（控制理论与控制工程专业论文）基于分数阶傅立叶变换的数字水印算法研究.pdf

华北电力人学硕+ 学位论文摘要 摘要 随着网络技术和多媒体技术的飞速发展，数字产品的应用越来越广泛，信息安全问 题逐渐受到人们的关注，其中数字产品的版权保护成为一个迫在眉睫的问题。数字水印 技术是实现版权保护的有效办法，已成为信息安全研究领域的一个热点。以分数阶傅立 叶变换理论为基础，本文在以下几个方面进行了研究：( 1 ) 分析了分数阶傅立叶变换 理论及其快速算法。( 2 ) 提出了一种基于分数阶傅立叶变换和纹理特征的数字水印算 法。( 3 ) 结合多参量离散分数阶傅立叶变换理论，提出了基于m p d f r f t 的数字水印算 法。仿真实验结果表明两种算法很好地实现了水印的隐藏，并具有较好的鲁棒性和安全 性。 关键词：数字水印，分数阶傅立叶变换，肝d f i 唧，鲁棒性，安全性 a b s t r a c t w i mt h ed e v e l o p m 印to fm en 酏阳r k 弛dt h em u l t i m e d i at e c h n o l o g y ，t l l ea p p l i c a t i o no f t l l ed i 百t a lp r o d u c ti sm o r e 锄dm o r ew i d e t h ei n f 0 彻a t i o ns e c u r i t yb e c o m e sn l ec o n c e n li n p e o p l e sl i f e e s p e c i a l l y t h ec o p y r i g h tp r o t e c t i o no fd i 百t a lp r o d u c th a sb e c o m ea nu l 苫e n t p r o b l 锄d i 舀t a lw a t e n t l 砌d n gt e d f l i l 0 1 0 9 yi s 肌e 彘c t i v ew a yo fc o p y r i g l l tp r o t e c t i o 玛肌di t b c c o m e saf o c i 腮i i lm ei n f o 衄a t i o ns e c u r i t yd o m 豳o nt l l eb a s eo fm e 仔a c t i o n a lf o m i 盯 乜如s f 0 册l e o r y w h a tt h ea u t h o rh 嬲s t u d i e da n dr e a l i z e dm a i n l ya r ea sf o l l o w s ：( 1 ) t h e 丘a c t i o n a lf o u r i e r 仃a n s f 0 咖a 1 1 di t sf b ta l g o r i t l u nh a v eb e e na n a l y z e d ( 2 ) ad i 百t a li m a g e w a t e n l l a 幽n ga l g o r i t l l i i lh 嬲b e p r o p o s e db a s c do n 触c t i o n a lf o 谢e rt r a l n s f o m l 锄dt e x t u r e c h a m c t 既( 3 ) c o m b i n i n gm u l t i p l e - p 猢e t e rd i s c r e t e 仔a c t i o n a lf o 嘶e rt 啪s f o 皿t l l e o a n i m a g ew a t e n 瑚成i n ga l g o r i t h mb a s c d0 nm p d f r f th 嬲b e e np r o p o s e d n es i m u l a t i 册 e x p 嘶m e i l tr e s u l t sh a v ed 锄o n s t r a t e dt 1 1 a tt h e 觚oa l g o r i m m sp r o p o s e dn o to n l yr e a l i z e d w a t e n n a r l ( h i d d e nw e l l ，a n dh a v eb e t t e rr o b u s t n e s s 锄ds e c u r i t y z h a n gz h a ox i a n g ( c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f t i a np e i k e yw o r d s ： d i g i t a lw a t e r m a r k ，t h ef r a c t i o n a lf o u r i e rt r a n s f o r m ，t h e m u l t i p l e p a r a m e t e rf r a c t i o n a lf o u r i e rt r a n s f o r m ，r o b u s t n e s s ，s e c u r i t y 华北电力人学硕+ 学位论文摘要 摘要 随着网络技术和多媒体技术的飞速发展，数字产品的应用越来越广泛，信息安全问 题逐渐受到人们的关注，其中数字产品的版权保护成为一个迫在眉睫的问题。