（通信与信息系统专业论文）图像认证的数字水印技术研究.pdf

华东师范大学2 0 0 6 届硕士学位论文 图像认证的数字水印技术研究 摘要 随着计算机网络和通信技术的飞跃发展，数字媒体( 包括数字图像、数字视频、 数字音频) 己得到了广泛的应用，随之而来的数字媒体的信息安全、知识产权保 护和认证等问题也交得日益突出，己成为数字世界中的一个非常紧迫的重要议 题。数字水印( d i g i t a lw b t e 彻a r k i n g ) 作为传统加密方法的有效补充手段，是一种 可以在开放的网络环境下保护版权和认证来源及完整性的新技术，近年来己引起 了人们的高度重视，并己成为多媒体信号处理领域的一个研究热点。 本文对数字水印技术进行了全面的研究。 首先，介绍了数字水印的基本特征、原理、分类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。 其次，详细介绍了小波编码技术，讨论了零数编码的优缺点，并实现一个具 体的编码过程，然后吸取了嵌入零数小波编码的思想，将其运用到数字水印技术 中。 接着，分析了以往数字水印技术中阈值选取的局限性，结合入的视觉特征 旺s ) ，提出一种基于图象特征的自适应算法。 最后，提出了一种基于小波零数编码的自适应数字水印算法。以前基于小波 交换的水印算法中，低频系数总是被明显的排除在外，文中提出的算法首先查找 中、低频的重要系数，并在中、低频重要系数上进行水印嵌入。 实验结果证明。本文算法兼顾了嵌入水印强度的同时更好的保证了图像质 量，不仅能很好的结合人眼视觉系统，且对一般的图像处理如剪切、滤波和j p e g 压缩，都具有较好的鲁棒性。 关键词：图像处理、小波变换、数字水印、版权保护、图像认证、 人类视觉系统 v 华东师范大学2 0 0 6 届硕士学位论文图像认证的数字水印技术研究 a b s t r a c t a i o n gw i 也t h ec 唧u t e rn e 鼬k dm ec o m m l 】n i 垃o nq 1 1 i c k l yd e v e l o p h 备也ed i g i t a l m e d i a ( m c l u d i l l gd i g mi i n a g e ，d i 对【a lv i d e o ，d i g 蹦a u d i o ) o b t a i n e dt 1 1 ew i d e s p r e a d 印p l i c a 廿o n ， f o i l o w i i i gd i 舀t a lq u e 菇o n 蜘ds o0 nm e d i 墨缸f b 珊a t i o ns e c 埘铒i n t e 2 i e c 札8 ip r o p e r t y 堍 血 p r o t e c t i o n 锄d 耳u t h 酬c g 吐o np r o b l e m s 日l s od 哪零sd a yb yd a yp r o m i 曲n y ，a n db e c o m e s mm e d i g i t a lw o r l d 呲e x 盱e m e i y “谤斌i m p o r t a n t 钒l b j e c t 1 kd i 西t a lw 拙f l n 矗d 【i g i “w 船帆a r l c 蛐 鹊t b ee 丘b c 廿v es u p p l e m 髓t e 廿1 0 do ft h e 廿a d i t i o ne n c 唧廿0 1 1 ，i sa 他wt e c h r l o l o g yt l l a ：tm a y p t e c t 也ec 叩笋i g h t 柚dt h e 鲫曲e 埘c a i i o no r i g t mu n d e rm eo p e nn e 惭。呔酬r o n m 喊i i lr ：e c e n t y e a r s i th a d 出e w m o r ea n dm o r e 碰e 曲o n o f p e o p l e ，衄d h a db e c 锄ear e s e a r c hh o ts p o t0 n t h e m l l l 廿m e d i a s i 醋a lp r o c e s s i n gf i e l d t 1 1 i s 删c l eh c o n d l l c t c d 也ec o m p r e h e n s i v er e s e a 础t 0t 1 1 ed i 西t a lw a t e m 出t e c h n o l o g y f i r 瓯i n t r o 出k e d 也ed i 舀t a lw 砷啪n a r kb 鹊i cc b 甜a 曲：r i s 廿c ，t h ep r i n c j p l e ，c l 嬲s i f i e da sw e i l 鼬 血ep r e s e n td o m e 嘶c 蛆df o i g nr e s e a r c hs i t 嘶0 n d 毫oo n 也eb i cq u e s t i o 玛i n d u c e s 也e d i g i t a lw a t e n n a r ks y s t e m 丘叫1 