（通信与信息系统专业论文）基于小波变换的彩色图像数字水印技术的研究.pdf

摘要 随着信息技术特别是网络技术的发展电子媒体的传播极为迅捷，人们越 来越容易获取数字多媒体信息，与此同时，数字多媒体信息的版权、保密等问 题也变得日益突出起来，因此，多媒体的信息安全保护成了一个研究热点。数 字图像水印技术作为一种新兴的版权保护技术，是对数字媒体产品进行版权保 护的有效方法之一。它实际上是利用数字图像处理技术来实现隐藏信息。用于 版权保护的数字水印设计的关键是水印信息嵌入的隐蔽性和抵抗攻击的鲁棒 性。 本文介绍了数字水印的相关概念、基本特征、应用领域及发展状况并说明 了数字水印技术实现的基本原理：其次引用空间域和频率域的经典的水印算 法，对水印信号的嵌入算法进行了详细的阐述，并分析了各类嵌入方法的特点； 最后阐述了彩色数字图像国内外发展情况和几种典型水印算法，并对彩色数字 图像水印算法进行了研究和尝试，提出了一种算法。实验证明，水印算法对常 见攻击具有较好的鲁棒性。 关键词：数字水印技术；空间域；频率域：小波变换：彩色数字图像 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 fm u l t i m e d i at e c h n o l o g ya n de s p e c i a l l y g r o w i n go fi n t e r n e t ，w ec a ng e td i g i t a li n f o r m a t i o nc o n v e n i e n t l ya n d q u i c k l y a tt h es a m et i m e ，t h eq u e s t i o no fd i g i t a lm e d i ac o p y r i g h t p r o t e c t i o na n da u t h e n t i c a t i o ni sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t ，t h u s d i g i t a lm u l t i m e d i ac o p y r i g h ta n ds e c u r i t yh a v eb e c o m eo n eo fh o t s p o t q u e s t i o n s d i g i t a li m a g ew a t e r m a r k i n gi sak i n do fn e wt e c h n o l o g yf o r c o p y r i g h tp r o t e c t i o n ，a n di sa l s oo n eo fe f f e c t i v em e t h o d st op r o t e c t a u t h o r sp r o f i t i nf a c tt h i st e c h n i q u eu t i l i z e si m a g ep r o c e s sm e t h o d s t oh i d es o m ei n f o r m a t i o n t h ek e yo fd i g i t a lw a t e r m a r kt o c o p y r i g h t p r o t e c t i o n i st h e i m p e r c e p t i b i l i t ya n dr o b u s t n e s sf o re m b e d d e d i n f o r m a t i o a i nt h isd is s e r t a t i o n ，f i r s t l y ，s o m er e l a t i v e c o n c e p t s ，b a s i c s p e c i a li t y ，a p p l i c a t i o nr a n g ea n dd e v e l o p i n gs t a t u sa r ei n t r o d u c e do n w a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g y ，t h e n ，e x p l a i n sb a s i cp r i n c i p l et of u l f i l li t s e c o n d l y ，s o m ea l g o r i t h m sw h i c hw a t e r m a r ks i g n a la r ee m h e d d e da r e e x p l a i n e db yc i t i n gs o m ec l a s s i c a la l g o r i t h m so ns p a t i a ld o m a i na n d f r e q u e n c yd o m a i n ， a n dt h e nt h e s e a l g o r i t h m s c h a r a c t e r i s t i c sa r e a n a