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摘要 数字水印技术是保护多媒体数据版权和图像可靠性认证的一种新技术。d c t ( 离散余弦变换) 及小波变换分别是已有的信源压缩编码标准j p e g 和即将形成 的信源压缩标准j p e g 2 0 0 0 的核心技术。本文比较系统地研究了数字水印在静止 图象中的应用问题：提出了基于d c t 域和d w t 域的两种鲁棒水印方案，这两个 算法都利用了模数运算，在检测算法中不需要原始图象，实验结果表明这两种算 法对压缩，噪声，剪切都是鲁棒的：同时本文还提出了一种基于d w t 域的脆弱 水印算法，计算机模拟表明，该算法对压缩、噪声等一般信息处理鲁棒的同时， 对恶意攻击是敏感的：最后，讨论了图像水印攻击问题，提出了图像位平面篡改 攻击方案。 关键字：数字水印；离散余弦变换 水印攻击 模运算；小波；人眼视觉模型 叩 a b s t r a c t d i g i t a lw a t e r m a r k i n gh a sr e c e n t l y b e e np r o p o s e da san e wm e a nt o p r o v i d e c o p y r i g h tp r o t e c t i o no fm u l t i m e d i ad a t aa n di m a g ea u t h e n t i c a t i o n d i s c r e t ec o s i n e t r a n s f o r ma n dw a v e l e t sa r er e s p e c t i v e l yt h ek e yt e c h n i q u ei nt h es u b s i s t e n ts o u r c e c o m p r e s s i o nc o d i n gs t a n d a r dj p e ga n do n g o i n gs o u r c ec o m p r e s s i o ns t a n d a r dj p e g 一 2 0 0 0 ，t h e a p p l i c a t i o n s o fd i g i t a l w a t e r m a r k i n g i ns t i l l i m a g e ss y s t e m a t i c a l l y a r e d i s c u s s e d t w or o b u s tw a t e r m a r ks c h e m e sb a s e do nd c td o m a i na n dd w td o m a i na r e g i v e ns e p a r a t e l y ；b o t hs c h e m e su s e dm o d u l a ra r i t h m e t i c ，i ne m b e d d i n ga r i t h m e t i ch a d n ou s ef o ro r i g i n a l i m a g e ，e x p e r i m e n tr e s u l ti n d i c a t e dt h a tb o t hs c h e m e sa r er o b u s tt o j p e g c o m p r e s s i o n ，n o i s e ，a n dc r o p p i n g ；af r a i lw a t e r m a r kb a s e do nd w t d o m a i ni s a l s oi n t r o d u c e d ，c o m p u t e rs i m u l a t i o ni n d i c a t e st h i ss c h e m en o to n l yr o b u s tt oj p e g c o m p r e s s i o n a n dn o i s eb u ts e n s i t i v et os p i t e f u l l ya t t a c k ；i m a g e sa t t a c k i n gi sd i s c u s s e d ， a na t t a c ks c h e m eb a s e do nb i tp l a n ei sg i v e n f i n a l l y k e y s ：d i g i t a lw a t e r m a r k ；d i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m ；m o d u l a ra r i t h m e t i c ；h u m a n v i s u a ls y s t e m ；w a t e r m a r ka t t a c k ；w a v e l e t s 第一章绪论 第一章绪论 w w w 是信息社会发展到新阶段的一个重要标志。随着社会信息化的发展， 信息在社会中的地位和作用越来越重要。