（电路与系统专业论文）扩频及调相技术在数字水印中的应用研究.pdf

扩频段调相技术在数字承印中盼直g l 研究 揍要 数字水印技术是网络时代实现版权保护的有效方法，它能够判别对象是否受到 傈护、簸褫被保护数舞豹簧撵、遴行真傍篓澍、控翻菲法拷羹、解决敝投纠纷：莠秀 法庭撼供证据，现融成为多媒体信息安全领域的一个研究热点。 数字水印的处理非常类似予一个通信过稷，本文将现代通信技术中的扩频技术 及谲稳技术与柬鼙楚理算法避褥了巧妙结合，分弱捷篷了鏊予嚣t 壤麓转释装鹃簧 棒性数字水印算法，两类算法分别在大容爨水印信息嵌入、水印信息不可见以及水 印化躅像抗攻击能力等方面都取得了良好的实验结果。 鹰蠲扩频技术褥生成翦薹予转c 誓蠛熊数字承印算法，遴过绞理块酶选择，有效 地保j 砸了嵌入水印的不可见性；扩频技术的臌用，提高了水印信息的嵌入量及抗干 扰能力。仿真实验 疆明该算法对于j p e g 压销、噪声、滤波、剪切等强像处理操作 其商较强的鲁棒径。 成用调相技术丽生成的基于d f t 域的数字水印算法，通过低幅度软选取及幅度 增强策昭，不仅实现了水印豹遴明嵌入，丽魁提高了嵌入水印的鲁棒性：通过选取 块链串鞠邻两浃对墩位鼙处嵌入系鼗的褶佼熬来嵌入信患，实现了丈容鼙嵌入信息 的目的。仿真实验方面证明了算法对j p 阱膳缩、加噪、滤波、涂改以及l 4 图像 剪切操作具有较强的鲁捧性，另一方嚣也证明了二次嵌入水印的方法埘以褥到相关 性更好的承印圈豫。 关键词：数字水印扩频码扩频技术调襁技术鲁棒燃蛮检测 i i 扩颤及谰相技术在数字承印中的应用研究 a b s l 糯c t d i g i t a lw a t e n n 批g i sa ne 尉- e c t i v e 啪yf o rc o p y r i g h tp r o t e c t i o ni nn l oh l t c m c ta g e ， i lc a ni d e 珏蛀每w h e 啪e ft h em e d i ai sp f o | e c t d 讲n o t ，擅i ll h ep r o t e e 把dd a 糨鬈唾髓d i n g ， 蠡s t 谗撕s h 蠡c t sa 耐蠢g m e 硅t s ，c o n ：瞻o lt h ei l l e g a lc o p i e s ， v e 出s s e 璐i o 然o fc o p y r i 萌t 趾dp r o v i d ep m o f sf o rm ec o u n ，a i l d “h a sb c 霉o m eah o tr c s e a 托ht o p i ci nt 1 1 em u l t i m e d i a s e c 嘶t yf i e l d ， 翔ep r e s s 遮g 联d i g i l a l 训癃e 黼鑫矗主sv e 搿蝣m i l 曩rt o 嚣c u n i e 采l 越溉b y c o m b 赫n gt h es p r e a dg p e c t e c h n i q u ea n d 愤埘p h 嬲em o d u l 硝o nt e c h l l i q u e 诵t l l1 1 1 e w a t e n i l 耵ka l g o r i m m 出u f u l l y t v v oc r e a t i v ea l g o 一慨sb a s e do nd c ta n dd f t s 帮戳l 专e l yw e 撺p 羚辩d 速氆i sp 举扰s o 搦eg d 溺蠢l s 毓饼ee b 蠢搿蠢s 黼蠡罄l a 垮e q u a n t 硒e so fi n 如瑚a t i o n 锄b c d d i n g ，i l l l p e r c e p t i b i i i t yo fw 龇啪n a r ka l l dt l e 曲i l i t yo f r e s i s t i n gv 撕o u sa t t k so nw a t 洲a r k e di m a g e d 埝i l 采、豫l e m l a 汰i n ga l g o f i 如mk 毽e do nd c t 螂p 础s e d 磅a p p l 妊始g 氆es p r e a d s p e c t r t m lt e c l i l l i q u e ，1 强ei m p e r c e p t i l ，i l i 争o fw a l e h l l a r kw a s 辨王a r a n t e e 硅b ys e l e c t i f l g 斑e t e x n 削i m a g eb 1 0 c k s 印p m p r i a t e l y ；t l l ea p p l i c a t i o no fs p r e a ds p o c 仉黼t e c l l i l i q u e 幽c e s 强e 锄b e d d i 端c 警a b i l 娃y 醴趣f o l 强嚣娃o na n d 也e 如邋t yo f 坤s i s l 瓤g 稚粒k s s 醯堪藏重e de x p 蘸m e 娃据s b o w 酶弘砼p o s 磁羽嚣。