e ，s 皿m a r i l yi 办打o d l l c e dt h ep r e s e n tc o m m o nd i g i 乜1w a 主e n n 缸k a 培o r i 血m n e 硪，i nd e t a i li n 乜o d u c e dt 1 1 ew a v e l e te n c o d i n gt e c b n d l o g y ，m s c u s s e d 伍e 丑e r ot r e ee n c o d i 】唱 g o o da n db a dp o 鼢，a n dr 嘲i z e sas p c c i e n c o d i n gp c e s s ，也e na b o r b e d 卸咖e d d e dz e t r e e w a v e l e te n c o d h g u 9 1 吨u m i di ti i l 也ed i 豇c a lw a t 锄a r kt e c b n o l o g y a f t e rt 1 1 呜h 嚣托a l y z e di nt l ef o n n c rd i g i t a lw a t e n n a r k 把c i l n o i o g yt h et h r e s l l o l d 、训u e s e l e c d o nl i m 溉吐o n ，c 曲m e sh u m 蛳v i s l l a ls y s i c m ，s ) ，p r o p o s e so n ek i n d b 硒e d0 nt h ei n l a g e c h 啪c t e r i s t i ca u t o - a d a p t e da 1 9 0 f i n l m f 砌i y ，p r o p o s e do n e 妯咀b 拈e do nt h ew a v e i e t 髓r o 讹ee n c o d m g 观b a d 8 p t e dd 鳓【 w a t e i 工n a r ka ：【g 商t l l m b e f o r eb 船e do ni i lt h e 删e l e t 仃髓s f o m l 甜i o nw a t e 加1 a r ka l g o r i f h m ，t 1 1 el o w 如q u e n c yc o e 丘| c i 跗ta l w a 粥b yo 晰o i i sr e m 删i n 岫i d e ，t h ea j g o r i t l l n lw i l i c hnm ea m d e p r o p o s e df 酏ts 删妫e d 血e1 0 w 缸dm i d m e 丘e q u e n c y 衄p o r 锄tc 每c i e 咄m e n 咖b e d d e d 也e w 孤e 蛐a r ki 奶吐l cl o wa n d 蒯d i e 盘w u e n c yi 珏j p 。砌mc o e 煎c i e 珏t ， t h ee x p e r i m 如诅li e s l l l tp r 0 v e dt 1 1 她t 量1 ea l g 删t 1 1 mk e p t 增w a t 锄a r kr o b l l s 扛l e s sa tt h es a m e t m 地g u a r a 舭ei m a g eq u a 垃坼0 t 锄l ya d a p t e dt oh 哪姐v i s u a ls y s t e i n ，a l s oh a dag o o d r o e s st og e n e r a l 皿a g ep r o c 嚣s i l l g1 i k c c l i t d n g ，6 n e 曲g ，s m o a m m g ，p b 呔m g 跚dj p e g c o n 坩佗s s i o n k e yw o r d ： w a v e l e t 廿姐s f o 助撕o n ， d i g i t a lw 。【t e m a r k ，i n l a g ea u t h e n 畦c 鲥o ，h v s ， i 1 1 1 a g ep r o c e s s i n g ，c o p y r i g h tp r o t e c t i o n 华东师筢大学2 0 0 6 届硕士学位论文 图像认证的数字水印技术研究 m a y 2 0 0 6 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究傲出重要贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：盟三退： 日期：塑! ：! ：2 学位论文使用授权声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保 留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质舨。