（信号与信息处理专业论文）基于jpeg2000的双水印算法设计.pdf

中文摘要 随着多媒体技术和网络技术的发展，人们对数字图像质量、大小和应用方面 提出了更高的要求，希望能够用有限的带宽和空间传输和存储大幅图像，并根据 实际需要，获得不同分辨率或质量的重构图像。j p e g 2 0 0 0 做为新一代的静止图 像压缩标准，较好地满足上面发展的要求，并提供了现有的j p e g 标准所不具备 的新功能，因此j p e g 2 0 0 0 必将在未来图像压缩领域占据越来越重要的地位。同 时如何对j p e g 2 0 0 0 标准压缩生成的图像进行有效的版权保护也是一个需要迫切 解决的问题。 本文首先介绍了数字水印技术的基本概念、特性、分类、攻击方法及衡量标 准；其次对j p e g 2 0 0 0 编码系统的关键技术做了简要介绍，同时为了j p e g 2 0 0 0 编 码器的i c 设计，搭建了f p g a 硬件验证平台；然后分析了现有的用于水印算法人 类视觉模型，提出了一种在空间域上直接计算可感知阈值的改进算法，改进后的 算法计算简单，适合硬件和实时性系统的应用；最后依据可感知阈值作为水印嵌 入强度调节系数，实现了在预处理阶段空间域上嵌入双水印的算法。实验表明， 利用可感知噪声阈值控制的嵌入信息能较好地满足数字水印的功能要求，并能够 有效的适应j p e g 2 0 0 0 有损压缩。 关键词： 双水印j p e g 2 0 0 0 人类视觉系统临界可觉差 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm u l t i m e d i aa n dn e t w o r kt e c h n o l o g y , t h e r ei sad e m a n d f o rd i g i t a li m a g ei nt h eq u a l i t y , s i z ea n da p p l i c a t i o n s i ti se x p e c t e dt h a th u g ei m a g e c a nb et r a n s p o r t e da n ds t o r e db yu s i n gl i m i t e db a n d w i d t ha n ds t o r a g e ar e c o n s t r u c t e d i m a g ew i t hd i f f e r e n tr e s o l u t i o no rq u a l i t yw i l lb eo b t a i n e di na c c o r d a n c ew i t ht h e a c t u a ln e e d s a san e ws t i l li m a g ec o m p r e s s i o ns t a n d a r d ，t h ej p e g 2 0 0 0c a ns a t i s f y t h er e q u i r e m e n t so ft h ed e v e l o p m e n ta n dp r o v i d et h en e wf e a t u r e s t h e r e f o r e ， j p e g 2 0 0 0i sp l a y i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l e si ni m a g ec o m p r e s s i o ni nt h e f u t u r e a tt h es a m et i m e ，t h em e t h o d so fh o wt oe f f e c t i v e l yp r o t e c tt h ec o p y r i g h to f t h ei m a g eg e n e r a t e db yt h ej p e g 2 0 0 0s t a n d a r dc a l l sf o ra ni m m e d i a t es o l u t i o n f i r s t l y , t h eb a s i cc o n c e p t s ，c h a r a c t e r i s t i c s ，c l a s s i f i c a t i o n , a t t a c km e t h o d sa n d e v a l u a t es t a n d a r do ft h ed i g i t a lw a t e r m a r ka r ei n t r o d u c e di nt h et h e s i s s e c o n d l y , t h e k e yt e c h n o l o g yo f t h ej p e g 2 0 0 0c o d i n gs y s t e mi sa n a l y z e da n dah a r d w a r ep l a t f o r m o ff p g aw a sb u i l tf o rt h ei cd e s i g no fj p e g 2 