（信号与信息处理专业论文）基于ldpc纠错码的数字水印技术的研究.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 i 摘摘 要要 数字水印作为一种新兴的多媒体信息知识产权保护技术,日益得到广泛的研究和应用。 但是，到目前为止，数字水印仍是一种尚未成熟的技术，如何提高水印算法在不同环境下 的实用性己经成为目前急需解决的问题。本文主要研究基于 ldpc 纠错码的数字水印，介 绍了数字水印常见算法以及纠错编码、小波分析等基础理论，分析了数字水印系统与通信 系统的内在联系。 鲁棒性是数字水印的重要指标之一,文章提出将ldpc 编码的数字水印应用于数字版 权保护中,利用 ldpc 纠正水印误码来降低检测误码率,提高水印受到攻击的鲁棒性。 目前， 编码复杂度是 ldpc 码实际应用的主要瓶颈，准循环 ldpc(qc-ldpc)码是一类具有低编 码复杂度的 ldpc 码。本文对如何构造性能好的 qc-ldpc 码的方法进行了较为系统的研 究，着重分析了块填充 qc-ldpc 码的构造方法和一种高性能 qc-ldpc 码的构造方法， 并对其进行了仿真比较。 本文还研究了一种基于可逆二维映射的置乱算法，对原始印图像进行了置乱加密预处 理，提高了算法的安全性和水印抵抗攻击的能力。对已有的 inoue 水印算法做出了改进， 算法对 inoue 的利用小波重要系数算法的水印嵌入和提取规则进行了改进，并将其应用到 彩色图像数字水印算法中。 本文对所提到各种算法作了编程仿真研究，对产生的水印进行了实验比较。试验结果 表明，所提改进算法产生的水印鲁棒性和不可见性都很好，有一定应用价值。 关键词：关键词：数字水印，准循环低密度奇偶校验码，小波变换， 图像置乱 南京邮电大学硕士研究生学位论文 abstract ii abstract as a novel technique to protect the intellectual copyright of multimedia information, digital watermark has been researched and applied more intensively. but until now, digital watermark is still an immature technique, and how to improve the practicability of digital watermark under different circumstances has become an urgent problem.this thesis addresses the watermarking based on low density parity check(ldpc) error correcting code. it introduces the usual algorithms of digital watermarking, method of channel coding and wavelet transform. besides, it analyzes the potential relationship between digital watermark system and communication system. robustness is one of the important requirements of digital watermark. to improve the robustness of watermark, ldpc can be applied in watermarking, intending to lower the detection error rate. currently, the high encoding complexity of a ldpc code is the main bottleneck for its practical applications. a quasi-cyclic ldpc(qc-ldpc) code is a class of ldpc codes with low encoding complexity.this paper has conducted some systematic research on the qc-ldpc codes. especially analyzes a type of qc-ldpc code based on block-filling method and a new type of qc-ldpc code having lower triangular parity check matrix which leads to good error-rate performance and fast encoding. also, an improved scrambling algorithm based on reversible two-dimensional mapping is