（信息与通信工程专业论文）静态图像数字水印和信息嵌入算法研究.pdf

国防科学技术人学研究生院学位论文 摘要 本文研究了静态图像的数字水印和信息嵌入问题。 第一章介绍了数字水印和信息嵌入的概念，对当前数字水印和信息嵌入的研究现 状进行了综述，并介绍了这项技术可能的应用领域。 第二章研究了对静态图像嵌入特定水印信息的方法，包括水印信息检测时使用原 始图像的算法和不使用原始图像的算法，以及利用易损水印检测图像变化的= 三个算 法。 第三章研究了图像空域巾的信息嵌入算法，利用人类视觉系统的特点确定嵌入强 度，在对嵌入信息提取时利用图像的局部相关性，采用预测处理过程抵消原始图像能 量，保持嵌入信息能量。对算法进行了详细的理论分析和推导，实验结果取得了和理 论分析的一致。 第四章研究算法的嵌入域为图像的小波变换域，嵌入算法利用小波变换域图像压 缩的视觉模，掣保证了结果图像的视觉质量。嵌入信息检测时，利用了图像小波变换系 数的统计特性，提出了利用最大似然估计对嵌入信息进行估计的方法。文章对算法进 行了详细的理论分析和推导，实验结果进一步验证了用广义高斯分布描述图像小波变 换系数统计特性的合理性。 本文最后一章对全文工作进行了总结，并就进一步的研究 作提出了几点建议。 关缝词数字水印信息嵌入假设检验信息估计 里堕型主垫查奎兰塑垄竺坚堂笙笙兰 a b s t r a c t s t i l li m a g ed i g i t a lw a t e r m a r k i n ga n di n f o r m a t i o ne m b e d d i n ga l g o r i t h m sa r es t u d i e di n t h i st h e s i s i nc h a p t e r2 ，t h ea l g o r i t h m se m b e d d i n gaw a t e r m a r kt oi d e n t i f yt h ei m a g ea r es t u d i e d t h r e ea l g o r i t h m sa r es t u d i e di n t h i sc h a p t e r ，f i r s tan o n b l i n da l g o r i t h m ，s e c o n dab l i n d a l g o r i t h r n ，a n dt h i r da l la l g o r i t h mt od e t e c tt h ea l t e r a t i o no f a ni m a g e i nc h a p t e r3 ，a na l g o r i t h me m b e d d i n gb i ts e r i e si ni m a g es p a t i a ld o m a i ni ss t u d i e d t h e a l g o r i t h md e t e r m i n e se m b e d d i n gs t r e n g t hu s i n gc h a r a c t e r so fh u m a n v i s u a ls y s t e m ，s ot h e r e s u l ti m a g e sq u a l i t yi sg u a r a n t e e d t h ea l g o r i t h mu t i l i z e st h ef a c tt h a tn a t u r ei m a g ed a t a i sl o c a l l yc o r r e l a t e d ，a n dl i s e sap r e c e d em e t h o dt or e d u c et h eo r i g i n a li m a g e se n e r g y , a n d a tt h es a m ep r e s e r v e st h ew a t e r m a r ki n f o r m a t i o n t h ea l g o r i t h mi sd i s c u s s e di n d e t a i li n t h e o r y , a n de x p e r i m e n tr e s u l ts h o w sc o n s i s t e n c ew i t ht h e o r y ， i nc h a p t e r4 ，a na l g o r i t h me m b e d d i n gb i ts e r i e s i ni m a g ew a v e l e tt r a n s f o r md o m a i ni s s t u d i e d t h ea l g o r i t h mu t i l i z e st h em o d e lo fh u m a nv i s u a ls y s t e mi nw a v e l e td o m a i n ，t h e q u a l i t yo f r e s u l ti m a g ei sp r e s e r v e d t h eg e n e r a l