（基础数学专业论文）基于分形的小波域数字水印.pdf

摘要随着i n t e r n e t 用户的急剧增多和多媒体技术的飞速发展，数字化产品越来越普及。由于数字化产品的传播、复制、篡改和窃取都比较容易，所以多媒体数字产品愈来愈需要一种有效的版权保护方法。数字水印技术也就应运而生，近年来己成为多媒体信息安全研究领域的一个热点问题。本文研究了三种数字水印技术：基于小波变换的数字水印技术和基于分形的数字水印技术以及结合这两种技术的数字水印技术。设计和实现了如下三种盲水印算法：( 1 ) 考虑到人眼视觉系统( h v s ) 特性和小波变换特性，设计和实现了一种新的自适应数字水印算法。该方法的特点是：采用快速、无误差的整数小波变换；在每棵小波系数树中嵌入一个二进制位；在量化过程中，根据人眼视觉模型可见临界误差来确定每个系数的量化步长，实现了水印的自适应嵌入。( 2 1 通过改变分形编码参数，设计和实现了一种分形数字图像水印算法。该方法的不同之处是：采用了快速分形编码方法，节省了分形编码的时间；用混沌序列加密扩频水印，加强了水印系统的安全性。( 3 ) 结合分形技术和小波技术，提出并实现了一种新的自适应水印算法。该方法的独创之处是：利用了人眼视觉特性和分形误差，自适应控制水印的嵌入位置，能有效地改善水印图像的视觉质量；同时，也提高了水印系统的安全性。本文给出了上述算法的实验数据，并进行了性能分析。实验结果表明结合小波变换和分形编码的水印算法具有良好的鲁棒性和不可见性，其综合性能优于前两种算法。化关键词：数字水印，小波变换，分形编码，人眼视觉系统，混沌序列量a b s t r a c tw i t ht h es h a r pi n c r e a s eo fi n t e m e tu s e r sa n dt h ef a s td e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g yo fm u l t i m e d i a ，t h ed i g i t a lp r o d u c t i o nh a sb e e nm o r ea n dm o r ep o p u l a r i th a sb e c o m eu r g e n tt h a th o wt op r o e c tt h ec o p y r i g h to fd i g i t a lp r o d u c t i o na n dp r e v e n tt h ep i r a t eo ft h ed i g i t a lp r o d u c t i o nb e c a u s ei ti sm u c he a s e rt ot r a n s m i t ，c o p y ，t a m p e ra n dp i r a t et h ed i g i t a lp r o d u c t i o n d i g i t a lw a t e r w a t e r m a r k i n ge m e r g e sa st h et i m e sr e q u i r ea n db e c o m e sah o ts p o ti nt h er e s e a r c hf i e l do fm u l t i m e d i ad a t as e c u r i t yi nr e c e n ty e a r s a f t e rt h o s ed 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 i e s ，i n c l u d i n gd i g i t a lw a t e r m a r k i n gb a s e do nw a v e l e tt r a n s f o r ma n dd i g i t a lw a t e r m a r k i n gb a s e do nf r a c t a le n c o d i n ga n dd i g i t a lw a t e r m a r k i n gb a s e do nb o t ht h e m ，a r es t u d i e d ，t h o s ef o l l o w i n gp u b l i cw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h e m sa r ep r e s e n t e d f i r s t l y , c o n s i d e r i n gt h ef e a t u r e so fh u m a nv i s u a ls y s t e m ( h v s ) a n dw a v e l e tt r a n s f o r m ，aa d a p t i v ew a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mi sp r o p o s e d i ta d o p t sf a s ti n t e g e rw a v e l e tt r a n s f o r m ；e a c hw a t e