（计算机应用技术专业论文）基于hvs的图像变换域鲁棒性数字水印算法研究.pdf

摘要 数字水印技术通过在数字产品( 数字图像、音频、视频等) 中嵌入 版权信息来证实该作品的所有权，从而为数字产品版权保护和多媒体 信息安全提供了条新的解决思路。鲁棒性数字水印能为版权保护提 供更高的安全性，为解决数字多媒体产品的知识产权保护问题增强有 效性。论文在研究图像数字水印技术的基本原理和人类视觉系统模型 的基础上，对基于人类视觉系统模型的变换域鲁棒性算法进行了深入 的分析与研究。 本文重点研究了基于人类视觉系统的图像变换域鲁棒性数字水 印技术，主要研究工作如下： 首先，提出了一种基于h v s 的图像小波域鲁棒性数字水印算法。 该数字水印算法基于人类视觉系统( h v s ) 和离散小波变换( d w t ) ，实验 证明该算法具有较好的鲁棒性。将原始载体图像进行三级离散小波分 解，根据人类视觉系统的视觉掩蔽特性计算出j n d 视觉门限值；选择 重要小波系数，将数字水印分别嵌入到重要小波系数的不同频率域 中。水印嵌入采用改进的二值运算方法，通过修改小波系数的小数部 分来实现水印的嵌入，提高了水印嵌入后图像的视觉质量。实验证明 算法在保证水印不可见性的前提下有效地提高了水印算法的鲁棒性， 对j p e g 压缩、图像添加噪声、缩放、剪切和中值滤波等攻击有很强 的鲁棒性。 然后，提出了一种基于w a s t o n 视觉感知模型的图像d c t 域盲水 印算法。该水印算法首先对原始载体图像进行分块，再分别对各子块 进行d c t 变换而获得各子块的d c t 变换系数；然后根据w a s t o n 视觉 感知模型对各子块的d c t 变换系数进行量化，通过w a s t o n 视觉模型 来计算量化步长，以量化步长来选择水印的嵌入位置。对水印图像进 行置乱并降维，把水印嵌入到每一子块的选出的直流系数或低频交流 系数中，嵌入算法采用自适应量化的方法。水印的提取不需要原始载 体图像和原始水印图像，实现了数字水印的盲提取。最后对提出的水 印算法进行实验仿真，实验证明该图像数字水印算法较好地平衡了不 可见性和鲁棒性，具有较好的有效性。 最后，总结了本文主要完成的工作，指出了进一步的研究方向。 关键词h v s ，变换域，图像数字水印，鲁棒性。 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 gc o n f i r m saw o r k so w n e r s h i pb ye m b e d d i n g c o p y r i g h ti n f o r m a t i o ni n t ot h ed i g i t a lp r o d u c t ( d i g i t a li m a g e ，v i d e o ，a u d i o a n ds oo n ) i tb e c o m e san e wr e s o l u t i o nf o rc o p y r i g h tp r o t e c t i o no ft h e d i g i t a lm e d i aa n dt h es e c u r i t yo ft h em u l t i m e d i aa n di n f o r m a t i o n r o b u s t d i g i t a lw a t e r m a r k i n gi s c o n s i d e r e da sa na l t e r n a t i v et o o li n c r e a s e d s e c u r i t yf o rp r o t e c t i n gt h ec o p y r i g h to fm u l t i m e d i aa n de n h a n c i n gt h e e f f e c t i v e n e s so fi n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t s t h i sa r t i c l er e s e a r c h e s t h e d i g i t a lw a t e r m a r k i n gt e c h i q u e a tf i r s t ，w ei n t r o d u c et h eb a s i ct h e o r yo f t h ed i g i t a lw a t e r m a r ka n dt h em o d e lo ft h eh u m a nv i s u a ls y s t e m t h e n t h em a i nw o r ko ft h i sa r t i c l ei st h er a l g o r i t h m sr e s e a r c ho fr o b u s td i g i t a l w a t e r m a r k i n gb a s e do nt r a n s f o r m a t i o nd o m a i na n dt h em o d e lo fh u m a n v i s