（信号与信息处理专业论文）应用于印刷域商标防伪的数字水印技术的研究.pdf

中文摘要 摘要：数字水印技术是一种在数字作品中，以可见或不可见的方式嵌入数字 化信息( 被称为水印) 。且水印的嵌入不影响原始数字作品的自身价值和正常使 用，需要时可以通过算法提出该数字化信息的技术。数字水印技术为解决数字产 品的侵权问题提供了一个有效的解决途径，因而成为当前的研究热点 版权保护和印刷品的防伪问题在当前社会的重要性不言而喻，一直以来，数 字水印技术的研究都是侧重于数字版权的保护，对防伪应用的研究还很少本文 围绕数字水印印刷品防伪的应用背景和研究现状，重点研究了用于印刷域商标防 伪的，基于空域相关特性的数字水印算法，同时，采用可重用设计方法，设计实 现了便携式的商标真伪检测器，论文的主要贡献包括： 1 在分析印刷( d a ) 扫描( d ) 特性和大量实验的基础上，提出了一种可用于 印刷域商标防伪的一次鲁棒二次脆弱的数字图像水印算法。采用正交试验方法， 对控制嵌入水印强度的参数进行优化，使算法的特性满足防伪的要求。 2 根据检测算法，采用可重用设计方法，实现了“基于数字水印技术的商标 真伪检测器”的实际系统。将水印检测算法利用全硬件实现，有利于将其设计成 可重用的知识产权核( dc o r e ) ，不仅对算法进行了有效的知识产权保护，也为这种 新颖的商标防伪方法的推广应用带来了便利。针对此系统当前存在的不足，提出 了进一步展望及改进思路。 关键词：数字水印；印刷域；商标；防伪 分类号：t n 9 1 1 a b s t r a c t a b s t r a c t ： d i g i t a lw a t e r n l a r 虹n gi $ ak i i l do ft 。曲n i q m a l 曲1 b o d sai n l p 即c e p t i b l em a 呔i n d i g i t a lm e d hw h i ti sn e c d e d ，t l 锄b e d d c dl a b di n 向r m a t i 吼c 锄b ee x 位峨e d 衙 v a l i d a t i o nv i aac 盯t a i l ls c h 锄e ，w h i c hp m v i d 鹤8v e r ye f 溉v e l u 虹o n m e 跏 i s s u eo f d i 或a lp r o d u c t s t h 谢b r e i th a sb c c o m c 雏n o w a d a y sf 部e a r c hh o t s p o t a ) p y r i g h tp f o 删o n 觚df o 曜聊，p r e v 训0 n 砒l dd e t e c t i o na mo f 毋c a ts o c i a l i l l l p o n 柚c c h ln 把p 嬲t ，t l l ea l g 嘶t l l i mo f d i g i t a lw a t n a d d n ga 糟d 铝i 舶e dm a i l l l yf b r t l l ec o p y r i g h tp r o t e c t i o no fd i 西t a lm c d i a i l o t 如rf 0 蜡e f yp l v t m t i o n i i lm i sp a p e f ，w e s 嘲a r i z et l l ea p p l i c a t i o nb a c k 目o 瑚d 趾dr 雌e a r c hs t a t co fd i 垂t a lw a t c r m 破i n gp | 惯s w o r kf - o r g e r y p r c v 锄t i o i l ，锄dm m a i l l l yf o c 哪o r e 砌o nm ed i 舀t a l w a t a m 砌【i n ga l 鲥t i l l l lb 嬲e do ns p 撕a lc o r r e l a t i d e 删o l la n d ，砸mt h ef e i 娣 m e l l l o d o l o 阱w ci m p l 锄c n tm cp o r t a b l cw a t e m 破d e t e c t o r b a s c do nf p g a 1 1 1 e v a l u a b l ei 镪e a r c h 丘1 1 i t sa l ea sf o l l o w s ： 1 a f t c ra i l d i y z i n gt l l e 代a s o 船t l l a tp 面t s c 姐p r o c e 站b r i n g sd i s 删o nt oi m a g e ， 锄dd o i n gl o t so f 既p e r i m t s ，as p a t i a lw a t 黜a d d n ga l g o f i t l i mi sp r o p o s e d b 鹊e do n o n l l o g o n a le x p e f i l i l e n t a _ ld e s i