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摘要 基于多小波的数字图像水印 摘要 本论文从信息隐藏技术入手，对数字图像水印技术进行了深入 分析和研究的基础上，提出一种新颖的，基于多小波( 包括平衡和 不平衡的多小波) 的，多比特乘性水印系统。本文主要完成了以下 工作： ( 1 ) 设计了一个新颖的基于多小波的多比特乘性水印系统， 这一水印系统的嵌入机制是自适应的，且在此嵌入机制下，假定 多小波细节子带系数服从广义高斯分布( g g d ) ，使用最大似然 ( m l ) 检测规则，推导了该嵌入机制下的最优解码判别准则。在 该解码机制中，无需参考原图，即本文提出的解码机制为盲解码。 ( 2 ) 水印性能的改进是通过引入一个新的自适应视觉模型一一 仅可见权重模型( j p w ) 来实现的。这个新的视觉模型充分考虑了 各种人类视觉感知因素，如对人眼比较敏感的空间频域，光照和纹 理等。与传统的仅可见视差( j n d ) 阈值模型相比，j p w 刻画了对 噪声变化的最小感知权重，它更适合于非添加型水印。在本论文 中，使用j p w 模型，自适应调节水印的强度，以获取最小的感知扭 曲。 ( 3 ) 多小波的各种优良性质，即多小波特征在图像处理领域发 挥着重要的作用。在本文中，我们从多个方面评价了多小波特征对 数字水印系统的深刻影响，并且给出了水印系统选择多小波滤波器 时的参考标准。 北京化工大学硕上学位论文 ( 4 ) 将本文提出的水印机制与三种目前先进的水印算法做了比 较，不管是在水印系统的折中性，还是在对抗各种攻击的鲁棒性 上，本文提出的水印机制都获得了更加优越的性能。 关键词：多小波，可见权重模型，仅可见视差，广义高斯分布，多 小波特征，平衡，水印鲁棒性 摘要 m u l t i 舱e l e t - b a s e dd i g i t a li m a g e w a t e r m a r k ln g a bs t r a c t i nt h i sp a p e r , s t a r t i n gf r o mt h ei n f o r m a t i o nh i d i n g a n dt h ed e p t ho f a n a l y s i sa n dr e s e a r c ht od i g i t a lw a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g y , am u l t i b i t ，m u l - t i p l i c a t i v e ，s p r e a ds p e c t r u mw a t e r m a r k i n gu s i n gt h ed i s c r e t em u l t i w a v e l e t ( i n c l u d i n gu n b a l a n c e da n db a l a n c e dm u l t i w a v e l e t ) t r a n s f o r mi sp r e s e n t e d i nt h i sp a p e r t h ef o l l o w i n gw o r ki sc o m p l e t e d ： ( 1 ) am u l t i b i t ，m u l t i p l i c a t i v e ，s p r e a ds p e c t r u mw a t e r m a r k i n gi sd e s i g n e du s i n gt h ed i s c r e t em u l t i w a v e l e tt r a n s f o r m ，a n dt h ew a t e r m a r ke m b e d d i n gm e c h a n i s mo ft h es y s t e mi sa d a p t i v e c o r r e s p o n d i n g l y , a na d a p - f i v eo p t i m u md e c o d i n gi sd e r i v e du s i n gm a x i m u ml i k e l i h o o d ( m l ) d e t e c t i o nr u l e ，a n da s s u m i n gas t a t i s t i cm o d e lb a s e do ng e n e r a l i z e d - g a u s s i a n d i s t r i b u t i o n ( g g d ) f o rm u l t i w a v e l e tc o e f f i c i e n t so ft h ed e t a i ls u b b a n d t h ew a t e r a m a r kb i t sc a nb ee x t r a c t e dw i t h o mr e f e r e n c et ot h eo r i g i n a l i m a g e ，n