基于jpeg xr编解码算法的水印技术研究

1、目录前言第一章 jpeg xr的历史现状和将来 1.1 jpeg xr的历史现状 1.2 jpeg xr定义 1.3 jpeg xr简介 1.4 jpeg xr的新特性 1.5 jpeg xr的优点 1.6 jpeg xr的将来第二章 jpeg xr的编解码算法和成图原理 2.1 jpeg xr的图像技术 2.2 jpeg xr的压缩编码算法的主要计算步骤 2.3 jpeg xr 的分层结构 2.4 编码/解码流程 2.5 空域频率变换 2.6 jpeg xr的编码技术 2.7 jpeg xr的改进算法第三章 数字水印技术 3.1 为什么要引入数字水印技术（引言） 3.2 数字水印的定义 3.

2、3 数字水印技术的基本原理3.4 数字水印的实现 3.5 数字水印的应用和发展第四章 jpeg xr数字水印技术4.1 数字水印在jpeg xr中的应用4.2 jpeg xr数字水印的实现 4.3 试验结果分析第五章 jpeg xr数字水印技术展望5.1 jpeg xr的特点和优势5.2 jpeg xr的展望参考文献前言人类的进步得益于科学研究的突破、生产力的发展和社会的进步。计算机、通信、半导体科学技术的突破，形成了巨大的新型生产力。数字化的生活方式席卷全球。农业革命、工业革命、信息革命成为人类历史生产力发展的三座丰碑。古老的中华大地，也正在以信息化带动工业化的国策下焕发着青春。电子政务、电

3、子商务的各种信息化应用之花，在华夏沃土上竞相开放，炎黄子孙们在经历了几百年的苦难历程后，在国家崛起中又迎来了一个运用勤劳和智慧富国强民的新契机。 科学规律的掌握，非一朝一夕之功。治水、训火、利用核能都曾经经历了非常漫长的岁月。不掌握好科学技术造福人类的一面，就会不经意地释放出它危害人类的一面。 生产力的发展，为社会创造出许多新的使用价值。但是，工具的不完善，会限制这些使用价值的真正发挥。信息化工具也和农业革命、工业革命中人们曾创造的许多工具一样，由于人类认识真理和实践真理的客观局限性而存在许多不完善的地方，从而形成信息系统的漏洞，造成系统的脆弱性，在人们驾驭技能不足的情况下损害着人们自身的利益

4、。 世界未到大同时，社会上和国际间存在着竞争、斗争、战争和犯罪。传统社会存在的不文明、暴力，在信息空间也同样存在。在这个空间频频发生的和被有些人利用系统存在的脆弱性运用其“暴智”来散布计算机病毒，制造拒绝服务的事端，甚至侵入他人的系统，盗窃资源、资产，以达到其贪婪的目的。人类运用智慧开拓的信息疆土正在被这些暴行蚕食破坏着。 随着信息化的发展，信息安全成为全社会的需求，信息安全保障成为国际社会关注的焦点。因为信息安全不但关系国家的政治安全、经济安全、军事安全、社会稳定，也关系到社会中每一个人的数字化生存的质量。 信息革命给人类带来的高效率和高效益是否真正实现，取决于信息安全是否得以保障。什么是信

5、息安全？怎样才能保障信息安全？这些问题都是严肃的科学和技术问题。面对人机结合和非线性、智能化的复杂信息巨系统，我们还有许多科学技术问题需要认真研究。我们不能在研究尚处肤浅的时候，就盲目乐观地向世人宣称，我们拥有了全面的解决方案；我们也不能因为面对各种麻烦，就灰头土脸，自暴自弃，我们需要的是革命的乐观主义精神、忍坚不拔的奋勇攀登科学技术高峰的坚定信念。 第一章 jpeg xr的历史现状和将来1、 jpeg xr的历史现状在拉斯维加斯photo marketing association（pma）2007国际会议上，微软正式高调发布了hd photo，微软的终极目标是让它成为数字相片的标准格式。这

6、种全新的下一代数字影像格式为图象编辑、存储提供更好的解决方案，释放了硬件设备，应用程序和服务数字成像的潜能。微软将此技术标准提交给“联合图像专家组织”（joint photographic expert group），并被接纳为行业标准，同时，这种图像标准的名称也更名为jpeg xr，并于2007年11月中旬通过标准化组织认定。jpeg xr格式比jpeg更为先进，完全可能取代jpeg格式成为新的数字图像标准。 2、jpeg xr定义jpeg xr（前身为windows媒体照片和高清照片）是一个静止图像压缩标准和文件格式的照片图像连续色调的基础上，开发和技术最初由微软的专利作为windows媒

