（应用数学专业论文）数字图像水印技术的若干研究.pdf

浙江大学博士学位论文摘要 摘要 随着计算机技术与互联网技术的飞速发展，多媒体信息的安全问题已成为 目前一个非常重要而又富有挑战性的研究课题。数字水印技术就是在这样的背 景下获得了广泛的重视并且成为当今发展最为迅速的学科之一，因此，对数字 水印关键技术的研究有着重要的理论和现实意义。 本文首先介绍了数字水印技术的分类、应用、研究现状、性能分析以及可 能受到的攻击类型。针对数字图像水印，系统阐述了其基本原理，包括水印信 息的生成、水印的嵌入和水印的提取检测，并详细介绍了人类视觉系统的部分 特性及其在水印技术中的应用。同时，对水印技术常用的数学变换如傅立叶变 换、余弦变换、特别是小波变换进行了深入的研究。 论文的重点在于，紧紧围绕着数字图像水印的不可感知性、抗几何攻击的 鲁棒性这一主线，进行了深入的研究和探索，主要研究内容如下： 1 基于图像边缘特征的数字水印算法 该算法利用图像各块中边缘特征的强弱作为依据来嵌入水印为了得到连 续封闭、定位良好和尺度平均的边缘以提高算法的鲁棒性，根据目前边缘检测 算法的不足，从最小振动原理和零法曲率出发，得到图像边缘的渐近线几何模 型，并使用梯度向量等对渐近线模型进行了简化和完善。水印嵌入时，采用分 块的思想，将图像分成8x8 的小方块，根据小块中边缘点的个数来确定水印的 嵌入，并且将水印嵌入图像的d c t 系数的直流分量。这样就充分利用了人类视 觉机制，保证了算法的鲁棒性。 2 基于图像特殊形状点的数字水印算法 针对边缘可能由于噪声等影响其几何不变性，采用二次判别的思想，在原 始图像边缘点中找出具有精确几何不变性质的点即特殊形状点，以这些特殊形 状点组成的点集作为参考点集。对于待测试图像，依同样的方法得到特殊形状 点集合，两个点集进行配准就可得到图像受到的几何攻击。为了实现盲检测， i i i 浙江大学博士学位论文摘要 将参考点集中每点的坐标编码成二进制作为密钥。与一般基于图像边缘的水印 算法相比，由于得到了具有良好的几何不变性的图像特征，故算法具有很好的 抗几何攻击能力。 3 基于图像显著特征区域的数字水印算法 根据人类的视觉特性，图像中存在若干个人们感兴趣的显著特征区域。为 了准确得到这些区域，首先采用水平集方法对图像进行多相分割，然后根据视 觉特性在小波域对区域进行分类得到感兴趣区域。同时，在图像的重要小波系 数嵌入水印以保证不可感知性和鲁棒性。实验结果表明，该算法在保证图像较 高视觉质量的同时具有较好的鲁棒性。 4 基于r a d o n 变换和解析f o u r i e r - m e l l i n 变换的数字水印算法 针对f o u r i e r - m e l l i n 变换应用于数字水印的不足，该算法对其进行改进， 结合r a d o n 变换和解析f o u r i e r - m e l l i n 变换来获取图像的鲁棒几何不变特征， 并将该特征应用于水印的嵌入。由于提取的图像几何不变特征有理论上的保证 再加上避免了f o u r i e r - m e l l i n 变换的不足，这样就提高了水印算法的鲁棒性。 关键词：数字水印，边缘检测，水平集，r a d o n 变换，傅立叶梅林变换 i v 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 t o fc o m p u t e ra n di n t e r a c tt e c h n i q u e s ，t h em u l t i m e d l a s e c u r i t ! i ，b e c o m e sa ni m p o r t a n ta n dc h a l l e n g i n gr e s e a r c ht o p i c i nt h i ss i t u a t i o n d i g i t a l w a r e m a r k i n gt e c h n i q u e sa c h i e v ew i d ea t t e n t i o na n d b e c o m eo n eo ft h em o s tr a p i d l y d e v e l o p i n gs u b j e c t s r e s e a r c ho nk e y t e c h n i q u e si nw a t e r m a r k i n gf i e l dh a st h e o 硎c a i a n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t h ei n t r o d u c t i o no ft h ec l a s s i f i c a t i o n ，a p p l i c a t i o n s ，p r e s e n t r e s e a r