毕业设计（论文）：基于Curvelet变换的数字水印算法的研究

哈尔滨商业大学本科毕业设计（论文）基于Curvelet变换的数字水印算法的研究学 生 姓 名： 刘亚鸽 指 导 教 师： 吴 刚 专 业 班 级： 印刷工程一班 学 号： 201110830762 学 院： 轻工学院 二一五 年 六 月 十一 日Undergraduate Graduation Project (Thesis)Harbin University of CommerceResearch of digital watermarking algorithm based on Curvelet transformStudent Liu Yage Supervisor Wu Gang Specialty and Class Printing Engineering Class One Student ID 201110830762 School School of Light Industry 2015 - 6 - 11 毕业设计（论文）任务书姓名：刘亚鸽学院：轻工学院班级：1班专业：印刷工程毕业设计（论文）题目：基于Curvelet变换的数字水印算法的研究立题目的和意义：随着计算机网络的发展和科技的进步，数字化产品越来越多，它在造福人们的同时，也面临着版权保护以及盗版跟踪等一系列严重的问题。数字水印的出现在一定程度上解决了这一问题。数字水印作为一种新型的信息隐藏技术受到人们越来越多的关注和重视，目前也成为多媒体安全领域的一个研究热点，具有广阔的发展空间和应用前景。在数字水印发展的过程中出现了许多的水印算法，而基于Curvelet变换的数字水印算法在一定程度上弥补了以往一些水印算法的不足，在图像处理及信息安全领域具有极大的优势。基于此，本文简要数字水印技术的概况，并在此基础上详细介绍了一种基于Curvelet变换的新的水印算法。技术要求与工作计划：1. 按照确定的选题范围查阅相关文献，广泛阅读文献30篇以上，其中，英文文献至少10篇。2. 根据相关文献，撰写开题报告和论文综述，论文综述要求不少于5000字。3. 完成外文文献翻译一篇，不少于3000汉字。4. 在论文撰写过程中，论证要逻辑严密、概念准确、数据可靠、结论正确，符合毕业论文写作规范的各项要求。5. 毕业论文条理清晰、文字简洁，符合逻辑及科技论文规则。6. 针对数字水印技术概况作出了简单的介绍，并在此基础上详细介绍了一种基于Curvelet变换的新的水印算法。7. 运用所学的专业理论知识，联系实际情况，分析和解决本课题研究的问题。8. 根据指导老师提出的要求，完成毕业论文。时间安排：第一周第三周（3月2日3月22日） 根据论文题目，实习、调研、查阅资料。 第四周第五周（3月23日4月5日） 调研查阅资料，完成论文综述、外文文献翻译、实习报告、实习日记、开题报告。（第一次会审）第六周第十一周（4月6日5月17日） 整理思路，针对数字水印技术的相关知识内容进行分析、总结，提出自己的看法，完成论文初稿。（第二次会审）第十二周第十四周（5月18日6月10日） 整改论文，打印和装订，并完成答辩幻灯片。（第三次会审）第十五周第十六周（6月11日6月15日） 答辩。 指导教师要求：（签字） 年 月 日教研室主任意见：（签字） 年 月 日院长意见：（签字） 年 月 日毕业设计（论文）审阅评语一、指导教师评语：指导教师签字：年 月 日毕业设计（论文）审阅评语二、评阅人评语：评阅人签字：年 月 日毕业设计（论文）答辩评语三、答辩委员会评语：四、毕业设计（论文）成绩：专业答辩组负责人签字： 年 月 日 五、答辩委员会主任单位： （签章） 答辩委员会主任职称： 答辩委员会主任签字： 年 月 日哈尔滨商业大学毕业设计（论文）摘 要Curvelet变换是在单尺度脊波分析的基础上构造出来的一种多尺度脊波系统。该变换在很大程度上弥补了小波变换的缺陷，不但具有小波变换多尺度的特点，同时还具有较强的方向辨识能力。而且Curvelet变换对于具有光滑奇异性曲线的目标函数，提供了稳定的、高效的和近乎最优的表示。相对于小波变换来说，Curvelet变换可以更好的表达图像，使信号能量更集中，为图像处理提供了很多有用的信息。Curvelet变换在图像处理及信息安全领域表现出了极大的优势，引起了人们的广泛关注。基于此，本文简要介绍了数字水印技术的基本概况，并在此基础上对基于Curvelet变换的水印算法作了详细的介绍。关键词：数字水印技术；Curvelet变换；变换域算法；空域算法Abstract Curvelet transform is constructed on the basis of a single scale on ridgelet out of a multi-scale ridgelet system.This transformation is largely made up for the defects of wavelet transform, not only has the characteristics of multi-scale wavelet transform, also has a strong ability to identify the direction.And Curvelet transform