（通信与信息系统专业论文）鲁棒数字水印算法研究及其在drm中的应用.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 中文摘要 在互联网高速发展的同时，数字作品在网上的传播变得越来越频繁。网络 发布逐渐成为数字作品发布的一种重要形式。数字水印技术是一种用来进行数 字作品版权保护的先进技术。数字水印技术被广泛用于对抗盗版和数字作品非 法复制传播。 数字版权管理系统( d 蹦) 在高度开放的互联网环境中作为一种用来进行 数字作品的管理和发布的平台，已经变得越来越必不可少。d r m 系统结合了加 密机制、接口控制机制、复制控制机制、内容认定机制和盗版追踪机制等各项 机制。而几乎这些机制都能用数字水印技术来实现。因此，结合数字水印技术 和d r m 能够更好地保护数字作品的传播，复制和管理。 虽然目前有很多的数字水印算法，但是多重水印算法的研究仍然很少。而 且，目前大多数的水印算法不能很好地和d r m 系统相结合。为此本文分别基于 d c t 变换和d w t - s v d 变换提出了两种多重水印算法。嵌入的两个水印分别是用 于标记版权所有者的数字水印信息和消费者购买数字作品的时嵌入的消费者数 字水印信息。基于d c t 变换的水印算法先将版权所有者的水印信息嵌入到原始 图像的d c t 变换的中低频区，然后将消费者的水印信息嵌入到原始图像的d c 分 量上。基于d w t s v d 变换的多重水印算法先将消费者的水印信息嵌入到版权所 有者的水印的d w t 域中，然后再将版权所有者的图像基于h v s 模型嵌入到原始 图像的d w t 系数中。通过一系列的实验，分别论证了提出算法的有效性。基于 本文提出的d r m 原型系统的协议，水印信息能很好地与d r m 系统相结合，共同 作用。如果不符合规定的协议，数字作品会被播放器拒绝播放，而消费者的水 印信息也能追踪盗版者，有效地实施接口控制机制和盗版追踪机制，从而在一 定的程度上防止数字作品的非法复制和传播，在数字作品的整个生命周期中起 到数字作品的版权保护作用。 关键词：数字水印算法，鲁棒性，多重水印，d r m 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t 蚴t h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n t e m e t , i n t e r e s ti n t h et o p i co fd i g i t a l w a t e r m a r k i n ge x p a n d e dr a p i d l yb e c a u s et h ei n t e m e te n a b l et h ep e r f e c tc o p y i n ga n d d i s t r i b u t i o no fc o p y r i g h t e dm a t e r i a lt oa l m o s ta n y w h e r ei nt h ew o r l da ta l m o s tn oc o s t f o rt h i sr e a s o n , d i g i t a lw a t e r m a r k i n gi sc o m m o n l yu s e df o rc o p y r i g h tp r o t e c t i o nt o p r e v e n tp i r a c ya n di l l e g a ld u p l i c a t i o no fd i g i t a lc o p y r i g h t e dc o n t e n t d r ms y s t e m sc a nb eu s e dt oc o n t r o lp r i v a t ep e r f o r m a n c e sa n dd i s p l a y so f d i g i t a lc o n t e n t n o w a d a y s ，d i g i t a lr i g h t sm a n a g e m e n t ( d r m ) i si n c r e a s i n g l y b e c o m i n gan e c e s s i t yf o rc o n t e n tm a n a g e m e n ta n dd i s t r i b u t i o ni nh i g h l yn e t w o r k e d e n v i r o n m e n t ss u c ha st h ei n t e m e t d r ms y s t e m si n c o r p o r a t ee n c r y p t i o n , c o n d i t i o n a l a c c e s s ，c o p yc o n t r o lm e c h a n i s m s ，c o n t e n ti d e n t i 6 c a t i o na n dt r a c i n gm e c h a n i s m s u