researched.the algorithm scrambles the original watermarking image in pretreatment, which improves the ability against attacks of the algorithm. this thesis presents an effective digital watermark algorithm based on improved inoue algorithm. it improves embedding and extracting principles based on inoues significant wavelet coefficients algorithm, and it is used in digital watermarking algorithm for color images. this paper carries on various of the programming simulation research to the algorithm mentioned. then we have some tests to compare the different watermarking. the test results prove the method has good robustness and invisibility of watermarking. its credibility and practicality are very well. key words: digital watermarking, quasi-cyclic ldpc code, wavelet transform, image scrambling 南京邮电大学学位论文独创性声明南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包括其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得南京邮电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了谢意。 研究生签名： 日期： 南京邮电大学学位论文使用授权声明南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保 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。除在保密期内的保密论文外，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）授权南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名： 导师签名： 日期： 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 1 第一章第一章 绪绪 论论 1.1 课题研究背景课题研究背景 1.1.1 数字水印的研究背景 近年来，随着计算机多媒体技术的迅猛发展，人们可以方便地利用数字设备制作、处 理和存储图像、语音、文本和视频等信息媒体，同时网络的逐渐普及也使得信息的发布和 传输较以往任何时候都更为容易，这些优点为电子图书馆、在线服务和电子商业等先进的 多媒体服务提供了广阔的发展前景，但这也导致了数字信息传输的安全及数字产品版权等 问题的日益严重。因此，如何防止数字产品（如图像、音频）等被侵权、盗版和随意篡改， 避免给被盗用者带来巨大的经济损失，已经成为了世界各国急待解决的热门课题。 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） ，利用数字嵌入的方法隐藏在数 字图像、声音、文档、视频等数字产品中，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，同时通过对水印的检测和分析来保证数字信息的完整可靠性， 从而成为知识产权保护和数字多媒体防伪的有效手段。这种技术一方面弥补了密码技术的 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，也同时弥补了数字签名 技术的缺陷，因为它可以在原始数据中一次性嵌入大量数据，正由于数字水印技术在版权 保护、数据鉴别、数据检测、用户跟踪以及保密通讯等领域有着广泛的应用前景，因而， 已成为当前多媒体信息安全研究领域发展最快的热点技术。 数字水印基本原理很简单:在原 始媒体数据中嵌入水印信号得到最终版本的数字媒体进行发售、 分发。 在发生版权纠纷时， 通过第三方从中检测(或提取)出水印，就可以一方面有效地保护媒体所有者和合法使用者 的正当权益，另一方面有效打击非法使用者的违法行为。人类视觉系统(hvs， humanvisualsystem)或听觉系统(has，humanaural system)在处理媒体数据时把那些不重 要的数据丢弃了，这使得数字水印技术有赖以生存的土壤。