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摘要 稳健图像水印算法研究 专业：通信与信息系统 姓名：林彦 导师：黄继武教授 摘要 信息技术革命深刻的改变了人类的生活方式，世界的信息化和网络化程度也 不断提高。然而，信息技术在给人们的工作和生活带来便利的同时，也造成了相 当的安全问题，特别是多媒体信息的盗版问题日益突出。另外，高质量的图象输 入输出设备的进步，也使各种证件和证明文档的伪造及篡改变得越来越容易。因 此，信息安全受到人们广泛的关注，成为信息技术的研究热点之一。 数字水印是信息安全技术的一个重要分支，是解决多媒体信息众多安全问题 的一种有效途径。数字水印通过在多媒体内容中嵌入版权标识或鉴别标志等信息 来确保数据的安全，同时可以利用高质量的图象输出输入设备，将其应用到证件 防伪等方面。数字水印技术必将在信息化时代发挥出越来越重要的作用。 稳健性是数字水印研究中的关键问题之一，稳健图象水印算法是近年来数字 水印领域中十分活跃的一个研究方向。本文主要针对隐形图象水印对抗一般信号 处理、几何攻击和打印，扫描攻击的稳健性展开研究，其中抗几何变换和打印扫 描攻击的稳健性是数字水印中的技术难点。本文的主要工作如下： 1 ) 实现了一个d f t 域的快速匹配模板算法，并提出了根据检测到的匹配 模板点计算有效的仿射变换矩阵的新算法，解决了迭代算法所导致的计 算量过大的问题。提出了一个在d w t 域嵌入训练序列来实现d w t 域 水印的平移同步方法，根据d w t 变换的二进性质，减少了平移同步中 所需要的d w t 变换次数，从而减少了计算量。基于扩频通信原理，提 出了一个d w t - d p t 复合域的数字水印盲检测算法，综合应用了d w t 变换、d f t 变换、b c h 与d s s s 级联编码及基于模板和训练序列的同步 技术，从嵌入策略、水印结构和水印检测同步三个方面保证了水印算法 的稳健性。实验结果表明该算法在水印的不可见性及对常规信号处理和 几何攻击的稳健性方面都比现有的一些算法有较大的改善。 2 ) 在目前大多数相关文献中普遍将水印信道噪声看成是一个零均值的加 中山大学硕士学位论文稳健图象水印算法研究 性噪声，而我们注意到d a 、a d 变换如打印，扫描过程和一些常规信号 处理如图象滤波等会引起水印图象特征值衰落的问题，因此可将水印信 道噪声看成是一个既可能为零均值也可能为非零均值的加性噪声，然后 应用自适应接收技术解决了这一问题，这增强了水印对抗打印，扫描和其 他具有衰落特征的攻击的稳健性。 3 ) 针对打印扫描过程中涉及的图象特征值衰落和几何畸变的问题，提出了 一个应用自适应接收技术和t u r b o 码、d s s s 级联编码技术等其他措施 的水印算法，并结合基于图象校准和基于d f t 域匹配模板两种重同步 策略，使水印的稳健性得到进一步的提高，在一定嵌入强度的条件下能 抵抗打印扫描的攻击。 关键词：数字图象水印；稳健性；离散小波变换；几何攻击；打印，扫描攻击 i l a b s t r a c t r o b u s ti m a g ew a t e r m a r k i n g m a j o r ：c o m m u n i c a t i o na n d i n f o r m a t i o ns y s m m n a m e ：l i ny a n s u p e r v i s o r ：p r o f h u a n gj i w u a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h er e v o l u t i o no fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yh a sd e e p l yc h a n g e d p e o p l e sl i f e w h e nt h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yg i v e su sn u m e r o u s c o n v e n i e n c e s ，i tt a k e sm a n yp r o b l e m sa b o u ti n f o r m a t i o ns e c u r i t y e s p e c i a l l y t h e c o p y r i g h tp r o t e c t i o nf o rd i g i t a lm e d i ai si ng r e a td e m a n d a sa l le f f e c t i v em e t h o dt os o l v ea b o v ep r o b l e m s ，d i g i t a lw a t e r m a r k i n gh a s r e c e i v e dc o n s i d e r a b l ea t t e n t i o ni nt h ep a s tf e wy e a r s b yu s i n ga d v a n c e ds i g n a l