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数字水印系统和图像的鲁棒性数字水印研究中文摘要 中文摘要 多媒体数据的数字化为多媒体信息的存取提供了极大的便利，极大的提高了信 息表达的效率和准确性，随着i c 技术的发展和i n t e m e t 的普及，多媒体通信也发展 到一个前所未有的高度，人们可以通过i n t e m e t 发布自己的作品、进行网络贸易等 等，随之而来的盗版问题也变得十分严重。 目前，密码加密技术不能完全解决版权保护问题。密码仅能在数据从发送者到 接收者传输过程中对数据进行保密，自从1 9 9 3 年数字水印出现以来，数字水印技 术已经被认为是数字产品版权保护的有效手段。 本论文首先介绍了数字水印技术所需的图像处理方面的基础知识和传统的信 息安全技术和信息隐藏技术，然后为数字水印技术构建了一个系统理论框架，并论 述了数字水印技术的时代背景、定义、数学模型、一般特性和要求、分类和算法、 对数字水印的攻击评估及数字水印的研究现状；最后对灰度图像提出了一种基于数 字全息和j p e g 模型的水印新算法，在灰度图像水印算法的基础上进一步提出了一 种三层嵌入和三种方式提取的自适应彩色图像水印新算法，并对这两种算法做了基 本仿真测试和攻击测试，得出了肯定的结论。 本论文在构建数字水印系统框架，在试图对数字水印技术建立一套系统的理论 体系上，以及在提出的新的灰度图像和彩色图像的数字水印算法上均具有原创性。 关键词：信息隐藏数字水印图像处理数字全息鲁棒性 作者：尉迟亮 指导教师：顾济华 数字水印系统和图像的鲁棒性数字水印研究英文摘要 a b s t r a c t t h ed i g i t a l i z a t i o no ft h em u l t i m e d i ad a t ap r o v i d e sm u c hc o n v e n i e n c ef o rt h e m u l t i m e d i ai n f o r m a t i o n ss t o r a g ea n de x t r a c t i o n i tm a k e sm u c hi m p r o v e m e n to ft h e e f f i c i e n c ya n dv e r a c i t yo fi n f o r m a t i o ne x p r e s s i o n w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ei c t e c h n o l o g y a n dt h ei n t e r n e t , m u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o nh a s i m p r o v e d t oa n a n p r e e e d e n t e ds i t u a t i o n p e o p l ec a nd i s t r i b u t et h e i rw r i t i n ga n dm a k et r a d e st h r o u g h i n t e r a c t t h i sb r i n g sas e r i o u sp r i v a t ep r o b l e m u pt on o w , e n c r y p f i o nc a n n o ts o l v et h i sp r o b l e me n t i r e l y e n c r y p t i o nc a no n l y p m t e c tt h ed a t ai nt h et r a n s m i t t i n gp r o c e s s t h ed i g i t a lw a t e r m a r k i n gt e c h n i q u eh a sb e e n t h o u g h tt h ee f f i c i e n c yt o o lo f t h ec o p # g h tp r o t e c t i o n i n t h e f i r s t p a r t o f t h i s t h e s i s ，t h e b a s i c k n o w l e d g e f o r d i g i t a l w a t e r m a r k i n g i n i m a g e p r o c e s s i n g ，t h et r a d i t i o n a li n f o r m a t i o ns e c u r i t yt e c h n i q u e sa n dt h ei n f o r m a t i o nh i d i n g t e c h n i q u e sa r ei n t r o d u c e d t h e nc o n s t r u c t saf l a m eo f t h ed i g i u aw a t e r m a r k i n gs