（模式识别与智能系统专业论文）基于jpeg2000的数字水印技术的研究.pdf

西北工业大学硕士论文摘要 摘要 图像安全随着多媒体技术的蓬勃发展，已经成为一个普遍的而且很重要的问 题，数字水印技术是图像安全领域的重要技术的一种，具有优良的发展前途和广 阔的市场。j p e g 2 0 0 0 是i s o 推荐的新一代的静止图像压缩标准，它提供的优越 性能决定了未来的图像交换、存储等等格式是j p e g 2 0 0 0 。水印算法经过多年的 发展也正在走向实用阶段，所以提出了水印算法与j p e g 2 0 0 0 压缩算法相结合的 必要性，研究基于j p e g 2 0 0 0 的嵌入式数字水印技术，实用化的水印应用方案作 为研究目的。 论述了压缩算法与水印技术结合必然性，分析了这一论文题目的现实意义和 广阔的市场前景。对现行的几种主要算法针对性的作了分析，讨论了j p e g 2 0 0 0 的关键技术对嵌入式水印算法的影响，所做的工作具体如下： ( 1 ) 提出了嵌入式水印算法与压缩算法相结合时，水印算法满足的基本性 能，选取了基于量化算法作为水印方案的算法，第二代水印与压缩算法结合的可 能性分析。 ( 2 ) 讨论了压缩技术对水印算法的各种影响，算法相互结合的优缺点，存在 的问题，提出了基于j p e g 2 0 0 0 的嵌入式水印的基本特征，嵌入式的基本概念就 是在压缩编解码器内部嵌入水印嵌入和提取的编解码器，两种算法即充分结合又 相互独立的思想。充分结合就是指尽量的减少算法的复杂度，利用压缩算法提供 的小波变换、量化等等算法，独立就是水印的算法不影响压缩算法，水印算法作 为编解码器的一个模块。设计了在压缩算法中量化之后嵌入水印的方案，对比 了两种水印图像的置乱方法混沌序列和环形自同构，详细的讨论了量化大小对水 印影响，小波系数对量化步长选取的影响。 ( 3 ) 实现基于j p e g 2 0 0 0 的水印算法的验证平台，对设计的水印方案作了验 证，试验表明嵌入式水印算法有自己独特的优点，在压缩比为l ：5 0 时仍然可以 提取到水印图像。同时也曝露了缺点，对于平滑滤波的抵抗性很差。 关键词：数字水印j p e g 2 0 0 0 小波变换量化e b c o t 环形自同构 西北工业大学硕士论文a b s t r a c t a b s t r a c t t h es e c u r i t yo f i m a g eh a da l r e a d yb e e nav e r yn o r m a la n dv e r yi m p o r t a n c eq u e s t i o n a l o n g w i t ht h ef l o u r i s h d e v e l o p m e n t o fm u l t i m e d i a t e c h n o l o g y t h ed i g i t a l w a t e r m a r k i n g i st h em o s t i m p o r t a n c et e c h n o l o g yi nt h es e c u r i t yo f t h ei m a g e ，w h i c h t h e r ei st h ee x c e l l e n tf u t u r ea n dt h e e x p a n s i v em a r k j p e g2 0 0 0i s an e wi m a g e c o d i n gs y s t e mt h a t u s e ss t a t e - o f - t h e a nc o m p r e s s i o nt e c h n i q u e sb a s e do nw a v e l e t t e c h n o l o g y i t sa r c h i t e c t u r es h o u l dl e n di t s e l ft oaw i d er a n g eo fu s e sf r o mp o r t a b l e d i g i t a lc a m e r a st h r o u g h t oa d v a n c e d p r e - p r e s s ，m e d i c a li m a g i n g a n do t h e rk e ys e c t o r s t h et e c h n o l o g yo f d i g i t a lw a t e r m a r k i n g i sb e i n gt ot h ea p p l i a n c ep h a s ep a s s i n gb y t h en e a r l yt e ny e a r s d e v e l o p m e n t ，s ot h ei d e a lt h a tt h ed i g i t a lw a t e r m a r k i n g b a s e d o nj p e g 2 0 0 0i s p u t f o r w a r dw h i c hw a t e r m a r k i n g t