（通信与信息系统专业论文）基于图象块分类的数字水印算法研究与工程实现.pdf

摘要 随着数字技术的发展，信息隐藏技术日益受到重视。其中数字水印作为版权 保护的重要手段，已得到广泛的研究和应用。作为多媒体商品，许多数字音频、 视频和静止图象中已被嵌入了各种隐蔽的标志，这些可相互区别的隐蔽标志通常 包含关于版权归属、产品序号、用户标识等信息。今后甚至可能还会含有禁止未 被授权者复制或使用的控制指令等。 本文主要关注以数字图象为载体的信息隐藏技术。本文研究的课题是国家自 然科学基金项目“数字音频中高度稳健的数据隐藏技术”和国家档案局项目“档 案领域的数字水印技术应用研究和产开发”的一部分。水印函数库的工程实现 为企业委托的研究开发任务。过去几匀国内的数字水印研究工作还偏重于理论和 方法的探索，本项目在面向产品和实i 示应用方面跨出了一步。 本文以数字图象的版权保护为主j 荽目的，研究了两种以静止图象为载体的数 字水印技术，其中一种基于双重d c l ，另一种基于d w t 和d c t 。这两种技术 的创新之处在于：基于图象块的几种 a 觉统计特性对图象块进行分类，对不同类 的图象块采用不同的策略嵌入水印，i ! 样就充分利用了图象的视觉掩蔽效应；由 于结合了d c t 和d w t 各自的特点，选择适当的变换域系数，根据视觉特性将 隐蔽数据嵌入变换域系数的不同位面，所以有利于兼顾隐蔽性和鲁棒性，不仅提 高了水印隐藏的强度，而且实现了较- - 的嵌入量。适合实际的工程应用。 本项目了使用v i s u a lc + + 6 0 ，利用以上研究的几种数字水印技术，形成了 一个用于具体工程应用的数字水印系je ，并且提供了相应的函数库。该系统使用 了信道编解码技术，信号统计特性分行，图象压缩技术，量化调制技术，以及 f f t ，d c t ，d w t 等函数。其中函势库的结构设计、水印的差错控制编码是系 统的特色。这些使用的技术已经被整理成函数库，该函数库基于动态链接库技术， 面向应用对象，便于扩充和使用。 关键词：数字水印，离散余弦变换，一波变换，动态链接库 a b s t r a c t r e c e n ty e a r sh a v es e e nar a p i dg r o w t hi nt h ea v a i l a b i l i t y o fm u l t i m e d i ac o n t e n ti nd i g i t a lf o r m g i v e nt h ee a s eb yw h i c h c o n t e n ti nd i g i t a lf o r mc a nb ed u p l i c a t e dt h e r eh a sb e e na n i n c r e a s i n g i n t e r e s ti nd e v e l o p i n g c o p yp r o t e c t i o n o r c o p y d e t e r r e n c e m e c h a n i s m s d i g i t a l w a 七e r m a r k g r e p r e s e n t o n e p a r t i c u l a ra p p r o a c ht h a th a v eb e e np r o p o s e df o rs o l v i n gt h e s e p r o b l e m s ai n v i s i b l e w a t e r m a r ki sas e c r e t k e yd e p e n d e n t s i g n a la d d e d t od i g i t a ld a t a ( n a m e l ya u d i o ，v i d e oo ra ni m a g e ) w h i c hc a nl a t e rb ee x t r a c t e do rd e t e c t e dt om e k ea na s s e r t i o n a b o u tt h ed a t a i nt h i sp a p e r ，t w od i g i t a li m a g e w a t e r m a r k i n gt e c h n i q u e sa r e i n 七r o d u c e d o n eb a s e do nd u a ld c t t h eo t h e rb a s e do nd c ta n d d w t i nt h et w ot e c h n i q u e s ，i m a g eb l o c k sa r ef i r s tc l a s s if i e d i n t o f o u r c a t e g o r i e sb yt h ec h a r a c t e r i s t i c s o ft h eh u m a n v i s u a ls y s t e m ( h v s ) ，h i d d e nd a t aa r et h e ne m b e d d e d u s i