有权 将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有 权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要 汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 学位论文作者签名：坷于循、 导师签名：二彩豪k 日期：圭盟，! ：2日期：坦! ! ! ! 歹 华东师范大学2 0 0 6 届硕士学位论文 图像认证的数字水印技术研究 第一章绪论 1 1 课题背景及实际应用 随着信息时代的到来，特别是i i l t e m e t 的普及，信息的安全保护问题日益突出。 以前人们常常认为信息安全的实现可以通过加密来完成。但是采用传统密码学理 论开发出来的加解密系统，不管是对称密钥系统( 如d e s ) 还是安全性更高的公开 密钥系统( r s a ) ，对于机密文件的处理都是将其加密成密文，使得在网络传递过 程中出现的非法拦截者无法从中获取机密信息，从而达到保密的日的。但是这种 方法有一个很明显的不足，经典加密技术往往把一段有意义的信息( 明文) 转换成 看起来没有意义的东西( 密文) ，它明确地提示攻击者哪些是重要的信息，容易引 起攻击者的好奇和注意，从根本上造成了一种不安全性。并且密文有被破解的可 能性，而一旦加密文件经过破解后其内容就完全透明了。即使攻击者破译失败， 他们也可以将信息破坏，使得即使是合法的接收者也无法阅读信息内容。另一方 而，加密后的文件因其不可理解性也妨碍了信息的传播。采用加密技术的另一个 潜在缺点是，随着电脑硬件的迅速发展，以及基于网络实现的具有并行计算能力 的破解技术的日益成熟，加密算法的安全性受到了严重挑战，仅仅通过增加密钥 长度来达到增强安全性己经不再是唯一的可行方法。由于计算机的急速发展，计 算能力正以更快的速度在增长，所以，仅仅依靠密码学己经不能完全解决信息安 全问题。 为解决这个问题，国际上开始提出并尝试一种新的关于信息安全的概念，开 发设计出一种不同于传统密码学的技术，即将机密资料信息秘密地隐藏于普通的 文件中，然后再通过网络传递散发出去。这样非法拦截者从网络上拦截下来的伪 装后的机密资料，并不像传统加密过的文件那样是一堆乱码，而是看起来和其他 非机密性的一般资料无异，因而十分容易欺骗非法拦截者。这一点是传统加解密 系统所欠缺的，也是信息隐藏( i n f o m m t i o nh i d i n g ) 基本的思想。所谓的信息隐藏 或更严格地称为信息伪装( s t e g a n o 铲a p h y ) 意思就是将秘密信息秘密地隐藏于另 一非机密的文件内容之中。 信息隐藏目的的不在于限制正常的资料存取，而在于保证隐藏的信息不引起 攻击者的注意和重视，从而减少被侵犯的可能性，在此基础上再使用密码学中的 经典方法来加强隐藏信息的安全性。另外，信息隐藏还要考虑隐藏的信息的免疫 能力，即在经历各种环境、攻击及操作之后免遭破坏的能力。通常，在一个载体 宿主中可以隐藏的数据量与其抵抗攻击的能力是一种矛盾，不存在两全其美的最 华东师范大学2 0 0 6 届硬士学位论文图像认证的数字水印技术研究 优算法，只能根据实际问题而有所侧重。 以信息隐藏( 伪装) 技术为核心技术的信息安全就是伪装式信息安全。伪装式 信息安全技术和传统的密码技术的区别在于密码仅仅隐藏了信息的内容，而信息 伪装不但隐藏了信息的内容而且隐藏了信息的存在。伪装式信息安全技术提供了 一种有别于加密的安全模式，其安全性来自于对第三方感知上的麻痹性。在这一 过程中载体信息的作用实际上包括两个方而：( 1 ) 提供传递信息的信道；( 2 ) 为隐藏 信息的传递提供伪装。应该注意到，传统的以密码学为核心技术的信息安全和伪 装式信息安全技术不是互相矛盾、互相竞争的技术，而是可以相互补充的技术， 它们的区别在于应用的场合不同，对算法的要求不同， 但可能在实际应用中需要互相配合。 1 2 应用前景及需求分析 图像认证在许多方面都有着广泛的应用前景。在数码相机拍摄新闻图片的时 候，在相机中嵌入一个含认证算法的芯片，将有效保证所拍摄的新闻图片的真实 性和可靠性；在医疗上，它可以保证数字化后的医疗图片的真实性，作为处理医 疗纠纷依据；它还可以用在电子商务或者电子政务方面；或作为法庭的证据和应用 在军事图像上。 就具体的认证水印方案来说，如果对各种各样的应用都用同一种方案，那将 是非常困难的。我们针对对于不同的应用情况，不同的需求，把认证水印分为脆 弱水印和半脆弱水印。脆弱水印要求最大限度的不影响原始图像质量，并且能够 检测并定位到图像发生的任意改变。而半脆弱水印则可以容忍图像有一定程度的 改变，但是也不能影响到图像的主要内容。脆弱水印适用于那些对图像质量和图 像真实性要求较高，如专业摄影，电子证据，新闻照片等场合：而半脆弱水印主 要应用于需要进行有损压缩的场合，主要有当图片需要在i n t e m e t 上传输时，需 要归档处理的医疗图像资料等。 e u g e n et l i l l a l l de j d e l p 在文献【1 】中对认证的技术所应有的一般性特点作了 一个总结： 1 能够检测对图像所作的篡改。 2 嵌入的水印信息应该是不可见的。 3 检测过程不需要原始图像。 4 能够定位篡改并描述变化的特征。 5 水印信息在图像剪切以后应该仍然能够被检测。 6 由不同密钥决定的水印信息在水印检测过程中应该是正交的。 