（机械设计及理论专业论文）用于版权保护的静止图像数字水印技术研究.pdf

南京航窀航_ 天大学硪i ：学位论_ j f = 摘要 数字水印技术是一门新兴的网络信息安全技术，近些年来迅猛发展，在 版权保护和真伪鉴别等领域具有广阔的应用前景。数字水印技术是解决数字 产品版权保护问题的方法之一，近年来己成为数字信号处理及其应用领域学 者关心的热点课题。 本论文主要针对用于静止图像版权保护的数字水印这一对象，进行了基 础理论研究和应用基础研究。论文首先对数字水印技术进行了概括性介绍， 总结数字水印技术的发展和现状。从数字水印技术提出的出发点研究数字水 印技术的基本要求，构建一个用于版权保护的数字水印技术的知识体系，包 括基本特征、一般原理、鲁棒性问题、常见算法、攻击行为及其对策。论文 在分析人类视觉特点的基础上，根据视觉重要区域和视觉兴趣区域的不同， 提出一种新的水印嵌入区域选择方案。然后分析彩色图像数字水印的研究思 路，提出一种基于离散小波变换和扩频技术的彩色图像水印算法。实验证明 两种水印方案在各自领域内具有比较优势。论文对数字水印的版权保护应用 进行尝试性的研究，改进了通用水印框架和一个数字水印用于网络版权保护 的应用实例框架，拓展了数字水印的研究和应用思路。 论文最后制作了一个数字水印的研究实验系统，验证了论文中提出的水 印算法。 关键词：数字水印，版权保护，离散小波变换，扩频技术，通用水印框架 应用 用于版权保护的静止图像数字水印技术研究 a b s t r a c t d i g i t a lw a t e r m a r k i n g h a sb e e na r i s i n g n e t w o r ki n f o r m a t i o n s e c u r i t y t e c h n o l o g y i ti sam u l t i m e d i at e c h n i q u er e c e n t l yd e v e l o p e dw i t ht h ep u r p o s eo f e n h a n c i n gc o p y r i g h tp r o t e c t i o no nm u l t i m e d i af i l e s a n di th o l dw i d ea p p l i c a t i o n p r o s p e c t i ns e v e r a l d o m a i n s ，f o re x a m p l ec o p y r i g h tp r o t e c t i o n ，i n f o r m a t i o n c o n f i r m a t i o na n de t c ，w i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n ti n r e c e n ty e a r s ，t h ed i g i t a l i m a g ew a t e r m a r k i n gi sb e c o m i n g a p o p u l a rt o p i co f t h en e t w o r ks e c u r i t y t h eo b j e c t i v eo ft h i st h e s i si st o d e v e l o pr e l i a b l ea n ds e c u r es t r u c t u r e sf o r 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 y t o w a r d st h i sg o a l ，b a s i ct h e o r e t i c a l r e s e a r c h a n da p p l i e db a s i cr e s e a r c ho ft h ec o p y r i g h tp r o t e c t i o nu s i n gd i g i t a lw a t e r m a r k i n g w e r et a k e ni nt h et h e s i s 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 yw a sf i r s ti n t r o d u c e d s y n o p t i c a l l y t h ea l g o r i t h mm o d e l ，b a s i cc h a r a c t e r sa n dg e n e r a lp r i n c i p l ew e r e s u m m a r i z e d s o m ea t t a c k sm e a n sa n dt h e e x i s t i n gi m a g ew a t e r m a r k i n g a l g o r i t h m s w e r e g e n e r a l i z e d a n d t h e nt w o i m p r o v e dd 