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自适应独立分量分析数字图像水印技术研究 摘要 随着计算机技术及网络通信技术的飞速发展，数字多媒体技术得到了广泛应用， 数字产品版权的保护问题也变得越来越重要。数字水印技术已成为解决数字多媒体 版权问题的主要工具。本文首先对数字水印技术作了较为详细地介绍，给出了数字 水印系统的一般框架，阐明了水印生成、嵌入和检测的一般方法，介绍了水印领域 的重要的研究成果，并讨论了水印系统的攻击行为。在分析了前人的工作和当前水 印发展状况的基础上，完成了以下工作： 1 、在已有的d w t ( d i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o r m d w t ) 域水印方案的基础上引入 了奇异值分解，提出了一种结合离散小波变换和奇异值分解的独立分量分析数字水 印方案。借助小波变换的优良特性及噪声可视函数，该方案嵌入水印后的图像很好 地保持了原始图像的品质，提高了水印的不可见性； 2 、独立分量分析( i n d e p e n d e n tc o m p o n e n t sa n a l y s i s ) 技术是近年来信号处理领域 的研究热点。本文将独立分量分析技术和数字水印技术有机地结合在一起，提出了 三个不同的基于独立分量分析的数字水印算法，通过大量的仿真实验，对作用于数 字水印的噪声攻击、旋转攻击和剪切攻击进行了对比分析，实验结果表明该方案能 够正确、完整的提取数字水印，表现出了很好的鲁棒性。 【关键词l ：数字水印，独立分量分析，人类视觉系统，噪声可视函数， 离散小波变换，奇异值分解 作者：黄北京 指导教师：顾济华 自适应独立分量分析数字图像水印技术研究英文摘要 a b s t r a c t d i g i t a lw a t e r m a r ki so n e o ft h eh o t s p o tt e c h n o l o g i e si nr e s e a r c hr e g i o n so f a u t h o r i t y p r o t e c t i o na n d i n f o r m a t i o ns a f e t y i th a st h ea d v a n t a g e so fr o b u s t n e s sa n df r a n g i b i l i t ya n d i tc a nb ee m b e d d e di n t ot e x t , i m a g e ，a u d i o ，v i d e oa n ds o f t w a r et op r o t e c tt h ea u t h o r i t y f i r s t ，i ti si n t r o d u c e ds o m et y p e so fw a t e r m a r km o d e l i m a g ew a t e r m a r ki nw a v e l e t d o m a i ni sa n a l y z e db yh e r e t i c a lm e a n sa n dt h eb a s i cs c h e m e sf o ri ta r et e s t e db ys o f t w a r e s i m u l a t i o n s e c o n d ，i t sp r e s e n t e dt h ea l g o r i t h mo fi n d e p e n d e n tc o m p o n e n ta n a l y s i s f l e a ) i ti sa l s od i s c u s s e dt h em o d e lb a s i s ，r e s t r i c tc o n d i t i o na n dp r o c e s so fs o l v i n ga n d t h ee f f e c t i v e n e s so fb l i n ds e p a r a t i o nh a sb e e np r o v e db ys i m u l a t i o n 硼1 i r d ，aw a v e l e t d o m a i nw a t e r m a r ks c h e m ew h i c hi sb a s e du p o nt h es p a t i a lw a t e r m a r km o d e lf o u n d e do n i c ai sp r e s e n t e d i nt h ep r o c e s so fe m b e d d i n g ，t h ei m a g e sw e r ea n a l y z e db yw a v e l e t t r a n s f o r ma n dw a v e l e t sc o e f f i c i e n t so fi m a g ea n dw a t e r m a r k sw