0 0 0e n c o d e r t h e nt h ee x i s t i n gh u m a n v i s u a lm o d e l su s e di nw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mw e r ea n a l y z e d a ni m p r o v e da l g o r i t h m u s e dt oc a l c u l a t et h et h r e s h o l do fj u s tn o t i c e a b l ed i f f e r e n c ei ns p a t i a ld o m a i nw a s p r o p o s e d , t h ea l g o r i t h mw a ss i m p l ea n ds u i t a b l ef o rt h ea p p l i c a t i o no ft h eh a r d w a r e a n dr e a l t i m es y s t e m f i n a l l y , t h ed u a lw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mw a sr e a l i z e di ns p a t i a l d o m a i n , i t si n t e n s i t yi sm o d u l a t e db yt h et h r e s h o l do fj u s tn o t i c e a b l ed i f f e r e n c e t h e r e s u l t si n d i c a t et h a tt h ee m b e d d i n gw a t e r m a r ka c c o r d i n gt ot h ej n dc o u l ds a t i s f yt h e r e q u i r e m e n t so ft h ew a t e r m a r k i n gf u n c t i o na n dc o u l de f f e c t i v e l ya d a p tt ot h el o s s y c o m p r e s s i o no fj p e g 2 0 0 0 k e yw o r d s ：d u a lw a t e r m a r k i n g ，j p e g 2 0 0 0 ，h u m a nv i s u a ls y s t e m ，j u s t n o t i c e a b l ed i f f e r e n c e 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。【j 作和墩得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文r 1 1 彳i 包含其他人已终发农 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗盘堂或其他教厶机构的学付或证 二fs 而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贞献均l 住沦文ii 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：魏彳珐兜签字 二1 期：秒一c 7 r 年厂j ； 学位论文版权使用授权忙 本! 学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保f y f 、使川! f t 论义f 门j 魂! j t 。， 特授权丕鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入仃天数引库进j 二馀 索，并采川1 影日j 、缩印或扫描等复制手段保存、，l ：编以供佥阅和f 1 i i 列。吲感誓校 l i , l 家订火部l 、j 或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论义在解密后适用本授权说明) 讹论义作者签名：狨弧露 签字i ：i ；l o j ：砂d1 7 年厂月；f 1 导师签私： 嘭啪 签计 ； i j ：一7 年舢夕i 1 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 近年来，随着计算机技术和网络技术的发展，数字信息的传递和交流达到了 前所未有的深度和广度，人类进入了以数字信息为特征的信息社会人们通过网络 可获取的数字资源越来越多，计算机强大的信息处理能力方便地编辑、存储和传 播数字信息。但是，技术发展的同时也带来了一些有恶意的个人或团体为了某种 目的，在未经作品所有者许可的条的数字作品，进行非法篡改及传播，使得数字 作品的真实性、完整性，如果篡改的内容涉及到国家安全、法庭举证、历史文献 等重要数据，这可能造成不良社会影响或导致重大的政治、经济损失。因此，在 充分利用而有效地保护多媒体内容的真实性、完整性，己成为一个严峻的问题。 