r m a r t kb i ti se m b e d d e di n t oe v e r yc o o e f i c i e n to fo n ew a v e l e tt r e eo fh o s ti m a g e q u a n t i z a t i o ns t e po fe a c hc o e f f i c i e n ti sa u t o m a t i c a l l yc o m p u t e di nt e r m so ft h ej n dt oa d a p t i v e l ye m b e dw a t e r m a r k i n g s e c o n d l y , ad i g i t a lw a t e r m a r k i n ga p p r o a c hb a s e do nf r a c t a lc o d i n gi sd e s i g n e d ，i tc a nb ec o m p l e t e db yc h a n g i n gf r a c t a lc o d i n gp a r a m e t e r s i ta d o p t sf a s tf r a c t a li m a g ec o d i n gi no r d e rt or e d u c et i m eo ff r a c t a lc o d i n g c h a o ss e q u e n c ei su s e dt oe n c r y p tw a t e r m a r k i n gt oe n h a n c et h es e c u r i t yo fw a t e r m a r k i n gs y s t e mf i n a l l y ，an e wa l g r i t h mb a s e do nf r a c t a li m a g ec o d i n ga n dd i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o r mi sp r o p o s e da n dc a na d a p t i v e l ys e l e c tl o c a t l i t yt oe m b e dd i g i t a lw a t e r m a r ki nt e r mo ft h eh v sa n df r a c t a li m a g ec o d e i n ge r r o rt og e tb e s tq u a l i t yf o ri m a g ew i t hw a t e r m a r k i n ga n de n h a n c et h es e c u r i t yo fw a t e r m a r k i n gs y s t e m a l le x p e r i m e n td a t ai sd r a w no u tf o rt h ep e r f o r m a n c ea n a l y s e s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ei 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 so ft h el a s tm e t h o dc a nb eg u a r a n t e e da n di t ss y n t h e t i cp e r f o r m a n c ei sb e t t e rt h a nt h o s ef o r m e rm e t h o d s k e yw o r d s ：d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ，w a v e l e tt r a n s f o r m ，f r a c t a li m a g ec o d i n g ，h u m a nv i s u a ls y s t e m ，c h a o ss e q u e n c e s ，q u a n t i z a t i o n第一章前言1 1 数字水印技术的国内外研究现状2 0 世纪9 0 年代以来，数字技术和信息网络技术在全世界的范围内得到了迅猛的发展，这无疑极大的方便了人们之间的通信和交流。借助于网络，各种形式的多媒体数字产品( 如数字化音频、数字化视频、数字化图像等方面的作品)可以低成本、高速度的被复制和传播，并且这种复制和传播几乎可以无损地进行，这着实给创造者和使用者提供了极大的便利。因此，如何在网络环境中实施有效的信息安全手段就已经成为一个迫在眉睫的现实问题。目前，多媒体信息安全技术的研究主要有两种方法：多媒体信息加密和多媒体信息隐藏技术。多媒体信息加密是一种常用的信息安全手段，但它有三大不足之处：首先，加密可能使数据变得不可理解，从而对它的传播产生影响；其次，加密后的数据容易引起攻击者的注意，而数据一旦解密，则将是完全透明的；第三，数字化的声像数据从本质上说就是数字信号，如果对这类数据也采用密码加密方式，则其本身的信号属性就被忽略了。