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 mb a s e d0 1 1h v s a n dw a v e l e tt r a n s f o r mr e s p e c t i v e l yw e r ep u tf o r w a r d t h ea b o v et w oa l g o r i t h m sb o t hs h o wr o b u s ta n d d e p e n d a b i l i t y a tt h ee n do ft h et h e s i s ，i tb u i l d su pa ni n s t a n c eo ft h ea p p l i c a t i o no fd i g i t a l w a t e r m a r k i n g ，w h i c h w i d e n st h ei d e ao ft h es t u d yo f w a t e r m a r k i n g t h et h e s i sa l s os u p p l i e sas y s t e mt op r o v et h ea l g o r i t h mt h a tr e f e r r e di nt h e t h e s i s 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 ，c o p y r i g h t p r o t e c t i o n ，d i s c r e t e w a v e l e t t r a n s f o r m ，c d m a ，g w f 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本 论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允 许论文被查阅和借阅，可以将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、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名： 日期： 柏材 用于版权保护的静止图像数字水刮挫术研究 注释表 i 一个作品 j 0 载体作品 i 。加水印作品 l 数字产品档案集合 w 原始水印 f ( w ) 经过变换的水印 e 水印嵌入器 d 水印检测器 k 密钥 k 。水印密钥 k 。公钥 k 。私钥 d 水印维数代号。1 、2 、3 分别表示一维、_ 二维和三维水印，通常分别对应 音频产品、图像产品和视频产品 南京航空航天大学硕l 学位论文 1 1 数字水印技术概述 1 1 1 数字水印技术的提出 第一章绪论 网络技术快速发展，使图像、音频和视频等多媒体数字作品能通过数字 的形式广泛传播，也使其复制品的制作变得非常容易，从而导致作品在非授 权的情况下被轻易复制和传播，侵犯了原作者的合法权益。因此，有必要采 取有效的版权保护措施来限制数字作品的非法复制和传播。虽然相关法律为 数字作品提供了制度上的保护，仍然需要在技术上对版权进行保护。 有关版权的技术保护属于信息安全的领域。目前的信息安全技术基本上 都是以密码学理论为基础，无论是密钥系统还是公钥系统，其保护方式都是 控制文件的存取，即将文件加密成密文，使非法用户不能解读。但随着计 算机处理能力的提高，通过不断增加密钥长度束提高系统加密级别的方法变 得越来越不安全。另方面，现在使用的加密方法是使信息不可读，但它无 法防止多媒体数据在解密之后被非法拷贝、传播和盗用，不能在数据被复制 后证明数据的原始所有者，而且密文形式的数据容易引起攻击者的好奇而遭 到攻击。因此，网络上多媒体信息的版权保护问题成了一项重要而紧追的研 究课题。数字水印技术由此而生，并成为近年来多媒体数据安全保护方面研 究的一个热点。 1 1 2 数字水印技术的概念 所谓数字水印技术，是在不破坏原数据欣赏价值的前提下，将数字、序 列号、文字、图像标志等版权信息嵌入到多媒体数据中，以起到版权保护、 秘密通信、数据文件的真伪鉴别和产品标识等作用b l 。简单地说，数字水印 就是在多媒体数据中嵌入的一段信息，其核心是通过在数字产品中嵌入版权 信息以提供产品所有权的证据，任何恶意破坏和去除水印的手段，都将导致 数字产品被破坏。 用于版权保护的静止图像数字水印技术研究 为什么在多媒体数据中可以嵌入其它数据? 原因是在这些多媒体数据中 存在冗余。以数字图像为例，一幅2 4 位真彩色图像，是用2 4 比特数据表示 一个像素。2 4 比特数据可以表示2 “种不同的颜色，但人眼分辨不出这么多 种颜色，如果把像素颜色值的某些位如最低位改变，人眼是根本无法感 知的。数字水印技术正是利用多媒体数据中这些对于人眼“多余的”信息， 来嵌入隐藏的水印信息。 数字水印可以看作是一个携带着版权和授权号码信息的i d 号，被加入 到数字作品中。由于将水印嵌入到数字产品中，就可以将数字产品与其所有 者或使用者建立对应关系，所以也称数字水印技术为数字指纹技术 3 1 。