（信号与信息处理专业论文）视频数字水印的研究与应用.pdf

摘要 本文首先介绍了数字水印的基本概念，在此基础上研究分析了 m p e g 4 关键技术和视频水印技术。 然后提出了基于d c t 域的m p e g 4 视频水印和基于运动矢量的视频 多重水印算法，详细地论述了它们的设计、实现以及试验结果分析。 在基于d c t 域的m p e g 4 水印算法中，水印信息借助于l s b 算法，经 a r n o l d 置乱后嵌入到量化后的视频i 帧的d c t 系数中，水印具有很 高了实时性和很强的健壮性。另外，为了达到对视频数据进行完整性 校验( 防修改) 和认证( 版权保护) 的目的，本文设计和实现了脆弱水印 和鲁棒水印多重嵌入的方法。基于混沌理论，对作为水印图像进行了 加密的处理。混沌理论作为密码学的基础理论应用到数字版权保护 中，可以增加水印的安全性。在本文中，先由混沌系统产生的随机序 列和水印信息作用生成伪随机序列，对于脆弱水印，把伪随机序列与 原始数据的h a s h 值异或后，通过修改运动矢量的冗余来把水印信息 嵌入到数字视频中，提取时，根据运动矢量的冗余的奇偶性恢复出信 息；对于鲁棒水印，在适当的位置，同样也是过修改运动矢量的冗余 来把生成的伪随机序列循环地嵌入到数字视频中，循环的次数，可根 据水印信息量和嵌入载体来决定，提取时，根据运动矢量的冗余的奇 偶性恢复出信息。值得注意的是通过鲁棒水印和脆弱水印的位置要错 开，以免鲁棒水印和脆弱水印相互影响。本文中是先嵌入脆弱水印， 然后在脆弱水印后面开始循环嵌入鲁棒水印。这样能达到水印的鲁棒 性。根据提取的鲁棒水印信息来判断检验视频是否属于版权所有者， 达到版权保护的目的根据提取的脆弱水印信息来判断检验视频是 否经过别人的篡改，达到完整性校验的目的。 本文也对所设计算法的隐形性、健壮性、准确性和安全性进行了 分析，试验表明本文所述水印方法有良好的隐形性、健壮性，较高 的准确性和安全性。 关键词：数字水印，版权保护，混沌，运动矢量，离散余弦变换 a b s t r a c t i h j sd i s s e r t a t i o n i n n 0 d u c e s t h eb a s i c c o n c e p t o f d i g i t a l w a t e n 】曲_ r i ( i n ga tf i r s t a tt h es 柚et i m e ，c h ek e yt c c l l n o l o g yo fm p e 9 4a n d v i d e od i g i t a lw a t e r n l a i 恼n ga r ea n a l y z e d a r e r w 删，t h i sd i s s e r t a t i o nb r o u 曲tf o n 】i r a r dt h ea l g o r i t 岫o fm p e 9 4 v i d e ow a t e m a r l 【i n gb a s e do nd c t卸dt h ea l g o r i t h mo fv i d e o m u l t i w a t e m a r i ( i n gb a s e do nm o t i o nv e c t o r s ，w h i c hw e r cd e s i g l l e da i l d a n a l y z e dt ot h e i ro u t c o m e sd e t a i l e d ly i nt h ea l g o r i t h mo fm p e g 4v i d e o w a t e n m 描n g ，i nv i r t i l eo fl s ba l g o r i t ，t h ew a t e m a r k j n gi sp 锄u t e d 卸di se n l b e d d i n gd c tc o e f f i c i t so f 劬m ei ，w h i c hi sv e r yr c a l t i m ea n d i d b u s t 1 w 1 1 e n锄b e d d i n ga n dd i s t i n i n gt h ew a t e n n a r k i n g ，t h ev i d c o n e c