（系统理论专业论文）基于随机共振现象的数字图像水印研究.pdf

摘要 随着计算机网络，多媒体技术和信息隐藏科学的快速发展，数字产品的版权保 护问题和认证完整性变得日趋重要。尽管自2 0 世纪9 0 年代初以来，数字水印技术 己受到国内外学术界的广泛关注，并且已经取得显著的成果，但是作为一个新的研 究领域，数字水印技术仍有很多理论和技术问题需要解决。有鉴于此，本文围绕目 前数字水印领域存在的一些主要问题开展了深入的研究，并基于随机共振理论提出 了两种新的数字水印算法。 首先，我们提出了一种基于随机共振的数字图像多水印算法，将多水印信息调 制为不同码率的二进制脉冲幅值调制信号，然后选取图像d c t 不同段中频系数进行 置乱，按照加性数字多水印的嵌入算法，对于数字水印信息的加密过程进行了改进。 依据多水印信息的特点，采用一种双稳态非线性检测器来进行检测水印，这种非线 性检测器具有较好的鲁棒性，可以检测出不同码率的数字多水印。实验表明，这种 加密和检测方法对于j p e g 压缩和剪切等多种攻击具有较好的鲁棒性。 进一步地；我们研究了阵列噪声增强技术在数字水印技术中应用。非耦合的双 稳态检测器组成的并联阵列可视为一种规则网络，阵列噪声与检测器参数都是可调 谐参数，网络输出性能能够由非零阵列噪声优化，这就是阵列随机共振现象，也可 以视为一种阵列噪声增强技术。我们运用改进的数字水印嵌入算法将水印嵌入到原 始图像中，通过阵列噪声增强技术，提取水印和原始水印字符的相似度与单独的双 稳态检测器检测结果相比得到了迸一步改善。本文研究的结果是复杂随机系统在信 息处理中的一个新拓展。 关键词：随机共振；数字水印；双稳态检测器；阵列噪声增强技术 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 ，m u l t i m e d i at e c h n o l o g ya n d i n f o r m a t i o nh i d i n gt e c h n o l o g y ，t h ep r o b l e mo fc o p y r i g h tp r o t e c t i o no fd i g i t a lw o r k sa n d t h ei n t e g r i 哆c e r t i f i c a t i o nb e c o m e sf a rm o r ei m p o r t a n t a l t h o u g hm u c hh a sb e e nd o n eo n d i g i t a lw a t e r m a r k i n gi nt h ep a s tf e wy e a r s ，m a n yp r o b l e m sr e m a i nt ob er e s o l v e d i nt h i s t h e s i s ，w ed e s c r i b et w on o v e ld 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 sb a s e do nt h et h e o r yo f s t o c h a s t i cr e s o n a n c e f i r s t ，w ep r e s e n tad i g i t a li m a g em u l t i p l ew a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mb a s e do n s t o c h a s t i cr e s o n a n c e w em a pt h em u l t i - w a t e r m a r km e s s a g e si n t ob i n a r yp u l s ea m p l i t u d e m o d u l a t e ds i g n a l sw i t hd i f f e r e n tc o d er a t e s ，a n dt h e na d dt h em u l t i w a t e r m a r km a s s a g e s t od i f f e r e n td c tc o e f f i c i e n t so fa ni m a g ei nm e d i u mf r e q u e n c yd o m a i n ：w h i c hh a v e b e e n d i s a r r a n g e db ya r n o l dt r a n s f o r m a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co fm u l t i - w a t e r m a r k ，w e e m p l o yan o n l i n e a rb i s t a b l ed e t e c t o rt od e t e c tt h em u l t i w a t e r m a r km a s s a g e s t h i sk i n d o fn o n 1 i n e a