n g ad u a l d c to rd c t & d w ts c h e m e a c c o r d i n g t oc e r t a i nh v s ( i n ) s e n s i t i v i t i e s e x 口e r i m e n 七a lr e s u l t ss h o wt h a tt h e p r o p o s e dt e c h n i q u e c a nr e s i s tn o i s ei n 七e r e r e n c e ，1 i n e a r f i l t e r i n g ，a n dj p e gc o m p r e s s i o n t h ed c t & d w ts c h e m ep l a ya b e t t e rr o l ei nr e s i s tj p e g 2 0 0 0 c o m p r e s s i o n w ed e s i g nad i g i t a lw a t e r m a r k i n gd l lb a s e do nv i s u a lc + + a n dt h et w o w a 七e r m a r k i n gt e c h n i q u e s ，w ea l s od e s i g n ad i g i t a l w a t e r m a r k i n gs y s t e mb a s e do nt h ed l l t h ed l lu s e sc o d e d e c o d e s k i l l s ，q i mt e c h n i q u e ，a n ds o m em a t h e m a t i cf u n c t i o ns u c ha s f f t ，d c t ，d w t t h ed l li s o b j e c to r i e n t e d ，e a s yt ou s ea n d e x t e n d k e yw o r d s ：d i g i t a lw a 七e r m a r k i n g ，h v s ，d c t ，d w t ，d l l i i 第一章绪论 随着数字技术的发展，信息隐藏技术目益受到重视，其主要的推动力是对版权的关 注。因为音频、视频和其它一些作品以数字化形式出现之后，非法的复制导致大量未授 权复制品的产生，盗版问题受到音乐、电影、图书和软件出版业的广泛关注。 数字水印技术，由于可以作为数字化产品版权保护的重要手段，已得到广泛的研究 和应用。作为多媒体商品，许多数字音频、视频和静止图象中已被嵌入了各种隐蔽的标 志，这些可相互区别的隐蔽标志通常包含关于版权归属、产品序号、用户标识等信息。 今后甚至可能还会含有禁止未被授权者复制或使用的控制指令等。随着多媒体商品市场 的不断扩大，数字水印技术将越来越体现其潜在的市场价值。 本文主要关注以数字图象为载体的信息隐藏技术。本文研究的课题是国家自然科学 基金项目“数字音频中高度稳健的数据隐藏技术”和国家档案局项目“档案领域的数字 水印技术应用研究和产品开发”的一部分。水印函数库的工程实现为企业委托的研究开 发任务。过去几年国内的研究工作还偏重于理论和方法的探索，本项目在面向产品和实 际应用方面跨出了一步。 1 1 信息隐藏技术与数字水印 信息隐藏( i n f o r m a t i o n h i d i n g ) 是集多学科理论和技术于一身的新兴技术领域，它利用 人类感觉器官对数字信号的感觉冗余，将一个消息( 称为被隐藏消息) 隐藏在另一个消 息( 称为载体) 中，而由于消息被隐藏后，载体的外部表现并没有发生明显变化，故并 未改变载体的基本特征和使用价值。信息隐藏的最大优点就在于“隐藏”，这与单纯 的密码加密方法相比，增加了一层保护，使得需要保护的消息由“看不懂”变为“看不 见川。 信息隐藏和密码学( c r y p t o g r a p h y ) 都可以用于秘密通信，用于秘密通信的信息隐藏技 术称为密写术。密写术和密码技术两者有明显的区别。密码技术是通过特殊的编码将要 传递的秘密信息转变为密码的形式，以对通信双方之外的第三者隐藏其信息的内容，经 加密的信息产品一旦被破译，是无法控制其被非法复制和传播的，而密写术则是对第三 者完全隐藏了秘密信息的存在，嵌入隐藏信息后的信息产品与原信息产品几乎没有什么 变化，不影响使用这些信息产品。如从破解的角度来看，要破解密写信息更为困难，因 为对于信息的拦截者来说，如果面对的是一堆稀奇古怪的乱码，可能更会激起他破译的 欲望，而如果面对的是一幅精美的油画，则会因为受到麻痹而难以怀疑其中藏有另外的 信息，即使对精美的油画产生了怀疑，但由于密写的方式千变万化，在没有先知信息的 条件下也难以进行破解。 信息之所以能够隐藏在多媒体数据中是因为： ( 1 ) 媒体信息本身存在很大的冗余性，从信息论的角度看，未压缩的多媒体信息 的编码效率是很低的，所以将某些信息嵌入到多媒体信息中进行秘密传输是 完全可行的，并不会影响多媒体信息本身的传送和使用。 ( 2 ) 人的视觉系统( h v s ) 和听觉系统( h a s ) 在生理上存在一些特性，比如人眼对灰 度的分辨率只有几十个灰度级，对边沿附近的信息不敏感等。利用这些特点 能很好地将信息隐藏而不被发觉。 从很久以前，人类就有了保护信息的想法，例如中国古代的藏头诗，古希腊人的蜡 板藏书，德国间谍使用的隐形墨水和纸币中的水印等都是典型的例子。而如今互联网和 数字多媒体技术的广泛应用，为信息隐藏技术的发展提供了更加广阔的领域。 信息隐藏在计算机、通信、保密学等领域都有着广阔的应用前景，一般可以概括为 两种类型：密写术( s t e g a n o g r a p h y ) 和数字水印( d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ) 。 密写术是一种古老的技术，它将秘密信息嵌入到看上去普通的信息中，以掩盖秘密 的存在。密写术能够成功运用是基于两个互信团体之间点对点的通信，并且第三方并不 知道隐蔽通信的存在。因此密写术不一定要求稳健特性，在修改之后也无法恢复。 图1 1数字水印技术与信息隐藏、密写术、密码学的关系 数字水印技术出现于9 0 年代，是一项主要为保护多媒体信息知识产权而发展起来 的技术，到9 0 年代中后期有了较大的发展。数字水印是将标志产品作者、所有者、发 行者、使用者、出品时间的信息按定的算法嵌入载体信息中而不影响载体信息的商用 价值。水印信息可以从加载了水印的载体信号中检测或提取出来。 数字水印技术的主要目的不是制止非法复制，而是鉴别哪些产品是非法复制品。当 从信息产品中提取出的水印并不标志该产品的持有者时，便可以认为此产品是非法复制 的，该产品的持有者涉嫌侵害了他人的知识产权2 1 。另外，由于必须考虑隐藏的水印信 息在经历各种环境、操作之后，仍具有免遭破坏的能力，因此，水印技术必须考虑正常 的信号处理所造成的威胁，即嵌入到载体中的 隐藏数据对正常的信号处理技术具有抵抗能力。数字水印技术与信息隐藏、密写术、 密码学的关系如图1 1 所示。 1 2 论文的研究内容及编排 作者研究和开发所取得的成果和特色主要包括以下几个方面： 以数字媒体( 数字音频，静止图象) 的版权保护为目的，研究了两种以静止图 象为载体的数字水印技术，其中一种基于双重d c t ，另一种基于d w t 和d c t 。 这两种技术的创新之处在于：基于图象块的几种视觉统计特性对图象块进行分 类，对不同类的图象块采用不同的策略嵌入水印，这样就充分利用了图象的视 觉掩蔽效应；结合了d c t 和d w t 各自的特点，选择适当的变换域系数，根据 视觉特性将隐蔽数据嵌入变换域系数的不同位面，有利于兼顾隐蔽性和鲁棒 性，不仅提高了水印隐藏的强度，而且实现了较大的嵌入量。 使用v i s u a lc + + 6 0 和以上的几种数字水印技术，形成了一个用于具体工程应 用的数字水印系统，并且提供了相应的函数库。该系统使用了信道编解码技术， 信号统计特性分析，图象压缩技术，量化调制技术，以及f f t ，d c t ，d w t 等函数。其中函数库的结构设计、水印的差错控制编码、以及对彩色图象的操 作是本章的特色。这些使用的技术已经被整理成函数库，该函数库基于动态链 接库技术，面向应用对象，便于扩充和使用。 论文各章节具体安排如下： 第一章为前言，对研究信息隐藏技术的意义、信息隐藏技术与数字水印的关系作了 简单叙述，提出了论文的研究内容和结构。 第二章概述了数字水印技术的基本理论和发展状况，分析了数字水印的模型、分类、 性能指标、攻击及应用领域，对几种常见的静止图象数字水印技术进行了综述，并对它 们的优缺点进行了分析比较。 第三章介绍了d c t 算法以及人眼视觉模型，在此基础上提出了一种基于图象分块 特性的双重d c t 数字水印嵌入方法，并给出了该方法性能测试实验结果。 第四章利用第三章的一些技术，结合i p e g 2 0 0 0 和小波变换的特点，提出了一种基 于d w t 的图象水印技术。本章末尾将此技术和第三章作了比较，并给出了性能测试的 实验结果。 第五章介绍了模块化方法和动态链接库技术，同时介绍了函数库方法中作者使用的 一些特色技术。利用这些技术，作者将前两章的数字水印技术进行了扩充，形成一个数 字水印函数库。同时给出了对这一函数库的结构、使用方法以及性能测试的实验结果。 第六章对整个论文作了总结，并对未来的进一步研究进行了展望。 第二章数字水e f l 技术的基本理论与发展状况 本章内容提要： 数字水印的模型、特性和分类 数字水印技术的性能指标及主要应带 几萼中常见的静止图敦数字水印技术 2 1 数字水印技术的模型与主要特性 数字水印技术的一般性模型如图2 1 所示：数字水印与一定的密钥舅相结合，密 钥嚣往往怒猁对永印矿进行编码和指定嵌入位置的作用，通过一定的嵌入算法e m 隐 藏到原始载体j 中，形成隐藏了水印的载体w 1 ，w i 与j 应极为相似，满足不影响使用 价假的条件。趼在传输过稔中可能受到处联或攻击变为w i ，但对w i 应用检测算法d 或掇敬算法e x ，仍熊理想戆检灏是承印拶浆存在或提取出承印。捡测袋挺取水鞠薅 原始载体，和水印矿并不一定是必需的。 wk 图2 1 数字水印技术的般性模型 检测或 提取结果 为了满晟应用的需要，承印一般应具有黻下一些基本特往： ( 1 ) 稳健性指不因水印嵌入载体的某种改动丽导致水印信息丢失的能力。