（信号与信息处理专业论文）基于ofdm的鲁棒数字水印技术研究.pdf

摘要 随着信息技术和互联网的飞速发展，网络媒体已经成为一种主流的信息传输途径， 越来越多的作品通过互联网来进行传播，这为我们提供极大便利的同时，也给我们提出 了许多问题和挑战，这就是如何有效地保证作品所有者的合法权益，如何在不损害所有 者利益的情况下使更多的人获益。数字水印技术应运而生，它为版权保护和内容认证提 供了一个新的技术途径，从而得到了人们的广泛关注。 本文首先将鲁棒数字水印系统与通信系统进行了比较研究，给出了鲁棒数字水印系 统所对应的通信系统模型，得到了通信系统中的各种抗干扰技术可以应用于鲁棒数字水 印系统以提高水印鲁棒性的重要结论。 通过实验的方法分析了常见的j p e g 压缩和几何剪切等对图像频域( d c t 域、d w t 域、混合域) 系数的影响，并提出了相应的鲁棒水印嵌入策略。 提出了一种基于o f d m 技术的鲁棒数字水印方案。该方案首先对原始水印信息进 行随机化处理，然后对其进行o f d m 编码调制和正交变换，形成包含水印信息的符号 序列s ；这种正交变换有效降低了o f d m 信号的峰平比，提高了水印信息的鲁棒性， 并为水印信号的盲提取创造了条件。对载体图像进行两级离散小波变换，然后对其逼近 子图l l 2 进行d c t 变换，得到系数序列j ，将包含水印信息的符号序列s 嵌入到从j 中 选择的方差最小的一组系数上，形成水印化图像。这种嵌入策略有效减小了对原始图像 的损伤，提高了水印的鲁棒性。 对该方案进行了理论分析和大量的m a t l a b 仿真实验，结果表明：o o f d m 编码 调制的采用有效提高了水印抗几何失真的能力：此方案能够很好地抵抗j p e g 压缩， 在压缩因子大于1 5 时均可实现水印的无失真提取；在几何剪切达水印化图像1 3 时， 提取出水印的相似度也在o 9 2 以上，具有很好的视觉效果；对其他的几何攻击，诸如 左右平移、图像放大、缩小、旋转等都能提取出比较清晰的水印图像，同时对中值滤波、 维纳滤波、高斯噪声等攻击也显示出良好的鲁棒性；采用4 x 4 的分块比采用8 x 8 分块 d c t 具有更好的抗几何攻击能力；水印嵌入容量大，且可以实现盲提取。 关键词 正交频分复用，水印攻击，离散小波变换，离散余弦变换，数字水印 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n t e m e ta n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , t h ei n t e m e ti s b e c o m i n gam a i n l yt r a n s f o r mm e t h o d , m o r ea n dm o r ep r o d u c t i o n sa r es p r e a d i n gt h r o u g h i n t e m e t , i tp r o v i d e sa d v a n t a g e s ，b u ta l s os o m ed i f f i c u l t i e s ，h o wt op r o t e c tt h el e g a li n t e r e s to f t h ep o s s e s s o r , a n dh o wt ob e n e f i tm o r ep e o p l ea r eq u e s t i o n sw en e e dt oc o n s i d e r t h ed i g i t a l w a t e r m a r k i n gt e c h n i q u ee m e r g e da s t h et i m e sr e q u i r e ，i ti s w i d e l yu s e d i n c o p y r i g h t p r o t e c t i n ga n d t e x ta u t h e n t i c a t i o n , a n da t t r a c t e dm u c ha t t e n t i o n s c o m p a r e dt h er o b u s tw a t e r m a r k i n gs y s t e m 诵t l lt h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，w ed e f i n e d t h ec o m m u n i c a t i o nm o d e lo fr o b u s tw a t e r m a r k i n gs y s t e m d e r i v e dac o n c l u s i o nt h a ta l l t e c h n o l o g i e sw h i c hc a l lr e s i s ti n t e r f e r e n c ec a na l s ob eu s e dt op r o m o t et h er o b u s t n e s so ft h e w a t e r m a r k t