于印刷证件防伪领域，设计了一种能抵抗打印扫描过程的图像 水印算法。 本文在结合现有文献的基础上，首先分析了数字图像在经过打印扫描后的像 素失真情况和几何失真情况。针对像素失真，设计了对比度拉伸变换和亮度变换 相结合的方法予以校正；针对几何失真，设计了r a d o n 投影变换和三次内插法相 结合的方法予以校正。实验结果表明，经过校正的图像有利于提高了水印检测的 正确率。 本文又分析了离散余弦变换域系数在图像打印扫描前后的变化情况，找出离 散余弦变换域系数符号改变量较少的区域作为水印的嵌入位置。结合图像的校正 方案，设计了基于d c t 的抗打印扫描图像水印算法。该算法在水印嵌入过程中采 用了自适应的方法，在保证水印鲁棒性的情况下同时满足不可感知的要求。经实 验验证，该算法对打印扫描攻击具有很好的鲁棒性，对其他一些常用攻击也有较 好的鲁棒性。 关键词：数字水印；打印一扫描；像素失真；几何失真；离散余弦变换 分类号：t n 9 1 1 j 京交道太堂亟堂僮i 金塞垦量! 基! a bs t r a c t a b s t r a c t ：d i g i t a lw a t e r m a r k i n gi s a n i m p o r t a n tb r a n c h o fi n f o r m a t i o nh i d i n g t e c h n o l o g y i tp u tas p e c i a ld i g i t a li d e n t i f i c a t i o ni n t ot h ed i g i t a lm e d i a i tc a r lb eu s e df o r a s s e s s i n ga n di d e n t i f yt h ec o p y r i g h to ft h ed i g i t a lm e d i a g e n e r a l l y , t h ew a t e r m a r k e d i n f o r m a t i o ni si n v i s i b l ea n dc a nb ed e t e c t e da n de x t r a c t e db ys p e c i a la l g o r i t h m i tm a y b et h em a r ko fc o p y r i g h t ，t h ei n f o r m a t i o no ft h ep r o d u c to rt h es e r i e sn o o ft h eu s e r t h ep r o b l e mo fp r i n t i n gp a p e r ss e c u r i t yi sb e c o m i n gm o r ei m p o r t a n ti nm o d e ms o c i e t y i nt h i sd i s s e r t a t i o n , t h em a i n l ys t u d i e si st h a td i g i t a lw a t e r m a r kt e c h n o l o g ya p p l i c a t i o n t op r i n tp a p e r ss e c u r i t yf i e l d ，ak i n do fi m a g ew a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mw h i c hc a nr e s i s t t op r i n t s c a np r o c e s si sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e d b a s e do nt h el i t e r a t u r er e v i e w , t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y z e st h ep i x e ld i s t o r t i o na n d g e o m e t r i cd i s t o r t i o no fd i g i t a li m a g et h r o u g ht h ep r i n t - a n d - s c a np r o c e s s f o rp i x e l d i s t o r t i o n ，i tc a r lb ea d j u s t e db yc o n t r a s ts t r e t c h i n gt r a n s f o r m a t i o na n dl u m i n a n c e t r a n s f o r m a t i o n ；f o rg e o m e t r i cd i s t o r t i o n , i tc a nb ea d j u s t e db yr a d o nt r a n s f o r m a t i o na