（通信与信息系统专业论文）视频水印算法及其在广播电视业务中的应用.pdf

山东大学硕士学位论文 中文摘要 当今社会，随着信息技术和计算机网络的迅猛发展，使得文本、图像、视频、 音频等数字产品也日益丰富。数字作品的易于无损复制、分发的特性，使得出于 各种目的的盗版行为日益猖獗，给信息安全和数字产品的保护带来一些问题，这 就使得数字产品的版权问题成了亟待解决的问题。数字水印技术就是在这种背景 下发展起来的，它是通过某种算法将特定的版权信息嵌入到数字作品中来证明作 品的版权所有，它弥补了传统加密技术的不足，已经成为多媒体信号处理领域中 的一个研究热点。在此，本文主要就视频水印技术及其应用的相关情况进行探讨。 相对于静止图像水印，对视频水印的研究起步比较晚，但视频水印研究是目前 水印技术研究方向上的一个热点和难点。目前的很多视频水印算法在鲁棒性方面 取得了不错的效果，但其代价就是复杂的水印嵌入和提取过程，都没有将水印算 法的研究与实际应用结合起来。本文所在的工作就是针对视频水印在广播电视领 域的应用，提出了切实可行的水印算法，同时将算法和应用结合起来进行研究和 模拟实验。针对上述内容，本论文主要做了如下工作： 1 、基于离散小波变换的视频水印算法研究 提出了两种视频水印算法，分别基于一维小波变换和基于三维小波变换。一维 小波变换的算法选择了低频域进行水印嵌入，而三维小波变换的算法选择了中低 频域进行水印嵌入，水印算法均能实现盲提取。这两种算法有效地降低算法复杂 度，能够满足实际系统中实时性的要求，同时对常见的视频处理手段具有良好的 鲁棒性，如m e p g 2 编码、加噪、帧置换等。 2 、w d r m 系统的开发 设计了一种基于视频水印技术的d r m 系统，主要应用于数字电视业务。采用 条件接收技术来控制用户授权，包括收看、录制等操作；水印技术实现版权保护， 以弥补条件接收技术的不足。在系统的前端，电视节目传输之前要嵌入标识有版 权信息的水印，当电视节目被盗播时可用来证明版权所有；在系统的终端，用户 在录制节目时要嵌入唯一标识有用户身份的p d k ，当录制后的节目被非法传播时 可用来追查相应的非法用户。 山东大学硕士学位论文 3 、电视节目监控系统的开发 在电视节目流中嵌入水印，通过提取的水印信息和t s 流信息表中的相关信息 来实现收视率调查的统计。在广告视频制作好以后嵌入水印，在广播监控设备中 通过水印的检测情况来判断广告是否按照要求播出。设计的广告监控软件，通过 对节目流相关信息的提取，可方便地观测节目流中广告的状态，实现了广告监控 的模拟。 2 关键词：视频水印，离散小波变换，数字版权管理系统，广告监控 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y sw i t ht h er a p i dd 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 ya n dc o m p u t e r n e t w o r k , t e x t , i m a g e s ，v i d e o s ，a u d i oa n do t h e rd i g i t a lp r o d u c t sa r ei n c r e a s i n g l yr i c h t h e d i 西t a lp r o d u c t sh a v et h ea d v a n t a g eo fl o s s l e s sc o p ya n dd i s t r i b u t i o n ，t h i sm a k e st h e p i r a t e dc o p ym o r ea n dm o r er a m p a n ta n di n c r e a s e sd e m a n do fi n f o r m a t i o ns e c u r i t ya n d p r o t e c t i o no fd i g i t a lp r o d u c t s ，s oc o p y r i g h tp r o t e c t i o ni sa nu r g e n ti s s u et ob er e s o l v e d d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ，w h i c hi su s e dt o a u t h e n t i c a t et h ec o p y r i g h tb ye m b e d d i n g c o p y r i g h ti n f o r m a t i o ni n t od i g i t a lp r o d u c t s ，i sb e i n gd e v e l o p e du n d e rt h i sc i r c u m s t a n c e t h i st e c h n i q u em a k e su pf o rt h et r a d i t i o n a le n c r y p t i n gt e c h n i q u ea n dh a sb e c o m et h e