d n f tb ed e c o d e dc o m p l e t e ly s oi tc a na d v a n c et h es p e e do fo p e r a t i o n 锄di m p r o v et h ep e r f o m a n c eo fr e a l t i m e i na d d i t i o n ，am e t h o do fv i d e 0 m u l t i w a t e r 玎= 1 a r i ( i n gb a s e do nm o t i o nv c c t o r si sd e s i g n e da n dr e a l i z e d e l a b o m t e l yi nt l l i sd i s s e n a t i o n t h em e t h o dc 锄a c h i e v et h ep u r p o s e o fi m e g r a l 时c h e c k 卸da u t h e m i c a t i o nt o “d e 0 咖b ye n 由e d d i n g r o b u s t n e s sw a t e m l a r ka n d 、m l n 砸b i l i t yw a t e n n a r ki n t om p e 9 2v i d e o s i m u l t a n e o u s l y b a s e do nc h a o sm c o r y ，t h ei m a g e 弱w a t e 仰a r ki s e n c 唧t e d c h a o st h e o 眵i so n ek i n do fm ec 卯t o l o 盱l tc a n b cu s e df o r d i g i t a lc o p 州g h tp r o t e c t i o ni no r d e rt oi m p r o v es e c u r i 够t h ew a t e m a r k i m a g ei sp r e p r o c e s s e db yc h a o t i cs e q u c l l c ea n dm a g i cp e m u t a t i o n ，锄d t h e ni se m b e d d e d f o r 矗a g i l ew a t e r i n a r k i n g ，t h ev a l u ei so b t a i l l e d 撕 t h ep s e u d o 一啪d o ms e q u e n c ex o rm eh a s hv 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；了， 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，适用本授权 直1 6 本人签名：圭：i 垒堕日期：纠- ；、2 岁 导师签名：7 气产毛磅 日期： t j 3 2g 1 1 课题背景及其意义 第一章绪论 互联网是二十世纪人类的一个重大发明，它使得一直作为专业人员和科技工 作者宠儿的计算机，走迸了寻常百姓的生活。今天，互联网正以更加迅猛的势头 发展着，网络速度不断提高，网络应用越来越广，人们可以在网上聊天、打游戏， 获得新闻、天气、交通等各种资讯，还可以使用电子交易实现网上购物。当然， 人们也不会忘一记利用互联网强大迅捷的传播能力快速获取所需要的音乐、电 影、图片等各种多媒体数字作品，这就使得多媒体作品的版权保护面临着新的威 胁和挑战。 传统的多媒体作品不易获取，更不易大规模的传播、复制和篡改，因此版权 保护主要集中在制定相关法律，对作品发行的渠道进行监管。而数字作品和传统 作品相比，具有易于复制、二次编辑等特点，用户可以对所获得的数字作品进行 编辑、修改，以满足自己的要求。但任何事物都有两面性，蓬勃发展的信息技术 同样如此。当多媒体数字作品这种完美复制能力和互联网世界范围内快速传播的 能力被别有用心的人所利用，事情将变得十分严重，其所带来的负面效应，己成 为信息产业健康持续发展的一大障碍。盗版行为严重地侵害了作品的版权，给版 权所有者带来巨大的经济损失，对信息安全造成强烈的冲击。