i u a ls y s t e m t h i sa r t i c l em a i n l yr e s e a r c h e st h er o b u s td i g i t a lw a t e r m a r k i n gb a s e d o nh u m a nv i s u a ls y s t e mo ft h et r a n s f o r md o m a i n t h em a i nr e s e a r c h c o n t e n t sc a nb es u m m a r i z e da sf o l l o w s f i r s t l y , ar o b u s ti 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 nh u m a n v i s u a l s y s t e m ( in s ) a n dd i s c r e t e w a v e l e tt r a n s f o r m ( d w t ) i s p r o p o s e d ，a n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ea l g o r i t h mh a sm o r e e f f e c t i v eo ft h er o b u s t n e s s h o s ti m a g ew a sd e c o m p o s e dt h r o u g ht h e d i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o r l t l t h ej n dt h r e s h o l dw a sc a l c u l a t e da c c o r d i n g t ot h eh u m a nv i s u a ls y s t e mc h a r a c t e r i s t i c s a n dt h es i g n i f i c a n tc o e 所c i e n t s o fw a v e l e tw e r es e l e c t e d w a t e r m a r ki m a g ew a se m b e d d e dt ot h e d i f f e r e n tf r e q u e n c yo ft h e s i g n i f i c a n tc o e f f i c i e n t s o fw a v e l e t a n d w a t e r m a r ki m a g ei se m b e d d e db yt h er u l eo ft h ei m p r o v e db i n a r y o p e r a t i o n ，c h a n g i n gw a v e l e tc o e f f i c i e n t sp a r to ft h ed e c i m a lt oi m p r o v e t h eq u a l i t yo ft h ei m a g ea f t e rt h ew a t e r m a r ke m b e d d e d t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a to u rp r o p o s e da l g o r i t h mh a se n h a n c e dt h er o b u s t n e s s e f f e c t i v e l yu n d e r t h ep r e m i s eo fg u a r a n t e e i n gw a t e r m a r ki n v i s i b i l i t y , a n d i ti sr o b u s ta g a i n s tj p e gc o m p r e s s i o n ，a d d i t i v en o i s e ，z o o m i n g ，c u ta n d m e d i a nf i l t e r i n ga t t a c k f u r t h e r m o r e ，a ni m a g eb l i n dw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mb a s e do n w a s t o n sv i s i a lm o d e la n dd c td o m a i ni sp r e s e n t e d t h eo r i g i n a lc a r t i e r i m a g ei ss p l i c e di n t os u b - b l o c k s ，a n de a c hs u b b l o c k si st r a n s f o r m e db y d c tt og e tt h ed c t f r e q u e n c i e so ft h