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论文题目：基于感兴趣区域的数字水印技术 学科专业：通信与信息系统 学位申请人：奚溪 指导教师：王沛 基于感兴趣区域的数字水印技术 摘要 计算机网络技术、数字多媒体的存储、复制与传播技术的飞速发展为多媒体信息的交 流已经达到了前所未有的深度和广度，其发布形式也愈加丰富了。人们如今也可以通过因 特网等各种手段进行作品发布、重要信息交流和网络贸易等等。但先进的网络技术随之而 来也带来了很多问题：如作品的侵权更加容易，篡改也更加方便，网络交易中密码的盗用 等等都会带来各种损失。为此如何既充分利用因特网的便利，又能有效地保护知识产权， 维护正当的个人利益，已经受到人们的高度重视。这标志着- i 7 新兴的交叉科学信息隐 藏学的正式诞生。从最早期的隐写术到现如今与数字水印的紧密结合，对于知识产权保护， 个人隐私的保护都起到了极其重要的作用。如今的信息隐藏学作为隐蔽通信和知识产权保 护的主要手段，如何既利用到当今网络的各种信息便利，又可以保证自己个人隐私内容的 不外泄，是目前信息隐藏和数字水印技术所研究的重点。 在本文中，通过将数字水印技术和感兴趣区域技术相结合，提出了一种新的基于感兴 趣区域的数字水印模型，将真正的水印信息嵌入到图像的感兴趣区域中去，很好地利用了 感兴趣区域的不确定性。考虑到信息传递中可能会存在种种不安全的因素，该模型以图像 为载体，针对利用感兴趣区域的不确定特点可以为水印信息带来很强的保密性，结合了奇 异值分解技术，当图像载体受到一定攻击情况下，图像所有者仍然可以通过密钥得到水印 信息证明图像的版权所有。针对几何攻击时，该模型通过对不变质心的提取来进行自我校 正，以便正确提取出水印信息。该模型的意义在于，针对互联网、无线传输过程中潜在的 一些不安全性问题提出了一种解决方案。将重要信息嵌入多媒体载体的某个位置中进行传 输，起到了掩人耳目的作用，即使截取到了多媒体载体，没有正确的密钥和算法根本无法 获得重要信息。真正做到既利用了现代通信的便利，同时可以保证重要信息安全准确的传 输。当然文中所提出的模型还仅仅是建立在以图像为载体的基础上，相信随着水印技术的 更加成熟，对于多媒体载体的类型选择也更加多样化，如声音，图像，视频等等，可以为 目前正快速发展的通信事业保驾护航。 本文提出的基于感兴趣区域的数字水印模型，选择图像的感兴趣区域嵌入水印有很好 的安全性，可以用于保密信息的传输。对于该模型进行了试验仿真，得到了如下的结果： 利用选取的感兴趣区域的不确定性，很好的确保了水印信息的安全，接受者在没有密 钥的情况下根本无法提取水印信息。 针对在变换域中嵌入水印无法抵抗几何攻击的情况，利用不变质心对被攻击图像进行 校正处理，然后再提取水印。使得版权所有者可以对图像中的水印进行追踪。 关键词： 感兴趣区域、数字水印、鲁棒水印、信息隐藏、奇异值分解 t i t l e ：t h ed i g i t a lw a t e r m a r kb a s e do nt h er e g i o no fi n t e r e s t m a j o r ：t e l e 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 a p p l i c a n t ：x ix i t u t o r ：w a n gp e i t h e d i g i t a lw a t e r m a r kb a s e do nt h er e g i o no fi n t e r e s t a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to ft h ei n t e r n e tt e c h n o l o g y , t h ed i g i t a lm u l t i m e d i ad e v e l o p e di n t h ea s p e c to fs t o r a g e ，t h ec o p y r i g h ta n dt h eb r o a d c a s t ，n l ee x c h a n g eo fm u l t i m e d i ai n f o r m a t i o n h a sr e a c h e da h i g hs c o p ea n da l s oi t sp u b l i c a t i o nh a sm o l ed i f f e r e n tt y p e s n o w a d a y s ，p e o p l e c a l lr e l e a s et h e i ro w nw o r k s ，e x c h a n g ei m p o r t a n ti n f o r m a t i o n , d os o m eb u s i n e s st h r o u g h i n t e r n e t h o w e v e rt h ea d v a n c e dn e t w o r kt e c h n o l o g ya l s ob r i n gu ss o m ep r o b l e m s ：f o re x a m p l e ， i t sm o r ee a s yt oi n f r i n g eac o p y r i g h ta n dm o r ec o n v e n i e n tt oa l t e rt h ew o r ka n dt h em o s t i m p o r t a n t , w h e ny o uh a v et r a d et h r o u g hi n t e m e t , y o um a yl o s ty o u r s e c r e t ec o d e a l lt h e s e s i t u a t i o nm a yb r i n gy o ual o to fp r o b l e m sa n dc o s ty o ual o t s op e o p l ep a yal o to fa r e n t i o n s o nt h i sp r o b l e mt h a th o wc a nu st a k ea d v a n t a g e so f t h ec o n v e n i e n c eo f t h ei n t e r n e tw i t ht h e s a m et i m et op r o t e c to u ro w n f i g h t sa n di n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t s t h i sm a r k sab i r t ho fn e w c o u r s e - - - i n f o r m a t i o nh i d i n g f r o mb e g i n n i n gi to r i g i n sf r o mt h es e c r e tw r i t es k i l l ，n o wt h i s t h n o l o g yh a st i e dw i t ht h ed i g i t a lw a t e r m a r k t o d a yi n f o r m a t i o nh i d i n gt e c h n i q u e ，i s t h e i m p o r t a n tw a yt op r o t e c tt h ei n t e l l e c t u a lp r o p e r t y h o wt ou s ei n t e r a c tt oa c h i e v es o m e i n f o r m a t i o na n da l s op r o t e c to w ns e c r e t ei n f o r m a t i o ni st h ef o c a lp o i n t e ro ft h ed i g i t a l w a t e r m a r kr e s e a r c h i i lt h i sp a p e r , w ep r o v i d ean e wi n f o r m a t i o nh i d i n gs y s t e mc o m b i n e dw i t hd i g i t a l w a t e r m a r ka n dr o i ( r e g i o no fi n t e r e s t ) t e c h n o l o g y , m a k i n gu s eo f t h eu n c e r t a i n t yo f t h er o i s ， w ee m b e dt h es e c r e t ei n f o r m a t i o ni nt h er o ii m a g e w r ec a na p p l yt h i ss y s t e mi n t oa l lk i n d so f t h em u l t i m e d i as u c ha sa u d i o ，i m a g e ，v i d e oa n ds oo n s ot h i ss y s t e mh a sav e r yg o o d a p p l i c a t i o np r o s p e c ta sar e s u r t h i sp a p e rp r o p o s e sam o d u l eb a s e d0 1 1r e g i o no fi n t e r e s t e dw a t e r m a r k i n gt e c h n i q u e n i s m o d u l ei sv e r ys a f ea n di t sv e r yc o n v e n i e n tt ot r a n s m i tt h es e c r e tm e s s a g e t h ea u t h o rh a s m a d es o m ee m u l a t i o no f t h i sm o d u l e t h ec o m m e n to nt h i se m u l a t i o ni sl i s t e db e l o w t h i sm o d u l em a k e su s eo f t h ei n d e f i n i t eo f t h er o i sp o s i t i o ni nt h ei m a g e 幻e n s u r et h e s a f e t yo f t h ew a t e r m a r k w i t h o u tt h ek e yt od e c o d et h em e s s a g e ，t h er e c e i v e rc o u l d n to b t a i nt h e w a t e r m a r ke m b e d d e di nt h er o i 。 