基于AQIM的数字图像水印技术的研究_宋秀梅

1、基于aqim的数字图像水印技术的研究中文摘要电子计算机技术的迅猛发展，让数字多媒体技术跨进了一个全速扩张的阶段，使多媒体 信息的传播、复制和存储变得简单、容易和普及。无论是人类的物质文化生活述是精神文化 生活通过互联网，都得到了极人的改善。人们可以很容易的从网上寻找自己需要的文件资料 下载、篡改、存储和传播，这就出现了版权的侵权问题，从而引发了数字产品的版权保护问 题和数字信息传输的安全问题。怎样才能有效的保证信息安全和数字多媒体版权所有者的合 法权益成为产业界和学术界共同关注和亟待解决的重大问题。于是数字水印技术在这样的背 景下产牛了。数字水印技术是将带有版权的信息(如文本、图像、视频)，通

2、过一定的算法, 嵌入到原始载体信息中，当岀现版权纠纷时，通过提取其屮的版权信息，也就是我们所讲的 水印信息，来维护版权所冇者的权利。经过多代研究人员的努力，现在已经成为当前保护数 字产品版权的主耍方式。本文在前人的研究基础上，基于数字图像水印，提出了一种基于aqim 的水印算法，并对算法进行了仿真实验和总结。本文的主要内容包括以下儿个方血：首先对数字水印技术的基本原理、特性、分类和常见的攻击进行了简单的阐述和归纳， 对当丽简单的经常被采用的数字水印系统的性能评价标准进行了介绍和分析，并介绍了当前 数字水印技术的应用范围，为以后的水印技术的深入研究打下良好的理论基础。在数字水印的理论基础上,本文

3、介绍了数字水印两种常用的算法即传统的扩频算法(ss) 和近些年发展的量化索引调制算法(qtm),并着重介绍了本文要采用的量化索引调制算法， 在此基础上，提出了一种抗拷贝攻击的qim算法。本算法首先从载体图像中提取图像的特征 作为该图像的数字签名，然示在dct域屮， 将图像的数字签名和水印信息一同嵌入到载体图像的中低频系数屮。利用mat lab对该算法 进行了仿真实验，实验结果表明该算法在很好的保持原始图像的图像质量同吋，对常见的中 值滤波、剪切、亮度调整、椒盐噪声等攻击具有良好的鲁棒性，但対于高斯噪声和jpeg压 缩攻击表现不好，有待于改善。市于在嵌入水印的同时也嵌入了数字签名，所以具有了很好

4、 的抗拷贝攻击的效果。木算法在量化的时候，采用了固定的量化步长，所以出现了对有些攻 击的鲁棒性不是很好的结果，而且提取水印时，采用了明文检测，这是本算法的一个局限点。在量化索引调制(qim)的基础上，本文提出了 口适应量化索引调制(aqim)的概念。并进一步提出了棊于hvs模型的自适应量化索引调制的算法。在介绍了 hvs模型性质 后，参考了其亮度灵敏度和频率灵敏度，将原始图像的分块dct直流系数的均值作为每一块 的量化步长，将水印信息嵌入到低中频系数中。dct总流系数表征了图像的大部分信息，当 嵌入位置发生变化时，可以根据每块的亮度线性的调节虽化步长，实现自适应调制。中低频 的选择是每块的频率

5、矩阵中数据在0-0. 25之间的位置，恰巧就是dct域按zig-zag排列 的笫2-15个数据。在检测提取上，通过最小距离检测法以及联合判决法，从水印图像中提 取水印，实现了水印的肓提取。利用mat lab对该算法进行了仿真实验，实验结果表明该算 法能够不错的保持原始图像的视觉效果，而且对常见的攻击有很好的鲁棒性。通过与其他文 献资料的对比，木算法在抗jpeg压缩和乘性亮度调整上冇特别好的效果,对于其他的攻击， 如高斯噪声、椒盐噪声、剪切、加性亮度调整，放缩上也比对比文献有好的效果，但是在抵 抗窗口中值滤波上，本算法的效果一般，在这一方面，本算法还有待于改善和进一步的研究。时下数字多媒体的发展

6、速度已经超出了人们的想彖，所以给人们带来的物质和精神的优 越性是无法衡量的，但是同时也带来了巨人的威胁。数字水卬技术在保护创作者合法权益上 的压力是巨大的。经过这么多年的发展，数字水印技术己经得到了学术界的认可和极大的关 注，并已经取得了很多的成果。但是在水印技术发展的同吋，对水印的攻击也在不断的升级， 并产生新的攻击，水印技术冇很多亟待解决的问题以及没冇触及到的研究课题。冃前数字水 印技术的评价与衡量标准尚不完善，如水印的嵌入、检测/提取、水印的测试等等有缺少标准 化的耍求。数字水卬的视觉评价仅仅是一个主观的概念，没有具体的定屋分析。对丁人类视 觉系统和数字水印技术的评价上，应该建立一种明确

7、的比较匹配的客观标准。 在量化索引 调制中量化步长的自适应调整是提高水印嵌入的好方法，但是量化步长的自适应方法单调， 如何选择变量进行口适应，如何口适应是aqim方法需要深讨的问题。论文最后对数字水印 技术的将来进行了展望，希望在很快的时间里能够看到水印技术有很人的跨越和发展。关键词：数字水印、dct、qim、数字签名、特征提取、aqim、hvs第一章绪论1.1概述随着计算机网络和通信技术的飞速发展，数字媒体（包括数字图像、数字视频、数字音频） 也已取得了广泛的应用。它使多媒体信息的存储、复制和传播变得容易、方便、快捷，极人 的改善了人类的牛活质量。现在，人们可以足不出户，通过互联网和cd-r

