（系统分析与集成专业论文）基于感知的自适应数字水印技术研究及应用.pdf

摘要 摘要 数字水印技术克服了传统密码学技术中加密的内容在解密和被破解之后不 再安全的问题，因此近十年来日益受到各界普遍关注，并正逐渐成为一种有效 的数字产品版权保护和数据安全维护技术的有效手段。 论文首先阐述了数字水印的研究背景及现状、数字水印的基本原理、感知 模型、人类视觉特性( h v s ) 以及在数字水印技术中的应用。在此基础上，介绍了 目前主流的水印嵌入算法，提出一种基于h v s 的自适应图像水印算法。该算法首 先根据载体图像自适应生成基于边缘特征的水印图像，接着利用人类视觉特性， 将原始图像载体分裂为k 个互不覆盖的8 x 8 d c t 块，计算各块的熵值，统计各块 量化后非零系数的个数，把载体图像分为四类：平滑区、纹理区、边缘区和其 他区域四类，不同的区域采用不同地嵌入强度，最后根据载体图像以及水印图 像的大小，自适应的选择水印信号嵌入的位置，从而使水印在稳健性、不可见 性和嵌入容量等方面达到较好的折衷。这种算法很好地利用了i - i v s 特性，实现了 水印自适应嵌入，提高了有意义水印的安全性和抗干扰能力，增强了水印算法 的实用性。 本文运用各种常见的水印的攻击方法对嵌入水印的图像进行试验，实验结 果表明水印对一些常见的图像处理( 如低通滤波、中值滤波、平移、锐化、剪切 等) 都具有较好的稳健性，从而证实了该算法的可行性和准确性。 文章最后设计并实现了一1 个基于感知的自适应数字水印图像版权保护系 统，进行了实验和分析，结果表明该水印系统具有良好的鲁棒性，具有一定的 实用意义。 关键词：数字水印，感知，自适应，h v s a b s t r a c t i nt h er e c e n tt e ny e a r st h ed i g i t a l 忸把l f l n a 呔t e c h n o l o g yr e c e i v e sm o r ea n dm o r e a t t e n t i o nf r o ma l lf i e l d si nt h ew o r l d i th a so v e r c o m et h ep r o b l e mt h a tc o n t e n t e n c r y p t e di nt h et r a d i t i o n a lc r y p t o l o g yt e c h n o l o g yi sn ol o n g e rs a f ea f t e ri th a sb e e n d e c i p h e r e da n db r o k e nt h r o u g h - a n di tb e c o m e sa ne f f e c t i v em e t h o di nc o p 蝉t p r o t e c t i o no f d i g i t a lp r o d u c t sa n d c 晡够o f d a t ao nl i n e ht h i sa r t i c l e i t & s c r i b e st h eb a c k g r o u n d , t h es t a t u sa n dt h et h e o r i e so ft h ed i g i t a l w a t e r m a r kt e c h n o l o g ya t 缸t t h ea r t i c l ei sa b o u tt h ec o p y r i g h to fd i g i t a li n l a g e , s o i td e s c r i b e st h ep e r c e p t u a lm o d e l , t h eh u m a nv i s u a l s y s t e m ( h v s ) a n dt h e a p p l i c a t i o no fh v si 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 ni t i n t r o d u c e st h e m a i n s t r e a ma l g o r i t h mo fw a t e r m a r ki m b e d d i n ga tp r e s e n t , a n di ts t u d i e sa na d a p t i v e w a t e r m u r k a l g o r i t h mb a s e d0 1 1h v s t h eb o m o ft h ed i g i t a lw a t e r m a r k i n gi st h ef i r s t s t e po ft h ew h o l ed i g i t a lw a t e r m a r k i n gs y s t e m mt h i st e x tw es t u d yt h eb o mo f d i g i t a lw a t e r m a r k i n gb a s e do nt h ee d g ec h a r a