y s t e m a n dd i s c u s s e st h ed i g i t a lw a t e r m a r k i n gb a c k g r o u n d ，d e f i n i t i o n ，m a t h e m a t i c a lm o d e l ， g e n e r a lp r o p e r t i e sa n dr e q u i r e s ，c l a s s i f i c a t i o n ，a l g o r i t h m ，a t t a c k sa n da s s e s so nd i g i t a l w a t e r m a r k i n ga n dp r e s e n ts t u d i e si nd i g i t a lw a t e r m a r k i n g f i n a l l y , p r o p o s e san e w w a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mb a s e do nd i g i t a lh o l o g r a p h ya n dj p e gm o d e lt ot h eg r a y - l e v e l i m a g e ；t h e no ni t sb a s i s ，an e wa d a p t i v ec o l o ri m a g ew a t e r m a r k i n gs c h e m eb a s e do n t h r e ec o m p o n e n t se m b e d d i n ga n de x t r a c t i n gi sp r o p o s e df u r t h e r m o r e t h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wah i g h e rp e r f o r m a n c ei nt r a n s p a r e n c ya n dr o b u s t n e s s t h i st h e s i ss h o w st h e o r i g i n a l i t yi nc o n s t r u c t i n g t h ef r a m eo ft h e d i g i t a l w a t e r m a r k i n gs y s t e mt h e o r ya n dp r o p o s i n gt h en e wd i g i t a lw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m so n g r a y - l e v e li m a g ea n d c o l o ri m a g e k e y w o r d s ：i n f o r m a t i o nh i d i n g ，d i g i t a lw a t e r m a r k , i m a g ep r o c e s s i n g ，d i g i t a l h o l o g r a p h y , r o b u s t n e s s w r i t t e nb yy u c h il i a n g s u p e r v i s e db yg uj i h u a i i 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提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 其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律 责任。 研究生签名： 封垒主2 日期：兰! ! ：垒! 生 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保存期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名： 导师签名： 日期：兰垫：! ：坐 日期： 2 塑6 ：! ：! 数字水印系统和图像的鲁棒性数字水印研究 第一章引言 第一章引言 1 1 数宇水印技术概述 随着时代的进步，信息科技的发展给人类的信息交流带来了极大的方便，多媒 体数据的数字化为多媒体信息的存取提供了极大的便利，极大的提高了信息表达的 效率和准确性。随着i n t e m e t 的普及，多媒体信息的交流传播已达到了前所未有的 广度和深度，然而随之而来的数字产品版权保护的问题也变得十分严重。相应传统 网络信息安全的解决措施是数据加密技术。然而数据加密技术不能完全解决版权问 题，密码技术仅能在数据从发送者到接收者传输过程中对数据进行保密，一旦数据 被接收解密之后，就和普通数据一样，将不再受到保护，无法防止盗版的发生。因 此，必须寻求新技术来解决数字产品的版权保护问题。 数字水印技术正是在9 0 年代以来网络技术迅猛发展这样的历史背景下出现并 且发展起来的。