基于小波变换的数字水印算法研究

1、基于小波变换的数字水印算法研究摘 要随着计算机及网络技术的飞速发展，数字作品传播和拷贝变得越来越方便，同时使得数字作品的信息安全保护和版权保护也成为迫切需要解决的实际问题。数字水印是近年来在信息安全领域兴起的保护知识产权的新方法。它通过在原始数据中嵌入一些重要信息为受到版权保护的媒体数据的完整性和所有权归属提供完全和可靠的证据，以此达到防止数字产品的盗版和篡改目的。本文针对基于小波变换的数字水印技术，提出了一种基于小波域的二值图像水印算法。该算法选择了检测结果直观、有特殊意义的二值图像作为原始水印，并在嵌入之前进行图像置乱预处理，以提高安全性和隐蔽性，兼顾了水印的不可见性和鲁棒性，利用多分辨率

2、分析思想进行水印的嵌入与提取。通过大量的仿真实验，证明本文算法在保证水印不可见性的同时，对常见的图像处理如jpeg压缩、噪声、滤波、剪切等，均有较好的鲁棒性。关键词：数字水印，小波变换，鲁棒性，不可见性，jpeg压缩based on the wavelet transform the digital watermarkabstractalong with the computer and network technology rapid development, and dissemination of digital works have become increasingly easy t

3、o copy, simultaneously allow digital works to protect the security of information and copyright protection has become an urgent need to address the real issues. in recent years, digital watermarking is in the field of information security emerging intellectual property protection method. it passed i

4、n the original data embedded in some important information protected by copyright for the data integrity of media ownership and attribution mention for complete and reliable evidence, thereby to prevent the piracy of digital products and tampering with purpose.in this paper, based on wavelet transfo

5、rm the digital watermarking technology, a wavelet domain based on the binary image watermarking algorithm. the algorithm chosen the test results intuitive, with special significance in the value of the original image as a watermark and embedded in the image scrambling prior to the pretreatment to en

6、hance the safety and concealment; watermark does not take into account the visibility and robustness, use of multi-resolution analysis of the thinking embedded watermark and extraction. through the simulation experiments to prove that this algorithm can not watermark visibility at the same time, the

7、 common image processing such as jpeg compression, noise, and so on, have a better robustness.key words: digital watermarking, wavelet transform , robust, visibility, jpeg compression第1章 绪论1.1 课题的研究背景 随着网络通信的普及，许多传统媒体内容都向数字化转变，并且在电子商务中即将占据巨大市场份额，如mp3的网上销售，数字影院的大力推行，网上图片、电子书籍销售等等。在无线领域，随着移动网络由第二代到第三代

8、的演变，移动用户将能方便快速的访问因特网上数字媒体内容，基于有线或无线网络的数字媒体内容的应用即将是信息时代新的传统。随之而来的副作用是通过网络传输数字媒体内容使有恶意的个人或团体有可能在没有得到作品所有者的许可下拷贝和传播有版权的内容，这样媒体的安全受到了威胁，也阻碍许多商业应用的发展，因此如何在网络环境中实施版权保护（copyright protection）和信息安全（information security）已成为一个迫在眉睫的现实问题。 很多年来，各国政府和信息产业部门都非常重视网络信息安全技术的研究和发展。传统的信息安全技术都是以密码学理论为基础，采用密钥或公钥系统，在发送之前对内

9、容进行加密，仅把密码给予那些已购买信息的合法用户。这样，信息在网络上传送时，虽然非法用户可以获得加密后的信息，但没有正确的密钥，该信息就是无用的，更谈不上篡改了，但这对于多媒体内容存在两大问题。一是数字媒体内容的超分布（superdistribution）问题，即内容一旦解密，便可以随意的被拷贝、传播，快速发展的网络为非法传播提供很大便利，给媒体内容制造商造成了巨大损失，从而制约着数字多媒体应用的进行；二是多媒体内容的访问控制问题，因为多媒体内容（如视频流）的加密解密需要巨大的运算负荷，并且难以满足应用的时效性。 令人可喜的是，近年来国际信息技术研究领域出现了一个新的研究方向信息隐藏技术研究。

10、该技术是将秘密信息隐藏于普通文件，然后再通过网络传输，用以跟踪侵权行为并提供法律保护的证据。这项技术好比生物学上的保护色，巧妙地将自己伪装隐藏于环境中，免于被天敌发现而遭受攻击。该技术的出现，无疑将会给网络化多媒体信息的安全保存和传送开辟一条全新的途径。短短几年里，信息隐藏作为热门课题，得到了快速发展。数字贝保护技术工作组（cptwg,copy protection technique working group）从1995年开始致力于基于dvd的视频版权保护研究，安全数字音乐创始（sdmi,secure digital music initiative）从1999年开始研究音频的版权保护，数

