（信号与信息处理专业论文）数字图像零水印算法研究.pdf

杭州电子科技人学硕十学位论文 摘要 数字水印技术是一种在开放的网络环境下实现信息隐藏与跟踪的新型技术，其基本思想 是在数字产品中嵌入能表明所有者身份的版权信息，以便达到版权保护与内容认证等目的。 由于数字图像信息形象、生动，是人们日常生活中表达信息的重要手段。因此，数字图像水 印技术已成为当今的一个研究热点。 本文针对数字图像的不同应用场合，分别研究了完全不破坏原图质量的零水印算法和同 时具有版权保护和内容认证功能的多功能水印算法。论文的主要研究工作与创新点如下： 1 系统地介绍了零水印技术、脆弱水印技术的基本原理、特征和分类，分析比较了脆弱 水印与鲁棒水印的差别。分别介绍了基于空间域和变换域的几种典型的零水印算法、脆弱水 印算法和多功能水印算法。 2 利用s u s a n 边缘检测法检测效果较好、复杂度较小的优点，提出了基于s u s a n 边缘 检测和对数极坐标变换的零水印算法。通过s u s a n 边缘检测法提取图像的边缘信息，利用对 数极坐标变换将笛卡尔坐标中的旋转、缩放变换转换为循环平移量来实现零水印的构造和嵌 入，提取水印时通过循环遍历搜索法来检测水印是否存在。实验仿真结果表明该方法不仅对 于加噪、滤波以及j p e g 压缩等攻击具有较好的鲁棒性，而且对于旋转、剪贴、缩放等各类几 何攻击也具有较强的鲁棒性，不易发生误判现象。 3 利用曲波变换边缘特征表达能力更强的优势，提出了基于快速离散曲波变换的多功能 图像水印算法。利用图像的曲波变换低频系数矩阵，在图像空域的最低有效位完成脆弱水印 的嵌入，在此基础上，再利用含脆弱水印图像的曲波变换系数关系，生成鲁棒零水印特征矩 阵。仿真结果表明，该方法的脆弱水印对各类篡改具有较好的定位功能，鲁棒水印对各类攻 击具有较强的抵抗性，实现了水印同时具有版权保护和内容认证功能，克服了在图像中同时 嵌入脆弱水印和鲁棒水印易造成图像质量下降以及两种水印相互干扰的问题。 关键词：数字图像水印，零水印，多功能水印，边缘检测，对数极坐标变换，快速离散曲波 变换 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 gi sak i n do fn e w t e c h n o l o g yt h a tc a nr e a l i z ei n f o r m a t i o nh i d i n ga n d t r a c k i n gi na l lo p e nn e t w o r ke n v i r o n m e n t t h eb a s i ci d e ai st oe m b e d c o p y r i g h ti n f o r m a t i o nt h a ti s o nb e h a l f o ft h eo w n e r si d e n t i t yi n t ot h ed i g i t a lp r o d u c t s ，i no r d e rt oh i tt h et a r g e ts u c h a sc o p y r i g i l t p r o t e c t i o n ，c o n t e n ta u t h e n t i c a t i o na n ds oo n a sd i g i t a li m a g ei n f o r m a t i o ni sv i s u a la n dv i v i d ，i ti s a l li m p o r t a n tm e a n st o e x p r e s si n f o r m a t i o ni no u rd a i l y l i f e t h e r e f o r e , t h ed i g i t a li m a g e w a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g yh a sb e c o m eah o tt o p i c a c c o r d i n gt od i f f e r e n ta p p l i c a t i o ns i t u a t i o no fd i g i t a li m a g e ，t h i st h e s i sp u t sf o r w a r dt w o t y p e s o fw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m s ：o n ei sz e r ow a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mt h a tw i l ln o td a m a g et h ei m a g e q u a l i t ya ta 1 1 t h eo t h e ri sm u l t i - f u n c t i o n a lw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mt h a tc a nr e a l i z et