这里所 谓“改动”识括传输过程中的信道嗓音、滤波操作、重采样、有损编码压缩、d a 和 a d 转换等。 ( 2 ) 可 正明性水印可以是注册的用户号码、产品标识或有意义的文字，并能在需 要翳游镤方便迄提取蹬寒，凳受到绦护豹僖憨产暴豹薅藩提供完全帮霹嘉貔涯鹱。 ( 3 ) 透明性利用人类视觉系统溅听觉系统的生理特性，经过一系列隐藏处理，使 巨除数据浚奔爨显静降质现簸，雨隐藏静数摇郯无法餐觅或昕觅。 6 ( 4 ) 安全性安全性有两层含义：第一层指一个未授权用户不能读出或解码出所隐 藏的水印信息，也不能探测到给定的一系列数据中是否嵌有水印；第二层含义指允许未 授权用户探测到水印的存在，但是如果没有密钥也不能将水印信息提取出来。 2 2 数字水印的分类 数字水印可以按以下几种方式进行分类： ( 1 ) 多比特水印和1 比特水印 数字水印可按水印信息容量分为l 比特水印和多比特水印。如果嵌入的水印信号没 有具体含义，检测结果只是“有水印”或“无水印”两种情况，这种水印实际上只含有 1 比特信息。而嵌入多比特有意义信息( 如版权所有者姓名、地址、出品时间) 的多比 特水印方案更有实际应用价值。 ( 2 ) 私有水f p ( p r i v a t ew a t e r m a r k i n g ) 和公有水印( p u b l i cw a t e r m a r k i n g ) 检测水印时必须用到原始数据的方案称为私有水印；不必用到原始数据的称为公有 水印【“。版权所有者可根据私有水印鉴别非法复制品，并连同原始信息产品一并作为证 据。公有水印的应用范围更广泛，任何一个拥有检测软件的使用者都可以鉴别信息产品 是否为盗版。通常私有水印有更好的性能，往往能抵御相当强大的攻击。但从应用角度 来看，公有水印更有发展前途。 ( 3 ) 对称水印和非对称水印 目前绝大多数水印方案都是对称水印，即水印的嵌入与水印的检测互逆。如果攻击 者知晓检测原理，就能轻易删除水印，所以目前水印检测算法是不公开的。同密码学一 样，数字水印的安全性不能靠保密算法保证。为了使水印使用更方便更安全，提出了非 对称水印概念( a s y m m e t r i cw a t e r m a r k i n g ) 【”。非对称水印要求公开检测算法，但在没有密 钥的情况下无法根据检测算法去除已嵌入的水印。 ( 4 ) 稳健水印和脆弱水印 数字水印还可以分为稳健水印( r o b u s tw a t e r m a r k i n g ) 和脆弱水印( f r a g i l e w a t e r m a r k i n g ) 。稳健水印是指在恶意攻击下仍然不能被修改、去除的水印，可用于版权 标识。而脆弱水印可根据被破坏的情况记录产品受到过的攻击。如果水印对压缩、滤波 等信号处理是稳健的，对剪切、修改等恶意处理是脆弱的，则被称为半脆弱水印。有些 水印系统将稳健水印和脆弱水印结合起来，可以对经过了恶劣信道或被恶意处理的信息 进行恢复 5 _ 6 j 。 ( 5 ) 可觉察的水印和不可觉察的水印 最常见的可觉察水印的例子是有线电视频道或图象上的半透明标识7 1 ，其主要目的 在于明确标识版权，防止非法使用。不可觉察的水印则被完全隐藏起来，目的是为了作 为惩罚盗版者的证据。 ( 6 ) 从实现方法上分类 水印的嵌入必须通过修改原始数据来实现，那么，如何修改就是重要的选择。主要 的修改方法可以分为三类：迭加、替换和调整。迭加方法是在原数据上迭加伪随机序列， 检测时用伪随机序列与待检数据做相关，恢复出水印信息8 。9 1 。这种方法在1 比特水印 方案中用得较多，将这种方法重复使用可以隐藏多个比特。替换法是将变换域的某些系 数完全替换，变换域系数的变化在时空域上体现在所有的象素上，所以仍然可以保证很 好的隐蔽性。调整方法介于两者之间，是根据水印信号对数据进行有规律的局部调整， 既顾及了原始数据，又隐藏了信息。调整法性能优于迭加法，目前已经出现了量化水印 d o 、扰动调制和其它一些基于调整的水印方案。 2 3 数字水印技术的性能指标 数字水印的性能主要由隐蔽性、稳健性、水印信息容量来衡量。对于隐蔽性的衡量， 往往以信噪比或峰值信噪比为指标，但信噪比和峰值信噪比没有考虑到人的主观感觉因 素，当前已有大量文献结合了人的视觉特性或听觉特性嵌入水印，以提高隐蔽性【1 2 - 1 4 。 稳健性是指水印不能被修改、去除，而能被正确检测、提取的能力。针对不同的攻击对 稳健性有不同的要求。水印信息容量是数字水印技术的一项重要指标，但目前开展的研 究较少，已有的研究大多是基于香农( s h a n n o n ) 定理。 隐蔽性、稳健性和嵌入信息量三者之间往往存在矛盾。稳健性与嵌入强度直接有关； 而嵌入强度越大，隐蔽性就越差；如果既要保持好的稳健性又要保持好的隐蔽性，就要 以牺牲水印信息容量为代价。实践中需根据具体应用要求在三者之间寻求平衡点。 2 4 攻击与抗攻击 对信息安全的研究必须将攻击与防守结合起来。数字水印技术面临着各种不同类型 的攻击15 - 1 6 ，它们大体可分为三类：信号处理攻击、几何失真攻击、解释性攻击。 