（通信与信息系统专业论文）基于频域的图像数字水印研究.pdf

孑 ： 铬 二 一 -， j 北京邮i u 人学颂h 学位论义 綦十频域的图像数，水日删f 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 本人签名： 处，本人承担一切相关责任。 日期：型：- 三二f 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年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位 本人签名： 导师签名： 适用本授权书。 日期：丝! ：至：! f 日期：兰! f 竺：主：ff 纛， 一l。 北京邮电大学硕十学位论文 基于频域的图像数字水印研究 基于频域的图像数字水印研究 摘要 随着计算机网络的开放性、共享性以及互联程度的日益扩大， i n t e r n e t 如今得到了飞速的发展和广泛的应用。数字水印技术是信息 隐藏技术在多媒体领域的一个重要的应用，也是信息隐藏技术研究领 域的一个重要分支，它作为一种新型的信息隐藏技术受到了越来越多 的重视，已经成为了多媒体信息安全领域的研究热点。 本文的主要内容为： 1 研究数字水印的概念、基本分类、水印嵌入及提取模型、常用 的数字水印算法，并对基于频域的数字水印技术作了深入介绍。 2 从提高数字水印的不可见性和鲁棒性出发，深入研究人眼的视 觉频率响应特性，运用人眼h v s 特性确定d c t 域数字水印嵌入位置， 实现基于d c t 域的数字水印算法，并进行实验仿真，通过分析图像 在常见信号处理、可能性攻击的检测下，证明d c t 域数字水印算法 的实用性。 3 基于扩频码原理，利用码分多址通信系统中采用的正交码调制 技术，用正交码编码调制待隐藏的水印信息，并通过实验证明基于扩 频码的d c t 域数字水印算法有良好的实用性。 关键字：数字水印；人眼视觉系统；离散余弦变换；扩频码 i i i 北京邮电大学硕士学位论文 基于频域的图像数7 水印研究 i v 曩； 匕。，叶0。崞 r e s e a r c ho fd 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 yb a s e do n f r e q u e n c yd o m a i n a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rn e t w o r k , n o w d a y s , i n t e m e t l s d e v e l o p i n gr a p i d l ya n db e i n ga p p l i c a t e dw i d e l y d 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 y 1 s o n eo ft h em o s ti m p o r t a n ta p p l i c a t i o no fi n f o r m a t i o nh i d i n gt e c h n o l o g y , a n di ti so n e o ft h em o s ti m p o r t a n tb r a n c h e s o fi n f o r m a t i o nh i d i n gt e c h n o l o g y n o w , i t h a s b e c o m i n gt h eh o ts p o t so f m u l t i m e d i ai n f o r m a t i o ns e c u r i t yf i e l d i nt h i sp a p e r , t h em a i nw o r ki sa sf o l l o w s ： 1 w em a k et h ea n a l y s i so ft h eb a s i ck n o w l e d g eo fd i s t i lw a t e r m a r k i n g t e c h n o l o g yf r o mi t sb a s i cc h a r a c t e r , s o r t , c o m m o nm o d e l ，m a i na p p l i c a t i o nf i e l da n d s du 1 1 2 i nt h ep a p e r , b a s e do nd