（计算机科学与技术专业论文）基于模糊理论的小波域图像水印算法研究.pdf

硕士学位论文 摘要 随着计算机网络技术与多媒体技术的发展，数字作品的制作、复制与传输变 得非常方便、快捷，然而数字作品很容易被盗版者利用，因此，数字作品的版权 与完整性保护不容忽视。数字水印技术是解决多媒体信息版权保护问题的有效手 段，其中，以图像为载体的数字水印技术是当前水印技术研究的重点之一，吸引 了众多研究人员和学者的兴趣。 本文在数字图像水印的应用背景和研究现状基础上，充分考虑人类视觉特性， 深入研究数字图像水印的鲁棒性，取得了一些有价值的研究成果。主要工作包括： ( 1 ) 综合分析现有的水印算法及其优缺点，并提出了基于模糊理论的水印算 法，由于图像的边缘和纹理以及人类的视觉都存在一定的模糊性，使用模糊策略 具有较好的性能。 ( 2 ) 提出的第一个算法的核心内容是基于纹理和亮度掩蔽特性，利用模糊熵 衡量出来的纹理特征和亮度对噪声的掩盖因子确定嵌入水印的强度，使水印在不 同图像块有不同的嵌入强度，本算法能够灵活地嵌入不同信息量的水印，真正实 现自适应。实验结果表明，该算法在保持良好水印透明性的同时，对一些常见的 图像处理具有很强的鲁棒性。 ( 3 ) 提出的第二个算法是一种根据图像纹理特征的自适应彩色图像水印算 法，根据图像本身颜色能量分布，选择不同的颜色通道嵌入水印：彩色图像的纹 理复杂度不仅与亮度变化有关，而且与颜色变化的频繁程度有关，本算法采用两 种因子结合起来对图像块纹理特征进行判别，得到嵌入水印的强度，实现自适应。 实验结果表明该算法对j p e g 压缩，噪音攻击、剪切有较强的鲁棒性。 关键字：数字水印；模糊熵：自适应；小波域； a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn e t w o r ka n dm u l t i m e d i at e c h n o l o g y ，t h ep r o c e s so f p r o d u c i n g ，r e p r o d u c i n ga n dt r a n s p o n i n g o fd i g i t a lm u l t i m e d i ah a sb e c o m em u c hm o r e c o n v e n i e n ta n de m c i e n t h o w e v e r ， i n s e c u r i t yi s o n eo ft h eb y - p r o d u c t so ft h e d e v e l o p m e n to fd i g i t a lm u l t i m e d i a ，、v h i c hc a n b ee a s i l ye x p l o i t e db yp i r a t e s t h u s ，i t i su r g e n tt op r o t e c tt h ec o p y r i g h ta n di n t e g r i t yo fd i g i t a lm u l t i m e d i a ，a n dd i g i t a l w a t e m a r k i n gi sak e yw a yo fc o p y r i g h tp r o t e c t i o n ，o n eo f w h i c hi m a g ea sc a r r i e rh a s a t t r a c t e dm a n yr e s e a r c h e r s t a k i n gf u l la c c o u n to fh u m a nv i s u a ls y s t e m ，t h i s p a p e rs t u d i e st h er o b u s to f i m a g ew a t e m a r k i n gb a s e do na p p l i c a t i o na n db a c k g r o u n do fe x i s t e dd i g i t a li m a g e w a t e m a r k i n gm e t h o d s ，a n dt h e r eh a sb e e ns o m ev a l u a b l er e s e a r c hr e s u l t s t h em a i n c o n t r i b u t i o n so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w e d ： f i r s t l y ，ab r i e fi n t r o d u c t i o no fe x i s t i n gw a t e 咖a r k i n ga l g o r i t h m s i s g i v e n ，o f w h i c ha d v a n t a g e s 锄dd i s a d v a n t a g e sa r ef o c