信号处理攻击是指对加载了水印信息的信号进行常规处理，例如压缩、滤波、加噪、 重采样等，这种攻击不一定是恶意的，但有可能将水印破坏掉。对于这种攻击，现有的 数字水印技术往往是能有效克服的。克服的手段包括合理选择嵌入位置 1 ”、提高嵌入强 度、重复嵌入f 1 8 】、互补嵌入等办法 2 0 】。 几何失真攻击是指对信号进行缩放、仿射变换、剪切、删除或插入采样点、随机几 何失真等处理，从本质上说，这种攻击并没有破坏水印，而是破坏检测中的同步，使检 测软件无法找到水印的确切位置，或者因水印发生畸变无法正确提取。目前的方法一般 是通过特征匹配 2 1 - 2 3 1 ( 私有水印) 或模板嵌入刚( 公有水印) 估计出受到的几何失真， 然后再检测或提取水印。但这个问题还未真正解决，已出现的一些水印攻击软件，如 s t i r m a r k 和u n z i g n ，几乎可以对所有的水印算法进行有效的攻击。 解释性攻击不是使原有的水印无法检测或提取，而是使信息产品出现另一个水印， 在两个水印同时存在的条件下，无法确定信息产品的版权归属。具有代表性的攻击方法 是可逆性攻击【2 5 _ 26 1 ，克服可逆性攻击可以用算法限制或协议制定的办法。 2 5 数字水印技术的应用领域 目前数字水印技术应用主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 版权保护 随着互联网和电子商务的迅猛发展，互联网上的多媒体信息急剧膨胀，数字化多媒 体产品可通过下载的方式从网上直接购买。而如何有效地保护这些数字产品的版权就成 为一个极其关键的问题，也是数字水印技术研究的主要推动力。显然，这种水印应对常 见的数据处理和攻击具有很强的稳健性。 ( 2 ) 非法复制跟踪 有些数字水印系统将使用者的信息作为水印，称为数字指纹( d i g i t a lf i n g e r p r i n t ) ，可 以用于监视或追踪数字产品的非法复制。当发现非法复制品时，可根据非法复制品中的 数字指纹确定非法复制品是从哪一个使用者那里得到的。对于数字指纹来说，一个重要 问题是共谋攻击，即多个使用者联合起来利用嵌入了不同数字指纹的信息产品进行攻 击；另个问题是如果发现盗版，必须能够确定是版权所有者还是使用者进行了非法复 制。 ( 3 ) 使用控制 数字产品的制造者可以将嵌入数字水印这一模块集成到数字照相机和视频摄录机 中，于是图片和录像上就有了创建时的有关信息，如时间、所用设备、所有者信息等相 关内容。在v c d 和d v d 刻录机、扫描仪、打印机和影印机中也集成自动检测数字水印 这一模块，当它们发现数字水印信息是未经授权的刻录、扫描、打印或影印时，它们就 拒绝工作，使非法授权者不能对数字产品进行非法复制。 ( 4 ) 认证 当数字作品被用于医学、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。例如：为实现该目的，通常可将原始图象分成多个独立块，再将每个块加 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。 ( 5 ) 网页保护与票据防伪 随着各种各样的网站不断涌现，随之而来的网页内容的篡改和非法盗用问题也日益 突出。在网页中加入合适的水印也许将成为保护网页，防止非法篡改和盗用的一种有效 手段。例如可以通过定时检测隐藏在网页中的数字水印来判断网页是否遭受攻击，以便 及时自动修复与报警。随着高质量复制设备的出现和电子商务的兴起，票据防伪技术也 在不断发展，显然，电子商务中各种电子票据的有效防伪也是十分重要的。电子票据的 水印技术将在今后几年得到更多的发展。 ( 6 ) 数据传输的辅助通道 在同一个信道同一个频带中传输两种不同的混合数据，并且能与现有的模拟设备兼 容。比如在电视伴音信号或者电话话音信号( 一般为模拟信号) 中隐藏额外的信息，可 以在不改动现有设备的前提下，提供数据传输的辅助通道。 2 6 水印技术发展状况 v a n s c h y n d e l 在i c i p 9 4 会议上发表了题为“a d i g i t a lw a t e r m a r k ”的文章，这是第 一篇在主要会议上发表的关于数字水印的文章，其中阐明了一些关于水印的重要概念， 它被认为是一篇具有历史价值的文献。1 9 9 6 0 5 3 0 一1 9 9 6 0 6 0 1 ，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，这标志着一门新兴的交叉学科信息隐藏 学的正式诞生。 1 9 9 5 年以后，数字水印技术获得了广泛的关注并且得到了较快的发展，仅1 9 9 8 年 1 0 就发表了1 0 0 篇左右的数字水印的文章。与此同时，也出现了一些研究隐秘术的文章。 据a n d e r s o n 和p e t i t c o l a s 的统计，到1 9 9 9 年8 月为止，国际上关于信息隐藏技术的文章 已达4 0 0 篇左右。在过去几年中，从事信息隐藏技术的研究人员和组织不断增加，国际 上已先后于1 9 9 6 年在英国，1 9 9 8 年在波兰，1 9 9 9 年在德国召开了三次信息隐藏学术会 议。