（电力电子与电力传动专业论文）基于小波变换的数字水印方法研究.pdf

贵州大学硕士学位论文 a b s t r a c t d i g i t a lw a t e r m a a 她i san e wt e c h n i q u ef o ri n f o r m a t i o ns e c u r i t y i te m b e d sas p e c i a l i n v i s i b l em a r ki n t od i g i t a lm u r i m e d i ad a t a , t h e nc a r r i e so u tt h ef u n c t i o n ss u c ha si n f o r m a t i o n h i d i n g , 咖m 强c o p y r i g h tp f o t e c t i b yt r a c k i n gt h el 娣o f t i l ei m a g o 蚵d e t e c t i n gt h ew a t e r m a r k a tp r e s e n t , w a t e r m a r k i n gt e c h n i q u eh a sb e e nak i n do f e f f e c t i v ei i l e a r bt om u l t i m e d i ac o p y r i g h t a u t h e n t i c a t i o na n di t si n t e g r i t yp r o t e c t i o n w a l e r 】m a r kt e c h n o l o g ya n di ba p p l i c a t i o no fd i g i t a li m a g ei sc o m p a r a t i v e l ya n a l y z e da n d s t u d i e di nt h i st h e s i s i tm a i n l yi n c l u d e st h ef o h o w i i l gs e v e r a la s p s f i r s t l y , i ti n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n tp r e s e n ts t a t u sa n df u t u r eo fd i g i t a lw a t e r m a r k i n g t e c h n o l o g y , a n ds u m m a r ya n dd i s c u s s i o no ft h eg e n e r a lm e t h o d so f 忸“棚a d 【e m b e d d i n ga n d w a t e r m a r kd e t e c t i n gi sc a r r i e do u t a n ds e v e r a le x i s t i n gd i g i t a li m a g ew a t e r m a r ka l g o r i t h m s 玳 g e n e r a l i z e d s e i l d l y t h ea u t h o r 羽姗哪m 妇吐km a i nk n o w l e d g e 衙d 硒t a lw a t e n 蛐t e c h n o l o g y a n dt h er e l a t i v et h e o r i e s , s u c ha sd i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m , w a v e l e ta n a l y s i sa n dc h a o st h e o r y , a n dt h es c r a m b l em e t h o da n dt h eb i t - p l a n e sm e t h o di nt h ed i g i t a lw a l e r m a r k sp r e t r e a l m e n ta r e i n t r o d u c e d t h ea u t h o rp r o p o s e st h ca i mo f t h i sd i s s e r t a t i o n t h i r d l y , t h ed c td o m a i na l g o r i t h m s 蛳s t u d i e da n di m p r o v e d t h ea u t h o rp u t sf o r w a r da b l i n dw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mk 匝n go nd c td o m a i na n dc h a o s t h a ta l g o r i t h m , i nw h i c ha b i n a r yi m a g ew i t hp r a