a m e l yt h a ti sb l i n d ( 2 ) p e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n tw i t hr e s p e c tt oe x i s t i n ga l g o r i t h mi s o b t a i n e db ym e a n so fan e w j u s tp e r c e p t u a lw e i g h t i n g ( j p w ) m o d e l t h e n e wm o d e li n c o r p o r a t e sv a r i o u sm a s k i n ge f f e c t so fh u m a nv i s u a lp e r c e p t i o nb yt a k i n gi n t oa c c o u n tt h ee y e ss e n s i t i v i t yt on o i s ec h a n g e sd e p e n d 一 i 北京化工大学硕上学位论文 i n go ns p a t i a lf r e q u e n c y , l u m i n a n c ea n dt e x t u r eo f a l lt h ei m a g es u b b a n d s i nc o n t r a s tt oc o n v e n t i o n a lj n d ( j u s tn o t i c e a b l ed i f f e r e n c e ) t h r e s h o l d m o d e l ，j p wd e s c r i b i n gm i n i m u mp e r c e p t u a ls e n s i t i v i t yw e i g h t i n gt on o i s e c h a n g e s ，i sf i t t e rf o rn o n a d d i t i v ew a t e r m a r k i n g s p e c i f i c a l l y , w a t e r m a r k - i n gs t r e n g t hi sa d a p t i v e l ya d j u s t e dt oo b t a i nm i n i m u mp e r c e p t u a ld i s t o r - t i o nb ye m p l o y i n gt h ej p wm o d e l ( 3 ) m u l t i w a v e l e tc h a r a c t e r i s t i c st h a ti si n d i c a t i v eo fi t sm e r i t sp l a ya n i m p o r t a n tr o l ei nt h ef i e l do fi m a g ep r o c e s s i n g i nt h i sp a p e lt h ei m p a c t o fm u l t i w a v e l e tc h a r a c t e r i s t i c so np r o p o s e dw a t e r m a r k i n gs c h e m ei sa n a l y z e d ，a n dt h er e f e r e n c es t a n d a r dc h o o s i n gm u l t i w a v e l e tf i l t e r si sg i v e ni n w a t e r m a r k i n gs y s t e m ( 4 ) t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tp r o p o s e dj p wm o d e lc a ni m p r o v et h eq u a l i t yo ft h ew a t e r m a r k e di m a g ea n dg i v em o r er o b u s t n e s so f t h ew a t e r m a r ka sc o m p a r e dw i t hav a r i e t yo fs t a t e o f - t h e a r ta l g o r i t h m s k e yw o r d s ：m u l t i w a v e l e t ，j p w jj n d ，g g d ，m u l t i w a v e l e tc h a r a c t e r - i s t i c s ，b a l a n c e d ，r o b u s t n e s s i v 符号说明 符号说明 全体实数集 全体自然数集 全体整数集 全体正整数集 矩阵尸转置 范数 内积 积分 向下取整 向上取整 直差 直和 p ( z 1 的共轭转置 ，( z ) 的傅立叶变换 f ( x ) 平方可积空间 厂= ，厶，j c r 】t ：五l 2 ( 冗) ，i = 1 ，2 ，r ) 2 次收敛数列全体 线性扩张 【c 1 ，c , 2 ，c ，】t ：c i = 砖) 知：1 2 ( z ) ，i = 1 ，r ) 【】乙：1 ：= 噶 k e 名t 2 c z ) ，t ，j = l ，r ) 空间l 2 ( r ) 中的多尺度函数 空间l 2 ( 兄) 中的多小波函数 矩阵函数h ( x 1 的傅立叶变换 2 - j 2 如( 2 一j x k ) 2 - j 1 2 ( 2 0 茁一k ) r 阶单位矩阵 7 阶零矩阵 x i r 硪，磁力科矿矿0 0 力q 0 rz况，一，n e。