h e 丘m c t i o n so f c 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 na tt h es a m et i m e t h em a i nr e s e a r c hw o r ka i l d c o n t r i b u t i o n so ft h i st h e s i sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 t h et h e s i si n t r o d u c e st h e b a s i c p r i n c i p l e ， c h a r a c t e r i s t i ca n dc l a s s i f i c a t i o no fz e r 0 w a t e r m a r k i n ga n df r a g i l ew a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g y , m a k e sa na n a l y s i sa n de o m p a r i s o no ft h e d i f f e r e n c eb e t w e e nt h ef r a g i l e w a t e r m a r k i n ga n dt h er o b u s tw a t e r m a r k i n g i n t r o d u c e ds 印a r a t e l v 鲫m et y p i c a lz e r ow a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m ，f r a g i l ew a t e r m a r k i n g a l g o r i t h ma n dm u l t i f i m c t i o n w a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mw h i c ha r eb a s e do ns p a t i a ld o m a i na n dt r a n s f o r m a t i o nd o m a i n 2 a c c o r d i n gt ot h ea d v a n t a g e so fs u s a ne d g ed e t e c t i o nm e t h o ds u c ha sb e t t e rd e t e c t i o n e f f e c ta n dl e s sc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y , t h et h e s i sp r e s e n t sa z e r ow a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mb a s e d o ns u s a n e d g ed e t e c t i o na n dl o gp o l a rm a p p i n g ( l p m ) f i r s tt h ep r o p o s e da l g o r i t h mu s e st h e s u s a n e d g ed e t e c t o rt oe x t r a c tt h ei m p o r t a n te d g ei n f o r m a t i o no fi m a g e ，t h e nm a k e su s e0 fi o g p o l a rm a p p i n gw h i c hc a nt r a n s f o r mr o t a t i o n , s c a l i n gt r a n s f o r m a t i o ni nc a r t e s i a nc o o r d i n a t et oc y c l e t r a n s l a t i o nq u a n t i t yi nl p mc o o r d i n a t et oc o n s t r u c ta n de m b e dw a t e r m a r k i n g d e t e c t i n gt h et e s t i m a g ei n v o l v e sw a t e r m a r k i n go rn o tb yt h em e t h o do fe x h a u s t i v es e a r c h t h ee x p e r i m e n tr e s u l t s d e m o n s t r a t et h ep r o p o s e dm e t h o di sn o to n l yr o b u s te n o u g ht oa d d i n gn o i s e ，f i l t e r i n ga n dj p e g c o m p 瑚s