（通信与信息系统专业论文）三维网格模型数字水印技术研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 基于网络的信息交换为多媒体数字作品的使用、传播提供了便利的途径， 然而由于数字作品极易被非法复制和篡改，使得数字作品的信息安全和版权保 护成为迫切需要解决的问题。数字水印技术为数字化产品的版权保护提供了 种有效的方法。当前数字水印的研究主要集中在图像、音频和视频数字水印技 术上，对三维网格模型的数字水印研究还很少。随着三维数据在信息领域的迅 猛发展，三维数据产品同样面临版权保护的问题，迫切需要一种能够防止侵权 与篡改的方法。三维数字水印的作用将变得越来越重要。 本文对数字水印的基本理论和国内外的研究现状进行了综述，介绍了：维 和三维数字水印的基本概念、分类方法、典型算法和攻击手段。在研究奇异值 分解基本理论和几何信号处理理论的基础上，利用全局平面参数化方法提出 了一种新的基于奇异值分解的三维网格模型数字水印算法。该算法采用平面参 数化方法对三维网格进行平面参数化处理，将三维网格信号转化成二维网格信 号，再对该二维网格信号进行均匀栅格采样得到规则采样信号，然后对规则采 样信号进行奇异值分解并嵌入水印信息，最后通过逆操作得到带有水印信息的 三维网格模型。本文将二维图像水印的奇异值分解技术应用到三维网格模型中 来，既提高了水印的保密性，同时又使得水印具有很强的鲁棒性，从而达到了 版权保护的目的。最后本文提供了基于奇异值分解的三维网格模型数字水印算 法的实验结果和相关数据，检验了该算法的鲁棒性。 大量的实验结果表明，用本算法嵌入的数字水印在经受旋转、添加噪声、 抖动、多分辨率滤波、网格裁剪、以及部分组合攻击后，仍能被正确地检测出 来，说明本文提出的算法具有较强的鲁棒性。 关键词：版权保护，三维网格模型，数字水印，奇异值分解，鲁棒性 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ei n f o r m a t i o ne x c h a n g eb a s e do nc o m p u t e rn e t w o r k sh a sp r o v i d e dg r e a t c o n v e n i e n c et ot h eu s a g ea n ds p r e a d i n go ft h ed i g i t a lm u l t i m e d i ap r o d u c t s - i o w e v e r ， t h ed i g i t a lp r o d u c t sc a nb ei l l e g a l l yc o p i e da n dt a m p e r e dw i t i le a s e w h i c hm a k e st h e i n f o r m a t i o ns e c u r i t ya n dc o p y r i g h tp r o t e c t i o nb e c o m eap r a c t i c a lp r o b l e mn e e d e dt o b es o l v e du r g e n t l y d i g i t a lw a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g yp r o v i d e sd i g i t a lp r o d u c t sw i t h a l le f f i c i e n tm e a s u r eo fc o p y r i g h tp r o t e c t i o n c u r r e n td i g i t a lw a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g y m a i n l yf o c u s e so ni m a g e ，v i d e oa n da u d i od a t a ，i nc o n t r a s t ，t h er e s e a r c ho i l t h e w a t e r m a r k i n go f3 dm e s hm o d e l sh a so b t a i n e dl e s sa t t e n t i o nf r o mr e s e a r c h e r s a l o n g w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f3 dd a t ai nt h ea r e ao fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ，m o r e a n dm o r ec a d b a s e d3 dd a t ai se n t e r i n gi n t ot h ew o r l dw i d ew e b ，t h e r e f o r e ，3 d d i g i t a lp r o d u c t sw i l la l s of a c ec o p y r i g h t r e l a t e dp r o b l e m s w