i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r mo nd i 醇a lw a t e r m a r k i n ga r e 丘i l i s h e d f i r s t l y , w ed e e p l ys t u d y t h ec h a r a c t e r o fh u m a nv i s u a lf r e q u e n c y r e s p o n s e ，c h o o s e p r o p e r l o c a t i o n s i nd c t p a r a m e t e r s f o r e m b e d d i n g w a t e r m a r k i n g ，a n dt h e nt h ed e s i g np r i n c i p l e sa r es i m u l a t e da n d t h ep e r f o r m a n c e sa r e v a l i d a t e dt h r o u g hs o m ec o m m o na t t a c ke x p e r m e n t so fi m a g e s t h ee x p e r i m e n tr ，e s u l t s s h o wt h a ti ti sv e r yp r a c t i c a l 3 b a s e do np r i n c i p l e so fs p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o n , u s i n go r t h o g o n a l c o d em u d u l a t i o nt e c h n i q u ei no r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n gs y s t e m ，w e u s eo r t h o g o n a lc o d e st oh i d ew a t e r m a r ki n f o r m a t i o n t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w t h a ti ti sv e r yp r a c t i c a l k e yw o r d s ：w a t e r m a r k i n g ；h u m a n v i s u a ls y s t e m ；d i s c r e t ec o s i n e t r a n s f o r m ；o r t h o g o n a lc o d e v 北京邮电大学顾：卜学位论文基于频域的图像数水印研究 v i 声 北京邮电人学硕士学位论文 基于频域的图像数字水印研究 目录 第一章绪论1 1 1 引言一l 1 2 数字水印的背景1 1 3 数字水印的研究领域及意义3 1 4 数字水印的发展现状及发展趋势4 1 5 本文主要工作6 第二章数字水印的理论及内容一7 2 1 数字水印的分类7 2 1 1 按照数字水印嵌入以后的表现形式划分一7 2 1 2 按照数字水印的鲁棒性划分7 2 1 3 按照数字水印的检测过程划分。7 2 1 4 按照宿主信息类型划分8 2 1 5 按照水印嵌入的位置划分8 2 1 6 按照水印的内容划分8 2 2 数字水印基本模型8 2 2 1 数字水印嵌入模型8 2 2 2 数字水印提取模型。9 2 2 3 按照水印的内容划分10 2 3 图像数字水印常见算法1 0 2 t 3 1 空域图像水印算法1 0 2 3 2 频域图像水印算法1 1 2 3 3 压缩域算法12 2 3 4 网格水印算法1 2 2 3 5 n e c 算法12 2 3 6 生理模型算法1 2 2 4 数字水印的攻击方法1 3 2 4 1 鲁棒性攻击13 2 4 2 模糊攻击l3 2 4 3 s t i r m a r k 攻击1 4 2 4 4 马赛克攻击1 4 2 4 5 跳跃攻击1 4 2 4 6 解释攻击15 2 4 7 表示攻击l5 2 4 8 法律攻击15 第三章基于d c t 系数的数字水印研究1 6 3 1 离散余弦变换1 6 3 2 j p e g 压缩编码18 3 3 d c t 域水印嵌入方法2 0 v l i 北京邮电大学硕：f ：学位论文 基于频域的图像数j 水e l j _ i i ) f 究 3 4 d c t 域水印提取方法2 2 第四章d c t 频域数字水印的实现2 3 4 1 人眼视觉频率响应及d c t 变换系数的选取2 3 4 2 载体图像及水印图像2 7 4 3 水印图像预处理2 8 4 4 水印信息的嵌入2 8 4 5 数字水印的提取2 9 4 6 实验结果3 0 4 6 1 数字水印的评价标准3 0 4 6 2 数字水印的嵌入及提取。