c t e r i s t i co fi 1 豇a g e s t h e ni ts p l i t st h e o r i g i n a li m a g ei n t o8 + 8d c t b l o c k sw h i c hn o tc o v e r e db ye a c ho t h e r c o m p u t e rt h e e n t r o p ya n dt h en o n z e r on u m b e ro f e a c hb l o c k , a n da c c o r d i n gt ot h eh v s w eo a n d i v i d ea l lb l o c k si n t of o u rk i n d so f d o m a i n , i n c l u d i n gs m o o t hd o m a i n , c l o s e g r a i n e d d o m a i n , f r i n g ed o m a i na n dt h er e s td o m a i n n ee m b e d d i n gs t r e n g t hv a r i e sw i t ht h e f e a t u r e so ft h ed i f f e r e n td o m a i n s i nt h ee n dw ee m b e dt h ew a t e r m a r ki nd i f f e r e n t f r e q u e n c yc o e f f i c i e n t sa c c o r d i n gt ot h es i z eo ft h eo r i g i n a li m a g ee n dt h eb o m w a t e r m a r k , s ot h a tt h ew a t e r m a r k i n gc a nh a v eag o o dr o b u s t n e s s ，i n v i s i b i l i t ya n d c a p a b i l i t y t l l i sa l g o r i t h mr e a l i z e st h ea d a p t i v ee m b e d d i n go fw a t e r m a r k i n gw i t ht h e c l 锄c k ：一s 石co f h v s ni m p r o v e st h es e c u r i t yo f t h em e a n i n g f u lw a t e r m a r k i n ga n dt h e a b i l i t yo f a n t i - i n t e r f e r e n c e , a n di tw i l lb em o r ea n dm o r eu s e f u l w eu s ean u m b e ro f e x p e r i m e n t st ot e s tt h ef e a s i b i l i t ya n da c c u r a c yo f t h i sa l g o r i t h m , a n dt h er e s u l to ft h ee x p e r i m e n t ss h o wt h ea l g o r i t h m 锄r e s i s ts e v e r a la t t a c k ss u c h a sa d d i t i o no f n o i s e ，c r o p p i n g , m e d i a nf i l t e r i n ga n dc o n t r a s te n h a n c e m e n t ht h i st e x t , w ed e s i g na n dl e a l i z ea l la d a p t i v ew a t e r m a r k i n gs y s t e mb a s e do nt h e p e r c e p t u a lm o d e lt op r o t e c tt h ec o p y r i g h to f d i g i t a li l n a g e s an u m b e ro f e x p e r i m e n t s i n d i c a t et h a tt h i s s y s t e mb e h a v e sw e ui nr o b u s t n e s s ，a n d i tw i l lb eu s e f u li n a b s n u l c t 印p l i c a t i o 几 k e yw o 吨：d i g i t a lw a t e 珊a r l p e r c e p t u a lm o d e l ，a d a p 石v ch u m a n “s u a ls y s t e m ( i - w 鼬 学位论文独创性声明 本人郑重声明： l 、坚持以。