11、字水印是其中的核心关键技术。数字水印技术是指将创作者的创作信息和个人标志通过数字水印系统以人所不可感知的水印形式嵌入在多媒体中，人们无法从表面上感知水印，只有专用的检测器或计算机软件才可以检测出隐藏的数字水印，从而用以证明创作者对其作品的所有权，并作为鉴定、起诉非法侵权的证据，同时通过对水印的检测和分析保证数字信息的完整可靠性，从而成为知识产权保护和数字多媒体防伪的有效手段。通常，水印会永久地驻留在图像中，在必要的时候通过专门的检测算法检测水印，以确认所有权和跟踪侵权行为。密码技术是信息安全技术领域的主要传统技术之一，一般采用将明文加密成密文的秘密密钥系统或公开密钥系统，其保护方式都是控制文件

12、的存取，即将文件加密成密文，使非法用户不能解读。但是传统的加密方法对多媒体内容的保护和完整性认证具有一定的局限性。首先，随着计算机处理能力的快速提高，这种通过不断增加密钥长度来提高系统密级的方法变得越来越不安全；其次，加密方法只用在通信信道中，一旦被解密，信息就完全变成明文；另外，密码学中的完整性认证是通过数字签名方式实现的，它并不是直接嵌入到多媒体信息当中，因此无法察觉信息在经过加密系统之后的再次传播与内容的改变。针对上述传统安全技术的缺陷，许多研究人员开始尝试用各种信号处理方法对多媒体数据进行隐藏加密，并将该技术用于制作多媒体的数字水印。数字水印技术正好弥补了加密技术和数字签名技术的不足，

13、将具有确定性和保密性的信息直接嵌入到原始数据并作为原始数据的一部分而保留在其中，因而即使在解密之后仍可以跟踪数据的复制和传输，对多媒体数据进行有效的保护1。数字水印技术是近几年来国际学术界兴起的一个前沿研究领域，是信息隐藏技术研究领域的重要分支，如今已成为多媒体信息安全研究领域的一个热点。它将具有特定意义的、与载体内容相关或不相关的标记(水印)，利用数字嵌入的方法，隐藏在载体，即数字图像、声音、文档、图书、视频等数字产品中，用以证明创作者对其作品的所有权，并作为鉴定、起诉非法侵权的证据。同时通过对水印的检测和分析来保证数字信息的完整性和可靠性，从而成为知识产权保护和数字多媒体防伪的有效手段。数

14、字水印的研究涉及信息论、编码理论、通信原理、信号处理、信息安全等多学科多门类。近年来数字水印技术在数字信息的版权保护与完整性认证方面得到了迅猛发展，具有良好的应用前景。1.2本文研究的目的及意义在数字化媒体中进行数据隐藏是一个崭新的研究领域，尚未形成完整的理论和体系，因而对研究人员来说仍是一个挑战性的课题，同时它又是一种与具体应用结合比较紧密的实用技术。该课题研究的目的是深入探讨在数字图像中进行数据隐藏的理论以及相关的人眼视觉系统特性，针对图像多媒体研究相应的水印嵌入、检测算法和攻击水印算法，建立一套比较完善的数字水印的基本理论，采用基dwt在数字水印鲁棒和不可见性之间取得平衡并尽可能实现较低

15、的复杂度以满足实用性的要求。数字水印技术作为一个跨多领域、多学科(数字信号处理、图像处理、模式识别、数字通信、多媒体技术、密码学、语音处理等)的技术体系，由于它与具体的应用密切相关，因此每个研究人员介入的角度、采用的研究方法和设计策略也各不相同，但都是围绕着实现数字水印的各种基本特征进行设计，这也决定了数字水印技术研究成果的多样性以及数字水印技术研究的不完善性，仍有许多技术问题需要解决。同时，水印认证体系的建立、法律保护等问题也是影响数字水印技术迈向实用化的因素。另外，数字水印技术发展到今天，还是没有形成完整的理论体系，因而对相关研究人员来说这是一个挑战性的课题。由于目前国际上的水印技术尚未形

16、成统一的标准，形成一个共同遵循的标准己成为研究水印者的共同目标。然而，标准的算法必须有其优越性、通用性和有效性，并要得到世界各国的认同，所以形成标准是一项艰巨的任务。由于小波变换的优点，使小波变换域研究水印处理技术是目前的热点，并且在该领域形成水印算法标准的可能性最大，因此本论文研究基于小波变换域的数字水印算法设计与仿真实现具有重要意义2。1.3数字水印技术的国内外研究现状随着计算机和网络的飞速发展，数字作品得以有效的存储和发布，同时数字作品又极易被非法拷贝、伪造或篡改，使得很多版权所有者不愿利用网络公开其作品，从而阻碍其自身发展。从技术上看，数字作品版权信息的嵌入和检测问题，是数字作品版权保