2 华东师范大学2 0 0 6 届硕士学位论文 图像认证的数字水印技术研究 7 密钥空间应该足够大。 8 水印密钥应该很难被逆向推导出来。 9 算法应该能够很好的抵抗伪造攻击，即未被授权者嵌入合法的信息是几 乎不可能的。 1 0 算法应该能够抵抗正常的有损压缩算法，如j p e g 等。 总的说来，现在已经提出的水印认证算法中，并没有能够同时满足上述所有 要求的。他们所共有的问题表现在以下几点： 1 抗伪造攻击的能力弱。 2 没有针对具体的实际应用来设计算法，很多仅仅是理论上的分析，导致 了算法的实用性差。 3 很多算法从适用于版权保护的鲁棒水印脱胎而来，并不适合认证的具体 情况。 就大部分半脆弱水印算法而言，它允许图像有一定程度的修改，通过设定阈 值的方法来决定该图是不是合法。或者给出该图是合法图的可能性的大小，但是 这种可能性并不能作为实践中的判据。虽然这些算法都有各自的特点，但是离能 够实用还有一段的距离。而所提出的脆弱水印算法，或者不是对图像全部内容的 认证，从而给攻击者以可乘之机，或者在被攻击者了解了其所用算法的情况下， 能够伪造水印进行攻击，因此也不能实际应用。 1 3 研究现状 9 0 年代以来，对数字水印的研究兴趣在不断的增长。1 9 9 8 年的国际图像处 理大会上，还开辟了两个关于数字水印的专题讨论；国际光学工程学会( s p i e ) 从 1 9 9 9 年起，每年召开一次多媒体信息安全与数字水印大会，其会议的论文主要 是关于数字水印技术方面的文章。目前，剑桥大学、i b m 研究中心、n e c 美国 研究所、麻省理工学院等都进行了广泛深入的研究。 v a ns c h y n d e l 【引在i c i p 9 4 上发表了题为“a d i g i t a lw 岫肌酞”的文章，它是 第一篇在主要会议上发表的关于数字水印的文章，其中阐明了一些关于水印的重 要概念和鲁棒水印检测的通用方法一一相关性检测。此算法首先把一个密钥输入 一个m - 序列( m a x 妇哪1 e n g t l l 啪d o ms e q u e n c e ) 发生器来产生水印信号，然后此 m 一序列被重新排列成2 维水印信号，按象素点逐一插入到原始图像象素值的最 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，因此不是鲁棒的。p a t c h 啪收算法【3 】中描述的p a t c h 啪他算 法基于改变图像数据的统计特性。该算法随机选取的n 对象素点通过增加其一 华东师范大学2 0 0 6 届硕士学位论文 图像认证的数字水印技术研究 个点的亮度值，相应降低另一个点的亮度值。通过这一调整来隐藏信息。为增加 水印的鲁棒性，文中把象素对扩展为小块的象紊区域( 如8 8 ) ，增加一个区域中 的所有象素点的亮度值而相应减少对应区域中所有象素点的亮度值。该算法嵌入 码低，对串谋攻击抵抗力弱。黄继武等【4 】例提出一种d c t 域数字水印算法：首先 把图像分成8 8 的不重叠象素块，经过分块的d c t 变换后，得到由d c t 系数 组成的频率块。随机选取一些频率块，水印信号嵌入到由密钥控制选择的一些 d c t 系数。该算法对选定的d c t 系数进行微小变换以满足特定的关系，来表示 一个比特的信息。在水印信号提取时，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。其思想类似于扩展频谱通讯中的跳颓( 雠q u e n c yh o p p i n g ) 技术，特点是数据改变幅度较小，透明性好，但是其抵抗几何变换等攻击的能力 较弱。基于d f t 和d 、t 算法与上述算法具有相似的原理 6 】。h a 咖n g 提出了一 种针对m p e 0 2 压缩视频数据流的数字永印方案。e g 2 数据流语法中允许用 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m p e g 2 编码视频数据流中增加用户数据会 加大位率，使之不适用固定带宽的应用。所以关键是如何把水印信号加到数据信 号，即表示视频帧的数据流中。对于输入的m p e g 2 数据流而言，可分为数据 头信息、运动向量( 用于运动补偿) 和d c t 编码信号块三部分，h a n l m g 方案只有 最后一部分数据被改变。对d c t 编码数据块中每一输入的h 1 l m n 孤码进行解码 和逆量化， 导到当前数据块的一个d c t 系数，然后把相应水印绩号块的变换系 数与之相加，得到水印叠加的d c t 系数，再重新进行量化和h u 位n a n 编码。 对新的h u 伍m 妣码字的位数n 1 与原来的无水印系数的码字n 0 进行比较，只 在n 1 不大于n o 的时候才传输水印码字，否则传输原码字。这就保证了不增加视 频数据流位率的限制，有一个问题值得考虑，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，所以作者 采取了漂移补偿的方案来抵消水印信号的引入所引起的视觉变形。由n e c 实验 室的c o x 等人p 删提出的该算法在数字水印算法中占有重要地位。实现方法 是：首先以密钥为种子产生伪随机高斯分布n ( 0 ，1 ) 序列，密钥一般由作者的标识 码和图像的哈希值组成。