（系统分析与集成专业论文）基于人类视觉系统的dct域图像水印算法研究.pdf

d i s s e r t a t i o eas tch i nan or ma l u n i v e r s i t y d c t i m a g ed i g i t a l a l g o r i t h m t e r m a r k i n g ba s e do nh u m a nv i s u a ls y s t e m d e p a r t m e n t ：c o m p u t e rs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y m a j o r ：q 堡卫丛! 星! p p ! i 堡垒! i q 坠! 垒鱼h 卫q ! q g y r e s e a r c hd i r e c t i o n ：! n 鱼堡垒! i q 堕h i 亟i 坠g d i r e c t o r ：里暨曼坠g 丕i 旦迎曼i a p p l i c a n t ：丛i 旦qq 旦q 逸 c o m p l e t e d i na p r i l ，2 010 华东师范大学学位论文原创性声明 郑重声明：本人呈交的学位论文 基于人类视觉系统的d c t 域图像水印算法研究，是在华东师范大学攻读硒生 博士( 请勾选) 学位期间，在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究 成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表 示谢意。 l 一 作者签名： 函医坠日期：加f 年r 月刃日 华东师范大学学位论文著作权使用声明 基于人类视觉系统的d c t 域图像水印算法研究系本人在华东师范大学攻 读学位期间在导师指导下完成的硕搠博士( 请勾选) 学位论文，本论文的研究 成果归华东师范大学所有。本人同意华东师范大学根据相关规定保留和使用此学 位论文，并向主管部门和相关机构如国家图书馆、中信所和“知网 送交学位论 文的印刷版和电子版；允许学位论文进入华东师范大学图书馆及数据库被查阅、 借阅；同意学校将学位论文加入全国博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检 索，将学位论文的标题和摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制 学位论文。 本学位论文属于( 请勾选) () 1 经华东师范大学相关部门审查核定的“内部”或“涉密 学位论文宰， 于年 f ( ) 、 月日解密，解密后适用上述授权。 2 不保密，适用上述授权。 导师签名 本人签名蓝目坠 纠年土月冶日 + “涉密”学位论文应是已经华东师范大学学位评定委员会办公室或保密委员会审定 过的学位论文( 需附获批的华东师范大学研究生申请学位论文“涉密”审批表方 为有效) ，未经上述部门审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认 为公开学位论文，均适用上述授权) 。 姓名职称单位备注 陈强璋教授上海商学院主席 朱敏高级工程师华东师范大学 江红副教授华东师范大学 沈富可副教授华东师范大学 邵时副教授华东师范大学 论文摘要 随着互联网的日益普及，多媒体信息的交流已达到前所未有的深度和广度， 网络也成为众多数字作品发布和传播的主要途径。网络信息技术的高速发展把 人们带入了数字化时代，但也带来了前所未有的挑战。盗版侵权现象同益严重， 而传统的知识产权保护措施已经无法应对当前的数字产品产权保护问题。数字 水印技术正是在这样的背景下发展起来的。 数字水印技术通过特定的算法把版权信息隐藏到多媒体作品里，在不影响 多媒体作品使用价值的同时，起到版权保护的作用。本文在前人研究的基础上， 针对目前数字水印技术发展的现状，基于人类视觉系统对d c t 域图像水印算法 进行了探讨。具体内容如下： 1 回顾了数字水印技术发展的背景，分析了当前数字水印技术研究的现状 和研究中存在的问题和发展趋势。 2 本文选择图像水印的算法作为研究对象，主要针对用于版权保护的透明 水印。鲁棒性和不可见性是数字水印技术中一对矛盾的因素，版权保护的透明 水印需要在保证不可见性的前提下提高鲁棒性，本文主要从水印的嵌入策略上 探讨了这方面的解决办法。 3 本文采用实验和理论分析相结合的研究方法，就如何均衡水印不可见性 以及鲁棒性的问题进行了探讨，提出一种基于人类视觉系统的d c t 域水印算法 并在m a t l a b 7 0 环境下得到仿真验证。 