17、护的两个关键问题，它综合了传统密码学的认证和鉴别的优点，又加入了稳健性要求。版权保护信息必须与被保护的数据紧密结合，同时版权保护信息的鉴别过程必须具有抗各种干扰的能力，比如噪声、压缩等。数字水印技术作为解决网络上数字作品版权管理问题的核心技术，同时又能隐秘的传递信息，鉴于其广阔的应用前景和经济、社会效益，全球各国政府部门和研究机构纷纷投入到数字水印技术的研究中，推动了数字水印技术的发展 121 。数字水印技术的出现是schyndel在icip94会议上发表的一篇题为“a digital watermark”的文章开始的。这是第一篇发表于重要会议的关于数，水印技术的文章开始的。随着网络的普及，数

18、字水印技术迅速成为研究热点，很多数字水印算法和实现方案也随之出现。据统计，公开发表的关于数字水印的文章数量在 1992 年、 1993 年、 1994 年和 1995 年分别为 2 篇、 2 篇、 4 篇和 13 篇，1996年第一届信息隐藏国际学术研讨会后，发表的文章数量剧增， 1998 年发表的文章数量达到了 103 篇， 1999 年达 200 多篇， 2000 年和 2001 年分别达 250 多篇另外，许多信息安全、密码学和信号处理领域的国际会议和学术期刊如 ieee , acm 等都有关于数字水印技术方面的专题。国外研究机构有诸如美国财政部、美国版权工作组、美国洛斯阿莫思国家实验室

19、、美国海陆空军研究实验室、欧洲电信联盟、德国国家信息技术研究中心、日本 nit 信息与通信系统研究中心、麻省理工学院的媒体实验室、瑞士日内瓦大学、多伦多大学、普林斯顿大学、剑桥大学、普度大学等，同时 ibm 、日立、 nec 、 pioneer 和 sony 五家公司还宣布联合研究并推广数字水印技术，取得了大量研究成果。此外欧洲、北美以及其他的一些关于图像、多媒体研究方面的国际会议都有专门的数字水印讨论组。 ieee 也曾推出两个关于数字水印的专集，分别为：:1998年5月的“ieee journal on selected areas of communication vol.16” 和19

20、99年7月的“proceedings of the ieee vol.87”ieee的signal processing在2001年6月出版了一卷水印专集，卷名为“special section on information theoretic aspects of digital watermarking”在实际应用方面,美国的 digimarc公司于1995 年就推出了拥有专利权的水印制作技术,是当时世界上唯一一家拥有这一技术的公司,其水印技术以插件的形式在 pbotoshop5.0和 coreldraw7.0 中得到应用,ibm 的“数字图书馆软件也提供了数字水印功能。在 1997 年，

21、一个名为 viva 的欧洲工程开始发展广播监测系统。musicode系统提供了音频信号的广播监测，veil-ii 和 mediatrax 提供了视频信号的广播监测。美国、日本以及荷兰开始研究用于票据防伪的数字水印技术。麻省理工学院媒体实验室受美国财政部委托，研究在彩色打印机、复印机输出的每幅图像中加入唯一的、不可见的数字水印，在需要时可以实时扫描票据，判断水印的有无，快速辨识真伪。各项研究取得了丰硕的成果，但是，目前市场上的数字水印产品在技术上还很不成熟，距离真正的推广使用还有很大的距离。在国外数字水印技术研究快速发展的同时，我国政府和研究机构也加大了重视力度，数字水印技术在我国信息安全领域的

22、地位和作用不断上升，更多的专家学者投入到这一研究领域当中。1999 年 12 月，由北京电子技术应用研究所组织，何德全、周仲义、蔡吉人院士与有关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，此后 2000 年、2001 年、2002 年、2004 年召开了 4 届全国信息隐藏学术研讨会。2000 年 1 月，国家 863 计划智能计算机专家组、中国科学院自动化研究所和北京邮电大学信息安全中心成功地举办了数字水印技术研讨会5。同时，国家，“ 863 计划”、“ 973 项目”、国家自然科学基金等都对数字水印的研究提供专项资金支持。国内从事信息隐藏技术研究的科研院所主要有：北京邮电大学信息安

23、全中心、中国科学院软件研究所、中国科学院自动化研究所、中科院信息安全国家重点实验室、清华大学、浙江大学、西安电子科技大学、北方工业大学、北京理工大学、北京电子技术应用研究所、中山大学、哈尔滨工业大学等单位。从目前的研究发展来看，我国数字水印学术领域的研究正在蓬勃开展，而且形成了自己独特的研究思路，相信随着国内信息化程度的提高、电子政务的推广和电子商务的普及，作为数字作品版权管理核心技术的数字水印技术将会拥有更加广阔的应用前景和发展空间6。第2章 数字水印技术2.1 数字水印原理2.1.1 概念数字水印（digital watermarking）是往多媒体数据（如图像、声音、视频信号等）中添加某

24、些数字信息（水印）而不影响原数据的视听效果，并且这些数字信息可以部分或全部从混合数据中恢复出来，以达到版权保护等作用。这里水印的嵌入载体可以是图像、声音、视频信号，还可以是文本格式，本文讨论的对象是数字图像。水印信息也可以是各种媒体，本文选用了图像，不过通过适当的调整就可以适应其他类型水印信息的嵌入。2.1.2 数字水印基本特性嵌入数字多媒体中的信息必须具有以下基本特性才可以称得上是数字水印:1.不可感知性:指向数字作品中嵌入的数字水印，是利用人类视觉或听觉系统的特征，经过一系列隐藏处理，隐藏对象必须没有明显的降质现象, 而嵌入的水印不会引起人的感知。2.安全性:数字水印系统使用一个或多个密钥