材，川郴卿相硎聊柳喇咐酬僻蝴厶啡 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 o，、 作者签名：竺趁熬1 日期： 壶：兰：蜇 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属 北京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保 存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在2 年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本 授权书。 作者签名：金星! 刻日期：盘生! ：盟 导师签名： 丝幽丝 日期： 丝! ! ：兰：錾 第一章绪论 第一章绪论 在现代社会生活中，随着数字技术和网络的迅速发展并日益普及，多媒体 产品多采用数字形式，通过网络从提供者分发给使用者，因此数字媒体的分发 与传送越来越便捷。数字媒体的分发发挥了数字处理和网络分发的优势，因此 具有处理软件丰富、配置灵活等优点，但对于数字产品生产者和提供者来说， 高保真拷贝和便捷传送使盗版行为极易实施，对数字产品的版权造成了严重威 胁。面对这种情况，传统加密技术表现出了局限性。因为密文只存在于通信信 道或送达最终用户之前，当密文形式的数字产品送达用户后，必须授权用户将 其解密，一旦被解密，数字产品就完全变成明文，此时媒体提供者就无法制约 合法用户的非法拷贝与再次分发。究其原因是因为加密技术没有在数字产品中 嵌入任何信息，而数字水印技术正是能够做到这一点。因此，数字水印技术作 为加密技术的补充，在数字产品版权保护领域得到了迅速的发展。通常，版权 保护数字水印是一种嵌入数字产品中的、不可见、不易移除的信息。数字水印 包含数字产品的出处或版权所有者标识等，能够为版权拥有者提供版权证明， 在版权纠纷中维护版权所有者的合法权益。数字水印技术作为版权保护的有效 途径，已经受到广泛关注。当前数字水印技术仍然处于不断发展成熟中，为了 在版权保护中达到理想的效果，其性能有待进一步提高，应用中的有关问题有 待解决。数字水印的抗攻击能力是其关键性能指标，某些攻击仍然使数字水印 的抗攻击能力面临挑战，如几何变换攻击、灰度直方图调整等。此外，在提高 抗攻击能力的同时，实现数字水印的盲提取也具有重要意义。实现数字水印的 有效应用需要解决一些问题，如消除在视频保护中数字水印与视频的相互影响 等，在版权保护系统中建立合理的数字水印协议等。因此从数字水印的技术特 点和其应用相关的问题出发，进一步研究改善数字水印技术的性能和解决应用 中的问题具有现实意义。 1 1 何为数字水印 对着光举起一张1 0 0 元的人民币，看着印有毛主席肖像的一面，就会在该 面左边的水印中再次看到肖像。该水印是在造币的过程中直接嵌入到纸币中 的，因此很难伪造。与当今大多数纸币水印一样，1 0 0 元人民币( 如图1 1 ) 上的水印具有两个与本文相关的特性：第一，在正常的使用中是看不到水印 的，只有通过特殊的观察方式( 如本例中，是对着光举起钞票) 才能看见；第 二，水印隐藏于对象中并携带器有关信息( 如本例中，水印表明了人民币的真 实性) 。 圈1 - 1l o o 元 民币 f l 1 - 1r m b l 6 0 数字水印的取名源于纸质水印( 如货币水印) ，但是与纸质水印的要求和 使用方式不同。除纸币外，水印还可以用于其它物理对象与电信号中。纺织 品、服装商品以及产品包装都属物理对象，在这些对象上可以用特殊的隐形染 料和油墨加入水印。而电信号，包括电子版音乐、图片以及录像等，也可以在 其中加入水印。目前虽然有许多立献讨论数字水印技术的诸多方面的问遥，但 学术界尚未对数字水印有一个一致的明确的定义。综合一些学者提出的定义并 分析已有的数字水印方案，数字水印定义为：嵌入于宿主数据中的、具有可提 取性的、且不影响宿主数据可用性的数字信号或模式，它是为了说明宿主数据 的某一属性而存在的。 数字水印技术是信息隐藏( i n f o r m a t i o nh i d i n g ) 技术的一；= 分支。 1 2 数字水印技术的发展概况厦现状 121 数字水印技术的发展概况 1 9 9 3 年，a r t t r k e l 等在“e l e c t r o n i c w r a t e r m a r k ”一文中首扶使用了 “w a t e r m a r k ”这一术语。