（信号与信息处理专业论文）数字图像水印算法研究.pdf

7 4 扬州人学硕十学位论文 扬州大学学位论文原创性声明和版权使用授权书 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下独立进行研究工作所取得的研究 成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研 究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 签字日期：渺刁年 也缓。 月7 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国 家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅。本 人授权扬州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，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信 息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。 学位论文作者签名：当弓囊 签字日期： z 漳6 月西 导师揣撇袭 签字日期：p9 年c ，月驴日 连续：数字图像水印算法研究 摘要 随着数字技术和多媒体网络的迅速发展，数字多媒体作品( 如数字图像、数字 音频、数字视频等) 在互联网上的发布、传播、复制等操作变得越来越方便快捷， 然而这种便利性和不安全性是并存的，因此数字作品的版权保护就成为一个急需解 决的课题。数字水印技术作为一种新的信息安全技术，在当今信息时代的迫切需求 下迅速发展起来并日益成为一个重要的研究课题。由于数字水印技术为版权保护和 信息安全提供了一个潜在的解决方案，因此该技术自2 0 世纪9 0 年代初提出至今， 已经引起了国内外许多专家学者和商业团体的高度关注，研究成果也层出不穷，但 数字水印技术还仍未成熟，许多问题亟待解决。 本文着重对d w r ( d i s c l 娥ew 打e l e tt r 趾s f 0 咖) 域的数字图像水印算法进行了 探讨，主要内容包括以下几点： ( 1 ) 回顾了数字水印技术的背景，阐述了其发展现状、基本概念、基本特性及 一般原理并列举了一些经典的数字图像水印算法。 ( 2 ) 对图像小波分解后细节子图的小波系数进行统计分析，以广义高斯分布 ( g i 铷e 瑚l i z c dg a ：u s s i 孤d i s m b 嘶0 n ) 随机变量为数学模型，并给出了参数估计的方 法，设计出相应的检测器。在水印的嵌入过程中，根据d w t 域的扑d ( j u s t n o 如e 曲l e d i 舵r e n c e ) 视觉模型，引入一个同时反映水印透明性和鲁棒性的代价函数，利用此 代价函数找到每个水印信息的最佳嵌入位置，使水印的透明性和鲁棒性得到较好的 折衷。在水印检测时，利用随机变量的广义高斯分布，设计出局部最优检测器以检 测图像中是否含有水印信息。实现结果表明，该算法提高了水印的透明性且具有一 定的鲁棒性，但同时也存在计算复杂度高，耗时长等缺点。 ( 3 ) 结合b p 神经网络和小波重要树，把二值文本水印嵌入到小波重要树中并 实现数字水印的盲提取。彩色图像经颜色空间转换后对亮度分量进行小波分解，分 解后的小波系数在不同尺度( 分辨率) ，相同空间位置呈树状结构；各子图的小波系 数在不同尺度，相同方向以及相同尺度，不同方向具有一定的相关性。利用b p 神 经网络输入输出之间的非线性映射可描述这种相关性，从而使b p 神经网络与小 波分析进行很好的结合。在水印嵌入时，根据b p 神经网络的实际输出与目标输出 之间的关系，把文本水印信息嵌入到小波重要树中，并采用相反的过程可实现数字 2 扬州火学硕士学位论文 水印的盲提取。实验结果表明，该算法具有较好的透明性和鲁棒性，但也存在不易 确定b p 网络结构和训练具有强泛化能力的b p 神经网络耗时长等缺点。 ( 4 ) 将混沌系统产生混沌序列进行二值化，再经过逆z i g z a g 扫描成二维混沌 矩阵对水印进行加密，以提高水印的安全性；并再次利用此混沌矩阵在选择的小波 系数间建立种新的关系。根据小波系数问新建立的关系把文本水印信息嵌入到选 择的低频小波系数中，以提高数字水印的鲁棒性。在水印提取时，利用混沌矩阵以 相同的算法得到小波系数间的关系，利用此关系实现数字水印的盲提取。实验结果 表明，此算法具有计算复杂度低，鲁棒性强，实时性好等优点，但也存在水印透明 性略差的不足。 关键词：数字水印技术，广义高斯分布( d 慷枷让砌g a i l s s i a i ld i s 晡b u ：c i o n ) ，小波多 分辨率分析，小波重要树，b p 神经网络，混沌系统，l o g i s ：t i c 混沌映射。 