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北京邮电大学硕十学位论文信息隐藏和数字水印技术的研究 信息隐藏和数字水印技术的研究 摘要 数字水印系统存在两个关键问题：一是提高基于图像水印方式隐 藏信息的安全性；二是解决水印透明性与鲁棒性之间的矛盾。 本论文主要针对l s b 水印系统的算法保密性差的特点，研究了为 隐藏信息加密的d e s 算法。通过对多种空域水印算法优缺点的分析， 提出了基于d e s 算法的空域数字图像水印加入方法。引入的加密方法 确保了隐藏信息的安全性，并利用v c + + 6 0 对该方法进行了设计实 现。实验表明，该方法在通信应用中有较强的实用性，同时也具备良 好的透明性和可靠性。 目前的水印技术存在很多问题，例如算法的鲁棒性和透明性不 好，水印信息嵌入量较少等，本文围绕着这些问题在d c t 变换域展开 研究。在此基础上，提出了基于d o t 系数特性的水印算法，并通过一 些常见的图像处理攻击实验验证了这种算法生成水印的性能。利用分 块d c t 系数的奇偶特性，并通过p n 序列加密来保证水印的安全性。 基于d c t 系数特性的水印，利用分块d c t 系数的周期特性，结合 z i g z a g 编码置乱技术，提出一种在宿主图像的中频交流系数上嵌入 - ：二值水印图像的方案。 经过d c t 域技术处理的水印图像因对其d c t 系数的修改是在有损 量化之后进行的，所以更具健壮性，算法能够成功地实现水印的嵌入 与提取，而且运算速度较快。与传统图像水印的系统相比，本文提出 的方案更具有抗干扰性，同时也具有很好的鲁棒性和透明性。所有的 过程，包括嵌入、攻击、提取、验证均在m a t l a b 环境中进行模拟。 关键词：信息隐藏数字水印d e s 算法l s b 算法分块d c t 北京邮电大学硕士学位论文 信息隐藏和数字水印技术的研究 r e s e a r c ho nt e c h n i q u eo fi n f o r m a t i o n h i d i n ga n dd i g i t a lw a r e r m a r k i n g a b s t r a c t t h e r ea r et w ok e yp r o b l e m si n w a t e r m a r k i n gt e c h n i q u e o fd i g i t a l i m a g e s o n ei sh o wt oi m p r o v et h es e c u r i t yo fh i d e ni n f o r m a t i o nw h i c hi s b a s e do nt h em e t h o do f d i g i t a lw a t e r m a r k i n gt e c h n i q u ea n dt h eo t h e ri s h o wt od e a lw i t ht h ec o n f l i c to fr o b u s t n e s sa n d t r a n s p a r e n c y t h ed i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h e s e c u r i t yf r a g i l i t y o f d 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 nl s b ，d e v e l o p st h em e t h o db a s e do nd e s a l g o r i t h mt oe n c r y p tf o rt h eh i d e ni n f o r m a t i o n w i t ht h ea n a l y s i so fm a n y s p a t i a ld o m a i nw a t e r m a r ka l g o r i t h m s ，an e ws p a t i a ld o m a i nd i g i t a l w a t e r m a r k i n gm e t h o db a s e do nd e si sp r e s e n t e d ，w h i c hi si m p l e m e n t e d b y v c + + 6 0 o nt h eo t h e r h a n d ，t h e r ea r em a n yp r o b l e m si nt h ec u r r e n t w a t e r m a r k i n gt e c h n i q u e ，s u c h a st h ew e a k n e s s o fr o b u s t n e s sa n d i m p e r c e p t i b i l i t yo fa l g o r i t h m sa n ds oo n t h e d i s s e r t a