（交通信息工程及控制专业论文）数字水印及其在电子印章中的应用.pdf

中文摘要 摘要 随着多媒体技术的日益发展和高性能打印机、扫描仪的不断出现，印刷品盗 版、制假、造假等行为日益猖獗，假冒伪劣产品严重侵害了生产者和消费者的利 益。传统的印刷品防伪技术存在着成本高、技术复杂、应用面窄等缺点。如何保 证印刷品的安全已成为一个热点问题。数字水印作为一种新兴的信息隐藏技术， 与其它印刷品防伪技术相比较，应用于印刷品图文防伪方面，具有成本低、实现 简单等优点，是一项对传统印刷品防伪技术有意义的发展和改进。 本文在分析打印扫描对图像影响的基础上，研究了现有的抗打印扫描数字水 印算法，并对其进行了改进。为增强抗打印扫描数字水印的鲁棒性，对待嵌入水 印的图像先进行一次打印扫描，以滤除冗余信息，保留图像的轮廓：对水印进行 扩展，提高水印的嵌入容量，并采用投票制度提取水印；根据打印扫描能保持图 像纹理特征的特点，引入纹理的概念，选择在纹理丰富的区域嵌入水印。为使水 印既具有鲁棒性又具有不可见性，使水印的嵌入强度随着原始图像d c t 变换系数 的改变而变化。在嵌入水印时，对d c t 系数进行分块处理，增加嵌入水印的位数， 提高了算法的鲁棒性。最后，通过实验验证了该算法的有效性。 其次，本文研究了电子印章的设计原理，采用基于数字水印和数字签名的电 子印章方案。该方案首先计算待传送公文的摘要，并对摘要进行签名，然后根据 签名生成水印，将水印嵌入印章图像中，形成电子印章。印章验证时，先在印章 图像中提取水印，根据水印生成算法反算出签名，然后计算出签名对应的摘要， 与公文生成的摘要比对。如果两者一致说明公文没有被篡改，反之说明被修改。 最后将前述水印算法应用于电子印章中，使其增加了抗打印扫描性能。 关键字：数字水印；打印；扫描；数字签名；电子印章 英文摘要 d i g i t a lw a t e r m a r ka n di t sa p p l i c a t i o ni ne l e c t r o n i cs e a l a b s t r a c t w i mt h ed e v e l o p m e n to fm u l t i m e d i at e c h n i q u ea n dt h ei n v e n t i o no fh i g h p e r f o r m a n c ep r i n t e ra n ds c a n n e r ，f a k i n ga n dp i r a t i n ga r er a m p a n t l yi n c r e a s i n g ，r e s u l t i n g i nt h ep r o d u c e r sa n dc o n s u m e r sb e n e f i t sl o s i n gs e r i o u s l y t h et r a d i t i o n a lt e c h n o l o g i e s o ft h ep r e s s w o r kf o r g e r yp r e v e n t i o nh a v es u c hs h o r t c o m i n g sa sh i g hc o s t , c o m p l e x t e c h n o l o g ya n dn a r r o wa p p l i c a t i o na r e a h o w t op r o t e c tt h ep r e s s w o r ki sb e c o m i n ga h o ts p o t s c o m p a r e dw i t ho t h e rf o r g e r yp r e v e n t i o nt e c h n i q u e s ，d i g i t a lw a t e r m a r k , a sa n e wi n f o r m a t i o nh i d i n gt e c h n o l o g y ，c a l ld e c r e a s et h ec o s to fp r o d u c t i o na n db e i m p l e m e n t e de a s i l y b a s e do na n a l y s i so f t h ep r o p e r t i e so f p r i n t - s c a np r o c e s sa n ds t u d i e so f t h ee x i s t i n g p r i n t - s c a nr e s i l i e n tw a t e r m a r ks c h e m e ，t h es c h e m ei si m p r o v e di nt h i sp a p e r i no r d e r t o e n h a n c et h er o b u s t n e s so fp r i n t - s c a nr e s i l i e n tw a t e r m a r k ，t h em a i nw o r k si n c