自从1 9 9 3 年c a r o n n i 首次提出“数字水印”概念之后，数字水印技 术已经成为版权保护技术的研究热点i l - 7 1 ，因为数字水印被认为是防止数字产品盗版 的有效手段。因为它可以将有关作者以及其他的相关版权信息加入到图像、视频和 音频数据产品中肛埘，并且对非法用户的攻击具有鲁棒性，也就是说非法用户在不 破坏数字产品质量的前提下是不能提取或去除数字水印的，而合法用户可以检测水 印信息来证明版权的有效性。所以数字水印在保护多媒体数据版权方面具有数据加 密技术无法比拟的优越性。 数字水印技术是一种从信息隐藏技术中发展出来的技术，数字水印技术是利用 数字产品中的冗余信息将携有知识产权信息等内容的数据( 水印信息) 以可察觉或 不可察觉的方式隐藏到被保护的数字产品中，并且可以从加了数字水印的数字产品 中检测或者提取出水印信息( 有关版权的信息) ，从而可以证明原创作者对数字产 品的版权，辨别合法用户。数字水印还可以作为起诉非法侵权者的依据。一般数字 水印系统包括数字水印的嵌入、提取和检测、以及对数字水印的攻击等。 数字水印一般有：不可感知性、鲁棒性、检测的可靠性、计算的有效性、算法 安全性等特点和要求。 数字水印系统和图像的鲁棒性数字水印研究 第一章引言 1 2 国内外的研究现状 数字水印技术自9 3 年被提出以来，由于其在信息安全和经济上的重要地位，发 展较为迅速，世界各国的科研机构、大学和商业集团都积极的参与或投资支持此方面 的研究。如美国财政部、美国版权工作组、美国洛斯阿莫斯国家实验室、美国海陆空 研究实验室、欧洲电信联盟、德国国家信息技术研究中心、日本n t t 信息与通信系 统研究中心、麻省理工学院、南加利福尼亚大学、剑桥大学、瑞士洛桑联邦工学院、 微软公司、朗讯贝尔实验室等都在进行这方面的研究工作。i b m 公司、日立公司、 n e c 公司、p i o n e e r 电子公司和s o n y 公司等五家公司还宣布联合研究基于信息隐藏的 电子水印。 国际学术界陆续发表了许多关于数字水印技术方面的文章，几个有影响的国际会 议( 例如i e e e ，s p i e 等) 及一些国际权威学术期刊( 例如s i g n a lp r o c e s s i n g 等) 相 继出版了有关数字水印技术的专题。1 9 9 6 年5 月，国际第一届信息隐藏学术讨论会i 1 ( i n t e r n a t i o n a l i n f o r m a t i o n h i d i n g w o r k s h o p ，i h w ) 在英国剑桥牛顿研究所召开，至今 该研讨会已举办了五届。在1 9 9 9 年第三届信息隐藏国际学术研讨会上，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。1 9 9 8 年的国际图像处 理大会( i c i p ) 上，还开辟了两个关于数字水印的专题讨论。由m a r t i n k u t t c r 创建的 w a t c r m a r k i n g w o r l d 已成为一个关于数字水印的著名网上论坛。而包括数字水印在内 的信息隐藏技术，尚未形成完整的学科理论体系，因此这也是一项重要的应用基础研 究。 随着技术信息交流的加快和水印技术的迅速发展，国内一些研究单位也已逐步 从技术跟踪转向深入系统研究【1 2 - x 2 ，其中比较有代表性的有哈尔滨工业大学的孙圣 和、牛夏牧、陆哲明等，天津大学的张春田、苏育挺等，北京邮电大学的杨义先、 钮心忻等，中国科学院自动化研究所的刘瑞祯、谭铁牛等，他们是国内较早投入水 印技术研究且取得较好成绩的科研单位。2 0 0 0 年1 月由国家8 6 3 计划智能计算机专 家组组织在北京召开了“数字水印技术学术研讨会”，来自全国各地的8 0 余名代表 参加了讨论会，会上近2 0 个学术报告也反映出了我国学术界和应用部门对这一课 题的浓厚兴趣。 2 数字水印系统和图像的鲁棒性数字水印研究 第一章引言 1 3 本课题的研究工作 数字水印的载体主要有图像、视频和音频数字水印，本论文的重点是图像数字 水印，包括灰度图像和彩色图像的数字水印。因此，本论文第二章首先从数字图像 处理的基础出发，介绍了图像处理方面的诸如信号表示、数字化、色彩空间、数字 图像处理基本方法、图像压缩以及压缩标准等数字水印技术中经常使用到的基础知 识；其次在第三章中从信息安全技术的发展，介绍了传统的信息安全技术( 信息加 密技术) 和信息隐藏技术，追述了数字水印技术的根源；然后在本论文的重点部分 ( 四、五、六、七章) 着重给出了一个数字水印技术的系统框架，并系统的论述了 数字水印技术的时代背景、定义、数学模型、一般特性和要求、基本分类和算法、 对数字水印的攻击评估以及现今对数字水印技术的研究现状，展望了将来数字水印 技术的发展方向；最后对灰度图像提出了一种基于数字全息和j p e g 模型的水印新 算法，在灰度图像水印算法的基础上进一步提出了一种三层嵌入和三种方式提取的 自适应彩色图像水印新算法，并对这两种算法做了基本仿真测试和攻击测试，得出 了肯定的结论。 本论文在构建数字水印系统框架，在试图对数字水印技术建立一套系统的理论 体系上，以及在提出的新的灰度图像和彩色图像的数字水印算法上均具有创新性。 