a b s t r a c t m 也t t l er ：a p i d p r o g r e s so fd i 西t a l 妣h n o l o 器a n dm u l t i m e d i an e t 、o 毗d i 西t a l n m l t 泌l e d i ap r 姗ss u c ha sd i 百t a li n l a g e ，a u d i 0 ，v i d e o 锄ds 0o nb e c o i n em o r ea n dl n o r e e a s yt ob ei s s u e d ，p f o p a g a t e da n dc o p i e di i l l e 联讯v o d 【，b u tt m sl ( i n do f c o n v e 福e n c ei s i r l s e c u r e s oc o p 河g h tp r o t e c t i o n 旬rd i g i t a lm u l t i l i l e d i ap r o d 城趣t u m st 0b eac r u c i 甜 i ss _ u e n l ed i 西t a lw 锄e m l 缸b n g 弱ai l e wt e c h i l i q u eo fi i l f o 锄a t i o ns e c u r 毋m e e t st t l e s e 嫩= e i s b e c a l i s et h ed i g i t a lw a 圭e 瑚= l a r k i i l gc a ns u p p l yap o t e n t i a ls 0 l 嘶o nt 0c o 研g m p t e c t i o na i l dd a t as e c 面劬s 0i tl l a s 撕t e ds e r i o u sc o n c e mo fs c h o l a r s 趾db i l s i n e s s g r o u p sa ：ch o m ea n da b a d 觚i tw 笛脚s e di nt h e 朗d y1 9 9 0 s a tp r e 鲫鸣删 a c 量l i e v e m e n t s 五哪eb e e nm a d eo n 吐l i s 他s e a 地b u t 吐l ep 嗡c t i c a l a p p l i c a t i o no f w 纳唧a d ( i n gs t i l lm e e t ss 伽n ep r o b l e m st ob er e s 0 l v c = d a n d 吐l i sp | a p e rp i a c e se x 衄l e m p h a s i so nt h ea l g o r i m mo fd i 酉t a l 证增学w 纳e 玎联旺妇g ，m em a i l lc 0 毗e n ti i l c l 倒峨；t t l e f o l l o 试n g s ： ( 1 ) r e v i e wt h er e ：础b a c 蜒僦c o n c e 埘o n s ，纯蝴锄d 缸m 卸1 e m a l 四n c i p l e o f d i 百t a lw 撕咖矾血舀a n d 硫舭s 0 m ec k s i c a la 1 9 0 r i t t l l n s ( 2 ) a n a j y z et h es t a 缸s t i c a lc h 习嗡c 白e ro fw a v e l e tc o e 街c i 铷瞳si i ld e t a i ls u b b 锄k b 印p l y 血e ( 论d ( g e n e r a l i 积觚i 弧d i s t m 删m a 也e m 蕊c a lm i 溅l i n gt 0 也i ss t 蕊s t i c a l c t l a 瑚i c t i 觚di n 舡o d u c e t ：h em i 劬o d0 fe s i 椭a t i o no fp a _ 髓l m e t e r s ，d e s i 弘廿舱 c 0 唧她d e 撇t 0 d 鼬积h ew | l e 础i n 朋1 b e d d i l l g ，b 删0 nt h ej n d ( j l l s t n o t i c e a b l ed i 佼：r e n c e ) i i ld w td o m a i n ，ac 0 s t 劬c 曲n 糟s p o n d st h e 位瞵硼r 铋c y 锄d r o b u s ；t 球i s si sc 0 砌i n n e d a c c o r m n gt 0t h ec o s t 如n c t i o n ，t b eo p t i i i m mk a 主i o nc a nb e 内u n df b re v e 哆w a t e 曲破d 戚呜她d 酏e c t i o i l ，也el o d ( l 0 c a l l yo 舯d e 删o n ) d e t e 咖0 ri sd e s i 印e dt 0 棚t h ew 锄嘲触b yu t i l i 商玛t h ep r o p o s e da p p r o a c ka 印1 0 d m p r o m i s eb e 似愤mt h e 位吡s p 燃y 锄dr o b l l s 吣c a nb e9 0 n e n t h ec x p e 面雕剩t