eu r g e n t l yn e e da m e a s u r et op r e v e mt h e3 dd i g i t a lp r o d u c t sf r o mu n a u t h o r i z e du s e r s a c c o r d i n g l y ，3 d d i g i t a lw a t e r m a r kw i l lp l a ym o l ea n dm o l ei m p o r t a n tr o l ei nt h ef i e l do fc o p y r i g h t p r o t e c t i o n i nt h et h e s i s ，t h eb a s i cp r i n c i p l ea n dt h ed o m e s t i ca n do v e r s e ar e s e a r c hs t a t u so f d i g i t a lw a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g ya l ei n t r o d u c e db r i e f l y ，s u c ha s ，t h eb a s i cc o n c e p t s ， t h ec a t e g o r ym e t h o d ，t h er e p r e s e n t a t i v ea l g o r i t h m sa n dt h ea t t a c k i n gm e a s u r e s b a s e d 0 1 1t h et h e o r e t i c a lr e s e a r c ho fs i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n ( s v d ) a n dg e o m e t r y s i g n i a lp r o c e s s i n g ，a n dt h r o u g hm a k i n gu s eo f c o m p r e h e n s i v ep l a n a l - p a r a m e t e r i z a t i o n ， an o v e ld i g i t a lw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mb a s e do ns v df o r3 dm e s h e sm o d e li s p r o p o s e di nt h i st h e s i s f i r s t l y ，t h ep l a n a rp a r a m e t e r i z a t i o ni sa d o p t e d t ot r a n s f o r mt h e 3 dm e s h e si n t op l a n a rm e s hs i g n a l s s e c o n d l y ，u n i f o r mg a ds a m p l i n gi sa p p l i e dt o t h e2 dm e s hs i g n a l st og e n e r a t er e g u l a rs a m p l i n gs i g n a l s t h i r d l y ，s i n g u l a rv a l u e d e c o m p o s i t i o ni sa p p l l e dt ot h er e g u l a rs a m p l i n gs i g n a l sa n dt h ew a t e r m a r k i n g i n f o r m a t i o ni se m b e d d e di n t oi t f i n a l l y ，t h ew a t e r m a r k e d3 dm e s h e sm o d e li s p r o d u c e dv i ac o n t r a r yo p e r a t i o nm e n t i o n e da b o v e b e c a u s et h es v dt e c h n i q u ei s a p p l i e di n t o3 dm e s h e sm o d e l ，t h es e c r e c yo ft h ew a t e r m a r ki se n h a n c e d ，a n dt h e r o b u s t n e s so ft h ew a t e r m a r k e di m a g ei st ob ev e r ys t r o n g ，w h i c ha c c o m p l i s ht h e 武汉理工大学硕士学位论文 o b j e c t i v eo f c o p y f i g h tp r o t e c t i o n a tl a s t ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so f t h ea l g o r i t h