求实、创新”的科学精神从事研究工作 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的 4 ，本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示 了谢意。 作者签名：埠五蜱 日 期：匠：丛：逸 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规 定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论 文的电子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复翻 并允许论文进入学校图书馆被查圄；有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版保密 的学位论文在解密后适用本规定 作者签名：等_ 目埤 日期；1 1 ：! 主2 力 第1 章引言 第1 章引言 多媒体数据的数字化为多媒体信息的存取提供了极大的便利，同时也极大地提高了信 息表达的效率和准确性。随着因特罔的日益普及，数字多媒体信息( 图像、文本，音频、 视频、三维模型) 的交流也已达到了前所未有的深度和广度，其发布形式也愈加丰富。人 们如今可以通过因特网发布自己的作品、重要信息和进行网络贸易等，但是随之而出现的 问题也十分严重：如作品侵权更加容易，篡改也更加方便。人们可以毫无限制地任意编辑、 修改、拷贝和散布数字音乐和图像，这给数字媒体原创者带来了极大的困扰。因此如何既 充分利用因特两的便利，又能有效地保护知识产权。已受到人们的高度重视。这标志着一 门新兴的交叉学科信息隐藏学( i n f o r m t i o nh i d i n g ) 的正式诞生。如今信息隐藏学作 为隐蔽通信和知识产权保护等的主要手段，正得到广泛的研究与应用。而作为信息隐藏技 术研究领域重要分支的数字水印( d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ) 技术“1 是实现版权保护的有效 办法，如今已成为多媒体信息安全研究领域的一个热点。 1 1 数字水印技术研究背景 对水印技术研究兴趣的突然增长源于人们对版权保护问题的关注。近年来，数字网络 通信飞速发展，使得信息的发布和传输实现了。数字化”和“网络化”。在模拟肘代，人们 把磁带作为记录设备，盗版拷贝通常要比原始拷贝的质量低，而盗版拷贝的二次拷贝的质 量更是糟糕。而在数字时代，歌雎或电影的数字拷贝过程完全不损失作显质量。随着i l i 衄n 啦 对用户变得越来越友好，很快人们就开始乐于从h i 呦a e t 上下载图片、音乐和视频。对数字 媒体而言，由于它便宜，而且不需要仓库存储又能实时发送，i n t e r n e l 就成了最出色的分发 系统。因此，数字媒体很容易借助i 峙m e t 或c d - r o m 被复制、处理，传播和公开。这样 就引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。如何在网络环境中实施有 效的版权保护( c o p y r i g h t p r o r a t i o n ) 和信息安全( i n f o r m a t i o ns e c u r i t y ) 手段，引起了世界 各界的广泛关注。其中，如何防止致字产品( 如电子出版物、音频、视频、动画、图像产 品等) 被侵权、盗版和随意篡改，已经成为世界各界亟待解决的热门课题。在现实生活中， 以下几个引起普遍关注的问题构成了数字水印的研究背景。 1 1 1 数字作品的知识产权保护 数字产品的实际发布机制是相当复杂的，包括原始制作者、编辑、多媒体集成者、重 销者和国家官方等，简单的模型如图1 1 所示。图中的“供应商”包括版权所有者、编辑 第1 章引言 和重销者，他们试图通过网络发布数字产品x ，是信息的发布者。图中的。用户”也就是 消费者，他们希望通过网络接收到数字产品x 。而图中的“盗版者”是未授权的供应者， 他们未经过合法版权所有者的许可重新发送产品x ( 如盗版者b ) 或有意破坏原始产品( 如 盗版者a ) 并重新发送其不可信的版本：从而使消费者难免间接的收到盗版的副本x 或：。 盗版者对数字多媒体产品的非法操作行为，一般包括以下三种情况： 供应商 ( 信息发布者 盗版者a 用户 ( 消费者) 盗版者b 啊1 1 羹字产品罔络发布的基本辏堑 ( 1 ) 非法访问，即未经合法版权所有者的允许从某个网站中非法复制或翻印数字产品； ( 2 ) 故意篡改，即盗版者恶意地修改数字产品并进行重新发送，从而使原始产品的版权 信息丢失； ( 3 ) 版权破坏。即盗敝者收到数字产品后未经版权所有者的允许将其转卖。 为了解决日益突出的信息安全和版权保护问题，数字产品所有者首先运用的是加密和 数字签名等技术。加密技术可以用来控制数据访问，它将明文信息变换成旁人无法理解的 密文信息，只有拥有正确密钥的人才能对密文解密并进行访问。另外，还可以通过设置密 码，使得数据在传输过程中变得不可读，从而可以为处于发送到接受过程中的数据提供有 效的保护。