数字水印 技术是实现版权保护的有效办法，已成为信息安全研究领域的一个热点。以分数阶傅立 叶变换理论为基础，本文在以下几个方面进行了研究：( 1 ) 分析了分数阶傅立叶变换 理论及其快速算法。( 2 ) 提出了一种基于分数阶傅立叶变换和纹理特征的数字水印算 法。( 3 ) 结合多参量离散分数阶傅立叶变换理论，提出了基于m p d f r f t 的数字水印算 法。仿真实验结果表明两种算法很好地实现了水印的隐藏，并具有较好的鲁棒性和安全 性。 关键词：数字水印，分数阶傅立叶变换，肝d f i 唧，鲁棒性，安全性 a b s t r a c t w i mt h ed e v e l o p m 印to fm en 酏阳r k 弛dt h em u l t i m e d i at e c h n o l o g y ，t l l ea p p l i c a t i o no f t l l ed i 百t a lp r o d u c ti sm o r e 锄dm o r ew i d e t h ei n f 0 彻a t i o ns e c u r i t yb e c o m e sn l ec o n c e n li n p e o p l e sl i f e e s p e c i a l l y t h ec o p y r i g h tp r o t e c t i o no fd i 百t a lp r o d u c th a sb e c o m ea nu l 苫e n t p r o b l 锄d i 舀t a lw a t e n t l 砌d n gt e d f l i l 0 1 0 9 yi s 肌e 彘c t i v ew a yo fc o p y r i g l l tp r o t e c t i o 玛肌di t b c c o m e saf o c i 腮i i lm ei n f o 衄a t i o ns e c u r i t yd o m 豳o nt l l eb a s eo fm e 仔a c t i o n a lf o m i 盯 乜如s f 0 册l e o r y w h a tt h ea u t h o rh 嬲s t u d i e da n dr e a l i z e dm a i n l ya r ea sf o l l o w s ：( 1 ) t h e 丘a c t i o n a lf o u r i e r 仃a n s f 0 咖a 1 1 di t sf b ta l g o r i t l u nh a v eb e e na n a l y z e d ( 2 ) ad i 百t a li m a g e w a t e n l l a 幽n ga l g o r i t l l i i lh 嬲b e p r o p o s e db a s c do n 触c t i o n a lf o 谢e rt r a l n s f o m l 锄dt e x t u r e c h a m c t 既( 3 ) c o m b i n i n gm u l t i p l e - p 猢e t e rd i s c r e t e 仔a c t i o n a lf o 嘶e rt 啪s f o 皿t l l e o a n i m a g ew a t e n 瑚成i n ga l g o r i t h mb a s c d0 nm p d f r f th 嬲b e e np r o p o s e d n es i m u l a t i 册 e x p 嘶m e i l tr e s u l t sh a v ed 锄o n s t r a t e dt 1 1 a tt h e 觚oa l g o r i m m sp r o p o s e dn o to n l yr e a l i z e d w a t e n n a r l ( h i d d e nw e l l ，a n dh a v eb e t t e rr o b u s t n e s s 锄ds e c u r i t y z h a n gz h a ox i a n g ( c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f t i a np e i k e yw o r d s ： d i g i t a lw a t e r m a r k ，t h ef r a c t i o n a lf o u r i e rt r a n s f o r m ，t h e m u l t i p l e p a r a m e t e rf r a c t i o n a lf o u r i e rt r a n s f o r m ，r o b u s t n e s s ，s e c u r i t y 声明尸州 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于分数阶傅立叶变换的数字水印算 法研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和 取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学 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。 