8、om方便快捷的获 取多媒体信息。这极大的满足了人们的需求，拓宽了用户的权力。这是一个非常好的信息吋 代当然也带來了不可避免的问题。这样的无限制的权力就是一个烫手的山芋，海量的拷贝， 肆意的篡改带來了对原创作者权力的侵犯，不法分子的有机町乘，网络秩序的混乱。由此引 发岀了数字信息传输的安全问题和数字产品的版权保护问题。怎样才能更好的保证信息安全 和数字媒体版权所冇者的介法权益，成为学术界、产业界甚至是网络立法上共同关心和亟待 解决的大问题。密码术是早就出现了的一种解决盗版问题的手段。现有的很多版权保护系统多采用密码 认证技术。密码术多用在军工系统中，各国军队在传输消息时，都采川单独的线路，传递的

9、 信息当然也是加密的。如今密码技术己经扩展到了我们的现实生活中。比如现在的dvd光盘 的安全密码，安装文件过程中输入的文本码，登陆某些网络网站的密码，还冇银行密码等数 不胜数。密码学也是发展的最完善并衍牛为一门科学的技术之一。在发送端之丽加密内容，仅仅 把密钥给予那些购买了内容的合法副本的用户。这样，经过互联网分发，虽然盗版者可以获 得加密示的文件，但是没有正确的密钥，该文件也无法应用的。所以利用密码技术，可以有 效的防治盗版的发住。但是，密码技术仅仅能够在数据从发送者到接受者的传输过程在屮进 行数据的加密保护，并不能帮助销售者监视合法的用户如何处理解密后的内容。这样盗版者 可以购买产品，使用

10、密钥获取没有保护的内容副本，然后继续发行非法副本。换言之，密码 学只能保护传输屮的内容，而内容一旦被解密就不再有保护作川了。所以，我们迫切的需 要一种替代技术或是对密码学进行补充的技术，让它在内容被解密后仍然能够保护内容，而 且我们还能够监视到盗版者在盗版时，对我们的原创进行了如何的篡改和处理。于是，数字 水印技术作为一种能够弥补密码术不足z处的新技术,应运而生了，他属于信息隐藏技术的范 围2-7,是作为保护数字版权的补充办法。数字水印技术是在数字媒体屮嵌入一些能够标识版权所有的信息，而乂不影响到原作品 的使用效來的技术。将嵌入到原创作站中的一些版权信息称作是水印，而被嵌入水卬的作站 成为载体

11、信息。这样在信息的传输和拷贝的过程中，水印是伴随着载体信息一起传输和被拷 贝的，它和载体信息一起经历着相同的操作，比如复制，剪切，以及色彩亮度等微小的变化 等等。我们可以通过对水印的提収与检测，來监控内容被做了怎样的处理。利用内嵌的水印 信息，我们就对以保证数字信息的完整性。凭借水印，可以证明原创作者对于作品的所有权， 并作为鉴定、起诉非法侵权的证据。所以数字水印技术成为知识产权保护和数字多媒体防伪 的冇效手段。也就是相当于我们在互联网中，给我们的原创作品打上了一个看不见的但是却 可以检测到防伪标签。数字水印是基于计算机科学、计算机图形学算法设计、密码学、通信理论以及处理信号 等领域的思想和概

12、念，是当今多媒体信息安全领域发展最快的热点技术z,水印技术的发 展在一定程度上也帯动了这些相关领域的进一步发展。鉴于数字水印技术广泛紧迫的应用， 无论从理论上还是从应用上來看，开展数字水印技术的研究，不但具冇学术意义，还具冇极 为重要的实用价值8。1.2数字水卬技术的发展与研究趋势1954 年 muzak 公司的 emil hembrooke 申请的名为"identification of sound and like signals" 9的专利中首次使用数字水印技术。从那时起，人们就开始了水印技术的各 种各样的应用，但数字水印并没冇能够形成一门专门的学科。从20世纪90年

13、代后期开始， 水印的发展上了一个大台阶，対水印的研究进展更多的体现在h益准确的水印模型上。1993 年 a. z. tirkel 等所撰写的 electronic water markn 一文中首次使用了 awater mark” 这一术语10。这一命名标志着数字水卬技术作为一门正式学科的诞生otrikel在后来的“a digital watermarkn文小提出了一种水印算法，就是现在的最低有效位(lsb)算法，此方 法是将水卬嵌入到载体图像的最不重要的lsb位平面小去，采用的是替换的方式，实现了较 高的水印容量和较好的不可见性，并h指出了数字水印一些町能的应用。可以看出，人们已 经意识到了

14、数字水印的重要性。最初的水印是总接嵌入到信息的时空域上的，这种嵌入算法简单方便，嵌入的信息量也 很大，鲁棒性太差。比如经过jpeg压缩后，很多水印信息就会丢失。1996年,bender等 11提出了一利针对打印、打描应用的patchwork法。这种方法不是把水印隐藏在图像数据 中，而是隐藏在图像数据的统计特性中。此方法隐蔽性好，对于一些简单的操作如剪切滤波、 和jpeg压缩都有一定的抵抗能力，但信息的嵌入量不高。随着各个学科的发展，数字信号 处理中常用的变换方式及数学工具被引进到数字水印中来，人们开始考虑将水印嵌入到其变 换域中。在变换域中嵌入水印，不是直接改动时空域，所以水印的鲁棒性和不可见