f o c u si nt h ef i e l do fm u l t i m e d i as i g n a lp r o c e s s i n g t h i sa r t i c l ec o n d u c t e dt h er e s e a r c h a n dt h ed i s c u s s i o nm a i n l yo nv i d e ow a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g ya n di t sa p p l i c a t i o n t h er e s e a r c ho fv i d e ow a t e r m a r k i n gs c h e m es t a r t sal i t t l el a t e rt h a ni m a g e w a t e r m a r k i n gs c h e m e ，a n di t sad i f f i c u l t yo nt h er e s e a r c ho fd i g i t a lw a t e r m a r k i n g m a n yv i d e ow a t e r m a r k i n gs c h e m e sh a v eg o o de f f e c t a tt h er o b u s t n e s s ，b u tt h e s e s c h e m e sa r eh a r dt ob eu s e di np r a c t i c a la p p l i c a t i o nb e c a u s eo ft h ec o m p l e xp r o c e s so f e m b e d d i n ga n de x t r a c t i n gw a t e r m a r k w ep r o p o s ep r a c t i c a lw a t e r m a r k i n gs c h e m e s w h i c hc a l lb ew e l la p p l i e dt ot h et vb r o a d c a s t i n gb u s i n e s s ，a n dt h ec o m p u t e r s i m u l a t i o n sa n de x p e r i m e n t sa r ea l s od o n e a c c o r d i n gt ot h ea b o v ep r o b l e m s ，t h i sm a i n c o n t r i b u t i o ni n c l u d e st h ef o l l o w i n gp a r t s ： 1 r e s e a r c ho nv i d e ow a t e r m a r k i n gs c h e m e sb a s e do nd w t w e p r o p o s et w ov i d e ow a t e r m a r k i n gs c h e m e sw h i c h a leb a s e do i l1d d w ta n d 3 d d w tr e s p e c t i v e l y t h e1d d w ts c h e m ec h o o s e st h el o w f r e q u e n c yd o m a i nt o e m b e dw a t e r m a r k ，w h i l et h e3 d d w to n ec h o o s e st h el o w - m i d d l ef r e q u e n c yd o m a i n ， a n dt h ew a t e r m a r kd e t e c t i o ni sc o m p l e t e l yb l i n d t h et w os c h e m e sc a nr e d u c e c o m p l e x i t yl r t o r ee f f i c i e n t l ya n dm e e tt h er e a l t i m er e q u i r e m e n ti np r a c t i c a ls y s t e m s o n t h es a m et i m e ，t h et w oo n e sa r ea l s or o b u s tt os o m ec o n u n o nv i d e op r o c e s s i n gs u c ha s m p e g 一2c o m p r e s s i o n ，n o s i n ga n df r a m e se x c h a n g i n g 2 d e v e l o p m e n to fw d r ms y s t e m w ed e s i g no n ed r ms y s t e mb a s e do nv i d e ow a t e r m a r k i n gw h i