学位论文作者签名： 弛堡叠垒日 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 作者签名：心车导师签名： 日 期：迦：! 兰! ! r 华北电力人学硕十学位论文 1 1 研究背景 第一章引言 随着信息技术、多媒体技术和网络技术的发展，人类社会进入了数字化信息时 代，使得人们对信息的需求从过去单一的文本数据逐渐延伸到数字化的文本、图象、 图形、音频以及视频信号集成的多媒体信息。这些多媒体信息的易存储加工、易传 输复制的特点加快了知识和信息的交流与传播，网络技术的发展又使得信息的获取 与交换变的更加简单便利，数字信息可以很方便和快捷地在世界范围内进行广泛的 传播、交流。与此同时，这些高技术的产生也为一些非法者提供了恶意篡改、攻击、 盗用他人劳动成果的便利条件。因此，数字产品的版权保护( c o p y r i g l l tp r o t e c t i o n ) 和信息安全( i n f o m a t i o ns e c u r i t y ) 成为一个迫在眉睫的问题【1 ，2 1 。 以加密技术为核心的传统技术可用于数字图象、音频以及视频的内容保护，受 保护的数字产品内容被加密，只有使用正确的密钥( k e y ) 进行解密才能正常使用。 虽然数字加密技术在信息安全领域得到了极为成功的应用，但是对于数字产品的内 容保护而言，存在固有的不足和缺陷：l 、加密技术只能提供数字产品的安全传输， 无法保护内容本身；2 、一旦密钥泄露，就无法再对数字产品进行有效的产权保护， 更难以对非法侵权行为进行跟踪和监视。数字加密这些固有缺点，使得我们必须寻 求更为有效的数字产品产权保护措施。 数字水印( d i g i t a lw a t e 姗a r k i n g ) 是实现版权保护的有效办法，已成为多媒体 信息安全领域的一个研究热点【3 巧】，也是信息隐藏技术研究领域的重要分支。所谓数 字水印指的是在数字媒体中嵌入某种用来标识数字媒体版权信息或授权信息的数 字水印信息，通过检测数字媒体信息中的水印信息，可以判断数字媒体信息的版权 与授权信息，从而有效的对数字媒体信息的知识产权进行保护。值得注意的是，水 印信息只有受到第三方认证机构与法律的认证，才能有效的标志版权信息或认证信 息。被嵌入的水印信息可以是有意义的一段文字、标识、序列号等内容。水印通常 是不可见的或不可觉察的，它与原始数据( 图象、音频、视频等) 紧密结合并隐藏 其中，成为载体数据不可分离的一部分，并可以在不破坏载体数据使用价值或商用 价值的操作下而存活下来。 相对于传统的数字加密技术而言，数字水印技术具有以下优点：l 、数字水印 被嵌入到数字媒体本身内容之中，对内容本身提供相应的保护；而加密技术仅能保 证安全传播，不能保护内容本身；2 、由于数字水印被嵌入到数字产品本身内容之 中，对数字媒体复制、一般处理与传播都难以去除水印信息，除非对数字媒体进行 华北电力人学硕十学位论文 较多的处理，而这样会造成数字产品质量的严重下降，使其失去使用价值或商用价 值；3 、水印信息的嵌入是不可感知的，不影响数字产品内容的j 下常使用，而加密 技术对数字产品内容本身进行扰乱，只有在解密之后才能正常使用，这不利于数字 产品的传播和使用；4 、通过检测数字媒体中的数字水印信息，不仅能够判断数字 媒体的版权信息，还可以对数字媒体信息的侵权行为进行监视与跟踪；这一点可以 通过在数字媒体中嵌入媒体购买者的数字标志来实现。正是由于数字水印技术具有 上述的特点，使得水印技术在版权控制、内容认证等领域取得广泛的应用。尽管数 字水印技术的研究已有l o 余年的历史，并且取得了很大的发展，但它还未成为数 字内容安全保护体系中的有效组成部分，其中最主要的原因在于目前水印算法的鲁 棒性还不能达到实际应用的要求。因此开发具有高鲁棒性、高安全性、大容量、低 复杂度的水印算法和系统成为目前水印技术领域亟待解决的问题。 1 2 国内外研究现状 目前，关于数字水印算法的研究引起越来越多的学者和包括德国国家信息技术 中心、日本n t t 信息与通信系统研究中心、贝尔实验室以及麻省理工学院等研究机 构的关注，并且有些公司已经推出了数字水印的软件，如d i g i m a r cc o 印o r a t i o n 等。 国际上，经过近十多年的快速发展，现已发表了很多有关水印方面的学术论文，提 出了很多具有代表性的水印算法。