l u d e ： p r i n t i n ga n ds c a n n i n gt h eh o s ti m a g et o f i l t e rt h er e d u n d a n c yd e t a i l s ，i m p o r t i n gt h e t e x t u r eo ft h eh o s ti m a g ea n db l o c k i n gt h ed c tc o e f f i c i e n t s t om a k et h ew a t e r m a r k r o b u s ta n di m p e r c e p t i b l e ，t h ei n t e n s i o no ft h ew a t e r m a r kw i l ld e p e n do nt h ed c t c o e f f i c i e n t s f i n a l l y ，t h es c h e m ei sv e r i f i e do ns o m ee x p e r i m e n t s a f t e r w a r d s ，t h ep a p e rs t u d i e st h et h e o r yo ft h ee l e c t r o n i cs e a la n dd e s i g n san e w e l e c t r o n i cs e a ls y s t e mb a s e do nd i g i t a lw a t e r m a r ka n dd i g i t a ls i g n a t u r e t h es c h e m e d e m a n d st h es e n d e rc a l c u l a t et h ed i g e s to ft h ea r c h i v e sa n dm a k et h es i g n a t u r eo ft h e d i g e s t a f t e r w a r d s ，h es h o u l dc r e a t et h ew a t e r m a r ka c c o r d i n gt ot h es i g n a t u r ea n d e m b e d st h ew a t e r m a r ki n t ot h es e a li m a g e t h e nas i m p l eb u tv a l i de l e c t r o n i cs e a l s y s t e mi sb u i l t w h e nt h er e c e i v e rw a n tt ov a l i d a t et h es e a l ，h es h o u l dd e t e c tt h e w a t e r m a r kf r o mt h es e a l i m a g e ，c o m p u t es i g n a t u r e w i t ht h ew a t e r m a r kc r e a t i n g a r i t h m e t i ca n dw o r ko u tt h ed i g e s to fa r c h i v e t h e nh es h o u l dc o m p a r et h ea b o v ed i g e s t w i t hr e c e i v e da r c h i v e s d i g e s t i ft h er e s u l ti sc o n s i s t e n t , i ti n d i c a t e st h a tt h ea r c h i v ei s n o tt a m p e r e d ，o t h e r w i t a m p e r e d a tl a s t , t h ea b o v ew a t e r m a r ks c h e m ei sa p p l i e dt o t h ee l e c t r o n i cs e a ls y s t e m ，w h i c hm a k e st h ee l e c t r o n i cs e a ls y s t e mh a v ep r i n t - s c a n r e s i l i e n c ep e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：d i g i t a lw a t e r m a r k ；p r i n t ；s c a n ；d i g i t a ls i g n a t u r e ；e l e c t r o n i cs e a l 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文：熬主丞虫厘墓查电王卯童主笪廑旦：。