i z e dg a u s s i a nd i s t r i b u t i o ni su s e dt om o d e l t h es t a t i s t i c a lp r o p e r t yo fi m a g e sw a v e l e tt r a n s f o r mc o e f f i c i e n t s ，a n da m o s t l i k e l y e s t i m a t i o nm e t h o di sp r o p o s e dt oe x t r a c tt h ee m b e d d e di n f o r m a t i o n ，t h ea l g o r i t h mi s a n a l y z e di nd e t a i l ，a n de x p e r i m e n tr e s u l ta g a i ns h o w st h a tt h ed i s t r i b u t i o no f i m a g ew a v e l e t t r a n s f o r mc o e f f i c i e n t sc a r lb ew e l lm o d e l e du s i n gt h eg e n e r a l i z e do a u s s i a nd i s t r i b u t i o n i nt h el a s tc h a p t e r , w o r ko ft h et h e s i si ss u m m a r i z e d a n dt h ef u r t h e rr e s e a r c hd i r e c t i o ni s d i s c u a s s e d k e yw o r d s ：d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ，i n f o r m a t i o ne m b e d d i n g ，h y p o t h e s i st e s t ， i n f o r m a t i o ne s t i m a t e i i 里堕型主苎查奎兰竺至兰堕望鱼笙苎 第一章绪论 目前计算机网络和信息处理技术迅速发展多媒体信息的制作、使用和传播形式 已经完全数字化，数字化信息和模拟形式信息相比在处理和传播方面有着巨大的优越 性，例如数字技术可以做到高精度处理，数字处理使得计算机软件逐渐代替硬件发挥 了巨大的功能，同时使得系统的可重用性大大提高。但是，人们在享受数字化世界优 点的同时也发现了许多新问题，例如对数字信息无限制拷贝的事实无能为力，因为数 字信息的复制是一个简单的过程，而且得到的拷贝与原始信息完全一致，这可能给数 字信息的制造者和提供者带来巨大的经济损失。传统的密码学对信息的保护手要体现 在信息的传输过程中，信息一旦解密信息就得小到任何保护，所以对信息的非法使用 无法根本解决。在这种情况下，数字水印技术被提出作为对数字信息保护的种补充 锯澳方法 1 h 1 3 1 1 4 j 5 】【6 】。 数字水印技术主要是将一定的识别信息“永久”的嵌入在宿主信息中( 而不是信 息特定格式的文件头中) ，这种嵌入信息要有一定的稳健性，同时对人类感知系统而 言是无法感知的 ”。嵌入的信息可能包含宿丰信息的来源、作者等。虽然数字水印技 术并不能直接解决对数字信息的版权保护，但是，它至少可以提供有用的信息，和密 码学等其他技术结合提供版权保护的解决方案。 目前，虽然数宁媒体的版权保护是数字水印技术最主要的潜在应j 甘，但数字水印 技术在许多其它领域的应用也正在引起人们的注意( 7 1 【”。例如，利用易损数字水印进 行信息的验证，易损数字水印和用于版权保护的数字水印不同，它在宿主信息受到处 理后将随之变化，利用易损水印可以帮助我们校验数字信息内容的可靠性，同时利用 易损水印的变化口丁以帮助我们确定宿主信息可能经过的处理，进一步确定信息的可信 度。另外，对数字信息嵌入其它非用于版权保护目的信息也是一个j 下住兴起的应用领 域。 1 1 数字水印技术的起源和概念 1 1 1 数字水印技术的历史起源 随着通信技术的产生，人们就出现了隐蔽通信这种想法【9 l u 叭。古希腊的文献中出 现了隐蔽通信的记载，s t e g a n o g r a p h y 这个现在还在使用的词就出自古希腊语，它的字 面意思是“密写术”，其含义就是潜在通信或隐蔽通信。大约7 0 0 年前，意大利的纸 制造商发明了利用水印标识自己产品的方法。后来，人们开始对特定的纸制品如：纸 币、票据，加入水e j j 以辨别真伪。数字水印技术可以说就是受到了纸制品水印技术的 影响而产生的。在1 9 9 0 年左右t a n a k a 等人提出了静态图像数字水印技术的想法l 【， 1 9 9 3 年t i r k e l 【1 3 正式对图像的数字水印技术提出了“w a t e rm a r k ”这个词，之后逐 第1 丽 国防科学技术人学研究生院学位论文 渐演变成目前使用的“w a t e r m a r k ”。1 9 9 6 年左右，人们开始对多媒体数字水印技术投 入越来越多的兴趣，大量的文章开始出现在各种学术会议和期刊上，许多研究机构和 公司开始研究这项新兴的技术。 