3 l 4 6 3 水印算法攻击检测3 5 第五章基于扩频码的d c t 频域数字水印3 9 5 1 数字水印的通信模型3 9 5 2 扩频通信理论4 0 5 3 基于扩频码的d c t 频域数字水印嵌入与提取4 3 5 3 1 数字水印嵌入过程4 3 5 3 2 数字水印提取过程4 3 5 4 实验结果4 4 5 5 实验结论4 6 第六章总结与展望4 8 6 1 总结4 8 6 2 研究展望4 8 参考文献4 9 致谢5l 攻读学位期间发表的学术论文5 2 v i i i 北京邮电大学硕士学位论文基于频域的图像数字水印研究 1 1 引言 第一章绪论 随着计算机网络的开放性、共享性以及互联程度的日益增大，i n t e r a c t 如今 得到了飞速的发展和广泛的应用，如网络银行、网上证券、电子商务、电子政务、 网络教育等。网络的重要性及其对社会的影响也越来越明显，与此同时，网络的 安全保密问题也同益严重。如网上信息被泄露、篡改和假冒，黑客入侵，计算机 犯罪，病毒蔓延和不良信息传播等对网络的信息安全造成了严重地危害。针对此 类日益严峻的版权保护问题，信息隐藏技术以其独特的优势，首先引起了全世界 的广泛关注1 2 j 。 信息隐藏( i n f o r m a t i o nh i d i n g ) 不同于传统的密码学技术，信息隐藏和信息 加密都是为了保护秘密信息的存储和传输，使之避免破坏和攻击。但是二者之间 又有着明显的差别，信息隐藏主要研究如何将某一机密信息秘密的隐藏于另一公 开信息中，通过对公开信息的传输来传送秘密信息，拦截者难以从公开信息中判 断秘密信息的存在性，从而保证秘密信息的安全性；而密码学技术主要研究如何 将秘密信息进行特殊编码，从而形成不可识别的密码形式进行传输，拦截者很容 易发现秘密信息的存在，进而对其进行破译或损坏，破坏秘密信息的安全性。 在信息隐藏领域中，称待隐藏的信息为秘密信息；称公开信息为宿主信息或 载体信息；称隐藏有秘密信息的载体信息为隐蔽载体。信息隐藏过程一般由密钥 控制，通过嵌入算法将秘密信息隐藏于公开信息中，隐蔽载体通过信道进行传送， 到达接收端后检测器利用密钥从隐蔽载体中恢复或检测出秘密信息。信息隐藏技 术主要由两部分构成：信息嵌入算法和隐蔽信息检n 提取算法。 1 2 数字水印的背景 对水印技术研究兴趣的突然增长很可能源于人们对版权问题的关注。近年 来，随着计算机多媒体技术的迅猛发展，人们可以方便地利用数字设备制作、处 理和存储图像、语音、文本和视频等信息媒体。与此同时，数字网络通信正在飞 速发展，使得信息的发布和传输实现了“数字化”和“网络化”。在模拟时代，人们 把磁带作为记录设备，盗版拷贝通常要比原始拷贝的质量低，而盗版拷贝的二次 拷贝的质量更糟糕。而在数字时代，歌曲或电影的数字拷贝过程完全不损失作品 北京邮电人学硕l ：学位论文基十频域的图像数字水印研究 质量。自从1 9 9 3 年1 1 月i n t e m e t 上出现了m o s a i c 网页浏览器，i n t e r n e t 对用户 变得友好了起来，很快人们便开始乐于从i n t e r n e t 上下载图片、音乐和视频。对 数字媒体而言，i n t e m e t 成了最出色的分发系统，因为它不但便宜，而且不需要 仓库存储，又能实时发送【i 】。因此，数字媒体很容易借助i n t e m e t 或c d r o m 被 复制、处理、传播和公开。这样就引发出数字信息传输的安全问题和数字产品的 版权保护问题。如何在网络环境中实施有效的版权保护和信息安全手段，已经引 起了国际学术界、企业界以及政府有关部门的广泛关注。其中，如何防止数字产 品被侵权、盗版和随意篡改，已经成为世界各国正在解决的热门课题。 数字产品的实际发布机制的详细描述是相当复杂的，它包括原始作者、编辑、 多媒体集成者、重销者和国家官方等。版权所有者通过网络发布数字产品，消费 者可以通过网络接收到数字产品。然而未被授权的数字产品供应者可以在网络上 发送数字产品或者有意破坏原始产品。盗版者对数字多媒体产品的非法操作行为 通常包括以下情况： ( 1 ) 非法访问，即未经版权所有者的允许从某个网站中非法复制或翻印数字产 品。 ( 2 ) 故意篡改，即盗版者恶意地修改数字产品以抽取或插入特征并进行重新发 送，从而使原始产品的版权信息丢失。 ( 3 ) 版权破坏，即盗版者收到数字产品后未经版权所有者的允许将其转卖。 为了解决信息安全和版权保护问题，数字所有者首先想到的是加密和数字签 名等技术。基于私用或公共密钥的加密技术可以来控制数据访问，它将明文消息 变换成旁人无法理解的密文消息。加密后的产品时可以访问的，但只有那些具有 正确密钥的人才能解密。除此之外，可以通过设置密码，使得数据在传输时变得 不可读，从而可以为处于从发送到接受过程中的数据提供有效的保护。数字签名 是用“0 ”、“l ”字符串来代替书写签名或印章，起到书写签名或印章同样的法律作 用。它可以分为通用签名和仲裁签名两种方式。数字签名技术已经用于检验短数 字信息的真实可靠性，并已形成了数字签名标准。它通过使用私用密钥，对每个 消息进行签名，而公共的检测算法用来检查消息的内容是否符合相应的签名。但 这种数字签名在数字图像、视频或音频中的应用并不方便也不实际，因为在原始 数据中需要加入大量的签名。另外，随着电脑软硬件技术的迅速发展以及基于网 络的具有并行计算能力的破解技术的日渐成熟，这些传统系统的安全性已经受到 质疑。单靠通过密钥增加长度以增强保密系统的可靠性已不再是唯一可行的办 法，而且只有被授权持有密钥的人才可获得经过加密后的消息，这样就无法通过 公共系统让更多的人获得他们所需要的信息。同时，一旦信息被非法破密，就没 有任何直接证据来证明信息被非法复制和转发。再者，对于少数人来说，加密具 2 北京邮电大学硕士学位论文基于频域的图像数字水印研究 有挑战性，因为人们很难防止一个加密文件在解密时被“剪掉”。因此，需要寻求 一种不同于传统技术的更加有效的手段，来保障数字信息的安全传输和保护数字 产品的版权。 为了弥补密码技术的缺陷，人们开始寻找另一种技术来对加密技术进行补 充，从而使解密后的内容仍能受到保护。数字水印技术有希望成为这样一种补充 技术，因为他在数字水印产品中嵌入的信息不会被常规处理操作去除。数字水印 技术一方面弥补了密码技术的缺陷，因为它可以为解密后的数据提供进一步的保 护；另一方面，数字水印技术也弥补了数字签名技术的缺陷，因为它可以在原始 数据中一次性嵌入大量的秘密信息。人们可设计某种水印，它在解密、再加密、 压缩、数模转化以及文件格式变化等操作下保持完好。数字水印技术主要用于拷 贝控制和版权保护。在拷贝控制应用中，水印技术可通过软件或硬件指出当前的 拷贝行为是被禁止的。在版权保护应用中，水印可用来标识版权所有者，保证版 税的合理支付i l j 。 数字水印技术是信息隐藏技术在多媒体领域的一个重要的应用，也是信息隐 藏技术研究领域的一个重要分支，它作为一种新型的信息隐藏技术受到了越来越 多的重视，已经成为了多媒体信息安全领域的研究热点。数字水印的概念最早出 现在1 9 9 4 年的图像处理会议( i c i p 9 4 ) 上【2 】，v a ns c h y n d d 在会议上发表了题 为“a d 域t a lw a t e r m a r k ”的论文，它是第一篇在国际会议上发表的关于数字水印的 论文。数字水印技术的研究是在2 0 世纪9 0 年代受到重视并蓬勃发展起来的，它 的提出是为了保护版权。 数字水印，是指以可感知或不可感知的形式嵌入到数字多媒体产品( 文本、 音频、视频、图形和图像等) 中、用于版权保护、内容检验或提供其他信息的信 号。水印与宿主信息( 如图像、音频、视频、文本等) 紧密结合并隐藏其中，成 为宿主信息不可分离的一部分，并可以经历一些不破坏宿主信息使用价值或商用 价值的操作而存活下来。 随着经济的发展、i n t e r n e t 的普及，由于数字水印技术是实现版权保护的有 效手段，它发挥了越来越重要的作用，并将具有更加广阔的发展空间和应用前景。 1 3 数字水印的研究领域及意义 在现实生活中，以下几个引起普遍关注的问题构成了数字水印的研究背景： ( 1 ) 数字作品的知识产权保护 数字作品( 如电脑美术、扫描图像、数字音乐、视频、三维动画) 的版权保 护是当前的热点问题，面对数字作品的版权保护可能是水印最主要的应用3 1 1 。 北京邮电人学硕l 学位论文 慕十频域的图像数! ，水e i j i ) f 究 由于数字作品的拷贝、修改非常容易，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 的标志很容易被修改。 应用数字水印技术，可以辨认媒体所有权信息、媒体合法用户信息。数字作 品包括数字图像、图形、音乐、视频、计算机软件等。数字作品的所有者可用密 钥产生一个水印，并将其嵌入原始数据，然后公开发布他的水印版本作品。数字 水印永久的和多媒体数据结合在一起。