p r o c e s s i n gt e c h n i q u e s ，d i g i t a lw a t e r m a r k i n ge m b e d sc o p y r i g h tl o g oa n ds i g n a t u r e d i r e c t l yi n t ot h em u l t i m e d i ac o n t e n t s t oe n s u r et h es e c u d t yo ft h ed a t aw i t h o u t c h a n g i n gt h ev i s u a v a u d i a le f f e c to f t h em e d i a w i t ht h es u c c e s so ft h ei n t e m e t ，d i g i t a l w a t e r m a r k i n gw i l lp l a ym o r ei m p o r t a n t r o l e si nt h ec o m i n gd a y s t h e r ea r em a n yu r g e n tp r o b l e m st ob es o l v e d b e f o r ed i g i t a lw a t e r m a r k i n g b e c o m ep r a c t i c a lf o rd i f f e r e n tp u r p o s e s r o b u s t n e s si so n eo ft h ec r u c i a li m p o r t a n t i s s u e sa n di ti se v e nm o r ed i f f i c u l tt oe n s u r et h er o b u s t n e s st og e o m e t r i cd i s t o r t i o na n d p r i n t s c a na t t a c k i nt h i sp a p e r , s o m em e t h o d sh a v eb e e np r o p o s e dt oi m p r o v et h e r o b u s t n e s so fi m a g ew a t e r m a r k i n ga g a i n s tc o m m o ns i g n a lp r o c e s s i n g ，g e o m e t r i c d i s t o r t i o na n dp r i n t s c a na t t a c k t h em a i nc o n t r i b u t i o n so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 1w ep r o p o s et ou s eat r a i n i n gs e q u e n c ee m b e d d e di nt h ed 矾吓d o m a i nt o a c h i e v es y n c h r o n i z a t i o na g a i n s tt r a n s l a t i o n b yu s i n gt h ed y a d i cp r o p e r t yo f t h ed w t , w er e d u c et h ei m p l e m e n t a t i o nt i m e so ft h ed w ta n dl o w e rt h e c o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y an e wm e t h o dt oe s t i m a t et h ea f f l n et r a n s f o r m m a t r i xi s p r o p o s e d i t c a nr e d u c et h eh i g hc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y r e q u i r e di nt h ei t e r a t i v ec o m p u t a t i o n w ep r o p o s e dad w t - d p tc o m p o s i t e w a t e r m a r k i n g s c h e m et h a ti sr o b u s tt oa f f i n et r a n s f o r m sa n dj p e g c o m p r e s s i o ns i m u l t a n e o u s l y c o m p a r e dw i t ho t h e rw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m s 中山大学硕士学位论文稳健图象水印算法研究 r e p o r t e di nt h el i t e r