（模式识别与智能系统专业论文）基于数字水印的多媒体安全技术研究.pdf

摘要 摘要 随着多媒体网络的普及，数字化媒体的传输和获取变得 越来越便捷。尤其是对于多媒体信息的保护问题越来越受到 人们关注。数字水印作为近年来应对版权保护等相关问题的 一种新的智能方法被提出来。数字水印的中心思想就是直接 把要隐藏的信息嵌入到媒体中，方法是对媒体进行略微的修 改。当提取水印的时候如果能够从嵌入水印的媒体中正确提 取水印，我们认为它是“合法”的或者说是受版权保护的。 数字水印在是否可见上可以分为可见水印和不可见水印，本 文讨论不可见水印。我们讨论的不可见水印有几个基本要求： 1 鲁棒性：要求信号在通常的攻击下不易被去除嵌入水 印的信号，在遭受到一些信号处理的攻击以后水印仍然是存 在的。一些常见的攻击包括，压缩攻击，几何攻击，信号增 强减弱攻击，裁剪攻击等等。同时对于恶性攻击，也就是破 坏者想直接破坏水印的攻击，也要有较好的健壮性。 2 透明性：要求水印信号嵌入到宿主信号以后，对宿主 信号的视觉影响不是很大，一般是在人的感知能力之下的， 也就是说是不可见的。 3 安全性：隐藏算法有较强的抗攻击能力，即它必须能够 承受一定程度的人为攻击，而使隐藏信息不会被破坏。信息 被隐藏在多媒体内容中，并不因文件格式转换而丢失，且未 东华大学硕士学位论文基于数，水印的多媒体安全技术研究 经授权者不能检测出水印。 本文从以上三方面出发，对数字水印算法进行相应的研 究，提出了基于小波变换域的水印信息分散嵌入方案，同时 在水印信息嵌入之前进行置乱处理，然后对水印进行一级小 波变换，选择变换后的低频支图信息作为待嵌信息。主要的 研究内容包括： 1 数字水印系统的通用模型，特点及分类等，然后研究 了水印嵌入和提取的一般方法，接着研究了水印系统的评价 基准。 2 数字水印的数学基础。数字水印通常在一定的变换域 内进行，近些年来各种变换相继建立起来，我们研究了小波 变换的理论为我们的后续工作打下了良好的基础。小波变换 由于具有时频分析的特点受到人们的广泛重视，另外它也被 应用到了j p e g 2 0 0 0 压缩算法，对水印算法经受压缩攻击等有 良好的免疫性。同时通过对小波分析的研究，使我们具有了 很好的空间概念，为发展新的小波变换做好了准备。 3 。人类视觉系统( h v s ) 。首先我们根据人眼的生理特征从 生理方面描述了人眼视觉的特征。对于它的研究可以使我们 的水印具有更好的视觉效果，这个是我们工作的前提条件。 然后根据w a st o n 的视觉模型可以推导d w t 域内的j n d 计算方 法。通过计算j n d 我们可以提高水印的嵌入强度和视觉效果。 最后，通过分析小波变换得知，小波分解与入眼接收图像信息的 特性大致相同，所以在小波域嵌入水印信息最能充分利用人眼视觉 系统的特性。 4 首先对小波变换域的系数能量进行分析讨论，然后解 决了小波域嵌入水印信息的区域选择问题。最后提出了基于 小波域的数字水印算法思路。 5 提出了一种基于小波变换和图像置乱的数字水印算 法，首先对水印信息进行图像置乱，然后对图像水印信息的 概貌图和载体图像均实施小波变换，然后在小波域进行水印 的均匀分散嵌入。我们通过实验对算法实施几何攻击、加噪 声、模糊、锐化、滤波、压缩等攻击后水印的提取进行检验， 结果显示该算法表现出了良好的特性，所提出的水印信息能 够接受验证。 最后在文章的末尾总结了本文的工作以及心得体会，提 出了以后所要努力的目标和方法。 关键词：d w t ，图像置乱，多媒体信息安全，分散嵌入，鲁棒 性，透明性，安全性 i i i a b s t r a c t a b s t r c t t h er a p i dg r o 、v t ho f d i g i t a li nf ：引阿n a t i o n ，t h ei n c r e a s i n g l ye a s ya c c e s s t o d i g i t a im e d i a ， a n dt h e i n c r e a s i n g l yp o w e r m lt o o l s a v a i l a b l ef o r m a n i p u l a t i n gd i g i t a l m e d i ah a v em a d em u l t i m e d i a s e c u r i t y av e 拶 i m p o r t a n ti s s u e d i g i t a lw a t e m a r k sh a v eb e e np r o p o s e dr e c e n t l ya st h e m e a n sf o ri n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h tp r o t e c t i o no fm u l t i m e d i ad a t a d i g i t a l w a t e 姗a r k i n gi s ap r o c e s so fe m b e d d i n gi n f o n n a t i o n( o rs