（通信与信息系统专业论文）基于纠错编码的图像数字水印技术研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 本文从通信的角度研究数字水印问题。在信道传输中，提出用纠错编码的方法 对治乱后的水印进行编码来提高水印抵抗失真和攻击的鲁棒性。为了提高安全性， 本文提出用洛仑兹混沌映射的方法将水印在空间域中进行随机置乱，以完成水印的 信源编码即整形过程，进而提高水印的安全性。研究水印信道特征后，为了使水印 的分布集中在图像显著的边缘特征中，提出了基于模糊边缘检测算法和基于蚁群算 法的边缘检测法，水印嵌入的强度随着图像特征变化而自适应地变化。 在水印的检测中，利用k a l m a n 滤波算法对水印信息进行预测和估计，在没有 原始图像数据的情况下，能够使嵌入的商标得到恢复。实验结果表明该方法能够保 证好的图像信号质量和对大多数普通信号处理具有鲁棒性。 关键词：图像水印，纠错编码，混沌 a b s t r a c t d i g i t a lw a t e r m a r k i n go fm u l t i m e d i ac a nb ev i e w e da sac o m m u n i c a t i o n sp r o b l e mi n w h i c ht h ew a t e r m a r km u s tb et r a n s m i t t e da n dr e c e i v e dt h r o u g ha “w a t e r m a r kc h a n n e l ” f i r s t l y , i no r d e rt oi m p r o v ew a t e r m a r k i n gr o b u s t n e s sa g a i n s td i s t o r t i o n sa n da t t a c k s ， e r r o rc o r r e c t i n gc o d e s ( e c c ) i su t i l i z e da f t e rc h a o sp l a s t i c as t u d yo fa p p l i c a t i o no f s h u f f l i n gt e c h n i q u e si sm a d ew i t h i nw a t e r m a r k i n gs y s t e ma n dl o r e n zm a p p i n gm e t h o di s a d o p t e dt oi m p r o v et h es e c u r i t yo fw a t e r m a r ks y s t e m t h e n ，t ol a yt h ew a t e r m a r k i n f o r m a t i o ni nt h en o t a b l ea r e a so ft h ef e a t u r e s ，t h ee d g ed e t e c t i o na l g o r i t h mb a s e do n f u z z yl o g i ca n da l la l g o r i t h mb a s e do na n tc o l o n y a r er e s p e c t i v e l yp r o p o s e d t h e e m b e d d i n gs t r e n g t hw a sc h a r a c t e r i s t i ca d a p t a b i l i t yw i t ht h es t a t i s t i co ft h el o c a lf e a t u r e c o e f f i c i e n t so ft h eo r i g i n a li m a g e f i n a l l y , t h el o g oc o u l db ed e t e c t e da n dr e c o n s t r u c t e db yas p e c i f i c a l l yk a l m a nf i l t e r w i t h o u tt h eo r ig i n a ld a t af r o mt h ew a t e r m a r k e di m a g e ，a n dw o u l dp r o v i d ei n d i c a t i o no f t h ec o p y r i g h te x i s t e n c e t h i sm e t h o dm a k e su s eo fg o o dp r o p e r t i e so fc h a o t i cs e q u e n c e ， s u c ha se a s eo fg e n e r a t i o n ，s e n s i t i v ed e p e n d e n c eo nt h e i ri n i t i a lc o n d i t i