（模式识别与智能系统专业论文）基于静态图像的数字水印技术研究.pdf

摘要 目前，随着计算机网络和信息技术的发展，数字水印成为一种保 护数字多媒体安全的有效方法。数字水印技术足通过向数字多媒体如 文档、图像、视频和音频等嵌入某种信息来保护它们的版权。可见水 印技术足一种重要的多媒体知识产权保护的方法。本文主要集中在对 静态图像的可见水印技术进行研究。 为了在嵌入可见水印的数字图像中获得一个更加清晰的版权标 志并且可见水印又能更少地降低原始图像的视觉质量，本文提出了一 种具有人类视觉特性的可见水印算法。该算法在小波变换域利用人类 视觉模型的亮度对比度敏感性函数的视觉重要性权重值和纹理敏感 特性，根据原始图像和水印图像的局部和全局特征，建立了确定水印 嵌入的拉伸系数数学模型。实验结果表明本文提出的可见水印算法产 生的图像视觉效果优于其它算法的结果。 为了给嵌入可见水印的图像提供有效保护，本文提出了一种基于 j p e g 2 0 0 0 压缩的半脆弱水印算法来解决可见水印的安全问题。根据 j p e g 2 0 0 0 图像压缩过程中的量化参量的不变性和图像小波变换的时 频局部特性进行水印生成和嵌入调制。该算法实现了嵌入可见水印的 图像经过j p e g 2 0 0 0 图像压缩之后，还能检测图像足否被篡改和显示 被篡改的区域。实验结果表明本文提出的半脆弱水印算法能够较好的 抵抗j p e g 2 0 0 0 量化压缩，又能准确定位篡改区域。 关键词：多媒体安全，产权保护，可见水印，半脆弱水印 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，w i t ht h eg r o w t ho fc o m p u t e rn e t w o r k sa n di n f o r m a t i o n t e c h n o l o g yd i g i t a lw a t e r m a r k i n g i sa ne f f e c t i v em e a s u r eo fd i g i t a l m u l t i m e d i ap r o t e c t i o n d 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 sam e a n so f e m b e d d i n gm e s s a g e sw i t h i nd i g i t a l m u l t i m e d i as u c ha st e x t , i m a g e s ， v i d e oa n da u d i ot o p r o t e c t t h e i r c o p y r i g h t s v i s i b l ew a t e r m a r k i n g s c h e m e sa r ei m p o r t a n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t yf i g h t sp r o t e c t i o nm e c h a n i s m s f o rm u l t i m e d i ad a t a t h i sd i s s e r t a t i o nm a i n l yf o c u s e so nr e s e a r c ho ns t i l l i m a g ev i s i b l ew a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g i e s i n o r d e rt og e tb e t t e rr e c o g n i z a b l eb u tu n o b t r u s i v ee o p y r i g l a tp a t t e r n s i nd i g i t a li m a g ee m b e d d e dw i t i lv i s i b l ew a t e r m a r k s w ei n t r o d u c eo u r n e wv i s i b l ew a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mi nw h i c ht h ec o m p o s i t ec o e f f i c i e n t s a r ec o m p u t e du s i n gg l o b a la sw e l la sl o c a lc h a r a c t e r i s t i c so f b o t ht h eh o s t a n dw a t e r m a r ki m a g e sb yc o n t r a s ts e n s i t i v ef u n c t i o n ( c s f ) o f p e r c e p t u a l i m p o r t a n c ew e i g h ta n dt h et e x t u r es e n s i t i v i t yo ft h eh u m a