（生物医学工程专业论文）彩色医学图像数字水印算法的研究.pdf

东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ho nd 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 so fc o l o rm e d i c a li m a g e s w r ht h ef l y i n gd e v e l o p m e n to f t h ed i g i t i z a t i o n , t r a d i t i o n a lm e d i c a li m a g e s p r e s e r v a t i o na n dd i s t r i b u t i v e m e d i u mh a sa l r e a d yt u r n e df r o mf i l m si n t od i g i t a lc do rd i s k a st h er e s u l t ，t h em e d i c a li m a g e sa l s of a c et os o m e p r o b l e m so nm o d i f i c a t i o n , r e p l i c a t i o na n dc o p y r i g h tr e s e r v e d c o p y r i g h tr e s e r v e di nc o l o rm e d i c a li m a g e si s s t u d i e di nt h i st h e s i sa n da l s ot h ei n t e g r a l i t yp r o t e c t i o no f c o l o rm e d i c a li m a g e sa l es i m p l yr e f e r r e dt o c o m b i n i n gt oc l a s s i c a la l g o r i t h m s ，r e s e a r c ho nd i g i t a lw 曲m 衄她a l g o r i t h m so fc o l o rm e d i c a lh a 9 8i s d o n ei nb o t hs p a t i a ld o m a i na n dt r a n s f o r m e dd o m a i n i ns p a t i a ld o m a i n , t h el o c a t i o nw h e r et h ew a t e r m a r ki se m b e d d e da n dh o wt oe m b e dt h ew a t e r m a r k i n f o r m a t i o na r eb o t hs t u d i e d t h ew a t e r m a r ki n f o r m a t i o ni se m b e d d e di n t ot h ew e i g h tbo ft h ei n l a g ei no r d e rt o m a k et h ei m a g eh a v eag o o dv i s u a lq u a l i t y , t h ea b i l i t yo ff i g h t i n gb a c kt os o m ea t t a c ka n da l s oah i g hc a p a c i t y t h e s em e r i t sa r ep r o v e db yd i f f e r e n te x p e r i m e n t s a n o t h e re x c e l l e n c ei st h a tt h ew a t e r m a r kc a nb ep i c k e du p w i t h o u to r i g i n a li m a g e i nt r a n s f o r m e dd o m a i n , b o t h 出ed i s e r e l ec o s i n et r a n s f o r m a t i o n ( o c t ) a n dt h ed i s e r e t ew a v e l e tt r a n s f o r m a t i o n ( d w na r er e f e r r e dt o w i i ht h em e t h o dd ct t h ei m a g ei st r a n s f o r m e di n t oy 1 qc o l o rs p a c ea n dt h ew a t e r m a r ki s e m b e d d e di n t ow e i g h tyo ft h ei m a g ea f t e rs o m es p e c i f i cd i s p o s a l t 1 l i sa l g o r i