h r o u g he x p e r i m e n t a ls i m u l a t i o n , w es t u d i e dt h ei n f l u e n c et h a tj p e gc o m p r e s s i o na n d g e o m e t r i cc r o pb r i n g st ot h ec o e f f i c i e n t s ( d c td o m a i n , d w td o m a i n , m i xd o m a i n ) o f t h e i m a g e ，a n dr e l e v a n te m b e d d i n gp o l i c i e sa r ep r o p o s e d an o v e lr o b u s tw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mb a s e do no f d mi sp r o p o s e d t h eo r i g i n a l w a t e r m a r ki sr a n d o m i z e d , a n dt h e ne n c o d e d 、析t l lo f d mt e c h n o l o g ya n do r t h o g o n a l t r a n s f o r m ，t h e nt h ew a t e r m a r k i n gs e q u e n c esi sf o r m e d ；t h ep a p ro ft h es i g n a li sr e d u c e d t h r o u g ho r t h o g o n a lt r a n s f o r m , a n dt h er o b u s t n e s so ft h ew a t e r m a r ki se n h a n c e d ，t h ee x t r a c t i o n o fw a t e r m a r k i n gc a nh ea c c o m p l i s h e db l i n d l y t h ec a r r i e ri m a g ei sd e c o m p o s e di n t o2c l a s s e s b yd w t a n dt h ed c ti sa p p l i e dt ot h ea p p r o x i m a t eb a n dl l 2 ，a n dt h e nt h ew a t e r m a r k i n f o r m a t i o nsi se m b e d d e dt ot h e s ec o e 伍c i e n t s ，w h i c hh a v em i n i m u 1v a r i a n c e t h e d a m a g eo ft h ei m a g ei sd i m i n i s h e dt h r o u g ht h i se m b e d d i n gp o l i c y , a n dt h er o b u s t n e s so ft h e w a t e r m a r k i n gi si m p r o v e d t h em a t l a bs i m u l a t i o ns h o w st h a t ，t h ep e r f o r m a n c eo f r e s i s t i n gg e o m e t r i ca t t a c k s o ft h ew a t e r m a r k i n gi si m p r o v e db yo f d mt e c h n o l o g y , t h ep e r f o r m a n c eo fr e s i s t i n gj p e g c o m p r e s s i o ni sv e r yw e l l ，t h ew a t e r m a r k i n gc a nb ed e t e c t e dw i t h o u td i s t o r t i o nw h e nt h e q f = 1 5 ， 恤en co f t h ew a t e r m a r ki sa b o v e0 9 2w h e nt h ec r o pr a t i oi s1 3 ， t h ed e t e c t e d w a t e r m a r ki sv e r yc l e a rw h e nt h ei m a g ei ss h i f t e d ，r e s i z e da n dr o t a t e d ，a n dt h ew a t e r m a r ki s r o b u s tt om e d v a l u ef i l t e r i n g ，w i e n e rf i l t e r i n g ，g a u s s i a nn o i s ea n ds oo n 恤ep e r f o r m a n