数字 水印提供了辨别数字作品的来源、作者、拥有者、分发者和授权用户的可能， 从而为解决版权问题提供了一个可行的方案。 根据文献【4 】的表述，数字水印技术在信息隐藏体系结构中的位置如图1 1 所示，通常所说的数字水印就是指不可见水印： 图1 1 数字水印技术在信息隐藏领域的伉置 数字水印技术是目前国内外图像工程界研究的一个前沿热门领域。数字 水印的研究预示着商业上巨大的应用前景，已经引起国内外学术界与企业界 的广泛关注。 南京航空航无大学颀t 学位论文 1 1 3 数字水印技术的常见误区 数字水印技术是一种可以实现版权保护的技术，通过检测嵌入信息的存 在性和比较嵌入信息与已声明信息的相似性达到确认版权的目的。但是，人 们对数字水印的认识存在着如下两种误区： 第一，数字水印可以防止盗版。 数字水印本身并不能阻止用户的拷贝和分发行为。用户对于含有水印和 未含水印的数据，可以进行完全相同的处理。如在图像中嵌入版权所有者信 息的水印，水印不阻止产品被复制和传播，但由于图像中包含了水印，在出 现版权纠纷时，水印可以被提取出来用作证掘，能够在法庭上证明谁是产品 的版权所有者，谁是盗版者( 目前的电子签名法暂时还没有相关规定，参见 中华人民共和国电子签名法) ，因此，数字水印能对盗版行为起到威慑作 用。 第二，数字水印可以嵌入在数据文件的任何位置。 这种认识是不正确的。以图像为例，图像中通常有部分保留字段，可以 用来描述图像格式或者供用户自定义信息，在文件的保留字段及用户自定义 字段嵌入信息，是信息隐藏【5j ，不是数字水印。嵌入在保留字段的信息很容 易被篡改，而且当采用不同的文件格式重新编码时，这些信息也可能完全丢 失。数字水印必须嵌入在图像数据中，并与图像信息本身紧密结合在一起。 也就是说，实际上数字水印部分的改变了图像的品质。只有嵌入在图像数据 区的信息才能称之为数字水印。 1 1 4 数字水印技术的一种假设 数字水印技术的受众面是公众，水印存在于数字作品中，伴随着数字作 品的传输而传播。使用含水印数字作品的各方知道隐藏数据的存在，这是数 字水印技术研究和应用的一个假设【6 】。 在数字作品中加入水印是用来标识版权信息，因此，水印会遭受到非法 篡改和破坏。水印比较常见的应用是，通过在数字作品中嵌入版权信息作为 提供版权的证据。很明显，就这种应用而言，嵌入的信息对试图破坏它的操 作来说应该是健壮的。数字水印技术的这种共知性假设导致研究数字水印时 必须努力使数字水印可以抵御各种图像处理和有意识的水印攻击行为。 用于版权保护的静止图像数字水印技术研究 1 1 5 数字水印的基本要求 对应于数字水印的不同应用目的衍生出水印系统各种各样的设计问题。 般来说，数字水印必须符合如下基本要求： 1 不可感知性 不可感知性是指嵌入水印后的数字图像与原图像之间的差别不明显，或 不易被发现。对于实际使用的水印系统，一个基本的要求就是水印不可感知， 这一点独立于水印系统的应用目的。数字图像中加入水印信息后，应该说， 图像质量总会发生一些变化。对于数字媒体来说，这些变化是噪声，并且一 般情况下，加入水印信息量越大，引入的噪声就越大。实际使用的数字水印 系统是利用人类视觉系统的有效性，在不超出可感知门限的约束下加入水印 信息，尽量使由加入水印带来的变化不被感觉到。由此带来水印设计中的一 个问题，即对水印算法所引入的媒体失真进行可靠的评估，并达到调节和控 制的目的。 2 鲁棒性 水印嵌入方法最终应该抵抗由标准的或恶意的数据处理引入的任何类型 的失真。鲁棒性是指数字水印抵抗标准的数据处理操作的能力。这些数据处 理通常是指压缩、缩放、加噪声、旋转和剪切等。可以抵抗这些数据处理的 水印算法比较容易获得，但是除此之外，水印的鲁棒性还牵涉到诸如不可感 知性、信息速率等方面的问题，这些问题与鲁棒性的要求之间存在着矛盾， 由此导致了算法的分析十分复杂，目前还没有出现满足所有这些条件的算法。 而实际系统应该根据应用目的的侧重不同，在鲁棒性和可视性、信息速率等 相互矛盾的要求之间进行折衷。由此，又引入一个数字水印的设计问题即 算法与现有图像压缩和传输标准的相容问题。 3 安全性 安全性是指在不知道水印算法的密钥的前提下，数字水印抵抗某些蓄意 攻击的能力。数字水印的安全性越高，它本身越难以被他人复制、伪造和去 除。数字水印的安全性要求带来了水印系统的另一个设计问题是，选择符合 使用要求的安全性高的算法。 4 有效性 数字水印嵌入及提取算法应该高效，提取出的数字水印能唯一标识版权 南京航窄航天大学倾l 学位论文 所有者。由此引入的水印设计问题是，水印的时间单向性( 或时间戳标准) 、 独占性和权威认证部门的注册管理问题。 1 2 数字水印的分类 目前数字水印技术尚处在发展阶段，没有形成统一的规范，造成分类方 法较多。按照不同的分类方法可以分为多种水印模式。不同的模式或几种混 合模式的水印技术可以应用于不同方面。 常见的分类方法包括以下几种【7 】： 按检测是否需要原始图像，可划分为非盲水印和盲水印。 按人的视觉特性，划分为可见水印和不可见数字水印。 按特性抗攻击能力，划分为易损性水印和鲁棒性水印。 按水印的内容，划分为有意义水印和无意义水印。 按水印嵌入位置，划分为空域、频域、时频域和时间，尺度域数字水印。 