7、体系列的一部分。它同时支持有损和无损压缩，是的ecma - 388开放式xml纸张规范文档的首选图像格式。对于文件格式的支持是可以作为windows图像处理组件的一部分。net框架（3.0或更新版本）的windows vista / windowsjpeg xr是国际jpeg委员会的一项最新计划，其中xr的意思是“extended range”（扩展范围），这一计划中的图片格式标准将会拥有比上一代标准更丰富的色彩数和更好的表现力。hd photo本来叫做windows media photo， 3、 jpeg xr简介1.1、 jpeg xr的前身是微软开发的一种静止图像文件格式hd phot

8、o。在2007 年7 月的jpeg大会上,被提案成为国际标准,并成立专门的工作小组,代号为jpeg xr1.2、 hd photo 压缩标准除了具有高效的压缩性能和出众的压缩质量外,还具有计算复杂度低和内存消耗少的特性,非常适合在嵌入式设备, 比如数码相机上的应用4、jpeg xr的新特性1.1、高效的，利于嵌入式设备的压缩方法 1.1.1、需要的内存开销很小 1.1.2、简单的，基于整数的操作1.2、有损和无损压缩使用相同的算法1.3、支持单色、rgb、cmyk、甚至支持16 位无符号整数或者32 位定点或者浮点数表示的多通道彩色1.4、先进的压缩技术，储存与jpeg格式同等画质的影像，所占

9、的文件空间可减半1.5、支持感兴趣区域压缩，以及渐进解码5、jpeg xr的优点据微软公司介绍，jpeg xr图像格式具备以下优点： （1）jpeg xr 的动态范围较高，相对于现行的jpeg 编码，它保有了影像小的优势，但又得到较高的动态范围。(2) 色域( color gamut )更广，因此，影像色彩会更丰富，在影像转移设备的过程中，也可以保存得更好、而且有较小的失真。(3) 适用于大影像，压缩的影像档大小不超过32gb下，可以达到68.6兆像素。(4) 更强的压缩技术，在储存与目前jpeg格式同等品质的影像，档案的大小可以减半。另外，微软的jpeg xr 格式编码演算法，能以lossl

10、ess压缩技术，保存所有的像素细节。6、 jpeg xr的将来jpeg也是常见的一种图像格式，它由联合照片专家组(joint photographic experts group)开发并以命名为iso 10918-1，jpeg仅仅是一种代称。jpeg文件的扩展名为.jpg或.jpeg，由于jpeg优异的品质和杰出的表现，它的应用也非常广泛，特别是在网络和光盘读物上，肯定都能找到它的影子。但是，再经典的东西也会随着时代的发展而被后来者取代，近日，微软公司正式推出一款名为hd photo/windows media photo的jpeg xr 影像格式，现已经送交联合影像专家组织进行审核，并预计在

11、今年11月进行投票，一旦通过并获得各大影像厂商的支持，jpeg xr将成为替代jpeg的影像格式新标准。第二章 jpeg xr的编解码算法和成图原理1、jpeg xr的图像技术jpeg xr是微软创立的图像格式,微软承诺前者比jpeg有诸多优点。目前,jpeg xr已经清除了标准化的核心障碍。 联合图像专家组(joint photographic experts group,最初创立jpeg格式标准的组织),在1月的一次会议表决中表示,“我们希望jpeg xr国际标准将在今年晚些时候发布。”xr是“扩展范围(extended range)”的缩写,意味着其提供了更好的动态范围跨度在图像中最明亮

12、处和最黑暗处之间。 jpeg使用8位元编码,实现了256色。jpeg xr则能使用16位元或更多,提供了更好的效果和更多的编辑灵活性。 jpeg xr的另一个优点是,其使用更加高效率的压缩算法,与jpeg文件同等大小的情况下,图像质量是后者的两倍,或同等质量只需一半的体积。并且与jpeg不同,jpeg xr的最高质量压缩不丢失任何信息。 jpeg xr可以将图像分成每小部分来解码,使图像的放大更加迅速。微软不仅通过软件使用该格式,还将该技术嵌入到相机图像处理器电路中。 微软希望jpeg xr能够广泛采用,但是替代仍然大行其道的jpeg格式面临很大挑战。虽然国际jpeg委员会已经通过了微软hd

13、photo成为jpeg xr新标准的申请，但是这还只是一个开始，国际jpeg委员会这个月底将会在日本举行另外一次会议，商讨具体的标准指定细节，而微软目前已经提供了大部分hd photo的技术细节以及相关的开发工具，但是hd photo要成为国际标准仍然还有一段艰难的路要走，预计要到2008年年底，hd photo才能真正成为新的jpeg xr标准，而微软在此之前要做的事情，就是要让hd photo在兼容性和易用性上更加完善。2、jpeg xr的压缩编码算法的主要计算步骤jpeg的压缩编码算法的主要计算步骤如下：1.1 正向离散余弦变换(fdct)。jpeg(joint photographic