u s e d t h e nb a s e do nt h eo b s e r v a t i o nt h a t 锄b i g u i t yi sd e t e c t e di nt h ei m a g ee d g ea n dt e x t u r e 嬲w e l la sh u m a nv i s i o n ，t h i s p a p e rp r o p o s e san o v e ld i g i t a li m a g ew a t e m a r k i n gs c h e m eb a s e do nf u z z yt h e o r yi n w a v e l e td o n l a i n s e c o n d l y ，t h ef i r s ta l g o r i t h mu s e sf u z z ye n t r o p yt om e a s u r e t h er i c h n e s so fi m a g e t e x t u r e ，w i t hb r i g h t n e s st od e t e 珊i n et h ee m b e d d i n gs t r e n 班h d i f ! i b r e n ts t r e n 百hi n d i f f e r e n ti m a g eb l o c kc a ne m b e dw a t e m a r ki n t oh o s ti m a g ea d a p t i v e l y ，a n di m p r o v e t h er o b u s t n e s so ft h ea l g o r i t h m t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h en e wa l g o r i t h m e n h a n c e st h er o b u s t n e s sw h i l em a i n t a i n i n gg o o dt r a n s p a r e n c y t h i r d l y ，t h i sp a p e rp r o p o s e san e w c o l o ri m a g ew a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mo nt h e c o n s i d e r a t i o no fh v sa n dt e x t u r eo fi m a g eb l o c k n o tj u s te m b e d d i n gw a t e 姗a r ki n t o ac e r t a i nc o l o rc h a n n e l b u ti tc a nc h o o s ed i f f e r e n tc h a n n e la c c o r d i n gt oc h a l r a c t e r i s t i c s o fc o l o ro ft h ei m a g eb l o c k t e x t u r eo fc o l o ri m a g ei sr e l e v a n tt oc h a n g eo fb r i g h t n e s s a i l dc o l o r ，s ot h i sa l g o r i t h mu s e st w of a c t o r st 0g e tt e x t u r ef e a t u r e ，t od e t e r m i n et h e e m b e d d i n gs t r e n g t h t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a t t h en e wa l g o r i t h mi sm o r e r o b u s tt oj p e gc o m p r e s s i o n ，n o i s ea t t a c k sa n ds h e a ra t t a c k s ，e t c k e yw o r d s ：w a t e r m a r “n g ；f u z z ye n t r o p y ；a d a p t i v e ； w a v e l e td o m a i n ； i l i 硕士学位论文 插图索引 图2 1 水印嵌入过程流程图1 0 图2 2 水印信号检测模型1 2 图3 1m a l l a t 算法的分解过程图1 7 图3 2m a l l a t 算法的重构过程一1 8 图3 3 一个f w t 分析滤波器族1 9 图3 4 二维小波变换的树形算法示意图2 0 图3 5 二维小波系数的分解与重构过程2 l 图3 6 二层多分辨率分解示意图2 2 图3 7d w t 水印嵌入一般的框图2 4 图3 8d w t 水印检测算法一般框图一2 5 图4 1 模糊熵曲线图3 