具体地说，hvs 具有亮度掩盖 效应、空间掩盖效应和时间掩盖效应，它们使得人的视觉在某些条件下可以容忍一定的失 真，而不被觉察出来。 到目前为止，数字水印研究对象主要包括文本水印、图像水印、视频水印、音频水印 和三维网格数据水印等几个方面，其中大部分的研究和论文都集中在图像水印上，其原因 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 2 在于图像是最基本的多媒体数据，且互联网的飞速发展为图像水印的应用提供了直接大量 的应用需求。另外视频水印也吸引了一些研究人员，由于视频可以看成时空域上的连续 图像序列，从某种意义上讲，它与图像水印的原理非常类似，许多图像水印的研究结果可 以直接应用于视频水印上。但两者有一个重要的差别在于处理信号的数量级上，特别是视 频水印需要考虑实时性问题。 1.1.2 数字水印的应用领域 数字水印产品虽然在近几年才陆续出现，但其应用前景和应用领域将是巨大的。总的 说来，数字水印有以下一些应用领域1。 (1) 版权保护 数字作品的所有者可用密钥产生水印，并将其嵌入到原始数据，然后公开发布其水印 版本作品。当该作品被盗版或出现版权纠纷时，所有者即可利用从盗版作品或水印版作品 中获取水印信号作为依据，从而保护其合法权益。 (2) 数字指纹 为避免数字作品未经授权被拷贝和发行，版权所有人可以向分发给不同用户的作品中 嵌入不同的水印以标识用户的信息。该水印可根据用户的序号和相关的信息生成，一旦发 现未经授权的拷贝，就可以根据此拷贝所恢复出的指纹来确定它的来源。 (3) 认证和完整性校验 通常采用脆弱水印。对插入了水印的数字内容进行检验时，须用惟一的与数据内容相 关的密钥提取出水印，然后通过检验提取水印的完整性来检验数字内容的完整性。 (4) 访问控制 利用数字水印技术可以月各访问控制信息嵌入到媒体中，在使用媒体之前通过检测嵌 入到其中的访问控制信息，以达到访问控制的目的，它要求水印具有很高的鲁棒性。 (5) 信息隐藏 数字水印可用于作品的标识、注释、检索信息等内容(如，一幅照片的拍摄时间和地点 等)以水印形式嵌入该作品中，这样不需要额外的带宽，且不易丢失。数字水印技术还可用 于隐蔽通信，这点将在国防和情报部门得到广泛的应用。 (6) 篡改提示 当数字作品被用于法庭、医学、新闻及商业时，常需确定它们的内容是否被修改、伪 造或特殊处理。为实现该目的，通常可将原始图像分成多个独立块，再将每个块加入不同 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 3 的水印。同时可通过检测每个数据块中的水印信号，来确定作品的完整性。与其他水印不 同的是，这类水印必须是脆弱的，并且检测水印信号时不需要原始数据。 通过以上的介绍可以看出，在当今知识信息爆炸的年代，数字产品的版权保护以及数 字信息的安全传输是摆在人们面前需要迫切解决的问题，而数字水印技术将是解决这些问 题的一种极为有效和极具潜力的技术，同时它又是一个多学科交叉的研究领域，这给研究 工作提出了相当的挑战性以及宽广的研究空间。因此，无论从理论角度还是应用角度看， 开展在数字水印领域的研究，都具有重要的学术意义和深远的经济意义。 1.1.3 ldpc 码的研究现状 ldpc(low density parity check)码是gallager最早于1962年提出的一种具有稀疏校验 矩阵的分组纠错码， 亦称gallager码。 之后， 在turbo码的研究的巨大成功的带动下， mackay 等人重新研究了ldpc码，并发现其具有非常好的优点：逼近香农限的性能，且描述和实 现简单，易于进行理论分析和研究，译码简单且可实行并行操作，适合硬件实现。近年来 ldpc码凭借其优异的性能、简洁的形式及良好的应用前景日益备受青睐，已经引起世界 各国学术界和it业界的高度重视，成为当今信道编码领域的研究热点之一。好的ldpc码 关键在于要有好的码性能和较短的编码时间。迄今为止尚没有提出构造ldpc码的系统方 法，都是借助于实验和统计分析构造ldpc码。m.c.davey2提出，在非二元有限域中定义 码和采用具有非均匀行、列重量的非规则奇偶校验矩阵均可以改善ldpc码的性能。 d.j.c.mackay等3提出对非规则ldpc码采用先选择轮廓再选择结构的两部选择方法， 验证了super-possin结构均有较好性能，并指出：能快速编码的ldpc矩阵通常具有下三角 形结构。t.j.richardson等4通过优化非规则图的次数结构来寻找逼近容量的非规则ldpc 码。t.j.richardson和r.l.urbanke5探讨了要获得高效编码器如何确定校验矩阵稀疏度的问 题，以及如何构造码，使得编码时间与码块长度实际上符合线性关系，而非通常认为的平 方关系。m.g.luby等6也提出了一类基于级联二分图的ldpc码，用于可擦信道，称为 erasure correcting码，它不仅是线性时间编码，还可以实现线性时间译码。d.a.spielman7 开发了一种试探法来寻找非规则ldpc码参数的分布，据此构造了在低信噪比下比码率为 1/2的turbo码的ber还低的ldpc码。