14、 experts group) 是一个由 iso和iec两个组织机构联合组成的一个专家组，负责制定静态的数字图像数据压缩编码标准，这个专家组开发的算法称为jpeg算法，并且成为国际上通用的标准，因此又称为jpeg标准。jpeg是一个适用范围很广的静态图像数据压缩标准，既可用于灰度图像又可用于彩色图像。jpeg专家组开发了两种基本的压缩算法，一种是采用以离散余弦变换(discrete cosine transform，dct)为基础的有损压缩算法，另一种是采用以预测技术为基础的无损压缩算法。使用有损压缩算法时，在压缩比为25:1的情况下，压缩后还原得到的图像与原始图像相比较，非图像专家难于找出它

15、们之间的区别，因此得到了广泛的应用。例如，在v-cd和dvd-video电视图像压缩技术中，就使用jpeg的有损压缩算法来取消空间方向上的冗余数据。为了在保证图像质量的前提下进一步提高压缩比，近年来jpeg专家组正在制定jpeg 2000(简称jp 2000)标准，这个标准中将采用小波变换(wavelet)算法。 1.2 量化(quantization)。 量化是对经过fdct变换后的频率系数进行量化。量化的目的是减小非“0”系数的幅度以及增加“0”值系数的数目。量化是图像质量下降的最主要原因。对于有损压缩算法，jpeg算法使用均匀量化器进行量化，量化步距是按照系数所在的位置和每种颜色分量的色

16、调值来确定。因为人眼对亮度信号比对色差信号更敏感，因此使用了两种量化表：亮度量化值和色差量化值。此外，由于人眼对低频分量的图像比对高频分量的图像更敏感，因此图中的左上角的量化步距要比右下角的量化步距小。1.3 z字形编码(zigzag scan)。 量化后的系数要重新编排，目的是为了增加连续的“0”系数的个数，就是“0”的游程长度，方法是按照z字形的式样编排，如图5-17所示。这样就把一个8 ? 8的矩阵变成一个1 ? 64的矢量，频率较低的系数放在矢量的顶部。1.4 使用差分脉冲编码调制(differential pulse code modulation，dpcm)对直流系数(dc)进行编

17、码。直流系数的编码图像块经过dct变换之后得到的dc直流系数有两个特点：1.4.1 是系数的数值比较大；1.4.2 是相邻8 ? 8图像块的dc系数值变化不大。根据这个特点，jpeg算法使用了差分脉冲调制编码(dpcm)技术，对相邻图像块之间量化dc系数的差值(delta)进行编码，deltadc(0, 0)k-dc(0, 0)k-1 . (5-5)1.5 使用行程长度编码(run-length encoding，rle)对交流系数(ac)进行编码。量化ac系数的特点是1 ? 64矢量中包含有许多“0”系数，并且许多“0”是连续的，因此使用非常简单和直观的游程长度编码(rle)对它们进行编码。

18、jpeg使用了1个字节的高4位来表示连续“0”的个数，而使用它的低4位来表示编码下一个非“0”系数所需要的位数，跟在它后面的是量化ac系数的数值。1.6熵编码(entropy coding)。使用熵编码还可以对dpcm编码后的直流dc系数和rle编码后的交流ac系数作进一步的压缩。在jpeg有损压缩算法中，使用霍夫曼编码器来减少熵。使用霍夫曼编码器的理由是可以使用很简单的查表(lookup table)方法进行编码。压缩数据符号时，霍夫曼编码器对出现频度比较高的符号分配比较短的代码，而对出现频度较低的符号分配比较长的代码。这种可变长度的霍夫曼码表可以事先进行定义.jpeg xr的压缩编码算法j

19、peg压缩是有损压缩，它利用了人的视角系统的特性，使用量化和无损压缩编码相结合来去掉视角的冗余信息和数据本身的冗余信息。压缩编码大致分成三个步骤：1.6.1使用正向离散余弦变换(forward discrete cosine transform，fdct)把空间域表示的图变换成频率域表示的图。 1.6.2使用加权函数对dct系数进行量化，这个加权函数对于人的视觉系统是最佳的。 1.6.3使用霍夫曼可变字长编码器对量化系数进行编码。译码或者叫做解压缩的过程与压缩编码过程正好相反。jpeg算法与彩色空间无关，因此“rgb到yuv变换”和“yuv到rgb变换”不包含在jpeg算法中。jpeg算法处理

20、的彩色图像是单独的彩色分量图像，因此它可以压缩来自不同彩色空间的数据，如rgb, ycbcr和cmyk。3、jpeg xr 的分层结构1.1、jpeg xr压缩图像具有三个相互正交的分层结构1.1.1、一是不同的颜色通道分层,如yuv 分层。这和一般的图像格式如jpeg类似, 其中yuv 与rgb 的相互转化是可逆的,且都是整数运算,运算后输出数据的位数最多比输入增加一位,计算复杂度低, 。与码率控制有关的是每个通道的量化值qp 可以不同1.1.2、二是不同的空间组织分层 。每个像素包含各个颜色通道对应点的值,每4 4 个像素组成一个块block ,每4 4 个block 组成一个宏块mb ,