n d c u b i ci n t e r p o l a t i o n t h ee x p e r i m e n tr e s u l t st h a tt h e s em e t h o d sc a ni m p r o v et h ea c c u r a c y r a t eo ft h ew a t e r m a r kd e t e c t i o n b a s e do nt h ea n a l y s i so fd c tc o e f f i c i e n t s o fo r i g i n a l i m a g ea n d a f t e r p r i n t a n d s c a n f i n dt h ea r e 目tw h e r ed c t c o e f f i c i e n t sc h a n g el e s s ，a n du s e di tt ob et h e l o c a t i o nt oe m b e dt h ew a t e r m a r k i n g c o m b i n e dw i t ht h ei m a g ea d j u s t m e n tm e t h o d s ，a k i n do fi m a g ew a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mb a s e do nd c t w h i c hc a nr e s i s tt op r i n t - a n d - s c a n p r o c e s si sd e s i g n e d i nt h i sa l g o r i t h m ，u s i n gt h ea d a p t i v em e t h o dw h e nw a t e r m a r k i n g e m b e d d i n gp r o c e s s ，i ts o l v e dt h ec o n t r a d i c t i o n so fr o b u s t n e s sa n di m p e r c e p t i b l e t h e e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w e dt h a tt h i sa l g o r i t h mc o a l b e t t e rr e s i s tt ot h ep r i n t - - a n d 。s c a n a t t a c k sa n da l s oh a v eac e r t a i nd e g r e eo fr o b u s t n e s st oo t h e ra t t a c k s k e y w o r d s ：d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ；p r i n t a n d - s c a n ；p i x e ld i s t o r t i o n ；g e o m e t r i c d i s t o r t i o n ；d c t c 1 a s s n o ：t n 9 1 1 i v 致谢 本论文的工作是在我的导师丁晓明副教授的悉心指导下完成的，丁晓明副教 授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两 年来丁老师对我的关心和指导。 感谢倪蓉蓉、裘正定、孙冬梅、章春娥等老师悉心指导我们完成了实验室的 科研工作，在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向几位老师表 示衷心的谢意。 在实验室工作及撰写论文期间，杨自柱、张强、程宝田等同学对我论文中的 抗打印扫描图像水印研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 1 选题背景与研究意义 1 引言 在多媒体信息技术飞速发展的今天，许多图像是通过印刷的方式产生的，随 之也出现了很多高质量的图像输入输出设备如激光打印机、高精度扫描仪、复印 机等。这些印刷图像与人们的日常生活息息相关，给我们的生活和工作带来了极 大的便利。但随之而来的副作用也很明显，通过印刷产生的图像如商标、证书、 证件、书刊、名片等，这些印刷品易被复制和非法篡改，从而影响到了人们的正 常生活以及版权所有者的利益。因此，这些印刷图像的版权保护就称为了急待解 决的问题。在已经出现的防伪手段中，如激光防伪、电话电码防伪等，这些方法 起到了一定的防伪作用，但是这些防伪方法都具有很高的成本，为这些防伪手段 的广泛应用带来了巨大的困难。因此，人们希望能够找到一种能够有效保护版权 所有者利益并且成本较低的防伪手段。 数字水印技术作为信息时代飞速发展的产物，已经得到了防伪领域研究人员 的广泛关注。早起的数字水印技术主要应用在数字媒体领域，随着假冒伪劣现象 的日益严重，研究人员开始考虑将技术含量高且应用成本较低的数字水印技术用 于印刷品的版权保护的可行性。