e r em i x e dw h i c hc a m e f r o mi c aa n do r i g i n a li m a g er e s p e c t i v e l y i nt h ep r o c e s so fe x t r a c t i n g ，t h ew a t e r m a r k s a r eg o t t e nb yi c ai nw a v e l e td o m a i n a tl a s t ，i ti st e s t i f i e db yc o m p a r i n gt h es i m u l a t i o n r e s u l t sw h e nt h ew a t e r m a r ki sa t t a c k e db yn o i s e ，r o t a t i o na n dc r o p p i n g 1 1 1 ee x p e r i m e n t o u t c o m es h o w st h a tt h es c h e m ec o u l de x t r a c tw a t e r m a r kc o r r e c t l ya n d 、7 l ，i t h g o o d c h a r a c t e r i s t i co fr o b u s t n e s s k e y w o r d s ：w a t e r m a r k ，i n d e p e n d e n tc o m p o n e n ta n a l y s i s ，n o i s ev i s i b i l i t yf u n c t i o n ， d i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o r m ，s i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n w r i t t e nb yh u a n gb e i j i n g s u p e r v i s e db yg uj i h u a 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含其 他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学或 其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责 任。 研究生签名：萝! 兰童： e l 期：型独1 2 望 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保存期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名：违i 堡孟： 日期：兰1 2 垒茧1 2 叟 导师签名：日期： 自适应独立分量分析数字图像水印技术研究第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 计算机技术和网络技术的发展，大大简化了数字产品的存储、编辑和传输，提 高了信息表达的效率和准确度，使网络数字多媒体变成了现实。在这种环境下，数 字产品很容易被复制、处理、传播和公开，但是，它也使盗版行为日益猖獗。当前， 数字图像是互联网上最主要的多媒体数据之一，它广泛地分布在互联网的每个角落。 由于数字图像有着广泛的应用，它已成为盗版的主要对象，数字图像的版权保护问 题已经迫在眉睫。令人忧虑的是传统意义的版权保护措施在数字作品中无能为力。 如何有效保护数字产品的版权，减少巨额的经济损失，已经受到了国际学术界、企 业界、政府相关部门的广泛关注。数字水印技术即由此应运而生。 数字水印是目前版权保护、信息安全领域研究的一个热点，可被嵌入到文本、 图像、音频、视频和软件等载体中以保护载体版权。众所周知，水印是在纸币制作 过程中嵌入到纸币中的，是阻止假币制造的有效方法。作为目前公认的解决数字产 品版权的有效手段的数字水印，与传统水印( 钞票水印) 类似，将特定的不可见的标 识嵌在文本、图像、视频、音频等数字产品中，然后公开发布作者的水印版本作品， 从而实现水印的隐藏、标注、传输、存储、身份识别、版权保护等功能。一方面， 当该作品被盗版或出现版权纠纷时，所有者即可从盗版作品或水印版作品中获取水 印信号作为依据，这样就可以公正地解决所有权问题，从而防止其他人对该数据拥 有版权，保护所有者的权益；另一方面，作者还可以事先在每份副本中放置不同的 水印，假如作品被滥用，就可通过对其数字产品中的水印进行探测和分析来实现对 作品的动态跟踪，从而确定其作品的完整性和真实性。 自适应独立分量分析数字图像水印技术研究第一章绪论 1 2 数字水印的研究现状 数字水印技术引起学术界注意以前，包括隐写术、计算机中的隐信道通信在内 的信息隐藏技术通常被认为是军事间谍、网络黑客们的专属领地。数字水印技术的 提出，使得人们将信息隐藏作为一门科学来研究。数字水印技术起源于保密通讯， 在数字水印技术提出之前，人们已经在关心数据隐藏和标记技术。