空域数字水印是直接在信号空间上叠加水印信息，频域数字水印、时频域数 字水印和时间尺度域数字水印则分别是指在d c t 变换域、时频变换域和小 波变换域上隐藏水印。 按水印所附载的媒体，划分为图像水印、音频水印、视频水印、文本水 印以及用于三维数据模型的三维水印等。随着数字技术的发展，会有更多种 类的数字媒体出现，同时也会相应产生更多的水印技术。 本文研究的数字水印是用于版权保护的静止图像数字水印，其主要特性 为健壮、实时、安全。 1 3 数字水印的发展、研究现状和存在的问题 1 3 1 数字水印的发展和研究现状 数字水印是图像工程领域新近发展起来的研究方向，是近几年中国图像 工程研究和应用的四个研究热点之一 8 1 。 最早的有关数字水印的文献是c a r o n n i 和t i r k e l 等人于1 9 9 3 年发表的【9 j 。 1 9 9 5 年以来数字水印得到了许多关注，发展也很迅速。国际学术会议一一信 用于版权保护的静止图像数字水印技术研究 息隐藏学术研讨会引导和聚集了许多数字水印的研究，并发表了一系列高质 量的论文。i e e e 和s p i e 也出版了关于数字水印的专题，受到国际各大学术 机构的广泛关注。同时，数字水印领域的研究队伍也在不断壮大。在欧洲 启动了一系列网络版权管理项目，这其中有非常有名的i m p r i m a t u r ( 出版 许可) 项目，还包括w e d e l m u s i c 、t a l i s m a n 、a q u a m a r 、a c c o p i 、 c o p y s m a r 等项目，并且开始了实用化的工作。这些项目的开展给网络多 媒体作品的版权保护提供了基础1 2 l ，同时也为我们的研究工作提供了可借鉴 的内容。 数字水印的算法层出不穷，比较经典的例如v a ns c h y n d e l 1 0 1 等提出的 l s b 法( l a s ts i g n i f i c a n t b i t ) ，b a n d e r 1 等提出的p a t c h w o r k 方法及纹理块映 射编码方法，b r a s s i l | i 2 l 等人提出的在通用文档图像( p o s t s c r i p t ) 中隐藏二进 制信息的技术，k o c h e 和z h a oj 【1 3 】提出的基于分块d c t 的水印算法，c o x 等人提出的基于图像全局变换的水印方法。还有一些改进算法，比如p o d i c h u k 和z w j u n b s 提出的水印方案中使用了视觉模型改善水印的自适应性。现在 j p e g 2 0 0 0 己成为图像压缩的新标准，因此，又涌现出许多基于j p e g 2 0 0 0 的 水印算法。另外随着通信领域中扩频技术在数字水印中的使用，一些利用 扩频技术的水印方寨表现出隐藏信息量大、抗噪声能力良好的特性，这方面 也是近来研究的热点【1 9 】。 目前国际上关于数字水印的研究主要集中在以下几个方面【l7 ： 1 ，良好健壮性水印算法的研究。这方面的研究主要集中在变换域，包括 d c t 域和小波域，在这些变换域执行嵌入操作，使得加入的水印能抵抗各种 标准的图像处理算法，包括几何变换、滤波、压缩等。 2 水印信息的编码及加入到宿主信号的策略研究。比如确保水印容错性 和遭到攻击后水印可恢复，选择加入到宿主信号的策略以确保水印不可感知 等方面的研究。 3 水印检测器的优化。通过优化水印检测过程，获得最小的漏检率和最 小的虚警率。 4 ，水印系统评价理论和测试基准。建立水印系统评价理论，有利于测试 所设计的水印算法和系统，可促进这领域的健康发展。 5 水印攻击建模。对各种水印攻击进行建模，为提高水印算法的健壮性 提供理论依据。 南京航空航天人学硕 学位论文 6 ，非对称水印、公钥水印。 7 水印应用研究。这方面的研究主要集中在水印应用系统，包括在网络 环境下保护数字媒体的版权，防止非法复制以及对合法用户进行跟踪等。 自从数字水印的概念被提出以来，学者们针对不同数字载体的不同应用 需求提出了许多水印算法，本论文主要关注用于版权保护的静止图像数字水 印。 1 3 2 目前水印方案存在的问题 现有的数字水印算法已经可以抵抗剪切、平移、旋转、滤波、仿射等一 种或者几种攻击，部分水印嵌入方法还实现了初步应用。但是能够同时抵抗 多种攻击的水印算法还没有产生，水印算法被局限在图像处理的几种变换中。 综合数字水印算法设计和算法攻击的研究现状和发展趋势，还需要继续 研究具有更加良好的实时性、鲁棒性和安全性的水印算法。另外，还应该从 实际应用的角度出发，将数字水印技术标准化和工业化，制订相关的法律。 该领域还有许多待深入的研究课题，我认为以下几方面的问题尤为值得 关注： 1 建立完善的水印理论体系。水印技术及其攻击分柝的研究依赖于水印 技术整体理论框架的建立，虽然目前的水印理论已经借鉴了通信理论，信息 论、密码学、对策论等，但仍未建立起完善的水印理论体系。由于缺乏系统 的理论，水印技术的研究和应用受到极大的制约。 2 ，建立更加完善和符合实际的水印评估标准。该标准应包括水印隐臧分 析和攻击测试两个方面。目前广泛使用的水印测试软件都没有涉及隐藏分析， 仅仅注重了移除水印和阻止水印f 确检测等方面的问题。 3 研究安全的专用水印算法。