（应用数学专业论文）鲁棒性水印和易脆性水印技术的研究与应用.pdf

摘要 伴随着网络技术和多媒体技术的飞速发展，多媒体数据逐渐成为人们获取信息的重要 来源，并因其方便快捷而成为人们生活的重要组成部分，多媒体信息的交流达到了前所未 有的深度和广度。多媒体数据发布形式愈加丰富，其暴露出的问题也十分明显：作品侵权 更加容易，篡改更加方便。因而，如何保护多媒体信息的安全成为国际上研究的热门课题。 本论文主要探讨有关数字图像信息安全中的数字水印技术。数字水印技术作为版权保 护的重要手段是数字信息安全中重要的一个分支，它通过在原始数据中嵌入秘密信息 水印来证实该数据的所有权或完整性，以此来抵制对数字作品的盗版或篡改等，其凭借优 于数字加密技术的特点，得到广泛的研究和应用。 本文以静态的数字图像为例，在总结数字水印技术的发展背景及基本理论框架的基础 之上，从不同侧重点提出两种基于频域的鲁棒性水印算法，并对数字( 图像) 水印算法和 不同水印之间的结合应用进行了研究和讨论。主要工作有以下几个方面： 首先，数字水印技术研究的一个重要内容就是鲁棒性数字水印算法的研究和设计，因 此，对现有数字水印技术进行了概述，并重点分析了鲁棒水印和易脆水印的研究现状。 其次，通过利用分块d c t 技术，采用混沌加密技术对水印图像预处理，提高抗剪切能 力，根据人眼视觉系统的掩蔽特性选择合适的分块，然后利用余数的周期特性在选择较好 分块的中频系数上进行水印嵌入，在检测水印时实现了盲检测。经过仿真实验，该算法对 剪切攻击，滤波攻击，j p e g 压缩等有较强鲁棒性，但在旋转变换和强噪声攻击时尚待改进。 最后，介绍了新的数字水印技术一零水印的应用，结合小波水印同时实现了鲁棒性 和易脆性，这是其他多功能数字水印技术算法无法独立完成的，并针对传统的相关值检测 盲水印方法嵌入容量小，鲁棒性较差的缺点，提出了实现鲁棒性和易脆性相结合的基于小 波零树结构和奇异值分解的零水印算法。该方法具有实现简单，运算复杂度低的特点，并 对常见的攻击具有鲁棒性。仿真实验结果表明该算法不仅具有较强的鲁棒性，而且能够达 到易脆水印的图像篡改定位能力，即同时实现了水印的鲁棒性和易脆性。 关键词： 数字水印混沌加密零水印小波零树结构奇异值分解相关检测 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n t e m e ta n dm u l t i m e d i at e c h n i q u e ，t h em u l t i - m e d i ad a t ai s b e c o m i n gt h ei m p o r t a n ts o u r c et h a tt h ep e o p l eo b t a i ni n f o r m a t i o ng r a d u a l l y , a n di tc o n s t i t u t e sa l l i m p o r t a n tp a r to fp e o p l e sl i v eb e c a u s eo f i t sc o n v e n i e n c ea n ds p e e d i n e s s t h ee x c h a n g eo ft h e m u l t i m e d i ai n f o r m a t i o nh a sc o m et oa nu n p r e c e d e n t e dd e p t ha n dw i d ed e g r e e s t h ef o r m so f m u l t i m e d i ad a t ar e l e a s ea r em u c ha b u n d a n t , b u tt h e r ea r em a n yo b v i o u sp r o b l e m s ：i ti sm u c h e a s i e rt oi n f r i n g ec o p y r i g h t ；i ti sm o r ec o n v e n i e n tt os o p h i s t i c a t ee r e a sac o n s e q u e n c e ，h o wt o p r o t e c tt h es e c u r i t yo fm u l t i - m e d i ai n f o r m a t i o nt u r n si n t oap o p u l a rt o p i ca l lo v e rt h ew o r l d t h i sp a p e rm a i n l yd i s c u s s e st h ew a t e r m a r kt e c h n i q u ea p p l i e di ni n f o r m a t i o ns e c u r i t y c o n c e r n i n gd i g i t a li m a g e t h ew a t e r m a r kt e c h n i q u ei so n eo ft h ei m p o r t a n tb r a n c h e si nd i g i t a l