c e o fr e s i s t i n gg e o m e t r i ca t t a c k sb y4 * 4d i v i d e d - b l o c k si sb e t t e rt h a n8 * 8d i v i d e d b l o c k so fd c t t r a n s f o r m ，t h ec a p a b i l i t yo ft h i ss c h e m ei sl a r g e ，a n dt h ew a t e r m a r kc a nb ee x t r a c t e d b l i n d l y k e y w o r d s o f d m ，w a t e r m a r ka t t a c k ，d w t ，d c t ，d i g i t a lw a t e r m a r k i n g 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。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电子版。本人允许 论文被查阅和借阅。本人授权西北大学可以将本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 和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所等机构将本学位论 文收录到中国学位论文全文数据库或其它相关数据库。 墨裹蓑主嚣萎裹霎亍羔指导教师签名：兰选学位论文作者签名：至必指导教师签名：盘：塑 砷年歹月s e l 芦月弘日 西北大学学位论文独创性声明 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工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西 北大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的 同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 = 匕 恩。 学位论文作者签名：鳓 卅年月。肛日 西北人学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 数字技术和互联网的发展，使得各种形式的多媒体数字作品( 图像、音频、视频等) 纷纷在网络上发表和传递，为创作者和使用者提供了极大的方便。然而数字作品的便利 性和不安全性是并存的，非法使用者利用这种便利性能很容易地获取到自己想要的作 品，在没有取得授权的情况下对该作品进行拷贝和分发，谋取非法商业利益，这必将损 害合法使用者的利益。因此，采取多种手段对数字作品进行保护、对侵权者进行惩罚已 经成为十分迫切的工作。除了与传统作品版权保护相类似的法律和管理手段外，还应该 针对数字作品本身的特点为其提供技术上的保护，数字水印技术就是在这种应用的要求 下迅速发展起来的。 数字水印是一种有效的数字产品版权保护和数据安全维护技术，是信息隐藏技术研 究领域的一个重要分支。它将具有特定意义的标记( 水印) 用数字嵌入的方法隐藏在数 字媒体中，用以证明创作者对其作品的所有权，并作为鉴定、起诉非法侵权的证据，同 时可通过对水印的检测和分析来保证数字信息的完整性和可靠性，已成为知识产权保护 和数字多媒体防伪的有效手段【l j 。 在现实生活中，数字作品的知识产权保护、商务交易中的票据防伪、以及声像数据 的隐藏标识和篡改提示等引起普遍关注的问题构成了数字水印的研究背景。 数字水印的主要用途有：广播监管( b r o a d c a s tm o n i t o r i n g ) 、版权识别( o w n e r i d e n t i f i c a t i o n ) 、版权证明( p r o o fo fo w n e r s h i p ) 、交易跟踪( t r a n s a c t i o nt r a c k i n g ) 、内容认 i 正( c o n t e ma u t h e n t i c a t i o n ) 、拷贝控$ ! j ( c o p yc o n t r 0 1 ) 、设备控$ 1 j ( d e v i c ec o n t r 0 1 ) 等【2 j 。 鲁棒水印是数字水印的一个重要分支，它主要用于数字媒体的版权保护。水印的鲁 棒性是指水印抵抗各种常见攻击的能力，在版权保护中通常要求水印能够抵抗各种不同 形式的攻击，即含水印作品经受攻击之后仍然能从中提取出较为有效的水印信息，这是 近年来研究较多的一种水印技术，也是本文的研究重点。 1 2 数字水印的研究内容 近年来，数字水印技术得到了突飞猛进的发展，各大高校和研究机构越来越多地投 入到数字水印的研究中，从而使数字水印技术得到不断的更新。 目前对数字水印的研究主要集中在以下几个方面： 第一章绪论 ( 1 ) 鲁棒水印算法的研究【3 羽。在不可察觉性的约束下，鲁棒性是版权保护水印最基 本的要求。