更有甚者，一些个 人或团体在未经授权的条件下，为达到某种目的，对作品进行非法篡改、伪造乃 至恶意攻击，使多媒体作品内容的真实性、完整性受到严重威胁。如果篡改的内 容涉及到国家安全、法庭举证、历史文献等重要数据，还会造成不良的社会影响 或重大的政治、经济损失。因此，如何既充分利用互联网的便利，又能对多媒体 作品的版权和内容的真实性、完整性进行保护，己成为数字世界中一个非常重要 和紧迫的课题，具有重要的理论意义和应用价值。 多媒体作品版权保护的传统技术是密码技术”1 ，在作品发布前，对其进行加 密处理。如果一个非法接收者收到该作品，由于没有密码，他只能获得一堆没有 任何意义的乱码，无法正常使用，也就无法盗版：而合法接收者具有密钥，可以 对作品进行解密，恢复原始作品。然而，这种保护方案成立是有条件的，那就是 所有合法接收者都没有盗版的企图，可这种条件是基本不成立的。因为解密以后 的原始作品己经失去了任何保护，总可能有某个合法接收者在利益的驱使下，进 行盗版以获取非法利润。这种问题在互联网技术出现以前虽然存在，但由于传播 渠道有限，传播速度也慢，可以通过加强监管对某些蠢蠢欲动的中间商起到威慑 作用，而最终用户即使想传播，其影响范围也很有限。但互联网技术的出现却使 得任何一个合法接收者都可能成为该作品的传播者，而且传播的速度会很快，范 围和影响也会很大。因此，传统的版权保护技术已经不适应现代数字作品版权保 护的需求。 传统的密码技术和数字签名技术己经无法满足数字作品版权保护和内容认 证的需要。于是，人们开始研究数字作品版权保护技术，目的就是通过技术手段， 在数字作品的整个生命周期内，对其版权和内容进行保护，弥补传统信息保护方 案的不足，确保数字作品的合法使用和传播，因而，数字水印技术应运而生。 数字水印技术可以实现多媒体作品的版权保护和内容的真实性、完整性认 证。在作品发布前，将作品标识码等版权信息通过数字水印系统嵌入在多媒体作 品中，嵌入的水印信号应当不降低原作品的质量，在感觉上不易被察觉，而且能 够容忍一些不改变数字作品内容的操作，如数据压缩、改变对比度、信号增强、 降噪、轻微干扰等行为。当需要时，使用专用的检测器提取出隐藏的数字水印， 即可获得版权信息，认证该作品的真伪或进行完整性鉴定等等。有的作品还使用 数字指纹，即在销售时，将版权信息和用户信息同时嵌入作品中。当提取其中的 水印信息时，不但能获得版权信息，还能获得用户信息，将合法用户的信息和当 前所有者的信息一比较，就可知道该数字作品是否为盗版以及盗版的出处，从而 实现叛逆者跟踪。还可以在作品中嵌入用于内容认证的脆弱水印，随作品一起发 布、传输和使用，需要时提取出来进行内容真实性、完整性认证。脆弱水印不但 可以用来判断是否有篡改发生，还可以定位篡改发生的位置，这对于寻找非法篡 改者、法庭举证等都具有重要意义。 从上面的分析可以看出，数字水印技术比传统的信息保护技术更适于数字作 品的防盗版和防篡改应用，具有更强的实用性。但我们也应该看到，数字水印技 术并不是万能的，它不是传统信息保护技术的简单替代，而是对传统技术的有效 辅助和补充，以弥补传统技术对数字作品保护的不足之处，它们之间是相辅相成 的关系。密码技术保证的是作品从发送者到接收者之间的传输过程，即对传输信 道进行保护，当作品被接收和被解密后，密码技术的防护作用就已经消失，这时 就需要使用数字水印技术了。对用户的认证、管理，对多媒体作品数据库的访问 控制等问题上，还需要使用传统的密码学方法，而且数字水印系统中也要使用密 码技术来保证嵌入水印的安全性。另外，嵌入了水印的数字作品并不能防止非法 复制，它只能是用来确认版权，用于法庭举证等，因此，打击盗版，信息防护， 还需要从技术到法制等多个环节共同努力才能真正奏效。 作为一门新兴的多学科交叉的应用技术，数字水印技术涉及了很多不同领域 的思想和理论，如信息论、信号处理、编码理论、密码学、图像处理、检测理论、 多媒体技术、模式识别、网络技术等等。随着人们对数字水印技术的研究和对其 2 作用认识的不断深入，数字水印技术必将在多媒体数据库、数字图书馆、医学图 像、数码相机、数字作品知识产权保护、电子商务、数字新闻电视广播、d v d 版 权保护、加密和安全通信、医学应用、文化遗产继承、军事秘密的网络传输等领 域得到广泛的应用。 