e c h n o l o g y i se m b e di nt h e j p e g 2 0 0 0 sc o m p r e s s i n ga l g o r i t h m ，a n dt h er e s e a r c ho b j e c ti sa p p l i e dw a t e r m a r k i n g s c h e m e t h ei n e v i t a b i l i t yo fi n t e g r a t i n gc o m p r e s sa l g o r i t h mw i t hw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m i sd i s c u s s a n dt h em a i nw o r ki sl i s t e da sf o l l o w s ： 1 t h ew a t e r m a r k i n gm u s tp o s s e s ss e v e r a lc h a r a c t e r i s t i c sw h i l et h ew a t e r m a r k i n gi s e m b e d d e di nt h ej p e g 2 0 0 0 t h ew a t e r m a r k i n gp r o j e c ta d o p t e dt h ew a t e r m a r k i n g a l g o r i t h mb a s e dq u a n t i z e ，a n ds o m eq u e s t i o n sm u s tb et a k e nc a r ew h i l et h es e c o n d g e n e r a t i o nw a t e r m a r k i n gi sa p p l i e d 2 h o wt h ec o m p r e s sa l g o r i t h mi n f l u e n c eo nt h ew a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m ，a n dp l u s e s a n dm i n u s e st h a tt w oa l g o r i t h mm u t u a l l yc o m b i n e sw a sd e t a i la n a l y s e s h a v ep u t f o r w a r dt h ee s s e n t i a lf e a t u r e sb a s e do ne m b e d d e dw a t e r m a r k i n go fj p e g 2 0 0 0 ，t h e b a s i c c o n c e p t i o n o fe m b e dw a t e r m a r k i n gi nj p e g 2 0 0 0i st h a tt h ew a t e r m a r k i n g a l g o r i t h mi se m b e di nt h ec o m p r e s se n c o d e r - d e c o d e r t w ok i n d so fa l g o r i t h m sf u l l y c o m b i n ea n dh a v ei n d e p e n d e n c yt h a tf u l l yc o m b i n i n gr e d u c ea l g o r i t h mc o m p l i c a t i o n r e f e r r i n gt ou t i l i z et h ew a v e l e t 、q u a n t i z a t i o na n ds oo i la n d t h ei n d e p e n d e n c ei st h a t t h ea l g o r i t h mo ft h ew a t e r m a r k i n gt h a tw h i c hi sr e g a r d e da sap i e c eo fm o d u l ed o e s n o ti n f l u e n c et h ea l g o r i t h mo fc o m p r e s s i n g t h ee m b e d d i n gw a t e r m a r k i n gs c h e m e t h a tw a t e r m a r k i n gi se m b e d d e da f t e rt h eq u a n t i z a t i o ni nc o m p r e s s i n ga l g o r i t h m si s d e s i g n e d c o m p a r e t h ec o n f u s i o nb a s e dc h a o s s e q u e n c e w i t