（计算机应用技术专业论文）基于dct变换的自适应图像隐形水印技术的研究.pdf

硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 摘要 数字水印是将特定的数字信息( 水印) 隐藏于数字化的多媒体数据( 如图像、 声音、视频和文本等忡，雨不影响原数据的效果，并且可以从这些数据信息 中部分地或全部地恢复出来，以达到版权保护的目的。作为一门新兴的学科， 数字水印有许多理论与实际技术问题善待解决。本文主要是改进目前许多图像 隐形水印算法在嵌入强度和含水印图像的质量评价等方面存在的问题，设计了 一个较完整的基于d c t 域的自适应图像隐形水印算法，使该算法较好地兼顾 不可感知性、稳健性和安全性。 本文对水印的嵌入位置、嵌入强度和含水印图像的质量评估等问题进行了 深入地分析，并给出了解决方案。继而设计并实现了一个较完整的基于d c t 域的自适应图像隐形水印算法。该算法首先对有意义的图像水印信号进行预处 理，来提高水印的安全性和稳健性。利用一种新的通用图像质量评价方法来评 价含水印图像的失真情况。在嵌入水印的过程中不断地搜索合适的强度因子。 根据j p e g 亮度量化表来确定中频系数嵌入强度的比例关系。并引入了个优 于p s n r 和m s e 的方法来评价含水印图像失真。若图像质量不满足所期望接 近的失真度，用二分法不断地调整强度因子的值，以达到水印的最优嵌入。从 而水印图像信息分别以不同的强度嵌入到各中频系数中。 从实验结果看，在嵌入强度值相等的情况下，自适应算法更好地结合了图 像的局部特征，表现了较好的性能。对含水印图像进行了多个信号处理测试， 提取出的水印图像与原始水印图像的相似度值均大于阈值，表明所提出的水印 算法对常见的信号处理具有较好的稳健性。 关键词：数字水印；嵌入强度；离散余弦变换；稳健性 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 gi sap r o c e s s o f e m b e d d i n gs o m ed i 百t a li n f o r m a t i o ni n t o t h eo r i g i n a ld a t aw i t h o u tc a u s i n gp e r c e p t u a ld i s t o r t i o n ，a n dw a t e r m a r k i n gc a r lb e e x t r a c t e df r o mt h e m i t so n eo ft h ep o w e r f u lt o o l st op r o t e c tt h er i 曲t so fd i g i t a l w o r k s a sa r i s i n gs u b j e c t ，m a n yp r o b l e m s r e m a i nu n r e s o l v e d t h em a i n p u r p o s e o f t h i st h e s i si st os o l v et h e s ep r o b l e m s ，s u c ha ss c a l i n gp a r a m e t e ra n de m b e d d e d i m a g ea s s e s s m e n t a n de t c a n da na d a p t i v e i m a g ew a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m i s d e s c r i b e bh e r e h e r ew ea n a l y z es o m ee x i s t e n tp r o b l e m si n d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ，s u c ha s e m b e d d i n gp l a c e ，s c a l i n gp a r a m e t e ra n de m b e d d e di m a g ea s s e s s m e n t t h e n a n a d a p t i v ei 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 nd c t i sp r o p o s e dt os o l v et h e s e p r o b l e m s f i r s ts i g n i f i c a t i v ei m a g ew a t e r m a r k i n g i sp r e t r e a t e d a n dan e wu n i v e r s a l i m a g eq u a l i t yi n d e xi s s e l e c t e dt oa c c e s st h ee m b e d d e di m a g ed i s t o r t i o n t h e e m b e d d i n gp r o c e s si sm o