但是，密文一旦解密后，数字媒体内容便可以随意的被拷贝、传播，这就是数 字媒体内容的超分布问题，它给媒体内容制造商造成了巨大损失，从而制约着数字多媒体 应用的进行。数字签名技术是用。0 4 、“1 ”字符串来代替手写的签名或印章，起到手写签 名或印章同样的法律作用。但是这种数字签名在数字图像，视频或音频中的应用并不方便 也不实际，因为在原始数据中需要加入大量的签名，这样就有可能对原始数字图像、视频 或音频造成较严重的失真。另外，随着电脑软硬件技术的迅猛发展以及基于网络的具有并 行计算能力的破解技术的日渐成熟，这些传统系统的安全性已经受到质疑。因此，需要寻 求一种不同于传统技术的更加有效的手段来保障数字信息的安全传输和保护数字产品的版 权。 数字水印技术就受到越来越多人的关注，因为它在数字产品中嵌入的信息不会被常规 2 第1 章引言 处理操作去除。一方面，数字水印技术弥补了密码技术的缺陷，因为它可以为解密后的数 据提供迸一步的保护：另一方面，数字水印技术也弥补了数字签名技术的缺陷，因为它可 以在原始数据中一次性嵌入大量的秘密信息。 目前，用于版权保护的数字水印技术已经进入了初步实用化阶段，m m 公司在其“数字 图书馆”软件中就提供了数字水印功能，a d o b e 公司也在其著名的p h o t o s h o p 软件中集成了 d i g i m a r c 公司的数字水印插件。然而。由于数字水印容易被破解或破坏，需要进一步完善。 1 1 2 商务交易中的票据防伪 照着高质量图像输入瀚出设备的发展，特别是糖度超过1 2 0 0 d p i 的彩色喷墨、激光打 印机和高精度彩色复印机的出现，使得货币、支票以及其他票据的伪造变得更加容易。 据美国官方报道，仅在1 9 9 7 年截获的价值4 0 0 0 万美元的假钞中，用高精度彩色打印 机制造的小面额假钞就占1 9 ，这个数字是1 9 9 5 年的9 0 5 倍。目前，美国、日本以及荷 兰都已开始研究用于票据防伪的数字水印技术。其中麻省理工学院媒体实验室受美国财政 部委托，已经开始研究在彩色打印机、复印机输出的每幅图像中加入惟一的、不可见的数 字水印，在需要时可以实时地从扫描票据中判断水印的有无，快速辨别真伪。 另一方面，在从传统商务向电子商务转化的过程中，会出现大量过渡性电子文件，如 各种纸质票据的扫描图像等。即使在网络安全技术成熟以后，各种电子票据也还需要一些 非密码认证方式数字水印技术可以为各种票据提供不可见的认证标志。从而大大增加了 伪造的难度。 1 1 , 3 声像数据的隐藏标识和纂改提示 数据的标识信息往往比数据本身更具有保密价值，如遥感图像的拍摄日期、经纬度 等。没有标识信息的数据有时甚至无法使用，但直接将这些重要信息标记在原始文件上又 很危险。数字水印技术提供了一种隐藏标识方法，标识信息在原始文件上是看不到的，只 有通过特殊的阅读程序才可以读取。这种方法已经被一些公开的遥感图像数据库所采用。 此外，数据的篡改提示也是一项很重要的工作。现有的信号拼接和镶嵌技术可以做到 。移花接木”丽不为人知，因此，如何防范对图像、录音、录像数据的篡改攻击是重要的 研究课题。基于数字水印的篡改提示是解决这一问题的理想技术途径，通过隐藏的水印的 状态可以判断声像信号是否被篡改。 第l 章引言 1 2 数字水印的研究历史1 2 1 1 3 1 尽管在一千多年前我国就发明了造纸术，但是纸水印直到1 2 8 2 年才在意大利出现，这 些水印是通过在纸模中加细线模版制造出来的。 最早水印的意义和目的是不明确的。这些水印可能服务于某些实际功能，例如识别某 些纸是由哪些铸模制造的，或者作为识别造纸者的商标。另一方面这也可能代表了某种 神秘的符号，又或者可能只是种简单的装饰。 到了1 8 世纪，在欧洲和美国制造的产品中，纸水印已经变得相当实用了。水印被用做 商标，记录纸张生产的日期，显示原始纸片的尺寸。大约也是在这个对期，水印开始用于 钱和其他文件的防伪措施。 约在1 8 世纪末期，“水印”这个术语似乎已形成。也就在“水印”这个术语形成的同 时，伪币制造者开始开发一种技术，来伪造用于纸币防伪的水印。 伪造促进了水印技术的发展。英国人威廉康格里夫发明了一种制造有色水印的技术， 方法是在造纸币过程中把经过染色的物质插入到纸币中。由此制成的水印极难伪造，因为 英格兰银行自身也因为它们太难制造而拒绝使用这种水印。另一个英国人威廉亨利史密 斯发明了一种更实用的技术取代了精细线模式，该模式用一种浅的浮雕雕刻制造早期水印， 并把水印嵌入到纸模中，由此产生的铸模表面的多变性创造出一种具有不同灰度阴影的漂 亮水印，这就是今天2 0 美元钞票的杰克逊总统面部上所使用的基本技术。 四百年后，出现了第一个与本书论述的数字水印类似的技术实例。1 9 5 4 年，美国m u z a k 公司的e m i lh e m b r o o k e 申请了一项名为“i d e n t i f i c a t i o no fs o u n da n dl i k es i g n a l s ”的专利。 在此例中，通过间歇地应用中心频率为i k h z 的窄带陷波滤波器，认证码就被插入到音乐 中。该频率上能量的缺失表征使用了陷波滤波器，而该缺失的持续时间通常被编码为点或 长划，此认证码使用7 莫尔斯屯码。这是迄今为止所知道的最早的电子水印( e l e c 扛o n i c w a t e r m a r k i n g ) 技术。