0 图4 2 模糊熵衡量的纹理图3 1 图4 3 亮度与视觉敏感度3 2 图4 4 水印嵌入算法流程图3 4 图4 5l e n a 图像块1 和2 纹理和亮度值3 5 图4 6 水印图像的不可见性一3 6 图4 7 水印抗压缩编码的鲁棒性一3 6 图4 8 水印抗噪的鲁棒性3 7 图4 9 椒盐噪声的图像及提取出来的水印3 7 图4 1 0 剪切攻击( 2 5 ) 后的含水印图像和提取出来的水印3 7 图4 1 1 中间剪切2 5 后的含水印图像和提取出来的水印3 8 图4 1 2 中值滤波( 5 5 ) 后的含水印图像和提取出来的水印3 8 图5 1 水印嵌入算法流程图4 2 图5 2b a b o o n 图的颜色通道4 3 图5 3 嵌入水印后的b a b o o n 4 3 图5 4 添加椒盐噪声d = 0 0 1 的水印图像和提取的水印4 4 图5 5 质量系数为3 0 的压缩图像和提取的水印4 4 图5 6 中值滤波5 5 的水印图像和提取的水印4 5 图5 7 剪切1 2 5 的含水印图像和提取的水印4 5 图5 8 从( 1 0 0 ，1 0 0 ) 位置开始剪切2 5 的含水印图像和提取的水印4 5 v i 基于模糊理论的小波域图像水印算法研究 附表索引 表2 1 图像质量的主观评价标准1 3 表4 1 算法的鲁棒性测试结果一3 8 表5 1 椒盐噪声攻击后检测结果。4 4 表5 2j p e g 压缩攻击后检测结果4 4 表5 3 滤波攻击后检测结果4 5 v l l 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 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 法律后果由本人承担。 作者签名： 毒江i v 【 日期沙厂年6 月拿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校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。本人授权湖南大学可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、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：砷了年 j 限醐：叩年 日日 岁岁 月月 ， 占6 硕上学位论文 1 1 选题背景及意义 第1 章绪论 随着数字技术高速发展和i n t e m e t 的迅速普及，快速、准确、廉价的数字传输 手段为我们获得信息资源提供了很好的保障，但同时也对我们提出了新的挑战 数字信号处理和网络传输技术可以对数字媒体原版进行无限制的任意编辑、 修改、拷贝和散布，这些造成了数字媒体的知识产权保护和信息安全的问题日益 突出，因此如何保护版权所有者的权益，已经成为数字领域一个非常热门的话题。 针对数字多媒体产品的知识产权保护问题，世界各国的科研工作者提出了加密、 解密、数字签名、数字标签、数字指纹、数字水印等多种技术。其中数字水印是 一门崭新的技术，它通过将数字序列号、文字、图像标志等版权信息嵌入到多媒 体数据中，来确定产品的所有权或校验其内容的原始性，以起到版权保护的作用， 数字水印的研究主要集中在图像、视频和音频等多媒体数据领域，文本、自然语 言、软件、数据库和半结构化数据等介质的数字水印也逐步得到研究者的关注。 不论是哪种类型的数字水印，其实质都是通过修改原始数据中的冗余信息，隐蔽 地嵌入版权等信息，以此证实数据的所有权。 数字水印如果没有鲁棒性的要求，水印与信息伪装技术上的处理本质上是完 全一致的。在绝大多数情况下，我们希望添加的信息是不可察觉的或不可见的， 除某些使用可见数字水印的特定场合之外，版权保护标志不要求被隐藏。发展数 字水印技术的原动力是为了提供多媒体数据的版权保护，但人们发现数字水印还 具有一些其他的重要应用，如数字文件真伪鉴别( d o c 啪e n ta u t h e n t i c a t i o n ) 、网络 的秘密通信( s e c r e t ea n di n v i s i b l ec o m m u n i c a t i o n ) 和隐含标注( h i d d e na 皿o t a t i o n ) 。 自从1 9 9 4 年在国际图像处理会议上提出数字水印( d i g i t a lw a t e m a r k i n g ) 概念 以来，数字水印技术得到了迅速发展，作为数据隐藏技术的一个方面，其主要目 的是解决数字媒体的版权保护问题。因此，与传统加密技术不同，数字水印技术 并不是限制对媒体的访问，而是为媒体提供必要的证明信息。在数字水印算法研 究中，水印算法的隐蔽性和稳健性是评价水印嵌入算法的两个非常重要的指标， 但是水印的这两种性质存在着矛盾性，如何折衷两者之间的矛盾，是数字水印技 术的关键问题。目前相关的研究取得了一定的进展，但技术仍然不够成熟，特别 是网络迅速发展的今天，水印技术的研究具有较大的理论价值和实际意义，值得 我们迸一步的研究。 