15、性大大提 高。1996年，cox等12提出了一种基于扩频(spread spectrum)通信的算法。该算法将 载体图像先进行dct变换，然后将水印通过扩频的方法嵌入到dct变换域中。此方案相对 于空域算法有较好的鲁棒性，他不仅在于将通信屮的扩频技术应用于水印嵌入屮，还明确提 出数字水印嵌入在载体图像的最重要的位置上才能有较好的鲁棒性。所以该算法己经成为了 数字水卬技术中一个比较经典的方案，在数字水印发展史上有重要的意义。但因为在检测水 印时，需要载体图像的参与，不能实现盲检测。以后的水印嵌入大多数都是将水印嵌入到dct 域中。1998年,zeng等13提出基于分块dct的水印方法，而且在根据

16、人类视觉模型(hvs) 进行自适应嵌入，实现了对有损压缩和低通滤波的鲁棒性。随着信号处理的发展，域变换方 式也在发展，很多人考虑将水印嵌入到离散小波变换域上14-15,通过对小波系数的量化來 嵌入水卬信息，这样数字水卬技术又向前迈进了一大步，因为这样能够实现水印的肓检测行。 1998年，chen和wornell在研究了一种理想的costa数字水印算法后，提出一类盲水印 算法，该方案采用量化器來实现水印信息的嵌入，也就是本论文釆用的量化索引调制(qim) 算法。该方案在水印嵌入量上和鲁棒性等方而，都有较好的性能16。而11能够实现肓检测， 缺点是该算法对噪声比较敏感。kutter 等 1999

17、年在"towards second generation watermarking scheme"文 中首次提出了 “笫二代水印”的概念，并且根据笫二代水印的思想提岀貝体例子验证了思想 的正确性。至此，数字水印技术又到了一个思想变革点上。第二代水印思想的提出突破了以 往将水卬嵌入到载体信号最不重要部分的思想桎梏，带动了水印技术的变苹，使得数字水卬 技术的研究上升到一个崭新的时代。数字水印的开始是从应用屮发展出来的，从最初的咅频，到灰度图像，真彩图像，再到 如今的视频，数字水印技术在不断的发挥着他的作用。而対于视频水 印的研究起步较晩,matsui等在1994年提出将图像水印

18、的算法应用到视频的帧中去，将视 频信号的每-帧简单的看做图像处理。由丁视频相对于图像要复杂的多，所以对丁视频水卬 的研究要以现冇的图像水印技术为依托，不断的摸索探讨。fi前对视频的数字版权保护是 数字水印技术发展的一个重要方向，也是对数字水印研究领域的考验。数字水印作为一门新兴的学科，时间尚短。但是数字化技术和internet的发展正改变 着文化传播的载体和方式，数字图书馆、网上发行等新概念层出不穷，midi、cd、vcd、dvd、 mp3等数字产品让人眼花缭乱，口不暇接。大家都看到了作为互联网吋代知识产权的维护手 段，数字水印技术的研究发展势不可挡，虽然学术上尚不成熟，tt商家们都看准他的未

19、來意 义和市场价值。所以对于数字水印技术的研究和专利大家都分秒必争。在全球领域，国际上有实力和影响力的大公司也介入了数字水印技术的研究。来争抢这 块肥肉的人牌也已经很多，如ibm公司的waston研究屮心、微软公司建桥学院、朗讯公司 贝尔实验室、sony公司、nec等。就连美国的军方和财政部都人力支持。一些知名的高校也 积极的参其中。在美国，以麻省理工学院媒体实验室为代表的一批研究机构和企业已经中 请了数字水印方面的专利。1996年，在英国剑桥牛顿研究所召开了第一届国际信息因此学术 研讨会，至今已举办了三届。国际上一些很有影响力的学术期刊也都开辟了数字水印技术的 专栏或者专题报道。比如：iee

20、e图像处理、ieee会报、（ieee通信选题、ieee消费 电子学。在国内，我们对数字水印技术的研究比起西方国际是有很大的差距的。近年来，随着科 技的发展，学术界対数字水印技术的反应也表现的特别快。1999年12月，我国信息安全领 域的院丄们与有关科研单位组织召开了我国第一届信息隐藏学术研讨会，促进了数字水印及 其他信息隐藏技术的研究和应用。2000年1月，山国家“863”智能专家组和中科院自动化 所模式识别国家重点实验室组织召开了数字水印学术研讨会。与会的单位全是国家前沿技术 机构和名牌人学，国家自然科学基金委员会、国家信息安全测评认证中心等部门也都与会并 给予大力支持。现在，已经有一大批貝

21、有实力的科研机构和高校投入到这一领域的研中來了。 相信我国的研究水平和世界的差距定会越来越小。数字水印技术的应用领域也在随着研究水平的提高而扩展。起初仅仅作为图像处理软件 的插件，而今已经开始向大型商业化软件发展，呈现出面向internets多种技术集成的发展 趋势。而密码技术，尤其是数字签名技术的结合，构造综合的数据安全系统，面向更广的 数字载体，如三维动画、数字地图等。在军事应用上，美国陆军实验室是进行数字水印研究 的最好机构之一，各种军用影像数据的隐蔽标志与篡改提示是已经公开了的数字水印应川研 究项目。徳国已经利用数字水印技术来防止伪造篡改数字图片，美国利用数字水卬技术用于 商标防伪。我

22、国一些公司也牛产出了数字水印产品，北京华旗影像技术研究院开发了水印系 列产品，应用于图像、音频和视频的版权保护17-18 0数字水印技术作为数据安全领域中的新生事物，具冇很高的技术含量和很强的生命力， 随着他的发展，水印应用范围逐渐扩展，同时也孕育了巨人的市场和商机。然而，市场上的 数字水印产站在技术上还不成熟，而临着很多攻击或者破解，所以而对这些考验，我们还有 很多需要去完善。1.3论文的主要内容与结构本文的主要研究内容和结构：（1）第一章为绪论，主要介绍了数字水印技术产生的背景、研究的意义、数字水印的发展 历程以及近些年数字水印技术的研究现状和发展趋势。（2）第二章为数字水印技术，全面的介