a l r e s u l t ss _ h o wt l l a tt h e 位m s p a r j e n c yi s 岫v e d ，b u tt h i sa l g o r i m mh 弱铡硝m s i v e m p 恻i o n a i l di st i i n e _ c o i 蜮吣 ( 3 ) c o m b i 鹏b p 删眦础a n dw a v e l 戗s i 鲥j f i c a n t 骶髓，e m b e dt h e 姗蜘 w 疵蜘豫d ( i i i t 0t l l es i 鲥f i c 锄c o e 缅c i e n t s ，锄dt h e 铡1 b 洲蝴蜘a r kc 勰b ee x 位娥e d 4 扬州大学硕士学位论文 谢t h o u to r i g i n a li m a g e c o n v e nr g bc o l o rs p a c et oy c b c rc o l o rs p a c e ，a n dd e c o m p o s e t h ei l l 眦i 1 1 a t i o nc o m p o n e n t 、析mt 1 1 ew a v e l e t t i l ew a v e l e tc o e 伍c i e n t sa tt h es 锄es c a i e o fd i 饪e r e n to r i e n t a t i o n s 趾dd i 丘h e n ts c a l e so fs i m i l a ro r i e n t a t i o r l s1 1 a 、，ec o r r e l 撕v i 吼a n d t h eb pn e 删出c a i lp r o d u c e 锄靠b i 位yn o n - l i n e a rm a p p i n g 丘o mi n p u tt ot a 玛e t o u t p 毗s o l i sc o 鹏l a t i v 时c a l lb ed e s c r i b e db yt h en 面n e db pn e u r a ln 鲍0 血i i l e 1 1 n b e d d m g ，b a s e do nt h er e l a t i o i l s 虹p sb e 咖na c 删o u t p u ta n dt a r g e to u u to fb p n e mn c ：t v 旧d 0m ew a t e 加 1 a 出i se r n t ) e i i d 。di i l t 0w a v e l e ts i g l l i f i c a n t 骶e s ，a n dt t l e e m b e d d e dw a t e n n a r kc a nb ee ) 血a c t e dw i t t l o u to r i g 删i m a g eb yt h eo p p o s i t ep r o g 阳m t h ee x p 面m e n t a lr e s u l t s 础c a t et i l a t 廿l j et r a p 鲫e n c ya n dr o b 咖e s sb o mc 觚b e i 1 1 1 p r 0 v e d 、i mc o m p a r i s o n st oo 吐l e ra l g o 面缸n s ，b u tm ew e a l ( i l e s s e sa r eo b v i o u s ：n s d i 伍c u ht 0c o n 矗册l es t r u c t u r eo fb p 眦u r a i n 娟0 呔，a n d 缸面n i n gb pn e u r a ln e t w o 出 、衍t t ls 臼o n ga ：b i l i 哆o fg e n e r a l i z a ：t i o ni s 妇c 0 璐u i n i i l g ( 4 ) p e r f o m lb i i l a 巧c o n v e r s i o nt 0 也ec h a o t i c 髓n d o m ，s c a nt h eb i n a 巧c h a o t i c 辩q l l e n c e t 0c k 呲i cm a 行政mt l l ei n 呲d 五g z a gs c a r m 洫g ，锄d 吼l a 咿p t e dt t l e w a t e r m a 出、i 吐lt t l ec h a o t i cm a 埘t 0i i l l p r o v em es e c u r i 够o fw 纰e r m a d ( t h e nn l en e w r e i a t i o i l s m pa l i l o n g 血ec h o s e 聊l v e 慨c o e 伍c i e n ：t sc 姐b eb u i l tu s i r 玛t h ec h a 撕cm a t r i x s 0t h ew a t e m ：l a r k 、访ub ee i r i t ，e d d e di i l t 0t 1 1 el o wn e q u e n c yw 孙，e l e tc o e m c i e n t sb a s e do n m i sr e l a 土i o i l s m p d u r i i 坞w a t e r m 矾【d e t e 嘶。