s i n gt h ed 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 s ，c o p yc o n t r o lm e c h a n i s ma n dt r a c i n g m e c h a n i s mc a l lb ei m p l e m e n t e d t h u s ，t h e s et w of i e l d st o g e t h e rc a np r o v i d e c o m p l e t ep r o t e c t i o no f t h ed i g i t a lm e d i a t h o u g ht h e r ea r em a n yd i g i t a lw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m s ，l i t t l er e s e a r c hf o c u so n d u a lw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m a n dm o s to ft h ew a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mc o u l d n t i n t e g r a t ew i t ht h ed r m i nt h i sp a p e r , t w od u a lw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m sa r e p r o p o s e d ，o n ei sb a s e do nd c t , a n dt h eo t h e ri sb a s e do nd w t - s v d f i r s t ，a w a t e r m a r ko ft h eo w n e ri se m b e d d e di nt h ed i g i t a lm e d i a a n dt h eb u y e r sw a t e r m a r k w i l lb ee m b e d d e dw h e nt h eb u y e ro b t a i nt h ed i 西t a lm e d i aa to u rd i g i t a lr i g h t s m a n a g e m e n ts y s t e m d c t - b a s e dw a t e r m a r ka l g o r i t h me m b e d st h ew a t e r m a r ko f c o p y r i g h to w n e ri n t ot h el o w a n dm i d d l ef r e q u e n c yc o e f f i c i e n t so fo r i g i n a li m a g e ， a n dt h e nt h ew a t e r m a r ko fc u s t o mi se m b e d d e di nt h ed cc o e f f i c i e n t so fo r i g i n a l i m a g e a n di nt h es v d d w tb a s e da l g o r i t h m , f i r s tt h ew a t e r m a r ko fc u s t o mi s e m b e d d e di nt h ed w tc o e f f i c i e n t so fw a t e r m a r ki m a g eo fo w n e r , a n dt h e nt h e w a t e r m a r ko fo w n e ri se m b e d d e di n t ot h ed w tc o e 伍c i e n t so fo r i g i n a li m a g eb a s e d o nh v s e x p e r i m e n t sd e m o n s t r a t et h ev a l i d i t yo ft h e s et w oa l g o r i t h m s b a s e do nt h e r u l e so fo u rd i g i t a lr i g h t sm a n a g e m e n t ，p i r a t e dm e d i aw i l lb er e f u s e dt os h o wb yt h e m e d i ap l a y e r , + a n dt h ep i r a t ew i l lb et r a c e d t h u s ，t h i sm e c h a n i s mc o u l dp r e v e n ti l l e g a l c o p y i n ga n dd i s s e m i n a t i o nd i g i t a lm e d