关键词：数字水印，鲁棒性，不可见性 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n gp o p u l a r i z a t i o no ft h ei n t e r n e t ，t h ei n f o r m a t i o ne x c h a n g eo f m u l t i m e d i ah a sr e a c h e da nu n p r e c e d e n t e dl e v e l t h en e t w o r kh a sb e c o m et h em a i n w a yt op u b l i s ha n dd i s s e m i n a t et h ed i g i t a lw o r k s w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f n e t w o r ki n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , w ea r es t e p p i n gi n t ot h ed i g i t a le r a , a n df a c i n g u n p r e c e d e n t e dc h a l l e n g e t h ep h e n o m e n ao fp i r a c yp r e v a i li n c r e a s i n g l y , a n dt h e t r a d i t i o n a lm e a s l e so fi n t e l l e c t u a lp r o p e r t yp r o t e c t i o nc a nn o ts o l v et h ec u r r e n t p r o b l e m s o fi n t e l l e c t u a l p r o p e r t yp r o t e c t i o n o f d i g i t a l w o r k s t h e d i g i t a l w a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g ye m e r g e sa s t h et i m e sr e q u i r e i te m b e d sac o p y r i g h t i n f o r m a t i o ni n t om u l t i m e d i ap r o d u c t sb yd i g i t a lw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m ，a u t h e n t i c a t e s t h eo w n e r s h i pa n dt r a n s m i t st h ea v a i l a b l ei n f o r m a t i o n o nt h eb a s i so fp r e v i o u ss t u d i e s ，t a r g e t i n ga tt h ep r e s e n ts i t u a t i o no fd i g i t a l w a t e r m a r k i n g ，t h ed i s s e r t a t i o np r o b e si n t od c ti m a g ed i g i t a lw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m b a s e do nh u m a nv i s u a ls y s t e m t h em a i ni n n o v a t i v ew o r ki sa sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h eb a c k g r o u n di n f o r m a t i o na b o u tt h ee m e r g e n c ea n dd e v e l o p m e n to f t h ed 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 yi sr e v i e w e d ，a n dt h ep r e s e n ts i t u a t i o n ，t h ee x i s t i n g p r o b l e m sa n dt h ed e v e l o p m e n tt r e n do 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 ys t u d ya r e a n a l y z e d s e c o n d l y , t h et h e s i st a k e si m a g ed i g i t a lw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h ma st h er e s e a r c h o b j e c t ，m a i n l yf o c u s i n go nt r a n s p a r e n tw a t e r m a r k i n