黼强i sw f yf o 醣s tt os e v e 唾i f n a 嚣 m a 姻圳a t i o n ss u c ha sj p e gc o m p s s i o i l ，n o i s i n g f i l t e 血ga l l di m a g ec r o p p i n g d i g i t a lw a t e m l 溅n ga l g o r i t l l 】舱b a s e d 鲫d f tw 船p r o p o s e db ya p p l y i n gn 地p h 觞e m o d 驻l 毹i 锄毛e e h 蛀q 雠，l k 越g o 娃魄ma d o p 砉e 莲乳糊s 童蹬童e g i e s l o w8 搿p l 弦珥e 翻o e k s c l e c t i o na i i d 姗p l i t i l d eb o o s tt oe 1 1 1 1 a n c ei t sp e d o m l a n c e s t h ea l g o f i m mn o to i l l y r e a j i z e de m b e d d 访gw a t e r m a r ki n v i s i b i l i 劬b u ta l s oe n h a n c e dt l l er o b u s n l e s so ft l l e w 蠢髓搬拣；魁捌卤鼓gw i 氇l 罂g eq 鞋姥垃畦e so fi 娜秘越a t i 蕊w 辎羚畦i z e d 姆s e l 找照鞋g 瞧e p h a s ed i 缭；r e n c ew 赫c hc 锄ef o mt l 】en e i g h b o r i n gb l o c k s ，s i m l l l a t i o n ss h o wt l l e a l g 耐m mi sr o b u s tt oa t t a c k ss u c ha sj p e gc o m p r e s s i o n ，n o i 8 m g ，丘l t e r i n g ，p a i n t i n g 觚d l 4 洒a g 嚣e f o p p i n 氆ee x 拄a c 捃dw a t 黜8 f kw i 也挝g hn o r 黼a 薹c o f r e l 永 o nv 羽u e 娜 o b 组i n 棼琏b yt v 硅c ee l n b e d d 砸g 1 鲫w o r d sd i 西t a j 、糊托m l a r k ，s p r e a ds p e c t n h ns e q u e n c e ，s p 糟a ds p e c t n l mt e c h l l i q u e ， p h a s em o d u l a 主o n 协c h n i q u e ，r o bu _ g 触e s s ，b l i n dd e t e c 虹n g i i i 扩频及诫稽拄术在数字承审中的皮用研究 嚣j 艺大学学位论文瓣浚产权声瞬蔷 本入完全了解擎校有关保护知识产投盼瓣定，帮：研究生在校攻读学位赣阕论 文工作的知识产权单位属于西北大学。学校肖权保留并向阉家有关部门戚机构送交 论文懿笈露 牛移毫予叛。本人兔诲论文被套瓣秘疆阕。学校哥驭搀零举臻论文戆全 部或部分内容编入肖关数据库进行检索，可以采用影印、编印或扫描等袋翎手段保 存和汇犏本学位论文。同时，本人保证，毕业后结合学位论文研究课题褥撰写的文 章一镎涟秘作者蕈能为谣j b 大学。 茎裹蓑妻嚣萎耋主? 戮导数爨签名：礁学链论文终卷熬名：量l ： 建豢导数 | i 器签名：暨! 薹2 1 a 即 年乒月，舀日如年g 月舻网 西北大学学位论文独饲性声嘲 本人声骧：所鼹交的学位论文是本人在导9 币指导下进行的研究工作及取得的研 究成累。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，本论文不包含其他人 已经发袈或撰写过熬磺究或莱，瞧不包含兔获褥嚣l 大学躐其它教葛凝梅静学建或 证书丽使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所徽的任何贡献均已在论文中 作了哦确豹说明并袭尔谢意。 举位论文作者签名：翟虢般 肆刍曩，毒鳗 扩频及诞禚技术寒裁字瘩印中鲍盛耀研究 。1 引言 第一章绪论 随着信息技术和计算机网络的飞速敏鼹，数字多媒体信患( 图像、文本、音频、 视频等) 的获敷、存赭、复制与传播变褥非常方便。谯我们的视觉朔辑觉尽情攀爨 罄多媒嚣及数字传赣蓑寒繁慕鹳徐鬟醇，弼戆已经在不经意惩霹这照多媒蒋蕾惑遴 行了编辑、修改、拷贝和散布，然而这些滁作已经侵犯剿数字媒体腻剁者的版权和 经济铡益。因此数字化产品熟i 葳粳热何褥到保护，数字媒体信息是程囊全、可储， 豳越零 发戆痿惠安垒运蘧、灏舨簿题敬爱舨教缎翁阕趱已成受强箍严重戆巷衾越 慰，数字多媒体信息的版权保护与内容鉴别问题亟待解决。 为了解决髅怠安全和版权保护闼题，密码学技术和数字签名技术酋先被采用。 绩绫黪基于憝蠢斌公共整锶懿期密鼓寒【l 】霹激矮寒控澍谤闻数攥筵息，它黪爨 文变换成密文，加密后的产晶是可以访问的，但只有那然拥有正确镦铜的人才8 解 密。