i ad u r i n gt h ee n t i r el i f ec y c l eo fd i g i t a lm e d i a k e yw o r d s ：d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ；r o b u s t ；d u a lw a t e r m a r k ；d r m 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本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已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本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。 签名：堡鱼堕日期：垃：、 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 一( 捌隽哟叩1 编晰f 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景、目的及其意义 1 1 1 课题研究背景 根据2 0 1 0 年1 月第2 5 次中国互联网调查报告显示，我国互联网普及率为 2 8 9 ，高于全球平均水平。这也就是说中国的互联网普及再次实现飞跃，赶上 并超过了全球平均水平。在我国网民的数量的不断增加的同时，截至2 0 0 9 年底， 中国网站总数超过3 2 3 万个。 在我国互联网高速发展的同时，数字作品在网上的传播也越来越频繁，越 来越便捷。数字作品的发布形式愈加丰富了，网络发布的形式逐渐成为一种及 其重要的形式。众多的视频网站，音乐网站也加入到这个商业链中。据不完全 统计目前我国网络视频拥有2 2 2 亿用户，占网民总量的7 0 以上。因此，带来了 巨大的商业价值。2 0 0 8 年我国网络视频市场总体收入规模达到4 3 1 亿元，2 0 0 9 年预计增长超过5 0 。 巨大的商业价值之后是行业的不规范，众多的视频网站和音乐网站里面的 资源既有合法的拥有版权的作品，也有很多是属于盗版的非法的作品。因此， 最近也发生了很多版权纠纷的案件。盘点网络视频纠纷不难发现，几乎所有国 内知名视频网站都曾站上过网络侵权的被告席。 对于数字作品的版权保护，主要是通过法律手段和技术手段。两个手段相 辅相乘，缺一不可。法律手段主要解决版权侵犯事实发生后的情况。技术手段 则着手于如何减少版权纠纷案件。 本课题来源于国家高技术研究发展计划“8 6 3 计划 ( 2 0 0 9 a a 0 1 2 4 4 0 ) 。本 文的主要研究内容是该项目的一个重要子模块一用于版权保护的数字水印算 法研究和水印在版权保护系统的水印嵌入模块。该子模块的研究为解决网络制 造产品版权保护问题奠定了一些理论基础和提供了若干技术解决方案。 1 1 2 课题研究目的和意义 随着信息与通信技术的飞速发展，数字媒体内容的分发、复制与编辑变得 武汉理工大学硕士学位论文 越来越普遍。随之带来的大量盗版行为给数字媒体产业链带来了不可估量的经 济损失，本课题的目的是给当前众多的版权纠纷案件提供可能的技术仲裁手段。 在当前的网络环境中仅凭法律手段难以保护数字内容的版权，必须辅之以一定 的技术手段。 数字水印技术，是一种数据伪装、数据隐藏技术。此技术是将特定的信息 伪装隐藏在公开的非机密的数字作品之中进行传递的一种技术。根据水印的载 体，数字水印分为数字图像水印，音频水印，视频水印等。根据水印的鲁棒性， 数字水印又可分为鲁棒水印和半脆弱水印。通过数十年的发展和研究，数字水 印技术已经日渐成熟，众多的数字水印算法的提出，使这一技术的理论趋于完 善。但是，众多的水印算法都是集中在往数字载体上一次嵌入水印和提取水印， 而多次水印加载的技术还不是很成熟。尽管数字水印的理论已经日渐完善，但 是真正的将数字水印应用于反盗版技术的应用还不是很多。 数字版权管理技术( d i g i t a lm e a t sm a n a g e m e n t ，d r m ) 从2 0 0 1 年来，也逐 渐得到重视。它结合硬件和软件的存取机制，对数字化信息内容在其生存周期 内的存取进行控制。自d r m 技术诞生之日起，工业界和学术界就进行了大量的 研究，国内的有华为、北大方正等，国外的有微软、飞利浦、i b m 等都对其的 关键算法和体系结构进行了大量的研究。d r m 技术包含了版权使用的交易监控、 描述、识别和各种权限的跟踪和对版权所有入的关系管理等相应的内容。 数字水印技术能够对版权的拥有问题进行裁决。当前的防火墙或普通加密 软件，可以部分解决非法用户访问未授权多媒体数据的问题，但不能解决合法 用户造成的拷贝扩散问题。如何有效的结合数字水印技术和数字版权管理技术 解决上述的版权问题，减少盗版问题带来的经济损失，对研究人员来说仍是一 个挑战性的课题，同时它又是一种与具体应用结合比较紧密的实用技术。 因而本课题研究的目的是深入探讨鲁棒数字水印算法的关键技术，提出两 种能够结合基于动态安全许可的数字版权管理系统的多重水印嵌入算法。