强前的水印研究还处于初级实验室阶段， 现在开发安全通用的水印系统是不现实的，必须根据具体的应用环境，预见 可能遭受的攻击方式，并针对这些特定的攻击研究专用的、可靠的水印方案。 4 ，开发实用的水印应用实例。 5 结合智能技术，开发水印自动追踪版权标志的系统，为数字水印最终 实现网络应用打下基础。 此外，还应在理论上证明水印嵌入算法本身所具有的抗攻击性能；在技 术上对遭受攻击的水印信息迸行修复，珏及分析现有水印技术的缺陷，研究 _ 用于版权保护的静止图像数字水印技术研究 新的水印攻击方法。 1 4 数字水印的应用领域和前景 1 4 1 数字水印的应用领域 数字水印是一门新兴的技术，已经受到广泛的注意并在不同的应用领域 产生了一些初步的研究成果。目前，研究的数字水印主要使用于如下领域： 1 数字作品的版权保护 版权保护是数字水印最基本的应用。其目的是在数字作品中嵌入作品柬 源或版权所有者信息，从而防止他人对该作品宣称拥有版权。 用于数字作品版权保护的水印成为版权标识水印。版权标识水印是目前 研究最多的一类。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，所以创作者或者发行者不得不在作品中加入可见的版权标签柬 宣称所有权。这种可见的版权标签严重损害了作品视觉质量，而且明显可见 的标志很容易被篡改。在数字水印技术中，数字作品的所有者可用密钥产生 一个水印，并将其嵌入原始数据，然后公开发布其含水印版本作品。当该作 品被盗版或出现版权纠纷时，所有者即可从盗版作品中提取水印信号作为依 据，从而保护自己的权益。这样就可以公正的解决版权问题，这种应用要求 水印系统必须具有非常高的鲁棒性。 2 盗版跟踪 数字作品发行时，可能需要在每个发行的拷贝中嵌入不同的水印信息， 这些信息标志着合法接收者的身份。这类似于软件产品中的序列号，对监控 和跟踪流通中数据的非法拷贝非常有用。 3 拷贝保护【2 2 j 在数字作品发行体系中，希望有这样一个拷贝保护机制，即不允许未授 权的媒体拷贝。水印可用于说明数据的拷贝状况，带有“一次拷贝”水印的 数据可以被拷贝一次，但不可以再进一步拷贝。这种应用的一个典型的例子 是d v d 防拷贝系统，即将水印信息加入d v d 数据中，这样d v d 播放机即 可通过检测d v d 数据中的水印信息而判断其合法性和可拷贝性，从而保护 制造商的商业利益。这样应用的要求在使用终端中存在拷贝机制的执行系统。 南京航空航天大学顶l 学位论文 4 信息隐藏和隐蔽通信【2 3 | 数字水印所属的信息隐藏技术提供了一种非密文的安全途径，可以实现 网络情报战的革命。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。现有信息隐藏技术的研究思路是对文件进行 加密，通过该方式加密的文件往往是混乱无序的，容易引起攻击者的注意， 并已经存在攻击破解手段。数字水印技术拓展了保密通信的新思路，利用多 媒体信号相对于人的视觉、听觉冗余，可以进行各种空域和频域的信息隐藏， 从而实现隐蔽通信。 5 隐式注释【” 将作品的标题、注释等内容( 如照片的拍摄时间等) 以水印形式嵌入到 作品中，这种隐式注释不需要额外的带宽，且不易丢失。 6 完整性保护【2 5 l 对图像、音频、视频数据的完整性鉴别是一个重要的研究课题。基于脆 弱数字水印的篡改提示是解决这一问题的理想途径，通过隐藏水印的状态可 以判断上述声像信号是否被篡改。脆弱水印是指水印隐减在载体数据中，当 含水印数据经历某种变换时，水印也经历了同样的变换，从而可以根据提取 的水印信息发生的变化来推测和确定含水印数据经受的变换。脆弱水印可以 用来确定作品是否完整、是否被改变，甚至是数据改变的位置和部分恢复改 变。为了能确定载体数据改变位置，可将原始图像分成多个独立块，在每个 块中加入水印。这类水印必须是脆弱的，并且在检测水印信号时，不需要原 始数据。 7 图像认证 在图像的鉴定应用中，可以使用水印对图像数据的改动进行检测。在图 像数据的传输过程中，发送端将一些属性数据嵌入在图像中，接收端通过检 测这些数据来验证收到的图像。 8 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，特别是高精度激光打印机和高精 度彩色复印机的出现，使得支票及其它票据的伪造变得比较容易。据报道， 美国、日本以及荷兰等国已开始研究用于票据防伪的数字水印技术。麻省理 工学院媒体实验室受美国财政部委托，正在研究在彩色打印机、复印机输出 的每幅图像中加入唯一的、不可见的数字水印的技术，用于该技术可以在需 用于版权保护的静止图像数字水印技术研究 要时可以实时地从扫描的票据中判断水印的有无，快速辨识真伪。 此外，在电子商务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。 1 4 ，2 数字水印技术的发展前景 鉴于数字水印的巨大应用前景和市场吸引力，学术界对数字水印技术的 研究非常热烈，已有一批实力强大的科研机构投入到这一领域的研究中来， 并取得了一些重要的研究成果。 数字水印最终会形成以网络版权保护功能为主体，兼有真伪鉴别、保密 通信、完整性认证的功能实体群。