25、来确保安全，防止修改和擦除水印。信息被隐藏在多媒体内容中，并不因文件格式转换而丢失，且未经授权者不能检测出水印。3.鲁棒性:所谓鲁棒性是指在经历多种无意或有意的信号处理过程后，数字水印仍能保持完整性或仍能被准确鉴别。可能的信号处理过程包括信道噪声、滤波、数/模与模/数转换、重采样、剪切、位移、尺度变化以及有损压缩编码等。4.可证明性:水印应能为受到版权保护的信息产品的归属提供完全可靠的证据。水印算法能够将所有者的有关信息（如注册的用户号码、产品标志或有意义的文字等）嵌入到被保护的对象中，并在需要的时候将这些信息提取出来。水印可以用来判别对象是否受到保护，并能够监视被保护数据的传播、真伪鉴别以及

26、非法拷贝控制等。这实际上也是发展水印技术的基本动力。5.不可检测性:指嵌入水印后的数据与原始载体数据具有一致的特性。如具有一致的统计噪声发布等，以便使攻击者无法判断其中是否有隐藏信息。6.无歧义性:恢复出的水印或水印判决的结果应该能够确定地表明所有权，不会发生多重所有权的纠纷。7.计算有效性:水印处理算法应该比较容易用软、硬件实现。尤其是水印检测算法必须足够快，以满足在产品发行网络上对多媒体数据的管理要求。设计水印必须围绕上述性能指标选择合适的技术。有些特性之间是不相容的，如保真性、鲁棒性和信息容量三者之间，必须做权衡的考虑。2.1.3 数字水印分类数字水印技术可以从各种不同的角度进行分类:（

27、1）按特性划分按水印的特性可以将数字水印分为鲁棒数字水印和脆弱数字水印两类。鲁棒数字水印主要用于在数字作品中标识著作权信息，如作者、作品序号等，它要求嵌入的水印能够经受各种常用的编辑处理；脆弱数字水印主要用于完整性保护，与鲁棒水印的要求相反，脆弱水印必须对信号的改动很敏感，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）按水印所附载的媒体划分按水印所附载的媒体，我们可以将数字水印划分为图像水印、音频水印、视频水印、文本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

28、为明文水印和盲水印。明文水印在检测过程中需要原始数据，而盲水印的检测只需要密钥，不需要原始数据。一般来说，明文水印的鲁棒性比较强，但其应用受到存储成本的限制。目前学术界研究的数字水印大多数是盲水印。（4）按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元错误，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

29、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票证防伪水印、版权保护水印、篡改提示水印和隐蔽标识水印。（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、频域数字水印、时/频域数字水印和时间/尺度域数字水印。2.1.4 数字水印的基本原理水印的基本原理是嵌入某些标志数据到宿主数字中作为水印，使得水印在宿主数据中不可感知和足够安全。为了保证由于水印的嵌入而导致宿主数据失真不被察觉到，必须应用某种感知准则，不管是隐性还是显形。水印算法要结合加密方法以提供其安全性，通过的水印算法包含两个基本方面：水印的嵌入和水印的提取。水印可以由多种

30、模型构成，如随机数字序列、数字标识、文本以及图像等。数字水印的嵌入过程如图所示：水印信号原始信号嵌入过程含水印的信号图2.1 数字水印嵌入过程频域法加入数字水印的原理是首先将原始信号（语音一维信号、图像二维信号）变换到频域，常用的变换一般有dwt、dct、dft、wp和分形。然后，对加入了水印信息的信号进行频域反变换（idwt、idct、dft、wp），得到含有水印信息的信号。数字水印的检测过程如图所示：原始的信号带检测的信号抽取/检测过程抽取的水印 水印信息有/无水印结束结束图2.2数字水印的检测过程频域法检测水印的原理是将原始信号与待检测信号同时进行变换域变换，比较两者的区别，进行嵌入水印

31、的逆运算，得出水印信息。如果是可读的水印，那么就此结束，如果是不可读水印，如高斯噪声，就将得出的水印与已知水印作比较，由相关性判断，待检测信号含不含水印，故水印的检测有两个结束点。下面介绍一种基于小波变换的数字水印方法。 （1）第一步，将水印图象作时域上的变换，目的是对水印信息进行乱序，达到加密的效果。采用函数： = mod n 其中k是一个控制参数，n是矩阵的大小，（x,y）和（x,y）表示像素点在变换前后的位置。假设p表示由二值水印信息组成的一个mn的矩阵,对每一个点的坐标作变换之后，这个m的矩阵将变成一个n的矩阵，矩阵的每个元素为0或1。（2）第二步，对图像作小波变换，对于变换后得到的小