l o n ，b u ta l s or o b u s te n o u g ht ov a r i o u sg e o m e t r i ca t t a c k ss u c ha sr o t a t i o n ，c r o p p i n g ，s c a l i n g , a n dt h ep h e n o m e n o no f m i s j u d g m e n ti sn o te a s yt oh a p p e n 3 a c c o r d i n g t ot h e a d v a n t a g e so fc u r v el e tt r a n s f o r mt h a th a v eb e t t e r e d g ec h a r a c t e r e x p r e s s i o na b i l i t y , am u l t i - f u n c t i o ni m a g ew a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mb a s e do nf a s td i s c r e t ea 】l 、，ei e t t r a n s f o r mi sp r o p o s e d t a k i n ga d v a n t a g eo ft h er e l a t i o n s h i po fl o wf r e q u e n c yc o e f f i c i e n t si nc u r v e l e tt r a n s f o r md o m a i nt oi n s e r tt h ef r a g i l ew a t e r m a r k i n gi n t ot h el e a s ts i g n i f i c a n tb i ti nt h es p a c e d o m a i no ft h ei m a g e , o nt h a tb a s i s ，m a k i n gu s eo ft h ei m a g ec o n t a i n i n gf r a g i l ew a t e m a r k i n g t 0 g e n e r a t et l l ec h 锄c t 鲥s t i cm a t r i xo f t h er o b u s tz 凹ow atennthatt h ef r a 。山：一一仉一一g i l e w a t e r w a t e 咖a r k i n g m a r k i n gh a sg o o d p o ，。s i 。t i o n i n g f u n c t i o nt 0 1 , a 。l l i 1 ，s ：i ，n 。e e p x p e r i m e n t r e s u 1 t t h se inrodibcuastehtas s t r ：黧go n g 训r e s i s t a n c e t o a 攀s o f a t t a c k s ，柚d 毗u 。e o m , t e m n p e 咖r l n g , a n 。d a芝=nd c o n t e舯咖曲 n f r a g i l ew a t e r m 2a u m 讹撕0 na tt h es 姗e t i m e ，。憎c o m e t h e l ，二：1 ：u u j 缁叭c o p ”：a r k i n i m a g ca n dc a l 】q em ，g 删a n _ dr o b u s t w a t e r m a r k i n ga t l es 锄et i m ei s 。e a s , r , , y v t t 0 , 埘t d z l 锄s s a g e u c r lm a s e e q m u b a j e d dn o f g 1 m 咎砌c 哪e m 咖胡洒t 曲僦c eb e t w e e n t h e 咖l ( i n d s o f w a t e n l l = i n “峭叫蟛掣叫呻1 = d l s ：d i g i a t r a l i m a g e w a t e r m a r k i n g , z e r o w a t e r m a r k o gi n 啪1 t i 劬c t i 鲫w 砒黝豳蜀e d g e p o l m a p p i n d e t e c t l o n la r g , f a s td i s 州e 姗e 1 e t 仃a 1 1 s f 0 肋( f d c t ) “吼儿删k 1 玎吕e a g e 杭州电子科技大学硕士学位论文 第1 章绪论 数字水印是一门新兴技术，主要涉及到信号处理、信息论、检验理论、编码理论、密码 学、图像处理、多媒体技术、模式识别、计算机科学与网络等领域的理论和思想，主要用于 实现数字作品的版权保护和内容完整性认证。由于数字水印技术对于信息安全技术的发展起 着重要作用，所以目前许多国内外专家、学者以及国际著名的公司和机构已投入大量人力、 物力来研究这项技术。