c hs i t u a t i o n ， p e 南衄a n c ea n a l y s i sa n dt h ep o t e n t i a la t t a c kt y p e si sg i v e nf i r s t t h e nf o c u s i n g o n d i g i t a li m a g e ，t h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l eo fw a t e r m a r k i n g ，i n c l u d i n gg e n e r a t l o n o f w a t e n n a r ks i g n a l s ，w a t e r m a r ke m b e d d i n ga n dw a t e r m a r kd e t e c t i o ni ss y s t e m a t i c a l l y d e s c r i b e d s o m ep r o p e r t i e so fh u m a n v i s i o ns y s t e ma n di t sa p p l i c a t i o ni nw a t e r m a r k a r ei n t r o d u c e d m e a n w h i l e ，t h e d e t a il e dr e s e a r c h e s o nc o m m o nm a t h e m a t l c a i t r a n s f b 肌so fw a t e m a r k ，s u c ha sf o u r i e rt r a n s f o r m ，c o s i n et r a n s f o r ma n de s p e c i a l l y w a v e l e tt r a n s f o r ma r ec a r r i e do u t t h ep r e s e n ts t u d yf o c u s e so ni n v i s i b i l i t ya n dr o b u s t n e s sr e s i s t a n tt o g e o m e t r l c a _ t t a c k so fi m a g ew a t e r m a r k t h em a i nr e s e a r c ht o p i c sa r e a sf o l l o w s ： 1 w a t e r m a r ka l g o r i t h mb a s e d o ni m a g ee d g ec h a r a c t e r i s t i c m a k i n gu s eo fi m a g ee d g ec h a r a c t e r i s t i c ，w a t e r m a r ki se m b e d d e d t og e tc l o s e c o n t i n u o u se d g ew i t hg o o dl o c a t i o na n dm e a s u r es o a st oi n c r e a s er o b u s t n e s so t a l g o r i t h m ，a n di nv i e wo ft h ed i s a d v a n t a g eo fc u r r e n ta l g o r i t h m so fe d g ed e t e c t l o n ， i m a g ee d g eg e o m e t r i c a lm o d e li sa t t a i n e do nt h eb a s i so f m i n i m a lo s c i l l a t i o np r i n c i p l e a n dz e r on o 咖a 1c u a t u r e t h i sm o d e li ss i m p l i f i e d a n di m p r o v e dw i t ht h eu s eo f g r a d sv e c t o r t h ei m a g ei sd i v i d e di n t o 8 x 8b l o c k sb e f o r ew a t e r m a r ki se m b e d d e d a c c o r d i n gt ot h en u m b e r so fi m a g ee d g ep o i n t s ，w a t e r m a r k i se m b e d d e do nt h ed co f d c tc o e m c i e n t s m a k i