d i f i e dc o n t i n u o u s l yi n o r d e rt of i n da p p r o p r i a t es c a l i n g p a r a m e t e r s a c c o r d i n gt ot h ej p e gb r i 【g h t n e s st a b l e ，t h ep r o p o r t i o no fe m b e d d i n g s t r e n g t ho fm i d d l ef r e q u e n c y c o e f f i c i e n t si sc o n f i r m e d a n dan e wu n i v e r s a li m a g e q u a l i t yi n d e xw h i c h i ss u p e r i o rt op s n ra n dm s ei si n t r o d u c e dh e r et oa n a l y z et h e e m b e d d e d i m a g e d i s t o r t i o n i fi tc a n tb ec l o s et ot h ee x p e c t e dd i s t o r t i o n ，t h es c a l i n g p a r a m e t e ri sa d j u s t e db yd i c h o t o m ys oa st oo b t a i no p t i m a le m b e d d i n ge f f e c t s o w a t e r m a r k i n ga r ee m b e d d e di n t ot h em i d d l ef r e q u e n c yc o e f f i c i e n t sw i t hd i f f e r e n t s t r e n g t h t e s t i n gd a t ai n d i c a t et h a tl o c a lc h a r a c t e r i s t i co fi m a g ej sb e t t e rc o m b i n e di n o u ra l g o r i t h m e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ee x t r a c t e d w a t e r m a r k i n ga n d o r i g i n a lw a t e r m a r k i n g i sr e s e m b l e ，s ot h ea d a p t i v ea l g o r i t h mi si n v i s i b l ea n dr o b u s t t oc e r t a i nc o m m o nd i s t o r t i o n s 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 ；s c a l i n gp a r a m e t e r ；d i s c r e t ec o s i n e t r a n s f o r m a t i o n ；r o b u s t n e s s i i 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究 工作所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：百巴软 日期：幽甜哞月口日 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，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。本人授权华中师范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。 作者签名： 咤敦 日期：硝年i 月d 日 导师签名： 日期：年月日 本人已经认真阅读“c a l l s 高校学位论文全文数据库发伟章程”，同意将本 人的学位论文提交“c a l l s 高校学位论文全文数据库”中全文发布，并可按“章 程”中的规定享受相关权益。回重迨塞堡童盾溢唇；旦主生；旦二生；旦三生 蕉查! 作者签名：0 影识 日期：0 坩产占月j ，日 导师签名： 日期：年月 日 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 引言 随着计算机网络技术和通信技术的飞速发展，数字化信息媒体已得到了广 泛地应用，随之而来的数字媒体的信息安全、知识产权保护和认证等问题也变 得日益突出，因此，如何在网络环境中实施有效的版权保护( c o p # g h tp r o t e c t i o n ) 和信息安全( i n f o r m a t i o ns e c u r i t y ) 手段已成为数字领域中迫在眉睫的重要议题。 