l y z e dr e s p e c t i v e l y f i n a l l y ，s e v e r a lc o l o rd i g i t a li m a g ew a t e r m a r k a l g o r i t h m sa r ei n t r o d u c e di nd e t a il a n daw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mi s p r o p o s e da b o u tc o l o ri m a g e e x p e r i m e n tt e s t i f i e st h a tt h ea l g o r i t h mh a s b e t t e rr o b u s tt os o m ec o m m o na t t a c k s k e yw o r d s ：d i g i t a l w a t e r m a r k t e c h n o l o g y ：s p a t i a ld o m a i n ：f r e q u e n c y d o m a i n ：c o l o rd i g i t a li m a g e 原创性声明 7 2 l d l 0 本人声i 卿，所呈交( 1 勺学位论义足本人在导师指导下进行的研究：1 ：作及】佚得的j i ) t 究 成果。尽我所知i ，除了论文巾特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表缄撰写过的研究成粜，也不包含为获得兰州删工大学或其他单位的学位或证n 而使_ = | 过的丰才料。与我芡州一 作的同志对本研究所作的贡献均已在论文巾作了明确的 浣明。 作稚影：镒 i 瑚：坐年月j 二j 关于学位论文使用授权说明 水人了解兰州i 丝l ! 工大学f 1 。傈翻、使j l j 学位论文规定，即：学校有权保留学位论 文，允询学位论文被查阅；f ：_ 借阅；学校可以公钔j 学位论文的全部或部分内容，u 。以采 用复【= i j 、缩印或其它手段保存学位论文；学校司根据刚家或甘肃省有关部门规定送交 学位沦文。 俐妣邋刊巾躲经射：堕年上山 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文选题的背景和意义 随着多媒体技术及网络技术的飞速发展，我们的视觉和听觉可以尽情地享 受多媒体及数字传输技术带来的愉悦，毫无限制地任意编辑、修改、拷贝和散 布那些数字音乐和图像，但是，这些数字媒体原创者的版权和经济利益如何得 到保护? 数字媒体是否安全、可信? 目前。数字媒体的信息安全、知识产权保护 和认证问题变得日益突出，且己成为数字世界中一个非常重要和紧迫的议题。 传统的加密技术将数据加密后再传送，使没有密钥的人难以获得加密信息，这 种方式一方面限制了数据信息的交流，也并不能很好的解决数字信息的版权信 息保护问题。加密技术只能解决数字信息内容的保密，而不能解决其版权问题。 数字水印技术是目前信息安全技术领域的一个新方向，是实现版权保护的 有效办法，己成为信息安全领域的一个热点，也是信息隐藏技术研究领域的重 要分支。它通过在原始数据中嵌入秘密信息( 水印) 来证实数据的所有权。被嵌 入的可以是一段文字、标识、序列号等等。人们无法从表面上感知水印，只有 专用的检测器或计算机软件才可以检测出隐藏的数字水印。 数字水印技术的主要应用领域有n “，： ( 1 ) 数字媒体的版权标识 利用数字水印技术可以把版权提示信息嵌入在数字媒体中。在a d o b e 公司 的著名图像处理软件p h o t o s h o p 中就采用t d i g i m a r c 公司的这种水印技术。 ( 2 ) 数字媒体的版权认证 数字媒体的版权所有人不仅希望利用水印来标识版权，而且希望当有版权 争议时可以利用水印来解决争端。 ( 3 ) 数字媒体的完整性认证 它是保证数字媒体在一定视( 听) 觉质量的前提下，将数字水印嵌入到原 始数据中，当媒体内容受到怀疑时，可将该水印提出用于媒体内容的真伪鉴别， 并且指出篡改位置等。数字媒体的完整性认证在法律、医学、金融、保险以及 大众传媒等行业有着非常重要的意义。 ( 4 ) 交易水印或称指纹 在版权保护和版权标识中，同一个版权水印要嵌在同一作品的不同拷贝 里。而在多媒体数据的销售中，可以把销售出去的每份拷贝都加入购买者或产 品的序列号等信息，这种水印称为指纹( 交易水印) 。指纹的用途是当发现有 盗版行为时，可以为追踪盗版源头提供一种调查的手段。交易水印已经被d i v x 公司用在他们的产品中。 ( 5 ) 拷贝控制 用于版权的标识、证明、认证及交易水印等都不具有防止拷贝的功能。它 们的功能是威胁盗版者并提供有力的调查工具。如果在音像的录制设备中装有 检测水印的电路，那么就可以实现拷贝控制的功能。目前d v d 和数字音乐销售 业都在尝试这方面的工作。 ( 6 ) 隐蔽通信 这是一种将重要信息隐藏在无关紧要的媒体中进行通信的方法。更确切的 说，是一种数据隐藏的方法。s i m m o n s l 9 8 4 年用“囚犯问题”从理论上描述了 这个问题。 