n gt h eb e s to f h u m a nv i s i o ns y s t e m ，t h ea l g o r i t h ml sr o b u s t 2 w a t e r m a r ka l g o r i t h mb a s e do ni m a g es h a p e - s p e c i f i cp o i n t s b e c a u s eg e o m e t r i c a li n v a r i a n c eo fi m a g ee d g ei si n f l u e n c e db ys o m ef a c t o r ss u c h a sn o i s e ，s h a p e - s p e c i f i cp o i n t sw i t hr i g o r o u sg e o m e t r i c a li n v a r i a n c e ，f o u n d i nt h e i m a g ee d g ep o i n t s ，c o m p o s ea r e f e r e n c e dp o i n ts e t i nt h et e s t e di m a g e ，w ec a ng e t v 塑垩奎兰堕主堂垡笙塞坐坚 s h a p e - s p e c i f i cp o i n ts e tw i t ht h es a m em e t h o d t h eg e o m e t r i ct r a n s f o r mp a r a m e t e r s c 锄b es o l v e db ym a t c h i n gt h et w op o i n ts e t t og e tb l i n dd e t e c t i o n ，t h eo r d i n a t e so f t h e r e f e r e n c e dp o i n t sa r ec o d e di n t ob i n a r yb i ts t r i n gc a l l e ds e c r e tk e y c o m p a r e d w i t h t h ec o m m o nw a t e r m a r ks c h e m e sb a s e do ni m a g ee d g e ，o u ra l g o r i t h mh a se x c e l l e n t p e r f o m l a n c er e s i s t a n tt og e o m e t r i ca t t a c k sb yu s i n g t h eg o o dg e o m e t r i cc h a r a c t e r i s t i c 3 w a t e r m a r ka l g o r i t h mb a s e do nr e g i o nw i t hs a l i e n tf e a t u r e a c c o r d i n gt ot h eh u m a n v i s i o na t t e n t i o nm o d e l ，t h e r ea r es o m er e g i o n so fi n t e r e s t w h i c hi n c l u d es a l i e n tf e a t u r e t oe x t r a c tt h e s er e g i o n sa c c u r a t e l y ，i m a g es e g m e n t a t i o n i sf i r s tr e a l i z e dw i t hl e v e ls e tm e t h o d ，a n dt h es e g m e n t a t i o nr e s u l t sa r e c l a s s i f i e di nt h e w a v e l e td o m a i n t h ew a t e r m a r ki se m b e d d e do n t ot h ei m p o r t a n tw a v e l e t c o e f f i c i e n t s t oe n s u r ei n v i s i b i l i t ya n dr o b u s t n e s s e x p e r i m e n t a lr e s u l t sh a v es h o w n t h ee m b e d d e d w a t e r m a r ki sp e r c e p t u a l l yi n v i s i b l ea n dr o b u s tt ov a r i o u sa t