数字水印系统和图像的鲁棒性数字水印研究第三章数字水印的根源信息加密和信息隐藏技术 第二章数字图像处理基础 数字水印技术正是利用图像、视频和音频本身固有的特点，把数字产品的版权 等信息嵌入到数字作品中，以达到对数字产品的版权进行保护的目的。因此我们有 必要了解数字图像处理的基础知识，以及常用的图像处理方法，这对于设计好的数 字水印方案有着重要的知道意义，特别是在对水印方法的鲁棒性和隐秘性等性能的 要求上。如果能够很好的利用数字图像的各种处理和压缩编码方法，可是设计出对 各种处理和压缩编码方法均具有鲁棒性的数字水印方案。 本章将对数字图像处理中常用的诸如图像表示方法、色彩空间、图像处理系统、 图像压缩标准和图像编码等技术基础进行简单的介绍 2 3 - 2 4 。 2 1 模拟图像及其数字化 图像涉及到图示( 可视化) 信息，其中包括静态图像和时变图像。静态图像其 信息密度随空间分布，且相对于时间为常量；而时变图像其空间密度特性是随时间 变化的，所以时变图像是一种时一空密度模式，它可以表示为s c ( x l ，x 2 ，t ) ，其中： x i 和x 2 是空间变量，t 是时间变量。 图像有两种表示方法：模拟图像和数字图像。下面分别简单的介绍。 1 ) 模拟图像 迄今为之，绝大多数图像的记录、存储和传输仍然是模拟方式。模拟图像信号 涉及一维时间变量的电信号f ( t ) ，它是通过s c ( x l ，x 2 ，0 在时间坐标t 和垂直分量 x 2 上采样得到的。周期性的采样过程称之为扫描，最常用的扫描方法是：逐行扫描 和隔行扫描，逐行扫描是在每一个t 时间内对一个完整的图像进行扫描，它被称之 为一帧。隔行扫描是依次对被称为奇数场和偶数场的奇数行和偶数行进行扫描。 2 ) 图像信号的数字化 近二十年来，随着计算机网络的发展，多媒体视频音频数据越来越多的采用数 字信号的形式，除了数字信号有更可靠的形式之外，还有数据数字传输手段有着模 拟信号传输不可比拟的有优点。 4 数字水印系统和圈像的鲁棒性数字水印研究第三章数字水印的根源信息加密和信息隐藏技术 视频技术的数字化技术一直在迅速的前进着，即使视频是一个复合模拟信号， 通常亦可将其转化为分量模拟视频，然后将分量信号分别数字化。利用一种带有足 够高频率的时钟的a d 转换器可以对复合信号直接进行数字化，然后进行数字解码 以获得所期望的r g b 或q 分量信号。 今天，妨碍数字视频普及使用的主要瓶颈是对巨大存储量及传输带宽的需求。 因此，数字视频能否生存的关键在于图像压缩技术。 2 2 图像信号表示的色彩空间 图像按其灰度层次可以分为两类：一类是有灰度层次的图像；另一类是仅有黑 白两种层次的图像，也称二值图像。有灰度层次的图像包括电视图像、照片传真、 静止图像等。二值图像包括文件传真、二值静止图像等。 色彩是一种心理感觉，它与照明源的辐射能量分布及观察者的视觉有关。在各 种彩色模型中，最成功的是“三基色模型”：认为人眼有红( r ) 、绿( g ) 、蓝( b ) 3 种色感细胞，并且认为任何色彩都可以用r 、g 、b 三种基色相加来配置，任何色 彩都可以分解为r ig 、b 三个色彩成分。根据三色原理，用三副红、绿、蓝为基 色的图像可以生成一副彩色图像。另外，人眼的三种细胞在不同强度光的刺激下便 会产生各种色感，而三种比例相同时可得到白色感觉，人们习惯上用色调( h ) 、饱 和度( s ) 和亮度( i ) 来表示色彩，这就构成著名的h i s 空间。 美国国家电视委员会( n t s c ) 定义了一种用光亮度和色度传送信号的y i q 格 式，其中y 代表亮度值，i 、q 为色度值分别表示同相信号和正交信号。欧洲建立 了两个视频标准，即相交替行格式( p a l ) 和串行彩色存储格式( s e c a m ) ，它们 使用与y i q 类似的彩色空间y u v ，y u v 和y ：q 的差别在于空间多一个3 3 度的旋 转。与y 1 色彩空间具有数字等价性的y c b c ，色彩空间是以演播室质量标准为目 标的c c i r 6 0 1 编码方案中采用的彩色表示模型，c b 与u 分量对应，而c ，与v 分量 对应。在编码方案中，亮度信号与色度信号的的采样比率为4 ：2 ：2 ，这是因为人 眼对色度信号的空间变化没有对亮度信号的空间变化来的敏感，它能将大部分图像 信息集中到亮度分量上，把小部分能量集中到色度分量上。y 、c b 、c ，三个元素的 多个不同彩色空间可以相互转换。 雕0 2 5 9 9 9 6 剿0 2 7 4 0 澍3 2 2g 朝( 2 - - 1 2 1 1 5 2 2 3 1 1 ， ijl _ 1 一 一 01 ) jqji o 一o o j l b j 刚g 1 1 烈0 2 7 2 0 科6 4 8 习( 2 - - 2 ) b 11 0 57 0 5 ii _ l 一一 i i ji lii 一1 o i iq i 匡=一0譬29；9，s一0。548，7。；基。4。4，且lfbr-0331 0 5 ig c z s ， 防雌7 8 。4 ，。m 且别 q 1 啪酱0 一叼1 4 0 4 2 屯y 沪4 ， 2 3 数字图像处理简介 数字图像处理主要有图像获取、数据存储、图像处理、图像通信和图像显示输 出等。 