32、波系数，选出一个起始位置在（p1,p2），大小为nn的系数矩阵。这个矩阵的大小与水印图像作时域变换后形成的矩阵大小是一致的。（3）第三步，在选出的系数矩阵中嵌入水印信息，即将两个nn的矩阵进行信息叠加，其中含有水印信息的矩阵元素为0或1。tcy提出了一种信息叠加的方案。 记： a水印信息进行时域变换后得到的大小为nn的矩阵； u在矩阵a中含有水印信息的位置的集合； b图象经过小波变换后得到的系数矩阵（nn）； s模； cb和u的交集； =c(i,j)mods;对于所有属于u和a交集的点c(i,j):如果a(i,j)=1,并且b(i,j);则c(i,j)=c(i,j)-+t;如果a(i,j)=0

33、,并且b(i,j);则c(i,j)=c(i,j)-+t;如果a(i,j)=1,并且b(i,j)0;则c(i,j)=c(i,j)+-t;如果a(i,j)=0,并且b(i,j)0;则c(i,j)=c(i,j)+-t;这里t，t是水印嵌入的门限，安全系数包括n,k ,p,p,m,n,s, t, t。水印的提取过程如下：假设y是从小波变换域抽取的一个nn的系数矩阵，起始位置为（p,p）；满足：=y（i,j）mods, d是一个nn的矩阵。对y中的所有点（i,j）,定义如果/2，则d（i，j）=1;如果/2，则d（i，j）=1;因此对矩阵d作t-n次a反变换，水印图像就被恢复出来了7。2.1.5 数字水

34、印的鲁棒性问题和攻击行为数字水印必须很难（希望不可能）被清除。当然从理论上讲，只要具有足够的知识，任何水印都可以去掉。但是如果只能得到部分信息，如水印在图像中的精确位置未知，那么破坏水印将导致图像质量的严重下降。特别的，一个实用的水印算法应该对信号处理、通常的几何变形（图像或视频数据），以及恶意攻击具有鲁棒性。它们通常包括：(1)图像压缩：图像压缩算法是去掉图像信息中的冗余量。水印的不可见性要求水印信息驻留于图像不重要的视觉信息中，通常为图像的高频分量。而一般图像的主要能量均集中于低频分量上。经过图像压缩后，高频分量被当作冗余信息清除掉，因此有的文献将水印嵌入图像的最显著的低频分量中或使用带低

35、通特性的水印，虽然这可能会降低图像的质量。目前的一些水印算法对现有的图像压缩标准（如jpeg 、mpeg ）具有较好的鲁棒性，但对今后有更高压缩比的压缩算法则不能保证也具有同样好的鲁棒性。(2)滤波：图像中的水印应该具有低通特性，即低通滤波（如均值滤波和中值滤波）应该无法删掉图像中的水印，事实上当前很多针对水印的攻击行为是用滤波完成的。(3)图像量化与图像增强：一些常规的图像操作，如图像在不同灰度级上的量化、亮度与对比度的变化、直方图修正与均衡，均不应对水印的提取和检测有严重影响。(4)几何失真：几何失真包括图像尺寸大小变化、图像旋转、裁剪、删除或增加图像线条以及反射等等。很多水印算法对这些几

36、何操作都非常脆弱，容易被去掉。因此研究水印在图像几何失真的鲁棒性也是人们所关注的。 数字水印技术是用来保护多媒体信息的版权和保证多媒体信息的合法使用，在实际应用中势必会遭到各种各样的攻击。人们对新技术的好奇、盗版带来的巨额利润都会成为攻击的动机(恶意攻击)；数字产品在存储、分发、打印、扫描等过程中，也会引入各种失真(无意攻击)。攻击的目的在于使相应的图像水印系统的检测工具无法正确地恢复水印信息，或不能检测到水印信息的存在。常用的攻击方法有： 1.简单攻击简单攻击:也称为波形攻击或噪声攻击，是通过对水印图像进行一些操作以削弱或删除嵌入的水印，而不是试图识别或分离水印。这些攻击方法包括线性或非线性

37、滤波、基于波形的图像压缩（jpeg、mpeg）、添加噪声、图像裁剪、图像量化、模拟数字转换等。 2.ibm攻击ibm攻击:是针对可逆、非盲水印算法而进行的攻击。其原理为：设原始图象为i，加入水印wa的图像为ia=i+wa。攻击时，攻击者首先生成自己的水印wb；然后创建一个伪造的原图ib=ia-wb。此后，攻击者可声称他拥有ia的版权，因为攻击者可利用其伪造原图ib从原图i中测出其水印wb，原作者也能利用原图从伪造原图ib中检测出其水印wa，这就产生无法分辨与解释的情况。而防止这一攻击的有效办法就是研究不可逆水印嵌入算法，如哈希过程。 3.stirmark攻击stirmark攻击：是stirma