d 鸽一章绪论 ( 7 ) 数字水印的其它应用 图像和音视频数据的注释，将音频信号嵌入视频中的多语言广播，图像和 视频的检索，视频数据发送错误的校正等。 1 2 国内外研究情况 数字水印技术是近年来发展起来的项重要的应用基础研究，它尚未形成 一套独立完整的学科理论体系作为数字化时代的一门新兴技术，数字水印己 激发了国内外众多知名学府、研究机构和公司的极大兴趣，已成为当前信息科 学中的一个新颖且具有广阔应用前景的研究热点。 在1 9 9 4 年的i e e e 国际图像处理会议( i c i p 9 4 ) ，r g s c h y n d e l 等人 第一次明确提出了”数字水印”的概念。3 ，从此掀起了现代信息隐藏技术研究的 高潮。仅仅过了两年，在i c i p 9 6 上，已经出现了以信息隐藏领域中的水印技 术、版权保护( c o p y r i g h tp r o t e c t i o n ) 和多媒体服务的存取控制( a c c e s s c o n t r o lo f i t i m e d i as e r v i c e s ) 为主要内容的研讨专题。同年在英国剑桥 召开了第一届信息隐藏国际研讨会( f i r s ti n t e r n a t i o n a lw o r k s h o p o n i n f o r m a t i o nh i d i n g ) ，内容涉及数据隐藏、保密通信、密码学等相关学科领 域。在美国，许多著名大学和大公司的研究机构，如麻省理工学院的媒体实验 室、明尼苏达大学、普林斯顿大学、南加州大学等，以及n e c 研究所、i b m 研 究所等，都一直在致力于信息隐藏技术方面的研究，并已取得了大量研究成果。 与此同时，大量的数字水印应用软件也应运而生，中美国d i g i m a r c 公司于1 9 9 5 年就推出了有专利权的水印制作技术，是世界上唯一一家拥有这技术的公 司，并在p h o t o s h o p4 0 和c o r e d r s w7 0 中得到了应用，但是用其做出来的 水印尚不够健壮。1 9 9 7 年1 月该公司又推出独立的水印阅读软件r e a d m a r e ，利 用它可以发现图像中是否含有水印及其内容，但效果仍不太理想，此外英国、 日本等也相继在9 0 年代初期开始了对这项技术的研究，虽然也没有完美的产 品问世，但对数字水印技术的发展还是起到了巨大的推动作用。目前应用于数 字图像的水印技术已被考虑写于j p e g 2 0 0 0 标准，这必将迸一步推动信息隐藏 技术的发展。 数字水印技术也引起了我国科研人员的浓厚兴趣。为了促进国内信息隐藏 技术的研究和应用，我国信息安全领域的三位院士与有关应用研究单位联合发 起了我国的信息隐藏学术研讨会，并于1 9 9 9 年1 2 月组织召开了第一届会议。 与此同时，国家8 6 3 计划智能计算机专家组于2 0 0 0 年1 月举办了”数字水印技 术学术研讨会”。此次研讨会由中科院自动化所模式识别国家重点实验室和北 京邮电大学信息安全中心承办，与会者就数字水印技术的发展动态和趋势进行 了全面、深入的探讨。2 0 0 0 年6 月，第二届信息隐藏学术研讨会在北京举行。 2 0 0 1 年9 月，全国第三届信息隐藏学术研讨会( c i h w 2 0 0 1 ) 在西安举行，这次会 议的一个重要成果是对目前该领域的一些术语进行了规范。 早期的数字水印算法研究主要是集中在空域上的，水印信息直接加载在图 像数据上，这种方法的特点是抵抗图像的几何变形、噪声和图像压缩的能力较 差。但是空域算法的计算速度快，而且隐藏的信息量大。近期的研究则主要集 中在变换域( 如离散傅立叶变换d f t ，离敝余弦变换d c t ，离散小波变换d w t ) 中实 现。在变换域中嵌入水印，信号能量- i d a 扩展到空间域所有象素上，有利于保 证水印的不可见性，同时变换域的方法可以与现有的数据压缩标准兼容，例如， 基于d c t 的方法可以与j p e g 压缩方法兼容，基于d w t 的方法可以与j p e g 2 0 0 0 兼容 等等。从目前的情况看，大多数研究工作更关注变换域算法研究。 蔓二垩堕堡 一一一一 1 2 1 空间域代表性算法 t i r k e l 在1 9 9 3 年提出了空域算法“1 。这种算法的主要思想是修改图像的最 低有效位l s b ( l e a s ts i g n i f i c a n tb it s ) ，在这种算法中，图像的l s b 平面先被 置为0 ，然后根据要嵌入的水印改变为1 或者不变。这种方法的依据是不重要比 特的调整对原图像的视觉效果影响较小，这就保证了嵌入的水印是不可见的。 l f t u r n e r 与r g v a ns c h y n d e l 等人提出最低有效位算法( l s b ) 。1 利用该算法 将特定标记隐藏于数字音频和数字图像内，这是一种典型的空间域数据隐藏算 法。由于该算法是通过调整原始数据的最低几位来隐藏信息，使一般用户对于 隐藏信息，在视觉和听觉上很难察觉。 1 2 2 变换域代表性算法 c o x 等人1 9 9 5 年提出的扩展频谱方法”1 它的重要贡献在于首次明确提出了 水印信息应该嵌入在图像的视觉敏感部分才能具有较好的鲁棒性。