1 1 2 数字水印、信息隐藏以及隐蔽通信的概念和关系 数字水印、信息隐藏和隐蔽通信的思想都是：将一定的信息( 嵌入信息) 隐含在 另一种信息( 宿主信息) 之中，使得嵌入信息随着宿主信息进行传递。确一一定的条件 下，嵌入信息可以被提取或检测。但是，数字水印、信息隐藏和隐蔽通信由于不同的 应用有着不同的特点。 ( 1 ) 隐蔽通信( s t e g a n o g r a p h y ) ：隐蔽通信丰要是将需要传递的信息隐含在 不被怀疑的宿主信息巾，在不被第三方发觉的情况下进行点对点的通 信。隐蔽通信往往要求的数据量比较大，而且通常不具有稳健性， 旦宿主信息受到破坏，嵌入的信息往往无法恢复。隐蔽通信常常通过 改变宿主信息或宿主信息某种变换的低比特位进行。 ( 2 ) 数字水印( d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ) ：数字水印和隐蔽通信相反，对嵌入 信息要求具稳健性。即使在其他人知道宿主信息中含有嵌入信息时也 不能轻易的将其去除。实际中往往使得嵌入信息非常少甚至只有1 比 特，以达到稳健性的要求。可以看到，数字水印和隐蔽通信对嵌入信 息的容量和稳健性有着不同的要求，可以晚是两种互补的技术。 ( 3 ) 信息隐减和信息嵌入( i n f o r m a t o nh i d i n ga n d i n f o r m a t i o ne m b e d d i n g ) ： 信息隐藏和信息嵌入在不同的上下文往往具有不同的含义，它经常指 的是介于隐蔽通信和数字水印两者之间的一种技术。通常用于将嵌入 信息作为一种对应用的特定辅助性况明等用途。例如，在图像中嵌入 特定内容的描述，并且在图像格式转换时保证信息不损失，这样对于 基于内容的图像检索，以及重要图像的数据库管理都可以提供很大的 帮助。 上面介绍的数字水印、信息隐藏和隐蔽通信三种技术的区别并1 i 是绝对的， 它们的共同点就是：在一种宿主信息中嵌入另外一种信息，并且不给宿主信息带 来明显的失真。日前研究中有时并不严格的区分它们，而统称它们为数宁水印技 术，在文章的上下文中表明具体的应用条件。本章后面也统称这三种技术为数字 水印技术，并做进一步的介绍。 1 1 3 数字水印技术分类 目前的数字水印技术从应用目的上可以分为三类： ( 1 ) 用于版权保护的数字水印：这种数字水印应该具备以下的特点： ( a ) 嵌入信息后，对宿主信息的主观质量不应该引起驯显盼变化，例如对 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图像而言，观察者对嵌入信息后的宿主图像应该感觉不到与原始图像 的明显不同。 ( b ) 嵌入信息后的宿乇信息在受到一些处理后，嵌入信息j 避该仍然存在。 当然，宿主信息处理所经受的处理强度应该是有限的，通常以处理后 是否仍然保持信息的商用价值为界限。例如对图像而言，这种处理席 该保持图像质量下降玎；太大。 ( c ) 对于未经许可的第三方应该无法或是很难检测到嵌入信息的存在，给 不能轻易地去除。 ( d ) 对于经过许可的人可以可靠地提取出嵌八信息或检测到嵌入信息的 存在，在某些情况下，呵以消除嵌入信息。 以上4 点中的( b ) 和( c ) 是最为困难的要求，但是，如果嵌入信息u j 以轻易 地去除，则这种水印技术将没有很大的使用价值。所以，这两点又灶最为重要的要 求。 ( 2 ) 用于进行信息可靠性验证的数字水印：由于数字化信息的处理非常方便， 利用计算机软件，人们可以方便地对图像、语音甚至视频序列进行编辑和 修改而且在网络t - _ 进行的数据传输有时可能被黑客所截挟和更改。这样 对些应用领域例如新闻出版，如何验证接受信息的叮信度成为个需要 解决的问题。对于文本信息可以利用数字签名的方法进行，但是，对于图 像信息，这种数字签名的方法是不完全的，首先图像的数据量比较大，而 且图像信息有比较大的冗余度，对于传输过程巾偶然出现的个别差错叮能 并不重要。对图像的修改和恶意的编辑是对图像可信度最大的破坏。同前 易损数字水印被提出作为这个问题的一个可能的解决方法，易损数字水印 被认为需要满足以下4 个特点： ( a ) 嵌入信息对宿主信息的主观质量不应该有明显的变化。例如对图像而 言，观察者对嵌入信息后的宿主图像应该感觉= i _ f i 到与原始图像的明显 不同。 ( b ) 在宿主信息遭受了处理后，嵌入信息将随之改变。 ( c )对于未经许可的第三方应该无法或是很难检测到嵌入信息的存在，并 且无法嵌入伪造的信息，使接收方认为信息可信。 ( d ) 对于经过许呵的人可以可靠地提取出嵌入信息，并且利用提取的嵌入 信息可以估计出宿主信息是否被改变，如果被改变，i r 以进一步提供 改变的性质和发生的位置等信息。 这些要求巾的( c ) 和( d ) 是易损水印区别于其它数据验证技术的特点，i _ j 时易损水印对信息的验证也应该不需要除了已知密码之外的任何信息。 ( 3 ) 可见数字水印：可见数字水印是一种图案，例如公司的徽标，这种图案被 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 嵌入或重叠在宿主图像上，明显的标记某种信息。