rd e t e c t o rc a nd e t e c tw a t e r m a r k sw i t hd i f f e r e n tc o d er a t e s ，a n di sr o b u s tf o r c o n d i t i o n so fm u l t i r a t ei n p u ts i g n a l s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h i sa l g o r i t h m t a i lr e s i s ta g a i n s ts e v e r a la t t a c k s ，s u c ha si p e gc o m p r e s s i o n ，c u ta t t a c k ，a d d i n gg a u s s i a n n o i s ea n ds o0 1 1 f u r t h e r m o r e ，w er e s e a r c ht h ea p p l i c a t i o no fa r r a y n o i s e - e n h a n c e dt e c h n o l o g yi nt h e d o m a i no fd i g i t a lw a t e r m a r k i n g ar e g u l a rn e t w o r k i e a nu n c o u p l e dp a r a l l e la r r a yo f b i s t a b l ed e t e c t o r s ，c a nb eo p t i m i z e db yn o n z e r oa r r a yn o i s ea sw e l la sd e t e c t o r p a r a m e t e r s t h i s i st h ee f f e c t o f a r r a y s t o c h a s t i cr e s o n a n c e ，o rn a m e d b y a r r a y n o i s e e n h a n c e dt e c h n o l o g y w ee m b e dw a t e r m a r ki n t ot h e 砸g t n a li m a g eu s i n g i m p r o v e dd 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 i n t e r e s t i n g l y , h i g h e rs i m i l a r i t yb e t w e e nt h e o n g i n a lc h a r a c t e ra n dt h ee x t r a c t e do n ec a l lb ef u r t h e ra c h i e v e db yap a r a l l e la r r a yo f b i s t a b l ed e t e c t o r sv i at h en o i s e e n h a n c e dt e c h n o l o g y t h ep r e s e n td i g i t a lw a t e r m a r k i n g a l g o r i t h m sa n dr e l a t e dr e s u l t se x t e n dt h ea p p l i c a t i o no fc o m p l e xr a n d o ms y s t e m st o i n f o r m a t i o np r o c e s s i n g k e yw o r d s ：s t o c h a s t i cr e s o n a n c e ；d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ；b i s t a b l ed e t e c t o r ； a r r a y - n o i s e - e n h a n c e dt e c h n o l o g y 青岛大学硕士毕业论文 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系本人在导师指导下独立完成的研究成果。文中 依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上 已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人己用于其他学位申请的论文或成 果。 本人如违反上述声明，愿意承担由此引发的一切责任和后果。 论文作者签名： 晁锱 日期：历矿睁乡月l f p 日 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的学位论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。 