ma r e g i v e nt ot e s tt h er o b u s t n e s so fa l g o r i t h mp r o p o s e di nt h i st h e s i s t r e m e n d o u se x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ep r e s e n t e di nt h et h e s i s ，a n dt h er e s u l t s p r o v et h a tt h ed i g i t a lw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mp r o p o s e di nt h i st h e s i si su n p e r c e i v a b l e a n ds h o w sg r e a tr o b u s t n e s sa g a i n s tav a r i e t yo fa t t a c k ss u c ha sr o t a t i o n ，n o s i n g ， d i t h e r i n g ，m u l t i - r e s o l u t i o nf i l t e r i n g ，m e s hc r o p p i n ga n ds o r t so fc o m b i n a t i o na t t a c k s k e y w o r d s ：c o p y r i g h tp r o t e c t i o n , 3 dm e s hm o d e l ，d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ，s i n g u l a r v a l u ed e c o m p o s i t i o n ( s v d ) ，r o b u s t n e s s 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本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，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 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。 签名：羔盔堑日期：签名：圣b 坐日期： 埘口4 1 0 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段像存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 卅 签名：基i 堑导师签名： ( 注：此页内容装订在论文扉页j 期；兰竺! ：! ：! o 武汉理1 大学硕士学位论文 第1 章绪论 随着多媒体信息处理技术和计算机通信技术的飞速发展，数字多媒体信息 的传播变得越来越方便，这极大地促进了电子印刷出版、网络视频和音频、数 字图书馆、电子商务等应用的发展。然而，这也使得盗版者能以极低廉的成奉 来复制和传播未经授权的数字媒体产品。如何有效地保护这些多媒体信息的知 识产权，已经成为学术界与产业界共同关注的问题。 数字水印【4 i 技术作为保护数字作品版权的一种新方法正受到人们的极大关 注。它通过将数据制作者等版权信息嵌入目标数据( 目标数据可以是文本、图 象，视频、音频、三维几何模型等) ，作为水印信息隐藏起来。嵌入的水印对 于数据的使用者是不可见的，并且不影响数据的正常使用。当需要时，可以用 与嵌入方法相对应的水印提取方法将嵌入于目标数据中的水印信息检测出来， 以供验证版权、认证等使用。 本文讨论的对象是三维网格模型。近年来，随着三维数字化扫描技术的迅 速发展以及v r m l 在虚拟现实中的应用日益加强，三维网格模型也正逐步成为 网络上的三维图形数据的交换标准。作为一种新兴的媒体数据，三维网格模型 的数字水印研究和实现己成为目前数字水印领域研究的新热点。 1 1 研究背景 1 1 1 课墨来源 本课题来源于国家自然科学基金重点项目和高等学校博士点专项科研基金 项目。 1 1 2 研究目的和意义 对多媒体信息的知识产权保护，已经成为学术界与产业界共同关注的问题。 数字水印技术作为保护多媒体信息版权的一种新方法正受到人们的高度重视。 作为一种新兴的媒体数据，三维网格模型在日益广泛应用的同时，也出现了恶 意复制和修改等侵权问题，如何对3 d 数据产品进行版权保护是一个十分迫切的 任务。本课题从三维网格模型版权保护的问题出发，研究三维模型数字水印算 武汉理工大学硕士学位论文 法，以及相关理论和技术问题，以解决网络资源共享与交易时的方便性、商业 性和保护用户信息资源的版权之间的矛盾。 数字水印技术就是在受保护的原始数据中嵌入秘密信息水印，用以证 实数据的所有权。水印信息可以是一段文字、产品的序列号、公司的标志和网 址或其他有意义或重要的内容，这些秘密信息通常是不为人们所察觉的。数字 水印技术在多媒体信息版权保护，以及网络资源共享等具有重大的理论意义和 巨大的应用前景。 数字博物馆采用数字模拟物品及真实场景的三维模型展示历史，是传统的 考古技术与先进的计算机虚拟技术结合的产物。