21、整数行x整数列个mb 组成一个tile ,整幅图则由多个tile 组成。每个tile 独立编码,可以方便地实现图片的roi 功能;编码的基本单元是mb ,每个mb 可以取不同的量化值qp图像的空间组织分层1.1.3、三是不同的频域组织分层,每个mb 中所有的block 进行lbt 变换(lapped biorthogonal transform)后,会得到16 个dc 系数和240 个ac 系数,这240个ac 系数称之为hp 层;剩下的16 个dc 系数进一步去除相关性,再进行一次lbt 变换,得到1 个dcdc 系数和15 个dcac 系数,1 个dcdc 系数称之为dc 层,15 个dc

22、ac 系数称之为lp 层。于是每个mb经过lbt 变换后的系数都划分为三个频域层,其中整个tile dc 层的系数只能有一个量化值,而每个mb 的lp 层和hp 层系数的量化值qp 可以不同,这样也给码率控制提供了很大的灵活性图像的频率组织分层码流结构1.1、码流以一个文件头开始，紧接着是一个索引表，索引表标记了每一个tile在码流中的位置，tile可以按空间或者频率结构组织码流1.2、在空间模式中，每个tile的码流以宏块为次序，宏块编码后数据以光栅扫描顺序排列，扫描顺序是从上到下从左到右。1.3、在频率模式中，每个区域的码流按频率分层结构排列，第一个频带是dc，dc带载荷的信息是光栅扫描顺

23、序决定的每个宏块的dc值。第二个频带是低通分量，它载荷的信息是低通系数，每个宏块有15个。第三个是ac带，载荷着每个宏块剩余的240个系数。最后，第四个带称为flexbits，它是一个可选的层面，载荷的信息是ac系数的低字节比特，一般用于无损或低损压缩情况。码流结构4、编码/解码流程 编码流程1.1、前置缩放（pre-scaling）1.2、色度空间转换（color conversion）1.3、空域频率变换1.4、系数预测1.5、量化1.6、量化后系数扫描1.7、熵编码1.8、交织解码流程 1.1、解交织（de-interleaving） 1.2、熵解码 1.3、系统恢复 1.4、反量化 1

24、.5、反变换 1.6、逆色度空间变换 1.7、后置比例缩放（post-scalings）1.1.1前置/后置缩放 这个步骤只在输入数据范围大于27/24比特时使用，在编码器端将输入数据右移m比特以使其范围降低到27/24比特以下。在解码器端输出数据左移m比特1.1.2色度空间转换1.1、色度空间转换的目的是使色彩信息的表达形式更适合人的视力特征，在编码器端色度空间会从rgb转换到yuv1.2、jpeg xr的色度空间转换是可逆的换句话说，它是一个无损的变换 1.3、变换方程如下色度空间转换rgb yuv色度空间转换cmyk yuvk5、空域频率变换 1.1、jpeg xr采用的变换方式是lbt

25、(双正交重叠变换)，它在低的计算复杂度情况下提供了很高的编码性能1.2、lbt基于两种变换操作：photo core transform(pct)和photo overlap transform(pot)1.3、pct与dct相似，其不足之处是在低比特率情况下会引发块效应，pot则用来解除块边缘的相关性减缓块效应以弥补pct的缺陷1.4、pot在功能上与pct是独立的，在每一步转换的过程中，pct是必须的而pot可以选择性的使用，pot的使用与否由overlap参数的值控制4x4pct和pot的操作区域，每个pot块占据了4个pct块的边界变换步骤：1.1、在编码器允许的情况下应用4x4pot

26、，在区域边界上其缩减为4点一维pot。1.2、对每个块应用4x4pct得到一个dc系数和15个ac系数。1.3、将第一阶段得到的dc系数组合成块，当色度通道没有下采样时这是4x4的块，色度通道进行了下采样则为2x2或2x4的块1.4、在编码器允许的情况下应该第二阶段的pot。当色度通道进行了下采样时4x4的pot会被一个或两个2x2pot代替，在边界区域应用2点一维pot或4点一维pot1.5、对dc块进行第二阶段的pct，色度通道无下采样时应用4x4pct，有下采样时，一个或两个2x2pct被应用来处理2x2或2x4的块。量化1.1、 每一个色彩平面可能用相同的量化参数qp，亮度和色度通道可

27、能用不同的qp，也可能每个通道都有自己的qp。在空间域中所有tile可能用相同的qp，每个tile也可以有自己的qp。在频率域中每个频带可以共用qp或者有自己的qp。一个tile中的dc分量的qp是固定的，而ac分量和lp分量的qp可以取相同的值或一系列的不同值1.2、 对无损压缩，取qp=11.3、 对有损压缩，取qp11.4、 在jpeg xr中，量化采用整数操作，它保证了系数经过缩放后的精确性，而且可以使用移位操作来完成除法运算系数预测1.1、 系数预测是利用量化后系数间的相关性消除冗余信息以最小化存储开销的手段1.2、 dc和lp预测是跨越宏块的边界的，而hp预测只在宏块内部进行dc系