传统的密码学是在数据的存储和传输的过程中保护其安全，但数据经加密后形 成的乱码容易引起非法者的注意，一旦被截获并解密，其保护作用就随之消失。 数字水印作为传统密码学的有益补充，是一种在开放的网络环境下保护数字作 品的版权和完整性的新技术，近年来已引起了国际学术界的广泛关注，并已成 为信息隐藏领域的研究热点之一。 数字水印是将特定的数字信息( 水印) 隐藏于数字化的多媒体数据( 如图像、 声音、视频和文本等1 中，而不影响原数据的效果，并且可以从这些数据信息 中部分地或全部地恢复出来，以达到版权保护的目的。数字水印是一门涉及数 字信号处理、图像处理、密码学、通信理论和算法设计等多个领域的交叉学科。 数字水印算法可以识别嵌入到载体对象中的所有者的相关信息，并能在需要的 时候将其提取出来，用于判别对象是否受到保护，并能监视被保护的数据的拷 贝控制、真伪鉴别以及完整性认证等，这成为数字水印发展的动力。数字水印 技术与密码学关系非常密切，它们之问的相互融合将为今后信息技术的发展提 供必不可少的安全手段。 通常图像隐形水印应具有如下两个基本特性：不可见性f 仅从视觉上很难 觉察含水印图像和原始图像的区另q 、和稳健性( 含水印图像经过常规的信号处理 后，仍能够从中检测到水印的能力) 。它们是相互矛盾的，如何采取折衷的办 法，在保证水印不可见性的前提下，嵌入尽可能强的水印信息，是数字水印研 究中的一个重要问题。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 第1 章绪论 1 1论文的的研究背景及意义 数字水印是指利用数字嵌入方法将具有特定意义的标记信息( 水印) 隐藏在 数字图像、音频和视频等数字产品中，用来证明创作者对其作品的所有权，并 可以作为鉴定、起诉非法侵权的证据。通过对水印的检测和分析也可保证数字 信息的完整性和可靠性。数字水印已成为网络环境中数字产品版权保护和信息 安全的有效手段。 数字水印是涉及数字信号处理、生理学、多媒体数字压缩、密码学、通信 理论和算法设计等领域的交叉学科，这些领域的相互融合为数字水印今后的发 展提供了丰富的理论基础和必要手段： ( 1 1 生理学基础：近年来，认知科学的飞速发展为数字水印技术研究奠定 了生理学基础。人类的感觉器官( 眼睛和耳朵) 并不十分完美，人眼对 色彩的感觉和亮度的适应性，以及人耳的相位感知等缺陷都可以被数 字水印技术所利用。 f 2 1 密码学：主要研究如何将秘密的明文信息进行特殊的编码，变为不易 破译的密文来进行传输和存储。可以运用密码学的相关知识来增强数 字水印系统的安全性和可靠性。 ( 3 ) 技术支持：多媒体数字压缩编码技术、扩频通信技术和纠错编码等技 术为数字水印技术的发展提供了必要的技术支持。 ( 4 ) 信息隐藏技术：研究如何将秘密信息隐藏于另一公开的媒体之中，通 过公开的信息传输方式来传递秘密信息。这样非法者难以从公开的信 息中判断秘密信息是否存在，来保证秘密信息的安全。 数字水印是信息隐藏技术领域的个重要分支，除具备信息隐藏技术的一 般特点外，还有其固有的特点。数字水印对稳健性要求比较严格，而信息隐藏 2 硕士学位论文 m a s t e r st l e s l s 技术对安全性要求更高一些。数字水印技术和信息隐藏技术保护的对象不同， 数字水印主要是保护水印信息的安全，防止其丢失，而信息隐藏技术主要是保 护秘密信息不被发现。 数字产品的版权保护是数字水印发展最重要的原动力，但随着数字水印 技术的发展，其应用前景越来越广泛。总的来说，数字水印有以下一些主要的 应用领域【1 ，2 ，3 1 ： ( 1 ) 版权保护：这是最初提出数字水印的目的。数字作品的所有者用密 钥产生一个水印，并将它嵌入到原始的数字作品中。当该数字作品 被盗版或出现版权纠纷时，所有者可通过提取数字水印来维护自己 的利益。这种应用要求数字水印必须有较好的稳健性、安全性和不 可见性。 f 2 ) 拷贝控制：是一种防止数字作品被拷贝的保护机制，它不允许未授 权的媒体拷贝，可以用水印来说明数据的拷贝状况。例如在d v d 搔 放系统中，可以向原始视频信号中嵌入拷贝控制信息，来达到控制 使用的目的。 认证：当数字作品被用于法庭、医学、新闻和商业领域时，需要判 定它们的内容是否被修改、替换或特殊处理过。易损水印具有较低 的稳健性，在数字水印的应用中，可用它来验证数字作品内容的完 整性。 ( 4 ) 指纹应用：为防止未经授权的拷贝被非法销售，数字作品的所有者 将不同的用户识别码或序列号作为像指纹一样的信息，嵌入到合法 的作品拷贝中，当非法拷贝一经发现，可以通过提取水印来确定它 的来源。 ( 5 1 内容标记：将数字作品的标题和注释等信息以水印的形式嵌入到该 数字作品中，对数字作品作进一步的说明。它可在医学、制图、多 媒体索引和基于内容的检索等领域得至u 应用。 在现实生活中，这些应用为数字水印的发展提供了动力，当然不同的应用 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 需求对数字水印的特性有不同的要求。 1 2 数字水印的研究现状 目前数字水印是国际学术界的研究热点之一，学者们对数字水印的研究热 情不断高涨。