o na n dn o i s e l i k e s t a t i s t i cc h a r a c t e r i s t i c s e x p e r i m e n t ss h o wt h a to u rw a t e r m a r k i n gs c h e m el e a d st or e s u l t s w i t hg o o di m a g eq u a l i t ya n di sr o b u s tt ow i t h s t a n dm o s to fc o m m o ns i g n a lp r o c e s s i n g w a n gh o n g t i n g ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m ) d i r e c t e db yp r o f t a n gl i a n g r u i k e y w o r d s ：i m a g ew a t e r m a r k i n g ，e r r o rc o r r e c t i n gc o d i n g ，c h a o s 华北电力大学硕士学位论文 摘要 本文从通信的角度研究数字水印问题。在信道传输中，提出用纠错编码的方法 对治乱后的水印进行编码来提高水印抵抗失真和攻击的鲁棒性。为了提高安全性， 本文提出用洛仑兹混沌映射的方法将水印在空间域中进行随机置乱，以完成水印的 信源编码即整形过程，进而提高水印的安全性。研究水印信道特征后，为了使水印 的分布集中在图像显著的边缘特征中，提出了基于模糊边缘检测算法和基于蚁群算 法的边缘检测法，水印嵌入的强度随着图像特征变化而自适应地变化。 在水印的检测中，利用k a l m a n 滤波算法对水印信息进行预测和估计，在没有 原始图像数据的情况下，能够使嵌入的商标得到恢复。实验结果表明该方法能够保 证好的图像信号质量和对大多数普通信号处理具有鲁棒性。 关键词：图像水印，纠错编码，混沌 a b s t r a c t d i g i t a lw a t e r m a r k i n go fm u l t i m e d i ac a nb ev i e w e da sac o m m u n i c a t i o n sp r o b l e mi n w h i c ht h ew a t e r m a r km u s tb et r a n s m i t t e da n dr e c e i v e dt h r o u g ha “w a t e r m a r kc h a n n e l ” f i r s t l y , i no r d e rt oi m p r o v ew a t e r m a r k i n gr o b u s t n e s sa g a i n s td i s t o r t i o n sa n da t t a c k s ， e r r o rc o r r e c t i n gc o d e s ( e c c ) i su t i l i z e da f t e rc h a o sp l a s t i c as t u d yo fa p p l i c a t i o no f s h u f f l i n gt e c h n i q u e si sm a d ew i t h i nw a t e r m a r k i n gs y s t e ma n dl o r e n zm a p p i n gm e t h o di s a d o p t e dt oi m p r o v et h es e c u r i t yo fw a t e r m a r ks y s t e m t h e n ，t ol a yt h ew a t e r m a r k i n f o r m a t i o ni nt h en o t a b l ea r e a so ft h ef e a t u r e s ，t h ee d g ed e t e c t i o na l g o r i t h mb a s e do n f u z z yl o g i ca n da l la l g o r i t h mb a s e do na n tc o l o n y a r er e s p e c t i v e l yp r o p o s e d t h e e m b e d d i n gs t r e n g t hw a sc h a r a c t e r i s t i ca d a p t a b i l i t yw i t ht h es t a t i s t i co ft h el o c a lf e a t u r e c o e f f i c i e n t so ft h eo r i g i n a li m a g e f i n a l l y , t h el o g oc o u l db ed e t e c t e