并结 合基于动态安全许可的数字版权管理系统，研究水印嵌入模块和各个模块之间 的联系。 1 2 鲁棒数字水印算法国内外研究现状 最早的电子水印( e 1 e c 缸d i l i cw a t e r m a r k i n g )概念可以追溯到1 9 5 4 年【l 】o1 9 5 4 年，m u z a e 公司的e m i lh e m b r o o k e 请了一个叫“i d e n t i f i c a t i o no fs o u n da n dl i k e 2 武汉理工大学硕士学位论文 s i g n a l s ”的专利，电子水印的概念首次出现在这个专利的描述中。然而电子水印 ( 包括数字水印) 直到2 0 世纪9 0 年代才得到了广泛的研究关注。这种关注的起 因是快速发展的计算机技术和w e b 技术。计算机技术和w e b 技术的发展带来了大 量的版权问题，而数字水印技术给版权问题提供了一种技术手段。1 9 9 4 年，v a n s c h y n d e l 在i n t e m a t i o n a lc o n f e r e n c eo ni m a g ep r o c e s s i n g 上发表了第一篇关于数字 水印的论文。 近2 0 年来，鲁棒数字水印技术在算法上取得了深远的发展。数字水印的算 法一般分为空域和频域算法。由于各种数学变换的不断发展，当前的数字水印 算法大都是频域算法，主要集中在d f t 变换域，d c t 变换域，d w t 变换域，s v d 等变换。或者将这些变换结合h v s ，扩频技术和一些新技术，如b o s e c h a d h u r i h o e q u e n g h e m ( b c h ) 编码等以在鲁棒数字水印的鲁棒性和不可见性之间达到 平衡。 参考文献【2 】是在离散傅里叶变换中嵌入数字水印，所有的水印都是互相关 的，而且与参考水印有着相同的相关性。文献【3 】和【4 】都是基于s v d 变换的水印 算法，文献 3 】的算法能够包含大量的有意义的信息，文献 4 的水印算法对几何 扭曲攻击特别鲁棒。参考文献 5 】的数字水印算法是基于d w t 的一种水印算法， 此算法是基于d w t 域中n m f 矩阵分解设计了一种盲鲁棒数字水印算法。在d c t 域，参考文献 6 提出了一种将伪随机序列嵌入至u d c t 域上的算法，此算法保证 了水印的不可见性，且比较鲁棒。 在结合不同的域变换上，也有很多鲁棒数字水印算法。参考文献 7 是一种 结合s v d 和d c t 变换的数字水印算法，算法将水印图像中的较大的s v 值嵌入到 原始图像子块的d c 成分，保证了鲁棒性和不可见性。参考文献【8 】提出了一种基 于d w t 和s v d 的数字水印算法，该算法不在原始图像中嵌入水印图像，而是先 基于d w r 和s v d 抽取图像特征。抽取的图像特征根据k 均值聚类算法分成两类， 聚类结果用来产生一个主份。然后主份图像和水印图像根据视觉加密技术生成 所有权图像。参考文献 9 也是一种基于d w t 和s v d 的数字水印算法，该算法基 于d w t 和s v d 设计了一种半盲数字水印算法，使用一个灰度商标而不是随机高 斯噪声做为水印图像。水印嵌入过程中，先进行小波变换形成子图像，然后通 过使用水印的奇异值来修改相关图像的奇异值来嵌入水印。 在综合其它技术方面，参考文献【1 0 】提出的算法结合了d c t 变换，b c h 编码， h v s ，遗传算法和扩频技术，提出一种自适应的在d c t 域中选择水印嵌入频段 武汉理工大学硕士学位论文 的算法。该算法有效的隐藏了水印信息。 综上，大部分的水印算法都是基于d c t 和d w t 变换的。由这些水印算法的 分析，可以看出，基于d c t 变换的水印算法对于y p e g 压缩是很鲁棒的，但是对 于j p e g 2 0 0 0 来说，则不是那么的鲁棒。而基于小波算法的数字水印算法，对于 j p e g 2 0 0 0 来说，相当很鲁棒，但是对于j p e g 压缩则不是那么的鲁棒。r a m k u m a r 等提出的h 觚l i i l 删和h a i t l e y 变换l l ，由于处理噪声时的更小的标准差，比d c t 和d w t 提供了更好的弹性。 目前也有很多的水印算法基于离散h a r d m a r d 变换( d h t ) 以及其扩展变换。 使用离散h a r d m a r d 变换的数字水印算法，有着更低的计算花费，水印图像能更 小的改变原始图像的内容。参考文献【1 2 】提出了一种基于d h t 的数字水印算法， 文章将水印图像加入d h t 变换域，实验结果证明了算法的鲁棒性和对j p e g 压缩 和j p e g 2 0 0 0 压缩都有比较好的抗干扰能力。 尽管目前有众多的水印嵌入算法，但是，当前，对多重水印的嵌入的研究 还并不是很多。而对于在实际版权保护的应用中，特别是数字版权管理系统中， 往往需要嵌入多重水印信息，如首先要嵌入数字版权作品所有者的信息，其次 还要嵌入购买数字作品的消费者的信息，如消费者的m a c 地址信息，用以识别 当前使用者是否具有使用此作品的权利。 显然多重水印的嵌入不能使用同一种算法在图像的同一种位置加入水印信 息，否则多种水印信息会重叠，给提取造成困难。