23、绍了数字水印技术的基本原理、基木特性，归纳了 数字水印技术的分类和对水印的攻击，并对当前普遍使用的水印系统的性能评价标准进行了 介绍和分析。（3）第三章是基于qim的数字水印算法，本章介绍了人眼的视觉系统（hvs）、量化索引调制（qim）以及数字签名的基本原理及意义，提出了基于det域和基于dwt域的qim算法， 并对其进行了比较，通过仿真对其做了简单的验证。（4）第四章是基于aq1m的数字水印算法，本章在第三章的基础上，介绍了白适应量化索 引调制（aqim）的原理及意义，基于人眼系统（hvs）的自适应量化索引调制，并在det域 和dwt域利用aqim嵌入水印，通过仿真做了性能分析。（5）第五

24、章是总结少展望，对本论文的内容及工作做了总结，并对下一步的工作提出了展 望。第二章数字水印技术2. 1数字水印算法的基本原理和框架水印，是不被感知的在作晶中嵌入信息的操作行为1。数字水印就是利用数字信息的冗 余性，将水印信号（如一些版权信息）嵌入到数字媒体（数字视频、数字音频、数字图像） 屮，参考人眼的视觉系统，使得嵌入信息后的水印不被发现，不影响原来的视觉或者听觉效 果，并口能够经受住一定的攻击考验，即嵌入水印的信息在经历各种攻击后，仍然能够从中 较好的检测或提取水印。在需耍版权证明时，对以从中提取水印来进行验证。这样对以证明 产品的真实性，跟踪盗版或者提供产品的添加信息。数字水印从信号处理

25、的角度看，可以理 解成在宿主信息（或称载体信息）的强背杲下叠加上一个信号强度低于人类视觉系统的水印 弱信号；从通信的角度，数字水印可以看成在一个宽带信道（载体）上，用扩频等技术传输 一个窄带信号（水印），这时，水印信息可以看成一种噪声。数字水印技术将水印作为一种隐蔽标记嵌入到数字化的多媒体数据中，这种标记通常是 不可见的，只能用专用的检测器或者阅读器才能提取到。所以粗略的讲，数字水卬系统都包 括水印嵌入器和水印检测器两部分。嵌入器至少有两个输入量：一个是要嵌入信息的原始载 体信息，一个是耍经过编码作为水印的待嵌入水印信息。嵌入器看以看做是一个函数，来处 理输入的信号，完成水印的嵌入，然后将含冇

26、水印的水印作品输出用于传播或者记录。水印 检测器的输入至少有一个量，那就是嵌入器输出后经传输的作品，如果检测器在提取水印时 候不是盲提取，即需要原始载体或者水印信息，那么其输入还需要包括原始载体倍息和原始 水印信息，大多数检测器将设法检测出水印是否存在，若存在，则输出水印编码的信息和嵌 入水印后的作品，如杲不存在，仅仅输出原始作品。图2-1所示为数字水印系统的基木框架 19。其中:仃）x：原始数字产品的集合（数字音频、图像、视频）；（2）w：水印信号的集合;（3）k：水印处理过程中使用到的密钥的集合，密钥在水印的生成、嵌入位置的选取以及在水 印提取过程屮都起到重要作用，关系着整个水印系统的安全

27、性；（4）go：利用密钥、消息和水印的数字产品共同生产水印的算法,即w=g（x, k, m）,其中m表 示消息的集合；e （）：将生成水印嵌入到数字产品中的嵌入算法,bp xw=e（x, w, k）,其中代表嵌入xw水印 信息后的数字产品；fl有水卬d（xw，x,k） = l（6）d （）：检测或提取算法，即1°尢水卬如果检测过程中不需要原始信息，即盲检测，则检测算法为:1d（x、”,k）= °有水卬无水印人类知觉系统水印存在?消息m，图21数字水印系统的基本框架2.2数字水印的基本特性数字水印系统可以由一些限定的特性描述其特征，其中在嵌入过程中最典型的特性有： 鲁棒性、有

28、效载荷、不可见性。这三个性质在水印的嵌入过程中，是相互制约的，也就是说， 我们不可能在一个水印嵌入屮同时让三者同时达到最优化，只能根据水印嵌入的应用目的， 有侧重的加强某一方面的性质，相对的让三个性质折中，从而设计出一个符合要求的最优的 水印系统。1. 鲁棒性数字水印的鲁棒性也叫做稳健性、顽健性，是指在经历多种冇意或者无意的信号处理过 程或者噪声攻击之后，数字水印仍然能够保持完整性或者仍然能够被准确的鉴别。常见到的 操作有剪切、有损压缩、滤波、噪声、儿何失真（旋转、平移、图像缩放等）、a/d或d/a转 换、重采样等等。如果经过这些处理后，水印仍然能够检测到或者提取出来，就说明该系统 的鲁棒性较

29、强。当然，并不是所有的水印系统都要求启较高的鲁棒性，也要看具体的应用， 例如脆弱水印要求水印对操作比较的敏感，这样就可以检测到信号是否被改动，就要求该系 统很对改动很脆弱，很敏感，就不能要求鲁棒性这个指标。2. 有效载荷水印的冇效载荷指的是在单位时间内或者在一个作品中水印编码的最多比特数。也称水 印的容最、加载率、嵌入率。图像的有效载荷是指在图像屮编码的比特数；音频的有效载荷 是指毎秒传输的比特数；视频的有效载荷是指每帧的比特数或者每秒的比特数。没有特姝要 求下，一般要求恢入的水卬的有效载荷尽量的大，这样町以恢入尽量多的水印信息。信息量 太少不足以唯一的确定产品，在典型的应用屮，一般取60到1