因为作为水 印载体的宿主图像的视觉敏感部分携带有较多的能量，在图像有一定失真的情 况下，仍能保留主要成分，使得水印算法具有较好的鲁棒性。这种方法已经成 为一种经典的模式，得到广泛的认可。 随后，b a r n i 提出的算法对图像做全局d c t 变换，然后将一个随机序列嵌 入到中频系数中，h s u 等提出一种基于8 8 d c t 变换的算法”1 ，取值为 一1 ，1 的随机序列被加载至i j d c t 中频系数上。s w a n s o n 0 1 提出利用空间掩蔽特性，计算 每个d c t 系数允许改变的最大限度，确保水印的不可感知性。之后又出现了许 多基于d w t 的数字水印算法，k u n d u r 等人提出了基于小波变换的私有水印和公 开水印算法”1 ，将宿主图像和水印图像分别进行小波分解，根据视觉特性进行 数据融合，但此方法在提取时需要原始图像。 ? 百r u a n a i d h “”根据h a y e s 的结论： 从图像的可理解程度，相位信息比振幅信息更重要，提出了图像的d f t 域相位 水印。黄继武等人“”提出基于对图像d c t 系数振幅的定量分析，d c 分量也可以 用来嵌入水印，而在此之前，d c 分量总是无一例外被排除在外的。 对于数字水印技术，数字媒体的版权和完整性认证是目前的主要的研究方 向，至今还未能形成一系列的标准或者协议。 1 3 数字水印技术研究的未来发展展望 数字水印技术在产业化道路上已经迈开步伐，起初仅仅作为图像处理软件 的插件，而今己经开始向大型商业化软件发展，呈现出面向i n t e r n e t 、多种技 术集成的趋势。主要发展体现在以下几方面o “ ( 1 ) 面向电子商务，提供服务器端的完整性保护和客户端的数据认证。 ( 2 ) 建立水印认证中心，提供各种网上服务。 ( 3 ) 开发基于数字水印技术的数字作品电子销售系统，提供完整的安全与 版权保护机制。 ( 4 ) 为各种付费点播服务，提供基于流技术的服务。 ( 5 ) 结合人工智能技术，开发水e p a g e n t 和自动追踪版权标志。 ( 6 ) 面向更广泛的数字媒体，如三维动画、数字地图等等，开发基于水印 的安全保护产品。 ( 7 ) 使用各种生物认证技术( 如指纹、视网膜) 构造专人标识水印。 作为一个技术体系，数字水印尚不完善，每个研究人员的介入角度各不相同， 所以研究方法和设计策略也各不相同，但都是围绕着实现数字水印的各种基本 6 第一荦绪论 特性进行设计。同时，随着该技术的推广和应用的深入，一些其他领域的先进 技术和算法也将被引入，从而完备和充实数据水印技术。例如在数字图像处理 中的小波、分形理论；图像编码中的各种压缩算法：音视频编码技术等等。 随着数字化产品在中国的普及，特别是i n t e r n e t 的飞速发展，电子商务会 加速发展，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。有识之 士应抓住机会，研制出我们自己的数字水印产品，以适应颓技术的发展。 1 4 本文的主要工作 本文对数字水印技术进行了比较全面的探讨。 第一章主要数字水印的技术的产生背景及发展情况做了简要介绍。 第二章主要介绍了数字水印的基本特征、原理以及目前国内外的研究现状 等基本问题，归纳了数字水印系统的基本框架，概括性介绍了目前常见的数字 水印算法。 第三章主要介绍了空域图像水印算法信息隐藏原理和几种典型算法实现， 并对算法和结果进行了分析。 第四章对变换域图像水印算法信息隐藏原理和几种典型算法实现进行了 介绍和分析。 第五章介绍了几种典型的彩色图像数字水印算法，并在此基础上提出了一 种彩色图像水印算法，实验结果表明改进后该算法具有较好的鲁棒性，并且嵌 入水印后对图像质量的影响较小，人眼几乎感觉不到图像质量的变化，算法能 够抵抗常见的信号处理操作如加噪、剪切、缩放、j p e g 压缩等攻击方式。 第二章数字水印技术概述 第二章数字水印技术概述 2 1 数字水印( d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ) 简介 2 1 1 数字水印概念 数字水印就是指嵌入到被保护对象( 如静止图像、视频、音频等) 中的某些 能够证明其版权归属的数字信息，可以是作者的姓名、序列号、公司标志等等。 现在数字水印已成为用来解决数字多媒体中版权问题和内容认证的主要工具。 数字水印作为一种比较常见的应用，是利用数字作品中普遍存在的冗余数据与 随机性把版权信息嵌入数字作品中，从而起到保护数字产品版权或完整性的一 种技术。 它与传统的版权保护技术加密技术不同，信息加密是隐藏信息的内容， 而数字水印技术是隐藏版权信息，由于使用者对媒体内容的访问是透明的，不 容易引起攻击者的注意，所以后者具有更广阔的应用前景。数字水印技术就是 在数字媒体中嵌入有意义的数据信息，但嵌入后并不影响使用者对数字媒体在 感官( 视觉、听觉) 上的认知。 2 1 2 数字水印的基本特征 不同应用的水印有不同的特征要求，一类应用中必须具备的特征可能是另 一类应用中所必须避免的。本节主要讨论用于版权保护静态图像的数字水印， 一般认为具有版权保护功能的数字水印具有如下的特征： ( 1 ) 不可察觉性( i m p e r c e p t i b i l i t y ) 水印应该是视觉上不可见的，即它的存在不应该使原始图像视觉质量发生 变化或影响原始图像的视觉效果。