n v i s u a ls y s t e m i nd i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o r m ( d w dd o m a i n e x p e r i m e n t si n d i c a t em o r e e x c e l l e n tv i s u a le f f e c to f i m a g e t h a no t h e rs c h e m e i no r d e rt o p r o v i d e av e r ye f f e c t i v e p r o t e c t i o n f o r v i s i b l y w a t e r m a r k e di m a g e ，w ep r o p o s eas e m i - f r a g i l ew a t e r m a r k i n gs c h e m e w i t hj p e g 2 0 0 0c o m p r e s s i o nt os o l v es e c u r i t yp r o b l e m so fv i s i b l e w a t e r m a r k i n g t h ew a t e r m a r ki sg e n e r a t e da n de m b e d d e db a s e do na l l i n v a r i a n tp r o p e r t yo fq u a n t i f i c a t i o nd u r i n gt h ej p e g 2 0 0 0c o m p r e s s i o n a n dt h el o c a lt i m e f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i co fw a v e l e tt r a n s f o r mo fi m a g e t h ea l g o r i t h mn o to n l yc a nt o l e r a t ej p e g 2 0 0 0c o m p r e s s i o n ，b u ta l s oi t c a ni n d i c a t et h et a m p e r e dc h a n g ea n dl o c a t et h et a m p e ra r e aa c c u r a t e l y w h e nt h ev i s i b l yw a t e r m a r k e di m a g eh a sb e e ns u f f e r e df r o mm a l i c i o u s t a m p e r t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sd e m o n s t r a t e t h a tt h ep r o p o s e da l g o r i t h m c a nd e t e c ta n yc h a n g et ot h ew a t e r m a r k e di m a g ea n dl o c a t et h et a m p e r e d a r e a sw h i l et o l e r a t i n gj p e g 2 0 0 0c o m p r e s s i o nt oac e r t a i ne x t e n t k e y w o r d s ：m u l t i m e d i as e c u r i t y , c o p y r i g h tp r o t e c t i o n ， v i s i b l ew a t e r m a r k i n g , s e m i f r a g i l ew a t e r m a r k i n g n 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名：萋握名日期：址年土月卫日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：羹煎譬导师签名厘翌塾日期：里翌互年竺月血日 中南大学硕十学侍论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究的背景和意义 随着信息技术的发展和网络的普及，许多传统形式的多媒体部向数字化多媒 体转变。在未来商业活动中，电子商务即将占据巨大市场份额，如数字影院的大 力推行，网上图片、电子书籍销售等等。因为现有的多媒体处理工具就能轻易地 对数字多媒体进行拷贝、传播和修改，所以数字多媒体的使用者很容易推法拷贝、 传播和修改数字多媒体的内容。这样引起了人们对数字多媒体的版权有可能被侵 犯的担心。当多媒体内容被人们使用了，如果多媒体内容的制造者不能确保对知 识产权的合法拥有，那么他们可能不会把他们的多媒体内容放到公共网络上。于 是数字多媒体的产权保护问题制约着信息化进程。 传统形式多媒体的盗版通常需要付出大量的人力和物力，并且盗版作品的质 量要比原始作品的质量要差。