30、00位的信息量。3. 不可见性不可见性也叫保真度、隐蔽性，是指载体信号在嵌入水卬z后，人类对于该处理的感知效果 没有变化。也就是说嵌入处理对于原信号没有影响。所以不可见性也经常被称作不可感知性。 当然不可见性的要求也是看具体的应用而定的。在载体信号里面嵌入水印，肯定会改变了载 体信号的原始数据，但是这些改动体现在最后的作品中，是以人类的感知为基准的。例如人 眼的视觉系统木身是一个低通滤波器，冇些数据的改变在一定的范围内，是不会影响视觉系 统的判断的，所以视觉效果是不会变化的，当然这也是我们能够在原始信号中恢入水卬的基 础条件。大多数的水印应用中，要求带水印的图像保持极高的品质，与原始图像z间在

31、肉眼 卜儿乎不可辨别。不可感知性还有一个方面就是在统计意义上的不可感知性，及原始作品与 加入水印的作品具有一致的统计噪声分布，攻击者很难通过统计规律的变化来判断作品中是 否有水印信息。当然，某些特定的场合卞，版权保护标志可能不要求被隐藏。也就是说有些 水印信息是可见的，这个不在我们的研究范围內。水卬的鲁棒性、有效载荷以及不可见性三者是矛盾的结合体，是不可调和的，前面我们 提到过，设计水印系统的时候是不可能同时让三者达到最优的。例如，我们想尽量大的提高 水印的有效载荷，但是，当嵌入的水印太多，就会使得嵌入区域也大，原始信息的数据改动 也很多，那么就会影响到原始图像的质量，使得不可见性降低。除了这

32、三点z外，数字水印述有一些性质，比如，安全性、盲检测性、通用性、计算效 率高等等。数字水印的安全性是抵御非法用户篡改的能力，它是通过水印的密钥來实现的， 在密仞密仞吋，即使用八知道水印的存在和算法，也无法提取到嵌入信息。所以密仞的隐蔽 性体现了水印安全性。盲测性是指在没冇原始数据的情况下，能够检测并提取水印，大多数 情况下，检测器是无法得到原始作品的，这样的情况下要想能够检测到水印，必须依靠他的 盲检测性，当然也不是所有的水印系统都是忙检测的。好的水印算法应该具有较高的计算效 率和多种文件格式的适应性。水卬的性质随着应用的扩展而延伸，总之，好的水印系统应该在应用的基础上，充分考 虑到它应该侧更

33、的性质，在保证满足实际应用的基础上，使得其他的性质达到最优的折屮， 最终让整个系统达到最优的状态。2.3数字水印的分类按照不同的角度，数字水印有以下分类20 o1. 按照感知形式根据水印的感知形式，水印可以分成可见水印和不可见水印。可见水印是能观察到的， 例如电视台的台标，直接覆盖在原始图像上，这个和现在的人民币是类似的。这个感官的方 式不一定是直接看的，冇可能要借助一些手段，比如借助光z类的。现在在internet网上 很多的数据资料都是在预览图像上进行了明显的标记，來防止非法用途。不可见水印是在感 官是觉察不到的。不会影响到任何感官的质量。我们通常说的数字水印主要指的就是这种。 当盂要证明

34、作品的所冇权和完整性时，我们可以从中提取出水印，当然这个需要用到密钥。2. 按照魯棒性根据水印的鲁棒性不同，可以将水印分为鲁棒水印和脆弱水印。鲁棒水印是指水印嵌入 作品之后，和作品一起经历各种常用的非恶意操作（如：剪切、滤波、加噪、旋转等等）和 恶意攻击，而水印仍然可以被提取出来，这种水印主要用于版权证明和保护。脆弱水卬是一 种对信号的改动非常敏感的的水印，只要嵌入水印后的作品经历很轻微的改动，水印就会受 到很人的彩响，通过水印受损的程度可以判断作品是否被修改或者做了何种修改，这个主要 用于作品的完整性保护。3. 按照水印的内容根据水印信息内容的不同，可以将水印分为有意义水印和无意义水印。水印

35、作品木身也 是数字作品的水印称为有意义水印。受到攻击后，仍然能够通过视觉观察到水印是否存在。 无意义水印是指嵌入的是一个随机序列号。如果受到攻击，那么解码后的水印序列如果出现 了码元错误，就只能通过概率论与数理统计來判 断水印的有无。4. 按照水印嵌入域根据水印的嵌入域分为时/空域水印和变换域水印。时/空域水印是将水印直接嵌入到信 号空间上，不对原信号做域的变换，该种方式对作品的视觉效果影响较大，安全性也不高。 变换域水印则是将水印竦入到载体的变换域内，通过改变变换系数來嵌入水印，然后通过反 变换牛成嵌入水印的作品，完成嵌入。信号的变换域也有多种，常川的有离散余弦变换（dct）、 离散傅里叶变

36、换（dft）、离散小波变换（dwt）o当然还有一些其他的变化域，例如哈徳玛变 换域、奇界值分解域等等。5. 按照载体类型根据水印的载体不同，将水印分为文木水印、数字图像水印、音频水印、视频水印和三 维网格模型的网格水印等。由于数字媒体的发展，水印也会出现新的类型。6. 按照水印检测过程根据水印检测的过程，将水印分为明文水印和盲水印。如果检测过程需要原始载体信息 和原始水印，该水印为明文水印，它的鲁棒性比较强，但是应用受到存储成本的限制。反z, 检测过程不需要原始信息的水印称为盲水印，该检测过程只需要密钥即可。有些材料将检测 时不需要原始载体信息，但需要原始水印信息的水印称为半盲水印。水印的分类