c t i c a lm e a n j i l gi ss e l e c t e d 嬲t h ew a t e r m a r k , i se n c r y p t e db yt h ec h a o s s e q u e n c eg e n e r a t e df r o mc o m p o s i t en o n l i n a r ed i s c r e t ec h a o t i cd y n a m i c a ls y s t e m s s u c h , w h e n e x a m i n i n gt h ea l g o r i t h m , n oo r i g i n a li m a g ei sn e e d e d l a s t l y , m a k e sa na n a l y s i so f t h er e s u r so f t h ei m i t a t e de x p e r i m e n tt op r o v et h a tt h ep l a ni sp m c t i c a l a n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ts h o w st h e r o b u s t n e s so f t h i sa l g o r i t h m f o u r t h , t h ep r e s e n tp o p u l a rw a v e l e td o m a i na l g o r i t h m sa r es t u d i e da n di m p r o v e d ，a s e l f - a d a p t i v ea l g o r i d a no fw a t e r i 眦kb a s e do nw a v e l e tu a l l s f o r m i s p u tf o r w a r d , w h i c h d e c o m p o s e sag r a y - l e v e li m a g ew a t e r m a r kt r e a t e dw i t ha r n o l ds c r a m b l i n gi n t oe i g h tb i n a r yb i t p l a n e s , a n d e m b e d se i g h tb i n a r yb i t p l a n e si n t ot h ew a v e l e t - t r a n s f o r m e do r i g i n a li m a g e t h e m e t h o du s e st h ec h a r a c t e r i s t i co fh u m a nv i s u a ls y s t e mt oa d j u s tt h ei n t e n s i t yo ft h ew a t e r m a r k a d a p f i v e l y as i g nm a t r i xi ss e ct or e c o r di n f o r m a t i o na b o u te m b e d d i n gw a t e r m a r ka n db eu s e df o r b l i n dd e t e c t i n gt h ew a t e r m a r k k e y w o r d s ：i n f o r m a t i o nh i d i n g , d i g i t a lw a t e r m a r k i n g , d i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m , d i s c r e t e w a v e l e tt r a n s f o r m , c h a o ss y s t e m - 贵州大学硕士学位论文 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究曾做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：垄警 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解贵州大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或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；本人授权贵州大学- j - 以将本学位论 文的全部或部分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论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：差。