gw h i c hi s u s e di nc o p y r i g h t p r o t e c t i o n r o b u s t n e s s a n di n v i s i b i l i t ya r ec o n t r a d i c t o r ye l e m e n t si nd i g i t a l w a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g y t r a n s p a r e n tw a t e r m a r k i n gf o rc o p y r i g h tp r o t e c t i o nn e e d t oi m p r o v et h er o b u s t n e s sa n dg u a r a n t e et h ei n v i s i b i l i t ya tt h es a m et i m e t h et h e s i s p u t sf o r w a r da s o l u t i o nt ot h ep r o b l e mf r o mt h ep e r s p e c t i v eo fe m b e d d i n gs t r a t e g y t h i r d l y , t h et h e s i sa d o p t st h er e s e a r c hm e t h o do fc o m b i n i n gt h ee x p e r i m e n ta n d t h et h e o r ya n a l y s i s ，s t u d i e so nt h ep r o b l e mo fb a l a n c i n gt h er o b u s t n e s sa n dt h e i n v i s i b i l i t y , p u t sf o r w a r dd c ti m a g ed i g i t a lw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mb a s e d o n h u m a nv i s u a ls y s t e m ，a n dm a k e sas i m u l a t i o nv e r i f i c a t i o nw i t hm a t l a b 7 0 k e y w o r d s ：d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ，r o b u s t n e s s ，i n v i s i b i l i t y 目录 第一章绪论o o oo q 1 1 课题研究的背景 1 2 国内外研究的现状 1 3 当前研究存在的不足 1 4 论文的主要工作及组织 第二章数字水印技术基础 2 1 数字水印的概念 2 2 数字水印的原理及系统模型 2 3 数字水印的分类和特性 2 3 1 数字水印的分类 2 3 2 数字水印的特性 2 4 数字水印的应用 2 5 数字水印典型算法 2 5 1 空间域算法 2 5 2 变换域算法o ooo oooo 2 5 3 其他算法 2 6 数字水印的攻击及性能评估 2 6 1 数字水印的攻击方法 2 6 2 水印性能评估 2 7 本章小结 第1 页 第1 页 第2 页 第4 页 第6 页 第8 页 第8 页 第8 页 第1 1 页 第1 1 页 第1 3 页 第1 3 页 第1 5 页 第1 5 页 第1 6 页 第1 7 页 第1 8 页 第1 8 页 第1 9 页 第2 1 页 第三章基于人类视觉系统的d c t 域图像水印算法第2 2 页 3 1 离散余弦变换( d c t ) 理论第2 2 页 3 2 水印信号的生成第2 4 页 3 2 1 无意义水印信号的生成第2 4 页 3 2 2 有意义水印信号的预处理0 o og gg 第2 5 页 3 3 水印的算法设计第2 8 页 3 3 1 嵌入位置的选择0 000 00 第2 8 页 3 3 2 嵌入中频系数的水印算法第3 0 页 3 3 3 嵌入中频系数的水印算法分析第3 2 页 3 3 4 基于h v s 特性确定中频嵌入位置第3 2 页 3 3 5 基于h v s 特性的水印算法第3 5 页 3 3 6 基于h v s 特性的水印算法分析第3 8 页 3 4 两种算法的仿真实验及结果对比分析第3 8 页 3 4 1 攻击实验0 oooooo000 eoooo ooo 第4 0 页 3 4 2 结果分析第4 3 页 3 5 本章小结第4 4 页 第四章结论与展望0 0 0 第4 6 页 4 1 论文总结第4 6 页 4 2 对未来研究工作的展望第4 7 页 参考文献o o0o go00 00 00 第4 9 页 攻读学位期间发表的学术论文第5 3 页 致谢第5 4 页 基于人类视觉系统的d c t 域图像水印算法研究 1 1 课题研究的背景 第一章绪论 随着因特网的日益普及，多媒体信息的交流已达到前所未有的深度和广度， 数字作品的发布形式也愈加丰富。