如果对盗版的作品再进行盗版，产生的盗版作品的 质量会变得更差。这样传统形式的多媒体从本身存在的形式就在一定程度上阻碍 了盗版的发生。然而，现有的处理工具很容易对数字多媒体进行复制和修改，只 需付出少量的代价就能生产和发布质量和原始作品几乎完全一样的拷贝。于是数 字多媒体的版权拥有者迫切需要一种能够保护他们作品版权的技术。 最早人们使用密码学的方法保护数字多媒体的安全。成熟的密码学可以解决 安全传递和访问控制。但是一旦解密后，数字多媒体内容便可以随意的使用，密 码学的方法就失去了保护的作用，这就可能出现数字多媒体的超分布问题。这样 将给数字多媒体制造商造成巨大损失，从而制约着数字多媒体应用的发展。目前 已经出现了一些为数字多媒体提供安全保护的技术，用来解决数字多媒体的安全 问题。数字水印就是一种被很多人看好的能够解决数字多媒体安全的技术。数字 水印技术是向数字多媒体( 如数字图像、声音、视频等) 中添加某些特定的信息 ( 水印) 而不影响原始数据的视听效果，并且这些添加的信息可以部分或全部从 混合数据中恢复出来，以达到版权保护等作用。数字水印最近几年成为商业界和 学术界共同关注的热点。 数字水印技术之所以受到广泛的关注，它被认为是保护网络上多媒体数据安 全的一种有效方法。因而针对不同的多媒体提出了许多的水印算法【”。根据水印 的视觉特征，可以把数字水印分为可见水印和不可见水印【2 】。不可见水印是一种 应用广泛的水印，它加在图像或视频当中从表面上是不可察觉的，只有经过特殊 中南大学硕十学位论文 第一章绪论 的检测器才能提取出来。不可见水印按功能可以分为( 半) 脆弱水印和鲁棒水印。 ( 半) 脆弱水印是指当嵌入水印的图像或文本数据被修改时，水印可以对数据是否 被修改进行判断。鲁棒水印是指加入的水印不仅能抵抗一定失真内的恶意攻击， 并且一般的数据处理对提取水印没什么影响。当发生版权纠纷时，真正的拥有者 可以从中提取出标记，从而证明该多媒体真正的拥有权。 与不可见水印相反，可见水印是指人眼能直接从多媒体表面就可以看见的水 印，就像覆盖在图像上的标识，它与可视的纸上水印相似。它主要应用于图像， 比如用来可视地标识那些可在图像数据库中得到的或在i n t e m e t 上的图像来防止 这些图像被用于商业用途。当然也可用于视频中，用在视频当中就是在每帧图像 加上一个可见版权标志，比如电视台的台标。可见水印主要用于标识多媒体数据 的版权信息。 数字水印技术与古老的信息隐藏和数据加密技术关系非常密切。作为一门新 兴多学科应用技术，数字水印技术涉及到信息论、密码学、图像处理、编码理论、 多媒体技术、计算机网络等学科和领域。这些技术的发展和融合为数字多媒体提 供有效的安全保护。同样，数字水印技术的发展也促进了这些学科和领域的发展。 总之，数字水印技术嵌入与所有者有关的信息到数字多媒体对象中，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、篡改检测以及非法拷贝控 制等。尽管版权保护是发展数字水印技术最重要的一种动力，在实际中人们还发 现数字水印还具有其它的一些如真伪鉴别、秘密通信、标志隐含等重要应用。随 着电子政务和电子商务的兴起，要想从根本上解决版权保护和信息安全问题，数 字水印是一种很有潜力的技术解决手段。 1 2 数字水印研究现状述评 1 2 1 典型的数字水印算法 r g v a ns c h 鲫d e l 等人【3 捷出了一种最低有效位算法( l s b ) 。l s b 算法是用密 钥生成随机信号，然后按照某种规则组成水印信号。将水印信号逐一嵌入到原始 图像像素的最低位。由于把水印嵌入在像素的最低位，所以在视觉上很难感觉到 原始图像视觉质量的变化。l s b 水印算法的检测是通过待测图像和水印进行相关 运算和统计实现的。由于隐藏的信息容易被去掉，所以l s b 算法不具有较强的鲁 棒性。 w a l t e rb a n d e r 等人1 4 1 提出了p a t c h w o r k 算法。该算法是随机选择n 对像素对 2 中南大学硕十学竹论文 第一章绪论 ( p j ，q 。) ，接着把每个p i 点的灰度值加1 ，每个q 。点的灰度值减l 。p a t c h w o r k 算法 保持了整个图像的亮度不变。该算法能抵抗一定图像压缩、滤波等处理所以算 法的鲁棒性有了一些提高。 c o x 等人 5 j 基于扩频通信的原理，提出了一种扩频水印算法他们将水印嵌 入到视觉上最重要的地方。首先，他们对整幅图像进行离散余弦变换，选取1 0 0 0 个最大的低频d c t 系数( 不包括直流分量) ，然后将服从高斯分布的随机实数序列 作为水印加到这些系数上。水印检测时通过计算随机实数序列与从包含水印的图 像中得到的1 0 0 0 个改动过的d c t 系数的相关性，来判断水印是否存在。该算法具 有较强的鲁棒性、安全性、透明性等。 r u a n a i d h l 6 和b o r s l 7 ) 分别对c o x 的算法做了改进。r 嘲i d l i 首先将图像进行 分块，然后对8 x 8 的图像块进行d c t 变换，但是嵌入时不是对每个块都嵌入水印， 而是随机选取一些块，将水印信号嵌入到由密钥控制选择的一些d c t 系数中。