g nm e t h o d ，t l l e 叩t i m i z a t i o no f t l l ep a r 锄e t e 疆m a ta f f e c t t l l ei n t e i l s i t yo fm ee l i l b e d d e dw a t e 锄a 施n gi sr e a l i z e dt os a t i s 匆m e 阳q u i r 锄c n t so f f b 增e r yp r 钾吼t i o n 旬rp f i n t e db m d ，n l a ti st os a yt 1 1 ed i 西t a lw a t e 册破i sm b u s tt 0o n c q ，c l ep f i n t s c 锄觚d 劬百l et oh ，oc y d ep r i n t 卜s c a m 2 b 船e do no l l rs d l 锄c ，w ei n 】p l e m t 地p o r t a b l ew a t e r i n a r l 【d e t e c 白o fb a s e d f p g a m e a i l 、】i 航l ew e 仃a m 馈m ew a t c n n a r kd 酏e c ta l g o r i mt o 柚i pc o r ew h i c h m a l 【em i st e c h n o l o g yb ce 鹊i l yl l s e di i il o t so f f i e l d s w ea l t a l l ( a b o u td e 蠡。c t so f t l l e s y s t 锄a n dp r o p o s ef i l “h 盯i l i l p m v c l l l e n tt 1 1 0 u g h t s i y w o r d s ：w a t 锄a r l d n 岛皿n t i n 吕b 砌n d ，f o 删p r 删i 伽 c l a s s n o ：t n 9 11 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和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学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了谢意 学位论文作者签名：索月堂缸 签字日期：炒年j 上月椭 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定特 授权北京交通大学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， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：1 永i 羚钆 签字日期：硼年j 2 月z 咱 导师签名：豸南之 签字日期：舢眸j 月彳日 致谢 本论文的工作是在我的导师裘正定教授的悉心指导下完成的，裘正定教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 裘老师对我的关心和指导。 丁晓明教授悉心指导我完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助，在此向丁老师表示衷心的谢意。 章春娥博士对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，吴光椿、费双波、李伟明、宋立等同学对我 论文中的算法研究以及系统实现工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激 之情。 另外也感谢我的家人和好友，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我 的学业。 1 1 引言 1 绪论 信息媒体的数字化为信息的存取提供了极大的便利性，同时也显著提高了信 息表达的效率和准确性随着计算机科学和互联网技术的飞速发展，数字多媒体 产品的应用和传播更加方便和广泛。数字产品易于编辑，其复制可达到无失真的 效果，而且可通过网络被迅速的传递，使信息的使用和共享方便快捷。数字产品 的这些优点为数字资源共享、在线服务和电子商务等多媒体业务提供了广阔的发 展前景，给人们提供了更好的服务。随之而来的副作用是这些数字形式的数据文 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，盗用者可以通过网络获得一个无失真的拷贝，非法制作 和出售这些复制品，或者任意修改其内容并散播到网络中。这些操作和交易给盗 用者带来了巨大的非法收益，却给版权所有者造成了难以估计的损失，也对信息 安全“儿2 1 产生了极大的威胁。人们迫切地需要有相应的技术来解决这些问题，促进 网络和数字技术的发展，推进信息时代的前进步伐。数字水印技术就是应这种要 求而产生并发展起来的。 