1 2 皿e g 2 0 0 0 概述 随着交互式多媒体技术的不断应用，图像压缩要求更高的的性能和新的特征。 因此现在或者未来的图像压缩算法不仅要有优秀的性能还要提供一写特定的功 能，像渐进传输图像的保真度，可扩展性，感兴趣区域编码、随机存取，差错恢 复以及处理大尺寸图像，而大部分这些功能是当前的j p e g 标准【l 】所不容易实现 的。j p e g 2 0 0 0 标准是一种新的静止图像压缩标准【2 7 1 ，这一标准系统结构被定义 为一个统一的模式，它提供一个统一的算法框架和单一的码流组织的语法定义， 所以可以用相同的算法和语法来处理不同的处理模式，它充分考虑了在多媒体应 用和通信领域所出现的新的发展。j p e g 2 0 0 0 是基于小波变换( d w t ) 技术的算 法，小波变换的性质使得有损和无损处理以及不同的编解码使用同一个算法平台。 它提供了以上所提到的功能，它具有以下的主要特型弘1 0 】： 1 良好的低比特性能：它提供了在低比特率( 0 2 5 比特像素) 下比j p e g 更 好的视觉质量和峰值信噪比。在相同的是视觉质量下，j p e g 2 0 0 0 比j p e g 具有更 高的压缩率，这一特性对于压缩图像的在低带宽通道传输非常有用。 2 无损和有损压缩：j p e g 提供了多种操作模式，但一种模式不能同时提供有 损、无损压缩，并且编码后压缩率就固定了。而j p e g 2 0 0 0 采用嵌入式编码流技 术，渐进式传输。利用码流的分辨率可分级和p s n r 可分级特性，逐级重现图像， 第一章绪论 只需一次编码允许重构出多种像素精度或空间分辨率的图像，通过选择参数，在 一个编解码器中能够同时实现无损压缩和有损压缩。 3 渐进传输：传统的图像在网络中传输显示时是逐行显示的，而经j p e g 2 0 0 0 压缩的图像文件在网络中传输时，在客户端显示的模式为：首先显示图像的轮廓， 然后逐步显示图像的细节信息，即图像的显示是一个由不清楚到清楚，逐渐显示 的过程。给客户在浏览互联网上的图片时，带来了很大的便利，当发现对图像的 轮廓不感兴趣时，客户就可以终止图像的传输，从而节约带宽资源，节省等待时 间。 4 r o i 编码：j p e g 2 0 0 0 可以根据用户需要对感兴趣区域r o i ( r e g i o no f i n t e r e s t ) 进行高保真的编码，且r o i 区域形状可以任意确定。对r o i 图像的子带 系数位平面编码时，采用m a x s h i f i 方法进行处理，使r o i 的位平面比背景区域的 位平面高，从而在传输图像码流时，r o i 先于图像的其它部分被传输。 5 随机存取和处理码流：如对图像进行r o i 压缩，在传输中可以对r o i 部分 进行随机处理，即在不解压的前提下对压缩码流进行平移、旋转、缩放等操作。 6 较强的抗误码特性：随着无线通信的不断发展，对无线通信的图像传输提 出了新的要求，在无线通信信道上，噪声干扰大，误码率高，j p e g 2 0 0 0 压缩码流 具有较强的误码鲁棒性，采用的编码设计时分块编码，算术编码在每个编码通道 中可以中止，每包的重新同步，大大提高了容错性。 7 基于内容的描述：图像文档、图像索引和搜索处理中是一个重要的领域， m p e g 7 就是支持用户对感兴趣的各种“资料”进行快速、有效的检索的一个国 际标准，基于内容的描述在j p e g 2 0 0 0 中是压缩系统的特征之一。 8 开放式的框架结构：为了在不同的图像类型和应用领域中优化编码系统， 提供一个开放的框架结构是必须的，在这种开放的结构中编码器只实现核心的工 具算法和码流解析，如果需要解码器可以要求数据源发送未知的工具算法。 j p e g 2 0 0 0 提供以上良好的性能，很适合现在和未来一段时间对静止图像压缩 技术的要求，而且其代表了目前最先进的各项压缩技术。本文主要将j p e g 2 0 0 0 编码器主要功能算法模块化，以便于i c 实现，并在预处理时嵌入可视和鲁棒性水 印。 1 3 论文的主要工作与结构安排 为了研究基于j p e g 2 0 0 0 的数字水印，本文主要工作为：分析研究j p e g 2 0 0 0 编码器，并将其主要功能模块化以便于i c 硬件实现，同时研究现有的主要数字水 印算法，并提出了基于人类视觉系统的可视水印和鲁棒性水印的算法。在图像预 第一章绪论 处理阶段在图像的亮度分量上首先嵌入可视水印然后嵌入鲁棒性水印，最后形成 双水印图像。 本文的具体内容如下： 第一章引出了对数字水印研究的必要性，并简要介绍了j p e g 2 0 0 0 压缩标准 的优越性，然后介绍了本文的主要工作和论文的结构安排。 第二章概述数字水印的算法的基本原理，以及水印技术的特性分类和水印衡 量标准等有关水印的主要概念。 第三章介绍j p e g 2 0 0 0 标准和编码系统，叙述其主要的几个关键技术，并对 各个关键模块技术进行详细描述。 第四章介绍了现有的双水印算法以及用于水印算法中的视觉模型，剖析了一 种在d c t 域用于水印算法的人类视觉模型，实现一种基于人类视觉系统的双水印 算法，包括可视和鲁棒性水印。 第五章针对第四章中提出的双水印算法进行实验，分别列出了可视水印、鲁 棒性水印以及最后的双水印结果图，并对其分析。 