我国也先后于1 9 9 9 年1 2 月，2 0 0 0 年6 月，2 0 0 1 年9 月和2 0 0 2 年9 月举办了四次 信息隐藏技术研讨会。 随着理论研究的进行，相关的软件也不断推出，并在短短几年中涌现了许多从事水 印技术应用的公司。日本电气公司、日立制作所、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。 由美国各大唱片公司成立的业界团体s d m i ( s e c u r ed i # t mi n i t i a t i v e ) 于1 9 9 9 年9 月 采用了v e r a n c e 公司的数字水印技术以保护i n t e r n e t 上发布的数字音频文件。另外，由 欧洲委员会资助的几个国际研究项目也正致力于实用的水印技术研究。 经过最近几年的努力，水印技术的研究已取得了很大进展，但总的来说，水印技术 还远不成熟，尚缺乏系统性的理论基础和公平统一的性能测试与评价体系，因此，水印 技术的广泛应用还有赖于不断的探索与实践。 目前，国内关于数字水印还偏重于理论和方法的探索，应用开发工作还不多见，而 本文的工作正是在这方面的一次尝试。 2 7 几种常见的静止图象数字水印技术 2 7 1 数字图象水印的基本概念 静止图象数字水印是目前讨论最多的一种数字水印，大多数的文献都是讨论静止图 象数字水印的。当然，有些静止图象数字水印算法还可以用于其他媒体，这取决于数字 水印算法所采用的技术。图象数字水印主要是利用数字图象的冗余信息和人的视觉系统 ( h v s ) 的特点来加载数字水印。对数字图象而言，水印可以分为不可见f i n v i s i b l e l 和可 见( v i s i b l e ) 两种。下面探讨的都是不可见的数字图象水印。 设i ，w 和k 分别代表原始图象、水印和密钥，则嵌入水印的图象i ，可表示为： i e ( i ，w ，k )( 2 - 1 ) 其中e ( ) 为水印嵌入函数。给出待测试图象i + ，可提取待测水印 w 。= d ( i 。，i ，k ) d ( ) 为水印提取函数。若相关函数p ( w ，w ) 满足 p ( w + ，w ) t 则判定水印存在：否则水印不存在，t 为判决门限。 2 7 2 数字图象水印常用技术 ( 2 以) ( 2 - 3 ) 水印算法的实现可分为两类：空域方法和变换域方法。小波域方法作为变换域方法 的一种，是近年来研究热点之一。 空间域水印算法的代表是最低有效位( l s b ) 1 2 5 】算法，其原理就是通过修改表 示数字图象的颜色( 或颜色分量) 的位平面，调整数字图象中对感知不重要的 像素来表达水印的信息，达到嵌入水印的目的。这种方法在视觉上难以觉察， 但是因为基本原理本身的限制，嵌入的水印容易受到有损压缩、量化等攻击而 丢失。 变换域( d c t 26 1 、d f t 、d w t ) 方法是通过数学变换，在数字图象的变换域上作 修改，使修改后的变换域系数隐含数字水印的信息。这类方法很好地利用了人 类视觉系统( h v s ) 的特性，水印信息隐藏于人眼比较不敏感的频率部分，从而 可以抵抗有损压缩和其他数字图象处理操作。 小波域2 7 1 中的信息隐藏也是近年来研究热点之一。这一方面是因为小波理论本 身的研究日趋成熟和完善，另一方面则是小波多分辨率分析方法的应用越来越 广泛，尤其是在数字化多媒体信息处理方面有着相当好的时( 空) 频特性。在 小波域内的信息隐藏可以充分利用人类视觉模型和听觉模型的一些特性，使系 统的隐蔽性和稳健性都得以改善。 从综合性能分析，变换域的方法更加优越一些，目前占据了主要地位。未来的趋势 也当以变换域的方法为主流。最早的基于分块d c t 数字水印技术之一见文献 2 8 。他们 的数字水印方案是由一个密钥随机地选择图象的一些分块，在频域的中频上稍稍改变一 个三元组以隐藏二进序列信息。选择在中频分量编码是因为在高频编码易于被各种信号 处理方法所破坏，而在低频编码则由于人的视觉对低频分量很敏感，对低频分量的改变 易于被察觉。该数字水印算法对有损压缩和低通滤波是稳健的。c o x 等人提出了基于图 象全局变换的数字水印方法【2 。他们的重要贡献是明确提出加载在图象的视觉敏感部分 的数字水印才能有较强的稳健性。 第三章一种基于图象分块特性的数字水印嵌入方法 本章内容提要： d c t 变换与j p e g 压缩 基于图浆分块特性的数字承印嵌入方法 实验测试结果 3 1d c t 变换与j p e g 歪缩 翻浆处理中最g - 髑嬲是二维d c t 燹接： 跏朋= 和凇萎n - i 蚤n - i 啦础。s ( 型争 c o s ( 驾铲) c s t ， 妇膨= 薹n - i 薹n - i c 鼢川c o s ( 竺簧导) c o s ( 鼍) e ，之， 其中c ( 辩) ： 去 辩。 ，s 如力兔图象中 力坐标簸的获发或r g 弘值；s 沁v ) 为 【1 e l s e d c t 系数。 深刻理解图象压缩的原理，有助于在设计水印系统时提高其抗击图象压缩攻击的稳 健性。所以下磷将简单介绍图敷压缩最常用格式j p e g 的基本暇理。 豳3 1j p e g 图象聪缩算法概图 二维d c t 是目前最常用的肖损数字图象压缩系统j p e g 格式的核心。