不容忽视的是，大量图像是以印刷方法产生的，如：商标、产品包装、书 刊、证书、证件、邮票、磁卡、出版物、影音制品封面、货币、有值票券、入场 券、单据、广告、挂历台历、名片、护照等，当然还有大量以印刷方法产生的文 档( 书籍、材料等) 。近年来，随着商品经济的发展，假冒行为也随之而来。其中 印刷品的假冒也十分严重，假冒者可按常规的作业方式轻易地复制这些印刷包装 品，假冒行为屡屡得手。因此，这些印刷方法形成的图像、文件的版权保护就成 了急待解决的问题。人们曾在彩色印刷上研发了不少防伪方法，如激光防伪、专 用水印纸防伪、电话电码防伪、计算机网络防伪等，所有这些防伪方法虽在一定 范围内起到了一定程度防伪作用，然而产品的成本也随之大幅度地增加，如国内 茅台酒厂每年要花大量资金从国外购进防伪标签。因此，人们渴望一种成本低廉 的防伪方法。 数字水印技术作为一新兴领域，其主要应用领域前几年主要集中于电子产品 的版权保护。近年来，人们开始了在印刷领域的应用即版权保护、证件防伪与商 标防伪。“”。对于版权保护和证件防伪的场合，非常明显，需要设计的是能够 抵抗打印( 或印刷) 扫描( 或拍照) 的鲁棒性水印算法，尤其是在证件防伪场合，由 于水印是嵌在图像内部的，当证件照片被换掉( 即证件伪造) 时，水印自然就丢掉 了。而对于商标防伪的场合，需要设计的是对于第一轮印刷扫描( 或拍照) 鲁棒的 水印算法而对于第二轮印刷扫描( 或拍照) 脆弱的水印算法，这就需要在水印算法 的设计过程中充分考虑打印( 印刷) 扫描给图像带来的影响，找到应用于防伪的 算法鲁棒性与脆弱性的最佳折中点。 1 2 数字水印防伪应用研究现状 当前关于数字水印在印刷防伪方面的应用已经取得了一些可喜的成果。美国 d i g i m a r c 【7 】公司率先在1 9 9 5 年推出了媒体桥( m e d i a b 蒯g e ) 技术，是以插件形 式集成到a d o b e 公司的p h o t o s h o p 和c o r e id r a w 图像处理软件中。随后，又 推出了开拓访问因特网的一条新途径一通过在杂志广告、产品包装、目录甚至各 类票据中隐藏不可见的数字水印。用户只要将这些传统媒体放在网络摄像机【w e b c a m e r a ) 前，媒体桥技术就可以直接将用户带到与印刷图像内容相关联的网络站 点，并在计算机上显示出产品的相关信息。英国s i g n u m 公司推出的v e n d a t a 系 列软件，用不可见的水印阻止商标的盗版以及重要文档的伪造、盗版和未授权的 更改。瑞士a i p v i s i o n 公司。1 专为打印文档设计的s a f e p a p e r 软件则可嵌在 m i c r o s o 什w o r d 软件中，它将水印信息( 如商标、专利、名字、金额等) 隐藏到打 印纸内，以此来证明该文档的真伪。日本的i b m 东京研究实验室提出了用数据隐 藏作为解决方案来鉴定数字化照片的来源，证实数字化照片的完整性，判断照片 是否被篡改以及定位篡改的地方。 我国的有关部门研究人员正在加紧数字水印印刷防伪技术的研究工作。大连 理工大学研究的数字水印防伪印刷技术可以实现在印刷图像中加入数字水印，并 2 可以通过扫描仪和专用软件完成印刷图像中数字水印的自动检测：上海阿须数码 技术有限公司0 1 也推出了有自主知识产权的图像数字水印软件 a s s u r e l m a g e m a r i 2 o ：成都字飞信息工程有限责任公司“”研究的印刷打印数字 水印技术已得到商业化应用，并于2 0 0 4 年4 月1 日获得“国家科技型中小型企业 创新基金”的资助。这标志着我国数字水印技术的研究已经进入实质性的阶段， 其研发与应用水平正逐步缩小与国际先进水平的差距。 1 3 论文研究的问题与主要工作 本文主要描述了一种可用于印刷域商标防伪的数字水印算法，同时给出了用 于防伪检测的便携式设备的实现方法。具体而言，本论文做了以下的主要工作： 1 印刷品防伪技术的前期调研我们查询了印刷品防伪技术的相关资料和大 量论文，并且跟踪国内外最新的技术进展，认清了当前的市场需要和技术上的关 键点、难点。针对印刷品防伪应用的特点，我们做了大量打印( 印刷) 一扫描的数 字水印实验，明确了图像经过打印一扫描过程( p s 过程：p r i n t a n d _ s c a n ) 的图像 失真影响，为探索实用的用于印刷域商标防伪水印算法打下了基础 2 提出了一种印刷域商标防伪数字水印算法该算法首先根据用户信息产生 一个二维水印信息，然后根据图像的纹理特性，构造水印嵌入强度矩阵，最后将 水印信息嵌入受保护商标图像的灰度域。检测的时候，同样利用用户身份信息产 生该受保护商标图像内嵌入的水印，通过计算，该水印信息与图像的交流分量之 间的相似程度来判断带检测商标的真伪性 3 将正交试验设计方法用于水印嵌入算法中的参数优化在分析算法在防伪 应用中应该表现的特性的基础上，综合考虑人眼视觉特性和水印算法的鲁棒性， 对控制水印嵌入强度的两个参数进行优化，利用正交试验设计，在不影响优化结 果的情况下，大大减少了试验的次数。 4 运用可重用设计方法，设计并实现了基于水印检测算法的商标真伪检测器 实现商标真伪检测系统所需硬件加速模块和外设接口的i p 核设计，集成和验证， 着重讲水印检测算法设计成为可重用i p 。 