i n f o r m a t i o n s e c u r i t yw h i c hs e r v e r st op r o t e c tc o p y r i g h ta n d i ti sr e s e a r c h e da n da p p l i e d e x t e n s i v e l yb e c a u s eo fi t sc h a r a c t e r i s t i c st h a ta r em o r ee x c e l l e n tt h a nd i g i t a le n c r y p t i o n i ti su s e d t oc o n f i r mt h eo w n e r s h i po ri n t e g r i t i e so ft h ed a t ab yt h ew a t e r m a r kw i t hs e c r e ti n f o r m a t i o n , w h i c hi si m b e di n t ot h eo r i g i n a ld a t a , t ob o y c o at h ep i r a t ee d i t i o no rd i s t o r tt ot h ed i g i t a lw o r k t h i sp a p e rd i s c u s s e da n dr e s e a r c h e dt h o r o u g h l yi nt h ec o m b i n a t i o nb e t w e e ni m a g e w a t e r w o r k sa n do t h e rw a t e r m a r kb a s e do ns u m m a r i z i n gt h eb a c k g r o u n da n dt h et h e o r i e sf r a m eo f t h ed i g i t a lw a t e r m a r kt e c h n i c a ld e v e l o p m e n t i tt a k e st h ed i g i t a li m a g eo ft h es t a t i ca sa ne x a m p l e ， t h em a i nw o r kc o n t a i nf o l l o w i n g s ： f i r s t l y , a l li m p o r t a n tc o n t e n to ft h ed i g i t a lw a t e r m a r kt e c h n i q u er e s e a r c hi st h er e s e a r c ha n d d e s i g no ft h er o b u s tw a t e r m a r k t h i sp a p e ra d v a n c e st w or o b u s tw a t e r m a r ka r i t h m e t i cb a s eo n f r e q u e n c yf i e l df r o md i f f e r e n tp a r t i c u l a re m p h a s i s ，a n ds t r e s st oa n a l y z et h ep r e s e n tc o n d i t i o n s r e s e a r c ho ft h er o b u s tw a t e r m a r ka n df r a g i l ew a t e r m a r k s e c o n d l y , p a s st om a k eu s eo f t od i v i d et h ed c t t e c h n i q u e ，a d o p tt h ec h a o t i ce n c r y p t i o nt o d ot h ep r e t r e a t m e n to ft h ed i g i t a lw a t e r m a r ki m a g e ，r a i s et h ea b i l i t yo fr e s i s tc u t t i n g ，c h o i c et h e f i g h tb l o c ka c c o r d i n gt ot h eh u m a nv i s u a ls y s t e m ，t h e ni m b e dt h ew a t e r m a r ki n t ot h eb e t t e rb l o c k o ft h ec o e f f i c i e n to fi n t e r m e d i a t ef r e q u e n c yb yt h ep e r i o dc h a r a c t e r i s t i co fr e m a i n d e r , c a r r y i n g o u tt h eb l i n dd e t e c t i o nw h i l ee x