t i o nd o e ss o m e s t u d i e so nd c td o m a i na n dan e ww a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mb a s e do nt h e p r o p e r t yo fd c tc o e f f i c i e n t si sp r o p o s e d t h e nt h ed e s i g np r i n c i p l e sa r e s i m u l a t e da n dt h ep e r f o r m a n c e sa r ev a l i d a t e dt h r o u g hs o m ec o m m o n a t t a c ke x p e r i m e n t so fi m a g e s f u r t h e r m o r e ，p ns e r i e si su s e dt oe n s u r e w a t e r m a r k i n gs e c u r i t y w i t ht h ep e r i o d i cp r o p e r t yo fd c tc o e f f i c i e n t sa n dt h ed i g i t a li m a g e s c r a m b l i n g t r a n s f o r m a t i o n n a m e l yz i g - z a gs c a n ，w ep r o p o s e s a m e a n i n g f u lb i n a r yw a t e r m a r k i n gi m a g ee m b e d d i n ga l g o r i t h mo nb l o c k d c ti n t e r m e d i a t ef r e q u e n c ya cc 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 t h e p r o p o s e da l g o r i t h mi sm o r ep r a c t i c a la n db e r e rt h a no t h e r sa tr o b u s t n e s s a n di m p e r c e p t i b i l i t y a l lp r o c e s s e s ，i n c l u d i n gw a t e r m a r k i n ge m b e d d i n g ， a t t a c k i n g ，e x t r a c t i n g a n d v e r i f y i n g ，a r e s i m u l a t e di nm a t l a b e n v i r o n m e n t k e yw o r d s ：i n f o r m a t i o n h i d i n g ，d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ，d e s a l g o r i t h m ，l s ba l g o r i t h m ，b l o c kd i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m 3 北京邮 乜大学硕j ：学位论文 信息隐藏和数字水印技术的研究 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：渔塾 f i l 期：! 鱼：羔12 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围， 喜；：；墓耄i 三差妊导师签名：j 已麦 适用本授权书。 日期： ! 笸：12 同期：! 笪：三：1 2 北京邮电人学硕上学位论文 信息隐藏和数字水印技术的研究 第一章绪论 1 1 数字水印的背景及意义 数字水印( d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ) 是向多媒体数据( 如图像、声音、视频信 号等) 中添加某些数字信息( 水印) 而不影响原数据的视昕效果( 此处我们只讨 论人们普遍关心的不可见水印) ，并且这些数字信息可以部分或全部从混合数据 中恢复出来，以达到版权保护等作用。 数字水印应具有如下的特性：安全性( 嵌入在宿主数据中的水印是不可删除 的，且能够提供完全的版权证据) 、鲁棒性( 水印对有意或无意的图像操作与失 真具有一定的抵抗力) 、不可觉察性( 水印对人的感觉器官应是不可觉察的，或 者说是透明的) 和保真性( 加入水印后，并不会损害原来的媒体内容价值) 。 水印算法识别被嵌入到保护对象中的所有者的有关信息( 如注册的用户号 码、产品标志或有意义的文字等) 并能在需要的时候将其提取出来，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， 这实际上是发展水印技术的基本动力。 