（测试计量技术及仪器专业论文）基于小波变换的数字水印技术.pdf

摘要 数字水印技术是近年来刚刚兴起的一门技术，在图像、音频、视 频的版权保护方面有着巨大的应用潜力。目前，大量的水印算法已被 提出，但是大多数的数字水印嵌入和提取方案处于实验阶段，离真正 的实用化还有较大的距离。近年来基于小波变换的数字水印越来越多 的受到人们的关注，一个重要原因就是图像小波分解的部分特点与人 类视觉模型( i - i v s ) 有很多相似性。基于小波变换的水印技术可以方便 的利用h v s 的研究成果，改善水印方案的性能。本文利用图像小波 变换域高频波段均值接近于零的特点，提出一种有效的水印嵌入方 案。利用对每个系数作微小改变，从而导致系数和的较大改变的特点 来嵌入水印信息，同时利用h v s 模型的一些知识来计算每个系数上 水印的嵌入强度。实验结果表明，本文提出的方案具备较好的不可见 性和稳健性，基本满足了数字水印应用的要求。 a b s t r a c t t h et e c h n i q u eo fd i g i t a l w a t e r m a r k i n gi sd e v e l o p e dr e c e n t l yw i t h g r e a tp o t e n t i a li nt h ep r o t e c t i o no fc o p y r i g h to fv i d e o ，a u d i oa n di m a g e m a n yw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m sh a v eb e e np r e s e n t e d ，b u tm o s to ft h e m a r ea tt h et e s t s t a g ew i t hl i t t l ep r a c t i c a l i t y r e c e n t l yt h ew a t e r m a r k i n g a l g o r i t h m sb a s e do nd i s c r e tw a v e l e tt r a n s f o r m ( d w t ) h a v ea t t r a c t e d m o r ea n dm o r ea t t e n t i o n o n eo ft h er e a s o n si st h a ts o m ef e a t u r e so f i m a g ew a v e l e td e c o m p o s i t i o na r es i m i l a rt ot h eh u m a nv i s u a ls y s t e m ( m r s ) t h u st h er e s e a r c ho fh v sm o d e lc a nb ee x p l o i t e dt oi m p r o v et h e w a t e r m a r k i n gs c h e m e sb a s e do nd w t h e r ew ep r e s e n t e d an 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 nt h ef e a t u r et h a tt h ec o e f f i c i e n t s m e a n o fh i g hf r e q u e n c yb a n d so fi m a g ed w ti sc l o s et oz e r o a m e n d i n ge v e r y c o e f f i c i e n ts l i g h t l yw i l lr e s u l ti nal a r g e rc h a n g eo ft h ec o e f f i c i e n t s s u m a tt h es a m et i m ew ee x p l o i tt h ek n o w l e d g eo fh v st oc a l c u l a t et h e e m b e d d i n gi n t e n s i t ya te v e r yc o e f f i c i e n t t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a tt h ew a t e r m a r ki si n v i s i b l ea n dr o b u s tt om e e tt h e p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n s 南京邮电学院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，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电学院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： 旦3 笙望i日期：丝! z 墨 南京邮电学院学位论文使用授权声明 南京邮电学院、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 南京邮电学院研究生部办理。 