1 9 9 4 年r g v a n s c h y i l d e l 等人在第四届国际图象 处理会议( i c i p 0 4 ) 中明确提出数字水印的概念【6 】，自此以后，数字水印技术逐渐 引起众多学者和科研机构的广泛关注，并且迅速成为图象处理和多媒体信息安全领 域中一个具有广泛应用前景的研究热点，1 9 9 6 年5 月在英国召开了第一次国际信息 隐藏学术会议；1 9 9 8 年美国版权保护技术组织( c p t w g ) 成立了专门的数据隐藏 小组( d h s g ) ，考虑指定版权保护水印的技术标准，并提出了一些基本的要求；自 1 9 9 8 年以来，i e e e 以及欧洲的多家国际著名刊物都组织了数字水印技术专刊或专 题报道，如i e e et r a n s o np r o c e s s i n g 、i e e et r a n s 0 ns i g n a lp r o c e s s i n g 、i e e en a n s o ni n f o m a t i o nt h e o r y 、i m a g ec o m m u n i c a t i o n 、p a t t e nr e c o g n i t i o n 等等；自l9 9 9 年 起，国际光学工程师协会( s p i e ) 和图象科学与技术协会( i s & t ) 每年都举办专门 的“多媒体内容安全和水印研讨会( s e c u r i t ya n dw a t e m a r k i n go fm u l t i m e d i a c o n t e n t s ) ”。我国也于1 9 9 9 年1 2 月召开了中国首届信息隐藏学术研讨会，其后每 年举办一次，标志着水印技术得到了国内学术界的广泛重视：国家8 6 3 计划智能计 算机专家组还会同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 安全中心召开了专门的“数字水印学术研讨会”。经过近十年的发展，我国在水印 技术领域的研究取得了长足的进步，但在工程领域中的应用还十分有限。 2 华北电力人学硕十学位论文 1 2 1 空间域水印技术的研究 早期的数字水印算法研究主要是集中在空白j 域上的，空间域方法是指通过改变 象素的亮度值来加入水印，这种方法的依据是：不重要比特的调整对原图象的视觉 效果影响较小，这就保证了嵌入的水印是不可见的；该方法的缺点是抵抗图象的几 何变形、噪声和图象压缩的能力较差，优点是计算速度快，而且隐藏的信息量大。 t i r k e l 于1 9 9 3 年最早提出了空间域算法【7 1 ，这种算法的主要思想是修改图象的最低 有效位l s b ( l e a s ts i g n i f i c a n tb i t s ) ，在这种算法中，图象的l s b 平面先被置为o ， 然后根据要嵌入的水印改变为l 或不变。 v a ns c h y n d e l 等利用一个扩展的m 序列作为水印并将其嵌入到随机选择的l s b 上；w b l 龟a n 矿8 】将m 序列扩展为两维，并应用互相关函数改进了检测过程，从而提 高了鲁棒性。 k e i t h t 1 ( n o x 提出的可逆数字图象也采用了l s b 方案【9 1 ，他提出的方法可以将 两个同样大小的图象融合到一幅图象数据中，即用前2 位表示一幅图的像素，后 n 2 位表示另一幅图的像素。为了避兔将两幅图直接拼接带来的降质，作者引入了 误差扩散技术。这种方案嵌入的数据量大，但两幅图均不再是原图。 b e n d e r 等人提出的基于统计的数字水印嵌入方案( p a t c h w o r k ) 和纹理块映射 编码方法则是空间域水印技术的典型设计【1 0 】。p a t c h w o r k 任意选择n 对图象点，增 强其一点的亮度的同时，相应降低另一点的亮度值。通过这一调整过程完成水印的 嵌入。该算法具有不易察觉性，并且对于有损压缩编码( j p e g ) 和一些恶意攻击处 理等具有抵抗力。而纹理块映射编码方法则是将数字信息隐藏于数字图象的任意纹 理部分，其将隐藏信息纹现映射到另一纹理相似的区域。该算法对于滤波、压缩和 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象，而且不能完 全自动完成。p i t a s 改进了上述算法，将原始图象分成两个集合a 和b ，对于集合a 中的亮度值由一个正整数参数k 控制来进行水印的嵌入，即将a 变成a ，则嵌入水 印后的图象变成a 和b ，然后通过计算统计量q 来进行检测，将q 的值和一个指定 的阈值作比较来判断是否含有水印。该改进算法对j p e g 压缩有一定的抵抗能力。 l e e 等在空间域上实现了一种自适应水印算法，他们认为水印是二值图象( o 或1 ) ，在嵌入水印之前，原图分解为块，每块中的像素自适应地修改保证较 好的鲁棒性和不可见性，嵌入的位置由密钥k 通过随机数产生器来进行选择。 丁玮j 等人利用融合技术提出了一种新颖的数字水印嵌入技术，这种算法可以 在一定程度上满足数字图象加密和隐藏的鲁棒性要求。 华北电力人学硕+ 学位论文 1 2 2 变换域水印技术的研究 变换域水印技术是对图象做某种变换，把水印嵌入到图象的变换域系数中，然 后进行反变换得到加入水印的图象，这种方法鲁棒性好，有利于提高水印的不可见 性并且能与现有的图象压缩方法兼容，对图象压缩、常用的图象处理操作均有定 的抵抗能力。