然后对图像做d c t 变换，用伪随机高斯序列调制( 叠加) 该图像除直流( d c ) 分量外的1 0 0 0 个最大的d c t 系数中。该算法具有较强的鲁棒 性、安全性、透明性等，由于采用特殊的密钥，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：水印信号应该嵌入源数据中 对人的感觉最重要的部分；水印信号应该由具有高斯分布n ( o ，1 ) 的独立同分布随 机实数序列构成。入的生理模型包括人类视觉系统h v s ( h u m a nv s 、试s y s t e m 、 和人类听觉系统h a s 。该特性不仅被多媒体数据压缩系统所利用，同样可以供 4 华东师范大学2 0 0 6 届硕士学位论文 图像认证的数字水印技术研究 数字水印系统所利用。利用视觉模型，黄继武、易开祥等吲【1 0 1 实现了一个基于分 块d c t 框架的数字水印系统，韦志辉等【1 1 1 实现了一个基于小波分解框架的数字 水印系统。它们的基本思想是利用从视觉模型导出的描述来确定在图像的各个部 分所能容忍的数字水印信号的最大强度，从而避免破坏视觉质量。也就是说利用 视觉模型来确定与图像相关的调制掩模来插入水印。这一方法同时具有好的透明 性和鲁棒性。 1 4 论文的主要工作和内容安排 本文重点研究基于嵌入小波零树编码的数字水印技术。研究了小波变换理论 和基于人类视觉系统( h v s ) 的数字水印的统一模型和理论框架，将小波变换理沦 应用于数字水印技术领域，分析了以往数字水印技术中闽值选取的局限性，提出 一种新的自适应性算法。 全文共分五章，各章内容概述如下； 第一章绪论。介绍了数字水印技术的基本概念和原理，包括数字水印的意 义、分类、特性、主要应用和评价方法。总结论述了数字水印技术的研究现状和 发展趋势，提出了本文所要研究和解决的主要问题。 第二章数字水印技术的基础知识。较为详细的介绍了数字水印技术的历史 发展、研究现状、数字水印的分类、典型的算法及常见的几种攻击方法。 第三章小波分析理论。介绍了多分辨率分析、尺度函数、小波变换的定义、 小波变换的m a l l a t 算法，图像的小波变换以及信号的小波分解等内容。 第四章基于小波零树编码的自适应数字水印算法。深入研究了嵌入小波零 树编码技术，然后将零树编码的思想引入到数字水印中，提出一种新的嵌于中、 低频重要系数的水印算法。结合人眼的视觉特性( 壬v s ) ，提出了一种基于图像特征 的自适应性水印算法，根据提取的宿主图像的特征参数，对各予块进行分类，从 而自适应性地决定闽值的选取。 第五章总结。总结全文，提出论文不足之处及下一步工作努力的方向。 华束师范大学2 0 0 6 届硕士学位论文图像认证的数字水印技术研究 第二章数字水印技术的基础知识 2 1 数字水印系统的通信模型 数字水印系统与通信系统有相似之处，它们的共同目标是：将某些信息引入 到一个媒介中( 或信道) ，然后再尽可能原样提取，水印的嵌入器可以看作通信系统 的发射机，而水印检测器为接受机，原始信号则为通信信道。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 传输设各的制约，通常有最大均值或峰值功率限制，数字水印系统中，入限不能辨 别被嵌入的水印信号。 信道容量的概念也可以应用到数字水印中】，换句话说，在可靠性要求下，原 始信号中可以容纳多少比特的信息，直观的看，不是所有的原始信号都可以嵌入 相同的信息量，正如不能在亮度低的图像中嵌入信息量较大的水印，因为图像稍 微改变就会被人眼察觉，而在含有复杂纹理的图像中插入较大水印却不会被发 现，水印系统与传统的通信系统也有许多不同的地方，主要的不同点在于嵌入水 印的信号不仅可以抗失真，还可以抵御破坏水印的恶意攻击，这点在军事上得到 了广泛的应用，另一个不同点在于水印嵌入系统比通信系统知道更多的信道信 息，这些重要的信息可以很大程度上提高系统的性能，尽管两者之间存在着这些 不同的地方，但是用通信系统来比拟水印系统是设计水印算法的有效工具。 2 2 数字水印系统基本框架 ( 1 ) 水印嵌入c e i n b e d d i n g ) 水印的嵌入过程需要解决两个问题：一是水印信号的生成，水印可以是一串 伪随机数，也可以由与作者、版权有关的字符串、图标等信息经加密产生：二是 嵌入算法，目标是使水印在隐蔽性和鲁棒性之间找到一个较好的平衡。 目前大多数水印方案都采用了密码学中的加密体系( 公钥私钥) 来加强水印 的保密性能，有时甚至多种密钥联用。通过密钥的运用，信息的非所有者就更加 难以提取到数字媒体中的水印，给攻击者增加了去除、伪造水印的难度，从而保 证水印信息的安全。 