除论文中已经注明引 用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公 开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：丘良式h - 年易月并日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密劢( 请在以上方框内打“4 ”) 厮安 年j 月绣佃 数字水印及其在电子印章中的应用 第1 章绪论 1 1 引言 多媒体技术和网络技术的发展使得数字化声音、文本、图像、音乐和视频等 电子文档可以被快速准确地获取、传输和存储。电子文档已成为人们日常生活中 不可或缺的一部分。然而，报刊杂志、产品包装等仍以印刷品的形式存在于人们 的生活中，而且在人们获取信息过程中占据了很大比重。据统计，未来印刷品的 数量将有增无减，高性能打印机和扫描仪的不断出现，使印刷品的伪造、盗版也 日益猖獗，假冒伪劣产品严重侵害了生产者和消费者的利益。传统的防伪技术在 一定程度上起到了保证印刷品完整、保护印刷品知识产权的作用，但仍存在着成 本高、工艺复杂、应用范围窄等不足。近年来兴起的数字水印技术将具有特定意 义的标记( 水印) 利用数字嵌入的方法隐藏在数字产品中，用以证明创作者对作品的 所有权，并可以作为鉴定真伪、保证产品完整性、起诉非法侵权的证据，同时通 过对水印的验证来保证数字信息的完整性和可靠性，从而成为知识产权保护和数 字多媒体防伪的有效手段。与传统的防伪技术相比，数字水印防伪具有检测速度 快、安全性高、成本低等特点，是一项对传统印刷品技术有意义的发展和改进， 将这一技术应用于印刷品防伪将会有很大的应用前景 2 1 。基于此背景，出现了抗打 印扫描的数字水印。 电子商务和电子政务的发展使电子文档逐渐替代了纸质文档。但是如何保证 电子文档的合法性、唯一性、可追溯性、防非法复制、防非法篡改等成为亟待解 决的问题，这就需要对签章进行身份认证。电子印章技术正是为解决此类问题提 出的。它是目前信息安全领域以及计算机应用领域研究的一个热点，也是一个难 点。热点在于，随着电子政务的兴起，对电子公文的印章和保护产生了强烈的需 求；难点在于，电子印章的唯一性、防伪和防篡改等一系列技术难以实现。在电 子商务、电子政务还不普及的情况下，大多数正规文档仍然需要物理性质的印章， 这使得数字签名的应用受到了极大限制。如何使经过电子签章的公文，经打印形 成普通纸质文档后，仍然能辨别出是否经过篡改并对签章人进行身份认证成为目 前研究的一个难点。本文研究的抗打印扫描的数字水印技术在一定程度上解决了 电子文档经打印扫描后的真伪辨别问题。 第l 章绪论 1 2 数字水印与电子印章的应用研究现状 1 2 1 数字水印的研究现状 自从1 9 9 4 年v a ns c h y n d e l 发表题为“ad i g i t a lw a t e r m a r k ”的文章以来1 1j ，人们 对数字水印的研究兴趣在不断增长。几个有影响的国际会议f 如i e e e t c i p ， i e e e i c a s s p ，a c mm u l t i m e d i a 等) 以及一些国际权威杂志( 如p r o c e e d i n g so f i e e e s i g n a lp r o c e s s i n g ，i e e ej o u r n a lo fs e l e c t e da r e a so i lc o m m u n i c a t i o n ， c o m m u n i c a t i o n so fa c m 等) 相继出版了有关数字水印的文章。国际上还成立了一 些专门的研究机构，如拷贝保护技术工作组( c p t w gc o p yp r o t e c t i o nt e c h n i q u e w o r k i n gg r o u p ) ，他们从1 9 9 5 年开始致力于基于d v d 的视频版权保护研究，安全 数字音乐创始( s d m i ，s e c u r ed i s t a lm u s i ci n i t i a t i v e ) 从1 9 9 9 年开始研究音频的版 权保护，数字水印就是其中的核心关键技术【2 】。 在国外，德国人开发出来的数字水印技术已经在比利时开始商业应用，该项 技术可以防止在线音乐的非法复制。剑桥大学、i b m 研究中心、n e c 美国研究所、 麻省理工学院等都对数字水印进行了广泛深入的研究，国际标准组织也对数字水 印技术颇感兴趣。如欧洲的t a l i s m a n ，其目标是建立一个在欧洲范围内对大规 模的商业侵权和盗版行为提供一个版权保护机制，为视频产品增加标识和水印的 方法。d v d 工业标准将利用水印技术提供拷贝控制和拷贝保护机制等等。 我国学术界对数字水印技术的研究也方兴未艾，已经有相当一批有实力的科 研机构投入到这一领域的研究中来，有的已经取得了重要研究成果。2 0 0 1 年3 月， 国防科技大学首次将整数d c t 变换运用到数字水印技术上，其多维整数d c t 算 法运算效率高于目前的其它有效算法，并且采用h a s h 函数对图像的变换系数位置 进行加密，水印图像信息嵌入到d c t 系数的中低频部分，极大的提高了安全性。 