数字博物馆便于更好地保护文 物，实现资源共享，传播中华文明，充分实现了博物馆的社会效益、经济效益， 与此同时也产生了数字文物的版权保护问题，因为数字化产品可以复制、存储， 甚至重新生成。 网络联盟企业的制造工厂和销售网点遍布全世界，他们之间通过网络相互 连接，通过任务的分解和传达，联合不同的企业共同完成设计和制造的全过程， 以便发挥各自的优势，快速推出高质量、低成本的新产品，在网络制造环境f f 2 j 产品的协同设计以及产品信息的网上传输过程中如何确保信息的安全传输，从 而实现资源共享，已经成为网络制造急迫需要解决的问题。其中尤其是复杂零 部件设计、三维网格数据中一些关键信息及知识产权的保密问题，以及协同设 计过程中的互操作和动态特性已成为网络制造中产品产权保护与信息安全十分 迫切需要研究和解决的问题。 在c a d 等应用领域存在着大量诸如版权保护、侵权检测等问题，因为只有 被授权的用户才可以对c a d 产品模型进行复制、修改和再创造。基于3 d 模型 的复杂性和特殊性，数字水印技术提供了种有效的途径，通过对3 d 多边形网 格数据中嵌入数字水印，可以对3 d 模型和其他c a d 产品进行有效的保护。另 外，基于i n t e m e t 的协同交互设计与制造中需考虑对外与对内两类安全性问题， “对外”指数据存放于服务器上时，以及数据在传输过程中的安全性，这是所 有网络应用的共同问题。“对内”指参加协同设计的人员之间的保密问题，由 于基于i n t e m e t 的c a d 打破了设计主体在地域和企业上的限制，一个产品的设 计往往有多个企业参加。而今日的合作伙伴很可能是明日的竞争对手，这使得 人们会担心他人将自己的设计成果留作它用。虽然运用产品数据管理对不同的 设计人员设置不同的权限可以使各设计人员只能获得他必需的数据，从而将数 2 武汉理工大学硕士学位论文 据的“外泄”减到最少，但毕竟仍有许多场合设计人员必须向合作伙伴递交完 整的设计数据。网络环境下三维几何模型数字水印技术及算法研究技术正是解 决这一问题的理想途径，将版权信息、特殊工艺信息和独有的知识产权信息等 作为数字水印嵌入设计数据后，在他人未经许可使用这些数据时可以以水印为 证追究其侵权责任，这一研究领域已逐渐成为数字水印研究新的热点。 目前，国内外学者围绕3 d 网格数字水印做了大量的探索性研究，他们的工 作为从事c a d 开发和研究的学者提供了许多新思路，开拓了新的研究领域。围 绕3 d 网格数字水印，还有包括大数据容量水印的鲁棒性、脆弱水印的应用性、 v r m l 文件的水印嵌入方法及其将水印技术向c a d 系统中的其他形状表示法扩 展等一系列问题需要进行深入的研究。 综上所述，本课题的研究对于多媒体数据的产权保护、信息安全与资源共 享等具有十分重要的理论和实际意义。 1 2 本课题的国内外研究现状 随着对网络环境下的协同设计和虚拟产品的研究，我们可以预见，将来用 户所购买的可能不再是一个实物的产品或零件，而是一个造型的思想或堆数 据由点、线、面等构成的3 d 数字模型，只有那些被授权的用户才可以对浚 模型进行复制、修改和再创造。这就涉及到如何对3 d 模型和其他c a d 产品进 行版权保护，甚至是操作控制等问题。数字水印技术为我们提供了一种有效的 途径，使得可以在3 d 多边形网格数据中嵌入数字水印，对3 d 模型和其他c a d 产品进行有效的版权保护。现在，这一研究领域己逐渐成为数字水印研究的新 热点。 3 d 网格模型数字水印与二维图像水印有很大的不同，它有以下特殊问题使 它成为研究的难点：( 1 ) 数据量大：( 2 ) 对同一模型的表现形式不唯一；( 3 ) 没有固 定的数据顺序；( 4 ) 没有一个受干扰影响小的变换域可供水印嵌入用；( 5 ) 对模型 进行几何或拓扑操作的工具很多，用户很容易对模型进行几何或拓扑操作。所 以，虽然关于鲁棒性数字水印技术的论文已发表了很多，提出了许多种水印嵌 入算法，但主要针对的是静止图像，音频和视频信号，关于3 d 模型数字水印技 术的文章很少。 1 9 9 7 年，当时还在日本i b m 东京研究实验室工作的o h b u c h i l 3 1 等在a c m 3 武汉理工大学硕士学位论文 m u l t i m e d i a9 7 国际会议上发表了一篇关于3 d 网格数字水印的文章。该文被公认 为是第一篇在国际上公开发表的关于3 d 网格模型数字水印技术的文章，它为3 d 网格模型和数字水印的研究提供了新的思路和方法，它的发表具有罩程碑意义。 随后的几年内，日本、韩国、德国、美国和中国等地的研究人员对网格水印进 行了一系列的研究，取得了不少成果，其中以p r a u n 等人1 9 9 9 年在s i g g r a p h 上提出的方法最具代表性。 1 9 9 7 年，o h b u c h i 等针对三角形网格，根据网格替换、拓扑替换和可见模式 等概念提出了几种水印算法。随后一年内，他们又发表了一系列类似的网格水 印方面的文章，其中最具代表性的和最具历史意义的是三角形相似四元组 ( t r i a n g l es i m i l a r i t yq u a d r u p l e ，t s q ) 算法，四面体体积比( t e t r a h e d r a lv o l u m e r a t i o ，t v r ) 算法。