w w w 为人类交换信息提供了较大的便 利，并促进了科学、技术、文化、教育、生产的发展，提高了现代人的生活质量。 由于网络发展的全球性、开放性、无缝连通性、共享性和动态性，使得任何人都 可以直接进入w w w ，其中不乏会有这样一些人，他们利用便利的网络对网上资 源进行有意或无意的不正当活动甚至是破坏活动，这将对国家、组织和个人的信 息安全带来极大的威胁。因此，在w w w 进行信息活动的一个首要问题为其安全 信和可靠信。 1 1 信息隐藏及数字水印技术的发展 随着信息化时代的到来，媒体的数字化传播成为可能。媒体的数字化使得现 有信息具有了强大的可移植性、高效性、快捷性、和前所未有的高精确性。此外， 随着网络标准的进一步开发和完善，系统能够更容易的连接到一起极大的方便了 信息交流和资源共享，信息的迅速传播和可操作性正在逐渐的改变着人们的工作 方式和生活习惯，但同时一些负面的影响也随之而来，比如侵犯版权、篡改信息 等等。信息的丌放性给其产权保护和敏感信息的保密工作带来了极大的困难和挑 战。在这一情况下，防范措施也呈现出许多新的形式和特点。 1 1 1 信息隐藏的提出 近几年来，国外一些作者提出了一系列新的信息安全保护思想，对诸如知识 产权保护、信息防篡改标识、信息内嵌式注释等等给出了一个崭新的防范角度和 保护措施。信息隐藏( s t e n o g r a p h y ) 便是实现上述保护策略的技术之一，它是将 信息( 入版权信息、通信密文等) 嵌入到各种形式的数字媒体中，如图像、视频、 音频、文本文件等，以实现标识、注释以及版权保护等目的。该信息对非法接收 者来说是不可见、不可闻且不可觉察的。 信息隐藏虽然是近几年来提出的一门新技术，但是其思想却是由来以久的， 可以追述到古代希腊。在希腊神话中，d e m e r a t u s 使用蜡封纸逃脱了追捕；1 6 、1 7 世纪，曾涌现出许多关于隐秘术的著作1 l ；二战中曾经使用隐迹墨水传递信息， 用瘾头文下达指挥命令更是常见：其它的还有缩微文( m i c r o d o t s ) 、图画中的文 2数字水印及其在静止图像中的应用 字游戏、文字的重新编排及选义等等。媒体的数字化表示使得这些思想有了新的 表现形式，它将信息嵌入到图像、视频、音频、文本文件等数字媒体中，从而实 现对数字信息的保护。 1 1 2 信息隐藏技术在信息安全中的作用 信息隐藏是利用人类感觉器官的不敏感性，以及数字信号本身存在的感觉冗 余等特性，将一个信号隐藏在另一个信号中。由于对外表现的只是第一个信号的 外部特征，并不改变其基本特性和使用价值，信息隐藏较之传统的密码加密技术 的优点在于：以信息隐藏方式所实现的隐藏通信，除通信双方外的任何第三方并 不知道秘密通信这一事实的存在，这就较之单纯的密码加密方法更多了一层保 护，使得网络加密机制从“看不懂”变为“看不见”。信息隐减技术可以在安全体系 的诸多方面发挥重要的作用： 1 ) 数据保密 网络安全的一个重要内容是，在因特网上传输的一些秘密数据要防止非授权 用户的截获和使用。随着经济全球比的趋势上升，金融、商业对数据保密的要求 已超过军事，经济信息的安全是国家安全的重要内涵。信息隐藏技术不仅可以用 于军事，也可用于商业、个人隐私的保密。比如：电子商务中的敏感数据传输、 谈判双方秘密协议及合同的互递、网上银行交易中敏感信息的传递、重要文件的 数字签名、个人隐私的隐减传递等等。 另外，一些不愿为人知的重要标识信息也可以用信息隐藏方式进行隐藏存储。 如军事地图中标的军事部署、卫星遥感图像的拍摄同期、经纬度等。都可以用隐 减标已的方法使其以不可见的形式隐藏起来，使得只有掌握识别软件的人才能读 出标识的存在。 2 ) 数据完整性 对数据的完整性的验证是要确认数据在网上传输或存储过程中没有被篡改 过，以数字形式记录的事故现象照片、犯罪现场记录、医学诊断照片等，因其易 修改的特点，难以作为法庭证据和日后的判断标准，可以用脆弱水印技术解决这 一问题。 3 ) 数据的不可抵赖性 在网上交易中，交易双方的任何一方不能抵赖自己曾经做出的行为，也不能 否认曾经接受到对方的信息，这是交易系统中的一个重要环节。可以用信息隐藏 技术中鲁棒水印技术，在交易体系中的任何方发送接收信息时，将各自的特征 标记以水印的方式加入传递的信息中。 4 ) 数字版权保护 第一章绪论 数字水印技术是解决数字媒体版权保护问题的有效补充办法，鲁棒水印可以 解决这一问题。 数字水印技术应用的主要目的并不是限制对媒体的访问，而是确保媒体中水 印不被改变或消除，为媒体提供必要的证明信息。而这是传统的加密方法所办不 到的。 5 ) 防伪 在数字票据中隐藏的水印经过打印机打印后仍然存在，可以保证票据的真实 性。 1 1 3 数字水印的发展 数字水印是近年来出现的数字产品版权保护技术。可以标识作者、所有者、 使用者等，并携带有版权保护信息和认证信息，目的是鉴别出非法复制和盗用的 数字产品，作为密码学的加密和罱乱技术的补充，保护数字产品的合法拷贝和传 输。随着网络信息化进程的加速，对数字产品版权保护技术的要求日益追切。因 此，数字水印一经提出就成为热点问题，出现了许多数字水印方案，也有许多公 司已推出了数字水印的产品。但总的来说，数字水印的研究要以计算机科学、密 码学、通讯理论、算法设计和信号处理等领域的理论为基础的。