a m i n ew a t e r m a r k a r e rt h ee x p e r i m e n t a t i o n , t h ea r i t h m e t i ch a s t h es t r o n g e rr o b u s tt ot h ea t t a c k so fs h e a r 、f i l t e ra n dt h ej p e g c o m p r e s s e se r e ，b u ti tn e e d st h e i m p r o v e m e n t o nt h ea t t a c k so fr e v o l v et r a n s f o r m a t i o na n dt h es t r o n gy a w p f i n a l l y , i ti n t r o d u c e dt h el a t e s td i g i t a lw a t e r m a r kt e c h n i q u e - z e r ow a t e r m a r k s ，a n d c o n c l u d e st h es t r o n g e rc h a r a c t e r i s t i c ，w h i c hc a r r i e so u tt h ec o m b i n i n gr o b u s tw i t hf r a n g i b i l i t y , a n dw h i c hi so t h e rm u l t i f u n c t i o nd i g i t a lw a t e r m a r k st e c h n i q u ec a n tc o m p l e t ei n d e p e n d e n t l y i t a d v a n c e st h ez e r ow a t e r m a r ka r i t h m e t i c ，w h i c hi sb a s e do i le z wa n ds v da n dc a r r y i n go u tt h e c o m b i n i n gr o b u s tw i t hf r a n g i b i l i t y t h i sm e t h o dh a st h ec h a r a c t e r i s t i cw h i c hi ss i m p l ea n dl o w c o m p l i c a t i o n ，a n dh a st h er o b u s tt of a m i l i a ri m a g ep r o c e s s i n g t h ee x p e r i m e n t a t i o nr e s u r i n d i c a t et h a tm e t h o dn o to n l yh a v et h er o b u s t , b u ta l s oc a na t t a i nt h eo r i e n t a t i o na b i l i t yo ff r a g i l e w a t e r m a r k , t h e nc a r r i e do u tt h er o b u s ta n df r a n g i b i l i t ya tt h es a m et i m e 1 1 k e yw o r d s ：d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ；c h a o t i ce n c r y p t i o n ；z e r o - w a t e r m a r k ； e m b e d d e dz e r o t r e ew a v e l e t s ； s i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s e ；c o r r e l a t i o nd e t e c t i n g h i 学位论文独创性声明 本人郑重声明： l 、坚持以搿求实、创新”的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构已经发 表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示了谢意。 作者签名：五f 趁姿， 日期：通：! ：； 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规定，学校 有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸 质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书 馆被查阅：有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索；有权将学位论 文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 作者签名： 日期： 第一章绪论 1 1 引言 随着因特网技术和计算机技术的飞速发展和日益普及，数字作品的传播达到了前所未 有的深度和广度，其版权保护也正成为一个迫切需要解决的问题。