objective function singularity with a smooth curve, providing a stable, efficient and near-optimal representation.With respect to the wavelet transform is, Curvelet transformation can better express the image, the signal energy is more focused, image processing provides a lot of useful information.Curvelet transform in image processing and information security field showed a great advantage, attracted wide attention. Based on this, this paper introduces the basic overview of digital watermarking technology, and on this basis, based on Curvelet transform watermarking algorithm introduced in detail.Keywords:Digital watermarking technology;Curvelet transform;Transform domain algorithm;The airspace algorithmI目 录摘 要IAbstractII1 绪 论11.1研究背景及意义11.2 国内外研究现状21.3 本文的主要工作与内容安排31.4 本章小结42 数字水印技术简介52.1数字水印技术的基本原理52.2数字水印技术的基本模型52.2.1水印的生成52.2.2 水印嵌入模型62.2.3 水印提取模型62.2.4 水印检测模型72.3 数字水印技术的基本特征72.4 数字水印技术的分类82.5 数字水印技术的应用112.6 水印的攻击方法132.7 水印的评价指标142.8 本章小结153 数字水印的典型算法163.1 基于空间域的数字水印算法163.1.1 最低位有效算法163.1.2 Patchwork算法163.1.3 纹理块映射编码法163.1.4比较分析173.2 基于变换域的数字水印算法173.2.1 离散傅立叶变换算法183.2.2 离散余弦变换算法183.2.3 离散小波域变换算法193.2.4 比较分析203.3本章小结214 一种基于Curvelet变换的数字水印算法224.1 Curvelet变换的发展224.1.1傅立叶变换224.1.2小波变换234.1.3脊波变换234.1.4比较分析244.2 Curvelet变换原理244.2.1 第一代Curvelet变换244.2.2 第二代Curvelet变换254.3 Curvelet变换的系数特点分析264.4 Curvelet变换的实现方法264.5基于Curvelet变换的关键技术274.6 Curvelet变换存在的不足284.7 本章小结28结 论29参考文献30致 谢33I哈尔滨商业大学毕业设计（论文）1 绪 论1.1研究背景及意义数字水印技术自上世纪90年代以来开始蓬勃发展，与其他许多的技术一样，数字水印技术的出现同样有着深刻的历史背景及意义。二十世纪中期以来，随着多媒体技术和计算机网络技术的飞速发展，数字音频、数字图像及数字视频等数字化的产品越来越多。同时，由于Internet的便利性和广泛性，使得数字化产品能以多媒体的形式在网络上广泛发布并传播，计算机网络的便捷性及优越性给人们带来了很大的好处1。然而，人们在享受网络所带来的便利的同时，媒体信息的网络化和数字化也给版权保护带来了极大的挑战。这是由于多媒体产品的数字化特性使得数字式产品极易被非法编辑、拷贝、复制和篡改，人们可以简单方便的对有版权的内容进行无限制的复制和传播，数字式产品的侵权、非法拷贝及盗版问题日益严峻。因此，如何保护这些数字化产品的版权和内容安全成为一个迫在眉睫的问题。针对此类问题，数字水印技术以其独特的信息隐藏优势，首先引起了人们的广泛关注。随着科技的进步，信息技术在人们的生活中扮演着越来越重要的角色。在我们的生活中，人们对多媒体信息的编辑、存储、拷贝、传送极其普遍，只有一些机密文件才可能会通过加密在进行传送。这种加密技术虽然提高了信息的安全性，但有时加密保护的能力是有限的，人们只要获得密钥就可以对信息进行任意的修改、传播和使用，一旦信息被破解，就无法起到版权保护的作用。水印技术的出现，弥补了传统加密技术的不足，在一定程度上保护了产品的版权。数字水印技术是信息隐藏技术在多媒体领域中的一个重要应用，也是信息隐藏技术研究领域最为重要的一个分支，主要是通过一些隐藏技术对数字化的多媒体产品进行版权保护，是一种较为有效的数字版权保护和数据安全维护技术。数字水印通过将信息隐藏技术与密码学2相结合，不仅能保证信息自身的安全，还能让信息传递的过程变得更加安全和便利3。其核心内容是，在不影响原始数据可用性的前提下，将不能被移除的水印信息嵌入到受保护的原始信号中，同时，水印信息可以正确、完整的被提取或检测出来，从而达到解决盗版跟踪和所有权纠纷等问题。