人们可以通过网络便捷的发布自己的数字作 品或重要信息，或者进行网上交易，但随之出现了日益严重的盗版侵权现象， 例如具有版权的图片、音像影视作品在没有授权的情况下被无限制的拷贝、传 播甚至销售，这都极大的侵害了版权拥有者的合法权益。另外，由于数字产品 具有很多特性，如数字产品的复制不会对自身质量产生任何影响，数字产品复 制成本低廉，数字产品纂改方便且难以辨别真伪等，这些都极大的造成了盗版 现象的泛滥。如何有效的保护数字产品的知识产权已成为当前迫切需要解决的 问题。版权保护问题解决的好坏，直接影响我国信息产业的健康发展。当前发 展起来的信息隐藏技术是解决版权保护问题的最有效也是最有潜力的技术，而 数字水印是信息隐藏技术中解决版权保护问题的关键技术。 信息隐藏作为一门新兴的交叉学科，其研究的主要内容就是如何有效的保 护知识产权和进行隐蔽通信。信息隐藏是把一个有意义的信息隐藏在另一个载 体中从而得到一个隐蔽载体n 1 ，侵权者不知道所盗用的作品里隐藏了其他信息， 或者即使知道也无法提取或消除该秘密信息。信息隐藏技术通过把版权信息隐 藏到多媒体作品里，必要时通过提取版权信息作为侵权的证据，这种技术手段 可以有效的保护知识产权。 信息隐藏技术不同于传统的密码学技术。传统的密码技术主要通过对机密 信息进行特殊的编码，使之成为不可识别的密文然后进行传递，这种传统密码 技术的弊端在于检测者通过非法拦截可以将密文破译或者把密文破坏后再发 送，从而影响了机密信息的安全。信息隐藏技术的优势在于机密信息或版权信 息隐藏在公开信息里，这使得破坏者不易从众多公开信息里判断是否有隐蔽信 息存在，从而难以截获到机密信息。 数字水印技术是信息隐藏技术里的一种最重要的技术。所谓数字水印技术 就是将数字、序列号、文字、图像标志等版权信息嵌入到多媒体数据中，以起 到保护版权、数据文件的真伪鉴别或产品标志等作用瞳1 。在当前多媒体信息通 基于人类视觉系统的d c t 域图像水印算法研究 过互联网广泛传播的时代，数字水印成为解决版权保护问题的最有潜力的手段。 数字水印的作用不仅体现在版权保护方面，在数字文件真伪鉴别、秘密通信、 隐含标注等方面也有极为重要的作用。 数字水印涉及密码学、计算机科学、通信理论和信息处理等诸多学科，是 一门新兴的交叉学科。数字水印技术已经取得了很多成果，但与数字产品版权 保护的要求相比，仍然有很大差距。目前不管在国内还是在国外，数字水印的 研究都还处于起步阶段，有很多挑战性的问题需要去攻克。数字水印技术的发 展关系着国家能否在当今世界信息技术变革中掌握主动权，能否为网络数字产 品的传播、电子商务的健康发展提供保障。因此数字水印技术的研究具有极大 的学术意义，也具有巨大的商业价值。 1 2 国内外研究的现状 数字水印技术属于边缘学科，涉及到数字图像处理技术、多媒体技术、信 息隐藏技术、数字信号处理、压缩与编解码技术等。数字水印技术是当前信息 技术变革中的一项重要技术，它吸引了国内外各大研究机构和学者的关注。当 前数字水印尚未形成一套独立完整的学科理论体系，也未形成一套特有的标准 体系。数字水印由于多领域多学科交叉的特点，给研究工作带来了很大的难度， 尽管国内外的研究工作者正在努力建立一个相对完备的、能够提供普遍指导意 义的理论框架，但就目前状况而言，仍有许多问题等待解决。 数字水印技术的出现和发展与信息技术的发展密不可分。在数字水印产生 之前，人们对“水印 概念的建立是和钞票防伪联系起来的，“水印 技术应用 在钞票防伪领域已经有二百多年的历史。“数字水印”这个概念在国际上第一次 提出大概是在2 0 世纪9 0 年代初，之后数字水印得到学术界的广泛关注，数字 水印的研究工作也得到极大的推动。在以计算机技术和网络技术主导的信息技 术变革的推动下，传统的媒体产品都逐渐过渡到数字化时代。人们的生活方式 发生了极大的变化，电子图书、图片可以畅通的在网络上传送，m p 3 歌曲可以 在网上自由下载，支持在线播放的流媒体也给人们的生活带来极大改变，数字 产品的普及使得多媒体作品成为比传统媒体作品更容易盗版的对象。对数字作 品日益严重的盗版侵权行为严重威胁着信息产业的健康发展，信息安全也成为 制约社会数字化环境健康发展的最大瓶颈。因此，研究数字环境下如何有效解 决盗版侵权问题，成为数字水印研究的直接动力。 2 基于人类视觉系统的d c t 域图像水印算法研究 从2 0 世纪9 0 年代中期开始，数字水印的研究和应用进入快速发展时期。 许多研究机构都开始投入人力物力去开展数字水印方面的研究工作，例如，朗 讯贝尔实验室、微软、i b m 等研究机构都开始把数字水印作为重要的研究课题。 数字水印也成为国际会议的重要议题。1 9 9 6 年5 月，第一界国际信息隐藏学术 研讨会( i h w ) 在英国剑桥牛顿研究所举办，数字水印是会议的重要议题，随 后，1 9 9 8 年、1 9 9 9 年、2 0 0 1 年和2 0 0 2 年又连续举办了多届国际信息隐藏学术 研讨会。短短几年，国外数字水印方面的研究论文已从2 0 世纪9 0 年代初期的 数篇增加到几百篇。