i g n a t u r e ) d i r e e t l yi n t ot h em e d i a d a t ab ym a k i n gs m a um o d i 6 c a t i o n st 0t h e m ，w i 也 t h ed e t e c t i o 彬e x t r a c t i o no ft h es i g n a t u r e 仔o mt h ew a t e r m a r k e dm e d i ad a t a ， i th a sb e e nc l a i m e dt h a td i g i t a l 、v a t e 肌a r k sc a nb eu s e dt oi d e n t i 矽t h e r i g h t 缸lo w n e r t h ei n t e n d e dr e c i p i e n t s ，a sw e l l a st h ea u t h e n t i c i t yo fa m e d i ad a t a t h ew a t e 门【1 1 a r k sc a nb ep e r c e p t u a l l yv i s i b l eo ri n v i s i b l e w b f o c u so ni n v i s i b l ew a t e 肌a r k si nm i sp 印e r i ng e n e r a l ，t h e r ea r et h r e e m o s tc o m m o nr e q u i r e m e n t so fi n v i s i b l ew a t e m l a r k s 1 r o b u s t n e s s ： t h e ys h o u l d n o ti n t e r f e r ew i t ht h em e d i ab e i n g p r o t e c t e d t h e ys h o u l da l s ob er o b u s tt oc o n m l o ns i g n a lp r o c e s s i n ga n d i n t e n t i o n a la t t a c k s p a r t i c u l a r l y ， t h ew a t e 珊a r ks h o u l ds t i l lb e d e t e c t a b l e e x t r a c t a b l ee v e na r e rc o m m o ns i g n a l p r o c e s s i n g o p e r a t i o n s h a v eb e e na p p l i e dt ot 1 1 ew a t e n n a r k e di l n a g e t h e s ei n c l u d ef i l t e r i n g ， c o m p r e s s i o n ，g e o m e t r i ct r a n s f o r m a t i o n ，c r o p p i n g ，e t c i na d d i t i o n ，t h e w a t e m l a r ks h o u l db er e s i s t a n tt oi n t e n t i o n a la t t a c k st h a ta t t e m p tt or e m o v e 东华大学硕1 j 学位论文 堆r 数字水印的多媒体安令技术研究 t h ew a t e m a r k s 2 i m p e r c e p t i o n ：t h ew a t e n n a r k ss h o u l db ep e r c e p t u a l l yi n v i s i b l e ，i e ， t h e r ei sn od if - f e r e n c eb e t w e e nt h eo r i g i n a li m a g ea n dt h ew a t e r m a r k e d i m a g ei nt h ev i s i o n 3 s e c u r i t y ：t h ei n f o r m a t i o ne m b e d d e di n t ot h eo r i g i n a ld a t ac a n tb e d e s t r o y e du n d e rs o m eh u m a na t t a c k s ，i e ，t h ea l g o r i t h mw i t hag o o d a t t a c k p r o o fc h a r a c t e r i s t i c t h ed a t ah i d e di nt h em u l t i m e d i as h o u l dn o tb e l o s tf o rt h ef b r m a tt r a n s i t i o no ft h