而信息隐藏技术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，它能巧妙的将自己隐藏起来，免于被发现而遭受攻击。数字水印技术( d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ) ，作为信息隐藏学的一个重要研究分支，是对多媒体产品的版权和内容保护的有效办法，从它诞生之日起，就得到了学术界、产业界、国际标准化组织等各个方面的关注。无论是从理论研究、产品研制还是专利获取等各个方面，我们都可以感受到水印正以不可估量的速度发展着，在产业界，欧美和日本的有关厂商正在积极开发采用该技术的产品。1 9 9 6 年2 月美国a d o b es y s t e m 公司首先在图像处理软件a d o b ep h o t o s h o p4 0 中，采用美国d i g i m a r c 公司的技术，加入了数字水印模块，起到版权保护的功能。1 9 9 9年2 月，五大唱片公司：博得曼( b m g ) 、百代( e m i ) 、索尼( s o n y ) 、环宇( u m u s i c )和华纳( w b r ) 联合宣布与i b m 合作，联合开发一个在因特网方便、快速、安全发布数字视听产品的实验系统。2 0 0 1 年1 月d i g i m a r c 公司又宣布与图形艺术的业界团体p r i n t i n gi n d u s t r i e so fa m e r i c a ( p t a ) 就电子水印技术联手合作，在打印机中使用d i g i m a r c 的，“m e d i a b r i d g e ”电子水印技术。2 0 0 1 年7 月，富士通公司开发出了“阶层型电子水印”技术，为其在因特网上实现电子博物馆和电子美术馆系统“m u s e t h q u el i g h t ”提供了安全保障。2 0 0 1 年5 月，美国d i g i m a r c 、r 立制作所、美国m a c r o v i s i o n ，n e c 、荷兰飞利普、先锋和索尼等7家公司成立了数字视频内容电子水印技术业界团体“v i d e ow a t e r m a r k i n gg r o u pf v w mg r o u p ) ”。之前，日立、n e c 、先锋、索尼一直在推行利用水印技术保护d v d 版权的“银河”( g a l a x y ) 计l ( j ，而d i g i m a r c ，m a c r o v i s i o n 和飞利普则在推行m i l l e n n i u m 技术。v w mg r o u p 计划向d v d 著作权管理协会d v dc c a( c o p yc o n t r o l a s s o c i a t i o n ) 在2 0 0 1 年5 月实施的技术评价工程“m a y2 0 0 1d v dc c a ”提交了v w mg r o u p 技术，该评价工程于2 0 0 1 年9 月份完成。在美国，以麻省理工学院媒体实验室为代表的一批研究机构和企业己经申请了数字水印方面的专利。1 9 9 8 年，美国政府报告中出现了第一份有关图像数据隐藏的a d报告。目前，已支持或开展数字水印研究的机构既有政府部门，也有大学和知名企业，它们包括美国财政部、美国版权工作组、美国空军研究院、美国陆军研究实验室、德国国家信息技术研究中心、日本n t t 信息与通信系统研究中心、麻省理工学院、伊利诺斯大学、明尼苏达大学、剑桥大学、瑞士洛桑联邦工学院、西班牙v i g o 大学、i b m 公司w a t s o n 研究中心、微软公司剑桥研究院、朗讯公司贝尔实验室、c a 公司、s o n y 公司、n e c 研究所以及荷兰菲利浦公司等。2 0 0 1 年5 月美国i n t e r t r u s t t e c h n o l o g i e s 公司有关数码著作权管理( d r m ) 和电子水印技术取得了美国专利商标局颁发的专利，编号为6 ，2 4 0 ，1 8 5 。它可实现向音频及视频等电子信息安全地嵌入著作权管理数据( 企业规定及管理复制信息1 。同时，还可以与数码著作权管理系统密切互动，当信息内容被变更、解读以及被进行数码模拟转换时也能够加进行妥善的保护及管理。6 月，d i g i m a r c 公司的电子水印技术获得了由美国专利商标局颁发的美国专利，编号为6 ，2 2 9 ，9 2 4 。据了解，该专利是该公司取得的第2 3 项美国专利。它在视频图像中实现了电子水印的嵌入，通过调整水印信息的亮度，从而将水印对于图像的影响降低到最低限度，并且保持一定的位率。国际标准化团体也对水印技术表现出了很大的兴趣。在连续色调图像压缩标准j p e g 2 0 0 0 和视频压缩标准m p e g 一4 ( i s o i e c1 4 4 9 6 )中都加入了水印技术。d v d 工业标准中也将包含拷贝控制和拷贝保护机制，它使用水印来标记多媒体数据的拷贝权限，如“允许拷贝一次”和“不允许拷贝”标志。我国学术界也紧跟世界水印技术发展的脚步，一批有实力的科研机构相继投入到这一领域的研究中来。