基于模糊理论的小波域图像水印算法研究 1 2 国内外研究现状 数字水印在1 9 9 6 年后得到了前所未有的关注，学术界分别于1 9 9 6 年、1 9 9 8 年和1 9 9 9 年召开了三届信息隐藏技术国际研讨会，许多大众科学杂志和报纸也将 它作为流行话题。与此同时，研究界也做了很大努力来标准化水印处理技术。在 美国，许多著名大学和大公司的研究机构，如麻省理工学院的媒体实验室、明尼 苏达大学、普林斯顿大学、南加州大学等，以及日本的n e c 研究院、美国的i b m 研究院、朗讯公司的贝尔实验室等，都积极的参与并投资支持数字水印技术方面 的研究。到目前为止，数字水印从研究对象上看主要涉及图像水印、音频水印、 视频水印、文本水印和三维模型水印等几个方面，其中大部分的水印研究都集中 在图像研究上，其原因在于图像是基本的多媒体数据，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。 国内的数字水印技术起步较晚，但随着信息交流的加快和水印技术的迅速发 展，国内的一些科研单位已逐步从跟踪转向深入系统的研究，相当一批有实力的 科研机构和高校也纷纷投入到数字水印技术的研究中来，为了促进数字水印及其 它信息隐藏技术的研究和应用，1 9 9 9 年1 2 月，我国信息安全领域的何德全院士、 周仲义院士、蔡吉人院士与有关应用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。2 0 0 0 年1 月，由国家“8 6 3 智能机专家组和中科院自动化所模 式识别国家重点实验室及北京邮电大学信息安全中心组织召开了专门的“数字水 印学术研讨会心1 。 1 2 1 空间域水印算法 t i r k e l 等人在1 9 9 3 年的文章中已经意识到了数字水印的重要性，针对灰度图像 提出了基于l s b 算法的水印方法1 。将信息直接叠加到图像的空间域上的算法叫空 域算法。l s b 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像素位上， 一般对于图像来说，最低两比特位的修改不会给人的视觉造成很强的修改感觉， 但是由于使用了图像不重要的像素位，算法的鲁棒性差，水印信息很容易为滤波、 图像量化、几何变形的操作破坏。另外一个常用方法是p a t c h w o r k 算法，它的基本 原理是在不影响图像主观质量的前提下，通过改变图像的统计特性来实现水印的 嵌入。首先将图像分成两个子集，其中一个子集的亮度增加，另一个子集的亮度 减少同样的量，这个量以不可感知性为标准，整个图像的平均灰度值保持不变， 在这个调整的过程中完成水印的嵌入。p a t c h w o r k 方法对j p e g 压缩、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。 2 硕士学位论文 1 2 2 变换域算法 c o x 等人在1 9 9 7 年提出了扩展频谱方法，它的重要贡献在于首次明确提出了 水印信息应该嵌入在视觉上最重要的分量上，由于视觉上重要的分量是图像信号 的主要成分，图像信号的大部分能量都集中在这些分量上，在图像有一定失真的 情况下，仍能保留主要成分，即视觉上重要的分量抗干扰能力较强，使得水印算 法具有较好的鲁棒性。这种方法已经成为一种经典的模式，得到广泛的认可h 1 。 基于分块的d c t ( d i s c r e t ec o s i n et r a n s f 0 姗) 是常用的变换之一。在图像处理 的广泛领域中，离散余弦换起着非常重要的作用，包括图像的效果增强、图像分 析、图像复原和图像压缩等。在图像数据的数字处理中常用的是二维离散余弦变 换，它能把空间域的图像转变到频域上进行研究，从而能很容易了解到图像的各 个频域成分，进行相应处理。b a r n i 提出了对图像做全局d c t 变换，然后将一个 随机序列嵌入到中频系数中。黄继武等人提出了基于对图像d c t 系数振幅的定量 分析，d c ( d i r e c t c u r r e n t ) 分量也可以用来嵌入水印，而在此之前，d c 分量总是无 一例外被排除在外的随1 。由于j p e g 数据压缩方法也是在d c t 变换域上进行操作 的，所以d c t 变换域数字水印具有与生俱来的抗有损压缩能力。不过，d c t 变 换域水印方法不能做到对图像、声音等信号内容的自适应，因此往往会造成对图 像亮度等特征的明显损害。 d f t ( d i s c r e t ef o u r i e rt r 锄s f o r m ) 方法是利用图像d f t 的相位嵌入信息的方 法，因为h a y e s 研究证明一幅图像的d f t 的相位信息比幅值信息更为重要。通信 理论中调相信号的抗干扰能力比调幅信号抗干扰的能力强，同样在图像中利用相 位信息嵌入的水印也比用幅值信息嵌入的水印更稳健，而且根据幅值对r s t ( 旋转 ( r o t a t i o n ) 、比例缩放( s c a l e ) 、平移( t r a n s l a t i o n ) ) 操作的不变性，所嵌入的水印能 抵抗图像的r s t 操作，这是针对几何攻击提出的方法。