ed o c u m e n t a t i o na n dd e t e c t e dw i t h o u t t h ea u t h o r i t y i nt h i sp a p e rt h en e wd i g i t a lw a t e r m a r k i n gs c h e m ei sp r o p o s e db a s e d o nt h et h r e ef a c e t sa b o v e t h ei m a g ed a t aw a ss c r a m b l e da n dt h e n e m b e d d e di n t ot h eo r i g i n a ld i s p e r s e d l yi nt h ew a v e l e td o m a i n w bf o c u s o u ra t t e n t i o no nt h e s et o p i c s ： 1 t h eg e n e r a lm o d e i ，c h a r a c t e r i s t i c ，c l a s so ft h ed i g i t a lw a t e r n l a r ka r e f i r s t l yd i s c u s s e d ，a n dt h e nt h em e t h o df l o re m b e d d i n ga n de x t r a c t i n gi s s t u d i e d ，t h e 印p r a i s a l b e n c h m a r ko fd w s ( d i g i t a lw a t e n n a r ks y s t e m ) i s p i c k e du p 2 m a t h e m a t i c sf o u n d a t i o n b e c a u s et h ew a t e r m a r k i n ga l g o r i t h n li s i n d e e dam a t h e m a t i c a lp r o b l e m o nt h eo t h e rh a n dw em a i n l yu s ew a v e l e t t r a n s f o mi nt h i sd o m a i nw ei n s e i r tw a t e m l a r k b e s i d e si ti s 印p l i e di nt h e 印e g 2 0 0 0 ，s ot h i sw a t e r m a r ks c h e m ei si m m u n et oc o m p r e s s i o n s ow e r e v i e ws o m em a t h e m a t i e a lf o u n d a t i o n ，t h e nw ee a nd e a lt h ep r o b l e m a b sr r a c r e a s i l yi nt h ec o n s e q u e n c ep a r t s 3 h u m a nv i s u a ls y s t e m ( h v s ) t h ec h a r a c t e r i s t i co fh v si ss t u d i e d b a s e do nh u m a ne y e si no r d e rt od ot h em o r ee x c e l l e n td w s t h e nw eg e t t h ej n db yw a s t o n sv i s u a lm e o d e l ，a ti a s ti ti sp r o v e dt h a td w ti st h e m o s t 行tt o sa n dt h ew a t e n n a r ke m b e di nt h ew a v e l e td o m a i nh a sa b e t t e re f r e c t 4 t h ec o e 衢c i e n to fd w ti s c a r e m l l ya n a l y z e d ，a n d t h e nw h i c h r e g i o nf o re m b e d d i n gt h ed a t ai n t oi sc h o o s e d a tl a s tw ep u tf o r w a r dm e w a t e r m a r k i n ga l g o r i t h l ni nw a v e l e td o m a i n 5 i nt h i sp a r tt h ew a t e r m a r ks c h e m ei sc a r r i e do u t ，i ti sr e s i s t a n tt ot h e g e o m e t r i ca t t a c k s ，n o i s e a d d i