从1 9 9 4 年开始，国际学术界陆续发表有关数字水印方面的文章， 且数量呈快速增长趋势，一些国际权威杂志( 如p r o c e e d i n g so fi e e e 、s i g n a lp r o c e s s i n g 、i e e ej o u r n a lo fs e l e c t e da r e a so nc o m m u n i c a t i o n 、c o m m u n i c a t i o n so fa c m ) 也相继出版了数字水印的专辑。学术界也召开了一些有 影响力的有关数字水印和数据隐藏的会议，如i e e ei c i p 、i e e ei c a s s p 、a c m m u l x i m e d i a 等。 随着数字水印理论和技术的发展，产业界对水印的应用也给予了足够的重 视，i b m 在其数字图书馆的研究计划中采用了可见水印技术【4 】，该计划的研究 成果已被美国国会图书馆等著名图书馆所采用。n e c 公司致力于研究如何将水 印技术应用到d v d 系统的拷贝保护机制【5 】中。一些国际标准项目也有计划地发 展实用的数字水印算法，如欧洲的t a l i s m a n ，其目标在于建立一个在全欧洲范 围内对大规模的商业侵权和盗版行为提供版权保护机制。o c t a l i s 的主要目的 是将有条件的访问机制和版权保护机制融合起来。 随着水印技术应用的推广，其标准化工作越来越受到重视1 6 l 。1 9 9 9 年2 月 i b m 、s o n y 、h i t a c h i 、n e c 和p i o n e e r 等五家大公司宣布了一个保护数字视频 和数字电影的水印标准协议，标志着水印标准化己逐步迈向正轨。 从水印的嵌入载体来看，目前水印研究主要涉及图像水印、视频水印、音 频水印、文本水印和三维网格水印等几个方面，其中大部分水印研究都集中在 图像隐形水印的研究上。其原因在于图像是最基本的多媒体数据，且互联网的 发展为图像水印提供了大量的应用需求。图像隐形水印相对于文本水印、音频 水印和视频水印来说较容易实现，其一些研究成果也可以应用于其它类型的水 印上。 目前数字水印的研究内容归结起来主要分为三个层次： 4 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s ( 1 1 基础理论研究：目的在于建立一个较完善的数字水印的理论框架模 型，解决数字水印的信息容量、数字水印的信息论分析等基本理论问 题。 ( 2 ) 应用基础研究：主要针对某种具体的载体( 如数字图像、数字音频、 数字视频和文本等1 ，研究其相应的具有稳健性和安全性等特性的水 印嵌入算法，以及如何提取和检测水印，如何测试和评估水印系统的 性能。 ( 3 1 实际应用研究：目的在于将数字水印能运用到实际生活中，解决现实 中存在的一些问题。可以针对某项具体的应用研制开发出相应的软 件，运用到实际的工作中。 其中，稳健性水印理论与算法研究是目前水印研究的重要内容，稳健性是 影响水印性能的一个极为重要的因素，许多学者都力图采取以下一些措施来提 高水印的稳健性：水印的结构、水印嵌入策略、嵌入位置和嵌入强度。c o x 等 学者【7 噌提出，g a u s s i a n 分布的随机序列与其它分布的等长随机序列相比，具 有更大的自相关系数，因此，利用g a u s s i a n 随机序列产生的水印具有较好的 稳健性。一些学者也研究水印的攻击方法【8 ，加j 和水印作为所有权证明的有效 性【1 1 1 2 】，这对于提高水印的抗攻击性能具有一定的指导作用。 从水印隐藏的位置来看，可以大致分为空域数字水印和变换域数字水印， 是指改变某些变换系数以嵌入水印。变换域数字水印与国际数据压缩标准兼 窖，可以实现压缩域内的水印算法。h v s 的某些特性也可以运用到水印编码的， 过程中。变换域数字水印相对于空域数字水印来说具有较好地稳健性。因此， 变换域数字水印应用更加普遍 数字作品变换域中的不同系数具有不同的特性，选择不同的系数嵌入水印 会不同程度地影响水印的性能。通常的做法是将水印嵌入到中频系数中，使得 水印不易被感知，且具有一定的稳健性【1 3 ，1 4 , 1 5 1 。 通常水印的嵌入强度越大，水印的稳健性越好，但不可见性越差；水印嵌 入强度越小，水印的稳健性越差，但不可见性越好。目前图像隐形水印算法一 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 般在水印的不可见性和稳健性之间进行折衷，力图保证水印不可见性的前提 下，嵌入尽可能强的水印信息。 近几年来，国内学术界对数字水印也倾注了极大的热情，许多科研院校开 展了这方面的研究。2 0 0 0 年1 月，由国家“8 6 3 计划”智能计算机系统专家组 主办，模式识别国家重点实验室等单位承办的我国首次数字水印技术学术研讨 会在北京举行，并取得了圆满成功，与会者近百人。国内发表的很多有关水印 算法的学术论文实际上非常相似，只是在水印的预处理、嵌入位置和检测方法 上有些不同之处。且目前国内在数字水印的应用上还没有比较成熟的水印商业 软件。总的来说，我国数字水印技术的发展已初具规模，但也存在许多需要解 决的问题，今后数字水印的研究任重道远。 1 3 当前研究存在的问题 作为国际学术界新兴的研究领域，数字水印在近十几年中已得到了迅速地 发展，但数字水印仍然没有发展成熟，还有许多问题善待解决，数字水印的理 论基础仍然薄弱，大多数水印算法还是经验性的。