（无线电物理专业论文）基于模型的稳健图像数字水印关键技术研究.pdf

中山大学博士学位论文 基于模型的稳健图像数字水印 关键技术研究 专业：无线电物理 姓名：王春桃 导师：罗锡璋教授 倪江群教授 摘要 多媒体处理软件及i n t e r n e t 的产生和发展，使得多媒体作品的储存、处理， 分发和传播变得非常便捷，给人们带来巨大的便利，但同时也带来了盗版、篡改 等一系列版权保护和内容完整性保障等问题。为了较好地解决这个问题，数字水 印技术应运而生，且随着研究的深入，它将在信息安全领域扮演重要的作用，并 有着广阔的应用前景。稳健图像水印是数字水印的其中一个重要研究分支，历经 十余年的深入研究后取得了很多成果，但仍有许多待解决的问题，离实际应用还 有一段距离。本论文主要研究了稳健图像水印的稳健性、不可见性和大嵌入容量 之间的综合优化问题，以及抵抗旋转、缩放和平移( r s t ) 等几何攻击的问题。在 这些研究过程中，我们采用了小波域隐马尔可夫模型( d 阶删) 来精确刻画图像 小波系数，并基于此针对特定情况来设计最优的水印检测器以提高检测性能。本 论文的主要内容如下： ( 1 ) 基于d w r - i 删m 的局部最优检验( l c r r ) 检测器的研究。为了解决检测端无法确 切知道嵌入强度系数而导致检测性能大幅下降的问题，通过应用局部最优统 计检验假设理论，发展了基于d w r - i 伽i 的l o t 检测器，并分析了它的非线性 特性及检测性能。实验结果表明，在嵌入强度不是特别大的情况下，l o t 检 测器的检测性能与可以获知确切强度系数时的同样基于d w r - h m m 的检测器 性能相当； 摘要 ( 2 ) 编码和嵌入联合优化的大容量稳健图像水印研究，以在稳健性、不可见性和 大容量三者约束之间获得良好的折衷。针对因采用嵌入端带边信息的嵌入策 略而导致检测端无法获知确切嵌入强度的问题，我们采用上面( 1 ) 中提出的 l 0 r r 检测器，并进一步用它来构造“脏纸编码”和定义算法的稳健性测度。 构造了小波域的w a t s o n 视觉距离，并用它来定义分别针对图像和向量树的 视觉失真测度。根据l o t 检测器的非线性特性，我们提出了编码和嵌入联合 优化的嵌入端带边信息水印算法；在嵌入阶段，进一步同时考虑稳健性和不 可见性的约束，并利用遗传算法获得最优嵌入强度系数来同时优化这对矛 盾。大量的仿真实验表明，此算法能以很好的稳健性和相对较好的视觉保真 度获得1 6 4 比特象素的大容量；相对于传统的非嵌入端带边信息嵌入的水 印算法，本算法在抵抗j e e g 压缩攻击、幅度攻击、低通滤波等方面具有大 幅的性能增益； ( 3 ) 内容自适应稳健图像水印研究。为了更好地优化稳健性和不可见性闻的矛盾 约束，我们采用内容自适应策略来选取适合于水印嵌入的信号成分来进行水 印的嵌入。为此，我们构建了基于能量、熵和i h v s 的候选测度：在综合分 析和比较了这三种测度的性能后指出，i h n s 测度更适合于用作自适应选择 信号成分的测度。但采用内容自适应策略后会带来嵌入端和检测端关于所选 信号成分的同步问题，为解决这个问题我们采用了同时具有纠正删除和错误 能力的r a 码，并针对具体情况进行了适配和优化；结合用接收到的图像来 训练d w t - h m m 参数集的后验d w t - h m m 检测器，实现了真正意义上的自适应水 印盲检测。实验结果表明，采用了内容自适应策略后，能够在保持相同失真 的情况下迸一步较好地提高了基于嚼h 琢耐的算法的稳健性； ( 4 ) 结合z e r n i k e 矩和小波域模板抵抗r s t 几何攻击的稳健图像水印研究。为了 识别图像所经受的几何变换，我们设计了一种小波域模板，使得模板和水印 都同处于小波域中。同时为了提高模扳匹配的效率，提出了一种由粗到精识 别几何攻击参数的算法，即首先利用平移归一化图像的z e m i k e 矩估计出缩 放和旋转角度参数，并用校正或近似校正旋转和缩放后的图像和原图像间的 质心增量来估计平移参数；然后基于这些估计参数在一个相对较小的范围内 通过模板匹配来获取准确的旋转、缩放和平移值，并用它们来校正受攻击的 中山大学博士学位论文 图像。结合基于d w t - m n d 的水印嵌入和检测策略，实验仿真表明此算法 可以有效抵抗基于s t i r m a r k 4 0 平台的各种单项攻击( 如旋转、缩放、平移、 剪切( s h e a r i n g ) 、j p e g 压缩、锐化等) 以及基于这些攻击的联合攻击。表现 出了良好的稳健性。另外，算法时间复杂度的分析及性能比较表明，此算法 能在一定程度上提高模板匹配的效率。 关键词：图像水印，稳健性，小波。