学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校 后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为 青岛大学。 本学位论文属于： 保密口，在1 年解密后适用于本声明。 不保彬 ( 请在以上方框内打“”) 论文作者签名： 导师签名： 冠文培 ”殳 日期：如年占月多日 日期：川年6 月6 日 青岛大学硕士毕业论文 第一章引言 1 1 研究的历史背景 1 1 1 数字水印的起源 说起水印，人们最先想到的就是钞票中的水印，它可以起到防止伪造的作用。 事实上，水印的历史相当渊源，1 2 8 2 年纸水印在意大利诞生n 1 ，现在也被广泛的应 用于货币，各种证券、票据和各种需要标识的纸张中，以起到标识和防伪的作用。 我们提到的数字水印和水印有相似之处，数字水印技术就是为了在数字产品的传播 和使用中起到防伪和标识作用的一种信息隐藏技术偿1 。 数字水印技术的基本思想源于古代的密写术( s t e g a n o g r a p h y ) 协1 。一个著名的例 子就是罗马人将机密信息刺在剃光了头发的信使头上，等头发长长之后再将信使派 往敌后，收信方为了读取密写的消息需要重新将信使的头发剃去曙3 。另外古希腊的 斯巴达人曾将军事情报刻在普通的木板上，用石蜡填平，收信的一方只要用火烤热 木板，融化石蜡后，就可以看到密信h 1 。在各种各样的古代密写术中，使用最广泛 的密写方法恐怕要算化学密写了，牛奶、白矾、果汁等都曾充当过密写药水的角色。 可以说，人类早期使用的保密通信手段大多数都属于密写术而不是密码术。但是， 与密码术( e n c r y p t i o n ) ，相比，密写术始终没有发展成为- - t - 独立的学科，究其原因， 主要是因为密写术缺乏必要的理论基础h 1 。然而，随着计算机通信技术和互联网的 迅速发展，当今的数字化技术为古老的密写术注入了新的活力，也带来了新的机会。 在研究数字水印的过程中，研究者们大量借鉴了密写技术的思想，尤其是近年来信 息隐藏技术理论研究的兴起，更给密写术成为- - f - 严谨的科学带来了希望。毫无疑 问，密写术将在数字时代得以复兴，数字水印技术作为信息隐藏技术的分支也将得 到长足的发展。 1 1 2 数字水印的国内外研究现状 数字水印技术作为近年来新提出的信息隐藏技术的一个分支在国内外都引起了 许多学者的重视，而且发展速度也相当快。1 9 9 2 年国际上正式提出了信息隐形性研 究，并于1 9 9 6 年在英国剑桥大学召开了第一届国际信息隐藏学术会议。1 9 9 8 年以 来，( ( i e e e 图像处理、 i e e e 会报、m e e 通信选题、m e e 消费电子学等许 多国际重要期刊都组织了数字水印的技术专刊或专题新闻报道。在我国，数字水印 技术的发展也很迅速，数字水印技术一被提出国内就有许多的研究机构及大学开始 从事信息隐藏和数字水印方面的研究。并于1 9 9 9 年1 2 月1 1 号召开了第一届全国信 息隐藏学术研讨会，以后每年都会召开哺1 。 由于数字水印技术的应用前景和在政治、经济、技术上的重要性，全球支持或 第一章引言 开展此项研究的政府机构和研究部门也有很多，包括美国财政部、美国版权工作组、 美国洛斯阿莫思国家实验室、美国海陆空军研究实验室、欧洲电信联盟、德国国家 信息技术研究中心、日本n 订信息与通信系统研究中心、麻省理工学院、南加利福 尼亚大学、普渡大学、剑桥大学、瑞士洛桑联邦工学院、微软公司、朗讯贝尔实验 室、c a 公司等机构。同时，m m 、日立、n e c 、p i o n e e r 和s o n y 五家公司还宣布联 合研究基于信息隐藏的电子水印。 在国内同样也有很多机构和部门进行着关于数字水印技术的研究和开发，国内学 者开始关注数字水印。国内较早涉入水印技术领域比较有代表性的有哈尔滨工业大 学的孙圣和、牛夏牧、陆哲明等哺3 ，天滓大学的张春田、苏育挺等一3 ，中国科学院 自动化研究所的刘瑞祯、谭铁牛等1 ，中山大学的黄继武等钔。近年来，台湾地区 和中国大陆地区在数字水印方面的研究已经在国际上占相当分量，但是通过很多会 议的报告看，国内在数字水印方向上的研究水印与国际水平相差不远。 尽管国内外都有很多的机构和部门进行关于数字水印技术的研究和开发，但是 数字水印技术作为新兴的信息隐藏技术依然处于发展的初级阶段，到目前为止，还 没有建立起数字水印技术的完整理论基础，也没有个统一的性能测试和评价体系， 所以数字水印技术的标准化作为一项关系司法认证的技术，尤其是作为标示行政管 理信息的手段，有着非常重要的意义。从市场经济的角度看，水印技术标准化还意 味着相应产品的垄断，谁的技术成为法律认可的标准，谁就理所当然地享有巨大的 市场份额。所以m m 、n e c 等信息产业巨头一直在积极参与有关版权保护水印技术 标准的制定工作。在我国，知识产权问题也一直是一个敏感的话题，所以只有深入 开展数字水印技术的研究，尽快制定我国的版权保护水印标准，才能使我们在未来 可能的国际知识产权纠纷中取得主动权。 1 1 3 随机共振及其在数字水印中应用发展 随机共振理论是在1 9 8 1 年由b e n z ir i s 在研究地球冰川期问题时提出来的。