一个合理的、可 行的水印方案一般总是综合利用这些领域的最新进展，但也无法避免哲学领域固 有的一些弊端。目前更多的文献是讨论如何设计数字水印方案或如何攻击数字水 印方案，但各种方案或产品还有着这样或那样的问题，尚缺乏有关数字水印的理 论基础，可以况数字水印还处在其发展的初期阶段，从理论到实践都有许多问题 有待于解决。 1 2 信息隐藏、数字水印和密码学 为了更好的理解信息隐藏和数字水印的范畴；更好的理解其相应的技术原 理，就信息隐藏、数字水印和密码学之间的区别和联系进行如下阐明。 信息隐藏是将保护信息( 如版权信息、通信密文) 嵌入到各种形式的数字媒 体中，如图像、视频、音频、文本文件等，以实现标识、注释以及版权保护等目 的。应该注意到信息隐藏和密码学是两种不同的技术，密码学不否认通信的存在， 而是限制信息的可获取性；信息隐藏的主要目的是掩盖通信这一行为的存在性， 从而最大限度的实现通信的安全性。 数字水印主要目的是在数字的视频、音频、文本中加入特殊的商标、序号等， 使其隐含在商品中，在不影响原作品质量的情况下，保护作者的应得权益。它和 4 数字水印及其在静止图像中的应用 信息隐藏最大的不同之处在于它广泛的宣扬了有一个不可见的印记存在于文件 中，所以对该印记的强韧度要求非常高。数字水印本身即为信息隐藏的一个重要 的应用，并且由于电子出版物的日益增加，电子商务迫在眉睫，其应用前景非常 诱人，近几年来发展异常迅猛。 而密码学( c r y p t o l o g y ) 是研究信息系统安全保密的科学。它包含两个分支， 密码学( c r y p t o g r a p h y ) 和密码分析学( c r y p t a n a l y s i c s ) 。密码学是信息进行编码 实现隐蔽信息的一门学问，而密码分析是研究分析破译密码的学问，两者互相独 立，而又互相促进的向前发展i ”。采用密码方法可以隐蔽和保护需要的消息使未 授权者不能提取信息。 这些理论与技术从最终的目的来说，实质是殊途同归，它们从不同的角度最 大限度地保障信息安全。 1 3 研究工作概要和论文章节安排 由于数字水印技术的研究工作在国内尚未完善，本文的研究工作主要在国内 外学者和专家的研究工作的基础上进行的。本文的工作不能涵盖数字水印技术的 各个方面，只是其中的一部分，对数字水印技术的深入研究需要将图像、通信、 密码等多方面的知识结合起来，系统的进行研究。 论文的主要工作和章节安排： 1 、简要的介绍了信息隐藏及数字水印技术的发展概况；简要的给出了密码 学、信息隐藏和数字水印之间的区别和联系；给出了研究工作概要和论文章节 安排。 2 、给出了图像隐形水印的原理和研究方法：系统的介绍了图像隐形数字水 印算法的研究现状；归纳并总结了图像数字水印的分类及其应用：提出了数字水 印的用户评估标准。 3 、简单的给出了图像置乱技术的原理及其在计算机上的模拟结果：提出了 一种基于人眼视觉模型( h v s ) 的数字水印方案，该方案利用人眼视觉频率响应 函数来选取待嵌入水印的d c t 变换系数，此方案不仅提高了嵌入水印后图像的 峰值信噪比( 与原算法相比) 。而且提高了水印方案的鲁棒性。 4 、简要介绍了小波多分辨分析及其在图像应用中的基本原理；提出了一种 基于d w t 域的鲁棒数字水印新算法，该算法利用模运算，将二值水印图像嵌入 到图像小波变换系数的中频区域，提取时不需要原始图像。实验模拟结果表明， 多重嵌入水印系统比单重水印系统稳定，但是也较大的破坏了宿主图像：该算法 比文献i ”l 中的算法优越。 5 、给出了脆弱数字水印在图像可靠性认证方面的应用；提出了一种基于d w t 第一章绪论 域的脆弱数字水印算法，该算法利用小波的多分辨分析性，将水印信息嵌入到各 个不同的频带，从而能够全面的反映图像被篡改的情况。 6 、讨论了图像水印攻击问题：详细介绍了水印攻击的发展现状及常用水印 攻击方法；提出了图像位平面篡改攻击方案。 7 、对本论文的主要工作给出了一个简要的总结；结合数字水印技术未来几 年的发展趋势，提出了进一步的研究方向。 6数字水印及其在静止图像中的应用 第二章数字水印综述及其理论基础 水印最早是在中世纪西方造纸业中发明的，用于标志造纸者的商标，后来被 政府采纳用于流通货币、邮票、股票等重要票据上口1 。水印最大的特点是：它的 存在不影响美感，也不影响票据的实用价值，而且在一定程度上防止伪造。传统 的加密技术信息隐藏，一般用于隐藏通信双方的点点通信。此隐秘技术 对数据修改通常不具备鲁棒性，或者具有有限的鲁棒性，不能保护嵌入信息不会 因传输和存储过程中的技术性修改，如压缩、格式转换或a d 、d a 转换等而遭 到破坏。而数字水印增强了对擦除水印的操作具有鲁棒性这一要求。另一方面， 二者的目的不同，信息隐藏的目的是为了保护隐匿在承载数据中的消息，而数字 水印是为了保护承载数据。 2 1 数字水印系统的原理及的一般组成 2 1 1 数字水印系统的原理 1 、从图像处理角度看，嵌入水印可视为在强背景( 原始图像) 下叠加一个弱 信号( 水印) 。由于人的视觉系统( h u m a nv i s u a ls y s t e m - - h v s ) 分辨率受到一 定的限制，只要叠加信号的幅度低于h v s 的对比度门限，h v s 就无法感觉到信 号的存在。