同 时也不把水印嵌入到低频分量，而是中频分量上，以调节水印的鲁捧性和不可见 性之间的矛盾。由于分块d c t 可以实现重复嵌入，提高了抗剪切性也提高了运 算的效率和加强了水印的鲁棒性。 h o u n g 等a s l 提出了在视觉上重要的小波系数中嵌入水印的算法。在小波系 数中根据视觉重要性依次嵌入水印。在水印提取时，有需要原始图像和不要原始 图像两种方案。但是在水印算法公开后。水印很容易被清除。d w t 的算法与d c t 算法有着类似的原理，但由于小波变换有良好的视觉特性，因此d w t 算法得到 了更为广泛的应用。 r u a n a i d h 等人 9 1 提出了一种具有旋转、尺度、平移不变性的水印算法。该算 法首先计算图像的d f t ，利用d f t 系数的绝对值获得平移不变性，然后将d f t 系 数的绝对值映射到对数极坐标。对数极崔标进行二维的d f t 变换，系数取绝对值， 然后在系数中嵌入水印。提取时采用与此相反的过程。该算法能够抵抗对图像进 行的一定旋转、尺度变换和平移变换等处理，具有较强的鲁棒性。 从目前的文献看，现在很多的数字水印算法“”往往采用了多种理论和技 术。例如人类视觉模型、图像处理、数据压缩方法、数学形态学、对称密钥和非 对称密钥、网络认证技术、纠错码、矩阵的变换方法、信号处理和分析等理论和 技术。 1 2 2 可见数字水印算法 在目前的文献 1 5 - 2 3 1 中，对可见水印技术的报道相对较少。对数字可见水印的 研究开始于i b mw a t s o n 实验室的m i n t z e r 等人 t s l 的研究。m i n t z e r 等人首先提出 3 中南大学硕十学何论文第一章绪论 一种空间域可见水印技术，并用这种技术实际处理梵第冈档案馆珍贵的历史手 稿。这种方法是对图像的像素加上或减去一个相同的闽值。通过这样的方式修改 原始图像的亮度值，从而在原始图像上嵌入一个可见水印。可以看出该算法存在 两个明显的缺点：一个缺点是这个可见水印很容易被去掉，因为嵌入阂值相同； 另一个缺点是嵌入水印的图像视觉质量比较羞。 k a n k a n h a l l i 等人【1 6 1 提出了一种d c t 域的可见水印算法。把图像分成8 x 8 的 图像块，根据图像块对扭曲敏感性把图像块分成8 类。利用图像特征计算拉伸系 数，然后用人眼亮度敏感特征修改拉伸系数。该算法并不能较好地保护原始图像 的视觉质量。如果图像具有较少的特征，图像的大部分区域相同，那么算法是不 安全的。因为算法是对图像分块进行操作，在这样的情况下大部分的图像块将会 有相同的拉伸系数。和嵌入系数1 3 。攻击者很容易通过获得系数。和t 3 ，去掉可 见水印。 m o h a n t y 等人1 1 7 】提出一种d c t 域可见水印算法。该算法利用人类视觉系统 的纹理敏感性计算拉伸和嵌入系数。由于包含较少物体的图像计算出的拉伸和嵌 入系数会有很多的相同，所以算法的鲁棒性不高。为了增强算法的鲁棒性，当有 三分之一的图像块有相同的嵌入系数，他们产生具有高斯分布的在一定区间的嵌 入系数。m o h a n t y 提出的可见水印算法比k a n k a n h a l l i 等人1 1 6 1 提出的算法具有更 强的安全性。 y o n g i i a nh u 等人【1 8 l 提出了基于图像融合的可见水印算法。在图像的低频子 带，他们利用高斯函数描述亮度掩模嵌入水印。在图像的中频区，有意避免嵌入 水印。在图像的高频子带，对小波系数进行分类，从而由分类信息指导水印的嵌 入。他们认为小波系数值越大越重要，该算法把小波高频系数分成许多类。他们 对高频系数的分类是主观的，既没有客观分类依据，也没有依据人眼视觉特征。 而在小波低频系数考虑了人眼视觉的亮度敏感性，而没有考虑图像本身具有的特 征。所以这个算法的缺点是图像特征分类和人类视觉模型的利用比较简单，这样 不能取得较好的图像视觉质量。 胡永健等人【2 1 】提出了一种小波域自适应可见水印算法。在高频子带上，他们 不仅考虑了原始图像的特征也考虑了水印图像的特征。利用亮度掩膜和局部空间 特征计算高频子带的拉伸系数。低频子带拉伸系数的计算直接由原始图像的低频 子带上的亮度掩模函数确定。他们把高频子带的图像特征区分为高能区域和平坦 区域即边缘、纹理区域和平坦区域。这样区分图像特征区域对于嵌入可见水印是 不合理的。因为图像的边缘和纹理区域对扭曲的敏感度是不一样的，即改变图像 的边缘区比改变图像的纹理区影响图像视觉质量要大的多。 4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 罗永等人1 2 3 】提出了一种半透明的数字水印算法。这种水印属于可见数字水印 的范畴。这个算法在图像上嵌入一个可见的水印标志，合法用户又能够消除半透 明标志，获得高质量的复原图像。为了增强可见水印的鲁棒性，他们采取了随机 选取多个权重方法。对于每隔r 行像素，从包含n 种权重的集合中随机选取一个 新的嵌入权重，用这个嵌入权重在r 行像素中嵌入可见水印。然后将n 个权重加 密后用纠错编码加入到嵌入水印的图像小波系数中。如果这个算法就是用于提供 一个包含可见水印标志的图像，从嵌入原理来看，该算法没有考虑保护图像的视 觉质量。如果该算法是用于提供复原图像，那么复原图像的安全将无法得到保证。 