并将 之解释为动态非线性系统在周期力和加性高斯自噪声的驱动下的协同作用。一般情 况下人们认为增加噪声会减小系统输出的信噪比，也就是说噪声对系统来说是有害 的，但是在随机共振理论下噪声对系统起到了积极的作用，利用噪声可以提高系统 的输出信噪比。所以随机共振的出现为弱信号的检测提供了一种新的思路，对信息 科学的发展有着重要意义，对数字水印技术的发展开拓了一个新的领域，提供了一 种新的方法。 首先，孙水发等n 6 提出的基于参数引导的随机共振的数字水印算法第一次将随 机共振理论应用于数字水印的检测过程，提出了一种薪的数字水印的变换域算法， 并得到了比较好的实验结果，然后d u a n n 7 3 等， w u 和q i u n 耵也根据随机共振的理论 2 青岛大学硕士毕业论文 改进了随机共振理论在数字水印技术领域中的应用。所以随机共振理论在数字水印 技术中的应用研究既丰富了随机共振理论的应用，又促进了数字水印技术的新发展， 这种应用的研究方兴未艾，有待于我们进一步研究和拓展。 1 2 研究内容 1 2 1 研究的目的 计算机通信技术和互联网的迅速发展使得数字多媒体的传播越来越方便快捷。 特别是随着数字化技术的飞速发展，数据的交换和传输变成了一个相对简单的过程， 人们借助于计算机、数字扫描仪、打印机等电子设备可以方便、迅速地将数字媒体 信息传输到需要的地方。但是数字化技术在最大限度地拓宽了人们的利益范围的同 时，也带来了版权的危机。许多盗版者可以以低廉的成本复制及传播未经授权的数 字媒体内容。这一系列数字化技术本身的可复制和广泛传播的特性所带来的负面效 应，己成为信息产业健康持续发展的一大障碍，目前，数字媒体的信息安全、知识 产权保护和认证问题变得日益突出，且已成为数字世界中一个非常重要和紧迫的议 题。所以为了解决信息安全和版权保护的问题，我们应该迅速发展数字水印技术， 并将这一技术有效地应用于信息安全和版权保护中。 1 2 2 当前研究存在的问题 。 数字水印技术发展至今已有十多年的历史，关于数字水印技术的学术论文也已 经数不胜数，这些论文主要包含数字水印理论研究和数字水印应用研究两个方面。 数字水印理论研究的目的是建立数字水印基础理论的框架，研究各种不同的算法优 劣，解决嵌入水印信息量分析和隐蔽性描述等基本理论，而数字水印应用研究则偏 重于数字水印理论在图像，。音频，视频和文本等多媒体数据中的应用方向。虽然在 数字水印研究领域已有不少研究成果，但是作为一个新兴的研究方向，数字水印技 术在研究方向上仍然存在很多的问题： ( 1 ) 缺乏统一的算法标准。关于数字水印的算法层出不穷，每个新的算法都有 其优点和缺点，但是在实际应用当中却都不是很理想，尤其是在图像加水印和视频 加水印的算法上应该和现行的国际图像及视频压缩标准( 如j p e g 2 0 0 0 和m p e g 4 ) 充分结合，得到应用方便实用的算法。 ( 2 ) 鲁棒性和嵌入信息量之间的矛盾。在很多的数字水印系统中，要想的到好 的鲁棒性，就不能嵌入足够多的信息量；若要嵌入足够多的信息量，就得不到很好 的鲁棒性。怎样在算法的鲁棒性和水印的嵌入信息量之间达到一个平衡? 这涉及到 数字水印算法原理设计，模型构造，水印容量等诸多方面，而且并没有一个好的理 论解决这个问题。 第一章引言 ( 3 ) 评价体系不够公正完善。关于数字水印的评价已有很多的指标和方法，但 是关于不同的算法缺乏公平公正的统一评价体系，所以也不能准确判断出那种算法 更好，缺乏普遍性和原理基础。 1 2 3 本文的研究内容和方法 针对上面的问题，本文提出了两种新的数字水印算法。这种算法的新颖之处在 于将水印的嵌入算法和随机共振理论相结合，把数字水印的嵌入和提取过程看作数 字信号的运算和传输检测过程，在数字信号处理技术已经发展相对成熟的理论基础 上，本文所提出的数字水印算法就会有很强的普遍性和应用性。并且，我们在数字 水印的嵌入过程中，我们把数字水印信息看作弱信号，把载体图像中的载体信息( 载 体图像d c t 变换之后的中频分量) 看作是白噪声信号。他们两个相加之后作为非线 性双稳态检测器的输入，通过调节非线性双稳态检测器的参数或者通过对输入信号 的处理，使得输入信号在此系统中产生随机共振现象，从而使我们很容易地检测出 数字水印信号。 首先，我们介绍第一种数字水印算法，在数字水印嵌入过程中，我们采用鲁棒 性比较好的分块d c t 变换算法，并根据检测需要选择d c t 变换系数中的中频分量， 采用合适的采样频率，把这一段数据当作载体信号，另外我们选择两种不同的数字 水印信息，第一个数字水印信息是一段脉冲幅值调制信号，第二个数字水印信息是 一幅二值图像，在嵌入过程中选择不同的频率。我们的这种新的数字水印算法的优 点就在于检测过程中采用双稳态检测器，不用考虑两段水印信号的不同频率( 这一 点优于数字信号检测中通常使用的匹配滤波器) 而可以一次成功地检测出两段水印 信息。 然后我们介绍第二种数字水印算法，这种算法应用了阵列噪声增强技术。非耦 合的双稳态检测器组成的并联阵列可视为一种规则网络，阵列噪声与检测器参数都 是可调谐参数，网络输出性能能够由非零阵列噪声优化，这就是阵列随机共振现象。 