1 2 本文的研究工作及其内容组成 本论文针对视频水印技术进行了深入的研究，主要研究内容如下： 1 数字水印技术的分析和研究 本论文第二章从数字水印技术的基本框架、水印嵌入系统的通信模型和数字 水印技术的分类等方面，对数字水印技术进行了分析和研究。 2 m p e g 4 编码和视频数字水印技术研究 本论文第三章第一节研究分析了m p e g 4 的关键技术，从m p e g 4 视频特性和基 于帧编码技术、基于对象编码技术等方面来阐述m p e g 4 的技术特点。 第二节论述了通用的视频数字水印算法。 3 基于d c t 域的m p e g 4 视频水印设计与实现 本论文第四章提出了基于d c t 域的m p e g 4 视频水印。在基于d c t 域的m p e g 4 水印算法中，水印信息经a r n o l d 置乱后嵌入到量化后的视频i 帧的d c t 系数中， 水印嵌入和提取不需要完全解码，大大减少了运算的复杂度，提高了实时性。 并且就试验结果进行了隐形性和鲁棒性分析，从实验结果可以看出，水印图像在 进行了剪切，滤波，锐化和加噪声等常规图像处理后提取出来的水印图像仍然清 晰可辨，可见水印对剪切，加噪声等手段具有较好的免疫能力。即该方案具有较 好的鲁棒性。 4 基于运动矢量的视频多重水印算法研究与实现 本论文第四章提出了一种基于运动矢量的视频多重水印算法( 脆弱性水印和 鲁棒性水印多重) ，设计脆弱水印和鲁棒水印的嵌入和提取算法，对m p e g 视频数 据实行脆弱和鲁棒的多重嵌入，嵌入的位置物理错开而不产生冲突，以达到对视 频数据的完整性验证和版权保护的目的。 3 2 1 数字水印概述 第二章数宇水印技术 数字水印技术基于计算机科学、密码学、通信理论、算法设计和信号处理 等领域的思想和概念，一个优秀的数字水印方案一般综合利用这些领域的最新成 果。嵌入数字水印的数字产品，可以是任何一种多媒体类型。按照载体不同，数 字水印可分为静止图像水印、视频水印、音频水印、文档水印。在版权保护领域， 数字水印技术典型应用大致分为以下几类 ( 1 ) 显示地表明版权信息。通过让使用者察觉数字水印存在，警示使用者注 意使用规则，禁止非法传播。 ( 2 ) 作为确认拥有内容的证据。拥有者在数字产品中插入身份信息的数字水 印，在发生法律纠纷时可以由第三方提取数字水印作为诉讼证据。 ( 3 ) 自动搜索盗版实例。如果对数字水印的检测不需要原始数据，完全可以 利用i n t e r n e t 搜索引擎在网上自动搜索d v d ，m p 3 以及各种视频文件，发现盗版 则将网址记录在案。 在d r m 系统中，数字水印技术有如下的用途： ( 1 ) 保护元数据。在d r m 系统中，与著作权相关的信息组成一个元数据，然 后用数字水印将元数据和数字内容绑定。由于元数据中含有版权信息和使用条 款，数字水印保护元数据可提供安全保障。 ( 2 ) 用于盗版取证和追踪。出品人可将不同用户的i d 作为不同的水印( 指纹) 嵌入作品的合法拷贝中以用于盗版取证和追踪。 ( 3 ) 用于数据加注解和访问控制。这种水印称为注解水印( a n n o t a t i o n w a t en i l a r k s ) 。当数字内容在用户的播放设备中被访问时，用户的播放设备就对 加注解水印进行计数、核对使用限制、根据需求更新水印。 ( 4 ) 用于篡改提示与完整性保护。脆弱水印可以用于保护数字作品的完整性。 ( 5 ) 用于保护许可证信息。可将许可证信息作为水印嵌入到数字内容中。 2 1 1 数字水印技术的研究现状 从t i r k e l 等人1 9 9 3 年发表了那篇著名的论文到现在，数字水印技术的研究 只有短短十几年的时间，但由于其重要的应用价值，已经得到了快速发展，如今 己成为国内外的研究热点，得到了各大公司、科研机构、学术团体甚至政府的支 持。几个有影响的国际会议( 例如i e e e ，s p i e 等) 及一些国际权威学术期刊( 例如 p a t t e r nr e c o g n i t i o n和i e e e的 s i g n a lp r o c e s s i n g ，i 皿a g e p r o c e s s i n g ， 4 c i r c u i t sa n ds y s t e m s 等) 都大量发表了关于数字水印技术方面的论文。 最初的数字水印技术是在空域中实现的”1 ，即用水印信息替换图像的最低有 效位( l e a s ts i g n i f i c a n tb i t l s b ) 。