k e y w o r d ： r e g i o no fi n t e r e s td i g i t a lw a t e r m a r k r o b u s t w a t e r m a r ki n f o r m a t i o nh i d i n gs v d 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除了特别加 以标注和致谢的地方外，不包含其他人或机构已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对 本研究的启发和所做的贡献均已在论文中做了明确的声明并表示了谢意。 作者签名：受汲日期：孑c y 7 论文使用授权声明 本人完全了解上海师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交 论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用 影印、缩印或其它手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此规定。 储签名：缴翩签 日期： 上海师范大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 水印的背景和意义 第一章绪论 随着计算机技术的迅速发展，网络成为人类信息传递的首要便利途径，极大的促进了 科技教育文化等各种产业的发展。当今社会的发展已经呈现两个明显的特征：数字化和网 络化。所谓的数字化指的是信息的存储形式，特点是信息存储量大、便于编辑和复制；网 络化指的是信息的传输形式，具有速度快、分布广的优点。过去的l o 年中，数字媒体信 息的使用和分布呈爆炸性的增长。人们通过互联网可以快捷方便地获得数字信息和在线服 务。但同时，盗版也变得更加容易，对数字内容的管理和保护成为业界迫切需要解决的问 题。 数字信息在本质上有别于模拟信息，传统的保护模拟信息的方案对数字信息已不再奏 效。再加上一些具有通用目的的处理器，如p c 机，使得那些基于硬件的媒体保护方案很 容易被攻破。而通常采用的加密技术事实上只能在信息从发送者到接受者的传输过程中保 护媒体的内容。在信息被接收到以后到再利用的过程中所有的数据对使用者都是透明的， 不再受到任何保护。在这一形势下，数字水印作为一种潜在的解决方案，得到了众多学者 的青睐。然而逆向思维来看，水印信息嵌入到多媒体信息中去，在传输过程中同样也使得 水印信息借由多媒体信息这个载体进行了传递，同时在一定程度上来说，数字水印也受到 了多媒体信息的保护。特别是针对现今通信技术的快速发展，网络、无线传输成为人们生 活中的重要部分，通过借由水印信息来进行一些特殊重要信息传递的方法，可以有效防止 在传递过程中，由于重要信息丢失而引起各种损失。 数字水印是信息隐藏技术的发展和演化f l 】，它是将水印永久镶嵌在宿主数据( 数字图 像、音频和视频等) 中具有可鉴别性的数字信号或模式。它不需要新的存储格式，也不影 响宿主数据的可用性。水印信号可以是图像、文字、符号、数字等一切可以作为标记、标 识的信息，人们无法从表面上感知水印，只有用专用的检测器或相应软件才能检测出隐藏 的水印信息。因而水印对于传递重要信息有着举足轻重的作用。 数字水印本身涉及了信息论、密码学、通信、信号处理、图形图像学、模式识别、数 学和计算机科学等不同领域的思想和理论，使得水印算法变化无穷，充满生机。数字水印 技术被认为是解决数字媒体安全问题的最有效和最具潜力的技术。对边缘交叉学科的深入 发展也启到一定的推动作用。因此，开展对数字水印的研究，不但具有重要的学术意义， 更对促进信息产业规范化的健康发展有着深远的现实价值。 1 1 1 数字水印概念和现状分析 第一章绪论上海师范大学硕士学位论文 提到水印，一般人第一个反映就是想到了纸币上的水印，纸币在使用过程中，人们经 常通过将纸币至于光照下查看水印以确定其真伪。这就反映了水印的隐藏性即只有在特定 场合中才可以得到。其实水印可以应用在很多地方，包括一些物理对象甚至是电信号中， 如歌曲，视频，图像中。而数字水印技术就是将水印引入到数字图像，音频和视频等数字 产品中用来起到保护数字产品的版权，证明产品的真实可靠，跟踪盗版行为作用。对于数 字水印的明确定义，至今还没有一个完整的说法，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”【2 】；杨义先等认为“数字水印是永久镶嵌在其它数据( 宿主数 据) 中具有鉴别性的数字信号或模式，而且并不影响宿主数据的可用性 【3 j 。