1 2 3 半脆弱数字水印算法 董刚等人 2 4 1 提出了一种基于j p e g 有损压缩半脆弱性数字图像水印算法。水 印的嵌入采用类似于的c h e c k s u m 2 5 1 的方法，不同之处是在d c t 域中嵌入。首先 把图像分成8 x 8 大小的块，进行d c t 变换并作j p e g 量化。然后计算每个块内所有 系数字节的最高7 b “的c h e c k s u m 值，作为待嵌入的水印信息。将所有量化后的 d c t 系数作为一个集合进行置乱处理，并选择置乱后块内所有绝对值大于1 的a c 系数作为水印嵌入点，并令嵌入点系数的最低有效位与对应块生成的水印信息比 特位相同。如果块内的可嵌入系数的数目大于7 ，则循环进行这种操作直至所有 可嵌入系数都嵌入水印信息。最后反置乱完成水印的嵌入过程。水印提取时，与 嵌入过程相似，置乱后得到嵌入系数的最低有效位。采用篡改估计函数来度量提 取的水印与原始水印的相似程度，判断水印是否存在。这个算法的不足足图像的 某些区域并未被修改，水印检测时却显示该部分的水印已被破坏，并且对修改的 最小定位区域足图像块。 x i a n gz h o u 等人【2 6 l 提出了一个能经受j p e g 压缩的半脆弱水印算法。他们首 先把图像分成相同大小的图像块，然后根据每块的平均灰度提出签名作为水印。 用错误纠错编码对水印进行编码，对编码结果进行加密。把图像进行小波变换， 量化低频子带系数的方法嵌入加密的结果，完成水印的嵌入。水印的提出过程与 水印的嵌入过程相似。用纠错编码解码签名，与从待认证的图像中提取的水印比 较，进行图像的认证。他们的方法有以下一些缺点。由于这个方法是利用纠错编 码容忍一定程度的修改，所以它就不能区分恶意修改和一般的处理。由于签名是 从图像子块中提取的，所以对修改的最小定位区域是图像块。如果图像的平均灰 度的极值被修改，那么也不能有效的确定被修改的图像块。 c h ik i nh o 等人 2 7 1 提出了一种考虑j p e g 压缩的半脆弱水印算法。他们对图 像进行d c t 变换，并根据预先确定的量化步长对系数进行量化。在每一块中选 择4 个高频系数，这4 个高频系数和它们的8 领域形成一个集合。根据这些系数 5 中南大学硕士学竹论文第一章绪论 之间的关系和奇偶性，修改4 个高频系数嵌入水印。水印的检测和嵌入过程相似。 这个方法只能容忍在预定质量因子以下的j p e g 量化。并且在水印嵌入前必须确 定质量因子。 l i ut o n g 等人【2 8 1 提出了一个基于小波系数量化的半脆弱性水印算法，能够 对图像内容进行认证。水印的生成是由图像小波系数的量化转换成0 和1 的序列， 然后对序列进行加密。以可察觉扭曲的阈值为量化值，对图像小波系数进行量化， 利用量化后系数的奇偶性嵌入水印。水印的检测过程和嵌入过程相似。当提取的 水印和生成的水印一致时，系数为0 ，否则为l 。基于概率统计，对某个区域计 算h a n i n g 距离。如果h a n i n g 距离大于设定的阂值，则认为该区域已被篡改。这 个方法短处是只能对固定大小的图像块进行认证，并且由于篡改的判断与设定的 闽值有关，就有可能出现不能区分恶意修改和一般的处理。 张静等人1 2 9 1 提出了一种适用于j p e g 2 0 0 0 图像认证的半脆弱性数字水印算 法，该算法与j p e g 2 0 0 0 编、解码器相结合。他们将图像进行小波变换，把小波 系数分成大小相同的小波块。根据小波块包含的重要系数的多少划分为纹理块和 平坦块两类，再将小波块行划分成宏块，每个宏块包含几个相邻的小波块，其中 有且仅有一个纹理块。在每个宏块中，根据j p e g 2 0 0 0 图像压缩过程中的不变参 量进行水印生成和嵌入调制，利用小波变换特性对图像篡改区域进行定位。这个 算法对篡改区域的定位有着明显的缺点。该方法标示篡改区域的最小单元为宏块， 对于面积较小的篡改区，若该区域恰好位于几个图像宏块中间( 即与几个宏块都相 交) ，则算法将会标示这几个图像块均被修改。由于算法依据图像的纹理特征进 行宏块划分，若图像被篡改，则可能会出现水印嵌入、检测过程中宏块划分不同步 的情形。因此，在检测中可能出现宏块同步信息丢失的情形，将造成显示整个小 波块行被篡改，从而造成误判。 1 2 4 数字水印的发展趋势 v a n s c h y n d e l l 3 l 在i c i p 9 4 会议上发表了题为“a d i g i t a lw a t e r m a r k ”的文章， 它是第一篇在主要会议上发表的关于数字水印的文章，阐明了一些关于数字水印 的重要概念。从1 9 9 4 年开始，国际学术界陆续发表有关数字水印的文章，且文 章数量呈快速增长趋势，几个有影响的国际会议( 如i e e e1 c i p ，i e e ei c a s s p 、 a c m m u l t i m e d i a 等) 以及一些国际权威杂志( 如p r o c e e d i n g s o f i e e e 、s i g n a l p r o c e s s i n g 、i e e ej o u m a lo f s e l e c t e da r e a so nc o m m u n i c a t i o n 、i e e e ( t r a n s a c t i o n ) m u l t i m e d i a 、c o m m u n i c a t i o n s o f a c m 等) 相继报道了数字水印技术的研究成果。 