j.campello等8提出采用扩展的bit-filling算法来设计 具有高码率高girth的性能良好的ldpc码。y.mao和a.h.banihashemi9则基于性能准则，提 出根据girth的分布来设计好的ldpc码的方法。s.j.johnson等10人构造和在其tanner图中不 出现环长为4， girth至少为6的规则ldpc码， 该ldpc码具有高码率， 码长短等性能。 n.vanica 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 4 等11对文献4中的优化方法进行了改进， 用于有符号间干扰的部分响应信道中的ldpc码的 优化。目前一些学者探讨了基于有限几何学的ldpc码的结构，并构造出了性能优于随即 构造的（3，6）规则ldpc码12。yu kou等人提出了一种基于有限几何点和线的几何构造 方法，作为这种方法的推广13，进一步提出了基于部分几何点和线的几何构造方法，还有 一些研究学者将steiner三连系、 循环差族和循环差集也被引进ldpc码的构造中， 这些组合 方法中的大部分都能得到编码复杂度较低的准循环码。 在现代通信系统中，纠错码的设计是保证数据可靠传输的一个重要组成部分，因为它 可以检测并纠正信号传输过程引入的错误。1948 年，shannon 提出并证明了一个理论：对 于一个信道容量为 c 的有扰信道，消息源产生信息的速率为 r，只要 rc，则总可以找到 一种信道编码和译码方式，使编码错误率随着码长的增加，按照指数下降到任意小的值； 若 rc，则不存在能够实现无误码率传输的编译码方式。但是 shannon 定理并没有指出相 应的实现方式。若干年来，随着通信技术的高速发展和实际应用的不断提高，人们一致的 努力寻找能够更加逼近 shannon 理论极限的优秀编译码方法，从早期的分组码、代数码、 到 rs 码、卷积码，知道今天的 turbo 码、ldpc 码，系统性能与 shannon 极限的差距越来 越小。虽然 ldcp 码的理论以及应用研究已取得了不少进展，但仍有存在许多问题需要解 决，如码字结构的优化，编码的复杂度，译码算法的简化以及实现。 1.2 论文主要内容论文主要内容 本文主要研究基于 ldpc 纠错码的数字水印。首先对现有的多进制 qc-ldpc 码的构 造进行分析。其次概括了数字水印技术的框架、特性、性能、算法、应用以及发展动态。 分析了数字水印系统与通信系统的内在联系。在此理论基础上重点研究了一种高性能的 qc-ldpc 码，并结合可逆二维映射置乱算法对水印进行预处理。接下来阐述了小波分析 理论，提出了一种改进的基于小波重要系数的算法，算法对 inoue 的利用小波重要系数算 法的水印嵌入和提取规则进行了改进。文中具体使用了几种 ldpc 纠错编码方法对水印结 构进行预处理来提高水印的稳健性。最后，通过多种常见攻击方式（如压缩攻击、剪切攻 击、噪声攻击和滤波攻击等）进行攻击实验，并用实验证明了这些方法的有效性。论文的 结构安排如下： 第一章 绪论部分，介绍了数字水印的研究背景和 ldpc 码的研究现状。 第二章 介绍了数字水印的基本理论，包括数字水印的基本模型、特征、分类、算法和评 价指标。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 5 第三章 研究了数字水印系统和通信系统的异同，分析了当前水印的两种嵌入模型，为在 数字水印系统中运用通信理论和技术提供了理论基础。 第四章 介绍了纠错码的原理， 和 ldpc 码的几种构造。 重点分析块填充构造准循环 ldpc 码和一种高性能 qc-ldpc 码算法，并对它们进行了仿真对比。 第五章 提出了一种改进的 inoue 数字水印算法，研究了几种 ldpc 纠错编码并结合可逆 二维映射置乱算法对数字水印进行预处理。本文对算法进行了仿真实验，实验结 果表明提出的水印算法结合高性能 ldpc 纠错编码和置乱预处理在抗水印攻击方 面取得了很好的效果，尤其在抗压缩和剪裁攻击方面，效果更好。 第六章 本章是对全文的总结及展望，总结了本文所做的研究工作，并指出了数字水印未 来的研究重点。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 数字水印技术 6 第第二二章章 数字水印技术数字水印技术 数字水印技术(digital watermarking tehnology)是新兴的信息隐藏技术。本章先介绍数 字水印原理和几种典型算法，最后分析数字水印的各类攻击，为接下来建立的数字水印系 统提供参考。 2.1 数字水印原理数字水印原理 从图像处理的角度来看，嵌入水印信号可以视为在强背景下叠加一个弱信号，只要叠 加的水印信号强度低于hvs(人眼视觉系统)的对比门限，hvs就无法感到信号的存在。对 比度门限受视觉系统的空间、时间和频率特性的影响。因此，通过对原始图像作一定的调 整，就有可能在不改变视觉效果的情况下嵌入一些信息。从数字通信的角度看，水印可理 解为在一个宽带信道(载体图像)上用扩频技术传输一个窄带信号(数字水印信号)。 尽管数字 水印信号具有一定能量，但分布到信道中任一频率上的能量是难以检测到的。