而很耐人寻味的是，这项发明被误解并演变成的谣言持续了很长一段 时间，此谣言声称m u z a k 公司会把潜在的广告信息传送给听众从此以后，一些水印技术 被提出并根据不同的应用而得以发展。直到2 0 世纪9 0 年代初，数字水印才真正流行起来。 早期的数字水印技术是针对数字图像进行研究的。1 9 9 3 年t i r k e l 等在一篇文章 5 1 】中首 先提出了电子水印( e i e c t r u n i cw m n m r k i n g ) 的说法，随后又发表了一篇名为“a d i g i t a l w a t e r m a r k ”的文章1 5 ”，正式提出了“数字水印”这一术语。当时，他们已经意识到了数字 水印的重要性，并且提出了可能的应用，包括图像标记，增强版权保护，防止伪造及控制 存取图像数据等。 4 第1 章引言 在这期间，人们研究的数字水印基本上是基于空域的。空域最典型的算法是最低有效 位算法( l s b 算法) ，其基本思想是使用图像值的最后一位来表示嵌入的秘密信息位。这个 算法实现简单，但抵抗攻击的能力差，缺乏安全性。在此基础上，很多学者都提出对此算 法的改进方案，以增强安全性。例如r v a n s c h y d e l 等提出了基于n 卜序列，用于透明嵌入 信息的l s b 编码方法，k e i c h t k n o x 等提出的可逆数字图像也采用了l s b 方案。 1 9 9 6 年，p i t a s 提出了一种基于空域的盲水印方案1 5 3 ，但是该算法的稳健性有待迸一步 提高。其后，v o y a t z i s 等将混沌的方法引入到数字水印算法中，使得算法的稳健性得到了 进一步提高，但是算法仍然局限于空间域。其它的空域算法还有b e n d e r 等人提出的基于统 计的数字水印嵌入方案( p a t c h w o r k ) 和纹理块映射编码方法，o b r u y n d o n c k x 等人提出的 基于块划分的方法，丁玮等人根据生命游戏的规则提出了一种新颖的数字水印嵌入技术。 1 9 9 5 年c o x 等人口1 提出了一种基于扩频通信的思想，将水印嵌入图像感知上最重要的 频域因子中。这是频率域水印的经典之作。他们通过利用离散余弦变换( d c t ) 技术向图 像中添加标记，以提高水印对图像处理的稳健性。实验结果表明，该方案对各种普通的图 像处理操作具有很好的稳健性。但是也存在一些缺陷，其中最重要一点就是水印的提取必 须要有原始图像的参与即它不是盲水印方案 随后，d c t 域数字水印删得到越来越多的关注。选择用哪一都分d c t 系数来嵌入水 印成为了人们研究d c t 域水印技术的基本方向，许多文献赞成水印应该嵌在对视觉效果重 要的分量上，比如低频分量、次低频分量及中频分量等等。黄继武【1 1 等经过对图像d c t 系数的定性和定量分析，提出在保证水印不可见的前提下，d c 分量比a c 分量更适合于嵌 入水印。 k u n d e r 等提出了一种基于离散小波变换( d w t ) 的水印算法，通过修改d w t 系数而 嵌入水印，并且提出了使用易碎水印( f r a g i l e w a t e r m a r k ) 对图像所经受的处理进行评估， 进而更有效地对水印进行检测。 这期间，感知理论也披运用到水印技术中，使用感知理论提高了水印的不可感知性和 鲁棒性，此后在d c t 域和d w t 域提出了许多基于感知模型的算法l l l - 1 e 1 对音频水印技术的研究最早出现在1 9 9 6 年，b e n d e r 等i ， 提出了l s b 编码、回声编码、 扩频编码和相位编码等四种方法；b o n e y 等p ”将c o x 方案应用到音频信号中，取得了很好 的实验结果。 对文档中数字水印技术的研究始于贝尔实验室的m a x e m c h u k 。他于1 9 9 4 年首先提出 在数字文档中嵌入标记，以保护电子出版物所有者的版权利益。他提出了行位移编码、字 位移和特征编码等三种方法。其后，b e n d e r 等于1 9 9 6 年提出了一种利用左对齐调整文档时 第1 章引言 附加空格的嵌入水印的方法旧。该算法利用曼彻斯特编码将水印嵌入文件中。同时，他还 提出了一种采用同义词替换的算法。 视频水印算法根据嵌入水印的数据域分为两种：非压缩域算法和压缩域算法。其中对 于非压缩域的水印，m 略：l 】i 等在1 9 9 4 年提出了一种d c t 域视频数据嵌入算法，该算法对 嗓声、剪切等处理非常脆弱。s a w a n s o n 等对上述算法进行了改进，利用分块d c t 变换和 频率掩蔽特性相结合嵌入水印，提高了水印的稳健性。 l a n g e l a r r 等p ”首先提出了两种压缩域上的嵌入算法。一种是替换帧内编码块d c t 系 数的变长码的方法；另一种是基于丢弃部分压缩视频码流的方法。h a r m n g 等即j 研究了 踟2 压缩视频域上的水印算法。并实现了水印的盲检测。 2 0 0 0 年前后，数字水印在理论上取得很大的进展，对水印技术从信息论的角度进行分 析，从理论上计算水印的嵌入容量和所产生的失真等。另外。