水印的定义 随着水印的多方向多功能地发展而不断丰富。从功能性的角度看数字水印技术是一种信息 隐藏技术，它的基本思想是在数字图像、音频和视频等数字产品中嵌入秘密信息，以便包 含数字产品的版权、证明产品的真实可靠性、跟踪盗版行为或者提供产品的附加信息【3 6 】。 第一个类似数字水印的技术实例出现在1 9 5 4 年，m u z a k 公司的e m i l h e m b r o o k e 为带 水印的音乐作品申请了一项专利【7 】。美国专利局对该项发明的描述是：此发明对音乐原作 进行确证，制定出了一个防止盗版的有效途径，这也可以比做纸币中的水印。尽管如此， 直到2 0 世纪9 0 年代初期术语“数字水印 才真正流行起来。1 9 9 6 年5 月，第一届国际 信息隐藏学术研讨会在英国剑桥牛顿研究所召开【4 j 。美国a d o b es y s t e m 公司首先在图像处 理软件似面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 5 】。全球五大唱片公司：博得曼、百代、索尼、环宇和华纳也联合宣 布与m 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。 步入2 l 世纪，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 f a m e r i c a ( p i 4 ) 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 ab r i d g e ”电子水印 技术。第二代水印攻击系统由v o l o s h y n o v s k i y 提出，其核心思想是利用合理的媒体数据统 计模型和最大后验概率来估计水印或者原始媒体信号，从而将水印剔除。对攻击技术的分 析和研究促进了水印技术的革新，但也为水印自身提出了一个又一个挑战。当前，还不存 在一种算法能够抵抗所有的攻击，特别是几何攻击，是学术界公认的最困难的问题，目前 还没有成熟的方案。 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。其中比较有代表性的有哈尔滨工业大学的孙圣和、牛夏牧 8 1 、陆哲明等， 天津大学的张春田【9 】、苏育挺等，北京邮电大学的杨义先、钮心忻【1o 】等，中国科学院自动 化研究所的刘瑞祯、谭铁牛等，他们是国内较早投入水印技术研究且取得较好成绩的科研 单位。2 0 0 3 年9 月，北京邮电大学提出了“数字水印应用系统 i l l 。从目前的研究发展 来看，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。我国 2 上海师范大学硕士学位论文 第一章绪论 的水印技术善于挖掘成熟的数据分析、扩频编码等基础理论知识，形成鲁棒性较强的水印 算法。同时在应用方面并不局限于电子商务相关的版权保护范围，如遥感水印、文档水印、 医学成像水印等都是我国目前正兴起的研究领域。但总的来说，数字水印技术仍属于新兴 科技，相应的理论体系和应用软件，同计算机其他应用技术如数据库、网页开发等相比还 很不成熟。技术上的不成熟导致了市场运作价值链的不完整，目前，国内在市场舆论导向 与数字水印技术方面都在做进一步努力，力争创造一个有序、安全的版权使用、交易市场。 2 0 世纪9 0 年代末期国际上开始出现一些水印产品。美国的d i g i m a r c 公司率先推出 了第一个用于静止图像版权保护的数字水印软件，而后又以插件形式将该软件集成到 a d o b e 公司的p h o t o s h o p 和c o r e ld r a w 图像处理软件中。么勿v i s i o n 公司推出的l a v e l l t 软 件，能够在任何扫描的图片中隐藏若干字符，用于文档的保护与跟踪。m e d i a s e c 公司的 s y s c o p 用水印技术来保护多媒体内容，欲杜绝非法拷贝、传播和编辑。 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 ) 来制定版 权保护水印的技术标准。i b m 公司将数字水印用于数字图书馆的版权保护系统中。许多 国际知名的商业集团，如韩国的三星、日本的n e c 等，也都设立了d r m ( d i g i t a lr i g h t m a n a g e m e n t 数字权限管理) 技术开发项目。另外，当前还有一些潜在的应用需求，例如 软件的搜索和下载数量的统计、网页安全预警、数字电视节目的保护和机密文档的防遗失 等。 一些国际标准中已结合了数字水印或者为其预留了空间。s d m i 的目标是为音乐的播 放、存储和发布提供一个开放的框架。s d m i 规范中规定了多种音频文件格式，并联合加 密和数字水印技术来实现版权保护。已经颁布的j p e g 2 0 0 0 国际标准中，为数字水印预留 了空间。即将颁布的数字视频压缩标准m p e g - 4 ( i s o i e c1 4 4 9 6 ) ，提供了一个知识产权管 理和保护的接口，允许结合包括水印在内的版权保护技术。 在国内，政府对信息安全产业的发展极为重视。