踩此之於，还可以通过设嚣密玛，馊搏数据信息谯传输对变得币可读，从嚣可 戳为怒予获发送翻攘嫒过程中静数据提供存效簿保护。照这些手段劳不辘完全解壤 问题：方面加密后的文件困其不可理解性而妨碍多媒体信息的传播；另一方面多 媒体信息经过加黪器容易引起攻击者豹势鸯和注意，并霄被玻解的可熊牲，丽曼肖 痿惑被接渡势避纷解密蓐，耩商鸯羹密的文禚蒇与警遵文档一嚣，将不舞受爹 保护， 无法牮免于盗版。因此，密硝学只能保护传输中的内谍，而内容一髓解密就不再有 像n 妒作用了。 数字签名楚耀“0 8 、“1 ”字符事栗代替书写签名藏窜章，避褥超舞与书写签 名溅印章具有同样法律效力f 臼种技术。它通过使用私肖密钥来对姆个消息进行然 名，褥用公共妁捡测算法来稔蠹漕患豹内签是否祷台攘瘦匏签名，翻恐，它可以熠 予数字纯文谗斡瓣蔹农虢谖。然孬出于数字签名方法露要在原始数攒中热天大羹鹣 签猖信息，从而使得它在数字图像、视频溅音频中的臌用变得既不方便也不实际。 醚着电脑软嫒结按本骢迅速发曩以及鏊予潮终豹其霄著行诗舞熊力熬破舞技 扩额敷调楣技术在鼓掌水印中的应用磅究 术的髓渐成熟，这然传统方法赝构成系统的安全性已经受到质疑。单靠通过增加密 键长度来增强僳豢系统静可靠戆已不霉是噍可行豹办法，舞票只鸯被授权持骞密 钥的人才可获得缀过加密后的信息，这样就光法通过公欺系统让更多的人获得他们 所需要的信息，照然在高度发盍璺的网络时代，这是远远不能满足人们需要的；此外， 一羹黼密售惠被嚣法破译，藏没有经俺壹接话据寒逐暖傣惑营被菲法笈毒l 帮转发。 因此，需要寻求种不同于传统技术的更加有效的方法米保障数字信息的安全传输 和保护数字产品的舨权。 在这种需求下，数字承印俸为对传统热辚技寒匏一犟牵补充技零寝遮嚣生。鼗字 水印技术一方面弥补了密码技术的缺陷它可以为解密后的数据撼供进一步的 保护；另一方面，数字水印技术也弥补了数字签名技术豹缺陷它阿以在原始数 据审一次往嵌天大麓鲍秘密蘩惑。困诧，数字农窜成为实现叛权保护豹有效方法。 虽然数字水印技术并不能阻止盗版活动的发生，但它却能够判别对缀是否受到保 护、簸视被保护数据的传播、遴行真伪鉴别、控制非法拷贝、解决版权纠纷并为法 庭提供证据，困藏，它越来越受戮人稻的薰橇，现已成为多媒体信惑蜜全研究领域 的个非常活跃的研究课题。 数字水印按静捧性来分可分为脆弱半臆弱水印和舞棒性水印两大类，其中脆 弱弗脆弱承窜对闰像内容的改变菲常敏感，并盈可以对鬻像中被篡改的遗方送行 定能，甚至有的算法能够将被篡改的内容恢复过来，因此这类水印主耀用于图像的 内容僳护朝认证中；恧鲁捧性承印遁掌要求褥其透弱地蠼檀到数字传鼹中，同时要 求算法必须要傻禽承印数字豫产赭在经历嚣种有意或无纛戆信号处璎撵作后，仍耱 使数字水印保持毙整性或者被准确鉴别，因此这类水印主嚣用于数字作品的版权保 护。为了更好的像护版权所有者的权益，黎爱磺究适合予舨投保护的磐捧牲数字承 窜黧法，这正是本文研究的重点。 1 2 鲁棒性水印研究现状 c a r o n 撕于1 9 9 3 年正式掇出将数字水印技术应用于数字媒体版权傈护领域，缀 过十多年的发展，数字水印技术现己成为信息安全领域的一大研究热点。目前国内 努磷燕掇构及辩磷人爨已经在这一领域逶行了大量豹磷究工作，荠。嚣毅褥了缀大豹 扩簸及瓣掘拄末在数字衣帮孛辩应蕊辑藏 成就。 校据数字承露霞嵌天薅辑蒸予靛蠛不簿，零文褥承秘嵌天篝法势梵空蘑笺冀法 和黛抉域算法两大类。 f 1 ) 空间域糍法 草蘩天亵对数字表露静磷炎基奉上蘩爨基予空蘑域瓣，窒蠛承印照壤算法一般 是通过修改像素的亮度值来嵌入水印。 文献【2 】撼豳了一种组合域图像数字水印算法，通过将原始水印信息进行分 类，簿跨穰悫耋多健瓣安全憋秽警薅毪要求较惠蘸穰慧嵌a 龚枣液蠛，褥饕蓑余熬 大溅信息嵌入到嗍像空域的非l s b 位平面上，因此它魑种兼顾水印容量与鲁棒性 的新方法。文章的优点是保诞了部分重要水印的鲁棒性，褥且在载传巾嵌入了大熬 箍惑，势藏匿豫剪惦、霰慧嚷声黢毒翼毒一定戆抵撬力，毽缺点是抗援缭艇嘉蓑菠， 且弊敞过于复杂。 文献【3 】撼出了一种基于蛊接序列扩羰码的圈像整阍域永印方案，文中作鬻 在建窥鼗字霉豫零窝遵蒙模囊匏基醛上，遵过生纛暴餐躯筏觉 辕寒宽势僳迁嚣镰 的谳熊度，从而张数字图像相戍的空间域嵌入了扩频码调制水印。该方案虽然提高 了数字永印的稳健性和骢蔽性，但由于采髑的是边缘检测生成约视觉掩模，翻此嵌 天熬承霹瓣予麟g 匿蘸静稔健毽不是缀好。 义献【4 】也撼出了一种首先采用直接膊剐扩频技术对水印信号谶特频谱扩展， 然艨通过基于空闼视觉掩盖的珂感知噪声瓣照矩苒j n d 门限来决建水印强度和嵌 入攮置，簌褥实瑗在空域串巍适应戆嵌入水窝信惠蕊算法，文孛霎法虽然可敬繇诞 较好的水印不可见性，但算法嶷全性不高。 磺究表臻空间域求印算法趣普遍缺点楚：嵌入鹊髅想鲎不毖太多并且鲁棒性 羞，凭箕对予滤波、耋证藉爨镶攻毒。薅变换域懿方法撼空域方法鸯楚多霞点，始 在变换域中嵌入f | l 水印信号能嫩可以分布剥空域的所商像索上，从而提高水印鲁棒 牲：努辨，在变换耀我们可以缝套入狠视爨模型熬特性寒控睾8 承印瓣嵌入短墨霸强 囊，敞瑟畜穗手豫诞农露懿不霹觅佳；嚣豢，密手诲多难缩标准都爨莲子嚣薰交撩 域方法而制定的，如d c t 变换与j p e g 压缩标准兼容，d w r 变换与j p e g 2 0 0 0 及m p e 姒 压缭拣准撩兼容，毽葱基于遂蝗变抉域豹杰帮算法本身姆提菇其对送臻骢簧捧链， 扩频擞调相技术在数字承印中的应用研戴 因此强魏太多数的水印算法研究都主要在变换域中进行。 ( 2 ) 变换蠛算法 常用的图像变换( 基于局部或是全局的变换) 主要包括离散余弦嶷换( d c d 、 离敖傅立时变换( d f t ) 和离数小波变换( d w t ) 等。 文献【5 】撬蹬了一静基予d c t 变换鹣圈像数字承馨算法，文审永窜选择在 d c t 变换的中频系数上嵌入，在提高水印嵌全性方面，采用了h i l b e r t 曲线对水印 序列进行鬟乱处壤。算法虽然对缩放、高斯噪声有一定的抵抗能力，但抵抗j p e g 压缭鹣能力较差，戴外，文献算法在检测承帮雾重需要原始载俸鬻像的参与，这盘怒 该算法的不足之处。 文献【6 】提出了种将( b l d 码用于水印结构设计中姻扩频数字图像水印算法， 文申辩l 用g o 撼弼箍有较多狻立鹤的特性，苏多位二避制信息兔单位对二值图像承 印进行扩频调制，然后将调制信号自适应地加入到载体嘲像d c t 域的低频分量系 数中，另外，算法还应用了码分多址豹思想耀缩了扩频艨的水印数据擞。该算法的 优蠢谯于能够抵抗噪声、滤波釉压缩等攻蠢，然而在永露提取时仍然德要原始载体 图像的参与。 文献【7 】提如了一种基予离数，j 、波交换域的本印娥疆算法，该冀法首先采用 改避詹的平衡g 0 1 c l j 事列对承霹倍患进行扩频，然后形成甄耜叠如酌e d 气编码， 最后将其嵌入到原始图像的d w t 变换域系数中。该方法实现了水印倍息的盲检测， 并曩箅法对四e g 援缩及高额噪声攻击有较好豹抵抗力，然嚣不是之处在于嵌入鞠 求郾信怠董较少，文中在5 1 2 s 1 2 的载体黼像中只嵌入了1 2 8 b y t e 钓信怠，另外 水印抗几何攻击的性能较差。 文欷【8 】提鹚了一种在糕敬薅立时变换域内进行熬数字承印算法，该算法选 择奁8 8 图像予块的变换域巾频系数鲍相能部分上嵌入水印信息。出于p s k 调南i 的优良性能，算法对j p e g 压缩、剪切及噪声干扰有较好的抵抗力，瓶且可以实现 式印傣惠静盲提墩，然两不足之处在子5 1 2 5 1 2 豹载然圈豫孛仅嵌入了l 馥4b i t 盼倍感，因此嵌入的信息羹并币很大。 目前多数水印算法仍采用伪随机序列构成水印，因而在版权确认时，根据检测 出豹水印售息也必麓题签鸯承窜或秃永窜豹翊麟。然嚣在诸如黉要逡一步 扩频及调相技术在撤譬水印中的应用研究 聪确版权拥有者岿份信息等的应用环境中，这样构成的水印已不能满足需要，因此 这稀情况下嵌入鸯意爻承窜成为版权保护黉提出静薪鹣簧求，这样来承窜嵌入纛 势必会大大增加。另外，用予版权保护的数字水印算法设计的关键娥水印信息嵌入 的涨蔽性和抵抗攻击的鲁棒燃，然而已有驰水印算法却存在着要么嵌入信息量小， 要么对多种隶窜攻击算法不英餐棒往魏添麟，因诧我稻鬟要研究羲能犬容量的嵌入 信息又能抵抗多种水印攻击的鲁棒性数字水印算法，从简满足版权保护提出的新的 要浓。 1 3 本文的主要工作 零文锋瓣g 鬻算法熬不足，结会毅袈羚下舨毂爨轳溺蘧摄塞的赣鹣要求，羔袋 基于丈容量嵌入信息和提高算法抗攻击能力这两个问蹶，分别采用现代通信技术中 已缀发展的较为成熟的两种技术扩频通信技术和相位调制技术，提出了基于图 豫d c 薯装稆d f 善城熬数字泰馨雾法，莠砖辑耱算法遴行了实验谤粪。傣奏结暴裘 明：通信技术的应用使得所提出的水印算法巧妙地结合了各自技术的优点，从而不 仅w 以嵌入大容嫩的信息而鼠可以抵抗多种水印攻击。 零文豹主要王终絮下： ( 1 ) 对数字水印技术理论进行了研究，包括数字水印的概念、分类，数字图像水印 系统的基本臻求、模型以及系统评测指标等； 2 ) 瓣扩频逶嫠鼓零理论透露了磅究，惫戆扩频蘸璎、扩频玛及扩羧窳馥生裁方法 等； ( 3 ) 结合扩频技术的优点提出丁基于d c t 域的数字水印算法。本文以改进后的g o l d 渗捌终隽扩频麓，分囊潋三释不霹瓣方式瓣强始承窜倍患透露了扩频调翻，邈 而形成三种不同的扩频水印处理方案。酋先，本文对三种方案进行了实验仿真， 实验结果表明：三种方案均可保证水印的隐蔽性，_ 辫且对噪声、滤波、中心剪 秘等零霹】玫纛其有不同耧璇豹抵撬力，其孛方案一、三均表瑷崮缀强懿羲j p 嚣g 肖损压缩的能力，当q = 1 0 时，检测别的水印相关值均在0 8 3 以上，这是方案 鼹突出的优点，相比之下方案二的性能较差；其次，将三种方案与文献【6 】的 鼹秘方法遴褥了篦较，跑较结果表黉；零文方寨在窳印鲁褡经方甏跑文藏1 6 】 扩频及调相技术在数字永印中的应用研究 的两种方法高；在抗攻击能力方面性能明显高于文献方法二，与文献方法一基 本持平，但本文方案在算法复杂度上小于文献方法。 ( 4 ) 结合调相技术的优点提出了基于d f t 域的差分p s k 水印调制算法。首先，本文 在保证足够高的水印隐蔽性的情况下，嵌入了大小为3 2 6 4 的二值图像信息， 因此所嵌入的水印信息量是文献【8 】( 3 2 3 2 ) 的2 倍。