同时，国际著名的一些学术期刊，如( ( i e e e 图像处理、 i e e e 信号处理等都组织了针对数字水印的专题。 我国对数字水印的研究比国外起步要晚，但数字水印技术在国内受到越来 越多的关注，已经有很多研究机构投入到该领域的研究工作中。国内很多重要 学术研讨会也把数字水印列入重要议题，如全国信息隐藏研讨会( c i h w ) 是我国 信息安全领域中讨论信息隐藏及数字水印技术的专业学术交流会议。第一届全 国信息隐藏研讨会在1 9 9 9 年召开，至今己成功举办了八届。2 0 0 0 年由国家自 然科学基金委员会、国家信息安全测评认证中心、中国科学院等单位支持的数 字水印研讨会对数字水印的关键技术作了探讨，反映出我国当前的一些研究现 状和研究思路。国家对数字水印的研究工作也非常重视，“8 6 3 计划、“9 7 3 项目和国家自然科学基金都对数字水印的研究进行了项目资助。 从实际应用角度来看，越来越多的数字水印系统投入应用并开始发挥作用， 应用领域包括版权保护、真伪辨别、内容认证等。很多公司已经把数字水印嵌 入了自己的产品中，如d i g i m a r c 、j k - p g s 等。美国的d i g i m a r c 公司率先推出 了数字水印软件，其后又把数字水印软件以插件的形式集成到p h o t o s h o p 和 c o r e ld r a w 软件里。a l p v i s i o n 公司研制开发的l a v e l l t 软件通过把特定的字符 信息隐藏到处理过的图片里，必要时提取原始字符来达到鉴别图片出处的目的。 同时，作为检测水印性能的攻击产品也随着问世，如s t i r m a r k 等。目前国内也 出现了很多从事数字水印方面研究和应用的公司，比较具有代表性的是成立于 2 0 0 2 年的上海阿须数码技术有限公司，该公司专门从事数字防伪技术的研发。 随着国内越来越多的企业开始从事数字水印方面的业务开发，表明国内数字水 印技术已经突破理论研究的层面。研究和商业推广相结合能更好的促进数字水 印的快速发展。 目前，图像水印方面的研究主要集中在以下几个方面【2 】： 基于人类视觉系统的d c t 域图像水印算法研究 ( 1 ) 良好鲁棒性水印算法的研究 这方面的研究主要集中在水印优化算法、水印嵌入策略方面的研究，包括 d c t 域和小波域的水印算法研究，能抵御几何变换、压缩处理、信号处理等水 印攻击的嵌入策略研究等，良好鲁棒性算法研究是数字水印最主要的一个研究 方向。 ( 2 ) 水印检测研究 这方面的研究主要集中在水印检测器的优化和检测过程的优化。 ( 3 ) 水印攻击研究 这方面的研究主要集中在研究各种水印攻击手段，如各种无意水印攻击和 有意水印攻击的攻击方法，以及抵御水印攻击、提高水印稳健性的方法。 ( 4 ) 水印性能评价研究 这方面的研究主要集中在如何对水印系统的性能进行综合评估，例如，研 究如何对水印系统的不可见性和鲁棒性进行评估，研究评估标准如何制定才能 使评估更加科学合理且操作更性强。 ( 5 ) 基于人类视觉系统( h v s ) 的水印算法研究 在信息隐藏时利用人类的视觉特性，如视觉掩蔽特性，在不同的噪声敏感 区域嵌入不同强度的水印信息，达到平衡水印的鲁棒性和不可见性的目的3 。 ( 6 ) 水印标准化研究 研究主要集中在各种类型的数字水印的标准的制定上面。 ( 7 ) 水印应用研究 研究主要集中在数字水印的商业开发和应用推广上面，包括在数字化环境 下如何通过水印应用系统对版权进行保护、防止非法复制以及对数字作品的合 法用户进行跟踪等。 1 3 当前研究存在的不足 数字水印技术从正式提出到发展至今只有短短十几年时间，作为一个新兴 的研究领域，数字水印的理论体系还不成熟不完善，它还处于初级研究阶段。 目前数字水印研究存在以下若干问题： ( 1 ) 目前对数字水印的研究大多侧重于应用研究，基础理论研究相对薄弱， 没有形成一个完整的理论体系，这限制了数字水印的全面发展。 ( 2 ) 没有形成客观衡量数字水印系统性能的标准。对于水印的鲁棒性和不 4 基于人类视觉系统的d c t 域图像水印算法研究 可见性，没有客观的评价标准，主要靠主观经验判断或者辅助一些参数的验证。 当前对水印的鲁棒性评估主要靠一些攻击实验取得的参数分析得出，而对水印 不可见性的评估则主要依赖人的主观感觉，由于人类视觉的特殊性，有必要在 人类视觉特性的基础上构建水印性能客观评判标准，当然这不是一件容易的工 作。 ( 3 ) 对于鲁棒性水印的研究，存在一个普遍的问题就是如何平衡好水印的 鲁棒性和不可见性之间的矛盾。 鲁棒性( 稳健性) ，指经过常规信号处理后能够检测出水印的能力。针对图 像的常规信号处理主要包括几何变形、压缩处理、空间滤波等。不同水印鲁棒 性要求不同，最有版权保护作用的鲁棒性水印对鲁棒性要求较高，而脆弱性水 印则极力避免鲁棒性。显然，鲁棒性是衡量具有版权保护作用的水印抵抗攻击 的重要性能指标。 不可见性( 透明性) ，指数字水印被隐藏到载体信息里后，不影响原载体的 视觉应用，即隐藏在载体信息里的水印数据无法被看到。 