水印的检测 就相当于是一个有嗓声信道中弱信号的检测问题。 2.1.1 水印模型 目前数字水印种类极多，但一个数字水印方案一般包括三个基本方面:水印的生成、水 印的嵌入和水印的提取或检测。下面主要介绍数字水印的一般模型和通信模型。 数字水印的一般模型 图2.1水印信号的一般嵌入模型 所有嵌入水印的方法都是由一个水印嵌入系统和一个水印提取或检测系统组成。水印 信号嵌入模型如图2.1所示，其输入是水印信息、载体数据和一个可选的公钥或私钥。水印 系统使用一个或多个密钥来确保安全， 防止修改和擦除水印。 水印可以是任何形式的数据， 如:随机数字序列、图像或文本等。水印信号提取模型如图2.2中所示，其中虚框部分表示 在提取水印信号时，原始载体数据不是必要的。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 数字水印技术 7 图2.2水印信号的提取模型 数字水印的通信模型 数字水印从本质上说是一种通信方式(从水印嵌入器向水印接收器传输信息， 将水印系 统看做信道)，因此基于通信的水印模型如图2.3所示。 图2.3 基于通信的水印模型 其中，i表示原始作品， w i为嵌入水印，n为噪声或攻击， wn i嵌入水印后受到攻击的 作品。当检测时需要用到虚框中的原始载体作品时，系统采用的是非盲检测器，否则系统 采用的是盲检测器。从上框图中可以看出，系统不管采用含辅助信息的检测器还是盲检测 器，嵌入过程都包括两个基本步骤:首先，将水印信息进行编码得到 a w，它和载体作品i的 类型一致，维数相同。检测过程也包含两个步骤:首先，从接受到的作品 wn i中减去未加水 印的载体作品i，得到带噪声的水印 n w，然后在水印解码器中使用水印密钥对其进行解码 提取水印。 2.1.2 水印的性能 评价水印的性能有多个指标，如:水印的安全性、水印的鲁棒性、水印的透明性等。其 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 数字水印技术 8 中水印的透明性也即保真度，指嵌入水印后载体的感知度量，在隐蔽性测试中对评估一个 水印系统的好坏中起到了决定性的作用。评价水印透明性可以从主观和客观两个方面来考 虑。 数字水印的主观测试: 不可觉察性（imperception） ，这是检验不可见水印的首要要求， 它要求水印信号不能比宿主信号强，用户应该无法从含有水印的图像中直接看出水印对于 这个指标的评价是采用一定数量的没有经过训练的旁观者来判断他们是否能够区分出宿 主图像和嵌入其中的水印图像，以及能否区分嵌入或未嵌入水印的图像。主观测试对最终 的质量评价和测试是有使用价值的，但在研究和开发情况下并不实用，仅凭感性的认识是 不能够作为科学评估的依据的，即使有的指标只能采用主观评测，也应该建立一种近似客 观的机制来保证评测的合理性。在这种情况下，量化失真的度量也就更加有效，并且也使 不同方法间的比较趋于合理，因为其结果不依赖于主观评定。 数字水印的客观评价:一个水印系统的优劣的客观评价主要包括隐蔽性评价和鲁棒性 评价两部分。隐蔽性的评价在原始载体图像与嵌入水印后的图像间进行。可采用能见度指 标:从视觉感受主观的评价嵌入前后图像间的差异。估计水印嵌入宿主图像之后噪声的大 小，并作为反映一个数字水印方案的隐蔽性好坏的指标定量，客观的评价隐蔽性常采用信 号处理中的峰值信噪比。 峰值信噪比（psnr：peak signal-to-noise ratio） ：就是把嵌入信号看作是加载在宿主 图像上的噪音，观察其峰值信噪比，尽管这一引用不是很精确，但是在某种程度上，它还 是能够很好地比较水印的稳健性。其计算公式如下：f为宿主信号，w为水印信号， w f为 含水印信号，( , )m n为像素点，n为像素总个数。 ),(),( ),(max log10),(psnr 2 ),( 2 ),( nmfnmf nmfn wf wnm nm （2-1） 水印鲁棒性要求使得水印图像在经历攻击后，依然可以恢复出水印或者检测出水印的 存在。鲁棒性的评价在原始水印 i w提取水印iw间进行。常见的有： 归一化汉明距离：若水印信号是二进制序列，则可以计算提取水印信号与嵌入水印信 号之间的归一化汉明距离来检测其相似性。计算方式如下，其中 i w与iw分别表示嵌入水印 信号和提取水印信号，n代表水印长度，为异或运算。 1 1 ( , )( )( ) n i d w ww iw i n （2-2） 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 数字水印技术 9 相关系数：为了检测提取的水印信号和嵌入的水印信号之间的相似性，一般可以通过 计算他们的归一化相关系数（nc：normalised cross-correlation） ，计算方法如下：其中 i w 与iw分别表示嵌入水印信号和提取水印信号，n代表水印长度，对于鲁棒型水印系统，一 般在有信号失真时，),nc(ww值越大越好，而对于易碎水印系统，则),nc(ww值越小 越好，这样有助于提高检测的可信度。 