数字水印的研究得到了国家自然科学 基金和“8 6 3 ”计划的资助。国内信息隐藏学术研讨会( c i h 功自1 9 9 9 年以来至今已成功举 办了五届，有力地推动了水印技术的研究与发展。去年政府更颁布了中华人民共和国电 子签名法，这给水印技术的应用提供了必要的法律依据。尽管数字水印发展迅速，但离 实际应用，还有一段距离要走。许多项目和研究都还处于起步和实验阶段，已出现的水印 产品还不能完全满足使用需求。如今水印技术正在向纵深发展，一些基本的技术和法律问 题正逐个得到解决。相信不久的将来，水印与其它d r m 技术的结合，将彻底解决数字内 容的管理和保护问题。 1 1 2 数字水印的典型应用和研究意义 最初提出数字水印的目的是为了保护版权，然而随着数字水印技术的发展，形成了更 多更广的应用。下面列出了七种已提出的或实际的水印应用：广播监控、所有者鉴别、所 3 第一章绪论 上海师范大学硕士学位论文 有权验证、操作跟踪、内容认证、拷贝控制和设备控制。 ( 1 ) 广播监控：通过识别嵌入到作品中的水印来鉴别作品是何时何地被广播的。水 印技术可以对识别信息迸行编码，是替代动态监控技术的一个好方法。他利用自身嵌入在 内容之中的特点，无需利用广播信号的某些特殊片断，因而能够完全兼容于所安装的模拟 和数字的广播基础设备。 ( 2 ) 所有者鉴别：嵌入代表作品版权所有者身份的水印。由于水印的不可见性，以 及与原作品的不可分离性，水印比文本版权声明更利于使用在所有者识别中。即使将文本 版权的声明除去，水印也依然能够被检测到。 ( 3 ) 所有权验证：在发生所有权纠纷时，用水印来提供证据。由于即使水印不能被 清除，攻击者也可以使用自己的水印系统，让人觉得数字产品里好像也具有攻击者的水印， 因此，人们无须通过所嵌入的水印信息直接证明版权，而是要设法证明一幅图像从另一幅 得来的这个事实。 ( 4 ) 操作跟踪：用水印来鉴别合法获得内容但非法重新发送内容的人。水印可以记 录作品的每个合法销售和发行的拷贝接受者。作品的所有者或创作者可在不同的拷贝中加 入不同的水印。如果作品被滥用，所有者可以找出那个应该负责的人。 ( 5 ) 内容认证：将签名信息嵌入到内容中以待日后检查内容是否被篡改。使用数字 水印技术将签名嵌入到作品中，这些签名均为源数据，必须同作品一同传送。如果将经过 篡改的消息同原始签名相对照，便会发现签名不符，说明消息被篡改过。 ( 6 ) 拷贝控制：使用水印来告知录制设备不能录制什么内容。在拷贝控制中，第一 道防线是加密。使用特定密钥对作品加密，可以使没有此密钥的入完全无法使用该作品。 当不希望可以被观赏却不希望被他人拷贝时，人们可以将水印嵌入内容中，与内容一同播 放，如果每个录制设备都装有一个水印检测器，设备就能够在输入端检测到“禁止拷贝” 水印的时候禁用拷贝操作。 ( 7 ) 设备控制：是指设备能够在检测到内容中的水印时做出反应。比如d i g i m a m 公 司的m e d i a b r i d g e 系统，可以将水印嵌入到经印刷、发售的图像中，如杂志广告、包裹、 票据等等。如果这幅图像被数字摄像机重新拍摄，那么p c 机上的m e d i a b r i d g e 软件和识 别器便会设法打开一个指向相关网站的链接。 数字水印技术还处于发展之中，上述七个方面也不可能包含其所有可能的应用领域， 但可以看出数字水印技术未来的应用市场将会更加广阔，毕竟，它还是个方兴未艾的领域。 以上种种应用场景更是反应了研究多功能数字水印的必要性。高质量的生活对科技不断地 提出新的要求，只有与现实应用相匹配的技术才能得到快速地兴旺，良好、有序的市场环 境也更有希望能够早日建成。 一 4 上海师范大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 感兴趣区域水印研究背景和意义 通过近几年的发展，数字水印技术发展迅速，出现了很多出色的算法，包括文本， 图像，视频和音频的数字水印技术。在这些算法中，水印信号的嵌入多在时域或者变换域 中进行，水印嵌入在整个载体图像中。目前，许多水印算法都借助了图像的视觉特性来嵌 入水印，从而提高了水印系统的鲁棒性，但是却没有考虑到图像的结构特性和人们对图像 的感兴趣部分，即水印信号只是盲目的叠加在整个载体图像中，而不是叠加在人们对于图 像的感兴趣区域部分。感兴趣区域的意义在于对传统的图像处理技术提出了一个更高的要 求理解载体内容，明确载体所表达的内容，知道什么是重点，才可以对图像进行向应 的操作。正如图像渐进压缩和渐进传输中，明确图像的感兴趣区域，才可以使图像的感兴 趣区域在压缩和传输中有着更好的质量保证。同样，感兴趣区域的水印技术在理解图像的 基础上，确定图像的重要内容，然后进行水印嵌入工作，这相比较于传统水印在整个载体 上叠加无疑是更上一层楼。在实际的传输中，由于带宽的限制，一般首先确保图像感兴趣 区域的质量，可能会牺牲非感兴趣区域的质量，对于水印提取会受到影响。相比较非感兴 趣区域，图像的感兴趣区域部分更有价值，更加容易受到裁减的影响，因而水印嵌入在图 像感兴趣区域也更有价值。 本文中，作者将数字水印技术与感兴趣区域技术相结合，提出了种新的基于感兴趣 区域的数字水印模型，充分利用了图像感兴趣区域的不确定性，结合奇异值分解等水印 嵌入方法来进行水印的嵌入，分别在感兴趣区域和非感兴趣区域嵌入不同的水印以达到不 同效果。