研究生签名：j 煎3 墨丛导师签名；蒸! 酪 日期：型尘2 毋 南京邮电大学硕士论文基于小波变换的数字水印技术 第1 章数字水印概述 随着计算机的广泛应用和互联网的普及，人们获取和交流信息变得方便快 捷。政府、企业及个人都逐渐把网络作为主要的通信手段，大量重要文件和个人 信息以数字化形式存储和传输。以声音、图像、视频为主的多媒体信息越来越多 的出现在互联网上，给人们带来便利的同时，也给多媒体信息的传输安全和版权 保护提出了挑战。这是因为，互联网上的多媒体信息获取和传播变得更加方便， 并且很容易对它们进行编辑和方便、便宜、无失真地复制。数字声音、文本、图 像和视频快捷方便的通过电子的( 网络) 或物理的( c d r o m ) 系统低价高效地迅速 传输和分配等，使得大量的数字媒体在以合法的形式传播的同时，也在以非法途 径( 主要是盗版) 广泛传播。为了解决数字媒体的传输安全和版权保护问题，近年 来提出了加密一解密、数字签名、数字标签、数字水印等多种技术，以至于形成 了一个新兴的交叉学科：信息隐藏学，在计算机、通讯、保密学等领域有着巨大 的应用潜力。如今信息隐藏学作为隐蔽通信和知识产权保护的主要手段，正得到 广泛的研究与应用。 信息隐藏( i n f o r m a t i o nh i d i n g ) 不同于传统的密码学，密码学主要研究将机 密信息进行特殊的编码，形成不可识别的密码形式( 密文) 进行传递。经过加密后 只有被授权持有解密密钥的人才可以解密数据。但是这样就无法向更多的人展示 自己的作品：而且数据一旦被解开，就完全置于解密人的控制之下，原创作者没有 办法追踪作品的复制和二次传播。针对这些缺点，信息隐藏主要研究如何将机 密信息秘密隐藏于另一公开的信息中，然后通过公开信息的传输来传递机密信 息。对加密通信而言，可能的监测者或非法拦截者可截取密文并对其进行破译， 或将密文进行破坏后再发送，从而影响机密信息的安全。但对信息隐藏而言，可 能的监测者或非法拦截者难以从公开信息中判断机密信息是否存在以截获机密 信息，从而保证机密信息的安全。信息隐藏技术由于其具有的特点和优势，已成 为当今多媒体信息安全领域的一大重要研究热点。 信息隐藏的研究是在2 0 世纪9 0 年代受到重视并蓬勃发展起来的。从总体上 来说可以分为两大部分：伪装式保密信息传递( 即信息隐藏) 和多媒体信息的版权 保护问题( 即数字水印) 。信息隐藏主要应用在需要安全保密通信的部门，利用多 媒体信息中的冗余数据携带隐蔽信息，达到秘密信息伪装传递的目的：同时，信 南京邮电大学硕士论文基于小波变换的数字永印技术 息隐藏还要研究其对立面隐蔽信息的分析和检测，这与密码编制学和密码分 析学是类似的。信息隐藏与分析是一对矛盾统一体，它们相互对立又相互促进。 数字水印从实质上说也是一类信息隐藏，但是其目的不是为了保密通信，而是为 了标明载体本身的一些信息，如多媒体信息的创作者、版权信息、使用权限等一 系列需要标明的信息。利用数字水印，还可以跟踪多媒体产品的非法传播和扩散， 打击盗版。数字水印技术目前正处于一个快速发展和持续深入的阶段，应用领域 也在快速扩展，从最初的图像水印、音频水印，发展到软件水印、视频水印、文 字水印：从最初的算法研究，扩展到行业领域的应用，如数字地图的版权保护、 数字图书的版权保护、证件防伪、多媒体数据的检索、电子公文防篡改等。数字 水印技术是信息隐藏技术研究领域的重要分支，也是当今网络信息安全和数字媒 体版权保护研究的热点。随着国内信息化程度的提高和电子商务逐渐走向实用， 数字水印技术将会拥有更加广阔的应用前景。 数字图像比声音、文字等蕴涵更多的信息量，因而在多媒体信息中占有举足 轻重的地位，数字图像的信息安全是多媒体信息安全的重要组成部分。本文以数 字图像为基础，研究了数字图像水印技术。当然。其技术也可应用到其它的多媒 体信息安全中。 1 1 数字水印的发展和现状 最原始的水印是大约在7 0 0 年前，在手工造纸技术中出现的纸张上的水印。 那时，水印主要用于识别生产纸张的工厂，作为保证纸张质量的一种手段。纸张 水印与数字水印之间的相似性是很明显的，可以说数字水印是这种古老水印的现 代版。在银行票据或邮票上的纸上水印，激发了“水印”这一术语在数字产品环 境中的首次应用。最早关注数字图像水印的文献出现在1 9 9 0 年，从1 9 9 5 年开始， 关于水印的研究活动开始增多发展非常迅速。1 9 9 8 年国际图像处理大会上， 开辟了两个数字水印的专题讨论。国际光学工程学会从9 9 年开始每年召开一次 多媒体信息安全与数字水印大会。目前国际上很多知名大学都对此领域开展了广 泛而深入的研究。