hb a s e dt o r a l i i - 西北工业大学硕士论文 a u t o p m o r h i s m s ，a n da n a l y z ew h a t t h es i z eo f q u a n t i z a t i o no fe m b e d d e dw a t e r m a r k i n g i n f l u e n c e so nt h er o b u s to f w a t e r m a r k i n g a n dh o wt os e l e c tt h es i z eo f q u a n t i z a t i o n s t e pa c c o r d i n g a st h em a g n i t u d eo fw a v e l e tt r a n s f o r mc o e f f i c i e n t 3 r e a l i z et h ev e r i f i c a t i o n p l a t f o r mw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mb a s e do nj p e g 2 0 0 0a n d t e s tt h ew a t e r m a r k i n gs c h e m et h a ti sd e s i g n e d t h e t e s t i n gr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h e r e a r eo n e so w n u n i q u ea d v a n t a g e si nt h ee m b e d d e dw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mt h a tc a n s t i l lb ed r a w nt ot h e w a t e r m a r k i n gp i c t u r ew h i l et h ec o m p r e s s i o nr a t i oi s1 ：5 0 e x p o s e t h es h o r t c o m i n ga tt h es a m et i m et h a ti sv e r y p o o r t ot h er e s i s t i n go fs m o o t hf i l t r a t i o n k e yw o r d s ：d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ，j p e g 2 0 0 0 ，w a v e l e t t r a n s f o r m ，q u a n t i z e e b c o t , t o r a l a u t o p m o r h i s m s i i i 硅北t 业大学顿士论文 第一章绪论 第一章绪论 多媒体数据的数字化为多媒体信息的存取提供了极大的便利，同时也极火地 提高了信息传播的效率和准确性。随着国际互联网的日益普及，多媒体信息的交 流已达到了前所未有的深度和广度，其发布形式也愈加丰富了，人们如今也可以 通过因特网发布自己的作品、传播重要信息和进行网络贸易等，但是随之而来出 现的新问题也十分严重，如作品侵权更加容易，篡改也更加方便，因此如何既充 分利用因特网的便利，又能有效地保护知识产权，已受到人们的高度重视。 第一节数字水印的应用和j p e g 2 0 0 0 的性能 数字水印( d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ) 是实现未来版权保护的主要技术方法之一，因 此如今已成为多媒体信息安全研究领域的一个热点，也是信息隐藏技术研究领域 的重要分支。该技术即是通过在宿主信息中嵌入秘密信息一水e l j ( w a t e r m a r k i n g ) ， 被嵌入的水印信息可以是一段文字、标识、序列号、图像等，而且这种水印通常 是可见的或不可见的，水印嵌入是基于宿主信息的内容( 如图像、音频、视频数 据) 嵌入算法，水印信息成为宿主信息难以分离的一部分，并可以经历些常见 的操作或修改，宿主信息的使用价值或商用价值不会被改变，水印信息也可以被 检测或提取。水印的各种特性如鲁棒性、不可见性经常被用来测试水印算法的性 能，可是不把实际需要或应用目标考虑在内，那些特性的实现就目前而言有一定 的盲目性和难度，例如设计一套适合视频和广播监视的水印系统与票据的数字水 印技术有很大得差别。水印的载体是影响水印的重要因素之，每种载体都有自 己本身固有的特性，这些特性对水印的性能有促进作用，也可能是不良的作用。 水印技术经过近十年的发展，取得了一定的成果，但是面临的问题也是很严峻的， 不考虑实际的应用和针对相应的问题建立一套大而全，可以适合各个领域应用的 水印系统是不可能的。水印的一些应用领域【2 】。 广播监听【3 ：这是水印在广播和电视上的一种应用，给广播信息的每一份 授权拷贝嵌入水印在广播时水印可以被监听站点方便的检测出来。