n g ，c o m p r e s s i o n ，f i l t e r i n g ，e t c a n dh a s g o o d p e r f o r n l a n c e s i nt h ee n do ft h i st h e s i s ，is u m m a r i z em yw o r ki nt h ep e r i o do f p o s t g r a d u a t ea n dh a v ea l o o ko nt h e 如t u r ew o r k d 啪x i a 0 - m i n g ( p a t t e mr e c o 嘶t i o na j l di n t e l l i g e n ts y s t e m ) s u p e r v i s e db yy j a n gj i a - m i n g k e y w o r d s ：d w t i m a g es c r 啪b l i i l g ，m u l t i m e d i as e c u 打吼d i s p e r s e d l ye m b e d d e d ，r o b u s t n e s s ，i m p e r c e p t i o n ，s e c u r i t y i i i 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 己经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：懈 日期：唧年旧舻 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 ， 不保密嘣 指导撕签名：精1 9 吼7 年圳日 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 随着当代信息技术飞速发展和网络发布技术的推广，许多传统媒体都开始向 数字化方向发展，数字化的多媒体数据( 如电子出版物、图像、音频、视频、动画 等) 为信息的广泛传播提供了极大便利i i 】，同时也极大地提高了信息表达的效率与 准确性，但是数字信息的复制也变得越来越简单，作品侵权更加容易，篡改更加 方便。信息技术的飞速发展一方面促进了社会的进步与发展，另方面也给社会 带来新的严峻问题。 每年全球新闻界约有上百亿的数字信息被侵权盗版，据美国唱片行业协会 ( r i a a ) 估计，全世界每年因盗版而造成的经济损失高达5 0 亿美元。美国电影 行业协会( m p a a ) 则估计，盗版使美国电影业的年收入减少了2 5 亿美元【2 】，在 我国每年高达数十倍暴利驱动的v c d ，c d ，d v d 盗版也是屡禁不止，这些无不说明 了知识产权保护的重要性和迫切性。与此同时，一些涉及到政府机要、司法诉讼、 医疗记录、电子政务、电子商务等具有特殊意义的信息，一旦遭到恶意攻击，被 擅自篡改，必将引起信息世界的混乱，导致不必要的经济损失，甚至会带来严重 的社会后果。目前，盗版已成为对数字化产业最大的威胁，这在相当程度上阻碍 了数字化产业的发展，受到音像、出版、影视和软件等行业的高度关注。于是， 数字化产品的产权保护问题也就随之提到日程上来。如何证明对数字产品的拥有 权，证明产品的真伪，保护作者的版权成为迫切需要解决的问题。不仅产品制作 人和发行人密切关注它的发展，而且密码学、信号处理以及数据压缩、信息安全 等领域的许多科学工作者也开始将注意力转向这一新的技术课题。 1 2 课题研究的目的和意义 数字水印作为多媒体信息安全技术是近几年才被提出来的。与用来证明纸币 和纸张上内容合法性的传统水印类似，数字水印也是用以证明数字产品的拥有权 东华大学硕i j 学位论文 基卡数水日】的多媒体宜令技术研究 和真实性，是分辨真伪的一种手段。但数字水印技术不同于传统的信息加密技术 和信息隐藏技术。 传统的信息加密技术是首先将要保护的多媒体数据文件加密成密文后发布， 使得数据传输过程中出现的非法攻击者无法从密文中获得机密信息，从而达到版 权保护和信息安全的目的，但仅采用密码保护并不能解决版权保护的问题。因为 这种信息加密技术有一定的弊端： l 、加密后的多媒体数据文件可读性和易读性受到了损害，这样就妨碍了多 媒体信息在网络中的传输； 2 、密码仅能在数据信息在从发送者到接收者的传输过程中进行数据的加密 保护，一旦被第三方获得并成功解密后，数据信息的内容就完全透明了，这将无 助于版权利益的保护。 数字水印技术是信息隐藏技术的一个分支，它主要用信号处理的方法在多媒 体数据中嵌入特制的隐蔽的标志( 水印) 来证实该数据的所有权，这种标志的嵌入 不会引起宿主媒体主观质量下降，不易察觉，只有通过专用的检测器才能提取， 并且水印具有很强的对抗非法破解的能力。与信息加密技术相比，信息隐藏技术 不易引起人们去怀疑多媒体信息( 如图像) 中可能携带了重要的隐含信息。而数字 水印技术和信息隐藏技术的主要区别是在于攻击者的目的不同：信息隐藏技术的 攻击者试图揭露携带的信息；而针对数字水印的攻击者是试图去除水印来破坏版 权，或者是复制被篡改后的数字产品以获得虚假的内容验证。