这类算法主要集中在变换域进行，选择d c t ( d i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m ) 或 d w t ( d i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o r m ) 系数进行水印的嵌入，也有的文献把水印嵌入在两者的 混合系数上，以提高水印的抗攻击能力。 ( 2 ) 脆弱水印算法的研究1 7 。9 1 。脆弱水印作为多媒体认证的新技术，正在成为研究的 热点。这方面的研究主要包括脆弱水印和半脆弱水印。脆弱水印主要用于图像或文本的 完整性认证，只要所传输的媒体有轻微的改动都可以被检测出来；而半脆弱水印主要用 于图像或文本的真实性认证，它允许对图像进行合法的操作和处理，但是对图像内容的 大幅度修改是可以被检测到的。 ( 3 ) 信息隐藏理论与方法的研究【1o ，1 。受不可见性的制约，信息隐藏的容量和鲁棒 性构成了一对矛盾。运用通信理论和统计学原理对信息隐藏的过程进行数值分析，得出 的结论或公式可以指导我们选择更好的嵌入方法和嵌入策略，从而提高信息隐藏的容量 和鲁棒性。 ( 4 ) 压缩域水印算法的研究 1 2 , 1 3 】。压缩域上的数据处理，是多媒体信号处理领域近 年来备受关注的问题。在压缩域而不是在原始图像中实现水印和信息的隐藏和检测，在 许多应用场合下，特别是视频水印的实现中，显得十分必要。压缩域水印主要集中在 j p e g ( j o i n tp i c t u r ee x p e r t sg r o u p ) 、m p e g ( m o t i o np i c t u r ee x p e r t sg r o u p ) 、v q ( v e c t o r q u a n t i z a t i o n ) 压缩域和分形压缩域进行，对相应的攻击有很好的鲁棒性。 ( 5 ) 水印攻击方法的研究1 1 4 , 1 5 】。主要研究对水印实施攻击以消除水印和水印对抗攻 击的方法、以及水印在解决所有权证实方面的作用和不足。正是有了这方面的研究，才 促使数字水印技术不断前进和发展。 ( 6 ) 数字水印和信息隐藏技术的应用。任何理论的研究都是为了实际的应用，现有 的成熟理论已经很好地应用到了各种场合，这为数字水印技术的研究提供了强大的动 力。 1 3 鲁棒水印的研究现状及发展趋势 作为数字水印的一个重要分支，图像鲁棒水印技术也取得了很多新的成果，许多新 技术被运用到鲁棒水印当中，在提高图像水印鲁棒性的同时，也提高了这种技术应用于 实际生产和生活的便利性。 2 两北大学硕上学位论文 1 3 1 鲁棒水印的研究现状 针对版权保护的广泛需求，目前改善图像水印鲁棒性的方法主要有如下几种1 1 6 1 ： ( 1 ) 选择合适的嵌入工作域。嵌入工作域的选择在于改善图像水印的不可见性，圳 嵌入尽可能高幅度的水印信号，进而改善水印的鲁棒性。 文献d t 将图像分为8 x 8 的小块，然后进行离散傅立叶变换( d f t , d i s c r e t ef o u r i e l t r a n s f o r m ) ，将水印信息嵌入d f t 变换的中频系数上，水印可以实现盲提取，并且能够 较好地抵抗j p e g 压缩和几何剪切攻击，但是水印的嵌入容量有限。 文献【1 8 】提出了一种d c t 域的盲检测数字水印算法，该算法在一幅图像中嵌入了多 个相同的水印。首先对水印进行位扩展和二值伪随机序列调制，利用d c t 系数量化取 整后的奇偶性嵌入水印。该算法能够抵抗噪声、滤波和剪切等攻击，但是对j p e g 压缩 的能力有限，在压缩函数( q u a l i t yf u n c t i o n ) q f = 3 0 的时候提取出的水印已经无法识别。 文献 1 9 】提出了一种基于小波变换的自适应灰度图像数字水印算法，该算法利用位 平面方法将经过a r n o l d 变换后的灰度水印图像转化为一系列的二值信息，然后将其内 嵌到原始图像经过小波多分辨率分解后的低频子带上，并利用人眼视觉掩蔽特性对水印 的嵌入强度进行自适应调节，设立标志矩阵记录水印嵌入位置，从而在提取时不需要原 始载体的参与。该算法能抵抗j p e g 压缩、滤波、旋转、剪切等攻击，但是标志矩阵的 设立，使其需要产生一个与嵌入子带相同大小的矩阵来保存嵌入位置信息，这样只能算 作是半盲检测。 文献 2 0 】提出了一种基于小波变换的自适应空间域和变换域相结合的静止图像数字 水印算法，提取图像的空间域特性生成水印序列，利用对嵌入部分的数据量化来进行水 印的嵌入，水印的检测不需要原始图像的参与，该算法对低通滤波、加噪、j p e g 压缩 等操作都具有很好的鲁棒性，但是对剪切操作却无能为力。 文献【2 l 】将水印信息嵌入载体图像d w t 和d c t 的混合变换域。通过t o r u s 置乱保 证了水印信息的安全性，用z i g z a g 扫描形成一维水印序列，对原始图像进行d w t ， 分解出逼近子图，对此逼近子图进行8 x 8 的分块d c t 。根据视觉掩蔽特性对图像块进 行分类，不同的分类结果嵌入不同强度的水印分量到中频系数上，以达到自适应的目的。 该算法在噪声干扰、图像处理、图像压缩以及各种人为恶意攻击下具有很好的鲁棒性。 ( 2 ) 选择合理的嵌入对策。嵌入对策主要解决如何选择哪些像素或变换系数来隐藏 水印，以及采用什么嵌入公式。 