隐马尔可夫模型，嵌入端带边信息，大容量， 几何攻击，z e r n i k e 矩 i l l 中山大学博士学位论文 r o b u s t i m a g ew a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m s b a s e do hm o d e l s l m 盱慨p r o f l u ox i z h a n g p r o f n i j i a n g q a n a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to f t h ei n t e m e ta n dm u l t i m e d i ap r o c e s s i n gt e c h n i q u e si n t r o d u c ea l o to fi s s u e so nc o p y r i g h tp r o t e c t i o na n dc o n t e n ta u t h e n t i c a t i o n , e g 。p i r a t e dc o p y , f o r g e r y , e t c ，w h i l et h e y t a k e g r e a tc o n v e n i e n c ef o rs t o r a g e ，p r o c e s s i n g , a n d d i s t r i b u t i o no fm u l t i m e d i aw o r k s t h ea i mt ob e s ts o l v et h e s ep r o b l e m sg i v e sr i s et o t h ed i g i t a lw a t e r m a r k i n g w h i c hi sp l a y i n gm o r fa n dm o r ei m p o r t a n tr o l e si nt h ef i e i d o fi n f o r m a t i o ns e c u r i t ya n dw i l lc e r t a i n l yh a v ea g r e a to fv a l u a b l ea p p l i c a t i o n s t h e r o b u s ti m a g ew a t e r m a r k 趣i so l l eo f t h ei m p o r t a n ts u b - f i e l d s0 fd i g i t a lw a t e r m a r k i n g , w h i c hh a sa c h i e v e dg r e a t 丘l | i 协d u r i n gt h ep a s td e c a d e s i nt h i ss u b - f i e l d , h o w e v e r , t h e f oa 糟s i l l ls o m eo p e ni s s u e sf o rf u r t h e ri n v e s t i g a t i o nb e f o r ei tc o u l db ev a s t l yp u t i n t op l 敏黼i nt h i sp 即w ed os o m er e s e a r c h e so nt h e j o i n to p t i m i z a t i o nu n d e rt h e c o n s t r a i n t so fr o b u s t n e s s , i n v i s i b i | i t y , a n dh i g hc a p a c i t y , a n do nt h ei s s u eo fr e s i s t i n g t h eg e o m e t r i e x da t t a c k sl i k er o t a t i o n , s c a l i n g , a n dt r a n s l a t i o n ( r s t ) t h r o u g ho u r r e s e a r c hw o r k , t h eh i d d e nm a r k o vm o d e li nw a v e l e td o m a i n ( d w r m 娴i su t i l i z e d t of i n e l yc h a r a c t e r i z et h ew a v e l e tc o e f f i c i e n t so ft h ei m a g e , a n dt h ec o r r e s p o n d i n g o p t i m u md e t e c t o r s f o rs p e c i f i cs i t u a t i o n s 黜d e v e l o p e da c c o r d i n o y t h em a i n c o n t r i b u t i o n so f t h ep a p e ra r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) d e v e l o p m e n ta n da n a l y s i so f t h el o c a l l yo p t i m u mt e s t i n g ( l o t ) d e t e c t o rb a s e d o nd w t - h m m t ot a c k l et h ei s s u eo fd e t e c t i o np