c hi so f t e na p p l i e d t od i g i t a lt vb u s i n e s s t h ec as y s t e mc o n t r o l st h eu s e r s a u t h o r i z a t i o ni n c l u d i n g 3 山东大学硕士学位论文 w a t c h i n ga n dr e c o r d i n ga n do t h e ro p e r a t i o n s ，a n dt h ew a t e r m a r k i n gt e c h n i q u ep r o t e c t s c o p y r i g h to ft vp r o g r a m s i nt h ef r o n to ft h ed r ms y s t e m ，t h ew a t e r m a r kw h i c h i d e n t i f i e sc o p y r i g h ti n f o r m a t i o ni se m b e d d e di n t op r o g r a m s w h e nt h ed i g i t a lt v p r o g r a m sw e r ei l l e g a l l yd i s s e m i n a t e db ym a l i c i o u su s e r s ，t h et v s t a t i o nc a np r o v et h e c o p y r i g h tb yt h ee x t r a c t e dw a t e r m a r k i nt h ee n do ft h es y s t e m ，t h eu n i q u ep d k i nt h e s m a r tc a r di se m b e d d e di n t op r o g r a m sw h e nu s e r sa r er e c o r d i n gp r o g r a m s i fu s e r s i l l e g a l l yd i s s e m i n a t et h e s er e c o r d e dp r o g r a m s ，t h ep d k c a nb ee x t r a c t e dt oi d e n t i f yt h e i l l e g a lu s e r s 3 d e v e l o p m e n to ft vp r o g r a m sm o n i t o r i n gs y s t e m w ee m b e dt h ew a t e r m a r ki n t op r o g r a m sa n dc o n v e yt h ew a t e r m a r k e dp r o g r a m s u s i n gt h ed i g i t a lb r o a d c a s t i n gs y s t e m ，a n dt h er a t i n g ss u r v e yi sr e a l i z e da c c o r d i n gt ot h e e x t r a c t e dw a t e r m a r ka n ds o m ei n f o r m a t i o ni nt h et s t h ew a t e r m a r ki se m b e d d e da f t e r a d v e r t i s e m e n ti sm a d ea n dt h e nw ec a nj u d g ew h e t h e rt h ea d v e r t i s e m e n ti sb r o a d c a s t e d b yt h ee x t r a c t e dw a t e r m a r k w er e a l i z et h es i m u l a t i o no fa d v e r t i s e m e n tm o n i t o r i n gb y d e s i g n i n gs o f t w a r e b yt h e s o f t w a r e ，w ec a nc o n v e n i e n t l yo b s e r v et h es t a t u so f a d v e r t i s e m e n ti nt vp r o g r a m sa c c o r d i n gt ot h ee x t r a c t e di n f o r m a t i o ni nt s k e y w o r d s ：v i d e ow a t e r m a r k i n g ，d i s c r e t e w a v e l e t t r a n s f o r m ，d i g i t a lr i g h t s m a n a g e m e n t ，a d v e r t i s e m e n tm o n i t o r i