玛吐l er e l a c i o n s h i pc 锄b eo b t a i l l e db ym e 黜a l g o r i t t l m ；l e n 吐l eo r i g i l l a lw 绷e r 础c a i lb ea ( 缸a c t e dw i n l o u to r i g i i l a li i n a g e t h e e x p e 血删r e s u l t si n d i c a 圭e 吐l a 主也er o b u s 舡l e s si ss 昀n g e rm 眦。吐l c ra 1 9 0 r i m r n s 锄dm e c o n l p l e x i t ) ，o fc o m p u t a t i o n i sl o w ；b l nn l e 饥m s p a r e n c yi s 砒爸r i o ri i lc o 删s o l l s k 呵w o r d ：d i 西t a lw 习呛彻蛐，g g d ( ( k 硷r a l 砌g a 啜s i 龃d i s t r i b u t i o n ) ， m 晰- r e s o l 嘶o n 锄a l y s i so fw a v e i e t w 打e l e ts i 嘶f i c a m 抵，b pn e u 【m 1 n e 呲c t i c s y 她l o 西s t i cc h a l o t i c 科舭 连续：数字图像水印算法研究 5 1 绪论 1 1 概述 1 1 1 课题背景 近年来，随着数字化多媒体技术和互联网的迅速发展，各种形式的多媒体数字 作品( 如数字图像、数字音频、数字视频) 等纷纷在互联网上发表、传播，人们可 以很方便地拷贝、存储以及处理这些多媒体数字作品。显然，这种便利性很容易被 盗版者所利用，给数字作品带来了极大的不安全性，由此引发的盗版问题和版权纷 争也成为日益严重的社会问题。据美国唱片行业协会估计，全世界每年因盗版而造 成的经济损失约达5 0 亿美元；而美国电影行业协会估计，盗版使美国电影业的收入 减少了约2 5 亿美元l 。 数字作品的现有的版权保护系统多采用密码认证技术。然而，遗憾的是密码认 证技术仅能在数据从发送者到接收者的传输过程中进行数据加密保护，它并不能帮 助销售者监视合法用户如何处理解密后的内容。即，密码认证技术只能保护传输过 程中的内容，内容一旦被解密后就不在具有保护作用了。 为了解决密码认证技术在版权保护方面的不足，一种新的有效的版权保护和数 据安全维护技术数字水印技术应欲而生并且得到了迅速的发展。数字水印技术 ( d i g i t a lw l t e 咖a r k i n g ) 是信息隐藏领域的一个重要分支c 2 1 ，其除了具有与传统的版 权保护相类似的法律和管理手段外，还采取了新的方式针对数字作品本身的特点为 其提供技术上的保护。数字水印这一新兴技术为版权保护和信息安全等问题提供了 一个潜在的解决方案，因而，从其正式提出便引起了国内外学术界、企业界以及政 府等有关部门的高度关注。 数字水印技术作为一门新兴的多学科交叉的应用技术，它涉及到不同的学科领 域的理论，如数字信号处理、图像处理、信息论、编码理论、密码学、检测理论、 数字通信等。所以，数字水印技术的发展也在一定程度上带动了这些相关学科领域 的发展。研究出具有实用价值的数字水印系统不仅在相关理论上有十分重要的学术 意义，而且在商业应用方面也具有广阔的前景，特别是在网络技术极速发展的今天， 数字水印技术的研究更具有现实意义。因此，无论从理论角度还是应用角度来看， 对数字水印技术的研究，都具有重要的现实意义和实用价值。 6 扬州大学硕士学位论文 1 1 2 发展现状 数字水印技术从正式提出发展到现在虽然只有短短十几年，但由于它应用于开 放性互联网上的多媒体数字作品，并为版权保护、内容完整性认证等一系列问题提 供了一个潜在的解决方案，因此在数字作品的版权保护、篡改提示、隐蔽通信等方 面具有十分广泛的应用前景，对它的研究更具有重要的学术价值和经济价值。 从1 9 9 3 年a z 面r l ( e l 发表了一篇名为“e l e c 缸d n i cw a t a l l l a r k ”1 3 j 的论文以后，数 字水印技术就越来越受到人们的重视，国际学术界也陆续发表了一些有关数字水印 技术的文章，其中r g 、s c h y n d e l 等在i c i p 9 4 会议上，发表了题为“ad i 西“ w a t e i 加a r k i n g ”1 4 j 的论文，提出了数字水印的概念及可能的应用，标志着这一领域的 开始。1 9 9 6 年5 月，第一届国际信息隐藏学术研讨会在英国剑桥牛顿研究所召开，标 志着信息隐藏学的诞生，而作为信息隐藏学主要分支之一的数字水印技术的研究也 得到了迅速的发展。国际信息隐藏研讨会至今已成功举办了9 届并发表了一系列高质 量的论文，并为国际专家学者提供了一个交流学习的舞台。