当该作品被盗版或出现版权纠纷时，所有 者即可从盗版作品中获取水印信号作为依据，从而保护所有者的权益。对这种应 用领域来说，水印技术必须具有较好的鲁棒性、安全性、透明性和水印嵌入的不 可逆性。数字水印利用数据隐藏原理，使版权标识不可见或不可听，既不损害原 作品，又达到了版权保护的目的。 ( 2 ) 商务交易中的票据防伪 随着高质量图像输入输出设备的发展，特别是高精度彩色喷墨、感光打印机 和高精度彩色复印机的出现，使得货币、支票以及其他印刷品的伪造变得很容易。 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，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，它彻底更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。作为识别标志的水印以视觉不可见的形 式隐藏在印刷品中，只有通过计算机软件或特定的检测设备才可识别。数字水印 的嵌入和嵌入的内容具有随机性，这样的随机性和变化特征使伪造者难以伪造。 数字水印可以为各种印刷品提供不可见的认证标志，从而大大增加了伪造的难度 2 - 6 o ( 3 ) 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有保密价值，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 提供了一种隐藏标志的方法，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。 数据的篡改提示也是一种重要的工作。现有的信号拼接和镶嵌技术可以做到 对重要数据的篡改而不为人知。因此，如何防范对图像、录音、录像数据的篡改 攻击是重要的研究课题。基于数字水印的篡改提示是解决这一问题的理想技术途 径，通过隐藏水印的状态可以判断声像信号是否被篡改。 1 4 数字水印的发展现状及发展趋势 自数字水印这一概念出现以来，关于信息隐藏与数字水印的文章r 渐增多， 4 一 一 a 北京邮电大学硕十学位论文基于频域的图像数声水印研究 1 9 9 8 年以来，( ( i e e e 图像处理、( ( i e e e 会报、( ( i e e e 通信选题等许多国际重 要期刊也都组织了数字水印的技术专刊或专题新闻报道。 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。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。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、北京邮电大学、国防科技大学、清华大学、北方工业大学、 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。从这次会议反应的情况上看，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【2 击匕 然而，由于数字水印技术出现的时间并不是很长，虽然一定化已经得到应用， 但是由于发展时间短，产品的用户对于数字水印技术接受程度有限。但随着信息 化成都的提高，信息隐藏和数字水印技术将会拥有更加深入的研究和发展。 当前，数字水印技术呈现出面向i n t e m e t 多种技术继承的发展趋势。可能的 发展方向主要有： ( 1 ) 结合智能体技术，开发水印a g e n t 和自动化追踪版权标志。 ( 2 ) 成立水印认证中心，提供各种网上服务。 ( 3 ) 发展基于数字水印技术的电子商务系统，提供完整的安全与版权保护机 制。 ( 4 ) 提供基于流技术的数字水印产品。 ( 5 ) 与传统的密码技术，尤其是数字签名技术相结合，构造综合的数据安全系 统。 ( 6 ) 使用生物特征，如指纹、视网膜构造专人标识水印。 ( 7 ) 水印验证的可视化技术。 ( 8 ) 与印刷、打印技术的结合。 北京邮电人学硕l ：学位论文基十频域的图像数，水印研究 ( 9 ) 水印与信源、信道编码技术的结合。 ( 1 0 ) 建立公钥数字水印系统。所有者使用一个私有密钥嵌入水印，其他任何 人都可通过一个公开的密钥来检测水印信号。 ( 1 1 ) 基于内容的数字水印系统。与目前的压缩编码研究方向和进展一致，建 立基于内容特征的水印系统，采用内容特征的水印算法比基于统计特征的水印算 法抗攻击能力更好。 1 5 本文主要工作 本文的主要分析了频域域数字水印算法的嵌入与提取算法，重点研究了基于 d c t 域的数字水印算法。