实验结果表明：方案 在抗j p e g 压缩、滤波、剪切及加噪等方面取得了比文献【8 】更好的效果。其 次，测试了在5 1 2 5 1 2 的载体图像中最大容量( 6 4 9 6 ) 的嵌入水印信息，再 以p h o t o s h o p 6 o 对水印化图像进行不同质量等级的压缩后，提取出的水印图像 及其相关值大小，并与文献【8 】进行了比较，结果显示：本文方案在嵌入信息 量为文献【8 】6 倍的情况下，水印相关值仅比文献【8 】略有下降，提取出的水 印图像依然可以辨别。 ( 5 ) 对基于d f t 域的差分p s k 水印调制算法进行了尝试性的仿真实验，即利用两次 嵌入的方法在d f 丁域进行了水印嵌入及提取的操作，仿真结果表明：经过两次 水印嵌入操作，可使得提取出的水印更加清晰。 本文的章节安排如下：第二章主要讨论了数字水印技术的一般理论，对数字水 印的概念、分类、基本要求、系统模型以及水印系统评测等问题进行了较为详细的 阐述。第三章以改进后的平衡g o l d 序列作为扩频码，根据不同的扩频水印生成方 法分别提出了三个基于d c t 域的扩频数字水印方案，并对其进行了实验仿真。第 四章研究在d f t 域运用调相技术实现大容量水印信息嵌入的鲁棒数字水印算法。 第五章是总结与展望部分。 扩撷段调褶技术在数字承印中的应用研究 第二章数字水印技术概述 2 1 数字水印技术的发展历史 数字承窜起滚予古老静承辩技术，这黧撵到的“拳帮”技术楚攒露在传统载锩 上的水印，如纸确上的水印、邮票股票上的水印等，这魑传统的“水印”可以用来 证明其起容的合法性。大约7 年前，纸水印正式在意大翻的f a b r i 黼。镇出现， 蠢来戮了1 8 毽鳃，在欧濑帮荧酋裁遥豹产懿中，纸求霹藏已经变褥非常翦实爱， 大约也是这个时期，水印便开始作为钱和其它文件的防伪措施。中国是世界上最早 使用纸币豹国家，公元9 9 8 1 0 2 1 年闯，发骥了可以兑换和流通的“交予”，可以 说黛子上的窜文骥包含东窜授零遣包含清除技术。事安上，正是由予纸张承印和添 隐技术的特性才真正地启发了猩数字环境下水印的首次使用。 数字水印豹产生最早可遗溯到1 9 5 4 年，它的产生潦予对数字产黯趣保护。农 1 9 聪年，踟z a k 公蠲酌e l l l i l 鞋e m b r k e 为带脊承印鹃音臻作品串请了顼专葶疆9 】， 在这项专利中，通过间歇性地成用中心频率为l k h z 的窄带陷波器饿认证码插入到 音乐中。该专季j 声明：这个发嘲使穆对音乐侔晶豹舨权谖明成为可能，是一种阻止 盗敝的有效方法。觚那对起，入稻使开始研究大量的承印援术并由j l ：艟开了各种器 样的应用。人们对于嵌入信号的兴趣就这样持续了3 5 年，在此期间水印主要是被 应胃l 于广告汲证釉设备控睾l 上。丸年螽h o l t 等入阐述了种在音频臻号孛嵌入认 证码的方法【l o 】，但这时的数字永印只怒作为一种版权认证的工爨，并没有成魏 一门科学。 纛割2 0 世纪9 0 年代韧期，数字承印才终是一个硬突谍题两受到越来越多款学 者们的重褫。1 9 孽3 年a z t i r k e l 等所撰写的“e l e c t r o n i cw a t e rm a r k ”一文巾 首次使用了“w a t e rm a r k ”遮术语，这一命名标志着数字水印技术作为一门正溅 研究学科静诞生。 随着计算枫和掰络的飞速发展，人们的许多戗作和成栗都戬数字形式进行存德 和发布，然而，数字作品极易被非法拷贝、伪造或篡改，使得很多版权所有者不愿 裂越弼终公瑟其终黯，扶嚣疆璐了自赛发最。嚣在多媒然数据中热入数字拳印却霹 扩频及调相技术在数字水印中的应用研究 以确立数字作品的真实性、识别购买者、提供数字内容的其它附加信息、确认所有 权和跟踪侵权行为，因此它在篡改鉴定、数据的分级访问、数据跟踪和检测、商业 和视频广播、i n t e r n e t 数字媒体的服务付费、电子商务认证鉴定等方面具有十分广 阔的应用前景。与此同时，数字水印已成为当前多媒体信息安全研究领域发展最快 的热点技术，并且受到国际学术界和企业界的高度关注。 数字水印技术是一门新兴的学科交叉的应用技术，它涉及了不同学科领域的思 想和理论，如信号处理、图像处理、信息论、编码理论、密码学、检测理论、概率 论和随机理论、数字通信、对策论、计算机科学及网络技术、算法设计等技术，还 包括公共策略和法律等问题，因此，无论从应用角度还是理论角度来看，开展对数 字水印技术的研究不仅具有重要的学术意义，还有极为重要的经济意义。 2 2 数字水印的概念 数字水印技术( d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ) 【1 l 1 5 】是一种信息隐藏技术，它的 基本思想是在数字图像、音频和视频等数字产品中嵌入秘密信息，以便保护数字产 品的版权、证明产品的真实可靠性、跟踪盗版行为或者提供产品的附加信息。其中 的秘密信息可以是版权标志、用户序列号或是与产品相关的一些信息，一般地，它 需要经过适当变换再嵌入到数字产品中，通常称变换后的秘密信息为数字水印 ( d i g i t a lw a t e r m a r k ) 。 通常，可以定义水印为如下信号： w = 1w ie o ，f = o ，1 ，2 ，一，m l 式中，m 为水印序列的长度，o 代表值域。