2 0 0 3 年9 月份，北京邮电大学推出了“数字水印应用系统”，该系统利用小波理论 和离散小波变换设计出新型水印算法。 但是，我国在该领域的研究尚不普及，随着数字化产品在中国的广泛普及， 特别是今后几年因特网用户将成倍增长，电子商务会快速发展，在网络上直接销 售数字化产品将给厂家带来极大的商机，也是中国产品走向世界的极佳途径，其 中如何有效保护产品的产权将成为厂商极为关注的问题。 数字水印及其在电子印章中的应用 到目前为止，数字水印从研究对象上看主要涉及图像水印、视频水印、音频 水印、文本水印和三维网格数据水印等几个方面，其中大部分的有关水印的研究 和论文都集中在图像研究上，其原因在于图像是最基本的多媒体数据，且互联网 的发展为图像水印的应用提供了直接大量的应用需求。相信在不久的将来，随着 需求的不断变化，数字水印技术的研究领域将会不断拓展【3 l 。 1 2 2 抗打印扫描数字水印的研究现状 基于印刷品的数字水印技术主要研究图像在经过打印、扫描过程后的提取效 果，目前该技术仍然处于研究的初期阶段。c h i n g - y u n gl i n 5 l 等人曾利用傅里叶变 换，较早开展了脆弱性水印的研究，他们提出了一种假想模型来描述图像经打印、 扫描后的畸变，着重分析了图像d f t 系数的变化，给出了建立在傅里叶梅林( f m ) 变换基础上的能抗打印、扫描过程的数字水印算法。李忠源【6 】等采用了p h o t o s h o p 本身所带的功能进行了印刷品信息隐藏方面的研究。戴跃伟【7 】等研究了一种新的鲁 棒图像水印算法，它具有一定的抗旋转和抗剪切性能，可以较好地用于印刷证件 的防伪；梁华庆【8 】等提出了一种基于数字水印的证件防伪技术方案，该算法采用强 度自适应的d c t 系数局部调整法，将水印序列重复多次嵌入到中频系数中。张静 例等提出了一种能抗打印、扫描过程的空域灰度图像数字水印算法，应用该算法嵌 入的水印经打印、复制及扫描处理后能有效地提取出水印。宋玉杰【1 0 】等较旱地将 数字水印技术应用于印刷品防伪，提出一种能抗打印、扫描过程的彩色图像数字 水印防伪算法，该算法可应用于印刷品防伪。刘昕【1 1 j 等提出了一种基于嵌入式效 果编码的数字水印算法，实验结果表明了算法的可行性和有效性。 1 2 3 电子印章的研究现状 当前许多电子印章系统采用基于l o t u s 方案，这就决定了其文本编辑、处理能 力没有用户日常使用的w o r d 和w p s 的功能强大，一些要求较高的文字处理效果 很难达到。还有部分电子印章系统为了追求较强的文字处理效果，需要制作自己 的文本编辑器，这样做不仅工作量大，而且也与当前的w o r d 、w p s 文档不兼容， 给用户带来了很多不便【1 2 】。还有一些采用数字签名的认证方案，但是由于数字签 名的结果是一串无规律的编码，很难达到传统印章的效果。也有一些方案将数字 水印嵌入印章，以实现传统印章的效果，但是安全性不高，而且目前的数字水印 第1 章绪论 主要应用于版权保护，研究方向主要是保证水印的鲁棒性，而水印的脆弱性研究 相对较少。而嵌入印章中的数字水印主要是为了防止篡改，对签章人进行身份认 证，因此需要利用水印的脆弱性。 本文采用的方案是，利用数字签名和数字水印相结合的方法，来实现电子印 章系统，利用数字签名可以实现对签章人的身份认证，防止公文被非法篡改，保 证公文的合法性、唯一性和可追溯性等。使用数字水印可以使电子印章与传统印 章在表现形式上更加相似，而且使用数字水印也可以增加电子印章的安全性。 要想使电子印章具有实用性，则其必须满足如下功能： 防篡改功能：带有水印的电子印章中隐藏着公文摘要的加密信息，一旦有第 三方截获并篡改了原文档的内容，那么在接收方验证时就会报警，这样就保证了 文档的完整性。 身份认证功能：由于签章者用自己的私钥对文档摘要进行了数字签名，所以 文档的接收者可以通过这个签名来确认签章者的身份。 不可否认功能：由于私钥是签章者身份的唯一标志，所以他无法否认自己曾 经签章的行为，并且必须为这个行为负责【1 4 】。 1 3 本文的结构安排和主要内容 本文主要对抗打印扫描的数字水印算法以及电子印章的设计原理进行了研 究，共分五章论述，安排如下： 第1 章介绍了数字水印与电子印章的研究背景、现状以及应用前景。 第2 章是数字水印概述，介绍了数字水印的基础知识，包括提出，发展、应 用、分类、常见形式和对水印图像的评价方法等。 第3 章讨论了抗打印扫描数字水印。分析了打印扫描对图像的影响，对图像 的预处理方法以及抗打印扫描数字水印的嵌入与提取算法等。 第4 章介绍了基于数字水印和数字签名的电子印章系统的工作原理。包括， 数字签名，哈希变换( h a s h 变换) ，电子印章的工作原理以及电子印章系统设计的 几大关键技术。 第5 章对本文作了总结，并给出了下一步研究的方向。 为了增加抗打印扫描的数字水印算法的鲁棒性，利用d c t 变换的解相关性质， 数字水印及其在电子印章中的应用 在宿主图像d c t 变换矩阵的辅对角线上嵌入水印；为了增加提取的正确率，对水 印进行扩展，一位水印扩展成几位水印，扩展水印中一位或几位提取出错时，其 对应的原始水印仍然能被正确提取出来；在水印嵌入时，对d c t 系数进行分块， 减少了打印扫描象素点之间的影响，保证了提取的正确率。