文献 2 2 禾1 j 用小波变换后最低的三个子带系数之间的关系来嵌入水印，仅仅需要改 3 第一章绪论 变一个d w t 系数就可以嵌入l 比特的水印信息。该算法实现简单，且透明性良好，可 以抵抗j p e g 压缩、高斯噪声、中值滤波等攻击。但是文献中采用无意义的二值序列作 为水印，且嵌入容量有限，在5 1 2 x 5 1 2 大小的图像中最多只能嵌入4 4 3 比特的水印信息。 文献 2 3 】提出的小波域鲁棒自适应公开水印技术，在充分考虑人眼视觉掩蔽特性的 基础上，首先给出了基于图像分块的临界噪声阈值矩阵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 ) ， 然后把原图像各8 x 8 的分块按h i l b e r t 扫描顺序排列，从中选取相邻的两块分别进行一 层小波变换，再结合各分块的j n d 阈值，通过不同强度地调整两相邻块各对应细节子 带均值之间的大小关系来自适应地嵌入水印信息。水印的嵌入强度是与原图像特征相适 应的，具有很好的透明性，同时，水印的提取无需原始图像的参与。该算法对常见的图 像压缩、剪切、移位等操作具有很好的鲁棒性，但是该算法需要在原始图像中嵌入多个 相同的水印来提高其检测正确率。 ( 3 ) 应用扩频技术1 2 4 瑚】。从通信的角度来讲，扩频技术是在一个宽带通道中传输一 个窄带信号，以提高传输信号的抗干扰能力。在图像水印研究中，扩频技术是广泛采用 的技术。利用随机序列，把构成水印的二进制序列扩展成一个长得多的实数序列或二进 制序列。通过扩频，一方面可以把水印信号能量进行扩散，改善不可见性；另一方面可 以增强水印对抗图像失真的鲁棒性。 文献 2 4 】用伪随机序列对原始水印信息进行扩频，将伪随机序列与含水印图像分别 进行传输，以保证其安全性。伪随机序列具有较低的互相关特性，以防止被攻击方非法 复制。该算法不需要原始水印信息，水印安全度较高。 文献【2 5 】提出了一种有效的盲检测扩频数字水印算法。该文通过研究表明在扩频水 印系统中，水印信息与载体图像是相互独立的，并且服从非高斯分布，运用独立组分分 析( i c a ，i n d e p e n d e n tc o m p o n e n t a n a l y s i s ) 理论将水印的提取过程看作盲信息源的分离问 题。研究表明，在一般的水印攻击下，该算法能够以较低的误码率检测出水印信息。 文献 2 6 】提出了采用c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 技术对水印进行编码的 多水印技术。在嵌入之前每个用户的水印用其特有的地址码进行扩规在水印提取时， 通过计算地址码与水印向量之间的相关系数来进行检测，每个用户可以独立地提取属于 自己的水印信息。 文献【1 6 】对基于c d m a 的数字水印算法进行了系统的研究。在分析c d m a 扩频通 信理论的基础上，对基于c d m a 扩频算法的数字水印系统进行实验，证明了其可行性； 然后提出了一种抗裁剪的d w t 域自同步数字水印算法，该算法可能很好地抵抗s t i r m a r k 4 两北大学硕一i ：学位论文 裁剪和任意裁剪，并且对j p e g 压缩和高斯噪声也有很好的鲁棒性；然后对c d m a 的冰 印信道误码性能进行了分析，研究了用户数与嵌入强度、扩频码长与嵌入强度、用户势 与误码率、嵌入强度与误码率等之间的关系，并给出了相应的计算公式；对c d m a 扩 频水印算法的有效性进行了分析；对多进制小波变换的c d m a 数字水印进行了研究， 对水印的不可见性、鲁棒性等进行了分析。为后者的研究奠定了坚实的理论基础。 ( 4 ) 应用纠错编码技术1 2 9 。4 1 。纠错编码的目的在于通过增加冗余信息，在一定范围 内纠正某些比特错误。 文献 2 9 】提出了一种可以公开水印嵌入算法的数字水印方案。拥有密钥的人都可以 在图像中嵌入水印或从中提取水印，采用加密技术和r s ( r e e d s o l o m o n ) 编码对水印信息 进行编码，从而使水印算法可以公开。该算法具有较好的鲁棒性，并且能够很好地保护 作品的版权。 文献【3 0 】采用b c h 编码对水印信息进行预处理，并运用统计学原理对水印的恢复能 力进行分析，实验表明该算法能够抵抗多种不同的水印攻击，能够较好地保护数字作品 的版权信息。 文献【3 1 】提出了一种在空间域和变换域同时嵌入水印的多水印方案。为了增强水印 的鲁棒性，对水印信息进行t u r b o 编码。该算法对j p e g 压缩、滤波、加噪和剪切等操 作具有很好的鲁棒性，在一幅2 5 6 x 2 5 6 大小的医学图像中可以嵌入2 0 0 0 比特的水印信 息，水印容量较大。在图像的两个域嵌入水印不仅保证了水印的存在，还可以保持载体 图像的原始特征。 ( 5 ) 采用自我调整水印嵌入技术【3 5 弓7 】。由于不可见性是图像水印的基本前提，水印 的不可见性与人类视觉系统( h v s ，h u m a nv i s u a ls y s t e m ) 特性紧密相关。充分利用h v s 特性提高隐藏水印的幅度，是近年来自适应图像水印算法的研究目标。 