趁导师签名：选兰z 日期：2 q q 2 生6 旦 6 8 贵州大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 背景和意义 第1 章绪论 随着计算机信息技术和网络技术的飞速发展，人类社会已经进入了一个全 新的数字化信息时代这使得人们对信息的需求从过去单一的文本数据逐渐延 伸到数字化的文本、图像、图形、音频、视频等信号集成的多媒体信息这些 数字化的图形、文字以及音频、视频作品的易存储加工和易传输复制的特点加 快了知识和信息的交流与传播，网络通信技术以及计算机辅助设备的发展( 比 如：打印机、扫描仪等输入输出设备) 又使得信息的获取与交换变得更加简单 便利，数字信息可以很方便地在世界范围内进行广泛地传播交流但与此同时 这些高新技术的产生也为一些非法者提供了恶意篡改、攻击和盗用他人劳动成 果的便利条件为了解决这些问题，国际上提出了一种新的有效的数字产品版 权保护和数据安全维护技术一多媒体数字水印【，1 1 。与钞票水印相类似，它将特 定的信息水印嵌入到文档、音频、图像、视频等数字产品中，用以证明原创 作者对其作品的所有权，并作为鉴定起诉非法侵权的证据，同时通过对水印的 检测和分析保证数字化信息的完整性和可靠性，从而成为知识产权保护和数字 化信息产品防伪的有效手段 但是，利用数字水印技术进行多媒体信息的版权保护是一个崭新的研究领 域，尚未形成完整的理论和体系，同时，它又应与具体应用紧密结合，因而对 研究人员来说仍是一个富有挑战的课题数字水印技术主要分为两大类：空域 水印技术和变换域水印技术交换域上的水印算法更有利于嵌入过程中可感知 准则的确定，更有利于增强算法对图像压缩等处理的鲁棒性，更有利于把压缩 后的字节流作为水印直接嵌入l 舯1 并且，小波变换提供了较灵活的时频局部化 特性，具有在相应频带与空间方向上选择敏感往、线性运算快、可供选择的小 波基众多等优点。因而对小波域自适应水印的研究具有广泛的应用前景和意义。 本课题的研究目的是如何获取水印的最佳嵌入强度。更好地平衡水印算法 的鲁棒性和不可见性，并尽可能降低算法的复杂度，增强算法的实用性 1 2 国内外研究现状 数字水印技术是一个新兴的研究领域，从1 9 9 4 年国际第一次信息隐藏会 贵州大学硕士学位论文第1 章绪论 议召开，引起了国内外众多学者的兴趣和关注国外己有一些大学、研究机构 从事该方面的研究，也有一些公司在研制自己的数字水印产品，并引起国际标 准化组织的关注从公开发表的文献看，国际上在数字水印方面的研究刚开始 不久，但由于有大公司的介入和美国军方及财政部的支持，该技术研究的发展 速度非常快1 9 9 8 年以来，髓e 图像处理、啦e 会报、( i e e e 通信 选题 、( i e e e 消费电子学) 等许多国际重要期刊都组织了数字水印的技术专 刊或专题新闻报道9 9 年，p r o c e e d i n g so f t b ei e e ev 0 1 8 7n o 7 发表了f h a r t u n g 和m k u t e r 的多媒体数字水印技术的综述，将数字水印的研究推向了一个新的 阶段目前，国际上在数字水印技术的研究方面，做的比较成功的、具有代表 性的机构和研究人员主要有：普林斯顿i n g e m a rc o x 等人领导的n e c 研究机构 ( n e cr e s e a c hi n s t i t u t e ，p r i n c e t o n ) 、瑞典m u r a tk u n t 教授领导的e p f l 、普杜大 学( p u r d u cu ) 的r a y w o l f g a n g 和e d w a r dd e l p 教授、m m 的m i n e r v am y e u n g 等人、意大利f l o r e n c e 大学的a l e s s a n d r op i v a 等人以及希腊t h e s s a l o n i k i 大学 的p i t a s 研究小组，还有m i t , p r i n c e t o n , i n t e l 公司等许多地方都在这一领域做了 一定的研究工作 在产业界，欧美有关厂商正积极开发采用该技术的版权保护系统比如， 1 9 9 6 年1 2 月，美国a d o b es y s t e m s 公司就己在上市的图像编辑软件( a d o b e p h o t o s h o p 4 o 中，按标准安装了数字图像水印，采用的是美国d i g i m a r c 公司 的技术1 9 9 9 年2 月，五大唱片公司：博得曼、百代、索尼、环字和华纳联合 宣布与m m 合作开发一个在因特网上方便、快速、安全发布数字视听产品的实 验系统m m 公司的数字图书馆的研究计划采用了可见水印技术，其成果已被 美国国会图书馆等几所知名图书馆采用著名开发商用水印技术的美国 d i g t m 黜公司在图像水印技术方面取得令人瞩目的成就，并率先提出了。多媒 体商务”、。m e d i a b r i d g e ”、“安全文档”等概念d i g i m a r c 公司拥有多项专 利技术，其水印功能插件已广为普及。所申请的专利技术可以将数字信息不可 感知的嵌入到多媒体内容里，如电影、照片、人为加工后的图像，还可以应用 到金融债券、护照和票据可以有效的防止伪造、盗印和其它非授权使用。 