尽管还有许多方面有待进一步研究，但些实用的方法和系统 都已经开发出来了。目前很多国外公司都推出了成熟的数字水印解决方案，就连 流行的图像处理软件p h o t o s h o p 都加入了水印功能。 南京邮电大学硕士论文基于小波变换的数字水印技术 目前，国内已有不少研究机构及大学正在从事信息隐藏和数字水印方面的研 究。1 9 9 9 年第一届全国信息隐藏学术研究会在北京召开，国家8 6 3 计划、9 7 3 项目、国家自然科学基金等都对数字水印有项目资金的支持。从目前的发展来看， 我国相关学术领域的研究与世界水平处在同一阶段，但就研究成果而言，大都局 限在初始阶段，少有商品化的产品推出。 1 2 数字水印的分类和特点 数字水印的分类方法有很多种，分类的出发点不同导致了不同的分类，它们 之间是既有联系又有区别的，常见的分类方法有如下几种： ( 1 ) 按检测过程分可分为明文水印和盲水印。 明文水印：该类系统在提取水印时需要原始的载体数据或者水印本身。该型 系统从可能带有水印的数据i 中提取出水印w ，并使用原始载体数据i 作为线索 来确定水印在i 中的位置：或者需要所嵌入水印w 的一个拷贝，得到i 中是否含 有水印的答案。一般来说明文水印的健壮性比较强，但是其应用受到存储成本的 限制，使用不便。 盲水印：该类系统是目前最具挑战性的问题，因为它提取水印时既不需要原 始数据，也不需要原始水印w ，因此更方便实用。目前学术界研究的水印大多是 盲水印。 ( 2 ) 按水印的可见性可分为：可见水印和不可见水印。可见水印是指图像嵌 入水印信息后，水印可以被人眼观察到。不可见水印则相反，是指嵌入水印后， 人眼不能直接观察到水印。我们研究的水印大多是指不可见水印。 ( 3 ) 按水印的嵌入位置可分为时空域水印和变换域水印。时空域是指直接在 信号时域或者空域空间上叠加水印信息：而变换域则是指在信号的d c t 变换域、 d f t 变换域、小波变换域等变换域中添加水印信息。目前普遍认为变换域水印具 有更好的稳健性，因此对水印的研究也相对集中于后者。 ( 4 ) 按水印的载体不同可分为：静止图像水印、视频水印、声音水印、文档 水印和软件水印。静止图像水印是目前讨论最多的一种水印，主要利用图像的冗 余信息和人类视觉模型的特点来加载水印。视频水印是为了保护视频作品和节日 南京邮电大学硕士论文基于小波变换的数字水印技术 制作者的合法利益而嵌入在视频流中的水印。视频水印可以借用静止图像水印算 法，但更好的视频水印应该根据视频信号的压缩编码特点和人类视觉系统的特点 来设计。声音水印可以保护声音数字作品，如c d 、广播电台的节目内容等。声 音水印也主要是利用音频文件的冗余信息和人类听觉系统的特点来加载水印。文 档水印基本上是利用文档所独有的特点，通过轻微调整文档来嵌入水印，这仅仅 适用于文档图像类。软件水印是最近才提出的，它主要用于保护软件的版权。 ( 5 ) 按水印的稳健性可分为：易损水印和稳健水印 易损水印很容易被破坏主要应用于完整性验证等应用之中，它随着载体数 据的修改而破坏，即使细小的改变也会影响数字水印的提取和检测。稳健水印则 应该经得起一般信号处理操作而存留下来它的应用范围更加广泛，主要应用于 版权保护中，是水印研究的重点。 ( 6 ) 按水印本身可分为：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有意义数字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伪随机数。有意义水印的优势在于，如 果受到攻击或其它原因致使检测到的水印有破损，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，如果检测到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。 ( 7 ) 对称水印和非对称水印 当水印嵌入和水印提取所使用的密钥相同时，相应地水印算法称为对称水印 算法。当水印嵌入和水印提取所使用的密钥不同时，相应的水印算法称为非对称 水印算法。 一般认为，数字水印是镶嵌在数据中，具有抗检测、抗伪造和抗擦除特性， 并且不影响数据的合法使用的具有可鉴别性的数据。图像数字水印一般应具有以 下特点： 不可感知性：向数字作品中嵌入水印，隐藏对象必须没有明显的降质现 象，同时人眼在视觉上察觉不出有隐藏的水印。因此，嵌入水印而引起的变动应 该低于可感知的门限，由于水印所需的不可感知性，用来嵌入水印的每个样本值 南京邮电大学硕士论文基于小波变换的数字水印技术 ( 如像素、音素、特征等) 只能作微小的改动。水印的不可感知性是相对于被保 护的数据的使用而言的。如加在图像上的水印不应干扰图像的视觉欣赏效果，但 并不是说水印必须不可见。事实上，虽然目前已有的大多数水印方案是不可见的， 但也存在着可见的水印方案。 稳健性( 鲁棒性) ：指多媒体中的水印信息能够抵抗应用过程中的各种有 意或无意的攻击。无意的攻击如各种信号处理过程：传输过程中的信道噪声、各 种形式的滤波、增强、有损压缩、几何变换、d a 或a d 转换等。