因此，变换域水印技术是目f i i 研究的主流。几种常用的变换是傅立叶 变换( d f t ) 、离散余弦变换( d c t ) 、小波变换( d w t ) ；近几年来，分数阶傅立 叶变换( f r f t ) 得到了很大的发展，在数字水印技术中也有一些应用。 1 、傅立叶域水印算法 基于傅立叶变换的水印算法原理较为简单，有着其他频率域不可取代的优点。 其研究方向主要分为两大类：一类是基于d f t 域的平移、缩放和旋转的几何不变性， 将载体图象进行f o u i e r - m i l l i n 变换实现水印的嵌入来抵抗几何攻击，但是这类算法因 其中采用插值近似计算，水印嵌入后引入了较大的失真，并且算法复杂，实现起来 难度较大。另一类d f t 域水印算法是利用变换域的频谱信息来嵌入水印。c o x 和 r u a n a i d h 【1 2 】等人认为图象水印应嵌在最重要的分量以获得较好的鲁棒性，h a y e s 研究 分析d f t 相位成分和幅度成分的相关重要性【i3 1 ，证明了对图象d f t 来说相位比幅度 更重要。大部分此类算法都选择将水印嵌入到变换域的相位成分中。但目前对于水 印嵌入相位算法与水印嵌入幅度算法的鲁棒性还没有全面比较和研究。 2 、离散余弦变换域水印算法 基于离散余弦变换的水印算法是首先将图象进行8 8 的分块，然后将每个子块 变换到d c t 域嵌入水印，d c t 水印算法以其计算量较小，与国际数据压缩标准 ( j p e g 、m p e g ) 兼容等特点，得到了广泛的应用。 c o x 等人在1 9 9 7 年提出了扩展频谱方法【1 4 】，该方法利用通信理论上的频谱扩 展思想，将数字水印在图象的频谱上扩展达到不可见性和鲁棒性的目的。由于它是 在数字图象感知比较重要的频谱部分嵌入水印，所以它在抵抗有损压缩及其他图象 处理操作能力有很大提高，但它的缺点是提取水印时必须利用原始图象。 k o c h 等人提出了一种基于分块d c t 变换的数字图象水印算法【”】，该算法将 图象先分成8 8 的数据块，并对每一块做d c t ，然后选择其中的一部分作为修改的 对象，接着在所选块中，根据一定的规则挑选一些位于中频的d c t 系数嵌入水印。 b o r s 给出了一种基于g a u s s i a n 网分类器的图象水印算法【1 6 】，该算法采用两种方 式添加水印。一种是通过在选定图象块d c t 的中频系数中添加线性限制来加入水 印；另一种是在d c t 系数中定义一个固定的圆形区域来进行水印嵌入，这种方法可 以实现水印盲检测，抗j p e g 压缩能力也很好。 p i v a 等人提出了一种基于d c t 域的水印算法【1 7 】，他们将一串随机序列加到选 4 华北电力人学硕十学位论文 定的图象的d c t 系数中，并在算法中利用了h v s 的屏蔽性，从而更好地满足了 水印的不可见性，这种算法在提取水印时不需要原始图象。 3 、小波域水印算法 小波变换具有良好的空、频域特性和多分辨率分析特性，并且和新的国际数据 压缩标准( j p e g 2 0 0 0 ) 兼容，因此小波变换在水印算法中得到了广泛的应用。 c t h s u 和j l 、u 提出了多分辨率分析的水印算法【1 8 】，充分利用多分辨率分析 的优点，对水印和载体图象同时进行多分辨率分析，然后将水印在分辨率下的分析 系数嵌入到具有相应分辨率的图象块中。这样，即使含水印的图象质量受到了攻击， 丢失了部分信息，较低分辨的水印仍然能存活在较低分辨率的图象块中，因此该算 法具有较强的鲁棒性。 x gx i a 和c gb o n c e l e t 选用满足正态分布的伪随机序列作为水印【1 9 】，在小 波分解生成的图象中由高分辨率到低分辨率、同一分辨率下由高频到低频子带逐个 添加水印的方法进行嵌入，检测采用同样的过程。这种算法的优点是在添加水印后 的图象质量破坏不大的情况下，水印检测可以在搜索少数几个子带后终止，提高了 水印检测的效率。 c i p o d i l c h u k 等人提出了一种基于分类视觉系统基础上的自适应水印算法【2 0 1 ， 在分析人类视觉特性的基础上，利用特定视觉环境下不同分辨率、不同频率子带的 最小可觉差j n d ( j u s tn o t i c e a b l ed i f f e r e n c e ) 决定d w t 域系数所应嵌入的水印容量。 h m w a n g 等人提出了基于渐进编码的思想的水印算法【2 1 1 ，通过选定的阈值选 择小波分解的重要子带，在子带中从处于高位平面的系数到处于低位平面的系数中 添加水印。 4 、分数阶傅立叶域水印算法 分数阶傅立叶变换( f r f t ) 是傅立叶变换的广义形式，作为一种新的时频分析 工具受到了越来越广泛的关注。具有空间域和频域双域信息表达能力。与小波变换 不同的是分数阶傅立叶变换是全域的，并且分数阶傅立叶变换的阶次可以作为检测 水印的密码，提高了水印的安全性。 哈尔滨工业大学的刘正君提出一种分数阶傅立叶域数字水印算法【2 2 1 。