其工作原理就是 在声音、图像、视频等多媒体数字信号中嵌入不可感知的信息，用于传输对第三方 保密的内容。早期的研究重点是数据隐藏，这些技术在设计上并没有考虑被隐藏数 据的鲁棒性，这是因为当时预想的应用还没有包括通过对信号的失真或有意的破坏 来删除隐藏的数据的问题。随着数据隐藏技术的发展，它在版权追踪方面的优势逐 渐显示出来，并发展成为一个日益活跃的研究领域。数字水印技术的学术特点在于 它横跨图像信息处理、多媒体技术、模式识别、密码学、数字通信等多学科领域， 是当前信息科学前沿中一个新颖且具有广泛应用前景的研究热点。而包括数字水印 在内的信息隐藏技术，尚未形成完整的学科理论体系，因此这也是一项重要的应用 基础研究。 数字水印早在二十世纪七八十年代已有人关注， w a t e r m a r k 这个概念最初是由 t i r k e l 等人于1 9 9 3 年提出来的，并用于图像水印技术，“数字水印”作为正式术语才 真正流行起来。1 9 9 4 年，s c h y n d e l 等在i c i p 9 4 会议上宣读的题为“ad i g i t a l w a t e r m a r k 的论文，被公认为第一篇数字水印领域的正式学术论文。1 9 9 7 年，c o x 等发表的d c t 域扩频水印算法成为数字水印研究的座里程碑，对整个数字水印技 术的发展成熟起到了不可估量的作用。 此后研究人员将数字水印技术的概念扩展到声音和视频等其它数字媒体，水印 在版权追踪、数据身份鉴别方面的应用前景也逐步引起工业界的浓厚兴趣。自1 9 9 5 年至今，有关数字水印的专题会议已召开过多次，许多大公司及实验室也纷纷将水 印技术应用于自己的产品。 数字水印技术从正式提出到现在短短十几年，欧美一些著名大学和研究机构， 如麻省理工学院、剑桥大学、普渡大学、n e c 研究所、m m 研究所等都投入相当的 2 自适应独立分量分析数字图像水印技术研究 第一章绪论 人力和财力，致力于该项技术的研究，并取得一定的成果。一些公司已推出了一些 数字水印软件产品，如h i g hw a t e rf b i ，d i g i m a r cc o r p o r a t i o n 等。 随着数字水印技术的推广，其标准化工作也开始受到重视。i b m ，s o n y ，h i t a c h i ， n e c 和p i o n e e r 等五家大公司在1 9 9 9 年2 月联合宜布了一个保护数字视频和数字电 影的水印标准协议，标志着水印标准己逐步走向正规。 我国学术界对数字水印技术的反应也非常快，已经有相当一批有实力的科研机 构投入到这一领域的研究中来，如中科院自动化所、北京大学、北京邮电大学信息 安全中心、哈尔滨工业大学、浙江大学等。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 ( c m 哪，到目前为止已召开了八次。从总体上来看，目前我国数字水印研究工作已 经基本与世界水平保持同步，并提出了一些独特的研究思路，其中大部分工作集中 于应用基础理论研究，但就研究成果来说，大多局限在初始阶段，尚未形成一个完 整的理论知识体系，而且还没有商品化的成熟软件推出，在实际领域中的应用还十 分有限。但随着国内信息化程度的提高和电子商务逐渐走向实用化，信息隐藏与数 字水印技术将会拥有更加广阔的应用前景。 在将近二十年来的研究历程中，学者们从以下四个方面展开了研究： ( 1 ) 针对数字水印缺乏香农信息论这样的理论基础的不足，学者们将数字扩频 通信理论、边信息通信理论、信息论等引入数字水印领域，试图构建数字水 印的理论基础； ( 2 ) 针对于不同的应用场合，提出了各种各样的数字水印算法，并研究了多种 水印攻击方式； ( 3 ) 如何实施各种数字水印方案，需要相应的数字水印协议的支撑，学者们开 始着手研究数字水印协议方案； ( 4 ) 数字水印的应用。 3 自适应独立分量分析数字图像水印技术研究第一章绪论 1 3 本文主要研究内容 本文涉及到了数字图像水印、小波变换、独立分量分析、人类视觉系统等几个 方面的问题，通过对数字水印基本理论的研究、小波变换、独立分量分析和人类视 觉系统的基本理论进行了探讨，主要完成了以下工作： ( 1 ) 空域i c a 数字水印 利用独立分量分析方法实现了数字水印空域嵌入方法。最后，通过仿真实验证 实该算法的可行性，并对水印的攻击做了一些对比实验。 ( 2 ) 基于d w t 的i c a 数字水印 给出了小波域图像i c a 水印方案：并对此算法进行了实验仿真，实现了水印的 嵌入与提取。 ( 3 ) 基于d w t - s v d 的i c a 数字水印 结合最新的独立分量分析的f a s t i c a 算法，完成了图像数字水印的嵌入和提取。 在嵌入过程中，将原始图像和水印图像进行小波变换，并用独立分量分析的方法， 实现水印的嵌入。在提取过程中，将含水印图像和嵌入时产生的密钥图像看作两个 观测，通过独立分量分析方法提取水印，并通过仿真试验对加噪声、旋转、剪切等 水印攻击进行了分析。最后对本论文的工作进行了总结，并给出进一步研究的展望。 