a t u r e ，t h ep r o p o s e dt e c h n i q u ei sm o r er o b u s ta n dh a sa h i g h e rp s n ro fm a r k e di m a g e t h ep r o p o s e d w a t e r m a r k i n gc a l ls u c c e s s f u l l y r e s i s ta l m o s ta l lo ft h ea f f i n et r a n s f o r mi ns t i r m a r kw i t hj p e gc o m p r e s s i o n 2 ) i nm a n ye x i s t i n gw a t e r m a r k i n gs c h e m e s ，t h ew a t e r m a r k i n gc h a n n e ln o i s ei s a l w a y si m p l i c i t l ym o d e l e da sa d d i t i v en o i s ew i t hz e r o m e a n b u ti ns o m e c a s e ss u c ha sp r i n t s c a np r o c e s s i n g ，t h en o i s ei nw a t e r m a r k i n gc h a n n e li s a d d i t i v en o i s ew i t hn o n z e r om e a nd u et of a d i n g b ya d a p t i v er e c e i v i n g u s i n gat r a i n i n gs e q u e n c e ，w em o d e lt h ed a t ae x t r a c t i o na sc h a n n e lo f a d d i t i v en o i s ew i t hn o n - z e r om e a nd u et of a d i n g t h i ss e e m sp a r t i c u l a r l y p r o m i s i n g i n e n h a n c i n g r o b u s t n e s so f w a t e r m a r k i n ga g a i n s tp r i n t s c a n p r o c e s s i n ga n do t h e rc o r r u p t i o nh a v i n gf a d i n gn a t u r e 3 ) w ep r o p o s e aw a t e r m a r k i n g a l g o n a m aw i t he n h a n c e dr o b u s t n e s sb y 印p l y i n ga d a p t i v er e c e i v i n ga n dt u r b oc o d ei na d d i t i o nt o2 - di n t e r l e a v i n g t e c h n i q u e ，r e s y n c h r o n i z a t i o nt e c h n i q u e ，t h ec o n c a t e n a t e dc o d i n go ft u r b o c o d ea n dd s s s ，a n dt h ee m b e d d i n gs t r a t e g yi nt h el ls u b b a n di nd w t d o m a i n t h ew a t e r m a r kw i t ht h ep r o p o s e da l g o r i t h mi sr o b u s tt op r i n t s c a n p r o c e s s i n gw i t hc e r t a i ne m b e d d i n gs t r e n g t h k e yw o r d s ：d i g i t a li m a g ew a t e r m a r k i n g ；r o b u s t n e s s ；d w t ；g e o m e t r i cd i s t o r t i o n p r i n t s c a na t t a c k 第一章绪论 第一章绪论 1 1 立题背景和意义 随着多媒体技术的发展，数字媒体在人们生活中扮演着越来越重要的角色， 它们广泛的应用在教育、科研、工程等各个领域。但是数字媒体( 主要是数字图 像、数字视频、数字音频等) 在提供了大量便捷的同时，本身也具有一个严重的 缺陷，就是很容易被非法修改、复制和传播。特别是现在由于i n t e r n e t 的迅速发 展和普及，使网上数字媒体所面临的安全问题更加严峻。如果它们的知识产权不 能得到有效的保护，将对数字媒体工作者的创作积极性和网络在线服务的发展造 成巨大的影响，进而可能严重的阻碍信息产业，特别是数字媒体产业和信息服务 业的发展，造成巨大的经济损失【1 ，2 。 