t h mh a sa9 0 0 dq u a l i t yo nn g h r i n g b a c kt os o m ea t t a c k sa n dt h ew a t e r m a r kc a nb ep i c k e du pw i t h o u tt h eo r i g i n a li m a g e w i t ht h em e t h o dd w t w a t e r m a r ki se m b e d d e di n t ot h ei m a g ew h i c hb ed i v i d e di n t od i f i e r e n tp a r t sa c c o r d i n gt ot h eh u m a n sv i s u a l s y s t e mw i t hd i f f e r e n ti m e n s i t y t h i sa l g o r i t h mh a sag o o dq u a l i t yo nb o t hv i s i o na n df i g h t i n gb a c kt os o m ea t t a c k s a n da l s oc a l ll o c a t et h ec h a n g e da r e a t h ei m a g ea t t a c km e t h o d sa n dt h ee v a l u a t i o ns t a n d a r do fd i g i t a lw a t e r m a r k i n ga r ea l s og i v e ni no r d e rt o e v a l u a t et h ep e r f o r m a n c eo f d i f f e r e n te m b e d d e da l g o r i t h m sp r o f e s s i o n a l l y k e yw o r d s ：d i g i t a lw a t e r m a r k 、d i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m a t i o n 、c o l o rs p a c e 、d i s c r e t ew a v e l e t t r a n s f o r m a t i o n 、c o m p a r a b i l i t y 、p s n r ( p e a ks i g n a it on o i s er a t i o ) n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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，也不包含为获得东南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。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件 和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文 的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：吐导师签名：五 i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 数字水印技术的研究背景和意义 数字化信息时代，网络技术与数字多媒体技术的发展给人们带了极大的便利，但同时也带来了一系列 的安全问题。由于数字媒体很容易在网络传输过程中被复制、处理、传播和公开，如何防止数字产品被侵 权、盗版和随意篡改以成为当前亟待解决的问题。传统方法是通过加密技术保护数据传输，但是当数据被 接收并解密其保护作用也随之消失。 迅猛发展的数字化技术也正在广泛的渗透到医学图像领域中，采用x 光断层扫描技术( c t ) 和磁共振成 像技术( m r i ) 进行诊断己成为现代医学诊断不可或缺的有效辅助手段。传统的医学图像保存、分发介质已 由胶片转变为数字图像光盘、磁盘。随着计算机网络技术的发展，通过网络将所诊断的数字化影像传向远 方将成可能。这标志着通过网络进行远程医疗诊断的数字化医疗时代已经到来。医学数字影像传输及通信 d i c 伽( d i g i t a li m a g i n ga n dc o m m u n i c a t i o ni nm e d i c i n e ) 标准的建立，促进了医疗影像信息的交流。 然而，医疗影像及数据信息在网络传输过程中同样会遭遇篡改、非法复制、版权保护等信息安全问题，因 此保护医学图像的完整性和版权也是现代信息安全技术一个需要解决的问题 目前在多媒体信息安全中常用的技术是数字签名，它利用加密技术，是一种传统的认证及完整性保护 方法。数字签名可以应用于图像的完整性认证，但是该方法存在三个问题：首先是一旦加密文件经过破解后 其内容就完全透明了；其次是数字签名的过程是二值映射。