这是水印技术的初始探索阶段，并没有系 统地提出水印的性能和功能要求，也没有成熟的理论模型。1 9 9 5 年，c o x 等人在 文献 1 8 中提出了基于扩频通信的数字水印系统模型，首次应用成熟的理论对数 字水印技术进行研究。基于该模型，c o x 提出了将水印嵌入到多媒体信号感知上 最重要成份中的方案，取得了很好的鲁棒性。虽然该方案还存在缺陷，但为水印 技术的研究打开了新的局面。后来，人们将c o s t a 在1 9 8 3 年提出的脏纸模型“叮 应用于水印技术，提出了基于边信息的水印模型汹1 。0 s v 0 1 0 s h y n o v s k i y 等人叫1 以图像的统计特性做为边信息，在译码端设计了多级水印嵌入方法：k u n d u ：等人 蜘，将剪切、滤波和感知编码建模为噪声衰减，利用信道估计来改善水印方法的 性能，这些算法都取得了很好的不可感知性。 开始提出的很多水印算法都是非盲水印算法，即在检测时需要原始图像参 与，这大大限制了水印技术的应用。为了提高检测能力，1 9 9 5 年，p i t a s 等人在 2 3 中提出了盲水印方案，此后，水印技术得到了快速发展，提出了透明性、鲁 棒性、安全性、不可检测性和嵌入强度等性能指标。因为透明性、鲁棒性和嵌入 强度三个指标是互相制约的，为了在三者之间取得平衡，人们开始研究人类听觉 系统( h a s ) 和人类视觉系统( h v s ) 模型。例如，w a s t o n 在文献 2 4 中提出了基于 分块d c t 变换的人类视觉模型，t r i n k a u s 在文献 2 5 中提出了语音掩蔽模型等。 应用这些模型，结合对d c t 域、d w t 域、d f t 域、r a d o n 域、r i d g e l e t 域等各种 变换域系数的研究，人们设计了很多算法，在鲁棒性和透明性等性能指标上都取 得了大幅度的提升”。 随着水印技术的发展，对水印系统的攻击技术也在不断发展，尤其是对图像 水印的几何攻击，更是对水印系统的严重挑战。如果一个水印系统在设计时没有 专门考虑对抗几何攻击，那么即使细微的几何变形都将使水印检测器失效。1 9 9 8 年，0 ，r u a n a i d h 等人在文献 2 9 中首次提出了一种对抗几何攻击的水印方案。 该方案将水印嵌入到图像的f o u r i e r m e l l i n 变换域中，因为该变换域具有旋转、 缩放和平移( r s t ) 不变性，因此，在水印图像遭受这些几何攻击后，由于这些量 没有变化，隐藏于其中的水印信息得以保存。该算法从理论上提出了一种抗几何 攻击的水印方案的思路，即几何不变量算法，但实际应用时，由于计算复杂，需 要使用插值运算，进行对数极坐标运算时极点的选择也很难，而且嵌入的数据量 很少，因此使用效果并不理想。很多人对基于该思想的算法展开研究，并提出了 很多改进算法，如l i n 等人啪1 将图像d f t 幅度谱重采样后做对数极坐标映射( l o g p o l a rm a p l p m ) ，再沿着坐标轴l o g ( r ) 把幅度系数连加得到一维函数，最后 5 把水印加载到该函数上。近几年，人们开始从其它角度对抗几何攻击算法展开研 究。如有人根据图像奇异值分解的几何特征稳定性，提出了基于奇异值分解的抗 几何攻击水印算法”“：有人提出在嵌入水印的同时，嵌入一个能够指示图像几何 变化的辅助信息，以便在提取前进行逆变换并重新同步0 2 1 ：还有人提出直接应用 图像的重要特征来嵌入水印，将水印和图像连接在一起，从而实现抗几何攻击 ”。上述算法都在某种程度上实现了抗几何攻击，但普遍存在各种各样的问题。 有的是抗几何攻击效果不够理想，有的是嵌入水印后图像的质量下降严重，有的 是嵌入的水印信息量太少等等。因此，抗几何攻击水印算法直是近几年鲁棒水 印技术的研究热点和难点问题。 随着对数字水印技术的深入研究，人们发现，可以使用水印技术对数字多媒 体的内容进行认证。1 9 9 5 年，w a l t o n 首次提出了用于图像内容认证的脆弱水印 算法惜1 ，随后，很多人对用于图像认证的水印技术展开了深入研究。这些认证技 术大体上可以分为两大类，一类叫做精确认证技术，即嵌入水印的图像只要有一 点变化，都能被检测出来：另一类叫做模糊认证技术，即允许对嵌入水印的图像 进行诸如j p e g 压缩等不改变图像语义内容的操作，而对恶意篡改保持高度敏感 m 1 。