数字水印就是在这样的背景下被提出的，它是近年来多媒体信号处理领域提 出的一种数字媒体版权保护的新方法。数字水印通过在原始媒体中嵌入水印来证 实该媒体信息的所有权归属或完整性的目的，它将一段标志版权所有者或媒体完 整性的信息( 如一个伪随机序列或一个经过处理的标志媒体) 嵌入到要保护的媒 体产品中。与传统的加密系统不同，数字水印技术的主要目的并不是限制对媒体 的访问，而是确保媒体中水印不被改变或消除，为数字媒体产品打上一个永久性 的烙印，不论如何传播，都可以提供有效的证明信息【3 7 。而且在这个过程中通 常采用特定的技术手段使被嵌入的信息不会被人感知到，只有知识产权的所有者 才能通过检测器确定数字水印是否存在。因此，对数字多媒体面临的诸多安全问 题来说，数字水印技术是一种很有前途的解决方案。 图象水印技术的研究是与数字媒体的版权保护紧密相关的，作为版权保护的 一种崭新的工具，它的研究成果将推动我国在知识产权保护技术方面的发展。同 时由于水印信息的不可见性及与原始媒体的不可分离性，并随着相关研究的不断 深入，数字水印技术的应用领域也在不断拓展，主要包括： 1 ) 媒体所有权的认定和版权保护。含有原创者或销售者版权信息的数字水 印以不可见的方式嵌入到需要保护的数字媒质中，成为保护对象内容的 中山大学硕士学位论文稳健图象水印算法研究 2 一部分。水印的嵌入使得移去水印不可能或足够困难，而检测器根据所 检测到的水印即可辨明数字作品的合法所有者，或辨认媒体合法用户信 息，对媒体的传播进行跟踪。对于媒体创作者，可在媒体传播前嵌入水 印。例如，把水印技术实现在数字照相机中，可以使照片带上摄影师的 信息。有了原始图象、原始水印以及嵌入算法，可在任何情况下对可疑 的、有争议的图象进行测试，证实该图象的所有权归属，从而对媒体的 传播进行跟踪。对于媒体用户，则需要确认媒体的合法来源。在这种情 况下，可采用类似于密码学中的“公开密匙”方法，用户根据密钥对媒 体进行检验。 2 ) 非法拷贝防护。在媒体的录，放设备的设计中应用图象水印技术，当录放 设备工作时，检测媒体上是否有水印存在，以决定该媒体应不应该被莉 放，从而拒绝非法拷贝媒体的流行和使用。这种应用的一个典型例子是 d v d 防拷贝系统，即将水印信息加入到d v d 数据中，这样，d v d 播放 机即可通过检测d v d 数据中的水印信息而判断其合法性和可拷贝性， 从而保护数据所有者的商业利益。同样的原理也可用于广播、电视、计 算机网络在线多媒体服务中的昕、看、访问权限的控制。例如，在广播、 电视接收机和计算机网络的浏览器中应用水印技术，就可以控制音、视 频媒体的听、看权限。 3 ) 数字指纹。为了避免未经授权的拷贝的制作和发行，出品人可以将不同 用户的d 或序列号作为不同的水印( 指纹) 嵌入作品的合法拷贝中。 旦发现未经授权的拷贝，就可以根据此拷贝所恢复出的指纹来追查非法 拷贝的源头。 4 ) 数字作品的真伪鉴别。与名画家的作品类似，随着时间的推移，某些数 字媒体作品也将显示出其珍贵的价值。类似于名画正品和赝品的鉴别也 将在数字媒体中出现。应用水印技术，这一工作将变得比较简单。 5 ) 保密通信。可以把需要传递的秘密信息嵌入到可以公开的图象中。由于 嵌入秘密信息的图象在主观视觉上并未发生变化，察觉到秘密信息的存 在是不大可能的。从这个意义上讲，传输秘密信息的信道也是秘密的， 这将有效地减少遭受攻击的可能性。同时，由于信息的嵌入方法是秘密 的，如果再结合密码学的方法，即使敌方知道秘密信息的存在，要提取 和破译该信息也十分困难。 6 ) 多语言电影系统和电影分级。利用隐式标注技术，可以把电影的多种语 言配音和字幕嵌入到视频图象中携带，在保证图象视觉质量不受影响的 第一章绪论 情况下节省了声音的传输信道。与此类似，把电影分级信息嵌入到图象 中，可以实现画面放映的控制，从而实现电影的分级播放。 7 ) 广播和出版监视。类似于签名，水印用于识别数据的所有者，但这里是 由自动系统进行检测。该自动系统监视电视、无线电广播、计算机网络 以及其它分发信息的通道，以跟踪数据出现在什么时候和什么地方。数 据的所有者希望他们的资料没有被非法地分发。 8 ) 个人身份证件和专用票据的防伪。大额发票、个人有效证件( 如身份证、 驾驶证) 和诸如银行的专用卡和票据( 如个人支票、信用卡、储蓄卡) 等的防伪关系到国家、个人的财产和安全。把数字水印和目前的防伪技 术结合起来，可以更加可靠地起到防伪作用。 1 2 图象隐形水印的基本要求 图象水印一般可分为可见 3 】和不可见【2 】两种。可见水印的应用范围受到较 大限制，因而不可见( 隐形) 水印是目前图象水印的主要研究内容。它通过在原 始图象中嵌入秘密信息来证实该数据的所有权归属或数据的完整性。水印内容可 以是代表所有权的文字或图形图象、音频数据、随机序列等。 稳健图象隐形水印是基于版权保护的需求而被提出的，用于标识数字产品版 权和用户授权等信息，从而作为非法侵权盗版的证据。因此这类应用中的数字水 印在不易被察觉的同时，应能对不同方式的信号处理或恶意攻击具有很强的稳健 性。在一些应用中如版权保护、数字指纹、访问控制等，水印能够抵抗各种各样 的攻击可能是主要关心的问题。 