鲁棒性和不可见性是鲁棒性透明水印的两种最基本的特性，即水印必须是 不可见的和难以破坏的。理想的水印应该是具有良好的鲁棒性和良好的不可见 性。但在实际情况中，这两种特性是矛盾的，因为不可见性要求嵌入的水印信 息尽可能少，这样才能更好的达到不可见性，不影响水印载体的视觉应用，而 鲁棒性则要求嵌入的水印强度尽可能大，这样才能经得起水印攻击，达到更好 的鲁棒性。当前研究的难点就在于如何平衡好鲁棒性和不可见性，使水印在不 可见的前提下达到良好的鲁棒性。 基于人类视觉系统( h v s ) 的水印研究在近些年成为一个研究的热门课题。 人类视觉特性主要是视觉掩蔽特性，即人眼在图像的平滑区或边缘区对噪声比 较敏感，而在纹理区对噪声不敏感。利用人眼视觉特性，把图片按噪声敏感程 度划分区域，不同水印强度的信息嵌入到不同的噪声敏感区域，如平滑区可以 嵌入强度小的水印信息，纹理区可以嵌入强度大的水印信息。基于人类视觉系 统的水印嵌入策略可以充分利用人眼视觉特征，做到在保证水印不可见的前提 下增加水印的嵌入强度，达到很好的鲁棒性。 另外水印的嵌入位置也是影响水印鲁棒性的重要因素。有些算法h 1 把水印 嵌入到高频分量里，以保证水印的不可见性，但这样的做法导致水印鲁棒性较 差；有些算法畸1 提出水印应该嵌入在人类视觉系统感觉比较重要的地方，如低 基于人类视觉系统的d c t 域图像水印算法研究 频分量中，这样可以保证水印的鲁棒性，但又会影响到不可见性。因此有些算 法哺1 尝试把水印嵌入中频分量里，来达到鲁棒性和不可见性的平衡。 本文结合人类视觉系统，主要针对水印的嵌入位置进行研究，把水印嵌入 到中频系数分量里，在保证水印不可见的基础上获得良好的鲁棒性。 1 4 论文的主要工作及组织 本文主要研究基于人类视觉系统的d c t 变换域数字水印算法，在嵌入位置 上选择中频系数，从而使水印达到不可见性和鲁棒性的良好平衡。 数字水印从载体上分为文本数字水印、图像数字水印、音频数字水印和视 频数字水印。其中数字图像水印是最基础也是最重要的研究方向，视频数字水 印在某些原理上和图像水印较为相似，可以看成是图像水印在时空域上的连续 图像序列，因此本文选择图像水印作为研究对象，在设计水印算法时，以灰度 图像作为水印载体进行设计。 数字水印已经形成了很多典型的水印算法，有空间域算法、变换域算法、 压缩域算法、基于生理模型的算法( 如h v s ) 1 等，这些算法的基本思想都是 设计理想的水印嵌入策略，找到理想的水印嵌入位置，在保证可见性的基础上 合理的增强水印的强度，使水印在遭受各种水印攻击后仍能被水印检测器完整 的检测提取出来，从而达到好的鲁棒性。本文选择d c t 变换域算法设计水印， 结合人类视觉系统( h v s ) 的各种掩蔽特性，在嵌入位置上选择d c t 中频系数 作为水印的嵌入位置。 论文的主要工作和章节安排如下： 第一章简要介绍数字水印的研究背景、国内外研究现状、当前研究中的 不足以及本文的主要工作及组织。 第二章介绍了数字水印技术的理论基础，包括数字水印的概念、原理和系 统模型、分类、特性、应用、典型算法、数字水印的攻击方法和性能评估等。 第三章分别介绍了一种常规的嵌入中频系数的数字水印算法和一种基于 人类视觉系统( h v s ) 的嵌入中频的水印算法，并在m a t l a b 7 0 环境里做了对比 仿真实验，实验数据验证了基于h v s 的中频系数嵌入算法具有更好的鲁棒性和 不可见性。h v s 特性非常适合用在数字水印的算法设计上。水印的嵌入原理就 是在强背景图像( 如原始数字作品) 的基础上叠加一个较弱的水印信号，当叠 6 基于人类视觉系统的d c t 域图像水印算法研究 加的信息没有超过人眼的敏感阈值，人眼就察觉不到水印的存在，从而达到了 水印的不可见性。h v s 的亮度敏感特性、频率敏感特性、纹理敏感特性用在水 印的算法设计上可以有效的提高水印的鲁棒性和不可见性。 第四章总结和展望，对全文进行了总结，并指出下一步的研究方向。 7 ：警 基于人类视觉系统的d c t 域图像水印算法研究 第二章数字水印技术基础 2 1 数字水印的概念 数字水印( d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ) 技术是一种信息隐藏技术，它的基本思想 是将数字、序列号、文字、图像标志等水印标识信息嵌入到数字化的作品( 如 图像、声音、视频) 里订1 。其中，水印标识信息通常是不可见或不可察觉的， 它可以是版权信息或用户个人信息，通过对含有水印的载体进行检测将水印标 识信息提取出来，作为数字作品的版权证明；也可以通过检测水印标识信息的 完整性，判断数字作品是否发生过变化，来鉴定数字作品的真伪及纂改情况， 这种水印多用于数字作品的认证。 数字水印技术和信息隐藏技术里的隐写技术是有区别的隅1 ，隐写技术的目 的是在不引起任何怀疑的情况下秘密传送信息，因此隐写技术的主要要求是不 被检测到和大容量的传送信息，而用于版权保护的数字水印则要求具有较好的 鲁棒性，对抗各种水印攻击。隐写技术隐藏的内容可以是各种秘密信息，而数 字水印隐藏的信息主要是数字作品的版权信息或与作品所有者有关的信息。 