t a c k s 4 w a t e r m a r ka l g o r i t h mb a s e do nr a d o n a n df o u r i e r - m e l l i nt r a n s f o r m s i nv i e wo ft h ed i s a d v a n t a g eo fw a t e r m a r ks c h e m eb a s e do n f o u r i e r - m e l l i n t r a n s f l 0 咖aw a t e r m a r ka l g o r i t h mi sp r o p o s e db yc o m b i n i n gr a d o nt r a n s f o r ma n d a n a l y t i c a lf o u r i e r m e l l i nt r a n s f o r mt og e tt h ef e a t u r eo fg e o m e t r i c a li n v a r i a n c ew h i c h i sa p p l i e di nt h ee m b e d m e n to fw a t e r m a r k b e c a u s et h ef e a t u r eo fi n v a r i a n c e h a s t h e o r e t i c a lb a s i sa n da v o i d st h ed i s a d v a n t a g eo ff o u r i e r - m e l l i nt r a n s f o r m ，t h e r e f o r e ， t h e r o b u s t n e s so fw a t e r m a r ka l g o r i t h mi sg r e a t l yi n c r e a s e d k e y w o r d s ：d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ，e d g ed e t e c t i o n ，l e v e ls e t ，r a d o nt r a n s f o r m ， f o u r i e r m e l l i nt r a n s f c l l 3 1 1 v i 浙江大学博士学位论文图目录 图目录 图2 1 水印嵌入2 3 图2 2 水印提取2 4 图2 3 水印检测2 4 图2 4 眼睛的截面图2 5 图2 5 光敏细胞分布图2 6 图2 6 人类视觉感知模型2 7 图2 7 窗1 2 傅立叶变换时一频平面3 2 图2 8 较理想的时一频平面3 2 图2 9 尺度因子a 和位移因子b 。3 3 图2 1 0 四层多分辩分解树结构图。3 4 图2 1 1m a ll a t 分解算法示意图3 6 图2 1 2m a l l a t 重构算法示意图3 7 图2 13l e n a 的两级小波分解3 7 图3 1 边缘检测结果比较4 8 图3 2 不加干扰时的水印图像及检测5 2 图3 3 抗高斯噪声的实验结果5 3 图3 4 抗j p e g 压缩的实验结果5 4 图3 5 抗滤波的实验结果5 4 图3 6 抗旋转变换的实验结果5 5 图3 7 抗缩放变换的实验结果5 6 图3 8 抗缩放变换的实验结果5 6 图3 9 抗平移变换的实验结果5 6 图3 1 0 抗裁剪的实验结果5 7 图4 1 单位圆划分平面为2 个区域6 l 浙江大学博士学位论文 图日录 i 图4 2 火焰燃烧界面6 2 图4 3 水平集曲面6 2 图4 4 水平集函数表示6 3 图4 53 个水平集函数表示8 个相6 9 图4 6 宿主图像与水印7 6 图4 7 原始图像参考点集7 6 图4 8 水印抗高斯噪声7 6 图4 9 抗j p e g 压缩实验结果。7 7 图4 1 0 抗滤波处理实验结果7 8 图4 1 l 抗旋转变换实验结果7 8 图4 1 2 抗缩放变换实验结果。7 8 图4 1 3 抗平移变换实验结果7 9 图4 1 4 原始图像与含水印图像8 2 图5 1r a d o n 变换的旋转性质9 0 图5 2 宿主图像与水印9 6 图5 3 抗高斯噪声的实验结果9 6 图5 4 抗j p e g 压缩的实验结果9 7 图5 5 抗旋转变换的实验结果9 7 图5 6 抗缩放变换的实验结果9 8 图5 7 抗缩放变换的实验结果9 8 图5 8 抗平移变换的实验结果9 9 浙江大学博：上学位论文表目录 表目录 表2 1 傅立叶变换的性质3 0 表3 1 水印抗高斯噪声数据5 3 表3 2 水印抗j p e g 压缩数据5 4 表4 1 各子带小波系数掩蔽阈值8 1 表4 2 水印抗各种攻击实验结果8 3 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得迸姿盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解澎姿盘堂 有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘茔可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年月 日签字日期：年 月日 ： 浙江大学博士学位论文致谢 致谢 作者首先要感谢导师董光昌教授。