1 ) 图像获取 图像获取是指图像信号的获取过程，通过利用各种传感器把相应波长的l 訇像信 号检索出来，对信号进行数字化并送入计算机中获取图像信息。 2 ) 图像数据存储 图像数据存储是指获取图像数字信号在计算机中的存储方法。一般地，图像数 据量非常大，要有效地存储大量图像信息就必须对图像进行压缩和编码。常用的图 像编码方法有变换编码、预测编码和熵编码。 3 ) 图像处理 图像处理包括图像增强和恢复、图像分析、图像重建和图像压缩以及对图像的 数字水印系统和图像的鲁棒性数字水印研究 第三章数字水印的根源信息加密和信息隐藏技术 比例缩放、剪切、旋转等具体的处理。这些操作都可以用软件和硬件实现。 4 ) 图像通信 图像通信主要包括图像处理系统之间的图像数据交换和传输，包括局部通信和 远程通信。常用的方法是对图像进行压缩编码，传输编码后的图像编码信息，在接 收端接收编码信息后再对其进行解码，恢复原始图像信号。 5 ) 图像显示输出 单色和彩色监视器是现代图像处理系统常用的显示设备，另外，照相机、打印 机、胶片记录仪和硬拷贝机也可以用于输出图像，以满足不同的应用需求。 2 4 图像编码 图像压缩编码的实质是通过编码方法去除图像信号中存在着的大量的信息之 间的相关特性，即信息冗余度，在一定传输质量的前提下，以最少的比特数来传递 一副图像。在数字图像压缩过程中，要识别和去除以下三种信息冗余：即编码冗余、 像素间冗余和视觉信息冗余。 基本的图像编码法分类见下表2 一l ： 表2 一l 基本的图像编码法分类表 m一维d p c m 帧内编码 预二维d p c m自适应d p c m 测帧间d p c m运动补偿法 法 帧间编码 条件像素补充法复合差值法 帧间、帧内自适应法 变帧内编码d f t 、w h t 、k l t 、h t 、s t 、d c t 等 换 三维余弦变换 帧间编码 法 混帧内编码行内变换行间d p c m 合帧内帧间帧内余弦变换帧间d p c m 法 混合编码帧内傅式变换帧间d p c m 7 数字水印系统和图像的鲁棒性数字水印研究 第三章数字水印的根源信息加密和信息隐藏技术 第三章数字水印的根源 信息加密和信息隐藏技术 数字水印是将数字产品的著作信息或者产品序列号等版权信息不可见的嵌入 到原始产品中，来进行数字产品的版权保护的一种技术，它是一种从传统的信息隐 藏( i n f o r m a l i o nh i d i n g ) 技术中发展出来的技术。本章从传统的信息安全技术即密 码技术出发，追述了数字水印技术的根源信息隐藏技术。 3 1 网络时代信息安全的威胁 随着以i n t e r a c t 为标志的网络时代的到来和以电子商务为代表的网络经济的兴 起，人类社会正在经历着巨大的变革。人们的生产方式、生活方式、意识形态和思 维方式都因网络的冲击、社会的信息化推进而发生着巨大的变化。与此同时，网络 信息安全问题也日益突出。人们在享受网络带来的便捷和高效的同时，也面对着同 样“便捷”和“高效”的网上作案手段。如何保护政府、企业和个人信息不被非法 获取、盗用、篡改和破坏，是所有i n t e r a c t 参与者共同关心的重要问题。网络信息 安全己成为影响国家安全、经济发展、个人利益和社会稳定的重大关键问题。从网 络安全立法到安全技术的加强，人们在追随技术发展的同时不懈的寻找信息安全问 题的解决方案。各国政府越来越重视网络信息安全立法和基础技术的研究。 3 2 传统信息安全技术信息加密技术 传统的信息安全技术信息加密技术是保障网络信息安全最基本的技术手 段，密码学是一门系统的理论科学，它有很多地方可以被新兴的数字水印技术借鉴 和利用口”6 】，因此我们有必要对其进行简单的论述。 密码学( c r y p t o g r a p h y ) 是把有意义的信息编码为伪随机性的乱码以保护信息 的- - 1 7 学科。而研究如何破译密码则称为密码分析学( c r y p t a n a l y s i s ) 。密码学和密 码分析学是保密学( c r y p t o l o g y ) 的两个相互对立而又相互促进的分支。 8 数字水印系统和图像的鲁棒性数字水印研究第三章数字水印的根源信息加密和信息隐藏技术 通常把待加密的信息称为明文( p l a i n t e x t ) ，加密后的信息称为密文( c i p h e r t e x t ) 。 加密( e n e r y p t i o n ) 就是从明文到密文的过程；而合法的从密文中恢复处明文的过 程叫做解密( d e c r y p t i o n ) 。加密和解密所采用的规则分别称为加密算法( e n e r y p t i o n a l g o r i t h m ) 和解密算法( d e e r y p t i o na l g o r i t h m ) 。两者统称为密码算法。密码算法 是在一组称为密钥( k e y ) 的参数的控制下进行的。 在密码学研究中，人们习惯的把通讯双方称为a ( a l i c e ) 和b ( b o b ) ，而企图 偷听者为e v e ( e a v e s d r o p p e r ) ，恶意破坏者为m a l l e t ( m a l i c i o u s ) 。