da n dr e c o n s t r u c t e db yas p e c i f i c a l l yk a l m a nf i l t e r w i t h o u tt h eo r ig i n a ld a t af r o mt h ew a t e r m a r k e di m a g e ，a n dw o u l dp r o v i d ei n d i c a t i o no f t h ec o p y r i g h te x i s t e n c e t h i sm e t h o dm a k e su s eo fg o o dp r o p e r t i e so fc h a o t i cs e q u e n c e ， s u c ha se a s eo fg e n e r a t i o n ，s e n s i t i v ed e p e n d e n c eo nt h e i ri n i t i a lc o n d i t i o na n dn o i s e l i k e s t a t i s t i cc h a r a c t e r i s t i c s e x p e r i m e n t ss h o wt h a to u rw a t e r m a r k i n gs c h e m el e a d st or e s u l t s w i t hg o o di m a g eq u a l i t ya n di sr o b u s tt ow i t h s t a n dm o s to fc o m m o ns i g n a lp r o c e s s i n g w a n gh o n g t i n g ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m ) d i r e c t e db yp r o f t a n gl i a n g r u i k e y w o r d s ：i m a g ew a t e r m a r k i n g ，e r r o rc o r r e c t i n gc o d i n g ，c h a o s 华北电力大学硕士学位论文 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于纠错编码的图像数字水印技术研 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： 皇堡垮 e l期：巡! 曼! ! 竺 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。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：一皇茎孽 ) e l 期：垫盘：墨：! 生 导师签名：型堕 日期：一t 坐 华北电力人学硕士学位论文 第一章引言 1 1 课题的研究背景 当代通信技术的发展和国际互联网络的普及，影响着人们的生活、工作方式， 改变了人们关于时间和空间的概念，人们更愿意享受只通过轻轻点击就可以获取信 息的便捷。因此许多传统媒体内容，如相片、磁带、电影胶片等等，都在转变为更 适宜网络传送的数字媒体，并且必将在电子商务中，占有越来越大的份额，如通过 网络销售的m p 3 、数字影院、电子书籍等等。在无线通信中，移动网络己发展到第 三代，联通的c d m a 方兴未艾，已可轻松快捷的通过手机访问因特网。基于有线或 无线网络对数字媒体内容的应用已经成为这个时代的标志，成为信息时代的新传 统。在庆幸的同时，也发现了它所带来的副产品一一数字媒体内容的安全问题，特 别是在人们的知识产权意识日益浓厚的今天。虽然，成熟的密码学可以保障访问控 制和安全传递，但是，一旦被解密，数字媒体内容就毫无安全可言，可以被任意的 拷贝，非授权的肆意传播，这就是所谓的数字媒体内容的超分布。数字水印就是在 这一背景下产生的，作为一种很有潜力的解决方案，近几年来己成为商业界和学术 界共同关注的焦点。 数字水印技术是一种信息隐藏技术，但又与之不完全相同。数字水印技术为信 息隐藏技术的个分支。数字水印的概念是c a r o n n i 与1 9 9 3 年提出来的并应用于数 字图像。此后，研究人员将数字水印的概念扩展到视频与声音等领域。数字水印技 术可以用于保密通信等多种应用领域，实现在开放的网络环境中安全的进行信息传 输。将机密文件信息当成水印，添加到数字媒体中，由于对数字媒体的改动量微乎 其微，而且添加水印后不影响数字媒体的使用，因此对破解者来说将很难分辨是否 在数字媒体中存在密文信息，而且在水印添加过程中将采用多种处理方式，比如对 水印进行伪随机化处理，对嵌入水印的位置进行伪随机化处理等，以保证水印的不 可被攻击性，实现信息的安全隐藏和传输。如果首先对要添加的机密信息进行加密 处理，将使破解的难度更大。 数字水印技术的思想和概念基于计算机科学、密码学、通信理论、计算机图形 学、算法设计和信号处理等领域，几乎综合了当今这些领域内的所有高新技术q 1 。 