可见数字水印和纸制品 的水印有着相似的特性和功麓。它主要用于明显标识网上的免费样图，以 防止这些样图被用于未被许可的商业目的。可见数字水印往往有着下列特 性： ( a ) 水印应该明显可见 ( b ) 水印图案很难被去除 ( c ) 水印图案应该可以显著的加在一系列性质不同的图像中。 这些特点中( c ) 并不是很容易满足，对于不同性质的图像，加入的图案往 往有的明显，有的几乎看不见。b r a u d a w a y ”1 提出了一种利用密码和嵌入图案控 制原始幽像亮度变化的嵌入方法，密码用于产生随机数控制亮度变化的幅度， 以使得嵌入的图案无法轻易去除。从严格的意义上说可见水印不属于前面介绍 的基于信息隐藏的数字水印技术，也不是本文的研究内容。 1 2 数字水印技术的原则和模型 本节主要介绍用于信息隐藏的数字水印的简单模型和一些基本原则。 一个数字水印算法由水印信息的嵌入、水印信息的提取和检测两部分组成。图 121 为水印信息嵌入过程的简单示意图。 嵌入 信息w 历 主信息r 图1 2 1 水印信息的嵌入 在水e n i d 息的嵌入过程中主要有两个力面的问题： ( 1 ) 水印信号w 的生成。水印信号w 的生成往往决定了算法的安全性， w 的生成主要由嵌入信息，和密码膏控制生成，本质上是将需要嵌入 的信息1 ( 可能是一个比特序列) 在密码k 的控制下调制牛成水印信 号。可以用公式( 12 1 ) 表示： 彤= f o ( ，k ) ( 1 2 1 ) 有时水印信息的生成可能与原始宿主信息有关，此时的产生可由 ( 1 2 2 ) 式表示： 篇4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 w = 工( ，k ，) ( 1 2 2 ) 以上的函数厶表示特定的信息调制方法。 ( 2 ) 水印嵌入方法的设计。如何把水印信号嵌入到原始宿主信息中去往往是决 定算法性能的关键，嵌入方法决定着对原始宿主信息影响的大小，并且很 大程度上决定了算法的性能。嵌八方法可以用( 1 2 3 ) 式表示： 】，= 一( z ，) ( 1 2 3 ) 嵌入函数：可以为简单的线性叠加，也可能为各种非线性的处理方法。目 前，往往采用自适应于原始宿主信息内容的方法进行水印信息的嵌入。 图12 ，2 为水印信息提取和检测的示意图。水印信息的检测主要足针对嵌入算法 设计，在密码k 控制下，对嵌入信息进行估计，并且利用一定的指标对估计的结果 进行评价。有的情况下对特定的嵌入信息是否存在迸彳亍检测，以得出待检测信息y 中 是否含有特定的嵌入信息。图1 2 2 中的虚线表示有的算法需要借助原始宿主信息进 行嵌入信息的提取和估计，这类算法被称为非盲水印( n o n b l i n d w a t e r m a r k i n g ) 或私 用水印( p r i v a t e w a t e r m a r k i n g ) 可以用( 1 2 4 ) 式表示： i = g ( x ，r ，k ) ( 12 4 ) 其中j 为对嵌入信息，的估计或者是对特定嵌入信息，是否存在的一个判决。在许多 应用条件下，嵌入信息的提取和检测无法利用原始宿主信息，这类算法被称为盲水印 ( b l i n dw a l e r a l a r k i n g ) 或公用水印( p u b l i cw a t e r m a r k i n g ) 。这时可以朋( 12 5 ) 式表 不： ，= g ( y ，k ) ( 1 2 5 ) 盲水印相对而言更为困难，但是可应用领域更多。 原始宿主信息x 待检测信息y 密码k 提取出的信息或者 水印信息是否存在 的某种度量指标 圈1 2 2 水印信息的提取和检测 目前的研究常常将数字水印系统类比于通信系统，需要传送的是嵌入信息，原始 宿主信息可以看作信道的噪声，而嵌入信息后的宿主信息可能遭受的处理作为信道特 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 性的影响。由于数字水印的不可感知性所要求，水印信息和宿主信息的能量相比非常 小，所以数字水印技术特别是线性嵌入盲水印口r 以看成是低信噪比条件下的一个通 信系统，而且在通信过程中还可能经受各种处理，进一步引入干扰，可见数字水印技 术是项复杂而困难的技术。 1 3 数字水印技术的应用前景和研究现状 1 3 1 数字水印技术的应用前景 多媒体技术、信息的数字化处理技术和i n t e m e t 的普及带来了一系列的相关问题， 以下几个方面的需求构成了数字水印技术的研究背景和可能的应用领域， ( 1 ) 数字作品的知识产权保护 这方面的应用成为目前研究的主要热点，也是最为困难的问题。如何解决 这一问题已经成为人们是否能真正进入数字化时代的一个障碍。目前，这方面 的研究已经有了一些进展，一些原型系统初步得到使用，例如i b m 的“数字 图书馆”软件就提供了数字水印功能，a d o b e 公司著名的图像处理软件 p h o t o s h o p 从5 0 版以后也以插件形式提供了d i g i m a r c 公司的数字水印产品【1 “。 但是，目前市场e 的数字水印产品在技术上还很不成熟，很容易被破坏，距离 真j 下的使用还有很大的差距。