对比度门限受视觉系统的空间、时间和频率等特性的影响。因此，通 过对原始图像做一定的调整，有可能在不改变视觉效果的情况下嵌入一些信息。 2 、从数字通信的角度看，水印编码( 嵌入) 可以理解为在一个宽信道( 原始 图像) 上用扩频技术传送一个窄带信号( 水印) 。尽管水印信号具有一定的能量， 但分布到信道中任频率上的能量是难以检测的。水印译码( 检测) 则是在一个 有噪声信道中检测弱信号的问题。 稳健水印理论与算法是目前隐形水印的主要研究内容，有两个关键性的技术 影响水印的稳健性：1 ) 水印的结构：2 ) 嵌入的策略。为了使水印有较好的稳健 性和抗攻击性能，大多数水印算法采用伪随机序列( g a u s s i a n ，均匀分布序列、 二进制序列) 作为待嵌入水印。c o x 等人提出，利用g a u s s i a n 随机序列产生的 水印具有更好的稳健性。这是由于g a u s s i a n 分布的随机序列与其它分布的随机序 列相比有更大的自相关系数。因此，g a u s s i a n 分布的随机序列具有更好的性能。 需要注意的是当由g a u s s i a n 随机序列构成的水印长度很长时，个别样值可能会很 第二章数字水印综述及理论基础 大，必须对其加以限制以满足数字水印不可见性的要求。文献【 4 1 中指出：利用伪 随机序列作为要嵌入的水印序列，不能满足版权保护的需求。所以，本文中的鲁 棒水印算法均用二值图像代替一维随机序列。 2 1 2 数字水印系统的一般组成 水印系统一般由两部分组成：水印嵌入系统( 也称为水印编码系统) 和水印 恢复系统( 也称为水印提取或解码系统) 。水印嵌入及提取的一般过程如下： 水印信息 + 宿主数据1 卜广i ；5 ；夏 卜加入水印的数据j 1一 私，公钥足! 图2 i 水印嵌入系统( 可不包括虚线部分) 水印矿或宿主数据，一一 提取的水e d 旁或可倍度测量 图2 2 水印检测系统( 可不包括虚线部分) 图2 1 是水印嵌入系统的一般过程，输入为水印信息、宿主数据，和私公 钥k 其中私公钥k 可有可无。水印信息渺可以是数字、文本或图像。输出为 加了水印信息的数据。图2 2 是水印检测系统的一般过程，输入为待检测数据，、 水印信息或宿主数据，、私公钥k ，其中私公钥k 及水印信息或宿主数据 ，可有可无。输出为提取的水印信息或可信度测量。 2 2 数字水印的研究现状 t a n a k a 等人 5 在1 9 9 0 年、c a r o n n i l 6 i 与t i r k e l l 7 1 等在1 9 9 3 年先后发表了第一批 研究数字水印技术的文章。1 9 9 5 年正式提出了“水印( w a t e r m a r k i n g ) ”这术 语。数字水印是隐藏在多媒体信号中的一段信息，它与宿主信号相比是一个窄带 信号，不影响宿主信号的知觉效果。对于图像来说，水印应是不可见的。我们主 要讨论图像隐形数字水印。 一事 二= 8 数字水印及其在静止图像中的应用 隐形数字水印与视觉系统紧密相关，提高水印稳健性的有效途径是充分利用 人眼的视觉特性，在满足不可见性的要求下，合理分配水印的能量，尽可能提高 局部嵌入水印分量的强度。基于这一思想的自适应水印算法已经开始受到人们的 重视。文献1 8 1 【9 利用照度掩蔽( 1 u m i n a n c em a s k i n g ) 和纹理掩蔽( t e x t u r e m a s k i n g ) 特性，提出了基于分块的自适应算法。p o d i l c h u k 和z e n g ! 1 1 “i 采用j n d ( j u s t n o t i c e a b l ed i f f e r e n c e ) 视觉模型，计算了d c t 和d w t 系数允许的最大嵌入量。 w a n g i ”1 等人借助多门限小波编码( m t w c ) 的思想，将小波系数根据其重要性进 行排序，并对不同的子带采用不同的强度系数。 图像隐形水印本质上属于数据隐藏技术的范畴。在大多数算法讨论随机序列 ( g a u s s i a n 序列1 4 1 、均匀分布序列、二进制序列3 1 ) 的同时，有意义水印的研究 也引起了人们的注意。b e n d e r 等人i “1 提出了两种实现数据隐藏的方法：统计的方 法和视觉的方法。一些研究人员讨论了利用信息论的方法来分析和评价隐藏性能 的方法】f j “。他们把数据隐藏等价为一个数字通信问题，并试图回答一定分辨率 的图像允许嵌入多少数据。尽管这类研究十分有意义，但由于嵌入的数据量与许 多因素( 图像的纹理特征与尺寸、嵌入算法、噪声类型与强度) 有关，要准确回 答这一问题是很困难的。c o x 等人8 】比较了水印嵌入和传统的通信问题的相似性 和不同点，得出了几种信号嵌入的特征。d e l a i g l e 等人f lt i 所提出的算法在一幅 5 1 2 x 5 1 2 的图像中隐藏了1 6 5 b i t s 的信息，其主要缺点是嵌入的数据量太少。张 等人i 在5 1 2 5 1 2 的图像中隐藏了6 4 6 4 x 2 的二值图像，隐藏的数据具较强的 抗噪声能力。