本论文主要针对数字图像水印技术，在现有理论基础上，提出新的水 印算法。本章首先介绍了数字水印技术产生的背景、应用以及国内外研究现状，然后介绍了 本论文所做的工作。 1 1 数字水印技术产生的背景 随着互联网和计算机通信技术的飞速发展，数字化产品已经成为我们生活中不可缺少的 一部分。近年来，通过新的服务与运作方式，如电子广告、电子印刷出版、数字图书馆、网 络音频和视频、电子商务等，i n t e m e t 为科研、商业、娱乐等各个领域提供了许多发展机会的 同时，也使得盗版者可低成本地复制及传播未经授权的数字产品内容【l j 。 加密方法是一种典型的版权保护方法，指的是通过密钥和一定的算法将明文信息变成看 似杂乱的密文信息。对于那些未经授权的用户，在未得知加密算法的前提下，是无法对密文 进行解密的，也就无法得知明文信息的内容。从某种意义上说这样的加密方法确实起到了保 护数字产品的目的。但是对数字产品进行加密操作来实现版权保护的方法存在许多不足之处。 首先，加密技术只能用于通信的信道中，一旦信息被接受并解密，就失去了保护作用。再者， 加密的信息往往容易引起不法者的好奇心，再加上计算机技术的迅速发展，信息很容易被破 译。另外，按密码学的一般思路，一旦作品的授权码出现一位错误，作品就无法被正确解密。 若合法用户者因一时疏忽造成授权码接收错误，作品就不能被正确解密，会造成不必要的损 失和麻烦【2 】。因此，人们迫切需要一种能对密码学进行补充的技术或者是另一种新的替代技 术，即使作品的内容被解密也能继续对其进行版权保护【3 】。于是，数字水印技术应运而生， 目前已经成为研究的热点，是解决数字化作品版权i 口- j 题的有效方案【4 】。数字水印技术的基本 原理是将代表所有者版权信息的内容嵌入到数字载体中，通过载体进行传输，从而大大地提 高了信息的安全性能。当发生版权纠纷时，通过提取嵌入的相关信息来证明其版权所有。 1 2 数字水印技术的应用 数字水印技术得到了广泛地应用，主要包括以下几个方面： ( 1 ) 数字作品的版权保护 目前，扫描图像、数字音乐、电脑美术、三维动画等各种数字作品的下载和传播变得非 常便捷，但同时也引发了一系列版权问题【5 】。数字水印技术利用数据隐藏原理在作品中嵌入 杭州电子科技大学硕士学位论文 代表所有者身份的版权信息来解决这些问题。如a d o b e 公司的p h o t o s h o p 软件和i b m 公司的 数字图书馆中都嵌入了数字水印信息来达到版权保护的目的【5 1 。 ( 2 ) 数据的隐藏标识与篡改提示 对于某些特殊图像，如遥感图像，其拍摄日期、经纬度等标识信息具有很高的保密价值。 若不加标识信息可能导致文件无法使用，但是直接在文件上标识出来又难以保证其安全性。 为此，可以利用数字水印技术将这类标识信息隐藏在原始文件中，只有通过特殊的阅读程序 才能获取。目前，国外某些公开的遥感图像数据库已经采用了此类方法【5 】。另外，通过隐藏 的数字水印信息还可以判断源文件是否被篡改，有些水印信息还能用来恢复原始文件。 ( 3 ) 商务交易中的票据防伪 随着高质量高性能的图像输入和输出设备的出现，使得伪造的支票、货币和其他票据已 经达到以假乱真的程度。为此，日本、美国、荷兰等国家都在加大力度研究用于票据的防伪 技术。受美国财政部的委托，麻省理工学院媒体实验室试图在彩色打印机、复读机等输出的 每一副图像中嵌入具有唯一性且不可见的数字水印，通过扫描票据中是否有水印来进行快速 的真伪识别【5 】。 ( 4 ) 设备控制 这里的设备控制指的是当产品中的水印被检测到时，设备会作出相应的反应。典型的例 子是d v d 防拷贝系统，即在d v d 数据中嵌入水印，通过检测d v d 数据中的水印信息来判 断其合法性和可拷贝性【l j 。 ( 5 ) 隐蔽通信及其对抗 传统的隐蔽通信指的是对传输的文件进行加密处理来确保信息的安全。但是采用此方法 的弊端是加密后杂乱无序的文件很容易引起攻击者的注意。如今利用数字水印系统可以在空 域和变换域对信息进行隐藏，以确保在攻击者不知道保密信息存在的情况下将文件传输到目 的地 5 1 。 1 3 国内外研究现状 自1 9 9 3 年t i r k e l l 6 1 在“e l e c t r o n i cw a t e r m a r k 中首次提出电子水印的概念以来，数字水印 技术因其对于新时代数字产品的版权保护具有重要意义而受到了国内外各部门的极大关注。 其中包括来自世界各国的科研机构、各大公司、各类高校以及政府机构。 1 9 9 6 年，在英国剑桥牛顿研究所召开了首届国际信息隐藏学术研讨会，这次会议具有深 远意义，标志着信息隐藏正式成为一个全世界关注的课题。数字水印作为信息隐藏的重要分 支，自然也得到了来自国内外的瞩目。各类国际权威期刊( 如s i g n a lp r o c e s s i n g ，p r o c e e d i n g so f i e e e ，i e e ej o u r n a lo fs e l e c t e da r e a so nc o m m u n i c a t i o n 等) 以及影响力很大的国际会议( 如 i e e ei c a s s p ，i e e ei c i p ，a c mm u l t i m e d i a 等) 均开辟了数字水印专题，出版了水印技术的相 关刊物，同时创建了水印专题论坛。