38、rk英国剑桥大学开发的水印攻击软件，由于它是采用软件方法来实现对水印载体图像进行的各种攻击，从而在水印载体图像中引入了一定的误差，但人们可以以水印检测器能否从遭受攻击的水印载体中提取或检测出水印信息来评定水印算法抗攻击的能力。 4.马赛克攻击马赛克攻击：方法是首先把图像分割成为许多个小图像，然后将每个小图像放在html页面上拼凑成一完整的图像。一般的web浏览器在组织这些图像时，都可以在图像中间不留任何缝隙，并且使这些图像看起来整体效果和原图一模一样，从而使得探测器无法从中检测到侵权行为。 5.串谋攻击串谋攻击：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，

39、以此来逼近和恢复原始数据，其目的是使检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。2.1.6 水印系统的评估标准一.主观评价 主观评价是从人类视觉的角度来考虑的。 要进行公平合理的评估和比较，在评估过程中就要考虑水印的可感知性。当使用主观测试包括两个步骤： 第一步：将失真的数据集按照从最好到最坏的次序排列； 第二步：挑选的测试人员对每个数据集进行评定，描述处理对象的可感知性。这种评定可基于itu-r rec.500质量等级级别，表2.1列出了等级级别和相应的可感知性以及质量。 等级级别 损害 质量 1不可察觉 优 2可察觉，不让人厌烦 良 3轻微的让人

40、厌烦 中 4让人厌烦 差 5非常让人厌烦 极差表2.1从1到5范围的质量等级级别主观测试对最终的质量评价和测试是有实用价值的，但在研究和开发情况下并不是很有用。二.客观评价 到目前为止，仍然没有一个良好的客观衡量手段来对数字水印算法做出合理的评估。一种数字水印算法的隐形性如何，受到攻击的稳健性、安全性如何，这种算法是否实用，所有这些问题都需要客观的评价手段。这里根据文献总结了几个客观衡量手段来进行数字水印算法的定量分析： 1.方差mse（mean square error）均方差常常使用在统计过程中，是一种非常有用的统计特征指数。均方差可以直接反映出所做评估对象的改变，通过均方差可以洞察到评估

41、对象的各种行为特征。为了衡量原始载体图像在添加水印以后图像的质量变化情况，我们就可以采用均方差来对图像质量的变化进行一种估计，给出一种图像质量变化的客观指标。均方差的计算见公式：（针对二维图像） 这里f(x,y)是原始图像的像素值，f(x,y)是添加水印后图像的像素值，m、n分别是图像的高、宽。 2.信噪比snr（signal-to-noise ratio）信噪比顾名思义就是有用的信号在信号处理过程中引入的噪声的比值。在图像处理中，用信噪比作为衡量重建图像质量的尺度。基本原理是将重建图像跟原始图像相比，得到的比值就是snr，得到的比值越大，就表示重建的图像质量越好，但由于个人主观感觉的因素，事

42、实上并不是得到的信噪比值越大，就一定表示重建的图像质量越好。 在计算snr之前，我们要先计算均方差mse（mean square error）信噪比snr的计算由公式得：这里y是添加水印后图像像素值的平均值。3. 峰值信噪比psnr（peak signal-to-noise ratio）在具体的实际应用中，一般最后所采用的是计算峰值信噪比。snr可以作为衡量重建图像的质量尺度，但计算要稍微难些，所以一般采用psnr作为衡量尺度，针对普通图像格式，其灰度级别是0-255，0代表黑色，255代表白色，因此psnr的计算见公式： psnr的值典型范围在20到40分贝（db）之间，一般以精确到小数点后

43、两位，psnr实际的值并没有多少意义，但通过比较两幅图像计算而得到的psnr，就可以给出一个图像质量的尺度。不可否认，以上所给出的衡量公式都是客观的，并且简单易行，但这几个衡量公式的缺点也非常明显，由于图像信息的最终接受者是人，而这几个衡量公式没有与人类视觉系统的感知特性相结合，甚至在一定情况下还会给评测过程带来误导，在这种情况下，有研究人员寻找了新的度量方法。 4.掩膜峰值信噪比mpsnr（masked peak signal-to-noise ratio）掩膜峰值信噪比综合考虑多种因素对图像的影响，结合人类视觉特性而形成的度量方法，它充分利用人类视觉系统的敏感度对比特性和掩膜现象，将评估方

44、式建立在人类视觉系统的多信道模型基础之上，掩膜峰值信噪比可由公式求得： 6.相似性系数nc(normalized correlation)数字水印按检测方式可分为基于提取的水印方法、基于检测的水印方法。所谓水印检测，指不用进行水印提取，而直接从可能还有水印信息的特征集中进行统计分析以判断是否具有制定水印。基于检测的数字水印方法应用范围有限。主要是针对数字媒体的版权保护来进行数字水印的算法设计。所谓水印提取法，是指按照嵌入水印时的相反过程从数据中提取出水印信息，真实再现所嵌入的水印。这种方法不仅可以检测出图像中是否存在有水印，而且更能将水印从图像中提取出来。数字水印从待检测图像中提取出来后，对各