28、数的预测方式系数预测1.1、 dc系数的预测有3种方式，分别是从左预测、从上预测和从左上预测，操作时会根据各宏块的dc值判断用何种方式预测1.2、 lp系数的预测方式与dc系数的预测方式有关，hp的预测方式由lp系数决定lp系数的预测lp系数有从左预测和从上预测两种方式具体会根据dc系数的预测方式以及量化器的索引值判断使用何种方式左图显示了lp系数的从左预测ad代表了lp系数lp系数的预测lp系数预测的判断条件lowpass_dcac_mode = null predictif (dc_mode = predict from top) & (quantizer_index (current m

29、b) = quantizer_index (top mb) lowpass_dcac_mode = predict from topelse if (dc_mode = predict from left) & (quantizer_index (current mb) = quantizer_index (left mb) lowpass_dcac_mode = predict from lefthp系数的预测hp系数的预测 上图显示了hp系数从左预测的模式 hp系数的预测条件如下 diff_h = abs(lowpass(4) + abs(lowpass(8) + abs(lowpass(

30、12) diff_v = abs(lowpass(1) + abs(lowpass(2) + abs(lowpass(3) if (chrominance is present) if (yuv 420) diff_h = diff_h + abs(lowpass_u(2) + abs(lowpass_v(2) diff_v = diff_v + abs(lowpass_u(1) + abs(lowpass_v(1) else if (yuv 422) diff_h = diff_ h + abs(lowpass_u(2) + abs(lowpass_v(2) + abs(lowpass_u(

31、6) + abs(lowpass_v(6) diff_v = diff_v + abs(lowpass_u(1) + abs(lowpass_v(1) + abs(lowpass_u(5) + abs(lowpass_v(5) else diff_h = diff_h + abs(lowpass_u(4) + abs(lowpass_v(4) diff_v = diff_v + abs(lowpass_u(1) + abs(lowpass_v(1) if (diff_h * orient_weight diff_v) highpass_dcac_mode = predict from top

32、else if (diff_v * orient_weight diff_h) highpass_dcac_mode = predict from left else highpass_dcac_mode = null predict 系数的动态扫描动态扫描将2维矩阵中的元素扫描后排列成一维数组以进行编码：1. 在每幅图像中tiles以光栅扫描顺序扫描2. 每个tile中，宏块以光栅扫描顺序扫描3. 每个宏块中，dc系数按光栅扫描顺序扫描4. 对于每个宏块lp和hp系数按特定的方式扫描lp和hp系数的扫描存在三种扫描方式分别为lowpass、highpass horizontal和highpa

33、ss vertical。从每个tile的开始(tile最左上角的宏块)会初始化一种扫描方式图a是lowpass和highpass horizontal的扫描顺序图b是highpass vertical的扫描顺序动态系数扫描1.1、扫描顺序可以定义成以光栅扫描顺序表示的一维数组形式，图a的扫描顺序可表示为1.2、order = 1,4,5, 2,8,6,9, 3,12,10,7, 13,11,14,15 1.3、扫描时会建立另一个数组记录相应位置系数非零的发生率，其初始化为1.4、totals = 28,26,24, 22,20,18,16, 14,12,10, 6,4,2,0 1.5、扫描顺序

34、会根据totals数组的记录发生动态改变，这样，压缩后的总比特数可以平均减少3%动态系数扫描扫描过程中如果第n个扫描的元素为非0则相应的数组totals中的元素加一，同时要调整扫描顺序以保证totals数组中的元素按从大到小顺序排列上图展示了一个根据totals数组调整扫描顺序的例子6、jpeg xr的编码技术 1.jpeg xr用于编码的单元是宏块，而变换的单元是块，每个块由44的像素点构成，而宏块则由44的块构成。jpeg xr采用的变换是pct变换（principle compoment transform主成分变换），是针对宏块里的块进行的，变换具体可以分为两个阶段:(1)块单独pct

35、变换阶段。这个阶段宏块中的每个块执行对应的pct变换，这个变换比较类似于dct变换，变换后得到的16个dc系数;(2)然后针对这个dc系数再进行pct变换。 2.jpeg xr主要采用pct变换，具体编码、解码过程如下图所示： 7、jpeg xr的改进算法 1.由上分析可以看出，jpeg xr是一种前瞻型的图像标准，具有上述诸多长处，但是由于jpeg xr采用pct，因此难以实现多级图像分辨率和多级图像质量的压缩编码，不能很直观地按需要的文件大小来选择压缩比。 2.由于小波变换具有对信号进行多分辨率分析和反映信号局部特征的特点，它的多分辨率分析提供了我们进行渐进式压缩的基础。通过对图像片进行离