n g 4 山东大学硕士学位论文 d c t d w t 1 d d w t 2 d d w t m e p g j p e g l s b n c p s n r d i u w d i t m h d t v v o d p v r c a 缩略语简表 d i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m d i s c r e t e 腑矿e l e tt r a n s f o r i l l 离散余弦变换 离散小波变换 o n ed i m e n s i o nd i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o r m 一维离散小波变换 t w od i m e n s i o nd i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o r m 二维离散小波变换 m o v i n gp i c t u r ee x p e r t sg r o u p活动图像专业组 j o i n tp h o t o g r a p h i ce x p e r t sg r o u p 联合图像专家组 l e a s ts i g n i f i c a n tb i t s 最低有效位 n o r m a l i z e dc r o s s c o r r e l a t i o n 归一化互相关 p e a ks i g n a l t o - n o i s er a t i o 峰值信噪比 d i 垂t a l 鼬曲t sm a n a g e m e n t数字版权管理 d i 西t a lw a t e r m a r k i n gr i g h t sm a n a g e m e n t数字水印版权管理 h i g h - d e f i n i t i o nt v高清晰度电视 v i d e oo nd e m a n d 视频点播 p e r s o n a lv i d e or e c o r d e r 个人视频录制 c o n d i t i o n a la c c e s s 条件接收 5 山东大学硕士学位论文 1 1 概述 第一章绪论 目前，国家正在全力推行数字电视，按照广电总局的部署，从2 0 0 3 年全面启 动有线电视的数字化，2 0 0 6 年开始地面数字电视广播实验，并开展卫星直播电视 业务，2 0 0 8 年全面推广地面数字广播，到2 0 1 5 年停止模拟电视的播出，实现数字 广播电视有线、卫星和无线的全国覆盖。随着电视的数字化，使广播电视节目能 够更方便更便捷地传输，极大的拓展了各式各样的广播电视业务( 如视频点播， 数字视频录制等) ，同时也给广播电视节目的制作、传播和消费带来了全新的形态。 随着数字节目的复制、存储和传播的成本大大降低，一方面促进了数字电视业务 的发展，另一方面，也使传统的版权保护机制受到了全所未有的冲击，大量的电 视节目被非法传播，这并不利于广播电视产业的发展【l 】。对电视节目媒体的监测( 电 视节目、广告业务的监控、监播) 已经必不可少，当前，对电视节目媒体的监测， 大都采取人工的方式，比如通过将每天的节目视频录制下来，等播出结束后，回 放录制的视频，来判断节目的播出内容和播出时长是否正确，这在监测的准确性、 及时性、便捷性等方面都存在着弊端。因此，通过数字化的方法加强广播电视业 务版权管理是现阶段急需解决的问题。 为了解决广播电视中的权益管理和版权保护问题，最开始采用密码算法加密 节目内容的方式【2 】。但是单纯的加密只能在传输过程中保护电视节目的安全，当节 目视频被解密后就不能提供进一步的保护，一旦节目视频被用来非法传播，就没 有任何直接证据来表明信息是被非法复制和传播的。由于密码学技术对节目内容 保护的这种局限性，因此，需要寻求一种不同于传统技术的更加有效的手段，来 保障节目信息的安全传输和保护电视节目的版权。数字水印技术的出现成为这样 一种补充技术，数字水印技术是在不影响原始数字产品可用性的基础上，将标识 有版权信息的数字水印，通过某种特定的算法嵌入在数字产品中的技术【3 。5 】。它是 不可见的，在数字产品中嵌入的水印信息也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学方法的缺陷，因为它可以为解密后的内容提供进一步的 6 山东大学硕士学位论文 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信息。虽然数字水印技术不能阻止盗版活动的发生， 但是它可以判别电视节目是否受到版权保护，监视被保护电视节目的传播、真伪 鉴别和非法拷贝，解决版权纠纷并为法庭提供证据。 1 2 水印技术的发展现状 a z t i r k e l 6 】等人在1 9 9 3 年所撰写的“e l e c t r o n i cw a t e rm a r k ”一文中，正式提 出“数字水印”这一术语，他们在文中针对灰度图像提出了两种向图像最低有效 位( l s b ) 中添加水印的算法。由于该算法是通过调整原始数据的最低几位来隐藏 信息，使一般用户在视觉上很难察觉。