如图3 1 所示， 先将蚕象分戒8 8 翡象素头，然后对繇块骰d c t 交捩。量亿的作蘑怒在一定的主蕊傈 真度的前提下，丢掉那些对视觉效果影响不大的信息，以便压缩数据。量化时每个d c t 系数采用不同的量化步长，通常情况下，离d c 系数越近的元素对图象的贡献越大，在 量化时要保证这些系数的精确度：离d c 系数越远的元素对图象贡献越小，在定义量化 矩阵时，让离d c 系数远的系数对应较大的步长值，使其量化的值为零，在编码时就可 以进行有效压缩。量化后的系数进行熵编码，如h u f f m a n 编码或算术编码。在j p e g 格 式解码时，对所有d c t 系数乘以相应量化步长值，再用i d c t 变换重构数据。恢复的 图象接近但不同于原始图象。当然，如果量化步长选取合适的话，肉眼是察觉不到明显 区别的。 综合上面的讨论可以看出，分块d c t 可以较好地利用视觉特性的特点，并且可以 针对p e g 设计出稳健性较强的水印嵌入方案。下面要讨论的图象水印技术也是在d c t 域进行的。 3 2 原理和方法 3 2 1 算法流程 设原始灰度图象p 的大小为m x n ，象素灰度值为8 比特。将图象分割为大小相等互 不重叠的小块，设每块大小为8 x 8 个象素。此时整个图象被分成 m 8 x n 8 块，其中 n s 表示不超过n 8 的最大整数。被分割的图象小块用岛来标识。 对乃做d c t ，得到与岛块大小相同的d c t 系数块p d # 。图象块经过d c t 后，块 中大部分能量集中到为数不多的低频变换系数中。如果将块经过i d c t 重构图象， 量化误差将类似于随机噪声一样分散到嘞的各个象素中去，因此如修改p d o 中能量高 度密集的部分低频系数，在其中隐藏水印可得到满意的效果。 但如果直接在系数中嵌入水印，嵌入信息经反变换后仅分散到b 中，即图象的 各个小块被分别独立地嵌入水印，水印并没有被分散到整个图象之中。这样的操作没有 充分利用整个图象块。为了满足视觉隐蔽性的要求，水印的嵌入强度和信息量就会受到 限制。 为了把嵌入的信息分散到更多的象素中以兼顾隐蔽性和鲁棒性，我们把各个p d o 中 能量较大的低频变换系数取出，将同频系数放置在一起，然后根据某一伪随机序列对这 些系数进行置乱，整理成l l 大小的一些小块砩q 。置乱后由于每个小块中的元素来 自原始图象中相当分散的区域，所以彼此相关性趋于零。 对廓q 再次进行l l 的d c t ，得到e d p g 。可以对层砟q 的系数进行修改，在其中隐 藏水印。 图3 2 所述为上述的全过程。通过其逆过程就可以得到嵌有水印的图象p 。 1 2 8 5 6 算法1 ，2 ，3 ，4 比较说明： 图象的细节越丰富( 比如全是树叶的图象) 嵌入效果越好； 如果图象变换平缓( 比如蓝蓝的天空，或大片白色背景) ，则嵌入效果变差。 算法1 ，2 比较适合各种图象； 算法3 ，4 对纹理比较丰富的图象效果较好。 5 4 函数库的使用方法 5 4 1 图象水印嵌入算法操作函数 调用4 种图象水印嵌入算法使用以下方法函数： 检查图象是否含有水印的函数 m m p l r e tt e s t b m p d a t a ( b y t e * b m p d a t a ， i n t b i t s p e r p i x e l ， i n t b m p h e i g h t ，i n tb m p w i d t h ，m m p l _ t y p et o o l t y p e ) j * 参数： b m p d a t a： + b i ts p e r p i x e l ： b m p h e i g h t ： b m p w i d t h ： + t o o l t y p e ： 需要提取水印的图象数据块。 图象类型，8 或者2 4 b i t 。 图象高度 图象宽度 算法类型 举举 获取水印的函数： m m p l r e tg e t w m a r k ( b y t e * * b m p d a t a ，i n t b i t s p e r p i x e l ，i n tb m p h e i g h t ， i n tb m p w i d t h ，c h a r w m a r k p w d ，m m p l t y p et o o l t y p e ) ； 参数： + b m p d a t a：需要提取水印的图象数据块。 b i t s p e r p i x e l ：图象类型，8 或者2 4 b i t 。 + b m p h e i g h t：图象高度 b m p w i d t h：图象宽度 + t o o l t y p e：算法类型 + w m a r k p w d：指向用户输入的口令( 字符串) 的指针 嵌入水印的函数 m m p l r e t e m b e d w m a r k ( b y t e + + b m p d a t a ， i n t b i t s p e r p i x e l ， i n t b m p h e i g h t ，i n tb m p w i d t h ，c h a r + w m a r k p w d ，b y t e * w m a r k ，u n s i g n e di n t w m a r k l e n ，m m p i j t y p et o o l t y p e ) ， + 参数： + b m p d a t a：需要提取水印的图象数据块 + b i t s p e r p i x e l ：图象类型，8 或者2 4 + b m p h e i g h t：图象高度 + b m p w i d t h：图象宽度 t 0 0 1 t y p e：算法类型 w m a r k p w d ：指向用户输入的口令( 字符串) 的指针 + w m a r k ：指向水印缓冲区的指针 w m a r k l e n ：需要嵌入的水印的长度 定义方法函数的返回值如下 t y p e d e fd w o r dm m p l _ r e t ， # d e f i n em m p l e s u c c e s s 0 函数执行成功 # d e f i n em m p l _ e _ n o t e n o u g h m e m o r y 一1 输出缓冲区太小 4 # d e f i n em m p len o i t e m s一2 未找到符合要求的项目 # d e f i n em m p len o t s u p p o r t e d一3 此算法不支持此操作 # d e f i n em m p l e i n v a l i d m e d i a t y p e一4 无效的媒体数据类型 # d e f i n em m p l e o p e r a t i o n f a i l e d一5 未知的内部错误 # d e f i n em m p l e i n v a l p a r a m s一6 参数错误 # d efi n em m p l e i n v a l p a s s w d一7 i 口令无效 以下3 个函数为操作水印数据的函数 获取图象中能隐藏的水印的最大b i t 数量，使用 i n tg e t w m a r k d a t a b i t m a x ( ) ， 获取图象中已经隐藏的水印的b i t 数量，使用： i n tg e t w m a r k d a t a b i t l e n ( ) ； 获取图象中已经隐藏的水印，使用： b y t e g e t w m a r k d a t a ( ) ； 5 4 2 图象水印算法流程图 通过以上介绍的几个函数即可完成嵌入和提取水印的操作，其流程介绍如下 图5 2 表示嵌入水印的流程，图5 3 表示提取水印的流程： 嵌入水印的流程 1 t e s t b m p d a t a f ) j 2 g e 七w m a r k d a 七a b i t m a x ( ) j 3 e m b e d w m a r k ( ) ； 检测水印的流程 1 t e s t b m p d a t a ( ) 2 g e t w m a r k ( ) ； 图5 2 嵌入水印的流程图 3 g e t w m a r k d a t a b i t l e n ( ) j 4 g e t w m a r k d a t a ( ) ； 5 5 小结 图5 3 检测水印的流程图 本章利用v i s u a lc + + 和动态链接库技术将水印算法工程实现，一方面进一步验证了 水印算法的有效性和实用性，另一方面也为数字水印的实际应用开发作出了一定的贡 献，是数字水印技术市场化的一个尝试。数字水印函数库已经推向市场，等待接受市场 的考验。 水印函数库的开发在这里只是个开始，音频数字水印、视频数字水印等内容有待于 添加到函数库当中，图象数字水印算法也有待于进一步提高性能。由于函数库良好的结 构，这些工作都可以在本章介绍的水印函数库基础上进一步进行，这也避免了后者的许 多重复劳动，新的数字水印算法推向市场的速度也就能大大提高。 结束语 本文研究的课题是国家自然科学基金项目“数字音频中高度稳健的数据隐藏技术” 和国家档案局项目“档案领域的数字水印技术应用研究和产品开发”的一部分，水印函 数库的工程实现为企业委托的研究开发任务。 作者主要进行的工作包括：以数字媒体的版权保护为目的，基于图象块视觉统计特 性，充分利用图象的视觉掩蔽效应，研究了两种性能优良的图象水印算法。其中一种基 于双重d c t ，另一种基于d w t 和d c t 。使用v i s u a lc + + 6 0 和以上的几种数字水印技 术，形成了一个用于具体工程应用的数字水印系统，并且提供了相应的函数库。该函数 库基于动态链接库技术，面向应用对象，便于扩充和使用。 展望今后的工作，作者认为可以从以下几个方面对图象水印方案进行改进：一是选 择更加合适的图象分类依据，以便于更准确的对图象进行分类，以便于更好的利用图象 的视觉掩蔽效应。二是对利用小波变换的方案进行进一步的改进，研究小波压缩中可以 利用的信息。三是水印函数库的修改扩充问题。本文提供了一个较优良的函数框架，今 后本工作组的成员可以利用函数库里的方法以及零件对函数库进行更新。 本文