由于广播的 音频或视频含有大量的信息，水印循环的嵌入其中，以至于如果想要破坏水印需 要花费大量的时间和精力。当非法使用者使用广播拷贝播放时，监听站点提取的 水印可以作为追踪广播来源和盗版的证据使用。在商业系统这种水印已经有一段 的研究历史了。 西北工业火学硕士论文 第一章绪论 标签或标题：普通商标的使用一直是种版本所有权标注，它可以很容易的 印刷在包装上，出现在视频或图像的画面。但是普通的标注可以很容易的被损坏， 包装丢失，画面被剪切，而且不影响其余部分的正常使用，以水印形式的标签可 以克服这些缺点。比如可以在音频或视频中嵌入水印，通过编解码器的支持便标 签可以显现出来，试图取消它就会破坏宿主信息的使用。 版权保护 4 ：版权保护是目前水印研究的热点之一，多媒体发行商- ：g 以 来不只是想使用水印只表明自己的所有权，而且应该提供真正的具有法律意义的 保护。例如两个人同时声明他对某个作品拥有所有权，这样总有一个是非法使用 者。传统的判决方法是可能其中的一个人拥有作品的注册权的人需要很大的精力 和时间来联系注册管理机构出示证明，在现在信息高速流通的情况下，当得到判 决时，作品的实际利益已经消失了或者有很大的损失。如果水印可以作为种法 律的证据表明版权的所有人同时可以快捷方便的得到证明，就可以很简单快速的 被法官判决，目前的水印技术还远不能满足这一点，正在朝这个反面做出努力。 授权使用和鉴定：随着大量图像在网络上快速交换，对图像的恶意攻击和修 改随之增多，如何授权给合法的用户和鉴别图像的真伪成为一个迫切的问题。数 字图像可以被很容易的修改但很难识别出，而且在这种情况下没有任何原始图像 提供。如果图像的原始内容是非常的重要，例如证据保存，医学图像，在这种情 况下需要授权和鉴定是非常急迫要求。授权的图像使用水印控制可以得到图像的 实际质量，鉴定的作用就是即使图像的任位的一个比特被改变，在鉴定器上也 可以得到反映，同时得到图像被改变得部位和严重程度。传统散列得到的散列值 是与图像的内容分开存储，通过对图像存储格式的攻击很容易剔除散列值【5 。 水印提供授权和鉴定本身是基于内容的，嵌入的水印与图像内容紧密的联系在一1 起，授权信息具有更高的鲁棒性。 数字水印的应用与所在信息载体息息相关，在广播监听中水印的载体是音 频或视频，实际应用的数字水印可以对不同的载体作不同的设计，音频与视频 显然有很大的差别，每种视频格式也有很大的不同【6 】。j p e ( 3 2 0 0 0 是新一代的静 止图像存储格式，与j p e g 具有根本性不同，j p e g 2 0 0 0 基于小波变换，采用当 前最新的嵌入式编码技术，在获得优于目前j p e g 标准压缩效果的同刚生成的码 流有较强的功能，可应用于多个领域。j p e g 2 0 0 0 与现行各图像标准的性能比较 比较( 表l - 1 ) 【6 】： 我们可以看出j p e g 2 0 0 0 所具有的性能 7 】【8 】【9 】如下： ( 1 ) 良好的低比特率压缩性能j p e g 2 0 0 0 最主要的特征：j p e g 标准对于细节分最 多的跃度图像，当码率低于0 2 5 b p p 时，较为严重的马赛克现象就会现。 西北工业大学硕士论文 第一章绪论 j p e g 2 0 0 0 采取的编码方式在0 ：2 5 b p p 其压缩质量明显高于j p e g ，低比特率 下有良好的率失真性能，可以适应网络、移动通信等有限带宽的应用需要。 j “2 0 0 0j l e ( 一，sj p 蕊jm i ，l ：( j - 4v “+ i n ( i i o , ；s l e a ；c o m p r , ：, s s i o np e r l b m 1 a n c e 1 u s c o m p r e s s i o nj ) e r n l m l ；m “ d m 2 r c s d w eb i l a l t e a m s r e t a l o no fi n t e r e s t r o i ) c o d i n e a r b i l m r , s h a l x d 两i e c t s r a n d o ma c c e s s i o wc * ，m p t e x i t 一+ + o r m rr e s i l i e n c e 1 1 0 1 1 i t e m t i , ei d i e o l l r o 】 望( q k r l c l “ ( 表1 - 1 ) “+ ”表示对这种性能的支持，“+ ”愈多表示支持的性能愈好，“” 表示不支持这种特性。 ( 2 ) 有损和无损压缩：j p e g 标准在同一个编解码器中不能同时提供有损和无损 两种压缩，而在j p e g 2 0 0 0 系统中，通过选择参数，在同一个编解码器能够 对图像进行有损和无损两种压缩，可满足图像质量要求很高的医学图像、图 像库等方面的处理需要。 ( 3 ) 按照像素精度和分辨率不同进行渐进式传输：现在网络上的j p e g 图像下载 时是按“块”传输的，因此只能一行地显示。渐进图像传输允许图像按照所 需的分辨率或像素精度进行重构，用户根据需要，对图像传输进行控制，在 获得所需的图像分辨率或质量要求后，便可终止解码和传输，而不必接收整 个图像压缩码流。 ( 4 ) 随机存取和处理码流：j p e g 2 0 0 0 本身可以存储大尺寸图像( 例如宽= 2 3 2 1 和 高= 2 3 2 1 像素) ，采用小波技术利用其局部分辨特性和e b c o t 编码特性，在 不解码的情况下，可随机存取某些感兴趣的图像区域而不用对整个压缩码流 码解码，对压缩图像的部分数据进行传输、滤波等操作就可以实现。 ( 5 ) 很强的抗误码特性：随着无线通讯的不断发展，对无线通信的图像传输提出 新的要求，在无线通信信道上，噪声干扰大，误码率高，j p e g 2 0 0 0 压缩码 流具有较强的容错性能，采用的编码设计是分块编码、算术编码在每个编码 通道可以中止，每包的重新同步，大大的提高的容错性，使其很是适合于无 线通信领域，其相应的标注正在制定中 1o 】。 ( 6 ) 固定速率、固定大小、有限的存储空间特性，由于处理的图像越来越大，这 西北工业大学硕士论文 第一章绪论 为硬件实现以及带宽资源和存储空间有限的应用提出了问题。j p e g 2 0 0 0 使 用分块技术，对每个小块进行处理，引入率失真来解决这类问题。 ( 7 ) 开放的框架结构：为了在不同的图像类型和应用领域优化编码系统，提供一 个开放的框架结构在是必须的，在这种开放的结构中编码器只实现核心的工 具算法和码流的解析，如果需要解码器可以要求数据源发送未知的工具算 法。 ( 8 ) 基于内容的描述 1 1 ：图像文档、图像索引和搜索在图像处理中是一个重要 的领域，m p e g 7 就是支持用户对其感兴趣的各种“资料”进行快速、有效 的检索的一个国际标准。基于内容的描述在j p e g 2 0 0 0 中是压缩系统的特性 之一。 j p e g 2 0 0 0 提供以上良好的性能，奠定了它可以作为下一代静止图像的流行 交换格式，可是它的复杂度也相应的提高( 表( 1 - 2 ) ，表0 - 3 ) ) 1 6 】，表中显示 j p e g 2 0 0 0 r ( 可逆小波变换) 和j p e g 2 0 0 0 n r ( 不可逆小波变换) 与现行几种典型图 像标准的运行时间复杂度的比较，其中b i k e ，c a f e 等是测试图像，表( 1 2 ) 中在无 损压缩条件下相对以j p e g l s 花费绝对时间( 单位秒) 表示其余各个解码时间， 最右一列是j p e g l s 的绝对花费时间。很明显l j p e g 花费的时间最少，其次 j p e g l s 和p n g 相差不大，而j p e g 2 0 0 0 r 花费的时间最长。表( 1 3 ) 是以2 b p p 的渐进传输速率的相对解码时间，参照时间是p j p e g 的花费的绝对解码时间， 显示在最右边的一列。从以下的两张表可以j p e g 2 0 0 0 看出，在提供很好性能的 同时复杂度有很大的提高，时间复杂度的提高可能会限制它在某些，这个缺点是 可以通过提高相应的使用设备得到弥补。j p e g 2 0 0 0 提供了丰富的各项特性，很 适合现在和未来一段时间对图像压缩技术的要求，而且代表目前最先进的各项压 j p e g2 0 0 0 rj p e g l sl - j 1 ) e gp n gj p e g 1sa b sfs c c s b i k e3 71 00 7o q2 17 c a 龟4 ( )1 0( ) 71 ( c m p n d l 6 71 0l ，62 20 0 6 c h a l l4 ( ii 0f jql ，2i 。2 a e i i a l 24 ji 0( ) 7n 8 l7 k i l c l3 q】o 9l ，3( j 0 7 u s3 91 o【j 。7i 1| j 0 7 a 、e l a 篮e 4 31 00 91 2 表( 1 2 ) 无损压缩时不同标准的解码时间 西北丁= 业大学硕士论文第一章绪论 j p e g2 , g l ( i r j p e g 二r p j l e gm p e g 4v t cp j p l 三ga b sf h “sj b l k c2s36 l n 3 5ll 了q c 1 1 02 83 1 】3 6ii7 卜 a n p n d i 3 23 q1 孙40l ： c h ax f2 s3 h1 3 46卜3 二 1 c i a l 22 6361 i )3 5 b j ，4 h l a i u “3 24 11 f l 3 6 30 1 琳 304 01 03 5 6f l i j 7 a v p r a 暨p 2 93 81 03 5 7 表( 1 3 ) 不同标准渐进传输速率的相对解码时间 缩技术，可以说未来的静止图像压缩标准或交换格式，j p e g 2 0 0 0 极有可能是其 中的主要一种，数字水印的载体建立在j p e g 2 0 0 0 上就是非常合理的事情也是必 须。很多的学者在研究水印算法的同时也注意到了新的图像标准的诞生，水印和 j p e g 2 0 0 0 相结合的可能，但是所有的算法依然是游离y - j p e g 2 0 0 0 编解码器之外 的，或者说很少有学者以对嵌入视频水印的态度来对待静止图像的水印嵌入。