为了促进数字水印及其他信息隐藏技术的研究和应用，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、蔡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年和2 0 0 1 年又分别在北京和西安开了第2 和第3 届。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、国防科技大学、清华大学、上海交通大学、天津大学、中国科技大学、北京大学、北京理工大学、中山大学、北京电子技术应用研究所等单位的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。我国在水印技术领域内的研究得到了长足的发展，取得了很多成绩。1 2 论文选题的背景和意义小波变换由于其多分辨分析的特点，有数学“显微镜”的美称，很适合表现图像的特征，在数字水印技术中得到广泛的应用，并已取得了骄人的成绩。使用小波域水印方法主要有如下优点：在有损压缩下不易去除；可以将图像编码研究中关于视觉特性的研究成果用于水印技术；能提供压缩域中直接嵌入水印的方法。分形图像压缩技术能充分利用图像内部的自相似性，去除图像不同尺度之间的冗余性，从而使图像压缩率得到了大大的提高，成为了图像压缩领域的最被看好的技术之一。分形数字图像水印是盲水印，符合水印发展的主流方向，从而使其在众多的图像水印方法中有一定的优势。但是，其运算复杂度较大，同时要求图像具有相似性。小波变换后的系数具有强相似性，分形技术又能将这种相似性很好地提取出来，这就使得分形技术与小波技术能够实现完美结合，其水印算法也应该具有较好的鲁棒性和透明性。当然，如何将小波变换技术，分形技术，水印算法有机的结合起来，这是一个崭新的课题。目前，这一类的水印技术还刚刚开始起步。1 3 本文所做的工作本文主要以静止图像为研究对象，从人类视觉系统出发，利用目前比较流行的小波变换技术和分形编码技术领域的一些最新成果，对小波域内基于分形技术的公丌数字水印技术进行重点研究，提出一些新的思想和解决方案。主要内容如下：( 1 1 考虑到人眼视觉系统( h v s ) 特性和小波变换特性，设计和实现了一种新的自适应数字水印算法。该方法的特点是：采用快速、无误差的整数小波变换；在每棵小波系数树中嵌入一个二进制位；在量化过程中，根据人眼视觉模型可见临界误差来确定每个系数的量化步长，实现了水印的自适应嵌入。f 2 1 通过改变分形编码参数，设计和实现了一种分形数字图像水印算法。该方法的不同之处是：采用了快速分形编码方法，节省了分形编码的时间；用混沌序列加密扩频水印，加强了水印系统的安全性。f 3 1 结合分形技术和小波技术，提出并实现了一种新的自适应水印算法。该方法的独创之处是：利用了人眼视觉特性和分形误差，自适应控制水印的嵌入位置，能有效地改善水印图像的视觉质量；同时，也提高了水印系统的安全性。第二章数字水印技术2 1 数字水印技术的基本原理所谓数字水印，是嵌在数字产品中的数字信号，它可以是图像、声音、文字、符号、数字等一切可以作为标记、标识的信息。它的存在是以不破坏原数据的欣赏价值和使用价值为原则。数字水印技术是指利用数字产品的信息冗余性，把与多媒体内容相关或不相关的一些标识信息直接嵌入多媒体内容中，并能够通过计算机或专用检测电路及时地把水印检测或提取出来的技术。这种技术充分利用了人的知觉系统( i - i v s ) 矛u 人类听觉系统( h a s ) 的冗余特性。一个数字水印方案一般包括三个基本方面：水印的生成、水印的嵌入和水印的提取或检测。数字水印技术实际上是通过对水印载体媒质的分析、嵌入信息的预处理、信息嵌入点的选择、嵌入方式的设计、嵌入调制的控制等几个相关技术环节进行合理优化，寻求满足不可感知性、安全可靠性、稳健性等诸条件约束下的准最优化设计问题。而作为水印信息的重要组成部分密钥，则是每个设计方案的一个重要特色所在。数字水印的嵌入和提取方法如图2 - 1 、图2 2 所示。圈2 - 2 数罕水印检测提取过程2 2 数字水印技术的基本特征与数字水印相近或关系密切的概念有很多，从目前出现的文献中看，已经有诸如信息隐藏、信息伪装、数字指纹等概念。它们是互相重叠而且常常被不加区别的使用。数字水印技术有着其固有的特点和研究方法。例如，从信息安全保密角度而言，隐藏的信息如果被破坏掉，系统可以视为安全的，因为秘密信息并未霉量泄漏，但是，在数字水印系统中，隐藏信息的丢失意味着版权信息的丢失，从而失去了版权保护的功能。因此数字水印系统必须具有较强的鲁棒性、可证明性和不可感知性等特点【4 2 】。一般的，数字水印应具有如下一些基本特征：f 1 1 可证明性数字水印应能为受版权保护的数字信息产品的归属提供完全和可靠的证据。水印算法识别被嵌入到保护对象中的所有者的有关信息f 如注册的用户号码、产品标志或有意义的文字等1 并能在需要的时候将其提取出来。水印可以用来判别对象是否受到保护，并能够监视被保护数据的传播、真伪鉴别以及非法拷贝控制等【4 3 】。这实际上是发展水印技术的基本动力，虽然从现有的文献来看，对其研究相对少一些。就目前已经出现的很多水印算法而言，攻击者完全可以破坏掉嵌入到数字产品中的水印或复制出一个理论上存在的“原始数字产品”，这导致数字产品所有者不能令人信服的提供版权归属的有效证据【1 3 】。