n i n i n i iwiw iwiw ww 1 2 1 2 1 )()( ) ( )( ) ,(nc （2-3） 水印存在与否的判断标准为：若tww ) ,(nc则可以判定被测图像中有水印存在，否 则没有水印。t 的选择要同时考虑虚警概率和漏警概率，t 减小，漏警概率降低而虚警概 率提高，t 增大，则虚警概率降低而漏警概率提高。 此外，对于各种应用和要求的水印算法，计算复杂度是考证水印算法是否合适的一种 重要指标， 但不同的应用范围对计算复杂度的具体要求有所不同， 例如对于 mp3 播放来说， 水印的提取要求具有实时性，但对于静止图像，因为要求具有较高的稳健性，所以对于计 算复杂度的要求反而不是很高。 2.2 数字水印的分类数字水印的分类 数字水印的分类方法有很多种，分类的出发点不同导致了分类的不同，它们之间是既 有联系又有区别的，最常见的分类方法包括以下几类。 (1) 按外观划分 按水印的外观可以将数字水印分为可见水印和不可见水印。如果嵌入的水印强度足够 大，能够用肉眼直接观察到，则称之为可见水印。可见水印最常见的例子是有线电视频道 上所特有的半透明标识，其主要目的在于明确标识版权，防止非法使用。而含有不可见水 印的数据通常与原始数据紧密结合在一起，难以用肉眼观察到。不可见水印往往用在商业 中的高质量图像上，而且往往配合密码技术一同使用20 。 (2) 按水印特性划分 按特性可将水印分为鲁棒数字水印和脆弱数字水印两类，鲁棒数字水印主要用于在数 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 数字水印技术 10 字产品中标识著作权信息，如作品序号、作者等，它要求嵌入的水印能够经受各种常用的 编辑处理；脆弱水印主要用于数字产品完整性的保护，与鲁棒水印的要求相反，脆弱水印 必须对数据的改动非常敏感，人们根据脆弱水印的状态就可以判断数据是否被篡改过。 (3) 按水印所附载的媒体划分 按水印所附载的载体数据，我们可以将水印划分为文本水印、图像水印、音频水印、 视频水印以及用于三维网格模型的网络水印等。随着数字技术的不断发展，会有更多种类 的数字媒体出现，同时也会产生相应载体的水印技术。 (4) 按水印检测过程划分 按水印的检测过程可以将水印划分为非盲水印（nonblind watermark） 、半盲水印 （seminonblind watermark）和盲水印（blind watermark） 。非盲水印在检测过程中需要原始 数据和原始水印的参与；半盲水印则不需要原始数据，但需要原始水印来进行检测；盲水 印的检测只需要密钥，既不需要原始数据，也不需要原始水印。一般来说，非盲水印的稳 健性比较强，但其应用受到存储成本的限制，目前学术界研究的数字水印大多数是半盲水 印或者盲水印。 (5) 按水印内容划分 按数字水印的内容可以将水印划分为有意义水印和无意义水印。有意义水印是指水印 本身也是某个数字图像（如商标图像）或数字音频片断的编码；无意义水印则只对应于一 个序列号或一段随机数。有意义水印的优势在于，如果由于受到攻击或其他原因致使解码 后的水印被损坏，人们仍然可以通过观察来确认是否有水印。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。 (6) 按用途划分 不同的应用需求造就了不同的水印技术，按水印的用途，我们可以将数字水印划分为 票据防伪水印、篡改提示水印、版权保护水印和隐蔽标识水印。 票据防伪水印是一类比较特殊的水印，主要用于电子票据和打印票据的防伪。一般说 来，伪币的制造者不可能对票据图像进行过多的修改，所以诸如尺度变换等信号处理操作 是不用考虑的。但另一方面，人们必须考虑票据破损、图案模糊等情形，而且考虑到快速 检测的要求，用于票据防伪的数字水印算法不能太复杂。篡改提示水印是一种脆弱水印， 其目的是标识载体信号的完整性和真实性。版权保护水印是目前研究最多的一类数字水 印。数字作品既是商品又是知识作品，这种双重性决定了版权标识水印主要强调隐蔽性和 稳健性，而对水印数据量的要求相对较小。隐蔽标识水印的目的是将保密数据的重要标注 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 数字水印技术 11 隐藏起来，限制非法用户对保密数据的使用。 (7) 按水印嵌入的位置划分 按数字水印嵌入的位置，我们可将其划分为时（空）域数字水印、变换域数字水印。 时（空）域数字水印是直接在信号空间上叠加水印信息，而变换域水印则包括在 dct 域、 dft 域和小波变换域上隐藏水印。 随着数字水印技术的发展，各种数字水印算法层出不穷，水印嵌入的位置也不再局限 于上述四种。应该说，只要构成一种信号变换，就有可能在其变换空间上隐藏水印。 2.3 数字水印的算法数字水印的算法 数字水印技术横跨了信号处理、数字通信、密码学、模式识别等多种学科，各专业领 域的研究者均有独特的研究角度，其算法可谓是五花八门，本节将以图像数据（某些算法 也适合视频和音频数据）为例，对数字水印技术中的一些典型算法进行简要介绍。 (1) 空间域算法 该类算法中典型的水印算法是最低有效位算法（lsb） ，该算法是由 r.g. van schyndel 等人21提出，其设计思想是将水印信息嵌入到随机选择的图像点中最不重要的像素位 (lsb:least significant bits)上，这可保证嵌入的水印是不可见的。