第六章对全文进行总结并对未来发展进行展望。 最后是致谢和参考文献。 第二章数字水印技术 第二章数字水印技术 数字水印就是在数字媒体信息中添加某些数字信息，以便于保护数字媒体的 版权，证明作品的真实可靠性，跟踪盗版或者提供产品的附加信息，水印信息嵌 入在载体的数据中，要保证不影响原始文件的可观性和完整性。在本文中主要选 择了在原始数据上嵌入可视水印和鲁棒性水印。 2 1 数字水印的研究现状 数字水印技术f l l 1 2 】作为信息隐藏【1 3 1 4 1 的一个重要分支，近年来发展迅速， 其最早的研究是从s c h y n d e l 在i c i p 9 4 会议上发表的题为ad i g i t a l w a t e r m a r k i n g ) ) 开始，这篇文章最早阐述了数字水印的基本概念和鲁棒水印检测 基本方法。这篇文章发表以后，数字水印成为科学界研究的一个重要领域。 从1 9 9 6 年在英国剑桥牛顿研究所召开的第一届国际信息隐藏学术研讨会以 后，几乎每年都要召开一次研讨会，在历届会议中各国学者发表了一系列高质 量的论文。1 9 9 8 年的国际图像处理大会上，开辟了两个关于数字水印的专题讨 论，数字水印成为国际学术界研究的热点之一。经过多年的研究，数字水印技术 得到了飞速发展，国内外各大学，研究中心和各大公司都进行了深入的研究。目 前，国际上关于数字水印的研究主要集中在鲁棒性水印算法研究、水印信息编码 以及加入到载体信号的方法、水印检测器的优化和水印系统评价理论和测试基 准、水印攻击建模、水印应用研究等方面。 国内在信息隐藏方面的发展也很迅速，并于1 9 9 9 年1 2 月在北京召开了国内 第一届信息隐藏学术研讨会，自此国内对数字水印技术的研究也快速发展起来。 2 2 数字水印系统框架 数字水印系统包括水印嵌入器和水印检测器两大部分。嵌入器至少具有两个 输入量：一个是原始水印信息，他是通过适当的变换后作为待嵌入的水印信号； 另一个就是早在其中嵌入水印的载体信号。而检测器的输入至少有一个量，即经 过传输之后的信号，当然这取决于水印检测器，如果检测器在提取水印时需要原 始载体或者原始水印，那么其输入就应该包括原始的载体信号或原始水印。另外 第二章数字水印技术 检测器端可以有两个操作，一个是水印检测，它用于判断水印的存在；另外一个 是水印提取，他用于从含水印的载体中提取水印信息，这与检测器的设计和应用 场合有关。水印的系统基本框架【2 1 如图2 1 所示： 水印嵌入器 _ 。- 。j 图2 1 数字水印系统基本框架 此框架包含了数字水印系统的所有可能组成部分，以及各个部分之间的关 系。在水印的嵌入和提取过程中，我们可以选择不用密钥机制，但是不使用密钥 的系统业就不可能具有基于密钥的安全性，密钥信息在水印嵌入和提取时需要用 到，如果攻击者没有得到密钥，很难破解出水印的加密算法过程。 2 3 数字水印的特性和分类 2 3 1 数字水印的特性 数字水印有很多特性，其中最主要的三个特性是保真度、鲁棒性和容量。一 般来说，容量、鲁棒性和保真度三者是相互制约的，不可能设计一个使三者都达 到最优的水印系统，我们之能根据实际需要在三者中进行折中。例如，在设计鲁 第二章数字水印技术 棒性水印时，一般在容量和保真度满足一定要求的情况下，尽量提高系统的鲁棒 性；而对载体图像的保真度要求较高时，系统的容量或鲁棒性就不可能太高。 1 保真度：保真度是衡量信号在被处理前后的相似性，也称为不可感知性， 也就是要求嵌入的水印不影响载体图像的质量。但是水印信息对于载体图像来说 本身就属于噪声，因此随着水印信息量的增大，原始信息的品质也会有所下降， 早期的水印为了实现保真度，水印信息的嵌入一般选择在信号的不重要位置，例 如图像的最低比特位，但是嵌入在这些位置的水印很容易被去除，所以鲁棒性得 不到保证。压缩本身就是为了去除信息的冗余度，许多率失真算法也舍去了一些 低比特位的系数，在有损压缩算法中本身也会丢弃一些不重要的系数，这就形成 了两个相会制约的需求：要提高水印的鲁棒性，就要将水印信息嵌入到信息的重 要系数上，而从保真度上来看，水印信息应该嵌入在信息的不重要系数上，优秀 的水印算法要做到将这两个需求平衡统一。 2 鲁棒性数字水印的鲁棒性是指作品在经历了各种信号处理或者各种攻击 后，数字水印的可提取性或可检测性。图像压缩是一种常见的信号处理方法，另 外许多别的信号处理包括信道噪声、滤波、二次采样、图像的剪切、平移、旋转、 缩放等等都可能破坏嵌入的水印信息，而鲁棒性就是要求在经历这些变化或者图 像格式之间转换后仍能检澳, i j n 水印或提取出水印。 3 容量也称为嵌入率、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。一般要求水印容量尽量大，这样一方面可以嵌 入尽量多的水印信息，另一方面当预嵌入的水印信息较少时，可以采用纠错编码 等技术来减少提取水印的误码率。 除了以上基本特征之外，数字水印还应该满足嵌入位置的安全性即将水印信 息嵌入到目标数据的内容之中，而非文件头等处，防止格式变化而遭到破坏。通 用性，即要求水印算法适用于多种文件格式和媒体格式。计算效率高，即水印算 法应能用硬件或软件有效地实现。 