3 1 4 本文结构安排 第一章绪论。简要介绍了数字水印的原理和研究现状、本文的研究内容以及 全文的组织情况 第二章数字水印综述。对数字水印的基本概念和主要算法作了较全面的概 述，阐述了数字水印技术在印刷防伪上的应用，最后总结了当前防伪技术存在的 问题，分析了数字水印技术应用于印刷防伪的优势。 第三章印刷域商标防伪数字水印算法设计。在分析了图像在印刷( 打印) 一 扫描过程中的信息失真和信息丢失的基础上，提出了一种在空域进行水印嵌入和 提取的数字水印算法，通过对防伪要求的分析，指出了将该算法应用于商标防伪 时的操作流程。 第四章基于n i o s 的嵌入式商标真伪检测器的设计及实现。阐述了可重用设 计方法学的基本概念，给出了基于数字水印技术的印刷域商标真伪检测器的系统 框架以及实现过程。 第五章总结和展望。总结所作的研究工作，给出了现有算法以及系统在实际 应用过程中的不足，提出了进一步进行研究方向。对将数字水印技术应用于印刷 防伪进行了展望。 1 5 本章小结 本章首先介绍了数字水印技术应用于印刷品防伪领域的背景、目的及研究意 义，介绍了国内外对此课题的最新进展，总结了当前数字水印防伪技术所面临的 问题及其发展状况。最后结合实际项目阐明论文所做的主要工作，并对系统作出 了简要的介绍。 4 2 1 引言 2 数字水印综述 数字水印的概念最初是c a r o n n i 和1 1 r k e i 于1 9 9 3 年提出来的，v a n s c h y n d e i 在i c l p 9 4 会议上发表了题为“ad i g f a iw a t e r m a r k ”的文章，这是第一篇在主 要会议上发表的关于数字水印的文章，此后，研究人员将数字水印的概念扩展到 声音和视频等其他数字媒体，数字水印也日益成为一个非常活跃的研究领域国 内外大量的学者进行了大量的研究工作，并取得了丰富的研究成果。 数字水印( d i g 计a 1w a t e r m a r k ) 技术是指用信号处理的方法在数字化的多媒 体数据中嵌入隐蔽的标记，这种标记通常是不可见的，只有通过专用的检测器或 阅读器才能提取。嵌入数字作品中的信息必须具有以下基本特性才能称为数字水 印： 隐蔽性：数字作品作为水印的载体，在嵌入水印后，不能产生明显的质量降低； 隐藏位置的安全性：水印信息隐藏于数据而非文件头中，文件格式的变换不应导 致水印数据的丢失； 鲁棒性：所谓鲁棒性是指在经历多种无意或有意的信号处理过程后，数字水印仍 能保持完整性或仍能被准确鉴别。可能的信号处理过程包括信道噪声、滤波、数 模与模数转换、重采样、的切、位移、尺度变化以及各种有损压缩编码等。 在数字水印技术中，水印的数据量和鲁棒性构成了一对基本矛盾。从主观上 讲，理想的水印算法应该既能隐藏大量数据，又可以抗各种信道噪声和信号变形。 然而在实际中，这两个指标往往不能同时实现，不过这并不会影响数字水印技术 的应用，因为实际应用一般只偏重其中的一个方面。如果是为了隐蔽通信，数据 量显然是最重要的，由于通信方式极为隐蔽，遭遇敌方篡改攻击的可能性很小， 因而对鲁棒性要求不高。但对保证数据安全来说，情况恰恰相反，各种保密的数 据随时面临着被盗取和篡改的危险，所以鲁棒性是十分重要的，此时，隐藏数据 量的要求居于次要地位。 5 2 2数字水印系统的基本框架 如图2 一l 所示，水印处理系统的基本框架“可以定义为六元体职瓜 e 历： 失真矗 人类知 觉系统 木印存在? 消息口 图2 - 1 数字水印系统的基本框架 1 ) x 代表原始数字产品的集合，如数字音频、数字图像、数字视频和文本等多媒 体文件。 2 ) w 代表水印信号的集合。通常定义水印为如下的信号： 矿= 似后) i 以| | ) 【，i 矿4 ) ( 2 - 1 ) 矿。表示d 维的水印信号空间，庐1 ，2 ，3 分别对应声音、静止图像和视频。水印信 号可以是二值形式( 胪 0 ，l 或胆 一l ，1 ) ，或者是伪随机高斯噪声。 3 ) f 是水印处理过程中使用到的密钥的集合，密钥在水印的生成、嵌入位置的选 取以及在水印提取过程中均起到重要的作用，可以说整个水印系统的安全性来源 于密钥的不确定性。 4 ) 口表示利用密钥、消息( 如作者签名) 和待嵌入水印的数字产品共同生成水印 的算法，即 矿2g ( x ，k ， 彳) ( 2 2 ) 其中表示消息的集合。原始的数字产品是否参与水印生成可以由嵌入者自主选 择。水印信号通常由伪随机数发生器或混沌系统产生。 5 ) f 表示将生成水印嵌入数字产品j 中的嵌入算法，即 z v 。e ( x ，矿，k ) ( 2 3 ) 6 这里z 代表嵌入水印后得到的数字产品。 6 ) d 表示水印检测或提取算法，即 。( 瓦 固。 。：l ( 2 _ 4 ) 或者 。晤，目= o ：l ( 2 _ 5 ) 这里膨表示提取出的消息的集合，1 和0 分别表示水印的有无，在水印的某些应 用，如版权保护，仅检测水印是否存在就能满足要求，而对于隐蔽通信、内容认 证等应用还需要恢复出水印信息本身。