参考文献【1 3 提出了一种为d r m 系统设计的多重水印嵌入算法。文献中的算法将m d 5 摘要嵌入图像d c t 变换后 的d c 成分，而将有意义的水印信息如公司的图标进过一些变换后嵌入到图像 d c t 域的中频成分中。水印算法对j p e g 压缩等图像处理有一定的鲁棒性。但是， 文献中的算法嵌入的摘要信息太少，而且显然m d 5 嵌入的摘要信息如果经过处 理，很容易出错，而且水印算法也不够鲁棒，如果水印算法泄露，攻击者能根 据其特点设计攻击，因此不能抵御针对算法特点的一些攻击。 本文针对国家高技术研究发展计划“8 6 3 计划( 2 0 0 9 a a 0 1 2 4 4 0 ) 设计的 d r m 系统的原型的特点。设计了两种多重水印加入算法。实验结果证实了算法 的鲁棒性，不可见性，以及在系统中良好的运用。 1 3 数字版权管理系统国内外研究现状 随着数字产品越来越多的在互联网上传输，为了保护数字唱片，电影，和 4 武汉理工大学硕士学位论文 其它数字产品的版权，诞生了数字版权管理系统( d i g i t a lr i g h tm a n a g e m e n t ) 这 种新的技术，简称为d r m 。这种技术的主要目的是提供版权保护的一种技术手 段，维护数字产品发行商的商业利益。d r m 技术使数字内容的不同权限对应不 同的商业价格，相关权益方能对每个数字内容的拷贝定义不同的使用权限。用 户只有在支付了相应费用后才能得到授权，然后能按照相应的权限消费数字内 容。d r m 技术可以对数字内容的分发、使用、消费进行管理，而且能防止非法 复制数字信息的内容，从而有效的防止拷贝问题。d r m 系统能在数字信息的版 权遭到侵犯时，对侵犯行为进行取证和追踪。这样能对数字作品的整个生存周 期进行监控和保护。一般的d r m 系统结合了加密技术，接口管理技术，拷贝管 理技术，盗版追踪技术。一般加密技术可以基于m d 5 等加密算法。而接口管理 技术，拷贝管理技术和盗版追踪机制的实现都可以基于多重数字水印技术。在 原始的数字作品中嵌入版权所有者的水印信息和消费者的水印信息能有效的识 别出所有者和消费者，从而能有效的判断出哪些是合法使用，哪些是非法的拷 贝，也能追踪出盗版的源头。 随着i n t e m e t 的快速发展，数字产品的发布、复制与传输越来越容易，也越 来越隐蔽，速度也更快。这些技术在促进了数字内容产业的快速发展的同时， 也对各种利益方提出了严峻挑战，d r m 就是在这种背景下产生的。d r m 最早应 用在互联网上传播的音视频等节目，随后逐步扩展到其他形式的媒体，使用范 围也迅速的从互联网领域扩展到其它的领域。 在国际上有众多的机构和研究组织在推动d r m 的体系化和结构化，当前的 各种研究机构和在d r m 技术上取的进展如表1 1 所示【3 2 】。 表1 1国际范围内d i 洲研究组织及成果 _ _ _ - i _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 d r m o r 2 a n i z a t i o n i n s t i t u t e x m la n dd i g i t a lr i g h t sm a n a g e m e n t ( d r m ) m a r l i nd e v e l o p e rc o m m u n i t y ( m d c ) o a s i sr i e h t sl a n g u a g e o p e nm o b i l ea l l i a n c e ( o m a ) o p e nd i g i t a lr i g h t sl a n g u a g e ( o d r l ) i n t e m e td i g i t a lr i g h t sm a n a g e m e n t ( i d r m ) r e s e a r c hg r o u p e x t e n s i b l er i g h t sm a r k u pl a n g u a g e ( x r m l ) e l e c t r o n i cb o o ke x c h a n g e ( e b x ) w o r k i n gg r o u p e x t e n s i b l em e d i ac o m m e r c el a n g u a g e ( x m c l ) w 3 cd r m p u b l i ci n t e r e s tm a i l i n gl i s t m p e g r i g h t se x p r e s s i o nl a n g u a g ea n dd a t ad i c t i o n a r y o p e ne b o o ki n i t i a t i v er i e a t sa n dr u l e sw o r k i n gg r o u p 武汉理工大学硕士学位论文 任何一项技术，如果想得到快速有效的发展，都离不开标准的建立，d r m 数 字版权保护也不例外。