我国学术界对数字水印技术的反应也非常快，已经有相当一批有实力的科 研机构投入到这一领域的研究中来相当程度上促进了数字水印及其他信息隐 藏技术的研究和应用。 总之，数字水印技术在国际上尚属一个非常新的研究课题国际上已有多 家商家、科研机构和高校在进行这方面的探索研究，但是，由于其涉及多个研 究领域并且具有一定的复杂性，而且还有很多重要的理论问题仍然没有解决 所以，我们离制定一个数字水印算法的国际标准还有很长的路要走 2 贵州大学硕士学位论文第l 章绪论 i 3 存在的问题 目前，数字水印算法研究存在的主要问题有以下几个方面【“鼬郐】： ( 1 ) 的从理论的角度来讲，目前数字水印算法研究的基本理论和基本思路， 还缺少非常成功的理论指导，尤其是易碎数字水印算法研究，可以说是团j hj j 起 步，基本理论和基本框架都还处于探讨阶段对于鲁棒性数字水印算法的研究， 尽管现在比较公认的是基于通信的思路，然而这些思路仍然还有很多不完善的 地方，还存在很多需要解决而目前仍没有解决或无法解决的问题 ( 2 ) 从算法应用的角度来讲，虽然已有商业化的水印系统出现，但目前针 对各种各样的应用的研究还远未成熟，许多问题如真伪鉴别、版权证明、网络 快速自动验证以及音频、视频等方面的应用仍然需要更加完善的解决方案 ( 3 ) 对数字水印算法的评价还没有统一的标准，因而无法公正地评价和比 较当前提出的各种水印算法的性能尽管已有s t i r m a r k 等测试水印鲁棒性的软 件，但要科学地比较算法的优劣还需要做非常深入的研究而水印的不可见性 只是一个十分模糊的主观感觉，因此为了衡量算法的性能，有必要建立一种与 视觉特性相匹配的客观标准 ( 4 ) 更多的比数字水印算法提出速度还要快的攻击方法的出现，抑制了数 字水印技术的实际应用从目前的研究来讲，还很难找出一个鲁棒性水印算法 可以有效地抵抗现有的各种攻击 ( 5 ) 还没有非常成功的模型能够很好地描述数字水印技术的能量问题。尽管 现在存在三种思路来研究数字水印技术的能量问题，然而，这些方法都有其相 对的局限性对于使用p s n r 的方法，由于p s n r 本身并不能很好地描述人体 视觉、听觉特性，因此无法很好地研究数字水印能量问题。使用人类视觉、听 觉特性，则存在很难确定好的视觉、听觉模型来描述人类视觉、听觉特性的问 题。用信息论的方法来研究数字水印能量问题，则存在各种攻击信道模型不确 定的问题，而这些攻击信道模型不确定，就根本无法正确地用信息论的方法来 研究能量问题 1 4 本文工作和论文结构 本文以静止图像为研究对象，对基于混沌的d c t 域盲数字水印算法进行了 研究并作了改进，并重点研究了基于小波域的鲁棒性自适应数字水印算法结 合当前国内外水印技术的研究现状，在前人研究的基础上，设计并实现了一种 基于小波域的自适应水印算法全文对图像水印算法的研究主要集中在以下几 羹划大学硕士学位论文 第l 章绪论 个方面： 考虑到小波变换不仅将图像信号分解为不同空间和频率，而且能更好地刻 画出图像的方向性特征，更加贴近人类视觉系统多通道模型，因此选择在小波 域上研究自适应水印算法，并分别针对离散小波变换和小波包变换的特点，提 出相应的水印嵌入方案 水印不加处理直接嵌入到原始图像的分解变量中也会降低水印的鲁棒性， 因此本文利用一种推广的a r n o l d 变换对嵌入的水印进行了预处理算法用一个 特殊的符合周期性条件的矩阵作为密钥对水印图像进行置乱，使水印信息达到 较好的分散效果，提高了算法的安全性 充分利用小波变换的特点和视觉模型以及能量模型来确定合适的自适应嵌 入规则和水印嵌入强度改进了b a m i 等提出的视觉模型，使其更适合小波包 变换和本文算法的特点 本文针对版权保护对图像水印算法进行了研究，全文是这样安捧的： 第一章绪论介绍了信息隐藏技术及其研究现状，以及数字水印技术的 历史，概念及其研究现状 第二章数字水印技术介绍了数字水印技术的背景知识讲述了水印技 术的基本原理、分类、特征 第三章数字图像的预处理介绍了与图像数字水印有关的离散余弦变换 和小波分析、混沌理论等基本概念、理论、知识点；并系统阐述了数字水印预 处理中的置乱技术和位平面技术为后面的算法设计奠定了理论基础 第四章基于混沌的离散余弦数字水印。首先给出了d c t 数字水印的一般 方法概述；然后从h y $ 简单功能模型、视觉模型以及h y $ 的应用介绍了人类 视觉系统( h v s ) 特性；最后通过分析二维d c t 块大小和嵌入位置的选择实现了 基于复合离散混沌系统与d c t 域结合的数字水印方法，并给出攻击实验结果与 分析。 第五章小波变换及其在图像水印中的应用介绍了小波变换的定义和性 质，以及小波变换在数字水印中的应用 第六章提出了一种基于小波变换的自适应灰度数字水印算法，并对此方 法进行了攻击测试，实验表明此种方法具有很好的稳健性 第七章全文的总结和展望。 4 责，+ i 大学硕士学位论文第2 章数字水印技术 第2 章数字水印技术 数字水印技术是一种信息隐藏技术，它是为适应信息隐藏与跟踪需要而诞 生的，该技术鼓励携带水印信息的产品被合法使用产品中隐藏的水印信息提 供随时被检测使用的数据，以此保护产品的版权所有者的利益并促进数字产品 的开发与使用，尊重创作与知识版权数字水印技术作为版权保护和安全认证 的有力工具，己引起人们广泛的关注 2 1 数字水印系统的基本原理 数字水印( d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ) 技术是指通过一定的算法将一些标志性信 息直接嵌入到多媒体内容当中，在不影响原内容的价值和使用的情况下，不能 被人的知觉系统觉察或注意到，只有通过专用的检铡器或阅读器才能提取的一 项技术。