2 2 数字水印的原理及系统模型 从信号处理的角度来看，数字水印的生成原理可以认为是在强背景的信号 ( 原始图像) 下叠加一个弱信号( 水印) 。由于人类视觉系统( h v s ) 的特性， 当强信号和弱信号的叠加幅度低于人类视觉系统的对比度门限时，人眼就无法 感觉到水印信号的存在。当然这里的对比度门限受很多因素的影响，如人类视 觉系统的空间、时间和频率特性等因素。因此，可以通过调整原始图像，来达 到不改变原始图像视觉效果的前提下嵌入一些信息( 水印) ，这就是数字水印嵌 入的基本原理。 数字水印系统包括两个基本的构造模块砷1 ：水印嵌入系统和水印恢复系统。 水印嵌入系统至少有两个输入量：一个是秘密信息，它经过适当的变换后成为 待嵌入的水印信号；另一个是要在其中嵌入水印的数字作品( 也称载体作品) 。 为了水印的安全，水印嵌入系统还可以输入密钥，以避免未授权方恢复和修改 水印。水印嵌入系统输出的是载体作品。水印恢复系统把嵌入水印后的载体作 8 基于人类视觉系统的d c t 域图像水印算法研究 品、密钥、原始数据或原始水印作为输入量，输出的是水印或某种可信度的值， 用来判断检测对象中是否含有水印。在检测水印的时候，检测的嵌有水印的数 字作品一般都是经过信道传输，经历常规信号操作后的数字作品，可以认为是 受过水印攻击的数字作品。 通用的水印系统框架可定义为一个六元组( x ，w k g e ，d ) ，六元组描述如 下： ( 1 ) x 代表所要保护的数字作品的集合，其中) ( o 代表将要嵌入水印的原 始数字作品，x w 代表嵌入水印后的数字作品。 ( 2 ) w 代表所有可能的水印信号的集合。 ( 3 ) k 代表水印密钥的集合。 ( 4 ) g 代表利用被保护的数字作品x 和密钥k 共同生成水印的算法，即 g ：x k w ，w = o ( x ，k ) ( 2 - 1 ) ( 5 ) e 代表将水印w 嵌入原始数字作品x 0 的算法，即 e ：x w k - x ，x w = e ( x o ，w j k ) ( 2 2 ) ( 6 ) d 表示水印的检测算法，即 d ：x k 一 o ，1 ) ( 2 - 3 ) f1 ，如果岩中存在矽( h ，) d ( x ，k ) = ( 2 - 4 ) 1 0 ，如果宕中不存在形( h 。) 其中x 是被攻击后的含水印数字作品，h l 和h o 代表二值假设，分别表示 水印的有和无。 实际的应用中，完整的水印系统要完成的操作通常包括水印的生成、嵌入、 提取和检测。 ( 1 ) 水印的生成 水印信号可分为无意义水印信号和有意义水印信号，无意义水印信号可以 是伪随机实数序列或混沌序列信号，它们在水印嵌入时可以被直接使用。有意 义水印信号代表一定意义的文体、声音、图像或视频信号，出于安全考虑，往 往需要对有意义水印信号进行预处理。 ( 2 ) 水印的嵌入 水印的嵌入过程可用图2 1 表示。水印的嵌入规则主要有加性嵌入规则和 乘性嵌入规则。加性嵌入规则表示的公式如下所示： 9 基于人类视觉系统的d c t 域图像水印算法研究 xw=x+tzw(2-5) 乘性嵌入规则表示的公式如下所示： = x 。( 1 + a w ) ( 2 6 ) 上面两个公式里，是嵌入水印后的数字作品，x 为嵌入水印前的原始图 像，w 为水印。口为嵌入因子，用来调整水印的嵌入强度因子。口的选择必须 考虑水印的不可见性和鲁棒性直接的平衡问题。加性嵌入规则和乘性嵌入规则 对空域和变换域算法都适用，但由于乘性嵌入规则在空间域算法中引起的改动 比较大，因此在空间域算法中较少使用乘性嵌入规则。 水印w 原始数字 作品x o 私钥公钥k 嵌入水印后的数字作品x w 图2 1 数字水印嵌入过程 ( 3 ) 水印的提取 水印的提取与水印的嵌入是个相逆的过程。水印可以从载体数据里被精确 的提取出来，例如，用于图像认证的脆弱性水印只有精确提取才能判定载体数 据的完整性。提取的水印也可以通过比较与原始水印的相似度来确定水印的身 份。水印的提取可以需要原始水印和原始载体信息的参与，也可以不需要，对 应的是非盲水印和盲水印，这由提取技术确定。水印的提取如图2 2 所示，虚 线表示原始载体信息并不一定需要。 含水印的载体信息 密钥 原始载体信息 图2 2 数字水印提取过程 提取出的水印 ( 4 ) 水印的检测 水印检测的目的是检测出载体信息里是否嵌入了指定的水印信息。检测的 结果要看提取的水印与原始水印相关性的阈值，当检测的结果超出设定的阈值 1 0 基于人类视觉系统的d c t 域图像水印算法研究 后就认为含有指定的水印，否则说明没有含有指定的水印。水印的检测如图2 3 所示。 含水印的载体信息原始水印 密钥 原始载体信息 图2 3 数字水印检测过程 2 3 数字水印的分类和特性 2 3 1 数字水印的分类 水印是否存在 数字水印有很多分类方式，分类的出发点不同，导致分类的方法有所不同， 不同的分类方法之间既有联系又有区别，最常见的分类方式有如下几种瞳1 ： ( 1 ) 按水印的载体分类 按水印的载体分类，数字水印可分为文本水印、图像水印、音频水印、视 频水印和用于三维网格模型的网格水印【l l 】等。