可幸的是数字水印技术不仅在学术上得到了深入地研究 和发展，同时许多公司也开始致力于将数字水印技术投入到实践生产中。d i g im a 一7 】公司于 2 杭州电子科技人学硕士学位论文 2 0 世纪9 0 年代末首次推出了商用数字水印软件，并将该软件以插件的形式集成到a d o b e 公 司的c o r e ld r a w 和p h o t o s h o p 图像处理软件中。a l pv i s i o n 公司瞄j 的l a v el i t 软件和s a f ep a p e r 软件分别针对图像扫描和图像打印，将水印隐藏在载体文件中来辨别文档的出处和真伪。 数字水印技术在我国也得到了关注和重视，国内各大研究所和高校已将数字水印技术纳 入重点研究的对象。自1 9 9 9 年首届全国信息隐藏研讨会( c i h w ) 召开以来，至今已经成功 举办了九届。c i h w 是国内最具有代表性的信息隐藏学术活动，深入交流和探讨了最前沿的 多媒体信息安全技术以及版权保护技术。从总体上看，目前我国数字水印研究工作已基本与 世界水平保持同步，并且具有一定的创新意识，同时出现了一些专门负责将水印技术运用至 生产的公司。如宇飞信息有限公司1 9 】在2 0 0 4 年开发了国内第一个数字水印技术应用软件。该 技术通过一个摄像头和专用软件就能读取隐藏在图书封面的防伪标识。同时，该软件还能将 从电脑上下载的音乐转化为数千字的文章。目前，该公司主要从事电子图书馆、电子商务以 及隐蔽通信中的防篡改、防拷贝及身份认证等方面的工作。 随着数字水印技术的不断发展，见诸于文献的水印算法也越来越多。其中典型的算法可 分为以下几类： ( 1 ) 空间域算法 最低有效位( l e a s ts i g n i f i c a n tb i t ，l s b ) 算法【6 】是一种典型的空间域数据隐藏算法。图 像的高位平面对图像感官质量起主要作用，去除或者改变低几位的像素只会引起图像质量的 轻微改变，不容易被发现，该方法就是利用原始数据的最低几位来隐藏信息。l s b 算法的优 点是能隐藏较多的信息，但是该方法经不起攻击，鲁棒性能低。另一种典型的空间域算法是 p a t c h w o r k 算法【1 0 1 ，它是一种基于统计的数字水印算法。其基本原理是先从载体数据中选取n 对像素点( a ；，b i ) ，然后进行像素值修改。比如可以将a ；点的值增加1 ，将b ；的值减少l 。该 算法的优点是隐藏性较好，可以实现盲检测，并且对裁剪和j p e g 压缩攻击的鲁棒性较强， 缺点是隐藏的信息量较少，对仿射变换敏感，对多拷贝联合攻击的抵抗力较差。 ( 2 ) 变换域算法 在基于变换域的图像水印算法中，首先对图像进行某种特定的变换处理，如离散小波变 换( d i s c r e t ew a v d e tt r a n s f o r m ，d w 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 加，d c t ) 、 傅式变换( f o u r i e rt r a n s f o r m ，f t ) 、矢量变换( v e c t o rt r a n s f o 肌，v t ) 以及哈德码变换 ( h a d a m a r dt r a n s f 0 1 t i i ，h t ) 等。变换既可以是针对整个图像也可以是图像的各个部分，如 可对图像进行8 8 分块或者1 6 x 1 6 分块。其中d c t 变换作为数字信号处理中最常用的方法之 一，具有很好的去相关能力和能量压缩能力。目前采用的数字图像的j p e g ( j o i n tp h o t o g r a p h i c e x p e r t sg r o u p ) 压缩标准 i h 2 】也是基于d c t 变换的。图像的低频部分最能反映图像的轮廓， 在该部分嵌入水印容易破坏图像的视觉效果，难以保证水印的不可见性。若在图像的高频部 分嵌入，水印易于被各种常规信号处理方法所破坏，因此鲁棒性较差。为了实现水印的不可 见性和鲁棒性，h s u 和、u 【1 3 】先将图像进行8 8 分块，再将水印信息嵌入d c t 域的中频部分， 其综合性能较好。 杭州电子科技大学硕士学位论文 ( 3 ) n e c 算法 c o x 1 4 】等人提出的n e c 算法在数字水印算法中具有重要地位。其主要原理是首先通过作 者的标识码及图像的哈希值产生密钥，利用该密钥生成一组标准正态高斯分布的伪随机序列。 再对图像做d c t 变换，最后将直流分量以外的1 0 0 0 个最大d c t 系数进行伪随机叠加。该算 法不仅具有较好的鲁棒性和不可见性，而且对i b m 攻击具有较强的鲁棒性。 ( 4 ) 生理模型算法 人类听觉系统( h u m a na u d i t o r ys y s t e m ，h a s ) 和人类视觉系统( h u m a nv i s u a ls y s t e m ， h v s ) 组成了人类的生理模型。