将载体图 象和水印分别进行不同阶次的分数阶傅立叶变换，选择分数阶傅立叶谱矩阵对角线 上的点作为特征点嵌入水印，并且讨论了不同阶次时添加水印后的图象质量的变 化，该算法对j p e g 压缩、几何变换、直方图均衡化等攻击方式有较强的鲁棒性。 f q y u 等人提出应把水印加到分数阶傅立叶变换域中频系数上【2 3 1 ，并以一维 线性调频信号( l f m 或c h i r p ) 作为水印，进行了仿真实验，实验结果表明该算法 对噪声、剪切、滤波和j p e g 压缩均有一定的鲁棒性。 华北电力入学硕+ 学1 _ ；) = 论文 郑州大学的张峰等人利用c h i 印信号在f r f t 域内的能量积聚性提出了c h i 印类 水印算法【2 4 1 ，水印采用二维c h i r p 信号，c h i 印信号具有大的时间带宽积，适于作为 水印信号。水印的检测采用对含有水印的图象在特定的阶次附近以一定的分辨率进 行分数阶域扫描，当在特定的阶次下f r f t 的模平方出现峰值时，说明水印存在， 由此实现了c h i r p 水印信号的盲检测。 1 3 本文的主要工作 本文主要以静止图象为原始载体对象，研究基于分数阶傅立叶变换( f r f t ) 和 多参量离散分数阶傅立叶变换( m p d f r f t ) 的鲁棒性有意义水印算法。具体章节 安排如下： 第一章绪论。简要介绍了本课题研究的背景和意义、国内外研究现状，并阐 明本文的主要工作。 第二章数字水印技术概述。较系统地论述了数字水印的定义、原理、分类、特 点、攻击方式、评价标准和典型数字水印算法等。 第三章分数阶傅立叶变换理论。系统地介绍了分数阶傅立叶变换的定义、性 质及其快速算法，为后期的图象处理工作提供理论支持。 第四章基于f r f t 和纹理特征的数字水印算法。根据人眼对图象的纹理和边缘 不敏感的视觉特性，提出了一种基于f r f t 和纹理特征的数字水印算法，该算法具 有很好的不可见性和鲁棒性。 第五章基于m p d f r f t 的数字水印算法。介绍了多参量离散分数阶傅立叶变 换，在研究m p d f r f t 的基础上，根据m p d f r f t 具有比较高的安全性的特点，提 出了一种基于m p d f r f t 的数字水印算法。实验结果表明：该算法嵌入的数字水印 具有很好的隐蔽性，同时对j p e g 压缩、叠加噪声、平滑滤波等攻击具有很好的鲁棒 性。 6 华北电力人学硕十学位论文 第二章数字水印技术概述 数字水印技术的诞生引起了很多学者、科研单位、大公司以及各国政府的关注， 它是个跨学科的领域，涉及了计算机、通讯、信息隐藏等多方面的技术。数字水 印技术作为一种有效的数字产品保护手段有着巨大的应用f j 景，其优势主要体现在 以下几个方面：一是水印信号不可感知，不会影响数字产品的视觉质量；二是即使 数字产品受到处理或格式转换的情况下，水印信号依然存在于数字产品中；三是当 数字产品的内容受到处理时，水印信号也会受到同样的处理，通过检测水印信号的 改变可以获悉数字产品受到的处理情况，因此广泛地应用在版权保护【2 5 1 、交易跟踪 【2 6 j 、内容认证、广播监听和拷贝保护【2 7 】等领域。 2 1 数字水印技术的原理 数字水印技术是通过某种预定的算法将一些标志性信息直接嵌入到多媒体内 容当中，但不影响原内容的是使用价值，并且不能被人的视觉系统觉察，只有通过 专用的检测器或阅读器才能提取。当载体信息在网络传播或其他状态下被非法复制 从而产生版权纠纷或信息被非法篡改时，再通过与预定方式相对应的算法提取出该 水印，从而验证版权的归属或载体信息的完整性，确保作者的合法利益。 通用的数字水印算法通常可以分为两个部分：水印信息的嵌入算法和水印信息 的提取、检测算法。水印的嵌入算法主要是将水印信息加入到载体数据中去；提取 和检测算法主要是实现从添加水印后的数据中提取出水印信息或者检测相互水印 信息的存在。水印信息可以是有意义的一段文字、标识、序列号等内容，从鲁棒性 和安全性考虑，水印信息在嵌入之前常常需要进行预处理，如加密、置乱等操作。 载体数据可以是图片、音频、视频等。本文研究的水印算法是针对静态图象来讨论 的。 2 1 1 数字水印的产生 数字水印的构成一般包括两个部分：一是水印所含的具体信息，如版权所有者、 使用者等信息；二是序列、图象等标识水印。大多数数字水印方案的水印结构仅包 括其中之一，这个是与数字水印的实现方法及使用场合有关。针对不同的使用环境， 选用的数字水印各不相同。因此，水印的产生是一个极为重要的步骤，当选用的水 印为序列形式时，编码方式是水印系统能够正确跟踪到非法再分发数据拷贝的原始 购买者的必要条件，因此编码的码距、码字矩阵的秩、码字的个数以及抗联合攻击 能力等方面的问题都需要一一考虑周全。当选用的水印是图象时，可以采用二值图 象也可以采用灰度图象，虽然灰度图象的信息更加丰富，然而考虑其标记的作用， 7 华北电力人学硕+ 学位论文 含有充分形状信息的二值图象更具有实用性，并可以选用二值图象简化算法。 为了提高水印算法的可靠性和安全性，在水印添加之前，需要进行如置乱、加 密等预处理操作，密钥可以在这一过程中引入。尤其针对水印为图象的形式，由于 图象所特有的轮廓、纹理等特征，使得算法设计中为了保持不可见性和安全性的要 求，可能需要选用比序列和文字形式的算法中小的多的强度嵌入水印，这必然会降 低水印的鲁棒性。