也叫e v e 为被动 攻击者，而把m a l l e t 称为主动攻击者。 图3 - - 1 所示的是加密通信系统的结构示意图： 图3 一i 加密通信系统结构示意图 k 舭k h o 懿原则：信息加密技术中秘密必须全部蕴涵在密钥中，而密码算法可 以公开，即对信息的保护转化为对密钥的保护。 常用的信息加密技术有：古典加密技术、对称密码技术、公钥密码技术、混合 密码系统、数字签名等。 常用的密码分析攻击有：唯密文攻击( c l i p h e r t e x to n l ya t t a c k s ) 、已知明文攻 击( k n o w - p l a i n t e x t a t t a c k s ) 、选择明文攻击( c h o s e n - p l a i n t e x t a t t a c k s ) 。 3 3 信息隐藏技术 信息隐藏就是将一个有意义的信息隐藏在另一个信息( 称为载体c o v e r ，载体 可以是文字、图像、声音及视频等普通信息) 2 7 1 ，得到的包含了隐蔽信息的载体 称作隐秘载体s ( s t e g oc o v e r 要求与原始普通信息有类似的、感觉无法分辨的视觉 或听觉质量) 。 信息之所以能够隐藏在多媒体数据中是基于一下两点原因：a ) 多媒体信息本 9 数字水印系统和图像的鲁棒性数字水印研究第三章数字水印的根源信息加密和信息隐藏技术 身存在着很大的冗余性，从信息论的角度看，未经压缩的多媒体信息的编码效率是 很低的，所以将某些信息嵌入到多媒体数据进行秘密传送是完全可行的，并不会影 响多媒体信息本身的传送和使用；b ) 人眼或人耳本身对某些信息都有一定的掩蔽 效应，比如人眼对灰度的分辨率只有几十个灰度级，对边沿信息不敏感以及人耳对 声音的相对频率敏感而对绝对频率不敏感等。 信息隐藏系统包括信息的嵌入和提取过程，其模型如图3 2 所示： 图3 2 信息隐藏的嵌入提取系统模型 信息隐藏技术有两大应用领域： a ) 隐秘技术的应用：主要用于信息的安全通信隐秘通信，另外，基于隐 秘术的匿名通信可以用于公平的电子选举和保护个人隐私，还有隐秘文件系统在计 算机中的应用。 b ) 数字水印技术的应用：鲁棒水印用于版权保护( c o p y r i g h tp r o t e c t i o n ) 、数 字指纹水印用于监视和追踪数字产品的非法复制即用于违反者追踪( t r a i t o r t r a c k i n g ) 、易碎水印用于验证数据的非法篡改即用于数据认证( d a t a a u t h e n t i c a t i o n ) 、用于防止非法复制( c o p yc o n t r 0 1 ) ，另外，还用于电子商务中的 网页保护和票据防伪等。 1 0 数字水印系统和图像的鲁棒性数字水印研究 第四章数字水印技术系统框架 第四章数字水印技术系统框架 自从1 9 9 3 年c a r o n n i 首次提出“数字水印”概念之后，国内外的各种刊物陆续 出现了许许多多有关数字水印的文献，数字水印技术已经成为数字产品版权保护技 术的研究热点，数字水印被认为是防止数字产品盗版的有效手段。本章主要试图从 目前文献中提出的各种数字水印方法，建立一个通用的数字水印技术系统框架，并 且对图像数字水印中常用的嵌入和提取方法以及对数字水印的攻击方法等进行系 统的论述。 本章主要讨论了数字水印技术的历史背景、基本框架、一般特性和要求、数字 水印的分类和算法分析、对数字水印的攻击和评估以及对数字水印技术的研究展望 等进行论述。 4 i 数字水印的历史背景 1 ) 新的社会发展产生新的问题 信息科技的发展给人类的信息交流带来了极大的方便，多媒体数据的数字化为 多媒体信息的存取提供了极大的便利，极大的提高了信息表达的效率和准确性。随 着i n t e m e t 的普及，多媒体信息的交流传播已达到了前所未有的广度和深度，人们 可以通过i n t e m e t 发布自己的作品，进行网络贸易等，世界在变得越来越小。随之 而来的如何保护在网络上的不同多媒体作品( 静态图像，视频，音频等) 的版权的 问题也变得十分严重，盗版者正是利用数字产品的这些容易被复制、处理、传播、 公开的性能侵犯版权所有者的合法利益。 相应传统网络信息安全的解决措施是数据加密技术。然而它并不能完全解决版 权问题。虽然密码学已经发展了几千年，具有比较完整的理论，实现起来也方便可 靠，但是，密码技术仅能在数据从发送者到接收者传输过程中对数据进行保密，一 旦数据被解密，就和普通数据一样不再受到保护，无法防止盗版的发生。因此，必 须寻求新技术来解决数字产品的版权保护问题。 数字水印系统和图像的鲁棒性数字水印研究第四章数字水印技术系统框架 2 ) 新问题需要新的技术方案 数字水印技术正是从9 0 年代以来这样的背景下出现并蓬勃发展的。自从1 9 9 3 年c a r o n n i 首次提出的“数字水印”概念之后，数字水印技术已经成为版权保护技术 的研究热点。它可以将版权信息加入到静态图像、视频音频数据中，并对非法用户 的攻击具有鲁棒性，就是说非法用户不破坏数字产品的质量是不能提取或取出数字 水印的：而合法用户可以检测水印信息来证明版权的有效性，并且不会破坏水印信 息。