由于问题的复杂性，数字水印可能并不能完伞解 决这问题，但是作为其它方法的一个补充还是具有广阔的应用 j 口景。 ( 2 ) 数字信息的防伪 随着i n t e r n e t 的普及，人们更喜欢利用网络传递数据，特别是数据量较大 的图像、视频动画，如何验迁所得到的信息是否可靠成为一个需要解决的问题。 目前，通过计算机软件人们可以方便地对图像进行编辑、拼接和镶嵌，使人们 无法看出伪造图像的任何痕迹。另外，随着电子商务的出现和发展，交易过程 中必然会出现大量的电子文档，例如各种票据的扫描文档，如何验证这些电子 文档的可靠性将直接影响到交易的安个性。这些为数字水印的应片j 提供了很好 的机会，在发送端将数据( 例如某种序列号) 嵌入图像，然后在接收端进行嵌 入数据的提取以验证接收数据的有效性【1 7 】，或者利用易损水印对接收 信息进行可信度的检测足解决这一问题的一个较好思路。 ( 3 )多媒体数据的隐含标谚 在某些情况卜- ，对数据的标识信息比数据更为重要。例如，如何将医学图 像资料与患者、拍摄条件和时问相对应足一个重要的问题，日前的数据库系统 往往将图像和其描述信息分开保存或者在某些图像格式的文件头( 如t i f f 图像 格式) 加入对图像的描述，前者容易引起数据的混乱，后者在可能进行的图像 文件格式转换时将完全丢失。将图像的描述信息( 如时间、患者等) 直接嵌入 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图像之中将是一个很好的辅助解决方案， 这样图像数据本身将含有对其内容 的说明，给管理工作带来方便，这种应用可能只需要适度的稳健性，在利用图 像进行诊断时可以消除水印信息，以提高诊断的质量。对重要的图像资料如遥 感图像等的管理也有类似的情况。 在数字图书馆中的基于内容的图像检索方面，数字水印也可以提供了很好 帮助，我们知道目前的人工智能技术还无法完全模仿人类的思维和行为，检索 出的结果往往有一些不合适的结果。如果我们利用数字水印技术对图像数据库 中的图像嵌入描述信息，就可以在最后的候选结果中利用计算机自动去除不合 理的图像，提高检索的质量。 数字水印技术在多媒体数据的隐含标识方面可以和许多应用结合，有着非 常广阔的应用6 口景。 ( 4 ) 隐蔽通信及其对抗 数字水印所隐含的信息隐蔽嵌入提供了和传统密码学不n d 的另外种信 息传送的安全方法，可能带来网络信息情报战的新方式。其实，早在古代就出 现了类似的隐写术，第二次世界大战期问的情报工作也利用了许多类似的思 路。情报j 作的任务经常需要在公开路径上传递机密数据。目前，人们信息传 递的途径已经转移到网络世界，人们通常用加密的方法进行数据的传送，然而， 经过加密的数据往往是混乱无序的，这很容易引起第三方的注意并且引起怀 疑。利用多媒体数据对于人类感觉系统的冗余性进行传送信息的嵌入是解决问 题的个新思路。 1 3 2 数字水印技术研究现状 数字水印技术不论是应用于图像、视频f 2 i j f 2 2 1 1 2 3 1 2 4 1 f 2 ，还是音频f 2 6 f 2 7 i f - 8 憎l f 3 0 等 领域，其算法的原理是相通的。另外，也有对文本的电子文档( 例如p s 和p d f 格式 的文档) 进行水印嵌入的研究”1 1 3 2 】。本文主要对该技术在图像处理方面的发展和研 究加以讨论。 从提出到现在，数字水印技术的研究重点集中于1 2 1 节所述的第一种水印技 术，即稳健的不可见的水印。早期的数字水印技术把不叮见性放在首位，往往把水印 嵌入在人们对图像最不敏感的部分，例如高频分量部分，或图像数据的最不重要比特 位( l e a s ts i g n i f i c a n tb i t s ) 。但是，这些方法对信号处理和有意的攻击往往不具有稳 健性。后来人们认识到了水印的稳健性的重要，各种水印算法均丌始把稳健性作为性 能的重要指标。 日前研究的主要方法为对图像线性替加水印信号的嵌入方式，可以看到，这种方 法的一个显著的特点是在不使用原始图像信息时，原始图像信号将作为嵌入信息检测 和估计的噪声。这样即使在嵌入信息后的图像不经过任何处理的条件f ，嵌入信息的 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 估计也是在低信噪比条件下进行，这样决定了嵌入信息的容量不会太大。但是，这种 方法概念清晰、有利于分析算法的性能，而且对于多次嵌入信息的问题可以很好的解 决。 另外一种信息嵌入方法是将信息嵌入在数据的关系之中，这种嵌入方法往往是一 种非线性方法，例如在需要嵌入大容量信息时，往往采用对嵌入域数据进行特定量化 的方法。这种方法可以有效的压制原始图像的信息，在嵌入信息后的结果图像没有经 过处理时，可以做到相当于无噪声情况下的信息提取。但是，对于图像的改变稳健性 较差，嵌入关系利用的数据点较少时往往容易被破坏，并且不象线性叠加方法，往往 不能很好解决多次信息嵌入问题。 在各种类型的嵌入算法中，人们主要把作用域集中在图像的空问域和各种变换 域，比如离散傅立叶变换域、离散余弦变换域、小波变换域等，通过对作用域的系数 的修改或参数的改变，把水印信息加入到被保护的图像中。在检测过程中，一般根据 是否需要原始图像，把检测算法分为两类。另外，根据上节通用模型中的两种检测过 程的不同，也有两种不同的检测算法。