s w a n s o n 等人【2 0 1 在一个视频信号( 主信号) 中隐藏另一低分辨率的 视频信号，但稳健性不好。一般说来，在不可见性的要求下，水印的稳健性和水 印的数据量构成一对矛盾。在相同的算法和一定的图像尺寸下，嵌入的数据量越 大，稳健性越差。 由于数据压缩在数字媒体的传播中起着十分重要的作用，嵌入水印的图像很 有可能遭遇数据压缩处理。h a r t u n g t 2 ”、g i r o d ! ”1 、c h u n g t 2 m 等人都研究了如何在 m p e g 压缩码流中嵌入水印，这项研究需要考虑的问题是保持码流比特率基本不 变以及实现不需要原始媒体的盲检测( b l i n de x t r a c t i n g ) 。w a n g l 2 4 i 和k u o l 2 5 1 将水印 技术集成到小波编码系统中，在实现压缩的同时也完成了水印的嵌入。l a c y 等人 1 2 6 1 也丌发了把水印和编码技术相结合的算法。 在大多数文章研究稳健水印的同时，一些研究者也开始研究水印的攻击方法 和水印作为所有权( o w n e r s h i p ) 证明的有效性。这对于提高水印的抗攻击性能是 极为有意义的。c r a v e r 等人1 2 7 1 研究了水印算法的不确定性( a m b i g u i t y ) 问题。他 们构造了不确定性的实现问题，证明潜在的非法拷贝者有可能诱使水印检测器作 出“y e s ”的回答。到目前为止，不存在任何一种水印算法，可以确保水印在遭 受各种入为的攻击之后仍然可靠的存在。 第二章数字水印综述及理论基础 9 水印技术提出以后，不管是学术界还是工业界都对水印产生了浓厚的兴趣。 在学术界，有大量关于水印的文章，1 9 9 6 1 9 9 9 年的国际图像处理大会( i c i p ) 会议论文集和国际信息隐藏会议论文集上有许多关于数字水印的文章。国内由北 京电子技术应用研究所于1 9 9 9 ，2 0 0 0 年主办召开了两次关于信息隐藏与数字水 印的技术研讨会。 目前，国际上已经产生了些数字水印的实验性产品和协议。例如，1 9 9 6 年 1 2 月，美国a d o b e s y s e m s 公司在上市的图像编辑软件( a d o b ep h o t o s h o p 4 0 中， 按标准安装了数字水印。i b m 在其数字图书馆( d i g i m ll i b r a r y ) 研究计划中采用 了可见数字水印技术。美国n e c 研究所开发了可在图像数据中埋入数字水印软 件( ( t i g e rm a r kd a t ab l a d e ) ) 。美国i n f o r m i x 软件公司开发的数据库管理系统 i n f o r m i x u n i v e r s a ls e r v e r ) ) 也可作为埋入数字水印软件使用。在j p e g 2 0 0 0 标准的制定中，也对数字水印做了一些探讨性的研究。欧洲电子界和有关大学也 正在协作开发采用数字水印技术监视不正当复制音像的监视系统软件，以防止数 字广播业者的不正当复制行为。该开发计划名称为( t a l i s m a n ( t r a c i n g a u t h o r s r i g h t sb yl a b l i n gi m a g e s e r i c e sa n d m o r i t o r i n ga c c e s sn e t w o r k s ) 。 随着图像水印技术应用的推广，其标准化工作也还开始受到重视。i b m 、s o n y 、 h i t a c h i 、n e c 和p i o n e e r 等五家大公司在1 9 9 9 年2 月联合宣布了一个保护数字视 频和数字电影的水印标准协议，标志着水印标准以逐步迈向正轨。 近两年来，我国学术界对此前沿领域也倾注了极大的热情，众多的科研机构 和高等院校开展了该方向的研究工作。2 0 0 0 年1 月，由国家“8 6 计划“智能计 算机系统专家组主办、模式识别国家重点实验室等单位承办的首次我国数字水印 技术研讨会在北京举行，并取得了圆满成功，与会学者近百人，表示我国数字水 印研究队伍已初具规模。2 0 0 1 年1 1 月，第三届信息隐缄与数字水印技术研讨会 在西安圆满结束。 2 3 数字水印的分类 数字水印的三要素是，数字水印本身的结构、加载( 嵌入) 数字水印的地方 或者说加载数字水印的策略和数字水印的检测。水印的结构一般包括两部分，一 是水印所含的具体信息，如版权所有者、使用者等信息：二是伪随机序列或类噪 声序列以标识水印的存在与否。大多数水印方案的水印结构仅包含其中之一，这 和数字水印的实现方法即使用场合有关。而数字水印的具体检测方法通常都采取 直接检测或相关检测方法，也有采用最大后验概率检测的数字水印方案。数字水 印方法的性能相当程度上取决于所采用的加载( 嵌入) 策略及方法。 0数字水印及其在静止图像中的应用 2 3 1 从加载域上分类 l 、空域数字水印 较早的数字水印算法从本质上说都是空间域上的，数字水印直接加在数据上， 这还可细分为如下方法： 1 ) 最低有效位法( l s b ) 这是一种典型的空间域数据隐藏方法，由t i r k e l 等人f 2 8 1 提出。