因此有的水印检测和提取算法需要原始数 据的参与，如( 2 - 4 ) 式，有的则不需要，如( 2 - 5 ) 式 2 3 数字水印系统的数学模型 数字水印的基本手段是将产权、产品的标识码以及购买者的信息等f 称为水印 信号l 嵌入到数字媒体中嵌入的水印信号应当不降低原数据的质量、且在感觉上 不易被察觉，能够经受一定的攻击而不被清除，需要时可以通过检测( 提取) 嵌入的 水印信息来鉴别数字媒体的版权、认证该数据的真伪或辨识该数据的原购买者、 进行完整性鉴定等等 消息咂 9 叫堕亘卜- 岖垂蛩一消息 i 原始载体 图2 - 2 水印系统框图 在进一步讨论数字水印之前，我们先给出具有通用意义的水印系统框图( 见图 2 2 ) 及数学模型1 12 j 。典型的数字水印系统一般包括三个过程：水印的生成、水印 的嵌入和水印的提取或检测。这里我们把水印信号定义为： 矿= 叫七) l 以七) u ，七形4 ( 2 - 6 j 7 其中，矿4 表示维数为d 水印信号域，d = 1 ，2 3 分别表示声音、静止图像和视频图 像，水印信号可以是二值形式( 【，= ( o ，1 或u = _ l ，1 ) ) ，也可以是高斯噪声形式。 有时也称为“原始水印”，从水印的鲁棒性和安全性考虑，通常会对原始水印 进行随机化或加密处理l l3 j ，即为有效水印的生成过程。 设，为所要保护的数字产品的集合，如数字音频、数字图像、数字视频和文本 等多媒体文件。k 为水印处理过程中使用到的密钥的集合，主要是用来增加水印 系统的安全性。原始水印形经过处理后获得的水印矿由函数，决定，定义如下： 矿= f ( ，形，x )( 2 - 7 j 设占表示将水印矿嵌入到原始图像厶中的嵌入算法，那么嵌入水印后的水印 图像l 可表示为： l = 占瓴，矿) ( 2 8 ) 其中，矿由式( 2 7 ) 来决定，具体的嵌入过程如图2 - 3 所示。 图2 - 3 水印嵌入过程 图2 - 4 水印提取过程 水印提取是水印算法中最重要的步骤，如将水印提取过程用算法d 来表示， 那么其输出可以是包含各种信息的数据流，也可以是判断水印存在与否的假设检 8 验，提取过程如图2 - 4 所示假设已知测试图像、原始图像厶、密钥足和原始 水印矿，则有： 形= d ( ，厶，目+ o ，1 ) ( 2 9 ) 或 积力； 1 。袈髫禁嚣江， 陋删 其中，形为提取出的水印，函数c 为相关检测，艿为决策域值，风和表示二 值假设，分别表示水印的有无在水印检测过程中根据不同的嵌入方式，还可以 不需要原始图像厶或者原始水印形 2 4 数字水印的分类 数字水印的分类方式有多种： 一、字水印按照嵌入方式可分为空域水印和变换域水印。直接在空域中对 采样点的幅度值进行改变，嵌入水印信息的称为空域水印：对变换域中的系数做 出改变而嵌入水印信息的，如傅立叶系数、d c t 系数和小波系数等，称为变换域水 印。一般说来，变换域算法可嵌入水印数据量大，不可见性好，安全性高，但算 法复杂度也高。 二、数字水印按照可见性可分为可见水印和不可见水印。对于可见水印，就 如同货币上的有形图案，我们可以通过感觉器官感知：而不可见水印，是指无法直 接感知，但又确实存在的东西，我们可以通过特定的方法进行某种处理之后感觉 到，如货币上的隐形水印，需借助紫外线的照射才能看见。 三、数字水印按照其作用可分为鲁棒水印和脆弱水印。前者主要应用于数字 作品中标志著作版权信息，需要嵌入的水印能够抵抗常见的编辑处理和有损压缩： 后者主要用于完整性保护，判断信号是否被篡改。 四、数字水印按照其载体的不同可分为图像水印、视频水印、音频水印，文 本水印等。 9 五、数字水印按照水印的检测方法可分为明水印和盲水印。在检测过程中需 要原始数据的水印技术称为明水印，其鲁棒性较强：在检测过程中不需要原始数据 的技术称为盲水印。 上述数字水印的分类并不是孤立的，它们相互联系，仅仅表现形式上有差异 而己。 2 5 数字水印的典型算法 2 5 1 空间域 数字水印最初的研究是在空间域，空间域算法的优点是思想简单，实时性较 强，计算复杂度低且能够保留水印的位置信息，在鲁棒性上不如变换域算法和压 缩域算法。实际上，在时空域算法中，重要的一大类算法是脆弱水印或半脆弱水 印算法，因为这类算法具有对攻击时间或空间位置的定位能力。目前将空间域的 算法和变换域的算法结合起来，也是研究的一个发展趋势。在这里我们简单的回 顾几种比较典型的空间域算法。 ( 1 ) 最低有效位方法( l s b ) “” 这是一种典型的空问域水印嵌入算法，其原理是通过修改表示数字图像的颜 色( 或颜色分量) 的位平面，通过调整数字图像中对感知不重要的像素来表达水 印信息，达到嵌入水印的目的。这种方法在视觉上很难觉察，l s b 的优点是有较大 的水印嵌入量，但采用此方法实现的数字水印是很脆弱的，无法经受一些有损的 数字化处理。而且，如果确切地知道数字水印嵌入在几位l s b 中，数字水印很容 易被擦除或绕过。 ( 2 ) 统计特征嵌入法“” 利用统计特征是时空域嵌入算法中的一类重要嵌入技术。这类方法的主要思 想是通过修改原始载体数据使得原始载体的某些统计特征发生变化，检测时只需 查看含水印载体的统计特征即可，从而达到盲检测的目的。当然，这些统计特征 1 0 的来源必须受到密钥的控制以保证安全性。在时空域嵌入算法中，常用的统计量 包括平均值、标准偏差和直方图等 ( 3 ) 半色调图像嵌入法 半色调化呻1 是将灰度图转换成二值图像的一种操作根据人眼视觉系统的低 通特性，在一定距离以外，半色调图给人的感觉与其对应的灰度图非常相似。