也就是说，数字水 印技术的目的是隐含秘密的个人信息以便保护数字产品的版权或证明产品的真实 可靠性。 数字水印技术除应具有信息隐藏技术一般特点外，还有着其固有的特点和研 究方法。例如从信息安全的保密角度而言，隐藏的信息如果被破坏掉，系统可视 为安全的，因为秘密信息并未泄露；但是数字水印系统中，隐藏信息的丢失即意 味着版权的丢失，从而失去了版权保护功能，这样的水印系统是失败的。成功的 数字水印系统将具有较强鲁棒性、安全性、不可见性等。因此，将数字水印技术 作为多媒体信息的安全技术研究有极大的现实意义。 第一章绪论 1 3 数字水印技术的研究现状 自t i r k e l 等人提出数字水印的概念以来，到目前为止，数字水印从研究对象 上看主要涉及图像水印、视频水印、音频水印、文本水印和三维网格数据水印等 几个方面，其中大部分的水印研究和论文都集中在最基本的多媒体数据图像的 研究上。人们通过研究提出了很多不同的水印算法，这些方法有的利用人类视觉 的特点增强水印的不可见性，有的侧重信号变换或调制的方法束增强水印的鲁棒 性，但他们的原理大致相同。 近几年来，在数字水印最主要的特征的算法有空域时域算法，频域算法，压 缩域算法，基于统计学的算法，基于生理模型的算法等。早期的水印算法研究主 要集中在空域上，而当前大多数研究的热点转为变换域算法的研究。 这里主要讨论以数字图像为载体的数字水印技术研究的情况。对一幅静止图 像嵌入数字水印可以在空间域或变换域嵌入，在空域嵌入算法简单，但不具备鲁 棒性或鲁棒性差。变换域的算法可以有较好的鲁棒性但算法相对复杂，变换域可 以是傅立叶变换、余弦变换或小波变换等变换域。在变换域，可以利用人类对图 像、视频、音频的感知特点提出有效的水印算法，尤其在小波变换域，对一副图 像小波分解后所得到的子带和人类视觉系统( h v s ) 模型相符合，使基于小波变换 的水印算法研究成为近期的一个研究热点。 1 3 1 国外研究现状 数字水印概念是t i r k e l 等人在 w a t e r m a r k i n g ”【6 】的文章中首次提出的。 1 9 9 4 年发表的一篇题为“d i g i t a l 文中阐明了一些关于水印的重要概念和 鲁棒水印检测的通用方法相关性检测法，当时他们已经意识到数字水印的重要 性，并且提出了可能的应用，包括图像标记、增强版权保护、防止伪造及控制存 取图像数据等。他们针对灰度图像提出了两类向图像最低有效位( l s b l e a s t s i g n i f i c a n tb i t ) 中添加水印的方案。其中一种是使用一个m 序列来置换图像的 最低有效位，另一种是向图像的最低有效位叠加一个m 序列，并使用自相关函数 对其进行检测。这篇文章被认为是一篇具有历史价值的文献。此外t i r k e l 还第一 个提出可以将扩频技术应用到数字水印技术。t i r k e l 等人提出的最低有效位法简 乐华入学硕t = 学位论艾基于数芦水仨f j 的多媒体安拿技术酬究 单易行，但是该方法的最大缺陷在于水印的稳定性很差，对嵌入水印的图像进行 常见的按比例缩放，中值滤波等处理后，水印即变得无法提取。 为了提高水印的稳健性，1 9 9 5 年，c o x 等人【1 4 】提出了基于扩频通信的思想， 将水印嵌入到图像感知上最重要的频域因子的方案。他们通过利用离散余弦变换 ( d c t ) 技术向图像中添加水印标记，以提高水印对图像处理的稳健性。该方案对 各种普通的图像处理操作，如按比例缩放，j p e g 压缩，抖动，以及剪切等具有很 好的鲁棒性。甚至在图像经过打印，复印，扫描等处理后，水印仍旧可以被恢复 出来，该文章同时还指出，扩频方案还可以应用于音频和视频的数字水印中，但 未进行深入实验。c o x 方案已经成为数字水印技术中一个经典的方案。 对音频水印技术的研究最早见于1 9 9 6 年，b e n d e r 等在文献 1 5 中提出了l s b 编码，回声编码，扩频编码以及相位编码等四种算法；b o n e y 等在文献 1 6 中将 c o x 方案应用到音频信号中，取得了良好的实验结果。 由于视频序列是由一组连续的等时间间隔的静态图像构成，因此可将某些图 像水印技术的思想直接应用于视频序列。但是实际上，图像和视频存在着很大的 差别，一个良好的视频水印算法必需考虑某些可能的帧速率转换以及帧丢失现象， 最大的麻烦是对视频序列进行嵌入的时候，所要首先解决计算复杂度。 视频水印算法根据嵌入水印的数据域分为两种：非压缩域算法和压缩域算法。 其中非压缩域算法由m a t s u l 等于1 9 9 4 年提出一种基于d c t 域视频数据嵌入算法 【1 7 】。该算法类似于静态图像的水印算法，只是通过d c t 系数对每一帧的视频像素 进行改变，因此对噪声、剪切等处理非常脆弱。而且一旦攻击者掌握了同视频 图像的不同水印版本，就可以通过比较得到原始的、未加水印的图像帧。s w a n s o n 等利用分块d c t 变换和频率掩蔽特性相结合，对此算法进行了改进，提高了水印 的稳健性。此外，s w a n s o n 还研究了一种基于内容的水印技术，并提出了一种多 分辨率的视频水印算法。 