因为精确认证技术和模糊认证技术具有不同的应用领域，因此各自沿着自己 的技术路线发展着。在精确认证领域，人们开始设计出了单像素认证算法。”，后 来发现该类算法具有安全隐患，因此又提出分块认证算法1 ，并尽量减小分块的 大小，提高篡改定位的精度：在模糊认证领域，人们主要在寻找图像的稳定特征 和对常规处理操作鲁棒的嵌入域，并尽量提高篡改定位能力。f r i d r i c h 和 b a s s a l i 等人都提出了很好的模糊认证算法呻删。特别值得一提的是，l i n 和c h a n g 等人“”把基于数字签名的自认证恢复图像( s e l fa u t h e n t i c a t i o na n dr e c o v e r y i 眦g e s a r i ) 系统扩展成基于数字水印的系统，s u n 和c h a n g 等人“4 又将基于 数字水印的s a r i 系统的设计方法扩展到d w t 域，可以抵抗j p e g 2 0 0 0 的图像压缩。 国内对数字水印技术的研究起步稍晚，但随着国内i t 产业的迅速崛起和互 联网的迅猛发展，也已经引起了信息安全领域研究人员的普遍关注，从各个方面 对该技术开展了广泛而深入的研究，并且取得了许多高水平的研究成果。然而总 体来说，无论是国际还是国内，数字水印技术还属于一门新兴的学科，处在一个 技术评估阶段。 2 1 2 数字水印基本框架 从信号处理的角度看，嵌入载体对象的水印信号可以视为在强背景下叠加一 个弱信号，只要叠加的水印信号强度低于人类感知系统对比门限，人们就不会感 觉到水印信号的存在。由于h v s 和h a s 受空间、时间和频率特性的限制，因 6 此通过对载体对象作一定的调整，就有可能在不引起人感知的情况下嵌入一些 信息。从数字通信的角度看，水印嵌入可理解为在一个宽带信道( 载体对象) 上用扩频通信技术传输一个窄带信号( 水印) 。尽管水印信号具有一定的能量， 但分布到信道中任意频率上的能量是难以检测到的。水印的检测则是一个有噪 信道中弱信号的提取问题。 通常可以如下定义水印： w = w ( k ) 1 w ( k ) u ，k w 6 ) ( 2 1 ) i d 表示维数为d 的水印信号域， d = 1 ，2 ，3 分别表示声音、静止图像和视频中 的水印。水印信号可以是二值形式或高斯噪声形式。w 称为“原始水印”以区分 它的变换域水印形式f ( w ) 。水印处理系统的基本框架可以定义为六元体 ( x ，w ，k ，g ，e ，d ) ，其中： ( 1 ) x 代表所要保护的数字产品的集合； ( 2 ) w 代表所有可能水印信号的集合； ( 3 ) k 是标识码( 即水印密钥) 的集合； ( 4 ) g 表示利用密钥k 和待嵌入水印的x 共同生成水印的算法，即： g ：x k w 或w = g ( x ，k ) ( 5 ) e 表示将水印w ，w w 嵌入数字产品x ，x x 中的嵌入算法，) ( - 表示嵌入 水印后的数字产品，即： e ：x w x 或) 【- = e ( x ，w ) ( 6 ) d 表示水印检测算法，即： d ：x k + w 1 或d ( x ，k ) = w 1 。 水印系统的基本框架必须满足一些特定的条件，以便形成一套适用于版权保 护和产品内容鉴定的值得信赖的根据，这些基本条件是： ( 1 ) 不可感知性：水印嵌入算法不应产生可感知的数据修改，也即是目标数据必 须没有明显的降质感，而目标数据中的水印无法人为的看见或听见。加水印后的 产品必须相似于原始产品； ( 2 ) 密钥唯一性：不同的密钥产生不同的水印； ( 3 ) 水印有效性：在水印处理算法中只采用有效的水印，对于特定的x x ， 当且仅当存在k k 使得g ( x ，k ) = w ，则称水印w 是有效的。 ( 4 ) 不可逆性：函数w = g ( x ，k ) 应该是不可逆的，这意味着在实际应用中，对 于任何水印信号w ，很难找到另一个与w 等价的水印信号。 ( 5 ) 产品依赖性：在相同的密钥条件下，当水印算子g 用在不同的产品时，应 该产生不同的水印信号。 ( 6 ) 多重水印：对以嵌入水印信号的数字产品用另一个不同的密钥再作水印嵌 7 入式可能的，利用这种特性可以对产品的发布渠道进行跟踪； ( 7 ) 检测可靠性：检测的输出必须有一个合适的最小置信度： ( 8 ) 鲁棒性：指抗拒各种处理操作和恶意攻击而不导致水印信息丢失的能力，包 括两个方面：一、在经过各种处理以后，水印仍然存在于图像中。