多媒体信号处理 课件 第8章 数字水印技术

第9章

数字水印技术9.1.1数字水印技术的产生背景和应用9.1.2数字水印的基本特征9.1.3数字水印系统的组成9.1.4数字水印的分类8.1数字水印概述8.1数字水印概述利用数字媒体内容普遍存在的冗余性，将秘密信息隐藏在数字媒体产品中而不引起物理外观的显著变化，使得人们觉察不到它的存在，即使截获者知道秘密信息的存在，未经授权也难以将其提取出来，从而保证了秘密信息的机密性和安全性。

信息隐藏基本思想起源于古代的隐写术（steganography）传统密码学的加密方法有缺点明确地提示攻击者哪些是重要信息，容易引起攻击者的好奇和注意，并有被破解的可能性，一旦加密内容被解密就不再有保护作用了。攻击者在破译失败的情况下可以将数字媒体内容破坏，影响原内容的价值和使用。8.1数字水印概述信息隐藏与加密技术的区别信息隐藏加密技术隐蔽性不易被发现已经隐藏了信息容易被发现进行了加密保护程度保护存在于整个生命周期过程存储与传输过程保护，解密后不具有保护作用对可用性的影响不影响宿主的可用性解密后才可用成熟程度正处于发展完善中相当成熟8.1数字水印概述数字水印是永久镶嵌在其他数据(宿主数据)中具有可鉴别性的的数字信号或模式，而且并不影响宿主数据的可用性。Digitalwatermarkingistheprocessofembeddinginformationintoadigitalsignal.Thesignalmaybeaudio,picturesorvideo,forexample.Ifthesignaliscopied,thentheinformationisalsocarriedinthecopy.8.1数字水印概述8.1数字水印概述人类对于图像感知是有限的：空域中，像素冗余性变换域中，也存在大量冗余数字水印技术利用人的感知系统对载体本身的不敏感性以及载体本身存在冗余特性而设计的。为什么可以嵌入水印数字水印主要应用领域版权保护广播监控防止非法拷贝数字指纹内容验证叛逆者追踪元数据嵌入8.1数字水印概述应用领域：版权保护OriginalworkDistributedcopyWatermarkdetectorAliceisowner!WatermarkembedderAlice8.1数字水印概述应用领域：版权保护OriginalworkDistributedcopyWatermarkdetectorAliceisowner!WatermarkembedderAliceBob8.1数字水印概述应用领域：广播监控WatermarkembedderWatermarkdetectorBroadcastingsystemContentwasbroadcast!Originalcontent8.1数字水印概述应用领域：防止非法拷贝CompliantrecorderCompliantplayerLegalcopyIllegalcopyPlaybackcontrolRecordcontrolNon-compliantrecorder8.1数字水印概述OriginalimageDistributedcopiesDigital

fingerprintsUsers应用领域：数字指纹8.1数字水印概述应用领域：内容验证WatermarkembedderWatermarkdetector8.1数字水印概述15应用领域：叛逆者追踪8.1数字水印概述数字水印应具有如下的基本特征:不可感知性水印容量鲁棒性可证明性安全性8.1数字水印概述数字水印技术包括水印的嵌入和水印检测/提取两个过程。嵌入阶段的设计主要解决两个问题：数字水印的生成，可以是一串伪随机数，也可以是与作者有关的字符串、图标等信息经过加密产生；嵌入算法，嵌入方案的目标是使数字水印在不可见性和鲁棒性之间找到一个较好的折中检测阶段主要是设计一个相应于嵌入过程的检测算法。检测的结果或是原水印（如字符串或图标等），或是基于统计原理的检验结果以判断水印存在与否。检测方案的目标是使错判与漏判的概率尽量小。8.1数字水印概述