标志性的水印信息可以是作者的序列号、公司标志和具有特殊意义的 文本等等，用来识别文件、图像或音乐制品的来源、版本、原作者、拥有者、 发行人、合法使用人对数字产品的拥有权例 从数字通信的角度来看，原始数字图像可以被认为是近似连续幅度的、二 维的、有限带宽的并具有很大平均噪声功率的信道数字水印可被看作欲传输 的信号，则嵌入水印可以视为在宽带信道l 原始图像上用扩频通信技术传输一 个窄带信号( 水印) 尽管水印信号具有一定的能量，但它分布到信道中任一频 率上时，其能量很难被检测到水印图像可能会经过图像压缩、滤波、加噪、 直方图均衡化、恶意破坏和删除水印等处理，在视觉上会影响图像的质量，可 以视为在水印图像中加入了噪声 从信号处理的角度来看，在载体中嵌入水印信号可以视为在强背景( 原始 载体) 下叠加一个弱信号( 水印) 由于人的视觉系统h v s ( h u m a nv i s u a ls y s t e m ) 和听觉系统h a s ( h u m a na c o u s t i c a ls y s t e m ) 的分辨率受到定的限制，若叠加韵 水印信号幅度低于h v s 或h a s 的对比度门限，人的视觉和听觉系统就感觉不 到信号的存在由于对比度门限受空间、时间和频率特性的影响，所以只要嵌 入的水印信息不明显地改变载体质量，就可以在不引起人感知的情况下嵌入水 印信息。 v o y a t z i s 和p i t a s 对数字水印的幕本框架进行了描述嘲。定义水印信号w 为： 贵州大学硕士学位论文第2 章数字水印技术 w = 以后) i 似七) e u ，k 矿4 ，( 2 - 1 ) 其中，。表示维数为d 的水印信号域，d = l , 2 ，3 分别表示声音、图像和视 频水印u 为水印信号的取值范围，当水印信号为二值序列时，u 多为 o ，l 或( - i ，1 可以描述数字水印系统的基本框架为六元体c j 【，w ，k g e d ) ，其中的六个元 素描述如下： ( 1 )x 表示所要保护的数字作品的集合，其中羁表示原始数字作品，x 。表 示含水印的数字作品； c 2 )w 表示所有可能的水印信号集合； ( 3 ) k 表示数字水印的密钥集合； ( 4 ) g 表示利用密钥k 和待嵌入的水印x 共同生成水印的算法 g ：x k j w ，w = g o ( k )( 2 - 2 ) ( 5 )e 表示将水印w 嵌入到数字作品五中的嵌入算法 e ：x ，w j x ， 以坝蜀，聊( 2 3 ) ( 6 )d 表示水印的检测算法 d ：x k = ， o ，l ( 2 呦 。= 搽篇 ， 其中，凰和凰分别表示水印的有无 在实际应用中，一个完整水印系统的设计通常包括水印的生成、嵌入、提 取和检测四个部分： 。 ( 1 ) 水印生成：通常基于伪随机数发生器或混沌系统来产生水印信号，从 水印的稳健性和安全性考虑，常常需要对水印进行预处理来适应水印嵌入算法 ( 2 ) 水印嵌入：尽量保证水印不可感知性的前提下，嵌入最大强度的水印， 来提高水印的稳健性图2 - 1 给出了水印的嵌入过程。有三种常用的水印嵌入准 则一类为加法准则，如公式2 6 的描述形式其中 毛) 为原始图像， 为 水印信号， 为含水印图像。a 为水印嵌入强度，它的选择必须考虑图像的 实际情况和人类的视觉特性加法准则是一种普遍的水印嵌入方式，嵌入水印 时没有考虑到原始图像各像素之间的差异，因此，用此方法嵌入水印后图像质 6 贵州大学硕士学位论文第2 章数字水印技术 量在视觉上变化较大，影响了水印的稳健性另一类为乘法准则，如公式2 7 的描述形式，它考虑到了原始图像各像素间的差异，因此乘法准则的性能在很 多方面要优于加法准则第三类为融合准则，如公式2 8 的描述形式。融合准 则近年来弓起了人们的广泛关注，它综合考虑了原始图像和水印图像，在不影 响人的视觉效果的前提下，对原始图像傲了一定程度地修改。 薯= 毛+ 硎0( 2 _ 6 ) i = t ( 14 - t 刑j )( 2 7 ) z = ( 1 + d ) 毛+ 们叼，o s 口s 1 ( 2 8 ) 图2 1 水印嵌入框图 ( 3 ) 水印提取；指水印可比较精确地被提取出来的过程水印的提取和检测 可以需要原始图像的参与，也可不需要原始图像的参与，如果没有原始图像则 提取和检测将比较困难。图2 - 2 给出了水印的提取过程，虚框表示提取水印信 号时并不一定需要原始图像 图2 - 2 水印提取框图 ( 4 ) 水印检测：判断水印载体中是否存在水印的过程。图2 - 3 给出了水印的 检测过程，虚框表示判断水印信号是否存在时并不一定需要原始图像。 