45、个观察者而言，所提取出来的水印的逼真度好坏取决于各自主观上的看法，这跟观察者多方面的因素有关，如经验、对图像的敏感性等，是很具有随意性的，因此对于提取出来的水印和原始水印，这二者相似到哪一种程度，需要客观地衡量方式，而不能通过主观因素来进行评测，在数字水印方法中通常使用nc系数（normalized correlation），即相似性测量，衡量提取出来的水印与原水印的相似性程度。这里用w代表原始水印图像，w是提取出来的水印图像。m,m是原始水印图像和提取出来的水印图像的宽、高。相似性计算见公式（nc,normalized correction）：对水印图像进行多种恶意攻击后，通过比较nc稀疏的

46、值，可以得到数字水印算法抗恶意攻击的能力，由nc系数值的变化给出一个比较客观的评价准则。2.1.7 数字水印系统应用模型在前面提过数字水印系统最主要的应用是作为版权保护、防伪和认证等方面，这些应用都离不开网络。数字水印应用模型见图2.1所示。供应商水印嵌入水印提取、检测网络用户户原始产品含水印产品xx或x盗版者ax盗版者bx或版权证明图2.3 数字水印应用模型数字水印的应用过程是：供应商在原始产品中嵌入水印，并将含水印的产品通过网络发给用户。含水印产品在网络传输过程中，可能受到盗版者的攻击。盗版者将含水印产品进行处理后，作为自己的产品提供给用户，由此就产生了版权争议。为了证明版权，供应商通过水

47、印的提取、检测，确定了版权归属问题，保护了自己的利益。2.2 典型数字水印算法分析数字水印技术是一门交叉学科，数字水印技术的学科特点在于它横跨图像处理和分析、多媒体技术、数字通信、密码学、计算机网络等多科领域，以这些领域的算法、思想和概念为基础。各个领域的最新进展都可以为其所用，是一个真正快速发展的技术。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，下面介绍数字水印系统的典型算法。2.2.1 空间域算法空间域算法是使用各种各样的方法直接修改图像的像素值，将数字水印直接加载在载体数据上，这种方法嵌入的信息量大，具有较好的抗几何失真能力，最大弱点就在于抗信号失真、图像的几何

48、变形、噪声和图像压缩的能力普遍较差。(1)最低有效位算法(lsb)lsb算法使用特定的密钥通过m序列发生器产生随机信号，然后按一定的规则排列成二维水印信号，并逐一插入到原始图像相应像素值的最低几位。由于水印信号隐藏在图像点中像素最不重要的最低位，相当于叠加了一个能量微弱的信号，因而在视觉和听觉上很难察觉。lsb水印的检测是通过待测图像与水印图像的相关运算和统计决策实现的。lsb算法虽然可以隐藏较多的信息，但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，无法满足数字水印的鲁棒性要求，因此现在的数字水印技术中己经很少采用lsb算法了。不过，作为一

49、种大数据量的信息隐藏方法，lsb在隐蔽通信中仍占据着相当重要的地位。(2)patchwork算法和纹理块映射方法patchwork算法是基于统计理论，将具有特定统计特性的数字水印嵌入到原始数据中。它的方法是随机选择n对像素点，然后将每个点的亮度值加1，每个点的亮度值减1，这样整个图像的亮度保持不变。适当调整参数，它能有效地抵抗剪切、滤波和jdep压缩等攻击，但对多拷贝平均攻击抵抗力较弱，而且该方法嵌入的信息量有限。纹理块映射方法是将水印信息隐藏在图像的随机纹理区域中，利用纹理间的相似性掩盖水印信息。该算法隐蔽性较好，对滤波、压缩和扭转等操作具有抵抗能力，但仅适用于具有大量任意纹理区域的图像，而

50、且需要人工干预。(3)文档结构微调法由brassil等人首先提出了主种通用文档图像中隐藏特定二进制信息的技术，数字水印信息通过微调整个文档中的上、下结构来完成编码。基于此方法的数字水印能够抵抗一些文档操作。但是水印很容易被破坏，而且这种方法仅适用于文档类图像。空间域算法虽然具有嵌入信息量大的优点，但是因为鲁棒性很差，所以现在数字水印系统已经很少使用了。而下面介绍的变换域算法是目前研究的热点。2.2.2 变换域算法变换域(频域)方法是利用某种数学变换，将图像用变换域表示。在变换域上嵌入水印，信号能量可以扩散到空间域的所有像素上，有利于保证水印的不可见性。变换域方法还可以更好的结合人类视觉系统的一

51、些特性，抗攻击能力较好。现在的研究中大多使用变换域方法。变换域水印指的就是通过修改图像的变换域系数来代替直接修改图像像素本身，这样，一方面变换域系数是一个全局变换产生的量，个别像素的改变对其影响不大;另一方面，变换域某个系数的改变分布在整个空间图像的每个像素上，使得每个像素的改变相对较小，使水印具有更好的不可察觉性。变换域方法可以有效减少个别像素受到破坏而导致水印失效，从这一点上来说，变换域水印算法的鲁棒性是比较高的。变换域水印算法并不局限于傅立叶变换dft、离散余弦变换dct和离散小波变换dwt，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。但就目前应用中这三种