数字水印今后的研究重点是：从水印的理 论角度出发，利用信号处理、图像处理、信息论和通信等理论来构建水印理 论，建立合理的评价标准：从水印的应用出发，利用通信理论和编码理论等 知识加强水印系统的鲁棒性和可靠性，加强对各种水印攻击手段的抵抗能力。 数字水印的研究特别要面向i n t e m e t 上广为使用的各种数据文件，包括 j p e g j p e g 2 0 0 0 压缩图像、m p e g 压缩视频、w a v m i d m p 3 音频文件、三 维网格作品、a v i 及三维动画文件、p d f 标准文本、v o i c e m a i l v i d e o ，m a i l 等 多媒体邮件格式。 虽然，数字水印理论和技术还很不成熟，有许多方面需要改进和研究， 但是水印技术的发展势不可挡，随着水印理论的建立和相关法律的颁布，水 印技术将会成为网络信息安全的有效保障方法。 1 5 论文的研究目的、特色和内容 与其它技术的研究类似，数字水印的研究也分为基础理论研究、应用基 础研究和应用研究。本论文的研究目的是进行数字水印的理论和应用的探索， 鉴于数字水印技术研究和网络信息安全的需要，本论文借鉴国内外专家学者 已有的研究成果，着重进行用于版权保护的静止图像数字水印的基础理论研 究和应用基础研究，如图1 2 所示。 南京航空航天大学硕上学位论文 图1 2 本论文研究的类型 论文在分析总结前人研究工作的基础上，建立一个初步的用于版权保护 的静止图像数字水印知识体系，提出一种新的数字图像水印嵌入区域选择方 案和一种彩色图像水印算法，并对数字水印作了较深入的应用探索，改进用 于水印研究和应用方面的通用水印框架和一个网络上应用的版权保护数字水 印系统的框架。 本论文没有涵盖数字水印技术的各个方面，挑选了目l j f f 研究中比较亟需 的静止图像嵌入区域选择、框架理论和应用研究部分。本论文的内容编排如 下： 第一章，介绍数字水印技术的基本概念、分类和发展现状，以及数字水 印的应用领域和前景，概括整个论文，提出论文的主要研究内容和意义。 第二章，进行数字水印理论研究，从应用角度出发提出用于版权保护的 静止图像数字水印知识体系，包括数字图像水印的基本框架、用于版权保护 的水印的基本特征、一般原理、现有的空域和常用变换域的水印算法、图像 水印算法的评价标准、密码学、常见的攻击方式和应对方法等。 第三章，提出一种基于人类视觉感知模型和视觉兴趣区域的水印嵌入区 域选择方案，生成嵌入区域模板，并实现一种水印算法。 第四章，研究彩色图像数字水印，并提出一种基于离散小波变换的彩色 图像水印算法。 第五章，研究数字水印的应用。改进了数字水印的通用水印框架，给出 数字水印用于版权保护的一个应用实例。 第六章，建立一个数字水印研究实验系统，该系统实现论文中的几种水 印算法，并计算p s n r 和运算时间，然后总结全论文，提出数字图像水印的 发展方向。 蚕 用于版权保护的静止图像数宁水日j 技术研究 第二章用于版权保护的静止图像数字水印知识体系 数字水印技术是一个新兴的、具有相当难度的研究领域，数字水印从提 出发展到现在已经形成了初步的理论基础，但是，其研究尚没有形成比较规 范的体系，理论体系的研究成为了数字水印继续快速发展的瓶颈。因此，进 行理论体系的研究是数字水印研究的当务之急。 用于版权保护的数字水印要求有很强的鲁棒性，除了要求在一般图象处 理( 如滤波、加噪声、压缩等) 中生存外，还需要能抵抗一些恶意攻击。目 前，尚没有能十分有效用于实际版权保护的鲁棒水印算法。本章研究用于版 权保护的数字水印的模型、基本特征、一般原理和评价基准等基础理论。 2 1 数字水印的理论来源 认知科学的发展为数字水印技术奠定了生理学基础，数字媒体中数据相 对于人的视觉、听觉的冗余，为信息隐藏的实现提供了可能；信息论、密码 学等学科为数字水印技术提供了理论资源；多媒体数据压缩编码与扩频通信 技术为数字水印提供了技术基础。 数字水印的理论架构在这些学科研究的基础上，以上三个方面的学科是 数字水印的理论来源。 2 2 用于版权保护的静止图像数字水印的系统模型 所有数字水印方法都包含一些基本的构造模块，即水印嵌入模块和水印 检测模块( 也称为水印提取或水印解码模块) 。 用于版权保护的静止图像数字水印系统的模型也同样包含这两个模块。 图2 1 和图2 2 显示了典型数字水印系统的两个基本过程模型一一水印嵌入 和水印检测模型f 2 j 2 们。 南京航空航天大学硕士学位论文 水印w 宿主数 密钥或 图2 1 水印嵌入过程模型 辅助信息( 可选) 待测 密钥或公开钥k 圈2 2 农印检删提取过程模型 在水印嵌入过程中，系统的输入是水印、宿主数据和一个可选的公钥或 私钥，输出是加水印后的数据；检测水印模块的输入是带检测的作品数掘、 密钥和可选的原始图像或水印信号，输出结果为是或否的判断性结果，或者 恢复的水印图像。从信号处理的角度来看，嵌入水印的过程可以看作是在一 个强背景上叠加一个弱信号的过程；而检测水印则是在个有噪声信道中检 测弱信号的过程。从嵌入模型中的加水印数据到检测模型中待测数据，传播 期间可能经历了一种或者多种图像变换过程，比如图像压缩、剪切等。 数字图像水印系统中，宿主图像是普通的数字作品，水印可以是任何形 式的数据，比如数字、文本、图像等。