所以在水印产生阶段利用密钥和置乱技术将具有明显轮廓的图象 打乱重新排列成类似于随机噪声的图象嵌入到载体图象中【2 8 ，2 9 1 。 设i 为载体图象，w 为水印信号，k 为密钥，那么处理后的水印形由函数e 定 义如下： 形= ( ，形，k ) ( 2 - 1 ) 如果水印的所有者不希望水印被其他人知道，那么函数e 应该是单向的、非可 逆的、非对称的。同时还可以结合一些加密算法，如经典的数据加密标准d e s ( d a t a e n c r y p t i o ns t a n d a r d ) 和公钥密码算法r s a 等。这是将水印技术与加密算法结合起 来的一个通用方法，目的是提高水印的安全性和可靠性。 2 1 2 数字水印的嵌入 从图象处理的角度看，嵌入水印可以视为在强背景( 载体图象) 下叠加一个弱 信号( 水印信息) ，由于人的视觉系统分辨率受到一定的限制，只要叠加信号的幅 度低于对比度门限，就无法感知到信号的存在，在对比度门限受视觉空间、时间和 频率特性的影响。因此通过对载体图象做一定的调整，有可能在不改变视觉效果的 情况下嵌入一些信息【3 们。 另一方面，从数字通信的角度来看，水印嵌入过程可理解为在一个宽带信道上 用扩频通信技术传输一个宽带信号，尽管水印信号具有一定能量，但分布到信道中 任一频率上的能量是难以检测的，水印提取过程则是一个有噪信道中弱信号的检测 问剐3 1 1 。 厂 密钥 。_ _ 。一一 卜图象恢复一 【j l 一一一一一一一一一一一一一一j 图2 1 数字水印嵌入框图 l榔姚r-r。 一 字入 一 一 一数 一 一 一 一 _ 嚼一 一姗 一舰 。 ，0 一 象 一 一 一 一 图 一 一印 厂 体 一 一水 一一e 华北电力人学硕十学位论文 数字水印的嵌入过程如图2 1 所示，在水印的添加过程中，设有编码函数f ， 载体图象i 和水印矿，那么嵌入水印后的图象，可表示为： j 。= f ( ，缈) ( 2 2 ) 编码函数f 包含了载体图象和水印信号的预处理、嵌入水印处理和图象恢复处理。 其中图象预处理需要对图象采取一系列变换，如为了适应人类视觉系统对图象进行 颜色模型的调整、视频域转换等。突袭哪个恢复则是指水印信号嵌入到载体图象以 后，对载体图象进行恢复显示的过程。 数字水印嵌入过程需要考虑到鲁棒性和不可见性两个要求。这就需要选择合适 的嵌入区间和嵌入强度，选择的标准应该是在满足不可见性的前提下最大可能地提 高算法的鲁棒性。另外，一幅图象所能容纳的水印容量也是有限的，在水印嵌入的 算法选择和设计中，也是一个值得考虑的问题。 2 1 3 数字水印的提取 水印的提取或检测是数字水印算法的一个重要的步骤，只有从嵌入水印后的数 字产品中提取出预期的水印信号才能最终达到保护版权、保护完整性的目的。 j 原始载体1j 原始水印l 削巴 图2 2 数字水印检测提取框图 水印提取或检测算法框图如图2 2 所示，水印的检测使用秘密或者公开的水印 密钥和既定的水印检测算法，从含有水印的载体数据中提取出或检测是否含有水 印。水印检测系统的输入是嵌入水印后的载体数据、密钥。如果没有原始图象的参 与的话，可以称这种检测算法为盲检测；如果需要原始图象或原水印信号参与的话， 那么称这种算法为非盲检测。输出的是水印信号或者某种用来表征可信度的参数 值，水印信号有着明确的含义，可信度值没有明确的含义，它只表征所考察的载体 数据存在给定水印的可能性。 与嵌入过程相同，如果已知原始载体图象j r 和有版权纠纷的图象。，那么水印 9 华北电力人学硕十学位论文 提取过程可以用下式表示： 形+ = f ( ，) ( 2 3 ) 其中形+ 为提取出的水印，为解码函数，输出的可以是一个判定水印存在与否的 o 1 决策，也可以是包含各种信息的数据流，如文本，图象等；对提取出的水印信 号，根据一定的相关检测函数，可以判定是否存在水印。相关检测函数的一般形式 如下： c ( 帆脚) = 慕在 其中w 为原始水印信号，k 为密钥，艿为判定阈值，这些参数的选择与否要根据检 测方法的不同来取舍。这种形式的检测函数是创建有效水印框架的一种最简便方 法，如假设校验或水印相似性检验。 在水印提取或检测过程中，有可能需要原始图象或者水印的参与，也可以不需 要它们的参与，这由所采用的水印提取检测算法决定。 2 2 数字水印的分类 根据不同的表现形式和性质，数字水印的分类也有很多方式，如图2 3 所示。 图2 3 数字图象水印算法分类 l 、按水印的特性 可以将数字水印划分为鲁棒性水印和脆弱性水印两种【3 2 1 。鲁棒性水印主要用在 数字作品中标识著作版权信息，它要求嵌入的水印能经受一般的图象处理操作和有 损压缩等方式的攻击；脆弱水印主要用于数字产品的完整性保护，与鲁棒性水印的 l o 华北电力人学硕+ 学位论文 要求相反，脆弱水印必须对信号的改动很敏感，人们根据脆弱水印的状态就可以判 断数据是否被篡改过。 2 、按水印的载体 可以将数字水印分为图象水印、音频水印、视频水印、文本水印以及用于三维 网络模型的网格水印等。 3 、按水印检测过程 可将水印分为盲水印和明文水印两类【33 1 。盲水印的检测过程只需要密钥，不需 要原始数据；明文水印的检测过程需要原始数据的直接参与。