e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o n v a b s t r a c t b e c a o s et h ee x a c te m b e d d i n gs t r e n g t hi su n s o w nt ot h er e c e i v e rf o rs o m e r e a s o n s ，w ea p p l yt h el o c a l l yo p t i m u mh y p o t h e s i st e s t i n gt h e o r yt od e v e l o pa l o td e t e c t o r m o r e o v e r , t h en o n - l i n e a rf e a t u r e sa n dt h ed e t e c t i o np e r f o r m a n c eo f t h el o td e t e c t o ra r ea l s oa n a l y z e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h el o t d e t e c t o rh a sa l m o s tt h es a m ep f r f o r n i a l 尬ea st h ed w t - h m m - b a s e dd e t e c t o rw i t h t h ee x a c te m b e d d i n gs c e n g t ho nt h ec o n d i t i o nt h a t t h ee m b e d d i n gs t r e n g t h , c o m p a r i n gt ot h eh o s ts i g n a l ，i a n tt o ol a r g e ； ( 2 ) h i g hc a p a c i t ya n dr o b u s ti n f o r m e dw a t e r m a r l d n ga l g o r i t h mw i t hj o i n t l yc o d i n g a n de m b e d d i n go p t i m i z a t i o n , w h i c hi sa i m e dt ob e t t e rt r a d eo f ft h ec o m b i n e d c o n s t r a i n t so fr o b u s t n e s s ，i n v i s i b i l i t y , a n dh i g hc a p a c i t y t os o l v et h ep r o b l e m t h a tt h ee x a c te m b e d d i n gs t r e n g t hi su l l k n o w nt ot h er e c e i v e rf o rt h es t r a t e g yo f i n f o r m e de m b e d d i n g 。t h el o td e t e c t o ri n ( 1 ) i sa d o p t e d ，w h i c hi sf u r t h e r e m p l o y e dt od e s i g nt h ed i r t y - p a p e rc o d e sf o ri n f o r m e dc o d i n ga n dt od e f i n et h e r o b u s t n e s sm e t r i c t h ew a t s o np e r c e p t u a ld i s t a n c ei nw a v e l e td o m a i ni s c o n s t r u c t e da n d 劬t h e rd e p l o y e dt od e f i n et h ed i s t o r t i o nm e t r i cf o rt h ev e c t o rt r e e a n di m a g e , r e s p e c t i v e l y b a s e do nt h en o n - l i n e a rf e a t u r e so f t h el o td e t e c t o r , t h e s c h e m eo fj o i n t l yc o d i n ga n de m b e d d i n go p t i m i z a t i o ni sd e v e l o p e d ，a n dt h e g e n e r i ca l g o r i t h m ( g a ) i sa l s od e p l o y e dt oo b t a i nt h eo p t i m a le m b e d d i n g s t r e n g t h u n d e rt h er o b u s t n e s sa n d i n v i s i