为了针对几何攻击，利用不变质心的特性来对几何攻击后的图像进行校正，以确 保准确获得图像的感兴趣区域。该模型可以充分确保水印信息的安全传输，对于现实生活 中利用图像在网络，无线信道中传输机密信息有着十分重要实用价值和现实意义。 1 3 本文研究内容与组织结构 从上节中可以看出数字水印技术有很好的应用价值，然而随着近几年的发展，数字 水印技术似乎已经渐渐的出现了瓶颈期，数字水印未来的发展方向究竟如何是目前水印界 人士探讨的重点。如今单一的数字水印技术明显已经不能满足电子网络技术的迅速发展要 求，将数字水印技术与热门技术相结合就成了目前水印发展的一种核心趋势。例如将传统 的图像水印应用到音频，甚至是视频图像中去，或者就是将水印技术与硬件相结合应用到 实际的数字产品中去。 本文提出的一种基于感兴趣区域的数字水印模型，分别将位置水印和真正的水印嵌入 图像的不同区域中，即非感兴趣区域和感兴趣区域。位置水印就是图像感兴趣区域的位置 5 第一章绪论上海师范大学硕士学位论文 信息，真正的水印信息可以采用个人签名，或者个人密码。水印的嵌入方法采用了小波变 化和奇异值分解相结合的方法。在提取水印信息时，必须正确提取图像的感兴趣区域位置 信息，才可以得到真正水印信息。利用不变质心的特点可以纠正几何攻击后的图像。考虑 到传输中受到的各种攻击，文中着重针对压缩攻击和几何攻击对水印的嵌入进行分析和考 察。该水e i 】模型可以很好的抵抗压缩攻击，并且在一定程度的几何攻击后也可以正确提取 水印。 本论文主要分为五个部分： 第一章为绪论。介绍数字水印技术的一些基本概念，数字水印模型和一些通用的水印 算法，阐述了数字水印技术的发展历程和研究现状，最后介绍了数字水印的典型应用及其 研究意义。 第二章介绍了感兴趣区域的概念，从感兴趣区域监测和提取，感兴趣区域编码，感兴 趣区域数字水印三个方面分别介绍了感兴趣区域的实际应用和意义。 第三章则结合感兴趣区域提出了新的水印模型，将感兴趣区域的位置信息嵌入到图像 非感兴趣区域，将真正的水印信息嵌入到图像的感兴趣区域中。该模型对于j p e g 压缩， 图像叠加噪声等有较强的抵抗性，但是一旦图像受到几何攻击，就会引致感兴趣区域位置 信息提取出错，无法正确提取水印信息。因而该模型有很强的保密性，可以在网络传输中 确保水印信息的安全。 第四章根据第四章算法中无法抵抗几何攻击这一缺陷，提出了不变质心概念，用于校 正图像，以正确获得感兴趣的位置信息，从而得到水印信息。使得该水印模型在获得密钥 的情况下，就可以提取出水印信息。 第五章是全文的总结与展望，对提出的感兴趣区域的数字水印模型的优点进行总结， 指出其具有很好的现实意义和实用价值，对于该模型存在的算法缺陷进行阐述，并且指明 了日后深入研究的方向。 6 上海师范大学硕士学位论文第二章数字水印技术及感兴趣区域技术 第二章数字水印技术及感兴趣区域技术 2 1 前言 2 0 世纪7 0 年代计算机网络的兴起，掀起了现代密码学的研究热潮，并且使之迅速发展 成- i 1 相对成熟的学科，其在信息安全和保护领域一直扮演着非常重要的角色。密码加密 技术是利用密码术对信息实施各种编码，使编码信息不为他人所识别，既利用随机性来对 抗密码攻击。随着数字媒体的日益普及，仅采用密码技术于网络数字信息安全与保护中日 显不足，较为公认的三大缺陷是：( 1 ) 利用密码技术加密数字信息，虽然可以防止信息内容 为他人所理解，但同时也暴露了信息的重要性，成为攻击者注意的焦点；( 2 ) 所加密的数字 内容仅在传输过程中被保护，当信息被接收并解密之后，就无法保证其不被非法拷贝、再 次传播和盗用；( 3 ) 人们在网上发布图像、音频、视频及文本信息，除一部分需要保密外， 大多数是以交流或传播为目的的，仅为版权保护，而如果将其转换为密文，将严重影响网 络利用效率。基于版权保护的数字水印技术有效地弥补了密码技术对数字信息保护的这些 缺陷。其基本思想是利用人类的视觉、听觉系统的冗余空间，将标识数字产品的所有者、 发行者、授权使用者以及产品序列号等的版权信息，隐秘内嵌在文本、图像、视频和音频 数字作品中，使数字产品秘密携带有版权保护信息和认证信息。目的是作为鉴定、起诉非 法侵权的证据，验证数字信息的完整可靠性，及保护数字产品的合法拷贝和传播。如今数 字水印技术已经被广泛用于图像、音频、视频、文档等多媒体数字产品的版权保护，并且 己经成为解决数字产品版权保护问题的一个较为有效的技术手段。 2 2 数字水印技术 数字水印技术发展至今，可以更具水印的不同功能分为两大类：鲁棒水印和脆弱水印。 嵌入图像中的水印具有较强的鲁棒性，也就是对大量物理和几何失真攻击都具有适当的不 变性，这就是鲁棒水印，该类水印主要应用在所有权保护、所有者识别和交易跟踪等领域。 鲁棒水印也是应用最为广泛，最有研究价值的水印，相信在今后的水印研究中鲁棒水印仍 然是个不可缺少的重点。 设，为原始宿主信号，在此指图像，形为水印信息。使用一个密钥，通过某种运算 在宿主信号中叠加水印信号矽，得到水印嵌入后信号，这个过程可以表示为 ，= j o 形，这里。表示某种运算，可以为简单的代数加法也可以是复杂的非线性运算等。 ， 第二章数字水印技术及感兴趣区域技术上海师范大学硕士学位论文 水印嵌入后信号，会受到许多有意的或是无意的攻击，这里不妨假设攻击所带来的失真为 信号e ，则攻击之后的信号r = 1 7 0 e 。