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 6 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 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 文都集中在图像研究上，其原因在于图像是最基本的多媒体数据，且互联网的发 展为图像水印的应用提供了直接大量的应用需求。另外视频水印也吸引了一些研 究人员，由于视频可以看成时空域上的连续图像序列，从某种意义上讲，它与 图像水印的原理非常类似，许多图像水印的研究结果可以直接应用于视频水印 上。但两者有一个重要的差别在于处理信号的数量级上，特别是视频水印需要考 虑实时性问题。 数字水印技术经历了十几年的发展，在国外已有许多公司和研究机构研制出 了自己的数字水印技术或产品。该领域的研究己引起了我国的一些大学、研究机 构的广泛关注。目前国内已出现了一些数字水印产品。随着全球范围的多媒体产 品的数字化和普及，特别是信息技术的快速发展和i n t e m e t f - 泛普及，以及电子商 务的加速发展，数字化产品的销售和使用的优越性大大超过了传统形式的多媒体 产品。数字水印技术就是为了满足多媒体产品数字化的发展需要而出现的一种安 全保护技术。为了能够适应多媒体数字化的发展，数字水印技术也将随之而发展。 未来的数字水印技术可能会在如下一些方面进行探讨和研究。 l 数字水印技术与压缩编码算法的结合。数字化产品的发布和存储通常要经 过编码和压缩。目前许多的水印技术往往与压缩编码算法分开。如果在编码 或压缩的过程中嵌入水印，这样处理的优点在于使水印对编码算法具有鲁棒 性，尽量减少无意的水印攻击。同样还可以探讨水印算法和其它的信号处理 方法的结合。这些可能是数字水印技术重要的研究方向之一。 2 数字水印技术的安全性与攻击。对各种已有的水印算法的安全性进行研究。 针对水印算法进行攻击研究，设计出攻击算法。针对攻击算法进行研究，设 计出更加安全的水印算法。 3 数字水印算法的标准化。目前国际上的数字水印技术尚未形成统一的标准， 形成统一的标准已成为水印技术研究的共同目标。然而，标准的算法必须有 其优越性、通用性和有效性，并要得到世界各国的认同。形成统一的标准是一 项艰巨的任务。 4 开展广泛基于应用的数字水印技术研究。把数字水印应用到各领域中。例如 用于数字图书馆，用可见水印标识数字作品的版权；或用于图像认证方面， 即用( 半) 脆弱水印技术对图像的完整性和真实性进行认证。探索与各领域的 新技术和新理论结合。在发展数字水印技术的同时也促进了其他领域的技术 和理论的发展。 7 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 5 研究的问题 目前，版权保护是数字水印应用的一个主要方面。其目的是嵌入多媒体数据 来源信息或版权拥有者的信息，从而防止其他人对该作品宣称拥有版权或者非法 使用。可见水印和鲁棒水印部可以提供版权保护的作用。然而，可见水印以更加 积极的方式保护多媒体数据版权。带有可见水印的图像包含有一个标识版权所有 者的可见版权标志。通过这样一个可见水印不仅可以提供一个直接的版权标识， 而且可以有效地阻止非法随意使用。如果没有去掉这个可见水印，任何人不能非 法地直接使用这幅图像。尽管用可见水印标识图像版权的需要是明显的，然而对 可见水印的研究相对于不可见水印要少得多。本文将以图像为对象对可见水印技 术进行深入的研究。 一个适合实际应用的可见水印应该满足下面一些特征皿阍。 1 可见水印算法应该对彩色和灰度图像都适应，即对不同的图像类型都能适 用。可见水印应覆盖图像的大部分区域，并且这些区域仍然能保持较好的视 觉质量。 2 水印的主要特征应该清晰可见，但是不能使原始图像的细节信息变得模糊。 3 可见水印应该是安全的，也就是很难被去掉和伪造。这要求，为了去掉可见 水印而花费的代价比直接购买这幅图像的代价更高。 4 可见水印的嵌入应该是自动地完成，而不需要人去干预。 这些特征可归结为两个方面的问题；图像视觉质量问题和可见水印安全问 题。 图像视觉质量问题就是指嵌入可见水印的数字图像不仅包含一个可见的版 权标志，而且可见水印不能降低原始图像的视觉质量，同时人眼可以容易识别出 水印标志。如果我们希望得到视觉上清晰的水印标志，那么必须加大水印的嵌入 能量，但是这样会使原始图像变得模糊。相反，如果希望能够较好地保持原始图 像质量，就要减少水印嵌入能量，这样会降低可见水印的可见性。这样的要求相 互矛盾。为了解决这个矛盾，我们利用人类视觉系统模型和图像特征提出了一种 具有人类视觉特性的可见水印算法。因为人眼对不同的频率敏感性是不同的，所 以人眼对不同频率的敏感程度也不同。另外，不同的图像特征有着不同的扭曲容 忍度，人眼对不同图像特征的变化的敏感性也不同。我们根据人眼对空间频率敏 感性和纹理敏感特性确定水印嵌入能量的强度。