es u b - i m a g e t h e na c c o r d i n gt ot h e m a s kc h a r a c h e r so ft h ev i s u a lm o d e lo fw a s t o n t h ea l g o r i t h mq u a n t i z e s t h ef r e q u e n c i e sb vd c tt r a n s f o r mo fe a c hs u b b l o c k s t h el o c a t i o n s e m b e d e dt h ew a t e r m a r k sa r es e l e c t e db yt h eq u a n t i z a t i o ns t e p sw h i c h c a l c u l a t e db a s e do nt h ew ，a s t o n sv i s i u a lm o d e l t h ew a t e r m a r ki m a g ei s s e t t e dc h a o t i c a l l ya n dr e d u c e dt h ed i m e n s i o n ，t h e ne m b e d e di n t ot h ed c a n d p a r t so fl o wf r e q u e n c i e sc o e 衔c i e n t s i nd c td o m a i no ft h e s u b b l o c k sw i t ht h em e t h o do f q u a n t i z i n gt h ec o e m c i e n t s t h i sa l g o r i t h m c a ne x t r a c tt h ew a t e r m a r k sw i t h o u tt h eo r i g i n a lh o s ti m a g ea n dt h e o r i g i n a lw a t e r m a r ki m a g e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a t t h i s w a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mh a sp e r f e c ti n v i s i b l ee f f e c ta n dr o b u s tt ot h e c o m m o na t t a c k s ，t h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t a lr e s u l t sd e m o n s t r a t et h e e r i e c t i v e n e s so ft h ep r o p o s e da l g o r i t h m f i n a l l y , s u m m a r i z e dt h ew o r kw h i c ht h ep a p e rm a i n l yc o m p l e t e sa n d p o i n t e do u tt h ef u r t h e rr e s e a r c hd i r e c t i o n s k e yw o r d s ：h u m a nv i s u a ls y s t e m ，i m a g ed i g i t a lw a t e r m a r k i n g ， t r a n s f o i i 1d o m a i n ，r o b u s t n e s s 1 1 1 原创性声明 本人声明，所呈交的学位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，除了论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 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名：渣：翌盛 日期：三盟年月韭日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 硕十学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 第一章绪论 信息媒体的数字化为信息的存取与传播提供了很大的便利，从而使数字化成 为当今信息表示的一种重要手段。而且随着网络的普及与发展，电子商务应用的 广泛兴起，多媒体信息的交流达到了前所未有的深度和广度。但是多媒体数据的 数字化和网络传播技术为多媒体信息的存取提供了极大便利的同时，盗版和安全 问题也随之而来。网络和信息技术的发展，使得数字图像、音频和视频等多媒体 信息和作品都能够通过数字化的形式直接获得和广泛传播，从而使得盗版者可以 非常容易地复制或传播数字多媒体作品，导致了版权作品在非授权的情形下被广 泛复制和传播，严重侵犯了原作者的合法权益。