52、方法是使用最多的。(1)dft变换傅立叶变换是一种经典而有效的数学工具，也是图像处理中经常应用的工具。dft域算法有利于实现水印的仿射不变性，而且可利用变换后的相位信息嵌入水印。算法是将水印嵌入到dft系数的相位信息中，其依据是hayes的结论“从图像可理解性的角度，相位信息比幅度信息更重要”。傅立叶变换是复数范围内的变换，如果在计算机上按照其定义式来计算的话，计算量将非常大。由此提出了快速傅立叶变换算法fft。它与原始算法的计算量之比为。当n比较大时，计算量的节省将相当可观。(2)dct变换离散余弦变换是数码率压缩需要常用的一个变换编码方法。与dft不同的是，dct变换是实数范围内的，任何连

53、续的实对称函数的傅立叶变换中只含余弦项，因此可以用快速傅立叶变换算法实现快速离散余弦变换。由于大多数图像的高频分量较小，相应于图像高频分量的系数经常为零，加上人类视觉对高频成分的失真不太敏感，所以可用更粗的量化。因此，传送变换系数的数码率要大大小于传送图像像素所用的数码率。到达接收端以后通过反离散余弦变换回到图像空间，虽然会有一定的失真，但人类视觉是可以接受的。(3)dwt变换由于mpeg4及jpeg-2000压缩标准的公布，基于小波域的水印算法也越来越多。小波变换一般是采用多级分解方法，对图像进行小波分解。图像经过小波分解后得到四个部分，左上为低频近似部分，右上为水平方向细节部分，左下为垂直

54、方向细节部分，右下为对角线方向细节部分。x.g.xia等人提出的塔式水印，他们对宿主图像作多层小波变换，并在每一层小波变换系数上加入水印。wang等人提出基于小波变换的盲水印算法，搜索图像中感知性强的系数所对应的小波系数嵌入水印。这三种变换各有其特点:(1)dft变换的优点在于可以把信号分解为相位信息和幅值信息，dft变换对平移、旋转、缩放等攻击具有鲁棒性。但是dft变换不具有dct、dwt变换那样有效的图像能量压缩性质，不能更好与人类视觉系统相结合，用dft方法实现的水印系统抗压缩的能力很弱。目前基于dft的水印算法相对较少。(2)dct变换具有压缩比高、误码率小、信息集中能力和计算复杂性综

55、合效果较好等优点，是图像编码的核心技术之一。而且它是目前使用最多的图像压缩系统jpeg的核心，算法简单，执行速度快。(3)dwt变换在时、频两域都具有表征信号局部特征的能力，抗压缩攻击能力较好，能够较好地与人类视觉特性相匹配，也是目前比较流行的变换方法。但其缺点就是运算量偏大。2.3 数字水印应用领域 虽然只有短短几年时间，但其软件产业已经有相当的规模。作为数据安全领域中的新生事物，它具有很高的技术含量和很强的生命力，同时也孕育着广阔的市场和巨大的商机。 数字水印的主要应用有以下几个方面： 1.数字作品的版权保护数字作品（如电脑美术、扫描图像、数字音乐、视频、三维动画）的版权保护是当前的热点问

56、题。由于数字作品的拷贝、修改非常容易，而且可以做到与原作完全相同，所以原创者不得不采用一些严重损害作品质量的办法来加上版权标志，而这种明显可见的标志很容易被篡改。数字水印利用数据隐藏原理使版权标志不可见或不可听，既不损害原作品，又达到了版权保护的目的。2.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，特别是精度超过1200dpi的彩色喷墨、激光打印机和高精度彩色复印机的出现，使得货币、支票以及其他票据的伪造变得更加容易。据美国官方报道，仅在1997年截获的价值4000万美元的假钞中，用高精度彩色打印机制造的小面额假钞就占19%，这个数字是1995年的9.05倍。目前，美国、日本以及荷兰

57、都已开始研究用于票据防伪的数字水印技术。其中麻省理工学院媒体实验室受美国财政部委托，已经开始研究在彩色打印机、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。另一方面，在从传统商务向电子商务转化的过程中，会出现大量过度性的电子文件，如各种纸质票据的扫描图像等。即使在网络安全技术成熟以后，各种电子票据也还需要一些非密码的认证方式。数字水印技术可以为各种票据提供不可见的认证标志，从而大大增加了伪造的难度。3. 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，如遥感图像的拍摄日期、经/纬度等。没有标识信息的数据有时甚至无法使用，但直接将这些重要信息标记在原始文件上又很危险。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看不到的，只有通过特殊的阅读程序才可以读取。这种方法已经被国外一些公开的遥感图像数据库所采用。此外，当数字作品被用于法庭、医学、新闻及商业时，常需要确定它们的内容是否被修改、伪造或特殊处理