基于人类生理模型来嵌入水印的算法的基本原理是利用j n d ( j u s tn o t i c e a b l ed i f f e r e n c e ) 【l5 】来确定数字水印应加载于载体图像的位置以及该位置所能承 受的水印强度。该算法具有较好的鲁棒性和不可见性，属于自适应算法。 ( 5 ) 压缩域算法【1 6 1 数据压缩指的是为了节约存储空间或者提高传输速率而去掉冗余信息，这无疑与数字水 印技术相矛盾。为了同时兼顾水印和压缩编码，提出了将水印直接嵌入到压缩位流或者索引 中的思想。该类算法分为j p e g 压缩域、m p e g ( m o v i n gp i c t u r e se x p e r t sg r o u p m o t i np i c t u r e s e x p e r t sg r o u p ) 压缩域以及v q ( v e c t o rq u a n t i z a t i o n ) 压缩域三大类。其中前两种方法节约 了完全编码与重新编码过程，在数字电视广播以及v o d ( v i d e oo nd e m a n d ) 中有实际应用 价值。 随着数字水印技术应用范围的不断扩大，对数字水印的具体实现功能有了更高的要求。 对于医学类、科学类图像，图像的质量应作为优先考虑的要素，即嵌入的水印应尽量不要破 坏原始图像的质量。传统的数字水印算法很难均衡水印的不可见性和鲁棒性，而零水印由于 没有真正将水印嵌入到图像中，因此保证了图像的本真性，符合该类图像的要求。另外，对 于一些高价值图像，如法庭上的证据图、军事中的卫星图，往往要求水印同时具有版权保护 和内容认证功能，即一方面要求水印具有较强的鲁棒性能，另一方面又要求水印具有一定的 脆弱性，这种情况下就要求数字水印具有多功能性。因此，研究零水印和多功能水印算法对 于扩大数字水印技术的应用领域，逐步将其应用于生产实践有着重要意义。 1 4 本文的研究内容及结构安排 论文针对数字图像在不同应用场合具有不同性能要求，在分析现有的零水印算法和多功 能水印算法的基础上，分别探讨研究了新的水印算法，主要进行了以下两方面工作： ( 1 ) 探讨了抗几何攻击的零水印算法 针对目前零水印算法主要存在的以下问题：一是构造的零水印过大，易造成注册机构数 据库的负担；二是水印的鲁棒性能不够强，易被破坏；三是对于具有相似内容的图像，算法 易发生误判现象。本论文利用图像边缘检测算法和对数极坐标交换，探讨了基于s u s a n 边 缘检测和对数极坐标变换的抗几何攻击的零水印算法。 ( 2 ) 探讨了基于快速离散曲波变换的多功能水印算法 4 杭州电子科技大学硕士学位论文 针对目前多功能水印算法主要存在的诸如嵌入多个水印往往会破坏图像质量以及多重水 印之间的性能相互影响等问题，本论文利用零水印不改变图像质量、存在于图像之外的特点 来完成双重水印中鲁棒水印的嵌入，探讨了基于快速离散曲波变换的多功能水印算法。 论文各章节的安排如下： 第l 章绪论。本章主要介绍了数字水印产生的背景、研究现状及其应用，以及本论文的 主要工作与结构安排。 第2 章数字水印技术概述。本章分别介绍了数字水印系统的基本原理、特征、分类以及 攻击方法、置乱技术和评价标准，重点介绍了零水印算法、脆弱水印算法的基本原理，以及 目前存在的几类典型的零水印算法、脆弱水印算法和多功能水印算法。 第3 章抗几何攻击的零水印算法研究。本章首先介绍了几种常见的边缘检测算法，以及 对数极坐标变换的基本原理。然后，重点介绍了利用s u s a n 边缘检测法检测效果好、复杂 度相对较小的优势，探讨基于s u s a n 边缘检测和对数极坐标变换的抗几何攻击的零水印算 法，并给出了大量仿真实验以及相关分析。 第4 章基于快速离散曲波变换的多功能图像水印算法研究。本章利用图像的曲波变换低 频系数矩阵，在图像空域的最低有效位完成脆弱水印的嵌入，再利用含脆弱水印图像的曲波 变换系数关系，生成鲁棒零水印特征矩阵，研究基于快速离散曲波变换的多功能图像水印算 法，给出了大量仿真实验和分析结果。 第5 章结束语。对全文进行了总结，并分析了存在的不足之处以进一步明确今后努力的 方向。 5 杭州电子科技人学硕十学位论文 第2 章数字水印技术概述 2 1 引言 近年来，数字产品的传播与交易变得更加便捷，由此带来的盗版侵权问题也只趋严重。 数字水印技术作为信息隐藏的重要分支，在信息安全领域起着不可替代的作用。本章将简要 介绍数字水印的基本原理、数字水印的特征与分类、数字水印系统中的常见攻击方式、水印 置乱方法以及水印系统的评价标准，重点介绍零水印技术和脆弱水印的基本原理和实现方法， 详细分析零水印算法、脆弱水印算法和多功能水印算法的研究现状。 2 2 数字水印技术的基本原理 数字水印技术就是利用一定的算法在数字作品中嵌入具有标志性的信息的同时不影响原 内容的价值和使用。数字水印系统主要包括水印嵌入和水印提取两大部分。嵌入部分主要包 括水印信号和载体作品。水印的提取针对的是已嵌入水印的作品，对其进行水印的检测和提 取。数字水印的基本原理框图1 6 1 如图2 1 所示。 图中各字母代表的意义如下： ( 1 ) 形：原始信息。 ( 2 ) 形：经处理生成的待嵌入水印信息。 ( 3 ) xt 载体作品。 ( 4 ) k ：水印密钥的集合。 ( 5 ) g ：由原始信息矿到待嵌入水印信息形的生成算法，即： 形= g ( 缈，x ，k ) 或形= g ( 矽，k ) ( 2 1 ) 即彳不一定参与此过程。 ( 6 ) l ：将水印嵌入到载体作品x 的嵌入算法，即： x = 瓦( 形，石) ( 2 2 ) 其中，f 为嵌入水印的作品。 ( 7 ) 4 ：水印攻击算法，即： x 。= 4 ( x ，k ，) ( 2 3 ) 其中，x 为受到攻击后的含水印作品，k 为攻击者伪造的密钥。 ( 8 ) 见：水印检测算法，即： 瞩耻是溯 旺4 ， 6 杭州电子科技大学硕士学位论文 ( 9 ) 疋：水印提取算法，即： 其中，矽。为提取的水印信息。 w = e ( x 。，k ) ( 2 5 ) 图2 1 数字水印系统基本原理 2 3 数字水印的特征和分类 数字水印技术作为信息隐藏技术的一个分支，有它自身的特征，概括起来主要分为以下 八个方耐1 6 】： ( 1 ) 嵌入有效性 嵌入有效性指的是在嵌入器的输出端口含有水印的概率，即在嵌入过程之后能立刻检测 到水印存在的概率。 ( 2 ) 逼真度 逼真度也就是人们说的相似度，指的是原始作品与嵌入水印的作品应该具有很高的相似 性，即嵌入的水印信息应不能被人类的听觉和视觉系统觉察或者注意到。 ( 3 ) 数据容量 数据容量指的是在某一作品或者单位时间内可嵌入水印的信息量。对于音频水印来说， 数据容量指的是在传输过程的单位时间内嵌入的水印信息量；对于视频水印来说，指的是在 每一帧当中嵌入的信息量。对于隐蔽通信系统，经常要求具有较大的水印数据容量。 ( 4 ) 盲检测和明检测 根据原始作品是否参与水印检测过程可分为明检测和盲检测。明检测指的是原始图像参 与水印的检测过程，反之检测过程不需要原始作品参与的为盲检测。显然，明检测系统的应 用场合由于需要原始作品而受到了很大的限制。 ( 5 ) 虚检和漏检 虚检指的是在实际不含水印的作品中检测到有水印，漏检指在实际含有水印的作品中却 未检测到水印。这两种情况均属于误检，应尽量避免发生。 ( 6 ) 鲁棒性和脆弱性 7 杭州电子科技大学硕士学位论文 鲁棒性是指经过各种常规处理，如有损压缩、空间滤波、复印、打印及几何变形等操作 后仍能检测到水印的能力。脆弱性则恰恰相反，指的是含有水印的作品经任何处理后都将无 法检测到水印。 ( 7 ) 安全性 安全性指的是水印在经受非授权嵌入、非授权去除和非授权检测三大恶意攻击之后仍然 能为版权所有者提供版权证明的能力。 ( 8 ) 密钥 水印系统中的密钥包括生成密钥和嵌入密钥。进行双层加密的目的是即使攻击者知道水 印算法，但是因为密钥未知，因此也不能检测出作品中是否有水印。 数字水印技术按照不同的分类标准，有以下几种分类方法【1 】【1 6 】。 ( 1 ) 按载体划分 根据水印嵌入对象的不同，可分为文本水印、音频水印、图像水印和视频水印。 ( 2 ) 按外观划分 根据肉眼是否可以看到水印，可分为可见水印和不可见水印。 ( 3 ) 按来源划分 根据水印是否由原始图像产生，可分为自适应水印和独立水印。 ( 4 ) 按嵌入的位置划分 根据水印嵌入位置的不同，可分为空间域水印和变换域水印。 ( 5 ) 按检测过程划分 根据检测过程是否需要原始信息的参与，可分为盲水印和非盲水印。 ( 6 ) 按抗击性能 根据水印算法抵抗攻击的能力，可分为脆弱水印、半脆弱水印和鲁棒水印。 2 4 零水印技术 传统的水印技术需要在原始图像中嵌入水印信息，这一过程无疑会破坏原图的质量。为 了保证水印的不可见性，往往需要降低嵌入的强度，但这会影响到系统的鲁棒性能。为此， 2 0 0 1 年9 月，温泉 1 7 1 等人在全国第三届信息隐藏学术研讨会上首次提出了“零水印”的概念， 用来解决数字水印技术鲁棒性和不可见性难以均衡的问题。 2 4 1 零水印基本原理 零水印中的“零 的含义是真正在原始图像中嵌入的信息为零，即零水印技术并不改变 原始作品的任何信息，很好地保证了水印的不可见性。其基本思想是：首先获取图像的特征 量，再与代表作者信息的量进行某种形式的结合，最后将该结合量进行注册。当遇到版权纠 纷的时候，作者可以通过注册机构进行维权。 对于用于构造零水印的图像特征量必须满足以下两个条件： ( 1 ) 鲁棒性。这里的鲁棒性指的是当图像遇到各类攻击，如裁剪、旋转、缩放、滤波、 8 杭州电子科技人学硕士学位论文 加噪等，图像前后的特征量应该不能发生太大的变化。 ( 2 ) 哈希性。哈希性指的是对于不同的图像，其图像特征量应该不同。特别是对于具有 相似内容的图像，其各自的特征量应该存在明显的区分，以免造成误判现象。 在满足以上两大特性的基础上，为了防止非版权所有者通过伪造新的零水印来混淆版权， 可采用加盖时间戳【l 副的方法来提高系统的安全性。零水印系统包括零水印的嵌入和零水印的 检测，其基本原理框图如图2 2 和图2 3 所示。 图2 2 零水印嵌入基本原理框图 图2 3 零水印提取基本原理框图 9 杭州电子科技人学硕士学位论文 2 4 2 典型零水印算法 零水印算法的关键就是要找到合适的图像特征量。根据特征量生成方式的不同，零水印 算法可以分为空间域零水印算法和变换域零水印算法【1 9 之o 】。 一、空间域零水印算法 空间域零水印算法无需对原始图像进行各种变换，直接由图像本身来获取相应的图像特 征量。