文献【3 6 】在彩色图像掩蔽模型和w a t s o n 的j n d 模型的基础上，提出了新的彩色图 像可识别模型( j n c d ：j u s tn o t i c e a b l ec o l o rd i f f e r e n c e ) ，利用j n c d 来计算每个分量的掩 蔽权重，并采用新的标准来衡量彩色图像的质量：彩色图像峰值信噪比( c p s n r - c o l o r i m a g ep e a ks i g n a lt on o i s er a t i o ) 。利用c p s n r 计算出来的图像质量比p s n r ( p e a ks i g n a l t on o i s er a t i o ) 更接近人类的视觉效果。因此，该算法产生的含水印图像的视觉效果很好， 具有很高的隐蔽性。 文献 3 7 1 在小波域利用像素掩蔽来达到人类视觉不可感知的目的。通过统计分析来 计算小波系数的自适应门限，水印被嵌入在可感知的重要细节系数上，为了提高水印的 5 第一章绪论 鲁棒性，对水印进行了多次嵌入。实验表明，该算法对常见的图像压缩、滤波、剪切等 恶意攻击具有很好的鲁棒性。 上述各种措施和方法对于提高水印的鲁棒性有较为明显的效果。除了水印的鲁棒性 外，图像鲁棒水印系统还要同时考虑水印嵌入容量、水印化图像的视觉效果、检测出的 水印的完整性等因素。 1 3 2 鲁棒水印的发展趋势 通过对鲁棒数字水印的研究我们发现，未来的鲁棒数字水印技术将会在以下几个方 面进行突破： ( 1 ) 建立统一的鲁棒水印标准。现有的对水印鲁棒性的检测都是通过实验的方法进 行的，且实验参数各不相同，这就造成了多种算法判定标准不一的问题。统一的判定标 准有助于我们更好地确定水印性能，对不同的水印算法使用相同的攻击方法进行实验， 可以更好地比较出算法的优劣。 ( 2 ) 制造智能的水印软件。使水印的嵌入和检测可以很方便地实现，并且能够针对 不同的载体作品使用不同的嵌入和提取算法，这样不仅提高了水印的检测效率，更有效 地保证了水印的安全性。 ( 3 ) 扩大水印的应用范围。目前基于彩色图像、矢量图和动画等媒体的数字水印技 术研究还比较少，利用动态水印和具有交互性质的水印可以动态修改水印内容，或者通 过水印来实现某些控制，如读取、拷贝等操作。在网络环境中，这些控制可以通过在水 印中加入j a v a 应用小程序和含有特定的u r l 等方法来实现【3 8 l 。 ( 4 ) 将水印处理技术应用到其他领域。如军事方面，把数字水印处理技术用于传递 密码军事信息，加密军用遥感侦查图像或用水印处理技术验证军事命令、保密信息的真 实可靠性，这对于国防现代化建设和未来的信息化、网络化战争具有重大意义。 ( 5 ) 使用各种生物认证技术( 如指纹、视网膜) 等，构造专人标识的水印1 3 9 1 。 1 4 本文主要研究内容及安排 本文针对数字水印的基本问题和研究内容，运用通信理论中的编码调制技术，提出 了一种新的水印编码策略和嵌入策略，实现了水印的盲检测，并提高了水印的鲁棒性。 本文的主要工作如下： ( 1 ) 分析了数字水印系统的组成，将其与通信系统比较后发现，鲁棒数字水印系统 就是一个完整的通信系统，因此通信理论中的各种抗干扰技术都可以用来提高水印的鲁 6 西北人学硕士学位论文 棒性，为我们将通信技术应用于数字水印系统奠定了理论基础。 ( 2 ) 研究了常见的水印攻击操作，如j p e g 压缩、几何剪切等对水印鲁棒性的影响。 在变换域通过计算处理后图像变换域系数的归一化方差来衡量j p e g 压缩对图像系数能 影响；针对几何剪切，采用比较剪切前后变换域系数变化情况的方法来说明这种操作刑 图像的影响，从而提出相应的嵌入策略。 ( 3 ) 介绍了o f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，正交频分复用) j j 5 术基本原理及其优缺点，通过实验对比分析经o f d m 编码和未经o f d m 编码的水印信 息的抗干扰性能。在j p e g 压缩和几何剪切攻击下，o f d m 编码水印的抗干扰能力明显 优于未采用o f d m 编码的水印，说明将o f d m 技术应用于图像数字水印系统是可行的。 ( 4 ) 提出一种基于o f d m 的鲁棒数字水印方案。对该方案进行了大量的仿真实验， 实验结果表明：此方案能够保证载体图像的视觉效果，并可实现盲检测，能够很好地抵 抗j p e g 压缩和几何剪切，对滤波、噪声等攻击也具有良好的鲁棒性。 本文的章节内容安排如下： 第一章介绍数字水印的研究内容，鲁棒水印的研究现状及发展趋势等。 第二章主要介绍数字水印的基本理论，包括数字水印的系统组成、特性、评估准则、 通信模型等，重点对水印的通信模型进行了研究，分析了通信技术应用于数字水印系统 的优势。 第三章介绍数字水印的攻击方法，重点研究了j p e g 压缩和几何剪切对图像所含水 印的影响，并提出了相应的嵌入策略。 第四章在介绍o f d m 基本原理的基础上，分析了其抗干扰性能，并提出一种新的 基于o f d m 的鲁棒数字水印方案。通过实验证明了其良好的鲁棒性。 最后是结论，对本文的工作进行了总结和展望。 