实际上，水印不仅可以为一维序列，也 可以是二维阵列，甚至是三维或高维信号，这通常要根据载体对象的维数来确定， 如音频对应一维，静止图像对应二维，动态图像对应三维。水印信号的值域可以是 二值形式，如o = 一l ，1 或d = 一， 【1 6 1 7 】，或者是高斯白噪声，如均值为o 、 方差为1 的高斯白噪声( o ，1 ) 【1 8 】等其它形式。 扩额教调褶技术在数字承印中辨应薅蟥究 2 ，3 数字水印的分类 数字水印是加在数字图像、音频或视频等媒体中的信号，这个信号使人们能够 建立产品所有权，辨识购买者躐提供数字产品的一些颧外信息。 获台农牵鬻像串豹瘩窜楚孬霹觅努隽孬燕零窜帮不豫燕拳露嚣大类【1 9 】。 从水印生成怒否依赖于原始载体来分，可分为非自遥应水印和囱适应水印。独 立于原始载体的水印即非自避艘水印可以慰随机产生的、用算法生成的，也可以鼹 事毙给定豹；瑟爨适应瘩窜罴考瘩嚣始载体验! | 每经瑟璧蔽。 从含水印载体的抗攻击能力即鲁棒性来分，可分为弱碎水印、半易碎水印和静 棒水印。易碎水辫】对任何变换域处理都非鬻敏感：半易碎水印是对一部分特定的图 像簸理方法骞簧棒性两慰其它楚瑾不其备餐棒毪；普蘩零窜雯惑零凳瓣各稃錾豫楚 理方法都具备鲁棒性。 从水印检测怒否需要原始潮像的参与来分，可分为明检测水印和盲检测水印。 横据零露静旋耀霹的不丽，毒分为舨较徐护承窜、篡改提示承窜( 内容谈诞瘩 印) 、版权跟踪水印( 数字指纹) 、拷贝控制水印、标浊水印( 用来渡释载体的拍掇 日期等) 和隐藏通信( 保密通信) 永印。 不霹觅永露鲶瑾算法主要努兔穗窒城、变换蠛帮聪缩域三耱。瓣空壤承窜赡 理是用各种各样的方法直接修改载体的时空域采样，如懑接修改像素的最低位，这 类辣法的鲁棒性不商，且能够嵌入的水印信息也不太多，否则对视觉会产生影响。 嚣交浚蠛承窜憝壤楚对原始载体进行器穗务样豹变换嚣褥嵌入承窜，魏离教余弦瓷 换、离散傅立叶变换、小波交换等等。压缩域水印处理怒指在j p e g 域、m p e g 域、 v q 压缩域或分形压缩域内进行蚋永印处瑷，这类算法豢接对相应桷压缩攻击具有 蠹椿谯。 目前，水印处理技术应用大致可以归为如下几类【2 0 】： 增强舨议保护的可见水印技术：躅像可以通过轴t e r 雠t 得到，所有耆关心的 是黼像艉够被商激经的使蘑。掰有者希望将芟标记能够程窝像中鞠显霹冕，毽并不 阻此该图像用于熊他方面，其目的是使任何商业性使用该图像的使用者都能看见所 有者的标记，从瓤增强版权秘收取许可税。 扩频殷 薄耀鼓木在数字承帮串曲应用研究 用来表明产晶所有权的可见水印技术：图像可以邋过i n t e m e t 得到，所有者 器鳘掰有权涛瘊霹凳，这襻藐够黢聚颓客憨羰该产品。褶对予采滋霹税懿 损失水太关心。 用于检测数字库中的圈像是否被更改的不可见水印技术：图像如指纹已经 被瑟臻并存穗裂一令数字疼串，掰毒者幕鳖黢够检溪至l 黧像蘸饪舞更改，瑟不需要 与原始的扫描图像进行对比。这攫，所有者从图像中抽取出不可见水印来检查图像 是否被踅改。当数书库发行到因特网时，这种处理显得梵其重要，显然这里需要的 是荔耱农窝。 用于检测谧用图像的不可见水印技术：数字图像的销售商担心他的图像被 个人购买后将使该黼像能够免赞地被他人得到，这样就丧失了所有者豹许可税，该 褥纛w 黻震东薛毅本凑鼹凌。 用于所有权作证的不可见水印技术：数字图像的销售商怀疑他的某幅图像 可能被编辑和未付版税就被公布。这里，对销售商数字图像里的水印进行检测可以 建寒谖实公开发商豹图像是锩镰巍蕊有蘩。 用来确定搬用者身份的不可见水印技术：数字图像的销售商怀疑他的某幅 图像w 能被编辑和来付版税就被公布，销售麟在发行他的阁像时加入不可见水印来 据圈嬲豫销售绘谯。箍取出来瓣承窜建来确认赡买者弱身份，一墨发现被盗用，锾 售商就可以在以厨终止与购买糟之间的生意以避免承担风险。 从上面的分类来看，、郝属于可见水印处理技术；属于易碜水印处理技 术，帮会承窜图像豹修改耧交像可麓弓l 筵霹联入水印匏改变或清失；、帮 都 属于静棒水印处理技术，即含水印图像受到攻击后还能抽取出相应水印。 2 。垂数字图像水印技术 本文研究的是以二维数字图像信号为载体的水印嵌入技术，这里将对数字图像 承印鼓零进行筵摹分缨。 扩籁及调相技术在簸字承印中的疰用群究 2 4 1 数字图像水印系统基本要求 一般情况下，数字图像水印系统的基本要求如下； 鲁棒性( r o b u s 协e s s ) 。攒图像水印算法抵抗常见闵像处理操作的能力，也就 是谖禽零窜蚕缳经掰无意骖致 l 霉傣整承露麓患豹毖力。簸来说，承秘应当对噪声、 平滑、增强、有獭压缩、平移、旋转、缩放和裁剪具商番棒性。 透明性( i n v i s i b i l 姆) 。透明性也称为不可见性，即水印的存谯不应明显干扰 被缣护静蘑豫数攘。逶鬻嚣要秘攥天类援爨系统萼等淫采遴葶亍零露楚瑗，获悉襞含承 印图像没有明显地主观降质现簸，而嵌入的水印也无法人为地被察激。 安全性( s e c 耐t y ) 。指水印算法抵抗恶意攻击的能力，即它必颁能够承受一 定程度豹天鸯竣澈，嚣蓬承窜稼悫不会教鞘羧、蔽环鞠镌敬；应该绦谨j 授较媛户 无法检测或破坏水印，即使谯水印算法或相关知识公开的情况下。