所以数字水印在保护多媒体数据版权方面具有加密技术无法比拟的优越性。 4 2 数字水印基本框架 图4 1 给出了一个简单的数字产品网络发布模型，盗版者未经合法版权所有 者许可重新发送产品或者有意破坏原始产品并重新发送其不可信的版本。这样顾客 难免会间接收到盗版的副本。 图4 - 1 数字产品网络发布基本模型 我们下面给出数字水印系统的基本框架 2 8 - 2 9 ： 数字水印系统基本框架包括水印的产生、嵌入、提取或检测以及对水印的评估 等等。不失一般性，一个数字水印系统可以表示为一个四元组( g ，e ，d ，c ) 。其 中，g 表示生成水印算法，e 表示水印嵌入算法，d 表示水印提取算法，而c 表示 水印检测算法。 定义4 1 ：数字水印是从信息隐藏技术中发展出来的一个技术，数字水印技术 是利用数字产品的冗余信息将携有知识产权信息等内容的数据( 水印信息) 以可察 1 2 数字水印系统和图像的鲁棒性数字水印研究 第四章数字水印技术系统框架 觉或不可察觉的方式隐藏到被保护的数字产品中，并且可以从加了数字水印的数字 产品中检测或者提取出水印信息( 有关版权的信息) ，从而可以证明原创作者对数 字作品的版权，辨别合法用户，还可以作为起诉非法侵权者的依据。我们定义数字 水印为如下的信号w w ： ，( 七) 1 w ( 后) u ，后w ( 4 1 ) 这里 d 表示维数为d 的水印信号域，d = 1 ，2 ，3 分别表示声音、静止图像和视 频图像。水印信号可以是二值序列、二值图像( u = o ，1 ) 或u = - 1 ，1 ) ) 或是灰度 图像( u - - - 0 ，1 , 2 2 5 5 ) ) 。 1 ) 水印生成算法g 水印信号一般都是利用密钥k 和待嵌入水印的数字产品x 共同生成，即 g ：x k w ，w = g ( x ，k ) ( 4 2 ) 这里，x 代表所要保护的原始数字产品x 的集合；w 代表所有可能水印信号 的集合；k 是水印密钥或者标示码的集合。 2 ) 水印嵌入算法e e ：x x 矿k - - - x o ，j 0 = e ( x o ，矿，k ) ( 4 3 ) 这里代表原始数字产品，_ 乙代表嵌入水印后得到的带水印信号的数字产品。 图4 2 是水印嵌入算法框图。 图4 2 水印嵌入算法框图 3 ) 水印提取算法d d ：w d ( x ，x o ，足) ( 4 4 ) 式中x 表示待检测是否含有水印信息的数字产品，函数d 一般采用与嵌入算 法相反的算法。如果在该算法中不需要原始数字产品) ( 0 ，这种水印称为盲水印算法。 数字水印系统和图像的鲁棒性数字水印研究 第四章数字水印技术系统框架 盲算法由于不需要原始数字产品参与水印的提取，故安全性要高于需要原始数字产 品参与的水印提取算法，但其鲁棒性往往不是太好。 4 ) 水印检测算法c 对于水印信号是二值图像或灰度图像的有意义水印信号，通常通过人眼视觉即 可判别，是不需要检测算法的：对于二值伪随机序列则需要检测算法。 c ：k 矿斗 o ，1 ) c c n 咿佬。二妇q 占漂徽( 4 - - 5 ) 二值伪随机序列的具体检测方法相对较少且比较简单，通常采用直接检测或相 关检测方法，也有采用最大后验概率检测的数字水印方案。上式中c 是检测函数， 6 是检测门限。如果6 设置的过大，则本来存在水印但检测结果为不存在，这种错 误称为漏检率，如果6 设置的过小，则本来不存在水印但检测结果为存在，这种错 误称为误检率。图4 - - 3 是水印提取和检测算法框图。 图4 3 水印提取和检测算法框图 图4 4 给出了一个完整的数字水印框图，包括对数字水印的攻击或者在信道 传输失真后的检测。 d i s t o r t e d 图4 4 数字水印系统框图 1 4 r e c o v e r e d w a m m m r k j 数字水印系统和图像的鲁棒性数字水印研究第四章数字水印技术系统框架 4 3 数字水印的一般特性与要求 1 ) 不可感知性 也称作知觉透明性( p e r c e p t u a lt r a n s p a r e n c y ) ，就是数字水印嵌入原始数字产品 后，不影响原始产品的视觉或听觉质量，通过普通信号处理不能发现嵌入水印后的 产品和原始产品的可感知性区别。 2 ) 嵌入信息量 在不同的应用中，对水印嵌入的信息量要求不一样，对于产品的序列号或者作 者信息的数字水印技术，其嵌入的信息量较少；而用于隐秘通信时要求嵌入的信息 量比较多。 3 ) 鲁棒性 在不明显降低数字产品的视觉或听觉质量时，不能去除水印信息。通常，水印 应该可以抵抗一下信号处理操作：加入加性或者乘性噪音、( 非) 线性滤波以及各 种物理攻击，如对图像的切割、缩放、旋转、几何变换等。 4 ) 多重水印 在某些应用中需要在同一原始数字产品中嵌入多重水印。 5 ) 提取时是否需要原始数字产品的参与 提取水印时不需要原始数字产品参与的算法称为盲水印算法，这类算法所能嵌 入水印的信息量较少，而且由于没有原始产品作为提取水印的参考，导致提取水印 算法难度的提高。 6 ) 提取和检测的可靠性 提取和检测算法必须提供正确可靠的结果来证明版权所有者对数字产品的版 权所有。 