因此一个好的水印算法应该能够提供完全没有争议的版权证明，且为非可逆的、非对称的，在这方面还需要做很多工作。( 2 1 不可感知性不可感知性包含两方面的意思，一个指静止图像以及视频产品中水印视觉上的不可见性，即因嵌入水印导致图像质量的变化对人的视觉系统来讲应该是不可察觉的，最理想的情况是水印图像与原始图像在视觉上一模一样，这是绝大多数水印算法所应达到的要求；另一方面水印用统计方法是不能恢复的，即如果你不是水印的原创者，对大量的用同样方法和水印处理过的数字产品即使用统计方法也无法提取水印或确定水印的存在。( 3 ) 鲁棒性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一种不引起被保护作品感知上退化，又难以被未授权用户删除的方法向一个数字作品中嵌入一个标记。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模数、数模转换，重新量化，或某种信号的增强，如图像的亮度、对比度、声音的低频和颤音等处理，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印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。需要指出的事，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。( 4 ) 隐藏位置的安全性隐藏位置的安全性指将水印信息隐藏于目标数据的内容之内，而非文件头等处，防止因格式转换而遭到破坏。( 5 1 通用性好的水印算法应适用于多种文件格式和媒体格式。通用性在某种程度上意味着易用性。2 3 数字水印的分类数字水印技术的分类方法有很多种，分类的出发点不同导致了分类的不同，它们之间是既有联系又有区别的。最常见的分类方法有下列几种【8 - 9 】：1 按水印的可见性划分按嵌入水印后数字产品中水印是否可见可将数字水印分为可见水印和不可见水印。可见水印主要用于当场声明数字产品的版权归属，对盗版者起到即时威慑和约束作用，也可用于在因特网上在线分发带有可见水印的数字产品，对数字产品进行广告宣传。不可见水印不能够阻止盗版者对数字产品的非法复制，但可用来证明数字产品所有权，以及作为鉴定、起诉非法侵权的证据。2 按水印的鲁棒性划分按水印的鲁棒性可以将数字水印分为鲁棒数字水印和脆弱数字水印两种。鲁棒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；脆弱数字水印主要用于完整性保护，与鲁棒水印的要求相反，脆弱水印必须对信号的改动非常敏感，人们根据脆弱水印的状态就可以判断数据是否被篡改过。3 按水印所附载的媒体划分按水印所附载的媒体，我们可以将数字水印划分为图像水印、音频水印、视频水印、文本水印等等。随着数字技术的发展，会有更多类的数字媒体出现，同时也会产生相应的水印技术。4 - 按水印的检测过程划分按水印的检测过程可以将数字水印划分为公有水印和私有水印。5 按水印的内容划分按数字水印的内容可以将数字水印分为有意义的水印和无意义水印。有意义水印是指水印本身也是某个数字图像( 如商标图像) 或数字音频片断的编码；无意义水e i i n 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它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。但对无意义的水印来说，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含有水印。6 按用途划分不同的应用需求造就了不同的水印技术。按水印的用途，我们可以将数字水印划分为票据防伪水印、版权保护水印、篡改提示水印和隐藏标识水印。7 按水印隐藏的位置划分按数字水印隐藏的位置划分，我们可以将其分为空间域数字水e r 弄l l 变换域数字水印。( 1 ) 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感知性和鲁棒性，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。f 2 ) 变换域的水印变换域的方法将水印添d i ：i n 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：a 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通滤波的影响。b 在频率域中加入水印可将水印分散到图像的全局，类的几何攻击。以抵抗压缩编码及低从而抵抗诸如剪切之c 频率域的能量分布集中，容易与h v s ( h u m a nv i s u a ls y s t e m ) 十h 结合来决定嵌入水印的强度。随着数字水印技术的发展，各种水印算法层不出穷，水印的隐藏位置也不在局限于以上几种。应该说，只要构成一种信号变换，就有能在其变换空间隐藏水印。2 4 数字水印的经典算法2 4 1 早期水印算法出于信息隐藏和版权保护的需要，早在1 9 9 0 年就有一些刊物介绍了给图像加标签的思想。