先生渊博的学识、严谨的治学态度与不 断的开拓精神以及为人师表的风范使我终身受益。特别是他在学术研究上孜孜 进取、学而不怠的态度更是给我莫大激励。在此论文完成之际，谨向先生表示 最衷心的感谢和深深的敬意! 并祝先生身体健康，吉祥如意! 其次要感谢的是浙大计算机学院的张直副教授。张老师在我整个的攻读学 位过程中给予了很多的指导，并提供了很多的意见和建议，为培养我的科研能 力付出了很大的心血。与张老师一起讨论、交流的情景至今还萦绕在我的脑海 中。在此也对他表示衷心的感谢，并祝他阖家欢乐，万事顺利! 在攻读博士学位的过程中，许多老师、同学和师兄弟给予了作者很大的帮 助，他们是：陈刚教授、李均利教授、吴向阳副教授、郑伟博士、魏平博士、 李澄清博士、韦学辉博士、程仁杰博士生等。在此对他们表示衷心的感谢! 特别的，要感谢我的家人。是父母、岳父母的关心和支持才让我能够顺利 地完成博士生阶段的学习；是爱人的理解、支持和鼓励才能让我有今天的成功 和进步。在此，感谢他们给予我的支持、鼓励与帮助! 最后，谨向所有关心和帮助我的老师，同学，朋友和家人表示最诚挚的感 谢! 浙江大学博士学位论文第l 章绪论 1 绪论 1 1 研究背景与研究意义 计算机网络技术、通信技术和多媒体技术的飞速发展，特别是互联网的普 及，给人们的工作和生活带来了巨大便利。电子书籍、音乐、图像和视频等以 数字媒介为载体的作品通过其获取容易、复制简单和传播迅速等优点极大地丰 富了人们的生活，网络通信的快捷性使工作效率得到了前所未有的提高。然 而，正如大多数的技术都有它的正反面一样，信息技术在给人们带来便利的同 时也暴露出越来越严重的安全问题，如数字作品的版权侵犯，软件或文档的非 法拷贝，电子商务中的非法盗用和篡改等。因此，如何在网络环境中实现有效 的版权保护和信息安全手段成为一个迫在眉睫的现实问题。 以前人们解决信息安全的问题主要是通过加密的手段来完成的，即将多媒 体文件加密成密文再发布，这样，在网络传输过程中非法攻击者就无法从密文 获得多媒体文件的原始信息，从而达到信息安全的目的但这种方法并不能彻 底解决问题，一方面密文的不可理解性大大影响了原始信息的传播，另一方面 密文经过解密后内容完全透明，所加密的文件就与普通文件一样，将不再受到 保护，也就没有秘密可言，更无法幸免于侵权和盗版。因而，传统的加密方法 已经受到了十分严峻的挑战。 在这种情况下，信息隐藏( i n f o r m a t i o nh i d i n g ) 技术再次引起了人们的高 度重视。所谓“信息隐藏”，是将有用的或重要的信息隐藏于其他信息里面以 掩饰其存在。这是一门古老而又崭新的学科“羽，涵盖范围广，不仅包括将信息 嵌入在载体中，还包括将信息保密存放、使之不为他人所感知等方面的问题。 其思想可以追溯到古希腊的信息隐秘( s t e g a n o g r a p h y ) 技术，也就是把一种信息 隐藏于另一种信息之中。有关于隐秘技术起源的一个故事可以用来说明它与 “水印技术”的联系与差别 1 。故事中有一个奴隶主为了将一则秘密消息传送出 去，首先将一个奴隶的头发剃光，然后把字刺在他的头皮上，等他的头发重新 长起来的时候，头发就把消息遮盖起来了；等这个奴隶到达目的地的时候，对 浙江大学博士学位论文 第l 章绪论 方只需将其头发剃光，就可以看到要传递的消息了。其它形式的信息隐秘技术 还包括利用隐迹墨水传递消息，用藏头诗下达作战命令，微缩文、图画中的文 字游戏、文字的重新编排及选意等。随着信息时代的到来和数字媒体的出现， 这些古老的思想又有了新的表现形式，例如用隐蔽通信来解决网络通信中的信 息安全问题h 。6 1 。 信息隐藏技术从其诞生起就一直受到广泛的关注，如今多媒体信息的版权 保护和安全问题又给它注入了新的生机与活力。相应地，在其基础之上发展起 来的数字水印技术( d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ) 也就成为当前国际学术界研究的 一个前沿方向和热点。 数字水印技术，作为信息隐藏技术的一个重要分支，与钞票水印相类似。 它是将信息( 水印) 隐藏于数字图像、视频、音频及文本文档等数字媒体中， 从而实现隐秘传输、存储、标注、身份识别、版权保护和防篡改的目的 7 - 1 0 o 首 先，它可以被用来证明作者对其作品的所有权，作为起诉、鉴定非法盗版的证 据；其次，作者还可通过对嵌入在作品中的水印信息进行检测和分析以实现对 作品的动态跟踪，从而保证作品的完整可靠性。 