一方面它依赖于这些领域的技术不断地发展，另一方面它又促进和带动了这些领域 的技术不断地创新，所以它的发展与这些领域技术的发展息息相关。水印技术自产 生以来即表现出作为解决版权保护、保密通信等问题有效手段的良好应用前景，引 起了国外一些研究机构和公司的极大关注。完全有理由相信，在不久的将来，数字 水印技术的研究和发展必将对我国数字领域内高新技术发展起着极其重要的推动 作用。 华北电力大学硕i ：学位论文 1 2 信息隐藏与数字水印 从本质上讲，数字水印、信息隐藏、密码学都用于数字媒体内容的保护，所以 它们之间有着密切的联系，但在形式和保护的侧重上又有明显不同，它们有各自的 特点。这一节，通过介绍它们的联系与区别来更好的说明本课题的研究意义。 1 2 1 信息隐藏 1 9 9 6 年5 月3 0 日在英国剑桥牛顿研究所召开了第一届国际信息隐藏学术 研讨会，这标志着信息隐藏学的正式诞生。信息隐藏就是将秘密信息秘密隐藏于另 一非机密的文件内容之中，其形式可为任何一种数字媒体，如图像、声音、视频及 一般的文档等。信息隐藏主要研究如何将一机密信息秘密隐藏于另一公开的信息 中，然后通过公开信息的传输来传递机密信息n 刊。对加密通信而言，可能的检测者 或非法拦截者可通过截取密文，并对其进行破译，或将密文破坏后再发送，从而影 响机密信息的安全：但对信息隐藏而言，可能的检测者或非法拦截者则难以从公开 信息中判断机密信息是否存在，难以截获机密信息，从而能保证机密信息的安全。 需要指出的是传统的以密码学为核心技术的信息安全技术和伪装式信息安全技术 不是互相矛盾、互相竞争的，而是互补的。 将待隐藏的信息称为秘密信息，它可以是版权信息或秘密数据，也可以是一个 序列号；而公开信息则称为载体信息，如图片、视频、音频片断。这种信息隐藏过 程一般通过嵌入算法将秘密信息隐藏于公开信息中，而隐蔽载体( 隐藏有秘密信息 的公开信息) 则通过信道传递，然后检测器利用密钥从隐蔽载体中恢复或者检测出 秘密信息。 作为一种交叉学科，信息隐藏中结合了许多领域的科学思想，如信息处理、图 像理论、编码理论、编码理论、密码学、信息论、计算机科学、检测理论、概率论、 算法技术等科学，以及公共策略等，因此它在计算机，通信，保密领域有着十分广 阔的应用前景。数字水印是它在计算机多媒体领域应用的重要分支，为多媒体版权 保护提供了崭新的思路。由于国际互联网的迫切需要，数字多媒体水印技术极其应 用已成为信息隐藏技术研究的重点。 1 2 2 数字水印 数字水印系统一般构成图如图1 1 所示。用于版权保护的数字水印技术是指将 制定的信息嵌入到被保护的信息中，以及被保护的信息中提取特定信息的过程 1 。 被保护的信息可以是任何一种数字媒体，如图像、声音、视频或一般性的电子文档 等，嵌入的特定信息主要是与被保护信息的来源、所有权、使用权等有关的内容。 根据数字水印技术的应用目的和技术要求，可以得到用于版权保护的鲁棒性水印技 术的一些基本特征和基本要求： 2 华北电力大学硕 j 学位论文 水 印 密 图1 - l 数字水印系统构成图 ( 1 ) 不可感知性： 不可感知性包含两方面的意思，一个指视觉上的不可见性，即在数字作品种嵌 入数字水印不会引起数字作品明显的降质，并且不易被用户察觉。这是每一种水印 算法都应达到的要求；另一方面数字水印用统计方法也是不能恢复的，如对大量的 用同样方法和水印处理过的信息产品即使用统计方法也无法提取水印或确定水印 的存在。 ( 2 ) 鲁棒性： 所谓鲁棒性是指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 完整性或仍能被准确鉴别。可能的信号处理过程包括信道噪声、滤波、剪切、尺度 变化以及有损压缩编码等。 在数字水印技术中，水印的数据量和鲁棒性构成了一对基本矛盾。从主观上讲， 理想的水印算法应该既能隐藏大量数据，又可以抗各种信道噪声和信号变形。然而 在实际中，这两个指标往往不能同时实现，不过这并不会影响数字水印技术的应用， 因为实际应用一般只偏重其中的一个方面。如果是为了隐蔽通信，数据量显然是最 重要的，由于通信方式极为隐蔽，遭遇敌方篡改攻击的可能性很小，因而对鲁棒性 要求不高。但对保证数据安全来说，情况恰恰相反，各种保密的数据随时面临着被 盗取和篡改的危险，所以鲁棒性是十分重要的，此时，隐藏数据量的要求居于次要 地位。 水印系统应该考虑的失真和攻击应包括以下内容f 8 】： ( a ) 信号增强( 如锐化，增加对比度，色彩校正，伽马校正) ( b ) 加性和乘性噪声( 如高斯，均衡) ( c ) 线性滤波( 低通，高通，带通滤波) ( d ) 非线性滤波( 中值滤波，形态滤波) ( e ) 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 4 。