定义2 1 令i 为原始载体信息，w 为水印信号，k 为密钥，则由编码函数f 得到处理后的水印：w = f ( i ，w k ) 定义2 2 令i 为原始载体信息，水印码为w ，嵌入算法为e ，则嵌入水印后的 载体信息i = e f i ，w 1 通过嵌入算法将水印信号添加到原始数据中的处理过程见图2 1 通过嵌入算法将水印信号添加到原始数据中的处理过程见图2 1 华东师范大学2 0 0 6 届硕士学位论文图像认证的数字水印技术研究 图2 ，l 水印嵌入模型 ( 2 ) 水印提取( e x 仃a 【c t i o n ) 水印提取是嵌入的逆过程，该阶段需要解决的重点问题是水印提取算法，即 从含有水印的载体中获取原始水印信号( 如字符串或图标等版权标记) ， 定义2 - 3 已知原始载体信息i ，待检测载体信息为i ，密钥为k ，水印提取算 法d ，则提取出的水印为： w = d ( i ，i ，k ) 或 w = d ( 1 ，k ) ( 盲检) ， 具体的水印提取过程见图2 2 图2 2 水印提取模型 ( 3 ) 水印检测( d e t e c t i o n ) 检测是基于统计原理进行的，设计检测方案的目标是使错判与漏判的概率尽 量小。通过分析待检测载体中数据的统计和分布特性，并设定决策阈值进行判断 得出结论，检测过程见图2 3 定义2 4 令水印信号w ，提取出的永印w ，密钥k ，决策阅值s ，水印检测 函数c ，则 c ( ww ，k ，s ) - 1 水印w 存在 0 水印w 不存在 华东师范大学2 0 0 6 届硕士学位论文 图像认证的数字水印技术研究 f 臂捡时不骚 图2 3 水印检测模型 2 3 数字水印的分类 数字水印的三要素是，数字水印本身的结构、加载( 嵌入) 数字水印的位置或 者说加载数字水印的策略和数字水印的检测。水印的结构一般包括两部分，一是 水印所含的具体信息，如版权所有者、使用者等信息：二是伪随机序列或类噪声 序列以标识水印的存在与否。大多数水印方案的水印结构仅包含其中之一，这和 数字水印的实现方法即使用场合有关。而数字水印的具体检测方法通常都采取直 接检测或相关检测方法，也有采用最大后验概率检测的数字水印方案。数字水印 方法的性能相当程度上取决于所采用的加载( 嵌入) 策略及方法。 一、从加载域上分类 1 空域数字水印 较早的数字水印算法从本质上说都是空间域上的，数字水印直接加在数据 上，这还可细分为如下方法： 1 ) 最低有效位法 这是一种典型的空间域数据隐藏方法，由t i r k e l 等人【2 0 1 提出。该方法是利 用原始图像的最低几位来隐藏信息的。l s b 方法的优点是：有较大的信息隐藏量。 但是，采用此方法实现的数字水印是很脆弱的，数字水印很容易被擦掉或绕过。 2 ) pa _ c c h w o r k 方法及纹理块映射编码方法 这两种方法是b 如d e r 等【2 1 1 提出的。p a c h w o r k 方法是一种基于统计的数字 水印。该算法的隐藏性较好，并且对有损的j p e g 压缩、滤波和扭转等操作有抵 抗能力，但是仅适应于具有大量任意纹理区域的图像，而且不能完全自动完成。 p i t 嬲和k a s k a l i s 利用“p a b 出啪r k ”算法的基本思想。提出了数字图像签名的恩 3 华东师范大学2 0 0 6 届硕士学位论文 图像认证的数字水印技术研究 3 1 文档结构微调法 b m s s i l 等人1 首先提出了三种通用文档图像中隐藏特定二进制信息的技 术，数字水印信息通过轻微调整文档中的上下结构来完成编码。基于此方法的数 字水印可以抵抗一些文档操作，如照相和扫描复制。但是也很容易被破坏，而且 仅适合用于文档类图像。 4 ) 量化法 i m 1 u ，w h e l l 和w b m e l l 提出了量化水印算法，这种算法的关键是量化器的 设计必须满足给定的限制条件，以保证对每一个量化器重构数据都远离重构点。 性能分析表明，这类水印算法好于利用标准扩频调制原理但忽略水印权重设计的 水印算法。 2 变换域数字水印 在交换域中可以嵌入大量比特数据而不会破坏宿主数据的使用价值，以往采 用扩频技术在交换域中隐藏数字水印信息。变换域水印是数字水印算法未来趋势 的主流，因为： 第一，在变换域中嵌入的水印信号能量可以分布到空域的所有象素上，有利 于保证数字水印的不可见性。 第二，基于变换域的数字水印方案中，h v s 的某些特性( 如频率特性1 可以更 方便的结合到水印编码过程中。 第三，变换域的数字水印方案可以和国际数据压缩标准相兼容，从而实现在 压缩域( c o m p r e s s e dd o m a 的水印算法。 变换域数字水印技术一般基于常用的图像变换，可以是基于局部变换或全部 的变换，如离散余弦变换( d c t ) 、小波变换( d w d 、傅氏交换( d f d 等。 1 ) d c t 域数字水印 其中基于分块d c t ( d i s c t e t ec o s 纽et r a n s 溉1 ) 变换是最常见的变换之一，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 变换的。最早的基于分 块d c t 数字水印技术方案是由一个密钥随机地选择图像的一些分块，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。该数字水印算法对有损压缩 和低通滤波是稳健的，h s u 和w 【“”1 把图像进行g 8 的d c t 变换，然后，将 一个二进制序列作为水印嵌入到d c t 的中频频带系数中。b a r f l i 等人1 则计算 整个图像的d c t 变换，然后，将一个实数序列嵌入到d c t 的中频系数中，p i v a 等人m l 描述了另一种d c t 域水印算法，此算法利用了人类视觉掩蔽特征。 