另外还有剥离的三角形条带符号序列( t r i a n g l es t r i pp e e l i n g s y m b o ls e q u e n c e ，t s p s ) 嵌入算法，基于形状属性( 如纹理映射坐标) 调整的水印 算法和网格密度模式( m e s hd e n s i t yp a r e m ，m d p ) 嵌入算法| 1 2 i 。 1 9 9 8 年，日本北海道大学的k a n a i 和d a t e 等第一次应用变换域内的信号处 理技术提出一种基于多分辨率小波分解的三角形网格的隐秘数字水印算法。 1 9 9 9 年，i n t e l 公司的y e u n g 等首次提出了一种用于对象验证的脆弱的网格 水印算法，该水印算法可以用于验证3 d 多边形网格的修改是否为经过授权的。 为了实现这种验证。嵌入的水印必须是对哪怕是轻微的修改都非常敏感的，一 旦网格发生变化，就能立即检钡4 到，并找到修改的部位，然后以较直观的方式 显示出来。 与此同时，德国f r a u n h o f e 计算机图形研究所的b e n e d e n s 在o h b u c h i 等工作 的启发下，提出了调整网格曲面法向矢量分布的隐秘水印算法。3 d 对象可以视 为大小不一且有一定方向的曲面的集合，而曲面又可以用一系列网格构成的平 面片来表示或逼近，特殊情况下可以用三角面片来表示。如果嵌入水印后网格 顶点发生变化，相应地就会引起网格曲面的法向量分布发生变化，但这样得到 的网格较之原始网格的拓扑关系或邻接关系没有发生变化。该算法首先根据质 点中心和三角面片中心构造一致的曲面法向量，然后确定嵌入水印信息的基本 几何单元一b i n 的法向量( 在前期处理时，首先将模型根据法向量划分为不同的 集合b i n ，一个b i n 是一个曲面的集合，可以用于嵌入l b i t 的水印信息) ，最 后水印嵌入是通过沿一定方向移动b i n 的质心，即平均法向量，如果有二个比特 的水印信息，就要移动二个b i n 的质心。移动过程是通过替换网格顶点进行的， 武汉理工大学硕士学位论文 这样也就改变了三角面片的法向量，从而改变了这些法向量所属的b i n 的质心。 该算法对数据点的随机化、网格重构和网格简化具有较好的鲁棒性。随后， b e n e d e n s 又提出两种多边形网格的公开水印算法：顶点束算法和三角形柬算法。 2 0 0 0 年，b e n e d e u s 和b u s c h 又提出了一种仿射变换不变的网格水印算法。 2 0 0 1 年，已到山梨大学计算机系工作的o h b u c h i 随同m u k a i y a m a 等研究了 在网格的变换域内隐秘的3 d 网格水印算法；2 0 0 2 年，o h b u c h i 等又对以上频谱 域内的网格水印算法进行了改进和扩展，新的算法不但提高了水印嵌入的速度， 还提高了水印对网格简化和组合攻击的鲁棒性。 2 0 0 2 年，日本丰桥大学的i c h i k a w a 等提出利用多边形网格中的冗余数据嵌 入水印的若干算法，这些算法保持了原有的几何和拓扑关系其中包括：通过置 换网格中顶点或面的顺序嵌入水印的完全置换算法和部分置换算法：通过旋转 面中的各顶点嵌入信息的多边形顶点旋转算法和分组多边形顶点旋转算法，以 及全部多边形顶点旋转算法和部分多边形顶点旋转算法。但是这些方法数据嵌 入量不大，因此仅是利用模型的几何和拓扑信息的水印嵌入方法的一种补充。 在公开出版的文献中，国内学者对数字水印的研究多集中于图像水印，而对 3 d 网格数字水印的研究还比较少。其中有代表性的成果主要集中在浙江大学 c a d & c g 国家重点实验室，尹康康等 4 j o l 开国内研究3 d 网格数字水印之先河， 他们在2 0 0 0 年和2 0 0 1 年分别对v i m l 场景中的纹理水印和强壮网格水印算法 进行了研究。在网格水印方面，他们用一个松弛算子构造一个b u t t a d e l s o n 金字 塔结构，并在最终得到的粗糙网格中嵌入水印，水印的提取方法与p r a u n 提出的 方法类似2 0 0 2 年，该实验室的周听等提出了一种基于平面参数化和小波变换的 网格水印算法。该算法利用边折叠网格简化及其在这一过程中产生的其他信息， 通过平面参数化方法将原始3 d 网格转化为平面矩形域上的二维网格，然后采用 基于小波变换的方法嵌入水印。 另外，北方工业大学c a d 研究中心、中山大学和中国科学院自动化所模式 识别国家重点实验室等研究机构也已开始对3 d 模型水印进行研究。 5 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 论文主要的研究工作和组织结构 1 3 1 主要研究工作 1 图像的奇异值分解 奇异值分解( s v d ) 是数值线性代数的最有用和最有效的工具之，它在统 计分析、信号与图像处理、系统理论与控制中被广泛应用。在数字图像处理中 应用s v d 的主要理论依据是：1 ) 图像奇异值的稳定性非常好，即当图像被施 加小的扰动时图像的奇异值不会有大的变化；2 ) 奇异值所表现的是图像的内蕴 特性而非视觉特性。在水印嵌入之前对原始图像进行奇异值分解，这样可以提 高图像的稳健性。