我们运用相同的数字水印嵌入算法只嵌入一段数字水印信息，但是在数字水印检测 过程中，我们应用阵列随机共振现象，也就是把非耦合的双稳态检测器组成的并联 阵列作为检测器来检测数字水印信息，并把实验结果和只应用一个双稳态检测器检 测的结果相比较，发现阵列随机共振现象确实可以增强数字水印信息。 最后，本论文根据以上的研究成果列出了下一步的研究目标，并提出了数字水 印技术在更多领域的应用。 1 3 论文的结构安排 本论文的结构和章节安排如下： 第章讲述了课题研究的背景和发展历史，国内外研究现状，并在此基础上 4 青岛大学硕士毕业论文 提出本文所要研究的内容和研究目的。 第二章简单地介绍数字水印理论的基础和数字水印技术的应用和发展方向。 并详细介绍数字水印技术在数字图像中的应用和发展。 第三章主要讲解了数字水印技术的相关算法，尤其是数字水印技术在变换域 中的各种典型算法，并给出了一些算法的程序和实验结果。 第四章重点介绍了随机共振的起源和理论基础，并给出了本论文提出的两种 数字水印算法所用到的非线性双稳态检测模型和非线性阵列双稳态检测模型，以及 它们的参数调节方法。 第五章详细地提出了两种新的基于非线性随机共振现象的数字图像水印算 法，这是本论文的核心部分。本章详细讲解了两种算法的嵌入步骤，检测算法和在 不同攻击下的试验结果。首先介绍了非线性双稳态检测器在数字水印技术研究领域 的应用，然后我们改进算法，得到了在非线性阵列双稳态检测器下的数字水印算法。 并对两种算法结果进行比较分析。 第六章总结与展望。分析了论文的创新之处和数字水印技术的发展前景以及 有待进一步解决的问题。 第二章随机共振理论概述 第二章随机共振理论概述 2 1随机共振理论介绍和应用 2 1 1 介绍 随机共振理论是在1 9 8 1 年由b e n z i n 司在研究地球冰川期问题时提出来的，并将 之解释为动态非线性系统在周期力和加性高斯白噪声的驱动下的协同作用。通常情 况下，人们认为噪声对系统性能来说是有害的，一般情况下增加噪声会减小系统输 出的信噪比，但是在随机共振理论下噪声对系统起到了积极的作用，在一些特定的 非线性系统中，系统对于亚阀值输入信号( 信号强度小于系统阀值) 的响应可以在 非零的噪声强度区域达到最优。所以很多人们开始在随机共振理论的基础上来研究 怎样利用噪声来提高系统的输出信噪比。 一般地，经典的随机共振是指在某种受亚阀值周期信号驱动的非线性系统中， 一种系统度量，如输出信噪比，随着背景噪声强度的增加呈现非单调变化的现象。 一些经典的随机共振理论，如绝热近似理论n 钔，线性响应理论汹1 ，和驻留时间分布 理论 3 等被提出。绝热近似理论和线性响应理论一般都假设信号幅值和频率都非常 微弱( 远小于一) ，h a n g g i 和j u n g 口1 1 提出的非绝热理论中复数特征值使得随机共振 理论分析过于繁琐。我们在研究双稳态系统中的随机共振现象时以一种近似的准稳 态概率密度模型幢1 哟! 为基础，进一步从系统输出的循环平稳性出发，提出了二维跃 迁概率密度模型，从而导引出一个非绝热的随机共振理论。此理论不仅突破了绝热 假设，给出了系统输出信噪比的显式解，而且能够理论解释驻留随机共振现象。这 一非绝热随机共振理论不仅整合了我们以往的研究结果，对于理论分析阵列随机共 振现象也是一个很大的启发，也有助于深入理解复杂随机系统中的信息传输机制。 系统输出信号的周期平稳性出发，详细研究双稳态系统中的随机共振现象。在本章 第二部分介绍双稳态检测器时，我们将给出推导公式。 2 1 2 应用 自从1 9 8 3 年f a u v e 汹1 第一次利用s c h m i t t 触发器证实随机共振现象，1 9 8 8 年 m c n a m a r a 汹3 在双稳激光环中再次证实以来，随机共振引起了广泛的关注和研究，有 关随机共振的新理论和新的实验不断出现。但是怎样在信号处理过程中应用随机共 振理论? 尤其是怎样在处理图像的过程中应用随机共振理论呢? 下面我们给出一个 简单的关于图像处理的例子来说明一下：如图2 1 所示，原始图像是灰度图像，将 其转换为二值图像，阈值为o 2 ，在无噪声的情况下，只可以看到人脸的位置和帽子 边缘，没有任何的背景信息，随着噪声的增加，背景信息变得比较丰富了。 6 青岛大学硕士毕业论文 曩露圈 无噪声方差为0 0 0 1方差为0 1方差为3 孑 囔 学 隘 鳋裁：妇 图2 1 噪声增强视觉辨识实例 2 2 双稳态系统理论和双稳态检测器 2 2 1 双稳态系统模型与信噪比 我们考虑常用的双稳态模型： f 。警- - x 一等州卅荆 2 - ( 1 ) 这里占( f ) 是一个周期为t 和幅值为a 的矩形信号。换言之，当，z 为偶数( 奇数) 时，f ( f ) = + a ( 占( f ) = 一a ) 和f “靠疋2 ，( ，l + 1 ) i 2 。零均值高斯白噪声f ( r ) 与信号 j ( f ) 不相关，其自相关函数为( f ( f ) 孝( o ) ) = 2 d s ( t ) ，噪声强度为d 。这里f 。和x b 为 系统的实参数，分别具有时间和幅值的量纲，所以我们可以依据下列关系( 这里 箭头所指的变量为无量纲化变量) ： 砉虬专扎寺专t ，号鸭t 去_ d 一 2 啦， 一专工，一一a ，一专，二一，_ _ 2 ( 2 ) x 6x 6f 4r 4”f 4 x ； 一 把方程2 ( 1 ) 无量纲化，即： 掣：工( f ) _ x 3 ( f ) + s ( f ) + 2 - ( 3 ) 方程2 ( 3 ) 中当无量纲幅值a 一 吲 2 - ( 1 8 ) 这里，。