c o x 等人【3 0 】提出基于图像全局变换的数字水印算法。他们的重要贡献在于： 明确的提出加载在图像的视觉敏感部分的数字水印才具有较强稳健性。该算法不 仅在视觉上具有数字水印的不可见性，而且稳健性非常好，可以经受有损的j p e g 压缩、滤波、d a 和a 巾转换及重量化等信号处理，也可以经受一般的几何变 华东师范太学2 0 0 6 届硕士学位论文 图像认证的数字水印技术研究 形如剪切、缩放、平移及旋转等操作，对照相复印和扫描复印等处理也具有较强 的稳健性。 2 1 d w t 域数字水印 d w t 域方法由于d w t 良好的空间一频率分解特性( 更符台h v s 的特点) 和 成为新一代的图像压缩标准而有十分良好的前景。x i a 等提出了一种在 d w w d i s c t e t ew a v d 毗t r a n s f b 皿) 域实现的数字水印方法，其优点是稳健佳好和 层次性的检测方法：s 、 ，a n s o n 等利用时域小波变换和频域掩蔽性相结合，实现了 多分辨率视频水印；l ，u 1 1 d u r 【3 l ”2 1 的方法则把信息融合的思想引入到d w t 域水印 的实现中，并对签名矩阵作小波变换。然后叠规烈原始图像的小波变抉系数 上；w 抽g m l 等提出了基于小波变换的盲数字水印的算法，他是通过搜索图像中的 感知性强的系数所对应的小波系数来嵌入水印。 3 1 d f t 域数字水印 目前最具代表性的d 耵( d i r d t ef o l l r i c rt r a n s f 0 咖) 域的水印算法是由 n a i d l l 等人提出的两个水印算法： 一个算法是把水印嵌入到图像的d f t 系数的相位信息中，其算法的依据 是h 研髂煞结论：从匿像能可理解性急度。相位信息比振幅信息更重要。他对圉 像d f t 的幅值和相位成分的相对重要性以及它们对图像的影响进行了研究，结 果表明相位成分比幅值成分更重要，因此考虑将水印放在图像d f t 的相位成分 中。在图像d f t 相位成分中嵌入水印，还有两个好处：第一，对图像篡改具有很 好的鲁棒性。因为水印中包含的核心信息的编码几乎总是高度冗余的，若要蓄意 攻击破坏水印，则蓄意攻击造成的背景混乱和相位失真必须充分大，这必然会引 起不可接受的图像质量下降，影响图像的使用价值；第二，从通信理论角度来看， 相位调制比幅度调制具有更好的抗噪声特性。 另一个算法，即将数字水印嵌入到图像d f t 系数的振幅信息中，其算法 的理论基础是：第一，雹像的趼t 振福系数包含很少琵像的信息，信怠大部分包 含在d f t 的相位系数中，对包含很少图像信息的d f t 振幅系数进行变换得很小 的嫡值，从而产生很小的自身噪声。因此，忽略d f t 变换的相位系数，可咀大 大减少图像相交换而产生的自身噪声；第二，因为d f t 变换的振幅系数对于一幅 图像的视图效果有很小的重要性，所以，可以期望好的压缩算法来保存好d f t 的相位系数，而对d f t 的振幅系数就显得不很重要了( 在所有的压缩方案中，同 时保存了d f t 的相位和振幅系数) 。利用此结论可能得到更高的信噪比；第三，嵌 入到d f t 系数的振幅中的一些水印算法实现了水印的平移、旋转和尺度拉伸不 变性。 二、从应用目的上分类 1 用于版权保护的数字水印一鲁棒水印( r 0 b u s d 。 2 用于多媒体内容真实性鉴定的水印一脆弱水印( f r a g i l e ) 。 3 ，用于辅助标识多媒体内容有关消息的水印一标识水印( a 船o t 趟。吣。 三、从外观上分类 华东师范大学2 0 0 6 届硕士学位论文 图像认证的数字水印技术研究 数字水印从外观上可分为两大类：可见数字水印和不可见数字水印。 1 可见水印( v i s i b l ed i g i t a l 啪t e 瑚a r k i n g ) ，目的主要在于明确标识版权，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。 2 不可见水印( i n v i s i b l ed i g i _ t a lw a t e r i n 砌洫g ) 在视觉上是不可见的( 严格说是 无法察觉) 。目的是为了将来作为起诉非法使用者的证据，从而保护原创者和所 有者的版权。以上提到的变换域数字水印基本上是不可见数字水印。不可见数字 水印根据其稳健性可再细分为稳健不可见数字水印( i n v i s i b l e r o b u s td i g i t a l w a t e 衄a r k ) 和脆弱不可见数字水印( i v i s i b l e 丹a g i l ew a t c 锄a r k ) 。 1 1 稳健不可见数字水印插入图像不会引起通常观察下可发现的缺陷，它必须 能经受一般信号处理。它在验证一幅被盗用的图像时是十分管用的。 2 ) 脆弱不可见数字水印的特点是嵌入水印图像经图像处理后，所加载的数字 图像或数字水印就会被改变或毁掉。脆弱不可见数字水印往往用在证明图像的真 实性，检测或确定图像的内容被篡改等方面。 四、从加载方法上分类 首先，建立加载数字水印和检测数字水印的数学模型。