37、还冇很多，比如，按照用途不同，可以分为数字版权管理水印、证件防伪水 印、广播监控水印、操作跟踪水印、拷贝控制水印、设备控制水印等。按照密钥不同，分为 私钥水印和公钥水印。水印的各种分类之间并不是独立的，一个水印系统经常是上述分类中 的几种，也就是说由于分类标准不同，他们经常是相互交叉的。2.4数字水印的攻击在与一系列的盗版、篡改、侵权的对抗应用中，催住了数字水印技术。而水印技术的应 用又以优胜劣汰的“自然选择”方式淘汰和进化了对手的技术，也就是水印攻击。所以水印和対水印的攻击无时无刻不同时存在，相互对抗，相互促进，共同发 展。随着多媒体技术的发展，水印技术的完善，对水印的攻击也h益多样化，在互

38、联网上出 现一些能够有效击垮商用水印系统的软件。目前存在的攻击大体上分为擦除攻击、表达攻击、协议攻击和法学攻击。擦除攻击试图 完全删除或者部分消弱水印信息，是水卬的主婆攻击方式，他破坏水卬的嵌入环节。例如除 噪、有损压缩，平均、共谋攻击等。表达攻击对缺入水印的信号进行处理，使得检测器无法 检测到水印是否存在，主要有儿何攻击、抖动攻击、密码攻击等。协议攻击时伪造或者非法 使用水印，使得水印失去版权标识的作用。主要有解释攻击和拷贝攻击。法学攻击经常出现 在商业应用中，设计到法律漏洞和认为要索。下面介绍一些比较典型的攻击21-23 o1. 几何攻击儿何攻击是通过对水印图像时/空域变换，从而使得水印遭

39、到破坏扭曲，使得检测器无法 与水印同步，无法检测岀水印的存在。因此也是常说的同步性攻击。常见的儿何形变主要有 剪裁、比例放缩、旋转、视角变换以及其他的几何形变等24。示来出现的还有行和列的剪 切等。抗击这种攻击的方法通常是使用特殊的水印检测同步技术，比如在嵌入水印的同时， 也嵌入对准信息或者易损水印25。或者使用radon变换，产生几何不变域26。2. 拷贝攻击拷贝攻击是指攻击者在没有密钥和恢入算法的情况下，根据含有水印的图像，利用最大 似然估计（ml）、最小均方差（mse）、最人后验概率（map）等方法估计出水印信息。估计出 水印后，再将这个伪造水印嵌入（拷贝）到其他图像上，根据目标图像的局

40、部特性，对该水 卬进行调整，达到不可见性的口的。拷贝攻击得到的水卬是通过恢入水卬的图像和原始载体 图像的线性减法得到的。在木文的后面会提出一种在载体中嵌入数字签名的算法，该算法能 够抗拷贝攻击。3. 平均/共谋攻击统计平均（/共谋）攻击是攻击者拥冇含冇相同水印的多个不同的作品（拥冇相同作品的 多个拷贝，且每个拷贝中含有不同的水印），对他们进行统计平均的运算，获得估计的水印信 号（获得估计的宿主信号）。最后都町以将水印从中删除，达到擦除水印的冃的。对抗统计平 均攻击的方法是嵌入多个水印，并让他们在图像中相互独立。对抗共谋攻击方式是在水印嵌 入算法屮使用随机密钥加密，增加攻击的计算复杂度。4. 解

41、释攻击解释攻击也称作伪造攻击，是由ibm公司cracer等人提出的。cracer等人引入了可逆水 卬概念，并针对可逆水卬算法提出了该攻击方案，所以也称作ibm攻击或迷惑攻击。它是试 图通过伪原始数据或伪水印来产生混淆，该攻击在已加入水印的图像中再嵌入一个或多个附 加水印，从而破坏水印的权限，使得第一次嵌入的水印变得不明确，并以此来迷惑版权保护。 cracer等人证明了用于版权保护的水印必须是不可逆的。所以通常采用单向函数牛.成水印信 号，如单向哈希函数。5. 替换攻击替换攻击是用利用视觉相似性來取代原始信号的部分。通常使用邻块插值法或者从其他 载体中去相似块替换当前图像块，来去除嵌入水印的部分

42、，还能达到视觉上的不可见性。 6抖动攻击抖动攻击是将图像分为若干部分，在每一部分上随机的附加去除一个抖动信号，破坏水 印检测与被检测水印信息z间的同步性。利用扩频方式进行的水印方案容易受到抖动攻击， 所以抗击此攻击的方式就是利用木文示面所要研究的量或索引调制方案(qim)o水印和攻击的相互促进发展，要实现一个强壮的水印算法是相当有难度的，目前，还没 有一个算法能够真正的经得住大量攻击者的进攻，网络上出现的stirmark. checkmark. optimark就是一些能有效击垮商用水印系统的软件，所以水印技术的发展还有好多路走。2. 5数字水印系统的评价一个数字水印系统设计好之示，就面临着系

43、统性能的评价问题。用什么样的标准去评价 该系统呢？现阶段，水印系统性能评价的研究相对滞后于水印算法的研究，还没有一套完整 的评价体系，也就是述没有一个统一的评价标准。fi前评 价水印性能口j以从主观评价标准和客观质量评价标准两个方面考虑27 28 o1. 主观评价标准主观评价标准是从人类的主观感官上来评价的。比如人类的听觉系统能够对嵌入水卬的 音频进行评价，而视觉系统能够对嵌入水印的图像和视频以及文本信息进行评价。人类的视 觉系统能分辨图像的畸变和失真程度，如对伪轮廓、方块效应、振铃校园、颗粒噪声、和几 何失真等。将失真的数据按照次序排列,有观察者根据一定的测试协议对给个数据进行评定， 得出感