实验表明，该算法具 有良好的鲁棒性。 其次，本文在研究抗打印扫描数字水印的基础上，研究了一种基于数字水印 和数字签名的电子印章设计方案，对电子文档的内容进行签名，根据签名生成水 印，将水印嵌入到印章图像中，形成签章的电子文档，然后打印、存档、发送。 接收方收到文档以后，先在印章图像中提取水印，根据水印生成算法反算出签名， 然后计算出签名对应的摘要，与公文生成的摘要比对。如果两者一致说明公文没 有被篡改，反之说明公文被修改。此系统对电子政务系统中的身份认证方案具有 一定的借鉴作用。 第2 章数字水印概述 第2 章数字水印概述 数字水印是一种信息隐藏技术，它的基本思想是在数字图像、音频和视频等 数字产品中嵌入秘密信息，以便保护数字产品的版权、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。其中的秘密信息可以是版权标志、用户序 列号或是与产品相关的信息。一般，它需要经过适当变换再嵌入到数字产品中， 通常称变换后的秘密信息为数字水印。 从图像处理的角度看，嵌入水印信号可以视为在强背景下叠加一个弱信号， 只要叠加的弱信号低于人类视觉系统( h u m a nv i s u a ls y s t e m ，h v s ) 的对比门限， h v s 就无法感觉到信号的存在( 对比门限受视觉系统的空间、时间和频率特性的影 响【1 嗣) 。因此通过对原始信号作一定调整，有可能在不改变信号视觉效果的情况下 嵌入有用信息，从数字通信的角度看，水印嵌入可理解为在一个宽带信道( 载体图 像) 上传输一个窄带信号( 水印信号) 。 2 1 数字水印的提出、定义与应用 2 1 1 数字水印的提出与定义 1 9 9 4 年v a ns c h y n d e l 发表题为“ad i g i t a lw a t e r m a r k ”的文章，首次提出数字水 印的概念，为解决信息安全提出了一个新思路。 数字水印作为一种信息隐藏技术，通过将待传送信息嵌入承载数据实现不可 感知地传送信息的目的。秘密信息之所以能够隐藏在多媒体数据中：一方面，是 多媒体信息本身存在很大的冗余性。未压缩的多媒体信息的编码效率很低，所以 将某些信息嵌入到多媒体信息中进行秘密传送是完全可行的，不会影响多媒体信 息本身的传送和使用；另一方面，人眼或人耳本身对某些信息具有一定的掩蔽效 应，如人眼对灰度的分辨率只有几十个灰度级，对边沿附近的信息不敏感等等。 利用人体的这些特点可以很好的将信息隐藏而不被察觉。 为了使数字水印具有使用价值，嵌入数字水印的信息必须满足以下特征： ( 1 ) 隐藏性 数字作品作为水印的载体，在嵌入水印后，不能产生明显的质量降低。 ( 2 ) 隐藏位置的安全性 数字水印及其在电子印章中的应用 水印信息隐藏于文件数据而非文件头中，文件格式的变换不应导致水印数据 的丢失。 ( 3 ) 鲁棒性 所谓鲁棒性是在经历多种无意或有意的信号处理过程后，数字水印仍能保持 完整或仍能被准确提取。可能的信号处理过程包括滤波、数模、模数转换、重采 样、剪切、位移、尺度变换以及各种有损压缩编码等等“7 1 。 ( 4 ) 足够的水印容量1 1 5 1 嵌入的水印信息必须足以表示多媒体内容的创建者或所有者的标志信息或购 买者的序列号。这样有利于解决版权纠纷，保护数字产品合法拥有者的利益。 目前，虽然有许多文献讨论数字水印技术的诸多方面的问题，但学术界尚未 对数字水印有一个明确一致的定义。综合一些学者提出的定义并分析已有的数字 水印方案，数字水印可以暂时定义为： 嵌入于宿主数据中的、具有可提取性、且不影响宿主数据可用性的数字信号 或模式，它是为了说明宿主数据的某一属性而存在的。 通过以上定义，可知数字水印具有如下特点： ( 1 ) 不可见性：一般情况下，水印是不可察觉的，须经特殊的方法才可以看见。 当然，实际中也有一些可视的水印。 ( 2 ) 可提取性：嵌入水印是为了达到数据完整性保护、认证等目的，因此在需 要时，水印应当能够被提取出来，即使此时的水印信号已被破坏。 ( 3 ) 提取的可靠性：水印检测出错的概率小于某一合适的门限值。这也是一条 衡量某一水印嵌入与提取方法是否具有可用性的标准【2 刀。 在诸多文献中论及了各种形式的水印信号。通常，可以定义水印为如下的信 号： w = i m 0 ，i = o ，1 ，2 ， ，一1 ) ( 2 1 ) 式中，肘为水印序列的长度，0 代表值域。实际上，水印不仅可以是一维序 列，也可以是二维序列，甚至是三维或高维。水印信号的值域可以是二值形式， 如0 = 0 ，1 ) ，0 = - 1 ，1 ) 或0 = 一，) 或者是高斯白噪声( 如均值为0 ，方差为1 的 高斯白噪声n ( o ，1 ) ) 等其它形式【2 0 】。 第2 章数字水印概述 2 1 2 数字水印的应用 一般来说，如果一段元数据同一项著作的附加信息有关联，那么这段元数据 便可作为水印嵌入。当然，将信息同著作联系起来也有很多其它的方法，比如将 其置于数字文件开头中，将其编码为条码的形式加在图像中，或者在一段音频之 前宣布信息内容作为其介绍。那么，什么场合下水印是一种更好的选择? 水印能 够解决这些简单技术所不能解决的什么问题? 