b i l i t y c o n s t r a i n t s s i m u l t a n e o u s l y e x t e n s i v es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e di n f o r m e dw a t e r m a r k i n gc a n a c h i e v et h ei n f o r m a t i o nr a t eo f1 1 6 4b i t s p i x e l 嘶t hh i g hr o b u s t n e s sa n d a c c e p t a b l ev i s u a ld i s t o r t i o n , a n dt h a ti tg a i n ss i g n i f i c a n ti m p r o v e m e n ti n p e r f o r m a n c ea g a i n s tt h ej p e gc o m p r e s s i o n , g a i n - a t t a c k , l o w - p a s sf i l t e r i n g ，鼬c ； ( 3 ) r o b u s ti m a g ew a t e r m a r l d n ga l g n f i t h m 谢t l lc o n t e n t a d a p t i v ea p p r o a c h t ob e t t e r t r a d eo f f t h ec o n t r a d i c t o r yc o n s t r a i n t so fr o b u s t n e s sa n di n v i s i b i l i t y , t h e c o n t e n t - a d a p t i v es t r a t e g yi se m p l o y e dt oo n l yc h o o s et h es i g n n lc o m p o n e n t st h a t a r es u i t a b l ef o rw a t e r m a r ke m b e d d i n g w i t ht h i s a i m , t h r e ec a n d i d a t em e a s u r e s ， n a m e l y , e n e r g y , e n t r o p y , a n di h v sm e a s u r e s , a r ec o n s t r u c t e d , a m o n gw h i c ht h e i h v sm e a s u r ei sd e m o n s t r a t e dt ob et h em o s ts u i t a b l eo d ef o rc o n t e n t - e d a p t i v e v i 中山大学博士学位论文 s e l e c t i o na f t e rt h e i rp e r f o r m a n c ea r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d h o w e v e r , t h e c o n t e n t - a d a p t i v es t r a t e g yc a u 螂t h es y n c h r o n i z a t i o np r o b l e mo nt h ee x a c t l y s e l e c t e dc o m p o n e n t sl 圮t w c e nt h ee m b e d d e ra n da c t 聪略t 0 忆t ot a c k l et h i si s s u e , r e p e a t - a c c u m u l a t e ( r a ) c o d ew i t h 目a s l l r ea n de r r o rc o r r e c t i o ni sd e p l o y e da n d f i l r t h e ro p t i m i z e df o rt h es p e c i f i cs i t u a t i o n , w h i c hg i v e sr i s et ot h er e a l l yb l i n d d e t e c t i o nb yc o m b i n i n gw i t ht h ep o s t e r i o rd w t - h m mu a i n e dw i t ht h er e c e i v e d i m a g e t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e dc o n t e n t - a d a p t i v es c h e m e c a n g a i nc o n s i d e r a b l e e n h a n c e m e n ti n p e r f