该方法是利用 原始图像的最低几位来隐藏信息的( 具体取多少位，以人的听觉或视觉系统无法 觉察为原则) 。l s b 方法的优点是：有较大的信息隐藏量。但是，采用此方法实 现的数字水印是很脆弱的，数字水印很容易被擦掉或绕过。 2 ) p a t c h w o r k 方法及纹理块映射编码方法 这两种方法是b a n d e r 等【2 9 1 提出的。p a t c h w o r k 方法是一种基于统计的数字水 印。该算法的隐藏性较好，并且对有损的j p e g 压缩、滤波和扭转等操作有抵抗 能力，但是其仅适应于具有大量任意纹理区域的图像，而且不能完全自动完成。 p i t a s 和k a s k a l i s 利用“p a t c h w o r k ”算法的基本思想，提出了数字图像签名的 思想【”i i ”i i ”i 3 ) 文档结构微调法 b r a s s i l 等人1 3 3 1 首先提出了三种通用文档图像( p o s t s c r i p t ) 中隐藏特定二进制 信息的技术，数字水印信息通过轻微调整文档中的上下结构来完成编码。基于此 方法的数字水印可以抵抗一些文档操作，如照相和扫描复制。但是也很容易被破 坏，而且仅适合用于文档类图像。 4 ) 量化法 i m 1 u i ”1 、w h e n 和w o m e l l l 3 5 1 提出了量化水印算法，这种算法的关键是量化器 的设计必须满足给定的限制条件，以保证对每一个量化器重构数据都远离重构 点。性能分析表明，这类水印算法好于利用标准扩频调制原理但忽略水印权重设 计的水印算法。 2 、变换域数字水印 在变换域中可以嵌入大量比特数据而不会破坏宿主数据的使用价值，以往采 用类似扩频图像的技术在变换域中隐藏数字水印信息。变换域水印应是数字水印 算法未来趋势的主流，因为： a 在变换域中嵌入的水印信号能量可以分布到空域的所有像素上，有利于保 证数字水印的不可见性。 h 基于变换域的数字水印方案中，h v s 的某些特性( 如频率特性) 可以更 方便的结合到水印编码过程中。 第二章数字水印综述及理论基础 c 变换域的数字水印方案可以和国际数据压缩标准相兼容。从而实现在压缩 域( c o m p r e s s e d d o m a i n ) 的水印算法a 变换域数字水印技术般基于常用的图像变换，可以是基于局部变换或全部 的变换，如离散余弦变换( d c t ) 、小波变换( d w t ) 、傅氏变换( d f t ) 等。 1 ) d c t 域数字水印 其中基于分块d c t 变换是最常见的变换之一，现在所采用的静止图像压缩标 准j p e g 也是基于分块d c t 变换的。最早的基于分块d c t 数字水印技术方案之 一可见文献i 。他们的数字水印方案是由一个密钥随机地选择图像的一些分块， 在频域的中频上稍稍改变一个三元组以隐藏二进制序列信息。该数字水印算法对 有损压缩和低通滤波是稳健的。h s u 和w u b 4 0 l 把图像进行8 8 的d c t ( d i s c r e t e c o s i n et r a n s f o r m ) 变换，然后，将一个二进制序列作为水印嵌入到d c t 的中频频 带系数中。b a m i 等人1 则计算整个图像的d c t 变换，然后，将一个实数序列嵌 入到d c t 的中频系数中。类似的算法还有很多。易1 3 7 i 、t a s 和d i c k i n s o n t 3 。给出了 一种自适应d c t 域水印算法。p i v a 等人1 3 9 1 描述了另一种d c t 域水印算法，此算 法利用了人类视觉掩蔽特征。 c o x 等人1 4 1 提出基于图像全局变换的数字水印算法。他们的重要贡献在于：明 确的提出加载在图像的视觉敏感部分的数字水印才具有较强稳健性。该算法不仅 在视觉上具有数字水印的不可见性，而且稳健性非常好，可以经受有损的j p e g 压缩、滤波、d a 和a d 转换及重量化等信号处理，也可以经受一般的几何变形 如剪切、缩放、平移及旋转等操作，对照相复印和扫描复印等处理也具有较强的 稳健性。 2 ) d w t 域数字水印 d w t 域方法由于d w t 良好的空间频率分解特性( 更符合h v s 的特点) 和 成为新一代的图像压缩标准的极大可能性而有十分良好的前景。 x i a 等【4 2 i 提出了一种在d w t ( d i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o r m ) 域实现的数字水印 方法，其优点是稳健性好和层次性的检测方法；s w a n s o n 等1 4 3 】1 4 4 1 利用时域小波变 换和频域掩蔽性相结合实现了多分辨率视频水印；k u n d u r 和h a t z i n a k o s l 4 5 1 的方 法则把信息融合的思想引入到d w t 域水印的实现中。并对签名矩阵作小波变换， 然后叠加到原始图像的小波变换系数上：w a n g 等f 6 4 1 提出了基于小波变换的盲水 印算法，通过搜索图像中的感知性强的系数所对应的小波系数来嵌入水印。 