数字水印这门新兴技术自上世纪90年代以来，取得了很大的进展，引起了国内外相关人士的浓厚兴趣，它作为一种新型的信息隐藏技术受到了越来越多的关注和重视，目前也成为多媒体安全领域的一个研究热点4,5。随着技术经济的发展、计算机网络技术的普及，数字水印技术逐渐成为版权保护的重要手段，它发挥着越来越重要的作用，具有更加广阔的发展空间和应用前景。1.2 国内外研究现状 作为信息隐藏技术最为重要的一个分支，自20世纪90年代以来，随着人们对版权保护意识的增强，数字水印技术的研究引起了国内外研究者的极大兴趣，成为国内外学者的研究热点。早期的数字水印算法主要在空域实现，而且大都是针对数字图像进行研究的，该技术最早出现于1993 年 A. Z. Tirkel 等人撰写的“Electronic water mark”一文中6。在这篇文章中第一次出现了“water mark”这一术语，这标志着数字水印这门新兴学科的诞生。后来将两个词合二为一，于是“watermark”一词就出现了，而现在通常都是用“digital watermarking”表示“数字水印”。1994年，R.G. Schyndel 等人在 IEEE 国际图像处理会议上发表了一篇题为“A Digital Watermark”的文章，在这篇文章中首次介绍了“数字水印”这一重要概念7。当时，他们对数字水印的重要性已有了深刻的认识，提出了可能的应用领域，并针对灰度图像提出了两种方案，即在图像的最低有效位中嵌入水印，该方案简单高效，但水印的鲁棒性较差，使得水印信息无法被正确提取。为了提高数字水印的鲁棒性，1996年Cox等人8提出了一种基于扩频通信思想的水印方案，利用离散余弦变换技术向静止的图像中添加标记来提高水印的鲁棒性。但该方法也存在着一些缺陷，在提取水印时，都需要利用原始载体或原始水印的相关信息，因此它不是盲水印方案。之后，在1998年，Chen等人9提出了一类盲水印方案。该方案使用量化器嵌入水印，在鲁棒性和容量等方面都具有良好的性能，已成为数字水印技术中比较典型的一个方案。数字水印从正式提出到现在的二十多年间已成为学术界及一些大公司关注的焦点。从1994年至今，国内外学术界就已陆续发表关于数字水印的文章，且发表文章的数量越来越多，几个影响比较大的国际会议（如IEEE ICPC、IEEE ICASSP、ACM Multimedia等）及一些国际杂志（如Proceedings of IEEE、Signal Processing、IEEE Journal of Selected Areas on Communication、Communications of ACM等）都出版了与数字水印相关的文章。国外已有一些著名的大学和研究机构，如美国的MIT大学、Purdue大学、IBM研究所，英国剑桥大学，德国的Erlangen Nuremberg大学及日本的NEC研究所等都已对数字水印技术进行了研究，并获得了一定的成果。一些公司还推出了数字水印方面的软件产品，最具代表性的有美国的Digimarc公司、Alpha公司、MediaSec公司、Verance公司、Activated Content公司，英国的Signum技术公司，荷兰的Philips研发中心，以色列的Aliroo公司以及瑞士的Alpvision公司等。此外，在数字水印的应用方面，Microsoft和IBM等公司对其进行了研究。以上资料证明，在国际上，人们开始更多的关注和使用数字水印技术了。随着数字水印技术的飞速发展和技术交流的加快，在我国，数字水印技术也得到了很大的重视。1999年召开的六届“全国信息隐藏及多媒体信息安全学术研讨会”已出现了数字水印专题。2000年1月，国家863计划智能计算机专家组织召开了“数字水印技术学术研讨会”，来自国家安全测评认证中心、中科院以及国内各大高校的专家、学者进行了深入的探讨，会议取得了圆满成功。从目前的发展情况来看，我国在相关领域的研究与世界水平越来越近，而且还拥有自己与众不同的研究思路和成果。2001 年3 月，国防科技大学第一次在数字水印技术中应用了整数DCT变换，这种多维整数DCT 算法的运算效率效率比目前的有效算法高，同时还使用HASH 函数对图像的变换系数的位置进行加密，将水印图像的信息嵌入到IntDCT 系数的中低频中，在很大程度上提高了水印的安全性。2003年9月，北京邮电大学推出了“数字水印应用系统”，该系统利用离散变换和小波理论设计出了一种新型的水印算法10。自从1999年第一届全国信息隐藏学术研讨会在北京电子技术应用研究所召开以来，到目前为止，在2013年10月的西安举办了第十一届大会，出现很多优秀的文章，并且取得了很多相关的研究成果，得到了人们很大的肯定。总的来说，我国数字水印技术已初步发展起来，并具有一定的规模，但也存在许多需要解决的实际问题，今后我国在数字水印方面的研究任重而道远。到目前为止，数字水印技术主要在图像水印、视频水印、音频水印和文本水印等方面应用比较广泛，由于图像是最基本的多媒体数据，且互联网的发展也为图像水印提供了大量的应用需求，所以水印得研究和文章大都集中在对图像的研究上。近年来关于音频水印和视频水印的研究变得越来越多。数字水印的研究主要集中在水印模型、鲁棒性数字水印算法和水印系统性能分析等方面。