数字水印技术是通过一定的方法将含有重要信息 的水印数据嵌入到需要保护的多媒体数据中，从而达到版权保护的目的。嵌入的 水印数据可以是图像、音频、视频等任何一种数字媒体，其包含的信息可以是原 作者的姓名、序列号、还有特殊意义的图像等。与加密技术相比，数字水印技术 虽然不能完全阻止盗版行为的发生，但可以判断受保护的数据是否已被篡改，并 未版权纠纷案件提供证据。 当今社会，人们的生活中用到了许多证件，像是学生证、老年证、护照等。 这些证件都关系着本人及社会的利益，但是伪造证件的现象常有发生，严重侵害 了各方的利益。例如：大多数证件都有持有者本人的照片，可以通过数字水印技 术将持有者的姓名作为水印信息嵌入证件照片中，当有人想通过更换照片来伪造 证件时，就无法在扫描后的证件中检测出正确的信息，从而证明证件是伪造的。 1 2 数字水印技术应用于印刷品防伪的优势 将数字水印技术应用于防伪印刷领域与传统的防伪技术相比，有其特殊的优 势： ( 1 ) 数字水印技术具有不可感知性，因此可以隐藏嵌入被保护数据的水印信 息，只有通过特定的算法或检测设备才能提取或检测出水印信息。 ( 2 ) 隐藏的水印信息可以是包含特定的有意义信息，如作者的姓名、产品的生 产日期、序列号等。用户可以根据不同的产品嵌入不同的信息，这样在检测时可 以从印刷品中检测出水印信息的实际内容。 ( 3 ) 由于不同的水印算法，水印信息的嵌入位置也不同，这种不同也使伪造者 难以进行仿冒伪造。 ( 4 ) 数字水印技术含量高，其技术难以掌握。但是其防伪成本较低，无需增加 印刷成本和改变生成工艺流程。 ( 5 ) 可根据每个产品的不同特性设计一整套专用的软件，防伪信息可以动态变 化，轻松实现升级换代。 ( 6 ) 数字水印难以被破坏和篡改，有较强的环境适应能力。一般的恶意破坏不 会影响到水印信息的检测。 ( 7 ) 与其他防伪技术互不干扰、互相兼容，可用于组合防伪。 1 3 本文研究的问题和主要工作 本文主要工作是针对证件防伪应用，研究与实现抗打印扫描攻击的图像水印 技术。具体而言，主要有以下特色性的工作： ( 1 ) 首先对数字水印技术做了较为详细的介绍，并对数字水印技术的典型算法 进行了描述。通过查看相关文献，介绍了抗打印扫描数字图像水印技术的研究现 状，并对已经出现的抗打印扫描数字水印算法进行了分析。 ( 2 ) 通过一幅测试图像完成了对打印扫描后图像所出现的像素失真和几何失 真分析，并用亮度变换和对比度拉伸的方法对图像的像素失真进行校正；用r a d o n 变换、三次内插等方法对图像的几何失真进行校正。分析图像d c t 系数在打印扫 描前后的变化情况并寻找合适的嵌入位置。 ( 3 ) 通过对l e n a 灰度图像在经过打印扫描前后d c t 系数的具体变化情况，提 出并实现了一种基于d c t 的抗打印扫描图像水印算法。实验过程中，首先利用水 印测试序列对算法进行测试，目的主要是为了寻找水印信息的最佳嵌入位置，使 水印有更好的鲁棒性：然后将原始水印图像嵌入选定的d c t 系数内。实验结果表 明，该算法具有良好的抗打印扫描的攻击，并对其他常见攻击有很好的鲁棒性。 1 4 本文的结构安排 2 本文内容分为以下五章： 第一章引言。介绍了本文的研究背景及研究意义。并简单描述了将数字水印 技术应用于印刷品防伪领域的优势。给出了论文的主要工作内容和各章节介绍。 第二章数字水印技术综述。对数字水印技术进行了介绍，描述了数字水印系 统的基本框架、数字水印技术的分类及特征：对数字水印技术的典型算法进行了 介绍，主要包括空间域算法和变换域算法；阐述了数字水印系统的性能评估标准。 最后介绍了目前已有的抗打印扫描图像水印技术的研究方法。 第三章数字图像的打印扫描过程分析。首先介绍了打印过程和扫描过程对图 像的影响，之后分别对打印扫描过程中所引起的图像像素失真和几何失真进行了 分析。并通过实验介绍并验证了采用对比度拉伸变换和亮度变换可以有效校正图 像的像素失真，利用r a d o n 变换和三次内插法可以有效校正图像的几何失真。对 打印扫描前后的d c t 系数变化情况进行了简单的介绍。 第四章在第三章分析和实验的基础上，研究并实现了一种基于d c t 的抗打 印扫描图像水印算法，其中结合了第三章的亮度变换、对比度拉伸变换、r a d o n 变换等方法组成了待检测图像的预处理过程。经过水印测试序列和最终嵌入的水 印图像的验证，该算法具对打印扫描攻击有较好的鲁棒性。 第五章对本文的工作进行了总结。并分析了算法再实际应用中的局限性，提 出了进一步的研究方向。 1 5 本章小结 本章首先介绍了本文的选题背景和研究意义。对数字水印技术应用于印刷品 防伪领域的优势进行了描述。介绍了本文的重点工作将是设计一种抗打印扫描的 图像水印算法，将有利于证件防伪的应用。最后对本文的工作和结构安排做了概 括性的介绍。 2 数字水印技术综述 数字水印技术是信息隐藏技术的一个重要分支。它是将具有特殊意义的数字 标识加入数字媒体信息中，可用来判断和识别数字媒体信息的版权所有、验证产 品的真伪以及标记侵权产品。被嵌入的水印信息一般是不可见的，可以通过一定 的计算操作检测或是提取。