这种威胁将极大地打击数字媒体 工作者的创作积极性，进而可能严重地阻碍信息产业、电子商务和信息服务业的 发展。因此，必须采取有效的版权保护措施来防止数字作品的非法复制和传播。 数字水印技术作为解决版权保护问题的有效途径，已经受到研究者的广泛关注。 数字水印( d i g i t a lw a t 锄a r k i n g ) 技术【1 】通过在原始数据信息中嵌入冗余信息 水印( w a t e r m a r k ) ，来证实该数字作品的所有者或数据的完整性。任何恶意破坏和 去除隐藏信息的手段，都将同时导致数字产品被破坏。数字水印信息是嵌入在数 字产品中的数字信号，水印的存在要以不破坏原数据的欣赏价值和使用价值为原 则。一个有效的数字水印方案必须具备不可见性、鲁棒性、安全性等基本特征。 而水印的不可见性、鲁棒性和水印容量是相互矛盾的，解决这一矛盾的有效途径 就是充分利用人类视觉系统( h u m a nv i s u a ls y s t e m ，h v s ) 的视觉掩蔽特性【2 j 。水 印嵌入可视为在强背景下迭加一个弱信号，根据人类视觉系统( h v s ) i 拘视觉特 性，仅当迭加的信号超过一定的强度时，它才可能被视觉系统检测到。迭加信号 的可见性门限受到背景的照度( 照度掩蔽特性) 、背景的纹理复杂性( 纹理掩蔽特 性) 、背景和信号的空间频率( 频率掩蔽特性) 所影响。由于变换域的多分辨率分析 特性与人类视觉系统( h v s ) 特性的一致性，这对于根据h v s 的视觉特性来选择 适当的水印嵌入位置和水印嵌入强度具有很大的帮助。研究证明结合人类视觉系 统模型的变换域水印算法可以在保证原始数据视觉质量的前提下，有效地增加水 印信息的鲁棒性。 本文充分利用变换域的自身特性和人类视觉系统模型特性，选择数字图像作 硕士学位论文 第一章绪论 为水印载体，设计出鲁棒性较高的数字水印算法。算法提高了嵌入到载体图像中 的水印容量，且有不错的鲁棒性，可更好的保护数字媒体的版权。数字水印技术 是用于解决版权保护问题和多媒体信息安全问题的最具有潜力的多学科交叉技 术。对数字水印算法的研究，方面可以为相关学科提供广阔的应用背景，带动 它们的发展和进步；另一方面可以跟踪国外先进技术和研究成果，提出性能更好 的数字水印算法，提高我国在知识产权保护领域的基础研究水平，进而完善我国 的知识产权保护体系。因此对数字水印算法的研究不仅有现实的学术意义，而且 还具有长远的经济效益和社会效益。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 数字水印技术的研究现状 数字水印的概念是在1 9 9 3 年正式提出的，a z t i r k e l 等在所撰写的 “e l e c t r o n i cw a t e r m a r k ”【3 】一文中首次使用了“w a t e r m a r k ”这一术语。这一命名的出 现标志着数字水印技术作为一门正式研究学科的诞生。v a ns c h y n d e l 在 i c i p 9 4 ( 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 ) 会议上发表了题为“ad i g i t a l w a t e r m a r k ”【4 】的论文，它是第一篇在主要国际学术会议发表的关于数字水印的文 章，该论文阐明了关于水印的重要概念，被认为是一篇具有历史价值的文献。1 9 9 6 年5 月3 0 日，第一届国际信息隐藏学术研讨会( i n t e r n a t i o n a li n f o r m a t i o nh i d i n g w o r k s h o p i i h w ) 在英国剑桥牛顿研究所召开。这次会议期间，对信息隐藏的部分 术语和学科分支进行了统一和规范，标志着一门新兴的交叉学科信息隐臧学 科的正式诞生。1 9 9 8 年美国版权保护技术组织( c p t w g ) 成立了专门的数据隐藏 小组( d h s g ) ，考虑指定版权保护水印的技术标准，并提出了一些基本的要求。 1 9 9 9 年，f h a r t u n g 和m k u t e r 在p r o c e e d i n go f t h ei e e e 发表关于数字水印的综 述论文 5 1 ，将数字水印的研究推向了一个新的高潮。数字水印的研究在不断地深 入，数字水印的文献也在逐年增加，i e e e 和s p i e 等一些重要国际会议也出版了 关于数字水印的专题。( ( i e e e 图像处理、( ( i e e e 通信选题、s p i e 等许 多国际重要期刊也都组织了数字水印的技术专刊或专题新闻报道。数字水印技术 由于其在信息安全和经济上的重要地位，得到了国内外学术界的普遍关注。许多 国家的科研机构、大学和商业集团等都积极地参与到数字水印方面的研究中，主 要有美国财政部、美国版权工作组、美国洛斯阿莫思国家实验室、美国海陆空军 研究实验室、麻省理工学院、瑞士洛桑联邦工学院、微软公司、飞利浦、朗讯贝 尔实验室等众多研究机构。同时i b m 、n e c 、p i o n e e r 、s o n y 和日立五家公司还 2 硕士学位论文 第一章绪论 宣布联合研究基于信息隐藏的电子水印。 