d f t 方法的优点在于可以 把信号分解为相位信息和幅值信息，具有更丰富的细节信息。但是d f t 方法在水 印算法中的抗压缩的能力还比较弱，目前基于d f t 的水印算法也相对较少。 之后又出现了许多基于d w t ( d i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o m ) 的数字水印算法， k u n d u r 等人提出了一种基于小波的鲁棒数字水印技术，该算法充分融合了小波的 多分辨率和人眼视觉特性，该算法首先将水印进行一次小波分解，图像也进行小 波分解，然后将水印嵌入到不同分辨率的子带中哺1 。 d u g a d 等提出一种新的基于小波域的鲁棒水印算法，通过设置全局阈值，实 现将水印添加到d w t 的重要系数中，同时在检测时不需要原始图像，该算法使 用双正交小波做三层小波分解，不考虑低通子带，只选出在其它子带中大于给定 阈值的所有系数，把大于阈值的系数叫做重要系数，并指出由于选择高频带的重 要系数嵌入水印，所以相当于隐含地使用了视觉掩码，因而不需要明确的使用视 3 基于模糊理论的小波域图像水印算法研究 觉掩蔽算法，这大大降低计算的复杂性n 】。 x i e 等人提出了一种嵌入在小波变换低频区的水印算法，而且很巧妙的加入 到s p i h t 压缩算法中，该算法在低频区用一个3 1 的窗口无交叉地游动，根据 第一个数和第三个数的一个非线性变换来取代中位数，所以在提取水印时，完全 可以不需要原图，只要同样地用3 1 窗口游动，做同样的计算，得到攻击前的中 位数嘲。 k u n d u r 后来又提出了一种基于小波变换的量化数字水印算法，根据一种量化 方案把原始数据替换成另一种量化值来嵌入水印，该算法的水印采用的是二值图 像或二值序列( 0 ，1 ) ，小波基是d a u b e c h i e s 小波，对原始图像进行3 层小波分解， 然后在高频子带中随机选择系数，在小波分解的每一级的三个高频子带中各选择 一个系数，将这三个系数按由小到大的顺序排列，通过量化中间的系数来嵌入水 印信息例。 f k h e l i f i 等人提出一种基于小波的根据纹理分类的盲水印算法，根据所在块 的纹理强弱使用不同的嵌入强度n0 1 。 小波变换能在出现后不长的时间里就为图像处理界所广泛接受和应用，是因 为它相对于d c t 和d f t ，有很多独特的优点：良好的时间频率局部性、图像信号的 局部性，如局部纹理、亮度等，对于图像分析和处理非常关键，全图d c t 变换的 局部性较差，用分块作为变通，则会导致马赛克效应，从算法复杂度来看，图像( 较大时，离散小波变换d w t 的复杂度为o ( ) ，d c t 为o ( l o g ) ，d w t 要优于 d c t ，但考虑到有些方法用到了分块，如果分块较小的话，d w t 的计算开销则比 d c t 大得多。 小波变换后的系数既能提供空间信息又能提供位置信息，而且小波的多分辨 率分析与h v s 特性一致的，这对根据h v s 选择适当的水印嵌入位置和嵌入强度 有很大的帮助，因此是近年来研究的热点n 1 3 。当前国际上关于数字水印的研究主 要集中在以下几个方面： ( 1 ) 良好健壮性水印算法的研究，这方面的研究主要集中在频域嵌入水印， 包括d c t 域和小波域中嵌入水印，使得水印在嵌入以后能抵御各种攻击； ( 2 ) 水印信息的编码及嵌入到载体信号的策略，即如何确保水印容错和确保 在遭到攻击以后水印的恢复；如何选择嵌入到载体信号的策略，确保原始载体在 加入水印以后不可感知； ( 3 ) 水印系统评价理论和测试基准，建立一套水印系统评价理论，有利于测 试所设计的水印系统，促进这一领域健康发展； ( 4 ) 水印攻击建模，对各种水印攻击进行建模，为提高水印算法的稳健性和 抗攻击能力提供理论依据； ( 5 ) 水印应用研究，这方面的研究主要集中在水印应用系统，包括在网络环 4 硕士学位论文 境下保护数字媒体的版权，防止非法复制以及对合法用户进行跟踪等。 1 3 当前研究存在的主要问题 在近二十多年中，数字水印技术迅速地发展已取得了许多成果，但是数字水 印技术还远未成熟，存在着许多待解决的问题，特别是数字水印的理论基础仍然 薄弱，大多数数字水印算法还是经验性的。同时，数字水印系统或算法性能的评 测目前暂时还没有一个通用的标准n 羽。存在的问题主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 对于数字水印系统或算法的性能评价，部分学者已经做了一些研究，但 目前仍缺乏对数字水印系统或算法进行合理评价的通用标准和测试基准。 ( 2 ) 目前还没有通用的评价标准来定量地评价含有水印图像的质量，通常采 用客观图像质量评价方法如均方误差( m e a ns q u a r e de r r o r ，m s e ) 、信噪比( s i g n a lt o n o i s er a t i o ，r a t i o ，s n r ) 和峰值信噪比( p e a ks i g n a lt on o i s er a t i o ，p s n r ) 三种方 法，它们都建立在原始的未失真图像和修改后的失真图像的像素差值的基础上。 