只能给出认证是否通过的结果，不能指出具体 的篡改位置和程度，更不能完成对己篡改图像的恢复；另外数字签名的密文在传输中不允许任何改动，因 为密文即使是相差1 比特也会使解密后的数据面目全非，所以使用数字签名的前提是信道没有噪声。对于普 通的消息，由于网络的低层采用纠错编码的方法处理数据，信道可被看成是无噪声的，数字签名的方法是 非常有效的：但是对于图像数据而言，由于其本身含有很多冗余信息，只要不影响到图像的内容或视觉效 果，在传输和存储过程中，进行格式转换或者经过一些无害的处理操作，如压缩、滤波、去噪、对比度增 强等，是可以接受的。这样的信道是有噪声的，数字签名的方法不能抵抗这些噪声干扰，将导致图像认证 失败。 如果在存储和传输过程中保证不被压缩以及其它处理，虽然能够认证成功，但这显然会造成数据量过 于巨大，影响存储器和网络带宽的利用率。因此，必须寻求一种新的手段来对图像完整性保护和版权保护。 数字水印技术为解决这种信息安全问题提供了有效的手段，是传统加密方法的有效补充手段，其特点 是可以在开放的网络环境下保护版权和认证来源及完整性，近年来已经得到了广泛的研究。本文提出的算 法可以应用于医学图像的版权保护和完整性保护中。 1 2 国内外研究现状 v a ns c h y n d e l p 在1 9 9 4 年国际图像处理会议( i c i p 9 4 ) 上发表的题为“ad i g i t a lw a t e r m a r k ”一文，是第 一篇在重要国际会议上发表的关于数字水印的文章，具有里程碑的历史意义。作为一门数字时代的新兴技 术数字水印激发了国内外众多知名学府、研究机构和公司的极大兴趣，比如美国麻省理工学院、普林斯 顿大学、i b m 研究所、朗讯贝尔实验室、英国剑桥大学、日本n e c 研究所、n t t 信息与通信系统研究中心、 s o n y 公司，p h i l i p s 公司，美国版权工作组等众多机构，甚至美国财政部都投入了相当的人力和财力致力 东南大学硕士学位论文 于该技术的研究。1 9 9 6 年5 月，在英国剑桥牛顿研究所召开了第一届信息隐藏技术国际研讨会( i n t e r n a t i o n a l i n f o r m a t i o nh i d i n gw o r k s h o p 。i i h w ) ，接着l e e ei c l p ( i n t g 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 ) 、i e e e i c a s s p ( i n t e m a t i o n a lc o n f e r e n c e0 na c o u s t i c s ，s p e e c ha n ds i g n a | p r o c e s s i n g ) 、i e e et r a n s a c t i o n so ni m a g e s p r o c e s s i n g , i e e e c o m p u t e r g r a p h i c sa n d i t s a p p l i c a t i o n 等许多国际重要期刊都发表了大量的有关数字水印技 术的论文。 除了理论研究外，在产业界，一些机构也积极开发了数字水印产品。在美国，以麻省理工学院媒体实 验室为代表的一批研究机构和企业已经申请了数字水印方面的专利，如d i c e 的专利技术。其中美国d i g i t i l a m 公司于1 9 9 5 年就推出了具有专利权的水印制作技术，它是世界上第一个商用数字水印软件，并在p h o t o s h o p 4 0 和c o r e l d r a w7 0 中得到应用。目前国际上已经开发成功的数字水印软件还有d i g 肌a r c 公司的p i c t u r e m a r e ， b m e h m a r e ，m a r e c e n l e r ，m a r e s p i d e r ，英国s i 印m 公司s u m s i 印产品以及m e d i a s e c 公司的s y s c o p 系列产品等。 数字水印技术在国内的研究起步稍晚，但这一领域同样也引起了许多科研人员的浓厚兴趣。国内许多 高等学府和科研院所都开始了这项技术的研究，如中国科学院，清华大学，北京大学，国防科技大学，北 京电子技术应用研究所等单位，对数字水印的研究提出了许多独到的见解，在理论上也取得了不少可喜的 成果。1 9 9 9 年1 2 月，中国信息安全领域召开了国内第一届信息隐藏学术研讨会( c i h w ) ，2 0 0 0 年1 月，由 国家“8 6 3 ”智能专家组和中科院自动化所模式识别国家重点实验室组织召开了数字水印学术研讨会，与会 专家学者和研究人员深入讨论了数字水印的关键技术，报告了各自的研究成果。这些会议增加了研究者彼 此间的交流，促进了国内数字水印技术的快速发展。国家8 6 3 计划，国家自然科学基金等都对数字水印的研 究有项目资金支持，充分反映了国家对该技术领域的重视。从目前的发展来看，我国相关学术领域的研究 与世界水平处在同一阶段，而且部分己推出具有自主知识产权的产品，如成都宇飞信息公司推出“宇飞数 字水印印刷应用技术”和上海阿须数码技术有限公司研制的“数字印章技术”等。 