n j 是随着图像压缩技术的逐渐复杂，性能也越来越优异，与过去的j p e g 的算法相 比已经很复杂了，逐渐接近于视频编码的复杂度，所以在静止图像中嵌入水印的 态度也应该以在视频中嵌入水印态度来对待。 基于j p e g 2 0 0 0 的水印算法不是水印算法和j p e g 2 0 0 0 编解码器的简单堆叠， 而是把水印算法以合理方式融合在j p e g 2 0 0 0 编解码器内部，使水印算法和压缩 算法有机结合，可以相互利用但又不损害压缩的各种良好特性。以目前的数字水 印算法，并不适合在j p e g 2 0 0 0 标准中直接使用的使用，例如在j p e g 2 0 0 0 的标准 中提供两种可选的小波变换和两种量化算法 1 2 】，这两种变换都有各自的特点， 在加入数字水印时选用的小波变换不同，量化算法不同，嵌入水印时也肯定钉所 不同，所以设计的方案应该充分考虑水印载体的特性，也就是j p e g 2 0 0 0 编码解 码器内部算法对水印算法的影响。如果在一副j p e g 2 0 0 0 格式的图像中加入水印 和提取水印，普通算法的实现方案是如下图，提取水印方法基本是加入水印的逆 甄匿垂回三一絮銮) _ 曼多1 堡竺竺! 一 图1 i 】普通水e 丽日入流程示意图 一嘣x 过程，其所耗费的时间增加了好几倍，非常不利于有定时间限制的条件卜实u , j 性要求，如大量的批量处理、网络实麓检测等等。而且这种简单的方案没有充分 的考虑和利用j p e g 2 0 0 0 各项优异性能，很可能阻碍了对j p e g 2 0 0 0 性能的充分利 用，破坏了一些关键性能。举个例子，如果用户只是随即存取了副很大图像的 其。1 1 的一部分t 这部分又很有经济价值或使用价值，传统的水印算法在这种悄s 况 西北工业大学硕士论文 第一章绪论 下很难检测出水印，因为图像没有被全部解码或者提取水印时只有小部分图像， 水印提取在此中情况中就会失效。为了克服这些缺点，水印的嵌入方案需要重新 设计，水印应该在即使只存取一小部分的图像时也应该可以提取出来。为了实现 水印使用可以与j p e g 2 0 0 0 的优异性能相结合，水印的嵌入方案应该和j p e g 2 0 0 0 的编解码标准充分合理的结合在一起，在j p e g 2 0 0 0 的编解码器中嵌入水印的嵌 入和提取算法，使水印的实现与j p e g 2 0 0 0 的实现合二为一，同时提供普通 j p e g 2 0 0 0 编解码器的性能和具有水印嵌入和提取功能的编码解码器，在性能上 得到真正的合二为一，基于这些原因提出了基于j p e g 2 0 0 0 的数字水印算法的研 究这一课题。 西北工业大学硕士论文第一章绪论 第二节本论文所作的工作 数字水印技术经过近十年的发展，已经取得了很大的成绩，即使如此仍然没 有很成功的商业应用。随着新一代的静止图像标准j p e g 2 0 0 的推出，水印算法 也逐渐成熟，在未来的水印应用和图像安全领域，j p e g 2 0 0 0 与水印算法的结合 是必然的，也是没有办法避免的，基于这个原因提出了基于j p e g 2 0 0 0 编解码器 与水印算法相结合的题目，两者的结合实际上是压缩算法和水印算法相结合，不 是两种算法的简单罗列和堆砌。所以本论文的主要内容就是研究现行水印算法与 j p e g 2 0 0 0 压缩算法如何结合在一起，分析和归类了现有几种的流行算法，分析 了它们的优缺点。详细的分析了j p e g 2 0 0 0 的几项关键技术对水印算法的影响， 同时提出了基于j p e g 2 0 0 0 的数字水印要基本满足的几项性能。在此基础上设计 了一个水印算法的验证模型，通过模型的建立详细的分析了实现基于j p e g 2 0 0 0 的数字水印算法的一些要点，模型取得的一定的成功，但是缺点也很明显。有创 新意义的是从理论和实际论证水印算法和j p e g 2 0 0 0 压缩算法的可行性，提出了 j p e g 2 0 0 0 与水印算法结合的必然性。所做工作可以总结为一下几点： 1 提出了水印算法与j p e g 2 0 0 0 结合时水印算法应该满足的条件。 2 水印算法嵌入j p e g 2 0 0 0 编解码器应该符合的性能。 3 详细的j p e g 2 0 0 0 各项关键技术对嵌入水印算法在实现上的影响，提出了 基于j p e g 2 0 0 0 水印算法的框架。 4 水印算法在j p e g 2 0 0 0 实现是遇到的困难和解决反方法。 5 建立了一个水印算法的验证平台。 6 设计了一个基于j p e g 2 0 0 0 的水印算法模型。 7 分析试验结果，探讨成功和失败的原因，为进一步的发展提出参考意见。 关于本论文的具体内容作一个大概的介绍。 第一章引言，主要介绍水印的出现背景和应用领域，j p e g 2 0 0 0 訇像存储标 准优异性能，以其论文题目提出的原因和动机。 第二章概述数字水印的主要几种算法的基本原理，分析各个算法的优缺点， 以启发和设计在j p e g 2 0 0 0 的数字水印算法。 第的三章叙述了 j p e g 2 0 0 0 标准的几个主要关键技术，这些技术对水印方案 的确定有很大的影响，小波变换、e d c o t 、形成码流方式等等，在此基础上才 可以分析j p e g 2 0 0 0 的编解码器j a p s e r 源程序，设计和实现仿真程序。 