数字水印具有特定意义 的标记( 水印) ，利用数字嵌入的方法隐藏在数字文档、图像、声音、视频等数字产品中， 用以证明创作者对其作品的所有权，并作为鉴定、起诉非法侵权的证据，同时通过对水印 的检测和分析来保证数字信息的完整可靠性。它是近十年来出现的一种有效的数字产品版 权保护技术，显然它克服了传统密码学技术中加密的内容在解密之后不再安全的问题，因 而作为知识产权保护和数字多媒体防伪的有效手段，正得到广泛的研究与应用，这也给数 字版权保护这个亟待解决的现实问题提供了有效的方法。 多媒体数据的使用方便快捷，数字形式的数据文件或作品使有恶意的个人和团体有可 能在没有得到作品所有者的许可下拷贝和传播有版权的内容，例如，现代盗版者仅需轻点 几下鼠标就可以获得与原版一样的复制品，并以此获取暴利：而一些具有特殊意义的信息， 如涉及司法诉讼、政府机要等信息，则会遭到恶意攻击和篡改伪造，篡改的内容如果涉及 到国家安全、法庭举证、历史文献等重要图片数据。这类篡改可能会造成不良的社会影响 或导致重大的政治、经济损失等等。这一系列数字化技术本身的可复制和广泛传播的特性 所带来的负面效应，已成为信息产业健康持续发展的一大障碍。目前，数字媒体的信息安 全、知识产权保护和认证问题变得日益突出，且已成为数字世界中一个非常重要和紧迫的 议题，多媒体内容的真实性、完整性认证具有重要的研究意义和应用价值。 数字媒体的信息安全、知识产权保护和认证问题，必须得到有效的保护，通常的保护 主要包含两个方面的内容：一是数字信息的版权保护，使得数字信息所有者版权不受侵犯； 二是数字信息的内容完整性、真实性保护，证实数字信息准确不被篡改。这两方面的要求 正是对数字水印鲁棒性和易脆性的改进和完善提出了挑战，是亟待解决的问题【1 硎。 1 2 信息隐藏技术与数字水印 1 2 1 信息隐藏技术 信息隐藏技术不同于传统的加密技术，因为其目的不在于限制正常的资料存储与读取， 而在于保证隐藏数据不被侵犯和察觉。因此，信息隐藏技术必须考虑正常的信息处理所造 成的威胁，即要使机密资料对正常的数据操作技术具有抵抗能力。这种抵抗力的关键是要 使隐藏信息部分不易被正常的数据操作( 如通常的信号变换处理或数据压缩处理) 所破坏。 信息隐藏技术的主要方法包括在时间域、空间域、频率域的隐藏，另外还有基于文件格式 和载体生成技术的隐藏1 5 】，信息隐藏技术的分类如图1 所示。目前研究得最多和最深入的 是在静止图像中的隐藏，一方面是由于图像具有较大的冗余空间来隐藏信息，另一方面图 像处理工具较多且隐藏效果很直观。 图1 1 信息隐藏技术分类 根据信息隐藏的目的和技术要求，信息隐藏技术存在以下特性： 1 鲁棒性( r o b u s m e s s ) 指隐藏信息不因图像文件的某种改动如物理和几何失真而丢 失的能力，包括有意的( 如恶意攻击) 或无意的( 如图像压缩、滤波、打印、扫描 与复印、噪声污染、尺寸交换，重采样等等) 。 2 不可检测性( u n d c t e c t a b i l i t y ) 指隐蔽信息与原始载体具有一致的特性。如具有一致 的统计噪声分布等，以便使非法拦截者无法判断是否有隐蔽信息。 3 。透明性 r v i s b i i 姆) 利用人类视觉系统或人类听觉系统属性，经过一系列隐藏处 理，使原始载体数据没有明显的可视质量变化，而隐藏的数据却无法人为地看见或 听见。 。 4 安全性( s e c u r i v ) 指隐藏算法有较强的抗攻击能力，即它必须能够承受一定程度 的人为攻击，而使隐藏信息不会被破坏。 5 自恢复性由于经过一些操作或交换后，可能会使原图产生较大的破坏，如果只从 留下的片段数据，仍能恢复隐藏信号，而且恢复过程不需要宿主信号，这就是所谓 的自恢复性。 信息隐藏技术是一门交叉学科产生的新兴技术，在计算机、通讯、保密学等领域有着 广阔的应用前景，数字水印技术作为其在多媒体领域的重要应用，已受到人们越来越多的 重视。 2 1 2 2 数字水印 数字水印技术是一种信息隐藏技术，它的基本思想是在数字图像、音频和视频等数字 产品中嵌入秘密数字信息，以保护数字产品的版权、证明产品的真实可靠性、跟踪盗版行 为或者提供产品的附加信息。其中秘密数字信息可以是版权标志、用户序列号或者产品的 相关重要信息。一般，它需要经过适当交换，再嵌入到数字产品中，通常称变换后的秘密 数字信息为数字水印。 数字水印技术指的是一种利用图像及声音等媒体的冗余性、在信息内容中让人觉察不 出地复用其它信息的技术。也就是说，在图像及声音等多媒体信息中嵌入一点其它信息， 并使之隐藏起来。它是一种全新的信息安全技术，是多媒体版权保护和多媒体认证的强有 力的手段，涉及到通信与信息理论、图像处理技术、网络安全等多种学科知识。它的作用 是在流通的信息内容中嵌入版权信息或用户信息，借此来保护信息内容的版权，但不削弱 数字信息的优点。 数字水印按载体不同可分为数字音频和语音水印技术、数字图像水印技术、文档水印 技术、数字视频水印技术等。数字水印是信息隐藏技术的一种，所以它既有信息隐藏技术 共同拥有的特性，也有自己特有的特性。