到目前为止，数字水印从研究对象上看主要涉及图像水印、视频水印、音频水印、文本水印和三维网 格数据水印等几个方面，其中大部分的水印研究和论文都集中在图像研究上，其原因在于图像是最基本的 多媒体数据，且互联网的发展为图像水印的应用提供了直接大量的应用需求。 数字水印的基础研究主要集中在鲁棒水印算法、水印容量等方面。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，特别是将扩频通信理论引入后，水印的鲁棒性大大提高，随后提 出结合感知模型、白适应的鲁棒水印算法，在此基础上，提出了更精确的信息隐藏水印模型。晟近，提出 矢量量化的方法，预言能够取得更加鲁棒的算法。在不同算法中，水印容量分析相当重要，因为这是应用 中首先需要明确的问题，i f l 前结合信息论、通信理论。分析容量范围，成为了当前研究热点。 数字水印的应用研究成为了国内外公司和学术界的焦点。大部分的工作致力于寻求同时满足保真度、 鲁棒性和经济约束的平衡点。出现了大量不同变换域的实验结果，如频域变换有离散余弦变换( d c t ) ，快 速傅立叶变换( f f t ) ，离散小波变换( d w t ) 等，还有大量的算法在m p e g 和j p e g 编码中进行，因为这可 以节省昂贵的水印解码负荷，有利于大批量的应用，如d v d 拷贝控制应用等。 水印的算法的研究主要分为空域算法和变换域算法两种，下面主要介绍针对图像数据域的一些算法。 l 、空域算法： 该类算法通常包括基于像素的水印和基于分块的水印两类。其中典型的水印算法是将信息嵌入到随机选 择的图像点中最不重要的比特位( l s b ，l e a s ts i g n i f i c a n tb i t s ) l _ ，这可保证嵌入的水印是不可见的。但 是由于使用了图像不重要的比特位，算法的鲁棒性差，水印信息很容易被滤波、图像量化、几何变形等操 2 第一章绪论 作破坏。另外一个常用方法是利用像素的统计特征将信息嵌入像素的亮度值中，p a t c h w o r k 算法就是随机选 择n 对像素点( a ，b ) 后将每个a 点的亮度值加i ，每个b 点的亮度值减1 ，这样整个图像的平均亮度保持不变。 适当地调整参数，p a t c h w o r k 方法对j p f , 6 压缩、f i r 滤波以及图像裁剪有一定的抵抗力，但该方法嵌入的信 息量有限。为了嵌入更多的水印信息，可以将图像分块，然后对每一个图像块进行嵌入操作。 w o n g “1 对图像的7 个最高有效位及尺寸通过h a s h 函数运算获得原始图像的某些特征，该特征与一有意义 的二值水印图像经过异或操作并经公开密钥加密后嵌入到图像中最低有效位。w o l f g a n g ”1 等人以二维m 序列 作为水印嵌入在图像的l s b 位平面。利用数字水印和数字调制的类似特性h e r n a n d e z “1 等人提出了一种深度 2 一d 多脉冲幅度调制的方法。利用人类视觉系统的特性，m a c q ”等人提出了一种使用伪装和调制的水印方 法使嵌入的水印信号更加适应于载体图像。c h e r t 等人提出了一种基于量化索引调制而不是扩频调制的水 印嵌入方法。n i k o l a i d i s l “9 j 等人提出一种空域水印，对图像中的重要区域进行稳健的定位和分割并嵌入水 印。水印提取时可根据定位信息恢复几何失真后的加水印区域，从而实现水印检测的同步 利用统计特征的空域嵌入算法也是一类重要的嵌入技术。这类方法的主要思想是通过修改原始载体数 据使得原始载体的某些统计特征发生变化，检测时只需查看水印载体的统计特征即可。从而达到盲检测的 目的。当然这些统计特征的来源必须受到密钥的控制以保证安全性。在空域嵌入算法中，常用的统计量包 括平均值标准偏差和直方图等。w o n g “等人提出了一种基于分块的脆弱水印认证算法，算法的主要思想 是把图像分割为各个独立的小块，然后分别在各小块上嵌入各自的水印，该类分块独立算法的缺点是不能 抵抗伪造真实图像的量化攻击，其原因在于各个分块是独立的。 2 、变换域算法 随着d c t 、小波变换等被广泛应用于图像的有损压缩中，许多鲁棒性水印的算法采用了d c t 变换或小波变 换，从而极大地提高了鲁棒性。由于许多脆弱性水印系统要求能够抵抗有损压缩，这在变换域中更容易实 现。此外，变换域更容易对图像被篡改的特征进行描绘，因此更多的算法采用在变换域中实现。 在d c r 水印算法中，数字载体首先进行d c t 变换，该变换的对象可以是整个载体( 如整幅图像) ，也可以是 载体的各个部分( 比如对图像进行分块，块的大小一般为8 8 或者1 6 1 6 ) 。嵌入空间是载体的某个频带或 某些频带，这些频带对应的变换系数遵循一定的规则被修改、替换或交换。载体的低频信息反映了载体的 主要轮廓，不应有较大的失真，水印的嵌入将影响其不可见性。而载体的高频信息是人类感知系统不敏感 的信息，通常被压缩技术所剔除，故若在该频带中嵌入水印信息，水印的鲁棒性较差。基于此，为了同时 满足水印的鲁棒性和不可见性，主张将水印信息嵌入到载体的中频系数中 札“把一个有意义的二值水印模式嵌入经过量化的d c t 系数中。