安全性中还包含 不可检测性( u n d 群t e c t a b i l i 够) ，指隐藏载体与原始载体舆有一致的特性，如具有一 致瓣统计礤声势蠢等，疆便镬嚣法拦截者爱法舞鼗是秀露漶蔽蓓怠。 数据容爨( d a _ t ac 印a c i t y ) 。水印应该能够包含相当的数据容爨，以满足多样 化的辩要。 富检测秘鑫恢复整。鸯捡溯是稽永露静检测窝爨激不霉要菰熬塑像静参与。 含水印图像经过些操作或变换话，可能公产生较大的失真或破坏，如果只从留下 的片断数据仍能恢复水印信号，而且恢复过程不需要原始圈像参与，邀就是所谓的 自恢复往。显然这个要求魄鸯梭溅要求稻缴态一些。 确定性( 黼锄b i g u o u s ) 。水印所携带的信息能够被唯一确定地鉴别。显然， 只商保证足够地数据容量才能确保确定性。 般来谤，叛上这些骜健溪求之闻逶鬻楚糖互竞争裰矛蓐懿，蜜戳瘴舔中不w 能使它们同时达到最佳，只能根据需要在不同特点之间取得折中或设定可调范围。 2 。4 。2 数字湖豫承鞠系统基本模型 数字图像水印处理过程主疑包含水印嫩成、嵌入和检测三个部分，另外外界对 象审系统豹玫毒瞧是其重要熬一部分。整个数字图豫承爨系统豹摸鍪写遵翔豹永印 扩频及调相技术在数字水印中的应用研究 系统基本框架非常相似，可用图2 1 来简单描述【2 0 】，图中的虚线表示对应项可以 参与操作也可以不参与。 囱l 区妇il 直接给! 水印。 二至至固 三固直接给定水印wl 二- jl 二j 图2 1 数字图像水印系统模型 原始图像x 、原始信息埘和水印生成密钥五为数字水印的生成过程g 的输入 量，输出为待嵌入的水印w 。当然，在生成过程中也可以不需要原始图像及原始信 息，而直接由密钥生成水印序列，有时，数字水印并不通过生成算法生成，而直接 由有意义的图标或图形来代替。 在水印嵌入过程中，原始图像工、水印w 及嵌入密钥丘经过嵌入函数e 生成含 水印图像z ”。需要注意的是，尽管图中的生成密钥和嵌入密钥都用虚线表示，但必 须至少保证有一个过程使用密钥以确保水印算法的安全性。通常，嵌入函数e 用插 入操作符。作用在一组特征集f ( x ) 来描述：f ( x ”) = f ( x ) o w 。根据水印所嵌入 特征集的不同，水印算法通常分为空域算法和变换域算法两类。在空域算法中，水 印被嵌在图像的亮度或色度分量中：而在交换域算法中，图像的变换域系数如d c t 系数、d f t 系数或小波系数等是f f x l 中的特征。含水印图像z 生成后将在一定的 媒介中传输或流通，一定会受到一些有意或无意的攻击，从而得到可疑图像z 。 通常把根据检测密钥丘( 有时还需要原始图像x 和原始水印w ) 判断可疑图像 ；中是否存在水印的过程称为水印检测，把根据提取密钥眨( 有时需要原始图像工) 提取可疑图像；中的水印0 的过程称为水印提取。通常，在包含水印生成的水印处 毒“颡敷调相技术在数字农帮中的瘟用研究 理系统中，提取出的水印w 还需要根据与水印生成密钥弼对应的解碱密钥蜀恢复 所嵌入的信息磊，这个过程称为水印的解礴。通常，人们把这三个遥稔统称为水印 解码溅水印检测。 在寒窜提取穗琵下，解羁蔽数扫终矮予游簧确定叛毅鹣胃薤受臻鼹爝缘；，莠 从f ( 釜) 的特征中恢复水印嚣= d ( f ( ；) ) 。同时，在水印傲复的过程中，是否要求原 始图像参与，对数字水印的鲁棒牲以及安全憾等方面邦鸯不同的影确。显然，盲捻 测的求印方案实丽往较好，丽明捡灏的承印算法其有较强的鲁棒性。 2 。4 1 3 数字圈像水印系统评测 从2 0 世纪9 0 年代初提出数字水印技术剁现在十几年的时间里，众世界范围内 在这研究领域的研究活动蓬勃发展，工业界对数字水印技术的关涟也在不断增 麴。农大量瓣磅究中，天翻关浚予数字承露方法熬设计，嚣忽略了一个錾要毂润瑟 对水印系统合理的性能评估。 数字图像水印系统的评估可按数字水印的关键技术分为【2 l 】： 数字瘩窜象残算法豹测试。求露生袋算法静溅试可列蠲谵遂褰釜辛曩承翠戆 信息髓概念来实现，即在给定古水印图像的视觉质量前掇下，水印应尽可能多的包 含版权拥有者的版权信息且嵌入的水印能量越大越好，水印信息所覆盏的图像变换 频率分塞瓣个数 辩应承印信号渗宽8 ) 应怒多蘧好。戴努，承印售感应其畜较好 的隐蔽性。 数字水印嵌入算法的测试。主要包括含水印图像膜量评价和辑棒性评测。 对食零耀图像酶矮整译搋主要簸承窜霹冕瞧鹣角度来溺爨。黯东窜可凳缝豹灏量霹 采用主观测试方法( s u b j e c t jv et e s t ) 或定量方法( q u a n t i t a t i v em e t ic ) 。 对视觉质量的评价可采用主观打分的方法进行。当进行主观测试时，必须遵循 一个溺试谤谖，藏躲议撵逑了测试和谤徐敕熬个过程。这萃孛测试逶露分成两步：蓍 先，将失真的数据熊按由好到坏的次序分成几缴；其次，测试者被要求对每个数掘 集打分和根据降联情况描述可见性。这种打分可以基于i t u rr e e 5 0 0 质量等级评 扩簸敷鞴据技术在数字承印中的应用骈究 判【2 2 】。这些实骏从本质上来讲都是属于统计性的，主观测试对最终的图像质量 浮徐秘溅试是卡分露雳戆，毽巍磷究秘嚣袭巾，实际戆发鬟往捷采溺爱鲞方法。 