当前与d r m 有关的标准主要有以下六种： e l e c t r o n i c b o o ke x c h a n g e ( e b x ) ，即电子书交易标准。m o v i n gp i c t u r e se x p e l sg r o u p ( m p e g ) ，即动态图象专家组。d i g i t a l0 b j e c ti d e n t i f i e r s ( d o i ) ，数字内容 标识符。e x t e n s i b l er i g h tm a r k u pl a n g u a g e ( x r m l ) ，可扩展版权建立语 言。s e c u r i t ya s s e r t i o n m a r k u pl a n g u a g e ( s a m l ) 安全性断言标记语言。e x t e n s i b l e m e d i ac o m m e r c i a ll a n g u a g e ( x m c l ) ，可扩展媒体商务语言。 在d r m 技术的初期，c o m e n t g u a r d 提出了一种可扩展的版权管理语言 x r m l ，用于进行版权内容的描述。随后的d o i 是用一种标准化的方式，按照语 义的方式完成对数字媒体对象的标定。后来的开放数字o d r l 相对x r m l 更完 备，但本质上类似与x r m l 。i d r m 组织奠定了数字版权管理在主题、客体以及 数字权利之间的关系，采用将数字版权管理，传统的访问控制联合考虑的方法， 具有重要的参考价值。 在国际工业界，几大著名的商业公司也都相继推出了比较有影响的d r m 商 业产品。目前比较有影响的系统有：m i c r o s o f t 提供的多媒体版权安全授权系统 w i n d o w sd r m ( 与w i n d o w sm e d i ap l a y e r 相配合使用) ；i b m 公司的基于超级 分发的版权保护系统c r y p t o l o p ef e m m s ) , r e a l n e t w o r k s 在其r e a l p l a y e r 媒体播 放器中加入了h e l i xd r m 组件，类似的产品还包括r i g h t sa n ds y s t e m ，以及 i n t e r t r u s t l d i g i b o x 。欧洲的i m p r i m a t u r 项目的主要目标是构建版权交换的标准和 一个多媒体数字版权保护的模型。 在国际学术界，相关的会议与论文都呈现增长的趋势。2 0 0 1 年，w 3 c 成立 了专门的d r m 专题工作组用于专门研究d r m 技术。同年a c ms i g s a c 召开了 第一届关于d r m 技术的国际会议d r m 0 1 ，随后d r m 被a c ms i g s a c 作为年会来 专门研究d r m 相关技术。i e e e 旗下的s i g n a lp r o c e s s i n g 期刊也在2 0 0 4 年对d r m 做 了专题研究。从2 0 0 1 年起，包括i e e e 、s p r i n g e r 、a c m 等公司旗下的一系列期刊 和会议发表了一系列的d i 洲研究成果。 国内的学术界和工业界也对d r m 展开了一系列的研究和商业应用。众多高 校和一些研究所都加入到各种版权保护技术如数字水印、数字指纹等的研究行 列，大大推动了d r m 的研究进程。在国内工业界，对d r m 的研究和商业化也取 得了一定的成果。比较重要的有中国数字音视频编解码技术标准组( a v s ) 制定的 a v sd r m 标准，北大方正集团的电子书籍d r m 产品a p a b i 。 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 本文的主要工作和组织结构 1 4 1 本文主要工作 虽然目前有众多的数字水印算法，且国内外的研究人员在这方面的研究已 经取得了较大的研究成果。但是对于多重水印的嵌入算法的研究不是很深入。 目前存在的多重水印算法，大部分嵌入的两个水印中一个水印是另一个水印的 备份，两个水印是相关的。本文着重于多重水印算法的研究于设计，提出两种 不同域上的多重水印嵌入算法。两个水印是不相关的。第一种水印算法基于d c t 变换，算法将版权所有者的水印信息嵌入到原始图像d c t 变换的中频区，然后 将购买数字作品的消费者的水印信息嵌入到原始数字图像的d c 分量上。第二种 算法基于d w t ，s v d 和h v s ，算法先将消费者的水印信息的奇异值嵌入到版权所 有者水印信息d w t 变换域的奇异值上，然后再将水印信息基于h v s 嵌入到原始 图像的d w t 域上。实验结果证明了提出的两种算法对一般的图像处理的鲁棒性 和不可见性。设计的水印提取算法也能较好的从嵌入水印图像中提出水印图像， 以达到证明版权所有者，以及验证数字作品是否拷贝数字作品的作用。 经过多年对d r m 的研究，现在d r m 技术已经取得了长远的发展。但是如何 有效的将多重水印算法与商用d r m 技术联系起来，进而可以达到商业的反盗版 技术，需要进一步的深入的研究。