水印的嵌入:使用嵌入算法E把水印信号W嵌入到原始产品I中

一一8.1数字水印概述水印的检测:在水印载体中精确提取水印或通过相关检测判断其是否包含某一水印。8.1数字水印概述（1）按感知特性划分：不可感知水印（不可见水印）：人的感观不能感知嵌入的水印，不影响作品的质量，具有较高的使用价值可感知水印（可见水印）：可觉察数字水印嵌入到载体后会在媒体中留下明显的印记，主要用于标识版权，防止非法使用，虽然降低了资料的商业价值，却不妨碍使用者的使用，如电视台的台标等。8.1数字水印概述（2）按水印的抗攻击能力划分：鲁棒（Robust）水印：要求嵌入的水印能够有效抵抗各种有意或无意的攻击，主要用于解决数字版权保护问题。脆弱（Fragile）水印：对信号的改动很敏感，根据脆弱水印的状态就可以判断数据是否被篡改过，主要用于完整性验证。半脆弱（Semi-Fragile）水印：结合了鲁棒水印和脆弱水印和的特点。和鲁棒水印一样，半脆弱水印能够容忍一定程度的信息处理失真（不是恶意的攻击），例如有损压缩引起的量化噪声；同时又具备脆弱水印的特性，能够判断出图像是否被篡改，并对图像的篡改区域进行定位。8.1数字水印概述（3）按水印的嵌入域划分：时/空间域水印：通过直接修改媒体数据采样值的强度实现水印嵌入的。变换域（频率域）水印：先对原媒体进行某种形式的正交变换，在变换得到的系数上嵌入水印，再经过相应的逆变换得到含水印的媒体。常用的变换包括离散傅里叶变换（DFT）、离散余弦变换（DCT）、离散小波变换（DWT）等。8.1数字水印概述（4）按水印检测方式划分：非盲（Non-blind）检测水印：水印的检测和提取是在分析原始媒体数据与含水印媒体数据差别的基础上进行的，检测和提取过程必须在原媒体的参与下完成。盲（Blind）检测水印：水印的检测和提取由含水印的待测媒体本身确定，而不需要原始媒体的参与。半盲（Semi-blind）检测水印：水印的检测无需原始媒体数据，但是需要某些与原始媒体数据有关的信息，这些信息可能是原始数据嵌入水印时的某些参量，也可能是表征原始数据某些特征的信息。8.1数字水印概述（5）按水印的用途划分：版权保护水印：是目前研究最多的一类数字水印。数字作品既是商品又是知识作品，这种双重性决定了版权标识水印主要强调隐蔽性和鲁棒性，而对数据量的要求相对较小。票证防伪水印：是一类比较特殊的水印，主要用于打印票据和电子票据、各种证件的防伪。认证水印：是一种脆弱水印，其目的是标识载体数据的完整性和真实性。隐蔽标识水印：目的是将保密数据的重要标注隐藏起来，限制非法用户对保密数据的使用。8.1数字水印概述8.2.1WatermarkinginSpatialdomain：最低有效位方法(LeastSignificantbit,LSB)8.2.2WatermarkinginSpectrumdomain：基于DCT域的方法8.2.3WatermarkinginHybriddomain8.2图像水印技术最低有效位（LeastSignificantBit，LSB）方法：将水印直接嵌入到原始信号表示数据的最不重要的位置（最低有效位）中。对于8位的灰度图像，每个像素的数字g可用公式表示