其中，嵌入的水印信息可以使版权标志、产品相关信 息或是用户序列号等。 2 1 数字水印系统的基本框架 根据v o y a t z i s 和p i t a s 1 提出的思想，对数字水印做如下介绍。不同形式的原始 水印信息可表示为： 形= c o ( i ) c o ( i ) u ，f w a ， ( 2 - 1 ) 其中，形d 表示维数d 的水印域，d = 1 ，2 ，3 ，缈- 、肜：、s 分别表示声音 水印、图像水印和视频水印；u 表示水印信号的值域，可以是二值水e n ( u = 0 ，1 ) 或 u = 一1 ，1 ) ) 或者实数水印( 例如高斯水印【3 】或均匀分布 4 】的水印) 。用f ( 矽) 表示 嵌入过程中变换后的水印信息过检测提取过程中的水印信息。 数字水印系统的基本框架可表示为六元组( x ，矽，k ，g ，e ，d ) 。 ( 1 ) x 表示待嵌入水印的载体集合，即所要保护的数字作品。 ( 2 ) w 表示原始水印信息。 ( 3 ) k 表示水印算法的密钥。 ( 4 ) g 表示水印的生成算法，与载体数字作品x 和密钥k 有关，即 g ：戈k 专矿或1 4 = c ( x ，k ) ( 2 - 2 ) ( 5 ) e 表示水印的嵌入算法，即 e ：x k wj x 或瓦= e ( 蜀，w ，k ) ( 2 - 3 ) 其中，e ，表示嵌入水印后的数字作品。 ( 6 ) d 表示水印的检测算法，即 d ：x k - - 4 0 ，1 ( 2 - 4 ) 其中， 则朋= l 嬲 q 和风表示二值假设检验，分别表示水印的存在与否。 上面介绍了水印框架的基本六元组以及在一般情况下满足的基本条件。在实 际的应用中，数字水印系统主要由三部分组成：水印生成、水印嵌入和水印提取 和检测【5 】。 ( 1 ) 水印生成 水印信号形可以包含一定的隐藏信息，例如作者信息、数字产品的标识、用 户标识、公司图标等。隐藏信息一般要经过加密处理，并保证生成水印信号的惟 一性、不可逆性、有效性和图像的相关性等特征。我们可以利用加密系统、伪随 机数序列或混沌系统来生成水印信号。一般将水印生成函数g 分解成两个部分： g = to r 其中： r ：k i f - ，t ：i f , x x x k 一 子算法r 的输出是通过密钥k 的产生的原始水印信息旷w 。当r 基于伪随 机数的水印生成算法，密钥k 则代表伪随机数发生器的种子。当r 是基于混沌系 统的水印生成算法，密钥k 通过许多条件经适当变换而产生。运用上述两种水印 生成算法都能满足密钥的惟一性，同时满足生成算法的不可逆性和水印信号的有 效性。子算法r 用于修改原始水印来获得与数字作品相关的水印形。 ( 2 )水印的嵌入 水印的嵌入过程如图2 1 所示。 i 鬻钥卜一 承 国 | 摩溺舞趣卜_ 一 鬣 一承邵载体璐黎 入 瓣 滤 | 虢髂对蒙卜一 图2 - 1 水印嵌入框图 f i g u r e2 - 1w a t e r m a r ke m b e d d i n gd i a g r a m 水印嵌入是把水印信号矽= ( f ) 嵌入到原始数字作品x = ( f ) ) 中的过程。 一般情况下，将水印的嵌入规则表示如下： 石。= x o ( i ) 0 h ( o e w ( i ) ( 2 - 5 ) 式中0 表示叠加操作，h = 向( f ) ) _ 一般表示水印的嵌入强度。水印嵌入的常见 规则有如下两种： ( f ) = x o ( i ) + h ( i ) w ( i ) ( 加法规则) ( 2 - 6 ) x o ) ( f ) = x o ( i ) ( 1 + 办( f ) ( f ) ) ( 乘法规则) ( 2 - 7 ) 其中，x 不但能够表示经过采样之后的幅度( 时域) 6 】 7 1 ，还可以表示经过各 种变换之后得到的变换域系数 8 】 9 】【1 0 1 。h 通常表示嵌入水印的强度。嵌入水印的强 度越大则水印信息越稳健，但如果太大也会影响水印的不可感知性。因此水印嵌 入是稳健性与不可感知性的折衷。为了得到这个最佳的效果，一些研究人员利用 人类感知模型来得到水印加权h 的最大值。对不同类型的数字载体( 如图像或音 频) ，相应的h 可以根据人类视觉系统【1 1 】【1 2 】【1 3 【1 4 】或人类听觉系统1 5 【16 】的空域时 域伪装或变换域的临界门限计算得到。 ( 3 )水印提取和检测 水印的提取过程是水印嵌入过程的逆过程，是指根据具体应用的要求检测水 印的存在性以及进一步恢复出有意义的、可视的水印信息。根据是否需要原始数 字作品x ，水印检测算法d 可以分为两类：需要原始数字作品的方法为非盲水印 算法，不需要原始数字作品的方法为盲水印算法。图2 2 、图2 3 分别表示水印信 息提取框图与水印信息检测框图。 i 霞镯卜一 敷 国 教 i 咖闷髓# 黔飘 檄l 。 援 国 l 矾剐械蹲删灞：魏校 辣惠 法 ! 。”“2 24 8 ”4 ； ；搿始栽镶对辍0 啼 。