2 3 2 数字水印的分类 数字水印的分类方法【”】有很多种，不同的出发点导致了不同的分类，下面是 最常见的分类方法。 1 按感知特性划分 根据水印特性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。可见水印主要应用于图像和视频， 用来实现版权保护，来防止复印盗版。不可见水印直观上是不可察觉的，但是当 需要时，所有这可以从作品中提取出水印，来证明该作品的所有权或者完整性， 第二章数字水印技术 它是一种应用更加广泛的水印，是目前研究的主流。 2 按水印内容划分 按水印信息的内容可以将水印划分为有意义水印和无意义水印。有意义水印 是指是因本身也是某种数字作品；无意义水印则只是对用于一串随机数。有意 义水印的优势在于，如果由于受到攻击或者其他援引致使解码后的水印破损，人 们仍然可以通过直观观察或信号处理的方法确认有无水印。但对于无意义水印来 说，如果解码后的水印序列有若干码元错误，则只能通过统计决策来确定信号中 是否含有水印。 3 按水印用途划分 不同的应用需求产生了不同的水印技术，按用途可以将水印划分为数字版权 保护水印、广播监视水印、内容认证水印和使用控制水印。 4 按水印检测器类型划分 按水印检测类型划分或者按水印的检测过程来划分，可将水印分为非盲水 印、半盲水印和盲水印。非盲水印在检测过程中需要原始载体和原始水印的信息； 半盲水印检测时则不需要原始载体信息但是需要利用原始水印信息进行检测；盲 水印检测时只需要密钥，不需要原始载体信息，也不需要原始水印信息。 5 按水印的嵌入域划分 按水印的嵌入位置，可以将其划分为时空域水印和变换域水印。时空域水 印是直接在载体信号的时间或者空间域中叠加水印信息；而变换域水印则是在变 换域中嵌入水印信息。时空域水印算法在水印技术出现的早期研究的较多，一 般具有复杂度低、实时性好等特点，但是鲁棒性比较差，主要用于设计脆弱性水 印和半脆弱性水印；变换域水印算法的鲁棒性较强且容量较大，主要用于设计鲁 棒水印，也可以与人类的直觉模型结合从而设计保真度好的水印。 6 按嵌入方式进行划分 嵌入方式指嵌入水印信息时，对载体数据进行修改的方式，最为典型的是扩 频方式和量化方式。扩频是水印算法可以认为是水印信息经过简单的缩放，然后 加载到水印作品上；量化水印方式不是将水印信号简单地加载原始信号上，而是 根据不同的水印信息用不同的量化器去量化原始载体信号，从而实现水印信息的 嵌入。 2 4 数字水印的攻击方法 抗攻击能力是水印算法的一个重要方面一个实用的水印算法应该对常用的 图像处理具有鲁棒性。所谓的攻击是指对嵌入的水印进行各种操作以此来削弱、 第二章数字水印技术 破坏和移除水印。 按照攻击原理和目的可以将攻击分为简单攻击、同步攻击、分析攻击、解释 攻击和拷贝攻击等。其中简单攻击和部分同步攻击一般可以被看作是无意义攻 击，而分析攻击、解释攻击和拷贝攻击都是恶意攻击。 1 简单攻击【” 1 7 】：简单攻击又称为波形攻击、噪声攻击。它试图对整个水 印化数据进行操作来削弱嵌入水印的幅度，导致数字水印提取发生错误，甚至提 取不出水印信息。在简单攻击中，压缩和滤波是最常用的方法，数字水印系统都 必须对一定程度的压缩具有鲁棒性，_ 般图像的主要能量均集中于低频分量上， 压缩算法会压缩掉原图中视觉不显著的信息，通常为图像的高频分量，而水印的 不可见性又要求水印要嵌入在图像不显著的视觉信息中，所以图像水印要在不可 见性和抗图像压缩之间进行折中，很多水印都是嵌入在图像的中频区域。 - 2 同步攻击【博】：同步攻击又成为禁止提取攻击。这种攻击不以完全去除水印 信息为目的，而是试图破坏载体数据和水印的同步性，从而使得水印的的检测失 效或使提取嵌入的水印成为不可能。在同步攻击的下，被攻击的数字作品种水印 仍然存在，而且幅度没有变化，但是水印信号已经错位，不能维持正常水印提取 过程所需要的同步性，这一类攻击主要包括几何变换，w a r p i n g 、j i t t e r 、m o s a i c 攻击等。 3 分析攻击 1 9 , 2 0 】：分析攻击也被称为计算攻击或去除攻击，这种攻击方法在 水印嵌入和检测阶段采用特殊的方法来擦除或减弱图像中的水印，即针对某些水 印方法通过分析水印数据，估计图像中的水印，之后将水印从图像中分离出来并 使水印检测失效，从而达到非法盗用的目的。 4 解释攻击【1 6 2 1 】：水印的解释攻击也称为i b m 攻击，是针对可逆水印算法 而提出来的一种水印攻击方案。一个通用的方式是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，攻击者在存在原始水 印信息的真实载体数据中，嵌入一个或者多个伪造的水印信息，从而混淆第一个 含有主权信息的水印，使提取出来的水印失去唯一性。通过对解释水银的攻击原 理分析，一个最有效的方法是设计出不可逆的水印嵌入算法，如引入不可逆的哈 希过程，对于解释攻击还应该引入一种对水印的管理机制，比如建立可信任的第 三方作为水印验证机构，用管理的手段对水印的仲裁。 5 拷贝攻击【2 2 】：拷贝攻击是要估计出水印信息，然后把估计出的水印拷贝到 其他图像中。在拷贝攻击中，首先攻击者需要在没有密钥信息和水印嵌入算法信 息的情况下，利用极大似然、最大后验概率、最小均方误差等方法估计原始图像 或水印信息。