认清当前研究存在的问题对 于指导水印的研究有着重要的意义。存在的问题主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 对于水印系统的性能评价，部分学者已经做了一些初步的研究，但目 前仍缺乏对水印系统进行合理评估的通用标准，包括如何客观地评估 各种水印算法的性能，如何通过一套可靠的标准来选择水印方案，并 能综合评判各种数字水印算法的优劣，如何对数字水印的稳健性进行 标准化地攻击测试，以及如何对测试的数据结果进行标准化地分析等 等。 ( 2 )目前还没有通用的评价标准来评价含水印图像的质量，通常采用数学 形式定义的均方误差( 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 e 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，属于客观图像质量评价方法。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正确评价，从而影响 6 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 水印的嵌入强度，不利于提高水印系统的稳健性。 大多数水印算法依据经验值对整幅图像均用同样的强度嵌入水印，从 而图像的所有部分嵌入的水印能量均相同。由于没有充分考虑到图像 本身的局部特性和人眼的视觉特征，容易造成某些子块因嵌入的水印 能量过大丽引起了较大的局部失真，而有些子块因嵌入的水印能量过 小而远远未达到图像失真度的下限。 f 设计一个完整的水印系统时，必须要在水印的稳健性、嵌入的水印信 息量以及不可感知性之间达到一个平衡，这是一个很难的课题，涉及 到稳健性水印算法的设计、水印的构造和水印容量估计等方面。目前， 大多数水印算法利用经验值，而没有从理论上来解决此问题。 ( 5 1 数字水印与密码学关系密切，目前许多水印算法只注重提高水印的稳 健性，而在安全性水印方面还做得不够，没有与密码学很好地融合， 包括如何设计水印的安全嵌入方法，如何根据不同的安全需求插入不 同安全级别的水印，以及如何对数字水印的安全性进行标准化地测试 和分析等等。 1 4 论文的研究目标和主要研究内容 在分析以上数字水印存在问题的基础上，提出了本文的研究目标，旨在设 计一个较完整的基于d c t 域的自适应图像隐形水印算法，改进目前许多水印 算法在嵌入强度和含水印图像质量评价等方面存在的弊端，使该算法较好地兼 顾不可感知性、稳健性和安全性。 本文的研究内容是在分析d c t 域的图像隐形水印的相关理论和关键技术 的基础上，针对水印嵌入强度等方面存在的问题，提出依据图像失真阈值和图 像的局部特性确定各嵌入强度的大小。探讨了在水印嵌入之前如何对水印进行 预处理，来提高水印的安全性和稳健性。对水印的稳健性也进行了深入地分析， 并实现了一个基于d c t 域的自适应图像隐形水印算法，经过测试表明该算法 具有较好的稳健性。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 1 5 论文的结构 本文提出了一种自适应的隐形图像水印算法，其主要研究内容和结构安排 如下： f 1 1 第一章是绪论，简要地介绍了本文的研究背景和意义、水印的发展现 状、分析了当前研究存在的问题，引出了本文的研究目标和研究内容， 并列出了本文的组织结构。 ( 2 ) 第二章全面地介绍了当前数字水印的基本原理、特性和分类，分析了 目前水印的典型算法，这为后续研究垫定了理论基础。 ( 3 、第三章介绍了o c t 域图像隐形水印的基本原理，探讨了对有意义图像 水印信号进行预处理的一些方法，并深入地分析提高水印稳健性的 些方法。 ( 4 ) 第四章提出了一种基于d c t 域的自适应图像隐形水印算法。嵌入水印 的过程中不断地搜索合适的强度因子。根据 p e g 亮度量化表来确定 中频系数嵌入强度的比例关系。并引入了一个优于p s n r 和m s e 的方 法来评价含水印图像失真。若图像质量不满足所期望接近的失真度， 则不断地调整嵌入强度值，从而水印信息以不同的强度嵌入到各中频 系数中。实验结果表明该水印算法对常见的信号处理具有较好的稳健 性。 ( 5 ) 第五章为结束语，对本文所做的工作和创新之处作了一个总结，并对 今后在数字水印方面应做的工作提出了展望。 8 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 第2 章数字水印技术概述 2 _ 1 数字水印的基本原理 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( 原始图像) 上用扩频通信技术传输 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、加嗓、 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f 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 n v 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 ) 的分辨率受到一定的限制，若叠加的 水印信号幅度低于h v s 或h a s 的对比度门限，h v s 或h a s 就无法感觉到信 号的存在。