密钥可用来加强安全性，以避免未授 权方破坏和修改水印。所有的实用系统至少有一个密钥，甚至几个密钥的组 合。当水印与私钥或公钥结合时，嵌入水印的技术通常称为秘密水印技术和 公开水印技术。 2 2 1 水印嵌入位置选择 数字水印的一个要求是鲁棒性，也就是保证水印不因为图像处理而修改， 或者细微修改，这依赖于要在处理中找到某种变换域的某些系数，这些系数 用于版权保护的静止图像数字水印投术研究 不会因为处理而受到影响。水印嵌入位置选择是指在哪个图像空域或变换域 的哪些系数上叠加水印信息，它对于提高水印的不可感知性和鲁棒性十分重 要。在设计意义上，可以通过选择嵌入系数，从而使算法具有理论和实际上 的效益。 2 2 2 数字图像水印的嵌入 水印的嵌入和提取过程不同体现各种水印算法的不同，而水印的提取算 法通常决定于嵌入算法，因此，水印的嵌入算法对于水印来说至关重要。目 前的研究中，原始水印数据和原始图像都是分别处理，然后合并来完成嵌入 过程【2j 。嵌入的过程中要根据水印的能量和图像能量的关系来处理健壮性和 视觉之间的权衡。嵌入技术主要有1 4 1 ： 1 相位调制 令f ( i ) 是图像的d f t ( 离散傅立叶变换) ，当i 为实数时，d f t 的特性 表明f ( ，) 是复数；如果图像是对称的，那么f ( 1 ) 是实数。这就得到图像的振 幅和相位表示。 基于图像的可理解性和通信理论两个方面考虑，0r u a n a i d h 和d o w l i n g 在文献【2 7 j 中指出相位调制比较适合于健壮性水印。 2 振幅调制 因为傅立叶振幅成分对图像质量的贡献比较小，傅立叶域中全局的振幅 调制不太适合嵌入水印。但是，在某些部分的振幅调制可以合理的运用于水 印系统。例如，k u t t e r 等人提出一种对图像蓝色成分进行振幅调制，取得了 较好的实验结果【3 l ，实验表明，亮度高的图像部分比较适合隐藏较强的水印。 3 基于变换系数量化的合并 该方案是把原始图像和水印图像的同一变换域系数组合在一起，该方法 属于比较常用的方法，方案中通过某种规则把水印信息嵌入到载体的系数中。 这种方法的缺点是会产生比较明显的嵌入痕迹。为了优化这种方法，可以通 过图像块和嵌入系数的选择改进嵌入所带来的噪声。 4 其它方法 还有一些嵌入的其它方法，如基于图像区域块的分类的保持亮度均衡的 合并和块替换的合并等。 每种嵌入方案对应不同的提取方案，水印的特点电有所不同，比如，有 1 4 南京航空航天大学硕l 学位论文 的方案稳健性好，有的方案适合嵌入大量水印信息，在研究具体的应用时应 根据具体需要使用或者参考相应算法的原理。 2 2 3 数字图像水印的提取 数字图像水印的提取是数字水印真正体现用途的部分，通常由水印检测 器完成。从检测器得到的结果通常是水印信息存在与否的一个判断或者水印 的信息。 检测器的结果反映了一个系统的可使用性和可靠性。大部分水印检测器 的算法可以通过嵌入算法中得出来，不过含有水印的数字作品通常被引入噪 声后进入检测器，这些噪声会对检测器造成干扰，从而使检测判断结果不准 确，为了减少噪声的影响，通常在检测数字作品之前，会进行一些预处理， 称为检测器的优化。常用的优化方法如下【2 8 】： 1 图像预滤波 许多嵌入算法取决于载体数据的统计假设，为了使这个统计假设在提取 过程中尽量可靠，加水印图像在进入检测器前要进行滤波。k u t t e r 的研究表 明，从一个均值为0 ，方差很小的高斯信号中进行水印恢复更合适，而这样 一个信号可以从待检测图像与公式( 2 - 1 ) 卷积后获得【4 l 。 拜= 一 1 2 ( 2 一1 ) 2 自适应门限值改进决策的健壮性 绝大多数比特值恢复的决策是基于一个提取值和一个预定门限值的比 较。但是，水印嵌入和提取两个阶段的最优门限值会有所不同。根据k u t t e r 的研究结论【3 1 ，在水印里引入一些固定的比特，使得可以在提取过程中可以 计算出新的最优的门限值。但是，这种方法只有在一些图像变化不是很大的 情况下适用。 3 。重定位和尺寸调整使相位相关性最大 o o 0 j 0 o o o 0 o o o o 0 o o ；0 o 0 一o o 坦一o o 0 o o l o o 0 o o o 0 o 0 o o o 1 o o 0 用于版权保护的静止图像数字水印技术研究 该方法是为了克服图片旋转和缩放之类的几何攻击，可以在旋转缩放不 变的交换域嵌入水印，或者估计被攻击图像的几何变换，然后在提取水印之 前进行相反的交换，从而消除变换的部分影响。 2 3 用于版权保护的数字水印的基本特征 用于版权保护的数字水印除了具有数字水印的基本特征，如不可感知性、 水印的安全、鲁棒性外，还应该具有独占性同时应该属于公开水印算法。 它具有如下一些基本特征： l ，水印提取最好不需要原始图像 用于版权保护的数字水印系统实际上总是有一个各方信任的权威部门， 该部门用来保证数字产品的保存安全问题。为了保证水印检测的实时性，用 于版权保护的数字水印最好实现盲检测，但是如果为了获取更高的性能而必 须让步的话，可以牺牲水印的盲检测性而取其它更重要的特性，比如安全性。 2 鲁棒性和安全性 因为用来确认版权的所有者并可能作为法庭上的依据，因此，用于版权 保护的数字水印对鲁棒性和安全性的要求是数字水印的各种应用中最高的。 