有 三种主要的半色调化方式，分别是次序抖动“”、误差扩散“”和直接二值搜索“” 其中次序抖动是一种相对简单的方式，效果也比较好，在实际中经常应用这种方 式对灰度图进行半色调化而后两种方式就比较复杂了，但他们的效果也要优于 次序抖动的效果日常生活中，在图书、杂志、报纸上，人们可以经常看到半色 调图，因为这些图像用到的打印设备中只有黑白两种墨水，故只能产生二值图像。 因此，对于半色调图水印的研究具有相当高的应用价值。实际上，典型的半色调 水印算法有基于误差扩散的二值水印( 半色调图像) 生成和多种空域半色调图像 水印嵌入技术”。别这些技术基本上分为三种第一种在半色调化过程中嵌入 水印，如基于误差扩散技术( d a t ah i d i n ge 丌r o rd i f f u s i o n ) 的d h e d 算法。这种 算法可以嵌入大量的水印信息，且引起的视觉失真也比较小，但在水印提取时必 须要有产生半色调图的原始灰度图的参与。第二种是将半色调图进行逆半色调化 变换，然后再对得到的灰度图嵌入水印，最后再转化为半色调图。然而，半色调 化操作不是可逆操作。如果一定要勉强进行，则只能保留图像的大概轮廓，复杂 的纹理与细节部分不可能完全恢复，属于有损变换。姑且假设这种方法成立，那 么最终得到的含水印半色调图必须经过3 次有损变换，分别是原始灰度图产生半 色调图，半色调图经逆变换得到有损的半色调图，在其中嵌入水印之后还必须经 过再一次的半色调化处理，毫无疑问将导致严重的视觉失真。第三种直接在半色 调图中嵌入水印，如算法d h s t 和d h p t ，通过改变在某些伪随机位置上的像素值 达到嵌入水印的目的。d h p t 算法实际上是对d h s t 的改进，二者共同的缺点是： 如果水印信息量比较大，那么将会导致严重的失真。为解决上述问题，文献。“捌 还提出一种智能成对绑定数据嵌入算法( d h s p ”，其各方面的表现都要优于以上两 种算法。d h s p t 和d h s t 算法的确别在于配对像素点的选择。 ( 4 ) 文档结构微调方法 这种方法就是在通用文档图像中嵌入特定的二进制信息的技术。基于此方法 的数字水印可以抵抗一些文档操作，如照相复制和扫描复制，但也很容易被破坏， 而且仅适用于文档图像类。 2 5 2 变换域 相对于空间域的数字水印而言，基于变换域的水印技术可以嵌入大量比特数 据而不会导致可察觉的缺陷。这类技术一般基于常用的图像变换( 局部或者是 全局的变换) ，这些变换包括离散余弦变换( d c t ) 、离散小波变换( d w t ) 、 离散傅立叶变换( d f t 或者f f t ) 等等不同变换域的水印算法具有不同的应用场 会，在嵌入容量与鲁棒性方面也各有优劣。 d c t 相对于d f t 与d w t 而言，具有较好的能量聚集性能。而且在现行的j p e g 图像压缩标准中，采用的是基于分块的d c t ，有学者提出来嘲：采用与压缩标准 算法相同的变换域来嵌入水印能获得较大的嵌入容量与较高的抗压缩性能。但同 时，基于d c t 的水印算法不能区分图像空间域的复杂程度，或者说是图像的纹理， 因而，嵌入的水印容量较小，而且不能有效的利用图像的时频信息来提高水印的 不可见性。 最早提出的基于分块d c t 的数字水印技术之一见文献。这种数字水印的嵌 入方案是由一个密钥随机地选择图像的一些分块，在分块d c t 系数的中频系数上 稍稍改变一个三元组以嵌入二进序列信息选择在中频分量上嵌入水印是因为在 高频分量嵌入的水印信号易于被各种信号处理方法所破坏，而在低频分量上嵌入 的水印信号则很容易被人眼所察觉。该数字水印算法对有损压缩和低通滤波是鲁 棒的。 c o x 等人提出了基于图像全局变换的数字水印方法嘲。他们的重要贡献是明 确提出加载在图像的视觉敏感部分的数字水印才能有较强的鲁棒性。他们的数字 水印方案是对整个图像进行d c t ，然后将数字水印信号加载在预先确定的范围内 的除去d c 分量的低频分量上，数字水印信号则是由服从高斯分布的一实数序列组 成，数字水印加载在d c t 系数上的强度即改变d c t 系数的程度大小正比于相应的 频率分量的信号强度( 简单情况下可用同一强度加载水印) 。该算法不仅在视觉 1 2 上具有数字水印的不可察觉性，而且鲁棒性非常好，可经受有损的j p e g 压缩、 滤波、d a 和a d 转换及重量化等信号处理，也可经受一般的几何变换如剪切、 缩放、平移及旋转等操作，对照相复印和扫描等处理也具有较强的鲁棒性当然， 该算法还是有一定的缺陷的，有关的讨论详见魄剐 对于离散傅立叶正交变换域而言，这种变换域的最大的特点就是从理论上能 证明在这种变换域嵌入的水印信息能够抵抗旋转、缩放和变换( r s t ) 的攻击臼盯。 r s t 交换对图像傅立叶的影响如下： 假设原始宿主图像是定义在整数值笛卡儿坐标网格上的实值函数厂( 毒，) ，) ， 0 s j l ，o 兰) ， u - ) ，水印存在j ( 3 。7 ) 通过上面的判决过程给出最后的判决结果，即水印不存在时判决待测商标图 像为伪造的，水印存在则判决待测商标图像为真。 