一般具有以下特性：不可感知性( 即透明性) 、可 证明性( 即安全性) 、不可检测性、稳健性( 即鲁棒性) 、易脆性，这些特性将在后文中进 行详细介绍。 最初提出数字水印的目的是为了保护版权，然而随着数字水印技术的不断发展以及数 字水印具有的上述一系列的优势特性，人们发现了更多更广的应用，例如：广播监控、所 有者鉴别、所有权验证、操作跟踪、内容认证、拷贝控制和设备控制等。数字水印技术还 处于发展之中，举例的几个方面不可能包含其所有可能的应用领域，但可以看出数字水印 技术未来的应用前景将会更加广阔。 1 。3 国内外数字水印技术研究现状 数字水印技术自1 9 9 3 年被t i r k e l 等人t 6 , 7 l 提出之后，由于其在信息安全和经济上的重 要地位，发展较为迅速。国际学术界陆续发表了许多关于数字水印技术方面的文章，几个 有影响的国际会议( 例如i e e e ，s p i e 等) 及一些国际权威学术期刊( 例如s i g n a lp r o c e s s i n g 等) 相继出版了有关数字水印技术的专题。1 9 9 6 年至今，国际信息隐藏学术讨论会 ( i n t e r n a t i o n a li n f o r m a t i o nh i d i n gw o r k s h o p ，i h w ) 已举办了九届，从1 9 9 9 年以来数字水印在 研讨会上成为主旋律。关于数字水印的文章在每届大会上都占绝大多数。 为了提高数字水印的稳健性，1 9 9 5 年c o x 等人提出了一种基于扩频通信的数字水印思 想【8 l ，将水印嵌入图像感知上最重要的频域因子中的水印方案。他们通过利用离散余弦变 换( d c t ) 技术向图像中添加标记，以提高水印对图像处理的稳健性。c o x 方案已经成为 数字水印技术中一个比较经典的方案，但其也存在一些缺陷，其中最重要的一点就是水印 的提取过程必须有原始图像的参加，即它不是盲水印方案。1 9 9 6 年，p i t a s 提出了一种盲水 印方案【9 】。该方案将灰度图像的像素集用某个方法划分成随机选择的两个具有相同像素个 数的子集合，将一个小的正数加到其中一个子集合的每一个像素上，生成嵌入水印的图像。 为了检测图像中是否包含水印，利用同样的划分方法，将待测图像划分子集合，分别计算 两个子集中像素的平均像素值，及其差值。如果求出的差值与原来的小正数很接近，则说 明待测图像中含有水印，否则就不含水印。这是因为划分方法是随机的，对于不含水印的 图像来说所求差值应约等于零。该算法是盲水印算法的一个代表，但很明显，该算法是一 种空间域算法，它的稳健性有待进一步提高。其后有一些研究人员在这一算法基础上进行 过改进的研究。其中有代表性的是v o y a t z i s 等将混沌的方法引入到数字水印算法中f l 们，使 得算法的稳健性进一步提高，但是算法仍然局限于空间域；k u n d u r 等【1 l 】提出了一种基于离 散小波变换( d w r ) 的水印算法，通过修改d w t 系数而嵌入水印，并且提出了使用易脆 水印( f r a g i l ew a t e r m a r k ) 对图像所经受的处理进行估计，进而更有效的对水印进行检测。 随着技术信息交流的加快和水印技术的迅速发展，国内一些研究单位也已逐步从技术 跟踪转向深入系统研究，各大研究所和高校纷纷投入数字水印的研究，其中比较有代表性 的有哈尔滨工业大学的孙圣和、牛夏牧、陆哲明等，天津大学的张春田、苏育挺等，北京 邮电大学的杨义先、钮心忻等，中国科学院自动化研究所的刘瑞祯、谭铁牛等，他们是国 内较早投入水印技术研究且取得较好成绩的科研单位。我国于1 9 9 9 年1 2 月1 1 日，由北京 电子技术应用研究所组织，召开了第一届信息隐藏学术研讨会( c n - i w ) ，至今已成功的举办 了六届，很大程度地推进了国内水印技术的研究与发展。现在国内已经出现了一些生产水 印产品的公司，其中比较有代表性的是由中科院自动化研究所的刘瑞祯、谭铁牛等人于2 0 0 2 年在上海创办了的一家专门从事数字水印、多媒体信息和网络安全、防伪技术等软硬件开 发的公司匕海阿须数码技术有限公司，公司现从事数字证件、数字印章、p d f 文本、 分块离散图像、视频、网络安全等多方面数字水印技术的研究，现在这家公司已申请了一 项国际和三项国家数字水印技术专利。虽然数字水印在国内的应用还处于初级阶段，但水 印公司的创办使得数字水印技术在国内不仅仅只停留在理论研究的层面上，而是从此走上 了实用化和商业化的道路，这样会更加推动国内水印技术的蓬勃发展，为国内的信息安全 产业提供有效的、安全的保障。 1 4 本文主要研究工作与章节安排 本文在总结数字水印技术的发展背景及基本理论框架的基础之上，从不同侧重点提出 两种基于频域的鲁棒性水印算法，并分析了鲁棒水印和易脆水印的研究现状，对数字( 图 像) 水印算法和不同水印之间的结合应用进行了较深入的研究和讨论。具体的研究工作和 研究结果如下： 4 ( 1 ) 提出种改进的人类视觉掩蔽特性下基于d c t 变换的鲁棒性盲水印算法，利用混 沌加密技术提高算法的安全性，即通过置乱算法预处理二值水印，实现了大容量信息的水 印算法，经过测试，取得了较好的效果。 ( 2 ) 提出一种改进的结合小波零树结构和奇异值分解的零水印方案，来实现水印的鲁 棒性，而且实现了对图像篡改的定位能力。 论文内容安排如下： 第一章绪论介绍了研究数字水印技术的背景与意义，以及研究的内容概述。 第二章数字水印技术的理论研究与应用现状介绍了数字水印技术的基本概念、基本框 架及模型思想、攻击方法及对策，以及流行的测试基准软件，分析了数字水印嵌入算法中 常用的频率域嵌入算法，如d f t 、d c t 、d w t 及s v d 等，并对现在数字水印技术的应用 现状进行阐述。 第三章鲁棒水印和易脆水印概述分析了鲁棒性水印和易脆水印的研究现状，介绍了小 波理论在数字水印技术中的应用，阐述了小波基本原理、小波分析的特点作为后续章节小 波域算法的理论基础。 第四章人类视觉掩蔽特性下d c t 域的混沌加密数字水印提出了一种改进的混沌加密 数字水印，改进分块d c t 变换进行水印嵌入，引入对水印进行混沌置乱的预处理增强水印 的鲁棒性( 特别是对剪切攻击) 。分析了d c t 频率域嵌入水印的信息量与原始载体图像的 关系。 第五章数字水印的鲁棒性与易脆性相结合的研究提出了一种结合小波变换水印技术 和零水印技术的数字水印算法，实现了数字水印的鲁帮性和易脆性的结合。 第六章总结前段时间的工作，并对未来工作进行展望。 第二章数字水印技术的理论研究与应用现状 人们或许早就从侦探小说等方面对原始水印技术已有所了解，但数字水印技术毕竟还 是一个比较新的概念。它既继承了原来的水印技术的本质，又采用了当今的数字技术的工 具，可以说是旧貌换新颜。毋庸置疑，推动其发展的驱动力当属市场的需求，因此，随着 多媒体信息流通量的不断增加，数字水印技术的理论研究将更加多样化，实践应用也必将 进一步普及。 2 1 数字水印的理论研究 2 1 1 数字水印的框架模型 通常的数字水印算法包含三个基本方面：水印的生成、水印的嵌入和水印的提取或检 测【1 2 13 1 。 数字水印一般过程的基本理论框架示意图如图2 1 和图2 2 所示。 水印生成算法( g ) h 数字水印( w ) 原始载体数据( i ) 私钥公钥( k ) 数字水印( w ) 原始数据( i ) 待检测数据( i w ) 私钥公钥( k ) 水印嵌入算法( e ) 图2 1水印嵌入过程基本框架 水印检测算法( d ) 加入水印的 数据( 1 w ) 估计水印( w ) 相似度检测( s i m ) 图2 2水印检测过程基本框架 图2 1 展示了水印的嵌入过程。输入为水印信息职原始载体数据门铂一个可选的私 钥或公钥k 。其中水印信息可以有多种模型构成，如( 伪) 随机数字序列、字符或栅格、 文本、二值图像或灰度图像等。水印生成算法g 应保证水印的唯一性、有效性、不可逆性 6 等特性。从鲁棒性和隐蔽性角度考虑，常常需要对水印进行随机化以及加密处理1 1 4 - 1 7 1 ，水 印信息形可由伪随机数发生器生成，另外基于混沌的水印生成方法也具有很好的安全性。 密钥k 可用来加强安全性，以避免未授权的恢复和修改水印信息。 图2 1 水印嵌入过程的通用公式为： 1 w = e ( i ，w ，k ) ( 2 1 ) 其中表示嵌入水印后的数据( 即嵌有水印的载体数据) ，表示原始载体数据，形表 示水印，k 表示密钥。这里密钥k 是可选项，一般用于水印信号的再生。 图2 2 水印检测过程的通用公式为： 非盲检测，有原始载体数据，时： w = d ( i w ，i ，k ) ( 2 2 ) 有原始水印形时： w = d ( 巧，w ，k ) ( 2 3 ) 盲检测，即没有原始信息时： w = d ( 名，k ) ( 2 4 ) 其中，形7 表示待检测水印，d 为水印检测算法，岛表示在传输过程中受到攻击或者 经过处理后的嵌有水印的载体数据。 检测水印的手段可以分为两种：一是有原始水印时，可以做嵌入信号的提取或相关性 验证；二是没有原始水印时，必须对嵌入信息做全搜索或分布假设检验等。如果信号为随 机信号或伪随机信号，证明检测信号是水印信号的方法一般就是做相似度检验。常用的水 印相似度检验的公式为： s i m ：些或s i r e = 墅坠一 ( 2 5 ) 4 w x w4 w 形4 w x 形 其中7 表示待检测水印，矽表示原始水印。 2 。l 。2 数字水印的研究领域 数字水印的提出是为了保护版权，然而随着其不断的发展，人们已经发现了它的更多 更广泛的应用。当前，数字水印的应用大体可分为版权保护，数字指纹，认证和完整性校 验，内容标识和隐藏标识，使用控制内容保护，安全不可见通信等几方面。版权保护当数 字水印应用于版权保护时，其潜在的应用市场有电子商务、在线或离线分发多媒体内容以 及大规模的广播服务。潜在的用户则有数字产品的创造者和提供者电子商务和图像软件的 供应商数字图像、视频摄录机、数字照相机和的制造者等。数字作品的所有者可用密钥产 7 生一个水印，并将其嵌入原始数据，然后公开发布他的水印版本作品。当该作品被盗版或 出现版权纠纷时，所有者即可利用数字水印技术从盗版作品或水印版权作品中获取水印信 号作为依据，从而保护所有者的权益。 数字指纹为了避免数字产品被非法复制和散发，作者可将其每个产品序列号或授权文 件作为水印数字指纹分别嵌入合法的拷贝中。如果发现了未经授权的拷贝，则通过检索指 纹来追踪其来源。