一般来说，对稳健图象隐形水印最关键的要求有以下三个： 1 ) 稳健性。即水印图象经过一些常见的改变后，仍具有较好的可检测性。 这些改变包括常见图象处理( 如数据压缩、低通滤波、图象增强、二次 抽样、二次量化、a d 和d a 转换等) 、几何变换和几何失真( 如裁剪、 尺度拉伸、平移、旋转、扭曲等) 、噪声干扰、多重水印的重叠等。往往 对不同的应用场合，要求有不同的稳健性。 2 ) 不可见性，即不可感知性。水印应该是视觉上不可见的，即其存在不应 该使原始图象的视觉质量发生变化或影响原始图象的视觉效果。 3 ) 嵌入信息量。数字水印算法对信息隐藏容量的要求依赖于不同的应用。 如版权保护应用中对于可嵌入的信息量要求不大，可以是一个随机序列 中山大学硕士学位论文稳健图象水印算法研究 ( 1 比特信息) ，或者是几十到几百个比特( 字符串或者图标) 。水印界 有人认为在一般的水印应用如版权保护、指纹等，1 0 0 比特以下的水印 也许就足够了。而在隐藏通信和标注中则要求的可嵌入信息量要大得多。 在以上图象隐形水印的三个最主要的因素，即稳健性、不可感知( 检测) 性 和信息隐藏容量的关系上，j f r i d r i c h 等【8 3 】提出了如图1 1 所示的魔术三角 ( m a g i ct r i a n g l e ) 。在这三个因素中，始终存在一个有所侧重的方面。系统的性 能是这三个主要因素和其它因素平衡的结果。 4 秘密 信息隐藏骞豢 图1 - 1 稳健性、不可感知( 检测) 性和信息隐藏容量的关系 另外，对图象隐形水印还有以下其他几个要求： 4 ) 计算有效性。水印处理应该由软件或硬件有效地实现，尤其在某些应用 场合如视频水印或在产品网络中监视多媒体数据时，水印检测应足够快， 有时甚至要求水印算法的实现满足实时性的要求。计算有效性非常依赖 于应用，通常，对于嵌入速度和检测速度的要求不是对称的。例如，在 d i v x 加指纹应用中，水印必须用廉价的硬件( 例如几个美元一片的单 片机) 实时地嵌入，在检测时，它们可以无需实时，且由价值不菲的专 业设备检测。另一方面，在用于d v d 的拷贝控制时，检测端用廉价的 芯片实时实现，而嵌入水印可能在价格昂贵的专业设备上进行。另外， 还要考虑伸缩性。计算机的速度每十八个月翻一倍，因此，今天认为计 算上不合理的东西可能很快就可以变为现实。因而设计一种水印使其检 测器和( 或) 插入器对于各代计算机具有伸缩性是非常理想的。 5 ) 秘密性。嵌入过程( 嵌入方法和水印结构) 是秘密的，水印是统计上不 可检测的。对于通过改变水印图象来消除和破坏水印的企图，水印应该 保持存在直到图象己严重失真至丧失使用价值。对于原版媒体的证实， 第一章绪论 通过识别水印是否失真应能判断原版媒体是否被改变过。 6 ) 正确解决所有权的死锁 9 】( 不确定性) 问题。即水印用来作为所有权证 明时，应能给判断提供唯一性的证据。 1 3 图象水印的基本原理和嵌入机制 1 3 1 数字图象水印基本框架 数字水印系统可以看成是一个通信系统，要隐藏的数据是要发送的数据，宿 主图象等作为载体或载波或者作为信道的一部分。一些通信中的技术如匹配滤 波、扩频通信、调制和纠错编码等在数字水印中也被普遍的应用。个数字水印 系统的关键因素包括以下五点： 1 ) 水印载体图象特征域的选择； 2 ) 不可见地嵌入1 比特的嵌入机制； 3 ) 通过合适的调制和复用嵌入多比特的嵌入技术； 4 ) 如何增强稳健性和安全性； 5 ) 嵌入什么数据。 原始图象厶 水印图蒙i i 待嵌入数据j z s u 1 0 1 1 0 1 提取数据y z s u 1 0 1 1 0 1 常规濑览器 i 缩 _ 一浏览录制 一 ，w 待测图 - - t 提取卜一 图1 - 2 数字图象水印系统框图 中山大学硕七学位论文稳健图象水印算法研究 典型的数字图象水印系统框图如图1 2 所示【6 。原始图象，0 ，又叫掩蔽图象 或宿主图象。将待嵌入数据( ) ，又叫水印，由嵌入模块嵌入，o 后得到水印图 象，1 。，l 与，0 的差别称为嵌入失真，是由嵌入过程引入的失真，应该在视觉上为 不可见。在大多数的情况下，待嵌入数据或隐藏数据可以看成比特的集合，依赖 于不同的应用，可以是字符串、文本、图标、图象甚至是可执行的语句等。不同 应用所要求的水印比特数不同，不同应用所要求的提取时的比特差错率也不同， 如版权字符信息可能要求无差错提取，而图标、图象、视频等水印信息却可以有 一定的比特差错率。，l 通常会遭受到各种各样的信号处理或攻击。检测方送到检 测器的图象称为待测图象2 ( 也称为检测图象) 。待测图象如与 间的差值称为 信道噪声。最后提取出来的信息称为提取数据( 1 ，) 。 1 3 2 两种基本的数字水印嵌入机制 我们从无信道噪声的角度来考察现有的一些水印嵌入方法，即是直接从生成 的水印图象中提取水印，根据原始图象的存在是否会增强检测器的性能( 不管原 算法中检测器是否真正地使用了原始图象) ，可以将所有现有的水印算法分为两 类 6 】：宿主图象构成水印检测器噪声源的第一类水印嵌入方法( t y p e i ) 和宿 主图象不构成水印检测器的噪声源的第二类水印嵌入方法( t y p e i i ) 两类。