3 4 算法防伪功能的实现 水印的防伪功能是指对商标图像进行一次印刷扫描( 摄像) 时水印算法是鲁 棒的( 以下简称一次鲁棒) ，对扫描( 摄像) 得到的商标图像进行再印刷扫描( 摄 像) 时水印算法是脆弱的( 以下简称二次脆弱) 本文中设定水印商标图像可能经历的传播过程如图孓1 和图孓2 所示，分别是 未经仿造的传播过程，和仿造的传播过程，水印商标图像在经过这两个过程的传 播后，成为待测商标图像。从而防伪的功能可以描述为：水印商标图像按照图3 - 1 的方式进行传播时，在检测端判决水印存在；水印商标图像按照图3 2 的方式进 行传播时，在检测端判决水印不存在。 本文采用正交方法( 3 5 ) 进行实验设计，对实验结果进行分析，优化水印嵌 入强度式( 3 5 l j ，j 中参数的取值，实现如前面所述的水印防伪功能，即通过控 制水印的嵌入强度来实现水印的防伪功能，并达到视觉不可见性确定水印嵌入 强度y j 的参数分两个阶段进行，第一阶段，在一次鲁棒的要求下进行实验， 确定参数，门朗譬的一个变化范围，并给出三个参数对水印嵌入强度影响的大 小；第二阶段，在二次脆弱的要求下进行实验，将由前一阶段得到的参数，和 g 变化范围进一步缩小，从而得到使算法一次鲁棒二次脆弱的参数取值区间。 本文中采用可控的水印嵌入强度i 。，y j ，能够有效控制水印算法的鲁捧性能，水 印嵌入强度越大，算法鲁棒性就越强；同时，利用角点检测的方法计算水印嵌入 强度，充分的结合h v s 特性，在原始商标图像的低频部分嵌入强度较小的水印信 息，在原始商标图像的高频部分嵌入强度较大的水印信息。 3 5 多因素正交试验设计与分析 3 5 1 试验设计与正交表 在现代社会中，实现目标的最优化，已成为解决工程设计、生产管理等实际 问题的一项重要原则。试验优化就是在这种最优化思想指导下，通过广义试验( 包 括实物试验与非实物试验) 进行最优设计的一种优化方法。它从不同的优良性出 发，合理设计试验方案，有效控制试验干扰，科学处理试验数据，全面进行优化 分析，直接实现优化目标，己经成为现代优化技术的一个重要方面。最常用的试 验优化技术有试验设计与回归分析嘲 试验设计是离散优化的基本技术，使试验过程科学有序地进行，做到以较少 的试验次数来获取足够和可靠的信息资料它从正交性、均匀性出发，利用拉丁 方、正交表、均匀表等作为工具来设计试验方案、实施广义试验。试验设计是统 计学科的组成部分，它作为一个独立的分支学科开始于本世纪3 0 年代。英国著名 的统计学家r a f i s h e r 是这门学科的先驱者和奠基人呻1 正交试验设计是在2 0 世纪4 0 年代由d j 开n n e y ，c r r a o 等人提出的多因素 试验方法基础上，于5 0 年代初由t a c h u g i 开发的一种试验设计技术“。由于这 种方法可以通过较少的试验次数和比较简便的分析方法，获得较好的结果，因而 在许多领域得到广泛的应用。正交试验设计的基础是正交表。下面我们通过一个 例子来说明正交试验设计的有关概念和术语。 假定在一个农业试验中，要考查小麦的品种、肥料的总量以及土壤的温度对 小麦产量的影响。在一项试验中，用来衡量试验效果的指标称为试验指标：对试验 指标产生影响的原因称为因素或者是因子( f a c t o r s ) 。因素在试验中所处的各种状 态或所取的不同值，称为该因素的水平( i e v e i s l 。在此试验中，小麦的产量是试验 指标，小麦的品种、肥料的总量以及土壤的温度是试验因素。假定本试验中，每 一个因素有三种不同的取值，就说每一个因素有三种水平。 对所有试验因素的水平进行组合所形成的试验点，称为处理组合。上例中共 有2 7 种不同的处理组合。对全部组合处理都进行试验，称为全面试验。一般地， 如果一个试验有n 个因素，每个因素有q 个水平，则共有q “个不同的处理组合， 全面试验的次数也是q ”为了得到试验指标的最优值，需要找到不同水平的最佳 组合，当然可以对每一个的处理组合都做一次试验，然后挑选出一个最优的。但 是，当试验因素数目和每个因素水平的数目很大时，进行全面试验是困难的，甚 至是不可能的希望挑选一部分有代表性的处理组合进行试验，并且达到我们的 目的。 从全部组合处理中，选择一部分组合处理进行试验，称为部分试验。试验设 计所追求的目标之一，就是要用尽量少的部分试验来实现全面试验所要达到的目 的。这样就产生了两个突出的矛盾，一是全面试验的组合处理多，与希望实际上 只进行少数试验的矛盾：二是实施少数试验，与要求获取全面试验信息的矛盾为 了解决这两个矛盾，就产生了正交试验设计。利用正交试验设计，既可以对试验 进行合理的安排，挑选少数有代表性的组合处理进行试验一一以少代多，解决第 一个矛盾：又可以对实施的少数个处理组合的试验结果进行科学的处理，做出正确 的结论一一以少求全，解决第二个矛盾 正交试验设计的基本工具是正交表，它是根据均衡分布的思想，运用组合数 学理论构造出来的一种数学表格，均衡分布是正交表的核心。