二、水印能被 检测到。所谓的操作包括：传输过程中的信道噪声、滤波、增强、有损压缩、 几何变换、d a 或a d 转换等。所谓的攻击包括：篡改、伪造、去除水印等。 一个实用的水印算法应该对信号处理，通常的几何变形( 图像或视频数据) ，以 及恶意攻击具有稳健性。它们通常包括：图像压缩：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中的不重要的视觉 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除掉，因此有的算法将水印嵌入 图像的最显著的低频分量中或使用带低通特性的水印，虽然这会降低图像的质 量。滤波：图像中的水印应该具有低通特性，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，事实上当前的很多针对水印的攻击行为是 用滤波完成的。图像量化与图像增强：一些常规的图像操作，如图像在不同灰 度级上的量化，a d 及d a 转换，重采样，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的影响。几何失真：包括图像尺寸 大小变化，图像旋转，剪裁，删除或增加图像线条以及反射等等。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 稳健性也是人们所关注的问题。 ( 9 ) 隐藏位置的安全性：指将水印信息藏于目标数据的内容之中，而非文件头 等处，防止因格式变换而遭到破坏。 ( 1 0 ) 无歧义性：恢复出的水印或水印判决的结果应该能够确定地表明所有权， 不会发生多重所有权的纠纷。 ( 儿) 通用性：好的水印算法适用于多种文件格式和媒体格式。通用性在某种程 度上意味着易用性。 ( 1 2 ) 计算有效性：水印处理算法应该比较容易用软件或硬件实现。尤其是针对 某些应用，水印检测算法必须足够快。因此，在设计水印方案时必须综合水印 的上述特征，特别是必须保证水印的不可见性，鲁棒性。为了增强水印的鲁棒 性，c o x 等人提出：水印图像应放在视觉系统感觉最重要的分量上，因为感觉上 重要的分量是图像信号的主要成分，携带较多的信号能量，在图像有一定失真 的情况下，仍能保留主要成分。此外，水印的鲁棒性除了与嵌入的位置有关外， 还与嵌入的强度有关。提高水印的有效途径之一是充分利用人类视觉系统的视 觉特性，在满足不可见性的前提下，合理分配水印信号的能量，尽可能提高局 8 部嵌入水印分量的强度。为了得到鲁棒性的特征，水印信息必须嵌入在载体信息 的有意义的部分，但是另一方面，水印又不能被感知，同时要尽可能避免嵌入 的水印不对原载体产生质的影响，因而信号( 水印) 与噪声( 图像) 的比率小， 一般低于l 。 2 1 3 水印嵌入系统的通信模型 下图为水印信号嵌入检测模型，其功能是完成将水印信号加入原始数据中 和判断某一载体数据中是否含有指定的水印信号。 2 1 3 1 水印的生成 无意义水印信号的产生通常基于伪随机数发生器或混沌系统。产生的水印信 号w 往往需要进一步的变换以适应水印嵌入算法。为了分析方便，我们把算子 g 分解为算法r 和算法t ： g = tor r ：k w 1 t ：w 1 x k w 子算法r 输出原始水印w 1 ，当r 基于伪随机数发生器时，密钥k 直接映 射为伪随机数发生器的种子。当r 基于混沌系统时，密钥集由许多初始条件的 适当变换而产生。这两种方法所产生的密钥集足够大并且满足密钥唯一性条件， 由r 产生的水印是有效的水印，而且r 是不可逆的。 子算法t 对原始水印进行修改以获得最后的依赖于产品的水印w 。 通过基于伪随机数发生器或混沌系统产生的水印是满足n ( o ，1 ) 正态分布 的伪随机序列，也即是具有高斯分布的白噪声信号。由于高斯白噪声信号具有理 想的自相关特性，在水印信号进行自相关检测时就是利用这个特性，所以将水印 信号设计成高斯白噪声是合适的。有时候，在水印系统中需要使用有意义的水 印信号，即信号是代表一定意义的文本、声音、图像、或视频信号。使用有意义 水印信号的一个显著特点是在水印提取后，提取得水印非常直观，不需要再与 9 原始水印信号进行相关性计算，可以直接使用它对载体中是否含有水印进行判 别。