向数字作品中嵌入水印不应引起被保护作品 可感知的质量退化。水印的隐形性是相对于被保护数据的使用而言的。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，虽然目前己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。 ( 2 ) 鲁棒性( r o b u s t n e s s ) 对水印后的信号进行有意或无意的攻击后，水印信号仍然能够被有效和完 整的提取出来。 数字水印必须能够抵抗传输过程中可能受到的处理形变，使得版权信息最 终仍然能够被提取出来，以证明作品的所有权。数字水印的根本目标是通过向 数字作品中嵌入一个标记不引起被保护作品感知上退化，同时又难以被未授权 用户删除标记的方法。一般说来，数字水印的鲁棒性主要体现在以下几个方面： 首先，数字水印应该具有抵抗一般信号处理的鲁棒性。即使原始数据经过 了如a d 、d a 转换，重新量化，或某种信号的增强，如图像的亮度、对比度等 处理仍然保持水印的存在性： 第二，数字水印应具有几何变换下的鲁棒性。即数字作品中嵌入的水印应 该在旋转、缩放和剪切登记和变换下仍然保留它携带的信息； 第三，数字水印应该具有抵抗恶意攻击的鲁棒性。用于版权保护的数字水 e p 技术对攻击者来说具有明确的目标，因此，难以避免地会受到侵权者的恶意 第二章教字水刈技术概述 攻击。对恶意攻击的鲁棒性就是指，即使攻击者获得了大量携带水印的数据， 也不能据此在不破坏原图的情况下伪造出一个新的带水印的作品或擦除水印 作品中的标记。 需要指出，鲁棒性也只是用于版权保护的水印所必须具有的特性，而对于 以保护数据完整性为目的的数字数水印来说，脆弱性则是其最重要的特征。 ( 3 1 安全性( s e c u r i t y ) 指水印不易被盗用者复制和伪造的能力，且水印应不易通过反复实验等不 正当方法而被轻易检测、恢复。 2 1 i3 数字水印分类 ( 1 ) 按水印的实现方法，分为空间域水印和变换域水印较早的水印算法从 本质上来说都是空间域上的，水印直接加载在数据上；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，往往采用类似扩频的技术来隐藏水 印信息。这类技术一般基于常用的图像变换，这些变换包括：离散余弦变换 ( d c t ) 、小波变换( w t ) 、傅立叶变换( f t 或f f t ) 以及哈达马变换( h a d a m a r d t r a n s f o r m ) 等等。 ( 2 ) 按水印是否可见，分为可见水印和不可见水印可见水印的主要目的在 于明确标识版权，防止非法的使用，虽然降低了资料的商业价值，却无损于所 有者的使用。而不可见水印将水印隐藏，视觉上不可见( 严格说应是无法察觉) ， 目的是为了将来起诉非法使用者，作为起诉的证据，以增加起诉非法使用者的 成功率，保护原创造者和所有者的版权。 ( 3 ) 按使用目的，分为脆弱性水印，半脆弱性水印和鲁棒水印脆弱性水印 设计为能够检测出作品的任意篡改，如果作品被破坏，则易损水印检钡4 不出来， 它主要用于认证：鲁棒水印与之相反，即使作品遭到一定程度的破坏也能检测 出来，它主要用于版权保护：半脆弱性水印主要用于认证，但它能够容忍定 的信号失真。 ( 4 ) 按水印的检测是否需要原始图像参与，分为盲检测水印和非盲检测水 印。水印检测时不需要原始图像的水印方案称为盲检测水印方案。反之，称为 非盲检测水印方案。 ( 5 ) 按水印的检测方式与嵌入时是否一致，分为公钥( p u b l i ck e y ) 数字水 印( 不对称数字水印) 和私钥数字水印( 对称数字水印) “。对称数字水印算 法在嵌入和检测水印时使用的是同一密钥，但由于要使使用者知道嵌入的舨权 信息，所以在每个水印检测器中放入相同密钥，这样会给数字水印的安全性带 来隐患。在这种情况下，我们希望采用不对称数字水印技术，在嵌入水印时使 用的是私钥，而查看水印时使用公钥，用公钥只能查看，但不能修改或删除水 印。 2 2 数字水印实现原理及模型 2 2 1 数字水印实现原理 数字水印技术是利用人类感觉器官的不敏感( 感觉冗余) ，以及多媒体数字 信号本身存在的冗余( 数据特性冗余) ，将信息( 水印) 嵌入个宿主信号( 掩护 体) 中，不被觉察到或不易被注意到，而且不影响宿主信号的感觉效果和使用 价值。被嵌入的水印信息通常是不可见或不可察觉的，但是通过一些计算操作 可以被检测或提取。水印与源数据( 如图像、音频、视频数据) 紧密结合并隐藏 第二章数字水印技术概述 其中，成为源数据不可分离的一部分，并可以经历些不破坏源数据使用价值 或商用价值的操作而存活下来。 2 2 2 数字水印实现的一般模型 图2 1 为水印信号的嵌入模型，其功能是完成将水印信号加入原始数据中； 图2 2 为水印信号提取模型，完成从水印数据中提取出水印信号；图2 3 为水印 信号的检测模型，用以判断某一数据中是否含有指定的水印信号。水印提取能 够显示出作品的版权：而水印检测则只需要判断水印信号中是否嵌入某一水 印，比如扩频水印采用的相关检测方法，如果相关值大于某一阈值，则认为水 印信号中存在水印。