数字水印是随着信息技术的发展 而不断进步完善的，当更多的数字媒体载体出现时，相应的数字水印会随之产 生。图像水印的研究是所有水印研究的基础，图像水印的理论成果可以扩展应 用到音频和视频水印中。 ( 2 ) 按对水印的视觉感知分类 按对水印的视觉感知分类，数字水印可分为可见水印( v i s i b l e w a t e r m a r k i n g ) 和不可见水印( i n v i s i b l ew a t e r m a r k i n g ) 。可见水印指的是水印在 嵌入数字作品后是可以看见的，例如用于电视台的台标、音像出版社的标志或 免费图片的样本发布等。不可见水印指的是水印在嵌入数字作品后是看不见的， 具有不可见性，如嵌入图片、音频、视频的数字水印，当需要时可以通过检测 提取算法，把水印标识提取出来作为数字作品版权的证明，这是目前应用最广 泛的水印。 基于人类视觉系统的d c t 域图像水印算法研究 ( 3 ) 按水印的用途分类 按水印的用途分类，数字水印可分为鲁棒性透明水印、脆弱水印、不透明 水印。鲁棒性透明水印主要用于版权保护，它是在数字作品里嵌入版权标识信 息或用户授权等信息，当发生版权纠纷时通过提取水印作为版权的证据。这种 水印在具有不可见性的同时，需要很好的鲁棒性，能抵抗各种水印攻击。脆弱 水印指的是能反映出数字作品是否发生改变的数字水印，这种水印能对数字作 品的改变产生敏感的反映，主要用于数字作品的内容及版权等关键信息的真实 性鉴定，防止非法纂改和伪造。不透明水印，也称可见水印，它以人眼可见的 形式在原始图像或原始视频里嵌入水印，常用于电视台的台标、音像出版社的 标志或免费图片的样本发布等。 ( 4 ) 按水印检测方式分类 按水印检测方式分类，数字水印可分为非盲水印( n o n b l i n dw a t e r m a r k i n g ) 、 半盲水印( s e m i b l i n dw a t e r m a r k i n g ) 和盲水印( b l i n dw a t e r m a r k i n g ) 。非盲水印 指的是在检测水印时需要提供原始水印和原始载体数据；半盲水印在检测水印 时不需要提供原始载体数据，但需要提供原始水印才能检测；盲水印在检查时 既不需要原始载体数据也不需要原始水印，只需要提供密钥就行了。 ( 5 ) 按水印的嵌入位置分类 按水印的嵌入位置分类，数字水印可分为空间域水印和变换域水印。空间 域水印是通过直接修改原始图像的像素值来嵌入水印标识信息的。变换域水印 指的是靠通过改变变换域系数来隐藏水印标识信息。变换域水印和空间域水印 相比，具有更好的鲁棒性，并且人类视觉特性可以方便的结合到水印编码过程 中，国际压缩标准也和变换域方法兼容，因此变换域水印得到了更多的应用。 ( 6 ) 按水印信号的意义分类 按水印信号的意义分类，数字水印可分为有意义水印和无意义水印。有意 义水印指的是嵌入的水印信号具有确定意义，如嵌入的水印信号是一个图像或 者是一段音频编码；无意义水印指的是嵌入的水印信号没有确定含义，如嵌入 一个随机实数序列、伪随机二值序列或混沌序列等。这两种水印的区别在于当 有意义水印遭受攻击或其他原因致使水印信息受损，提取水印后仍可以通过观 察判断载体里是否含有水印，而无意义水印在提取水印后若有码元错误，只能 通过统计决策来确定载体里是否含有水印。在实际应用中，有意义水印在版权 保护中应用得更加广泛。 1 2 基于人类视觉系统的d c t 域图像水印算法研究 2 3 2 数字水印的特性 数字水印作为一种信息隐藏技术，除了具备信息隐藏的一般特点之外，还 有其自身的很多特性。例如，对于版权保护的鲁棒性透明水印而言，首先水印 的存在不能影响水印载体的使用价值，另外水印如果在信道的传输过程中被破 坏，对于水印载体而言，并不影响其使用价值，但对于水印系统而言，水印的 版权保护作用已经丧失，因此这类水印需要有良好的抗攻击能力。归纳下来数 字水印主要包括以下特性： ( 1 ) 不可见性( i n v i s i b i l i t y ) 数字水印的不可见性也称透明性n 引，指的是数字作品在嵌入水印后，不影响 原作品的使用价值，即嵌入的水印信息是人眼看不到的，嵌入水印后的数字作 品和原作品相比，人眼很难发现两者的差别。 ( 2 ) 鲁棒性( r o b u s t n e s s ) 鲁棒性在有些文献资料里也称稳健性。鲁棒性指的是嵌入水印的数字作品 经过常规的信号处理后能够检测出水印的能力。针对图像的常规操作包括几何 变形、有损压缩、空间滤波等操作。用于版权保护的数字水印对鲁棒性的要求 较高，但在某些情况下，鲁棒性毫无用处甚至极力避免，例如用于真伪辨别的 脆弱水印，它要求对图像的任何信号处理都应该将水印破坏掉。 ( 3 ) 安全性( s e c u r i t y ) 数字水印的安全性指的是水印抵抗各种有意纂改和恶意攻击的能力，它有 别于鲁棒性水印涉及的普通信号失真，恶意攻击指的是任何有意破坏水印功能 的行为。 在水印技术中，不可见性和鲁棒性是一对非常重要但又矛盾的因素。理想 的水印算法，应该是既能保证不可见性，又能有良好的鲁棒性。但要达到这样 的条件比较困难