尽管版权保护是发展数字水印技术最重要的原动力，事实上人们还发现数字 水印还具有其它的一些如真伪鉴别、秘密通信、标志隐含等重要应用。数字水印 技术与古老的信息隐藏和数据加密技术关系非常密切，这些技术的发展以及融合 为今后信息技术的发展提供必不可少的安全手段。 从1 9 9 4 年开始，国际学术界陆续发表有关数字水印的文章，且文章数量呈 快速增长趋势，几个有影响的国际会议( 如i e e ei c i p 、i e e ei c a s s p 、a c m m u l t i m e d i a 等) 以及一些国际权威杂志( p r o c e e d i n g so f i e e e 、s i g n a lp r o c e s s i n g 、 i e e ej o u r n a lo fs e l e c t e da r e a so nc o m m u n i c a t i o n 、c o m m u n i c a t i o n so fa c m 等) 相继出版了数字水印的专辑。 到目前为止，数字水印从研究对象上看主要涉及图像水印、视频水印、音频 水印、文本水印和三维网格数据水印等几个方面，其中大部分的水印研究和论文 都集中在图像研究上，其原因在于图像是最基本的多媒体数据，且互联网的发展 北京邮电大学硕士学位论文 信息隐藏和数字水印技术的研究 为图像水印的应用提供了直接大量的应用需求。另外视频水印也吸引了一些研究 人员，由于视频可以看成时空域上的连续图像序列，从某种意义上讲，它与图 像水印的原理非常类似，许多图像水印的研究结果可以直接应用于视频水印上。 但两者有一个重要的差别在于处理信号的数量级上，特别是视频水印需要考虑实 时性问题。 数字水印的基础研究主要集中在鲁棒水印算法、水印容量等方面。9 0 年代 中期，采用通信理论模型，将原始图像和有意无意的攻击看作噪声，特别是将扩 频通信理论引入后，水印的鲁棒性大大提高，随后提出结合感知模型、自适应的 鲁棒水印算法。最近，提出矢量量化的方法，预言能取得更鲁棒的算法，提出的 基于奇异值分解的鲁棒水印算法，通过理论分析和实验证明具有很好的鲁棒性。 在不同鲁棒性算法中，水印容量分析相当重要，因为这是应用中首先需要明确的 问题，目前结合信息论、通信理论，分析容量范围，成为了当前研究热点。 1 2 数字水印的应用 数字水印技术的最初目的是为了实现数字作品的版权保护，随着研究的不断 深入，其应用领域得到了极大扩展，在许多方面e 发挥着越来越重要的作用。概 括起来，数字水印技术目前主要有以下几个应用方面l l 】。 ( 1 ) 版权保护 计算机技术的发展使得数字产品的拷贝、修改非常容易，而且与原作完全相 同，数字产品的版权保护是当前的热点问题，也是迫切需要解决的问题。数字水 印技术是数字产品版权保护的重要手段，可以用来公证地解决版权纠纷问题。数 字水印在版权保护方面主要有三个作用：一是对盗版者是一种威慑；二是在发生 版权纠纷时，为版权所有者提供有力的证据：三是在发现盗版的同时，能够找到 为盗版者提供原版资料的用户。目前，用于版权保护的数字水印技术已经进入了 实用化阶段，a d o b e 公司的图像处理软件p h o t o s h o p 集成了d i g i m a r c 公司的数字 水印插件，i b m 公司在其“数字图书馆”软件中也提供了数字水印的功能。 ( 2 ) 拷贝保护 数字产品的拷贝问题是其面临的根本问题。数字水印可以用来说明数字产品 的数据被拷贝的情况，从而控制数据能否被拷贝或限制被拷贝的次数，以此来实 北京邮电大学硕士学位论文 信息隐藏和数宇水印技术的研究 现保护。在多媒体发行系统中，数字水印可以用来禁止未被授权的用户拷贝数据。 例如，在d v d 防拷贝系统中，将数字水印嵌入d v d 数据中，d v d 播放机通过 检测数据中水印信息来判断其是否合法和能否拷贝。带有数字水印检测功能的 d v d 播放器将不允许重放或拷贝带有“禁止拷贝”水印的数据，允许拷贝带有 “一次拷贝”水印的数据，但不允许再进行二次拷贝。 ( 3 ) 盗版跟踪 盗版跟踪的目的是传输合法授权者的信息而不是数据来源者的信息，主要用 来识别数据单个发行拷贝。这很像软件的序列号，对监控和跟踪流通数据的非法 拷贝非常有用。这一类应用是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”。数字指纹一般不能避免非授权使用，但可以检f , j j t 授权的使用。 数字指纹可进行版权保护，而且是一种比较容易且有效的版权保护方法。 ( 4 ) 真伪鉴别 真伪鉴别的目的是对数据的修改进行检测，可以通过易损水印来实现，一般 是利用水印信息的完整性来证明图片的真实性。如果数码相机使用惟一固定的水 印标识，就会在它拍摄的照片中嵌入数字水印，之后对该照片的任何修改都会破 坏数字水印，使用专门的检测软件就能检测出什么地方被修改了，以此来保证图 片的真实性。目前，美国、日本以及荷兰已开始研究用于票据防伪的数字水印技 术，麻省理工学院也开始研究在彩色打印机、复印机输出的图像中加入惟一的、 不可见的数字水印。 ( j ) 保密通信 数字水印实际上是一种信息隐藏技术，它为保密通信开辟了新的思路。传统 的保密通信一直采用文件加密的思维模式，经过加密的文件杂乱无序，容易引起 攻击者的注意。而数字水印可以将信息隐藏在普通的文件中，不易引起注意，攻 击者一般很难检测到，即使检测到也要获得水印密钥才能提取出来。例如，可以 将一幅作战地图隐藏在一幅艺术作品中达到信息隐藏和保密通信的目的。 数字水印是基于信息隐藏理论的一种信息安全技术，应用前景广阔，既可以 用于版权保护、电子商务等方面，也可以用于保密通信、网络情报战、信息战等 领域。随着计算机网络技术的进一步发展，无论是在理论研究方面还是在实际应 用中，数字水印技术必然会得到更深入的研究和更快的发展。 北京邮电大学硕士学位论文 信息隐藏和数宇水印技术的研究 1 3 数字水印的研究现状 目前一个主要方向是对鲁棒水印算法的攻击和反攻击的研究，如共谋攻击、 a m b i g u i t y a t t a c k 、拷贝攻击、s e n s i t i v i t ya n d g r a d i e n t d e s c e n t a t t a c k s 相应的对策。 这些努力有益于寻求更鲁棒的水印算法。传统的误警概率和b i te r r o rr a t e 引入 到数字水印模型中，有利于衡量水印算法和具体的应用相结合。采用更精确的噪 声模型，尤其是针对量化噪声，具有很大的现实意义，因为大量的水印工作需要 结合基于量化的有损压缩。 数字水印的应用研究成为了国内外公司和学术界的焦点。大部分的工作致力 于寻求同时满足保真度、鲁棒性和经济约束的平衡点。针对几何和时间上失真的 研究，也有稳步进展，虽然没有突破性的成果，但是应用于实际很有意义。出现 了大量不同变换域的实验结果，如频域变换有l s b ，d c t ，f f t ，d w t 和 f o u r i e r m e l l i n ，还有大量的算法在m p e g 和j p e g 编码中进行，因为这可以节省 昂贵的水印解码负荷，有利于大批量的应用，如d v d 拷贝控制应用等。 1 4 本文的主要工作 本文的工作主要是对静止图象水印嵌入与提取算法的分析与研究。文中对国 际国内数字水印技术的现状与发展趋势做了研究，并研究了基于d e s 算法的空域 和d c t 域的数字水印技术。 论文主要针对l s b 水印系统的算法保密性差的特点，研究了为隐藏信息加密 的d e s 算法。另外，论文围绕着现有水印算法的鲁棒性和透明性不好，水印信息 嵌入量较少等问题在d c t 变换域展开研究。在此基础上，提出了基于d c t 中频系 数特性的水印算法，并通过一些常见的图像处理攻击实验验证了这种算法生成水 印的性能。论文中每章的具体内容如下： 第一章介绍数字水印技术产生的背景、数字水印技术的应用、数字水印技术 的现状以及本论文的主要内容。 第二章主要是对数字水印基本知识的介绍。在这一章中从水印的由来、一般 系统模型、基本原理、特点、分类与用途等方面对数字水印技术基本知识作了概 括性的总结与分析。对数字水印的嵌入、提取与检测以及相关技术进行了总结和 北京邮i 也人学碗j 学位论文 信息隐藏和数字水印技术的研究 探讨，并列举了当前几种主要水印算法的处理策略。 第三章是对d e s 加密算法基本知识的介绍。这一章中介绍了d e s 算法的产牛 的背景、算法流程分析、安全性分析，并介绍了主要函数的设计方法，最后在安 全性方面对d e s 算法做了进一步的总结和探讨。 第四章分析了空域算法中较有代表性的方法序贯法及经典的加密算法d e s 算 法，并对其进行了综合和改进，提出了一种改进的信息隐减算法并用v c + - - 6 0 实现。在该算法中引入了d e s 加密算法，对隐藏后的信息起到很好的保护作用。 实验结果表明，该算法不仅具有较好的透明性，而且具有很大的信息隐藏量，同 时算法简洁高效、易于实时处理。 第五章论述了d c t 域信息隐藏技术，将图像的像素块进行d c t 域的变换，然 后对d c t 系数进行处理，利用d c t 系数来进行信息隐藏编码。在此基础上，用图 像代替序列作为水印，并结合基于块分割的d c t 变换，对原有的基于d c t 变换的 数字水印算法作了。些改进。实验证明系统对于频域的失真具有较好的鲁棒性， 尤其是能抵抗 p e g 压缩的攻击，在图像质量严重失真的情况下，依旧可以检洲 出水印的存在。 第六章总结了全文所做的工作，并对未来的数字水印技术做出了展望。 北京邮电人学硕1 学位论文信息隐藏和数宇水印技术的研究 第二章数字水印技术研究内容 2 1 数字水印技术的基本模型 数字水印技术是通过一定的算法将一些标志性信息直接嵌到多媒体内容当 中，但不影响原内容的价值和使用，并且不能被人的知觉系统觉察或注意到。水 印信息可以是作者的序列号、公司标志、有特殊意义的文本等，可用来识别文件、 图像或音乐制品的来源、版本、原作者、拥有者、发行人、合法使用人对数字产 品的拥有权。