3 ) d f t 域数字水印 目前最具代表性的d f t ( d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ) 域的水印算法是由 r u a n a i d h 等人1 4 6 1 提出的两个水印算法： l 、一个算法是把水印嵌入到图像的d f t 系数的相位信息中。其算法的依据 是h a y e s 的结论：从图像的可理解性角度，相位信息比振幅信息更重要。文献脚l 对 1 2 数字水印及其在静止图像中的应用 图像d f t 的幅值和相位成分的相对重要性以及它们对图像的影响进行了研究，结 果表明相位成分比幅值成分更重要，因此考虑将水印放在图像d f t 的相位成分 中。在图像d f t 相位成分中嵌入水印，还有两个好处：( 1 ) 对图像篡改具有很好 的鲁棒性。因为水印中包含的核心信息的编码几乎总是高度冗余的，若要蓄意攻 击破坏水印，则蓄意攻击造成的背景混乱和相位失真必须充分大，这必然会引起 不可接受的图像质量下降，影响图像的使用价值：( 2 ) 从通信理论角度来看，相 位调制比幅度调制具有更好的抗噪声特性。 2 、另一个算法，即将数字水印嵌入到图像d f t 系数的振幅信息中，其算法 的理论基础是：( 1 ) 图像的d f t 振幅系数包含很少图像的信息，信息大部分包含 在d f t 的相位系数中，对包含很少图像信息的d f t 振幅系数进行变换得很小的 熵值，从而产生很小的自身噪声。因此，忽略d f t 变换的相位系数，可以大大减 少图像像变换而产生的自身噪声。( 2 ) 因为d f t 变换的振幅系数对于一幅图像的 视图效果有很小的重要性，所以，可以期望好的压缩算法来保存好d f t 的相位系 数，而对d f t 的振幅系数就显得不很重要了( 在所有的压缩方案中，同时保存了 d f t 的相位和振幅系数) 。利用此结论可能得到更高的信噪比。( 3 ) 嵌入到d f t 系数的振幅中的一些水印算法实现了水印的平移、旋转和尺度拉伸不变性。 2 3 2 从应用目的上分类 1 ) 用于版权保护的数字水印鲁棒水e p ( r o b u s t ) 。 2 ) 用于多媒体内容真实性鉴定的水印脆弱水e p ( f r a g i l e ) 。 3 ) 用于辅助标识多媒体内容的有关消息的水印标识水e p ( a m o t a t i o n ) 。 本论文主要讨论了前两类水印，即鲁棒水印和脆弱水印的算法实现和具体应 用问题。 2 3 3 从外观上分类 数字水印从外观上可分为两大类：可见数字水印和不可见数字水印。 1 ) 可见水印( v i s i b l ed i g i t a lw a t e r m a r k i n g ) ，目的主要在于明确标识版权， 防止非法的使用，虽然降低了资料的商业价值，却无损于所有者的使用。 2 ) 不可见水印( i n v i s i b l ed i g i t a lw a t e r m a r k i n g ) 在视觉上是不可见的( 严格 说是无法察觉) 。目的是为了将来作为起诉非法使用者的证据，从而保护原创者 和所有者的版权。以上提到的变换域数字水印基本上是不可见数字水印。 不可见数字水印根据其稳健性可再细分为稳健不可见数字水印( i n v i s i b l e - r o b u s td i g i t a lw a t e r m a r k ) 和脆弱不可见数字水印( i n v i s i b l e - f r a g i l ew a t e r m a r k ) 。 第二章数字水印综述及理论基础 ( 1 ) 稳健不可见数字水印插入图像不会引起通常观察下可发现的缺陷，它必须 能经受一般信号处理。它在验证一幅被盗用的图像时是十分管用的。 ( 2 ) 脆弱不可见数字水印的特点是嵌入水印图像经图像处理后，所加载的数字 图像或数字水印就会被改变或毁掉。脆弱不可见数字水印往往用在证明图像的真 实性，检测或确定图像的内容被篡改等方面。 2 3 4 从加载方法上分类 首先建立加载数字水印和检测数字水印的数学模型i 。1 代表一幅图像， s 代表数字水印中的信息，是加载数字水印后的图像，s 是编码函数，对s 有如 下关系成立 s ( 1 ，s ) = 1 解码函数d 从数字图像，中提取数字水印或者是数字水印证据s + 。图像可以 是一幅有数字水印或没有数字水印的图像，也可以是遭到破坏的含有数字水印的 图像。如果解码方法中需要参考原始图像，则有下式成立： d ( j ，) = j p ( r ) 其中，p 表明图像j 中有数字水印了1 存在，当p ( t ) = t 时，解码中可以简化为仅 返回提取的数字水印图像丁。如果解码过程不需要，则解码过程可表达为 d ( j ) = p ( t ) 。当p ( t ) = t 时，提取的数字水印7 1 同所有者的数字水印s 通过一 比较函数f o 相比较，比较函数输出一二进制的判决结果以表明输入两者之间匹配 与否 w 固= 怯巍 这罩，f 是数字水印丁和s 之间的相关。因此，不失一般性，一个数字水印 方案可表示为一个三元组( 占，d ，c ) ，其中对任何图像i 和任何可允许的数字水印 s 都有d ( 6 ，( ，s ) ) = s 成立。 