o r m a n c e o v c rt h et r a d i t i o n a l d w t - h m m w a t e r m a r k i n ga l g o f i t h mw i t hs t o c h a s t i ce m b e d d i n g ； ( 4 ) r s t o i n v a r i a n tr o l 儿i s ti m a g ew a t e r m a r k i n ga l g 耐吼i n c o r p o r a t i n gz e r n i k e m o m e n t sa n dt e m p l a t ei nw a v e l e td o m a i n t or c c o g i l i z ct h e g e o m e t r i c a l t r a n s f o r mt h a tt h er e c e i v e di m a g em a y u n d e r g o ，at e m p l a t ei sd e s i g n e da n d i n s e r t e di n t ot h ew a v e l e td o m a i n , t h es a m ed o m a i nw h e r et h ew a t e n n a l i 【i s e m b e d d e d ，a n dac o a r s et of i n es t r a t e g yi sp r o p o s e df o re f f i c i e n tt e m p l a t e m a t c h i n g a tt h ec o a r 辩s t a g e , t h er o t a t i o na n ds c a l i n gp a r a m e t e r sa g ee s t i m a t e d w i t ht h ez e r n i k em o m e n t so ft h et r a n s l a t i o n - n o r m a l i z e d i m a g e ，w h i l et h e t r a n s l a t i o np a r a m e t e r sa r ce s t i m a t e dw i mt h ec e n 灯o i d si n c r e m e n t sb c t w e e l lt h e w a t e r m a r k e di m a g ea n dt h ei m a g et h a ti sc o r r e c t e df o rr o t a t i o na n ds c a l i n g a t t h ef i n es t a g e , t h ea c c u r a t er s tp a r a m e t e r sa r co b t a i n e db ym a t c h i n gt h e t e m p l a t ea r o u n dt h er o u g h l ye s t i m a t e dr s tv a l u e s , w h i c ha r ct h e nu t i l i z e dt o c o r r e c tt h er s ta t t a c k s t h ed w t - h m m - b a s e dw a t e r m a r k i n gs c h e m ei sa l s o a d o p t e d h i g hr o b u s 血e s si so b s e r v e di nt h es i m u l a t i o nr e s u l t sw h i c hs h o wt h a t t h ep r o p o s e da l g o r i t h mc a ns u c c e s s f u l l yr e s i s tm a n ys e p a r a t ea t t a c k sg i v e ni n s t i r m a r k4 0 ( e 。g r o t a t i o n ，s e a l i n g ，t r a n s l a t i o n , s h e a r i n g ，j p e gc o m p r e s s i o n , s h a r p e n i n g ，e t e ) a n dt h e i rj o i n ta t t a c k s i na d d i t i o n , t h ea n a l y s i sa n dc o m p a r i s o n o ft h es e a r c h i n gt i m ea l s od e m o n s t r a t et h a tt h ep r o p o s e dc o a r 辩- t o - f i n es t r a t e g y c o n s i d e r a b l yc n h a 1 p c st h ee f f i c i e n c yo f