图2 2 、图2 3 中在提取或检测信号时，原始载体数据不是 一定必要的。 图2 1 水印嵌入 图2 2 水印提取 图2 3 水印检测 2 2 3 数字水印嵌入的一般公式 频域数字水印技术效果明显优于空域方法，目前，几乎所有的频域水印 嵌入模型都可以用以下三个公式： v 7 = v + 口w v = v ( 1 + 口w 1 v = w “ 以上公式中，v 表示水印后信号：v 表示原始信号：w 为要嵌入水印：口代表水 o 塑三里塑兰坐婴垫查塑堕 印嵌入的强度，它的选择必须考虑图像的特点和视觉系统的特性在不可见的前 提下，应尽可能提高嵌入水印的强度。 2 3 数字水印的设计和算法要求 对应于水印不同的应用和目的，不同的要求导致了各种各样的设计问题。 水印的不可感知性是一个共同的要求，并且是独立于应用的。在设计嵌入水印 方法的时候还要考虑其它些要求： 水印恢复是否需要原始数据，对不同的应用而言，水印恢复系统有可能得 到原始数据，也有可能得不到原始数据。如果能得到，使用它通常是有帮助的， 因为使用原始数据恢复的系统一般都有更好的健壮性。然而，在像数据监控这 样的应用中，因为其目的是识别被监控的数据所以原始数据并没有什么用处。 对给定水印的提取或确认，水印嵌入和恢复有两种方法，它们在本质上是 等价的。对于第一种方法，所嵌入的水印是预定义的可容许水印集合中的一种， 水印恢复时将嵌入的水印数据与可容许水印集合相比较进行验证。水印恢复的 输出是嵌人水印的索引值或者是“没发现水印”的结论。在第二种方法中，嵌 人的水印是对水印嵌入系统中给定符号序列的调制。在检测过程中，嵌入的符 号通过解调被提取出来。 健壮性，在水印嵌入过程中，健壮性是抵抗修改或恶意攻击的关键要求之 一。不过正如前面所说的，相对于其它应用而言，在一些应用中它的重要性要 求较低。 安全问题和密钥的使用，对应于不同的应用，密钥的管理状况有很大差别。 很明显的例子是公钥水印系统，如d v d ，与此相对的是用于版权保护的私钥水 印系统。 2 3 1 不可感知性 对水印系统的一个最重要的要求就是水印可感知的透明度，它是与水印系 统的应用和目的无关的。水印嵌入过程引入的人为痕迹不但令人讨厌，并且也 不是我们想要的。而且它有可能减少或破坏已嵌入水印数据的商业价值。因此， 设计这样的水印方法是重要的它利用人的视觉和听觉系统的有效性，在不超 出可感知门限的约束下，使水印的能量取得最大值。与此相关的有两个问题， 第一个问题是对所引入的失真进行可靠的评估；第二个问题出现在对水印数据 进行处理的时候，例如，在图像水印中，如果图像按比例缩放，那么水印的可 视度将可能会增加。 2 3 2 鲁棒性 水印嵌入方法始终应该抵抗由标准的或恶意的数据处理所引入的任何类 型的失真。迄今为止，还没有提出这样完美的方法，甚至到底存在不存在一种 完全安全的水印嵌入方法也不可知。因此，实际系统应在健壮性和诸如可视性、 信息速率之类的相互冲突的要求之间进行折衷。根据水印嵌入方法的应用目 的，它所要求的鲁棒性会影响设计的过程。例如在图像水印中，如果我们需要 一种能容忍压缩比很高的j p e g 压缩的水印嵌入方法，那么使用变换域的方法 可能要比使用空间域的方法更有效；同样，如果所用方法要适应一般的几何变 换( 旋转、不规则缩放、剪切等) ，那么空间域的方法可能会更合适。考虑水印 数据可能要遭受的有意或无意的破坏，可将失真分为两组。第一组包含的是被 看作加性噪声的失真，而第二组的失真是由于空间或时间数据的几何修改雨引 苎三兰塑兰查嬖垫查塑堕 起的，其目的是在水印和用于水印嵌人的密钥间引入不匹配，通常分别称这两 种失真为破坏攻击和同步攻击。 根据应用和水印嵌入的要求，我们认为应考虑的失真和攻击应包括( 但并 不局限于) 以下这些： ( 1 ) 信号增强( 锐化、增加对比度、色彩校正、伽马校正) ； ( 2 ) 加性和乘性噪声( 高斯、均汤、斑点、蚊状) ； ( 3 ) 线性滤波( 低通、高通、带通滤波) ； ( 4 ) 非线性滤波( 中值滤波、形态滤波) ； ( 5 ) 有损压缩( 图像：j p e g ，视频：h 2 6 1 、h 2 6 3 、m p e g - 2 、m p e g 一4 ，音 频：m p e g 一2 、m p e g 一4 音频、m p 3 、g 7 2 3 ) ： ( 6 ) 局部和全局仿射变换( 平移、旋转、缩放剪切) ； ( 7 ) 数据缩减( 剪短、修剪、柱状图修改) ： ( 8 ) 数据合成( 标志插入、布景合成) ： ( 9 ) 代码转换( h2 6 3 一m p e g 一2 、g i f j p e g ) ； ( 1 0 ) d a 和h d 变换( 打印扫描、模拟电视传输) ； ( 1 1 ) 多重水印； ( 1 2 ) 共谋攻击； ( 1 3 ) 统计平均： ( 1 4 ) 马赛克攻击。 我们面对这些种类繁多的攻击时，基本的原则是设计这样一种水印嵌入方 法，它针对不同的应用、对象应该足够的健壮，以致于即使攻击成功也只会削 弱载体数据的商业价值。 2 3 3 是否需要原始数据的水印核复 通常在恢复过程中使用原始数据集的水印嵌入方法会提高水印健壮性，这 不仅是针对像噪声一样的失真而言，而且也是针对数据中几何失真而言，因为 它允许几何失真的检测和倒置。