j 图2 - 2 水印提取框图 f i g u r e2 - 2w a t e r m a r k i n ge x t r a c t i o nd i a g r a m i 鬻钢卜一 艨娥拳霖 水 i 印 | 承留载体对象l - 稔 嗣 水印稿总 浏i 薜 法 辩鞘瓣 _ 图2 - 3 水印检测框图 f i g u r e2 - 3w a t e r m a r kd e t e c t i o nd i a g r a m 此外，在水印检测过程中存在两种错误： i 类错误：在无水印信息的载体数据中检测出水印信息( 虚警) 。 i i 类错误：在有水印信息的载体数据中没有检测出水印信息( 漏警) 。 i 类错误发生的概率称为虚警概率，i i 类错误发生的概率称为漏警概率。一 般情况下，水印检测首先是水印提取，然后是水印判决。通常的水印判决策略主 要有相关性检测、最大似然检测及最大后验概率检测，针对特殊的水印嵌入算法， 还可使用统计检测等方法。比较常用的是相关性检测。首先选择一个相关性判决 的标准，然后计算提取出的水印去指定水印信息的相关值，若相关值高，就可以 基本判定被检测的数据含有水印信息。 2 2 数字水印的分类及特征 2 2 1 数字水印技术的分类 根据出发点的不同，我们可以将数字水印分为很多种，但是它们之间也有着 联系和区别。常见的分类方法有以下几种 1 8 】： ( 1 ) 根据数字水印嵌入的载体不同，可以把水印区分为图像水印、文本水印、 音频水印、视频水印。随着数字媒体技术的飞速发展，各式各样的数字产品不断 涌现，水印嵌入的载体也呈现出多样化的趋势。 ( 2 ) 根据水印可见性可以把水印分为两类：可见水印和不可见水印 19 1 。可见 水印就是在视觉上可以直接看到的水印，就像嵌入或覆盖到数字媒体上的水印信 息。很多图像应用可见水印，譬如货币上的有形图案、电视节目中使用的半透明 标识。不可见水印是指嵌入到图像、音频或是视频中的水印信息在表象上是不可 察觉到的。如果遇到版权纠纷的问题，创作者可以通过提取到的水印信息来证明 该产品的所有权。 ( 3 ) 根据水印的特性，可分为鲁棒水印和脆弱水印。鲁棒数字水印要求水印 能够经受各种常见的操作，无论该操作是无意的或是恶意的，数字水印信息都能 够被提取或是检测出来。鲁棒水印的主要应用包括解决版权争议、设置用户标识、 进行数据管理等。脆弱数字水印要求对水印载体的变化很敏感，水印信号在载体 经过处理后会缺失或改变，主要用于数据的完整性保护，判断数据信息是否被篡 改。 ( 4 ) 根据水印的检测方法可分为盲水印和非盲水印。在检测过程中不需要原 始数据的水印技术称为盲水印；反之，不需要原始数据的水印技术为非盲水印或 明水印。 ( 5 ) 根据水印的嵌入方式，可将其分为空域水印、变换域水印。空域水印是 指直接在空域中通过改变采样点的幅值来嵌入水印，如l s b 方法、文档结构微调 方法。变换域水印指通过改变变换域的系数来嵌入水印，如傅里叶变换、小波变 换、离散余弦变换、f o u r i e r - m e l l i n 变换等。 2 2 2 数字水印技术的基本特征 数字水印技术是信息隐藏技术的一个重要分支，除了具备信息隐藏技术的一 般特点之外，还有着自己独有的特点。通常，数字水印应具有下述特征 2 0 2 1 】： ( 1 ) 不可感知性 数字水印的嵌入不能产生可感知的数据修改。即嵌入水印的数字作品z ，与原 始数字作品五具有感知相似性。就图像而言，即嵌入水印后图像在视觉上没有发 生明显的变化。 ( 2 ) 鲁棒性 鲁棒性指嵌入数字水印的作品在经过常规的处理操作后，仍然能够提取出水 印信息或检测出水印信息的存在与否。载体中的水印信息也能抵抗各种破坏攻击。 ( 3 ) 安全性 数字水印系统的安全性指其应该保证数据信息是安全的，即难以被复制、伪 造和篡改。当嵌入水印的载体受到非法的修改时，水印信息会发生变化，从而就 检测到载体数据受到了攻击。 ( 4 ) 惟一性 从水印的检测结果可以明确的表明数字作品版权所有者的身份，不易出现歧 义导致多重所有权的纠纷。 ( 5 ) 数据容量 数据容量指在一幅作品中嵌入水印的比特数。水印信息应包含尽可能多的数 据容量，以满足多样化的要求。 2 3 数字水印的典型算法 近年来，随着数字水印技术研究的深入取得了很大的进步，越来越多的数字 水印算法不断涌现。根据嵌入方法的不同，数字水印算法主要分为两大类：空间 域算法、变换域算法。空间域算法是将水印信息嵌入多视频数据和图像像素等原 始数据载体中，即直接在信号空间域上实现水印的嵌入。变换域算法是将水印信 息嵌入到图像、视频、音频等构成的载体的变换域系数中。 2 3 1 空间域算法 最初的数字水印算法基本上是基于空间域的，空间域算法的优点是算法简单、 速度快、容易实现，计算复杂度较低且能保留水印信息的位置，但是在鲁棒性特 点上不如变换域算法和压缩域算法。常见的几类空间域算法如下： ( 1 ) 最低有效位方法( l s b ) 2 2 最低有效位算法是一种典型的空间域水印算法，该算法的基本思想是将水印 信息随机嵌入到图像中最不重要的像素位上，以保证水印信息的不可见性。该算 法的优点是具有良好的不可见性和较大的信息隐藏量，但是该算法的鲁棒性较差， 嵌入的水印信息很容易因为受到滤波、量化等攻击而丢失。 ( 2 ) p a t c h w o r k 算法 2 3 1 1 2 4 p a t c h w o r k 算法是一种基于改变图像数据统计特性的数字水印嵌入算法。该算 法首先随机选择n 对像素点，然后通过改变这些像素点的亮度值来完成水印的嵌 入，即增加一点亮度的同时，相应的降低另外一点的亮度值来嵌入水印，使得整 幅图像的平均亮度保持不变。该算法的优点是隐蔽性好，有较好的鲁棒性，但是 该方法的不足之处是水印信息嵌入量有限。 ( 3 ) 文档结构微调算法【2 5 】 文档结构微调算法将二进制信息隐藏在文档图像中，主要是通过调整文档的 字间距、行间距、文字属性等方法完成编码。此类算法的水印技术的优点是可以 抵抗如照相复制、扫描复制等一些文档操作。但该算法易被破坏且仅适用于文档 图像类。 2 3 2 变换域算法 近年来的数字水印技术研究基本都集中在变换域，首先将图像变换到频率域， 然后通过改变图像频率域的系数嵌入水印信息，最后进行相应的反变换得到嵌入 水印后的图像。相比空间域算法，变换域算法具有嵌入水印信息量大、不可感知 性好、鲁棒性好等优点。几种常见的变换是离散傅里叶变换( d f t ) 、离散余弦变 换( d c t ) 、离散小波变换( d w t ) 等。 ( 1 ) d f t 域水印算法 离散傅里叶变换域水印算法是将水印信息嵌入到图像经过d f t 变换的相位或 幅值中。j o r u n n a i t h 提出了两种d f t 域的水印算法【26 | ，一种是实现水印的平移、 旋转和尺度拉伸不变性；另一种是根据相位调制更适合于鲁棒水印，在离散傅里 叶变换域系数的相位信息中嵌入水印。由于运用了d f t 变换的缩放和旋转不变的 特性，所以这类变换域水印算法对几何失真有较好的鲁棒性。 ( 2 ) d c t 域水印算法 离散余弦变换域( d c t ) 是一种常见的变换域。k o c h 2 7 2 8 1 等人首先提出了d c t 域的水印算法，通过修改中频系数对的差值来嵌入水印信息。由于此算法考虑了 j p e g 压缩特性及在嵌入过程中运用了j p e g 压缩量化矩阵，所以此算法可有效的 抵抗有损压缩攻击。s w a n s o n 等人【2 9 提出- j 乖u 用频域伪装修改技术提高了d c t 域 水印算法的性能。t a o 3 0 等人提出了一种自适应d c t 域水印技术，根据图像块噪 声敏感度的不同，将图像块分为六类，每一类嵌入的水印强度不同。c o x 等人考虑 要破坏水印信息必然要破坏载体图像的重要内容，将水印信息嵌入图像的敏感区 域。为了取得较好的水印算法，就要充分考虑水印不可感知性和鲁棒性两方面因 素，p o d i l c h u k 等人 3 1 3 2 】提出基于人类感知模型的自适应水印方案，p i v a 等人 3 3 提出了一种基于人类视觉系统( h v s ) 的d c t 域水印伪装技术。 ( 3 ) d w t 域图像水印 利用小波变换的多分辨率特性，嵌入的水印在不同分辨率层上具有不同的鲁 棒性和视觉特性。k u n d u r 等人【3 4 】提出一种基于多分辨率信息融合的d w t 域水印 算法。s w a n s o n 等人【3 5 】利用时域小波变换并结合频率掩蔽特性，提出了一种多分 辨率视频水印。 2 3 3 其他算法 ( 1 ) 压缩域算法 压缩域算法 3 6 3 7 】是指考虑j p e g 、m p e g 和v o 技术的特性，能够提高水印对 压缩技术的鲁棒性，将水印信息嵌入到压缩过程中的变量值域中的方法。 ( 2 ) 文本水印算法 该类算法主要通过修改字符间距、行间距、字符特征等方式嵌入水印信息。 主要适用于文本文件。 ( 3 ) 生理模型算法 该类算法主要结合人类听觉系统( h a s ) 和人类视觉系统( h v s ) 的特点。 其思想是利用可见误差j n d ( j u s tn o t i c e a b l ed i f f e r e n c e ) 来确定水印的最大嵌入强 度。 ( 4 ) n e c 算法 c o x 等人提出基于扩频的水印算法，其方法是通过对载体图像做d c t 变换， 然后向d c t 系数中插入实数序列水印信号。随机序列是以由作者的标识码和图像 的哈希值组成的密钥为种子产生的。此水印算法具有较好的鲁棒性和安全性。 2 4 数字水印系统的性能评估 对数字水印系统进行评估，主要考虑三个方面：数字作品的感知质量、水印 的鲁棒性和系统的安全性。 2 4 1 感知质量 数字作品在嵌入数字水印之后必须具有不可感知性，即原始载体与水印作品 之间具有感知相似性。目前，已经存在两种评估方式测试水印作品的感知质量 3 9 】： 主观测试和矢量定量测试。 ( 1 ) 主观测试 评价一件数字作品的好坏最直观的方式就是采用主观打分的方法。主观测试 的一般方法是首先把产生失真的载体数据由好到坏进行分级，然后测试者通过载 体数据的失真程度打分和描述水印信息的可见性。打分要根据如表2 - 1 所示的 i t u rr e c 5 0 0 质量等级评判。 