从提高数字水印的不可见性和鲁棒性出发，深入研究 人眼的视觉频率响应特性，运用人眼h v s 特性确定d c t 域数字水印嵌入位置， 实现基于d c t 域的数字水印算法，并基于扩频码原理，利用码分多址通信系统 中采用的正交码调制技术，用正交码编码调制待隐藏的水印信息，实现基于扩频 码的d c t 域数字水印算法。论文中的每章的具体内容如下： 第一章介绍数字水印技术的背景、研究领域、发展前景及发展趋势。 第二章介绍了数字水印的理论及具体内容及数字水印的嵌入、提取、检测的 模型，并重点介绍常用的数字水印算法。最后介绍了数字水印的攻击方法和评价 标准。 第三章介绍基于d c t 系数的数字水印研究，包括离散余弦变换及j p e g 压缩 编码，d c t 数字水印的嵌入算法和提取算法。 第四章介绍具体d c t 域数字水印算法实现，包括根据人眼视觉频率响应及 水印嵌入位置选取方法，并用仿真工具具体实现算法。实验证明算法具有良好的 鲁棒性，可抵抗常见的图像攻击。 第五章基于扩频码原理，利用码分多址通信系统中采用的正交码调制技术， 实现基于扩频码的d c t 域数字水印算法。 第六章总结了全文所做的工作。 6 ， 疋 北京邮电人学硕十学位论文基于频域的图像数水印研究 第二章数字水印的理论及内容 2 1 数字水印的分类 2 1 1 按照数字水印嵌入以后的表现形式划分 按照数字水印嵌入以后的表现形式划分，可以分为：可见数字水印与不可见 数字水印【。 1 可见数字水印：可见数字水印嵌入图像以后是可以被观察者直接看到的， 关键信息被可见水印遮蔽，或者非法用户完全不能够将水印去除。可见数字水印 的目的是明确标识的所属与版权。半透明数字水印也属于可见数字水印的范围， 表现为一个可见的半透明标志。 2 不可见数字水印：又被称为隐含水印，水印信息隐含在图像中，是不可见 的，必须通过专门的检测算法才能够检测与提取。 2 1 2 按照数字水印的鲁棒性划分 ， 按照数字水印的鲁棒性划分，可以分为：脆弱性数字水印、半脆弱性数字水 印和鲁棒性数字水印【l 】。 1 脆弱性数字水印：脆弱性数字水印对于图像篡改相当敏感，用于判断宿主 信息是否完整，可以防止被非法恶意篡改，检测出图像被改动而不需要与原始图 像进行对比i 2 半脆弱性数字水印；相对于脆弱性数字水印，半脆弱性数字水印主要用于 多媒体数据的内容认证。要求半脆弱性数字水印对可以接受的多媒体数据处理操 作必须是鲁棒的，而对其它处理则能够进行检测并加以区分。 3 鲁棒性数字水印：鲁棒性数字水印是一种抗攻击的数字水印技术，能够最 大限度的防止非法使用者获取、消除嵌入的数字水印。水印不会因宿主信息的改 变而轻易被破坏，通常用于保护版权。 2 1 3 按照数字水印的检测过程划分 按照数字水印的检测过程划分，可以分为：明文数字水印和盲数字水印。 1 明文数字水印：明文数字水印的水印信息检测必须有原始宿主信息的参 与。鲁棒性比较强，但应用受到存储成本限制。 7 北京邮电人学硕 学位论义 基于频域的图像数水印研究 2 盲数字水印：盲数字水印在水印检测过程中不需要原始宿主信息的参与， 只用密钥信息即可。 2 1 4 按照宿主信息类型划分 按照宿主信息类型划分，可以分为：图像数字水印、音频数字水印、视频数 字水印、文本数字水印【1 1 。 1 图像数字水印：水印的宿主信息为图像信息； 2 音频数字水印：水印的宿主信息为音频信息； 3 视频数字水印：水印的宿主信息为视频信息； 4 文本数字水印：水印的宿主信息为文本信息。 2 1 5 按照水印嵌入的位置划分 按照水印嵌入的位置划分，可以分为：时域数字水印、频域数字水印、时 频域数字水印、时间尺度域数字水印等。 1 时域数字水印：时域数字水印是直接在信号空间上叠加水印信息； 2 频域数字水印：频域数字水印是在d c t 变换域上隐藏水印； 3 时频域数字水印：时频域数字水印是在时频变换域上隐藏水印； 4 时间尺度域数字水印：时间尺度域数字水印是在小波变换域上隐藏水印。 2 1 6 按照水印的内容划分 按照水印的内容划分，可以分为：有意义数字水印和无意义数字水印。 1 有意义数字水印：有意义数字水印是指水印本身也是一个数字图像( 如商 标) ，或数字音频片段的编码，或宿主图像的某些特征描述。有意义数字水印在 受到攻击后仍然可以通过视觉观察确认是否有水印存在； 2 无意义数字水印：无意义数字水印只对应于一个随机序列号。无意义数字 水印在受到攻击后若有若干错误码，则只能通过统计决策确定是否有水印存在。 2 2 数字水印基本模型 数字水印处理技术主要包括数字水印的嵌入、提取和检测。 