4 自适应独立分量分析数字图像水印技术研究 第二章数字水印技术概论 第二章数字水印技术概论 2 1 数字水印的定义及原理 数字水印技术是信息隐藏技术的一个应用分支，虽然国内外有很多文章讨论数 字水印方面的问题，但对数字水印及其技术尚未有统一的定义。c o x 等把水印定义 为“不可感知地在作品中嵌入信息的操作行为”【1 1 ；钮心忻认为“数字水印是永久镶嵌 在其他数据( 宿主数据) 中的具有可鉴别性的数字信号或模式，并且不影响宿主数据 的可用性”【2 1 。一般可以这样描述数字水印，数字水印是指具有不可见性、鲁棒性、 抗检测性的，含有认证敏感信息的数字标记，诸如数字签名、日期、商标或随机序 列等。数字水印技术是指利用信号处理的方法，在数字化的多媒体数据( 主要包括数 字图像、音频和视频) 中嵌入数字水印，并且在需要时可以提取出水印或能够证明水 印的存在性的一种数字编码技术。： 从图像处理的角度看，嵌入水印信号可以视为在强背景下迭加一个弱信号，只 要迭加的水印信号强度低于人眼视觉系统( h u m a nv i s i o ns y s t e m ) 的对比度门限，人 眼视觉系统就无法觉察到信号的存在。而对比度门限则受视觉系统的空间、时间和 频率特性的影响。因此，通过对原始图像作一定的调整，有可能在不改变视觉效果 的情况下嵌入一些信息。而从数字通信的角度看，水印嵌入可理解为在一个宽带信 道( 载体图像) 上用扩频通信技术传输一个窄带信号( 水印信号) 。尽管水印信号具有一 定的能量，但分布到信道中任一频率上的能量是难以检测到的。水印的译码( 检测) 则是一个有噪信道中弱信号的检测问题【3 】【4 l 。 设载体图像为厶水印信号为彬密钥为k ，则水印嵌入可用( 2 1 ) 式描述： l = f ( z ，w ，k ) ( 2 1 ) ( 2 1 ) 式中的f 表示水印嵌入策略( 算法) 。水印的嵌入过程如图2 1 所示，其中 虚线表示该条件并非必要条件。 5 自适应独立分量分析数字图像水印技术研究第二章数字水印技术概论 ：密钥k ；水印加密算法i 图2 1 数字水印的嵌入框图 常用的两种水印嵌入公式如下： i ：= i i + 硎i f = 五( 1 + 口形) ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) 其中，矿分别表示载体图像的像素和嵌入水印的图像的像素；彬为水印信号 分量，0 i k ，口为强度因子，口越大，则嵌入水印信号就越健壮，但是载体图 像的质量下降就越厉害。为了保证在不可见的前提下，尽可能提高嵌入水印的强度， 口的选择必须考虑图像的性质和视觉系统的特性。 如果已知原始载体图像朋田有版权疑问的图像c 和密钥k ，则水印的提取过程 可以表示如下： 水印提取 矿= d ( l ，后)( 2 - 4 ) 相关检测 c ( 唧) _ 任纂在 ( 2 - 5 ) 其中d 表示水印提取算法，形为提取出的水印，函数c 做相关检测，万为决 策阈值。如果这一相关值超过某一阈值，就可以判定图像中存在水印。 6 自适应独立分量分析数字图像水印技术研究第二章数字水印技术概论 图2 - 2 是水印提取与检测流程： 。 ： 密钥k ： 。： ； 水印矿； ：原始图像，： 图2 - 2 水印信号提取与检测框图 在某些水印系统中，水印可以被精确地抽取出来，将这过程称为水印提取。比 如在完整性确认应用中，必须能够精确地提取出插入的水印，并且通过水印的完整 性来确认多媒体数据的完整性。如果提取出的水印发生了部分的变化，最好还能够 通过发生变化的水印的位置来确定原始数据被篡改的位置。 对于强壮水印，通常不可能精确地提取出插入的原始水印，因为一个应用如果 需要强壮水印，说明这个应用很可能遭受到各种恶意的攻击，水印数据历经这些操 作后，提取出的水印通常已经面目全非。这时需要一个水印检测过程。通常水印检 测的第一步是水印提取，然后是水印可信度判决。水印可信度判决的通行做法是相 关性检测。选择一个相关性判决标准，计算提取出的水印与指定水印的相关值，如 果相关值足够高，则可以基本断定被检测数据含有指定的水印。 从以上论述可以看出，水印提取的任务是从嵌入水印的数据中提取水印信号，而 水印检测的任务是判断某一数据内容中是否存在指定的水印信号。另外，水印检测 的结果依赖于一个阈值，当相关性检测的结果超过这个阈值时，给出含有指定水印的 结论。这实际上是一个概率论中的假设检验问题。当提高相关性检测的阈值时，虚 检概率降低，漏检概率升高；当降低相关性检测的阈值时，虚检概率升高，漏检概 率降低。所谓虚检( f a l s ep o s i t i v e ) ，就是将没有水印信号的数据误认为含有水印信号。 所谓漏检( f a l s en e g a t i v e ) ，就是未能从含有水印信号的数据中检测到水印信号。在实 际的水印应用中，更注重对虚检概率的控制。 7 自适应独立分量分析数字图像水印技术研究第二章数字水印技术概论 2 2 数字水印的特点 数字水印之所于受到众多公司、研究机构的青睐，在于数字水印有其他技术方 法无法替代的特点。首先，数字水印具有隐蔽性，不影响数据的可用性；其次，数 字水印与被保护的数字作品密不可分，很难或不能在不破坏保护的作品的前提下移 除水印【5 1 。这两点决定了数字水印技术有着广泛的应用前景。 