7 贵州大学硕士学位论文第2 章敷字水印技术 图2 - 3 水印检测框图 水印检测通常采用如下的假设检验： 风：e = x x = n( 无水印) ( 2 9 ) 甄：e = x x = w + n ( 彳 水印) ( 2 - 1 0 ) 其中，表示测试图像中用于嵌入水印的像素或特征值，x 表示原始图 像中用于嵌入水印的像素或特征值，w 表示水印信号，n 为噪声信号 由于含水印的图像可能会经过某些处理过程，会影响图像的视觉质量，那 么，从中检侧到的水印将在一定程度上与原始水印不同如果x 中含有水印 信号，则w 和w 足够相似可以用相似度来判断测试图像中是否含有水印， 相似度采用下式来计算： - i 反：广一 p ( ，) = ( f ) ，o j ) 2 ( 2 1 1 ) # - 0 - l o 水印是否存在的判定方法为：若p t ，可以判定测试图像x 中存在水印： 否则，不存在水印。域值t 的选取要同时考虑虚警概率和漏警概率t 减小， 漏警概率降低而虚警概率提高；t 增大，则虚警概率降低而漏警概率提高根 据实验和有关文献通常t 被设定为5 2 2 数字水印的特点及分类 数字水印技术有着其固有的特点和研究方法例如，从信息安全保密角度 而言，隐藏的信息如果被破坏掉，系统可以视为安全的，因为秘密信息并未泄 露，但是，在数字水印系统中，隐藏信息的丢失意味着版权信息的丢失，从而 失去了版权保护的功能因此，数字水印系统必须具有较强的鲁棒性、安全性 和不可见性等特点1 ”i ： ( 1 ) 不可见性：经过一系列隐藏处理，目标数据必须没有明显的降质现象 s 贵州大学硕士学位论文 第2 章数字水印技术 而隐藏数据无法人为的感知 ( 2 ) 鲁棒性：指抗拒各种操作和恶意攻击而不导致水印信息丢失的能力 所谓的操作包括：传输过程中的信道噪声、滤波、增强、有损压缩、几何变换， d a 或a d 转换等所谓的攻击包括：篡改、伪造、去除水印等。数字水印起源 于信息隐藏技术。这一点可以从它的隐藏性要求得到证实 ( 3 ) 隐藏位置的安全性：指将水印信息隐藏于目标数据的内容之内，而非 文件头等处，防止因格式转换而遭到破坏 ( 4 ) 无歧义性：恢复出的水印或水印判决的结果应该能够确定的表明所 有权，不会发生多重所有权的纠纷。 ( 5 ) 通用性：好的水印算法适用于多种文件格式和媒体格式。通用性在 某种程度上意味着易用性。 但数字水印技术并不等同于信息隐藏技术，一者的区别在于对鲁棒性的要 求上，信息隐藏的鲁棒性要求可以降低，也就是说在数据经过改动后允许隐藏 信息的丢失，信息隐藏主要是关注隐藏信息的检测，而数字水印主要关注被盗 舨者擦除的可能性数字水印必须能在一定限度内承受各种攻击而存留下来， 这样才能实现有意义的版权保护 数字水印技术的分类方法有很多种，分类的出发点不同导致了分类的不同， 它们之间是既有联系又有区别最常见的分类方法有下列几种： ( 1 ) 按特性划分：按水印的特性可以将数字水印分为鲁棒数字水印和脆弱 数字水印两类。鲁棒数字水印主要用于在数字作品中标识著作权信息，如作者、 作品序号等，它要求嵌入的水印能够经受各种常用的编辑处理：脆弱数字水印 主要用于完整性保护，与鲁棒水印的要求相反，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。 ( 2 ) 按水印所附载的媒体划分；按水印所附载的媒体，我们可以将数字水 印划分为图像水印、音频水印、视频水印、文本水印以及用于三维网格模型的 网格水印等随着数字技术的发展，会有更多种类的数字媒体出现，同时也会 产生相应的水印技术 ( 3 ) 按检测过程划分：按水印的检测过程可以将数字水印划分为明文水印 和盲水印。明文水印在检测过程中需要原始数据，而盲水印的检测只需要密钥， 不需要原始数据。一般来说，明文水印的鲁棒性比较强。但其应用受到存储成 本的限制目前学术界研究的数字水印大多数是盲水印 ( 4 ) 按内容划分：按数字水印的内容可以将水印划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；无意义水印则只对应于一个序列号有意义水印的优势在于，如 9 贵州大学硕士学位论文 第2 章数字水印技术 果由于受到攻击或其他原因致使解码后的水印破损，人们仍然可以通过视觉观 察确认是否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中是否含有水印。 ( 5 ) 按用途划分：不同的应用需求造就了不同的水印技术按水印的用途， 我们可以将数字水印划分为票据防伪水印、版权保护水印、篡改提示水印和隐 蔽标识水印票据防伪水印是一类比较特殊的水印，主要用于打印票据和电子 票据的防伪版权标识水印是目前研究最多的一类数字水印。篡改提示水印是 一种脆弱水印，其目的是标识宿主信号的完整性和真实性。隐蔽标识水印的目 的是将保密数据的重要标注隐藏起来，限制非法用户对保密数据的使用。 ( 6 ) 按水印隐藏的位置划分：按数字水印的隐藏位置，我们可以将其划分 为空域数字水印、频域数字水印、对频域数字水印和时间，尺度域数字水印 空域数字水印是直接在信号空间上叠加水印信息，而频域数字水印、时， 频域数字水印和时间尺度域数字水印则分别是在d c t 变换域、时，频变换域和 小波变换域上隐藏水印。 随着数字水印技术的发展，各种水印算法层出不穷水印的隐藏位置也不 再局限于上述四种应该说，只要构成一种信号变换，就有可能在其变换空间 中隐藏水印。 