将一幅n * n 灰度图视为一个非负矩阵对其进行奇异值分解， 然后将水印信息嵌入图像的奇异值。非方阵也可以用奇异值分解的方法处理， 这是s v d 方法的一个优点，因为很多流行的水印算法都不能直接处理长方阵。 2 全局平面参数化处理理论 平面全局参数化方法通过全局平面参数化将定义在网格上的原始信号转换 成平面信号，然后对平面信号进行均匀或非均匀采样得到规则采样信号，再采 用传统的信号处理和分析工具对规则采样信号进行处理分析和合成，最后通过 重采样和逆映射用处理过的规则采样信号对原始信号进行更新生成合成网格。 3 把奇异值分解应用到三维几何模型的水印嵌入中 采用全局平面映射将原始网格上的几何位置( 即顶点坐标) 信号转换成二 维平面参数网格上的二维信号，再将此二维信号作采样处理得n - - 维规则采样 信号，然后对二维规则采样信号做s v d 变换，并嵌入水印，期望通过s v d 在 三维模型水印的应用改善算法的性能指标。 1 3 2 论文的组织结构 本论文共分五章，具体结构如下： 第一章绪论，主要叙述了课题研究的目的及意义和国内外关于该课题的研 究现状，并对本论文的主要研究工作和论文组织结构进行了说明。 第二章叙述了数字水印的基本原理，归纳并总结了数字水印技术的分类， 介绍了二维数字水印和三维网格模型数字水印的典型算法和攻击方法，同时介 绍了三维网格模型的表示方法和三维网格模型数字水印的特点。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第三三章首先介绍了奇异值分解的理论和几何信号处理理论，详细介绍r 全 局平面参数化处理框架，在此基础上提出了种全新的基于奇异值分解的三维 模型数字水印算法。由于在水印提取前要对嵌入水印的模型进行预处理，所以 本章也介绍了网格对齐和网格重采样的基本原理同时介绍了渐进网格的表不 方法。 第四章分别用斯坦福b u n n y 模型和d r a g o n 模型对第三章提出的基于奇异值 分解的三维模型数字水印算法进行各种攻击试验，实验结果和相关数据表明， 该算法具有较强的鲁棒性。 第五章是对全文的工作进行了总结并给出了对未来工作的展望。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章数字水印技术研究 近年来，随着数字技术和网络化的发展，各种形式的多媒体数字作品( 图 像、视频、音频、三维模型等) 纷纷以网络形式发表，其版权保护成为一个迫 切需要解决的问题。传统的加密技术将数据加密后再进行传送，使没有密钥的 人难以获取加密信息，它既限制了数据信息的交流，也并不能很好地解决数字 信息的版权保护问题。因为数据一旦解密，就完全被解密人控制，其保护作用 也就消失。因此，加密技术只能解决数字信息内容的保密，却不能解决其版权 问题。 数字水印是实现版权保护的有效办法，已成为多媒体信息安全研究领域的 一个热点，也是信息隐藏技术研究领域的重要分支。 2 1 数字水印的基本原理 2 1 1 数字水印的概念和分类 数字水印技术，是指在数字化的数据内容中嵌入不明显的记号或标记比特。 被嵌入的记号对观察者来说通常是不可见或不可感知的，但是通过一些计算操 作可以被检测或者被提取。这些被嵌入的记号被称为水印。水印与源数据( 如 图象、音频、视频、模型数据等) 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。 在数字水印算法的设计过程中，随着数字水印的不同应用我们对数字水印 算法的要求也不同，但是对于一般的数字水印系统，必须满足以下几个基本要 求： 1 不可见性：对于一个水印方案，要满足的首要问题是感性的透明性。也 就是说在水印的嵌入过程中，嵌入信号对宿主信号的影响必须很小，小到不足 以察觉的程度。我们往往利用人类视觉系统( h u m a nv i s u a ls y s t e m ，h v s ) 或人 类听觉系统( h u m a na u d i t o r ys y s t e m ，h a s ) 的特性来增强水印的不可见性和提 高水印的嵌入容量。这一问题有两种情况，其一是如何确定嵌入信号是否影响 了宿主信号，目前有许多较好的解决这一问题的方案，它们都是运用各种算法 8 武汉理工大学硕士学位论文 模拟人类视觉或听觉系统来检测嵌入信号对宿主信号的影响，但是还没有。种 算法能够通过高级鉴定师们的盲测试。其二是对水印放大时使得原不叮见水印 显露出来，如将加载水印图象放大则容易导致水印的显露。 2 鲁棒性：鲁棒性是所有水印系统在设计时所要解决的主要问题，它体现 出水印系统抵抗一般信号处理及恶意处理的能力。一般信号处理包括数据处理 及数据修改，如对数据的编辑、打印、增强等。恶意处理指的是针对水印进行 的数据处理，如削弱、破坏、移去嵌入水印等数据处理。对水印的修改和攻击 一般会产生两种类型的破坏，第一类可以看作是加噪声，第二类则是修改数据 的空间或时间等几何特性。