( ) = 卜出t 。 由非稳态均值函数研工( f ) 】，即方程2 - ( 1 2 ) ，以及稳态自协方差函数c 。( f ) ，即 方程2 ( 1 8 ) ，我们可以理论分析系统输出的信噪比。非稳态均值研z ( f ) 】具有n 阶 f o u r i e r 系数： i ：= 2 一c 9 ， c 。( f ) 的f o u r i e r 变换为： ( 咖肛如弦- j z x v r d t = ( 耵m 2 】) 参 廿o ) 输出信噪比民砒o l ) 定义为谱线l 瓦上的功率除以频；率- i t , 为中心的附近频 带丛内噪声功率田1 ，即： u = 蒜岛= 茄器器格 2 啦， 同样的定义下，输入信号s ( f ) 在背景噪声4 ( t ) 下可以由输入信噪比衡量，即： 蹦l ，驴等 2 ( 2 2 ) 1 0 青岛大学硕士毕业论文 那么此双稳态系统信噪比增益的理论显式表达式为： g = 揣= 毋溉，赤4 a，2 也3 ， ( 1 l ) ( e 工2 ( f ) 】一e 2 【工( f ) 】) a 2 石2 、7 数值模拟中，若采样时间步长为缸，那么噪声强度2 d = 仃2 缸，这里仃为高斯 噪声f ( r ) 的均方根。 2 2 2 双稳态信号处理器模型 双稳态系统作为一种非线性信号处理器，可以被描述为一随机微分方程，下面 给出我们的数字水印算法中运用的双稳态检测器模型，即方程： l 掣= 荆一掣- k 却酊 2 - ( 2 4 ) “ia 6 其中，实系统参数为r 。和x 。汹1 ，而且它们都是可调正值，首先依据信号时间尺度选 择f 。，在一定的噪声强度下，计算不同系统参数x 。下的系统响应速度，计算方法详 细见文献啪1 。一般选择响应速度为信号频率的5 0 - 1 0 0 倍。这样，双稳态系统的参 数基本就可以确定了，具体调节方法参考文献哺1 。f 。和系统松弛时间有关，公式2 - ( 2 4 ) 中对称势函数v o ( x ) = 一工2 2 + 工4 ，( 4 x ；) ，有两个最小值v oc + x 6 ) = 一x ；4 。参数l 和x 。分别是时间和信号幅度单位。从力学的角度看，工( f ) 可以看作一个在受信号调 制的双稳态势井中运动的过阻尼粒子的轨迹，势函数为v o ( 工) ，势垒高度为x ；4 ， 粒子由于噪声的随机作用和微弱信号的对于势井的调制，系统的输出在某个最佳噪 声强度达到了协同，这就是随机共振的机理解释。i n p u t = 占( f ) + r l ( t ) ，s ( t ) 为信号， 理( f ) 为噪声，一般为均值为0 的高斯白噪声。 2 2 3 双稳态信号处理器在信号处理中的应用 在前面的随机共振系统中，如果将输入弱信号看作是我们要传输的信号，噪声 可以看作是信号传输引入的信道噪声，系统输入( 信号+ 噪声) 作为接收到的信号， 则将此接收到的信号通过如上节所述的一个双稳态系统，粒子的状态看作输出，则 可以实现信号的检测。由于输出信号幅值大于输入信号幅值，从而起到了有效的放 大作用；同时因系统输出状态有规则的变化，有效地抑制了系统输出状态中的噪声 量，将部分噪声能量转换到信号中去，这样就使整个系统的输出信噪比得到很大的 提高。这时，弱信号、噪声及双稳态系统就组成了一个随机共振信号处理器。 在传统的信号处理系统中，我们总是设法减少噪声的干扰，但从以上分析可知， 噪声有时候反而有利于信号的传输、检测。因此，随机共振的出现为弱信号的检测 提供了一种新的思路，对信息科学的发展有着重要意义。特别是x u ，d u a n 等啪侧人 第二章随机共振理论概述 提出的参数诱导的随机共振使得随机共振应用更趋于实际，并且x u ，d u a n 等人分别 在模拟啪3 和数字啪3 信号处理中得到应用。比如前面提到的双稳态随机共振系统就是 通过调节双稳态信号处理器的参数的达到弱信号与双稳态系统之间的共振，起到放 大信号的作用。 这里我们给出一个利用随机共振进行数字信号处理的实例，这也是我们后面数 字水印算法的基础i 对应于式2 一( 2 4 ) 给出的双稳态信号处理器的模型，如图2 4 所示。 此时的弱信号占( f ) 是脉冲信号s ，我们选取2 0 个码字，其中s = 2 ，2 ，如图2 5 ( a ) 所示，而噪声信号刁( f ) 是均值为0 ，方差为0 1 的高斯白噪声。如图2 5 ( b ) 所示，它 们相加构成系统的输a i n p u t = s l ，如图2 5 ( c ) 所示。 c o n s t a n t w h i t en o i s e 图2 4 双稳态信号处理器的模型 得到系统的输入之后，我们调节双稳态系统的参数f 。= 2 7 3 2 ，x 6 = 3 9 ，使弱信 号，噪声信号与双稳态系统之间产生共振现象，将噪声信号的一部分能量转换成弱 信号的能量，从而起到放大信号的作用。得到系统的输出如图2 5 ( d ) 所示，由实 验结果知2 0 个码字全部检测正确，误码率b e r = 0 。 