这 两种水印嵌入机制因为原始图象是否构成水印检测的噪声和水印嵌入提取决策 方式、判决范围不同而有一定的区别，应分别对这两种水印嵌入方法建立准确的 隐藏 肌= f 信道 | 水印。同 昶印图k 。爪 测试图象j l6 ： 4 7 倒 1 j 、j t l气i4飞 l 7 原始图象，0 衰落 加性噪声 ( a ) t y p e i 信道 刊墅蚓墅牌1 1 b i 象 ，o，1 、测试图象 r ，) 7 f 编码l = ) l 射 甲丫 ，2 衰落加性噪声 原始图射， ( b ) t y p e i i 图1 - 3 两种数字水印嵌入机制的通信模型 第一章绪论 通信模型，寻求应用通信中纠错编码提高隐藏信息检测性能的方法，分析它们在 不同信噪比情况下隐藏信息的容量及其与水印稳健性的关系。两种数字水印嵌入 机制的通信模型如图1 - 3 所示。 在第一种( t y p e i ) 嵌入机制中，要嵌入的数据可能经过编码、调制和( 或) 乘上一个因子迭加在宿主图象中，如图1 - 3 ( a ) ，它们可以嵌入在图象的某一个特 定域或者在图象的某一特征上。水印图象 和原始图象而的差值是嵌入比特b 的函数，即：，l - o 鼍胎，o ) ，o 可能构成水印检测时的主要噪声源。虽然可以从 水印图象，1 直接检测出b ，但是检测时有原始图象，0 存在可以消除主要噪声源， 从而增强检测器性能。加性的扩频水印 8 ，1 0 1 4 就是t y p e i 的典型例子。基于 扩频技术的这类水印具有扩频通信抗干扰、抗噪声、低功率谱密度、保密性好等 诸多优点。 从图象处理的角度，这类水印可以视为在强背景( 原始图象) 下迭加一个弱 信号( 水印) 。由于人类视觉系统( h u m a nv i s u a ls y s t e m ，h v s ) 的分辨率受到一 定的限制，只要迭加信号的幅度低于h v s 的对比度门限，h v s 就无法感觉到信 号的存在。对比度门限受视觉系统的空间、时间和频率特性的影响。因此，通过 对原始图象做一定的调整，有可能在不改变视觉效果的情况下嵌入一些信息。 另一方面，从数字通信的角度，这类水印的嵌入可理解为在一个宽带信道 ( 原始图象) 上利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，但分布到信道中任一频率上的能量是难以检测到的。水印的译码 ( 检测) 则是一个有噪信道中弱信号的检测问题。 在第二种( t y p e i t ) 水印嵌入机制中，将原始图象而的特征值用映射函数 g ( ) 映射到由嵌入比特b 确定的值j 1 ，如图1 3 ( b ) 所示，b 与j l 的关系由扫= g ( 1 ) 确定。为了最小化视觉变形，一般，。要尽可能地接近o ( 一个例外是修改最低有 效位l s b 嵌入算法或者广义的l s b 嵌入算法，它虽然属于t y p e i i ，但产生的 j l 并不是最接近而的) ，它包括奇一偶嵌入u s 、量化索引调匍 1 1 6 ，1 7 、查表法嵌 入 1 7 ，1 8 等，我们可称之为映射关系施加嵌入方法( r e l a t i o n s h i pe n f o r c e m e n t a p p r o a c h ) 或者映射方法( b i n n i n g a p p r o a c h ) 。这类方法与t y p e i 的最大区别是， 宿主图象不构成水印检测器的噪声源，检测器不需要原始图象如就可对水印进行 检测，因为隐藏信息比特b 仅由，1 即可确定。 t y p e i 和t y p e i i 两种通信模型也有一定的共性。原始信号，0 可理解为一 个宽带信道；隐藏信息可视为一个在此信道上传输的功率受限 ( p o w e r - c o n s t r a i n e d ) 信号；隐藏信息的嵌入，提取模型化为调制解调或映射逆 映射提取：对水印图象的各种攻击可等效为信道噪声( 如与 间的差值) ，将信 中山大学硕士学位论文 稳健图象水印算法研究 道噪声模型化为存在信道衰落并且叠加有加性白色高斯噪声( a w g n ) 的信道噪 声：隐藏信息的检测则是一个衰落有噪信道中弱信号的检测问题。 1 4 图象隐形水印的稳健性 对用于版权标识的数字水印，不可感知性是前提，稳健性则是它最关键的性 能指标，相对而言，对信息隐藏容量的要求可以放松。这是因为，没有足够的稳 健性，无法起到标记版权的目的，而在许多应用场合，能达到标记版权的水印数 据量不一定需要很大。因此，对于版权标记，实现数字水印的命题是：在保证不 改变宿主信号感知效果的前提下，使水印具有最好的稳健性。应当说，数字水印 在版权保护方面的应用是由强大的社会需求驱动的，有相当的紧迫性，目前数字 水印在稳健性方面的不足是影响数字水印得到推广的主要因素，也是最终数字水 印能否在多媒体版权保护等方面得到广泛应用的关键。 1 4 1 水印对稳健性的要求 8 一般来说，图象水印的稳健性应满足如下的要求： 1 ) 抗信号处理的稳健性。指水印对抗图象压缩、图象滤波( 包括线性滤波 如g a u s s i a n 滤波、均值滤波和非线性滤波如中值滤波等) 、图象增强( 包 括锐化、对比度变换、噪声消除等) 、色彩变换、二次抽样、二次量化、 数模( d a ) 和模数( a d ) 变换等。