1 9 9 4 年在一次国际重要学术会议上由t t r k e l 等人 发表了题目为“a 咄i t a lw a t e r m a r k ”第一篇有关数字水印的文章，当时他们 嚣蠹 萝 m 第一章绪论 已经意识到了数字水印的重要性，提出了数字水印的概念及可能的应用，并针 对灰度图像提出了两种向图像最低有效位中嵌入水印的算法 2 1 。t i r k e l 还是第 一个认识到可以将扩频技术应用到数字水印中的人，他提出可以使用扩频技术 向静止图像中添加水印。随后几年国际上相继发表了大量的关于数字水印技术 的学术文章，内容主要是数字水印的理论研究，包括数字水印的特点和分类、 模型、应用、算法等 3 - 1 5 】。其中，c o x 3 1 等人提出的基于扩频通信的私有水印 算法已经成为数字水印技术中一个比较经典的算法。 在数字水印技术的发展进程中，人们不断尝试将新的理论和方法引入到这 一领域，以期改善数字水印技术的性能。为了增强数字水印对几何变换攻击的 抵抗能力，基于不变矩的图像归一化方法被应用于图像数字水印方案中。另 外还有应用分形、数学形态学、奇异值分解等理论嵌入数字水印技术。1 9 9 9 年，k u t t e r 等【6 】提出了“第二代数字水印”的概念，突破了以往将数字水印嵌 入到宿主信号最不重要部分的思想栓桔，推动了数字水印技术的发展。图像数 字水印作为数字水印技术的“摇篮”，孕育了很多具有普遍意义的方法，为其 它媒体形式数字水印技术的研究及应用奠定了基础，视频数字水印、音频数字 水印等也随着图像数字水印技术的发展迅速发展起来。 1 2 2 国内外研究现状 1 9 9 6 年在英国剑桥牛顿研究所召开了第一届国际信息隐藏学术研讨会，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。到1 9 9 9 年第三届国际信息隐藏学术研讨会，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。目前不论是 学术界还是工业界对数字水印技术的研究热情都很高，关于数字水印方面的文 章不断增多，有关数字水印和信息隐藏的会议也增长很多，工业界则大幅度提高 了对水印研究的资助程度。 我围近年来已有少数的研究所和大学开展了对水印技术的研究工作，如： 中科院自动化研究所的模式识别国家重点实验室、天津大学图像信息中心、东 北大学软件中心、清华大学、北方工业大学等。数字水印的研究引起了各种学 科的研究人员的兴趣，但受关注的程度不及国外，研究的人员不多，研究的领 域不广，从理论和实际成果两方面来看，国内在数字水印方面的研究工作还处 北京化工大学硕士学位论文 于刚起步阶段。面临加人舳之后的巨大挑战和机遇，我国已明确表示：所 有的知识产权保护和安全认证问题不可能依靠国外的力量，必须由我们自主开 发解决。因此，无论从学术研究角度，还是从应用技术的角度，开展数字水印 的研究都具有十分重要的意义。 1 3 数字水印技术概述 1 3 1 数字水印的基本原理 一个完整的数字水印系统大致分为以下三个部分：数字水印的生成、数字水 印的嵌入、以及数字水印的提取( 如图1 2 ) 。 ( 1 ) 数字水印的生成：当选用有意义的图像作为数字水印时，这部分是 指数字水印图像的选择或绘制，使之有很好的标示作用和表达能力。当选用无 意义的随机序列作为数字水印时，这部分指随机序列的生成。 ( 2 ) 数字水印的嵌入：按照特定的嵌入算法将数字水印嵌入宿主( 图 像、音频、视频等) 中。 ( 3 ) 数字水印的提取：在需要时将数字水印提取出来，以证明媒体的版 权归属或识别版权所有者身份。数字水印系统的一般框图为： 图1 - 2 数字水印系统的一般模型。 f i g 1 - 2g e n e r a lm o d e lo fd i i 酉t a lw a t e r m a r k i n gs y s t e m 从图象处理的角度看，嵌入水印信号可以视为在强背景下迭加一个弱信 号，只要迭加的水印信号强度低于h v s 的对比度门限，h v s 就无法感到信号 的存在。从数字通信的角度看，水印嵌入可理解为在一个宽带信道( 载体图 4 第一章绪论 象) 上用扩频通信技术传输一个窄带信号( 水印信号) 。尽管水印信号具有一 定的能量，但分布到信道中任一频率上的能量是难以检测到的。 水印的嵌入过程如图1 3 所示： 己一瓣 l! i ， ：j i 圃j 图1 3 数字水印嵌入的一般模型。 f i g 1 - 3g e n e r a lm o d e lo fe m b e d d i n gw a t e r m a r k 有两种常用的水印嵌入公式 其中，前者为加法规则，后者为乘法规则。这里，仇，硝分别表示原载体图像 象素和嵌入水印后图像象素；叫t 水印信号分量，0 i k ；a 为强度因子。 为了保证在不可见的前提下，尽可能提高嵌入水印的强度，n 的选择必须考虑 图像的性质和视觉系统的特性。早期许多水印嵌入算法都采用空域方法和加法 规则，近年来，变换域水印嵌入算法得到更多的研究。 在某些水印系统中，水印可以被精确地抽取出来，这一过程被称做水印提 取，比如在完整性确认应用中，必须能够精确地提取出插入的水印，并且通过 水印的完整性来确认多媒体数据的完整性。