1 2 青岛大学硕士毕业论文 00 511 5 ( a ) 弱信号s 2 x1 0 4 0 ( b ) 高斯白噪声信号 2 x1 0 4 00 511 5 ( c )被噪声污染的输入信号 2 x1 0 4 00 ，511 5 ( d )系统的输出信号 图2 5 双稳态信号处理器输入输出信号示意图 2 x1 0 4 2 3 本章小结 在本章中，首先介绍了随机共振理论的起源，讲述了随机共振理论从经典随机 共振到非绝热随机共振理论的发展，并举例说明了随机共振理论在图像处理中的实 际应用，然后推导了非绝热随机共振理论在双稳态模型中的应用，以后其信噪比情 况，最后描述了随机共振理论在数字信号处理过程中的应用，给出了双稳态信号处 理器的模型，并用实验证明了双稳态信号处理器在数字信号处理中的优点。以本章 内容讲解内容为基础才能更好地理解我们提出的两种新的数字水印算法，和实验仿 真过程。 竹 。 伯 o o 伯 。 加 第三章 数字水印概述及其算法研究 第三章数字水印概述及其算法研究 起源于古代隐写术的数字水印技术，和隐写术一样都是信息隐藏技术的主要分 支，同样也都是信息安全的重要组成部分。信息安全，信息隐藏技术，数字水印和 隐写术的关系如图3 1 所示。 图3 1 信息安全技术关系图 3 1 数字水印的定义和基本特征 3 1 1 定义 数字水印的概念第一次提出是在1 9 9 3 年a z t i r k e l 等人所撰写的“e l e c t r o n i c w a t e r m a r k 口一中首次使用的。“w a t e r m a r k 这一术语的出现标志着数字水印技术作 为一门正式研究学科的诞生。后来二词合二为一就成为“w a t e r m a r k ，而现在普遍都 使用“d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ”一词来表示“数字水印”。但是数字水印技术发展至今都没 有一个确切统一的定义，c o x 等把水印定义为“不可感知地在作品中嵌入信息的操作 行为州；杨义先，钮心忻等认为“数字水印是永久镶嵌在其它数据( 宿主数据) 中具 有鉴别性的数字信号或模式，而且并不影响宿主数据的可用性州羽；孙圣和，陆哲明， 牛夏牧等哺1 则认为“数字水印技术是一种信息隐藏技术，它的基本思想是在数字图 像、音频和视频等数字产品中嵌入秘密信息，以便保护数字产品的版权、证明产品 的真实可靠性、跟踪盗版行为或者提供产品的附加信息 晦1 。我个人认为后两种说 法更为确切一些，因为可见水印是可以感知的，但它的存在并不影响宿主数据的可 用性，嵌入的水印同样可以起到鉴别和保护宿主数据的目的。 3 1 2 基本特性 针对不同的应用场合，数字水印系统应具有不同的特性。和数字水印的嵌入过 程有关的特性有：有效性、逼真性和容量：和数字水印检测过程有关的特性有：盲 检测和明检测、虚检行为和鲁棒性：和嵌入水印信息有关的特性有：安全性和密钥 1 4 青岛大学硕士毕业论文 【2 1 1 。但是一般认为数字水印应具有如下基本特性： 安全性：数字水印应能为受到版权保护的信息产品的归属提供完全可靠的证据。 水印算法能够将所有者的有关信息( 如注册的用户号码、产品标志或有意义的文字 或图像等) 嵌入到被保护的对象中，并在需要的时候将这些信息提取出来。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。这实际上也是发展水印技术的基本动力。 隐蔽性：隐蔽性是指视觉或听觉上的不可感知性，即指因嵌入水印导致载体数 据的变换对于观察者的视觉或听觉系统来讲应该是不可察觉的或者说是隐蔽的，最 理想的情况是水印与原始载体在视觉上或听觉上是一模一样的，这是绝大多数水印 算法所应达到的基本要求。 鲁棒性：鲁棒性是指数字水印应该能够承受大量的物理和几何失真，包括有意 的( 如恶意攻击) 或无意的( 如图像压缩、滤波、打印、扫描与复印、噪声污染、 尺寸变换等等) 。显然在经过这些操作后，鲁棒的水印算法应仍能从水印载体中提取 出嵌入的水印或证明水印的存在，一个鲁棒的水印应做到若攻击者试图删除水印将 会导致水印载体的彻底破坏。 由于水印特性的要求对应用的依赖型很强，许多文献中讨论的数字水印可能会 具备更多其它的特性，所以在算法设计中应该根据不同的应用场合判断数字水印应 该具有的特性。 3 2 数字水印技术概述 根据数据载体的不同，数字水印技术可以分为数字音频水印技术，数字文档水 印技术，数字视频水印技术，数字图像水印技术，用于三维网格模型的网格水印等 很多方面，根据本文的研究内容我们主要介绍以数字图像为载体的数字水印技术； 3 2 1 数字图像水印技术 数字图像水印是将数字水印信息按照一定的算法嵌入到原始图像中，不改变原 始图像的视觉效果，并且在需要的时候可以从水印图像( 或者受到各种不同攻击之 后的水印图像) 中检测出需要的数字水印信息。总结众多的数字水印算法和应用， 一般可以把数字水印技术分为：鲁棒数字水印技术，脆弱数字水印技术和多重数字 水印技术。 鲁棒数字水印技术主要用于在数字产品中标识著作权信息，如作者、产品序列 号等，它要求嵌入的水印能够经受各种常用的攻击( 这里是指各种常用的信号处理 操作，如：滤波、压缩、打印和拷贝、几何形变等) 。鲁棒数字水印是在各种国际期 刊上发表最多的内容，他还可以分为私有鲁棒水印和公有鲁棒水印。