当检测可读信息时，一般直接用与嵌入过程相 反的变换方法，直接提取出可读信息。对于可检测信息，一般采取数理统计中假设检 验的方法，构造出相应的检验统计量，计算出嵌入信息存在与否的概率，从而作出判 断。 l s b 算法使用特定的密码通过m 序列发牛器产生随机信号，然后以定的规则 排列成二维水印信号，并且嵌入原始图像相应像素值的低几位。这种方法虽然可以嵌 入较多的信息，但是，其对信号处理的稳健性较差。 麻省理工学院媒体实验室的b e n d e r 等人提出了名为p a t c h w o r k 的算法口，该算 法在密码k 控制下将图像像素点等概率的划分为两个集合，这样两个集合像素值的均 值应该几乎相等。将其中一个集合的像素值均增加一个量d ，同时将另个集合的像 素值均减少一个量d ，这样这两个集合像素的均值的差就为2 j 。通过检验一幅图像 的这种统计关系来确定是否含有特定的水印信息。p a t c h w o r k 所隐含的信息可以说为 1 比特，当然我们可以将图像分为小的子块，并在子块上进行p a t c h w o r k 操作以嵌入 多个比特的信息。 c o x 3 4 1 提出了水印应该嵌入图像的视觉最重要部分，以满足稳健性的要求，同时嵌 入方法应该自适应于图像数据以保证图像的质量。文中同时提出了类比于通信系统的 水印模型：水印信号作为传输的信号，原图像信号作为干扰信号，而后续的处理可以 作为信道的特性考虑，水印的检测作为信号的接收端，要求接收端可以可靠地得到所 传输的信号。水印信号受不可见性的制约，慢度不可能太大，因此可以看成是强干扰 的条件下，在某种信道条件下可靠传送信息的问题。和卫星通信中信号功率受限的条 件相似，可以利用扩频通信的概念来改善通信的质量。文章中提出的算法的性能较好， 缺点是水印的检测需要原图像( 这限制了它的应用条件) ，没有充分利用人类的视觉特 第8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 性( h u m a n s l l a ls y s t e m ) ，无法充分和目前的静态图像压缩标准j p e g 相结合。 p i v a 35 1 同样提出了利用整幅图像的d c t 变换系数嵌入信息的方法，该算法将信息 嵌入在整幅图像d c t 变换的中频区域，而且水印信息的检测不需要使用原始图像，实 验证明该算法对几种常用的图像处理方法具有较好的稳健性。 z h a o 和k o c h l 3 6 1 1 3 7 1 提出了基于j p e g 的水印嵌入算法，该方法和j p e g 的方法一样 先将图像分成8 x 8 的子块，然后进行d c t 变换，考虑到稳健性和不可见性的要求，水 印加入每一子块d c t 系数的低频部分( 除去( o ，0 ) ，( 0 ，1 ) ，( 1 ，0 ) 三个系数) 的 三个系数的关系巾，而每一个子块的这三个系数由使用特定种子的随机数发生器确定。 这个方法以及其后的改进均可以类比于扩频通信中的跳频技术。该方法中水印的检测 不需要原始图像，但是，同样它没有充分利用人类的视觉特性，其性能有待改进。 日前的研究大多数考虑到人类的视觉特性。p o d i l c h u k 和z e n g i 招1 利用a b w a t o n 3 9 提出的基于8 x 8 了块的d c t 变换的视觉模型，提出了图像内容白适应的水印方法 ( i ad c t ) ，该方法利用了图像对视觉的三个遮蔽效应：频率遮蔽( f r e q u e n c y m a s k i n g ) 、 亮度遮蔽( 1 u m i n a n c em a s k i n g ) 、对比度遮蔽( c o n t r a s tm a s k i n g ) ，计算出每一个子块的 d c t 系数的可以改变的量( j u s tn o t i c e a b l ed i f f e r e n c e ) ，并以其作为可以嵌入水印信号 的强度的上限，这保证了水印的不呵见性。并且可以嵌入的水印序列的长度比c o x 的 方法长，提高了安全性。其计算和j p e g 方法接近可以对没有完全解压缩的j p e g 码流 进行水印的嵌入和检测。其缺点是水印的检测需要原始图像。 k u n d u r l 4 1 1 1 4 2 】等巾从数据融合的角度研究了图像的数字水印技术。文中将一个比特 序列利用小波变换嵌入原始图像的不同尺度中， 4 1 中的方法需要原始图像，：4 2 中 的方法不要原始图像。 o r u a n a i d h 等【4 3 j 提出了利用图像d f t 的相位嵌入水印的方法。因为对于信号特 别是图像而言，d f t 的相位信息比幅度信息重要的多 4 0 1 ，这也使得嵌入方法十分敏感。 f r i d r i e h 提出1 广自适应基的方法p ，但是计算量较大，可嵌入的信息量也不大。 中科院自动化所模式识别重点实验室的刘瑞桢等f 9 目提出了利用图像奇异值分解的 数字水印算法，并且给出了对算法嵌入控制的分析。 j o r d a n 等提出了利用分形图像压缩的数字水印算法1 4 5 1 1 4 6 1 ，算法利用一组迭代变换 和图像子块的自相似性嵌入信息，由于使用分形图像压缩算法的思想，所以处理计算 量很大。 