第四章详细的叙述了如何设计在j p e g 2 0 0 0 的数字水印的方案，以其对方案 西北工业大学硕士论文第一章绪论 的一些要求和验证其可行性。 第五章主要的验证结果和实验分析，以其对未来改进方案的一些建议，编写 了j p e g 2 0 0 0 水印验证平台。 最后是参考文献和致谢。 西北工业大学硕士论文第二章数字水印处理技术和主要算法 第二章数字水印处理基本技术 和主要的算法 第一节数字水印的分类和特征 数字水印在国内目前并没有一个完全统一的定义，有的定义是把数字水印称 为是信息隐藏在版权保护的应用，随着数字水印在各个方面的到愈来愈充分的重 视，应用领域也在逐步扩大，已经不只是信息隐藏的范围了。也可以把数字水印 简略的解释为把带有特定目的的信息通过某种方法嵌入到目标信息中，嵌入信息 需要满足一定的条件，条件可以随着不同的应用而改变。在本文研究的水印主要 局限于数字图像的数字水印，水印的载体是静态图像，加入的信息也是黑白二值 图像，在这里对现有的大部分数字水印做一个简单的分类。 2 1 1 数字水印的分类 按特性划分为鲁棒性数字水印和脆弱数字水f 0 ( 又叫弱水印) 两类。鲁棒性数 字水印有很强的抗干扰能力且水印难以被去除，而且能够抵抗多种有意或者 偶然的攻击或者图像失真。“攻击”是指任何对于嵌入的水印信息的修改或 去除，影响水印提取和检测。脆弱数字水印与鲁棒性水印的要求相反，脆弱 水印必须对水印宿主信息的改动很敏感，这种水印被加到宿主信息中，是为 了使所有对于宿主信息的变化和处理都反映到恢复出来的数字水印上，根据 提取出的脆弱水印的状态就可以判断数据是否被篡改过，并可以借此判断一 些攻击的过程和属性。 按检测过程划分为非完备水印和完备水印，非完备水印在提取水印时，需要 原始的宿主信息和原始水印，其代表是扩频通信算法的水印，优点是有着相 对较高的鲁棒性。因为有原始信息作参考，这样可以用一些方法除去被提取 水印信息的很多失真，缺点也很明显，增加了储存、维护成本和泄密的风险。 所以在新的多媒体应用如d v d 中，使用的方法基本上都在采用完备数字水 印方案。完备数字水印在进行水印提取时不需要原始宿主信息和原始图片， 在使用上非常方便，由于不涉及原始信息的储存和维护，大大降低了成本和 泄密风险，所以这也是目前学术界的研究方向之一。它的缺点鲁棒性较差， 多数的完备水印方案的鲁棒性不如同类的非完备水印，如何加强和提高这种 水印的鲁棒性很有意义。 两北工业人学硕一j 论文 第二章数字水印处理技术和主要算沽 按水印的可见程度划分为可见水印和不可见水印瓶种。可见水印在宿主信息 中产生明显的可以人眼察觉的变化，如半透明的图像，但是不会严重的影响 原始信息。可见水印的研究没有不可见水印那么流行，因为可见水印会在原 始的多媒体信息上带来明显的痕迹，使原始多媒体信息的质量发生变化。可 见水印也有很多的实用价值，只是目前还没有被充分的发展利用，在有些领 域可见水印与不可见水印也可以结合使用。本论文中所讨论的内容都是基于 不可见水印而言的，不可见水印就是嵌在宿主信息中的水印不能够被普通用 户察觉，只用通过特殊的技术可以被检测出来。对用户来说嵌入水印的信息 基本与原始信息没有不同，一般主要是指视觉方面的差异，而这一目的与水 印的鲁棒性是矛盾的，矛盾的解决是数字水印方案设计的主要工作内容之 一，也是衡量水印方案成功与否的一个方面。在某些特殊的场合，水印的不 可见性要达到极高的水平，比如图像、视频、音频水印的嵌入，不能对多媒 体产品品质的有较大的影响，但是鲁棒性要求也很高，这种矛盾的解决是目 前水印研究的一个热点。 按水印隐藏的位置划分为时( 空) 域数字水印、频率域数字水印、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，而频率域数字水印、时频域数字水印和时间尺度域数字水印则分 别是在变换域( 如d c t 、f f t 域等1 、时频变换域和小波变换域上隐藏水印。 随着数字水印技术的发展，各种水印算法层出不穷，水印的隐藏位置也不再 局限于上述四种。应该说，只要构成一种信号变换，就有可能在其变换空间 上隐藏水印。 2 1 2 水印应该具有的特性 保真度对于观测者水印的嵌入是不可察觉的，不会影响原始信息内容 品质的降低。在以上我们提到的不可见性也具有这一含义，但是可见的 水印也应该具有这特征，只是强弱的区别，对于那些没有视觉感知的信 息，以不可见性作为一个水印的特征是不合适的。随着水印信息量的增 加，原始信息的品质必然下降，因为从一定意义上，水印信息对于原始 信息来说，本身就属于信息干扰的噪声。早期的水印为了实现保真度， 水印信息的嵌入一般选择在信号的不重要位置，比如图像的最低比特位 【1 3 】，可是嵌入在这些位置中的水印很容易被去除。压缩本身就是为去 除信息的冗余度，许多率失真算法也舍去了一些低比特位的系数，在有 两北_ e 业大学预士论文第二章数字水印处理技术和主要算沽 损压缩算法中本身一般会丢弃一些不重要的系数，比如频域的高频系数。 如果水印可以在信息被压缩前和压缩后检测出来，那么带有水印嵌入的 图像压缩数据和没有水印嵌入的压缩数据有很大区别。