本文结合本文设计的多重水印嵌入算法，与 国家高技术研究发展计划“8 6 3 计划 ( 2 0 0 9 a a 0 1 z a 4 0 ) 设计的d r m 系统的原 型的特点提出一些在版权保护中设计的协议，设计基于动态安全许可的数字版 权管理系统中的一些模块，以及研究多重数字水印算法与各个模块之间的关系， 实际结果说明了算法和系统的有效性。 1 4 2 本文组织结构 全文共分五章，内容安排如下： 第一章总体的论述本课题的研究背景及其意义，介绍了国内外相关数字水 印技术和数字版权管理系统d r m 的研究现状，并简单的叙述了本课题研究中所 做的主要工作和主要的思想。 第二章提出一种d c t 域的多重水印嵌入算法，首先算法将数字版权所有者 的有意义图像水印信息采取一种自适应的水印算法嵌入到原始图像经过d c t 变 换后的中低频区，本算法可一定程度的自我修复水印，并可以盲检测。然后将 7 武汉理工大学硕士学位论文 消费者的m a c 地址信息基于s v d 变换在不影响视觉的前提下自适应的嵌入到图 像的d c 分量上。并针对算法的特点，提取水印。实验结果论证了方法的有效性。 第三章提出一种基于d w t ，s v d 和h v s 的多重水印算法。算法先将消费者 的水印基于d w t s v d 嵌入到版权所有者的水印中，然后将生成的水印的奇异值 根据d w t h v s 嵌入到原始图像中，形成最终的图像。实验结果论证了方法的有 效性。 第四章研究如何将前两章所设计的算法应用到具体的数字版权管理系统 中，以及研究基于动态安全许可和数字水印技术的版权管理系统的体系和各个 模块之间的相互联系和原型框图，并简述系统当前的开发进度。 第五章对全文工作进行总结，并展望未来的研究工作。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章基于d c t 变换的双水印算法 离散余弦变换是一种经典的变换，众多的水印算法基于离散d c t 交换。使 用d c t 变换，宿主图像能被分为不同的频段，水印图像能方便的嵌入特定的频 段中。由于d c t 变换的多频段性，因此也比较适合嵌入多个水印信息，本章设 计了一种基于离散余弦变换的多重数字水印嵌入算法。由于离散余弦变换的信 号能量的分布范围主要集中于低频区，即d c 和d c 附近。由于版权所有者的水 印图像包含的信号量比较大。所以算法将数字作品版权所有者的有意义图像水 印经过一定处理，用以打乱序列，然后将其嵌入到原始图像经过d c t 变换后的 中低频区。又由于消费者m a c 地址信息包含的信息量比较小，算法然后将消费 者的m a c 地址信息在不影响视觉的前提下自适应的嵌入到d c 成分上。并根据 本算法的特点，设计了相应的水印提取算法。实验结果验证了水印算法的有效 性和鲁棒性。 2 1 数字水印基本框架研究 数字水印技术主要是用于数字作品的版权保护，鲁棒数字水印的工作模型 可基本描述为：一个数字水印通过某种算法隐藏于一个图像载体中，隐藏于载 体中的数字水印不可见，在面对了一定的图像操作后，数字水印仍然存在，并 通过提取算法后，数字水印能被提取出，用以证明数字图像的版权信息。因此， 数字水印的算法一般包含三个基本的方面，数字水印的生成，数字水印的嵌入 和数字水印的提取。 一般数字水印算法的工作框图如图2 1 所示。为了保证安全性，即使攻击者 知道相对的数字水印算法，在不知道密钥的前提也不能破坏水印信息的安全性。 因此，数字水印信息在嵌入之前，必须根据相关的密钥k 进行一定的预处理操 作。处理后的水印信息i 取决与密钥k 和原始水印信息i 。 i f ( i ，k )( 2 1 ) 9 武汉理工大学硕士学位论文 图2 1数字水印算法基本框架 数字作品d 经过数字水印嵌入算法a ，嵌入处理后的水印信息i ，得到嵌 入水印信息的数字作品d 。经过一定的攻击和处理后，通过嵌入算法的逆过程， 即水印提取算法认提取出水印信息i ”。此过程如式( 2 2 ) ，( 2 3 ) 所示。 d = a ( d ，i ) ( 2 2 ) ，”= a ( d , k ，) ( 2 3 ) 在式( 2 3 ) 中，如果还需要原始图像d 作为参数，则水印算法是非盲检测 算法，如果不需要原始图像的信息，则水印算法是盲检测算法。 由于版权保护的要求，有时需要同时在数字作品中嵌入几个水印。嵌入的 几个水印之间可以是相关的，这时候，嵌入的几个水印之间相互作用，一个水 印可以作为另一个水印的隐射，当一个水印被破坏，另一个仍能起一个检索的 作用；嵌入的水印也可以是无关的，这时候不同的水印嵌入不同的信息，起到 不同的作用，配合一定的协议，达到保护版权的作用，典型的例子是同时嵌入 一个鲁棒水印和一个脆弱水印，鲁棒水印用来鉴定版权所有者，脆弱水印用来 鉴定作品的完整性。 如果嵌入的水印是相关的，这时候存在三种情况：先后嵌入的两种水印， 采取的水印算法都是针对某类型的攻击；先后嵌入的两种水印，采取的水印算 l o 武汉理工大学硕士学位论文 法是针对不同类型的攻击，这时候，可以增加鲁棒数字水印算法的有效性，从 而能够抵抗不同类型的攻击算法；先后嵌入的两种水印，采用的水印算法都是 针对某类型的攻击，即同时对某类攻击鲁棒或者脆弱，但是它们的鲁棒性不同， 这是可以利用一个水印来修复另一个水印。 