7 ) 计算的有效性 水印算法应该能够比较容易利用软件或硬件实现，并且在某些环境下还需要有 实时性的要求。 8 ) 算法安全性 要求未授权者不能发现数字作品中含有水印信息。或者算法安全性仅仅依赖于 数字水印系统和图像的鲁棒性数字水印研究 第四章数字水印技术系统框架 密钥而不依赖于算法的保密性，即符合k e r c k h o f f s 原则，因此在没有密钥情况下， 未经授权者即使知道含有水印信息和知道水印算法，也不能提取出水印信息或者破 坏水印信息。另外算法还应该能够抵抗合谋攻击( c o l l u s i o n a t t a c k ) 。 4 4 数字水印的分类及其算法分析 数字水印从不同的角度有不同的分类d o 羽】，下面对数字水印的各种分类进行描 述，并对各种算法进行简单的分析。 1 ) 从数字水印的载体可分为：静止图像、视频、音频和文本数字水印 其中对静止图像的数字水印研究占了很大的比例，尤其是对灰度图像载体的研 究已经取得了相当大的成果，但对彩色图像的研究还比较少。 2 ) 从应用目的来分可以分为三类 a ) 用于对来源保护的数字水印：把唯一的数字水印嵌入到每一个数字产品拷 贝中，主要应用于对数据来源和版权的确认和证明。 b ) 用于对目标跟踪的数字水印：在所分发的每一个数字产品拷贝中嵌入各自 并不相同的数字水印，其主要应用到对进行盗版用户的追踪确认，即用于对非法分 发数字产品的来源进行跟踪。 c ) 用于防止篡改的数字水印：也称为易碎水印( f r a g i l ew a t e r m a r k ) ，其技术 特点是：水印易于发现和删除，但在去除水印的同时，原始数字作品的质量将遭到 严重破坏，因此，它主要用于检测产品是否被攻击过。 3 ) 从水印提取方法上可有两种分类方法 a ) 按提取时是否使用原始产品可分为：秘密数字水印和公开数字水印两类。 在水印提取算法公式( 4 4 ) 中如果必须参考未加数字水印的原始数字产品 ) ( 0 ，这种方案称为秘密( p r i v a t e ) 数字水印方案，也称为非盲水印方法。相反，公 开数字水印方案则是在水印提取公式( 4 4 ) 中，不需要参考未加水印的原始数字 产品x 0 ，这种水印方案也称为盲水印方法，相应的水印检测称为盲检测。 b ) 按水印嵌入算法和提取算法过程中是否使用相同的密钥可分为：私钥( s e c r e t k e y ) 数字水印和公钥( p u b l i ck e y ) 数字水印两类。 6 数字水印系统和图像的鲁棒性数字水印研究第四章数字水印技术系统框架 私钥数字水印方案在嵌入和提取过程中采用相同的密钥，因此也称为对称数字 水印方案。而公钥数字水印方案在嵌入和提取过程中采用不同的密钥，由版权所有 者用一个只有本人知道的密钥来嵌入数字水印，任何知道公开密钥的人都可以进行 数字水印的提取和检测。由于使用不同的密钥，所以这种方案也称为非对称数字水 印方案。 4 ) 从数字水印的实现算法上分类 数字水印方案的性能相当程度上取决于所采用的水印嵌入策略及算法。根据数 字水印的嵌入实现算法的不同，数字水印可以分为以下几种类型： a ) 空域或时间域数字水印【5 ，3 1 3 2 , 3 4 - 3 6 】 空域或时间域数字水印是指在原始图像或声音数字产品的空间域中嵌入数字 水印的方法，一般有两种方法： 第一种，l s b ( l e a s ts i g n i f i c a n tb i t ) 方法，也称作l o wb i tc o d i n g 方法，这是 一种典型的空间域数字水印方法，其基本思想是用经过编码的待嵌入的水印信息替 换原始信息的最不重要位( l e a s ts i g n i f i c a n tb i t ) 。其水印的提取方法就是从嵌入位 置读出这些最不重要位信息就可以了，这种方法只有知道了原始图像或声音信息中 具体替代位置才能从中提取水印信息。 l s b 方法是最简单的数字水印方法，其优点在于计算简单、容量大，可以嵌入 较多的信息，但是其最大的弱点在于其抵抗攻击的能力太差，嵌入的水印信息很容 易被加噪、重采样、压缩等信号处理破坏去除。为了提高鲁棒性，可以将水印信息 经过混沌加密处理，并用伪随机序列来选择嵌入位置。实际上这种方法只用于封闭 的纯数字环境中。 第二种，基于统计特性的数字水印，由b e n d e r 等提出的p a t c h w o r k 方法是一种 基于统计特性的数字水印方法，其基本原理是选择n 对象素点，在增大其中一个的 亮度值的同时减少另外一个的亮度值，作为嵌入一个比特的水印信号信息。 b ) 变换域数字水印p 7 。4 8 】 变换域数字水印的基本思想是修改原始信号的变换域系数达到嵌入水印的目 的，基于变换域可以嵌入较大信息量而基本上不影响原始信号的视觉或听觉质量， 而且在变换域中嵌入的信号能量能够分布到时域中所有的抽样点上，以达到增强鲁 1 7 数字水印系统和图像的鲁棒性数字水印研究第四章数字水印技术系统框架 棒性的目的，因此变换域算法一直是数字水印的研究热点，常见的变换域有一下几 种：f f t 域，d c t 域，小波变换域。 由于数据压缩编码常常使用与信息隐藏技术相同的变换域方法，这样变换域方 法可以与这些