2 3 典型算法 数字水印技术横跨了信号处理、数字通信、密码学、模式识别等多种学科。 各专业领域的研究者均有独特的研究角度，所以水印的算法众多从水印的隐 藏位置可以把水印算法分为两大类：时空域算法和变换域算法。 空域算法主要通过直接改变主图像某些像素值来嵌入水印。前k c i 在1 9 9 3 年最早提出了空域算法，v a ns c h y n d e l 等人1 2 i ， 利用一个扩展的m 序列作为 水印井把它嵌入到随机选择的图像每行像素的最低有效位( ( 1 e a s ts i g n i f i c a n tb i t s l s b ) 中w o l f g a n g 等人l 叫将m 序列扩展成二维，并应用互相关函数改进了 检测过程，从而提高了稳健性f l e e t s i 驯把l s b 方法应用于彩色图像1 9 9 5 年， b e n d e r i “l 等人利用像素的统计特征，提出p a t c h w o r k 方法。其方法是任意选择 n 对像素点，在增加一点亮度同时，降低另一点的亮度此外，b m y n d o n c k y 等人【蚓提出了一个基于空域分块的方法，通过改变块均值来嵌入水印k u t t e r 贵州大学硕士学位论文 第2 章数字水印技术 等利用二维幅度调制实现了在空域上抵抗几何形变的方法n i k o l a i d i s 等人脚1 根 据一个二进制伪随机序列。把图像中的所有像素分为两个子集，改变其中一个 子集的像素值来嵌入水印在l s b 方法中，图像的l s b 平面先被设置为0 ，然 后根据要嵌入的水印改变为1 或不变改变l s b 的做法的依据是：不重要数据 的调整对原始图像的视觉效果影响较小然而，由于最低有效位的数据最有可 能在常见的信号处理过程( 如数据压缩和低通滤波) 中丢掉，因而稳健性差。这 种方法只适用于噪声( 包括对嵌入水印的图像进行处理所引起的等效噪声) 很弱 的应用场合 ， 目前变换域内的信息隐藏技术受到了学术界更多的青睐，基于变换域的水 印算法主要包括离散余弦变换和离散小波变换两类 变换域算法中最具代表性的是c o x 等人删在1 9 9 7 年提出的扩展频谱方法。 它的重要贡献在于首次职确提出了这样的观点：水印应放在视觉上最重要的地 方( 主要对应于频域的低频系数) 这种观点的理由是感觉上重要的分量是图像 信号的主要成分，携带较多的信号能量，在图像有一定失真的情况下，仍能保 留主要成分，作为水印载体，有利于提高水印的稳健性。这种方法现在己成为 一种典型的模式，得到了广泛的认可。 b a m i 等人御i 提出的算法对整个图像做d c t 变换，把一个随机序列嵌入 d c t 的中频系数中h s u 和w u i 捌则把图像进行8 x 8 d c t ，然后将一个二进制 序列作为水印放入d c t 中频频带黄继武等人l 捌提出：基于对图像d c t 系数振 幅的定量分析，d e 分量也可用来嵌入水印，而在此之前，1 3 4 2 分量总是被排除 在外d c t 域的方法计算量较小，且与国际数据压缩标准兼容，便于在压缩域 中实现r u a n a i d h 等人嗍0 4 1 依据h a y e s ! 州的结论：从图像的可理解性角度， 相位信息比振幅信息更重要，提出了两个d f t 域的水印算法。一个把水印嵌入 图像d f t 系数的相位信息中，另一个算法实现了水印的平移、旋转和尺度拉伸 小变性，这对于图像在传输过程中产生几何失真的情况是十分有意义的 x i a 等人提出了一种在d w t 域实现水印的方法，其优点是稳健性好和 层次性的检测方法。黄达人等人1 2 1 1 提出了一个新的嵌入对策：水印首先嵌入小波 图像低频系数，若有剩余，再按小波图像频带重要性的排序嵌入高频带同时 指出，永印嵌入到小波图像低频系数和高频系数需要用小同的嵌入公式。李华 贲州大学碗士学位论文 第2 章致字水印技术 等人”1 提出了一种隐藏数字水印的新方法，该方法所隐藏的不是传统的序列码 或比特流，而是将水印作为一幅二值图像来处理，并结合人眼视觉系统和图像 的d w t 多尺度分解来隐藏水印杨恒伏等人【1 1 1 给出了基于图像分块的临界噪 声阈值矩阵，提出了一种基于d w t 的鲁棒性公开水印技术k u n d u r 和 h a t z i n a k o $ 的方法1 3 5 1 则把信息融合的思想引入到d w t 域水印的实现中。 s w a n s o n 等人啪1 利用时域小波变换和频率掩蔽特性相结合，实现了多分辨 率视频水印刘红梅等人t t l 提出根据物体的运动和视频信号内容的纹理复杂度 将低频子带中的系数进行分类，根据分类结果自适应地调整嵌入水印的强度 潘蓉等人例在嵌入之前先对水印做置乱处理，然后利用小波变换的层次结构， 将同一水印反复嵌入到不同的位置 2 。4 数字水印的性能分析 数字水印的主观测试：能见度是判断水印对载体图像影响的一个指标对 于这个指标的评价是采用一定数量的没有经过训练的旁观者来判断他们是否能 够区分出宿主图像和嵌入其中的水印图像，以及能否区分嵌入或未嵌入水印的 图像。这种主观测试方法必须遵循一些测试协议或标准，也可以用于一些质量 等级( 表2 - 1 ) 来判断对载体的影响。