随着压缩技术的 提高水印已经很难抵抗压缩的攻击，为了提高压缩的鲁棒性，从各个文 献和资料的总结可以明确的指出，水印嵌入信息的位鼹直接的影响水印 的保真度和鲁棒性。提高鲁棒性的角度来讲水印应该嵌入信息的重要系 数，对于嵌入图像的水印来说嵌入的位置应该是图像的低频部分。从保 真度的观点看问题，水印嵌入恰恰应该嵌入在信息的不重要系数，这就 是矛盾的体现。对于图像、声音等多媒体数据质量的评估客观上依据信 噪比、峰值信噪比等信号处理中的数据，这些不能代替人的视觉和听觉 的生理反映，往往需要大量实际的人来观察的试验，否则就不具有科学 性，这不仅是数字水印，也是数据压缩的基本准则之一。 鲁棒性所谓鲁棒性是指在经历多种无意或有意的信号处理过后，数字水 印仍能保持完整或仍能被准确鉴别。压缩是已经被提到的一种常见的信 号处理方法，许多别的信号处理包括信道噪声、滤波、数模与模数转换、 二次采样，图像的剪切、位移、旋转、尺度变化等等对可以产生对水印 信息明显地破坏。鲁棒性实际包含两个方面，一个是在信号失真后是否 信号内仍然存在水印，另一个方面是指水印是不是可以被检测器提取出 来。在- n 图像中嵌入水印，可是经过轻微的几何畸变后，嵌入水印信 息因为失去了同步很难提取出来的，但是没有被去除，如果设计一种合 理的重新同步，是可能提取出水e o 1 4 1 。如果本身已经没有水印信息， 无论如何提取也没有可能得到水印，即使得到也是错误的，在这个意义 上对鲁棒性的分类是有一定的意义。 对于图像、音频、视频水印，也应该满足各种图像格式之问的转 换下水印可以被提取出来。 安全性安全性指水印的提取可以指定授权用户提取水印，同时水印奉 身具有安全性不会被使用穷举法或别的方法破解水印，以此作为水印 安全性的指标。目前大部分的安全性是结合密码技术实现的，密码和 水印算法的结合可以提高被破解的时间复杂度，如果水印是一副图像， 也可能需要人的判断是否是一个水印，这样水印的安全性比密码技术 大大提高。在实际应用中水印的安全性可以有两种不同程度的要求， 第一是非授权用户对给定包含水印的一段数据既不能读取或解码潜入 西北工业大学硕士论文第二章数字水印处理技术和主要算i 去 的水印，也不能检测到水印的存在：第二种是允许未授权的用户能检 测水印的存在，但是没有密码不能读取水印的内容。 2 1 3 水印一般常用的客观衡量标准 峰值信噪比( p s n r ) ，w ) = 1 0 l o g l 。j 再丽m a x f 鬲2 ( m , n ) 丽 ( 2 一1 ) 单位是d b 。其中f 是宿主图像，w 是水印信息，f w 是嵌入水印的信 息，( m ，n ) 是特定的坐标值，n f 是宿主信息或者是嵌入水印的信息的像个数。 错误否定概率和错误肯定概率 数字水印没有被正确检测或者失真没有被正确界定，这种事件的发生机 会被称为错误否定概率( 假阴性概率) 。类似的，图像中一个错误的水印 检测或者是错误的失真检测的概率被称为错误肯定概率( 假阳性概率) 。 这些数量经过分析得到并且以特定数字水印算法的参数来表示。 归一化汉明距离如果数字水印是由二值数据组成的，可以采用计算 汉明距离来估计嵌入和恢复的水印的相似性。这里的汉明距离表示为： 1n w p h d m _ 卜古丕以。( 2 - 2 ) 其中w ( f ) 和讯f ) 分别表示嵌入及恢复的水印，札为水印长度，o 是异或运 算符。 西北工业火学硕士论文 第二章数字水印处理技术和主要算浊 第二节几种典型的水印算法 2 2 1 一般的水印嵌入框架 目前数字水印算法，基本上是使用同一个框架，也就是嵌入的过程基本一致 如图 2 1 所示： ! 二! 竺竺_ _ i _ _ j ，天 r一- 一 。水印 原始水印卜” 。 一。 。：密钥 ，厂r 瓯话酶i 一 。1 l ! 塑r 卜t ? _ ，i i 攻击或 i 处理 水印j 。决策。一 。 、”一。，j 检测得到lj 水印检 。i1 的水印一_ 1测 f - 一 结论 ? 注意：虚线为可选 失真图 像 ! 原始图像】 图 2 1 水印嵌入的基本框架 上图演示的是图像数字水印典型的嵌入过程，本论文一下讨论内容如无特别 声明都是图像的鲁棒性数字水印。密钥是提高水印安全性的必要措施，而且密钥 技术很成熟可以弥补数字水印技术某些的不足，两者结合可以提供更好的数字水 印性能。依赖于应用的不同，密钥可以是公钥、密钥的结合也可以是单独使用， 可以参看文献 1 5 。在图中，嵌入水印的过程并没有考虑图像的存储格式，数字 水印的算法建立在这样一种假设：所有需要嵌入水印的和需要提取水印的图像都 是可以被转换为一种标准的统一的无压缩简单格式，比如w i n d o w s 操作系统下的 b m p 图像格式，在每次图像嵌入结束的得到输出图像也是b m p 图像，所以在上面 的框架中没有任何图像存储格式的影响。在日常的图像使用、交换和存储基本都 是以压缩格式进行的，那么水印的使用就必须不断的格式转换，既不方便而且费 时费力。对于研究来讲统一的简单格式可以提供广阔的研究空间而不会受到存储 格式的羁绊，可是用户需要的是简单好用省时省力的水印方案，复杂花费时间的 水印方案永远是实验室的产品。目前流行的存储和交换格式是j