国内学术界为了促进数字水印和信息隐藏技术的发展和应用，已有不少研究 机构和大学投入到这一领域的研究中来。1 9 9 9 年1 2 月，第一届全国信息隐藏学 术研讨会( c i h w ) 在北京电子技术应用研究所召开。2 0 0 0 年1 月，国家“8 6 3 ”计划 智能计算机专家组、中科院自动化研究所、北京邮电大学信息安全中心成功地举 办了“数字水印技术学术研讨会”。国家“8 6 3 ”计划、“9 7 3 ”项目( 国家重点基础研究 发展规划) 、国家自然科学基金都对数字水印的研究有项目资金支持，促进了数 字水印技术研究的发展。随着数字水印技术理论的研究，国内的企业在数字水印 方面的研发也取得了一定成果。我国公司自主研发的数字水印系统软件和数字水 印产品的研制成功，对数字产品版权保护和数字水印技术应用于实际产品起到了 促进作用，同时为数字水印的研究和发展指明了方向。 数字水印技术早期应用于数字图像，后来研究人员将数字水印的概念和技术 逐步扩展到音频和视频等领域。早期的水印算法主要是空域水印算法，具有代表 性的是l s b 算法【5 】和b e n d e r 等【6 】人提出的p a t c h w o r k 方法及纹理块映射编码方 法。为了提高水印的不可见性和鲁棒性，目前大多数水印算法是基于变换域的方 法( 如d f t , d c t , d w t 等) 。由于变换域数字水印技术具有良好的不可见性和鲁棒 性，结合人类视觉系统模型的变换域水印算法成为新的研究热点。r u a n a i d h 等【刀 提出了积分变换的几何不变量的水印技术，将水印嵌入到f o u r i e r - m e l l i n 变换域 中用来抵御图像平移、旋转与尺度变换攻击。d c t 域图像水印算法最为经典的 是c o x 等【8 9 】人提出的扩频水印算法，提出了水印信号应嵌入到原数据中对人的 视觉最重要的部分的水印算法原则。d w t 域图像水印算法具有代表性的是 p o d i l c h c k t l 0 1 提出的自适应水印算法，用视觉阈值j n d 来决定与图像相关的水印 调制掩蔽，在小波变换域将水印调制到变换域的系数中。 数字水印对于知识产权保护来说是一个全新的技术，它集合了多学科的理论 及技术。数字水印技术在算法理论上的研究取得了长足的进展，同时其应用领域 也在不断扩展，一些相应的水印产品和解决方案也相继推出。但是总的来说，数 字水印技术的理论体系尚未完善，技术还不够成熟。数字水印技术的研究在不断 地深入，将水印技术应用于实际产品，尽可能多地推出具有应用价值的数字水印 产品，从而进一步促进数字水印技术的研究和发展。 1 2 2 人类视觉系统应用于数字水印的研究现状 早期的基于图像压缩编码的数字水印技术利用了调制变换函数( m t f ， m o d u l m i o nt r a n s f e rf u n c t i o n ) 描述的频率敏感度。调制变换函数m t f 描述了人类 视觉系统在不同频率下对j 下弦波的敏感度，可以反映不同频带下人类视觉系统可 硕士学位论文第一章绪论 觉察到的最小变化，当图像在某一频带的频率成分变化小于该频带相应的j n d 值时，人眼就察觉不到。理想的视觉模型应同时考虑人类视觉系统的亮度敏感度、 对比度敏感度和频率敏感度，同时考虑这三种敏感度的人类视觉系统感知模型目 前仍在研究和完善阶段。 目前比较典型的利用人类视觉系统的数字水印方法是折衷水印的不可见性 和鲁棒性来平衡二者的矛盾。如掩蔽函数法、块分类法和分频段嵌入法等自适应 水印技术，其基本原理都是利用人类视觉系统的视觉门限值，根据人类视觉系统 和图像本身的不同特性，决定嵌入水印的位置和嵌入水印的强度。根据h v s 的 对比度特性，该阈值受背景照度、背景纹理复杂度和信号频率的影响，即背景越 亮，纹理越复杂或有边缘存在，阈值就越高，它符合照度掩蔽和纹理掩蔽特性。 利用该特性，可决定在不同局部性质的区域叠加不同的信号，即实现自适应地嵌 入水印，以同时保证水印信号的不可见性和鲁棒性。 国内外众多数字水印学者提出了多种基于人类视觉系统感知模型的水印算 法。d e e p ak u n d u r 掣1 1 】人利用人类视觉的编码特性，提出了水印信道划分的方 法，实现了尽可能多的嵌入水印信号。c h r i s t n ei p o d i l c h u k 等在文献 1 0 】中结合 d c t 域和d w t 域进行水印的嵌入和提取时，利用j n d 模型控制了嵌入水印信号 的最大强度，最大可能地减少了对图像视觉质量的破坏，使水印算法具有较好的 不可见性和鲁棒性。s e o n g g e u n k w o ns e o n g w o nb a n 等 1 2 】人将小波域内连续子 带量化和人类视觉系统有机地结合起来，将水印嵌入到子带中人类视觉最重要的 系数上，嵌入和提取算法确保了水印的不可见性和鲁棒性。国内的黄继武、易开 祥等【1 3 】根据照度掩蔽和纹理掩蔽特性将图像块进行分类，不同的类别其水印信 号嵌入强度不同，以此来适应图像不同区域的变化。江波、李峰【1 4 】贝0 提出一种 利用人类视觉系统感知模型和小波变换进行彩色图像数字水印嵌入的算法，通过 将水印信息重复嵌入到原始载体图像的中频和高频系数来增强鲁棒性。 