2 2 1 数字水印嵌入模型 水印信号嵌入模型如图表所示，其输入是密钥、原始宿主( 原始载体) 、水 一 a 北京邮电大学硕十学位论文基于频域的图像数字水印研究 印信息。在实际应用中，水印系统应使用一个或更多个密钥来保证嵌入算法的安 全行，防止被非法者修改和擦除水印。 2 2 2 数字水印提取模型 图2 - 1 水印嵌入 水印信号恢复模型如图所示，当需要原始载体数据时称为非盲水印，也叫明 文水印，当需要原始载体数据参与时称为盲水印。在水印算法被实际应用过程中， 有时要求能够精确地提取出嵌入的水印信息，并且能通过水印的完整性确认载体 数据的完整性。如果提取出的水印与原始水印对比发生了改变，还要求能够通过 水印所发生的改变来确定载体数据的变化，并尽可能地恢复出被修改过的原始数 据，这样的水印往往应用于载体数据内容的完整性检验。水印检测主要用于版权 保护的鲁棒水印算法中，用一个水印检测算法来确定水印的存在。大多数情况下 使用统计相关检测算法，即事先定义一个阈值，将提取出的水印与原始水印做比 对，如果相似程度超过设定的门限阈值，即认为存在水印。 图2 - 2 水印提取 9 北京邮电大学硕j ：学位论文 基于频域的图像数7 水印研究 2 2 3 按照水印的内容划分 2 3 图像数字水印常见算法 2 3 1 空域图像水印算法 图2 3 水印检测 该类算法典型的有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 网是最早的一篇在主要国际会议上发表的关于数字水印的文章提出的，此算法使 用一个用密钥产生的m 序列作为水印信号，然后将此序列排列成2 维水印信号， 并按像素点逐一插入到灰度值的最低位，由于水印信号被放在最低位，它是不可 见的，但是它又是不强健的，很容易被除去【3 】。 p a t c h w o r k 是一种基于改变图像数据统计特性的方法。该算法首先随机选取 n 对像素点然后通过增加像素对中一个点的亮度值，而相应降低另一个点的亮度 值来隐藏信息。为增强水印的鲁棒性，还可以把像素对扩展为小块的区域，通过 增加一个区域中所有像素点的亮度值而相应减少对应区域的亮度值来隐藏信息。 该算法具有不易察觉性，并且对干有损压缩和一些恶意攻击具有抵抗力。但是该 算法的前提条件是对图像有特殊的要求，并且对几何处理十分敏感，嵌入信息量 有限。 除上述两种算法外，由于直接修改图像的如最低有效位( l s b ) 类空域采样 值算法，虽然算法简单，嵌入信息量大，但鲁棒性较差，为提高空域水印的鲁棒 性，人们提出了一些更复杂的算法。m a t s u i 等提出一种建立在灰度级图像进行预 测编码的图像水印算法，通过图像的编码表实现对水印的嵌入和提取。d e l a i g l e 等提出了一种使用伪装和调制的水印方法，使嵌入的水印更加适应于载体图像。 k u t t e r 提出一种更加复杂的感知模型，在分析人类视觉系统的伪装特性以及水印 1 0 北京邮电大学硕：上学位论文基于频域的图像数字水印研究 信号本身特性的基础上推导出一种优化的h v s t l 3 - 1 5 】加权函数用于彩色图像的水 印嵌入。c h e r t 等人提出一种基于量化索引调制而不是扩频调制的水印嵌入算法， 称其性能优于基于扩频调制的水印算法。此外，空域水印还可以通过修改图像的 几何特征和利用分形编码来实现。 2 3 2 频域图像水印算法 图像的频域空间中可以嵌入大量的比特而不引起可察的降质，当选择改变中 频或低频分量( 除去直流分量) 来加入水印时，水印鲁棒性还可大大提高。频域 水印技术可以利用通用的离散余弦变换( d c t ) ，离散小波变换( d w t ) ，离散 傅立叶变换( d f t ) 和r s t ! ”域算法等变换方法。 离散余弦变换( d c t ) 是j p e g 压缩标准的基础，它在水印技术中的应用非 常广泛。典型的d c t 域的水印算法是由c o x 等人提出的一种基于d c t 变换的 扩频水印技术。它将满足正态分布的伪随机序列加入到图像的d c t 变换后视觉 最重要系数中，它利用了序列扩频技术和人类视觉特性。c h e n 等提出一种基于 分块的混沌半脆弱图像水印技术，算法将图像进行分块，图像块的归一化标准差 经量化操作后映射为混沌系统初值。经混沌映射生成水印比特。用量化系数技术 将水印比特嵌入块d c t 直流系数。利用混沌对初值极端敏感性的特点，能够定 位检测对加入水印图像篡改，并且水印提取不需要原始图像。p o d i l c h u k 等提出 了可感知水印的方法。他们使用从视觉模型导出的j n d 来确定图像的各个部分 所能容忍的水印信号的最大强度，从而能对水印信号对视觉质量的破坏。