l a n g e l a r r 等【18 】首先提出了两种压缩域上的嵌入算法。种是替换帧内编码 块d c t 系数的变长码方法。另种是基于丢失部分压缩视频码的方法。其中前一 种计算量小，水印的嵌入比特率大，但是稳健性不能够令人满意：后一种方法虽 然具有较好的稳健性，可以抵抗解码后重新编码的攻击，但是计算比较复杂，水 印嵌入的比特率比较低。h a r t u n g 等【1 9 j 研究了m p e g 2 视频域上的水印算法，在 保持码率基本不变的情况下，将水印嵌入在d c t 系数中，该算法对压缩、滤波、 4 第一錾绪论 轻度旋转等操作具有较好的稳健性。对大幅度，则需要采用适当的监测和校正机 制。 随着数字水印技术研究的不断深入，该技术的应用对象已不仅局限于图像、 文本、音频、视频，已出现有三维动画等未来嵌入对象的数字水印技术的文献【2 们。 下面看数字水印技术的数字统计，随着1 9 9 6 年第一届信息隐藏国际学术研讨 会的召开，数字水印技术的研究得到了迅速的发展，得到了学术界、产业界、国 际标准化组织等各个方面的关注，表卜l 给出了从1 9 9 2 年一2 0 0 1 年有关数字水印 出版物( 论文、报告) 数目统计情况p 】。 表1 11 9 9 2 年2 0 0 1 年度数字水印相关出版物数量 ：年度1 9 9 2i 9 9 3 ；1 9 9 41 9 马51 9 9 61 9 马t1 “l g g 日：1 9 9 92 0 0 口2 0 0 1 = 泣颁物i 一 1 1 主_ | i 吾一1 8 _ 2 了_ _ j 。f 1 了一i 9 i 话= ；出版物i i 工2 i 虿一i 亏j 百_ 亏i 一1 6 r rj 7 矿互5 i j i j 一= 【注】：此表数据根据e 工c o m p e n d e x 搜索得到，出版物i 为标题 包含w a t e r m a r k 或w a t c r m a r k l n g 的结果；出版物为所有域中包 含w a t e r m a k 羲w a t e f m a 矗m g 的结果。p 从2 0 0 2 年至今，关于研究数字水印技术的文章更是成倍地增长，越来越显得 热门。在网络上随意搜索“数字水印或d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ”都可以找到很多 研究数字水印的论文，这些作者分别来自美国、日本、韩国、欧洲、中国等世界 各地区，有研究理论创新的，有探讨数字水印应用的。目前在国内外一些关于图 像、多媒体信息安全、网络安全等领域的国际或国内会议都设有专门数字水印讨 论组， 在产业界，欧美和日本的有关产商正在积极开发采用数字水印的产品。1 9 9 6 年2 月美国a d o b es y s t e m 公司首先在图像处理软件a d o b ep h o t o s h o p 4 0 采用了美 国d i g 砷a r c 公司的技术，加入了数字水印模块，以起到版权保护的功能。2 0 0 1 年1 月d i g i m a r c 公司又宣布与图形艺术的业界团体p 血响玛i n d u s t r i e so f a m e r i c a ( p i a ) 就电子水印技术联手合作，在打印机种使用d 唔m a r c 公司的“m e d i a b r i d g e ”数字水印技术。2 0 0 1 年5 月，美国d 磷m a r c 、日立制作所、美国m a c r o v i s i d n 、 n e c 、荷兰菲利普、先锋以及索尼七家公司成立了数字视频内容电子数字水印业 界团体“v i d e ow 乱e 唧a l d n gg r o u p ( v m mg r o u p ) ”并在9 月份完成了d v d 技术 评价工程“m a y2 0 0 1 d v dc c a ”。 在美国，以麻省理工学院( m i t ) 多媒体实验室为代表的一批研究机构和企 乐1 等穴掌坝 = 学位论j 基j 一数f 水目j 的多媒1 本安全谈术研冗 业已经申请了数字水印方面的专利。目前已支持或开展数字水印研究的机构既有 政府部门，还有大学和知名企业，包括美国财政部，美国版权工作组，美国空军 研究院，美国陆军研究实验室，日本n t t 信息与通信系统研究中心，德国国家信 息研究技术中心，麻省理工学院，明尼苏达大学，剑桥大学，瑞士洛桑联邦工学 院，i b m 中心华盛顿研究院，微软公司剑桥研究院，c a 公司，s o n y 公司，n e c 研究所等等。在2 0 0 1 年6 月，就有d i g i m a r c 公司的电子水印技术获得了由美国 专利商标局颁发的美国专利，编号为6 ，2 2 9 ，9 2 4 。据了解该专利在视频图像中 实现了电子水印的嵌入，通过调整水印信息的亮度，从而将水印对图像的影响降 低到最低限度，并保证一定的位率。 另外国际标准化团体也对数字水印技术也表现出了极大的兴趣，在连续色调 压缩标准j p e g 2 0 0 0 和视频压缩标准m p e g 4 ( i s o i e c1 4 4 9 6 ) 中都加入了数字 水印技术。