熬于图像像素亮度值的图像质曩澳4 试方滋是目前常用的定量测量方法，用它得 到的结果不依赖予主观评价，它允许在不同的方法之阃进行公平的比较。要测试两 冁强豫黪差巍，一毅麓嚣辐蕊像豫素亮褒壤之麓瓣峰毽嵇撩凌( p 鞠r ) 竣耪关邈数 来表镊玄们之间的麓别。 簧棒性是各种不阉的水印系统最重要的锻能之一，耐镦棒性和不可见性之阃又 存在豢矛蘑。蠢藏，觳绥在绘定承窜强豫辚赏不霹霆豹憾提下来臻究萁簧捧整。 一般来说，水印鲁棒性与应用目的类型无关，主要依赖予以下几个方断： 嵌入信息的数量。这是个很重要的参数，因为崧直接影响水印的鲁棒性。 对淘一攀争承窜嵌入方法瑟言，嵌入豹信息蠹越大，其窳印戆营耱毪戆越差。被嵌入 的信息量依赖于备种应用场合，为解决所有权问题，可隐藏类似于i s b n ( 国际标准 图书编号) ( 约l o 个阿拉伯数字) 或i s r c ( 蹋际标准记蒙码) ( 约1 2 个字母、数字 或字符) 这样躲数字【2 0 】，奁魏数之前露裁还需撩主敝羧年傍、著豫允许较及允 许级别等，这就意咪着在一幅图像里嵌入约7 0 位的秘密信息，如果为了增强提取 水印信息的准确性渐使用纠错编鹤等技术，则嵌入的比特数还需增加。 承窜嵌入髅魔。承窜嵌入强度和承舔不茸觅毪之游存在一令瓠串。增强番 棒性就要增强水印嵌入强度，棚应地会使水印不可见性交麓。 图像的尺寸和特性。图像豹尺寸对于嵌入水印的鬻棒性有直接影响。一般 蔼言鬻像尺寸较大辩，对于霹一耱永印嵌入方寰来诱，会窳繇鹜豫雯容荔褥嚣较强 的鲁棒性。除此之外，原始载体闰像本身的特性对水印镑棒性也会产嫩重要影响， 对于斓种承印嵌入方法，不潮特性豹图像所表现出的水印鲁棒性是不样的。 2 5 结论 数字瘩露技拳嚣糕于传统驰翔密技拳，懿它又是对转绫教蜜技零熬穆窍效枣 充。零章首先对数宁水印理论体系进行了系统的介绍，内容包括数字水印技术的发 展历史、概念以及分类情况；其次阐述了数字图像水印技术的相关问题，内容包括 数字鹣缀农露系绫瓣基本要求、麓车攘型班及辩隶露系统瞧戆戆译嚣攒耩。 扩频及调相技术在数字水印中的应用研究 从目前的研究现状来看，6 0 的数字水印技术文献都是针对图像载体展开的， 但是无论是针对版权保护的应用领域还是内容认证领域，不论是水印鲁棒性还是安 全性，都有许多悬而未决的问题，还有许多值得研究与改进之处。本文针对鲁棒性 水印就如何有效保护数字图像版权问题提出了一些新的算法，研究了适合于图像版 权保护的一些数字水印技术。本文以下各章节将紧紧围绕此中心问题展开。 扩糖及糯耱接末在数警呔蹲孛蘸矗g 鞯簿 第三章扩频技术在图像数字水印中的应用 3 1 引言 鼹遴嫠静囊痰喾，蒙始载髂瘸像胃菰被喾露整近献连续蘸度黪、= 缝酶、畜箴 带宽的并具有较大平均噪声功攀的信道；欲撒入的数字水印是信号；对水印图像的 攻击w 以著作是衣信道中引入的失真或畸变，因此，水珥j 骶缆和数字满信系统非常 糨戳，数字逶蔫嚣许多莲烫襄方法簿可毒效蟪疰蘑蘩承窜黪褒入窥稔灏遗翟孛。 目前，将扩频技术威用于数字水印这一领域融经引起各圈学者的广泛芙注，其原因 非常炎识于在伪装术中使用扩频技术豹观点。 瘵予扩菝技零豹诸多甓点，致使越塞越多戆a 热裹予辩它静磅窕。麓蘩，扩蔟 技术谯闰像数字水印系统中的理论研究已缀展开，并且取得了较大的成就。文献 【2 3 】挺出了基予空蠛豹育检测扩鞭永印方桊，成功地利用了扩频通信编鹤技术耨 瑶旁烈零窜褒a 到骚始装舔鬻豫中；文献【秘】提交了蘩予霆像小波城瓣盲捡嚣扩 频水印方案，用h l 序列扩频的方法将水印僻息嵌入到载体阁像中；v a 8 s a u x 等曾提 出童按在空阉域首先将原始图像分成多个位平蕊痒为独立的e d 凇邂邋，然后选择 萁孛辩i 、2 、4 、8 屡来嵌入永窜蔼患豹技术【2 5 玉s j l v e s t r e 等提蹬了一静营笼 对原始图像进行离敞傅立叶变按( d f t ) ，同时选择d f t 系数组成许多腻相独立的频 带，然爱采用密铜生成巍个正受鹞集对承印髂息进行e d 姒缡玛，再分别嵌入到傅 立砖交接嚣懿禳度辩稳餐上静毅术【2 6 翼文献【7 】氇勰爨了一释暴藤e 0 溅搜米 在图像小波域嵌入水印信息的方法，该方法首先将原始图像进行礴散小波变换 ( d 默) ，溺对选取一些台逶豹小波系数箨为簸波装道，然螽将承印镶感避行e 嗽 编码，最焉实嚣承鞠信惠酶嵌入。 _ 本文在前人工作的基础上撼出了一种结扩频技术谯蹦像d c t 域嵌入水印信 愚豹掰方法，赉予采照了不弱懿扩叛农印生成方式，避两形成了三令不臻粒永谬楚 瑾方察。出予本文方法涉及到扩频理论懿福关知识，因娩越先将对蕊撼方案中涉及 到的栩装理论作个简单的介绍。本章的章节擞排如下：3 奠节简单介绍水印技术中 熬扩频技拳瘟撬辍必邂论，3 1 3 蕊绘遗方案串扩频鹨弱蜜残避程，3 。4 带燕煮绘是零 扩频款调相技术在数字隶印中的应用礴究 文方黛豹实现过稳，最后3 5 节作出小结。 3 2 水印技术中的扩频技术应用相关理论 宙数字水邱较术壤述可知，数字瘩印系统主要包括表露生或、本露嵌入、拳蠲 检测和提取以及水印攻击等部分，其中水印的生成是数字水印处理过程的第一步关 键步骤。 遴鬻意义上谫，数字承窜黛域过程羲是程密锾量豹撩铡下，壶暴始舨毅羡患、 认证信息、保密信息或其他有关信息