k o c h “”等人提出了基于i x t r 域的水印方 法，通过修改伪随机选定的中频系数对的差值来嵌入水印。t a o ”“等人提出一种自适应d c t 域的水印技术， 把图像块按照噪声敏感特性分为六个级别，每一级别嵌入不同强度的水印。c o x “等人提出了将水印嵌入到 图像中感知重要的区域中其思想是要破坏水印必然要破坏图像的重要内容。为了得到水印的鲁棒性和不 可感知性的最佳折衷，z e n g “”等人提出一种基于感知模型的变换域图像自适应水印方案，用临界可见误 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能量。h e r n a n d e z “等人结合视觉模型提出一 种d c t 域盲水印技术，对d c t 系数统计建模并设计了一种最大似然比水印检测器。 类似的水印技术还被引入到离散小波变换( d 盯) 域中。利用小波变换的多分辨特性，嵌入的水印在不同 分辨层上具有不同的鲁棒性和视觉特性。较之d c t 变换，小波变换具有更好的能量集中特性，其良好的时一 频分解特性更符合人类视觉系统的特点，因此被新一代的压缩标准如m p e g - 4 及j p e g - 2 0 0 0 所采用。 3 东南大学硕士学位论文 k u n d u r 等人提出一种基于多分辨信息融合的d 盯域水印技术4 1 。x i a 等人提出在载体图像的每一个分 辨层上嵌入水印以及分层的检测方法1 。z h u 等人基于二维和三维离散小波变换提出了一种图像和视频水印 的统一方法。s w a n s o n 等人利用时域小波变换并结合频率掩蔽特性，提出了一种多分辨视频水印3 。b a 玎l i 等人把感知模型精确到每一个图像小波系数”，从而最大程度地提高了水印能量。 1 3 本论文的研究内容和组织结构 本文主要研究了彩色数字图像水印中的一些算法，结合现有算法进行了算法上的改进和应用。全文安 排如下： 第一章，绪论，介绍了数字水印技术的背景以及国内外的研究现状，给出了本文研究的主要内容和组 织结构。 第二章，主要介绍了数字水印系统的基本框架和基本理论，概述了彩色图像中涉及的色彩空间和水印 系统的评价标准。 估。 第三章，研究和分析了空域算法在彩色图像数字水印的应用，重点介绍了算法的具体实施以及性能评 第四章，研究和分析了离散余弦变换算法在彩色图像水印技术的应用并实现水印的盲提取算法，并对 算法进行了一系列的性能评估。 第五章，研究和分析td , 波变换在彩色图像水印技术的一种应用，并能根据纹理和照度自适应的调节 水印强度，并对该算法进行了一系列的性能评估。 第六章，对全文进行了总结。根据本文研究成果，对下一步数字图像水印技术的主要研究方向、研究 重点和热点进行了分析与展望。 4 第二章数字水印技术概论 2 1 数字水印的概念 第二章数字水印技术概论 数字水印技术从信号处理角度来看，嵌入载体对象的水印信号可以视为在强背景下叠加一个弱信号， 只要叠加的水印信号强度低于人类视觉系统( h v s ) 对比门限或听觉系统( h a s ) 对声音的感知门限，h v s 或h a s 就无法感知到信号的存在。由于i n s 和h a s 受空间、时间和频率特性的限制，因此通过对载体对象 作一定的调整，就有可能在不引起人感知的情况下嵌入一些信息。 从数字通信角度看，水印嵌入可理解为在一个宽带信道( 载体对象) 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，但分布到信道中任意频率上的能量是难以检测到的。水印的 检测是一个有噪信道中弱信号的检测问题。 2 2 数字水印的分类 数字水印技术作为一种响应实际需求而产生的信息安全技术，从正式提出到现在已经取得了相当的成 果，各种各样的水印算法层出不穷。针对不同的应用要求，数字水印可以分成以下几类7 ： ( 1 ) 按特性划分 按水印的特性可以将数字水印分为鲁棒性水印和脆弱性水印两类。鲁棒性主要是指在经过常规信号处 理操作之后能够检测出水印的能力。鲁棒水印主要用于在数字作品中标识著作版权信息，如作者、作品序 列号等。但在某些情况下，鲁棒性毫无用处甚至被极力避免，如水印研究的另一个重要分支脆弱性水印。 脆弱性水印主要用于完整性保护，与鲁棒性水印的要求相反，脆弱水印必须对载体数据的改动很敏感，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 ) 按水印的载体划分一一 按水印所依附的载体不同，我们可以把数字水印划分为文本水印、图像水印、音频水印、视频水印以 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非盲水印、半盲水印和盲水印。非盲水印在检测过程中需要 原始数据和原始水印的参与；半盲水印则不需要原始数据，但需要原始水印来进行检测；盲水印的检测只 需要密钥，既不需要原始数据，也不需要原始水印。一般来说，非盲水印的鲁棒性比较强，但其应用受到 存储成本的限制，而盲水印技术更有实用性，尤其是面对大数据量的数字视频信息，盲水印技术的实现更 具有商业价值。 ( 4 ) 按水印内容划分 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 5 东南大学硕士学位论文 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字错误，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版权标识水印、 篡改检测水印、票据防伪水印和隐蔽标识水印。版权标识水印是目前研究晟多的一类数字水印，数字作品 既是商品又是知识作品，这种双重性决定了版权标识水印主要强调隐蔽性和鲁棒性，而对数据量的要求相 对较小：篡改检测水印是一种脆弱性水印，其目的是标识宿主信号的完整性和真实性。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，一般来说，伪币的制造者不可能对票据图像进 行过多的修改，所以诸如尺度变换等数据编辑操作是不用考虑的，但另一方面，人们必须考虑票据破损、 图案模糊等情形，而且考虑到快速检测的要求，用于票据防伪的数字水印算法不能太复杂；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时( 空) 域数字水印、变换域数字水印。时( 空) 域数字水 印是直接在信号空间上叠加水印信息，对采样点的幅值做出改变；而变换域数字水印，则包括在d c t 域、 d f t 域和小波变换域的变换系数上嵌入水印信息。 ( 7 ) 按照水印是否可见划分 按照水印是否可见，可把水印划分为可见水印和不可见水印。可见水印明确标识出水印的存在，它通 常是插入或者覆盖在原始载体图像上，它与可视的纸张中的水印相似，同时不会影响载体的使用价值，任 何试图消除水印的企图，都会给载体质量造成可感知的破坏。可见水印的缺点在于它降低了原始图像的质 量，另外它的效果仅仅是由视觉来检测，不能自动地由专门的程序或设备来检测。可见水印对某些具体的 内容如地图，图像软件用户接口是很有用的。不可见水印是一种应用更加广泛的水印，与前边的可见水 印相反，嵌入载体中的水印从表面上是察觉不到的，可以采用专门的软件或检测器从中提取出水印有权。 另外，按照不同的应用还有许多不同的分类方式：如私有水印和公开水印，对称水印和非对称水印等。 2 3 数字水印的特性 数字水印技术除应具备信息隐藏技术的一般特性外，还有着其固有的特性，每种特性的相对重要性取 决于应用要求和水印所起的作用甚至对于水印特性的解释也会随着应用场合的变化而变化。下面讨论几 种同水印嵌入和检测密切相关的特性1 ( 1 ) 嵌入有效性 水印作品是指输入到检测器后能检测出水印的作品。根据这一定义，水印系统的有效性指的是嵌入器 的输出被水印化的概率，即有效性就是嵌入水印后紧接着检测到水印的概率。这种定义意味着水印系统的 有效性可能低于1 0 0 9 6 。尽管人们总是期望1 0 0 的有效性但是实现这种目标常常需要在其它特性方面付出 6 第二章数字水印技术概论 非常高的代价。根据实际应用，为了在其它特性方面获得更好的性能，宁愿牺牲一些有效性。 ( 2 ) 逼真度 一般来说，水印系统的逼真度指原始作品同其嵌入水印作品之间的感官相似度。但如果含水印作品在 被人们观赏之前，在传输过程中质量有所退化，那么应该使用另一种逼真度定义，可以将其定义为在消费 者能够同时得到含水印作品和不含水印作品的情况下，这两件作品之间的感官相似度。 ( 3 ) 数据容量 数据容量指在一幅作品中能嵌入水印的比特数。 较小，而信息隐藏则要求载体具有较大的嵌入容量， 就越容易降低水印的鲁棒性，在实际的应用系统中， ( 4 ) 虚警率 一般来说，对于水印系统，其载体嵌入容量要求相对 这是因为，对于水印算法来说，嵌入的信息量越大， 常常要考虑嵌入容量与鲁棒性二者之间的折衷。 虚警是指在实际不含水印的作品中检测到水印。关于这个概率有两种略微不同的方法定义，它们之间 的区别在于到底是把水印看作是随机变量还是将载体作品看作是随机变量。在第一种定义中，虚警概率是 指这样一种概率：假设作品确定而随机选定水印，检测器能在作品中检测出水印的概率。水印所服从的分步 由生成水印的系统的设计方案决定。一般而言，水印是由高斯独立随机数发生器或比特编码算法产生。在 大多数情况中，根据以上第一种定义，虚警率实际上与作品本身无关，而仅与水印产生的方法有关。在第 二种定义中，虚警率是指假设水印确定而随机选择作品时，检测器能检测出作品中水印的概率。作品选择 所服从的分布与应用紧密相关。此外，这些分布互不相同，可能与水印生成系统的统计特性也大不相同。 因此，基于第二种定义的虚警率和第一种定义的虚警率有很大区别。 ( 5 ) 鲁棒性 鲁棒性指在经过常规信号处理操作后能检测出水印的能力。对图像的常规操作的例子包括空间滤波、 有损压缩及几何失真等。在经过这样的操作后，鲁棒性的水印算法应该仍能从水印图像中提取出水印或证 明水印的存在。如果攻击者要破坏嵌入的水印信息，就必须连整个载体一起破坏，这样同时也就破坏了载 体的使用价值。 并不是所有的水印应用均要求对所有可能的信号处理操作都具有鲁棒性。相反，水印只需要在介于嵌 入和检测之间的可能的信号操作中存活就可以了。