另外，m e e 和s p m 等一 些重要国际会议也分别出版了关于数字水印的专题。从1 9 9 8 年以来，m e e h 瑚洳0 n i i n a g ep 嫩e 豳g 、i e e e 融n s a c t i o 璐o nc o n 蝴e l e d 的n i c s 等许 多国际重要期刊也都组织了数字水印的技术专刊或专题报道。 在产业界，欧洲和日本的有关厂商正在积极开发采用该技术的产品。早在1 9 9 5 年，数字水印技术的研究还刚刚开始不久，美国的d i 蛳公司就率先推出了世界 上第一个商用数字水印软件，而后又以插件的形式将该软件集成到a d o b ep h o t o s h o p 4 0 和c o r e ld m w7 0 中。1 9 9 8 年，美国政府报告中出现了第一份有关图像数据隐藏的 a d 报告。1 9 9 9 年2 月，五大唱片公司联合宣布与m m 合作，联合开发一个在因特网 方便、快速、安全发布数字视听产品的实验系统。2 0 0 1 年1 月d i 曲n a r c 公司又宣布与 图形艺术的业界团体p 认( p r i r 岫【l gi n d u s t r i e s0 f 加n e 血a ) 联手合作在打印机中使用 d i g i l 瑚的“m e d i ab r i d g e ，电子水印技术。2 0 0 1 年7 月，富士通公司开发出了“阶层 型电子水印”为其在因特网上实现电子博物馆和电子美术馆系统“m u 鲫吐l q l l el i 啦 提供安全保障。2 0 0 5 年，d i g 油a r c 公司宣布，好莱坞已经把该公司的数字水印系统 纳入了数字影院系统规范，意在遏制日益蔓延的电影盗版行为嘲。2 0 0 7 年，汤姆逊 公司宣布，数字影院服务器的领导厂商选择汤姆逊功能完善的数字水印产品 n e 箕g l l a r d ，并将其集成到1 2 0 0 部数字影院服务器中【6 j 。在美国，以麻省理工学院为 连续：数字图像水印算法研究 7 代表的一大批科研机构和企业已经申请了许多数字水印技术方面的专利。 随着技术交流的加快和数字水印技术的迅速发展，国内的一些研究单位也逐步 从技术跟踪转向深入的系统研究。1 9 9 9 年1 2 月，第一届全国信息隐藏学术研讨会 ( c i h w ) 在北京电子技术应用研究所召开，至今该研讨会已成功举办了7 届，发表 了许多高质量的论文并为我国学者提供了一个良好的学习交流平台。2 0 0 0 年1 月，国 家8 6 3 计划智能计算机专家组织召开了“数字水印技术研讨会”；另外，国家自然科 学基金等都对数字水印的研究有项目资金支持，这些都为国内数字水印的研究发展 提供了良好的环境，因此，国内数字水印的研究得到了迅速的发展。 从目前的发展来看，我国相关学术领域的研究与世界水平相差不远，但就研究 成果来说，大多局限在初始阶段，尚未形成一个完整的理论知识体系，在实际领域 中的应用还比较有限。但随着国内信息化程度的提高和电子商务逐渐走向实用化， 信息隐藏与数字水印技术将会拥有更加广阔的应用前景。 总之，就目前现状来看，数字水印技术还不算成熟，尚缺乏系统性的理论基础 和公平的性能测试与评价体系，其广泛应用还有赖于不断的探索实践。 1 2 数字水印基本原理 数字水印技术的基本思想是在数字作品中嵌入水印信息( 水印信息可以是作者 信息、版权所有者、产品序列号以及具有特殊意义的文本、图像等) ，在需要时，通 过对水印的检测和分析，来保护数字作品的版权、证明作品的真实可靠性、跟踪盗 版或者提供作品的附加信息，从而成为版权保护和信息安全的有效手段之一。 数字水印信息( d i g i t a lw r a 触瑚r k ) ，通常可以定义如下信号【刀【8 j ： 矿= m 1 o ，= o ，1 ，2 ，一l ( 1 1 ) 、。 ， 式中，工：水印序列的长度，d ：代表域值。实际上，水印不仅可以为一维序列， 也可以是二维图像，三维视频。水印的值域形式如：d = o ，l ，o = 一1 ，l ，d = 一r ， 或者高斯白噪声( o ，1 ) 等其它形式。 粗略来看，数字水印系统应包含嵌入器和检测器两大部分。嵌入器：把数字水 印信息嵌入到原始载体中，输出含有水印的载体。检测器：对输入信息检测出是否 含有水印信息或提取出水印信息。有时为了提高水印的安全性还会利用密钥对水印 8扬州大学硕士学位论文 加密处理。这些过程可以定义为以下九元体表示：( m ，x ，形，k ，g ，砌，4 f ，d ，晟) 。 ( 1 ) m 代表所有可能的原始信息的集合。 ( 2 ) x 代表所要保护的数字作品x 的集合，即内容。 ( 3 ) 形代表所有可能水印信息w 的集合。 ( 4 ) k 代表水印密钥七的集合。 ( 5 ) g 表示利用原始信息棚，密钥七和原始数字产品x 共同生成的水印的算法： g ：m x k 一形，w = g ( 朋，工，j i ) ( 1 2 ) ( 6 ) e m 表示将水印w 嵌入数字产品x 中的嵌入算法，即 e m ： x 矽 x ，x ”= e j ，l ( x ，w ) ( 1 3 ) 式中，x 代表原始产品，代表含水印产品。为了提高安全性，有时在嵌入算法中 包含嵌入密钥。 ( 7 ) 4 f 表示对含有水印产品x ”的攻击算法，即： 彳r ： x 足一x ，i = 彳，( xv ，七) ( 1 4 ) 式中，七表示攻击者伪造的密钥，曼表示被攻击后的含水印产品。 ( 8 ) d ：表示水印检测算法，即： 。：删，l 聪j i c ) = 锯嚣兰 n 5 ， 式中，h 。，风代表二值假设，分别表示水印的有无。 ( 9 ) 及表示水印提取算法： e x ：x k 争形，访= e x ( 主，七)( 1 6 ) 图1 1 数字水印处理系统基本框架 连续：数字图像水印算法研究 9 1 3 数字水印的基本特性及分类 1 3 1 基本特性 针对实际的应用，水印系统应具有一些重要的特性。每种特性的相对重要性取 决于应用要求和水印所起的作用。不同的应用，可能对水印特性的解释也会随着应 用场合的不同而变化。数字水印主要具有以下的基本特性： ( 1 ) 透明性，即保真度是衡量信号在处理前后的相似性。指原始载体作品同其 嵌入水印后的版本之间的感官相似性。载体作品在嵌入水印信息后在感知上要达到 一定的要求，这个要求不一定是水印不可见或可见，要根据水印的应用场合来确定。 ( 2 ) 鲁棒性是作品在经历常规信号处理后，数字水印信息的可提取性或可检测 性。以数字图像水印为例，常规的信号处理包括空间滤波、有损压缩、几何变形( 剪 切、平移、旋转) 等。这些处理都是非恶意的攻击，经过这些处理后，作品中水印 仍能被检测到或提取出来，表明该水印算法具有很强的鲁棒性。 ( 3 ) 容量也称嵌入率，加载率或者有效载荷，指在单位时间内或在一个作品中 最多可以嵌入水印的比特数。 ( 4 ) 有效性指嵌入水印后的作品在不经任何攻击的情况下，水印信息是否可以 被检测或提取出来。 ( 5 ) 安全性指水印能够抵抗恶意攻击的能力。恶意攻击指任何意在破坏水印功 能的行为，主要包括未经授权的删除、未经授权的嵌入和未经授权的检测。 数字水印还具有一些其他特性，但其中最主要特性的为水印透明性、鲁棒性和 容量，这三者之间相互制约，相互矛盾，因此不可能设计一个使三者都达到最优的 水印系统。以上这些特性与水印的应用场合密切相关，不同的应用场合对水印有不 同的要求，必须针对应用场合在各种性质间进行折衷和取舍。 1 3 2 数字水印的分类 ：数字水印分类方法有很多种，不同的出发点导致了不同的分类，它们之间既有 区别又有联系。 ( 1 ) 按水印的鲁棒性划分 ；可以将数字水印划分为鲁棒性水印和脆弱性数字水印两类。鲁棒性水印它要求 1 0 扬州人学硕十学位论文 嵌入的水印能够经受各种常规的信号处理；与鲁棒性水印的要求相反，脆弱性水印 必须对信号的改动很敏感，可以根据脆弱性水印的状态来判断数据是否被篡改过。 ( 2 ) 按感知特性划分 可将水印分为可见水印和不可见水印。可见水印是指知觉上可见的水印，就像插 入或者覆盖在图像上的标识。不可见水印从直观上不可察觉，但是当需要时，所有 者可以从作品中提取出水印信息，从而证明作品的所有权或者作品的完整性。 ( 3 ) 按水印的内容划分 可将水印分为有意以水印和无意义水印。有意义水印是指水印本身是有意义的 标识( 如文本，商标图像) ；无意义水印则只对应于一个序列号或随机序列。有意义 水印的优势在于，如果由于受到攻击或其它原因致使解码后的水印部分破损，人们 仍然可以通过知觉来确认是否含有水印。 ( 4 ) 按水印所附载的媒体划分 可以将数字水印划分为图像水印、音频水印、视频水印、文本水印以及用于三 维网格模型的网格水印、软件水印等。 ( 5 ) 按水印检测过程划分 可将水印划分为明水印和盲水印。明水印在检测过程中需要原始数据，而盲水 印的检测只需要密钥，不需要原始数据。一般来说，明水印的鲁棒性比较强，但其 应用受到存储成本和安全性的限制。 ( 6 ) 按水印隐藏的位置划分 可将水印分为空时域数字水印和变换域数字水印。随着数字水印技术的发展， 各种水印算法层出不穷，应该说，只要构成一种信号变换就有可能在其变换域内隐 藏水印信息。， 1 3 3 一些水印的攻击 数字水印技术在发展，但针对水印的攻击技术也在发展。面向版权保护的鲁棒 水印技术是一个具有相当难度的研究领域，到目前为止，还没有一个算法能够真正 经得住攻击者的任意攻击。以下给出几种典型的数字水印攻击方式： ( 1 ) 基本攻击 基本攻击是所有可能的攻击中最普通的一种，通过对含水印作品进行常规的信 连续：数字图像水印算法研究 号处理来达到去除水印信息的目的。这种攻击会降低水印的可检测性或可提取性。 以数字图像水印为例，常见的处理包括：滤波、压缩、添加噪声等操作。 ( 2 ) 同步攻击 这种攻击以不完全去除水印信息为目的，而是试图破坏载体数据和水印的同步 性，从而使水印的相关检测失效或提取失败。在同步攻击下，被攻击的数字作品中 的水印仍存在，但是水印位置已经错位，不能维持正常水印提取所需要的同步性。 这一类的攻击算法很多，主要包括：几何变换( 旋转，缩放，平移) 、剪切等。 ( 3 ) 分析攻击 这种攻击方法是在水印嵌入和检测阶段采，用特殊方法来去除或减弱作品中的 水印信息，即针对某些水印算法，在通过分析水印数据，估计作品中的水印之后， 将水印从作品中分离出来并使水印检测或提取失败。