1 3 本文的研究思路和研究内容 本文研究人类视觉系统感知模型在数字水印技术中的应用，主要研究视觉感 知模型在数字图像的变换域中的实现和应用，通过视觉感知模型的应用来提高数 字水印算法的鲁棒性。 1 3 1 研究思路 随着网络的飞速发展和日益普及，数字化多媒体信息的交流达到了前所未有 4 硕+ 学位论文第一章绪论 的深度和广度。多媒体数据的数字化提高了信息表达的效率和准确性，同时也带 来了数字产品的版权保护和多媒体信息的安全性等问题。数字水印技术就是在这 种应用要求下迅速发展起来的。数字水印技术是一种有效的数字产品版权保护和 数据安全维护技术，是信息隐藏技术研究领域的一个重要分支。本文在介绍和总 结数字水印技术的基本理论和通用模型的基础上，结合人类视觉系统感知模型， 提出了两种基于变换域的鲁棒性数字水印算法。分析了人类视觉系统模型和变换 域鲁棒水印的发展现状，对视觉感知模型在变换域中的应用进行了较为深入的研 究，以提高数字水印算法的鲁棒性。 1 3 2 研究内容 基于上述研究思路，本文重点研究了基于h v s 的图像变换域数字水印算法， 主要研究内容如下： 1 详细介绍了图像数字水印技术的基本原理，包括数字水印的基本特征、分 类、通用模型、应用领域以及常见的攻击和评估标准。研究了人类视觉系统的基 本理论，介绍了人类视觉系统感知模型在数字水印技术中的应用。介绍和总结了 一些常见的鲁棒性算法，研究和分析了鲁棒水印的特征和条件。 2 提出了一种基于人类视觉系统( h v s ) 和离散小波变换( d w t ) 的数字图像 鲁棒性水印算法。将原始载体图像进行三级离散小波分解，根据人类视觉系统感 知模型选择重要小波系数，将数字水印分别嵌入到重要小波系数的不同频率域 中。水印嵌入采用改进的二值运算方法，修改小波系数的小数部分，以提高水印 嵌入后图像的视觉质量和数字水印算法的鲁棒性。通过实验仿真来证明算法的有 效性。 3 提出了一种基于w a s t o n 视觉感知模型和离散余弦变换( d c t ) 的图像盲水 印算法。首先对原始载体图像进行互不覆盖的8 8 的分块，然后分别对各子块进 行d c t 变换。根据w a s t o n 视觉模型对各子块d c t 系数进行量化，选择d c t 变 换的d c 直流分量和部分a c 交流分量的低频系数作为水印嵌入区域，以量化步 长作为j n d 门限值来选择水印的嵌入位置，用量化的方法进行水印的嵌入。最 后通过实验仿真对算法的有效性进行验证。 1 4 本文的组织结构 论文共分为五章，组织结构如下： 第一章为绪论，首先综述了本文课题的研究背景与意义，总结和分析了数字 水印技术和视觉感知模型技术的国内外研究现状，指出了本文的研究思路和研究 硕士学位论文第一章绪论 内容，最后介绍了本文的组织结构。 第二章为数字水印技术和人类视觉系统理论的综述。介绍和总结了数字水印 技术的基本原理；研究和分析了人类视觉系统的基本理论；总结和概括了水印算 法的鲁棒性特征和条件。 第三章为一种基于h v s 的图像小波域鲁棒性数字水印算法。介绍了结合人 类视觉系统和小波变换特性的水印算法的优点和应用。在此理论基础上分析了选 取嵌入系数的方法和选择的理由，最后详细讨论了算法的实现步骤，对算法进行 了实验仿真并对实验结果进行了分析。 第四章为一种基于w a s t o n 视觉感知模型的图像d c t 域盲水印算法。首先介 绍了离散余弦变换的基本原理，然后详细讨论了w a s t o n 视觉模型在本水印算法 嵌入和提取检测中的主要作用和应用，最后通过实验仿真，根据实验数据对算法 的有效性进行了分析和验证。 第五章为总结与展望。对全文的主要工作进行了总结，为进一步的研究作了 展望。 6 硕十学位论文 第二章数字水印和人类视觉系统基本理论 第二章数字水印基本原理和人类视觉系统理论 2 1 数字水印技术的基本原理 数字水印技术通过将数字、序列号、文字、图像标志等信息嵌入到数字媒体 数据中，用于版权保护、内容检测或提供其它信息的信号。在嵌入的过程中对载 体进行尽量小的修改，在保证载体视觉质量的前提下以达到最强的鲁棒性，当嵌 入水印后的媒体数据受到攻击后仍然可以恢复水印或者检测出水印的存在。 2 1 1 数字水印的基本特征 对于不同的数字水印系统，不同的应用通常对其特性的要求也不同，然而一 般的数字水印系统通常应该具备以下四个特型1 5 , 1 6 】： 1 可证明性 水印应能为受到版权保护的数字产品的版权提供完全和可靠的证据。数字水 印的版权信息应能唯一地判定数字作品的版权所有者，水印算法应能识别被嵌入 到数字产品中的所有者的相关信息( 如序列号、产品标志或有意义的文字等) ，并 能在需要的时候将其提取出来。水印可以用来判别数字产品是否受到保护，并能 够监视被保护数据的完整性、真伪鉴别以及非法拷贝控制等。 2 不可感知性 不可感知包含两方面的意思，对于数字图像来说：一方面是指视觉上的不可 见性。大多数水印算法都要求嵌入的水印不影响原图像的视觉质量。当人们从视 觉上无法区分原始载体图像和嵌入水印后的图像时，水印才是真正不可感知的。 另一方面是指水印用统计方法也是不能恢复的。在非盲检测算法中，对水印的感 知透明性要求较高，在盲检测算法中，只要嵌入的水印不被感知即可。 