实际上，水印技术同其它技术的差 别主要体现在以下三个重要方面； ( 1 ) 水印是不可感知的。与条码不同，它不会影响图像的美感。 ( 2 ) 水印同其所嵌入的作品不可分离。与文件头不同，在作品被转变为其它文 件格式时，水印不会被清除。 ( 3 ) 水印能够同作品经历同样的变换。这意味着在某些情况下可以通过观察最 终水印而获得作品所经历的一些变换信息。 由于这些性质，数字水印被经常使用在所有者识别、所有权验证和内容真伪 鉴别等方面。 1 所有者识别 文本版权声明用于作品所有者识别具有一定局限性。首先，在拷贝时这些声 明很容易被去除，有时甚至不是故意为之。如对书籍的某几页进行拷贝时，很可 能忽略主题页上的版权声明。另一个问题是因为它可能会占据一部分图像空间， 破坏原图像的美感而易被剪切除去。由于水印既不可见，也同其嵌入的作品不可 分离，故水印比文本声明更易于使用在所有者识别中。如果用户拥有水印检测器， 他们就能够识别出含水印作品的所有者，即使用能够将文本版权声明除去的方法 来改动它，水印也依然能够被检测到。 2 所有权验证 除了对版权所有者信息进行识别，利用水印技术对其进行验证也是令人关注 的一项应用。传统的文本声明极易被篡改和伪造，无法用来解决该问题。针对此 问题的一个解决办法是建立一个中央资料库，对数字产品的拷贝进行注册，但人 们可能会因费用高而打消注册念头。为了省去注册费用，人们可以使用水印来保 护版权，而且为了使所有权验证达到一定安全级别，可能需要限制检测器的发放。 对手如果没有检测器，清除水印是相当困难的。然而，即使水印不能被清除，攻 罐 数字水印及其在电子印章中的应用 击者也可以使用自己的水印系统，让人觉得数字产品里好像也是具有攻击者的水 印。因此，人们无须通过所嵌入的水印信息直接证明版权，而是要设法证明一幅 图像从另一幅图像得来这个事实。这种系统能够间接证明有争议的这幅图像更有 可能为版权所有者所有而不是为攻击者所有，因为版权所有者拥有创作出含水印 图像的原始图像，这种证明方式类似于所有者可以拿出原始图像的底片，而攻击 者却只能够伪造出有争议的图像的底片，而不可能伪造出原始图像的底片来通过 测试。 3 内容真伪鉴别 如今以难以察觉的方式对数字产品进行篡改变得越来越容易。消息真伪鉴别 问题在密码学中已有比较成熟的研究。数字签名是最常用的加密方式，它实际上 是加密的消息摘要( m e s s a g ed i g e s 0 。如果将经过篡改的消息同原始签名相对照，就 会发现签名不符，说明消息被篡改过。这些签名均为原数据，须同他们所要验证 的作品一同传送。一旦签名遗失，作品便无法再进行真伪鉴别。使用水印技术将 签名嵌入作品水印中可能是一种比较好的解决签名丢失问题的办法【2 0 】。 除了以上所述应用外，数字水印还可以应用于广播监控、交易跟踪、内容真 伪鉴别、拷贝控制及设备控制等方面。 2 2 数字水印的分类 近几年来，数字水印技术研究取得了很大的进步，见诸于文献的水印算法很 多，这里对部分典型的算法进行分析。 2 2 1 空间域算法 数字水印直接加载在原始数据上，还可以细分为如下几种方法： 最低有效位方法( l s b ：l e a s ts i g n i f i c a n tb i 0 这是一种典型的空间域数据隐藏算 法，l - et u r n e r 与r gv a ns c h y a d e l 等先后利用此方法将特定的标记隐藏于数字 音频和数字图像内。该方法是利用原始数据的最低几位来隐藏信息( 具体取多少位， 以人的听觉或视觉系统无法察觉为原则) 。l s b 方法的优点是有较大的信息隐藏量， 但采用此方法实现的数字水印是很脆弱的，无法经受某些无损和有损的信息处理， 而且如果确切地知道水印隐藏在几位l s b 中，数字水印很容易被擦除或绕过。 p a t c h w o r k 方法及纹理块映射编码方法都是b e n d e r 等提出的。p a t c h w o r k 是一 第2 章数字水印概述 种基于统计的数字水印，其嵌入方法是任意选择n 对图像点，在增加一点亮度的 同时，降低另一点的亮度值。该算法的隐藏性较好，并且对有损的j p e g 压缩、扭 转等操作具有抵抗能力，但仅适用于具有大量任意纹理区域的图像，而且不能完 全自动完成。 2 2 2 变换域算法 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，往往采 用类似扩频图像的技术来隐藏数字水印信息。这类技术一般基于常用的图像变换 包括离散余弦变换( d i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m a t i o n , d c t ) 、离散小波变换( d i s c r e t e w a v e l e tt r a n s f o r m a t i o n ，d w t ) 、离散傅里叶变换( d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m a t i o n , d f t ) 以及哈达马变换( h a d a m a r dt r a n s f o r m ，h n 等等。