虽然其有较大的信息嵌入量，但作为数字 水印算法，因其基本原理限制，所隐藏的水印信息极为脆弱，无法经受一些有损 的信号处理。1 9 9 4 年v a ns e h y n d e l 在图像处理会议( i c i p 9 4 ) 上发表了题为“a d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ”的文章，这是第一篇在国际会议上发表的关于数字水印的文 章【7 】。1 9 9 6 年，b e n d e r 等人【8 】提出了空间域图像水印方法中著名的p a t e h w o r d 算法， 主要用于打印票据的防伪。该算法把水印隐藏在图像数据统计特性中，具有不可 察觉性，并且鲁棒性很强，可以有效低于剪切、灰度校正、有损压缩等攻击，其 缺陷是数据量较低，对多拷贝平均攻击抵抗力较弱。 由于此类空间域算法对图像j p e g 压缩的鲁棒性较差，为了提高水印的鲁棒性， 引入了一些在数字信号处理领域常用的变换技术，如离散傅里叶变换( d f t ) 、离 散余弦变换( d c t ) 、离散小波变换( d w t ) 等。 1 9 9 5 年，c o x 等人 9 】提出了一种基于全局d c t 变换的扩频水印算法，将水印 通过直接序列扩频的方法嵌入到图像感知上最重要的频域因子中【1 0 】。c o x 方案是 数字水印技术中一个比较经典的算法，但水印的提取过程需要原始图像的参与， 因此它不是盲水印算法。1 9 9 8 年，z e n g 等人 1 l 】提出了基于分块d c t 的水印算法， 通过随机的选取图像的一些子块，将水印嵌入到这些分块的中频分量中。该方案 兼顾了水印的不可见性和鲁棒性，能够根据自适应地进行水印嵌入。d e e p ak u n d u r 等人【1 2 1 5 1 提出了基于离散小波变换的图像水印算法，通过修改d w t 系数来嵌入水 印，并且利用脆弱水印对水印所经受的处理进行估计，使水印算法具有盲检测性。 7 山东大学硕士学位论文 1 9 9 9 年，k u a e r t l 6 j 等人在“t o w a r d ss e c o n dg e n e r a t i o nw a t e r m a r k i n gs c h e m e ” 一文中首次提出了“第二代水印”的概念，并提出了一种基于点特征s n - - 维连续 小波变换的水印策略【1 7 】。第二代水印思想的提出使人们突破了以往将水印嵌入到 载体信号最不重要部分的思想之苦，推动了水印研究的发展，为如何提高水印鲁 棒性算法指明了方向，数字水印研究进入一个新的时代。 自1 9 9 6 年第一界世界信息隐藏会议召开以来，关于数字水印的论文数量呈几 何基数的增长。很多科研机构和著名的公司如美国洛斯阿莫斯国家实验室、欧洲 电信联盟、剑桥大学、麻省理工学院、i b m 公司w a t o n 研究中心【l8 1 、微软公司剑 桥研究员、贝尔实验室等都介入了数字水印领域的研究，提出了各种水印算法。 同时，数字水印技术也开始走入应用；美国的国际版权保护技术工作组( c p t w g ) 成功研制出用于保护d v d 碟中视频的水印系引1 9 】【2 0 】；v i v a 和t a l i s m a n 两个计划 对应用于广播监控的水印系统进行了测试；日本电气公司、日立制作所、先锋、 索尼及i b m 等公司联合开发了统一标准的基于数字水印技术的d v d 影碟防盗版 技术；i b m 在其数字图书馆研究计划中采用了可见数字水印技术；美国i n f o r m i x 软件公司开发的数据库管理系统也可以作为买入数字水印软件实用。 我国学术界对数字水印技术的反应也非常快，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。不 仅科研机构，来自中国科学院研究生院信息安全国家重点实验室、天津大学【2 1 1 、哈尔 滨工业大掣2 2 】【2 3 】、北京邮电大学、中山大掣2 4 1 、上海交通大学 2 5 1 、西安电子科技大 学【2 6 】的研究者提出了数字水印算法，中国的一些公司也推出了实用的数字水印系统。 相对于静态图像水印，对视频水印的研究起步较晚，但视频水印研究是当前水 印技术研究方向中的一个热点和难点。热点在于：大量视频产品的推出，如v c d 、 d v d 等，广播电视中视频录制业务，使得以视频水印为最重要组成部分的数字产 品版权保护技术的市场需求更为迫切。难点在于：数字水印技术虽然近几年的迅 猛发展，但主要集中于静止图像的水印技术，而在视频水印研究方面，由于视频 序列一些本身固有的一些特征，如过多的数据冗余、运动区域与非运动区域分布 的不平衡等，而包括时间域掩蔽效应等特性在内的更为精确的人眼视觉模型尚未 建立，使得目前的视频水印技术存在许多迫切需要解决的问题。另一方面，现有 山东大学硕士学位论文 的视频编码格式也阻碍了水印技术的引入。另外，视频水印算法在应用中经常有 实时或接近实时的要求，所以与静止图像相比，更为重要的是降低复杂度，在某 些情况下甚至不能像静止图像那样充分地利用人类视觉模型，因为那样会产生很 大的计算量，增加算法的复杂度。