不过在很多应用中，比如数据监控或跟踪， 不可能得到原始数据。在其它一些应用中，比如视频水印应用，由于要处理的 数据数量很大，使用原始数据也是行不通的。尽管大多数早期的水印嵌入技术 恢复时都要求有原始数据，但一个很明显的趋势是设计不需要原始数据集的水 印技术。这是由于这种技术有更为广阔的应用领域。 2 3 4 3 ：印的提取或对给定水印存在性的验证 正如前面所说的，存在两种水印方案：嵌入特定信息或图案，并在随后水 印恢复过程中核对这些( 已知) 信息存在的系统和向数据中嵌入任意信息的系 统。例如，对已知水印存在性进行验证的系统能用于实现版权保护，而在有智 能代理的因特网上，图像跟踪不仅要发现图像还要对它们进行分类，这是嵌入 任意信息的水印嵌入方案的一个应用实例。嵌人的水印可被用作图像识别码或 数据库访问指针。应该注意到，这两种方案可以相互交换。允许水印验证的方 案可以认为是一种比特水印恢复方案，并且通过要嵌入的任意信息的调制，很 容易将其扩展到任意位数。反过来也是如此，假设法入信息是已知的话，可将 水印恢复方案看作水印验证方案。 2 3 5 水印安全和密钥 在大多数应用中，比如版权保护，要确保嵌入信息的保密性。通常称这种 问题及其它相关的问题为“水印安全”。图像数据库的索引是一个不考虑安全 兰三主塑兰查型苎查塑堕 问题的应用。如果保密性是一个要求，那么嵌入和提取水印过程中就要使用密 钥。可将保密等级分为两级。在保密的最高等级一个未授权用户既不能读或 解码所嵌入水印，也不能检测一个给定的数据集是否包含水印。第二等级允许 任何用户检测数据是否嵌入水印，但没有密钥不能读取嵌入的信息。举例来说， 这种方案对图像应用中的版权保护很有用，一旦一个有版权保护的图像在个 图像编辑软件中打开，一个短信息将通知用户该图像是被保护的。 这种方案可以包含多重水印，这些水印使用公钥和私钥。也可以是将一个 ( 或几个) 公钥与一个私钥组合起来，嵌入一个公开秘密的联合水印。 如果要设计一个可工作的全面的版权保护系统，诸如密钥产生、分发和管 理( 可能是由可信任的第三方管理) 以及与其它系统的集成等问题，都应仔细考 虑。 2 3 6 确定真正的所有者 在包含多个水印的情况下，为了准确地确定真正的所有者，就要能够确定 是谁首次给一个数据集嵌入水印。这可以通过加强设计约束来实现，比如水印 的不可逆转性或者使用附加的功能，比如时间戳机制等。 2 4 数字水印常见攻击方法 面向版权保护的强壮水印技术是一个具有相当难度的研究领域，到目前为 止，还没有一个算法能够真正经得住攻击者的任意进攻。在i n t e r n e t 上己经可 以得到能够有效击垮某些商用水印系统的软件，如s t i r m a r k “”。下面介绍几种 典型的数字水印攻击方式。 2 4 1 噪声攻击 使原始数据经过了一般的信号处理，如加噪、模数、数模转换，重新采 样，重新量化，或某种信号的增强( 图像的亮度、对比度，声音的低音等等) 处 理，仍然要保证水印的存在。这种攻击可能使水印从图像中消除或者基本消除， 从而使得无法再检测到水印。由于该攻击方法最简单、直接有些文献也称之为 简单攻击。 2 4 2 同步攻击 这是最为严厉的一种攻击方法。在这种攻击下中消失，但是水印各比特彼 此之间的位置发生错乱，水印并没有从原始媒体中消失，但使得水印检测十分 困难。最典型的方法为几何变换，比如，图像和视频的旋转、缩放和剪切等几 何操作。目前，对于这种攻击还没有找到理想的对策。 2 4 2 欺骗攻击 这是由美国i 嘣公司的水印技术研究小组针对可逆水印算法而提出来的一 种水印攻击方案，因而也称之为i b m 水印攻击方案，也有些文献称之为逆镶嵌 水印攻击3 。基本思路为，设原始图像为i ，加入水印w 的图像为i o = i + w 。攻击 时，攻击者首先生成自己的水印w ：然后创建一个伪造的原图i , = i o - w ，也即 i 。= i 。+ w ：此后，攻击者可声称他拥有i 。的版权，因为攻击者可利用其伪造原图 i a 从原图i 。中检测出其水印w ，但原作者也能利用原图从伪造原图i 中检测出 其水印w 。这就产生无法分辨与解释的情况。虽然采用一些不可逆水印嵌入算 法可以防止这一攻击，但解决这个问题的根本方法可能是建立“注册中心”和 第二章数字水印技术概述 “时间邮戳”等技术。 2 4 4 共谋攻击 共谋攻击“”就是利用同一原始多媒体数据的不同水印版本，来生成一个近 似的多媒体数据，以此来逼近和恢复原始数据，其目的是使监测系统无法在这 一近似的数据中，检测出水印信号的存在，凄最简单的一种实现就是平均法。 2 4 5 基于估计的攻击 基于估计的攻击的方法【1 6 1 是当知道原始数据和水印的统计特性时，即使没 有水印密钥信息也可利用一些最优化方法，如最大似然估计( m l ) 、最大后验 估计( m a p ) 和最小均方误差估计( 删s e ) 等，去估计或至少部分地估计水印 或原来未加水印的数据。 2 5 数字水印的评价基准 目前迫切需要建立数字水印的评测方法、评测基准和评测系统，凭借这样 的测试系统，研究人员可以充分检验自己的算法，改进算法的弱点，和其它方 法进行比较。水印的用户可以检验水印算法是否满足了他们的要求，而企业界 也可以借此来评估水印的可靠性以及采用时可能出现的风险。 