通过人类视觉和图像特征的结 合，原始图像和水印标志在不同的图像区域取得了较好的视觉质量。 8 中南大学硕士学位论文第一章绪论 可见水印安全问题是指如何保护可见水印不被非法去掉和防止伪造可见水 印。这要求在没有付出很大的代价或者较大的破坏原始图像视觉质量的条件下， 可见水印应该几乎不能或者很难被去掉和修改。由于可见水印不能对图像进行认 证，所以可见水印不能检验图像的真实性。为了增强可见水印的安全性，一般可 + 从两个方面进行考虑。一个方面可通过增强可见水印算法的安全性，来增强可见 水印的鲁棒性。然而现在的图像处理软件功能强大，可以通过处理软件直接修改 的方法就可以去掉水印标志，并且还能较好的保持原始图像质量。所以通过增强 可见水印算法的安全性，并不能完全保证可见水印的安全，也不能防止伪造可见 水印。 另一个方面可通过用于图像认证的不可见水印来保护可见水印的安全。即用 脆弱水印认证嵌入可见水印的图像。这样可见水印的安全问题就变成了脆弱水印 的安全问题。可见水印较多的用于数字图像，而图像本身包含较大的数据量。为 了减少数据量，图像的保存和传输一般都经过了压缩。由于脆弱水印不容许对图 像的任何修改，所以用脆弱水印保护可见水印并不实用。因为对图像的任何压缩 都不能通过脆弱水印的认证。因此，本文提出了一种基于j p e g 2 0 0 0 压缩的半脆 弱水印算法来保证可见水印的安全性。这样，半脆弱水印算法既能容忍j p e g 2 0 0 0 的图像压缩又能检测出对图像恶意修改和被修改的区域。 1 6 本文的主要工作及章节安排 1 6 1 本文的主要工作 本文的主要工作是针对国内外研究相对较少的可见水印技术进行了前沿性 的研究。本文对可见水印的发展做了较为全面的总结，回顾了过去的工作，从应 用的角度详细阐述了可见水印的特征和要求。从可见水印的图像视觉质量角度， 提出了具有人类视觉特性的可见水印算法。为了解决可见水印的安全问题，提出 了基于j p e g 2 0 0 0 的半脆弱性水印算法。本文的主要工作可分为两大部分。 第一部分工作体现在以下几个方面： i 对人眼的空间频率敏感特性和纹理敏感特性进行了全面地分析，描述了人类 视觉和小波分解系数以及与之相关的小波系数视觉重要性权重值。并根据一 定的规则，把原始图像和水印图像小波系数频率子带分成不同的块，利用视 觉掩模对子块进行分类。 2 利用人类视觉模型的频率敏感特性和视觉掩模的分析结果，根据原图像和水 9 中南大学硕士学位论文第一章绪论 印图像的局部和全局特征，建立确定水印嵌入的拉伸系数数学模毯。 3 从人类视觉感知特性的角度，提出了一种新的基于人类视觉系统的可见水印 算法。且对该算法进行了对比实验以及分析了实验结果和算法的安全性。 第二部分工作体现在以下几个方面： 1 分析了j p e g 2 0 0 0 编、解码的过程以及系数量化不变特性。描述了图像小波分 解系数的树形结构和小波变换的时频局部特性。 2 提出了一种基于j p e g 2 0 0 0 的半脆弱性数字水印算法，该算法根据j p e g 2 0 0 0 图 像量化压缩过程中的不变参量和小波变换时频局部特性进行水印生成和嵌 入调制，利用小波变换时频局部特性对图像篡改区域进行定位。 3 用实验测试了算法的性能，进行了对比实验，并对算法的性能进行了分析。 1 6 2 本文的章节安排 本文对可见水印技术进行了深入和系统的研究，全文共分为五章。 第一章介绍了本文研究的背景和意义、数字水印的研究现状。提出了本文将 要研究的问题。总结了本文主要工作和章节安排。 第二章对数字水印技术进行了介绍。介绍了数字水印的原理、数字水印的类 型与应用、数字水印的安全。介绍了相关的一些理论，如图像小波变换、人类视 觉和图像质量的评价方法。 第三章对进行人类视觉模型分析，提出了具有人类视觉特性的可见水印算 法。给出了可见水印嵌入的过程和参数计算的数学模型。对提出的算法进行对比 实验，对实验结果进行了深入分析。 第四荤为了解决可见水印的安全问题，提出了一种基于j p e g 2 0 0 0 压缩的半 脆弱水印算法。并用实验检测了算法的性能。 第五章对本文工作进行了总结和展望，对今后的相关研究提出了一些设想。 1 7 小结 本章介绍了数字水印的研究背景和意义。从各个角度对数字水印技术的研究 现状进行了评述，提出了本文将要研究的问题。本章作为本文的绪论，也简要介 绍了本文所做的主要工作，本文所包含的内容及相应的章节安排。 l o 中南大学硕十学傍论文 第二章数字水印技术及相关理论 第二章数字水印技术及相关理论 2 1 数字水印系统模型 2 1 1 数字水印基本原理 数字水印技术就足把称作水印的数据加入到要被保护的多媒体数据中，在一 定条件下又可以从多媒体数据中提取出水印，通过提取出的水印实现对数字多媒 体的版权保护或认证。一般情况下，一个水印算法包括三个部分：水印、水印嵌 入算法和提取算法。不同的多媒体可以选择不同的数据作为水印。嵌入算法就是 把水印嵌入到多媒体数据。提取算法是从多媒体数据中提取水印，实现对多媒体 的所有权或者完整性进行证明。 假设原始图像( 被保护的多媒体) 用i 表示，水印用w 表示，嵌入水印后的 图像用j 表示。用e ( ) 表示嵌入函数，它把原始图像i 和水印w 作为输入参数，产 生嵌入水印的图像j 。水印w 和原始图像i 的内容可能相关。