如果提取出的水印发生了部分的变 化，最好还能够通过发生变化的水印的位置来确定原始数据被篡改的位置。对 于强壮水印，通常不可能精确地提取出插入的原始水印，因为一个应用如果需 要强壮水印，说明这个应用很可能遭受到各种恶意的攻击，水印数据历经这些 操作后，提取出的水印通常已经面目全非。这时我们需要一个水印检测过程， 通常水印检测的第一步是水印提取，然后是水印判决。水印判决的通常做法是 5 薏 0 0 二+ o 眈 仇 = = 北京化工大学硕士学位论文 相关性检测。选择一个相关性判决标准，计算提取出的水印与指定的水印的相 关值，如果相关值足够高，则可以基本断定被检测数据含有指定的水印。从以 上论述可以看出，水印提取的任务是从嵌入水印的数据中提取水印信号，而水 印检测的任务是判断某一数据内容中是否存在指定的水印信号，水印的提取或 检测如图1 4 所示。 图1 - 4 数字水印检测( 提取) 的一般模型。 f i g 1 _ 4g e n e r a lm o d e lo fd e t e c t i o nw a t e r m a r k 1 3 2 数字水印的特点 数字水印技术除应具备信息隐藏技术的一般特点外，还有着其固有的特点 和研究方法。例如，从信息安全的保密角度而言，隐藏的信息如果被破坏掉， 系统可以视为安全的，因为秘密信息并未泄露：但是，在数字水印系统中，隐 藏信息的丢失意味着版权信息的丢失，从而失去了版权保护的功能，这一系统 就是失败的。数字水印应具有的特征随具体应用要求的不同而不同，但以下几 个特征是通常的数字水印应具备的基本特征。 ( 1 ) 透明性( 隐藏性) ：水印信号嵌入载体信号后，与原宿主图在视觉 表现上无差别，既水印信号不会被人感之。 ( 2 ) 保真性：再合适的度量标准下，原图像和掩蔽图像之间的相似度必 须能过满足视觉需求。 ( 3 ) 鲁棒性( 免疫性) ：指阻抗各种信号处理操作和恶意攻击而不导致 水印信息丢失的能力。所谓的信号处理操作包括：传输过程中的信道噪声、滤 波、模糊、信号增强、压缩、几何变换、d a 或a d 转换等。所谓的攻击包 括：篡改、伪造、去除水印等。 6 第一章绪论 ( 4 ) 无歧义性：提取的水印或水印检测的结果能够准确地表明所有权， 不会发生歧义。 ( 5 ) 隐藏位置的安全性：指将水印信息藏于目标数据的内容之中，而非 文件头等处，防止因格式变换而遭到破坏。 ( 6 ) 通用性：好的水印算法适用于多种文件格式和媒体格式。通用性在 某种程度上意味着易用性。 ( 7 ) 计算效率：最后水印算法的效率也是应考虑的因素之一，水印算法 应能用硬件或软件有效地实现。特别是水印算法的速度对分布式网络上的多媒 体数据监视来说应足够快。 1 3 3 典型数字水印算法 近几年来，对数字水印技术的研究取得了一定成效，本节将对一些典型的 算法进行分析。按其特征可将目前的数字水印算法分为：空域( 时域) 算法， 频域算法，基于统计学的算法，基于生理模型的算法等。下面将对近几年数字 水印算法的发展演变过程及其问的一些典型算法进行介绍，其中大部分算法针 对的源数据是图象( 某些算法也适合视频和音频数据) ，因为图象水印是水印 技术研究的重点。 ( 1 ) 空域算法，该类算法包括文本水印算法、s c h y n d e l 算法、p a t c h w o r k 算法和纹理块映射编码法等几种类型。其中s c h y n d e l 算法 2 1 是比较具有历史 价值的，阐明了一些关于水印的重要概念和鲁棒水印检测的通用方法( 如相 关性检测方法) ，此算法首先把一个密钥输入一个m 序列( m a x i m u m 1 e n g t h r a n d o ms e q u e n c e ) ( 也成伪随机序列) 发生器来产生水印信号，然后将此m 序 列重新排列成2 维水印信号，并按象素点逐一插入到原始图象象素值的最低有 效位。由于水印信号被安排在了最低位上，它是不可见的，基于同样的原因， 它可以轻易地被移去，因此也是不强壮的；b e n d e r 、b r a s s i l 等i t 6 1 描述了几种 文本数据的水印方法。它们主要是通过轻微改变字符问距，行间距或是增加、 删除字符特征如底纹线等方法来嵌入水印。作者也指出，这些方法无法抵御 攻击。攻击者通过修改字符间距、行间距而破坏水印。一般来说，文本数据 很难通过基于叠加噪声的水印方法来嵌入信息，因为o c r ( o p t i c a lc h a r a c t e r t e c h n o l o g y ) 技术可以消除它们。另外还可以在符号级或语义级加入水印。 7 北京化工大学硕士学位论文 例如，可以用b i g 替换文本中的l a r g e ，不过这种方法仍然不能有效地抵御攻 击【2 ：1 6 1 。 1 9 9 5 年b e n d e r 等人提出了图像水印的p a t c h w o r k 算法。一种基于改变图象 数据统计特性的水印算法，该算法首先随机选取n 对象素点，通过修改象素对 的高度值来嵌入隐藏信息。为增加其水印的鲁棒性，文中还把象素对扩展为小 块的象素区域( 如8 8 ) ，通过增加一个区域中的所有象素点的亮度值而相应 减少对应区域中所有象素点的亮度值的调整来隐藏信息。