有时，鲁棒性也许是完全无关紧要的，甚至是不希望的， 实际上，水印研究的一个重要分支恰恰是关注于脆弱水印。当希望产生脆弱水印时，也就不需要鲁棒性了 例如，一个用于认证的水印就是脆弱的。任何用于图像的信号处理应用都会引起水印丢失。 ( 6 ) 安全性 安全性表现为水印能够抵抗恶意攻击的能力，恶意攻击是指任何意在破坏水印功用的行为。一个水印 系统要走向商业用途它的算法必须是公开的，所采用的水印嵌入算法是依赖于水印嵌入时所采用的密钥， 而不是依赖于对所采用算法的保密，这就给恶意攻击者创造了条件。非法用户不太可能知道水印的存在， 而对于即使知道水印存在的非法用户，如果没有正确的密钥，同样不能够从载体中正确的恢复所嵌入的信 息。 7 奎堕查堂堡主兰垡堡奎 ( 7 ) 耗费 对水印嵌入器和检测器的部署作必要的经济考虑也是十分必要的，它取决于所涉及到的商业模式。从 技术上来看，主要是水印嵌入和检测过程的速度以及需要用到的嵌入器和检测器的数目，还包括嵌入器和 检测器是作为特定用途的硬件设备还是作为软件应用程序或仅作为一个插件实现。 2 4 数字水印系统的基本框架 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。水印嵌入器的输出 结果为含水印载体作品，通常用于传输和转录。之后这件作品或另一件未经过这个嵌入器的作品可作为水 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 一l 给出了数字水印处理系统基本框架的详细示意图。它可定义为九元体呲x ，ek ，g ，e m ，a t ，d 。 e x ) ，分别定义如下： 图2 一l 数字水印系统的基本框架 m 代表所有可能原始信息的集合 x 代表所要保护的数字产品( 作品) x 的集合，即内容。 _ 代表所有可能水印信号的集合。 k 代表水印密钥的集合 8 第二章数字水印技术概论 g 表示利用原始信息、密钥k 和原始数字产品x 共同生成水印的算法，即 g ：m x x x k 专w ，w = g ( m ，x ，七) 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2 2 中用虚线表示。 胁表示将水印w 嵌入数字产品x 中的嵌入算法即 e m ：x x w 专x ，删= e m ( x ，w ) ( 2 1 ) ( 2 2 ) 这里，x 代表原始产品，w 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。 t 表示对含水印产品h 的攻击算法，即 a t ：x x k - - d x x = a t ( x w , k 9 这里，k 。表示攻击者伪造的密钥，x 。表示被攻击后的含水印产品。 d 表示水印检测算法，即 ( 2 3 ) 蝴一m 玑哪，= 器黧黼 c z t ， 这里，风和代表二值假设，分别表示水印的有无。 e x 表示水印提取算法，即 丘：x x k 斗w ，w = e x o ：回 2 5 数字水印的攻击方法 ( 2 5 ) 数字水印技术作为数字产品版权保护和认证的重要手段，必然会受到各种形式的攻击，对数字水印系 统的攻击主要可分为以下几类： ( 1 ) 稳健性攻击 这类攻击以减少或去除数字水印的存在为目的。最普通的一种称为基本攻击，如在图像水印技术中， 通过采用常规的图像处理手段来对水印图像进行某些操作，降低图像质量，从而削弱或删除其中所嵌入的 9 东南大学硕士学位论文 水印。这种攻击对加有水印的数据进行整体操作而并不是将水印区分和隔离出来。攻击方法包括滤波、压 缩、添加噪声、图像量化等。基本攻击易于实现有大量的图像处理工具可供攻击者使用。另种稳健性 攻击是在加有水印的数据中简单地加入另一个水印，利用第二个水印覆盖的方法来消除第一个水印，这种 操作几乎不会使原始数据降低品质。 稳健性攻击中常见的另一种攻击称为合谋攻击，这种攻击方法利用同一数字产品的几个带有不同水印 信号的版本，采用统计平均等方法生成一个近似的集合，以此来逼近和恢复原始数据，从而产生出一个检 测不出水印信号的数字产品。 ( 2 ) 表示攻击 表示攻击对图像内容进行修改，使水印的相关检测失效或使得水印检测者不能对水印信号进行提取及 恢复，这类攻击的特点是水印尽管还存在于原始数据中，但水印检测过程已不能将其恢复或检测到其存在。 最为典型的两种表示攻击是几何变形攻击和马赛克攻击。 几何变形攻击采用缩放、旋转、裁剪、重采样手段对数据( 主要针对图像及视频) 进行最低的几乎无法 察觉的几何扭曲，使数据被轻微的拉伸、平移、裁剪或旋转，本质上并没有去除数据中所含的水印，但却 使得水印嵌入位置和水印检测位置不再相符，水印检测者不知道水印嵌入的确切位置就无法检测出水印。 ( 3 ) 解释攻击 解释攻击中攻击者设计出一种情况以阻止对所有权的断言。此类攻击通常通过伪造水印来产生假的原 始数据或假的水印数据，从而制造混乱，使得最早嵌入的原始水印不能和伪造的水印被清楚地区分开来， 引起对水印权限的怀疑。抵御解释攻击可以采用时间戳、不可逆水印等方法。 ( 4 ) 合法性攻击 合法性攻击是指攻击者利用法律条款中的一些漏洞以达到其攻击目的。