在此类应用中，水印必须是不可见的，而且能抵抗恶意的擦除、伪造以 及合谋攻击等。 认证和完整性校验在许多应用中，需要验证数字内容未被修改或假冒。尽管数字产品 的认证可通过传统的密码技术来完成，但利用数字水印来进行认证和完整性校验的优点在 于，认证同内容是密不可分的，因此简化了处理过程。当对插入了水印的数字内容进行检 验时，必须用惟一的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 性来检验数字内容的完整性。数字水印在认证方面的应用主要集中在电子商务和多媒体产 品分发至终端用户等领域。如数字作品被用于法庭、医学、新闻及商业时，常需确定它们 的内容是否被修改、伪造或特殊处理过。为实现该目的，通常可将原始图像分成多个独立 块，再将每个块嵌入不同的水印。同时可通过检测每个数据块中的水印信号，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，并且检测水印信号时，不需要 原始数据。 内容标识和隐藏标识此类应用中，插入的水印信息构成一个注释，提供有关数字产品 内容的进一步信息。数字水印可用于隐藏标识和标签，可在医学、制图、多媒体索引和基 于内容的检索等领域得到应用。 使用控制在特定的应用系统中，多媒体内容需要特殊的硬件来拷贝和观看使用，插入 水印来标识允许的拷贝数，每拷贝一份，进行拷贝的硬件会修改水印内容，将允许的拷贝 数减一，以防止大规模的盗版。 内容保护在一些特定应用中，数字产品的所有者可能会希望要出售的数字产品能被公 开自由地预览，以尽可能多地招徕潜在的顾客，但也需要防止这些预览的内容被他人用于 商业目的，因此，这些预览内容被自动加上可见的但同样难以除去的水印。 对水印技术的要求是随着应用的不同而不同，针对不同的应用，采用的技术也不一样。 一个水印方案很难满足所有应用的所有要求，因此，数字水印算法往往是针对某类应用而 设计的。 2 1 3 数字水印的基本特征 8 数字水印是信息隐藏技术的一种，所以它也有信息隐藏技术共同拥有的特性，也有自 己特有的特性，一般具有不可感知性、可证明性、不可检测性、稳健性、易脆性等。 不可感知性( 透明性) 是利用人类视觉和听觉的特性，即指因嵌入水印导致载体数据 的变换对于观察者的视觉或听觉系统来讲应该是不可察觉的，最理想的情况是水印与原始 载体在视觉上是一模一样的，这是绝大多数水印算法所应达到的要求。经过一系列隐藏处 理，使带水印的作品与原先的作品在品质上没有明显的差异，不影响其欣赏性，不影响其 视听效果。 可证明性( 安全性) 是指水印应能为受到版权保护的信息产品的归属提供完全可靠的 证据。水印算法能够将所有者的有关信息( 如注册的用户号码、产品标志或有意义的文字 等) 嵌入到被保护的对象中，并在需要的时候将这些信息提取出来。水印可以用来判别对 象是否受到保护，并能够监视被保护数据的传播、真伪鉴别以及非法拷贝控制等。这实际 上也是发展水印技术的基本动力。 不可检测性是指水印作品和普通作品在统计噪音分布上不存在区别，使非法拦截者无 法判断是否有隐蔽信息，攻击者无法用统计学方法确定水印是否存在或者确定水印的位置。 稳健性( 鲁棒性) 是指嵌入水印数据之后的多媒体数据在经过一些有意或者无意的处 理或者攻击，发生一定程度的变化后，版权所有者仍然可以通过水印算法证明水印的存在， 保证自己的版权不受侵犯。 易脆性是在特殊情况下的数字水印具有特性，当被篡改数字数据涉及到国家安全、法 庭举证、历史文献，战地新闻报道等重要图片数据时，可能会造成不良的社会影响或导致 重大的政治、经济损失等，此时就需要具有易脆性的数字水印保证数字数据的完整性，确 定被篡改位置及时避免和挽回损失。 2 1 4 数字水印的分类 随着数字水印技术的不断发展，数字水印的分类【4 】方法繁多： 1 ) 按水印发展来看，可分为第一代水印和第二代水印； 2 ) 按嵌入的水印信号形式来分，可以分为一维水印和多维水印； 3 ) 按嵌入方法可以分为可逆水印和不可逆水印； 4 ) 按水印检测方法，可以分为盲水印和非盲水印； 5 ) 按抵抗外来攻击的强壮程度分，可分为易脆水印、半易脆水印和鲁棒水印【1 8 l ； 鲁棒( r o b u s t ) 水印【1 9 】：要求能抵抗攻击者的恶意破坏，主要应用于版权保护，避免未授 权的拷贝制作和发行等。 脆弱( f a g i l e ) 水印2 0 l ：抗攻击能力非常脆弱。如几何变换、拷贝、压缩等都会破坏其数 字水印。嵌入脆弱水印，就是为了检验篡改的存在性，只要对水印化的图像做了轻微的改 9 动，脆弱水印就会被破坏，从而确认是否有篡改。 半脆弱( s e m i f 矩i l e ) 水印【2 1 1 ：对攻击的鲁棒性介于以上两者之间，主要用于多媒体内容 真实性的鉴定，包括军事、新闻、医学图像等。半脆弱水印在容忍一定程度的常见信号处 理操作的同时，还可把正常的信号处理与恶意篡改区别对待。篡改发生时，半脆弱水印认 证系统不仅可提供篡改的位置，而且可帮助分析篡改类型。 有的文献中，把半脆弱水印和脆弱水印都归为脆弱水印，有时将二者统称为认证水印。 6 ) 从感知效果分类，可分为可见水印和不可见水印； 7 ) 按载体分类，可分为图像水印、视频水印、音频水印和文档水印； 8 ) 从水印的嵌入域分类，可分为空间域水印、频率域水印。 