音频：m p e g 2 3 印检 水的果v 的印结出水测 提或 者击攻 华北电力火学硕上学位论文 音频，m p 3 ，m p e g 一4 音频，g7 2 3 等) ( f ) 局部和全局仿射变换( 平移，旋转，缩放，剪切) ( g ) 数据合成( 数据插入，布景合成) ( h ) 代码转换( 从h 2 6 3 到m p e g 一2 ，g i f jj p e g ) ( i ) d a ，a d 变换( 打印一扫描) ( t ) 多重水印 ( k ) 共谋攻击 ( l ) 统计平均 ( m ) 马赛克攻击 ( 3 ) 是否需要原始数据的水印恢复 一般来说，在水印的检测或提取过程中有原始数据的参与，将会极大地提高水 印的鲁棒性，因为可以对遭到恶意攻击的嵌有水印的多媒体数据进行分析，从而利 用原始数据进行一定程度的恢复，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，另外从安全的角度来看，原始数据也不应该参与水印的检测或 提取。早期的水印算法大多需要原始数据参与水印的检测或提取，但从这几年的发 展趋势来看，不需要原始数据的水印技术应该是将来的主流。一般情况，将需要原 始数据的水印算法称为私有水印算法，而公有水印算法则不需原始数据的参与。 ( 4 ) 水印的提取或对给定水印存在性的验证 用于版权保护的水印算法一般用两种方式来证明某多媒体数据具有版权。一种 是水印的验证或检测，也即用y e s 或n o 来回答某特定水印是否存在。另外一种是 将一具有实际意义的水印提取出来以证明版权归属( 例如将商标作为水印) 。大多数 水印算法中检测技术均可归类为这两种之一。但目前，也有一些研究人员提出一些 新算法，将两种检测技术结合在一起，即首先检测水印是否存在，如用户需要则可 进一步进行水印的提取【9 , 1 0 】。 从图1 1 的数字水印的一般系统构成图可以看出它与通信技术有一定的相似之 处。比如可以将水印嵌入看作为通信中的调制技术，水印检测可认为是信息的解调， 信息发布可认为信息通过信道的传输，攻击行为可认为是各种各样的信道干扰噪 声。基于这种认识，可将鲁棒水印技术的一般系统框架重新描绘如图1 2 所示。 4 华北电力大学硕j ：学位论文 信 编 信 编 信 解 信 解 匝圃 图1 2 基于通信理论的数字水印的系统框图 1 3 数字水印的研究现状 1 3 1 国外研究动态 数字水印的概念虽然是在2 0 世纪9 0 年代提出来的，但是，对它的研究可以追 溯到2 0 世纪5 0 年代。美国m u z a c 公司的e m a i lh e m b r o o k e 在1 9 5 4 年申请了一项 名为“i d e n t i f i c a t i o no fs o u n da n dl i k es i g n a l s ”的专利。该专利描述了一种将标识码 不可感知地嵌入到音乐中而证明所有权的方法。这是迄今为止所知道的最早的电子 水印( e l e c t r o n i cw a t e r m a r k i n g ) 技术。 2 0 世纪9 0 年代以来，对数字水印的研究兴趣在日益增长。早期的数字水印技 术是针对数字图像进行研究的，1 9 9 3 年t i r k e l 等人提出了电子水印( e l e c t r o n i c w a t e r m a r k i n g ) 说法【，正式提出了“数字水印”这一术语也相继被提出【12 1 。在这 两篇论文中他们针对灰度图像提出了两种向图像最低有效位( l s b ：l e a s ts i g n i f i c a n t b i t ) 中添加水印的方案。一种是使用了一个m 序列来置换图像的最低有效位，另 一种是向图像的最低有效位叠加一个m 序列，并使用自相关函数对水印进行检测。 这种水印嵌入方法虽然比较简单易行，但是水印的鲁棒性很差。为了提高水印的鲁 棒性，1 9 9 5 年c o x 等人提出了一种基于扩频通信的思想i l 引，把图像进行离散余弦 变换( d c t ) 将水印嵌入到图像感知上最重要的频域因子中，实验表明该方法具有 较好的鲁棒性。1 9 9 6 年，p i t a s 提出了一种盲水印方案l i 引。该算法虽然是一个盲水 印算法的代表，但是它是一种空间域算法，所以它的鲁棒性有待进一步提高。其后 的研究人员在p i t a s 算法基础上进行了改进，使得算法的鲁棒性进一步提高了i l 引。 对音频水印技术的研究最早是在1 9 9 6 年就己提出了相位编码、扩频编码、回声 编码和l s b 编码等四种算法【4 1 。 对文本文档中数字水印技术的研究开始于贝尔实验室的m a x e m c h u k 。在1 9 9 4 年，首先提出了在数字文档中嵌入标记的方法，以保护电子出版物创作者的版权利 益。他提出了行位移编码、特征和字位移编码等三种方法1 5 j 。1 9 9 6 年b e n d e r 等提出 华北电力大学硕j ：学位论文 了一种与字位移编码有点不同的算法，他利用左对齐调整文档时附加空格的方法嵌 入水印，该算法使用曼切斯特编码将水印嵌入文件中1 6 j 。 视频水印算法按照嵌入水印的数据域分为两种：非压缩域算法和压缩域算法。 对于非压缩域的水印研究始于1 9 9 4 年，m a t s u i 等提出了一种d c t 域视频数据嵌入 算法【1 5 】，该算法统图像水印算法相似，通过d c t 系数对每一帧视频图像的像素值 进行变化，因而对剪切、噪声等处理非常脆弱，而且一旦攻击者掌握了同一帧视频 图像的多个不同水印版本，则可以通过比较以得到原是的、未加水印的图像帧。 