其中基于分块的d c t 是最常 用的变换之一，现在所采用的静止图像压缩标准j p e g 也是基于分块d c t 的。最 早的基于分块d c t 的一种数字水印技术方案是由一个密钥随机地选择图像的分 块，在频域的中频上稍稍改变一个三元组以隐藏二进制序列信息。选择在中频分 量编码是因为在高频编码易于被各种信号处理方法所破坏，而在低频编码则由于 人的视觉对低频分量很敏感，对低频分量的改变易于被察觉。该数字水印算法对 有损压缩和低通滤波是稳健的。另一种d c t 数字水印算法是首先把图像分成8 8 的不重叠象素块，在经过分块d c t 变换后，即得到由d c t 系数组成的频率块， 然后随机选取某些频率块，将水印信号嵌入到由密钥控制选择的部分d c t 系数中。 该算法是通过对选定的d c t 系数进行微小变换以满足特定的关系，以此来表示一 个比特信息。在水印信息提取时，则选取相同的d c t 系数，并根据系数之间的关 系抽取比特信息。 除了上述有代表性的变换域算法外，还有一些变换域数字水印方法，它们当 中有相当一部分都是上述算法的改进及发展，这其中有代表性的算法是lp o d i c h u k 和z e n gw e n j u n 提出的算法。他们的方法是基于静止图像的d c t 变换和小波变换， 研究视觉模型模块返回数字水印应加载在何处及每处可承受的j n d ( j u s t n o t i c e a b l e d i f f e r e n c e ，恰好可察觉差别) 的量值( 加载数字水印的强度上限) ，这种水印算法是 自适应的。 数字水印及其在电子印章中的应用 2 2 3n e c 算法 该算法由n e c 实验室的c o x 等人提出，该算法在数字水印算法中占有重要地 位，其实现方法是，首先以密钥为种子来产生伪随机序列，该序列具有高斯n ( 0 ， 1 ) 分布，密钥一般由作者的标识码和图像的哈希值组成，其次对图像做d c t 变换， 最后用伪随机高斯序列来调制( 叠加) 该图像除直流分量外的1 0 0 0 个最大的d c t 系 数。该算法具有较强的鲁棒性、安全性和透明性等。由于采用特殊的密钥，故可 防止i b m 攻击，而且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部分，这种水印信号由独立同分 布随机实数序列构成，且该实数序列应具有高斯分布n ( 0 ，1 ) 的特征。随后p o d i l c h u k 等利用人类视觉模型又对该算法进行了改进，从而提高了该算法的鲁棒性和透明 性等。 2 2 4 其它水印算法 近年来，利用混沌映射模型实现数字水印、保密通信等成为混沌应用研究的 热点。特别是自从c o x 等借用通信技术中的扩频原理将水印信号嵌入到一些d c t 变换系数或者多层分解的小波变换系数以来，人们已经提出了一些混沌数字水印 方法。水印的嵌入与检测是基于人类视觉系统( h v s ) 的亮度掩蔽特性和纹理掩蔽特 性，折衷水印的不可见性和鲁棒性之间的矛盾。结果表明：该方法嵌入的水印具 有不可见性和鲁棒性，并且这种基于密钥的混沌水印方法具有更好的抗破译性能。 目前比较流行的还有一种基于盲水印检测的d w t 算法，该算法首先对原始图 像进行小波变换，根据人类具有的视觉掩蔽特性对低频分量进行一定的量化，同 时不影响视觉效果，并对作为水印的图像进行压缩和二值化处理，形成一维的二 值序列，根据二值序列的值对上述量化后的原始信号对低频分量在视觉阈值范围 内进行修改，从而实现水印的嵌入。水印提取过程是对含有水印的图像进行小波 变换，对低频分量同样进行量化处理，为了增大算法的安全性，可以对水印形成 的二值0 ，1 序列在嵌入前进一步进行伪随机序列调制，相应的在水印提取过程需 要增加用伪随机序列解调的步骤。这样，不知道伪随机序列的攻击者即使推测出 水印的嵌入规律，也无法提取水印。大大增加了水印系统的透明性和鲁棒性。 第2 章数字水印概述 2 3 数字水印的生成及常用形式 数字水印生成是数字水印处理过程中的第一个关键步骤。构成水印的序列通 常应该具有不可预测的随机性( u n p r e d i c t a b l er a n d o m n e s s ) 。由于人类视觉系统对纹 理具有极高的敏感性，故水印不应含有纹理【2 6 i 。水印应该具有与噪声相同的特性。 因此，现有文献中一般取下述随机序列作为水印嵌入到载体数据中： ( 1 ) 高斯白噪声：满足均值为p ，方差为1 7 2 的正态分布，用的最多的是均值为 0 ，方差为1 的高斯白噪声，通常记为n ( o ，1 ) ，这是c o x 首先提出的一个重要 建议。 ( 2 ) 伪随机序列：具有类似白噪声的性质，但又具有周期性和规律性，可以人 为地加以产生和复制。通常可采用二值的m 序列、m 序列、混沌序列或其它 特殊序列( 如勒让德序列) 作为水印。有时也可以采用实伪随机序列作为水印。 ( 3 ) 根据有特定含义的原始水印所生成的伪随机序列：通常选取具有特定意义 的字符串或数据段作为水印信号，把每个字符或数据作为产生随机序列的种 子，最常见的是伪随机处理( 排序、相乘、异或) 和扩频两种方式。 