得到估计出的水印信息后再把这个伪造的水印拷贝到其他的图像 匕。 第二章数字水印技术 2 5 数字水印衡量标准 1 不可见性：这是检验不可见水印的首要要求，用户应该无法从含水印图像 中直接看出水印，是由人的主观意识来决定的。 2 均方差m s e ( m e a ns q u a r ee r r o r ) ：m s e 是图像感知质量评价最普遍的手段 之一。m s e 可以直接反映出对象的改变。对于衡量含有水印信息的图像和原始 图像在品质上的差异，可以采用m s e 作为一种评估的手段，得到图像质量变化 的客观标准。m s e 的计算公式为： 1mn m s e = 二( 地，y ) - 1 w ( x ，y ) ) 2 m n鲁二一y = l “7 “( 2 1 ) 其中，l ( x ，y ) 代表原是图像，l ( x ，y ) 代表嵌入水印后的图像，m 、n 代表图像 的尺寸。 3 信噪比和峰值信噪比：信噪比( s n r ) 和峰值信噪比( p s n r ) 是最通用的评 定信号品质的指标。用来衡量两幅图像之间的相似程度，对于原始的图像来说水 印信号就是噪声，它会影响原始图像的品质，从而存在s n r 和p s n r 指标。在 保真度评价中，s n r 和p s n r 公式分别为： 地，j ，) 2 s n r = 10 l o g l o 百 产j 生一 ( 地，y ) 一l ( x ，y ) ) 2 p s n r ：l o l o g l o 掣盟监竺生 ( 地，y ) - i 。( x ，y ) ) 2 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 单位为d b ，其中，为原始图像，l ，为嵌入水印后图像，m n 为图像大小。由 于s n r 计算复杂度问题，一般采用p s n r 方法，主观上可以容忍的图像p s n r 值 都在2 0 d b 以上。 4 归一化相关：水印在从嵌入水印的图像提取出来以后，仅仅依靠观察者的 主观看法，存在很多随即性，因此需要一个客观的衡量标准。在实际中通常用 n c ( n o r m a l i z e dc o r r e l a t i o n ) 系数来衡量提取得水印与原始水印的相似程度。 n c 系数的计算公式为： 第二章数字水印技术 mn w ( x ，y ) x w ( 训) n c = 型 可一 w ( x ，y ) 2 x = l y = l 式中形为原始水印图像，形为提取出的水印图像。 ( 2 _ 4 ) 第三章j p e g 2 0 0 0 编码系统关键技术及硬件验证系统 第三章j p e g 2 0 0 0 编码系统关键技术及硬件验证系统 j p e g 2 0 0 0 标准总共包含1 2 部分( 第七部分已删除) ：第一部分为图像编解码 系统，是此标准的核心系统；第二部分为第一部分的扩展，为核心编码系统扩展 了一些功能。第三部分为运动j p e g 2 0 0 0 ，是针对运动图像提出的解决方案；第 四部分为兼容性：第五部分为参考软件：第六部分为复合图像文件格式；第七部 分已删除；第八部分为图像安全，主要处理j p e g 2 0 0 0 应用的安全问题，比如密 码和数字水印等；第九部分为交互式协议和接口；第十部分为三维图像；第十一 部分为为无线应用介绍；第十二部分为基本媒体格式。 本章重点讨论j p e g 2 0 0 0 的编码系统，j p e g 2 0 0 0 的编码系统基本框架如图 3 1 所示，整个编码系统可以简单的分为三个阶段，第一阶段为图像预处理；第 二阶段为压缩；第三阶段为生成压缩码流。下面对三个阶段分别加以介绍。 3 1 图像预处理阶段 图3 1j p e g 2 0 0 0 编码系统框架 图像预处理阶段有三个可选择的功能组成：首先是分块，然后是d c 电位平 移，最后是分量变换。 3 1 1 分片 如果输入的图像比较大，首先我们要进行分块，把图像分成互不相交的矩形 块，这些块被称为图像片( t i l e ) 。一般n b 己- v ，除了处于图像边缘部分的片，所有 第三章j p e g 2 0 0 0 编码系统关键技术及硬件验证系统 的片就有相同的尺寸。我们可以定义任意尺寸的片，虽然小尺寸的片可以降低对 内存空间的要求，但是由于每一个片都作为独立的图像来进行编码处理，因此 会在片的边缘部分出现边缘效应，图像的片越小这一现象越明显，同时又会降低 压缩得效率，反过来说，大尺寸的片可以带来最好的视觉效果，但是需要较大的 内存空间，同时会大大增加软件和硬件实现上的复杂度，综合考虑上面以及硬件 实现的情况我们一般选择2 5 6 x 2 5 6 或5 1 2 x 5 1 2 作为典型的片尺寸，在本文中统一 选择5 1 2 x 5 1 2 的片尺寸。 3 1 2d c 电位平移 如果原始图像的像素值为无符号整型量。为了数学运算的需要，需要进行直 流电位平移，使抽样值动态范围近似集中在零点，这样使得后面的小波变换后的 系数控制在一定的范围内，有利于小波变换后的编码过程。具体做法为，如果无 符号图像像素值为p 位的二进制数，则将这些无符号量样本值减去2 n ，这样的 图像的像素值，的范围为：- 2 尸1 i ( x ，y ) 2 e - 1 。 