数字水印的应用方向主要包括数字化版权保护、商务票据防伪、盗版跟踪、隐蔽控制、内容认证和使用控制等方面。1.3 本文的主要工作与内容安排数字水印作为一门新兴学科，已成为当前研究的热点。随着科学技术的不断发展，人们已研究出多种数字水印算法。对此，本文针对数字水印技术的相关内容进行详细的分析、研究，并在此基础上简要介绍了一种基于Curvelet变换的数字水印算法。本文共分为五个章节，其主要内容安排如下：第一章：绪论。简要介绍了数字水印技术的研究背景及意义，国内外研究现状以及本文的主要工作和各章节的内容安排。第二章：数字水印技术简介。首先系统地介绍了数字水印技术的基本原理、模型、特征、分类等基本的理论知识；然后根据近年来数字水印技术的不断发展，简要介绍了数字水印技术的应用领域；最后对水印的攻击方法和评价指标作了简要介绍。第三章：数字水印技术的典型算法。根据数字水印嵌入方法的不同提出了两种典型的数字水印算法，并对其优缺点进行比较分析。第四章：一种基于Curvelet 变换的数字水印算法。提出了一种基于Curvelet 变换的数字水印算法，并对该算法的主要内容做了详细的介绍；系统的讲解了Curvelet 变换的发展历程，并对Curvelet 变换的系数特点作了简单的分析；最后针对Curvelet 变换算法在实现过程中的关键点和不足之处进行了简单的总结。第五章：总结。对全文的研究工作进行了总结。1.4 本章小结 作为本文的第一章，本章对数字水印技术的背景和研究意义进行了介绍,综述了数字水印的国内外研究现状和发展趋势。最后概括阐述了本论文所做的主要工作和内容安排。2 数字水印技术简介2.1数字水印技术的基本原理 数字水印技术就是将代表数字媒体著作权人身份的特定信息、用户指定的标志或序列码等，按某种方式嵌入到被保护的信息中，当发生版权纠纷时，就可以通过相应的算法提取该数字水印信息，从而验证版权的归属，确保媒体著作权人的合法利益14。任意一种数字产品（如图像、音频、视频、软件或普通电子文档等）都可作为被保护的信息。数字水印是一种叠加在数字产品中的数字信号，水印的存在要以不破坏原始数据的欣赏价值和使用价值为原则。 作为一种新颖的信息处理技术，数字水印被定义为以不可感知的方式在被称为宿主或载体的数字信号中嵌入信息的过程15。一般，水印系统由嵌入器和检测器组成，如图2.1所示。图2.1 水印系统组成框图如图2.1所示，水印嵌入器上有两个输入系统：一个是嵌入水印的载体作品，另一个是被嵌入到载体中的水印信息。通常，水印信息可以是数字作品的版权所有者或任意指定的一个标识号；载体作品一般是图像、音频、视频或文档等多媒体数据，也可以是程序代码一类的软件。嵌入器上的输出系统是水印作品，一般会被传输、记录或以不同途径分发到需要的地方。检测时，将嵌入器输出的水印作品输入到水印检测器，由水印检测器设法检测水印是否存在，如果存在，则输出水印信息。2.2数字水印技术的基本模型数字水印技术大致可分为以下三个部分16：水印的生成、嵌入、提取或检测。2.2.1水印的生成为使水印具有较好的稳健性和抗攻击能力，水印算法中，大多都采用伪随机序列作为水印。目前一般取下述随机序列作为水印12：高斯白噪声：满足均值，方差的正态分布；伪随机序列：其性质类似高斯白噪声，同时又具有规律性和周期性，可以人为地进行复制，通常利用二值的 m 序列、M 序列或混沌序列等作为水印；随机序列：利用有特定含义的原始水印生成。采用六边形水印、圆形或环形水印和自相似水印等特殊形状的水印。图2.2 水印生成算法框图 水印生成算法主要有：伪随机、纠错编码、混沌、扩频、变换、分解和自适应等。2.2.2 水印嵌入模型图2.3为数字水印的嵌入过程。所谓水印嵌入就是指利用密钥将水印信号直接放入到最为原始的图像之中，让其成为有水印的图像17。其功能是：将水印信号加入到原始数据中。根据所基于的域不同，可将数字水印嵌入技术分为：时空域算法、变换域算法和压缩域算法。图2.3 数字水印嵌入模型2.2.3 水印提取模型图2-4为数字水印的提取过程。水印提取就是从含有水印的原始载体图像中提取水印图像的过程。水印的提取可以需要原始载体图像的参与，也可以没有原始载体图像。图2.4 数字水印提取模型图中用虚线标记的方框表示在提取水印信息时原始载体图像并不是必需的，这取决于所采取的水印嵌入算法。在提取水印信息时不需要原始载体图像参与的方法称为盲水印法，其实用价值较大。2.2.4 水印检测模型 图2.5为数字水印的检测过程。水印的检测就是把提取出来的水印和原始水印进行比较，据此来判断某一数据中是否含有指定的水印信息。图2.5 数字水印检测模型水印框架中最重要的部分是水印的提取或检测。水印生成算法和嵌入算法,最终要以能否准确地检测出水印为基准。对于有意义水印而言，可以通过提取后直接观察和验证水印；而对于无意义水印而言，通常只能检测水印的存在性。2.3 数字水印技术的基本特征数字水印是目前防伪及信息隐藏领域的重要研究方向，其载体数据可以是数字视频、数字音频、数字图像等，一般情况，不同的应用载体，对数字水印技术的要求有所差异，但总的来说，数字水印技术都具有下面几个方面的特征18,19： （1）安全性：指水印算法具有较强的抗攻击能力，在不破坏水印的前提下能承受一定程度的人为攻击。数字水印的信息应该是安全、难以被篡改和伪造的，未授权的用户无法提取或检测水印。