从上世纪九十年代初期开始，数字水印的研究成果就开始在国际会议及学 术刊物上发表，近年来己经成为对多媒体内容进行安全保护方面研究的热点， 并且随着技术的进步，其应用领域也得到了快速的扩展。数字水印的基本应用 领域主要是版权保护、交易跟踪、内容认证和安全的不可见通信，潜在的应用 市场则包括电子商务、分发各种多媒体内容以及大规模的广播服务等。目前虽 然出现了一些数字版权管理产品，但是由于缺乏很好的数字水印技术，这些产 品还存在不少问题。我国的电子政务和电子商务的兴起，需要从根本上解决版 权保护和信息安全等问题，数字水印技术将是很好的解决方案。 目前数字水印仍是一项正在不断发展的技术，在数学模型和实现技术上都 还没有达到成熟的水平。例如对于系统需求的明确表示还没有一个统一的观 点；对于数字水印系统的性能还没有统一的评测标准，当前发表的几乎所有数 字水印算法都能被一定的攻击击败，如流行的s t i r m a r k n 1 1 1 软件包。 2 浙江大学博士学位论文第l 章绪论 今后数字水印技术的研究将侧重于完善数字水印模型、提高数字水印算法 的鲁棒性、盲检测性与安全性，研究其在实际中的应用及建立相关统一标准等 方面，其中设计高鲁棒性，强安全性同时兼具大容量，低复杂度的水印算法和 系统是目前该领域急需解决的主要问题。 由于数字图像在多媒体信息中占很大一部分，而且其它视频媒体也是以数 字图像为基础，所以对数字图像水印技术进行研究在数字水印领域就占有重要 的地位。本文在对数字水印总体知识进行研究的基础上，着重研究数字图像水 印技术的鲁棒性特别是抗几何攻击性，此方面的研究是目前数字水印研究领域 的重点和难点。该研究不但具有理论意义和学术价值，而且对于数字水印技术 真正实现广泛、成熟的商业化应用具有重要意义 1 2 数字水印概述 1 2 1 数字水印的分类 自数字水印技术产生以来，到目前已经得到了迅猛的发展并且出现了众多 的水印算法和水印产品。根据不同的角度、不同的标准可以得到不同的分类， 常用的分类方法主要包括以下几种： ( 1 ) 按实现方法，可分为空间域水印和变换域水印 较早的水印算法从本质上来说都是基于空间域的，水印信息直接加载在数 据上；基于变换域的算法可以嵌入大量水印数据而不会导致可察觉的缺陷，通 常采用类似扩频的方法来隐藏水印信息。这类算法一般基于常用的图像变换， 这些变换包括：离散傅立叶变换( d is c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ，d f t ) 、离散 余弦变换( d i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m ，d c t ) 、离散小波变换( d i s c r e t e w a v e l e tt r a n s f o r m ，d w t ) 等。 空间域算法通过直接改变象素的灰度值来嵌入水印“ ，如著名的最低有效 位算法通过修改象素灰度值二进制的最后一位来嵌入水印 1 3 , 1 4 目前研究火热的 可逆水印也基本上是基于空间域来实现的n 5 1 们。大多数针对二值图像的水印算法 浙江大学博士学位论文第l 章绪论 也都是空间域法 1 7 - 1 9 1 * 变换域算法则是将图像经过变换如d f t ，d c t 或d w t 后通 过改变其变换系数来达到嵌入水印信息的目的 2 0 - 2 2 o ( 2 ) 按使用目的，可分为脆弱水印，半脆弱水印和鲁棒水印 脆弱水印对各种操作都非常敏感，根据其当前状态就可以判断数据是否被 篡改或什么地方被篡改，主要用于完整性认证和内容保护幢”；与之相反，即使 作品遭到一定程度的破坏，鲁棒水印也能被提取检测出来，它主要用于版权保 护幢引；半脆弱水印介于前两者之间，能够经受一定的信号失真拉5 1 。 ( 3 ) 按原始载体，可分为图像水印、视频水印、音频水印、文本水印以及 用于三维网格模型的网格水印等。随着数字技术的发展，将会出现更多类型的 数字媒体，因而也将产生相应的数字水印技术。 ( 4 ) 按水印提取检测时对原始载体的依赖性，可分为非盲检测水印、半 盲检测水印和盲检测水印。非盲检测水印在提取检测时需要参考原始载体幢6 1 。 半盲检测水印在提取检测时需要参考原始水印信息 2 7 o 由于可以借助原始载体 或水印信息作参考，所以这两类水印算法能够去除信号在传输过程中引入的各 种失真，达到较高的提取检测准确性。相应地，这些算法增加了储存、维护成 本和泄密的风险( 比如原始载体信息在储存中容易被盗用或误用) ，且绝大多数 需要原始信息的数字水印算法都不能抵抗i b m 攻击他8 1 ，所以从安全性的角度出 发应尽量采用盲水印方案。