3 1 3 分量变换 很多图像都是由多个分量组成的，比如彩色( r g b ) 图像，图像各分量之间存在 一定的相关性，为了消除各个分量之间的相关性，以提高图像压缩的效率，要进 分量变换，在变换以后，图像各个分量独立进行处理。 在j p e g 2 0 0 0 的第一部分定义了两种不同的分量变换：可逆分量变换( r c t ) 和不可逆分量变换( i c t ) 。可逆分量变换是整型到整型的运算，不会丢失精度， 可以用于有损和无损压缩；而不可逆分量变换是实型到实型的运算，会有精度丢 失，只能用于有损编码。在本文中主要针对有损压缩的编码算法，因此也只对不 可逆分量变换加以介绍。 不可逆分量变换在运算时由于使用非整型的系数矩阵会引入误差从而只能 用于有损压缩。其运算与j p e g 用到的亮度色度色彩变换相同，具体运算如式( 3 1 ) 所示。其中】，为亮度分量代表图像像素值的亮度强度，c b 、c r 为色度分量代表 每一像素的颜色信息。在j p e g 标准中，色度分量可以进行二次抽样以减少数据 量，而在j p e g 2 0 0 0 中不允许二次抽样。前向i c t 和逆向i c t 如下所示： 前向i c t ： 二0 麓2 6 4 0 篡5 0 0 0 0 滩0 g04 18 6 8 800 8 p ， 一3 3 1 i |i( 3 1 ) 一一1 3 1 2 i lbi o 6 o o 3 o o 7 o 9 8 o 9 6 o 2 1 5 o 0 o 一 。l = 1j 6 r y 劬d l 第三章j p e g 2 0 0 0 编码系统关键技术及硬件验证系统 逆向i c t ： 刚i ；| 3 2 压缩阶段 o 0 0 3 4 4 1 3 6 1 7 7 2 0 0 0 ( 3 - 2 ) 压缩阶段可以为三个步骤：( 1 ) 离散小波变换( d w t ) ，( 2 ) 量化( 3 ) 熵编码。图 像在预处理以后，对每一分量使用离散小波变换进行独立分析，将图像分量分解 成不同分辨率级下子带。在有损压缩时，各个子带独立的进行量化。量化后的子 带被分成相同大小的码块，除了那些处于子带边缘的块。3 2 3 2 或6 4 6 4 为典 型的编码块大小，既适合内存操作又适于硬件实现。每一编码块又进行独立的熵 编码最后生成压缩码流。 3 2 1 离散小波变换 j p e g 2 0 0 0 与j p e g 2 】不同的关键是用离散的小波变换代替8 8 块的离散余弦 变换，从而可以有效改善j p e g 在低比特下的方块效应。小波变换的过程如下： 首先对原始图像进行垂直滤波和抽样得到沿列方向的低频和高频数据；然后对经 过列方向处理两组数据进行水平滤波和抽样，得到4 个子带：一个逼近信号( l l ) 和三个细节信号( l h 、h l 、h h ) ，再对逼近信号做同样的运算可以得到图像的二 级小波分解，图3 2 是二级小波子带分解过程，依次类推，当分解级数是n 时， 可以得到3 n + 1 个不同的子带。在解码的时候如果只合成低频子带的信号，则可 以得到普通分辨率的图像；如果将所有子带的信号进行合成，即可以得到高分辨 率的图像，。根据这个原理，在图像的网络传输中可以采用：发送端先发送低频 子带信号，接收端收到此信号后即可开始解码，发送端在发送h l 、l h 、h h 各 高频子带，接收端的解码工作随着高频子带的增加，图像分辨率逐渐提高，这样 可以实现图像在网络上的分级传输。 6 r y d 丌儿 o 五弘o 咀加钉加m d 二= n o 第三章j p e g 2 0 0 0 编码系统关键技术及硬件验证系统 l l 2h l 2 l l i l l h l l l h 2眦2 原始图象 l hi - i hl h l 唧1 图3 2 二级子带分解过程 j p e g 2 0 0 0 采用两种小波：可逆的整型小波和不可逆的实数小波。由于无损 压缩不能损失数据，所以只能选择使用整型滤波系数的可逆小波。相反，有损压 缩允许在压缩过程中损失一些数据，因此是使用实数滤波系数的不可逆小波变 换。在j p e g 2 0 0 0 标准中，默认的不可逆小波为双正交d a u b e c h i e s ( 9 ，7 ) 滤波器， 用于有损压缩，默认的可逆小波为l eg a u ( 5 ，3 ) 滤波器，用于无损和有损压缩。 在本文中主要研究基于不可逆小波变化，下面也主要介绍不可逆小波变换( 9 7 小 波) a 为了提高j p e g 2 0 0 0 编码器的效率，在标准中对小波滤波器的计算方法是基 于提升结构【2 5 】的小波变换计算方法，其复杂度比以内积计算量减少一半，速度快， 运算复杂度低，所需要的存储空间少，而且得到的小波系数与使用传统内积结果 相同。