b a m i 提出另一种利用h v s 掩蔽特性的基于d c t 的水印算法。 d w t 算法是将图像在独立频带和不同空间方向上进行分解，具有更好的能 量集中特性，能更好的与人类视觉系统相结合，因此被新一代压缩标准如m p e g 4 及j p e g 2 0 0 0 采用，这一点大大促进了小波域水印技术的发展。d w t 水印算法 中水印的嵌入灵活，是一种很有研究前景的方法。k u n d u r 等人提出一种基于多 ，分辨率信息融合的d w t 域水印技术。杨恒伏等人提出在载体图像的每一个分辨 层上嵌入水印以及分层检测的方法。 傅立叶变换是一种经典而有效的数学工具，d f t 域的算法有利于实现水印 的仿射不变性，且可利用变换后的相位信息嵌入水印。o r u a n a i t h 提出了两种 d f t 域的水印算法。一种算法是将水印嵌入到d f t 系数的相位信息中，其依据 是h a y e s 的结论“从图像可理解性的角度，相位信息比幅度信息更重要”。另外一 种算法实现了水印的平移、旋转和尺度拉伸不变性。 r s t 域水印算法的基本思想是利用f o u r i e r - - m e l l i n 变换，使得经过旋转、缩 放、平移后得到的图像和原图像在r s t 域保持一致，它需要先后经过离散傅立 北京邮电大学硕上学位论文基十频域的图像数，水印i i ) f 究 叶变换、f o u r i e r - - m e l l i n 变换、d f t ，形成的变换域称为r s t 域，然后将水印信 号加入r s t 域，最后采用相反的过程先后进行i d f t 、f o u r i e r - - m e l l i n 逆变换、 i d f t 得到水印图像。该方法的优点是具有很强的抗几何变换能力，缺点是抵抗 有损压缩、低通滤波等信号处理方法的稳健性不够。 2 3 3 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 c d 中有很大的使用价值。相应地， 水印检测与提取也直接在压缩域数据中进行。 2 3 4 网格水印算法 针对计算机图形学中常用的三角形网络模，提出了一种网格水印算法方案， 这个方案与i g u s o k o v 的多分辨网格处理工具箱集成，不需要建立额外的数据结 构和进行额外的复杂计算，直接在网格低频成分中嵌入水印，并且在利用网格处 理工具箱进行网格处理时，可以较好地保留水印，而且重采样算法简单高效，使 简化网格和拓扑结构已改变的网格的水印检测成为可能。 2 3 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 川w ，1 j 分布，密钥一般由作者的标识码和图像的哈希值组成，其次对图像做d c t 变换，最后用伪随机高斯序列来调制( 叠加) 该图像除直流( 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原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 ( o ，1 ) 的特征【1 1 。 、 2 3 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。 利用视觉模型的基本思想均是利用从视觉模型导出的j n d ( j u s tn o t i c e a b l e 1 2 ， 北京邮电人学硕上学位论文基于频域的图像数水印研究 d i f f e r e n c e ) 描述来确定在图像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像相关的调制掩 模，然后再利用其来插入水印。这一方法同时具有好的透明性和强健性。 2 4 数字水印的攻击方法 数字水印的攻击是评价数字水印性能的重要方面，如何提高数字水印的鲁棒 性及抵抗攻击的能力是数字水印算法最被关注的问题。一个成熟使用的水印算法 应该对信号处理、通常的几何变形及恶意攻击有良好的抗攻击性【1 2 】。 2 4 1 鲁棒性攻击 鲁棒性攻击包括通常的各种信号处理操作，例如压缩、滤波、叠加噪声、图 像量化与增强、图像剪裁、几何失真、模拟数字转换、图像校正等。通常在试验 过程中，鲁棒性攻击是检测数字水印算法的最主要方式。 ( 1 ) 图像压缩：图像压缩算法是去掉图像中的信息冗余。水印的不可见性 要求水印信号驻留在载体图像不重要的视觉信息中，一般情况为图像的高频分 量。而一般图像的主要能量均集中在图像的低频分量上。然而经过图像压缩后， 高频分量会被当做冗余信息被清除。目前的水印算法对现有的图像压缩标准具有