3 鲁棒性 鲁棒性是指数字水印在经过有意或无意的信号处理后，仍然能够保持水印完 整性和鉴别的准确性。数字水印应该能够承受大量的、不同的物理和几何失真， 包括有意的( 如恶意攻击) 或无意的( 图像压缩、滤波、噪声污染、尺寸变化等) 。 鲁棒水印算法应能从信号处理后的含水印图像中提取出嵌入的水印或证明水印 的存在。而且如果不掌握水印的所有有关知识，数据产品的版权保护标志应该很 难被伪造，若攻击者试图删除水印则将导致数字产品的彻底破坏。 7 硕士学位论文第二章数字水印和人类视觉系统基本理论 4 水印容量 水印容量是指在一定保真度下，载体能够承载信息的多少。水印容量表示可 被嵌入水印的上限，依赖于数字产品的内容。对于任何数字载体，其水印容量都 是有限的。 2 1 2 数字水印的分类 数字水印分类的出发点不同导致了分类的不同，数字水印系统按照不同的需 求和应用，进行如下分类【1 7 , 1 8 , 1 9 , 2 0 ： 1 从水印的载体分类 根据载体类型不同，将数字水印分为图像水印、视频水印、音频水印、软件 水印、文档水印等。图像水印是研究比较多的一种水印，静止图像水印主要利用 图像中的冗余信息和人类视觉系统特性来嵌入水印。 2 从水印的内容分类 根据水印类型不同，分为有意义水印和无意义水印。有意义水印是指水印本 身具有一定的标识( 如商标、数字音频片段的编码、载体图像的某些特征描述等) 。 有意义水印在受到攻击后仍然可以通过视觉观察确认是否有水印存在。无意义水 印只对应于一个随机序列号。无意义水印在受到攻击后若有若干错误码，则只能 通过统计决策的方法确定是否有水印存在。 3 从水印是否可感知分类 根据水印是否可感知，分为可感知水印和不可感知水印。可感知水印的目的 在于明确标识版权，防止非法复制或使用，但是降低了资料的商业价值。不可感 知水印是将水印隐藏，在视觉上不可见，目的是为了将来起诉非法使用者，作为 起诉的证据，更好地用于数字产品的版权保护。 4 从水印的稳健性分类 根据水印的稳健性，分为脆弱水印、半脆弱水印和鲁棒水印。脆弱水印和半 脆弱水印主要应用于完整性认证和真实性鉴定。脆弱水印要求对载体的改变非常 敏感，对任何图像变换或处理都非常敏感，即使载体的微小改变也应该被检测出 来。鲁棒水印主要应用于数字产品的版权保护和追踪，它要求嵌入载体的水印能 够经受各种信号处理的攻击，嵌入水印后的载体图像发生相应的改动后，水印信 息仍能够被提取或检测出来。 5 从水印的嵌入位置分类 根据水印嵌入的位置不同，分为空域水印和频域水印。直接在空域中对采样 点的幅度值作出改变而嵌入水印信息的称为空域水印：对变换域中的系数做出改 变( 傅立叶系数、小波系数等) 从而嵌入水印信息的称为频域水印。一般来说，空 硕士学位论文 第二章数字水印和人类视觉系统基本理论 域水印算法计算简单，效率较高，但是难以抵抗常见的信号处理，鲁棒性较差。 频域算法可嵌入水印数据量大，透明性好，安全性高，但算法复杂度较高。频域 算法容易与人类视觉模型相结合，具有更强的抵抗常见信号处理的能力，鲁棒性 更强。 6 从水印算法是否公开分类 根据水印算法是否可以公开，分为对称水印和非对称水印。当水印嵌入与水 印提取或检测过程所使用的密钥相同时，相应的水印称为对称水印。当水印嵌入 与水印提取或检测过程所使用的密钥不同时，相应的水印称为非对称水印。 7 从水印的检测分类 根据水印不同的检测过程，可以分为盲检测水印、半盲检测水印和非盲检测 水印。在提取或检测水印的过程中，如果需要原始数据来提取水印信号，称为非 盲水印算法；如果不需要原始数据参与，可直接根据水印数据来提取出水印信号， 称为盲水印算法。半盲检测水印在检测时仅需要原始载体的部分信息。 8 根据水印的用途分类 根据水印的不同用途，可以分为隐蔽标识水印、篡改提示水印、防伪水印和 版权保护水印。隐蔽标识水印是将保密数据隐藏起来，从而限制非法用户对保密 数据的使用。篡改提示水印是一种脆弱水印，用来标识原始载体的完整性和真实 性。防伪水印主要用于打印票据和电子票据的防伪。版权保护水印主要强调隐蔽 性和鲁棒性，而对于数据量的要求相对较小。 2 1 3 数字水印的通用模型 一个有效的数字水印系统的基本框架主要包括数字水印的嵌入、提取和检测 三个基本模块。通用的水印模型框架如图2 - 1 到图2 - 3 所示。 图2 - 1 数字水印的嵌入过程 图2 1 为水印信号嵌入模型，实现将水印信号加入载体数据中。借助于密钥， 通过水印嵌入算法将水印信息嵌入载体数据，得到含水印的载体数据。 9 硕士学位论文 第二章数字水印和人类视觉系统基本理论 图2 - 2 数字水印的提取过程 图2 2 为水印信号提取模型，实现从含水印的载体数据中提取出水印信号。 通过水印提取算法，将水印从含水印的载体数据中提取出来，有时候需要用到原 始载体数据。 图2 - 3 数字水印的检测过程 图2 3 为水印信号检测模型，实现判断载体数据中是否含有指定的水印信 号。检测算法需要用到含水印的载体数据、密钥、原始水印或者原始载体数据来 检测水印是否存在。 2 1 4 数字水印的应用领域 数字水印作为一种有效的数字产品版权保护技术有着广泛的应用领域，进而 对数字水印技术的研究具有十分重要的实际意义。