有损数据压缩是多媒体信号在传输 和存储中极有可能遇到的处理，没有理由因为多媒体信号隐藏有水印而 要求用户不进行数据压缩。另一方面，当水印在正常的数据压缩下丢失 时，数据压缩便成为一种有效的攻击手段。因此，对抗正常的数据压缩 是水印的基本要求。低通滤波、图象增强、色彩变换、二次抽样、二次 量化、格式转换等都是图象、音频、视频信号常见的处理方法。它们均 能保持多媒体信号的主要成分，因此要求水印在经历类似处理后仍然存 在是很自然的。d a 和a d 变换涉及到信号在模拟和数字格式之间的转 换，如打印，扫描过程就和证件防伪等应用密切相关，因此也要求水印应 该具有良好的稳健性。 2 ) 编辑和裁剪。有空间几何裁剪、m o s a i c 攻击等。裁剪是对图象，视频信号 进行加工的一种正常处理过程，也可能成为非法盗版者的一种手段或对 水印进行攻击的方法。无论在哪种情况下，水印都需要有较强的抵抗能 力。理想情况下，只要裁掉部分所占的比例不大，水印信息应该完全保 第一章绪论 留。退一步，裁剪可能导致部分水印数据的丢失，但不应影响到整个水 印的检测。 3 ) 仿射变换和几何失真。包括尺度拉伸、平移、旋转、剪切、全局仿射变 换、随机局部扭曲以及它们的组合等。几何处理有可能是图片盗版者的 主要处理手法，如盗版者在水印图象中引入随机局部扭曲使水印检测失 败，而不影响图象的视觉效果，也可以是图片拥有者或者使用者的无意 之失，如为出版或艺术上的处理，让图片放大、旋转等；而几何失真则 可能是图象在传输处理过程中引入的失真或在打印，扫描过程中因为未 对准而造成的失真。对抗仿射变换和几何失真是当前图象和视频水印研 究中一个富有挑战性的课题。 4 ) 噪声干扰。包括高斯加性噪声、乘性噪声等。噪声干扰是信号传输过程 中可能引入的，加性白色高斯噪声( a w g n ) 是最常见的噪声模型。这 也是目前水印算法稳健性能测试的常用指标之一。但需要指出的是，并 非所有的噪声都是a w g n 。 5 ) 多重水印攻击。后续嵌入的水印，是否会破坏先前的水印，或造成版权 证明的二义性。多重水印可能出现在这样的场合，盗版者得到嵌入了合 法水印的宿主信号，然后再嵌入另一个水印冒充所有者。盗版者水印的 嵌入将可能造成两种后果。一是第二个水印的嵌入有可能破坏合法水印； 二是即使不破坏合法水印，但两个水印的存在有可能引起所有权的含糊 不清。稳健水印应该有抵抗这两种可能性的能力。 6 ) 其它恶意攻击。作为版权标识的手段，水印必然会遭遇到各种各样可能 的恶意攻击。对水印的攻击和水印的抗攻击，将类似于密码分析学与密 码学的关系，既相互对立又相互促进，从而推动水印稳健性的不断提高。 1 4 2 影响水印稳健性的主要因素 由于水印可能受到的攻击的种类非常繁多，所以数字水印的稳健性也受到多 种因素的影响，其中主要的因素包括嵌入强度，嵌入对策和水印结构等。 水印的嵌入强度是影响水印稳健性的直接因素。由于水印信号是弱信号，比 较容易受到破坏，所以水印信号越强，其抗干扰、抗消除的能力也就越强。因此， 改善水印稳健性的有效措施是增强水印强度。理论上来说嵌入的水印信号幅度越 大，稳健性越好，但是需要注意的是，增强水印的强度需要考虑不能破坏水印不 可见性的要求。 中山大学硕士学位论文稳健图象水印算法研究 嵌入对策包括嵌入工作域、嵌入系数位置和嵌入方式。在满足不可感知性要 求的前提下，对于给定的宿主信号，允许嵌入的水印能量是一定的。嵌入对策要 解决的问题是如何合理分配水印的局部能量，以达到最好的稳健性能。水印可以 嵌入于不同的工作域。工作域包括空域和不同的变换域( 压缩域可视为特殊的变 换域) ；不同的工作域对于稳健性有不同的影响。选择宿主信号的哪些特征或系 数来隐藏水印，也在很大程度上影响水印的稳健性。这主要的原因是不同的特征 或系数在经过某些攻击后改变的程度不同。嵌入方式是嵌入对策的另一要素，典 型的嵌入方式有两类：第一类是在掩蔽图象的特征值序列上叠加上一个或若干个 经过扩频、调制等的弱信号序列作为水印；第二类是修改掩蔽图象的特征值，使 它与嵌入信息比特间构成某种确定的映射关系。 水印结构是另一个可能影响水印稳健性的因素。典型的水印结构主要有 g a u s s i a n 随机实数序列、均匀分布随机实数序列和二进制随机序列，其中隐藏的 有意义水印最终都可以转换为二进制序列或利用扩展频谱技术转换为实数序列。 在g a u s s i a n 分布和均匀分布随机实数序列之间，在序列等长的情况下，计算的 相似性值，g a u s s i a n 序列的值要大一些。对于不同的水印结构，水印强度参数也 有所不同。 1 4 3 稳健水印的研究现状和趋势 由于数字水印在多媒体版权保护和数字媒体版权管理方面存在着广泛的应 用前景和潜在的巨大商业价值，学术界和产业界都对水印技术的研究给予了足够 的重视。目前在稳健数字水印领域中开展的研究基本上可以分为以下六个方面： 1 ) 数字水印理论与方法的研究 2 0 】。研究数字水印理论和方法有助于为稳 健数字水印建立坚实的理论基础。研究范围包括信息隐藏模型、信息隐 藏容量、信息隐藏的信息论方法、数字水印的稳健性评价、数据的嵌入 方法和嵌入对策等。 2 ) 稳健水印算法 2 1 2 4 】。在不可见性的前提下，稳健性是水印和隐藏信息 最基本的要求。