盲检测水印在提取检测水印时，只需要一个密钥， 既不需要原始载体也不需要原始水印信息n9 3 0 1 ，因此使用最为方便也具有更好的 安全性，应用前景也就更为宽广。 ( 5 ) 按是否可恢复原始载体，可分为不可逆水印和可逆水印 不可逆水印对原始载体带来的失真是永久的，不可恢复的。这方面的水印 算法不胜枚举1 3 2 1 。2 0 0 0 年前后可逆水印开始呈现出蓬勃生机卜3 5 1 ，目前已成为 研究的热点之一。可逆水印目前主要用于医学造影图像库。 ( 6 ) 按密钥机制，可分为私钥水印和公钥水印 私钥水印要求嵌入端和提取检测端必须使用相同的密钥来完成一次完整的 操作们，密钥的安全性要求在一定程度上限制了水印的应用范围。公钥水印则 4 浙江大学博士学位论文 第l 章绪论 是在嵌入端使用一个密钥控制嵌入算法，并向所有可能的接收方公布与这个密 钥对应的公钥，接收方利用公钥就能顺利地提取检测水印 3 7 , 3 8 o 公钥水印安全 性更高，应用范围更广，但其实现也相对更难。 1 2 2 数字水印的应用 数字图像水印技术具有很好的应用前景，主要基于如下几个优点：首先， 水印信号具有不可感知性，不会影响图像的视觉质量；其次，即使图像受到处 理或格式转换，水印信号也始终存在于图像中；最后，当图像受到处理时水印 信号也受到同样的处理，通过检测水印信号的改变可获悉图像受到的处理情 况。正是以上三个优点使得数字水印技术在多媒体内容保护和相关领域中具有 很好的应用前景。以下主要参考文献【3 9 ，4 0 】对各种应用给予介绍： ( 1 ) 版权保护 鲁棒水印技术最初用于解决版权争议( 即版权保护) ，版权保护可分为所有 者鉴别和所有者证明。对于所有者鉴别，传统的方式是采用版权标记的可见水 印方案。版权标记通常采用文本标记，按照某种适当的形式将版权信息( 文 本) 直接“标记”在图像视频之上，其不足之处在于：对于文档，版权标记在 复制过程中很容易被去除；对于图像视频内容，文本版权标记往往会影响视觉 质量。此外，在图像视频内容的不重要部分加注的版权标记非常容易被剪切。 由于水印信号的嵌入是不可感知的并且始终存在于图像视频内容中，若其 代表与版权相关的信息，则较文本标记更适合于所有者鉴别。使用水印检测器 识别其中的水印，然后通过相应的服务获得所有者的信息，达到鉴别的目的。 ( 2 ) 交易跟踪 若在图像视频内容的每一份拷贝中都嵌入独一无二的水印信号( 也称为数 字指纹) ，则数字水印技术可用于交易跟踪h 。此时水印信号用于标记数字拷贝 的合法接收者，因而可以用来跟踪非法拷贝内容源自何处。虽然大规模使用数 字水印进行交易跟踪易受到共谋攻击( c o ll u si o na t t a c k ) 2 1 而影响性能，但 对于较小规模的交易跟踪应用，数字水印技术仍具有较高的安全性。 浙江大学博士学位论文 第l 章绪论 ( 3 ) 内容认证 在很多情况下，需要对图像视频内容进行认证以判断其真伪性，尤其是当 图像视频内容被当作为某种证据时。虽然数字签名技术在数字内容的认证中己 经取得了广泛的应用，但它并不适合图像或视频内容的认证。这是因为对图像 或视频内容的多种处理和操作并不改变图像或视频所表述的本质内容，如为改 善视觉质量的各种增强处理、a d 、d a 转换以及各种文件格式之间的转换等。 若采用数字签名技术，图像视频数据的任何改变都会造成认证的失败。 采用数字水印技术则可较好的解决图像视频数据的内容认证。由于水印信 号被嵌入到图像视频内容本身之中，图像视频内容受到的处理也同样作用于 其中的水印信号。通过分析水印信号的改变，便可以分析出图像视频内容如何 被修改，哪一部分被修改，甚至能够一定程度的恢复被非法修改的地方。脆弱 水印和半脆弱水印技术能够有效地用于图像视频数据的内容认证。 ( 4 ) 广播监听 电视广播( 包括模拟电视广播和数字电视广播) 在世界范围内具有非常庞 大的市场，可产生巨大的经济效益。由于各种电视节目涉及到不同实体的利 益，可能会产生多种形式的侵权行为如电视节目的无授权重新发布，因此需要 对广播内容进行监听，以便对广播内容提供合理的内容保护。 最直接的监听方法是让专门的人员监视广播并对广播内容进行记录。显 然，这种广播监听方法代价极高而且容易出现错误，因而需要采用自动监视系 统，自动监视系统可以分为被动监视和主动监视。 被动监视系统需要直接识别广播的内容，故需要将接收到的广播内容和存 储已知内容的数据库进行比较，根据匹配的结果识别相应的广播内容，进而提 供侵权的证据，但实际之中，被动监视系统非常难以实现。 主动监视系统利用和广播内容一起广播的关联信息进行监视，可解决被动 监视系统存在的问题。采用数字水印技术很可能实现一个较为实际的主动监视 系统。水印信号以不可感知的方式嵌入到广播内容之中，能够抵抗一般的信号 处理和攻击，因而可将用来鉴别广播内容的信号以水印的形式嵌入到广播内容 6 浙江大学博士学位论文第l 章绪论 中。在主动监视时，通过检测广播内容中的水印信号，来判断相应内容的版权 信息，从而为内容保护提供服务。