此外，视频序列作为一系列静止图像的集合， 会遭受一些特殊的攻击，如帧平均、帧删除、帧置换等，这又为视频水印提出一 些有别于静止图像水印的独特要求。因此，提出鲁棒性视频算法同时满足实际应 用中实时性的要求，是技术上的一大挑战。 视频水印技术的潜在应用领域非常广泛，如数字视频点播系统、d v d 版权保 护、卫星数字视频传输、广播电视节目监控等等，但是目前该项技术尚未得到充分 的研究，还有很多技术问题没有得到很好的解决，这给研究工作带来了基于和挑战。 视频水印技术作为视频数据处理的一种版权保护方法正在受到越来越多的重视。 1 3 本论文的研究内容和主要贡献 本论文主要对视频水印算法及其在广播电视业务中的应用进行了相关研究， 本论文的研究内容主要包括以下三个方面： 1 目前很多的视频水印算法在鲁棒性方面取得了不错的效果，比如采用运动 区域检测等方法，但是其代价就是水印嵌入和提取所带来的大量的计算量，这很 难满足实际应用中实时性的要求。从降低水印算法复杂度同时又能取得不错的鲁 棒性出发，并结合小波变换局部变换和多尺度分析的特点，本论文在第三章提出 了两种原始域视频水印算法，这两种算法的嵌入过程和提取过程复杂度较低，能 够满足实际系统实时性的要求，仿真结果表明，这两种算法在鲁棒性方面都取得 了不错的效果。 2 在目前的数字电视系统中，缺乏对电视节目版权的保护，本文提出了一种 基于视频水印技术的数字电视版权管理系统。此系统采用条件接收技术对电视节 目进行加密，水印技术对电视节目的版权进行标识，解决了当节目被盗播和非法 传播时无版权保护的问题，实现了对数字电视业务各个传播阶段的全方位保护。 3 在电视广播中，商业广告是否按照协议播出是广告商支付费用的必要前提， 这就需要一个对电视台播出广告的有力的监控手段，本文结合视频水印技术设计 9 山东大学硕士学位论文 了一种广告监控系统。利用水印判断广告是否按要求播出，通过软件的设计，在 计算机上实现了广告监控的模拟。 除了本章的综述外，论文其余各章的主要结构如下： 第二章首先介绍了数字的框架模型和基本特征，然后详细介绍了数字水印的 分类和攻击方法，最后阐述了数字水印的各种应用。 第三章提出了两种基于离散小波变换的原始域视频水印算法，主要贡献有： 1 从实际应用中实时性的需求考虑，尽量降低算法的复杂度，分别提出了基 于一维小波变换和基于三维小波变换的视频水印算法； 2 选择经小波变换后的低频域为嵌入目标，通过调整分块的平均系数值对水 印进行嵌入，本章详细的叙述了水印的嵌入过程，两种水印算法均为盲提取，不 需要原始水印信息； 3 仿真结果表明，两种方案对m p e g 2 压缩和其他常见水印攻击方法有较强 的鲁棒性，能够适应广播电视中视频传输的需求。 第四章设计了一种基于视频水印技术的d r m 系统，主要贡献有： 1 结合条件接收技术，设计了一种应用于数字电视业务的w d r m 系统； 2 利用水印技术保护电视节目的版权，解决了电视节目被解密后版权无法得 到保护的问题； 3 详细阐述了了系统的实现方案，包括系统前端设计、终端设计及系统的具 体流程。 第五章设计了基于视频水印技术的电视节目监控系统，主要贡献有： 1 通过节目流中水印信息的检测和用户频道切换时相关t s 流信息的提取， 完成收视率调查的统计； 2 详细阐述了广告监控系统的设计方案，同时将基于三维小波变换的水印算 法应用与该系统，并说明了如何通过提取的水印信息判断广告是否按要求播出； 3 通过软件的设计，在计算上实现了广告监控的仿真，仿真结果表明，设计 的系统能够达到广告监控的目的。 第六章在总结本论文主要研究内容的基础上，分析了今后所需要继续进行的 相关研究工作。 1 0 山东大学硕士学位论文 第二章数字水印技术 2 1 数字水印的框架模型 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 性或者是产品的相关版权信息。通常它需要经过适当的变换再嵌入到数字产品中， 称变换后的秘密信息为数字水印。通常，可以将水印系统框架统一表示为： w = wl w 0 ，i = 0 , i 2 ，m - i ( 2 1 ) 式中，m 为水印序列的长度，0 代表值域。水印不仪可以是一维的序列，也可以 是二维的阵列，甚至是三维或者更高维的信号，如音频信号对应一维，静止图像 对应二维，视频对应三维。也称w 为原始水印，水印的基本框架用九元体( m ，x ， w ，k ，g ，e m ，a t ，d ，e x ) 表示： ( 1 ) m 代表所有可能的原始数据的集合； ( 2 ) z 代表所要保护的数字产品的集合； ( 3 ) k 代表水印密钥的集合； ( 4 ) g 表示利用载体数据、密钥和原始数字产品共同生成水印的算法，即 g ：m x x k w( 2 2 ) ( 5 ) e m 表示将水印嵌入到数字产品中的嵌入算法，即 e m ：x x w z( 2 3 ) ( 6 ) a t 表示对含有水印的原始数据的攻击算法，即 a t ：x k 一石 ( 2 4 ) ( 7 ) d 表示水印检测算法，即d ：x x k 一 o ，1 即卅= 嚣鬈冀箍y 5 ， ( 8 ) e x 表示水印提取算法，即 e x ：x k w( 2 6 ) 所有的水印嵌入系统都包括嵌入部分和提取部分【2 7 1 ，水印的嵌入模型如图2 1 山东大学硕士学位论文 所示，其输入为水印信息、原始数据和一个可选的公钥或者私钥。