数字水印方案( 占，d ，c ) 是可逆的，如果对任何的图像j ，存在映射g 1 满足条 件： 1 ) e - 。( ，) = ( ，) ； 2 ) 占( ，s ) = ，； 3 ) c ( d ( n s ) = 1 。 其中s 。1 是一可计算的映射。s 属于允许的数字水印集合，图像，和图像，视 觉上是相似的。否则，该数字水印方案就是非可逆的。占。被称为逆映射，( ， 1 4数字水印及其在静止图像中的应用 s ) 是图像? 在占之下的逆映射集合成员之一，也就是说，如果图像? 在占下的一 个逆图像是可以计算的，则数字水印方案( 占，d ，c ) 是可逆的。 2 3 5 从检测方法上分类 秘密和公开数字水印方案 在检测数字水印时，如果有d ( j ，) = p ( t ) 成立，即检测中需要考虑原始图像 ，则这类数字水印方案被c o x 等称为秘密数字水印方案( p r i v a t e ) 。反之，如果 有d ( j ) = j d ( 7 ) 成立，即检测中无需参考原始图像，则这类数字水印方案被称为 公丌数字水印方案( p u b i l c o ro b l i v i o u s ) 。 2 ) 私钥和公钥数字水印方案 在密码学中，密码算法根据密钥的不同分为私钥算法和公钥算法。类似的， 数字水印算法也可根据用户密钥的不同分为私钥( s e c e r t - k e y ) 数字水印和公钥 ( p u b l i c - k e y ) 数字水印。 私钥数字水印方案在加载数字水印和检测数字水印过程中采用同一密钥，因 此需要在发送和接受双方中间有一安全通信通道以确保密钥的安全传递。而公钥 数字水印则在加载和检测数字水印的过程中采用不同的密钥，只有所有者j 可以 进行加载或插入数字水印，但可由任何人进行数字水印的提取和检测。公开数字 水印方案见文献i ”】。 2 3 6 按载体上分类 1 ) 静止图像数字水印方案 这是目前讨论最多的数字水印方案。静止数字水印主要是利用图像的冗余信 息和h v s 的特点来加载数字水印的。 2 ) 视频数字水印 视频数字水印目的是保护视频产品和节目的制作者的合法权。视频数字水印 应满足实时性要求，并且应能处理连续阵列。 3 ) 声音数字水印 声音数字水印可以保护声音产品，如c d 、广播电视的节目内容等。其主要利 用音频文件的冗余信息和h a s ( h u m a na u r a ls y s t e m ) 的特点来加载数字水印，关 于声音数字水印的文献见i ”1 。 4 ) 文档数字水印 这里的文挡是指图像文档。文档数字水印基本上是通过轻微调整文档中的结 构来完成数字水印信息编码。文档数字水印所用的算法一般仅适应于文档类图 第二章数字水印综述及理论基础 像，且稳健性较差。有关参考文献为l 。 t a b l e2 i 数字水印分类表 最低有效位法( l s b ) p a t c h w o r k 方法及纹理 空域数字水印 射编码方法 文档结构微调法 加载域 量化法 基于d c t 域方法 变换域数字水印 基于d w t 域方法 基丁d f t 域方法 鲁棒水印 应用目的 脆弱水印 标识水印 可见水印 外观 稳健不可见水印 不可见水印 脆弱不可见水印 加载方法可逆水印 不可逆水印 检测是否需秘密数字水印 检测方法 要原始图像公开数字水印 从密码的角度私钥数字水印 公钥数字水印 视频数字水印 声音数字水印 载体 图像数字水印 文档数字水印 其中，加粗体字的分类表示本论文中涉及的算法。 2 4 数字水印的评估标准 从用户的观点来看，数字水印有以下四个标准：强韧度、透明度、安全度和 确定度，其中前两个最为重要。 l1 强韧度( r o b u s t n e s s ) 由于数字水印完全嵌入数字媒体中，对数字媒体所做的变换也会导致其中水 印的修改，所以数字水印必须对作用于载体的变换具有抵抗作用。强韧数字水印 要求经过压缩或旋转等变换后，仍能通过判断，甚至将数字信号进行d a 、a d 转换之后，文件中的数字水印仍然完全保留。 由于水印文件的移除，整个媒体就丧失了原本加入数字水印的目的，所以， 强韧度在大部分的应用中是一个相当重要的标准。 2 ) 透明度( p e r c e p t i b i l i t y ) 这一点是水印的本质要求，出发点在于保护数据的感官质量。在承载媒体中 嵌入一定数量的信息数据后，不能引起媒体质量明显的下降，同时隐藏的数据不 1 6数字水印及其在静止图像中的应用 易察觉。而实际上，数字水印不可能是完全透明的，但是对于人眼来说，当不能 区分原始图像和嵌入水印后的图像时，我们就说该水印是透明的、不可察觉的。 所以数字水印既要求鲁棒性又要求不可见性。 3 ) 安全度( s e c u r i t y ) 数字水印要求直接编码在原始图像中，并且均匀分布。数字水印应能抵抗蓄 意的攻击。不能轻易地被第三方发现或销毁，也不能轻易地被第三方模仿或伪造， 更不能生成不同的合法水印来诬陷第三方。 4 ) 确定性( u n a m b i g u i t y ) 加入的水印信息在遭受到外界破坏时，应不具有二义性。在正常情况下检测 出的数字水印能清楚正确的判别数