这些方法不能很好地与人类的视觉系统相对应，会导致图像质量的不合理评价， 影响水印的嵌入强度，不利于提高水印系统的鲁棒性。 ( 3 ) 设计一个完整的、安全性能好的水印系统时，必须要在水印的鲁棒性、 嵌入的水印信息容量以及不可见性之间选择一个平衡点，这是一个很难的课题， 涉及到鲁棒性水印算法的设计、水印的生成和水印容量估计等方面。 ( 4 ) 目前，大多数数字水印算法在嵌入提取和检测过程中往往利用实验经验 值，而没有从理论上来解决此问题。 对于数字水印技术，数字媒体的版权、完整性认证和强鲁棒性是目前的主要 的研究方向，如果能形成一系列的标准或者协议，将大大地有利于水印技术的推 广和应用。但我们知道，这是一项艰巨而长期的任务。 1 4 本文研究的主要内容 本文在研究图像鲁棒数字水印的基础上，提出了旨在设计一个自适应的鲁棒 图像水印，给出了模糊理论在数字水印上的研究应用，结合h v s ( h u m a nv i s u a l s y s t e m ，人类视觉系统) ，使算法能较好的兼顾不可感知性，鲁棒性和安全性。 本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 阐述数字水印技术的算法和原理，代表性水印算法的研究和分析，指出 目前水印存在的主要问题以及图像水印系统的评测方法。 ( 2 ) 相关理论方法的研究，包括图像的小波变换及其特性，小波变换在数字 水印领域的应用，包括小波域的数字水印的嵌入和检测，模糊理论中的模糊熵， 隶属度函数等知识。 ( 3 ) 提出基于小波域的利用模糊熵衡量纹理特征的灰度图像鲁棒水印算法， 5 基于模糊理论的小波域图像水印算法研究 结合h v s 特性，根据纹理和亮度的特征信息，共同决定水印的嵌入强度，实现自 适应，并给出嵌入过程算法和检测算法。 ( 4 ) 研究了彩色图像的颜色通道，提出了在图像的不同位置，应根据颜色能 量分布情况，选择合适的颜色通道，再根据图像纹理复杂度决定水印嵌入强度， 自适应的嵌入水印。 ( 5 ) 验证新算法的有效性，通过对含水印图像进行加噪声、j p e g 压缩、剪切、 滤波等攻击，并比较其鲁棒性和不可见性。 1 5 本文结构 本文对现有的数字水印体制进行系统、深入地分析和研究，从h v s 特征考虑， 把水印加入重要的小波系数中去。本文以现有的数字图像水印算法为理论基础， 通过对数字水印特征、图像特征和研究现状的分析，发现一些图像水印算法的不 足之处：没有真正的实现自适应，而且水印的不可见性和鲁棒性矛盾过于敏感。 第1 章主要介绍了数字水印技术的产生背景和意义、国内外研究现状，并 对空域和变换域的代表性算法进行了分析，指出当前水印算法存在的主要研究问 题，并说明了本文研究内容和本文结构。 第2 章主要介绍了数字水印的概念，算法原理和重要的技术，包括水印信 号的生成，水印的嵌入，对水印的攻击，以及检测和提取，介绍了图像水印系统 的评测方法。 第3 章介绍小波变换的基本理论，介绍在数字水印技术当中的应用，分析 了一般小波域图像水印的嵌入和检测方法。 第4 章通过对已有的研究中的鲁棒性数字水印方案进行分析，结合h v s ， 把模糊理论引入到水印算法中，提出新的鲁棒性数字水印方案，给出了算法的设 计理念、水印的嵌入和提取步骤以及实验结果分析。 第5 章本章提出了一种结合颜色通道和h v s 的彩色图像水印算法，不单单 把水印嵌在某个颜色上，而是根据图像本身的特点，自适应的选择颜色通道嵌入 水印。结合h v s 的特点，在纹理强的地方嵌入水印强度大，实现了自适应的选择 强度，该算法对j p e g 压缩，噪音攻击等有较强的鲁棒性。 最后总结了本文的工作和对未来数字图像水印的展望。 6 硕士学位论文 第2 章数字水印技术 数字水印技术是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，但不影响原内容的价值和使用，并且不能被人的知觉系统觉察到，只有通过 专用的检测器或阅读器才能提取。其中的水印信息可以是作者的序列号、公司标 志、有特殊意义的文本等，可用来识别文件、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。与加密技术不同，数 字水印技术并不能阻止盗版活动的发生，但它可以判别对象是否受到保护，监视 被保护数据的传播、真伪鉴别和非法拷贝、解决版权纠纷，并为法庭提供证据。 2 1 数字水印的定义 目前虽有许多文献讨论有关数字水印技术的问题，但数字水印始终没有一个 明确统一的定义。通过综合一些学者提出的定义和分析已有的数字水印方案，可 给出如下定义：数字水印是镶嵌在其它数据中的具有可鉴别性的数字信号或模式， 而且并不影响数据的可用性。简单而言，数字水印就是插入到原始图像、音频流 等多媒体文件中的一段数字信息，用来标识版权或用户的信息，同时，数字水印 也可以被用作数字签名。 2 2 数字水印的基本特点 数字水印种类繁多，不同的数字水印有不同的应用场合，因而也会有不同的 特点或要求。