当嵌入的水印不相关时，可以嵌入不同功能的水印信息从而对数字作品整 个流通过程进行保护。在本文中，嵌入的是两种不相互干扰的水印w l 和w 2 ， 首先一个有意义的商标水印信息w l 被嵌入到要保护的数字图像中，这个商标图 像是该数字作品在d r m 系统中注册登记的版权所有者。当消费者购买数字作品 时，消费者的m a c 地址信息又被作为二次水印信息w 2 嵌入到了图像中。在作 品的发行周期中，可以根据二次水印信息追踪非法拷贝的源散步者，从而有效 的保护作品。二次水印信息也可以被播放器用来作为可以合法播放的唯一标识。 2 2 离散d c t 变换研究 一维离散余弦变换( d c t ) 及其逆变换( i d c t ) 可以由以f 的公式表示： 哟) _ 口似甜) 萋m ) c o s1 ( 2 x + 矿1 ) u n 舻o ，1 ，一1 ( 2 - 4 ) m ) ：a 。n - 1 c ( “) ，( “) c 。s 挲，x ：o ，1 ，一1 ( 2 5 ) 口。0 d 1 v 其中 伽卢青， ( 2 - 6 ) n 、。 ： 击= u 【1 ，甜o 一维d c t 变换实际上就是将信号删分解为直流分量( u _ 0 ) ，基波分量( u _ 1 ) 和各次谐波分量( u 1 ) ，使信号的分析从时域转移到频域。 余弦变换与傅里叶变换一样有明确的物理意义，因为任何连续的实对称函 数的傅里叶变换中只含余弦项。离散d c t 是先将整体图像分成n * n 像素块，然后 对每个n n 像素块逐一进行d c t 变换。由于大多数图像的高频分量较小，相应于 图像高频分量的系数经常为零，而且人眼对高频成分的失真也不太敏感，因此 武汉理工大学硕士学位论文 可以在高频区嵌入水印。到达接收端后通过反离散余弦变换回到样值，虽然会 有一定的失真，但人眼是可以接受的。二维离散余弦变换的正反变换的公式如 下所示： f(扰，v)-aoc(r“，v)箩字，(矗y)cos(2x+1)uzcos(2y+1)vniv-a a v - - 1 ，f ( 州 矗，v ) 萎丢厂( 训) c o s l 万一1 l 万l 一， ( 2 - 8 0 、j 】f = 0y =0 ，一 1 ，= o ，1 ，n - 1 f ( x , y ) ：口1 箩字c ) f 批c o s ( 2 x + 1 ) u zc o s ( 2 y + 1 ) v z f ( x , yv ) c o ， ) = 口u = o v = oc ( “，v ) f ( “，_ 芝习- 一矿，k z ，- , 9 、 1 1厶| 1。7j x ，y = 0 ，1 ，n - 1 由于二维离散余弦变换的可分离性，二维d c t 可以用一维d c t 来实现。当 n = 8 时可取得比较好的效果。此时经过离散余弦变换的d c t 矩阵，f ( o ，o ) 代表直 流分量( d c ) ，左上角代表图像的低频分量，右下角代表高频分量。 2 3 基于d c t 变换的双水印算法 2 3 1 版权所有者水印的嵌入 本章提出的数字水印算法，原始的数字图像d 是灰度图。由于二值图像嵌 入宿主图像后，宿主图像的不可见性改变小，采用二值图像作为水印图像的水 印算法处理效率相对较高，因此在基于数字水印技术和动态安全许可的数字版 权管理系统中，版权所有者向数字作品版权管理中心提供的原始水印图像i 是有 意义的二值图像信息。如果版权所有者提供的自己商标是灰度图，则可对相应 的灰度图二值化后再作为原始的水印图像进行嵌入操作。二值化是灰度图像转 化为二值图像的一种方法，即设定一阈值后，将相应的像素点都与阈值进行比 较，从而将整幅图像变为二值图像，二值化后的灰度图仍可反映图像的特征。 如式( 2 1 ) 所示，水印图像一般需经过相应的置乱操作，通过置乱后再将 水印图像嵌入图像，能增强水印算法的有效性，抵御一些有意或者无意的攻击。 置乱的目的是分散水印图像，从而分散错误比特。比较常见的图像置乱算法有 a r n o l d 算法，g r a y 码变换，魔方变换，仿射变换等。在本文中，置乱水印算法 选用经典的二维a r n o l d 算法来置乱原始水印图像。 a m o l d 变换是一种常用的图像置乱技术，a r n o l d 变换的定义如下： 对任意除所有元素都相同的矩阵外的n * n 矩阵，若i ，i 为矩阵元素原始下 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 标，则经过a r n o l d 变换后新下标为i j 满足下式( 2 1 0 ) ： 嚣2 徊j ) m o d n 胚“ 批掰( 2 3 1 ) 坳2 ，7 1 1 、 10 ，e l s e p 一7 判断两个水印信息w 1 和w 2 是否一致可用相关函数p 来判断： 以阢泸赫 则消费者的水印信息w 2 与提取出的水印w 如果满足式( 2 3 3 ) 则可认为 两者是一致的，否则认为不一致。其中t 为- l - j 限值。 从形2 ，形) z 但3 3 ) 这样整个水印的提取工作完成，具体流程图如图2 6 所示。 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 4