典型的有共谋攻击，共谋攻击 就是利用同一原始多媒体数据集合的不同水印信号版本，来生成一个近似的多媒体 数据集合，以此来逼近和恢复原始数据，其目的是使监测系统无法在这一近似的数 据集合中检测出水印信息。 ( 4 ) 解释攻击 又称m m 攻击，在面对检测到的水印证据时，试图捏造出种种解释来证明其无 效。一种通用的方式为攻击者试图生成一个伪源数据或伪水印数据来混淆含有真正 水印的数字作品版权。例如，攻击者在存在的原始水印信息的真实载体中，嵌入一 个或多个伪造水印信息，从而混淆第一个含有版权信息的水印，使提取出来的水印 信息失去唯一性。 ( 5 ) 拷贝攻击 在拷贝攻击中，要先估计出水印信息，然后把估计的水印信息拷贝到其它图像 中，以混淆作品的真伪。在拷贝攻击中，首先攻击者要在没有密钥信息和水印嵌入 算法的情况下，利用极大似然估计、最大后验概率等方法估计原始图像或水印信息。 得到估计出的信息后，把这个伪造的水印拷贝到其他图像上，以达到目的。 1 。4 数字图像水印典型算法 虽然数字水印的嵌入算法很多，但大多数嵌入算法可分为：空域时域嵌入算 法和变换域嵌入算法。 1 2 扬州大学硕十学位论文 1 4 1 空域时域典型嵌入算法 ( 1 ) 最低有效位算法( l e a s ts i 嘶f i c a n tb 瓶，l s b ) 最低有效位算法是gv 锄s c 呲i 等提出的第一个数字水印算法，是一种典 型的空域嵌入算法。该算法的设计思想是利用人眼的视觉特性，将水印信息直接按 位替换到图像像素的最低有效位，达到隐藏信息的目的。由于水印信息隐藏在最低 位，相当于在强信号中叠加了一个微弱的信号，因而在视觉上很难察觉。l s b 水印 的检测是通过待测图像与原始图像的相关运算和统计决策来实现。l s b 算法虽然可 以隐藏较多的信息，但隐藏的信息可以被轻易除去，鲁棒性差。 ( 2 ) p a t c h v 旧r l ( 算法f 9 l 此算法是由麻省理工学院媒体实验室w b 锄d e r 等人提出的。p a 融惭。出方法通 过改变图像中某些像素的幅值来嵌入水印信息，利用像素的一些统计特性的变化来 检测水印是否存在。对一幅图像，随机选择对像素点( 口j ，现) ，然后将每个口f 点的 亮度值加l ，每个色点的亮度值减l ，这样可嵌入l 比特水印并使整个图像的亮度均 值保持不变。由于其亮度之差是一个均值为o 的q u j s s i 孤分布随机变量，因此根据 此统计特性设计出检测器；但该方法嵌入的信息量有限，并对仿射变换敏感。 ( 3 ) 纹理映射编码算法 纹理映射编码算法也是w & 瓤l e r 等人提出来的，将一个基于纹理的水印信息 映射嵌入到图像的具有相似纹理的一部分当中，利用纹理间的相似性掩盖水印信息， 因而很难察觉水印。但是这种方法并不适用所有图像，而且必须通过人为的方式才 能确定是否有合适的纹理区域存在，所以这种算法不能实现水印的自动加入。该算 法对滤波、压缩和旋转等具有抵抗能力，但对剪切等处理鲁棒性较差。 ( 4 ) 文档结构微调方法【l o j t 这种算法主要是针对电子文档文件。j b r a s s i l 等首先提出了在通用文档图像中 隐藏特定二进制信息的技术。在文本中嵌入水印信息，需要利用文本文档的一些特 征，例如文字行距、字符间距、字符特征等。水印信息通过轻微调整文档中的这些 结构特征来完成嵌入操作。基于此方法的水印可以抵御一些文档操作，如照相复制 和扫描复制，但也很容易被破坏，鲁棒性不强。 空域时域水印嵌入算法具有计算简单、易于软硬件实现的优点，但普遍缺点 是，嵌入的信息量有限、鲁棒性差，尤其对滤波、量化和压缩攻击抵抗能力较差。， 连续：数字图像水印算法研究 1 3 1 4 2 变换域水印嵌入算法 ( 1 ) d f t ( d i s c r e - t ef o 嘶e r 亿i i l s f o n n ) 域算法 离散傅立叶变换是一种经典而有效的数学工具，d f t 域的算法有利于实现水印 的仿射不变性，且可利用变换后的相位信息嵌入水印。j j k o r u a n a i d l l 提出了两 种d f t 域的水印算法。一种算法是将水印嵌入到d f t 系数的相位信息中【l l 】，其依 据是h a y e s 的结论“从图像可理解性的角度，相位信息比幅度信息更重要。 另一种算法提出了一个具有旋转( r o t 撕o n ) 、尺度( s c 砒e ) 、平移( t r a n s l a t i o n ) 不变性的水印方案。主要原理利用了对数极坐标中的平移不变性对应着空间域的尺 度和旋转不变性。该算法首先计算图像的d f t ，然后将d f t 系数的绝对值映射到 对数极坐标平面；接着对对数极坐标进行二维的d f t 变换，取系数的绝对值，从而 得到r s t 不变域，在r s t 不变域中嵌入水印。提取时采用逆过程，从而实现了水 印的平移、旋转和尺度拉伸不变性。 ( 2 ) d c t ( d i s c d e t ec o s i i 地t r a i l s f o r i n ) 域算法 d c t 是数字信号处理中最常用的线性变换之一，存在着快速算法，且与国际数 据压缩标准( 胍g ，m p e g ，h 2 6 l 2 6 3 ) 兼容，便于在压缩域中实现，是目前研 究较多的数字水印算法之一。其主要思想是在图像的d c t 变换域上选择中低频系数 嵌入水印信息。