7 西北大学硕上学位论文 第二章数字水印系统的通信模型 2 1 数字水印的概念及分类 数字水印的基本思想是在数字产品中嵌入某种隐秘信息，这种信息可以是作者姓 名、产品序列号、公司标志等有意义的信息，也可以是一串随机产生的数字序列。这些 信息隐含在文本、图像、音频、视频等媒体当中，当作品版权发生争议的时候，可以提 取出来作为合法拥有者的证明，还可以用来证明产品的真实可靠性、跟踪盗版行为或提 供产品的附加信息。 从信号处理的角度来看，隐含在载体中的水印信号可以看作迭加在强背景下的一个 弱信号。只要迭加的水印信号强度低于人类视觉系统( h v s ) 的对比度门限或听觉系统 ( h a s ，h u m a n a u d i os y s t e m ) 的感知门限，人们就无法感觉到它的存在。由于人类视觉系 统和听觉系统会受到空间、时间和频率特性的限制，因此，在一定情况下调整载体对象， 就有可能在不被感知的情况下嵌入一些信息。 从通信系统的角度出发，可以把水印的嵌入和提取过程看成一种通信方式。水印信 号的嵌入可以看作是利用扩频通信的方式在宽带信道上传输一个窄带信号，水印信号的 能量相对较小，分布到通道中任何一个频率上的能量是难以检测到的，因此，水印信号 的提取可以看作有噪信道中弱信号的检测提取问题1 1 】。 根据不同的需求可以对数字水印从不同角度进行划分。 根据数字水印透明与否分为可见水印和不可见水印。可见水印指水印嵌入后，能从 含水印的载体上看到嵌入的水印标识；不可见水印在水印嵌入后，载体在视觉上没有变 化，无法感知水印的存在。 根据水印嵌入的媒体对象的不同可以分为音频数字水印、图像数字水印、视频数字 水印和复合音视频数字水印等。 根据水印提取过程是否需要原始载体的参与分为盲检测水印和非盲检测水印。盲检 测水印除了知道必需的密钥外，完全不需要知道原始数据的任何信息；非盲检测水印则 需要知道密钥和全部或部分原始数据。 根据水印的鲁棒性特征又可分为鲁棒水印、脆弱水印和半脆弱水印。鲁棒水印对常 见的各种处理方法都具备鲁棒性：脆弱水印对任何变换或处理都非常敏感；半脆弱水印 对某些特定的处理方法不敏感，而对其他的处理方法敏感。 按照数字水印被嵌入的工作域分为时空域水印、变换域水印和压缩域水印。时空域 9 第二章数# 水印系统的通信模型 水印是指直接修改载体的时空域采样；变换域水印是指将载体进行各种变换后嵌入水 印，如离散余弦变换( d c t ) 、离散小波变换( d w t ) 、脊波变换和曲波变换等；压缩域水 印是指在j p e g 域、m p e g 域、v q 压缩域和分形压缩域内进行水印处理，对相应的攻 击具有天然的鲁棒性 4 0 l 。 2 2 数字水印的特性 水印系统可以由一些限定特性描述其特征，每一特性的重要性取决于实际应用的需 要和水印的作用【4 l 】。数字水印的特性包括有效性、透明性、鲁棒性、安全性、盲检测和 明检测、嵌入容量、虚检率、密码和水印密钥、修改和多水印、成本等，下面简要介绍 几种比较重要的特性。 2 2 1 有效性 水印系统的有效性是指嵌入水印后检测出水印的概率。鲁棒水印系统要求具有较高 的有效性，以保证提取的水印能够唯一地标识作品的所有权。 若嵌入的是无意义的随机序列，则水印能够被检测到的概率唯一表征了水印的存 在；若是有意义的二值图像或文本，则可以通过提取的图像信息的正确率来衡量水印的 有效性。若检测出的水印中发生误码，则有效性降低。 2 2 2 透明性 一般而言，水印系统的透明性指的是原始载体作品和带水印的载体作品在感觉上无 明显差异或差异不易被发现的情况。也有的文献中将其称为水印的不可见性，即在含水 印图像中无法用肉眼识别出其含有水印。 度量水印透明性的方法有峰值信噪b e ( p s n r ) 、均方误差( m s e ，m e a ns q u a r ee r r o r ) 、 助范数、主观感觉等。其中用到最多的是峰值信噪比，其定义如下： 一划- g 删警心催黔棚柏川2 亿。， 其中胁为图像大小，f ( i ，) 和兀( f ，j ) 分别为嵌入水印前后图像( f ，j ) 点的像素值。 m a x 表示取一组数中的最大值。 图像的峰值信噪比表征图像中含有噪声的大小，含水印图像的p s n r 越大，其与原 始载体图像的差异越小，图像的视觉质量越好，水印越透明；反之当p s n r 越小时，其 与原始载体图像的差异就越大，图像的视觉质量越差，水印越不透明。 l o 两北大学硕士学位论文 2 2 3 鲁棒性 鲁棒性指的是在经过常规的信号处理操作后，仍然能够检测到水印的能力。对图像 的常规操作包括空间滤波、有损压缩、打印和扫描、以及几何失真( 旋转、平移和图像 缩放等) ：视频水印除了要对很多相同的变换具有鲁棒性之外，还需要对视频磁带的录 制和帧频变化具有鲁棒性：音频水印需要对诸如时间滤波、音频磁带录制、录音重放速 度的变化等过程具有鲁棒性。 鲁棒性可以用相关系数( 相似度) 或者误码率来度量【4 2 】。提取出的水印的相关系数 越大，误码率越低，水印的鲁棒性越好，反之，鲁棒性越低。 水印相关系数和误码率的定义如下： l l 一i ，l - i 一l n c = 形( 朋，n ) w ( m ，功2 ( 掰，刀) o 月= o ip 0 月= o ( 2 2 ) b e r = 击荛篓丽丽丽 ( 2 3 ) 其中l x h 为水印大小，w ( m ，刀) 和矿伽，r t ) 为原始水印和提取水印( 臃，撑) 点样值。 