但该算法嵌入量低， 且对串谋攻击抵抗力弱【1 6 1 。 纹理块映射编码法根据图像的纹理特性将一个基于纹理的水印嵌入到图像 的具有相似纹理的对应部分当中，这个方法是基于图像的纹理结构的，因而很 难察觉水印。但是由于水印信号是嵌入图像某一部分当中，对剪切等图像处理 操作性能较差，而变换域则能较好地解决这个问题。 ( 2 ) 变换域算法，d c t 域数字水印算法( 如文献h o ) 通常是首先把图 象分成8 8 的不重叠象素块，在经过分块d c t 变换，得到由d c t 系数组成的 频率块，然后随机选取一些频率块，由密钥控制将水印信号嵌入到对应的一 些d c t 系数中。该算法是通过对指定的d c t 系数进行微小变换来嵌入水印信 息的。在水印信号提取时，则选取相同的d c t 系数，并根据系数之间的关系 提取水印信息。其思想类似于扩展频谱通讯中的跳频( f r e q u e n c yh o p p i n g ) 技 术，特点是数据改变幅度较小，且透明性好，但是其抵抗几何变换等攻击的能 力较弱。其他变换域算法还有诸如d f t 域【13 1 、分形域、小波域【5 ；1 5 1 、多小波 域【1 7 ；1 8 1 、哈达玛变换域等都具有相似的原理。 变换域算法普遍一般采用变换技术，在选定频率域实现水印信号叠加，并 借鉴扩展频谱通讯等技术对水印信号进行有效的编码，较好的实现了算法的透 明性和鲁棒性，同时还适当利用滤波技术对水印信号引入的高频噪声进行了消 除，从而增加了对低频滤波攻击的抵抗力。 变换域的方法相对于空间域方法来说有许多优点：首先从采用变换域的方 法，通过变换技术，可以把图像的视觉最重要的部分直接标记出来；其次，由 于压缩算法大都在频域进行，比如j p e g 的d c t ，j p e g 2 0 0 0 和m p e g 4 中的 小波变换等，采用频域的方法可以提高抵抗压缩操作攻击的能力；再次，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，对图像的空间 8 第一章绪论 坐标平移不敏感，因而可以利用它来恢复经过了仿射变化的图像当中的水印， 又如对数极坐标( l p m ) 变换，对旋转和缩放不敏感，因此利用它可以有效的 抵抗对水印图像的任何旋转或缩放操作攻击。利用小波分析的多分辨特性可以 有效的提高对图像的剪切操作攻击的鲁棒性。 ( 3 ) 扩频水印算法，n e c 实验室的c o x 等人提出的基于扩展频谱的水 印算法在数字水印算法中占有重要地位【3 1 。这一算法提出了强壮水印算法的几 个重要原则： 水印信号应该嵌入到源数据中人的感觉最敏感的部分。在频谱空间中这 种重要部分就是低频分量。水印信号隐藏于图像中最重要的低频部分，可以攻 击者的破坏，因为，攻击者在破坏水印的过程中，会引起图象质量的严重下 降。基于同样的道理，一般的图象处理技术也并不去改变这部分数据。水印的 强壮性大大提高。 水印信号由具有高斯分布的独立同分布随机实数序列构成。这使得水印 经受多拷贝联合攻击的能力大大增强。 解决如何在对人感觉最重要的部分加入水印并同时满足不可察觉的特性 要求。c o x 等人通过扩频通讯技术来寻找这对矛盾之间的解决方法。扩展频 谱通信与一般常见的窄带通信方式相反是在扩展频谱后宽带通讯，再作相关处 理恢复成窄带后解调数据，具有伪随机编码调制和信号相关处理两大特点，有 诸如抗干扰、抗噪音、有保密性、高精度测量等等许多优点。c o x 等人把图 象的频谱空间视为通信信道，水印则视为在此信道中传输的信号。扩频体现在 把水印信号扩展到很多频率段上，以使每一频率段上的能量都小到不可检测的 程度。由于在水印验证的过程中，验证人知道水印的位置与内容，他可以把这 些微弱信号集中起来得到一个有较高信噪比的单一输出。但要想破坏水印，攻 击人必须在所有频段上加入幅度较大的噪声，这无疑提高了水印的安全性。 扩频水印系统的实现方法是：首先以密钥为种子来产生伪随机序列，该序 列具有高斯u ( 0 ，1 ) 分布，密钥一般由作者的标识码和图象的哈希值组成，其 次对图象做d c t 变换，最后用伪随机高斯序列来调制( 叠加) 该图象除直流 ( d c ) 分量外的1 0 0 0 个最大的d c t 系数。该算法具有较强的鲁棒性、安全 性、透明性等。由于采用特殊的密钥，因此可防止m m 攻击，而且该算法还提 出了增强水印鲁棒性和抗攻击能力的重要原则即水印信号应该嵌入源数据中对 9 北京化工大学硕士学位论文 人感觉最重要的部分；水印信号由独立分布随机实数序列构成，该实数序列应 该具有高斯分布n ( o ，1 ) ) 分布的特征。随后k u t t e rf 6 】w a n gf 1 5 】等利用人类视 觉模型对该算法进行了改进，从而提高了该算法的鲁棒性、透明性等。 ( 4 ) 人类视觉模型，水印的鲁棒性与透明性是一对矛盾，解决这一矛盾 的有效途径之一就是充分利用人的生理模型包括人类视觉系统h v s ( h u m 飘 v i s u a ls y s t e m ) 和人类听觉系统h a s 【1 9 】。该模型不仅被多媒体数据压缩系统 所利用，同样可以供数字水印系统所利用。