空间域水印是较早出现的数字水印算法，空域水印处理使用各种各样的方法直接修改 图像的像素，将数字水印直接加载在数据上，典型的空域数字水印有最低有效位( l s b ) 方法 7 , 2 2 1 ，水印信息添加在音频或图像的最低有效位，即位于平面最低位上。这种水印方法 主要通过修改图像像素的亮度值实现，不需要对原始图像进行变换，计算简单，效率较高， 但由于水印要均衡不可见性和鲁棒性，因而可选择的属性范围较小，同时生成的水印具有 局部性，难以抵抗常见图像处理的攻击及噪声干扰的影响，鲁棒性较差。 频率域水印是将水印添加到原始图像的某种变换系数中实现嵌入，需要对原始图像进 行变换，包括离散傅里叶变换d f t 、离散余弦变换d c t 、离散小波变换d w t 。一般计算 较复杂，但频率域的水印算法比空域水印算法具有更强的优点，许多典型的图像变换运算 可以看作是某种形式的低通滤波，频率域可以提供一种直接的办法避免将水印加入图像的 高频部分，以抵抗压缩编码及低通滤波的影响。在频率域中加入水印可将水印分散到图像 的全局，从而抵抗诸如剪切之类的几何攻击。频率域的能量分布集中，容易与人类视觉掩 蔽特性h v s ( h u m a nv i s u a ls y s t e m ) 相结合来决定嵌入水印的强度，来解决水印嵌入信息 量与不可见性之间的矛盾。 2 1 5 数字水印的常用算法 2 1 5 1 空域水印算法 空域水印是通过使用各种各样的方法直接修改图像的像素，将数字水印直接加载在数 据上，较早的数字水印算法都是空间域上的，比较流行的有最低比特位( l e a s ts i g n i f i c a n tb i t , l s b ) 方法1 7 , 2 2 1 ，p a t c h w o r k 方法及纹理块映射编码方法【2 3 j 等。 v a ns c h y n d e l 等于1 9 9 4 年提出l s b 方法，这是一种典型的空间域数据隐藏方法，它 首先把一个密钥输入一个序列发生器来产生水印信号，然后此水印信号被重新排列成二维 水印信号，按像素点逐一插入到原始图像中像素值的最低位，以保证水印的不可见性，对 这种水印的检测是通过计算一个互相关函数来进行的。最低比特位算法具有以下优点：算 1 0 法简单易实现；水印嵌入的数据量大：信息嵌入和提取算法简单，速度快。但是，它主要 的也是最致命的弱点是对多种攻击及数据操作的抵抗力很差，信道干扰、数据压缩、滤波、 重采样、时域缩放等等都会破坏水印信息。 p a t c h w o r k 算法【2 啦5 】：这是一种基于改变图像数据统计特性的水印算法，嵌入的是一 种数据量较小、能见度很低、鲁棒性很强的数字水印，能够抵抗图像剪切、模糊化和色彩 抖动。该算法首先随机选取n 对像素点，然后通过增加像素对中一个点的亮度值，而相应 降低另一个点亮度值的方法来隐藏信息。为增加其水印的鲁棒性，可以把像素对扩展为小 块的像素区域( 如8 8 ) ，再通过增加一个区域中的所有像素点的亮度值，而相应减少对应 区域中所有像素点亮度值的方法来隐藏信息，该方法对j p e g 压缩、f i r 滤波以及图像剪 切操作有一定的抵抗力，但该方法嵌入的信息量有限，且对串谋攻击抵抗力弱。为了嵌入 更多的水印信息。可以将图像分块，然后对每一个图像块进行嵌入操作。 纹理块映射编码方法( t e x t u r eb l o c kc o d i n g ) 则是将数字信息隐藏于数字图像的任意 纹理部分，该算法对于滤波、压缩和扭转等操作具有抵抗能力，但仅适用于具有大量任意 纹理区域的图像，而且尚不能完全自适应。 2 1 5 2 频率域水印算法 在频率域中有能量分布集中的特点，这有利于结合人眼系统的视觉模型，从而保证水 印的不可见性，有些频率域又可以和国际数据压缩标准兼容，从而实现在压缩域的水印算 法，因此目前的大部分水印算法是在频率域中实现的。 频率域方法具有以下优势： 1 、从提高鲁棒性来看，应该将水印信息嵌入到图像视觉上最重要的部分。视觉重要分 量是图像信号的重要组成部分，携带了较多的能量，因此通常的图像压缩、信号处理都保 留了这些视觉重要分量以保证图像质量没有明显失真。而图像的低频、中频系数基本代表 了图像的视觉重要部分，所以采用频率域的方法，可以很容易的将图像的视觉重要分量标 记出来。 2 、频率域的方法可以与国际数据压缩标准相兼容，由于压缩算法大都在频域进行，比 如j p e g 的d c t ，小波系数编码方法e z w ( 嵌入式小波零树编码) 等，可以考虑压缩域内 的水印编码来提高系统抵抗压缩操作攻击的能力。 3 、在频率域嵌入水印信息可以分布到频率域的所有频率上，有利于保证水印的不可视 性。 4 、在频率域，视觉系统h v s 的某些特性可以更方便地结合到水印编码过程中。 5 、有些变换对某些变化有着固有的鲁棒性，比如d f t 具有仿射不变性，对图像的空 l l 间坐标平移不敏感，因而可以利用它来恢复经过仿射变换图像当中的水印；又如对数极坐 标( l p m ) 变换，可以对旋转和缩放不敏感，因此利用它可以使得对水印图像的任何旋转 或缩放操作都不敏感：而利用小波分析的多分辨特性，使得其对图像的剪切操作不敏感 频率域的算法大体有三类：d f t ( d i s c r e t ef o u r i e rt r