一个数字水印系统的好坏除了主观上的判断外还需要客观的评价标准下 面就从这两方面来讨论。 2 5 1 数字水印的主观评价 利用i t u rr e c 5 0 0 质量等级对数字水印的不可觉察性进行评价“。表2 1 列出了等级级别的可感知性及质量。通过一些实验表明经验不同的个体，比如 专业的摄影师和研究员在对水印图像的主观测试中做出的结果相差很大。主观 测试对最终的质量评价和测试是有实用价值的，但在研究和开发情况下并不是 很有用。 表2 1 i t i j - rr e c 5 0 0 从1 到5 范围的质量等级级别 等级级别损害质量 5 不可察觉优 4 可察觉，不让人厌倦 良 3 轻微的让人厌倦 由 2 让人厌倦 差 非常让人厌倦 1极差 2 5 2 数字水印的客观评价 客观评价“”的最大优点就是其结果不依赖于主观评定，它也成为衡量数字 水印算法优劣的主要手段，下面给出常用的方法如表2 2 所示。 表2 2 常用图像质量测试方法 峰值信噪比 p s n r = l o l o g , o i m 母c 。，咎，吒) 2 信噪比 s n r = 。，2 x , 扩c 。，) 2 j y，z ， 均方差 m s e = l _ 也厂e ，) 2 mx n 鲁“二 “ 4 第二章数字水印技术概述 门一化平均绝对羞n a d = f t ，一e ，f k ，i x ，y 1 y 归一化均方差n m s e = 也厂t ，) 2 ，2 ” ，y，x ，y 最大差值 m d = 警k e j ，。 。 l a p l a c i e n 均方差 l m s e = 。( v 2 1 x , y - v 2 e ，) 2 丢h y 平均绝对差 a d = 土m n b t ，1 x , _ y l 1 j 5 ，l 相关质量 c o = ，。c ，e , x ， 归一化互相关系数 n c = l ，t ，e , 2 一 j ，y1o ， 图像保真度伊= 1 一也厂e ，) 2 ，2 。 x , y，j ， l 9 范数 r = ( 嘉班蚓 妒 表2 2 中图像的尺寸为m ，l ，表示原始图像在( x ，y ) 处的像素值，e ， 表示水印图像在( x ，y ) 处的像素值，v 2 l x ，= l 扎，+ ，。，+ t 。+ ， 一。+ 4 j 。 本文主要采用峰值信噪比( p s n r ) 和归一化互相关系数( n c ) 来对水印进行评 价。 2 6 数字图像的表示方法及特点 2 6 1 数字图像的表示方法 数字图像的表示方法 1 9 1 可以用二维函数x ，y ) 来表示：( x ，y ) 是平面两个轴 的坐标，f ( x ，y ) 表示点的亮度值( 灰度值) 。如果是彩色图像，各点值反映的是色 彩变化。对模拟图像，表示图像的函数是连续的，计算机无法输入和处理。因 此，对模拟图像进行取样，量化，得到离散值。以便用计算机可以接受的编码 方式来表示。计算机中的数字图像是用二维矩阵的形式给出的。 我们常见的图像有各种不同的格式，图像的表示是定义这幅图像数据的一 种特定的体现方式或一种特定的数据格式，如：b m p ，j p e g ，i - i d f ，t i f f ，p c x ， t g a ，x w d 等。不同的图像格式其存储方式也不同。可以按图像函数坟x ，y ) 的 值大致分为如下四类： ( 1 ) 索引图像 索引图像包括图像矩阵和颜色图数组。图像矩阵中存储的并不是像素值， 而是对应该像素在颜色图数组中的序号。颜色图数组就是通常所说的调色板， 它是一个m 3 的色彩映射矩阵，矩阵的每一行都代表一种颜色，与真彩色相同， 通过3 个分别代表红，绿，蓝颜色强度的数，形成一种特定的颜色。 ( 2 ) 灰度图像 灰度图像就是只有强度信息，而没有颜色信息的图像，此种数字图像矩阵 中的元素称为像素( p i x e l ) ，像素的幅值对应于该像素的灰度级。灰度图像可 看作一种特殊的索引图像，它的调色板中红、绿、蓝的强度一样。 ( 3 ) 真彩色图像 3 1 3 y t e s 来表示，分别代表合成该像素中红色( r e d ) ，绿色( g r e e n ) ，蓝色( b l u e ) 所占的分量。可以用一个三维矩阵来表示真彩色图像。在实际应用中，彩色图 像还可以用亮度和色度组成的色彩系统来表示( 如y i q ，y u v ，y c b c r 等) ，也可 以用三维矢量矩阵来表示彩色图像。 ( 4 ) - - 值图像 二值图像可以看成一个仅包括黑与白的特殊的灰度图像，只有两个灰度级 o 和l ，其每个像素用一个b i t 来表示。二值图像因其本身的固有特性不同，也 可以用一些特有的表示方法。如采用稀疏矩阵存储，对角矩阵等存储。 2 6 2 数字图像的特点 采用矩阵方式存储数字图像，有其固有的特点。总结如下： ( 1 ) 数字图像是二维信息，信息量较大。 ( 2 ) 数字图像占用较宽的频带。 ( 3 ) 数字图像中各个像素间的相关性较大。 ( 4 ) 数字图像信息应当与人的视觉系统有良好的匹配。 实际的图像信号像素点间一般都具有相关性，相邻行之间，相邻列之间的 相关性最强。变换域的图像分析方法就是将通常在时空域描述的信号变换到另 外一些正交矢量空间中进行描写，可以很好的消除像素点间的相关