具体说来，数字水印的特点如下： ( 1 ) 隐蔽性嵌入的水印信号具有隐蔽性，包括生理上的隐蔽性以及统计意义 上的隐蔽性。换句话说，对于数字图像而言，水印的嵌入不应引入可见的视 觉误差，此外，通过统计的方法也无法检测到嵌入水印后的图像与原始图像 的差异。 ( 2 ) 不可分离性一旦数字水印嵌入到数字多媒体中，不可能从数据中将水印 完全剥离，恢复原始的内容。 ( 3 ) 稳健性不因多媒体数据的某种改动而导致数字水印无法检测或提取的能 力。不同的应用场合，对于数字水印的稳健性的要求也是不同的。一般说来， 对于应用于所有权鉴别的数字水印，要求能够抵抗对数据任意形式的修改， 包括滤波、加噪、旋转、重采样、剪切、抖动、量化、有损压缩等。对于应 用于真伪鉴别的数字水印，则要求水印具有脆弱性，即数字多媒体遭受的细 微的修改也将破坏数字水印。 ( 4 ) 安全性数字水印能够防止并阻止非授权者检测或修改镶嵌在多媒体数据 中的数字水印。密码技术，包括对称密码技术和非对称密码技术，是实现数 字水印安全的最重要方法。使用密钥，可以提供两层保护：第一，未经授权 者不能提取出水印信号。第二，未经授权者即使能提取出水印，在没有正确 密钥的情况下，也不能读出水印信息。 8 自适应独立分量分析数字图像水印技术研究第二章数字水印技术概论 2 3 数字水印的分类 ( 1 ) 从水印的载体上分类 加载数字水印的数字产品，可以是任何一种多媒体类型。根据载体类型的不同， 可以把数字水印分为以下几种： 静止图像水印 这是目前讨论最多的一种水印，目前大多数文献都是讨论静止图像水印的数字 图像是在网络上广泛流传的一种多媒体数据，也是经常引起版权纠纷的类载体， 静止图像水印主要利用图像中的冗余信息和人的视觉特点来加载水印。当然，有些静 止图像水印算法还可以适用于其他载体，这取决于水印算法所采取的技术。 视频水印 为了保护视频产品和节目制作者的合法利益，可以采用视频水印技术【6 】。视频 水印可以从两个角度来研究，一方面视频数据可以看成有许多个静止图像帧组成，因 此适用于静止图像的水印算法也可以用于视频水印；另一方面可以直接从视频数据入 手，找出视频数据中对人眼视觉不敏感的部位进行水印嵌入。通常后一种方法是比较 有效的，因为视频的数据量非常大，通常采用压缩编码技术，因此在每一帧静止图 像中隐藏的水印信息将大部分被压缩掉了。h a r t u n g 等人提出了参考m p e g 编码方式的 水印算法，其基本思想是对水印的每一个8 x 8 块做d c t 变换然后将水印的d c t 系数叠 加到相应的m p e g 视频流的d c t 系数上网。 音频水印 加载在声音媒体上的水印可以保护声音数字产品i s ，如c d 、广播电台的节目内 容等。音频水印也主要利用音频文件的冗余信息和人类听觉系统的特点来加载水印， 在文献【9 】中作者介绍了音频水印的四种基本方法：低比特位编码方法、相位编码方法、 扩频嵌入方法和回声隐藏方法，还分析了可用的带宽及噪声、带通滤波或重采样等对 这些方法的影响。 软件水印 软件水印是近年来提出并开始研究的一种水印，它是镶嵌在软件中的一些模块或 9 自适应独立分量分析数字图像水印技术研究第二章数字水印技术概论 数据，通过这些模块或数据，可以证明该软件的版权所有者和合法使用者等信息。软 件这种载体与前面几种载体有着明显的不同，图像、视频和音频信号，它们所包含的 全部信息都在原始载体上，而软件这种载体所表达的信息非常复杂，而且软件在不同 操作系统，不同编程语言实现的情况下，表现也不同。因此软件水印的研究不同于前 面几种载体的水印研究。软件水印根据水印的生成时机和存放的位置，可以分为静态 水印和动态水印两类。静态水印不依赖于软件的运行状态，可以在软件编制时或编制 完成后直接加入。动态水印依赖于软件的运行状态，通常是在一类特殊的输入下才会 产生，水印的验证也是在特定的时机才能完成。 文档水印 文档水印基本上是利用文档所独有的特点，水印信息通过轻微调整文档中的行间 距、字间距、字特性( 如字体) 等结构来完成编码。文档水印所用的算法一般仅适用于 文档图像类。 ( 2 ) 从外观上分类 水印从外观上可分为两大类：可见水印和不可见水印。更准确地说应该是可觉察 水印和不可觉察水印。通常，采用上述提法来概括所有媒体上的水印。 可见水印 最常见的例子是有线电视频道上所特有的半透明标识，其主要目的在于明确标 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j 不可见水印 不可见水印实现水印隐藏，视觉上不可见( 严格说应是无法觉察) ，目的是为了将 来起诉非法使用者，作为起诉的证据。不可见水印往往用在商业用的高质量图像上， 而且往往配合数据解密技术一同使用。 ( 3 ) 按水印隐藏的位置划分 按数字水印的隐藏位置，可以将其划分为时( 空) 域数字水印【1 0 】、频域数字水印 【1 1 】【1 2 】【1 3 】、时频域数字水印和时间尺度域数字水印。时( 空) 域数字水印是直接在信号 空间上叠加水印信息，而频域数字水印、时频域数字水印和时间尺度域数字水印则 1 0 自适应独立分量分析数字图像水印技术研究第二章数字水印技术概论 分别是在d c t 变换域、时频变换域和小波变换域上隐藏水印。 ( 4 ) 从水印的检测方法上分类 私有水印和公开水印 在检测水印时，如果需要参考未加水印的原始载体( 图像，声音等) ，则这类水印 方案被c o x 等人称为私有水印方案u 4 1 。反之，如果检测中无需参考原始载体，则这 类水印方案被称为公开水印方案。 私钥水印和公钥水印 类似于密码学中的私钥密码和公钥密码，水印算法中也可以根据所采用的用户 密钥的不同，分为私钥水印方案和公钥水印方案。 私钥水印方案在加载水印和检测水印过程中采用同一密钥，因此，只有水印嵌入 者才能够检测水印，证明版权而公钥水印则在水印的加载和检测过程中采用不同的 密钥，由所有者用一个仅有本人知道的密钥加载水印，加载了水印的载体可由任何知 道公开密钥的人来进行检测。也就是说任何人都可以进行水印的提取或检测，但只有 所有者可以插入或加载水印。 ( 5 ) 从水印特性上分类 按水印的特性可以将数字水印分为健壮性数字水印和脆弱性数字水印两类。健 壮性数字水印【1 5 】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， 它 要求嵌入的水印能够经受各种常用的信号处理操作，包括无意的和恶意的处理，如有 损压缩、滤波、平滑、信号裁剪、图像增强、重采样、几何变形等等。健壮性水印在 经过各种处理后，只要载体信号没有被破坏到不可使用的程度，都应该能够检测出水 印信息。这种水印在验证一幅被改头换面后的图像是否是为被盗用的图像时是非常有 用的。大量文献中图像数字水印基本上都是健壮性水印。脆弱性数字水印主要用于完 整性保护，与健壮性水印的要求相反，脆弱性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。它的特点是载体数据经过微小的处 理后，所加载的水印就会被改变或毁掉。脆弱性水印通常是用在证明图像的真实性， 检测或确定图像内容的改动等方面。例如，如果图像中的水印被发现受到了破环，则 自适应独立分量分析数字图像水印技术研究第二章数字水印技术概论 可以证明图像遭到了篡改。 ( 6 ) 从使用目的上分类 从使用目的上数字水印可分为版权标识水印和数字指纹水印两种。版权标识水印 又称为基于数据源的水印，水印信息标识作者、所有者、发行者、使用者等，并携带 有版权保护信息和认证信息，用于发生版权纠纷时的版权认证，还可用于隐藏标识、 防拷贝等。数字指纹水印又称为基于数据目的的水印，主要包含产品的版权信息及购 买者的个人信息，可以用于防止数字产品的非法拷贝和非法传播。 1 2 自适应独立分量分析数字图像水印技术研究 第二章数字水印技术概论 2 4 数字水印的评价 数字水印嵌入的媒体对象不同和对媒体信号影响程度的不同，要求嵌入算法的 评价标准多样化和定量化；数字水印嵌入过程中利用了感知系统特性和心理模型决 定了评价标准中必须包含主观的、定性的内容。 通常评价数字水印嵌入算法的共性标准【1 6 1 如下： ( 1 ) 不可感知性：嵌入的水印不能降低数字媒体信号的使用价值，用户不能通 过感知方法区别出原始媒体信号和含水印的媒体信号。数字水印的不可感知 性受观测者自身因素、试验环境等多种主客观因素制约。 ( 2 ) 稳健性：数字水印的稳健性是指嵌入算法的抗干扰和抗攻击能力，嵌入算 法的稳健程度决定于水印的具体应用背景。和不可感知性一样，稳健性也是 衡量水印处理系统可行性和实用性的关键指标。 ( 3 ) 计算复杂性：数字水印嵌入算法的复杂性决定于媒体类型和水印应用背景， 它是评估水印嵌入算法可行性和实用性的重要指标。如数字摄像机中，嵌入 算法必须容易实现而且具有实时性；而在安全或高保真的数字产品的知识产 权中，嵌入算法对实时性的要求可能不高。 评价嵌入水印对媒体信号的影响程度，除了利用感知系统定性评价外，更多的 是使用定量的评价方法。通常对含水印的数字图像进行定量评价的指标有： ( 1 ) 峰值信噪比( p s n r ) - 定量的评价数字图像的失真程度( 嵌入的水印被认为是 噪声) ，它定义为 p s n r ：1o log。j竺业z堕l一(2-6)1 瓦狮朋( 无( l j ) 一厂( f 槲 ( 2 ) 图像质量指标( q d ：定量的评价数字图像的相似程度，它定义为 1 3 ( 2 7 ) 卫寸 堡咖嚣旦蚂 咖 自适应独立分量分析数字图像水印技术研究 第二章数字水印技术概论 其中，z ，歹其中，分别表示原始图像和含水印图像像素的平均值，吒，q 分 别表示原始图像和含水印图像像素的均方差，砖表示原始图像和含水印图像像素 的协方差。i ，歹，吒，q 和砖可以表示如下： ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) ( 2 - 1 0 ) 弓= 嘉善m ；n ( y ( “) 一歹) 2 ( 2 1 1 ) 砖= 丽1 缶m 丢n ( x g j ) 一i ) ( y ( “) 一力 ( 2 - 1 2 ) 缈取值范围是 一1 ，l 】，取值越接近于1 ，图像的相似性越好。 通常评价抽取水印和原始水印相似性的指标主要有： ( 1 ) 归一化相关系数( n o - 定量的评价抽取的水印和原始水印的相似性，多用 于评价二值水印。