36、散小波变换，得到小波系数图像，而分解的级数视具体情况而定。通过对系数图像的不同级数进行解码，就可以得到具有不同空间分辨率（或清晰，或模糊）的图像。因此jpeg xr可以应用小波变换的这种特性，用dwt变换取代pct变换，这样，采用了小波变换的jpeg xr就可以获得小波变换的特性，不但可以保留jpeg xr原有特性，也能实现多级图像分辨率和多级图像质量的压缩编码。 第三张 数字水印技术随着互联网的飞速发展以及媒体资源的数字化，数字作品如图像、音频、视频和文件等的盗版问题突现，使得数字水印技术成为重要的研究热点，1 为什么要引入数字水印技术随着计算机通信技术的迅速发展，多媒体存储和传输技术的进步

37、使存储和传输数字化信息成为可能，然而，这也使盗版者能以低廉的成本复制及传播未经授权的数字产品内容，出于对利益的考虑，数字产品的版权所有者迫切需要解决知识产权（intellectual property rights）的保护问题。密码学的加解密技术是保护数字产品的一种方法，它能够保护数字产品安全传输，并可作为存取控制和征收费用的手段，但它不能保证数字产品解密后的盗版问题，因此，1995年，人们提出了信息伪装技术，其中，数字水印就是近年来比较热门的数字产权保护技术，并引起了信息安全领域、计算机技术领域和信息处理领域学者的广泛关注。 下面我们主要谈谈数字水印技术的有关问题。数字水印是一种将可识别的数

38、据嵌入到数字作品中的技术，用人类感觉器官（如眼、耳）无法识别，而使用专门的检测软件则可以方便地识别。数字水印是数字内容的唯一标识，即使数字内容经过拷贝、编辑处理、压缩/解压缩、加密/解密或广播等操作，数字水印仍能保持不变，同时数字水印的存在对数字作品质量没有影响。正是由于数字水印的这些特点，它已经成为数字媒体版权保护的重要手段之一。2 数字水印的定义 综合众多学者的定义和分析已有的数字水印方案，现给出数字水印的定义：数字水印是永久镶嵌在其它数据（宿主数据）中具有可鉴别性的数字信号或模式，而且并不影响宿主数据的可用性。作为数字水印技术基本上应当满足下面几个方面的要求：1.1安全性：数字水印的信息

39、应是安全的，难以篡改或伪造，同时，应当有较低的误检测率，当宿主内容发生变化时，数字水印应当发生变化，从而可以检测原始数据的变更；1.2隐蔽性：数字水印应是不可知觉的，而且应不影响被保护数据的正常使用；1.3稳健性：数字水印必须难以被除去，如果只知道部分数字水印信息，那么试图除去或破坏数字水印将导致严重降质或不可用。同时，数字水印在一般信号处理和几何变换中应具有稳健性；1.4水印容量：嵌入的水印信息必须足以表示多媒体内容的创建者或所有者的标志信息，或购买者的序列号，这样有利于解决版权纠纷，保护数字产权合法拥有者的利益。3 数字水印技术的基本原理 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

40、到多媒体内容中，目前大多数水印制作方案都采用密码学中的加密（包括公开密钥、私有密钥）体系来加强，在水印的嵌入，提取时采用一种密钥，甚至几种密钥的联合使用。水印的嵌入和提取方法如图1、图2所示：4 数字水印的实现数字水印可以分为空间域数字水印和变换域数字水印两大类实现较早的数字水印算法从本质上来说都是空间域上的，通过改变某些象素的灰度将要隐蔽的信息嵌入其中，将数字水印直接加载在数据上。空间域方法具有算法简单、速度快、容易实现的优点。特别是它几乎可以无损的恢复载体图象和水印信息，这对于某些应用是必要的，可以细分为如下几种方法：1最低有效位法，该方法就是利用原始数据的最低几位来隐蔽信息的，具体取多少

41、位以人的听觉或视觉系统无法察觉为原则。2patchwork方法及纹理映射编码方法，该方法是通过任意选择n对图象点，增加一点亮度的同时，降低相应另一点的亮度值来加载数字水印。3文档结构微调方法，在通用文档图象（postcript）中隐藏特定二进制信息的技术，主要是通过垂直移动行距，水平调整字距，调整文字特性等来完成编码。 基于变换域的技术可以嵌入大量比特的数据而不会导致不可察觉的缺陷，往往通过改变频域的一些系数的值，采用类似扩频图象的技术来隐藏数字水印信息。这类技术一般基于常用的图象变换，基于局部或全部的变换，这些变换包括离散余弦变换（dct）、小波变换（wt）、付氏变换（ft或fft）以及哈达