此外，还应具有一定的抗攻击能力，能抵御可能的篡改攻击。（2）鲁棒性：也称为稳健性或免疫性，指在经过多种有意或无意的信号处理过程后，数字水印作品仍能保持部分完整性，并能被准确鉴别。可能的信号处理过程：传输、信道噪声、滤波、模/数（A/D）转换与数/模（D/A）、重采样、剪切、位移、尺度变化及有损压缩编码等。对于应用于不同领域的水印，其鲁棒性的要求也不同，一般应能对正常的图像处理进行抵抗。用于版权保护的水印需要有很强的鲁棒性，能抵抗恶意攻击，而注释水印、易损水印则不需要对恶意攻击的抵抗力进行特别强调。（3）不可感知性：也称透明性或不可见性，某种程度上，水印载体应具有良好的不可感知性。指嵌入水印后，原始被保护信息的质量和视觉效果不会有明显的下降或变化。它具有两层含义：水印本身无法被看见或听见，嵌入水印后，水印数据与原始数字作品的数据结合在起，而被保护的数据不会发生能感知到的失真。对于易损和鲁棒的不可见水印来说，这个要求是最基本的。这种技术相对来说比较困难，对于信息处理，水印的鲁棒性和不可感知性相互矛盾的，对其中一方面注重过多，就会削弱另一方面，因此要在这两者之间进行折中。此技术虽困难，但有可能实现，因为人类的感觉器官没有绝对的精密，不可感知并不是绝对感知不到的。目前，当要兼顾这两方面时，通常都是先用要保证“相对”不可感知性，然后在此基础上尽可能提高水印的鲁棒性。（4）可检测性：数字水印应该能被作者或公证机构进行提取或检测。当作品发生版权纠纷时，可通过提取作品中的水印信息，为宿主数据的产品归属问题提供完全和可靠的证据。若没有可检测性，水印也会失去意义。（5）可证明性：水印应能为受版权保护产品提供可靠的版权归属证明。在实际应用中，可能会多次加入水印，那么数字水印技术必须能允许多重水印嵌入被保护的数据，而且每个水印都能独立地被证明出来。 （6）水印容量：指能够被嵌入到原始数字作品中的水印信息量。水印信息量能表示数字作品所有者或创建者的标志信息，或是购买者的序列号，以便能进行版权保护。嵌入的水印信息量越大，越能够标识数字内容的版权信息，更加有利于解决版权纠纷问题，保护数字产权的合法利益。（7）易嵌入和提取性：在操作时，水印的嵌入和提取应该简单、易行，其复杂性主要体现在算法上。在设计水印时，必须围绕上述性能指标进行恰当的选择。有些特性之间是不相容的，如鲁棒性和信息容量，应根据不同的应用环境适当取舍。又如，用于隐蔽通信的水印，水印容量极为重要，由于其隐蔽的通信方式，遭篡改的可能性很小，因而对鲁棒性要求不高。而对于安全性要求较高的水印来说，各种保密数据随时可能被盗取和篡改，所以鲁棒性十分重要，而对隐藏数据量的要求不高。2.4 数字水印技术的分类 数字水印技术已应用于许多领域，其分类方法也有很多种，不同领域的分类方法也不同。其中，较为常见的分类方法有以下几种：（1）按照水印的特性，数字水印可分为：鲁棒数字水印、脆弱数字水印和半脆弱数字水印。鲁棒数字水印使用最多,可抵抗常见的攻击,如:加噪声、滤波、压缩、图像量化与增强、打印及重扫描、几何攻击等。在版权声明中经常会用到鲁棒水印,大都是在数字作品中嵌入著作权信息（如作者、作品序号等）。当发生版权纠纷时，标识信息用于保护数字作品的版权所有者。用于版权保护的数字水印要求有很强的鲁棒性和安全性。脆弱数字水印很容易被破坏,任何对数字媒体信息的更改都会破坏水印的完整性,导致水印难以检测和提取,主要用于多媒体内容的真实性,完整性检验等。这种水印同样是在内容数据中嵌入不可见的信息，当内容发生改变时，所嵌入的水印会发生相应的改变，从而可以鉴定原始数据是否被篡改。脆弱数字水印对鲁棒性要求较低,通常只要求部分鲁棒性，即半脆弱数字水印。半脆弱数字水印介于鲁棒数字水印与脆弱数字水印之间, 指的是对于某些压缩处理具有一定的鲁棒性，而对于其它处理则视为恶意攻击。半脆弱数字水印是一种用于鉴定的理想水印。（2） 按照水印载体的类型划分，数字水印可分为：图像数字水印、视频数字水印、音频数字水印、文本数字水印和软件数字水印等20-22。图像数字水印是将水印信息加入到静止的图像中，当发生版权纠纷时，可通过对嵌入的水印信息的提取或检测来证实版权归属问题。 视频水印是利用视频中存在的大量的数据冗余，将水印信息嵌入到视频载体中，从而既不影响视频质量，又可达到内容完整性认证和版权保护的目的。音频数字水印利用人类听觉系统的生理心理特征，在不影响原始音频的条件下，向其中嵌入具有特定意义且易提取的水印，以达到掩蔽通信和版权保护的目的。文本数字水印通过对字间距、行间距或字符增删的轻微改变，将水印嵌入到电子出版物中。当出现版权纠纷时，可通过相应算法提取水印，从而验证版权归属问题，确保产品著作人的合法利益。随着技术的发展，相信更多不同种类的数字产品也会相继出现，从而出现相应的水印。（3） 按照水印的嵌入位置不同，数字水印可分为：时（空）域数字水印和变换域数字水印。时（空）域数字水印是将水印信息直接嵌入到信号空间上。该算法典型的处理方法是将水印信息嵌入到随机选择的图像点中最不重要的像素位（LSB，Least Significant Bits）上，这样就能保证嵌入的水印是不可见的23。时（空）域数字水印算法的特点是：不需要对原始数据进行变换，计算比较简单且具有较高的效率，但鲁棒性较差。比较典型的时（空）域数字水印算法有：LSB算法和Patchwork算法等。变换域数字水印是将水印信息嵌入到原始媒体的某种变换系数中。