但是由于使用了图像不重 要的像素位，算法的鲁棒性差，水印信息很容易被滤波、几何变形、图像量化等操作破坏。 另外一个常用方法是利用像素的统计特征将信息嵌入像素的亮度值中。patchwork 算法22 的思想是随机选择 n 对像素点( , ) ii a b，然后将每个 i a点的亮度值加 1，每个 i b点的亮度值 减 1，这样整个图像的平均亮度保持不变。适当地调整参数，patchwork 方法对 jpeg 压缩、 滤波以及图像裁剪具有一定的抵抗力，但该算法嵌入的信息量有限。为了嵌入更多的水印 信息，可以先对图像进行分块，然后对每一个图像块进行嵌入操作。 (2) 变换域算法 变换域制作水印的算法是比较坚固的方法，它是利用一个信号可以掩盖另一个较弱的 信号这种频率掩盖现象，在频域变换中嵌入水印，包括快速傅里叶变化、离散余弦变换 （dct） 、hadamard 变换和小波变换。应用比较广泛的是离散余弦变换和小波变换。dct 变换域数字水印是目前研究最多的一种数字水印， 它具有鲁棒性强、 隐蔽性好的特点23-25。 其主要思想是在图像的 dct 变换域上选择中低频系数叠加水印信息。之所以选择中、低 频系数，是因为人眼的感觉主要集中在这一频段，攻击者在破坏水印的过程中，不可避免 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 数字水印技术 12 地会引起图像质量的严重下降，一般的图像处理过程也不会改变这部分数据。由于小波变 换具有多分辨分析特点，能充分反映人类的视觉特性，因而在小波变换域研究水印是极为 重要的。 基于 dwt 的数字水印算法的基本思想和基于 dct 的数字水印算法思想是基本一 样的26-31，但是由于基于 dwt 的数字水印算法具有多分辨特性，水印的嵌入变得更为灵 活。 (3) 压缩域算法 基于 jpeg、mpeg 标准的压缩域数字水印系统不仅节省了大量的完全解码和重新编 码过程，而且在数字电视广播 vod（video on demand)中有很大的实用价值。相应地，水 印检测与提取也可直接在压缩域数据中进行。以一种针对 mpeg2 压缩视频数据流的数字 水印方案为例，虽然 mpeg2 数据流语法允许把用户数据加到数据流中，但是这种方案并 不适合数字水印技术，因为用户数据可以简单地从数据流中去掉，同时，在 mpeg2 编码 视频数据流中增加用户数据会加大位率，使之不适于固定带宽的应用，所以关键是如何把 水印信号加到数据信号中，即加入到表示视频帧的数据流中。对于输入的 mpeg2 数据流 而言，它可分为数据头信息、运动向量(用于运动补偿)和 dct 编码信号块三部分，在方案 中只有 mpeg2 数据流最后一部分数据被改变，其原理是，首先对 dct 编码数据块中每一 输入的 huffman 码进行解码和逆量化，以得到当前数据块的一个 dct 系数;其次，把相应 水印信号块的变换系数与之相加，从而得到水印叠加的 dct 系数，再重新进行量化和 huffman 编码，最后对新的 huffman 码字的位数 1 n，与原来的无水印系数的码字 0 n进行比 较，只在 1 n不大于 0 n的时候，才能传输水印码字，否则传输原码字，这就保证了不增加视 频数据流位率。该方法有一个问题值得考虑，即水印信号的引入是一种引起降质的误差信 号，而基于运动补偿的编码方案会将一个误差扩散和累积起来，为解决此问题，该算法采 取了漂移补偿的方案来抵消因水印信号的引入所引起的视觉变形。 (4) nec 算法 该算法由 nec 实验室的 cox 等人32,33提出，首次将扩频思想用于数字水印技术中， 在数字水印算法中占有重要地位。该算法具有较强的鲁棒性、安全性、透明性等。该算法 还提出了增强水印鲁棒性和抗攻击算法的重要原则，即水印信号应该嵌入源数据中对人感 觉最重要的频带或者区域上。然而，在修改这些区域或者频带的同时，也会导致信号质量 的下降。这正是水印在鲁棒性和不可感知性上的矛盾。为了解决以上的矛盾，cox 等人将 图像的频域视为通信信道，相应的将水印视为在通信信道上传输的信号。攻击被视为信号 传输中水印系统必须能够抵抗的噪声。通过类比通信中的扩展频谱通信技术，可以将水印 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 数字水印技术 13 信息以扩频方式嵌入到载体信号的最重要频谱成分中，于是产生了第一个基于扩频思想的 数字水印算法（nec 算法） 。 (5) 生理模型算法 人的生理模型包括人类视觉系统 hvs(humanvisual system)和人类听觉系统 has(human auditory system)。该模型不仅被多媒体数据压缩系统利用，同样可以供数字 水印系统利用。利用视觉模型的基本思想均是利用从视觉模型导出的 jnd(just noticeable difference)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34,35。 (6) 其它水印算法 除了上述典型的算法外还有针对计算机图形学中常用的三角形网络模型提出的网格水 印等其它水印算法36。 2.4 数字水印的各类攻击数字水印的各类攻击 虽然目前已经提出了很多种数字水印算法，而且也有商业的数字水印系统出现，但是 几乎所有的算法都有安全漏洞。针对现有水印算法的漏洞，已经提出了多种数字水印攻击 方法。研究水印的攻击方法，一方面可以分析、评估水印系统的安全性，找到安全漏洞; 另一方面根据找到的漏洞设计更加安全的水印系统，从而提高水印系统的安全性。根据攻 击者可能做出的攻击操作，可将水印攻击分为如下几类: (1) 鲁棒性攻击 鲁棒性攻击是指在不损害图像使用价值的前提下减弱、移去或破坏水印。它包括常见 的各种信号处理操作:图像压缩、线性或非线性滤波、叠加噪声、图像量化与增强、图像裁 剪、几何失真、模拟/数字转换等等。 (2) ibm 攻击 这是针对可逆、非盲水印算法进行的攻击。其原理为:设原始图像为i，加入水印 a w的 图像为 a i=i+ a w，攻击者首先生成自己的水印 f w，然后生成一个伪造的原图像护 f i= a i- f w，此后攻击者可声称他拥有寿的版权，因为攻击者可以利用其伪造原图从 a i， 中提取水印 f w，但原图作者也能利用原图从伪造原图 f i中提取水印 a w，这样将会出现无 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 数字水印技术 14 法分辨和解释的情况，防止这一攻击的有效方法是研究不可逆水印嵌入算法。 (3) stirmark 攻击 stirmark 是英国剑桥大学开发的水印攻击软件，它采用软件方法，实现对水印载体的 各种攻击。从而在水印载体图像中形成一定的误差，一般以水印检测器能否从遭受攻击的 水印载体中提取/检测出水印作为评定水印算法抗攻击能力的依据。stirmark 可以以几乎难 以察觉的轻微程度对图像进行拉伸、剪切、旋转等几何操作，来对水印载体图像进行攻击。 (4) 马赛克攻击 马赛克攻击的方式是将图像分解成为许多个小图像， 然后将每个小图像放在 html 页 面上拼凑成一个完整的图像。 一般的 web 浏览器都可以在组织这些图像时在图像中间不留 任何空隙，并且使效果看起来和原图一模一样，从而使探测器无法检测到水印。这种方法 的弱点是一旦图像的尺寸较小时，工作将会非常烦琐。 (5) 串谋攻击 所谓串谋攻击就是利用同一原始多媒体数据集合的不同水印信号版本，来生成一个近 似的多媒体数据集合，以此来逼近和恢复原始数据，其目的是使检测系统无法在这一近似 的数据集合中检测出水印信号的存在。 (6) 跳跃攻击 跳跃攻击主要用于对音频信号数字水印系统的攻击，其一般实现方法是在音频信号上 加入一个跳跃信号，即首先将信号数据分成 500 个采样点为一个单位的数据块，然后在每 一数据块中随机复制或删除一个采样点，来得到 499 或者 501 个采样点的数据，然后将数 据块按原来顺序重新组合起来。实验表明，这种改变对数据的改变几乎感觉不到，但却可 以非常有效的阻止水印信号的检测，以达到难以检测水印信号的目的。类似的方法也可以 用来攻击图像数据的数字水印系统，其实现方法也非常的简单，即只要随机的删除一定数 量的像素列，然后用另外的像素补齐即可，这种方法虽然简单，但却可以有效的破坏水印 信号的检测。 (7) 法学攻击 这种方法与前几种方法截然不同，我们知道，一旦上了法庭，事情就远不受技术上的 限制了，比如:现有的或将有的关于版权及数字信息所有权的法律，不同法庭对于法律条款 的不同解释，原告与被告的信誉，攻击者质疑水印方案的能力，等等一些因素都将有影响。 因此，理解和研究法学攻击的难度决不亚于对技术攻击方法的理解和研究。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章 基于通信系统的数字水印系统 15 第第三三章章 基于通信系统的基于通信系统的数字水印数字水印系统系统 3.1 基于基于通信通信模型模型的的数字水印数字水印 在我们的实际应用中，所有信息传输、存储系统如通信、雷达、遥测遥控、计算机的 内外存储系统和内部运算，以及计算机通信网中的信息传输等，都可归结成如图 3.1 所示 的数字通信系统模型。 图 3.1 数字通信系统模型 图像数字水印就是把要嵌入的水印信息(信号)，通过载体(信道)进行传输，接收者必须 定位嵌入信息并把它恢复成原始的水印信息。而对图像数字水印的各种攻击相当于在信道 中加入噪声。可以看出图像水印系统和通信系统的模式很相似。水印系统的共同目标:将某 些信息引入到一个媒介中(或称信道),然后再尽可能原样提取。数字水印系统包括嵌入器、 检测器和攻击三个部分。水印嵌入器相当于通信系统的发射机，对水印信息进行编码并以 某种嵌入形式（加性或者非加性）将其嵌入作品中；水印检测器相当于通信系统中的接收 机,对接收到的作品进行检测（判断作品中水印的有无）或者提取（解码水印信息） ；数字 水印系统中的攻击相当于通信系统中的信道传输过程，所以我们可以利用通信系统模型来 映射水印系统模型。 水印系统和通信系统的另一个相似点是对携带信息的信号都施加了某些限制条件。通 信系统中，由于信道的制约，通常有波特