主观测试对最终的图像质量评价和测试是十 分有用的但是，在研究中往往采用定量量测方法比较多 表2 - 1i t u - r r 熙5 0 0 从l 到5 范围的质量等级级别 等级级别对原始图像的损坏质量 优 良 由 差 极差 不可察觉 可察觉，不让人讨厌 轻微的让人讨厌 让人讨厌 非常让人讨厌 数字水印的客观评价：一个水印系统的优劣的客观评价包括隐蔽性评价和 鲁棒性评价两部分。隐蔽性的评价在原始载体图像与嵌入水印后的图像间进行 可采用能见度指标，从视觉感受主观的评价嵌入前后图像间的差异估计水印 嵌入宿主图像之后噪声的大小，并作为反映一个数字水印方案的隐蔽性好坏的 指标定量，客观的评价隐蔽性常采用信号处理中的信噪( s i g n a l - n o i s er a t i o 贵，h 大学硕士学位论文第2 章敷字水印技术 s n r ) 和峰值信噪比( p e a k s i g n a l - n o i s e r a t i op s n r ) 信噪比( s n r ) 定义为： ? 2 瓴力 瓣1 0 l o g m 豇而x y 丽。( 2 - 1 2 ) 峰值信噪比口s n r ) 定义为： n 2m a x l 2 0 ，y ) p 帖1 0 1 0 9 l e 豇而x , y 丽( 2 - 1 3 ) 水印鲁棒性要求使得水印图像在经历攻击后，依然可以恢复出水印或者检 测出水印的存在鲁棒性的评价在原始水印w 与提取水印矿间进行。常见的 有以下几种： ( 1 ) 能见度是衡量主观观察原始水印与提取水印的差异 ( 2 ) 相关系数是衡量原始水印与提取水印的相关性 采用下面的公式来求得相关系数： c = ( 2 一1 4 ) 相关系数值在0 、l 之间，相关系数越大，水印鲁棒性越好 ( 3 ) 妇一化汉明距离 篡改检测函数( 归一化汉明距离) ：如果数字水印是由二值数据组成的，可 以采用计算汉明距离来估计嵌入和恢复的水印的相似性。这里的汉明距离表示 为： ， “ 1 脚( w ，忉2 击善。“o ( 2 q 5 ) 其中，w ( 0 和训分别表示嵌入及恢复的水印。- 为水印长度o 是异或 运算符归一化海明距离在0 、l 之间，值越小，提取水印与原始水印越相似。 鲁棒性越好 ( 4 ) 相似性度量 相似性定义为： 贵州大学硬士学位论文 第2 章数字水印技术 邮，j ) w q ，力 胛= 旦斧矿一 ( 2 - 1 6 ) 【啪力】2 扣i j - i 0 n c l 。n c 的值越大，相似性越好用于评价二值水印的鲁棒性能 2 5 数字水印的攻击 从数字水印的应用中我们可以看出，数字水印在认证、防盗版方面有重要 的应用然而，水印技术与密码术一样，是在不断的。攻”与“防”中不断发 展的，因此，研究数字水印的攻击方法对十数字水印的发展有着重要的作用 对数字水印的攻击一般是针对水印的稳健性提出的要求，在前面已介绍过 数字水印的稳健性是指水印信号在经历多种无意或有意的信号处理后，仍能保 持完整性或仍能被准确鉴别的特征标准数据处理是指数据( 特别是数字作品) 经过数据发布渠道，如编辑、打印、增强、格式转换等的过程攻击是指那此 带有损去性、毁坏性的，或者试图移去水印信号的处理过程稳健性好的水印 应该能够抵抗各种水印攻击行为。在这里我们只考虑那些并不严重导致载体数 据失真的攻击方法。 按照攻击后的水印作品具有的商业价值可以将攻击分类为：成功的攻击和 毁坏性的攻击一种成功的攻击可以为攻击者创造商业价值它能够把水印削 弱到无法恢复和提取的地步，同时攻击后的载体数据只有一些少许的变动。不 影响载体数据的商业价值这是实际应用中最需要考虑进行对抗的攻击而毁 坏性攻击无法为攻击者创造良好的商业价值，但是它可以起到破坏的作用，影 响数字水印的实际应用它在某此情况下也需要考虑。 按照攻击原理可以将攻击分为四类：简单攻击、同步攻击、削去攻击和混 淆攻击 1 简单攻击 简单攻击又成为波形攻击、噪声攻击它试图对嵌入水印后的载体数据进 行操作来削弱嵌入水印的幅度，导致数字水印提取发生错误，甚至根本提取不 出水印信号常见的操作有线性滤波、通用非线性滤波、压缩( j p e gm p e g ) 、 添加噪声、漂移、象素域量化、数模转换、g a m m a 修正等。 简单攻击中的操作会给水印化数据造成类噪声失真，在水印提取和校验过 程中将得到一个失真、变形的水印信号可以采用两种方法抵抗这种类噪声失 真：增加嵌入水印的幅度和冗余嵌入 通过增加嵌入水印的幅度的方法，可以大大地降低攻击产生的类噪声失真 贵州大学硕士学位论文 第2 章数字水印技术 现象，在多数应用中是有效的嵌入的最大容许幅度应该根据人类视觉特性决 定，不能影响水印的不可感知性 2 同步攻击 同步攻击又称为禁止提取攻击，这种攻击试图破坏载体数据和水印的同步 性被攻击的数字作品中水印仍然存在，而且幅度没有变化，但是水印信号已 经错位，不能维持正常水印提取过程所需要的同步性。这样，水印提取器就不 可能、或者无法实行对水印的恢复和提取同步攻击通常采用几何变换方法， 如缩放、空间方向的平移、时间方向的平移( 视频数字作品) 、旋转、剪切、像 素置换、二次抽样化、像素或者像素簇的减少增加等 同步攻击比简单攻击更加难以防御因为同步攻击破坏水印化数据中的同 步性，使得水印嵌入和水印提取这两个过程不对称，