有意的攻击包 括：篡改、伪造、去除水印等。 尽管用来嵌入水印的每个样本值，允许被改动的范围很小，为了保证健壮性， 通常要将水印信息冗余的分布在载体数据的很多样本中，从而得到整体的健壮 性。这意味着利用- - d 部分已嵌入水印的数据就可以恢复出水印。很显然，如果 在水印恢复过程中有更多地已嵌入水印的数据可用，则水印的恢复将会更有效。 需要指出的是稳健性只是用于版权保护的水印所必须具有的特征，而对于以 保护数据完整性为目的的水印来说，脆弱性则是其最重要的特征 安全性：一般而言，水印系统中使用一个或多个安全的密钥来保证安全， 以防止未授权的人读取水印。一旦水印被人读取到，他就可以很容易的破坏该水 印，因为在这种情况下，他不仅知道水印嵌入的策略也知道水印嵌入的位置。 确定性：水印所携带的信息能够被唯一确定的鉴别，不能产生二义性。 计算有效性：水印处理算法应该比较容易用软硬件来实现。尤其是水印检 测算法必须足够快，以满足在产品发行网络上对多媒体数据的管理要求。 1 3 数字水印的应用 水印技术的出现就是为了满足实际的应用，虽然目前没有普遍适用的水印嵌 入方案，但总体来说，现在的水印嵌入和提取方案是可以满足应用的，并且其应 用前景和应用领域是广阔的。目前水印主要应用在以下几方面： ( 1 ) 用于版权保护的水印。 数字版权的保护是当前的热点问题，而对数字作品的版权保护可能是数字水 南京邮电大学硕士论文 基于小波变换的数字水印技术 印研究的最大动力。由于计算机网络和数字技术的迅猛发展，使得数字作品的复 制、修改变得非常容易，而且可以做到和原作非常接近或完全相同。为了保护知 识产权，数字作品的原创者不得不采用一些严重损害作品质量的办法来给其加上 版权标志，但是即使如此，这种明显可见的标志也很容易被篡改。 数字水印利用数据隐藏原理使版权标志不可见或不可听，既达到不损害原作 品，又达到了版权保护的目的，这种应用要求非常高的稳健性。包含很多图像的 w e b 是该应用的推动力量，它所包含的图像是可随意使用的，但是它们的所有者 却要保护它们。目前用于版权保护的数字水印已经进入了初步实用化阶段。i b m 公司在其“数字图书馆”软件中就提供了数字水印功能，著名的p h o t o s h o p 软件 中集成了d i g i m a r c 公司的数字水印插件。然而实事求是地说，目前市场上的数 字水印产品在技术上还不成熟，很容易被破坏或破解，距离真正的实用还有很长 的路要走。 ( 2 ) 用于盗版跟踪的数字指纹 此类应用的目的是传输合法接收者的信息而不是数据来源者的信息，主要用 来识别数据的单个发行拷贝。这很像软件产品的序列号，对监控和跟踪流通数据 的非法拷贝非常有用。这类应用在发行的每个拷贝中嵌入不同的水印通常称为 数字指纹。对某些数字指纹应用来说，要求水印易于提取且有很低的复杂度，也 需要很高的健壮性，不仅要能抵抗恶意的攻击，还要能抵抗一些标准数据处理。 ( 3 ) 用于拷贝保护的水印 在多媒体发行体系中，希望存在一个不允许未授权的媒体拷贝的拷贝保护机 制。在开放系统中很难实现拷贝保护，然而在封闭系统中，拷贝保护是可行的。 在这样的系统中，可用水印来说明数据的拷贝情况。这种情况的一个例子是d v d 系统，在该系统中，数据中的水印含有拷贝信息。一个符合要求的d v d 播放器 不允许重放或拷贝带有“禁止拷贝”水印的数据，而带有“次拷贝”水印的数 据可以被拷贝，但不允许从该拷贝再进一步制作拷贝。 ( 4 ) 用于图像认证的水印 在鉴定应用中，使用水印的目标是对数据的修改进行检测。这可用所谓的“脆 弱性水印”来实现，它对特定的修改有弱的健壮性，而其它的修改则是破坏性的。 南京邮电大学硕士论文基于小波变换的数字水印技术 此外根据不同的数据类型和应用，相应的健壮性要求也会有所不同。不过在所有 可能的水印应用中，用于鉴定的水印对健壮性的要求最低。在这类水印方案中， 诸如块平均或边缘特性之类的数据属性被嵌入到图像中，以用来验证接收到的图 像是否还有同样的属性。 1 4 数字水印的稳健性问题 数字水印作为版权保护和数据认证的手段，必然会受到各种形式的攻击，因 此抗攻击能力是数字水印的一个最重要的特征。一个实用的数字水印方案应该对 常用的图像处理、几何攻击等恶意攻击具有稳健性。要想提高水印算法的稳健性， 必须先要了解水印图像可能遭到的各种攻击。目前水印攻击的种类非常多，大致 可以分为以下几类： ( 1 ) 常规图像处理 这类攻击对嵌入水印后的多媒体数据进行常规操作，目的不是将水印区分或 隔离，而是将其破坏以降低水印的可检测性，有时还会降低媒体作品的质量。这 些攻击主要包括：各种滤波、有损压缩、直方图均衡、替换、像素域的量化、g a m m a 校正等等。 ( 2 ) 串谋攻击 串谋攻击是将几个含有不同水印数据的相同载体媒体的拷贝进行合成，从而 使原始水印信息失效的一种攻击。例如当攻击者可以得到大量的图像时，他可以 把它们平均一下产生一个检测不到水印的图像。受串谋攻击影响最大的是数字指 纹。