包括稳健性嵌入对策、自适应嵌入水印算法、h v s 认s ( h u m a nv i s u a ls y s t e m h u m a na u d i os y s t e m ) 的应用、隐藏信息的自适 应检测方法等。 3 ) 稳健水印抗去同步攻击。如图象水印抗几何变换、音频水印对抗编辑和 裁剪、视频水印对抗丢帧，关键都是解决水印的同步问题。寻求有效的 重同步方法是目前数字水印研究中的一个难点和热点。 1 0 第一章绪论 4 ) 视频和压缩域( c o m p r e s s e dd o m a i n ) 的水印算法。在压缩域而不是在 原始图象中实现水印和信息的隐藏与检测，在某些应用场合下( 如视频 水印和视频中的信息隐藏) 显得非常重要。 5 ) 水印攻击方法的研究。研究对水印实施攻击以消除水印以及水印对抗攻 击的方法和水印在解决所有权证实方面的作用和不足。 6 ) 稳健数字水印技术的应用。 由于数字水印在信息安全和经济上的重要地位，发展较为迅速，世界各国的 科研机构、大学和商业集团都积极的参与或投资支持此方面的研究。国际上出现 了一系列数字版权管理产品，但是由于缺乏核心的稳健数字水印技术，还存在着 很多问题。美国在2 0 0 2 年通过了一项法律，意图为解决数字版权问题提供法律 上的保证。目前，有多个国际技术组织正在致力于水印标准化工作。有关水印技 术的商用软件系统 2 5 2 7 也已逐步推出。 国家对信息安全产业的健康发展也非常重视，在2 0 0 3 年的科技型中小企 业技术创新基金若干重点项目指南中 3 0 】，明确指出了对于“数字产品产权保 护( 基于数字水印、信息隐藏、或者网络认证等先进技术) ”和“个性化产品( 证 件) 的防伪( 基于水印、编码、或挑战应答等技术) ”等多项防盗版和防伪技术 予以重点支持。我国的电子政务和电子商务的兴起，需要解决根本上的版权保护 和信息安全问题，数字水印是一项很有潜力的技术解决手段。国内各大研究所和 高校纷纷投入数字水印的研究 3 1 3 6 ，现在国内也已经出现了一些生产水印产品 的公司 3 7 】。 1 5 本文的主要工作 本文的工作主要分为两大部分。 第一部分进行了d w t 域图象水印抗几何攻击盲检测算法的研究。针对目前 的隐形图象水印同时对抗j p e g 压缩和仿射变换攻击的能力较弱的情况，提出了 一个对j p e g 压缩和仿射变换双重攻击稳健的d w t - d f t 复合域图象水印盲检测 算法。该部分的研究主要包括： 1 ) 实现了一个d f t 域的快速匹配模板算法，提出了根据检测到的匹配模 板点计算有效的仿射变换矩阵的新方法，解决了如果采用迭代算法需要 的大计算量的问题。提出了一个在d w t 域嵌入训练序列来实现d w t 域水印的平移同步的方法，根据d w t 变换的二进性质，减少了平移同 步中所需要的d w t 变换次数，从而减小了计算量。 中山大学硕士学位论文稳健图象水印算法研究 2 ) 有意义水印避开图象的中频而嵌入在图象d w t 域的低频子带，在图象 d f t 域的中频只嵌入匹配模板，这种方法使模板与有意义水印互不干 扰，提高了稳健性的同时，也改善了水印图象的质量。 3 ) 基于扩频通信原理，提出一个d f t - d w t 复合域的数字水印盲检测算法， 算法从嵌入策略、水印结构和水印检测同步三个方面保证了水印的稳健 性，在对抗常规信号处理和一般线性几何变换方面与现有算法相比都具 有较优的性能。 第二部分鉴于能否抵抗打印，扫描攻击是数字水印走向应用的关键问题之 一，针对目前的水印算法大都不能抵抗该类攻击的问题进行了研究。根据打印 扫描过程中主要涉及的图象特征值衰落和几何畸变问题，提出一个采用自适应接 收和有效的重同步来增强水印稳健性的算法。该部分的研究主要包括： 1 ) 与目前水印研究领域普遍假设的水印信道是一个均值为o 的加性噪声信 道不同，实验表明，d a 、a d 变换如打印，扫描过程和一些常规信号处 理如图象滤波等会引起水印图象特征值衰减的问题，因此应该将水印信 道噪声看成是一个既可能为零均值也可能为非零均值的加性噪声，使用 训练序列来实现自适应接收检测，从而增强了水印对抗打印，扫描和其他 具有衰落特征攻击的稳健性。 2 ) 提出了一个应用自适应接收技术和t u r b o 码、d s s s 级联编码技术等其 他措施的水印算法，并结合基于图象校准和基于d f t 域匹配模板两种 重同步策略，使水印的稳健性得到进一步的提高，在一定嵌入强度的条 件下能抵抗打印，扫描的攻击。 1 6 本文的章节安排 本文对隐形图象水印的稳健性问题进行了系统和深入的研究。全文共分为五 童： 第一章为绪论，阐述了本文的选题背景和研究意义，介绍了数字水印特别是 稳健性水印的基本理论。 第二章主要阐述了m a l l a t 提出的多分辨率分析理论和离散小波变换，并介绍 了小波分析理论及其与人类视觉系统的联系。它是本文研究隐形图象水印的数学 理论基础。 第三章主要研究信息水印采用盲重同步检测抗几何攻击的方法，提出了一个 1 2 第一章绪论 对常规信号处理和仿射变换稳健的d w t - d b t 复合域水印算法。 第四章主要研究在打印扫描过程引起图象特征值衰减和几何畸变的情况 下，如何采用自适应接收技术和有效重同步来提高