8.2.1最低有效位方法27按比特把图像进行位平面分解3524423132101321011101010100100010011001011010001000001011010001110000111010110110100011100011100101100000000000十进制灰度值二进制位平面8.2.1最低有效位方法288.2.1最低有效位方法29嵌入步骤位平面分解：将原始图像的灰度值由十进制转为二进制用二进制水印信息中的每一比特信息替换与之相对应图像载体数据的最低有效位将得到的含水印的二进制数据转换为十进制像素值，从而获得含水印的图像0101011101010100100010011001011010001000001011010001010101010101010110100011100011100101100000000000待嵌入水印原图像811000011101011018.2.1最低有效位方法300101010101010101101000111000111001011000000000000101010101011000100100010100110000010000110100012525422123010321嵌入步骤位平面分解：将原始图像的灰度值由十进制转为二进制用二进制水印信息中的每一比特信息替换与之相对应图像载体数据的最低有效位将得到的含水印的二进制数据转换为十进制像素值，从而获得含水印的图像8.2.1最低有效位方法31原图像数字水印水印载体图像8.2.1最低有效位方法32提取步骤将水印载体的灰度值由十进制转换为二进制提取水印载体图像信息中的最低位提取将提出的二进制数据转换为十进制像素值，从而获得数字水印01010101010101010101101000111000111001011000000000000101010101011000100100010100110000010000110100018.2.1最低有效位方法33提取出水印后的载体提取出的数字水印嵌入水印后图像8.2.1最低有效位方法缺点最低有效位相对不重要，在此基础上嵌入的水印信息对噪声的抵抗能力较差一个像素仅能嵌入1bit信息，且嵌入的位置容易确定，易受到攻击解决脆弱水印+半脆弱水印8.2.1最低有效位方法在DCT变换域嵌入水印考查DCT变换域中什么位置适合嵌入水印？从水印不可见性考虑将水印嵌入DCT变换域的AC高频系数从水印鲁棒性考虑将水印嵌入DCT变换域的DC系数或AC低频系数8.2.2基于DCT域的方法DCT变换先将图像函数变换成偶函数形式，再对其进行二维离散傅立叶变换，故DCT变换可以看成是一种简化的傅立叶变换。离散余弦变换也可以将图像从空间域转换到频率域8.2.2基于DCT域的方法DCT系数一是系数值全部集中到0值附近。从直方图统计的意义上来看，动态范围很小，这说明用较小的量化比特数即可表示DCT系数；二是DCT变换后图像能量集中在图像的低频部分，即DCT图像中不为零的系数大部分集中在一起（左上角），因此编码效率很高。三是没有保留原图像块的精细结构，从中反映不了原图像块的边缘、轮廓等信息，这一特点是由DCT缺乏时局域性造成的。下图原始图像经过DCT变换后的系数图像，右图为系数示意图。两条线划分出图像的低频、中频和高频分别所在的矩形区域。可以看出，图像DCT变换后大部分参数接近于零，只有左上角的低频部分有较大的数值，中频部分参数值相对较小，而大部分高频参数值非常小，接近于零。8.2.2基于DCT域的方法低频中频高频能量聚集性有序性8.2.2基于DCT域的方法图像分块：将图像划分为若干个块，通常以8x8的大小为一块。DCT变换：对每个块应用DCT变换，将图像从空域转换到DCT域，得到每个块的DCT系数。水印嵌入：根据嵌入规则，将水印信息嵌入选定的DCT系数。常见的方法是将水印信息嵌入到低频或中频系数中，这样可以提高水印的鲁棒性。逆DCT变换：将图像从DCT域恢复到空域。根据上述步骤，可以得到含有水印的图像。某种嵌入规则8.2.2基于DCT域的方法水印的提取1.图像分块：对待提取水印的图像进行与嵌入时相同的方式进行分块，通常以8x8的大小为一块。2.DCT变换：对每个块应用DCT变换，将图像从空域转换到DCT域，得到每个块的DCT系数。3.提取水印：根据水印嵌入时的规则，选择预定的DCT系数进行提取，通常是低频或中频的系数。也可以应用一些检测算法来判断水印是否存在或提取水印信息。4.逆DCT变换：将提取到的DCT系数应用逆DCT变换，将图像从DCT域恢复到空域。5.分析提取结果：根据提取结果进行分析和判断。可以通过与原始水印信息进行对比，或应用相关算法来进行验证和认证8.2.2基于DCT域的方法

8.2.2基于DWT域的方法小波变换的步骤第一步：把小波w(t)和原函数f(t)的开始部分进行內积，计算系数C。系数C表示该部分函数与小波的相似程度。第二步：把小波向右移k单位，得到小波w(t-k)，重复1。重复该步骤直至函数f结束.第三步：扩展小波w(t)，得到小波w(t/2)，重复步骤1,2.第四步：不断扩展小波，重复1,2,38.2.2基于DWT域的方法小波变换系数小波变换将图像分解为多个尺度的频域系数和一个低频近似系数