如果一个试验有n 个因素，每一个因素有q 个水平，一个等水平的正交表可以写成上w ( q ”) ，其中l 是l a t n 的第一个字母，表示正交表；m 表示正交表的行数，或部分试验的组合 处理数，即用该正交表安排试验时，应实施的试验次数；q 表示正交表同一列中 出现的不同数字的个数，或因素的水平数，不同的数字表示因素的不同水平，若 一个正交表有q 个水平，称该正交表为q 水平正交表；n 表示正交表的列数，或 正交表最多能安排的因素数。正交表的一列可以安排一个因素，这表明当用该正 交表进行试验设计时，安排的因素数可以小于或者等于n ，但决不能大于n 。 上w ( q ”) 中括号内的q ”，表示n 个q 水平因素全面试验时的组合处理数。为了 方便，我们记k ( q ”) = 口扣x w ，这里口w 表示第i 个组合中的第j 个因子所具有 的水平数，并且瓯，仉2 ，q ) 首先给出正交表的定义 定义3 1 一个第j 列的元素是o 1 ，2 ，毋一l 的万j 矩阵彳= ( 们，m ) ，称为 一个正交表，如果满足下列两个条件： ( 1 ) 每一列中每个元素出现的次数相同： ( 2 】在任意两列们，田( 1 - f ，_ ，夺j ) 中，下面的每一数对 ( o ，o ) ，( o ，毋一1 ) ，( 1 ，o ) ，( 1 ，卯一1 ) ，( 9 一l ，毋一1 ) 出现的次数相同。 这里n 称为试验次数，s 称为因素数，毋为第j 个因素的水平数( j = 1 ，s ) 常用的正交表包括标准表、非标准表以及混合正交表。本节只对标准正交表 作简单介绍。凡是标准表，水平数都相等，且水平数只能取素数或者素数幂，利 用标准表可以考查因素间的交互作用。对同一水平标准表，任意两个相邻表具有 如下关系： 膨+ l = q 坛，m + ”肋+ m ，( f = o ，l ，2 ，3 ，”) ( 3 8 ) 标准表可以通过下面的公式构造： m = q 2 ”， m ：等 ：号! ，( j f = 0 ，l ，2 力) ( 3 9 ) q lq l 、 一一 。 显然，只要水平q 确定，第i 张标准表就随之确定可见，q 是构造标准表的 重要参数。对于任何水平的标准表，当- 0 时，都确定一个最小号的标准正交表。 最小号的正交表的试验号都是水平数的平方，且列数都比水平数多一。 一般地说，正交表具有正交性、代表性和综合可比性三种性质。正交表的正 交性是均衡分布的数学思想在正交表中的实际体现。正交性的主要内容是： 1 在任何一列中，各水平都出现，且出现的次数都是m q ： 2 任意两列之间各种不同水平的所有可能的组合都出现，且出现的次数都相 等，均是m q 2 。 3 正交表的各列地位是平等的，表中各列之间可以相互置换，称为列间置换。 4 正交表的各行之间也可以相互置换，称为行间置换。 5 正交表中同一列的水平数字也可以相互置换，称为水平置换。 6 对于任何两列中的两个因子，m 个组合处理包含下列水平的组合： ( 1 ，1 ) ，( 1 ，q ) ，( 2 ，1 ) ，( 2 ，q ) ，( q ，1 ) ，( q ，2 ) ，( q ，q ) 7 从正交表中删除若干列，所得到的是具有较小因素的正交表 正交表的三个基本性质中，正交性即均衡性是核心和基础，代表性和综合可 比性是正交性的必然结果。代表性确保通过正交表确定的部分试验，能够了解全 面试验的情况，部分试验的优化结果与全面试验的优化结果，应有一致的趋势。 综合可比性是正交试验设计进行结果分析的理论基础一个多因子可加试验可以 有各种各样的设计阵，采用正交设计不仅因为它计算方便，更重要的是因为它具 有一种优良性m ，蒋加上正交表集三个性质于一体，这使得正交试验设计在实际 中的应用越来越广泛 3 5 2 采用正交试验设计的算法参数的优化 本文实验所用的原始商标图像如图3 - 4 所示，给定m = n = 3 0 0 ，位复制频率仁2 ， 误检概率p f d = 5 在此条件下进行水印的嵌入提取操作。 图孓4 原始商标图像 如前所述，整个实验过程分为两个阶段：第一阶段，在一次鲁棒的要求下进行 实验，确定参数r ，j 和g 的一个变化范围，并给出三个参数对水印嵌入强度影响 的大小；第二阶段，在一次鲁棒二次脆弱的要求下进行实验，将由前一阶段得到 的参数r ，j 和g 变化范围进一步缩小，得到使算法一次鲁棒二次脆弱的参数取值 区间。 第一阶段 采用正交试验设计法进行实验的设计，水印商标图像经过图2 所示的传播过程 成为待测商标图像，以一次鲁棒性为要求，分析出个因素对试验结果的影响程度， 并将参数变化锁定在一个小的范围内。 利用与) 正交表对实验进行设计：本例是三因素( f 、g ，r ) 三水平的试验设 计问题，j 在三个水平内选取：f = 2 ，3 ，4 ；g 在三个水平内选取：g = 6 ，7 ，8 ； 对于r ，经验上确定在两个水平上户5 ，户7 实验的指标为相关系数p ，并设定相 关系数p 值越大算法就越鲁棒。由于，仅有两个水平，所以我们采用拟水平法利 用厶( 3 ) 正交表。表l 记录了这一阶段的整个分析的过程 3 0 表1 正交试验设计表 刃 l23 相关系数 p | m d 斌曲 实验号 a ( ob ( g )c ( r ) c p l1lllo 1 2 1 20 4 2 2l222o 2 2 2 6o 7 6 3 l3 3 2o 2 7 5 4o 9 4 42l22o 1 5 3 40 5 2 52232o 2 9