欧洲的e u r o p e a ne s p r i t 项目v i v a ( v is u a l i d e n t i t yv e t i f i c a t i o na u d i t o r ) n3 4 4 便致力于使用水印技术进行主动广播监 听，它采用j a w s ( j u s ta n o t h e rw a t e r m a r k i n gs y s t e m ) 水印算法h 5 。4 ，并且 在斯德哥尔摩m t g 广播中心和比利时g e n t 大学之间进行了实际的广播监听测 试。此外，德国f r a u n h o f e r 计算机图形研究机构也提出了一种用于视频广播监 视的水印系统引。 ( 5 ) 拷贝保护 在版权保护、交易跟踪、内容认证和广播监听等应用中使用数字水印技 术，并不能阻止恶意侵权者对受保护内容的非法使用和篡改，水印技术只能提 供事后侵权或篡改的证明，以作为数字内容安全体系中的一个技术支持( 即证 据) ，然而这种事后证明并不能挽回侵权行为所造成的经济损失。因此，需要 对数字内容进行拷贝保护控制，以阻止对数字内容的非法拷贝。 由于水印信息被嵌入到数字多媒体内容之中，依附于内容而存在，因而可 以将拷贝控制信息作为水印信号嵌入到视频中，由水印检测器提取出的拷贝控 制信息来控制视频内容的拷贝 4 9 , 5 0 o 显然，如果使用水印进行拷贝控制，必须在 每一个录制设备中都集成水印检测器，进行拷贝时若检测到表示禁止拷贝的水 印信息，设备便禁止拷贝相应的内容，从而达到拷贝保护的目的。 1 3 数字水印技术的研究现状 白1 9 9 3 年t i r k e l 等b 提出“e l e c t r o n i cw a t e r m a r k ”的概念以来，短短 十几年时间里，数字水印技术的发展可以说是日新月异。作为数字化时代的一 门新兴技术，它尚未形成一套独立完整的学科理论体系，但其重要的现实作用 却已经引起国内外众多高等学府、研究机构和高科技公司的极大兴趣，成为当 前信息科学中的一个新颖且具有广阔应用前景的研究热点。 浙江大学博士学位论文 第l 章绪论 1 3 1 国内外数字水印技术研究动态 继1 9 9 3 年提出电子水印的概念后，s c h y n d e l 等疆2 1 在1 9 9 4 年的国际图像处 理会议( i c i p 79 4 ) 上明确提出数字水印的概念。自此以后，数字水印技术引起 各高等院校、科研机构和一些组织的研究人员的广泛关注，并且迅速成为图像 处理和多媒体信息安全领域的研究热点与前沿方向。 从1 9 9 4 年开始，国际学术界就陆续发表有关数字水印的文章，且文章数量 呈快速增长趋势，几个有影响的国际会议( 如i e e ei c i p ，i e e ei c a s s p ，a c m m u l t i m e d i a 等) 以及一些国际权威杂志( 如p r o c e e d i n g so fi e e e ，s i g n a l p r o c e s s i n g ， i e e ej o u r n a lo fs e l e c t e da r e a so n c o m m u n i c a t i o n ， c o m m u n i c a t i o n so fa c m 等) 相继出版了数字水印的专辑。1 9 9 6 年5 月，第一届 信息隐藏国际学术研讨会( 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 ) 在英国剑桥牛顿研究所召开，至今该研讨会己举办十届，第十一届将于今 年在德国举办。在1 9 9 9 年第三届信息隐藏国际学术研讨会上，数字水印成为主 旋律，全部3 3 篇文章中有1 8 篇是关于数字水印的研究1 9 9 8 年的国际图像处 理会议( i c i p 79 8 ) 上，还开辟了两个关于数字水印的专题讨论。国际光学工程师 学会( s p i e ) 从1 9 9 9 年起，每年召开一次多媒体信息安全与数字水印大会，其 会议的论文主要也都是关于数字水印技术方面的文章。自2 0 0 2 年起，国际学术 界每年举办“国际数字水印研讨会”( i n t e r n a t i o n a lw o r k s h o po nd i g i t a l w a t e r m a r k i n g ，i w d w ) 。这些学术会议的举行，大大促进了研究人员间的交 流，加速了数字水印技术的持续发展。 鉴于数字水印技术广泛的应用前景，一些国际著名高科技公司也投入了大 量的人力和物力对数字水印技术进行研究和开发。如d i g i m a r c ，m a c r o v isi o n ， n e c ，p h ili p s ，s o n y 等大公司联合成立了视频水印研究组v i d e ow a t