m o u l t n 等从博弈论的角度来 分析水印，认为水印是嵌入者、检测者和攻击者之间的博弈 随著数字水印技术研究的不断深入，该技术的应用对象已不仅局限于上述的图像、音 频、文本和视频，以图形、三维动画等为嵌入对象的水印技术也已有报道。这种技术的不 断丰富和发展将给多媒体信息安全、知识产权保护和认证等带来更蓬勃的生机。而感知理 论包括人类视觉系统( 肼s ) 和人类听觉系统( h f i s ) ，对发展中的无论是图像、视频还是音 频水印都有举足轻重的意义，因此。当它提出可以用于数字水印技术时，就受到了极大的 关注。文献 1 1 提出了种基于1 1 1 r s 的二步盲水印检测算法，这种算法第一步通过相关性匹 配得到一个初步的判定。第二步通过评f r d c t 系数统计进行校验，这种算法提高了水印检测 的准确率。文献 1 2 提出了一种基于频域视觉门限模型的水印实现方案。文献i t 3 提出了 一种基于边缘检测的块分类水印算法。文献 1 4 提出了一种基于i n s 的半色调图像数字水印 算法，把半色调图像引入了数字水印算法中。文献 1 6 提出了一种基于i x ：t 域图像分类的自 适应图像水印算法，这种算法利用了图像交流系数总能量与低频交流能量与总能量的比值 相结合的方式来对图像进行分类，但是这种分类方法对纹理区和边缘区的划分效果一般。 由此本文提出一种基于l i v s 的自适应图像水印算法，算法中采用图像熵值和量化后非零系数 个数相结合的方法对图像进行分类。力求达到算法实现难易程度、分类效果以及水印的不 可感知性三者问的平衡。 6 第1 章引言 1 3 数字永印的分类 随着数字水印的飞速发展，涌现出了许多新的数字水印技术，种类繁多。为了方便研 究，有必要对水印作一个大概的分类。分类方法有很多种，分类出发点的不同导致了分类 的不$ l 它们之问既有联系又有区别。比较常见的分类方法有以下几种： ( 1 ) 按水印特性划分，可分为可见水印( v i s i b l e w a t e r m a r k ) 和不可见水印( i n v i s i b l e w a t e r m a r k ) 可见水印是可以看见的水印，主要应用于图像，对图像进行明显的标记， 以防止其在无授权的情况下使用。不可见水印。应用更加广泛，它表面上是不可察觉的， 可嵌入到图像、音频或视频当中，当发生版权纠纷时，所有者可以从中提取出标记，来证 明该物的所有情况。 ( 2 ) 按抵抗攻击能力不同划分，可分为脆弱性水印( f r a g i l ew a t e r m a r k ) 和稳健性水 印( r o b u s tw a t e r m a r k ) 脆弱性水印能被最普通的数字信号处理技术改变，当嵌入水印 的载体被修改时。通过水印检测。就可以对载体是否进行了修改或进行了何种修改进行判 定。主要用于数字多媒体产品的内容的版权等关键信息的真伪鉴别，以防止非法的篡改和 伪造。稳健性水印是指嵌入水印的载体在经过普通信号处理或恶意攻击后，仍然能够保持 载体中的水印。主要用于在数字产品中标识著作权信息等。 ( 3 ) 按水印检测过程划分，可分为非盲水印( n o n b l i n dw a t e r m a r k ) 、半盲水印 ( s e m i n o n b l i n dw a t e r m a r k ) 和盲水印( b l i n dw a t e r m a r k ) 非盲水印在检测过程中需要 原始数据和原始水印的参与，这种水印的稳健性相对比较好，但是在应用中受到存储成本 的限制：半盲水印则在检测过程中不需要原始数据但需要原始水印的参与；盲水印的检测 既不需要原始数据也不需要原始水印，它可i ；在任何拥有检测环境的平台上进行，因此应 用比较广泛。 “) 按水印内容划分。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) ；而无意义水印则只是一个序列号或者一段随机数。如果 由于受到攻击或其他原因致使解码后的水印破损，如果是有意义水印，仍然可以通过观察 来确认水印的有无，而如果是无意义水印，则只能通过统计决策来确定信号是否存在。 ( 5 ) 按水印隐藏的位置划分，可以分为时空域水印和变换域水印。时空域数字水印是直 接在媒体信号的时间域或空间域上叠加水印信息，而变换域水印则包括在d c t 域、d f t 域 和小波变换域上隐藏水印。时空域永印算法相对简单，有较强的实时性，但在鲁棒性上不 如变换域水印。 7 第1 章引言 另外，还可以按水印载体划分，可以把水印划分为图像水印、音频水印、视频水印、 文本水印及用于三维网络模型的网格水印等；如果按用途划分，还可以划分为票据防伪水 印、版权保护水印、篡改提示水印和隐蔽标识水印。对水印进行必要的分类可以帮助我们 更好的理解水印技术从而进行更深入的研究。 1 4 数字水印研究现状 自从数字水印提出以来。为解决开放性网络上的多媒体信息安全、知识产权保护和认 证等问题提供了一条崭新的技术方向，受到了各界 9 1 的广泛关注，因而发展极为迅速，并 取得了重大的成果。 1 4 1 学术界 从1 9 9 4 年开始，国际学术界陆续发表有关数字水印的文章，且文章数量呈快速增长趋 势，图i 2 是对此主题发表的论文数量的柱状图。