与加密技术不同，数字水印技术并不能阻止盗版活动的发生，但它 可以判别对象是否受到保护，监视被保护数据的传播、真伪鉴别和非法拷贝、解 决版权纠纷并为法庭提供证据。 为了给攻击者增加去除水印的难度，目前大多数水印制作方案都采用密码学 中的加密( 包括公开密钥、私有密钥) 体系来加强，在水印的嵌入、提取时采用一 种密钥，甚至几种密钥联合使用。水印的嵌入和提取方法如图2l ，图22 所示。 水印( w ) 一 多媒体信息c j j 公开，私有密钥t i t i 图2 1通用数字水印嵌入方法 水印l w ) 与或 原始信息i ) 水印信息i - ) 公开私有密钥 五 水印信息1 图2 - 2 通用数字水印提取方法 水印 取 存在性 北京邮电大学硕士学位论文信息隐藏和数宇水印技术的研究 2 2 数字水印的基本特征 数字水印过程就是向被保护的数字对象( 如静止图像、视频、音频等) 嵌入 某些能证明版权归属或跟踪侵权行为的信息，可以是作者的序列号、公司标志、 有意义的文本等等。一般地，数字水印应有如下的几个基本特征【2 ： ( 1 ) 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( 如注册的用户 号码、产品标志或有意义的文字等) 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。这实际上是发展水印技术的基本动力，虽然从目前的 文献来看，对其研究相对少一些。就目前已经出现的很多算法而言，攻击者完全 可以破坏掉图像中的水印，或复制出一个理论上存在的“原始图像”，这导致文 件所有者不能令人信服地提供版权归属的有效证据。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，在这方面还需要做很多工作。 ( 2 ) 不可感知性：不可感知包含两方面的意思，一个指视觉上的不可见性， 即因嵌入水印导致图像的变化对观察者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。 ( 3 ) 鲁棒性：鲁棒性问题对水印而言极为重要。鲁棒性是一个技术术语，简 单而言，就是指一个数字水印应该能够承受大量的、不同的物理和几何失真，包 括有意的( 如恶意攻击) 或无意的( 如图像压缩、扫描与复印、噪声污染、尺寸 变化等等) 。在经过这些操作后，鲁棒的水印算法应仍能从水印图像中提取出嵌 入的水印或证明水印的存在。如果不掌握水印的所有有关知识，数据产品的版权 保护标志就很难被伪造。若攻击者试图删除水印则将导致产品的彻底破坏。 2 3 数字水印的分类1 3 数字水印技术可以从不同的角度进行划分。按水印的特性可以将数字水印分 为鲁棒数字水印和脆弱数字水印两类。鲁棒数字水印主要用于在数字作品中标识 北京邮电人学硕j 学位论文信息隐藏和数字水印技术的研究 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。 图2 - 3 信息隐藏技术的分类 ( 1 ) 按特性划分 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、文本水印以及用于三维网格模型的网格水印等。随着数字技术的发展， 会有更多种类的数字媒体出现，同时也会产生相应的水印技术。 ( 2 ) 按水印所附载的媒体划分 按水印的检测过程可以将数字水印划分为明文水印和盲水印。明文水印在检 测过程中需要原始数据，而盲水印的检测只需要密钥，不需要原始数据。一般来 说，明文水印的鲁棒性比较强，但其应用受到存储成本的限制。目前学术界研究 的数字水印大多数是盲水印。 ( 3 ) 按检测过程划分 按数字水印的内容可以将水印划分为有意义水印和无意义水印。有意义水印 是指水印本身也是某个数字图像( 如商标图像) 或数字音频片段的编码；无意义 北京邮电大学硕士学位论文信息隐藏和数字水印技术的研究 水印则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他 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 于无意义水印来说，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。 ( 4 ) 按内容划分 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、篡改提示水印和隐蔽标识水印。 ( 5 ) 按用途划分 票据防伪水印是类比较特殊的水印，主要用于打印票据和电子票据的防 伪。一般来说，伪币的制造者不可能对票据图像进行过多的修改，所以，诸如尺 度变换等信号编辑操作是不用考虑的。但另一方面，人们必须考虑票据破损、图 案模糊等情形，而且考虑到快速检测的要求，用于票据防伪的数字水印算法不能 太复杂。版权标识水印是目前研究最多的一类数字水印。数字作品既是商品又是 知识作品，这种双重性决定了版权标识水印主要强调隐蔽性和鲁棒性，而对数据 量的要求相对较小。篡改提示水印是一种脆弱水印，其目的是标识宿主信号的完 整性和真实性。隐蔽标识水印的目的是将保密数据的重要标注隐藏起来，限制非 法用户对保密数据的使用。 ( 6 ) 按水印隐藏的位置划分 按数字水印的隐藏位置，我们可以将其划分为时( 空) 域数字水印、频域数 字水印、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e p n 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。 2 4 数字水印技术的主要算法4 】 2 4 1 空域算法 该类算法中典型的水印算法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 9 北京邮电火学硕士学位论文 信息隐藏和数字水印技术的研究 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。另外一个常用方法是利用像素的统计特征将信息 嵌入像素的亮度值中。 2 4 2p a t c h w o r k 算法 该方法是随机选择n 对像素点( d ，b ，) ，然后将每个a ，点的亮度值加1 每个 b 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j p e g 压缩、f i r 滤波以及图像裁剪有一定的抵抗力，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。 2 4 。3 变换域算法 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 m c o m m u n i c a t i o n ) 技术。算法实现过程为：先计算图像的离散余弦变换( d c t ) ，然 后将水印叠加到d c t 域中幅值最大的前k 系数上( 不包括直流分量) ，通常为图像 的低频分量。若d c t 系数的前k 个最大分量表示为d = d ，) ，( i = l ，2 ，k ) ，水印 是服从高斯分布的随机实数序列w - w ) ，( i = l ，2 ，k ) 那么水印的嵌入算法为 d 。= 一( 1 + a ) ，其中常数口为尺度因子，控制水印添加的强度。然后用新的系 数做反变换得到水印图像i 。 解码函数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，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。 一个简单改进是不将水印嵌入到d c t 域的低频分量上，而是嵌入到中频分量 上以调节水印的顽健性与不可见性之间的矛盾。 另外，还可以将图象的空间域数据通过离散傅里叶变换( d f t ) 或离散小波变 换( d w t ) 转化为相应的频域系数。傅立叶变换是重要的应用工具之一( 公式21 ， 0 北京邮电大学硕士学位论文 信息隐藏和数字水印技术的研究 22 ) ， f ( 国) = ，o 弘一”出( 2 - 1 ) 巾) = 去矿如( 2 - 2 ) 小波分析是傅立叶分析思想方法的发展与延拓。它既继承和发展了短时傅立 叶变换的局部化思想，同时又克服了窗口大小不随频率变化的缺点，是进行信号 时频分析，处理时变非稳态信号的比较理想的工具。设矿( ，) e r ( r ) ，其傅立叶 变换为y ( 国) ，当y ) 满足条件： q = 眢2 虮o 。 p 。， 时，称为一个基本小波或母小波函数。连续小波变换的定义为： ( 邮) = 朋圪f ( f ) 加( 2 - 4 ) 邝) = 1 a - 2 w ( ) 妒o ) d a d r ( 2 - 5 ) 其次，根据待隐藏的信息类型，对其进行适当编码或变形；再次，根据隐藏 信息量的大小和其相应的安全目标，选择某些类型的频域系数序列( 如高频或中 频或低频) 。再次，确定某种规则或算法，用待隐藏的信息的相应数据去修改前 面选定的频域系数序列。最后，将图象的频域系数经相应的反变换转化为空间域 数据。该类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。 2 4 4 压缩域算法 基于j p e g 、m p e g 标准的压缩域数字水印系统不仅节省了大量的完全解码和 重新编码过程，而且在数字电视广播及v o d ( v i d e oo nd e m a n d ) 中有很大的实 用价值。相应地，水印检测与提取也可直接在压缩域数据中进行。 虽然m p e g 一2 数据流语法允许把用户数据加到数据流中，但是这种方案并不 适合数字水印技术，因为用户数据可以简单地从数据流中去掉，同时，在m p e g 一2 编码视频数据流中增加用户数据会加大位率，使之不适于固定带宽的应用，所以 北京邮电大学硕l 学位论文信息踌藏和数字水印技术的研究 关键是如何把水印信号加到数据信号中，即加入到表示视频帧的数据流中。