d v d 工业标准中也将包含拷贝控制和拷贝包含机制，它使用数字水印 来标记多媒体数据拷贝权限，如“允许拷贝一次”和“不允许拷贝”标志。 1 3 2 国内研究现状 国内在数字水印技术方面的研究起步相对稍晚，但也已引起了信息安全领域 研究人员的普遍关注，已经有相当一批有实力的科研机构投入到这一领域的研究 中来。为了促进数字水印及其他信息隐藏技术的研究和应用，由我国著名的信息 安全专家何德全院士、蔡吉仁院士、周仲义院士共同发起开展全国信息隐藏暨多 媒体安全研讨会( c i 唧) ，这是我国信息安全领域中信息隐藏暨多媒体安全技术的 专业学术交流活动。从1 9 9 9 年1 2 月召开了第一届会议以来，c ih 1 | l 研讨活动不断 发展，聚集了国内从事多媒体信息安全技术研究的权威专家和广大学者，已成为 国内最具代表性的信息隐藏暨多媒体安全学术交流活动。 2 0 0 6 年8 月由中国计算机学会、中国电子学会通信学分会和北京电子技术应 用研究所联合主办，由哈尔滨工业大学和北京电子技术应用研究所联合承办全国 第六届信息隐藏学术研讨会( c 工h 1 j | 2 0 0 6 ) 在哈尔滨工业大学召开。c i h w 2 0 0 6 就隐 写与隐写检测和分析、数字认证技术以及数字水印技术等三个专题进行了大会交 流和分组讨论，还邀请著名学者作了特邀学术报告，吸引了来自国内外的众多高 校信息隐藏技术研究者的参与。目前国内高校有众多科研工作者在进行数字水印 6 第一章绪论 技术的研究，发表的论文也很多，水印技术研究的国家基金资助项目和国家发明 专利项目也不少，但是目前数字水印技术离所需目标还有不小的差距，如怎样得 到适合不同载体类型的水印系统等课题，以及水印技术的数学理论的研究与创新 也亟待提高。 在实际应用方面，成都宇飞信息工程有限责任公司的印刷打印数字水印技术 经查证处于国内外领先水平，文献【8 】表明2 0 0 3 年1 月该公司的数字水印嵌入、 提取和检测技术获得国家发明专利受理通知书，受理号：0 3 1 1 7 1 6 8 0 。公司的数 字水印嵌入、提取和检测技术通过了四川省科技成果鉴定( 鉴字 2 0 0 3 】第1 2 号) 鉴定意见为：“该项目通过数字水印技术的理论研究、系统总体设计以及在多媒体 中的应用和演示系统开发，成功研制了数字水印嵌入、检测、提取软件。该项成 果将数字水印技术成功地运用到印刷品防伪加密和信息隐藏上。数字水印信息的 提取准确可靠。该项成果在数字产品的知识产权保护、标识隐蔽、信息安全等方 面具有广阔的应用前景。鉴定委员会一致认为，该项成果成功地实现了数字水印 在印刷品中的嵌入、检测和提取技术，数字水印在印刷打印中的应用处于国内领先 水平，在水印信息提取技术方面达到国际先进水平。”2 0 0 3 年2 月2 5 日获四川省公 安厅计算机信息系统安全专用产品备案，许可生产、销售、使用。备案登记号： n b ：5 1 2 0 0 3 0 8 。 1 4 数字水印的主要应用及国内出现的技术 1 4 1 数字作品的版权保护 数字作品( 如电脑美术、扫描图像、数字音乐、视频、三维动画) 的版权保 护是当前的热点问题。由于数字作品的拷贝、修改非常容易，而且可以做到与原 作完全相同，所以原创者不得不采用一些严重损害作品质量的办法来加上版权标 志j 而这种明显可见的标志很容易被篡改。 “数字水印”利用数据隐藏原理使版权标志不可见或不可听，既不损害原作 品，又达到了版权保护的目的。目前，用于版权保护的数字水印技术已经进入了 初步实用化阶段，i 劂公司在其“数字图书馆”软件中就提供了数字水印功能， a d o b e 公司也在其著名的p h o t o s h o p 软件中集成了d i g i m a r c 公司的数字水印插 7 查! 堑盔兰竺! ! ：兰垡堡壅墨! ：鏊! 查望! 塑堑鉴堡窒全丝查竺丝 件。然而实事求是地说，目前市场上的数字水印产品在技术上还不成熟，很容易 被破坏或破解，距离真正的实用还有很长的路要走。 在国内，成都宇飞信息工程有限责任公司在数字作品的应用上已经率先一步， 在图像的有损压缩、图像的缩放、图像剪切覆盖、模糊图像、锐化、图像抖动处 理等等都有了完整的应用和成熟的软件产品。 1 4 2 商务交易中的票据防伪 随着高质量图像输入输出设备的发展，特别是精度超过1 2 0 0 d p i 的彩色喷墨、 激光打印机和高精度彩色复印机的出现，使得货币、支票以及其他票据的伪造变 得更加容易。 据美国官方报道，仅在1 9 9 7 年截获的价值4 0 0 0 万美元的假钞中，用高精度 彩色打印机制造的小面额假钞就1 9 ，这个数字是1 9 9 5 年的9 0 5 倍。目前，美 国、日本以及荷兰都已开始研究用于票据防伪的数字水印技术。其中麻省理工学 院媒体实验室受美国财政部委托，已经开始研究在彩色打印机、复印机输出的每 幅图像中加入唯一的、不可见的数字水印，在需要时可以实时地从扫描票据中判 断水印的有无，快速辨识真伪。 另一方面，在从传统商务向电子商务转化的过程中，会出现大量过渡性的电 子文件，如各种纸质票据的扫描图像等。即使在网络安全技术成熟以后，各种电 子票据也还需要一些非密码的认证方式。数字水印技术可以为各种票据提供不可 见的认证标志，从而大大增加了伪造的难度。 