利用视觉模型，m b a r n i 【1 2 】等人实 现了一个基于小波分解框架的数字水印算法。近年来，已有许多的水印算法开 始考虑利用人类视觉系统( h u m 锄v i s u a ls y s t e m ) 的屏蔽特性。它们的基本思 想均是利用从视觉模型导出的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 ) 描述来确定在 图象的各个部分所能容忍的数字水印信号的最大强度，从而能避免破坏视觉质 量。也就是说，利用视觉模型来确定与图象相关的调制掩模，然后再利用其 来插入水印。这一方法同时具有好的透明性和强健性。另外的人类视觉算法 【7 ；1 5 ；1 8 ；1 7 】这里不再一一介绍。 1 4 数字水印分类和应用 1 4 1 数字水印的分类 数字水印系统应用广泛，设计多种多样，因此数字水印的类型有很多种。 从不同的角度出发，就有不同的数字水印分类方法，它们之间是既有联系又有 区别的。本节就目前文献中所出现的数字水印分类方法进行了总结，根据不同 的划分方式，对数字图象水印的分类进行了一些探讨。 ( 1 ) 按水印的特性划分 按水印的特性可以将数字水印划分为鲁棒性数字水印、脆弱性数字水印及 半脆弱性数字水印。鲁棒性数字水印主要用于数字作品的版权保护，它要求嵌 入的水印必须能够经受各种常用的信号处理操作，一般的数据处理不影响授权 者对水印的检测。脆弱性水印要求对数据的改动很敏感，它必须能够判断数据 是否被篡改过，甚至能定位篡改的区域，主要用于认证。半脆弱性水印主要用 于认证，但它能够容忍一定的信号失真。 ( 2 ) 按水印的载体划分 1 0 第一章绪论 按水印被嵌入的载体划分，数字水印可以分为图像水印、音频水印、视频 水印、文本水印以及三维模型的网格水印等。 ( 3 ) 按水印的检测过程划分 按水印的检测过程可以将数字水印划分为非盲水印 ( n o n - - b l i n d w a t e r m a r k ) 半盲水印( s e m i n o n - - b l i n d w a t e r m a r k ) 和盲水印 ( b l i n d w a t e r m a r k ) 。非盲水印在水印检测提取过程中需要原始数据信息。 盲水印的检测一般只需要密钥，但不需要原始数据和原始水印。半盲水印在检 测过程中不需要原始数据，但需要原始水印。通常，非盲水印的鲁棒性比较强 一些，但是其应用受到原始数据是否能提供及存储成本等的限制，具有一定的 局限性。 ( 4 ) 按外观上划分 按外观上划分可以分为可见水印和不可见水印。不可见水印指从外观上水 印是不可察觉的，也就是从视觉上不能觉察到水印的存在，但是当发生版权纠 纷时，所有者可以从中提取出标记证明该物品为某人所有，主要用于版权保护 和内容鉴别。可见水印就是指从肉眼可以看到的水印，就像插入或覆盖在图像 上的标识，主要用于版权和广告通知，正是由于作品中水印可见，它才能打消 唯利是图的人非法占有含水印作品的意图。 ( 5 ) 按水印嵌入的位置划分 按数字水印的嵌入位置可以分为时空域数字水印、变换域数字水印和特征 域数字水印等。时空域数字水印是将水印信息直接叠加在载体的时空域上。变 换域数字水印是在变换域( 如d c t 、d f t 、d w t ) 中嵌入水印。特征域数 字水印主要在载体的特征区域或特征点上嵌入水印。 ( 6 ) 按内容划分 按内容可分为有意义水印和无意义水印。有意义水印指水印信息本身是一 个有意义图像或一段文字等。无意义水印指水印信息是一个随机序列或产品序 列号，没有实际意义。有意义水印具有直观性好、形象性和可靠性高等优点。 无意义水印嵌入和提取过程相对简单，算法计算量较小，具有方法简单、速度 快、使用方便等优点，但其只具有统计意义，只能通过统计决策来判断信号中 是否含有水印，直观性不够强，安全性也不高。 此外，还有许多其它分类方法。例如，按照水印的用途划分，可以分为： 北京化工大学硕士学位论文 防伪数字水印、版权保护数字水印、篡改提示数字水印、隐蔽标识数字水印； 按照水印方法是否可以公开划分，可以分为：公开数字水印、半公开数字水 印、秘密数字水印；根据嵌入与检测操作的复杂度划分，可以分为：对称数字 水印、非对称数字水印等。 1 4 2 数字水印的应用领域 近几年来，由于互联网技术的出现和水印技术的快速发展，数字水印技术 及其应用领域己越来越广泛，目前数字水印技术的应用包括以下几个方面： ( 1 ) 版权保护。随着互联网和电子商务的迅猛发展，互联网上的多媒体 信息急剧膨胀，数字产品的版权保护问题是当前的热门话题。数字水印用于版 权保护主要有三个方面的左右；1 ) 当发生版权纠纷时，为版权所有者提供版 权证据；2 ) 对非法盗版者起到威慑作用：3 ) 在发现盗版时，能够找到为盗版 者找到提供原始资料的用户。 ( 2 ) 交易跟踪。利用水印可以记录作品的某个拷贝所经历的一个或多个 交易。例如，水印可以记录作品的每个合法销售和发行的拷贝接受者。作品的 所有者或创作者可在不同的拷贝中加入不同的水印。如果作品被滥用，所有者 就可以找出那个应该负责的人。 ( 3 ) 防止非法复制。要有效的保护版权，还应该有有效的技术手段，以 使非法授权者不能对数字产品进行非法拷贝。一种方法就是在数字产品中嵌入 反映拷贝状态的水印。