几个有影响的国际会议( 例如i e e e ，s p 皿 等) 及一些国际权威学术期刊( 例如s i g m l p r o c e s s i n g 等) 相继出版了有关数字水印技术的 专题。1 9 9 6 年第一届国际信息隐藏学术研讨会( i h w ) 在英国剑桥牛顿研究所召开这次 会议把数字水印作为它的主要议题之一，至今该研讨会已举办了七届。在1 9 9 9 年第三届信 息隐藏国际学术研i , j - 会上，数字水印成为主旋律，3 3 篇论文中有1 8 篇是关于数字水印的 研究。1 9 9 8 年的国际图像处理大会( i c i p ) 上，还开辟了两个关于数字水印的专题讨论。 此外在欧洲、北美以及其他一些关于图像、多媒体等领域的国际会议都设有专门的数字水 印讨论组。 蕾 1 12 0 世纪9 0 年代每年震衰的关于永印t 仑3 1 ：的薮量 8 第1 章引言 1 4 2 产业界 世界各国的科研机构，大学和商业集团都积极地参与或投资支持此方面的研究，如美 国财政部，美国版权工作组、美国海陆空研究实验室、欧洲电信联盟、德国国家信息技术 研究中心、e j 本n r r 信息与通信系统研究中心、麻省理工学院、剑桥大学、微软公司等都 在进行这方面的研究工作。m m 公司、日立公司、n e c 公司、p i o n e e r 电子公司和s o n y 公司 等五家公司还宣布联合研究数字水印技术。 在2 0 世纪9 0 年代末期一些公司开始正式销售水印产品。美团的d i g i m a r c 公司率先推 出了第一个商用数字水印软件，而后又以插件形式将该软件集成到a d o b ep h o t o s h o p 和 c o r e ld m w 图像处理软件中。该公司还推出了媒体桥( m e d i a b f i d g e ) 技术，利用这项技术 用户只要将含有d i g i m a r c 水印信息的图片放在网络摄像杌( w e bc m n e r a ) 前，媒体桥就可 以直接将用户带到与图像内容相关联的网络站点。a l p v i s i o n 公司推出的l a v e l i t 软件，能 够在任何扫描的图片中隐藏若干字符，用于文档的保护和跟踪。a l p v i s i o n 的s a f e p a p e r 是 专为打印文档设计的安全产品。它将水印信息隐藏在纸的背面，以此来证明该文档的真伪 s a f e p a p e r 可用于证明一份文件是否为指定的公司或组织所打印，如医疗处方，法律文书、 契约等，还可以将一些重要的或秘密的信息，如商标、专_ 荦! i 、名字、金额等，隐藏到数字 水印中。s i g n u m 公司的v d i d a t a 软件的一个特殊版本称为i p a l 【 它将不可见的水印加入到 打印出的包装盒商标上。以阻止商标盗版。欧洲电子产业界和有关大学协作开发了采用数 字水印技术来监视复制音像软件的监视系统，以防止数字广播业者的不正当复制行为。此 开发计划作为欧洲电子产业界等组织的欧共体项目于1 9 9 5 年9 月开始进行，1 9 9 8 年8 月 结束，法国、比利时、德国、西班牙、意大利和瑞士等在内的1 1 个通信与广播业者、研究 单位和大学参加。 1 4 3 标准化组织 国际标准化集团也对数字水印技术表现出了极大的兴趣，在连续色调图像压缩标准 j p e g 2 0 0 0 和视频压缩标准m p e g 4 ( i o s i e c1 4 4 9 6 ) 中都加入了数字水印技术。拷贝保护 技术工作组( c p t w g ) 出于保护d v d 碟中视频的目的测试了水印系统。安全数字音乐主 创( s d m i ) 将水印做成它们的音乐保护系统的核心技术。欧盟赞助的“欢呼”( v i v a ) 和“护 身符”( t a l i s m a n ) 两个计划对用于广播监控的水印进行了测试。国际标准化组织( i s o ) 则对该技术用于高级m p e g 标准设计的情况感兴趣。 9 第1 章引言 1 4 4 我国研究现状l 巧捌 我国学术界也紧跟世界数字水印技术发展的脚步，一批有实力的科研机构相继投入到 这一领域中来哈尔滨工业大学的孙圣和、牛夏牧、陆哲明等，天津大学的张春田、苏育 庭等，北京邮电大学的杨义先、钮心忻等，中国科学院自动化研究所的刘瑞祯、谭铁牛等。 1 9 9 9 年1 2 月1 1 日，我国信息安全领域的权威何德全院士、周仲以院士、蔡吉人院士与有 关研究单位联合发起，召开了我国第一届信息隐藏学术研讨会( c i h w ) ，至今该研讨会 已成功举办5 届，很大程度的推动了国内水印技术的研究和发展。2 0 0 1 年1 月，由目豸r 8 6 3 ” 智能计算机专家组和中科院自动化研究所模式识别国家重点实验室组织召开了数字水印技 术研讨会。田家“8 6 3 计划”、“9 7 3 项目”( 国家重点基础研究发展规划) 、国家自然科 学基金等都对数字水印的研究给予资金支持。同时，国家对信息安全产业的健康发展也非 常重视，在2 0 0 3 年的科技型中小企业技术创新基金若干重点项目指南中，明确指出了 对于“数字产品产权保护( 基于数字水印、信息隐藏、或者网络认证等先进技术) ”和。