但一般人们公认的数字图像水印时代应始于1 9 9 3 年，当时c a r o n n i l l 7 】利用空间信号调制的方法给图像加入一个n n 的矩形标签，从而实现了对未经授权的图像进行跟踪的功能，这个n n 的矩形标签被认为是最早的图像水印。1 9 9 4 年，t i r k e l 3 5 】等人在他们的文章ad i g i t a lw a t e r m a r k ) ) 中首先提出并定义了数字水印这一术语。早期的水印文章发表后，越来越多的人开始对水印发生兴趣，并致力于此。2 4 2 空间域图像水印算法空间域算法包括文本水印算法、s c h y n d e l 算法和p a t c h w o r k 算法等。其中s c h y n d e l 算法被认为是一篇具有历史价值的文献，它是第一篇在主要会议上发表的关于数字水印的文章，文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，此算法首先把一个密钥输入一个r n 序列发生器来产生水印信号，然后此m 序列被重新排列成2 维水印信号，并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，它可以轻易的被移去，因此鲁棒性较差【3 6 1 。b e n d e r 等【4 0 】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，行问距或者是增加、删除字符特征如底纹线等方法来嵌入水印。b e n d e r 同时指出，这些方法无法抵御攻击。1 9 9 5 年，b e n c h 1 0 】提出了p a t c h w o r k 算法。p a t c h w o r k 法是一种基于统计的数字水印嵌入方法，在p a t c h w o r k 算法中，一个密钥用来初始化一个伪随机数发生器，而这个伪随机数发生器将产生载体中放置水印的位置，这是一种改变图像数据统计特性的方法。p a t c h w o r k 算法可叙述如下：在嵌入过程中，版权所有者根据密钥k 伪随机地选择r 1 个象素对，然后通过下面的两个公式更改这n 个象素对的亮度值( n ，b ，) ：a 。= a ，+ 1b 。= b j - 1这样，版权所有者就对所有的a ：加1 和对所有的6 。减1 。在提取的过程中，也使用同样的密钥k 将在编码过程中赋予水印的1 1 个象素对提取出来，并计算这样一个和：s2( a 。一6 。)如果这个载体确实包含了一个水印，就可以预计这个和为2 n ，否则它将近似为零。这种提法是基于下面的统计假设的，如果我们在一个图像里随机地选取一些象素对，并且假设它们是独立同分布的，那么有：e i s 2 荟( e l 口l 】_ e )因此，只有知道这些修改位置的版权所有者才能够得到一个近似值s 一2 n 。p a t c h w o r k 方法隐蔽性好，并且对j p e g 压缩、f i r 滤波以及图像剪切操作有一定的抵抗力，但该方法嵌入的信息量有限。为了嵌入更多的水印信息，可以将图像分块，然后对每一个图像块进行嵌入操作。现在麻省理工学院的媒体实验室正在研究如何利用这种方法在彩色打印机、复印机输出的图像中加入水印，通过实时地从扫描票据中判断水印的有无，快速辨识真伪。扩频思想在空间域水印中得到了广泛的应用，1 9 9 7 年k u t t e r 【3 0 】等人提出通过对空间域的幅值调制嵌入一个二进制形式的水印。此外，他们还提出在水印解码前对图像进行预处理，来预测嵌入的水印。这一步骤显著的提高了鲁棒性，并可应用于空间域中的各种扩频水印。该算法具有较强的鲁棒性，对于几何攻击和1 0复印一扫描型攻击也具有一定的抵御能力。m a c q l l 1 1 , 2 3 1 等人利用掩蔽和调制技术，将水印技术与人眼视觉系统( h v s l相结合。二进制形式的水印经过低通滤波器，频率调制，掩蔽后被加入到载体图像中，同时由密钥决定调制的频率和水印嵌入的位置。考虑到图像高频段存在形态学均匀化区域，为了使水印与图像相适应，算法中采用了可变的掩蔽。水印的恢复则只要利用相关函数进行解调。2 4 3 变换域图像水印技术相对于空间域的水印技术，变换域的水印算法有三个显著的优点：f 1 ) 在变换域嵌入的水印信号能量可以分布到空间域的所有象素上，有利于保证水印的不可见性；( 2 ) 在变换域中，人眼视觉系统的某些特性，如频率掩蔽特性，可以更方便的结合到水印编码过程中；( 3 ) 变换域的水印算法可以更好的同国际数据压缩标准相兼容，从而实现压缩域内的水印编码。变换域水印是1 9 9 5 年由b o l a n d 2 4 j 和c o x 1 9 j 首先提出来的，他们独立的进行了基于调制的感知自适应方法的研究。c o x 提出嵌入过程中水印被分散到一系列视觉重要的频率分量上，这与扩频通信等价。b o l a n d 等提出了一种相近的幅度调制和频移键控相结合的水印技术，并建议使用不同的变换域，如d c t , 、t及f f t 等。1 9 9 6 年，j p u a t e 和ej o r d a n 2 5 】提出了基于易损图像压缩的水印算法，该算法在j p e g 压缩测试中，当压缩质量系数下降至5 0 9 6 时，鲁棒性仍然很好。1 9 9 8 年，b a s 3 4 】等人又将这一利用空间域易损图像编码的水印思想扩展到了d c t 块中。