t e m p l a t em a t c h i n g k e yw o r d s ：i n 扭g ew a t e r m a r k i n g ，r o b u s t n e s s , w a v e l e t , h i d d e nm a r k o vm o d e l ， i n f o r m e dw a t e r m a r k i n g , h i e , hc a p a c i t y , g e o m e t r i c a la t t a c k , z e m i k em o m e n t 中山大学博士学位论文 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在 导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。 除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对 本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者签名：王春相e 日期：2 0 0 7 年舌月弓日 中山大学博士学位论文 第1 章绪论 1 1 数字水印的产生和发展 多媒体的数字化以及多媒体处理技术的产生和发展，使得诸如文本、图像、 音频、视频等媒体资料的制作、复制、保存、编辑、合成等变得相当容易和高效。 计算机网络的产生和发展进一步加速了多媒体资料的分发和传播，并使得多媒体 得到了广泛的应用。这些技术给人们带来了极大的便利，充分地丰富了人们的生 活，也因而孕育了一个巨大的市场。然而在市场的利益博弈中，多媒体基于数字 化和网络化带来的易于复制和传播的特性，也产生了一系列诸如盗版、篡改、仿 冒等版权保护和内容完整性保障等严重问题。 对于上述问题，传统的应对方法是密码学。它的基本思想是对需要保护的多 媒体内容用密码进行加密，并将相应的密码发送给合法用户；然后将加密后的多 媒体通过网络或其它途径进行传输；合法用户在接收到多媒体后，用所获得的合 法密码进行解密以正确地获悉受保护内容。对于非法用户，即使接收到了多媒体， 也会由于没有正确的密码而无法了解具体的内容，因此多媒体内容得以受到保 护。这种方法在多媒体内容的传输过程中确实能够起到保护作用，但是当受保护 的多媒体一经解密，其内容便失去了保护作用，一样可以进行非法拷贝、篡改等。 另外，加密保护的内容在传输的过程中也不便于直接进行处理，在一定程度上影 响了多媒体的应用。因此，鉴于密码学保护多媒体的局限性，我们追切需要一种 密码学的补充技术或者新的替代技术，使得内容不管有无加解密都能得到保护。 二十世纪九十年代中后期，在人们寻求新的多媒体内容版权保护技术的过程 中，数字水印技术应运而生。它把一些版权信息直接嵌入或隐藏在数字媒体中， 并通过巧妙的设计使得这些嵌入的信息一直存在于数字媒体中，直到数字媒体被 破坏到完全不能正常使用为止。当需要进行内容版权鉴定时，先从数字媒体中检 测和提取这些信息，然后利用这些信息的内容判断此数字媒体的所有权。在实际 应用时，要求这些嵌入的信息能够在a d 或d a 变换、加噪和滤波、可能出现的几 第1 章绪论 何变换等常规处理以及一些有意的攻击后仍然能够生存下来。随着研究的进行， 数字水印技术不再局限在内容版权保护中，它进一步扩展和应用到了其它的领 域，如操作跟踪、广播监控、内容认证、内容完整性保护、数据隐藏等方面n 1 。 这些领域的基本思路与内容版权保护的类似，都是在满足某些条件约束的情况下 根据数字媒体的特点在其中嵌入或隐藏某些信息来达到相应的目的，只不过具体 设计策略因具体的应用和要求不同而有所不同。例如，稳健数字水印需要具有较 好的稳健性和保真度，脆弱数字水印需要能识别对数字媒体的各种篡改或处理， 而隐秘通信( s t e g a n o g r a p h y ) 则主要关注嵌入的数据容量“1 。 数字水印属于信息隐藏的范畴m ，是多学科高度交叉的新兴研究领域，它 涉及到了信息论、通信理论、计算机科学、密码学、编码理论、信号处理、博弈 论、人类听视觉理论等学科。经过十余年的深入研究，数字水印在许多领域都 得到了充分的研究，也取得了很多研究成果。这些研究成果初步奠定了数字水印 的框架，得出了一些基本理论和原理，并获得了一些具体的应用，但数字水印作 为一个领域还有许多关键技术尚未解决，还需要走很长一段路才能走向成熟。 1 2 数字水印的应用 随着互联网的诞生和发展，信息的安全性成为了信息时代的一个关键性问 题。1 9 9 1 年，p a r k e r ：在巴尔的摩举行的第十四届国家安全局o q s a ) 全国科技信息 情报系统0 盯s d 的国际计算机安全会议上提出了关于信息安全的六要素，简要地 可合并成三个部分【q ： 可用性和实用性( 能用和有用) 完整性和真实性( 完全和可靠) 保密性和占有权( 秘密和掌握) 其中占有权方面在之前的信息安全研究中并没有明确地指出或论证该采用哪种 手段。随着数字水印技术的诞生和发展，信息安全的占有权属性显然可以由用于 版权保护的数字水印技术来实现。对于第二部分的完整性和真实性，虽然可以通 过附加摘要或数字签名的方式来实现，但( 半) 脆弱水印技术能起到更好的作用， 因为它用来保护完整性和真实性的信息是与被保护的信息紧密结合在一起的，而 且是不可见的。