一般来说非盲水印的 鲁棒性比较强，但其应用受到存储成本限制；与非盲水印相比，盲水印更具有实用 性，所以目前的研究大多集中在盲水印。 4 、按水印的内容 可将水印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图 象( 如商标) 或者数字音频片段的编码；无意义水印则只对应于一个序列号。有意 义水印的优势在于，如果由于受到攻击或其他原因致使解码后的水印破损，人们仍 然可以通过视觉观察确认是否有水印，但对于无意义水印来说，如果解码后的水印 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包含水印。 5 、按用途 可分为票据防伪水印、版权保护水印、篡改提示水印和隐蔽标识水印。票据防 伪水印是一类比较特殊的水印，主要用于打印票据和电子票据的防伪；版权保护水 印是目前研究的热点，数字产品既是商品又是知识作品，这种双重性决定了版权保 护水印主要强调不可见性和鲁棒性，而对数据量的要求相对小。篡改提示水印是一 种脆弱水印，其目的是标识信号的完整性和真实性，主要用在医学方面；隐蔽标识 水印的目的是将保密数据的重要标注隐藏起来，限制非法用户对保密数据的使用。 6 、按水印隐藏的位置 可以分为空间域水印、频率域水印、时间频率域水印和时间尺度域水印等， 随着数字水印技术的发展各种水印算法层出不穷，水印的隐藏位置也不再局限于上 述四种。 2 3 数字水印的特点 数字水印是指在数字产品中嵌入的某种标记，这种标记通常是不可见的，它的 作用是防止发生侵权的行为，当发生版权纠纷的时候，用来证明作者对版权拥有的 合法性，数字水印一般具有以下特点： 1 、不可见性 华北电力人学硕十学位论文 数字产品嵌入水印后，应不易被观察者察觉，同时又不能影响数字产品的质量。 一方面是指水印的不可见性，在数字产品中嵌入水印信息后，不能引起明显降质， 隐藏的水印信息应不易察觉。另一方面是指用统计方法不能恢复出水印，即侵权者 难于用统计的方法发现和删除水印。 2 、鲁棒性 在数字产品经受无意或有针对性的恶意攻击( 如有损压缩、一般的图象处理操 作) 后，水印信息仍然能够存在，并可以被检测和恢复出来。鲁棒性是衡量一个水 印算法是否有效的重要指标；有效的数字水印算法不仅能抵抗各种攻击，并且在检 测方法不正确的情况下，任何试图去除水印的方法均会直接导致数字产品质量的严 重下降。 3 、水印容量 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，或是 购买者的序列号。这样在发生纠纷时，创建者或所有者的信息用于表示数据的版权 所有者，而序列号用于标示违反协议而为盗版者提供多媒体数据的用户。 4 、安全性 数字水印的安全性指数字水印应能抵抗各种攻击，能对抗非法的探测和解码； 嵌入的水印信息必须只有授权的机构才能检测出来，非法用户不能判断水印是否存 在，或者即使能检测出水印，也不能获取和删除水印信息。 5 、可证明性 水印信息能为被保护的数字产品提供完全可靠的证据，它代表着作者对该数字 产品的所有权，有效的水印算法能够检测出嵌入到数字产品中的水印信息( 如文字、 标识、序列号等) ，并可以在引起版权纠纷时提取出来。 2 4 数字水印的攻击分析 数字水印的最终目的是为了保护数字产品版权持有者的权益，但在数字产品的 交流和传播过程中，难免会受到各种无意的或恶意的攻击，这些攻击都会造成被保 护的载体数据的质量损失，有效的数字水印算法要做到受到攻击后仍能提取出水印 以证明版权归属，解决版权纠纷。因此对各种可能产生的攻击进行分析是必要的， 可以针对现有的攻击形式改进数字水印算法，以提高水印的鲁棒性、安全性和不可 见性等性能。 到目前为止，还没有一种算法能够经的住所有的攻击。为了验证水印算法的有 效性，各国科研单位、大学以及跨国公司等单位开发了很多攻击测试软件，比较权 威的有剑桥大学开发的s t i 咖a r k 和瑞士日内瓦大学开发的c h e c k m a r k 软件。其中 华北电力人学硕十学位论文 s t i 咖a r k 软件【3 4 】是数字水印研究领域中典型的自动测试工具包，它集成了线性、非 线性滤波，剪切、拼接攻击，同步性破坏攻击等几十种水印攻击算法，可以从多方 面测试水印算法的鲁棒性，许多公开发表的数字水印方面的研究报告和论文都以的 s t i 肌a r k 的攻击结果作为衡量水印算法优劣的标准。 目前，水印攻击的形式多种多样，大致可以分为以下几类： 1 、擦除攻击 擦除攻击的主要目的是在没有破坏水印算法的保密性的前提下，从加水印数据 中完全移除水印信息，所谓完全移除就是没有办法从被攻击的数据中提取出水印信 息。攻击方式包括去噪、压缩、再调制和碰撞攻击等。当然，这类攻击并不是总能 完全地擦除水印信息。但是，它可以或多或少地破坏水印信息。 2 、几何攻击 几何攻击是在空间和时间上改变添加水印后的图象数据，这种攻击方法往往会 破坏水印检测器的同步特性，使得水印嵌入和水印检测位置发生偏移，这样即使水 印存在也无法检测到。几何攻击包括图象缩放、旋转、裁剪、平移、抖动和增加图 象线条以及反射等，很多水印算法对几何攻击都非常脆弱。因此，研究抗几何攻击 的数