由于对比度门限受空间、时间和频率特性的影响，那么，只要嵌入 的水印信息不明显地改变载体质量，就有可能在不引起人感知的情况下嵌入一 些信息。 根据v o y a t z i s 和p i t a s 1 6 】提出的思想，对数字水印的基本框架进行了描述。 考虑到有多种形式的数字水印，定义水印信号w 为： w = w ( k ) 1w ( k ) u ，k e w o )( 2 1 ) 其中，w 。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f o ，1 l 或 一1 ，1 ) 。 可以描述数字水印系统的基本框架为六元体( ) ( ，w , k , c e ，d ) ，其中的六个元 素描述如下： 9 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s ( 1 ) x 表示所要保护的数字作品的集合，其中) ( 0 表示原始数字作品，x w 表示含水印的数字作品。 ( 2 ) w 表示所有可能的水印信号集合。 0 ) 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 x k w , w = g ( x ，k )( 2 - 2 ) ( 5 ) e 表示将水印w 嵌入到数字作品) ( 0 中的嵌入算法。 e ：x x w x ，x w = e ( x o ，v o( 2 - 3 ) ( 6 ) d 表示水印的检测算法。 d ：x x k 一( 0 ，1 )( 2 - 4 ) d ( x ，k ) = ，如果x 中存在w 1 ) ( 2 - 5 ) ，如果x 中不存在w ( n o ) 其中，h 1 和h 0 分别表示水印的有无。 数字水印系统的框架必须满足一些基本条件： ( 1 ) 不可感知性：对于不可见水印系统，嵌入水印后应该是不可感知 的，即含水印的作品必须相似于原作品，也就是) ( 0 x w 。 ( 2 ) 密钥唯一性：不同密钥应该产生不等价的水印。 ( 3 ) 水印有效性：在水印处理算法中只采用有效的水印。 ( 4 ) 不可逆性：函数w = g ( x ，k ) 应该是不可逆的，即k 不能根据w 和 函数g 逆推出来。 ( 5 ) 产品依赖性：在相同的密钥条件下，当水印算法g 用在不同的产品 中，应该产生不同的水印信号。 1 0 厂，、l 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 阳多重水印：对已嵌入水印信号的产品可以用另个不同的密钥再作水印。 ( 7 ) 检测可靠性：肯定检测的输出必须有一个合适的最小置信度。 ( 8 ) 稳健性：设) ( 0 是原始作品，x w 是含水印的数字作品，并且d ( ) ( w ，w ) = 1 。m 为数据处理操作，对于任何y x w ，y = m ( x w ) 满足d ( y v o = l ，且对于任何z = m ( x 0 ) ，满足d 亿w ) = o 。 ( 9 ) 计算有效性：水印处理算法应该比较容易实现。 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，以下以图像隐形水印为例进行说明。 ( 1 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，卷常需要对水印进行预处理来适应水印 嵌入算法。 图2 - 1 水印嵌入框图 ( 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。水印的嵌入过程如图2 - 1 所示。有三种常 用的水印嵌入准则。一类为加法准则( 如公式2 - 6 ) 。 x i ) 为原始图像， w i ) 为水印信号， x t7 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 ) ，它考虑到原始图像各像 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 ) ，近年来，融合准则引起了人们的广泛 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 关注，它综合考虑了原始图像和水印图像，在不影晌人的视觉效果的 前提下，对原始图像做了一定程度地修改。 x j7 = x i + a w i x i7 = x i ( 1 + a w 0 x i = ( 1 一a ) x j + a w i ， o a 1 ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 3 ) 水印提取：指水印可比较精确地被提取出来的过程，比如在完整性确 认的应用中，必须能够精确地提取出嵌入的水印信息，并且可以通过 水印的完整性情况柬确认多媒体数据的完整性。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。