其特点是：需要对原始数据进行变换，计算较复杂，但却具有较好的鲁棒性。常用的变换有：傅立叶变换（DFT）、离散余弦变换（DCT）和小波变换（DWT）等。（4） 按照数字水印的检测过程划分，数字水印可分为：非盲数字水印、盲数字水印和半盲数字水印。在提取或检测水印信息的过程中，非盲数字水印需要原始载体和原始水印的参与；半盲数字水印不需要原始载体，但需要原始水印；而盲数字水印既不需要原始载体也不需要原始水印的参与，它是从已嵌入水印的载体中提取水印信息，只利用密钥即可。一般来说，盲数字水印在实现的过程中比较困难，而非盲数字水印实现较容易，但也增加了存储、维护、泄密的风险。相对来说，非盲数字水印具有较强的鲁棒性，但其应用被存储成本所限制。盲数字水印是目前研究最多的一种，是数字水印算法的发展方向。（5） 按照水印内容划分，数字水印可分为：有意义数字水印和无意义数字水印两种24。有意义数字水印指的是水印本身也是某个数字图像或音频片段的编码，它本身带有信息或版权证明，可证明拥有者或作者的版权，可以是数字音频片段的编码或商标图像，也可以是载体图像的某些特征描述。无意义数字水印则只对应于一个序列号或一段随机数，一般是基于伪随机数发射器产生的水印信号。有意义数字水印和无意义数字水印在应用中存在各自的优势，有意义数字水印的优势：当受到攻击或其他原因导致提取的水印破损时，仍可通过观察确定是否有水印。而对无意义数字水印来说，若提取的水印有若干位错误，则只能通过统计决策来确定是否含有水印。无意义数字水印也具有其独特的优势，若选择具有良好相关特性的为随机信号，使用相关计算，就可以有效地实现水印的自动识别。而有意义数字水印的确定一般需要人为参与。 （6）水印技术应用于不同的领域。按照水印的用途划分，数字水印可分为：票据防伪数字水印、版权保护数字水印、篡改提示数字水印和隐藏标识数字水印。它们都是对某些难以复制的标识信息进行隐藏，限制了数字产品非法操作的可能性。票据防伪数字水印是一类比较特殊的水印，主要用于电子票据和打印票据的防伪。目前，版权保护数字水印是研究最多的一类数字水印。数字作品作为商品和知识作品的双重性决定了版权保护数字水印要求有较高的隐蔽性和鲁棒性，而对数据量的要求较小。篡改提示数字水印是一种脆弱水印，主要是为了对原文件信号的完整性和真实性进行标识。隐藏标识数字水印是将保密数据的重要标注隐藏起来，从而限制非法用户对保密数据的使用。2.5 数字水印技术的应用数字水印最早应用于多媒体版权保护，然而随着数字水印技术的飞速发展，数字水印的应用领域越来越广泛，主要应用于以下几个方面13,25-29：（1）数字作品的版权保护在网络时代，数字作品的销售过程给盗版或者篡改提供了可乘之机，版权保护显得越发重要。目前，数字水印技术中最重要的应用就是数字作品的版权保护。由于数字作品极易被非法编辑、修改、拷贝或复制等，因此原创者不得不加上会损害作品的版权标志。数字水印利用其不可感知性，既保证了作品的质量，又保护了数字作品。其核心思想是：数字作品的所有者利用密钥产生一个水印，并将其嵌入原始数据（图像、音频、视频等），然后公开发布嵌入水印的作品。当该作品出现版权纠纷或被盗时，所有者可从水印作品或盗版作品中提取水印信号来保护所有者的合法权益。在这里，要求水印必须有较好的安全性、稳健性、透明性和水印嵌入的不可逆性。 （2）商务票据防伪随着高质量图像输入、输出设备的发展，尤其是高精度彩色复印机、激光打印机和彩色喷墨打印机的相继出现，操作者可以便利地对数字信息进行剪裁、拼接，色彩、亮度、对比度的调整以及文字、背景的添加或更改，这使得货币、支票以及其它票据的伪造变得越加容易。目前市场上所使用的各种防伪技术存在着许多弊端，而基于数字水印的印刷防伪技术有别于传统的印刷防伪技术，它彻底改变了传统的印刷防伪技术，并在印刷防伪中具有独特的性能。嵌入数字作品中的水印以其视觉不可见的形式隐藏在印刷品中，为各种票据提供不可见的认证标识，只有通过计算机软件或特定的检测设备才可识别。数字水印的嵌入和所嵌入的内容具有随机性，这样的随机性和变化特征使伪造者难以伪造。（3）数字指纹数字指纹技术是近年来发展起来的新型数字版权保护技术，版权拥有者可根据作品中的数字指纹来跟踪产品非法拷贝的源头，对盗版者进行指控，从而达到版权保护的目的。数字指纹作为一种新型的版权保护手段，得到了越来越多的关注。数字指纹是需要向多个用户提供同一个数字作品，同时确保数字作品不会被用户非法再分发的技术。为避免对可公开得到的多媒体内容进行未经授权的复制和分发，作品的所有者可以将不同用户的ID或序列号作为不同的水印(数字指纹)嵌入到作品中。当发现未经授权的复制时，就可以从此复制中所恢复出的指纹来追踪它的来源。在这个应用领域中，要求水印技术不仅具有不可见性，还必须有防止串谋攻击(多拷贝攻击)等功能。在此类应用中，水印必须是不可见的，且能抵抗恶意的去除、伪造或试图使水印无效的攻击。（4）盗版跟踪 数字水印可以对数字产品的非法拷贝制作和发行进行追踪，即在每个合法发行的数字产品中加入水印信息，可有效地阻止对未授权的媒体进行复制等操作。盗版跟踪是在数字作品中嵌入表示合法接收者的信息。其目的是通过识别作品的单个发行拷贝，防止未经授权的拷贝、制作和发行。这一应用极易受到共谋攻击，因此要求水印能有效地抵抗共谋攻击，同时与用于版权保护的水印一样，要求水印具有很高的鲁棒性、安全性和可证明性。