根据水印系统的应用与设计要求，在设计时应该考 虑下列失真或攻击的影响： 加性与乘性噪声，如高斯白噪声、均匀噪声、随机噪声斑点噪声、胡椒赫 噪声等； 线性滤波，如低通滤波、高通滤波、带通滤波等； 非线性滤波，如中值滤波、同态滤波等； 有失真压缩，如j p e g ，j p e g - 2 0 0 0 ，h 2 6 1 ，h 2 6 3 ，m p e g 一2 ，m p e g 一4 m p e g 2a u d i o ，m p e g 一4a u d i o ，g 7 2 3 等： 局部或全部的几何变换，如平移、旋转、缩放、裁剪等； 图像翻转： 行或列删除； 数据丢失，如剪切、限幅等； 数据合成，标识插入、背景合成等； 变换编码，如h 2 6 3 m p e g 2 ，g i f j p e g 等； d a 或a d 变换，如打印一扫描，模拟电视信号发送等； 多重水印； 共谋攻击； 统计平均； 专门设计的去除水印的攻击软件。 3 安全性：水印安全指的是嵌入信息的安全性。当强调安全性时，则在嵌 入与提取过程中需要使用密钥。一般水印系统有两级安全保证，第一级是非法 用户无法察觉水印是否存在，第二级，即使非法用户知道水印的存在，但是没 有正确的密钥就无法正确恢复嵌入信息。至于密钥的使用，既可以使用公钥体 9 武汉理 二大学硕士学位论文 制也可以使用私钥体制，如h a r t u n g 和g i r o d 提出的公钥水印方案。当设计加密 系统时，需要考虑密钥的产生、分配与管理，同样在水印系统中，密钥的安全 性非常重要，特别是要避免密码分析的攻击，例如穷搜索攻击。 另外，在水印嵌入过程中，我们为了提高水印的可证明性和无歧义性，我 们往往需要提高嵌入水印的容量，但是水印的容量和水印的不可见性和鲁棒性 之间是互相冲突的，比如，提高水印的容量就会降低水印的不可见性。此时我 们需要根据实际的应用问题，充分考虑到可能的攻击手段，对各种应用要求进 行折中，以设计出实用的水印系统。 一般来说，根据数字水印的应用背景、实现原理和水印系统特性等因素， 可以对数字水印系统进行如下分类： 1 按照水印是否可见可分为： 可见水印 可见水印是可以被人所感知的，它用来显式的标示该图象的版权信息或降 低该模型的商业价值以达到版权保护的目的。 不可见水印 不可见水印是不能被人类听觉系统和人类视觉系统所感知的。 2 按照水印应用领域可分为： 脆弱水印 脆弱数字水印主要用于进行图象的篡改提示和图像数据的完整性检测。脆 弱水印必须对信号的改动非常敏感，易于被任意的图像处理过程所损害，不仅 水印的变化很容易被检测到，而且易于对变化进行空间分类和定位。 稳健水印 稳健数字水印主要用于在数字作品中标识著作权信息，如作者、作品序号 等等，它要求嵌入的水印能够经受各种常用的编辑处理，对常见图像处理有较 强的抵抗力，可以从许多质量己被破坏的含水印图像中抽取出来。 3 按照水印嵌入的位置可分为： 空间域的水印 空间域的水印嵌入可以通过修改图像的强度值或灰度值实现。这种方法无 需对原始图像进行变换，计算简单，效率较高，但由于水印要均衡不可见性和 稳健性，因而可选择的属性范围较小，同时生成的水印具有局部性，难以抵抗 常见图像处理的攻击及噪声干扰的影响，稳健性较差。 武汉理工大学硕士学位论文 变换域的水印 变换域的方法将水印添加到原始图像的某种变换系数中实现嵌入，需要对 原始图像进行变换，计算较复杂，但变换域的水印算法有以下优点： ( 1 ) 许多典型的图像变换运算可以看作是某种形式的低通滤波，频率域可 以提供一种直接的办法来避免将水印加入到图像的高频部分，以抵抗压缩编码 及低通滤波的影响。 ( 2 ) 在频率域中加入水印可将水印分散到图像的全局，从而抵抗诸如剪切 之类的几何攻击。 ( 3 ) 频率域的能量分布集中，容易与h v s 相结合来决定嵌入水印的强度。 4 按照水印检测的方式可分为： 盲检测水印 水印的检测独立于原始图像进行，即水印的检测由含水印图像本身确定。 这种水印的检测可以在任何拥有检测环境的平台上进行，使用范围较广。但此 类算法仅利用选定图像的固有特征进行水印的嵌入和检测，这样在图像固有特 征被破坏时，水印检测较为困难，生成水印的鲁棒性较差。 非盲检测水印 水印的检测是在分析原始图像与含水印图像差别的基础上进行的，因而只 能由原始图像的持有者实现，而且由于原始图像是有限的，生成的水印难于被 伪造。同时对这样的算法，可嵌入水印的位置选择范围较大，能充分考虑到水 印的稳健性和不可见性，生成水印的稳健性较好。 5 按照密钥是私钥还是公钥可分为： 私有水印 私有水印只能被特定密钥持有人读取或检测，其他没有私钥的人无法读取 和检测水印信息。 公开水印 公开水印可以被公众提取或检测。通常来说，公开水印的安全性和强壮性 比不上私有水印，但公开水印在声明版权信息和预防侵权行为上无疑具有优势， 是水印发展的方向。 6 按照水印嵌入和提取时所使用的密码是否相同可分为： 对称水印 当水印嵌入与水印提取或检测过程所使用的密钥相同时，相应的水印( 算 武汉理工大学硕士学位论文 法) 称为对称水印( 算法) 。 非对称水印 当水印插入与水印提取或检测过程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) 。 2 1 2 数字水印的通用框架 数字水印技术可以分为嵌入算法和检测算法两个部分。图2 1 给出了一般的 水印嵌入算法。该系统的输入是数字水印、原始信号和一个可选的密钥。这里， 水印可以是任何形式的数据，比如数值、文本、声音、图象、三维网格模型等。 密钥可用来加强安全性以避免未受权方恢复和修改水印。图2 2 给出了一般的 水印提取过程。该系统的输入是已嵌入水印的信号、密钥以及原始信号，输出 的是水印。图2 - 3 给出了一般的水印检测过程。