人们可以将水印嵌入到内容中，与内容一同播放，如果 每个录制设备都装有一个水印检测器，设备就能够在输入端检测到“禁止拷 贝”的水印时禁止拷贝操作。 ( 4 ) 图像认证。认证的目的是检测是否对数据的做出了修改，可用脆弱 水印方案来实现图像认证。用于真伪鉴别的水印就应该是脆弱的，对图像做任 何信号处理都会将水印破坏掉，某些脆弱水印甚至能够定位图像被篡改的区 域。 ( 5 ) 保密通信。可以把需要传递的秘密信息嵌入到可以公开的图像中， 一由于嵌入秘密信息的图像在主观视觉上并未发生明显的变化，觉察到秘密信 息的存在的概率非常小。同时，嵌入信息的方法可以结合密码学，即使攻击者 知道秘密信息的存在，要提取和破译该信息也是很困难的。数字水印技术不仅 1 2 第一章绪论 可以用于军事，也可用于商业、个人隐私的保密，比如网上银行交易时敏感信 息的传输、谈判双方秘密协议及合同的互递、重要文件的数字签名、个人隐私 的隐藏传递等等。 ( 6 ) 电子商务中的网页保护和票据防伪。随着各种各样的网站的不断涌 现，随之而来的网页内容的篡改和非法盗链问题也日益严重。在网页中加入合 适的水印将成为保护网页，防止非法篡改和盗链的一种有效手段。随着高质量 复制设备的出现和电子商务的兴起，票据防伪技术也在不断发展，电子商务中 各种电子票据的有效防伪是十分重要的。 1 5 本文研究的目的和意义 数字水印技术一方面弥补了传统密码技术的缺陷，因为它可以为解密后的 数据提供进一步的保护；另一方面，数字水印技术也弥补了数字签名技术的缺 陷，因为它可以在原始数据中一次性嵌入大量的秘密信息。数字水印技术作为 一个跨多领域、多学科的技术体系，由于它与具体的应用环境密切相关，每个 研究人员介入的角度、采用的研究方法和设计策略及研究目的也各不相同，导 致了数字水印技术研究成果的多样性以及数字水印技术研究的不统一性和不完 善性。由于目前国际上的水印技术尚未形成一个统一的标准，形成一个共同遵 循的标准己成为一个迫切的需要。然而，标准的算法必须有其优越性、通用性 和有效性，并要得到世界各国的认同，所以形成标准是一项艰巨而又长远，又 具有重大意义的任务。由于小波变换的优点以及j p e g 2 0 0 0 压缩标准( 采用小 波变换压缩编码标准) 的普及，在小波变换域研究水印处理技术是目前的热 点，在该领域形成水印算法标准的可能性最大。数字图像是现实中最普遍的数 据形式，应用于数字图像的水印算法同样可以移植到音频、视频载体上，具有 较高的普遍性。因此本论文研究基于多小波变换域的数字图像水印的算法设计 与仿真具有重要的意义，本课题研究的目的就是要分析用于图像版权保护的鲁 棒水印算法，采用基于离散多小波变换多分辨率分析的方法，结合多小波特 征，和自适应的思想，在水印的鲁棒性和不可察觉性之间取得最佳的平衡，并 尽可能实现以较低的算法复杂度满足实际版权认证的需求。 1 3 北京化工大学硕士学位论文 1 6 本文的研究内容 本文的目的是研究基于多小波( 包括平衡和非平衡的多小波) 的多比特乘 性水印机制。其中研究内容有以下几个方面。 ( 1 ) 设计了一个新颖的基于多小波多比特乘性水印系统，这一水印系统 的嵌入机制是自适应的，水印的解码机制( 也就是提取) 是盲的，即无需参考 原始图像。 ( 2 ) 开发个一个新的自适应视觉模型j p w ，该模型很好反映了空间频 域，光照，纹理等视觉因素对噪声变化的敏感度。 ( 3 ) 根据本文提出的嵌入机制，我们使用最大似然( 池) 检测规则，推 导了该嵌入机制下的最优解码判别准则。 ( 4 ) 多小波特征作为判别多小波优劣的重要标志，在图像处理领域发挥 着重要的作用。在本文中，我们从多个方面评价了多小波特征对数字水印系统 的深刻影响。 本文章节安排如下： 第一章介绍论文的选题及意义、论文的研究内容及章节安排情况，并且详 细介绍了数字水印的定义，发展状况，系统地论述了数字水印技术的研究进展 情况，首先介绍了数字水印技术的提出背景、基本概念、基本原理、特性，然 后重点分析了数字水印典型算法，水印分类和数字水印的应用。 第二章详细介绍了多小波的相关理论，主要包括多小波多分辨分析的由 来，离散多小波变化，平衡和预滤波，以及最为重要的多小波特征。最后，重 点介绍了2 一d 离散多小波变换。 第三章系统地论述了本文提出的数字水印系统。首先，我们推广了自适应 的嵌入机制，以适应与多小波变换；其次，我们开发新颖的自适应视觉模型 j p w ，以更好的捕捉h v s 特征，从而进一步改进水印性能；最后，在假定多小 波细节子带系数服从广义高斯分布( g g d ) 的前提下，使用最大似然( m l ) 检测规则，推导了该嵌入机制下的最优解码判别准则。 第四章用翔实的实验数据说明了本文提出的水印系统实现了保真度和鲁棒 性的最好折中，并且，与现有先进算法相比，本文提出的水印机制，不管是在 1 4 第一章绪论 水印系统的折中性，还是在对抗各种攻击的鲁棒性上都获得了更加优越的性 能。 第五章，我们给出了本文的结论和展望。 下面，将为大家解密有趣的多小波变换， 北京化工大学硕士学位论文 第二章多小波的理论 这一章系统地回顾一下与多小波有关的理论。首先介绍多小波的发展概 况，从这里我们将会对多小波有一个大体的了解；接下来