在数字媒体信号存在失真的条件下，稳健型水印嵌入算法 试图使n c 值最大，脆弱型水印嵌入算法试图使n c 值最小。归一化相关系 数n c 定义为 n c ( w , 回= m w ( i ，歹) 以f ，j ) ( 2 1 3 ) ( 2 ) 归一化汉明距：定量的评价抽取的水印和原始水印的相似性，仅用于评价 二值水印。归一化汉明距定义如下： 1 4 闩同 孓d m 汹 m 瑚 州 。一心 。一心 。一叫 = = 广1一叭羹赫 自适应独立分量分析数字图像水印技术研究第二章数字水印技术概论 p ( m 仞= 寺( 以歹) e ，歹) ) ( 2 1 4 ) y i = lj = l ( 3 ) 峰值信噪比) ：定量的评价嵌入的灰度级图像水印和抽取的图像水印 的差别( 噪声是因为媒体信号失真而导致的抽取水印失真) 。峰值信噪比定义 为 ： ，。_竺血丛塑生一一(2-15)psnr l o l o g = l o 彳坠址二2 一 走“讹力叫g 妫2 2 5 数字水印关键技术 数字水印的三大关键技术是水印信号生成技术、水印嵌入算法和水印检测提取 算法。其中后两项最为关键。水印信号的生成是数字水印系统的第一个关键步骤。 水印信号的设计原则是使水印自身具有随机性、不可预测性以及可鉴别性。如何嵌 入水印是数字水印系统设计首要考虑和解决的问题。水印嵌入算法决定了水印的隐 蔽性和嵌入量的大小，并在很大程度上影响着水印的稳健性。数字水印嵌入算法的 设计目标就是在满足水印嵌入量和隐蔽性的前提下，最大程度地增强水印的稳健性， 并且尽可能地减少计算复杂度。 1 5 自适应独立分量分析数字图像水印技术研究第二章数字水印技术概论 2 6 数字水印的应用及其发展前景 实际应用是数字水印技术不断发展的动力，是其存在的必要性。数字水印应用 领域非常广泛。利用数字水印技术可以很容易的判别嵌入对象是否被编辑和篡改， 从而鉴别嵌入对象的真实性，法庭在审理案件时，利用数字水印技术鉴定证据的真 实性，为准确判案提供可靠保证，目前已经有了集成了数字水印技术的照相机；数 字水印对于电子档案的原始性保护、档案著作权保护、网上档案利用控制及统计应 用，以及档案网站的自身宣传等，均有十分显著的优势，数字水印的特性决定了它 在数字档案馆的广阔应用前景；数字水印可以应用在商标领域，传统的商标防伪技 术大都借助于各种特殊的印刷工艺，然后依赖人的视觉效果去分辨商标真伪。而数 字水印防伪技术则相反，人的视觉无法感触商标中的水印，却依赖能够提取水印的 软件或设备来识别商标中的数字水印，从而使不含数字水印的伪假商标原形毕露； 另外数字水印在多媒体课件的保护、电子商务、身份验证、传真合同等领域都有着 广泛的应用前景。 根据对数字水印技术的研究及应用现状分析，如下几方面将可能成为现在和将 来数字水印技术的主要发展方向： ( 1 ) 版权保护 目前版权保护可能是水印最主要的应用领域。数字媒体包括音像制品、数字广 播、d v d 、m p 3 等的版权保护是当前的热点问题。由于数字作品有易修改、易复制 的特点，而且可以做到与原作品完全相同，所以原创者不得不采用一些严重损害作 品质量的办法来加上版权标志，而这种明显可见的标识很容易被篡改。 目前，用于版权保护的数字水印技术己经进入了初步实用化阶段，i b m 公司在 其“数字图书馆”软件中就提供了数字水印功能，a d o b e 公司也在其著名的p h o t o s h o p 软件中集成了d i g i m a r c 公司的数字水印插件。但是目前市场上的数字水印产品在技 术上还不很成熟，很容易被破坏或破解，要达到真正的实用还具有一定的距离。 ( 2 ) 盗版跟踪 1 6 自适应独立分量分析数字图像水印技术研究第二章数字水印技术概论 在发行的每个拷贝中，嵌入不同的水印，其目的是传输授权接收者的信息而不 是数据来源者的信息，用来识别数据的单个发行拷贝，监控和跟踪流通数据的非法 拷贝。这一类应用在发行的每个拷贝中嵌入不同的水印，通常称之为“数字指纹”。 ( 3 ) 拷贝保护 在媒体数据中嵌入含有拷贝信息的水印，在媒体的录傲设备的设计中应用图像 水印技术，当录放设备工作时，检测媒体上是否有水印存在，以决定该媒体应不应 该被录放，从而拒绝非法拷贝媒体的流行和使用。 ( 4 ) 图像认证 在鉴定应用中，使用水印的目的是对数据的修改进行检测。在数据中嵌入水印 之后，它对特定的数据修改( 例如压缩) 具有鲁棒性，而对其它的修改则是脆弱的， 即其它的修改将破坏嵌入的水印，从而达到检测修改的目的。 ( 5 ) 隐蔽通信 将重要数据作为水印隐藏在公开传输的数据中，不同于传统的密码术，它不改 变数据的特征，不易察觉，不易丢失。 ( 6 ) 数字广播电视分级控制 利用数字水印在数字广播和数字影视中根据不同的服务种类，对各级用户分发 不同的内容，同样原理，也可应用于网络，可以控制访问者的权限。 ( 7 ) 印刷防伪 随着高质量图像输入输出设备的发展，特别是精度超过1 2 0 0 d p i 的彩色喷墨、 激光打印机和高精度彩色复印机的出现，使得货币、支票以及其他票据的伪造变得 更加容易。目前市场上使用的防伪技术，在商品流通过程中仍存在着许多弊端，如 技术独占性和惟一性差；易伪造和泄露核心技术；只能满足于产品的真假鉴别功能； 将防伪识别的正常费用转嫁给了消费者。