42、马变换（hadamard traansform）等等。其中基于分块的dct是最常用的变换之一。频域方法具有如下优点：（1）在频域中嵌入的水印的信号能量可以分布到所有的象素上，有利于保证水印的不可见性；（2）在频域中可以利用人类视觉系统的某些特性，可以更方便、更有效的进行水印的编码。不过，频域变换和反变换过程中是有损的，同时其运算量也很大，对一些精确或快速应用的场合不太适合。目前常用的方法有平面隐藏法和基于dct或dft的系数隐藏法。5 数字水印的应用和发展1.1 随着数字水印技术的发展，数字水印的应用领域也得到了扩展，数字水印的基本应用领域是版权保护、隐藏标识、认证和安全不可见通信。当数字水印

43、应用于版权保护时，潜在的应用市场在于电子商务、在线或离线地分发多媒体内容以及大规模的广播服务。数字水印用于隐藏标识时，可在医学、制图、数字成像、数字图像监控、多媒体索引和基于内容的检索等领域得到应用。数字水印的认证方面主要id卡、信用卡、atm卡等上面数字水印的安全不可见通信将在国防和情报部门得到广泛的应用。 1.2 数字水印正处在迅速发展的过程中，掌握其发展方向对指导数字水印的研究有着重要的意义，我们认为今后数字水印的技术研究将侧重于完善数字水印理论、提高数字水印算法的稳健性、安全性、研究其在实际网络中的应用及建立相关标准等方面。在网络信息技术迅速发展的今天，数字水印技术的研究具有明显的意义

44、，数字水印技术将对保护各种形式的数字产品起到重要的作用，但必须认识到数字水印技术并非万能的，必须配合密码学技术及认证技术、数字签名或者数字信封等技术一起使用。一个实用的数字水印方案必须有这些技术的配合才能抵抗各种攻击，构成完整的数字产品版权保护解决方案。第四章 jpeg xr数字水印技术随着信息技术和计算机网络的飞速发展，人们不但可以通过互联网和方便快捷地获得多媒体信息，还可以得到与原始数据完全相同的复制品，由此引发的盗版问题和版权纷争已成为日益严重的社会问题。因此，数字多媒体产品的水印处理技术已经成为近年来研究的热点领域之一。 数字水印技术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

45、中，但不影响原内容的价值和使用，并且不能被人的感知系统觉察或注意到。与传统的加密技术不同，数字水印技术并不能阻止盗版活动的发生，但可以判别对象是否受到保护，监视被保护数据的传播，鉴别真伪，解决版权纠纷并为法庭提供认证证据。为了给攻击者增加去除水印的难度，目前大多数水印制作方案都采用密码学中的加密体系来加强，在水印嵌入、提取时采用一种密钥，甚至几种密钥联合使用。水印嵌入和提取的一般方法如图所示。1、数字水印在jpeg xr中的应用1.1 jpeg xr数字水印设计应考虑的几个方面水印容量：嵌入的水印信息必须足以标识jpeg xr内容的购买者或所有者。不可察觉性：嵌入在jpeg数据中的数字水印应该

46、不可见或不可察觉。盲检测：水印检测时不需要原始jpeg xr，因为保存所有的原始jpeg xr几乎是不可能的鲁棒性?押在不明显降低jpeg xr质量的条件下，水印很难除去。篡改提示：当jpeg xr内容发生改变时，通过水印提取算法，能够敏感地检测到原始数据是否被篡改1.2jpeg xr数字水印方案选择通过分析现有的jpeg xr编解码系统，可以将目前jpeg xr水印的嵌入与提取方案分为以下几类，如图所示。1.2.1jpeg xr水印嵌入方案一：水印直接嵌入在原始jpeg xr流中。此类方案的优点是：水印嵌入的方法较多，原则上数字图像水印方案均可应用于此。此类方案的缺点是：会增加jpeg xr

47、码流的数据比特率；经有损压缩后会丢失水印；会降低jpeg xr质量；对于已压缩的jpeg xr，需先进行解码，然后嵌入水印，再重新编码。1.2.2jpeg xr水印嵌入方案二：水印嵌入在编码阶段的离散余弦变换（）的直流系数（）中（量化后、预测前）。此类方案的优点是：水印仅嵌入在系数中，不会增加jpeg xr流的数据比特率；易设计出抗多种攻击的水印；可通过自适应机制依据人的视觉特性进行调制，在得到较好的主观视觉质量的同时得到较强的抗攻击能力。此类方案的缺点是：对于已压缩的jpeg xr，有一个部分解码、嵌入、再编码的过程。1.2.3 jpeg xr水印嵌入方案三：水印直接嵌入在jpeg xr压缩