图像经过小波分解，会分解得到四个频带：LL（低频部分），LH（高频部分的水平方向），HL（高频部分的垂直方向），HH（高频部分的对角线方向）；得到的四个频带的大小相同均为原图大小的四分之一。低频包含了图像的主要内容，与原始图像非常相似，高频部分可以认为是图像冗余的噪声部分；8.2.2基于DWT域的方法三级小波分解示意图8.2.2基于DWT域的方法嵌入步骤第一步：将原始信号经过小波变换，得到小波系数。选择合适的小波基函数和分解层数。第二步：将水印信息转换为二进制序列，并进行预处理。如，对水印进行加密或选择特定的水印模式。第三步：根据嵌入算法，确定要嵌入水印的小波系数。这可以根据小波系数系数的幅值、相位或高频细节特定属性来确定。第四步：根据所选择的嵌入策略，通过在特定位置加入嵌入比特、修改系数值或调整系数幅值等方式，将水印信息嵌入到选定的小波系数中。最后，重构嵌入水印后的小波系数，并进行逆小波变换，得到嵌入水印后的信号。8.2.2基于DWT域的方法水印嵌入位置如果将水印嵌入低频系数LL1中，水印的鲁棒性好，但水印的隐蔽性差；如果将水印嵌入高频系数HH1中，水印的隐蔽性好，但水印的鲁棒性差。同时考虑到水印的鲁棒性和隐蔽性，将这两种方案折中一下，将水印嵌入到小波变换的水平方向细节的中频系数HL1中。HL1是一个二维数组，将HL1的数据分为像素对，比较每对像素值的大小，前者大于后者表示1，前者小于后者表示0，若二者相等，则将其中一个的值做微小调整，使得每一像素对的大小关系和水印二值图像的每一位相对应。对不能对应的像素对，将像素对前后的位置互换。8.2.2基于DWT域的方法小波变换v.s.离散余弦变换多分辨率表示局部的稳定性和适应性视觉掩蔽效应抗压缩性8.2.2基于DWT域的方法小波选择问题小波基函数vs各种信号改进：基于窗口的小波、奇异值小波分辨率分析短小小波基函数无法有效表示时域中快速变化部分改进：考虑时域上分辨率的小波变换计算复杂度大尺度信号／实时应用改进：快速小波变换8.2.2基于DWT域的方法8.3音频数字水印技术人类听觉特性：要在音频文件中嵌入水印就要利用人类听觉系统的某些特性，即人的听觉生理——心理特性，达到水印不可感知的目的。掩蔽效应人耳对声音信号的绝对相对不敏感，而只对其相对相位敏感。人类听觉系统对不同频率段声音的敏感度不同。通常可以听见20Hz－20kHz的信号，但听力最敏感的范围是在2kHz－5kHz这个中频段时域音频水印算法最低有效位算法：最低有效位法将水印信息嵌入到音频采样数据二进制的最低位。该算法实现简单，信息嵌入和提取速度快，嵌入水印容量大。回声隐匿法：回声隐匿法通过引入回声来将水印数据嵌入到载体数据中，利用听觉系统的掩蔽效应来设计的。音频信号的向后掩蔽效应使得弱信号出现在强信号之后，弱信号因为强信号的存在而变的无法被听见。8.3音频数字水印技术变换域音频水印算法相位水印：利用人耳听觉系统对绝对相位不敏感，而对相对相位敏感的特性，使用代表水印数据的参考相位替换原音频段的绝对相位，并对其他的音频段进行调整，以保持各段之间的相对相位不变。DFT数字水印：先对音频信号进行DFT变换，选择人耳听觉不敏感的中频段（如2.4-6.4KHz）的DFT系数进行水印的嵌入，即用表示水印序列的频谱分量来并替换相应的DFT系数。扩频算法：将信号的频带宽度增加的技术，使得信号在更宽的频带内传播，从而提高信号的抗干扰能力。8.3音频数字水印技术9.3.1基于未压缩的原始视频的水印方案9.3.2基于视频编码的水印方案9.3.3基于压缩视频码流的水印方案8.4视频数字水印技术1.视频水印的特点

每一帧是静止图像，但与图像又有很大不同视频信息量大，提取水印时需要实现盲检测虽然视频容量大，但视频水印经常有实时要求，要达到算法的实时性，必须降低算法复杂度攻击特殊：如帧平均、帧剪切、帧重组、丢帧、帧率改变等要与视频编码标准相结合8.4视频数字水印技术视频水印嵌入策略8.4视频数字水印技术2.视频水印方案的分类

按照水印嵌入的策略分类基于未压缩的原始视频：移植静止图像的水印技术，结合视频帧结构特点，形成适用于视频的水印方案基于视频编码：通过修改变换域系数，能得到较好的视频质量和较强的水印抗攻击能力，同时不会增加数据比特率基于压缩视频码流：最大优点就是不需要完全解码和再编码，提高了水印嵌入和提取的效率，但是能够嵌入的水印容量受到较大的限制，而且水印的嵌入有可能对视觉产生影响8.4视频数字水印技术方案一、基于未压缩的原始视频的水印方案优点：水印嵌入方法多，原则上图像水印方案均可应用于此，算法成熟，有稳健性水印、脆弱性水印等，可用于多种目的。缺点：①经过视频编码处理后，会造成部分水印信息丢失，给水印的提取和检测带来不便；会增加数据比特率；②对于已压缩的视频，需先解码，嵌入水印后，再重新编码，运算量大、效率低，防攻击能力差。8.4视频数字水印技术方案二、基于视频编码的水印方案通过修改编码阶段的DC