f 1 ) d c t 域水印算法d c t 域是变换域水印算法中极为重要的一个部分。d c t 变换是性能最接近于k l 变换的正交变换，通常使用的图像压缩标准，如现在所通用的j p e g 和m p e g 等，使用的图像变换都是d c t 变换，因此采用基于d c t 的数字水印算法，对于消除有损压缩带来的损失有实际的意义。k o c h “】等人选择在d c t 域的中频系数中嵌入水印。对于一个伪随机选定的块，从1 2 对伪随机对中选出一对中频系数，然后对这对系数进行变换，使得他们间的微分的正负由嵌入位的值决定，从而实现一位信息的嵌入。算法在改变d c t 系数的同时考虑了量化矩阵，因此当j p e g 压缩的质量因子降至5 0 时，该方法的鲁棒性仍然很好。和空间域水印相比，d c t 变换与人眼视觉特性结合得更为紧密。1 9 9 6 年，s w a n s o n f ( ”】等人在d c t 域的水印技术的基础上又加入了分块和频率掩蔽的思想。同年，p o d i l c h u k 1 4 】在w a s t o n 定义的感知模型基础上，用可感知偏差的极值( j n d ) 来决定与图像相关的水印调制掩蔽。实验证明该水印方案对j p e g 压缩、剪切、放缩、附加噪声、g a m m a 修正及打印复印扫描操作都有非常好的鲁棒性。( 2 ) 小波域水印算法1 9 9 6 年，b o l a n d ”】首先提出了用多分辨率分解嵌入水印的方法。图像和水印都用2 维小波变换进行分解，图像的每个子带中都嵌入了加权形式的水印。而水印解码通常是基于嵌入水印估计及水印本身的归一化相关性进行的。1 9 9 7 年，x i a 4 1 】等人又提出了一种基于小波变换分层的水印提取处理过程。算法利用离散小波变换将接收到的图像和原始图像分解到某个尺度上，然后通过计算互相关来比较加入的原始水印与提取出的水印系数差。如果在互相关中，存在一个尖峰，则认为水印存在，否则再进行新的一级的小波分解，在新的一级上检测水印。这个过程一直进行下去，直到检测出水印或d w t 分解到最后一层为止。这一算法使水印检测的计算量大大减少。1 9 9 8 年，r a k e s hd u g a d 等人【3 7 】采用一种闭值法将水印藏于静态图像中。该方法需要在小波域内确定两个闭值t 1 和t 2 ，其中t 1 是水印添加的闭值，它决定了水印添加的位置，t 2 则是水印提取的闭值，它决定了水印提取的位置，且严格要求t 2 t 1 。这种水印嵌入方法的特点在于：( 1 ) 水印的添加位置是与原图相关的；( 2 ) 不需根据视觉重要性对小波系数进行排序；( 3 ) 不需要计算视觉掩蔽，计算量小；f 4 ) 检测时不需要原图信息，属于盲水印。1 9 9 9 年，d e e p ak u n d u r 等人【”1 将水印的添加和提取结合起来考虑，提出了鲁棒参考水f p ( r o b u s tr e f e r e n c ew a t e r m a r k i n g r r w ) 算法。该算法中用到了两种水印，即鲁棒水印和参考水印，两者相互正交。它们被同时添加到经过了d w t后的载体图像小波系数中，然后用小波反变换得到添加了水印的图像。检测时，用提取出的参考水印来估计图像所受到的攻击，由于提取出的鲁棒水印所受的攻击与参考水印受到的攻击一样，因此可以估计出原始的鲁棒水印。近年来，由于即将出台的j p e g 2 0 0 0 静态图像压缩标准和m p e g 4 基于对象的视频压缩标准都引入了小波变换编码的思想，越来越多的研究者开始关注于小波域水印算法的研究。2 4 4 基于分形编码的水印技术基于分形的数字图像水印方法目前主要有三类：一类方法通过改变分形编码的编码参数嵌入水印，另一类方法利用图像的自相似性嵌入水印，第三类方法则将分形与其它理论相结合以嵌入水印信息，后两类水印很少见，也是将来要进一步研究的方向。目前最多的是第一种方法中改变分形编码定义域块搜索范围的方法。这类方法采用图2 3 和图2 4 的嵌入和提取过程模型，该方法可进一步细分为三类：改变定义域块的搜索范围、改变分形编码的几何变换、改变灰度变换参数。图2 - 3 分形水印嵌入模型图2 4 分形水印提取模型2 4 4 1 改变定义域块的搜索范围文献【3 2 】是最早的分形水印文献，嵌入水印的策略是依靠改变定义域块的搜索范围实现的嵌入的水是3 2 b i t 的0 、1 码s = ，s ，。) 。设o 表示原始图像，o ，表示值域块r 。( n x n ) ，仇表示定义域块d 。( 2 n 2 n ) ，d 。的范围通常是尺。周围的正方形区域，定义为局部搜索域l s r ( l o c a ls e a r c h i n gr e g i o n ) 。在分形编码过程中嵌入水印的策略如下：首先由密钥“s e e d ”确定嵌入水印的位置，如果s= 1 ，则r q 对应的定义域块d q 在a ；中搜索；如果s i = 0 ，则r “对应的定义域块d 。在b i 中搜索；如果不嵌入水印，则搜索范围在c i ( c i = a i + b i ) 中。a 、b 和c 的定义如图2 5 所示。b图2 - 5 文献【3 2 】的搜索范围提取水印时，首先对含水印的图像进行分形编码，这时搜索范围全部在c i 中。