这里可以用图2 1 来表示水印的嵌入和检测处理 过程。 i w w il 图2 1 鲁棒水印的添加与检测过程 在重要的国际期刊上发表的典型鲁棒水印技术主要包括空域、交换域、压缩域算法； 另外还有自适应数字图像水印技术和抗攻击类数字图像水印技术。 空域算法是指将水印信息直接嵌入到多媒体原始载体的数据中，即在媒体信号空间域 上实现水印嵌入。该类算法中典型的水印算法【1 5 1 7 】是将信息嵌入到随机选择的图像点中 最不重要的像素位( l s b ：l e a s ts i g n i f i c a n tb i t s ) 上，这可保证嵌入的水印是不可见的。但是 由于使用了图像不重要的像素位，算法的鲁棒性差，水印信息很容易为滤波、图像量化、 几何变形的操作破坏。p a t c h w o r k 算- 法 1 8 1 方法是随机选择对像素点( 4 ，忍) ，然后将每个 4 点的亮度值) j i l l ，每个置点的亮度值减1 ，这样整个图像的平均亮度保持不变。适当地 调整参数，p a t c h w o r k 方法对胛e g 压缩、f i r 滤波以及图像裁减有一定的抵抗力，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。 变换域算法是指将水印信息嵌入到原始载体变换域系数中。该类算法中，大部分水印 算法采用了扩展频谱通信( s p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o n ) 技术。变换域算法主要有：离散 余弦变换( b e t ) 1 2 1 4 1 、离散小波变换( d w t ) 1 5 1 7 1 、离散傅立叶变换【1 删等。d c t 算法实现过程为：先计算图像的离散余弦变换，然后将水印叠加到d c t 域中幅值最大的 前七系数上( 不包括直流分量) ，通常为图像的低频分量。然后用新的系数做反变换得到 水印图像j r 。检测过程则分别计算原始图像，和水印图像，的离散余弦变换，并提取嵌入 的水印形，再做相关检验以确定水印的存在与否。该方法即使当水印图像经过一些通用 的几何变形和信号处理操作而产生比较明显的变形后仍然能够提取出一个可信赖的水印 拷贝。变换域算法的隐藏和提取信息操作复杂，隐藏信息量不能很大，但抗攻击能力强， 很适合于数字作品版权保护的数字水印技术中。 压缩域算法广义上是指充分考虑j p e g 2 、嬲和吲2 2 】技术的结构和特性，将水 上海师范大学硕士学位论文第二章数字水印技术及感兴趣区域技术 印嵌入到压缩过程的变量值域中，以提高对应压缩技术或压缩标准攻击的鲁棒性为目标的 嵌入算法。狭义上是指嵌入到j e p g 位流、m p e g 位流和阳索引流中。文献【3 0 】对j p e g 和j p e g 2 0 0 0 环境下的数字水印作了比较研究，已有大量的实验表明这两种标准在各种情 况下的性能，j p e g 2 0 0 0 标准下的数字水印有很大的应用前景。这些算法可基于主流压缩 标准的压缩域数字水印系统不仅节省了完全解码和重新解码的过程，在水印检测与提取也 可直接在压缩域数据中进行，在数字电视广播中有很大的实用价值【l 】。 脆弱数字水印除了具有水印的基本特征外还应能够准确地检测篡改并根据不同场合 具有不同的鲁棒性。脆弱水印主要是用于载体完整性的确认。对于脆弱水印有如下的基本 要求： 1 ) 检测篡改。脆弱水印最基本的功能就是能可靠地检测篡改，而且理想的情况是能 够提供修改或破坏量的多少和位置，甚至能够分析篡改的类型并对篡改的内容进行恢复。 2 ) 水印的盲提取。在一些应用背景下，如可信赖数码相机，为保证照片的真实性， 需要在拍摄成像时自动嵌入水印，此时原数据无法得到。 3 ) 鲁棒脆弱性。水印的鲁棒性与脆弱性随应用场合的不同而不同。如果用于版权 保护，希望水印足够鲁棒，能承受大量的、不同的物理和几何失真，包括有意或无意的， 若攻击者试图删除水印将导致多媒体产品的彻底的破坏。而在进行图像的内容篡改鉴别 时，则希望水印是在满足一定鲁棒性条件下的脆弱水印。譬如在许多应用场合，图像压缩 就属于容许篡改，要求水印能够抵抗一定的压缩下检测出恶意篡改。 4 ) 不可见性。同鲁棒水印一样，在一般情况下，脆弱数字水印也是不可见的。 5 ) 水印安全和密码。一般来讲，一个脆弱水印系统的算法是公开的，这样水印的安 全性依赖于密钥，因此密钥空间应足够大。 数字水印特点及分类 不同的应用对数字水印的要求不尽相同，一般认为数字水印应具有如下特点： 可证明性：水印应能为受到版权保护的信息产品的归属提供完全可靠的证据。水印 算法能够将所有者的有关信息( 如用户信息代号、产品标志或有意义的图像等) 嵌入到被 保护的对象中，并在需要的时候将这些信息提取出来。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。这实际上也是发展水 印技术的基本动力。 不可感知性：不可感知性是指视觉或听觉上的不可感知性，即指因嵌入水印导致载 体数据的变换对于观察者的视觉或听觉系统来讲应该是不可察觉的，最理想的情况是水印 与原始载体在视觉上是一模一样的，这是除可见水印算法之外的绝大多数水印算法所应达 到的要求。 