由于本论文主要是对图像不可见鲁棒水印进行研究，所以重点讨论 该水印的基本特点，有以下几点： ( 1 ) 不可觉察性 在大多数数字水印中( 某些特定场合，版权保护标志不要求被隐藏，但这不是我 们的主要研究方向) ，系统都要求带水印的图像保持极高的品质，与原始图像之间， 利用人类视觉系统属性几乎不可辨别。同时，由于在数字方式下，标志信息极易 被修改或擦除，因此应根据多媒体信息的类型和几何特征，将水印隐藏其中，使 非法拦截者无法察觉。 ( 2 ) 鲁捧性 水印图像在经受j p e g 压缩或一般的图像处理( 如滤波、平滑、图像量化与增强、 有损压缩、几何变形、噪声污染等) 等无意攻击或有针对性的恶意攻击后，水印依 然存在于多媒体数据中并可以被恢复和检测出来。 ( 3 ) 可证明性 7 基于模糊理论的小波域图像水印算法研究 水印能为受到保护的信息产品提供完全和可靠的证据。水印算法能够将所有 者的有关信息( 如注册的用户号码、产品标志戴有意义的文字等) 在需要的时候将其 提取出来。同时，能够监视被保护数据的传播、真伪鉴别以及非法拷贝控制等。 ( 4 ) 安全性 嵌入的水印信息必须只有授权的机构才能检测出来，非法用户不能判断水印 是否存在，或者即使检测除水印，也不能获取或去除水印信息。 ( 5 ) 容量 要求水印算法能嵌入一定的水印信息量。容量太少不足以确定产品的唯一性， 容量太大容易破坏产品的品质。 ( 6 ) 盲检测性 水印的检测和提取过程不需要原始载体图像的具体信息。 在实际设计水印系统时，还要考虑如下一些方面：水印的嵌入是否可以直接 在压缩编码中实现，如在j p e g 、m p e g 压缩下进行；能否充分利用人眼视觉系统 的特性，水印的设计需要在不可见性和鲁棒性之间寻求二种平衡，因此要考虑人 眼视觉系统的特性，使嵌入的水印刚好低于视觉可见度门限阈值n 3 1 。 2 3 数字水印算法原理和重要技术 。数字水印种类很多，各种水印的具体实现方法也有所不同，但原理和模型是 通用的，我们以图像隐形水印为例。水印嵌入的原理可以从两方面来理解：一是 可以视为在强背景( 原始图像) 下迭加一个弱信号( 水印) 。由于h v s 的分辨率受到一 定的限制，只要迭加信号的幅度低于h v s 的对比度门限，h v s 就无法感觉到信号 的存在。对比度门限受视觉系统的空间、时间和频率特性的影响，因此，通过对 原始图像做一定的调整，有可能在不改变视觉效果的情况下嵌入一些信息，水印 正是利用这一点被嵌入到原始图像中去的；二是从数字通信的角度看，水印编码 的嵌入可理解为在一个宽带信道( 原始图像) 上用扩频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，但分布到信道中任一频率上的能量是难以检 测的，水印的检测则是一个有噪信道中弱信号的检测问题。 数字水印处理系统中，水印的生成、水印的嵌入、对水印信号的攻击和对水 印信号的检测提取是其必须解决的几个重要技术问题h 们。 2 3 1 水印信号的生成 水印信号的生成是水印处理过程的第一个关键步骤。水印信号由于自身内容 的不同被划分为有意义水印和无意义水印，其生成方式和所需要的条件也有所不 同。 ( 1 ) 无意义水印信号的产生 8 硕十学位论文 无意义水印一般是一个序列号或一个随机数，没有具体的意义，构成水印的 序列通常应该具有不可预测的随机性。由于h v s 对纹理具有较高的敏感性，故水 印应该具有与噪声相同的特性。因此，目前文献中一般取下述随机序列作为水印 嵌入到载体数据中： 1 ) 高斯白噪声：满足均值为甜，方差为仃2 的正态分布。用的最多的是均值为 0 ，方差为1 的高斯白噪声，通常记为n ( o ，1 ) ，这是c o x 首先提出的一个重要思 想。 2 ) 伪随机序列：具有类似白噪声的性质，但又具有周期性和规律性，可以人 为的加以产生和复制。通常可采用二值的m 序列、m 序列、混沌序列或其他特殊 序列作为水印。有时也可能采用实伪随机序列作为水印。 3 ) 根据有特定含义的原始水印所生成的随机序列：通常选取具有特定意义的 字符串或数据段作为水印信号，把每个字符或数据作为产生随机序列的种子，最 常见的是伪随机处理( 排序、相乘、异或) 和扩频两种方式。其中扩频技术中使用 的伪随机序列具有类似白噪声的性质，但又是周期的、有规律的，相关函数具有 尖锐特性，易于从其他信号或干扰中分离出来，因此具有优良的抗干扰特性。 ( 2 ) 有意义水印信号的预处理 有意义水印通常是为具有一定意义的文本、声音、图像或者视频信号。提取 的水印非常直观，不需要再利用原始水印进行相关性的计算，可以直接使用它对 载体中是否含有水印进行判别。有意义的水印在嵌入时，通常需要转化为二值( o 和1 或1 和1 ) 的序列，如果直接使用计算机中的存储形式，一旦攻击者从载体数 据中获得了水印数据，就可以了解水印内容，对水印的攻击也就很容易n5 1 。于是 有些算法采用加密或者置乱的方法来处理水印信号，把水印信号转化为杂乱无章 的二值序列，即便攻击者获得了水印数据，面对无意义的一堆乱码，也无法确定 是否真的得到了水印数据，从而在一定程度上防止了对水印的攻击。 