r h e m a n d e z l 4 7 1 在研究图像8 8 子块的d c t 变换系数的概率分布基础上，提出了基 于d c t 系数广义高斯分布的数字水印算法，该算法将各8 8 图像子块d c t 变换相同 位置的系数看成一个随机变量的样本，这样一幅图像所有的8 8 子块的d c t 变换系数 组成6 4 个随机变量的样本序列，孩算法利用中频部分系数所对应的随机变量嵌入信息， 该文献的结果算法性能较好。但是，我们经过实验发现8 8 图像子块d c t 变换中频部 分系数并不是都能很好的符合广义高斯分布，原文所利用的只是6 4 个随机变量中的2 l 第9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 个，变换系数的利用率并不高。 目前对于数字水印的理论研究还可以说是个空白，例如，如何确定一幅图像可以 嵌入的信息的多少，信道的模型如何建立，如何根据相应的信道特性进行数据编码。 这其中的主要原因是图像目前没有合适的信号模型。 o r u a n a i d h 等【4 8 】对数字水印的理论问题进行了初步的讨论，文中对各种图象处理 引起的噪声近似为高斯分布，利用信息论的理论对数字水印技术进行了粗略的讨论，得 到了一些总体的有指导意义的结果。 l i n n a r t z 等【4 9 j 在对图像数据的自桐关函数作为一阶可分离函数模型的条件下对数 字水印检测的虚警概率和误警概率进行了理论分析和仿真。r h e r n a n d e z 等【5o j 在许多假 设条件下，建立了线性变换下的矢量信道模型，并且给出了一些性能的分析。以上的 文章使得人们对数字水印技术的理论有了一个初步的认识。 目前对语音和视频序列的水印技术的研究也正在进行，甚至计算机软件领域也利 用数字水印的思想进行了软件水印1 5 u 5 2 1 ( s o f t w a r ew a ：e r m a r k i n g ) 的研究。新的视频序列 标准m p e g 4 和静态图像标准j p e g 2 0 0 0 也下在考虑加入知识产权保护的相关内容 ” 5 4 1 。由于j p e g 2 0 0 0 等新标准用小波变换代替了8 8 子块d c t 变换，所以利用小波 变换的数字水印算法引起了人们的兴趣。 目前i b m 、n e c 、m i c r o s o f t 、p h i l i p s 、b e l l 实验室等大公司的研究机构都开展了 数字水印技术的研究，均有文献和报告公丌发表【8 9 】【9 0 】。国内的许多大学和科研院 所也开展了对数宁水印技术的研究，1 9 9 9 年和2 0 0 0 年分别召开了第一届干第二届令国 信息隐藏学术研讨会。2 0 0 0 年初，专在北京召丌了全国数字水印技术研讨会。许多 新兴的以数字水印为研究背景的公司如d i g i r n a r c 、s i g n u m 、a l i r o o 、m e d i a s e c 等迅速 发展，可以说数字水印技术越来越受到人们的关注。虽然目前的算法存1 笙种种缺陷， 但是这项技术在各个领域的潜在应用价值和市场需求应该会使该技术有一个光明的未 柬。 1 4 本文的主要工作简介 本文主要研究了静态图像数字水印的算法问题，本文研究的内容主要是对图像线 性叠加一个水印信号，并在吖i 同条件下进行嵌入信息的检测和提取的算法和理论问 题。研究的重点是不利用原始图像的数字水印算法，因为在许多应用条件f ，利用原 始图像进行嵌入信息的提取和检测是无法保证的。这样在原始图像的强烈干扰卜，嵌 入信息的估计非常困难。本文主要从两个方面考虑提高嵌入信息检测的性能： 1 利用人类的视觉特性提高信息嵌入的强度，即提高水印信号的能量同 时利用通用的直接序列扩频的方法提高估汁的信噪比。 2 对原始图像这种估计噪声进行处理，以减小原始图像埘嵌入信息估计的 第l o 贞 国防科学技术大学研究生院学位论文 影响。 由于前面提到的目前研究中存在的许多算法没有理论上的性能衡量指标，本文利用数 理统计的方法，对算法的性能进行分析，确定反映算法性能的指标，期望达到理论分 析和实验结果的统一，使得算法的理论可以反映出算法性能，在信息嵌入前可以根据 算法期望达到的性能，确定算法的参数。 本文具体的工作如下： 1 本文第二章研究了用于版权保护的数字水印算法，算法的目的为如何对一幅图 像嵌入识别信息，并且对待检测图像检测特定嵌入信息的存在。 ( 1 ) 利用了维纳滤波器的概念研究了图像d f t 域下的数字水印算法( 检测 需要原始图像) 。 ( 2 ) 利用了小波变换的方法研究了图像小波变换域下的数字水印算法( 检测 无需原始图像) 。 ( 3 ) 利用双正交9 7 小波量化因予的研究结果，提出了一种检测图像可信度 易损水印算法。 本文三、四章的工作为在不利用原始图像的前提下，研究了图像信息隐藏的方法。 分别采用两种思路。 2 本文第三章研究了图像空域中的信息嵌入方法。 ( 1 ) 利用自然图像空域具有的像素局部相关性降低原始图像对检测的影响。 ( 2 ) 利用图像空域上的视觉特性确定图像各部分的信息嵌入强度。 存这些基础上提出了一种基于图像内容的信息嵌入方法，并进行了理论分析和 仿真实验，给出了算法的性能估计方法，达到了算法理论和实验的统一。 3 本文第四章研究了图像小波域中的信息嵌入方法。 ( 1 ) 研究了自然图像小波变换系数的统计模型，并用实验验ie 广义高斯分布 描述小波变换系数的可行性。 ( 2 )利用d 2 小波图像压缩的量化因子确定方法，提出了隐含信息的嵌入方 法，该方法同样使得嵌入强度自适应与图像的内容，取得了较好的视觉 效果。 ( 3 ) 分别在小波系数分布为广义高斯分布和简单的高斯分布两种情况下研 究了嵌入信息的估计问题，进行了理论分析和仿真实验，进一步验证了 图像小波变换系数广义高斯分布模型的合理性。并且给出了算法性能的 估计方法。得到了。些有意义的结果。 在第五章总结了本文的研究工作，并且对进一步的研究提出了几点建议。 对于本文算法产生图像的质量，我们采用通常使用的伪信噪比p s n r 和主观观察 第1 l 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 进行评价。图像p s n r 的定义由( 1 4 1 ) 式给出，设厂为原始图像，g 为水印信息嵌 入后的结果图像，和g 的尺寸为m n ，g 相对与厂的p s n r 定义为： p s n r ：2 0 1 0 9 ( 三 丝 ) ( 1 4 1 ) ，( ，( 聊，h ) 一g ，l ，月) ) 2 ( m n ) v f ”， 由于p s n r 并不能完全代表圈像的主观质量，研究中结合观察者的主观感受作为补充 是十分必要的。 对于本文算法的稳健性实验，我们主要考虑以下几种处理： ( 1 )图像j p e g 压缩。j p e g 压缩是一种目酊常用的图像有损压缩格式，突 验中对图像进行了以质量百分数为参数的压缩，并且对压缩后的图像 进行算法的稳健性实验。这里需要说明的是1 0 0 图像质量的j p e g 压 缩同样是一种有损压缩，已经对被压缩图像造成了损害。通常认为质 量在7 0 以上的j p e g 压缩图像是可以接受的。 ( 2 )高斯噪声对图像的污染。许多处理如传输过程中的噪声干扰，可以看 成是高斯噪声的影响。冈此算法对高斯噪声污染的稳健性是需要考 虑的因素，实验利用常用的图像处理软件p h o t o s h o p 5 0 和 p a i n s h o p p r 0 41 3 对图像引入不同强度的高斯噪声干扰，作为算法稳健 性实验的检测图像。 ( 3 )对图像的低通滤波处理。低通滤波是一种比较常用的图像去噪处理方 法，由于本文的嵌入信号是线性叠加在原始图像上，所以低通滤波是 种有效的去除嵌入信号的方法，但是低通滤波，特别是低截止频率 的低通滤波，必然使图像的细节分量受到很大的损失，使图像质量_ 卜 降很大。本文利用3 x3 的等权值低通滤波器对嵌入信息后的图像进行 处理，作为算法对这类处理稳健性实验的检测图像。 ( 4 ) 本文同样对常用的图像增强方法，例如直方图均衡、亮度对比度调整 等，进行了稳健性实验。 第l2 页 里堕型主苎查奎兰竺垄生堕堂垡丝苎 第二章静态图像数字水印算法研究 本章主要研究如何在图像中嵌入特定识别信息，以及相应的检测方法。从水印信 息的嵌入域而言，可以将算法分成两类，一类在时空域上进行信息的嵌入，另一类在 变换域进行信息的嵌入，这些变换包括d c i r 、d f t 、d h t 、d w t 等正交变换。本章 研究的是变换域中的信息嵌入算法。在变换域中对图像嵌入特定的识别信息可以用以 下的模型说明。 设上表示原始图像，：，i = l ，2 ，n ，表示某种正交变换的基。r ，i = l ，2 ，n ， 表示相应的分解系数，c ，由变换定义的内积运算得到，即c ，= x ，。如果这种正 f 交变换的基是完备的，则x = c ，f 。设嵌入由特定算法产生的信号 = w = l ，2 ，m ) 。嵌入的方法为c ：= p ( c ) ，其中p ( ，) 代表某种函数，用c n 代替q ，进行反变换。= c ：，得到嵌入信号后的结果。对于连续性好的变换 j = l 如果忖一c 川非常小，可以得到怦l j y | l 也非常小。这样对于人类并不太精密的视觉系 统而青就很难发现两者的不同，这样就达到了保持图像质量和嵌入信息的目的。 水印信息的榆测过程对待检验图像爿进行正交分解，得到市h 应的分解系数 c j ，i = 1 , 2 ， 。检测过程就是要利用分解系数 r j ，i = 12 ， 和嵌入信号构造 统计量进行假设检验。 本章分别利用d f t 和d w t 研究了图像特定识别信息的嵌入算法，2 1 节的算法 为非盲水印算法，检验时需要原始图像：2 2 节讨论的算法为盲水印算法，检验时不 需要原始图像：2 3 节研究的是利用易损水印帮助检测图像可信度的方法。 2 1 基于维纳滤波观点的数字水印方法 2 1 1 维纳滤波下的数字水印分析 目前的数字水印算法往往利用通信系统中的扩频技术原理【5 5 1 ，将一个由作者特 定信息产生的类似噪卢的信号川n ) ，加入原始信号x ( 拧) ，得到结果信号y ( n ) 。其中 第13 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 w ( n ) 具有扩频信号的伪随机特性，r ( n ) 、w ( ) 假设为互不相关的广义平稳信号。 j ，( h ) = x ( n ) 十w ( n )( 2 i 1 ) 由于x ( 月) ，w ( n )