一般在嵌入时都需要先将水印转化成二值序列，为了使水印嵌入更具保密 性，应先通过特定的加密算法将水印序列置乱。 2 1 3 2 水印的嵌入 水印嵌入就是把水印信号w = w ( k ) ) 嵌入到原始产品) ( 0 = 】【0 ( k ) ) 中，一般 水印嵌入规则可描述为： ( k ) = 】【0 ( k ) oh ( k ) w ( k ) 公式( 2 2 ) 其中。为某种叠加操作，h = f h ( k ) ) 称为d 维的水印嵌入掩码。最常用的嵌入准 则如下： x ( k ) = x 。( k ) + qw ( k )力日法准贝0 】【- ( k ) = x 0 ( k ) ( 1 + qw ( k ) )乘法准则 变量x 即可以指掩体对象采样的幅值( 时域) ，也可以是某种变换的系数 值，参数a 指水印的嵌入强度，随采样数据的不同而不同。 2 1 3 3 水印的提取与检测 水印提取是水印算法中最重要的步骤，其任务是从嵌入水印的数据中提取水 印信号。在某些水印系统中，水印可以被精确地抽取出来，这一过程被称作水印 提取，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。水印的 提取和检测可以作用于任何产品，提取和检测时可能需要原始作品的参与，也可 能不需要原始作品的参与，监测时不需要原始作品参与的水印检测系统称为盲 水印检测系统。在检测时使用原始作品，是一个缺陷，因此当前对水印检测算法 的研究主要集中于盲水印检测。对于主要用于版权保护的鲁棒性水印，由于它 可能要遭受各种有意或无意的攻击，嵌入的水印经过这些操作后，提取的水印可 能已经面目全非，这时我们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，然后是水印判决。水印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的水印的相关值，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。一般情况下，水印的检测可以用 下式来描述： z k ( c ，w ，) = 1 n 堆c 謇w ，= 1 n c x ，y w ， x ，y ( 2 3 ) 水印检测可能产生两种错误： 第一类错误：作品中不存在水印，监测结果认为有水印( 错误肯定) ； 第二类错误：作品中存在水印，监测结果认为没有水印( 错误否定) 。 1 0 检测时发生第一种错误的概率称为虚警率，发生第二种错误的概率称为漏警 率。一般来说，当虚警率趋于o 时，水印检测的漏警率趋向于1 。 2 1 4 数字水印的分类 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 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 图2 2 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：无意义信 息隐旅和教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 票据防伪水印是一类比较特殊的水印，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 水印则分别是在d c t 变换域、时频变换域和小波变换域上隐藏水印。 2 1 5 用于版权保护的数字水印技术的要求 针对不同的应用，水印的要求不同或者强调的重点不同，对于版权保护而言， 水印应具有： ( 1 ) 不可感知性：水印技术的首要条件是加入水印的图像和原始图像基本上相 同，即水印是不可见的；图像的质量不因水印的加入有明显的改变，否则将影响 图像的商业价值。 ( 2 ) 健壮性：加入水印的图像在传播过程中很可能会受到各种有意或无意的干扰， 水印技术必须能抵抗像低通滤波、变形、剪切、扫描、有损压缩、a d 、d a 转 换等图像处理。另外，水印技术还应能抵御各种有意的破坏，它们包括去除水印 和破坏水印，使水印无法提取和验证。 ( 3 ) 安全性：即使水印算法公开，它同样能防止未授权团体移去水印或嵌入伪造 1 2 的水印。 ( 4 ) 隐藏能力：它是指在不影