s w a n s o n 等对上述视频水印嵌入方法进行了改进，利用分块d c t 变换和频率掩蔽特 性相结合嵌入水印，提高了水印的鲁棒性。此外，s w a n s o n 等还研究了一种基于内 容的数字水印技术，并据此提出了一种多分辨率的视频水印算法。对于压缩域的水 印，l a n g e l a r r 等【j6 】首先提出了两种水印嵌入算法，一种是替换帧内编码块d c t 系 数的变长码的方法，另一种是基于丢弃部分压缩视频码流的方法。在这两种算法中， 前一种算法计算量小，水印嵌入比特率大，但鲁棒性很差，后一种方法计算较为复 杂，水印嵌入比特率低，但是水印的鲁棒性较强，可以抵抗解码后重新编码的攻击。 h a r t u n g 等研究了m p e g 2 压缩视频域上的水印算法【l ，将水印嵌入到d c t 系数中， 并实现了水印的盲检测。该算法对压缩、轻度旋转、滤波具有鲁棒性，但对更大程 度的旋转，则提取不出水印。 自从第一届国际信息隐藏学术研讨会于1 9 9 6 年5 月3 0 日一6 月1 日，在英国 剑桥牛顿研究所召开以来，至今已举办了四届。s p i e 和i e e e 的一些重要国际会议 也开辟了相关的专题。随着数字水印技术研究的不断深入，数字水印从研究对象上 已经涉及到图像水印、音频水印、文本水印、视频水印和三维网格数据水印等几个 方面【1 8 2 1 1 。 1 3 2 国内研究动态 数字水印技术得到了全世界科研人员极大的关注并迅速发展起来。与此同时数 字水印技术在我国也得到了足够的重视。1 9 9 9 年1 2 月，我国信息安全领域的何德 全院士、周仲义院士、菜吉人院士与有关应用研究单位联合发起召开了我国第一届 信息隐藏学术研讨会。2 0 0 0 年1 月，由国家“8 6 3 ”智能机专家组和中科院自动化 所模式识别国家重点实验室组织召开了数字水印学术研讨会，来自国家自然科学基 金委员会、国家信息安全测评认证中心、中国科学院、北京邮电大学、国防科技大 学、清华大学、北方工业大学、上海交通大学、天津大学、中国科技大学、北京理 工大学、中山大学、北京电子技术应用研究所等单位专家学者和研究人员深入讨论 了数字水印的关键技术，报告了各自的研究成果。从这次会议反应得情况上看，我 国相关学术领域的研究与世界水平相差不远，而且有自己独特的研究思路。2 0 0 0 年 6 月1 7 18 日于北京，2 0 0 1 年9 月10 同于西安，2 0 0 2 年8 月2 4 2 6 日于大连，2 0 0 4 6 华北i 乜力人学硕j ：学位论文 年1 1 月1 9 2 1 日于广州中山大学分别召开了第二、第三、第四、第五届信息隐藏学 术讨论会，标志着我国对数字水印技术的研究已经与国际同步了。 1 4 本文主要工作及内容安排 随着数字化技术和i n t e r n e t 的飞速发展，在最大限度地拓宽权利人利益范围的 同时，也带来了危机。数字化技术精确、廉价、大规模的复制功能和i n t e r n e t 的全 球传播能力都给现有版权制度带来了前所未有的冲击，数字作品的版权保护成为困 扰各国政府、法律界、艺术界和计算机科学家的难题。一次用于版权保护的鲁棒性 数字水印技术一经提出，就受到了广泛的重视，所以它也成为本文的研究重点。 由于信息隐藏技术中涉及面非常广，本文不可能全部涉及，所以本文将研究的 重点放在鲁棒性不可见数字水印的研究上，尽管如此，本文的有些结论和技术仍然 适用于信息隐藏技术中的其他分支。 本文的主要工作： ( 1 ) 深入研究了版权信息的信源编码问题。由于被保护信息的多样性和复杂性， 将版权信息不经编码直接嵌入到被保护信息中是不现实的。对版权信息进行编码的 主要目的有两个，第一是压缩版权信息，以便提高嵌入容量。第二是对版权信息进 行整形，使其在时域和频域上都与被保护信息具有相似性，从而具有更好的鲁棒性 或隐蔽性。 ( 2 ) 在数字水印的抽取中，由于各种干扰的存在会使抽取结果不可避免地出现错 误，为了纠正错误，本文研究了纠错编码在数字水印技术中的应用。另外还研究了 置乱技术在数字水印技术中的应用，研究了如何置乱才能够达到最佳的判决标准。 ( 3 ) 为了能够更充分地利用信道，必须十分精确地掌握信道的特点并提出相应的 信道模型以便理论上的研究。本文提出基于边缘检测的自适应水印嵌入方法从而对 信道进行特征检测，使水印传输更好地利用信道。 ( 4 ) 对于数字水印的性能问题，从基于相关检测的误警率和漏警率出发，利用信 道的概率分布函数，从统计的意义上提出了数字水印系统的误警率和漏替率以及平 均信噪比只与嵌入参数有关，而与具体的被保护信息无关的观点，并从理论上和具 体仿真结果证明了本文的观点。 本文的篇章结构： 第一章为绪论，给出了数字水印的由来，与相关领域的联系和区别，研究现状。 第二章主要研究数字水印的编码问题，本文指出了图像水印的信源编码问题主 要就是时间域和频率域的整形问题，另外还介绍了已有的水印信道编码技术。利用 通信中的交织技术，还研究了在二维图像水印算法中置乱技术的应用。 第三章从信号处理的角度，引入嵌入信道模型。