其变换方法可分为五步： ( 1 ) 第一次预测 y ( 2 n + 1 ) 卜z 二( 2 n + 1 ) + 口( 叉0 ，( 2 甩) + 义二( 2 n + 2 ) ) ( 3 - 3 ) ( 2 ) 第二次更新 y ( 2 n ) 七一j 乙( 2 以) + ( y ( 2 n 一1 ) + y ( 2 n + 1 ) ) ( 3 ) 第二次预测 y ( 2 n + 1 ) 卜y ( 2 n + 1 ) + ，( y ( 2 n ) + y ( 2 n + 2 ) ) ( 4 ) 第二次更新 y ( 2 n ) 一y ( 2 n ) + 6 x ( y ( 2 n - 1 ) + y ( 2 n + 1 ) ) ( 3 - 4 ) ( 3 5 ) ( 3 - 6 ) 第三章j p e g 2 0 0 0 编码系统关键技术及硬件验证系统 ( 3 - 7 ) 其中x ( n ) 为图像的像素值，】r ( 行) 为分解后的小波系数，y ( 2 n ) 、x ( 2 n ) 是偶数 系数( 低频系数) ，y ( 2 n + 1 ) 、x ( 2 n + 1 ) 是奇数系数( 高频系数) ，比、】0 为镜像 对称扩展后的系数，口、，、j 、k 值分别为：口= 0 1 5 8 6 1 3 4 3 4 2 ， p = - 0 0 5 2 9 8 0 1 1 8 ，y = o 8 8 2 9 1 1 0 7 5 ，艿= 0 4 4 3 5 0 6 8 5 1 ，k = 1 2 3 0 1 7 4 1 0 5 。 图3 3 示出了9 7 不可逆小波变换的提升结构。 x 瞰 3 2 2 量化 图3 39 7 不可逆小波变换的提升结构 y ( 2 n + 1 ) 在有损压缩的情况下，要对变换以后的系数进行量化以达到压缩的目的，而 对于无损压缩则不需要量化。在标准中，对各个子带采用具有死区的量化器【2 3 】 进行量化，对子带b 的变换系数a 。( f ，_ ，) 按下式被量化为输出量化值q b ( i ，) 。 删冲i g n ( a b ( i , j ) ) - 掣 ( 3 - 8 ) 式中n o 为子带b 的量化步长，s i g n ( x ) 为工的极性，具有死区的量化器就有如图 3 - 3 所示的量化特性，其死区的宽度为2 a b 。 伽 ，y 脚 卜吖 哪卜 放 刖功 矧 m m ，0 0 第三章j - p e g 2 0 0 0 编码系统关键技术及硬件验证系统 一 死区宽度2 a b k = 一4 a b - 3 b - 2 a b a b a b2 a b3 k b4 a b 兰 图3 _ 4 具有死区量化器的量化特性 在9 7 不可逆小波变换系数量化方面，对于子带b 的量化步长为6 ，如果 子带b 的变换系数动态范围为r ，设表示步长的指数为乞，尾数为总则量化步 长用下式计算。 6 = 2 耻即+ 笋) ( 3 9 ) 式中岛和心分别为非负整数，分别为o 毛 2 5 和o 总 矧 c 其中x 为块内的像素点，i i i | 为集合的势。 这一过程可以用图4 - 4 来表示： 初始纹理分类器卜 7 678 、l 、 纹理区域 图4 4 基于噪声误差敏感度的块的分类过程 ( 4 - 4 ) 1 、 27 边缘块 3 在分类以后为每一个块根据其分类的结果，设置一个块的j n d 值，作为这 第四章基于j p e g 2 0 0 0 的双水印算法设计 个块内所有像素点的基准j n d 值。 j ( 6 ) = k ( 4 5 ) 其中k 厶是根据误差索引l b 取3 到1 2 中的值，- ，( 6 ) 为块内像素的基准j n d 值。 最后再根据人眼的亮度敏感性，在每一个像素点上计算一个附加的噪声阈 值，与前面的基准j n d 值相加形成最终像素点上的j n d 值。 其中 j ( i ，b ) = j ( b ) + l ( i ，j ，b )( 4 - 6 ) 上( f ，j ，b ) = ( 1 2 8 - i ( i ，j ，6 ) ) 2 a( 4 7 ) ，( f ，j ，b ) 为块( f ，) 处的灰度值，口为一常数值。 上面文献中水印算法主要是基于j p e g 图像压缩标准所设计的，其图像块的 分类是在d c t 域内进行的，要先将图像进行d c t 变换，因此运算相对比较复杂， 实时性相对比较差。而我们设计的水印算法是基于j p e g 2 0 0 0 在i c 实现上的算 法，因此要考虑其实时性，以及运算的简单性。借鉴上面介绍的分类方法，我们 对其进行简化，形成了一种在空间域上直接进行分类的并计算j n d 掩蔽闽值的 模型。 该模型首先将原始图像分为8 8 的小块，计算每一个小块的熵值与方差，根 据熵值与方差确定块是属于纹理块还是平坦块，然后利用像素的梯度再将纹理块 分为边缘块和复杂纹理块，考虑人眼对边缘位置以及亮度敏感性的不同，我们将 边缘块上的像素点标记出来做单独处理，将块分类后为其设置一个基准的噪声阈 值，形成块可察觉噪声阈值，最后与每一像素点的附加噪声阈值进行相加，构成 最终的j n d 掩蔽阈值。其过程如图4 5 所示。 第四章基于j p e g 2 0 0 0 的双水印算法设计 图4 5 空间域j n d 阈值计算框图 简化模型中我们利用各个图像块的熵以及方差对块进行初次划分，将图像块 分为平坦块、纹理块。熵值较小且方差较小的块为平坦块，如果块不是平坦块， 再利用梯度进行分类，如果块内梯度较大的点比较多则认为是复杂纹理块，否则 则认为是边缘块。下面我们对这一过程进行详细的描述。 信息熵是信息论中度量信息量的一个概念，一个系统越有序，信息熵就越低， 反之，一个系统越是混乱，信息熵就越高。在此我们借用此概念定义一个图像块 的熵，来反映这一图像块内像素值的混乱程度。用e n t r o p y k 表示第k 个图像块的 熵、其计算公式如式( 4 8 ) 所示。 oo一 胁哟r 州p ；j x l o g