即水印不能被有意和无意的图像处理去除或者损坏。 3 不可感知性与感知性 同其它水印一样，般情况下，用于版权保护的数字水印也是不可见的。 4 水印安全和密码 般来说，一个用于版权保护的水印系统的算法是公开的，公开水印算 法的安全性依赖于算法的先进性。水印的安全依赖于密钥，因此，密钥的空 间应该足够大2 9 1 。 5 水印的独占性1 由于版权保护的特点，要求数字水印有很强的独占性，版权保护的要求 跟杀毒软件的要求不同，添加的版权信息必须是坚固的，不能被轻易攻击破 坏，如果不能阻止其它软件的二次添加，就没有生存的空间，这是数字水印 软件的一个特点，技术的先进性是数字水印软件的生存基础。 6 计算的效率 水印算法应该可以用硬件或软件有效地实现，因为主要应用领域在网络， 南京航空航天大学硕：上学位论文 故其计算速度对分布式网络上的多媒体数据监视应该足够快。 2 4 用于版权保护的数字水印的一般原理 用于版权保护的数字水印与一般的鲁棒性水印嵌入在原理上是相同的， 而且从数字信号处理的角度可以看作是对原始图像的调制过程。 鲁棒性是数字水印的一个基本要求。鲁棒性图像水印是指加入水印的数 字图像经过常规的图像处理后，水印信息仍然可以被检测。 鲁棒水印通常通过冗余嵌入、扩频编码、在感知上重要的系数中嵌入、 在已知鲁棒的系数中嵌入、检测器失真补偿、嵌入器失真预补偿等手段柬实 现【“。 冗余嵌入是指重复嵌入水印，从而提高水印在受到处理后存在的可能。 它可以提高水印对抗剪切、滤波和加性噪声的鲁棒性。冗余可以存在于空间 域、频域或者处理中仅有部分信号失真的其它域。 冗余思想结合到频域时，产生了扩频编码的通信技术。扩频通信中，信 息用符号序列来编码，这些符号以时i n ) t l , 序传播，其中每个符号用一种叫做 碎片的信号来表示，通常是l 和0 表示的伪随机序列。在频域中，它们被扩 展到大范围的频率上，因此，如果一些处理破坏了小部分频率造成信号失真， 这些碎片信号仍然可以鉴别【3 0 】。因此，该技术可以用在水印中，对抗图像处 理。 在感知重要的系数上嵌入、检测器补偿等对于特定的水印应用有较好的 效果，在文献【2 l 中有详细描述，本文不作探讨。 2 5 数字水印的一般算法 数字水印的算法包括空间域算法和变换域算法3 4 1 ，下面概要介绍常见的 几种算法。 用于版权保护的静止图像数字水印技术研究 2 5 1 空域算法 2 5 ，1 1 图像的空间变换算法 图像的空间变换式用数学计算对各像素的狄度值进行演算的一种变换， 是借助于称为模板( m a s k ) 的局部像素域来完成的。空域法把图像看作平面 中各个像素组成的集合，然后直接对该二维函数进行处理p ”。主要包括邻域 处理法和点处理法。其中邻域法包括梯度运算( g r a d i e n t a l g o r i t h m ) 、拉普拉 斯算子( l a p l a c i a no p e r a t o r ) 、平滑算子运算( s m o o t h i n go p e r a t o r ) 和卷积 运算( c o n v o l u t i o n a l g o r i t h m ) ：点处理法包括灰度处理( g r e yp r o c e s s i n g ) 、 面积、周长、体积、重心运算等。利用这些常用的图像处理方法可以衍生出 一些水印算法。 2 5 1 2 基于融合的数字水印算法 融合是两幅图像合并的- - e e 比较直观的方式，指的是两幅图像的像素以 一定的权值叠加起来。对于给定的两幅尺寸同为m n 的图像f 与g ，它们 的融合公式为s 。( 1 一t ) r + t g ，f p ，1 j ，称s 是图像f 与g 的融合图像。根据 计算公式可以看出，当t 变化的时候可以得到无限多幅融合图像。当t 为l 时，s 就是g ：当t 为0 时，s 就是f ；t 在取值范围内越大，s 越接近于g p “。 假设f 为需要隐藏的图像，g 为原始图像，该公式可以看作是一个水印 算法。 2 5 1 3 基于位平面的数字水印算法 以2 5 6 级灰度图像为例，位平面是用图像作为底面，用表示像素大小的 8 位二进制数作为高度形成的一个直方图，直方图的每根方柱都是8 位，从 整个图形来看，形成一个被分割的大立方体。各像素的8 位二进制数高位 ( m s b ) 在上，低位( l s b ) 在下，各像素位置相同的位形成一个平面，成 南京航空航天人学硕士学位论文 为位平面【3 3 1 。 基于位平面的水印算法就是把水印隐藏到位平面中。做法是把原来图像 分块，然后把数字水印信息分段嵌入像素块中，完成水印的嵌入。 2 5 2 变换域算法 由于空域算法不能抵抗剪切的缺陷，目前的数字水印算法主要诞生在图 像处理的变换域，已经涉及到了现有的各种图像处理算法域，其中的一些算 法因为与压缩算法的相容性而具有天然的水印压缩鲁棒性。 在数字图像处理中，通常对图像进行正交变换得到交换系数阵列，再对 变换后的图像在频域进行各种处理，最后把处理结果逆变换到空间域，从而 得到处理后的含水印图像。变换域图像处理有方便简单的特点，可以利用于 数字水印中。 目前数字水印算法常用的变换主要有离散余弦变换(