i 代表一幅图像，s 代表数字水印中的信息， 下关系成立： i 是加载数字水印后的图像， ( i ，s ) = i e 是编码函数，对e 有如 ( 2 5 ) 解码函数d 从数字图像j 中提取数字水印或者是数字水印证据s ，图像可以 是一幅有数字水印或没有数字水印的图像，也可以是遭到破坏的含有数字水印的 图像。如果解码方法中需要参考原始图像i ，则有下式成立： d ( j d ；p ( t )( 2 - 6 ) 其中，p 表明图像j 中有数字水印t 存在，当p ( t ) = t 时，解码中可以简化 为仅返回提取的数字水印图像t 。如果解码过程不需要i ，则解码过程可表达为 d ；p ( t ) 。当p ( t ) t 时，提取的数字水印t 同所有者的数字水印s 通过一比 较函数e 相比较，比较函数输出一个二进制的判决结果以表明输入两者之间匹配 与否。 啪印2 盐蒜 亿，、 这里，f 是数字水印t 和s 之间的相关。因此，不失一般性，一个数字水印 方案可表示为一个三元组( e ，d ，r ) ，其中对任何图像i 和任何可允许的数字水 印s 都有d ( e ，( i ，s ) ) = s 成立。 数字水印方案( ，d ，r ) 是可逆的，如果对任何的图像i ，存在映射，满 足条件： ( 2 8 ) 华东师范大学2 0 0 6 届硕士学位论文 图像认证的数字水印技术研究 1 ( t s ) = ( i ) ； e ( i ) ，s ) = 1 ； ( 2 9 ) ( 2 - 1 0 ) 其中，一- 是可计算的映射，s 属于允许的数字水印集合，图像i 和图像i 视觉 上是相似的。否则，该数字水印方案就是非可逆的。一1 被称为逆映射，( i ，s ) 是图像i 在e 之下的逆映射集合成员之，也就是说，如果图像i 在e 下的一个 逆图像是可以计算的，则数字水印方案( e ，d ，e ) 是可逆的。 五、从检测方法上分类 1 秘密和公开数字水印方案 在检测数字水印时，如果有d p ，1 ) = p ( t ) 成立，即检测中需要考虑原始图像 i ，则这类数字水印方案被c o x 等称为秘密数字水印方案。反之，如果有d ( j ) = p ( t ) 成立，即检测中无需参考原始图像i ，则这类数字水印方案被称为公开数字水印 方案。 2 私钥和公钥数字水印方案 在密码学中，密码算法根据密钥的不同分为私钥算法和公钥算法。类似的， 数字水印算法也可根据用户密钥的不同分为私钥( s e c r e t k e y ) 数字水印和公钥 q ) u b l i c - k e y ) 数字水印。 私钥数字水印方案在加载数字水印和捡测数字水印过程中采用同一密钥，因 此需要在发送和接受双方中间有一安全通信通道以确保密钥的安全传递。而公钥 数字水印则在加载和检测数字水印的过程中采用不同的密钥，只有所有者才可以 进行加载或插入数字水印，但可由任何人进行数字水印的提取和检测。 六、按载体上分类 1 静止图像数字水印方案 这是目前讨论最多的数字水印方案。静止数字水印主要是利用图像的冗余信 息和h v s 的特点来加载数字水印的。 2 视频数字水印 视频数字水印目的是保护视频产品和节目的制作者的合法权。视频数字水印 应满足实时性要求，并且应能处理连续阵列。 3 声音数字水印 声音数字水印可以保护声音产品，如c d 、广播电视的节目内容等。其主要 利用音频文件的冗余信息和h a s 他m a i la u r a ls y s t e m ) 的特点来加载数字水印。 1 2 华东师范大学2 0 0 6 届硕士学位论文 图像认证的数字水印技术研究 4 文档数字水印 这里的文挡是指图像文档。文档数字水印基本上是通过轻微调整文档中的结 构来完成数字水印信息编码。文档数字水印所用的算法一般仅适应于文档类图 像，且稳健性较差。 2 4 数字水印的应用领域 水印系统要满足的条件总是建立在应用基础上的，不同的应用有时对某些 性能的要求相差很大。所以在研究水印的性能时，必须充分研究应用目的与环境。 目前数字水印的主要应用有一下几种。 1 版权保护：即数字作品的所有者可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 者即可利用图2 3 的方法从盗版作品或水印版作品中获取水印信号作为依据，从 而保护所有者的权益。 2 用于盗版跟踪的数字指纹：为避免未经授权的拷贝制作和发行，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中。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 标题与注释：即将作品的标题、注释等内容( 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，通常可将原始图像分成多 个独立块，再将每个块加入不同的水印。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。 5 使用控制：这种应用的一个典型的例子是d v d 防拷贝系统，即将水印信息 加入d v d 数据中，这样d v d 播放机即可通过检测d v d 数据中的水印信息而判 断其合法性和可拷贝性。从而保护制造商的商业利益。 2 5 数字水印的检测理论 数字水