从信息论的角度，引入编码信 道模型。在此基础上简单介绍了空间域和各种变换域下信道的概率统计模型。并研 7 华北r 乜力人学硕一i ：学位论文 究了8 x8 的d c t 变换系数的广义高斯分布模型。 第四章介绍了水印系统的基本原理框架以及常用的嵌入和检测算法。然后基于 ( 0 ，1 ) 相关检测算法，从误警率和虚警率的公式出发，利用信道模型的知识推出 数字水印的误警率和虚警率以及平均信噪比只与嵌入参数有关，而与具体的被保护 信息无关的理论式，并给出了仿真结果。 第五章结合前期的研究工作，提出了一种基于纠错编码的自适应图像水印算 法，水印自适应地嵌入在载体图像中，并将洛伦兹混沌置乱应用到版权信息的编码 中。这在理论上极大地提高了水印的鲁棒性。另外还从理论和仿真试验中讨论了该 算法的抗攻击性能。 第六章总结全文，并做出展望。 8 华北电力大学硕士学位论文 第二章数字水印的信源编码与信道编码 2 1 数字水印的信源编码 2 2 1 版权信息的形式 从上一章中的基于通信理论的数字水印的系统框图，可以看出数字水印技术的 第一步首先是版权信息的信源编码问题。通信理论中的信源编码指的是把信源产生 的消息变换成数字序列。在不允许编码失真的情况下，信源编码的目的是在保证能 从其输出序列无错误地恢复输入消息序列的前提下，减少输出数字序列的速率，也 就是保证在不失真的条件下对输入消息序列进行压缩。但数字水印的信源编码除了 进行版权信息的压缩之外，为了满足不可见性和鲁棒性，数字水印的信源编码还有 一个最主要的目的，就是尽量将版权信息变换的与被保护信息类似，这种类似性可 表示在时间域，空间域或频率域上。为了与信源压缩相区别，将这种变换称为“信 源整形”。 一般作为版权信息的内容有以下几种形式： ( 1 ) a s c i i 码表示的文字形式。例如：“电力大学版权所有l l , 1 9 或者是一个全世 界唯一的i d 号，例如采用一些已有的国际标准编码方案【2 列( i s b n ：i n t e r n a t i o n a l s t a n d a r db o o kn u m b e r i s m n ：i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r dm u s i cn u m b e r ) 。 ( 2 ) 随机序列形式。例如m 序列，混沌序列，g o l d 序列，二次剩余序列，l e g e n d r e 序y l j1 2 3 2 4 1 等。 ( 3 ) 灰度图像或二值图像1 2 引。 ( 4 ) 语音信号。由于语音信号即使在遭受到很强的攻击后，仍具有一定的可懂 度，所以有的文献提出用语音信号作为版权消息嵌入【2 6 1 。 在上面四种版权信息中，除了第二种版权信息形式可以直接作为数字水印外， 其他三种一般要经过某种变换后才能作为数字水印进行嵌入。另外由于作为版权信 息的数据量一般都比较小，所以数据水印的信源编码中，压缩并不是一个重要并且 必须要做的工作。一般来说，( 1 ) 、( 2 ) 两种形式的版权信息不再压缩，而形式( 3 ) 、( 4 ) 则一般要压缩，否则数据量太大。压缩一般采用常用的标准压缩算法，例如对于图 像大多为矢量量化，而语音则采用参数量化。 2 2 2 版权信息的随机化 数字水印一个最大的特点就是它们混迹于千千万万的信息之中，很难引起攻击 者的注意，因而更容易逃过攻击者的破解。既然要保证不引起攻击者的注意，则数 字水印必然应具有尽量多的与被保护信息相类似的特性。其道理如同生物的保护 色，将自己巧妙地伪装隐藏于环境中，免于被天敌发现而遭受攻击。而数字水印的 9 华北电力大学硕士学位论文 这种类似性就体现在时间域、空间域、频率域或其他变换域上的统计特性上。由于 数字水印嵌入技术的多样性，即使都是时间一空间域数字水印，其嵌入位置和方法 也不尽相同，从而也导致版权信息必须具有不同的统计特性来适应不同的嵌入位置 和嵌入技术。早期的数字水印技术把不可见性放在首位，往往把水印嵌入在人们对 图像或音频最不敏感的部分【2 7 , 2 8 j ，例如图像或音频信号的最低有效位( l s b ：l e a s t s i g n i f i c a n tb i t s ) 。这样做的主要原因是l s b 的修改不会造成图像或音频信号在感觉 上发生变化。从图像或音频信号处理的有关知识得知，正常的自然界图像或音频信 号的l s b 一般是0 ，l 随机变化的，即具有很强的随机性，而版权信息的随机性就比 较弱。如果在水印嵌入以前，不对版权信息进行处理，则通过l s b 的0 1 分布变化 的快慢就很容易地判断出被保护信息中是否嵌入有数字水印，从而为下一步的恶意 攻击提供了条件。为了防止出现这种情况，必须将版权信息进行置乱处理，使其随 机化。对版权信息进行随机化的方法有许多，比如图像处理中的置乱技术就是一种 很好的选择。图像处理中的置乱技术是随着信息的安全与保密越来越重要而发展起 来的一种常见的图像加密技术，图像置乱技术早期是对模拟图像的位置空间做置 换，这可以看作是从经典密码学中的单表系统扩展而来。对于数字化的图像，置乱 过程不仅可以在数字图象的空间域上进行，还可以在图像的频率域上进行。