前面介绍了对数字水印的四类 攻击，但它们之间的界限有时是很模糊的，对有些攻击方法并不能明确地将其归于哪一类。 2 6 人类视觉系统感知特性 i 虱像是用来直接服务于人类眼睛的，因此对图像的处理应当基于人类的视觉特性( i v s h m v i s u a l s y s t e m ) 。人类的视觉系统感知特性有如下特点： ( 1 ) 图像的对比度表示图像两相邻面积或相邻点之间的亮度差别人眼区分某一给定空间频率的正弦光栅 明暗差别所需的晟低对比度，称为辨别这一空间频率的临界对比度，临界对比度的倒数称为人眼对这一空 间频率的对比度灵敏度。根据图2 2 中人眼对彩色和亮度的空间频率的响应曲线1 ( 曲线和分别表示人 眼对于图像彩色细节和亮度细节的分辨能力) 可以看出，人眼对图像中亮度空间频率较大的区域的变化不 敏感，同时，当像素点的亮度空间频率很低的时候人眼的分辨能力也很差因此可利用这一特性选取图像 中亮度空间频率大于某一阈值a 和小于某一阈值b 的像素点来嵌入水印 1 0 第二章数字水印技术概论 l o 蓦 i 3t o 空脯摹 图2 2 人类的视觉系统感知特性曲线 ( 2 ) 根据b v s 特性，人眼对图像纹理较复杂区域的变化敏感性较差，而对图像纹理复杂度较小的区域 即图像的平滑部分的变化比较敏感。因此，我们可以通过选取图像中纹理较复杂的区域嵌入水印。这一区 域的选取可借助小波的多分辨率分析特性来获得。在小波域中图像的边缘和纹理主要落在各细节子图中数 值较大的小波系数上，因此我们可以利用小波变换来获取图像复杂纹理区域来嵌入水印。 ( 3 ) 人眼对红、绿、蓝三种光谱的灵敏度并不相同，图2 3 是视觉系统对颜色和亮度的响应特性曲线【3 1 i 。 1 0 售0 8 譬 l 世0 t 罨叭 5 0 06 0 07 0 0 波长f w 目山地血) ( m ) 图2 3 视觉系统对颜色和亮度的响应特性曲线 由图2 3 可知，人眼对r 、g 、b 三种光谱和亮度的感知度各不相同。其中对蓝色光谱的感知度最低。在 彩色i 訇像中，每一像素点的色彩由r 、g 、b 三个分量值组成的。可利用i t v s 的这一特性将水印更多的嵌入图 像的蓝色通道中，以增强水印的稳健性和隐蔽性。 2 7 数字水印系统的评价标准 2 7 1 水印过图像的可视化标准 传统的图像质量的评价方法一般可以分为两种：主观评价和客观评价。主观评价的方法是召集批实 验观察者，让观察者根据一些事先规定的评价尺度或者自己的经验，对测试图像按视觉效果提出质量判断， 东南大学硕士学位论文 并给出质量分数，按所有观察者给出的分数进行加权平均，所得的结果即为图像的主观质量评价。因为图 像的虽终信宿是人，所以这种评价方法似乎更为可靠。但由于操作要求过于复杂，且存在不确定性，如受 人的心情、疲劳程度的影响等，在实际应用中受到严重限制，甚至根本不适合于某些应用场合。客观评价 方法是用被测图像偏离原始图像的误差来衡量被测图像的质量，其思想来源于数据传输过程中均方信噪比 的思想，常用的作为客观评价指标的参数有均方误差m s e 和峰值信噪比p s n r 等。 峰值信噪比p s n r ( p e a ks i g n a lt on o i s er a t i o ) ，有些文献中也称为峰一峰信噪比”1 ，其定义如下：给 定一幅大小为m n 的数孚化图像，( x ，y ) 和参考图像五( x ，y ) ，则图像，的p s n r 为 1 0 1 9 焉1 m-荔1 n - 1 - 1 i v - 1 暮丽f o ( 高萎善y ) 一圳2 引入另一常用质量评价指标均方误差m s e ，其中惦e 的表达式为 m - 1 n - 1 ey y ( x ，y ) - f o ( x , y ) 2 m s e = ! ：! ! 二! 礅 ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 其中丘。是函数o ，y ) 的最大灰度值，例如，常用的8 b i t 的灰度图像中，则，o ，y ) 的最大值为2 5 5 而在彩色数字图像中，由于图像的颜色用r g b z 基色的组合表示，每个颜色分量需用一个字节表示，于是相 应的峰值信噪比可以表示为 p s n r ：1 0 1 9 型： 。( m s e ( r ) + m s e ( 国+ m s e ( b ) ) 3 ( 2 9 ) - - + 变量m s e ( r ) ， 口e ( g ) ，m s e ( b ) ，分别为3 个基色分量的均方差，也有人将式( 2 9 ) 称为彩色 图像的平均峰值信噪比，因为上式等价于 p s n r = ( p s n r r + p s n r g + p s n r b ) 3 2 1 0 生| | | 则 一 第二章数字水印技术概论 其中p s n r r ，p s n r g ，p s n r b 分别为图像的r ，g ，b 帧的峰值信噪比。惦e 与主观评价的相关性较差，其 结果常常与人的主观感觉不一致，因此一般不直接作为图像质量评价指标，大多数情况下是采用p s n r 作为 图像质量评价指标，其优点是便于计算和理解，能大致反映图像质量一般情况下，p s n r 的值高的图像质量 相对较高，通常，当p s n i 值在2 8 以上时，图像