水印的提取过程如图2 2 所示，虚 框表示提取水印信号时并不定需要原始图像。 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，水印的检测过程如 图2 3 所示，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。 图2 - 3 水印检测框图 水印检测通常采用如下的假设检验： 1 2 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 1 4 0 ：e = x - - x = n h i ：e = x + 一x = w + + n ( 无水印) ( 有水印) ( 2 - 9 ) ( 2 - 1 0 ) 其中，x + 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，从中检测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1 旷和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： 种，w ) = n - 1 ( x ；) 7 弋1 ( x i ) z( 2 1 1 ) x i p ( w + ，w ) 2 ( x i ) 、( x i ) 2( 2 一 i - 0 v i 一0 水印是否存在的判定方法为：若p t ，可以判定测试图像x , e e 存在 水印；否则，不存在水印。阈值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 数字水印的基本特性 一般地，数字水印应具有如下的特征【 】： ( 1 )稳健性：指经过常规的处理操作后，水印算法仍能从水印作品中检测 到水印的能力。这些处理包括常见的图像处理( 图像压缩、低通滤波、 高通滤波和图像增强等) 、几何失真变换( 剪切、图像缩放、平移和旋 转等) 、噪声干扰、打印和扫描等。稳健性对于水印而言极为重要， 通常只要求水印在嵌入和检测之间的信号处理操作中存在。对于不 同的应用需求，要求有不同程度的稳健性。 ( 2 ) 不可感知性：不可感知性包含两方面的意思，一方面指视觉上的不可 感知性，即嵌入水印后不能导致图像质量在视觉上发生明显地变化。 1 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 另一方面，用统计方法是不能恢复水印。 ( 3 1 安全性：指水印能够抵御未经授权的人的攻击的能力，这些攻击指专 门为了阻碍水印发挥作用的处理行为。主要有三大类型的攻击。一类 为未经授权的删除，指阻止检测出作品中水印的攻击。另一类为未经 授权的嵌入( 伪造1 ，指把不合法的水印嵌入到不应含有该水印的作品 中的行为。第三类为未经授权的检测，按照其严重性不同，又可以分 为三种程度。第一种最严重，指未经授权者检测并解密出嵌入水印的 信息。第二种稍轻，指未经授权者检测出水印并且可以区分不同的水 印信息，但是不能解读水印的具体含义。第三种最轻，指未经授权者 能够判断水印的存在，但不能解读水印信息，也不能区分嵌入信息。 ( 4 1 有效性：指嵌入水印后紧接着检测到水印的概率。水印系统的有效性 可能低于1 0 0 ，如果要尽量接近期望的1 0 0 的有效性，需要在其它 特性方面付出较高的代价。在实际的应用中，为了在其它特性方面获 得更好的性能，需要牺牲一些有效性。在某些情况下，水印系统的 有效性需要经分析后才能确定。 2 3 数字水印的分类 数字水印有多种分类方法，出发点不同导致了不同的分类，它们之间既有 联系又有区别。常见的分类方法有以下几种： ( 1 ) 按水印信号的意义划分：可将水印分为无意义水印和有意义水印。无 意义水印指嵌入的水印信号没有实际的含义，可以为伪随机实数序 列、伪随机二值序列和混沌序列等。有意义水印指嵌入的水印信号具 有一定的意义，能比较直观地表示数字作品的信息，可以为数字图像、 数字音频和文字等。相比而言，若有意义水印由于受到信号处理等因 素的影响致使提取的水印损坏，人们仍能够通过观察确认数字作品中 是否存在水印：若提取的无意义水印信号序列发生破损，则只能通过 1 4 硕士学位论文 m a s t e r st 眦s i s 相关的统计知识来确定数字作品中是否存在水印。目前有意义水印在 实际应用中更加广泛，它能更有效地保护数字作品的版权。 ( 按水印的可见性划分：此类划分主要用于数字图像作品中。从人类视 觉系统来看，按照数字水印在数字图像作品中是否可见分为可见水印 ( v i s i b l ew a t e r m a r k ) 和不可见水印( i n v i s i b l ew a t e r m a r k ) 。可见水 印指水印在数字图像中可见。不可见水印指将水印信号嵌入到数字图 像、音频或视频中，从表面上很难察觉到这些数字作品的变化，但当 发生版权纠纷时，可以从这些数字作品中提取水印，来证明数字作品 的版权，它比可见水印应用更加广泛。 ( 3 ) 按水印的稳健性划分：按照嵌入的水印能多大程度地经受常见的信号 处理等操作可将水印分为易损水印和稳健性水印。