而基于数字水印的印刷防伪技术与传统的 印刷防伪技术不同。隐藏的水印标志可以是有意义的数字和随机的数码、文本信息、 图像甚至声音。它彻底革新了印刷防伪的传统观念，并在印刷防伪中具有独特的性 质。 1 7 自适应独立分量分析数字图像水印技术研究第二章数字水印技术概论 数字水印的加入和加入的内容具有随机性。每一种印刷品所隐藏的数字水印可 以不同，加入水印的位置也是随机的，技术掌握人本身也不知晓水印的隐藏位置， 这样的随机性和变化特征使伪造者难以仿冒伪造。 ( 8 ) 声像数据的隐藏标识和篡改提示 数据的标识信息往往比数据本身更具有保密价值，如遥感图像的拍摄日期、经 纬度等。没有标识信息的数据有时甚至无法使用，但直接将这些重要信息标记在原 始文件上又很危险。数字水印技术提供了一种隐藏标识的方法，标识信息在原始文 件上是看不到的，只有通过特殊的阅读程序才可以读取。这种方法已经被国外些 公开的遥感图像数据库所采用。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，再在每个块中加入不同的水印。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。 1 8 白适应独立分量分析数字图像水印技术研究第三章基于独立分量分析的数字水印基础 第三章基于独立分量分析的数字水印基础 3 1 小波变换 小波变换的理论是近年来新兴起的数学分支，它是继1 8 2 2 年法国人f o u r i e r 提 出傅立叶变换之后工程数学发展的又一里程碑，解决了很多傅立叶变换不能解决的 困难问题。傅立叶变换虽然己经广泛地应用于信号处理领域并较好地描述了信号的 频率特性，取得了很多重要的成果，但傅立叶变换却不能较好地解决突变信号与非 平稳信号的问题。小波变换可以被看作是傅立叶变换的发展，即它是空间( 时间) 和 频率的局部变换。与傅立叶变换一样，小波变换的基本思想是将信号展开成一簇基 函数的加权和，即用一簇函数来表示或逼近信号。这一簇函数是通过基本函数的平 移和伸缩构成的。小波变换在时域和频域同时具有良好的局部化特性，对频率采取 逐渐精细的时域或空域步长，从而可聚焦到分析对象的任意细节。 小波变换的出现，对工程技术产生了深远的影响。当前，小波分析已广泛应用 于数学、信号处理、自动控制、天体物理、分形等领域，在数字水印算法中，小波 变换也得到了广泛的应用。 3 1 1 基本理论 小波变换是一种时频局域化分析方法。g a b o r 变换的窗口位置可变( 平移) ，符合 研究信号不同位置局部性质的要求，比傅立叶变换优越。但是，g a b o r 变换窗口的 形状和大小与频率无关，而在一般的信号分析中，相对于高频信号，我们总希望窗 口足够小，以研究突变的细节；而对于低频信号总希望窗口足够大，以体现信号的 趋势，这是g a b o r 变换所不能及的。小波变换的出现很好地解决了以上问题，它巧 妙地利用了非均匀的分辨率，较好地解决了时间和频率分辨率的矛盾，即在低频段 用高的频率分辨率和低的时间分辨率( 宽的分析窗口) ，而在高频段则利用低的频率 分辨率和高的时间分辨率( 窄的分析窗口) ，这样就能有效地从信号( 如语音、图像等) 中提取信息。对于许多信号来讲，低频分量是保持信号特性的重要部分，高频分量 1 9 自适应独立分量分析数字图像水印技术研究 第三章基于独立分量分析的数字水印基础 则仅仅起到提供信号细节的作用。对于一幅图像，我们通常关心的是它的低频分量。 假设缈( f ) r ( 尺) ，如果沙( f ) 的傅立叶变换v ( c o ) 满足约束条件 q = 亡哗 称9 ( t ) 是一个允许小波。 函数f ( t ) 6l 2 俾) 的连续小波变换定义为 式中 ( 3 - 1 ) 哆( 口，= ( ( f ) ，虬( f ) ) = 击c o ) 以( f ) 讲 ( 3 - 2 ) 虬，。( f ) = 声掣) ( 3 - 3 ) q a a ( 口，b r ，口o ) 是由y ( ，) 生成的小波函数簇。其反变换定义为 朋2 百1 e e 吁( 口，叽脚喑 ( 3 - 4 ) 在其他一些应用场合，可以限制参数在离散值上变化。通常，尺度参数a 和平 移参数b 分别取作口= 玩，6 = 砜6 0 ，则离散子波，。) 可表示为 j ，i o ) = a 0 2 沙( 口；r 一蛾) 而离散小波变换系数可表示为 = ( 厂， ) = e f ( t ) 9 j j ( t ) d t ( ，) 重构公式可以表示为 厂( f ) = c q 吵肚( r ) = k = - - 。 式中c 是与信号无关的常数。 2 0 ( 3 - 5 ) ( 3 - 6 ) ( 3 - 7 ) 自适应独立分量分析数字图像水印技术研究第三章基于独立分量分析的数字水印基础 3 1 2 多分辨率分析 多分辨率分析是在r 俾) 函数空间内，将函数描述为一系列近似函数的极限。 每一个近似函数都是函数厂的平滑版本，而且具有越来越精细的近似函数1 7 1 。这些 近似都是在不同尺度上得到的，这也是多分辨率分析这个名称的由来。多分辨率分 析的基本思想是： e ( r ) 内一系列嵌套子