44、知性。表2-1列出了 itu-r rec. 500协议的质量等级级别和相应的感知性。但是由 于评价个体的经验不同，视觉生理存在差别，对图像的上观评价就会有很人的差别，这也是 主观评价的不足z处。例如专业人员和普通人员对待同一图像的评价差距是很大的。表2-1 itu-r rec.50()的质量等级级别ratingimpairmentquality5imperceptibleexcellent4perceptible, not annoyinggood3slightly annoyingfair2annoyingpoor1very annoyingbad除了不同的观察者的主干评价冇很大差别外，同一

45、观察者评价时也受到观察动机，环境 等其他因素的影响，所以也增加了评价的主观性、不确定行。所以单凭主观评价肯定是不准 确的，但是并不是说主观评价时没冇价值的，在一定的条件下，它也发挥重要的作用。2. 客观评价鉴于主观评价的不确定性，在实际的研究和开发屮，往往采用定最度最的办法。即利用 个能用数据來定量评价的不依赖主观感觉的函数指标來评价水印系统的性能。目前常用的 基于像素的图像视觉失真度量的标准函数有归一化相关函数、均方误差、信噪比和峰值信噪 比等。(1) 归一化相关系数(nc) 29在信号处理中经常用到的来研究两个信号的相似性的函数。用到水卬的性能检测中，来检测 嵌入水印的图像y与原始图像x之

46、间的相似程度，其定义为：工工 y"，其中y(i, j),x(i, j)是水印后图像和原始图像在位置(i,j)处的像素值。通过判断得到的nc 与设定的阈值(th) z间的大小关系来判断是否近似。当noth时，判断二者是近似的。(2) 均方误差(mse)均方误差(mse)是数理统计中常用的指标。是指参数估计值与参数真值z差平方的期望值。 现在是用来评价图像感知质量的最普遍的手段z。用过得到的mse, nj'以直接估计出对象的 变动。可以衡量水印后的图像和原始图像在品质上的差界程度。其定义为：其中m*n是图像的尺寸。(3) 信噪比(snr)和峰值信噪比(psnr)信噪比和峰值信噪比

47、通常用在通信系统中，來表示系统的优越程度。狭义來讲是指放大 器的输出信号的电压与同时输出的噪声电压的比，常常川分贝数(db)來表示。对于图像， 水印信号就是噪声，影响了图像的站质，所以会有snr和psnr。计算公式如下：1 m /vmax 川，丿尸psnr = 10 log 10对于图像來说，snr的计算比较复杂，在应用上基本上釆用峰值信噪比psnr。主观上可 以容忍的图像的psnr值一般在20db以上。峰值信噪比在一定程度上反映了图像处理前后 的变化情况，但实际上它只能从整体i二反映两个图像的品质差界，不能给人类视觉模型对局 部品质进行客观的描述。在2.2屮论述过水卬的重要特性，评价系统的性

48、能时当然要根据重要特性去评价，以上 所论述的性能评价是从水印的不可见性来评价。现在商业上评价一个水印系统的优劣还冇一 个特別重婆的指标，那就是看该水卬系统的鲁棒性，也就是看能否抵抗住多种攻击。在2. 4中, 我们也论述了现在攻击的种类多种多样r有冇效地攻击效果，所以在攻击上也没冇一个统一 的标准來衡量系统的鲁棒性。口前，商业上出现了好多攻击软件來检测系统的鲁棒性，比较 有名评测系统有:stirmark 评价系统30-33 > certimark 计划34、checkmark 3538评 测系统、opti mark 39-40水印评测系统。(1) stirmark评价系统stirmark评

49、价系统是由英国剑桥人学的fabien a. p. petitcolas开发，从1997年发 布的第一个版本到现在4.1版本，在水印界获得了极大的关注。stirmark将用一组攻击加 在水卬图像上，然后用待测的算法检测和提取水卬信息。如果检测或提取正确，则实验分值 为1,否则为0.对各种成功实验的百分比就是该水印算法的性能指标。stirmark中包含的 攻击有：信号增强、jpeg压缩、缩放、剪切、切变、线性变换、几何变换和随机几何变换等。 stirmark出现后，儿乎能攻破当时所有的算法，它的成功之处在于眾露了水印算法对局部儿 何畸变的弱点。(2) certimark 计划2000 年欧盟启动了

50、 certimark (certification for watermarking techniques)计划。 目的是为水印技术建立一种国际承认的认证工具。它采用客户机-服务器结构。水印的嵌入、 攻击、检测、图像质量的主/评价和评测结果等功能都采用模块结构，如图2-2。消费者可以 评价一个水印算法是否满足他们的需要。水印技术的开发者可以在一个统一公开的基准上竞 争。图2-2 certimark功能模块(3) checkmark评测系统checkmark是在certimark计划的支持下,由瑞士日内瓦大学的s. pereira和t. pun 等人在2001年5月开发岀的一个水印评价系统。它在

51、保留了 stirmark的攻击的基础上, 新增加了基于以卜方法的攻击：小波压缩(jpeg2000)、投影变换、儿何扭|11|、拷贝、去噪以 及去噪示的重新调制等等。在图像质量评价中引入了加权峰值信噪比和watson的图像质量 度虽。还可以单独的使用英中的各个攻击，最后以加权平均的方式计算出总的得分来评价系 统。目前checkmark还有一些功能不够完全，开发者还在进一步完善。(4) optimark水印评测系统optimark也是在certimark计划的支持下，由希腊thessaloniki大学的i. pitas等 人开发出的一个水卬测评系统，它是一个静态图像水印算法测试基准工具。和stir