前者指在水印 的检测过程中需要原始图像( 或者原始图像的信息) ；后者指在数字水印的检测过程 第三章数字水印概述及其算法研究 中不需要关于原始图像的任何信息。 脆弱数字水印技术主要用于完整性保护，虽然脆弱数字水印和鲁棒数字水印的 嵌入算法在原理上是基本相同的，但是与鲁棒数字水印技术的要求相反，脆弱数字 水印技术必须对信号的改动非常敏感，人们根据脆弱水印的状态就可以判断数据是 否被篡改过。 多重数字水印技术是在某一数字产品中嵌入一种水印已经不能满足人们要求的 情况下提出的，在很多情况下人们需要多重水印或者是多功能水印。 3 2 2 数字水印的攻击方法 数字水印技术出现的目的就是保护数字产品不被盗用、篡改、仿冒等。怎么检 测一种新的数字水印技术是否实用? 在这种情况下攻击技术就显得尤为重要，所以 在研究数字水印算法的时候也要了解各种不同的攻击方法，另外，研究各种可能的 攻击方法也是提高数字水印性能的一个重要手段陉。 对水印的攻击可分为四类3 ： ( 1 ) 鲁棒性攻击( r o b u s t n e s sa t t a c k s ) ，也叫做去除攻击。这是最常用的攻击方 法，它试图削弱载体中的水印强度，或者破坏载体中的水印。主要包括： 有损压缩：对图像而言，常见的是j p e g 压缩。 滤波：包括线性和非线性滤波。 噪声：对图像添加各种噪声用以减弱水印信号强度。 锐化：对图像边缘的锐化和增强，可以非常有效地改变图像的高频分量。 直方图：修正图像中亮度不足的情况。 g a m m a 校正：用来改善图像或者调整图像显示。 共谋攻击：假定有一幅图像嵌入了不同的水印信息，那么可以对所有图像进行 平均以去除其中的水印信息，或者对这些图像进行剪切，重新拼凑组合来消除水印。 ( 2 ) 表达攻击( p r e s e n t a t i o na t t a c k s ) 。这种攻击不需要去除载体中的水印，而 是通过各种办法是的水印检测器无法检测到水印的存在。几何变换在这种攻击中扮 演了非常重要的角色，而且许多数字水印算法都无法抵抗几何变换。常用的几何变 换有： 水平翻转：尽管抗图像翻转能很容易实现，但是很少算法可以抵抗这种攻击。 剪切：对图像进行剪切会造成图像像素很大的变化，所以很多数字水印检测方 法很难抵抗剪切攻击。 旋转：旋转会使图像像素重新排列，严重地破坏了水印。 缩放：这种攻击改变图像的大小和像素之间的相关性，导致水印很难检测。 行、列删除：随机地删除图像中的某些行和某些列不会影响图像的视觉效果， 青岛大学帧士毕业论又 但是却会对水印信息产生很大的影响。 打印一扫描处理：经过打印扫描处理实际上就是对数字图像进行模一数、数模转 换，这会使图像受到偏移、旋转、缩放、剪切、加噪声等各种攻击的影响，从而使 得水印的提取过程非常困难。 随机几何变换：图像被局部拉伸、剪切和移动，然后对图像利用双线性或者 n y q u i s t 插值进行重采样。这是水印鲁棒性测试软件s t i r m a r k 主要采用的方式。 ( 3 ) 解释攻击( i n t e r p r e t a t i o na t t a c k s ) 。这种攻击既不试图去除水印，也不试图 使水印的检测无效，而是使得检测出的水印存在多种解释。在解释攻击中，攻击者 在原图像中引入了自己的水印，从而使得原始拥有者的水印失去了唯一性，从而导 致所有权的争议。 ( 4 ) 法律攻击( l e g a la t t a c k s ) 。完全不同于以上三种攻击类型，这种攻击并是 在技术上的攻击，而是在法庭上 3 2 3 数字水印技术的评价体系 对数字水印系统的性能评估和基准测试是数字水印技术的一个重要组成部分。但是 怎样公平合理地测试一个水印算法的好坏呢? 首先由数字水印技术的定义可知，在 数字水印的嵌入过程中最重要的是人眼要对嵌入的水印有不可感知性。因此，_ 个 好的数字水印嵌入算法应该能够嵌入比较多的信息而引起的视觉感知最小。另外在 数字水印检测过程中，我们也要对检测出的数字水印信息进行评测来判断检测算法 的好坏。 表3 1i t u rr e e 5 0 0 中的质量等级级别 等级级别失真度 质量 5 不可感知 优秀 4 可感知，但不令人厌烦良好 3 轻微的令人厌烦 一般 2 令人厌烦 差 1 非常令人厌烦 极差 通常情况下有两种方法对水印的可感知性进行评价：一种是主观测试，另一种是客 观度量。当进行主观测试时，第一步是将有失真的数据集按照由好到坏的次序分为 几个等级，第二步，测试者被要求给每个数据集打分，并根据降质情况描述可见性。 1 7 第三章数字水印概述及其算法研究 这种打分一般是基于r r u rr e c 5 0 0 质量等级评判1 ( 见表3 1 所列出的评分标准 和相应的可见性及质量) 得出的。不同的观测者会有不同的测试结果，例如专业摄 影师和研究人员对水印图像的主观测试结果又很大的不同，而且对于任何人来说， 这些灵敏度也会随着时间的变化而变化的。主观测试对图像的质量评价和测试时非 常有用的，但是，在研究和开发中用处却并不大，实际的度量往往采用定量的方法， 也就是客观度量方法。 表3 2 常用的基于像素的视觉失真度量参数 平均绝对差 一击出，屯，l 均方误差 m s e = 上0 一珏) 2 x y乞y 。1 一 u 一范数 儿嘲艮，覆耵 拉普拉斯均方误差 l m s e =