置乱实际上就是图像的加密，它破坏了图像的自相关性，使得人眼无法从中 提取到有价值的信息。利用置乱技术对水印进行预处理可以提高水印的安全性。 基于a m o l d 变换、幻方、h i l b e r t 曲线、c o n w a y 游戏、广义g r a y 码变换、仿射 变换、正交拉丁方变换等都是常见并且有效的置乱方法。 2 3 2 数字水印的嵌入 数字水印的嵌入主要研究嵌入水印的位置以及根据嵌入的位置确定不同的 嵌入算法。根据嵌入位置的不同主要可以划分为时空域水印和变换域水印，变换 域水印有着空域算法不可比拟的优势。 9 基于模糊理论的小波域图像水印算法研究 三固一一一一一一一一一 三面一一一一一一一一一一一一j 图2 1 水印嵌入过程流程图 根据选择位置的不同，嵌入水印一般有两种嵌入规则： x ( 七) = z ( 七) + 口w ( 七) 力日法准贝0 ( 2 1 ) x ( 七) = x ( 七) ( 1 + 口，( 尼) ) 乘法准贝l j ( 2 2 ) ( 七) 是含水印的载体，x ( 后) 是不含水印的原始载体，口是嵌入强度因子，通常 利用它来调整嵌入水印的不可见性和稳健性。似七) 是水印信号。嵌入规则的选取 是从h v s 特性上来考虑的，它决定水印的嵌入深度，口越大嵌入的水印越深，水印 的鲁棒性越好，可见性越差，即嵌有水印的图像有明显的失真，产生块效应，也 就没有什么使用价值了；如果嵌入强度因子口过小，虽然此时的嵌有水印的图像和 原始图像相似度非常高，但水印的鲁棒性很差，在经历一些图像处理时容易被去 掉，所以，水印强度的选取必须考虑图像的性质和人类视觉系统的特性。加性准 则是最常见的算法，不仅适用与时空域，还适用于变换域，而乘性规则由于在时 空域中引起高频和低频部分的改动都比较大，故在时空域嵌入算法中利用的较少。 2 3 3 数字水印的攻击 水印技术是在不断的“攻 与“防”中发展的，因此，研究数字水印的攻击 方法对于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 鲁棒性提出的要求。设计合理的数字水印算法要有抵抗各种恶意攻击的能力，即 要具备良好的鲁棒性，这是数字水印技术实用化的基础。在衡量水印鲁棒性时， 通常对水印进行某种攻击，然后再提取水印，使用水印的测试指标评测提取出的 水印，从而判断该水印算法的鲁棒性。 这些攻击是水印系统在实际使用过程中可能会遭受到的，此处“攻击”的含义 包括有意的攻击和无意的攻击。有意的攻击是指为了去除水印而采取的各种处理 方法，此种攻击往往是恶意的；无意的攻击是指加有水印的图像在使用过程中不 可避免受到的诸如有损压缩、噪声影响等处理。 下面将一一列出各类攻击： ( 1 ) j p e g 有损压缩攻击 j p e g 是广泛用于图像压缩的压缩算法，通常经过水印系统处理的图像必须 1 0 硕士学位论文 能经受一定程度有损压缩，并能提取出压缩后含水印图像中的水印n 们。 ( 2 ) 图像处理攻击 1 ) 低通滤波 包括线性和非线性滤波器，经常使用的滤波器有中值滤波、高斯滤波和标准 均值滤波。 2 ) 锐化 锐化处理属于标准图像处理，这种处理可用作为水印系统的有效攻击，因为它 们在检测由数字水印软件带来的高频噪声方面十分有效。更加细微的攻击是建立 在拉普拉斯算子基础上的：其最简单方法就是对加有水印的图像采用如下算子进 行处理： ，7 = ，一口v 2 ( v 2 ，一，)( 2 3 ) 其中，是原图像，是锐化后的图像，口是攻击强度。 3 ) 附加噪声攻击 在图像信号传送和处理过程中，存在着大量的附加性噪声和非相关性的乘性 噪声。许多水印系统能够抵御这类噪声，但存在一个可接受的干扰噪声的最高限 度。 4 ) 模糊处理 模糊处理技术也是常用的攻击方法，这种方法的原理十分简单，其核心在于 一个二维的卷积，可以用m a t l a b 的c o n v 2 函数来实现这个卷积。 5 ) 马赛克 对于图像的马赛克攻击，原理很简单，就是将一幅图像中的像素按照一定大 小的模板与相邻的像素一起取平均值，再将这个赋值给模板下的每一个像素。 2 3 4 数字水印的检测和提取 水印的提取和检测过程与水印嵌入的过程刚好相反。在有些水印系统中，水 印可以被精确地检测并分离出来，这一过程被称为水印的提取，如图2 2 所示。例 如在完整性确认应用中，必须能够很精确地提取出被嵌入的水印信号，并且通过 水印信号的完整性来确认多媒体数据的完整性。假如提取出的水印发生了部分的 变化，最好还能通过发生变化的水印信号的位置来确定原始数据被篡改的位置。 提取和检测可以作用于任何图像，提取和检测是可以有原始产品的参与，也可以 没有原始产品的参与。其中，表示提取算法，& 聊表示水印相似度。图2 2 中虚 线框部分表示在提取或判断水印信号时原始信号不是必需的。 有原始载体图像，时，水印提取过程的通用公式为： 形。= f ( ，：，k ) ( 2 4 ) 基于模糊理论的小波域图像水印算法研究 没有原始图像，时： = f ( ，：，足) 水印相似度检验的通用公式为： 跏c 唧) - 器 l 鱼查! 里堡! 墨! ：皇塑! 茎! r 一 ( 2 5 )