易损水印指当嵌入 水印的载体数据被修改后，通过水印检测，可以对载体是否进行了修 改或进行了何种修改进行判定。稳健性水印指嵌入的水印能抵抗一定 失真内的恶意攻击，且一般的信号处理不影响水印的检测。 ( 4 ) 按水印所依附的载体形式划分：可将水印划分为图像水印、音频水印、 视频水印和文本水印等。随着数字技术地不断发展，将会有更多类型 的数字媒体出现，同时也将会产生更多与之相对应的载体的数字水印 技术。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。它的些研究成果可以运用到音频水印和视频水印中 f 5 ) 按水印隐藏的位置划分：可将水印划分为空域数字水印和变换域数字 水印。空域数字水印指水印直接嵌入到信号空间上，即通过改变载体 空间的某些系数来嵌入水印。变换域数字水印指改变某些变换域系数 来嵌入水印。 ( 6 )按水印检测过程划分：可将水印分为非盲水印( n o n b l i n d w a t e r m a r k i n g ) 、半盲水印( s e m i n o n b l i n dw a t e r m a r k i n g ) 和盲水印( b l i n d w a t e r m a r k i n 曲。非盲水印指在检测和提取数字水印的过程中，需要原 始数据和原始水印的参与。半盲水印指不需要原始数据，但需要原始 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 水印来进行检测。盲水印指在检测和提取数字水印的过程中只需要密 钥，既不需要原始数据，也不需要原始水印。通常，非盲水印的稳健 性比较强，但它需要存储原始数据和原始水印，其应用受到了限制， 因此，盲水印和半盲水印将成为今后的发展方向。 2 4 典型的数字水印算法 数字水印技术是- i - j 交叉学科，学者们用各自学科的独特视角来研究数字 水印，相继出现了多种数字水印算法，典型算法主要有以下几种： f 1 1 最低有效位算法( l s b ) ：由t i r k e l 等人【1 8 】提出的一种早期的数字水 印算法，它基于空间域。最低有效位算法将m 序列产生的随机信号嵌 入到原始数据相应某数据值的最低几位中，由于最低几位的信号能量 比较微弱，因而从视觉和听觉上很难察觉。最低有效位算法的水印检 测过程是通过待测数据与原始水印数据的相关运算和统计决策来实 现的。最低有效位算法比较简单易行，且可以隐藏较多信息，但水印 的稳健性很差，因此，目前已很少被采用。 ( 2 ) p a t c h w o r k 算法：由麻省理工学院媒体实验室w a l t e rb a n d e r 等人【1 9 】 提出的一种基于空间域的数字水印算法。p a t c h w o r k 算法基于统计理 论，将具有特定统计特性的数字水印嵌入到原始数据中。它能有效地 抵抗剪切和压缩等攻击，但对仿射变换和多拷贝平均攻击的抵抗力较 弱，且嵌入的信息量较低。 f 3 1 纹理块映射编码：该算法将水印信息隐藏在原始数据的随机纹理区域 中，利用纹理问的相似性掩盖水印信息。该算法能抵抗滤波、压缩和 扭转等操作，但需要人工干预。 ( 4 ) 文本微调算法：该算法利用p o s t s c r i p t 或p d f 等文档的空间特征来嵌 入数字水印。通常，一个文本文件由字、词、行和段落等有规则的结 构组合而成，在空间上对文本文件作轻微的改动不易被察觉。文本微 调算法正是通过改变字符间距、行间距和字符特征等方法来嵌入水 1 6 硕士学位论文 m a s t e r 7 st h e s i s 印。它具有较强的稳健性，其安全性主要依赖于水印信息的隐藏性。 ( 5 ) 扩频水印算法：扩频通信是一种新型的通信方式，具有抗干扰、抗噪 声、低功率谱密度和保密性好等优点。它利用伪随机码对被传输信号 进行频谱扩展，使之占有的信道带宽远远超过其在一般通信意义下所 必需的最小带宽。在接收端利用同伪随机码对接收信号进行同步相 关处理以解扩和恢复数据。扩频水印算法是扩频通信技术在数字水印 中的应用，它将经扩频调制后的水印信息嵌入到原始数据中，从而水 印信息散布于整个频谱中，这样一般的滤波方法无法恢复水印数据。 如果要对水印信息进行攻击，则必须在所有频段上加入大幅度噪声， 这必然会严重破坏原始数据的质量。 f 6 ) 变换域水印算法：变换域水印算法并不局限于离散余弦变换、傅立叶 变换和离散小波变换，只要某种信号变换形式能够较好地隐藏数字水 印信息，就可以运用到数字水印系统中。 2 5 小结 本章介绍了数字水印的基本原理、特性，以及常见的水印分类，叙述了目 前已有的一些典型的数字水印算法f 包括最低有效位算法、纹理块映射编码、 扩频水印算法和变换域水印算法等) ，并对它们的优缺点进行了讨论，这些为 本文的研究奠定了理论基础。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 3 1引言 第3 章图像隐形水印技术 数字图像是最基本的多媒体数据，对数字图像进行水印实验相对于文本水 印、音频水印和视频水印来说较易实现，而且它的一些研究结果可以应用于其 它类型的水印中。因此，图像隐形水印技术是目前水印研究的重点之一。 图像是由许多点排列而成的行列式，其中的每个点为个像素，这些像素