在国内，成都宇飞信息工程有限公司在成功开发出音频、视频、图像及文本 数字水印技术平台的基础上，率先开发出了国际上第一个印刷打印数字水印软件 并投入了商业化应用，在数字水印技术研究、开发和应用方面已经抢得市场先机。 成功的应用于包装防伪和票据防伪上。成都市地方税务发票和邓小平纪念邮票， 正在研制中的国家公安部的重点攻关项目一“出入境管理数字水印检测 都是 其成功应用实例。 1 4 3 声像数据的隐藏标识和篡改提示 数据的标识信息往往比数据本身更具有保密价值，如遥感图像的拍摄日期、 第一荜绪论 经纬度等。没有标识信息的数据有时甚至无法使用，但直接将这些重要信息标记 在原始文件上又很危险。数字水印技术提供了一种隐藏标识的方法，标识信息在 原始文件上是看不到的，只有通过特殊的阅读程序才可以读取。这种方法已经被 国外一些公开的遥感图像数据库所采用。 此外，数据的篡改提示也是一项很重要的工作。现有的信号拼接和镶嵌技术 可以做到“移花接木 而不为人知，因此，如何防范对图像、录音、录像数据的 篡改攻击是重要的研究课题。基于数字水印的篡改提示是解决这一问题的理想技 术途径，通过隐藏水印的状态可以判断声像信号是否被篡改。 1 4 4 隐蔽通信及其对抗 数字水印所依赖的信息隐藏技术不仅提供了非密码的安全途径，更引发了信 息战尤其是网络情报战的革命，产生了一系列新颖的作战方式，引起了许多国家 的重视。 网络情报战是信息战的重要组成部分，其核心内容是利用公用网络进行保密 数据传送。迄今为止，学术界在这方面的研究思路一直未能突破“文件加密”的 思维模式，然而，经过加密的文件往往是混乱无序的，容易弓i 起攻击者的注意。 网络多媒体技术的广泛应用使得利用公用网络进行保密通信有了新的思路，利用 数字化声像信号相对于人的视觉、听觉冗余，可以进行各种时( 空) 域和变换域 的信息隐藏，从而实现隐蔽通信。 国内的成都宇飞信息工程有限责任公司在与军方密切合作，在图文传输、隐 蔽通讯和敌友识别上的研究具备了相当的基础，让数字水印技术为国家的国防安 全做出贡献的日子应经很近了，充满了希望。 1 4 5 数字媒体的保护和盗版跟踪 在发行数字媒体时，每个拷贝中嵌入不同的水印，其目的是传输授权接收者 的信息而不是数据来源者的信息，又来识别数据的单个发行拷贝，监控和跟踪流 通数据的非法拷贝。这一类应用在发行的每个拷贝中嵌入不同的水印，通常称之 为“数字指纹”。 9 东f 仁入学硕士学位论文基f 数。，水印的多媒体安全技术髟f 究 1 4 6 数字图像认证 在鉴定应用中，使用水印的目的是对数据的修改进行检测。在数据中嵌入水 印之后，它对特定的数据修改( 例如压缩等) 具有鲁棒性，而对其他的修改则是 脆弱的，即其他的修改将破坏嵌入的水印，从而达到检测修改的目的。 1 4 7 数字广播电视分级控制 利用数字水印在数字广播和数字影视中根据不同的服务种类，对各级用户分 发不同的内容。同样原理，也可应用于网络，可以控制访问者的权限。 1 4 8 注释水印 将作品的有关信息，如标题，注释等作为数字水印嵌入到数字作品中，这样 不占带宽。 1 5 论文的主要工作 本文主要在学习和探讨前人对信息隐藏、数字水印等多媒体安全技术算法的 基础上，着重分析了小波变换的思想，提出了基于图像置乱和小波变换的数字水 印安全算法，利用小波的多分辨特性，尝试在小波变换的低频子图分散嵌入一有 意义的灰度标志图像，这跟通常嵌入的数字序列号等相比更能起到标志的作用， 经实验验证这种分散嵌入方法使嵌入后的水印系统具有较好的透明性、鲁棒性和 安全性。 论文各章节的内容安排如下： 第一章主要讲述数字水印技术的课题背景，研究目的及意义，国内外研究现 状和水印的主要应用。 第二章主要是对数字水印系统进行分析，首先研究数字水印技术的基本原理、 特点、分类，接着探讨了水印的检测、嵌入方法和攻击技术。 第三章探讨分析了小波变换与人类视觉系统等知识，了解小波变换的分解与 重构过程，最后分析人类系统的频率特性，指出小波变换与h v s 的完美匹配。 第一章绪论 第四章对小波系数分析研究，提出了适合嵌入水印信息的区域和小波系数选 择，探讨了算法的没计策略。 第五章提出了基于图像置乱和小波变换的数字水印算法，主要阐述分散嵌入 的思想，对小波变换的低频概貌子图进行了实施水印信息的嵌入。 第六章是总结和展望，总结自己做的工作和数字水印技术的发展前景以及进 一步的研究目标和方法。 第二章数字水印系统分析 第二章数字水印系统分析 2 1 数字水印技术的基本原理、特点、分类 2 1 1 数字水印的基本原理 1 数字水印系统框架通用的数字水印系统由两个模块组成：水印的嵌入模 块和水印的检测和提取模块。水印本身可以是随机数字序列、数字标识、文本以 及图像等，从鲁棒性和安全性考虑，常常需要对水印进行随机化和加密处理，甚 至图像置乱或混沌处理。图2 1 为数字水印系统的通用模型框架 图2 一l 数字水印系统的通用模型框架 水印嵌入模块的功能是负责把水印数据信息嵌入到原始数据( 载体) 中。 水印检测模块的功能是用于判断载体数据中是否含有水印信息，并根据需要 将水印数据信息进行提取。 在检测模块和嵌入模块有个通信信道，也即添加好水印信息的载体在网络中 进行流通