因此，数字水印技术的诞生、发展和应用有其必然性。 2 中山大学博士学位论文 多媒体易于复制和分发的特点，促使数字水印的诞生并使得它获得了广泛的 应用，从最初的内容版权保护拓展到了很多其它的领域，而且随着研究的深入还 将不断拓宽它的应用领域。下面给出目前数字水印的一些主要应用领域“啊。 1 版权保护 版权保护是数字水印发展的初衷，起源于上个世纪九十年代初i n t e r n e t 蓬勃 发展时期。它的目标是在图像、音频、视频、文本等媒体中秘密嵌入版权信息， 然后通过检测和提取这些信息来判断版权所有者。为了达到这一目的，嵌入的信 息需要在媒体尚未得到彻底破坏而变得没有利用价值之前都能保持其存在性，因 此需要巧妙设计水印算法来应对各种有意无意的攻击。版权保护数字水印可以应 用到各种各样的媒体中，但没有统一通用的算法，通常都需要根据不同的应用需 求来设计。然而，版权保护数字水印技术的有效性却是一个颇有争议的问题“习， 而且目前数字水印作为版权保护的其中一种技术手段也尚未列入法律的条文之 中 2 数字指纹( f i n g e r p r i n t i n g ) 数字指纹与版权保护类似，但具有更强的内容控制和可追踪特性。它将对应 某个特定合法用户的、具有唯一性的i d 嵌入媒体中，并将这些i d 形成一类数据列 表或数据库。对于非法拷贝和分发的媒体，通过提取其中的i d 并利用它的唯一性 便可从i d 列表或数据库中追查出非授权使用的源头为了达到这一目的，数字指 纹除了需要具有版权保护水印所具备的特点外，它还必需能有效抵抗“共谋攻击” 魄，即通过混合同一内容但不同i d 的多个版本的媒体来去除i d 的有意攻击。数 字指纹可以应用到需要追踪合法用户是否按所授权利合法使用媒体的场合，如游 戏的分发、影视的传播、一些秘密敏感文档的分发传递等“”“ 3 内容认证( a u t h e n t i c a t i o n ) 内容认证指鉴别多媒体内容是否被处理或篡改过，用来衡量内容的原始性和 完整性。它与密码学中通过附加内容来进行认证的数字签名不同，内容认证是直 接在多媒体内容中嵌入水印信息，并通过是否可以成功检测到原来的水印嵌入信 息来判断内容的原始性和完整性。若水印检测是成功的，则表明原来的内容没有 3 第l 章绪论 经过处理或篡改，否则就是被处理或篡改过。在需要精确认证的情况下，设计的 水印需要在内容有一点微小改变的情况下都无法检测出来，这样的水印称为脆弱 水印“”；而在选择认证的情况下，设计的水印需要在某些如滤波或加噪等常规 信号处理之后能够检测出来，但在其它一些处理时则无法检测出来，这样的水印 称为半脆弱水印“1 。内容认证数字水印主要应用在音视频自动监控、车牌证照的 完整性、保证多媒体作品的原始性和完整性等方面“”。 4 篡改取证( f o r e n s i c s ) 这类应用与内容认证类似，但它更进一步，不但能够判断内容是否经过篡改， 还能判断是经过了哪些篡改或者哪部分遭受了篡改旺j ”。例如，可以判断图像的 哪些象素被篡改了，媒体中去除或插入了哪些对象，图像是否是合成而来的，等 等。这类水印需要设计得更为巧妙，且需要针对特定应用场合来设计，从而能够 进步区分某些特定的篡改。篡改取证数字水印技术可以应用在为法律收集证 据、为警察调查取证等方面“旧。 5 隐秘通信( s t e g a n o g r a p h y ) 隐秘通信是指将需要通信的信息以不为人所察觉的方式嵌入在多媒体中，然 后通过公众通信网络或其它一些常规的方式与媒体一起进行传输，最后接收方再 从接收到的媒体中提取和恢复原始嵌入信息“”。显然，不可察觉和大容量是隐秘 通信的主要关注点，具体的水印设计还将涉及到特定应用场合的特定稳健性要 求。隐秘通信通常应用在军事上，如在战争中使用或者为恐怖组织所利用等圆。 另外，隐秘通信也可以用于在已有的通信信道上传输更大容量的信息“田。 6 广播监控 对于购买了商业广告的用户来说，它们需要知道所购买的广告的播放情况。 传统的被动式的监控方式颇为复杂和低效，利用数字水印技术则可以比较理想地 实现这一目的“1 。广播监控是指将一定的标志信息嵌入到如电视、广播、广告等 当中，然后基于这些嵌入的标志信息来实现自动监控这些内容的播出时间或者播 出的长度“。此外，广播监控也可以利用嵌入的信息来监控多媒体是否放合法地 播放。 4 中山大学博士学位论文 7 设备控制 为了使得信号或设备问的同步更为简便，可以将用于同步或控制的信息嵌入 在媒体中，在具体的应用中利用这些信息进行触发控制来达到目的。如在无线电 广播中嵌入数字水印信息来指示广播中的广告是否需要被阻断，或者利用嵌入在 照片中的控制信息来指示浏览器访问相应的网站等“1 8 数据库内容注释 一些音视频数据库包含大量的标题、字幕或注释等信息，不把这些信息独立 存放而是直接嵌入在音视频内容中则显然是一个更好的策略，因为这样不需要额 外的存储，且音视频内容和相关注释也直接关联了起来“1 。在这种应用场合下， 由于通常需要较大的嵌入容量，因此需要用到类似于隐秘通信的数字水印技术。 