以下两种为比较常见的空间域零水印算法。 1 基于高累积量的零水印算法【1 7 】 累积量指的是随机变量的第二特征函数的泰勒级数展开式的系数。高阶累积量是指三阶 以及三阶以上的累积量。由于高斯过程中三阶以及三阶以上的累积量为零，因此高累积量成 为提取噪声中信号的有效的数学手段。在实际应用中，人们在计算高累积量时，通常采用估 计值。具体估计方法如下： 首先假定 工( 刀) ) 为平稳信号，穆= o ，1 ，2 ，一l 。对于图像信号而言，工( n ) 为实数。其三 阶累积量估计为： 1n 2 c 3 x ( 坼) - 专互砌m 斛州肼乃) q 6 ) 四阶累积量为： n 2 刚 3 ) 2 专磊m ) 砌砌吲砌+ 3 ) q 7 其中，l 、2 的选取需使得x ( n ) 的个观察值均在累加的范围内。为减少计算量，通 常选取切片c 3 ，( r 。，0 ) 与c 4 ，( f 。，0 ，0 ) 进行研究。 ( 1 ) 零水印嵌入算法 设 x ( 托) ) ，r = 0 ，l ，2 ，n l 为图像中最具有代表性的个像素的灰度值。由式( 2 6 ) 或 式( 2 7 ) 可计算得到这个像素数据点的三阶或者四阶累积量。然后取其切片，计算后得到 2 + 1 个值。从这2 n + 1 个值当中选m 个绝对值最大的数组成一维序列d ，生成一个同样有 m 个数的根据种子可再现的随机序列r 。其取值范围在【1 ，m 】，密钥为随机数发生器的种子。 d = 翻( 耽1 i 肘) ( 2 8 ) r = ，( f ) ，ls f 膨) ( 2 9 ) 其中，r ( i ) 【l ，m 。 由尺序列中的随机数作为d 的索引产生新的序列d 。 d = d ( f ) ，l i m ) = d ( ，( f ) ) ，l i m ) ( 2 1 0 ) 若d 7 中的第f 个系数为正，那么相应的水印矿中的第i 个数为l ，否则为一l 。于是就产生 了二值零水印序列矽： l o 杭州电子科技大学硕士学位论文 w = w ( f ) ，l f m ( 2 1 1 ) 其中，以f ) - 1 ，1 ) 。 ( 2 ) 零水印的检测过程 零水印的检测过程是零水印嵌入的逆过程。受到保护的图像，在经过无意或者恶意的攻 击后得到图像，。检测水印时利用嵌入过程中采用的那些像素值。由于这些像素值发生了改 变，可记为 ( ”) ) ，l = o ，1 ，2 ，一1 。同嵌入过程一样，计算其三阶或者四阶累积量，并取其 切片得到2 + 1 个值。按照嵌入过程中所用的m 个绝对值最大的数所对应的坐标位置，将位 于这些位置的数按照顺序从1 到m 排列成一维向量f 。然后由密钥得到式( 2 9 ) 中的随机序 列r ，根据r 得到一维向量p 。 f = 厂( f ) ，l f m ) ( 2 1 2 ) f = 厂o ) ，1 f m ) = 厂( ，- ( f ) ) ，1 i m ) ( 2 1 3 ) 根据尸，若第i 个数的值为正，则相应的提取出来的水印的第f 个数的值为l ，否则为一1 。 w = ( f ) ，l f m ) ( 2 1 4 ) 其中，( f ) - i ，1 ) 。 2 基于最高有效位( m s b ) 的零水印算法【1 9 】 对于2 5 6 级的灰度图像，每个像素值均可由8 比特的二进制值表示，表示该点的亮度。即 图像共有8 个位平面，不同的位平面对视觉的影响不同。图像的高位平面对于图像感官质量 起到了主要的作用，图像的低位平面对于图像的视觉效果影响小。由于零水印算法中要求图 像特征需有一定的鲁棒性能，因此选取图像的最高有效位来构造零水印。 ( 1 ) 零水印的嵌入 为了加强算法的安全性，首先对原始水印进行置乱处理，再将置乱的水印图像扩展成与 原始图像大小一致的矩阵呒。获取原始图像的最高有效位组成矩阵肘。将矩阵睨与矩阵肘 进行逐- - l l 较，若相等则记为l ，不相等则记为0 ，得到密钥矩阵b 。通过以上步骤完成了零 水印的嵌入。 ( 2 ) 零水印的检测 首先获取待测图像的最高有效位矩阵膨。若密钥矩阵曰某处的像素值为1 ，则矩阵呢的 值即为对应位置的m 的像素值，反之为m 取反后的像素值。将提取的水印矩阵呢恢复到原 始尺寸，再进行反置舌l f l p 得到最终的提取水印。 二、变换域零水印算法 在变换域算法中，首先对原始图像进行某一种变换，然后在变换域中完成水印的嵌入。 以下三种为比较常见的变换域零水印算法。 1 基于d c t 的零水印算法 杭州电子科技大学硕士学位论文 温泉【l 刀等人首先提出了基于d c t 的零水印方案，其基本思想与基于高累积量的算法类 似。该算法首先对图像进行d c t 变换，再取其中m 个绝对值最大的d c t 系数按高累积量算 法得到二值零水印序列。文献 2 0 】算法先对图像进行8 8 分块，再对每一块进行d c t 变换。 然后选取每一块的低频d c t 系数，根据其正负性分别对应l ，0 序列的原则得到二值零水印 特征序列。 2 基于d w t 的零水印算法【2 i 】 随着小波理论的发展和应用，小波变换的的数学理论和方法得到了人们越来越多的关注。 小波分析是傅里叶发展史上具有里程碑意义的进展，具有良好的时频局部化特性，是对信号 处理、语音分析、图像处理、模式识别等各个领域进行研究的