指纹标记通常是一个嵌入到图像中的序号，比如销售商为了跟踪每一个顾客 而提供的唯一标识。在此种情况下，载体图像可能是相同的，而水印各不相同。 此时将嵌有水印的图像加起来平均，相当于对不同水印进行了平均，结果将于原 始图像非常接近，而水印标识被完全擦除。 ( 3 ) 同步攻击 同步攻击是试图破坏相关性和使得水印检测器对水印的恢复变得不可能的 攻击方式。其中最典型的是几何攻击和马赛克攻击。 南京邮电大学硕士论文 基于小波变换的数字水印技术 几何攻击采用的主要是几何变形方法，如缩放、旋转、挤压、裁剪、像素置 换、子采样、移去或插入像素及像素块，或者其它对数据进行的几何变换等。 马赛克攻击其基本思想是将一幅图像分解成许多“碎片”，然后再将这些 “碎片”拼凑成一幅完整的图像而不影响图像的使用效果。例如在w e b 页中， 使用原始图像和使用“碎片”拼凑起来的图像相比，用户视觉效果是一样的。 这两种攻击有一个共同的特点就是不破坏水印信号的存在。也就是说被攻击 后的媒体数据仍然保留着较完整的水印信号，但破坏了水印信号和水印检测器之 间的同步关系。 ( 4 ) 解释攻击 解释性攻击就是从水印证据中寻找伪造无意义的或多种解释。例如，在水印 图像上再加第二个水印，使得第一个水印不确定。另一个解释性攻击是在插入一 个新的假水印之前去除原始水印。 以上介绍了几种有代表性的攻击例子，事实上还有很多其它类型的水印攻击 方法，没有一种攻击方式容易防护。然而，研究的水印系统应该努力使其可以经 受得住许多己知的攻击。这也就是为什么水印技术的研究大多围绕健壮性的原 因。然而要使数字水印技术能够有效的保护版权，除了技术上的难点外还有很多 涉及标准、规范、法律、意识的问题需要解决。 1 5 本文的主要工作 本文在借鉴前人研究成果的基础上，提出了一种基于小波变换的水印嵌入和 提取方案，提取过程不需要原始图像或水印，属于盲水印技术，并且提取过程中 需要密钥，有较高的安全性。为了提高不可见性，水印的嵌入过程中利用h v s 的知识计算每个要修改的系数的修改强度，在人眼噪声敏感度低的地方嵌入更高 强度的水印。实验结果表明，本方法稳健性较强，不可见性较好，有较高的实用 价值。 南京邮电大学硕士论文基于小波变换的数字水印技术 第2 章基本的数字水印算法 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，因此提出的数字水印的算法也是多种 多样，但其基本原理是一致的，而且算法大体可分为两类：基于时空域的水印和 基于变换域的水印。本章将主要对水印方案的基本原理及现有的水印算法做概括 性的介绍。 2 1 数字水印系统原理 严格来讲，数字水印( d i g i t a lw a t e r m a r k ) 技术，是指在数字化的数据内容中嵌入 不明显的记号。被嵌入的记号通常是不可见或不可察的，但是通过一些计算操作 可以被检测或者被提取。水印与源数据( 如图像，音频，视频数据) 紧密结合并隐藏 其中，成为源数据不可分离的一部分，并可以经历一些不破坏源数据使用价值或商 用价值的操作而存活下来。因此一个数字水印系统包括三个要素：l 原始图像、 2 加入水印后的图像、3 水印；另外包括两个过程：水印嵌入和水印提取。所 谓水印嵌入是指将水印数据加入到原始图像当中去，同时基本不改变原始图像的 外观，嵌入之后的水印可以是可见的，也可以是不可见的。水印提取是指对嵌入 水印之后的图像进行与水印嵌入相反的操作，将先前嵌入的水印提取出来，以达 到版权保护等目的。 图1 1 显示了一个一般的水印嵌入过程，该系统的输入是水印、载体数据和 个可选的公钥或私钥。水印可以是任何形式的数据，比如数值、文本、图像等 等。密钥可以用来加强安全性，以避免未授权方恢复和修改水印。所有的实用系 统至少使用一个密钥，有的甚至是几个密钥的集合。当水印与私钥或公钥结合时， 嵌入水印的技术通常分别称为秘密水印技术和公开水印技术。水印系统的输出成 为添加了水印的数据。 南京邮电大学硕士论文 水印w 原始图像i 私钥公钥k 加入水印后的数据i 图1 1 一般的水印嵌入方案 图1 2 图示了一个一般的水印恢复过程。该系统的输入是己嵌入水印的数据 i 、私钥或公钥k ，或者还有原始数据i 或原始水印w ，输出是提取出的水印w ， 或者是某种可信度的值，它表明了所考察数据i 中存在给定水印的可能性。 水印w 或原 测试数据i 私钥，公钥 图1 2 一般的水印恢复方案 2 2 时空域的水印算法 水印w 或可信度值 时空域算法是将水印嵌入到数字作品的时间域或空间域中。如对于图像作 品，可以将水印嵌入图像的空问域中，即对像素的值进行变化以隐藏信息。对于 音频信号，可以把水印加入到时间域中去。时空域算法中典型的有：最低有效位 算法( l s b ) 、p a r c h w o r k 算法、文本水印算法。 ( 1 ) 最低有效位算法( l s b ) 最低有效位算法( l s b ) 是l f t u r n e r 和r g v a ns c h y n d e l 等人提出的 第一个数字水印算法，是一种典型的空间域信息隐藏算法。 