1 3 数字水印模型框架 在实际应用中，数字水印和多媒体同时在通信信道中传输，在接收端数字水 印用来实现诸如版权保护、认证等目的，而多媒体则为终端用户所观察或使用， 因此更为接近现实情况的是混合通信模型“1 ，如下图卜1 所示。 图i - i 混合通信模型 的 息 在进行数字水印的理论分析和研究时，主要考虑水印的嵌入和检测问题，它 的基本原理可以用下面图l - 2 的模型框架来描述嘲在具体介绍此模型框架前， 先定义两个基本概念：载体作品和数字水印。袭缂准旃是指用于数字水印嵌入的 第1 章绪论 多媒体，如文本、图像、音频、视频等。囊学歇矽( w a t e r m a r k ) 是指为了达到特 定数字水印技术目的而产生的一串信息序列，它可以是二进制随机比特序列、代 表版权信息的有意义比特序列、二维l o g o 图像或其它一些需要嵌入到载体作品中 的信息，所以有时也称数字水印为数字水印信息、水印信息或简称为水印。 ；捆硫檑；铺擞黼道；i c 日嬲嘿； ； 1 3 i 数字水印的构造 图1 - 2 数字水印模型框架 设m 为数字水印信息的集合，用m 为具体的数字水印信息。如上面的定义， 辨可以是二进制随机比特序列、代表版权信息的有意义比特序列、二维l o g o 图 像或其它一些需要嵌入到载体作品中的信息( 如隐秘通信中的数字水印信息) 。 这些直接产生的水印信息所，有时也称为原始水印信息。在实际应用时，所的选 择决定于具体的应用场合和需求。 有时为了能纠正由于噪声或攻击等引起的错误，在数字水印中引入纠错编码 技术“喇，即在原始水印信息嵌入之前利用纠错编码对它进行信道编码，在水印 检测之后再进行解码以恢复原始水印信息。但在数字水印系统中，由于不可察觉 性的约束，纠错码码率和嵌入强度可以相互转换，因此纠错编码只有在一定条件 下才能带来稳健性的增益。 1 3 2 数字水印的嵌入 数字水印的嵌入由水印嵌入器完成，如图l - 2 所示，它利用密钥| ； 将水印信 息脚e m 嵌入到载体作品j 中，嵌入操作用函数表示为 6 中山大学博士学位论文 x = f ( s ，j r f l ，d ( 1 1 ) 引入密钥七的主要目的是增强算法的安全性；密钥后通常是独立于j 的，但在有的 算法中也会与s 有关嘲。 根据数字水印算法中载体作品s 和水印信息m 的关系，可以将目前的水印算法 归为三种基本模型：p - 2 1 ( 1 ) 将j 当作是纯噪声，嵌入时仅是简单地把埘叠加到j 中 ( 2 ) 考虑到嵌入时j 已知，利用s 作为边信息进行嵌入 ( 3 ) 将s 和埘看成是两个独立的信号，在传输时进行复合，在检测时则实现各自 的用途 对于模型( 1 ) ，已经得到大量应用的有基于最低有效位( l s b ) 和扩频原理的数字水 印算法1 q ，此类模型主要在数字水印技术发展的早期出现；对于模型( 2 ) ，有分 布式源编码、嵌入端带边信息的嵌入算法等1 1 - 2 1 ，这类算法由于利用了载体作品 的信息，相对于模型( 1 ) 可以获得很好的性能增益；对于模型( 3 ) ，它侧重于将载 体信息和水印信息对等地考虑，这有利于理解实际的系统，但对于解决水印领域 的基本问题帮助不大。 1 3 3 数字水印的传输，攻击 嵌入水印后的图像，在经由通信信道传输时，会引入噪声失真。另外，嵌入 水印后的图像可能也会受到一系列有意无意的变换或攻击。如d a 和a d 变换、 低通滤波、数据压缩、几何变换等；这些变换或攻击会带来各种失真，可以等价 地将它们当成一种虚拟的信道，并称之为攻击信道。因此，对于实际的水印系统， 可以将上述两种失真合并在一起，统称为传输攻击信道引入的失真，如图1 - 2 所示。传输攻击信道可以用概率统计模型来表征，记为a ( v l x ) 出于方便，传输，攻击信道引起的失真可以简单地归结为由于对嵌入有水印的 图像进行有意无意的攻击所引起的。对于目前水印文献中出现的攻击，大致可以 分为如下几类f 2 4 - 2 9 1 ： ( 1 ) 简单攻击通过对载体作品和水印信息一起操作来进行攻击，不对水印独 立操作。包括线性和普通的非线性滤波、基于波形的压缩( j p e o 、m p e o ) 、 7 第1 章绪论 加性噪声、裁剪、象素的量化、a d 或d a 转换、伽马校正等： ( 2 ) 同步攻击打破水印信息与载体作品之间的关联，使得水印无法检测到， 包括空域平移、旋转、缩放、剪切( s h e a r ) 、象素顺序置乱、子抽样、去除或 插入象素( 群) 、其它几何变换等。对于几何攻击，又可进一步分为全局性几 何攻击( 如旋转、缩放和平移等) 和局部几何攻击( 如s h e a r 、去除或插入 一些象素、打乱象素的顺序等) ； ( 3 ) 模糊性攻击一通过提供虚假的原始数据或水印信息，从而无法断定真正得 版权属性。主要方法是插入一个或多个其它水印以致无法识别谁先谁后。也 就无法断定版权究竟属于谁。例如，m m 攻击； ( 4 ) 去除水印的攻击通过分析水印或载体作品，可以估计出水印信息或原始 数据，从而可以把水印去掉而只保留下原始数据。包括共谋攻击、去噪处理、 非线性操作、采用图像综合模型的压缩攻击( 如采用纹理模型或3 d 模型) 、 利用统计模型的攻击陶、针对具体的水印算法的攻击等； 以上的分类只是一个大致的分类，各类之间的界限并不是很严格，类与类之间存 在交集。例如，利用统计模型的攻击就可以归入模糊性攻击或去除水印的攻击中。 经过传输