（5）篡改提示 当数字作品被用于法庭、新闻、医学及商业时， 常需确定其内容是否被伪造、修改或特殊处理过。为实现该目的，通常可将原始图像分成许多个独立的块，在每个块中加入不同的水印信息。为确定其是否完整，可以通过检测每个数据块中的水印信息来确定作品的完整性。与其他水印不同的是，这类水印必须是脆弱的，并且在检测水印信号时，不需要原始数据。 （6）隐蔽通信 网络情报站是信息站的重要组成部分，主要利用公用网络进行保密数据的传送，加密后的文件大都是是混乱无序的，容易引起攻击者的注意。数字水印技术的出现与发展为隐蔽通信提供了新的形式，它利用数字化声像信号相对于人的听觉、视觉冗余，可对各种时（空）域和变换域的信息进行隐藏，从而实现隐蔽通信。在传递秘密信息时，可将其嵌入到公开的图像中。由于嵌入秘密信息的图像在主观视觉上并未发生变化，因此察觉到秘密信息存在的可能性很小。基于数字水印技术的隐蔽通信可以用于商业，但更多的是应用于军事。 （7）标题与注释 数字作品具有许多属性信息，例如作品的标题、注释、创作者等。利用数字水印技术将这些信息嵌入到作品中，例如：一幅照片的拍摄时间、地点等。这种隐藏式注释不需要额外的宽带和存储，且不易丢失。（8）认证和完整性检测认证和完整性检测是为防止数据被非法篡改或伪造。在很多应用中，有时需要确认数字作品的内容是否被改变、修改或造假。对于有些媒体数据是不允许被修改的，如：医学照片、交通录像等。为了检测其完整性，通常采用脆弱性水印，因为脆弱性水印是指当作品发生任何形式的微小变化后即检测不到水印。如果在检测过程中仍能从作品中检测到脆弱性水印，就可以证明作品没有被修改过。在检测的过程中，用惟一的与数据内容相关的密钥生成并嵌入水印。对嵌入水印的数字进行检验时，再利用与数据内容相关的密钥提取出水印，然后通过检验提取出的水印完整性来检验作品的完整性，如果被修改，则可以确定被修改的位置。其优点在于认证同内容密不可分，简化了处理过程。（9）使用控制在多媒体发行体系中建立拷贝保护体制，不允许未授权的媒体被拷贝。在密闭或私有系统中，可用水印来说明数据的拷贝状况。利用数字水印技术可以将访问控制信息嵌入到媒体中，在使用媒体之前通过检测嵌入到其中的访问控制信息，以达到访问控制的目的，它要求水印具有很高的鲁棒性。2.6 水印的攻击方法 伴随着数字水印技术的迅猛发展，对水印的攻击也同时出现。攻击是指对嵌入的水印进行各种操作，以达到削弱、破坏或移除水印的目的。数字水印技术在实际应用经常会遭到各种各样的攻击。目前比较常见的水印攻击方法可分为以下几类13： （1）鲁棒性攻击：是指含水印的作品在检测之前必须经历的或可能经历的常规信号处理操作，用来试图减弱载体中的水印强度，或是破坏载体中的水印。鲁棒性攻击包括常见的各种信号处理操作，如图像压缩、叠加噪声、线性或非线性滤波、图像量化与增强、几何失真、图像剪裁、模拟数字转换、图像校正等30。 （2）同步攻击：又称禁止提取或表达攻击。这种攻击方法一部完全去除水印信息为目的，而是对水印信息进行变形处理，从而使检测器不能检测出水印信息。在同步攻击下，被攻击的数字作品中的水印仍存在，且幅度没有变化，但水印信号已经错位，不能维持正常水印提取过程中所需要的同步性。比较典型的攻击方法有：几何变换、马赛克、图像扭曲(Warping Attack)、像素跳动(Jitter)攻击等。 （3）分析攻击：又称去除攻击或计算攻击，这种攻击方法通常是在水印嵌入和检测阶段进行的，采用特殊方法减弱或去除图像中的水印，使水印检测失效，从而达到非法盗用的目的。共谋攻击是最为典型的一种分析攻击方法，它通过多个不同的含水印图像之间的统计信息进行攻击。攻击者通过对多个含有不同水印信息的相同图像进行拷贝，然后对多个拷贝进行平均来去除水印信息。除此之外，敏感性分析和降梯度分析也是比较典型的分析攻击方法。 （4）解释攻击：也称为IBM攻击或混淆攻击，它攻击的主要对象是可逆、非盲数字水印。这种攻击在面对检测到的水印证据时，试图捏造种种解释来证明其无效，通常采用伪造水印来达到攻击的目的。在解释攻击的过程中，水印信息并没有被擦除掉，而是在嵌有水印信息的图像中“引入” 了伪造的水印信息，即攻击者在载体作品中嵌入一个或者多个伪造的水印，从而混清第一个含有主权信息的真正的水印信息，使从载体作品中提取出来的水印失去唯一性。通常，防止这一攻击的方法有两种32：采用不可逆的嵌入算法：数字水印必须要满足不可逆性，从而使攻击者不能对水印作品进行嵌入逆操作；水印嵌入顺序：水印信息本身能判断水印嵌入的先后顺序。 （5）拷贝攻击：这种攻击是从合法的含有水印的图像中估计水印，再将估计的水印嵌入到其他图像中。通常，拷贝攻击分两步进行：估计水印作品中的水印信息：先通过降噪估计原始作品，再用含水印作品减去估计的原始作品得到估计水印；在其他图像中嵌入估计出的水印：可直接嵌入，但往往会引起比较明显的图像质量的下降，因此一般对估计的水印做适当的处理后再嵌入，如结合视觉人眼掩蔽效应，以保证不可见性要求。2.7 水印的评价指标水印技术在实际应用中越来越多，具有重要的意义。因此，对水印系统的评估显得尤为重要。对水印系统的评价包括对水印的不可见性评价和鲁棒性评价。（1） 不可见性评价对水印不可见性的评价方法一般有两种，即主观测试法和定量法。主观测试方法虽然比较方便简单，但不能定量的对系统性能进行分析。