和提取过程相似，该系统的输入 是怀疑被嵌入水印的信号、密钥以及原始信号，通过确定一个阈值，判断该可 疑信号中是否含有水印。 图2 1 水印的嵌入算法 图2 2 水印的提取算法 1 2 武汉理= 大学硕士学位论文 2 1 3 数宇水印的应用 图2 3 水印的检测算法 数字水印产品虽然只是近几年才出现，但其应用前景和应用领域将是巨大 的，总的来说，数字水印技术有以下一些主要应用领域p j ： 1 版权保护：数字作品的所有者用密钥产生一个水印，并将其嵌入原始数 据。然后公开发布他的水印版本作品。当该作品被盗版或出现版权纠纷时，所 有者可从盗版作品或水印作品中获取水印信号作为依据，从而保护所有者的权 益。这要求水印必须有较好的鲁棒性、安全性、透明性和水印嵌入不可逆性【9 1 。 2 ，加指纹：为避免未经授权的拷贝和发行，出品人可以将不同用户的i d 或 序列号作为不同的水印( 指纹) 嵌入作品的合法拷贝。一旦发现未经授权的拷 贝，可以从此拷贝中恢复指纹来确定它的来源。这要求水印除了具有l 中的特 性外，还必须能防止串谋攻击( 多拷贝攻击) 等。 3 标题与注释：将作品的标题、注释等内容以水印形式嵌入该作品中。例 如，一幅照片的拍摄时间和地点等。这种隐式注释不需要额外的带宽，且不易 丢失。 4 篡改提示：当数字作品被用于法庭、医学、新闻及商业时，常需要确定 它们的内容是否被修改、伪造或特殊处理过。为实现该目的通常将原始图象分 成多个独立块，每个块加入不同的水印。为确定其完整性，可通过检测每个数 据块中的水印信号，可确定作品的完整性。与其它水印不同的是，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。 5 使用控制：一个典型的例子是d v d 防拷贝系统。1 9 9 6 年，美国电影协 会( m p a a ) 、消费电子产品制造商协会( c e m a ) 和部分计算机厂商联合成立 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 了国际版权保护技术工作组( c p t w g ) 来研究防止数字视频被盗版。在过去几 年，该协会已研制成功了d v d 防拷贝系统。1 9 9 7 年夏天，c p t w g 专门成立了 数据隐藏子工作组( d h s g ) 来评价当前的水印技术应用于防拷9 1 系统的先进性 和可靠性，希望引入数字水印技术。按照d h s g 的约定将有两类应用水印技 术的模块加入到d v d 防拷贝系统中，分别是记录控制与回放控制。它利用水印 的鲁棒性将拷贝管理系统( c g m s ) 数据保护起来，保证拷贝控制比特不会被轻 易除去，从而有效防止因消除有关数据而引起的非法拷贝。引入回放控制的优 点在于：如果盗版者成功地生成了不含内容加扰系统( c s s ) 密钥信息的非法 d v d r a m 拷贝，由于水印仍然存在于这一拷贝中，符合标准的光盘播放机将会 读出受水印保护的拷贝控制信息并根据r a m 盘片本身的特点做出拒绝回放的 判断。这样就将这种非法盘片的市场仅限制在那些拥有非标准播放设备的用户 中，而另一方面，这种设备不能播放合法的正版d v d 光盘，以此增强防拷贝系 统的抗破坏能力。现今世界各大知名公司如i b m ，n e c ，s o n y ，p h i l i p s 等，都 在加速数字水印技术的研制和完善。 2 2 二维数字水印的典型算法和攻击方法 2 2 1 二维数字水印的典型算法 目前的图象数字水印算法分为：空域，时域算法，频域算法，压缩域算法， 基于统计学的算法，利用人类感官生理模型的算法等。在这里我们给出近几年 图象数字水印算法的发展演变过程及其问的一些典型算法。 l 空域算法：文献f 5 8 】是第一篇在主要会议上发表的关于数字水印的文章， 其中阐明了关于水印的一些重要概念。此算法首先把一个密钥输入一个i n 序列 发生器来产生水印信号，然后排列成2 维水印信号，按象素点逐一插入到原始 图象象素值的最低位。由于水印信号被安排在了最低位上，它是不可见的，基 于同样的原因，它可以轻易地被移去，因此不够强壮。此文中还阐述了强壮水 印检测的通用方法相关性检测。如果指定的待检测水印与从被检测图象恢 复出的水印有足够的相关性，通常以超过某一阈值来衡量，我们就判定图象中 存在此水印。 2 文本水印算法：文献 6 0 】中描述了几种文本数据的水印方法。它们主要是 通过轻微改变字符间距，行间距或是增加、删除字符特征如底纹线等方法来嵌 武汉理工大学硕七学位论文 入水印。正如作者指出的那样，这些方法无法抵御攻击。攻击者通过把字符间 距、行间距进行随机化处理而破坏水印。一般来说，文本数据很难通过基于叠 加噪声的水印方法来嵌入信息，因为o c r ( o p t i c a lc h a r a c t e rt e c h n o l o g y ) 技术可 以消除它们。另外的途径是在符号级或语义级加入水印。例如，可以用b i g 替换 文本中的l a r g e ，不过这种方法仍然不能有效地抵御攻击。 3 基于统计学的算法：文献1 5 8 1 中描述的p a t c h w o r k 算法基于改变图象数据 的统计特性。作者指出，随机选取的两个象素点的差值是以0 为中心的高斯分 布，可以通过增加象素对中一个点的亮度值，同时减少另一个点的亮度值来改 变分布的中心。考虑到象素对所引入的水印频谱是高频噪声