9 第二章数字水印技术及感兴趣区域技术 上海师范大学硕士学位论文 鲁棒性( 或稳健性) ：鲁棒性是指水印应该能够承受大量的物理和几何失真，包括 有意的( 如恶意攻击) 或无意的( 如图像压缩、滤波、打印、扫描与复印、噪声污染、尺 寸变换等等) 。显然在经过这些操作后，鲁棒的水印算法应仍能从水印载体中提取出嵌入 的水印或证明水印的存在。一个鲁棒的水印应做到若攻击者试图删除水印将会导致水印载 体的彻底破坏。 随着数字水印技术的不断发展，水印算法的分类方法繁多： 根据载体的不同可以分为：图像水印、视频水印、音频水印和文本水印等。目前图像 水印研究较为广泛，其主要利用图像的冗余信息和人类视觉系统( i - i v s ) 特性来嵌入水 印信息。 冷根据数字水印的稳健性可以分为鲁棒水印和脆弱水印。鲁棒水印主要用于在数字产品 中标识版权和用户授权等信息，作为非法侵权、盗版的证据。这种应用要求水印能够 经受各种常用的信号处理和恶意攻击。脆弱水印主要用于数据完整性认证。这种应用 要求水印必须对通常的信息处理和非法篡改很敏感，或被改变或被毁掉，以判断数据 内容的真伪。 令根据水印的感知性可以分为可见水印和不可见水印。可见水印主要目的是明确标识版 权，防止非法使用，最常见的例子是有线电视频道上的半透明标识。为保证数字产品 的使用价值，多数应用对数字水印都有不可见性的要求，因此对隐形数字水印的研究 相对较多。 根据水印的加载方式不同主要可以分为空域水印、变换域水印和压缩域水印。空域水 印算法将水印信息直接嵌入到音频时域采样，图像空间像素和视频数据等原始载体数 据中，变换域算法将水印信息嵌入到音频、图像、视频、三维目标等原始载体的变换 域的系数中。压缩域算法广义上是指充分考虑腓g ，i 泖e g 和陶技术的结构和特性， 将水印嵌入到压缩过程中的各种变量值域中，以提高对相应压缩技术或压缩标准攻击 的鲁棒性为目标的嵌入算法。 然而数字水印发展至今，面对多媒体技术的日益发展，传统的水印已经满足不了需求 了，于是有入提出了以鲁棒水印和脆弱水印向结合的双重水印技术，这两种水印相互融合， 发挥自己的功能。然而这仅仅是两种水印的结合，如何突破传统，将水印这门边沿技术与 其它技术相结合，让数字水印技术更好的发挥功效是目前数字水印的发展趋势。 感兴趣区域是个有着较为主观的词汇，在强调个性化的现今，感兴趣区域技术也是一 个研究的热门技术。考虑将数字水印技术与感兴趣区域技术相结合就是本文的出发点。结 合感兴趣区域技术，使得水印更加具有使用价值是本文的目的。 l o 上海师范大学硕士学位论文第二章数字水印技术及感兴趣区域技术 2 3 感兴趣区域的概念和特点 对于图像感兴趣区域的描述，学术界始终没有给出一个完整，明确的定义。对于不同 的图像，感兴趣区域的定义大相径庭。文献【2 3 1 对于医学图像的感兴趣区域定义如下：图 像包含重要的信息部分并且在保存时不可以有任何的失真。文献【2 4 】贝0 提出图像的特定区 域比其他区域更为重要的部分为感兴趣区域，。例如一幅图像，中间有个人，那么图像的欣赏 者通常更关注图像中的人而不是图像的背景。这些吸引人注意力的区域称为感兴趣区域 ( r o lr e g i o no f i n t e r e s t ) ，而感兴趣区域之外的部分则称为非感兴趣区域或者是背景。文 献【2 5 】针对指纹图像利用灰度直方图处理，由于低灰度区域的明显的峰表示指纹图像相对 较暗的区域，通常是人眼感知较为强烈的区域，故而将这部分称为感兴趣区域。从图像编码 方面考虑【2 6 j ，图像的感兴趣区域是指相对于背景图像编码优先级更高，逼真度更好的区 域。与感兴趣区域相关的诸多文献给出了各种形形色色的定义，有从图像内容入手的，有 从图像分割角度考虑的，还有从图像编码方面深入的。虽然没有一个公认的明确定义，但 是可以总结出图像的感兴趣区域是指在图像中表达图像重要内容，包含图像更多细节，相 较于背景部分在图像处理时要求有更高的优先级，更细腻的处理方法以求获得更好逼真 度，更高图像质量的区域。 在归纳了图像感兴趣区域的定义后，就更加方便来了解图像感兴趣区域的特点。 首先，从定义显而易见的是图像感兴趣区域的重要性。每一幅图像就如一个故事，有 自己独有的内容，感兴趣区域就如同这个故事的主干，也许只要通过图像感兴趣区域，观 察者就可以大概了解该图像所要表现的内容了。 其次，图像的感兴趣区域有主观性。正如人们常说每个看红楼梦的人都会在各自心中 有着自己的林黛玉。每个人对于图像的理解各不相同，对于感兴趣区域的划分也不同，无 法明确的用公式或者是坐标等方式表现出感兴趣区域。因而可以说对于感兴趣区域的认知 是主观的，不确定的。但是通过一些客观的图像处理方法，如灰度直方图划分等技术处理 之后，可以获得感兴趣区域的投影图像。然而采用的图像处理方法不同，得到的感兴趣区 域的形状大小自然也就大不相同了。 第三，这就是它的不确定性，使得图像的感兴趣区域有很好的隐藏性。试想如果将保 密信息嵌入其中，除非获得感兴趣区域提取算法，否则无法正确得到保密信息，那么就具 有了高隐藏性。本文就是希望通过利用图像的感兴趣区域的这个不确定性，用于在感兴趣 区域中嵌入保密水印，起到保密信息传递的作用。 第二章数字水印技术及感兴趣区域技术上海师范大学硕士学位论文 2 4 感兴趣区域发展历程和现状分析 图像的感兴趣区域问题是数字水印研究的一个热点，也是难点。由最初的水印嵌入在 图像的整个空间区域，到嵌入到图像变换域中，有在图像的空间域或者是在图像的变