l s b 算法使用特定的密钥通过m 序列发生器产生随机信号，然后按一定的 规则排列成2 维水印信号。并逐一插入到原始图像相应像素值的最低几位。由于 南京邮电大学硕士论文基于小波变换的数字水印技术 水印信号隐藏在最低位，相当于叠加了一个能量微弱的信号，因而在视觉和听觉 上很难察觉。l s b 水印的检测是通过待测图像与水印图像的相关运算和统计决策 实现的。很多早期的数字水印算法都采用了l s b 算法。 l s b 算法虽然可以隐藏较多的信息，但隐藏的信息可以被轻易移去，无法满 足数字水印的稳健性的要求，因此现在的数字水印算法已经很少采用l s b 算法 了。不过，作为一种大数据量的信息隐藏方法，l s b 在隐蔽通信中仍占据着相当 重要的地位。 ( 2 ) p a t c h w o r k 算法 p a t c h w o r k 算法“。是麻省理工学院媒体实验室w a l t e rb a n d e r 等人提出的一 种基于统计的数字水印算法，主要用于打印票据的防伪。p a t c h w o r k 算法把数字 水印隐藏在特定图像区域的统计特性中，其稳健性很强，可以有效地抵御剪切、 灰度校正、有损压缩等攻击，其缺陷是数据量较低，对仿射变换敏感，对多拷贝 平均攻击的抵抗力较弱。 其方法是任意选择n 对图像点，在增加一点亮度的同时，相应降低另l 点的 亮度，通过这一调整过程完成水印的嵌入，而整个图像的亮度不变。该算法透明 性较好，对于有损压缩编码和一些恶意攻击处理具有稳健性。但p a t c h o r k 的局 限性在于p a t c h w o r k 技术的信息嵌入率非常低，这就使得它只能应用于低水印码 率的场合：另外，这种算法必须找到图像中各像素的位置，在仿射变换情况下很 难对加入水印的图像解码。尽管有这些应用的限制，在不知道随机数字水印密钥 的情况下，要想移除数字水印仍是极困难的，除非破环图像的视觉质量。 该算法的扩展是把像素对扩展为小块的像素区域对( 如3 x 3 ) ，通过增加一个 区域中的所有像素点的亮度值而相应减少对应区域中所有像素点的亮度值的调 整来隐藏信息。该算法对j p e g 压缩、f i r 滤波以及图像裁减有一定的抵抗力， 但嵌入的信息量有限，且对串谋攻击的抵抗力较弱。 ( 3 ) 文本水印算法”。 这种算法主要是针对电子文档文件。现在的印刷品的电子化传送可以通过多 种方式来实现，例如：c d r o m 、在线数据库、基于搜索引擎的计算机网络、电子 图书馆等等。因为有廉价文本处理器和高质量的显示和打印机，使得电子出版己 南京邮电大学硕士论文基于小波变换的数字水印技术 成为首选出版方式。为使电子出版方式被人们所接受，出版者必须能保证他们自 己的利益不因为盗版现象而受损。尽管采用照相复制方式侵权的问题一直困扰着 出版商，但对电子文档传送的安全性需求更为迫切。照相复制方式中复制件和原 件还是有微小差别的，但电子出版物的复制件和原件却都是分毫不差。 利用文本文档的数据隐藏技术可以在文档的每份拷贝中嵌入标记信息，所有 拷贝中的标记可以相同也可以不同。改变文本的格式或字符特征可以给文档加上 标记。以一定的方式对文本进行修改使其不易被察觉但可被解码。这种方式既可 修改文档的图像表示，也可修改文档格式文件。后者是一个包含文档内容及其格 式的计算机文件，基于此即可产生出可供阅读的文字或图像。 在文本文件中嵌入水印信息，需要考虑和利用文本文档的一些特征例如文 字行距、字符间距、字符特征等。通过轻微调整文档中的这些结构来完成水印信 息的嵌入操作，方法包括：垂直移动行距，水平调整字距，调整文字特性( 如字体) 等。基于此方法的水印可以抵御一些文档操作，如照相复制和扫描复制，但也很 容易被破坏，而且仅适用于文档图像类媒体。 2 3 变换域的水印算法 由于空间域水印算法的稳健性都不是非常理想，人们开始研究变换域水印算 法。基于变换域的技术可以嵌入大量比特数据而不会导致可察觉的缺陷，这类技 术一般基于常用的图像变换，基于局部或是全局的变换( 如d c t 、小波变换、傅 里叶变换、分形、或其它变换域等等) 。从目前的情况看，变换域方法正日益普 遍。变换域方法通常都具有很好的健壮性，对图像压缩、常用的图像滤波以及噪 声均有一定的抵御力，并且一些水印算法还结合了当前的图像和视频压缩标准 ( 如j p e g ，m p e g 等) ，因而有很大的实际意义。在设计一个好的数字水印算法时， 往往还需要考虑图像的局部统计特性和人的视觉特性，以提高水印的健壮性和不 可感知性。已经被研究过的许多变换域人类感知模型，可以为水印的嵌入与提取 找到根据和量化的标准。与空间域的数字水印方法比较，变换域的数字水印方法 具有如下优点： 1 在变换域中嵌入的水印信号能量可以散布到空间域的所有像素上，有利于 保证水印的不可见性： 南京邮电大学硕士论文基于小波变换的数字水印技术 2 在变换域，人类视觉系统的某些特性( 如频率掩蔽效应) 可以更方便地结合 到水印编码过程中： 3 变换域的方法可与国际数据压缩标准兼容，从而实现在压缩域内的水印算 法，同时，也能抵御相应的有损压缩。 