水印的鲁棒性与通信系统的传输可靠性是一致的，鲁棒性指的是水印信息传输的质 量问题，而通信系统的可靠性就是信息传输的好坏问题。 2 2 。4 安全性 水印的安全性是指水印抵抗各种恶意攻击的能力。数字水印应该能够抵抗各种蓄意 的攻击，难以被他人复制和伪造。 恶意攻击是指目的在于破坏水印效力的行为。这类攻击包括：非授权检测、非授权 嵌入、非授权删除等。这些攻击将在后文进行详细介绍。 上述各种特性中，鲁棒性和不可见性是图像鲁棒水印系统的两个重要性能指标。 2 3 数字水印与通信系统 为了后面更好地理解水印系统的通信模型，首先简要介绍一下通信系统的构成。 2 3 1 通信系统的构成 图1 是点对点的数字频带通信系统模型。输入信息经过加密器、信道编码器以及调 制器处理后，变成适合信道传输的电信号，在信道中可能受到噪声的干扰而产生信号畸 变，接收端对接收到的信号进行与发送方相反的操作：解调、信道解码、解密等，最后 得到输出信息。 第二章数：# 水印系统的通信模型 图1 数字频带通信系统模型 通常为了实现保密通信，可以在发送端对数字基带信号进行加密，相应地在接收端 对恢复出来的数字基带信号进行解密，这样可以增强信息传输的安全性。 信道编码器的主要作用是采用差错控制编码对可能发生的差错进行控制，提高通信 系统的可靠性。解码器对接收到的信息进行解码，在信道编码和特定信道匹配良好的情 况下，可以实现无失真解码。若有差错出现，差错控制译码可以对其进行纠正。 调制器的作用是把基带信号转换成频带信号，这是因为基带信号只有频率较低的频 谱分量，一般不能直接作为传输信号送到信道中去传输，所以必须在发送端把它转换成 适合信道传输的频带信号。在接收端，解调器从接收的频带信号中分离出基带信号。 2 3 2 基于通信模型的水印系统 水印从本质上来说是一种通信方式从水印嵌入器向水印接收器传输信息1 4 。在 一般的分析中，都将载体作品看作噪声，将水印信息作为要传输的信息来进行研究。 一般的水印系统框图如图2 所示。 图2 水印系统框图 运用通信理论分析数字水印系统，则： ( 1 ) 水印信息对应通信系统的输入信息。 ( 2 ) 原始载体作品c 的嵌入点e 对应为载波。 ( 3 ) 原始载体作品的其他系数对应为系统的固有噪声刀( c ) 。 1 2 西北人学硕士学位论文 ( 4 ) 密钥必对应加密器中的密钥，密钥k 用来控制水印的嵌入，以加强安全性，荠 避免未授权方恢复和修改水印，水印的检测过程中也用密钥k 来确定水印的嵌入位置蓟 提取策略，密钥的有无视具体算法而定。 ( 5 ) 水印编码器对应信道编码器，编码之后的信息为e ( w ) = e n c o d e ( w ) ，其牛 e n c o d e ( ) 表示编码方式。 ( 6 ) 水印的嵌入过程相当于载波调制，嵌入过程记为q = ( e ，e ( 形) ) ，其中八) 表 示嵌入算法。 ( 7 ) 含水印的载体作品g 对应为已调信号。 ( 8 ) 对含水印作品c 。的各种攻击操作疗( 彳) ( 如压缩、滤波、加噪、几何攻击等) 相当 于随机噪声。这样，最终接收端收到的含水印作品为：气= g + 行( c ) + 刀( 彳) ，系统固 有噪声刀( c ) 对水印的影响较小，水印的鲁棒性主要体显在抵抗各种攻击n ( a ) 的能力上。 ( 9 ) 在接收端，水印的提取或检测相当于信号的解调，若水印提取时需要原始载体 的参与，则相当于相干解调：= d ( ，c ) ；若不需要原始载体作品，则相当于非相 干解调：= d ( c 。) ，d ( ) 为与嵌入算法对应的提取算法。 ( 1 0 ) 水印解码器对应信道解码器，解码之后的水印信息为= d e c o d e ( w 咖) 。我们 研究鲁棒水印的目标就是使与矿尽可能相同n 6 1 。 通过上述分析，我们可以将鲁棒数字水印系统等效为一个通信系统，下图3 给出基 于通信系统的水印模型。可以看出，鲁棒数字水印系统本身就是一个完整的通信系统。 鲁棒数字水印系统的最终目标是提高水印的鲁棒性，使得在各种攻击下都能够保证提取 出较为有效的水印信息；而通信系统的目的是提高传输的可靠性，降低信息的误码率， 因此，数字水印的鲁棒性就是通信系统的可靠性。通信系统中的各种抗干扰技术，能够 很好地提高信息传输的可靠性，所以这些技术运用于数字水印系统也可以提高水印的鲁 棒性。 第二章数水印系统的通信模型 图像攻击刀o ) 图3 基于通信系统的水印模型 2 3 3 通信技术在数字水印中的应用 通信理论中的各种编码、调制、扩频等技术都是提高系统抗干扰性能的有效手段， 其中在数字水印中得到成熟应用的有：量化、调制、编码、扩频、加密解密等【4 3 1 。这些 技术在数字水印系统中的应用很好地提高了水印的鲁棒性，使得鲁棒数字水印取得了飞 速的发展。 在水印嵌入时通过对载体系数的量化来达到嵌入信息的目的，这样可以比较容易地 实现水印的嵌入，同时实现水印信息的盲检测。水印信息的 o ，l 或 l ，1 对应为不同的 系数修改算法，在水印提取时通过系数的取值范围来确定提取信息的取值。基于量化的 算法一般都是在载体的变换域进行数据嵌入，这是因为变换域的中低频系数都比较大， 可以修改的余地也较大。这种方法比较简单，且嵌入信息量较大，但是将诸多系数都进 行量化后，图像中容易出现块效应。 调制在水印中的应