数字图 象置乱即是对数字图象的一种加密方法。它使得合法使用者可以自由控制算法的选 择，参数的选择以及使用随机数技术，从而达到非法使用者无法破译图像内容的目 的。在此处利用置乱技术并不是用于加密，而是通过置乱技术来将有关联的内容随 机化。目前，人们考虑较多的数字图象的置乱技术主要有以下几种：a r n o l d 变换1 2 引， 幻方，h i l b e r t 曲线，c o n w a y 游戏，t a n g r a m 算法，i f s 模型【3 ，g r a y 码变换1 3 ，广 义g r a y 码变换3 2 1 的方法，生命游戏置乱技术【3 3 】，基于抽样技术的置乱技术【3 4 】。图 2 1 就是一个用置乱技术进行二值版权信息图像随机化的例子。图2 1 ( a ) 为原图，图 2 。1 ( b ) 为随机化后的图，由图2 1 ( b ) 可以看出原来有关联的比特己经被打乱，图像变 得混乱不堪己无法识别。 华北电 力大学 ( a ) 图2 1 图像的置乱 2 。2 数字水印的信道编码技术 数字通信的目的是要把对方不知道的消息及时可靠地传送给对方，为达到这个 l o 华北电力大学硕上学位论文 目的，在通信系统中经常采用各种纠错码来减少误码率，提高通信质量。由于将数 字水印系统作为一个通信系统来看待，所以应用纠错码来增加水印系统的鲁棒性也 是一种十分容易想到的方法。 纠错编码在通信系统中已经是一种相当成熟的技术，在实际中也得到了大量的 应用。但由于数字水印系统毕竟在许多方面与通信系统有区别，其中一个最明显的 区别就是水印系统受到的干扰要远远大于普通的通信系统，并且水印信号总是在一 种低信噪比的环境中传输。在过去的几年中，通信中常用的几种纠错编码方法已经 应用到水印的研究中 3 5 - 3 7 , 例如文献 3 7 】中，分组编码，卷积码，正交编码，t u r b o 码的软、硬解码性能均做了研究。实验及理论研究表明，在每个样本平均信噪比保 持不变的情况下，在上述几种编码方法中，卷积码在计算复杂度和性能之间有一个 最好的妥协。和不进行纠错编码相比，一种简单的纠错编码就有可能得到将近5 d b 的增益。而在同样误比特率的条件下，3 d b 的增益将使水印信息嵌入容量增加一倍。 文献 3 8 】针对信息隐藏技术，提出用卷积码及软判决译码来提高系统的性能。实验 结果表明，在高信噪比下，卷积码性能最好，依次为b c h 码及不编码，但信噪比 下降到一定程度，不编码性能最好，其次为b c h 码，最差为卷积码。然而不幸的 是，为了保证水印的不可见性，水印系统均工作于很低的信噪比环境中，文献 3 9 】 提出基于b c h 码和重复码的级联编码在这种低信噪比的恶劣环境中仍然带来译码 性能的提升，此时b c h 等纠错编码己经停止带来任何好处，而重复码继续带来一 定的纠错性能。中山大学的谷利民和黄继武老师在第四届信息隐藏全国学术研讨会 上的报告中也给出了类似的结论。图2 2 ，图2 3 的实验为在l e n a 图像中用各种纠 错编码方法嵌入6 4 比特水印信息，通过控制嵌入强度来保证所有情况下p s n r 均相 同，然后通过不同的攻击来测试误比特率。从其实验结果可以看出，不同的攻击情 况下，各种纠错编码技术表现出不同的纠错性能。在j p e g 压缩中，重复码性能最 差，而在高斯噪声攻击中，则卷积码的性能最差。造成这种结果的主要原因是由于 数字水印不可见性的要求，系统中嵌入能量的有限，应用纠错编码后，嵌入数据量 变大，这必然会造成每个码元上的能量减少，从而在受到干扰后产生错误的可能性 增加。所以纠错编码在数字水印系统中的应用有其特殊性和复杂性，到目前为止， 仍是一个需要深入研究的内容。 华北r 乜力大学硕上学位论文 0 ： 山 叱 山 ： ! _ 呻卜一r e p e t i t i o n 一u n c o d e d 专 k； 卜c o n v o l u t i o n 、 i i 一b c h ( 12 7 6 4 ) 、 、上 。1 | v _ | 、 毒 1 1 、 ；、 i i i | 一一 l k 卷j i l 八0r 。 。途- 一，7 ： j p e gq u a l i t yf a c t o r ( ) 图2 2 不同j p e g 压缩条件下不同纠错码的误比特率 p s n ra f t e rg u a s sn o i s ea t t a c k 图2 3 不同高斯噪声攻击下不同纠错码的误比特率 1 2 华北电力大学硕上学位论文 2 3 级联编码的最大后验概率译码 如果想进一步降低数字水印的误比特率，则单靠一种纠错编码实现起来是非常 困难的，这是因为译码的复杂度将使得计算速度难以忍受，而解决这一问题的一种 好的方法就是级联编码。一种典型的级联编码是：内码用分组编码或卷积码，外码 用r s ( r e e d s o l o m o n ) 。但在数字水印这种特殊的通信系统信道中，由于隐藏空间的 大小有限及嵌入能量的有限性，这种编码方式有时会造成越纠越错，所以在有的文 献中提出外码改用重复码p 引。即将水印比特信息经b c h 编码后再重复嵌入到数字 产品的不同部位，从而来达到一种妥协