水印的嵌入可以用公 式( 1 - 1 ) 表示。 e ( i ，形) = d ( 1 - 1 ) 提取函数用d ( ) 表示，它从图像j ( 可能包含水印或被修改) 中提取水印。 在提取过程中可能要用到图像j 的没有嵌入水印的原始图像i 。w 表示提取出的 水印。水印的提取可以用公式( i - x ) 表示。 o ( s ，) = w ( 1 - 2 ) 然后用w 与w 进行比较，确定图像j 的所有权或完整性。 图l - 1 表示数字水印信息嵌入模型，其功能是将数字水印信息嵌入原始数据 中。图l 一2 为数字水印信息检测模型，用以判断某一数据中是否含有指定的水印 信息或提取出数字水印信息。图中的虚线表示在数字水印嵌入或提取时可能需要 用到。 中南大学硕士学竹论文 第二章数字水印技术及相关理论 图卜l 数字水印嵌入模型 图卜2 数字水印提取模型 2 1 2 数字水印模型 1 通信模型的水印 从传统通信模型来研究数字水印，可以把水印看成是一种从水印嵌入器向水 印检测器传输信息的一种通信方式。可以把水印系统看成是某种传输信道，原始 作品和水印信息在信道里传输。 水印嵌入过程包括两个基本步聚。首先，用密钥将输入信息生成水印信息， 产生的水印信息和原始作品的类型、性质相一致。接下来，把水印信息加到原始 作品上，这就产生了嵌入水印的作品。 在嵌入水印后，假设水印作品经历了某些处理，其结果就相当于在作品中加 入了噪声。处理的方式包括对作品进行压缩和解压缩、格式变换、有意删除和破 坏水印等处理。 水印检测过程也包括两个基本步聚。首先，从接受到的作品中提取出带噪声 的水印信息。然后，使用密钥对其进行解密。用获得的信息与嵌入过程中用作水 印的信息进行比较，从而完成水印的检测。 2 几何模型的水印 从几何角度考察水印算法，设想有一个高位空间，作品可以看作是n 维空间 中的一个点( 该空间被称为媒介空间) 。把媒介空间的投影或变形称为标志空间。 所以可以把水印系统看成是用媒介空间和标志空间内的各种区域和概率分布来 描述。 水印的嵌入过程可以看成是进行一个函数的变换。把作品、信息和密钥看成 1 2 中南大学硕十学竹论文第二章数字水印技术及相关理论 函数的输入变量，嵌入水印的作品就是函数的输出结果。 水印的检测分为两个步聚。首先，对待检测的作品进行一些预处理，如频率 变换、分块、特征提出等处理。处理之后，在标志空间进行标志信息提出。接着 确定提出的标志中是否包含水印信息。 3 感知模型的水印 从水印可感知性角度对水印算法进行考察，考虑嵌入水印的作品和原始作品 之间的相似程度进行水印算法设计。 人类的听觉系统会根据输入的频率和响度的不同而产生不同的反应。人类视 觉系统会对不同的空间频率、亮度和颜色的不同而产生不同的反应。这就说明人 类对作品和水印的不同成分的感知程度是不同的。感知上不同是可以测量的，并 且人们已经建立了许多的感知模型。感知模型的水印就是在嵌入水印的过程当中 考虑人类的感知特性，从而根据实际的应用需要获得最优化的嵌入水印效果。 2 2 数字水印的分类 根据不同的分类原则，数字水印可以分成各种类型。 2 2 1 空间域和频率域水印 根据水印嵌入的工作域，可以把数字水印分为空间域水印和频率域水印。 空间域水印的嵌入是通过修改图像的像素值来实现。因为不需要对原始图像 进行变换，空间域方法计算简单。但是空间域方法的鲁棒性低，嵌入的水印具有 局部性。 频率域水印需要对图像进行某种变换，把水印嵌入到变换系数中，然后进行 某种反变换得到嵌入水印的图像。因为需要对图像进行变换，频率域方法计算复 杂。在频率中嵌入水印可以把水印分散到图像的全局，因此具有较强的鲁棒性。 2 2 2 公有水印和私有水印 根据水印的检测方式，可以分为公有水印和私有水印。 公有水印是指水印的检测不需要原始图像，只需包含有水印的图像就可以检 测水印。这种水印算法的设计比较困难，但是比较实用。 私有水印是指水印的检测需要原始图像。这种算法水印的检测较准确，但是 应用不方便。 1 3 中南大学硕七学付论文 第二章数字水印技术及相关理论 2 2 3 鲁棒水印和脆弱水印 根据水印抵抗攻击的能力，可以分为鲁棒水印和脆弱水印。 鲁棒水印是指能经受常规的处理和一些恶意的攻击后还能提取出水印。鲁棒 水印一般用于版权保护。 脆弱水印足指水印随着图像的修改而变化。主要用于内容的完整性认证。 2 2 4 可见水印和不可见水印 从可见性角度，可以把数字水印分成可见水印和不可见水印。 可见水印是把一个具有特定意义的标志嵌入到图像上，人们仔细观察时能看 到这个标志。可见水印一般用于下面两种情况。一种情况是用来提供版权保护。 作品拥有者担心他的作品用于商业目的而不能获得报酬，于是他希望在他的作品 上加上可见的版权标志。这样既可以阻止非法的用于商业目的，也可以自由的用 于非盈利活动( 如用于科学研究) 。另一种情况是用来显示作品的版权信息。拥有 者希望通过可见水印告诉人们作品的创作者或拥有者。 从应用的角度进一步把不可见水印分成不可见鲁棒水印和不可见( 半) 脆弱 水印。鲁棒水印足把水印嵌入到多媒体数据中，水印能够经受一定的攻击，用提 取操作能获得水印。鲁棒水印主要用于下面两种情况。一种情况是用于检测盗版 的多媒体。多媒体的销售者关心的足他们的产品是否被他人随意地放到网络上， 于是他们通过鲁棒水印检测多媒体的盗版。另一种情况足提供版权