水印算法中常用到的变换有离散余弦变换( o c t ) 和离散小波变换( d w t ) ，下面 将介绍基于这两类变换的一些有代表性的算法。 2 3 1 基于d c t 的水印技术 离散余弦变换属于正交变换，英文缩写为o c t ( d i s c r e t ec o s i n e t r a n s f o r m ) 。二维o c t 变换是图像处理中经常使用的一种方法，它把图像表示为 一系列不同幅值和频率的余弦信号的集合。o c t 变换的一个重要性质是，对于一 般的图像绝大多数的视觉重要信息都集中在o c t 域的几个系数上，换句话说，这 些系数要比其它系数相对大很多。由于图像的大部分能量都集中在少数系数上， d c t 变换常被用在图像压缩领域，并被用在常用的图像压缩算法j p e g 中。 对于一个大小为m * n 的图像a 来说，其二维离散余弦变换定义如下： 鸭善m - i 萎n - i 厶c o s 鼍产c o s l 7 r ( 2 n 厂+ 1 ) q ，暑p 卅 m - 。1 ( 2 ，) 肌，= 剥篆p = o 即 篇篡。： b 。称为图像a 的o c t 系数。o c t 变换是可逆的，其反变换公式为： 和篓静即s 笔产c o s 毪产，o 1 ，则y ( 三) 的时域支撑范围( 即时域宽度) 较之y ( ，) 变得越大；反之，口 l ，则y ( 二) 的宽 度越窄。这样，口和b 联合确定了对“，) 分析的中心位置及分析的时间宽度。 这样，( 3 2 ) 式的w t 可理解为用一族分析宽度不断变化的基函数对工( f ) 作 分析，这一变化正好适应了我们对信号分析时在不同频率范围所需要不同的分辨 南京邮电大学硕士论文基于小波变换的数字水印技术 率这一基本要求。 小波妒( f ) 的选择既不是唯一的，也不是任意的，这里妒( f ) 是归一化的具有 单位能量的解析函数，它应满足如下几个条件： 1 定义域应是紧支撑的( c o m p a e ts u p p o r t ) ，换句话说就是在一个很小的区间 之外，函数为零，也就是说函数具有速降特性。 2 平均值为零，即：g ( t ) d t = 0 其高阶矩也为零： - f ? g ( t ) d t = 0 k _ o “2 、3y ：n 1 0 上面两个条件可以概括为，小波应该是一个具有振荡性和快速衰减的波。 满足 小波变换是可逆的。设x ( ，) ，杪( f ) l 2 ( r ) ，记甲( q ) 为妒( r ) 的傅里叶变换，若 勺兰f 呼 a o 则工( f ) 可由其小波变换w t ，( a ，6 ) 来恢复，即 坤) 2 吉p 暇慨“。触( 3 3 ) 上式即是小波反变换公式，因此小波变换在一定条件下是可逆的。 众所周知，信号中的高频成份往往对应时域中的快变成份，如陡峭的前沿、 后沿、尖脉冲等。对这一类信号分析时则要求时域分辨率要高以适应快变成份间 隔短的需要，对频域的分辨率则可以放宽，当然，时、频分析窗也应处在高频端 的位置。与此相反，低频信号往往是信号中的慢变成份，对这类信号分析时般 希望频率的分辨率要高，而时间的分辨率可以放宽，同时分析的中心频率也应移 到低频处。显然。小波变换的特点可以自动满足这些客观实际的需要。 总结上述小波变换的特点可知，当我们用较小的a 对信号作高频分析时，我 们实际上是用高频小波对信号作细致观察，当我们用较大的a 对信号作低频分析 南京邮电大学硕士论文基于小波变换的数字水印技术 时，实际上是用低频小波对信号作概貌观察。如上面所述，小波变换的这一特点 既符合对信号作实际分析时的规律，也符合人们的视觉特点。 3 2 离散小波变换 在连续小波变换中，伸缩参数和平移参数连续取值，连续小波变换主要用于 理论分析，在实际应用中离散小波变换更适于计算机处理。我们希望仅在一些离 散的尺度和位移值下计算小波变换。对位移参数和尺度参数用不同方法进行离 散，会得到不同的小波。图像工程中最常用的小波变换为二进小波变换，我们这 里主要研究二进小波变换。 令口= a g ，j z ，我们可实现对口的离散化a 若，= 0 ，则( ，) = 0 6 ) 。 欲对6 离散化，最简单的方法是将b 均匀抽样，如令b = 肠0 ，6 0 的选择应保证能 由暇( - ，j i ) 来恢复出x ( t ) 。当，0 时，将a 由“_ 1 变成硎时，即是将口扩大了口0 倍，这时小波竹。( f ) 的中心频率比竹- l ，。( r ) 的中心频率下降了口0 倍，带宽也下降 了嘞倍。因此，这时对b 抽样的间隔也可相应地扩大嘞倍。由此可以看出，当尺 度口分另j j i r a o ，1 ，2 ，时，对6 的抽样间隔可以取，或，磊6 0 ，这样，对口和 6 离散化后的结果是： 蚧，l ( f ) 0 0 3 1 2 i l t a i ( t - 吲) 】 = 口i f l 2 y ( 口i t k )，k z ( 3 4 ) 对给定的信号z ( f ) ，( 3 2 ) 式的连续小波变换可变成如下离散栅格上的小波 变换，即 w t ( j ，后) 2j x ( f ) 肚( t ) d t( 3 5 ) 此式称为“离散小波变换( d i s c r e t e w a v e l e t t r a n s f o r m ，d w t ) ”。