52、mark以 及checkmark相比较，optimark在水印评测的全面性上做的更好更细致一些。在评测图像水卬软件吋，使用不同的图像评测室很重要的。公平的比较相同的一套图像 样木也经常被采丿ij。所以应该考虑建立一个水印测试基准图库。里面的图像应该冇某些典型 的信号处理特点，但是耍得到一个包含所有类型图像的图库是不町能的，而且建立一个满意 的图像索引也困难重重，目前我们经常采用的测试图像人多数是些经典的图像，如 lena, baboon, peppers, cameraman等等，所以在测试上，冃前还不可能达到很高标准的测试。 所以水卬性能的评估测试棊准的完善任重道远。2.6数字水印的应用数字

53、水印的产牛是以保护产权为口的的，随着研究的发展，数字水印技术也在应川屮发展创新。除了版权保护之外，水印和信息隐藏还启许多其他比版权应用更好的应用。日前应用于 范围已经很广，涉及到的行业也很多。主要的应用领域有广播监控、所有者识别、所有权验 证、操作识别、内容认证、拷贝控制、设备控制等。数字水印述有其他一些已经发现或尚未 发现的应用，例如：图像和音/视频数据的注释，图像和视频的检索，视频数据发送错课的校 正等等，冃前这些新的应用吸引了很多企业和学术界的注意。第三章基于qim的数字水印算法3. 1量化索引调制数字水印技术在嵌入方式上不断的改进和创新，开始简单的授低冇效位(isb) 43嵌入算 法是

54、在空域上将水印信息直接嵌入到载体信息的最低有效位数，或者说是川水印信息直接取 代载体信息的最低有效位，该方法是比较简单的，但是容量a小，对载体图像的视觉质量影 响较大。随着技术的改进，在变化域上出现了扩频水印(ss)和量化索引水印(qim),也就 是现在水印技术上常用的两种方式。本文采用的就是qtm方法，先简单介绍一下这两种方法。3. 1. 1扩频水印44扩频(spread spectrum)水印算法来源丁扩展频谱通信理论。该算法是将水印设计成为 具有伪随机性的信号，让其具有高斯白噪声的自相关性，然示将该水印看做是一种噪声，采 用扩频的方式将水印信号通过一定的方式附加到载体图像的扩展频带上，在

55、接收端，将扩散 到所有频帶上的微弱信号集中起来，得到高信噪比的水卬信号。图3-1为扩频水卬的嵌入过 程。水印信息原始载体噪声待检测信息图31扩频水印的嵌入方式扩频算法在嵌入水印时，采用的方式是将调制好的水印信息直接附加在载体 图像上，经常采用的方式有：(3-1)xw= x。+ 0w(3-2)(3-3)其中w代表水印信息，9为嵌入强度。该算法在提取水印时，将载体图像看做是一种噪声，解码器(dec)不能进入进入载体信 息，影响水印的提取，直接的将水卬附加在原始图像上也影响了水卬的容屋，抗噪声能力较 好，但是対图像的视觉效果影响较大。3.1.2量化索引调制1. qim意义量化索引调制(quantiz

56、ation index modulation)是根据要嵌入的水印信息，利用不同 的量化器对载体信息进行量化，使得嵌入前后的图像信息在不同的区间上，量化后的信息就 是带有水印的信息。1998年,麻省理工大学的brian chen和gergory w. wornel 1提出了一 种新的水印嵌入观点，称为quantization index modulation (q1m)方法。近几年这种算法比 较流行。图3-2给出了 qtm图像水印的一般模型18。原始图像图3-2qim图像水印的-般模型量化索引调制的嵌入算法为：y = 0 工?）（3.4）其中x表示作品中待嵌入信息的载体向m, m表示待嵌入信息，

57、q （）表示量化函数，y是 经过量化后的载体向量。2. qim的屋化器用量化索引调制嵌入水印的关键在于量化器的选择，它关系到嵌入的效果，所以简单介 绍一下该方法的量化器。按照量化的维数分，量化分为标量量化和矢呆量化。标量罐化是一维的量化，一个幅度 对应一个量化结果。而矢量量化是二维其至多维的量化，两个或两个以上的幅度决定一个量 化结果。以二维情况为例，两个幅度决定了平面上的一点。而这个平面事先按照概率已经划 分为n个小区域， 每个区域对应着一个输出结果（码书，codebook）由输入确定的那一 点落在了哪个区域内，矢量量化器就会输出那个区域对应的码字（codeword）。矢量量化的 好处是引入

58、了多个决定输岀的因素，并且使用了概率的方法，一般会比标量疑化效率更高。 图3-3是矢量量化图。图33矢量量化图例如：要嵌入lbit的水印信息（也就是一位,0或者1）,那么量化器的种类是2"1=2, 即me 1,2;也就是我们需要两种量化器（常用“x”和“o”表示）,如果沪1,载体信息x 用“x”量化，s被选为最接近x的“ x”。m二2,载体信息x用量化.其量化图可用 图3-4表示：从qim的嵌入模型看以看岀，这种嵌入方式是以水印信息为参照，按照量化器的要求, 对原始载体信息进行轻微的改写，当然在改写的过程中会考虑到人眼的视觉模型，减少对原 始载体信息的质量影响。它与传统的在原始信息上加载水印信息有着很大的区别，所以在水 印的容量上合鲁棒性上，都占有很人的优势。o图3-4用“x”和“o”标记的属于两种不同的量化器，对应不同的m值，如果 沪1,载 体信息被最