表2 1i t u rr e c 5 0 0 质量评判标准 t a b l e2 - 1q u a l i t ye v a l u a t i o ns t a n d a r do f i t u - rr e c 5 0 0 分数 图像降质后视觉感受图像质量 5 不可察觉极好 可察觉，但并不是难 4 好 以接受 3有一点难以接受中等 2 比较难以接受 差 1 很难接受 极差 ( 2 ) 矢量定量测试 矢量定量测试不依赖于主观的评价，可以方便的用于对各种方法进行公平公 正的比较。矢量定量测试主要分为两类：基于误差的失真度量方法和基于感知的 失真度量方法。 a 基于误差的失真度量方法 表2 - 2 中列出了几个基于误差的矢量失真度量方法。其中比较常用的是均方差 和峰值信噪比。均方差可以直接的反映出评估对象发生的变化。峰值信噪比能够 定量的评价图像的失真程度。除此之外还可计算归一化均方差、平均绝对差、直 方图相似性、信噪比等定量测试方法。表中l 。和乞。分别表示原始图像和对比图 像的像素。各度量方法所对应的公式如下i 表2 2 基于误差的矢量度量方法 t a b l e2 - 2e r r o r - b a s e dv e c t o rm e a s u r e m e mm e t h o d 矢量度量方法 求解公式 最大差m d = m a xl 。一厶。j m 平均绝对差j 1f n r i 乞n l p m n 川一 均方差 一、刃，月 。) 胛一7 m 一 归一化均方差 = ( l 。一1 。 一、 ， 川_ 一 o ， 册，”肼， 信噪比 i h ，“一、h h | r i r i ， 一乞，。) 2 ) 卅，n珊，一 峰值信噪比 m 摊1 0 l g n m 。x ，。y ( l 厂乇，。) 2 ) 图像保真度f = i 一( l ，。一l ，。) 2 鬈，。 胂，月州， 2 5 5 直方图相似性 硼= i z ( c ) 一乃( c ) i ，其中厂( c ) 是灰度级c 的出现频率 c = o b 基于感知的失真度量方法 近年来，人类生理模型的研究愈加活跃，并把研究成果用于设计基于感知的 失真度度量方法。f a r r e l l 等人提出了一种基于人眼空间视觉多通道模型的失真度量 方法。 2 4 2鲁棒性 水印的鲁棒性是指抵抗常见信号处理操作和恶意攻击的能力。常见的信号处 理操作是指水印作品在使用过程中经常遇到的一些不可避免的处理方法，如压缩、 去噪、低通滤波等。恶意攻击指为破坏水印信息采取的攻击处理方法。常见的信 号处理和攻击方法如下： ( 1 、) 噪声，有加性噪声和乘性噪声之分。如高斯白噪声、均匀噪声、椒盐噪声 等。 ( 2 ) 有损压缩。常见的有j p e g 、j p e g - 2 0 0 0 、m p e g - 2 、m p e g - 4 、h 2 6 1 、h 2 6 3 等 ( 3 ) 低通滤波，包括线性和非线性滤波。常用的有中值滤波、高斯滤波、均值 滤波等 ( 4 ) 几何失真。如平移、缩放、旋转、裁剪、尺度变换等。 ( 5 ) o r a c l e 攻击，利用公开的水印解码器，对加水印图像作细微修改并反复进 行，直至水印解码器无法检测到水印为止。 ( 6 ) 增强处理。如锐化、直方图均衡化、g a m m a 校正等 ( 7 ) 多重水印攻击。 在实际的应用中，数字媒体的失真通常是多种处理造成的失真的集合。例如 打印扫描会产生旋转、缩放、平移等几何失真，j p e g 压缩往往与滤波、几何变换 共同使用。这就要求水印不近能抵抗某一种攻击，最好针对各种综合的攻击处理 都应具有鲁棒性。 2 4 3 系统安全性 数字水印系统的安全性评估是在一系列攻击的基础上进行的。随着数字水印 技术的发展，对水印的不同攻击方式也不断涌现。好的攻击方式可以发现水印系 统的缺陷，进而能提出相应的策略来完善水印系统的安全性。c r a v e r 等人【4 0 将水 印的攻击分为如下四类： f 1 ) 鲁棒性攻击 鲁棒性攻击是这四种方式攻击中最直接、目的最明显的一种攻击方式，其目 的就是去除水印信息而不影响原始载体的正常使用。鲁棒性攻击可以分为两类： 信号处理攻击法及分析攻击法。前者主要指常见的信号处理操作，如量化、锐化、 压缩、加噪、均衡、滤波等。对于不同的攻击，要设计相应合理的算法来满足水 印的鲁棒性。例如利用相关性检测的方法可较好的抵抗加性噪声的干扰；将水印 信息嵌入图像高频区域，可以抵抗j p e g 压缩。后者指在水印的嵌入和检测过程中 采用特殊方法去除或削弱水印。这一类攻击主要是分析水印算法中的缺陷加以利 用。 ( 2 ) 表达攻击 表达攻击的目的是使得水印检测( 提取) 算法无法检测水印。其主要手段是 破坏水印之间的同步模式，使水印检测( 提取) 算法无法找到匹配的水印，又称 为“同步攻击 。表达攻击主要分为两种典型的方法：几何攻击、马赛克攻击。几 何攻击主要包括常见的旋转、平移、裁剪、缩放等攻击方式。通常检测器都须知 道水印的嵌入位置，而几何攻击使得嵌入位置发生了变化，从而影响了水印的同 步。马赛克攻击是把一幅图像分成足够小的块，这些小图像块被逐个嵌入网页中， 浏览时由浏览器把这些图像块排列在一起。这种攻击不会影响图像的质量，但水 印信号会受到影响。 ( 3 ) 解释攻击 解释攻击是通过伪造假的加水印图像或原始图像来制造混乱的攻击方法。