水印系统使用 一个或者多个密钥来防止修改和擦除水印，确保安全。 图2 1 水印信号嵌入模型 水印的提取模型如图2 2 所示，图2 2 中那个的虚框部分表示在提取水印的时 候不需要原始载体数据。 2 2 数字水印的基本特征 图2 2 水印信号提取模型 数字水印是永久嵌在宿主数据或者载体数据中具有可鉴别性的数字信号或者 模式，而且并不影响载体数据的可用性。 一般地，数字水印具有如下基本特征。 1 安全性 所谓安全性应该表现为水印能够抵御恶意攻击的能力。强调的是在攻击者知道 或者部分知道数字水印嵌入算法和提取算法的情况下，恶意地进行各种攻击操作， 试图实现未经授权的嵌入、提取或检测、删除水印时，依然可以保证水印的正确。 安全性是以鲁棒性为基础的，对数字水印进行加密处理可以防止未经授权的嵌入、 提取、检测和删除。使用序列的扩频技术，在一定程度上可以阻止针对水印的删 除操作。 1 2 山东大学硕士学位论文 2 不可见性 不可见性包含两方面的含义：其一，指人类的视觉、听觉或其他感官上的不 可感知性。例如，对图像水印来说，嵌入水印的图像的变换对观察着的视觉系统 来说应该是不可察觉的。其二，要求用统计方法不能够提取水印，如对大量的用 相同方法和嵌有水印的载体数据，即使采用统计的方法也无法提取水印或者确定 水印的存在。在h d t v 和d v d 中，由于载体作品的质量很高，对水印不可见性 的要求更高。一般地，我们采用峰值信噪比p s n r ( p e a ks i g n a l t o n o i s er a t i o ) 来衡 量水印的不可见性，计算公式如下： 气s 2 一m 1 0 9 1 0 写丽赫 -7my 土i = l j = 0 肌f ，) 一k ( l j ) u 2 式中，( f ，) 是原始图像的像素值，r ( i ，j ) 是嵌入水印后图像的像素值，m 和n 分别是图像的行列数。峰值信噪比常用对数分贝单位来表示，本论文中，选用p s n r 来衡量水印的不可见性。 3 鲁棒性 所谓鲁棒性指的是经过常规的信号处理操作后，仍能够检测出水印的能力。 对图像的常规操作的例子有空间滤波、有损压缩、打印和扫描，以及各种几何失 真( 旋转、平移和图像缩放等) 。鲁棒性的提高往往以降低不可见性和水印容量为 代价，实际水印算法要根据具体鲁棒性和不可见性取得平衡，嵌入的水印应该是 在某种感知阈值下的最优方案。 为了衡量数字水印算法的鲁棒性，通常是比较原始水印形与提取的水印形7 之 间的相似性，本论文采用归一化的互相关系数n c ( n o r m a l i z e dc r o s s c o r r e c t i o n ) 来 描述，其计算公式如下： 们2 溃铣 ( 2 8 ) 式中，( ，w ) 为形和形之间的内积，i | i i ：为矩阵的2 范数。在信号遭受某种攻 击后，通过判断n c 是否大于某个给定的阈值来判断两个信号w 和w 是否相似， 从而判断水印算法对这种攻击的鲁棒性。 4 水印容量 1 3 山东大学硕士学位论文 水印容量，或称为数据有效载荷，是指在单位时间内或在一个作品中，能嵌 入水印的比特数。对一幅图像而言，水印容量就是嵌入在此幅图像中的比特数； 对音频而言，水印容量即指在每一秒钟的传输过程中所嵌入的比特数。对视频而 言，水印容量既可指每一帧中嵌入的比特数，也可指每一秒钟嵌入的比特数。 水印的不可见性、鲁棒性、水印容量这三者是矛盾的综合体。不管是采用什 么样的水印算法，水印信息往往是作为载体作品的冗余被嵌入的，是对载体作品 的一种修改，修改越多，在同样水印容量下，载体作品在经过信号处理或攻击后 遭受的破坏就相对原值较小，鲁棒性也就越强。但是同时，修改越多，对载体的 改变也就越强，也就容易造成失真，同时较大的修改可以编码更多的水印信息。 实际上，任何水印算法都是根据具体的应用场景，在不可见性、鲁棒性和水印容 量之间得到一个平衡点。由于是在三者之间取平衡，因此当对其中两者要求较高， 或者对三者要求相差不大时，得到的平衡点就很难满足各方面的要求。很多水印 算法选择降低不可见性和水印容量的要求，来提高水印系统的鲁棒性。相反，在 某些场合下，较高的不可见性要求是基础。 2 3 数字水印的分类 对现有的各种数字水印算法，按照不同的标准将得到不同的分类结果。常用的 分类思路主要包括如下几种2 8 1 。 1 基于载体的分类 加载数字水印的数字产品，可以是任何一种多媒体类型。根据多媒体类型的不 同，可以将水印分为以下几种。 ( 1 ) 静止图像水印 数字图像是在网络上广泛流传的一种多媒体数据，也是经常引起版权纠纷的一 类载体。静止图像主要利用图像的冗余信息和人的视觉极限来加载水印。有些静 止图像水印算法也可以适用于其他载体，这取决于水印算法所采用的技术。 ( 2 ) 视频水印 视频水印可以从两个角度来研究，一方面，视频数据可以看作由许多静止图像 组成，因此适用于静止图像的水印算法也适用于视频水印；另一方面，可以直接 1 4 山东大学硕士学位论文 从视频数据入手，找出视频中人眼视觉不敏感的部分进行水印嵌入。通常后一种 方法更有效，因为视频的数据量非常大，当经过压缩编码后，视频帧中隐藏的水 印信息大部分都被压缩掉了。 ( 3 ) 音频水印 加载在声音媒体上的水印用来保护音频数字产品，如c d 、广播电台的节目内 容等。音频水印主要利用音频文件的冗余信息和人类听觉系统的特点来加载水印。 ( 4 ) 软件水印 软件水印是镶嵌在软件中的一些模块或者数据上，通过这些模块或者数据来证 明该软件的版权所有者的信息。 ( 5 ) 文档水印 利用文档所独有的特点，水印信息通过轻微调整文档中的行间距、字间距、文 字特性等结构来完成编码。 2 基于加载方法的分类 根据水印加载方法的不同，可以分为两大类：空间域水印和变换域水印。 ( 1 ) 空间域水印 较早的水印算法大都是基于空间域，直接在信号空间上叠加水印信息，具有叫 大的信息嵌入量，但其鲁棒性较弱。常见的空间域算法有：最低有效位算法( l s b ) ， p a t c h w o r k 算法，纹理块映射编码，文档微调算法。 ( 2 ) 变换域水印算法 基于变换域的水印技术可以嵌入水印数据而不会引起感官上的察觉，这类技术 基于常用的变换，如离散傅里叶变换( d f t ) 、离散余弦变换( d c t ) 。离散小波变 换( d w t ) 、f o u r i e r - m e l l i n 变换等。 3 基于检测方法的分类 ( 1 ) 盲水印和非盲水印 ： 按照检测水印是否需要原始载体分为盲水印和非盲水印。在检测水印时，如果 需要参考未加水印的原始载体，则这类水印方法成为非盲水印；反之，如果检测 中无需参考原始载体，则这类水印方案成为盲水印。 ( 2 ) 私钥水印和公钥水印 水印算法中根据所采用的用户密钥不同，分为私钥水印和公钥水印。私钥水印 山东大学硕士学位论文 i i 方案在嵌入水印和检测水印过程中采用同一密钥，因此只有水印嵌入者才能够检 测水印，而公钥水印在水印的嵌入和检测过程中采用不同的密钥，由所有者用一 个只有自己知道的密钥嵌入水印，嵌入水印的载体可由任何知道公开密钥的人来 检测。 4 基于水印特性的分类 按照水印的特性可以将数字水印分为鲁棒性数字水印、脆弱性水印、半脆弱性 水印三种。 ( 1 ) 鲁棒性水印 主要用于数字作品( 数字图像、音频、视频) 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信号处理操作，只要载体信号没有被 破坏到不可使用的程度，都应该能够检测出水印信息。大量文献中研究的水印基 本上都是鲁棒性水印。 ( 2 ) 脆弱性水印 主要用于完整性保护和数据的真伪鉴别，又称为认证。与鲁棒性的要求正好相 反，必须对信号的改动很敏感，然后根据脆弱水印的状态来判断数据是否被篡改 过，达到对原始数据完整性检验的目的。 ( 3 ) 半脆弱水印 是一种介于鲁棒性水印和脆弱性水印的分类。兼有鲁棒性水印和脆弱性水印的 特征，一方面它要根据载体信息的改变作出相应的改变，另一方面，对于某些非 恶意攻击，如滤波、压缩，应当表现出一定的鲁棒性。 5 基于外观的分类 水印从外观上可以分为可见水印和不可见水印。 ( 1 ) 可见水印 顾名思义，可见水印是指嵌入数字作品中的水印是可察觉的，最常见的例子就 是有线电视频道上的半透明标识，其主要目的在于明确表示版权，防止非法使用。 ( 2 ) 不可见水印 将水印隐藏，使视觉上无法察觉，目的是将来起诉非法使用者，作为起诉的证 据。目前大多数的数字技术采用不可见水印，水印隐藏在载体作品中，不易被人 感知。 1 6 山东大学硕士学位论文 2 4 数字水印的攻击方法 虽然目前已经有很多种数字水印算法，而且也有商业的数字水印系统，但是几 乎所有水印算法都有缺陷。针对现有水印算法的漏洞，已经提出了多种攻击方法。 研究水印的攻击方法 2 9 3 ，一方面可以评估水印系统的安全性，找到漏洞；另一 方面，可以根据找到的漏洞设计更加安全的水印系统。 根据水印攻击者可能做出的攻击，通常将水印攻击分为四类：非授权检测攻击、 非授权嵌入攻击、非授权去除攻击和系统攻击。前三种攻击是针对水印本身的， 而系统攻击是针对水印系统的。前三种攻击已经包含了水印可能遭受到的所有攻 击，其他不是针对水印本身二是针对水印系统的攻击称为系统攻击。 1 非授权检测攻击 非授权检测是指未经授权试图检测水印是否存在或者解码水印信息，也称为 隐写分析。 在没有检测器和水印密钥等先验知识的条件下，攻击者即使不用提取水印信 息，只要检测水印是否存在，就已经对水印系统的安全构成了威胁。如果攻击者 检测到载体中存在水印信息，就可以有目标的破坏载体数据，使得合法检测者也 无法恢复其中的水印信息。在水印算法的设计中，应当考虑到能够防止未经授权 的检测和解码水印信息，使得设计的水印系统能够安全抵抗这些攻击。 2 非授权嵌入攻击 非授权嵌入是指攻击者在他人含有水印的作品中嵌入自己的信息，或是将他人 合法的水印加入到另外的图像中。 其中最常见的就是拷贝攻击 3 2 。5 1 ，是指从一份合法含有水印作品中估计水印， 并将该水印嵌入到另外不含水印的图像中。作为一种非授权嵌入攻击，拷贝攻击 能够使水印检测器误把无效作品鉴定为真，合法用户无法通过对水印的提取来确 定数字作品来源的真实性，从而阻止了合法水印嵌入的目的，极大地威胁了水印 在数字作品版权保护中的作用。为了防止拷贝攻击，可以通过在嵌入的信息中附 加一个对载体作品的描述，然后由非对称密钥加密或者密码签名保护，合法的检 验者在接收到