因此，在对水印系统进行不可见评价时，一般采用定量法。嵌入图像的PSNR（峰值信噪比）是衡量视觉质量的量度方法。通常，采用PSNR来评估水印的不可见性。峰值信噪比的计算公式为： () （2-1） 式中，M 和 N 为图像的宽度和高度； 和为原始图像与含水印图像的像素值。一般，PSNR值越大，表示图像失真越少，即含水印图像与原始图像的差别越小。（2） 鲁棒性评价对于鲁棒性数字水印的评价一般采用归一化相关系数（NC）进行评价。通过计算两幅图像的相似程度来进行评价。 （2-2） 式中，M 和 N 为图像的宽度和高度； 和为原始图像与含水印图像的像素值。 一般，NC的值越接近1，两幅图像越相似。当从含水印图像中提取出的水印与原始图像的归一化相关系数大于0.7时，表明水印被提取出来了。2.8 本章小结本章首先介绍了数字水印技术的基本原理，然后详细介绍了数字水印技术的基本模型，包括水印的生成、嵌入、提取和检测模型；之后对数字水印技术的基本特征、分类及应用等方面进行了概述，最后对水印攻击方法作了简要的论述，并提出两种水印的评价标准。 3 数字水印的典型算法近年来数字水印技术的研究取得了巨大的进步，水印的算法也越来越多。根据数字水印信息的嵌入位置不同，水印算法可分为：空间域算法和变换域算法 。基于此，本文将针对一些具有代表性的典型水印算法进行简要概述。3.1 基于空间域的数字水印算法 空间域算法是指直接在声音、图像或视频等信号空间上叠加水印信息。较早的数字水印算法都是空间域上的，空域数字水印算法操作简单，可通过改变空间位置中某些像素的值嵌入水印。其中，比较典型的空域水印算法有：最低位有效算法（LSB）、Patchwork算法及纹理块映射编码法。 3.1.1 最低位有效算法 LSB算法是1993 年 A. Z. Tirkel 等人在“Electronic water mark”一文中最早提出的一种典型的空间域信息隐藏算法6，它是一种非常有代表性的空域水印算法。基本思想是：将水印信息嵌入到随机选择的图像点中最不重要的像素位上，这就能保证嵌入的水印是不可见的。这种算法利用特定的密钥通过伪随机序列发生器产生随机信号，然后按一定规则将其排列成二维水印信号，并逐个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最低位，相当于叠加了一个能量十分微弱的信号，因此在听觉和视觉上很难被察觉33。3.1.2 Patchwork算法1996年，W.Bender 和D.Gruhl 等人34提出了另一种典型的空域算法Patchwork 算法。Patchwork 算法是一种基于统计的水印嵌入方法，通过在原始载体信号中改变载体信号某种特定的统计特性来携带水印信息。此种算法通过随机选择原始载体图像中的像素对，在保持总均值不变的情况下，改变像素对的值，即把水印信息依据像素的统计特征嵌入到每个像素的亮度值中，即随机选取 N对像素值，并将像素对中的一个点的亮度值增加，而另一个点的亮度值减少同样的量，以保持整个图像的平均灰度值不变。 3.1.3 纹理块映射编码法纹理块映射编码算法也是W.Bender等人提出的。该算法是在载体图像中随机选择任意纹理部分，隐藏数字信息。由于纹理区域之间具有相似性，于是在载体图像的另一纹理相似部分可以映射出隐藏的水印信息。以上几种方法在检测水印时都需要使用原始图像，且水印的鲁棒性不强。这是因为空域算法的特点是直接对图像的像素数据进行操作，为了保证水印的不可见性，嵌入的水印信息不能太多，这就决定了空域算法的鲁棒性不强。这是空域算法的一大缺陷。 3.1.4比较分析针对以上三种算法，对其优缺点进行比较分析，如表3.1所示。表3.1 比较分析空间域水印算法的优缺点算法优点缺点最低为有效算法水印提取的算法简单易实现，水印嵌入的数据量较大，信息嵌入和提取的算法简单，速度快。鲁棒性较差，对多种攻击及数据操作的抵抗力很差，很容易通过噪声干扰、信道干扰、数据压缩、滤波、重采样、时域缩放等信号处理方式破坏水印信息。Patchwork算法具有较好的隐藏性，并且可以通过适当地调整参数，对 JPEG 压缩、FIR 滤波以及图像裁剪等有一定的抵抗能力。该算法嵌入的信息量有限。纹理块映射编码法安全性好，具有较强的隐蔽性，对压缩、滤波及扭转等一些常见的几何操作具有较好的鲁棒性。这种算法仅适用于具有大量任意纹理区域的图像，而且不能自动完成，需要人工干预。3.2 基于变换域的数字水印算法变换域数字水印算法也被称为频率域水印算法，是指将水印信息嵌入到原始载体的变换域系数中。这种算法大部分都采用了扩展频谱通信技术，在图像从时域到频域的变换过程中，对水印信息进行一定的频域调制，使其能够很好的隐藏在图像重要的能量部分，同时又不引起图像质量的明显下降。数字图像在变换域上的能量分布集中，有利于保证水印的不可见性，因此基于变换域的水印算法是目前应用最广泛的方法。与空域水印算法相比，变换域水印算法具有以下几个优点12：（1）变换域算法能够嵌入大量水印信息；（2）在变换域中所嵌入的水印信号的能量可分布到载体图像的所有像素上，利于保证水印信息的不可见性；（3）变换域水印算法能够更充分地利用人类视觉的特性（HVS），大大提高了数字水印的稳健性；（4）能与国际数据压缩标准兼容，从而可以实现在压缩域内的水印算法。目前，比较常见的变换域水印算法