这 种攻击方式从根本上质疑之前所提出的数字水印算法的作用。它使人们认识到仅 仅考虑算法的鲁棒性、抗各种攻击的能力是不够的。目前抵抗解释攻击的方法为 三种。第一种是使水印的嵌入过程不可逆【4 。第二种是采用盲水印检测驯4 2 。第 三种是前两种方法的综合【4 3 1 。 ( 4 ) 合法攻击 这类攻击是利用法律上的漏洞和不健全来达到目的。因此，水印技术应用之 前应首先建立一个完善的法律基础设施来配合水印的使用。水印技术的有效性将 由法律来提供保障，而法律的完善需要通过对合法攻击进行充分深入的研究实现。 2 5 抗打印扫描数字水印算法的研究现状 目前能够抵抗抗打印扫描的水印算法主要有以下几种。 l i n 等人 4 4 1 1 4 5 1 首先利用傅里叶变换的特点对水印展开研究，研究抗打印扫描的 鲁棒水印算法，对打印扫描后的傅里叶系数的变化进行了分析，通过分析得到了 傅里叶系数中打印扫描前后的系数不变量。在打印扫描过程中，像素失真主要来 自打印过程中( d a ) 的图像半色调处理和扫描过程中( a d ) 扫描仪的工作原理影响； 几何失真主要是在扫描过程中引入的。在上述工作的基础上，他们提出基于傅里 叶梅林变换的抗打印扫描过程的水印算法，是将水印信息嵌入到对数极坐标下的 系数的幅度值中。梁华庆等人【4 6 】通过r a d o n 变换对图像的几何失真进行校正，局 部调整d c t 中频系数嵌入水印，提高了算法抗打印扫描的鲁棒性。张静等人 4 7 】 提出了能抗打印扫描过程的空问域水印算法，该算法是通过将预处理后的水印在 图像中重复嵌入四次，然后根据水印四次的嵌入位置进行校正。k u t t e r 等人【4 8 】和 s o l a c h i d i s 等人【4 9 j 利用d f t 变换的特点，提出在环形区域嵌入水印的方法，对打印 扫描过程中的几何失真和像素失真有较好的鲁棒性。宋玉杰等人【5 0 】提出了一种抗 打印扫描的d c t 域图像水印算法，在水印的嵌入过程中采用了线性运算，提取过 程中采用了阈值判断法。但是该算法在提取水印时需要原始图像，因此实用价值 不大。 2 6 本章小结 本章对数字水印技术进行了具体的介绍，首先描述了数字水印的基本概念和 框架，并介绍了数字水印技术的分类和基本特征。然后介绍了几种典型的数字水 印算法和水印系统的性能评估标准。 3 数字图像的打印扫描过程分析 在电子文档中，数字水印技术主要分为水印的嵌入和水印的提取检测两个过 程。而应用于印刷的图像水印技术，数字图像要经过数模( d a ) 和模数( a d ) 转换两 个过程，即打印和扫描过程。如图3 1 所示，打印扫描这两个过程包括像素失真， 这种失真可能是照明强度、对比度、色调变化、g a m m a 校正等多种因素引起。在 扫描过程中还包括旋转、缩放等几何失真。这就要求基于印刷品的数字水印技术 能够抵抗打印扫描过程对图像的攻击。所以，为了设计出鲁棒性更好的算法，就 要充分考虑打印扫描过程所引起的水印信息的失真以及图像受到的攻击，如旋转、 扭曲、磨损等。下面将结合打印机、扫描仪的特点，分析打印扫描对图像的影响。 图3 1 打印扫描模型 f i g u r e3 1p r i n t s c a n n i n gm o d e l 3 1 打印过程对图像的影响 辍班嘲像 首先，目前数字图像大都是由激光打印机打印输出，激光打印机属于点阵打 印机。对于灰度图像而言，激光打印机通过半色调技术采用黑白点阵打印。目前 最为常用的半色调技术为抖动法，基于原理是：图像都具有一定的纹理，对于图 像任何一个小小的局部，其纹理往往都是相似的，这个小局部内的像素灰度值也 是接近的，而人眼的视觉系统又具有空间低通特性。抖动法正式利用这一特性， 用一组打印点代表相同个数的一组像素，并通过这组打印点表达出这些像素点整 体的灰度效果。一般来说，经过抖动法处理后输出的图像只是大体上和原图像一 致，但局部细节上常常存在失真，常见的情况是图像上出现高频抖动的纹理。同 时由于半色调符合点的形状、纸张的吸水特性和光滑度、激光束的扩赛等因素造 成的半色调符合点的变化，也会导致图像变得模糊不清。可以看出，激光打印机 的在打印图像过程中的半色调处理对输入图像有较大的影响，使得原始图像存在 严重的失真，嵌入的水印信息也遭受了半色调攻击。 其次，打印分辨率也是衡量打印质量的一个重要指标。打印机的分辨率决定 着图像每英寸上打印的点数，即打印图像时所能表现出来的精细程度。通常分辨 率越高，打印输出的图像质量也就越好。 第三，激光打印机是典型的低通设备，打印后图像的低频细节大部分都能保 存下来，但是印刷图像高频细节信息将丢失。因此打印过程还造成了对图像的低 通滤波攻击。 打印过程对图像的影响除了以上主要的三点之外，打印机内部一系列电子器 件、光学器件等，对各自的工作环境都有严格的要求，而打印的外部环境如灰尘、 纸屑等都有可能导致打印的图像质量下降。打印出的图像在使用过程中的磨损也 会使得图像变得模糊【5 1 1 【5 2 】。 3 2 扫描过程对图像的影响 扫描仪是典型的数字图像信号的输入设备，其扫描图像的质量取决于其内部 传感器的性能及模数( a d ) 转换器对