注意式中f 仍是连续变量。 南京邮电大学硕士论文基于小波变换的数字水印技术 3 3 多分辨率分析 多分辨分析m r a ( m u l t i r e s o l u t i o na n a l y s i s ) ，又称为多尺度分析，是建 立在函数空间概念上的理论，但其思想的形成来源于工程。其创建者s m a l l a t 是在研究图像处理问题时建立这套理论的。当时人们研究图像的一种很普遍的方 法是将图像在不同尺度下分解，并将结果进行比较，以取得有用的信息。m r a 不 仅为正交小波基的构造提供了一种简单的方法，而且为正交小波变换的快速算法 提供了理论依据。其思想又同多采样率滤波器不谋而合，使我们又可将小波变换 同数字滤波器的理论结合起来。因而多分辨率分析在正交小波变换理论中具有非 常重要的地位。 多分辨率分析是由满足以下条件的一系列子空间组成的： a ) c c _ cv oc 矿l 亡旷2c ； b ) n m 圪= 0 1 ，a n du 眦k = 上2 ( 胄) ； c ) f ( x ) k f ( 2 x ) 圪一1 ； d ) j s u c ht h a t 轨，。 是k 中的一个r i e s z 基。 其中声( x ) 称为尺度函数，并定义为k 一。空间中的圪的正交分量，即满 足以一。= + 帆和以上吼。则子空间的递归分解可表示为： 暇 k 斗k jk 斗k 上述分解实际上就是l a p l a c e 金字塔分解，并且尺度函数和小波函数满足以 下的二尺度方程： 妒( 砷：压l 。i 妒( 2 x 一七) ( 3 6 ) i - o 吣) ；压窆既姬x 呐 ( 3 7 ) 称矿( x ) 为母小波。如果小波是正交的，则g ( n ) = ( 一1 ) ”矗( h ) 。这样通过二尺 度方程，离散小波分解和重建就可以分层实现，这就是m a l l a t 算法。如果把二 南京邮电大学硕士论文 基于小波变换的数字水印技术 尺度方程的系数看作是滤波器，则m a l l a t 算法就可以用两波段滤波器组来实现。 尺度函数和小波函数分别是低通滤波和高通滤波。 从滤波器族的观点来看，小波分解和重建实际上是由两波段滤波器族构成 的，分别是分解滤波器：h o ( n ) 和啊( n ) ，重建滤波器g 。( 以) 和霸( h ) ，如图3 1 所示，其中。是求和。 五旧一 “矿b 面一 ， s u b s a m p l eb y2 哥 蚤副q ， u p m m p l eb y2 图3 1 小波分解和重建的滤波器组实现 3 4 图像的小波分解 图像经小波变换后分解成四个四分之一大小的不同频率的子图。其中l h 、 h l 、h h 称为中高频细节子图( 细节信号) ，l l 称为低频逼近子图( 近似信号) ， 每个子图通过间隔抽样滤波得到。后续分解中，逼近子图l l j 以完全相同的方式 再分解为在i + 1 级分辨率下更小的子图，以此类推。总的子带数为3 k + 1 个，其 中k 为分解的层数，如图3 t 2 所示，是对一幅图像一级、二级、三级小波分解后 的图像。 南京邮电大学硕士论文 基于小波变换的数字水印技术 原图 二层分解 一层分解 三层分螭 图3 2 图像的多层分解 图中最后一幅图像，表示一幅图像被分解为三层，共十个小波变换子图像， 各层之间相互独立，分别对应于不同的频段和分辨率，每一层包括水平细节波段 l h ，垂直细节波段h l 和对角线细节波段h h 三个频段上的子图像。它们分别保持 了原始图像的垂直边缘细节、水平边缘细节和对角线边缘细节，统称为原始图像 的细节子图，它们刻画了原始图像的边缘细节特征。最低分辨率层还包含一个低 分辨率版本的原始子图像l l ，或称为最高层低频子图像。它集中了原始图像的 绝大部分信息称为原始图像的逼近子图。对小波近似信号的分解可以一直持续下 去，直到满足所需要的分辨率。 图像经小波变换后，形成了一种锥形数据结构，它具有以下特点： ( 1 ) 与人眼视觉特性相匹配。人眼的视觉特性从实验得到的结果看，是一个 多信道模型。或者说，它具有多信道分解特性，相当于人眼的视网膜上存在许多 独立的线性带通滤波器，使图像分解成不同频率段，提高分辨率能够刻画出图像 细节不同的物理结构，这与小波变换是一致的。 南京邮电大学硕士论文 基于小波变换的数字水印技术 ( 2 ) 分解后形成的多分辨率描述结构，没有扩展图像数据量，且层次清楚。 ( 3 ) 基本上实现了图像中平稳成分和非平稳成分的分离，低频子图为平稳成 分，高频子图为非平稳成分。 ( 4 ) 各级子图像与原始图像在空间域和频率域存在对应关系。 通过以上分析可以得出，对于数字水印技术，小波变换相对于其它变换有很 多优势： 首先，小波变换为分析图像的局部特性( 如边缘和纹理等特性) 提供了很好的 空间一尺度定位，而这些局部特性往往与不同分辨率