由密钥得到嵌入水印的位置及对应的d 。：如果d h a i ，则判断水印s i = 1 ；如果d 。b 。，则判断水印s i = o 。文献在文献【3 2 】的基础上，做了两点改进：( 1 ) 把l s bc 扩展为整个图像，l s b a 为值域子块的周围区域，l s bb 为整个图像去掉l s ba 的剩余部分。( 2 ) 将l s ba 和l s bb 定义为互相交错的区域。将搜索域的范围按照列的奇偶分为两部分，列为奇数的区域是l s ba ，列为偶数的区域是l s b b 。2 4 4 2 改变分形编码的几何变换仿射变换是空间收缩变换、灰度变换及几何变换的综合。几何变换一共有八种：( 1 ) 同一变换。( 2 ) 绕中心顺时针旋转9 0 度的变换。( 3 ) 绕中心顺时针旋转1 8 0度的变换。( 4 ) 绕中心顺时针旋转2 7 0 度的变换。( 5 ) 关于垂直中轴i = ( b - 1 ) 2的镜象变换。( 6 ) 关于水平中轴j = ( b 一1 ) 2 的镜象变换。( 7 ) 关于对角线( j = i ) 的镜象变换。( 8 ) 关于对角线( i + j = b 一1 ) 的镜象变换。c h e n g h a ol i 删在对原始图像进行分形编码时，将这八种几何变换分成两类：( 1 ) 、( 2 ) 、( 6 ) 、( 7 ) 为第一类，设为a l ；( 3 ) 、( 4 ) 、( 5 ) 、( 8 ) 为第二类，设为a 2 。如果嵌入数字1 ，则匹配在a 1 中进行；如果嵌入数字“0 ”，则匹配在a 2 中进行。2 4 4 3 改变灰度变换参数文献【1 2 j 通过改变灰度变换来嵌入水印。李冠华等人【1 1 选择灰度补偿因子g 嵌入水印信息。首先对原始图像进行参数统计，获得g 的取值范围。为了减少由于水印信息的嵌入造成的图像质量的下降，用交叉抽取的方法把g 的所有取值分为两部分g l 和9 2 ，即所有奇数值构成9 1 ，所有偶数值构成9 2 。嵌入水印时，对每个水印，值域子块随机选取。如果嵌入水印0 ，则值域子块在9 1 中寻找它的最佳灰度补偿因子；如果嵌入水印1 ，则值域子块在簖中寻找它的最佳灰度补偿因子2 5 数字水印的应用领域目前数字水印技术的应用主要包括以下几个方面：( 1 ) 版权保护数字作品的所有者利用密钥产生一个水印，并将其嵌入到原始数据当中，然后公开发布他的带有水印的作品。当作品被盗版或出现版权纠纷时，所有者可利用从盗版作品中提取水印作为依据，从而保护所有者的权益。这要求水印必须有较好的鲁棒性、安全性和透明性。( 2 ) 加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。对这种应用领域来说，水印技术除具有版权保护应用中的特性外，还必须具有防止串谋攻击( 多拷贝攻击) 等功能( 3 ) 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被修改、伪造或特殊处理过。为实现该目的通常将原始图像分成多个独立块，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。与其他的水印不同的是，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。( 4 ) 标题与注释将作品的标题和提示等内容以水印的形式潜入作品中，如作品的制作时间、地点等。这种隐藏式注释不需要额外的带宽，且不易丢失。( 5 ) 防止非法复制目前，日本电气公司、r 立制作所、先锋、索尼和美国商用机器公司等正联合开发统一标准的基于数字水印技术的d v d 影碟防盗版技术。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。( 6 1 电子商务中的网页保护和票据防伪今后，数字水印技术还可能成为保护网页，防止非法篡改和盗用的一种有效手段。电子票据的水印技术也将得到更多的研究。2 6 图像数字水印的性能评估尽管目前的许多水印算法能经受住某些攻击，如有失真压缩、旋转等，但对联合多种攻击方法对其进行攻击则无能为力。对于图像数字水印，通常攻击测评包括：1 图像的压缩图像压缩算法是指去掉图像信息中的冗余量。水印的不可见性要求水印信息驻留于图像不重要的视觉信息中，即以弱信号的形式嵌入到强背景中，通常为图像的高频分量。而一般图像的主要能量均集中于低频分量上。经过图像压缩后，高频分量被当作冗余信息去掉，目前的一些水印算法对现有的图像压缩标准( 如j p e g ) 具有较好的稳健性，但对今后有更高压缩比的压缩算法则不能保证也具有同样好的稳健性。2 滤波检验图像中的水印是否具有低通特性，即低通滤波( 如均值滤波和中值滤波)应该无法除去图像中的水印。3 图像量化和图像增强一些常规的图像操作，如图像在不同灰度级上的量化、亮度与对比度的变化、直方图修f 与均衡，均不应对水印的提取和检测有严重影响。4 几何失真几何失真包括图像尺寸大小变化、剪切、删除或增加图像线条以及反射等。很多水印算法对这些几何操作都非常脆弱，容易被去掉。因此研究水印在图像几何失真的稳健性也是人们关注的。对于上述的测评方法，仅凭人类视觉上的观察来判别图片质量的变化显然是不够准确的，在某些情况下需要进行定量的失真度检测f 4