个 性化产晶( 证件) 的防伪( 基于水印、编码、或挑战应答等技术) ”等多项防盗版和防伪 技术予以重点支持。我国在数字水印技术领域内的研究得到了长足的进展，取得了很多成 绩。 现在国内已经出现了一些生产水印产品的公司，其中比较有代表性的是由中科院自动 化研究所的刘瑞桢、谭铁牛等人子2 0 0 2 年在上海创办的一家专门从事数字水印、多媒体信 息和网络安全、防伪技术等硬件开发的公司上海阿须数码技术有限公司【1 9 】。公司现从 事数字认证、数字印章、p d f 文本、分块离散图像，视频、网络安全等多方面数字水印技 术的研究，这家公司已申请了一项国际和三项国家数字水印技术专利。虽然数字水印在国 内的应用还处于初级阶段，但水印公司的创办使得数字水印技术在国内不仅仅只停留在理 论研究的层面上，而是走上了实用化和商业化的道路，这样会更加推动国内水印技术的蓬 勃发展，为国内信息安全产业提供有效的、安全的保障。 1 5 本文的研究内容及组织安捧 前面介绍了数字水印技术产生的背景，以及目前在社会各界的发展现状，可以知道， 随着科学技术发展，数字水印技术也得到了迅猛的发展。然而要使数字水印技术实用化， 就必须提高其鲁棒性，这是当今数字水印技术研究的重点与难点。本文主要研究一种基于 h v s 的自适应d c t 域水印的生成、嵌入和提取技术。具体如下： 1 深入了解当前主流的水印算法，并分析各种算法的原理、方法及特点。 1 0 第1 章引育 2 讨论感知模型的原理及形式，以及感知模型在数字水印中的应用。 3 研究目前各种水印自适应生成方法，探讨基于图像边缘特征的在携带信息量和不可 见性达到良好平衡的水印技术。 4 研究数字水印的自适应算法，分析各种基于i 1 v s 的图像块分类方法，提出根据各块 的熵值和统计各块量化后非零系数的个数把载体图像分为四类：平滑区、纹理区、边缘区 和其他区域，不同的区域采用不同地嵌入强度的自适应嵌入方法，并根据载体图像以及水 印图像的大小，自适应的选择水印信号嵌入的地位置，从而使水印在稳健性、不可见性以 及水印的嵌入容量等方面达到较好的折衷。 5 运用各种常见的水印的攻击方法对嵌入水印的图像进行试验，实验结果表明水印 对一些常见的图像处理( 如低通滤波、中值滤波、平移、锐化、剪切等) 都具有较好的稳健 性，从而证实了该算法的可行性和准确性 6 设计并实现了一个基于图像版权保护的数字水印系统。 本文内容组织安排如下： 第1 章阐述了数字水印技术的研究背景、研究历史、分类及研究现状，并指出了本文的 研究重点。 第2 章讲述了数字水印技术的原理，包括其基本框架和性能评估。 第3 章介绍了感知模型的一般形式及箕在水印中的应用 第4 章阐述了h v s 在数字水印算法中的重要性，并重点提出了一种基于h v s 的自适应数 字水印算法，该算法根据 l v s 特性将图像区域分为四类，不同的区域采用不同的嵌入强度， 并根据水印的大小自适应选择水印嵌入的位置。 第5 章讲述了所要实现水印系统的基本原理和框架并加以实现，通过一系列实验对该系 统进行评估。 第6 章总结了本文的研究工作，提出了未来的研究方向。 第2 章数字水印技术原理 第2 章数字水印技术原理 2 1 数字水印处理系统的基本框架【2 3 1 数字水印技术的基本思想是在数字图像、音频和视频等多媒体数字产品中嵌入秘密信 息，以保护数字产品的版权、证明产品真实性，跟踪盗版行为或提供产品的附加信息。这 里的秘密信息就称为数字水印。通常，可以定义水印为如下的信号： w = w ( k ) 1 w ( k ) 0 ，k = o ，1 ，2 ，m - i ( 2 1 ) 其中，m 为水印序列长度，0 代表值域。实际上水印序列的维数要根据载体对象的维数来 确定，它可以是一维序列( 例如音频) ，也可以是二维阵列( 例如静止图像) ，甚至可以 是三维( 例如动态图像) 或者是高维信号。水印信号的值域可以是二值形式，如0 = 0 ，1 ) ， 0 = l ，1 ) 或0 = - r ，r ) ，或者是高斯白噪声等其他形式。 粗略来看，数字水印系统包含嵌入器和检测器两大部分。嵌入器至少具有两个输入量： 一个是原始信息。它通过适当变换后作为待嵌入的水印信号；另一个就是要在其中嵌入水 印的载体作品。而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。它可以定义为九元体 v ( 1 l ，x ，x ，g ，阻，a t ，d ，e x ) ，其要素分别定义如下： ( 1 ) i f 代表所有可能原始信息的集合。 ( 2 ) x 代表所要保护的数字产品x ( 或称为作品) 的集合，即内容。 ( 3 ) 代表所有可能水印信号t 的集合。 ( 4 ) 置代表水印密钥k 的集合。 ( 5 ) g 代表利用原始信息m 、密钥k 和原始数字产品i 共同生成水印的算法，即 m x x k i ，r - g 抽，x ，k ) ( 2 2 ) 需要说明的是，原始数字产品不一定参与水印的生成过程。 ( 6 ) 跏表示将水印- 嵌入数字产品中的嵌入算法，即 x v - - x , i ( 曲= e m ( i - )( 2 3 ) 这里，x 代表原始产品。z ( ) 代表含水印产品。为了提高安全性，有时在嵌入算法中包含 嵌入密钥。 ( 7 ) a t 表示对含水印产品z ( 的攻击算