之所以选择中、低频系数，是因为人眼的感觉主要集中在这一频段， 攻击者在破坏水印的过程中，不可避免地会引起图像质量的严重下降，一般的图像 处理过程也不会改变这部分数据【1 2 1 。 典型的d c t 域水印算法中是由i j c o x 等提出了基于d c t 域的扩频水印算澍1 3 】。 首先对原始图像进行全图d c t 变换，然后从d c t 系数矩阵中选取n 个幅度最大的交 流系数( 感知重要系数) 作为嵌入点，最后将扩频生成的水印信息嵌入感知重要系中。 c i p o d i i c h u k 等提出了可感知水印算法【1 4 1 。在d c t 域，使用w 酞t o n 定义的感知模型 来计算扑d ( j u s tn o d c e a b l ed i 虢r c l l c e ) ，然后根据扑d 来确定图像的各个部分所能 容忍的水印信号的最大强度，以自适应地嵌入水印信息。m b a m i 等提出了另一种利 用h v s ( h l 珊a n s u a ls y s t e m ) 掩蔽特性的d c t 域数字水印算法【1 5 】。 ( 3 ) d w t ( d i 融w 置v e l e tt r a n s f o n n ) 域的算法 近几年，d 、胛广泛应用于数字图像压缩( j p e g - 2 0 0 0 压缩标准) 、数字水印技 术1 1 6 j 等由于小波多分辨分析与人眼视觉特性相一致，对根据人眼视觉系统选择恰 1 4 扬州人学硕+ 学1 1 7 ：论文 当的水嵌入位置和嵌入强度有很大的帮助，并且这种多尺度、空间频率分解更有 利于提高水印的鲁棒性。因此研究基于小波变换的数字水印方案具有非常好的前景 和意义【 l ，本文着重探讨了小波域数字图像水印算法。 m c o i 等提出了基于d w t 的数字水印算法。载体图像d w t 分解后，在最低 分辨率子图的小波系数中嵌入水印信息【i 引。h j w ，狃g 等提出一种有效的搜索小波 系数的多阈值d w t 域水印编码方案【聊。根据阈值，在d w r 域选择那些在信号处 理中都不会有太大变化的小波系数来嵌入水印信息，以提高水印的鲁棒性。m b a n l i 等提出了一种结合d w t 域人眼视觉模型的水印方案【2 0 】，依据d w r 域建立的视觉 模型，实现数字水印的自适应嵌入。d k i m d u r 等提出了一种基于d w t 的图像水印 算、法1 2 1j ，通过修改载体图像的同一分辨率层中三个不同方向的细节分量系数的幅度 关系，来嵌入二值水印信息。s t e s k 甜d o m l p i t 弱提出利用d w t 的多分辨率特性， 在小波分解层的第一层和第二层的细节分量中嵌入一种循环自相似水印的算法【忍l 。 很多学者提出，结合d w t 与神经网络、混沌系统以提高水印鲁棒性和安全性的 数字水印算法。k j d a ：v i s 等提出在d w r 域结合神经网络的数字水印算法。在水印 嵌入之前使用神经网络产生自适应于图像内容的水印，水印的强度在保证图像质量 的约束下可达到最大值，提高水印的鲁棒性瞄1 。j p i c a r d 等在使用在多层神经网络 基础上，提出一个具有公开密钥的水印系统【2 4 】，此外还有一些学者利用神经网络对 图像块进行分类，以实现自适应地嵌入水印信息，在此不在详述。混沌系统具有良 好的保密性、复杂性以及对初值的敏感性，可以对水印信息的调制、加密或生成嵌 入位置等以提高水印的鲁棒性和安全性。m a n t o n i n i 等对图像进行小波分解后，在 每一级予图中采用随机置乱的方法进行加密【2 5 1 。j f r i 埘c h 等分别采用b a k e r 映射和 c a t 映射构造了二维图像加密方案【2 6 1 。gv o y a t z i s 等采用将二维混沌变换产生水印信 号并在空域嵌入图像，用于图像版权保护【2 7 l ，此类算法还有很多，不再详述。 d w r 域水印算法的另一发展方向是将水印算法与基于小波变换的嵌入式压缩 编码系统( e m b e d d e dc o d 神相结合。陈青等提出根据零树压缩编码算法中的零树结 构来选择图像的d w t 重要系数来嵌入水印【2 踟。h j w a n g 提出基于多门限小波编码 的数字水印算法，根据多阈值小波编码中的子图决策技术以及逐次逼近量化 ( s u c c e s s i v ea p p r o x i i i l a t eq 崛而z a t i o n ) 技术来选择嵌入点系数网。m j c h e n 提出根 据嵌入式编码系统对图像的感应趣区域r o i ( r e 西0 no fm 删进行优先传输的特 点，将水印信息嵌入到图像的r o i 中例。 连续：数字图像水印算法研究 1 5 1 5 数字水印的应用 虽然数字水印产品只是近几年才出现，但其应用前景和应用领域都是巨大的。 总的来说，数字水印技术主要有以下一些应用领域【3 1 1 【3 2 1 。 1 5 1 数字版权保护 在当今网络时代，数字产品的版权保护显得尤为重要。由于数字版权保护的重 要意义，欧盟提出了一个数字作品电子交易框架。其中的数字水印系统可以提供对 复制品的探测追踪。版权保护是数字水印应用的