通常意义上说，数字水印生成过程就是在密钥k 的控制下由原始版权信息、 认证信息、保密信息或其它有关信息m 生成适合于嵌入到原始载体x 中的水印信号 w 的过程。数字水印生成过程如图2 - 1 所示【2 0 】： ：篡三三：二i 即水印信号 原始载体j 一厩再纭i 一 f 密钥k 图2 - l 水印生成算法 f i g 2 - 1 w a t e r m a r kc r e a t i n ga l g o r i t h m 2 4 数字水印图像的评价 由于水印的鲁棒性和不可见性存在着矛盾，不同的应用环境对水印的要求也 不同，能达到同样的要求，采用不同的水印系统时，如何判断各系统的优劣，就 需要对含水印图像的质量进行评价。目前常用的方法包括主观测试方法( s u b j e c t i v e 1 2 数字水印及其在电子印章中的应用 t e s o 和客观定量方法( q u a n t i t a t i v em e t r i c ) 。 2 4 1 主观测试方法 主观测试方法中应用比较多的是基于观测者打分的质量等级评判方法。当进 行主观测试时，必须遵循一个测试协议，此协议描述了测试和评价的整个过程。 这种测试通常分成两步：第一步是将有失真的数据集按由好到坏分成几个等级； 第二步，测试者被要求给每个数据集打分和根据降质情况描述可见性。这种打分 也可以基于r r u r 5 0 0 质量等级评判( 见表2 - 1 ) 。这种主观测试方法从本质上来说 属于统计性的，不同的观察者表现会有所不同，而且这些差异也带有随机性。同 一个观测者给出的判断结果可能会因时间、地点、环境或观测者的心情不同存在 差异。根据不同的目的，测试者的选取也应该有所差别。主观测试对最终的图像 质量评价和测试是十分有用的。但是，在研究和开发中，用处却不大，实际的度 量往往采用客观定量方法。 表2 - 1i t u rr e c 5 0 0 中定义的品质和作品失真等级 t a b 2 - it h ed e f i n i t i o no f q u a l i t ya n dd i s t o r t i o nr a n ki ni t u rr e c 5 0 0 2 4 2 客观定量方法 客观定量方法能够对各种水印系统进行客观公正地比较。目前常用的客观定 量方法是基于图像象素值的。用它得到的结果不依赖于主观评价，它允许在不同 的方法之间进行公平的比较。大部分视觉信息处理中的失真度量或质量度量方法 都属于差分度量法( d i f f e r e n c ed i s t o r t i o nm e t r i c ) 。测试两幅图像的差别，一般用两幅 图像的峰值信噪比( p o w e rs i g n a l t o - n o i s er a t i o ，p s n r ) 。表2 - 2 给出了常用的各种 基于图像象素的测试公式1 2 们。 1 3 第2 章数字水印概述 表2 2 常用的基于图像象素的图像质量测试公式 t a b 2 - 2c o m m o nt e s tf o r m u l af o rt h ei m a g e sb a s e do nt h ep i x e lv a l u e s 测试方法公式 最大差值 平均绝对差值 归一化平均绝对差值 均方差值 归一化均方差值 l p 规范 l a p l a c i e n 均方差值 信噪比 峰值信噪比 图像保真度 归一化互相关系数 相关品质 构造内容比 m d = m a x i 厶。一，。i 仰2 丽1 萎i i m , n - l m , n i n a d = i k 一，。，l 。l m s e 2 志萎( o 。”) 2 n m s e = ( ，。- - i m ，。) 2 j r 2 。 印= ( 志丢。- ，。n 石 l m s e = ( v 2 l ，- v 2 ，。) 2 ( v 2 0 ) 2 v 2 厶，。= 厶“，。+ 勘+ l ，。1 + l 川4 + ，卅， s n r = ，2 。，。( l , n - - ，二，。) 2 p s n r = l o l 0 9 1 0 ( 2 5 5 + 2 5 5 m s e ) i f = l 一( o - 1 。r e , n ) 2 ，2 。 n c = l ，。，二，。，2 ， c q = o + ，。l ， 阳= ，2 。，”。 2 5 数字水印的攻击 随着数字水印技术研究的兴起，各种数字水印的攻击技术也不断出现。在数 字水印领域的术语中，攻击指削弱水印检测或扰乱通过水印传递信息的任何处理。 被处理的水印数据称为受攻击数据。攻击者只需破坏水印系统的任何一个环节， - 1 4 - 数字水印及其在电子印章中的应用 这个攻击就可以认为是成功的。从广义上来说，水印的攻击包括对鲁棒性的常规 性处理操作，针对安全性的恶意攻击以及针对水印应用系统和法律问题的攻击。 据此，攻击技术可以分为如下三类： ( 1 ) 鲁棒性攻击。这种攻击是指含水印作品在检测器之前必须经历的或可能经 历的常规信号处理操作。 ( 2 ) 安全性攻击。这种攻击是指攻击者为了政治、经济、军事利益或纯粹为了 恶作剧而对水印算法、水印密钥或含水印作品所进行的各种恶意攻击。 ( 3 ) 系统攻击