48、比特流中。优点是：不需完全解码和再编码的过程，对整体jpeg xr信号的影响较小。缺点是：水印的嵌入可能造成对jpeg xr解码系统中运动补偿环路的不良影响；该类算法设计具有一定的复杂度。 、jpeg xr数字水印的实现 基于上述的各种方案，本文在方案二的基础上提出了一种针对jpeg xr编码系统的扩展频谱数字水印技术改进方案，将扩频调制后的水印信息嵌入到jpeg xr中色度直流系数的最低位。本方案不需要完全解码，大大减少了运算的复杂度，提高了实时性。同时由于水印嵌入在直流系数中，在保证jpeg xr效果不失真的前提下，水印具有很强的鲁棒性。jpeg xr编解码基于( )。从时间上看,分为内部

49、()、前向因果预测()、双向非因果预测（）、全景的灵影（）。只用本身的信息进行编码；利用过去的参考进行运动补偿的预测编码；利用过去和将来的参考进行双向运动补偿的预测编码；一系列运动图像中的静止背景。因此的图像信息较独立?熏最适合嵌入水印信息。从空间上看,它由若干个大小为的宏块( )组成，每个宏块包括大小为的个子块。其中个亮度子块，个色差子块，个色差子块。编码基本流程如图所示。为了不受量化过程的影响，本方案将水印嵌入在量化后的系数中，从而提高了水印生存的稳定性。在压缩算法中，系数的量化是关键，它直接影响jpeg xr的质量和码流控制算法。为此，提供了一个供参考的标准量化表。该表根据人类视觉模型(

50、)建立。考虑到人眼对高频信息损失的敏感度较低频损失小很多，因此通常把水印嵌入到中低频信息中，提高了水印信息的鲁棒性。另外, 根据人眼对亮度信息的变化比色度信息较敏感这一特性，为最大限度地保持视频质量，本方案将水印嵌入到色度?穴子块?雪系数中。由于是目前jpeg xr压缩中被广泛采用的技术基础，因此基于的jpeg xr水印方案具有显著的优势。将水印信息嵌入到色度量化后的直流系数中，不但无需引入额外的变换以获取jpeg xr的频谱分布，且水印信息不受系数量化带来的影响。1.1 jpeg xr数字水印算法与实现在jpeg xr中，由于中色度子块的直流系数是一个在jpeg xr中始终存在且很鲁棒的参数

51、，本方案将水印信息经序列(最长线性反馈移存器序列)调制后嵌入到的色度子块的直流系数中。这样水印信息在不影响视频效果的情况下难以去除，所以鲁棒性足够强。本方案采用扩频的方法，以方便有效地检测水印，抵抗各种攻击和干扰，保密性好。关键问题是色度的直流系统是一个对视觉系统很敏感的参数，本方案在色度的直流系数上加水印相当于对其加入微量干扰，必须使这种干扰低于一定的门限值，使人眼的视觉系统对jpeg xr中色度的微小变化感觉不到。经过试验将水印嵌入到的色度的直流系数的最低位能满足要求。1.2 jpeg xr数字水印的嵌入伪随机的扩展序列长度为()，每一水印信息位通过伪随机扩展序列的调制嵌入到相应的色度对应

52、的直流系数(量化后、预测前)的最低位,这样水印信息在不影响视频效果的情况下一般难以去除。同时，嵌入在直流系数的最低位，带来的误差非常小。伪随机的扩展序列产生代码如下： (;) ;(;) ;水印信息位扩展调制方式为：水印信息位为，伪随机的扩展序列不变；水印信息位为，伪随机的扩展序列取反。这个过程可以用异或运算实现。代码如下: ;每一水印信息位扩展调制成位的扩展调制位*这里表示水印信息码流(表示水印信息扩展调制码流。设表示视频色度的直流系数)量化后、预测计算之前?雪序列，为了方便，用一个字节表示一位二进制码流信息。水印嵌入过程如下： () ;*根据扩展调制后的码流嵌入水印信息* ;1.3 jpeg

53、 xr数字水印的提取水印信息提取是水印信息嵌入的逆过程,代码如下: ( ) ; ;这里表示带有水印信息的jpeg xr色度的直流系数(反量化前、预测计算之后)序列； 表示检测到的水印信息扩展调制码流。每个色度子块在解码时得到一位扩展调制的信号位，每连续个扩展调制的信号位可解调得到位水印信息，具体分析如下：用与原始伪随机序列结构相同且完全同步的序列与得到的连续个扩展调制的信号接收序列进行异或运算，统计运算后的个数记为。由于序列的自相关函数只有两种取值(和()，属于双值自相关序列。因此，如果数据未受到任何攻击和干扰，只有两种结果：或。当时，得到的水印信息位为；当时，得到的水印信息位为。如果数据受到攻击或干扰，有多种结果。根据统计分析，当时，得到的水印信息位为，并且这个色度子块中有()个子块受到攻击或干扰；当时，得到的水印信息位为，并且这个色度子块中有个子块受到攻击或干扰。这样既可以统计总共有多少jpeg x