对于 输入的m p e g2 数据流而言，它可分为数据头信息、运动向量( 用于运动补偿) 和 d c t 编码信号块3 部分，在方案中只有m p e g 一2 数据流最后一部分数据被改变， 其原理是，首先对d c t 编码数据块中每一输入的h u f f m a n 码进行解码和逆量化， 以得到当前数据块的一个d c t 系数；其次，把相应水印信号块的变换系数与之相 加，从而得到水印叠加的d c t 系数，再重新进行量化和h u f f m a n 编码，最后对新 的h u f f m a n 码字的位数n 1 与原来的无水印系数的码字n 0 进行比较，只在n 1 不 大于n o 的时候，才能传输水印码字，否则传输原码字，这就保证了不增加视频 数据流位率。该方法有一个问题值得考虑，即水印信号的引入是一种引起降质的 误差信号，而基于运动补偿的编码方案会将一个误差扩散和累积起来，为解决此 问题，该算法采取了漂移补偿的方案来抵消因水印信号的引入所引起的视觉变 形。 2 4 5 n e c 算法 该算法由n e c 实验室的c o x 等人提出，该算法在数字水印算法中占有重要地 位，其实现方法是，首先以密钥为种子来产生伪随机序列，该序列具有高斯n ( o ，1 ) 分布，密钥一般由作者的标识码和图象的哈希值组成，其次对图象做d c t 变换， 最后用伪随机高斯序列来调制( 叠加) 该图象除直流( d c ) 分量外的1 0 0 0 个最大的 d c t 系数。该算法具有较强的鲁棒性、安全性、透明性等。由于采用特殊的密钥， 因此可防止i b m 攻击，而且该算法还提出了增强水印鲁棒性和抗攻击算法的重要 原则，即水印信号应该嵌入源数据中对人感觉最重要的部分，这种水印信号由独 立同分布随机实数序列构成，且该实数序列应该具有高斯分布n ( o ，1 ) 的特征 2 4 6 生理模型算法 人的生理模型包括人类视觉系统h v s ( h u m a nv i s u a ls y s t e m ) 和人类听觉系统 h a s 。该模型不仅被多媒体数据压缩系统利用，同样可以供数字水印系统利用。 利用从视觉模型导出的j n d ( j u s t n o t i c e a b l ed i f f e r e n c e ) 描述来确定在图象的各个 部分所能容忍的数字水印信号的最大强度，从而能避免破坏视觉质量。也就是说， 利用视觉模型来确定与图象相关的调制掩膜，然后再利用其来插入水印。这一方 北京邮电大学硕士学位论文信息隐藏和数字水印技术的研究 法同时具有好的透明性和强健性。 2 5 数字水印的鲁棒性攻击及评测 2 5 1 对水印的主动攻击 水印攻击与密码攻击一样，包括主动攻击和被动攻击。主动攻击的目的并不 是破解数字水印，而是篡改或破坏水印，使合法用户也不能读取水印信息。而被 动攻击则试图破解数字水印算法。相比之下，被动攻击的难度要大得多，但一旦 成功，则所有经该水印算法加密的数据全都失去了安全性。 主动攻击的危害虽然不如被动攻击的危害大，但其攻击方法往往十分简单， 易于广泛传播。无论是密码学还是数字水印，主动攻击都是一个令人头疼的问题。 对于数字水印来说，绝大多数攻击属于主动攻击。 主动攻击并不等于肆意破坏。以版权保护水印为例，如果将嵌入了水印的数 字艺术品弄得面目全非，对攻击者也没有好处，因为遭受破坏的艺术品是无法销 售的。对于票据防伪水印来说，过度损害数据的质量是没有意义的。真正的主动 水印攻击应该是在不过多影响数据质量的前提下，除去数字水印。密码攻击一般 分为唯密文攻击( c i p h e r t e x to n l ya t t a c k ) 、选择明文攻击( c h o s e np l a i n t e x ta t t a c k ) 和 己知明文攻击( k n o w n p l a i n t e x ta t t a c k ) 。参照密码学的概念，可以定义水印攻击的 几种情形【5 = ( 1 ) 唯密写攻击 唯密写攻击，是指攻击者只得到了含有水印的数据，并不了解水印的内容， 这是最常见的情形。已知掩蔽信息攻击( k n o wc o v e ra t t a c k ) 。 ( 2 ) 已知掩蔽信息攻击 已知掩蔽信息攻击是指攻击者不仅得到了含有水印的数据，而且还得到了不 含有水印的原始数据，这显然是攻击者所希望的。 ( 3 ) 己知水印攻击 已知水印攻击，有些攻击者为了破解水印，常常冒充合法使用者，得到一些 己知水印内容的数据，然后分析水印隐藏的位置。这种攻击与密码学中的已知明 文攻击非常相似。 1 3 北京邮电人学硕上学位论文信息隐藏和数字水印技术的研究 ( 4 ) 选择密写攻击 选择密写攻击，如果攻击者得到了水印嵌入软件，就可以尝试在媒体数据中 嵌入各种信息，从而构成选择密写攻击，这是一种最有希望破解数字水印算法的 攻击。 如前所述，破解数字水印算法十分困难，在实际应用中，水印主要面临的是 主动攻击。各种类型的数字水印算法都有自己的弱点，例如，时域扩频隐藏对同 步性的要求严格，破坏其同步性( 如数据内插) ，就可以使水印检测器失效。 2s 2 典型的主动水印攻击方法 ( 1 ) 多拷贝平均对同一幅作品的多个发行版本进行数值平均，利用水印的 随机性去除水印。 ( 2 ) 各种线性滤波针对频域水印算法，可以构造具有特定频率特性的线性 滤波器，攻击频域上隐藏的水印信息。 ( 3 ) 几何变形攻击通过轻微的几何变形，可以破坏数据的同步性，同时也 不过分影响数据质量，但却对许多直扩序列调制类的数字水印算法构成了威胁。 ( 4 ) 非线性滤波中值滤波或其他各种顺序统计滤波既可以改变信号的频域 特性，又可以破坏同步性，是一种复合攻击。 ( 5 ) 拼接攻击拼接攻击是将含有水印的数字作品分割成若干小块，形成若 干独立的文件，然后在网页上拼接起来。由于各种数字水印算法都有一定的解码 空间，只靠少量的数据无法读取水印，所以很难抵御拼接攻击。 ( 6 ) - - 次或多次水印攻击攻击者使用自己的算法在数字作品中加入水印， 即使这种操作不能破坏真j _ f 的水印，也会造成水印标识的混乱，从而给司法鉴定 带来困难。 2 6 数字水印的评价标准 算法设计的不同使得图像水印质量也各不相同，因此有必要建立一套能客 观、正确、统一地测评水印质量的标准7 1 。 通常攻击测评包括： 北京邮电人学硕士学位论文信息隐藏和数字水印技术的研究 ( 1 ) 图像的压缩 图像压缩算法是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，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清掉。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) 应该无法删掉图像中的水印。 ( 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、 直方图修正与均衡，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、删除或增加固像线条以及反射等。 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。 对水印可感知性进行评估可以通过主观测试或者质量度量来衡量。当使用主 观测试是，挑选的测试人员基于一个统一的协议( 譬如i t u rr e c 5 0 0 质量等级级 别) 将待测数据按照从最好到最坏的次序排列。主观测试对最终的质量评价和测 试是有使用价值的，但在研究和开发情况下并不实用。 在这种情况下，量化失真的度量也就更加有效，并且也使不同方法间的比较 趋于合理，因为其结果不依赖于主观评定。一般采用的度量标准是信噪比( s n r ) 和峰值信噪比( p s n r ) ： 信噪邮喊册= l o l o g l o 百0 - 2 ( 2 - 6 ) n 2m a x l 2 ( x ，y ) 峰值信噪帅5 “8 ：脚= 1 0 1 0 9 l 。面万x , y 丽 2 _ 7 式( 2 7 ) 中l ( x ，j ，) 为原始图像，w ( z ，y ) 为恢复图像，m a x l 2 ( z ，y ) 为原始图像 北京邮电大学硕士学位论文 信息隐藏和数宇水印技术的研究 总行数和总列数的乘积，n 取2 5 5 。 相似微跏= 丽w * w。渤= 焉 ( 2 _ 8 ) , r v w w + w o ”+ ” 归一化相关系数( n c ) ： 肥( 形，) m 1m 1 f w ( i ，j ) w ( i ，) i = 1 i = 1 蘼万和 ( 2 9 ) 和表示两幅不同的图像( m 14 m 1 ) 和( 2 + m 2 ) ，w ( i ) 和 w s ( i ，1 分别表示图像某点的像素值。 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 联合多种攻击方法进行攻击则无能为力。 2 7m a t l a b 在数字水印研究中的应用 m a t l a b 是当前十分流行的工程设计和系统仿真软件包。它是m a t h w o r k s 公司 于1 9 8 2 年推出的一套高性能的数值计算和可视化软件，它集数值分析、矩阵运算、 信号处理和图形显示于一体，构成了一人方便的、界面友好的用户环境。 m a t l a b 强大的扩展功能为各个领域的应用提供了基础。由各个专家学者相继 推出t m a t l a b 具箱，其中的信号处理( s i g n a lp r o c e s s i n g ) 、控制系统( c o n t r o l s y s t e m ) 、神经网络( n e u r a ln e t w o r k ) 、图像处理( i m a g ep r o c e s s i n g ) ，鲁棒控制 ( r o b u s tc o n t r 0 1 ) 、非线性系统控制设计( n o n l i n e a rs y s t e mc o n t r o ld e s i g n ) 、系统辨 识( s y s t e mi d e n t i f i c a t i o n ) 、最优化( o p t i m i z a t i o n ) 、模糊逻辑( f u z z yl o g i c ) 、小波 ( w a v e l e t ) 、通信( c o m m u n i c a t i o n ) 、统计( s t a t i s t i c s ) 等工具箱，这些