数字水印技术有以下主要应用 领域【2 1 2 2 2 3 ，2 4 2 5 】： 1 版权保护 版权标识水印可以辨认数字产品所有权信息或者数字产品合法用户信息。数 字产品包括数字图像、音频、视频、计算机软件等。当数字产品被盗版或出现版 权纠纷时，所有者可从盗版作品中获取水印信号作为依据，从而保护所有者的权 益。用于版权保护的数字水印并不能阻止对原始媒体数据的非法拷贝，但可以确 认对媒体数据的所有权。此类水印必须有较好的鲁棒性、安全性、透明性和水印 嵌入的不可逆性。 2 内容认证 数字水印技术在多媒休内容的真伪认证方面有很大的用途。用于内容认证的 硕十学位论文 第二章数字水印和人类视觉系统基本理论 数字水印具有脆弱性( 或是半易碎性) ，即这类水印对改变媒体内容的处理不具有 任何鲁棒性，对不改变媒体内容的处理具有一定的鲁棒性。 3 完整性保护 对于完整性保护来说，可以定时检测隐藏在作品中的数字水印，如果遭受攻 击、修改或部分删除，系统就能及时报警，甚至自动修复。 4 数字指纹 如果嵌入到数字媒体中的数字水印用以标记媒体的使用者，当出现侵权行为 时，通过检测水印信息便可跟踪盗版，这种数字水印称为数字指纹。如果发现未 经授权的拷贝，可以根据此拷贝所恢复出的指纹来确定数字产品的来源。用于盗 版跟踪的数字指纹要求水印易于提取，且有很低的复杂度和较高的鲁棒性，不仅 能抵抗恶意的攻击，还能抵抗一些标准数据处理。 5 安全不可见通信 数字水印技术可以应用于信息的安全通信。由于人们很难觉察到数字水印信 息在多媒体数据中的存在，某些重要信息在传输的过程中就可以隐藏在普通的多 媒体数据中，从而避开第二方的窃听和监控。由于嵌入秘密信息的多媒体数据在 主观上并未发生变化，很难察觉到秘密信息的存在，从而使传输秘密信息的信道 也是秘密的，这将有效地减少遭受攻击的可能性。 6 声像数据的隐藏标识和篡改提示 数据的标识信息往往比数据本身更具有保密价值，没有标识信息的数据有时 甚至无法使用，如果直接将这些重要信息标记在原始文件上可能很危险。数字水 印技术提供了一种隐藏标识的方法，标识信息在原始文件上是觉察不到的，只有 通过特殊的程序才可以获得该标识信息。 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实 现完全复制。如何防范对图像、音频、视频数据的篡改攻击是重要的研究课题。 为确定数据的完整性，可以通过检测数据中的水印信号，来确定该数据的完整性。 这类水印必须是脆弱水印，而且检测水印信号时，不需要原始数据。 7 商务交易中的票据防伪 随着高质量图像输入输出设备的发展，特别是高精度的彩色喷墨、激光打印 机和彩色复印机的出现，使得货币、支票以及其他票据的伪造变得更加容易。基 于数字水印的印刷防伪技术更新了印刷防伪的传统观念，并在印刷防伪中具有独 特的性质。作为识别标志的水印以视觉不可见的形式隐藏在印刷品中，只有通过 计算机软件或特定的检测设备才可识别。在彩色打印机、复印机输出的每幅图像 中加入唯一的、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，快速辨识真伪。 硕士学位论文第二章数字水印和人类视觉系统基本理论 2 1 5 数字水印的常见攻击和评估标准 1 数字水印的常见攻击类型 数字水印攻击可以大致分成六类：基本攻击、共谋攻击、几何攻击、马赛克 攻击、解释攻击、合法性攻击。 ( 1 ) 基本攻击( b a s i ca t t a c k ) 信号去除攻击中最简单的就是基本攻击。基本攻击是所有可能的攻击中最普 通的一种，通过对水印图像进行常规的图像处理手段以达到移去嵌入水印的目 的。这种攻击对整个图像数据进行操作，一些基本的图像处理过程会降低水印的 可检测性，如：滤波、压缩、替换、像素域的量化、g a m m a 值校正、打印扫描 等。这种简单的攻击很容易实现，大量的图像处理工具可以供水印攻击者使用。 ( 2 ) 共谋攻击( c o l l u s i o na t t a c k ) 就是利用同一原始多媒体数据集合的不同水印信号版本，来生成一个近似的 多媒体数据集合，以此来逼近和恢复原始数据。其目的是使监测系统无法在这一 近似的数据集合中，检测出水印信号的存在，其最简单的一种实现就是平均法。 ( 3 ) 几何攻击( g e o m e t r i c a ld i s t o r t i o n sa t t a c k ) 几何攻击是一种大面积的攻击而不是针对单个像素的行为。己有的大多数水 印方案都容易受到这些简单的行为的攻击。为消除几何攻击的影响，要由人对照 标注图像与原始载体图像对水印加以恢复。 ( 4 ) 马赛克攻击( m o s a i ca t t a c k ) 这种攻击方法主要用于对付在i n t e r n e t 网上的盗版版权。马赛克攻击的基本 原理：图像越大越容易在其中嵌入一定量的比特信息，而图像越小所能嵌入的信 息越少。因此图像小到一定程度，就不能向其中嵌入信息了，不可能在一个像素 上隐藏一个有意义的标记。马赛克攻击就是利用这个原理，通过把一幅图像分割 成许多小的图像块，然后将小图像拼凑成看起来整体效果和原图一样的图像，使 水印检测器不能检测到水印的存在。防御这种攻击的方法是保证水印嵌入到尺寸 足够小的图像中，使这种攻