（模式识别与智能系统专业论文）数字图像与音频水印研究.pdf

! 望型兰茎查查兰堕主兰篁笙壅 一 望z 墨皇壁壅5 致谢 值此论文完稿之际，回首大学七年，着实感慨良多，我要向所有陪伴我渡过 这段美好时光的入表示感谢。 首先，我要向我的导师汪增福老师表示感谢。汪老师治学严谨、平易近人， 不但悉心指导我们的研究工作，而且教会了我们谦逊的为人态度。本论文亦是在 汪老师的指导下而完成的。 我还要感谢在m s r a 实习期间的m e n t o r 一朱斌博士。由于朱斌博士的帮 助，我在对待研究工作的态度上做了深刻、重要的转变。 感谢实验室的兄弟们。在这个充满活力的集体中，我得到过师兄王龚、胡元 奎、苏庄銮和沈项军的帮助，同学郭春钊、赵海鹰、韩龙和刘新星的鼓励以及一 起通宵奋战的邬昶畅同学的陪伴。 感谢我的室友姬北辰、张陈斌、季伟平、刘年庆、刘冰啸和刘伟锋。 感谢9 8 1 0 和s a 0 2 1 0 的同学们，我们一起渡过了人生中最美丽的一段时光。 感谢与我相互牵挂过的人。 感谢我自己 感谢我的家人，谨以此文献给我的父母 池礼倔 中国科学技术大学硕士学位论文 摘要 摘要 随着宽带网络技术与数字技术的快速发展，人们对于数字媒体产权保护的技 术需求越来越强烈。作为一种全新的知识产权保护和数字媒体防篡改手段，数字 水印技术应运而生。 本硕士论文对图像和音频域数字水印问题进行了深入研究。论文的刨额点和 主要贡献如下： 1 提出了一种基于主分量分析的小波数字图像水印算法。本算法使用k - l 变换对小波变换后的中频子带的系数进行优化配置，随后将经过伪随机 置乱的水印信号嵌入到对应最大特征值的k l 予带中。在此基础上，使 用量化索引调制技术实现了水印的半盲检测。实验证明，本算法在对抗 一般的缩放、剪切等几何攻击和j p e g 压缩时均表现出良好的鲁棒性。 2 提出了一种基于l p c 白化的扩频数字音频水印算法。本算法在对传统扩 频水印算法进行改进的基础上，将人耳的心理声学掩蔽特性和频率选择 特性用于水印的嵌入，取得了较好的嵌入效果。此外。在检测端，通过 使用基于l p c 的白化处理，在保证水印容量和不可感知性的前提下实 现了水印的盲检测。所提出的算法嵌入容量大，鲁棒性好。 关键字：图像水印、主分量分析、量化索引调制、音频水印、线性预测编码、白 化、整形 ! 里型兰茎查查兰堡主兰垡堡兰 一一 竺! ! ! 璺 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dg r o w t ho fb r o a d b a n dn e t w o r k sa n dd i g i t a lt e c h n o l o g i e s ，t h e r ei s a nu r g e n tn e e df o rc o p y r i g h tp r o t e c t i o no f d i g i t a lm u l t i m e d i af o rp i r a c y t h e r e f o r e ， d i g r a lw a t e r m a r k i n gh a sb e e np r o p o s e d a san e w , a l t e m a t i v em e t h o dt oe n f o r c e i n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t sa n d p r o t e c td i g i t a lm e d i a f r o m t a m p e r i n g t h i st h e s i sp r o p o s e st w ow a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m sb a s e do ni m a g ea n da u d i o f i e l dr e s p e c t i v e l y ： 1 ar o b u s td w tb a s e dw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mu s i n gp r i n c i p a lc o m p o n e n t a n a l y s i s ( p c a ) i nt h ep r o p o s e dm e t h o d ，t h ek lt r a n s f o r mi sa p p l i e dt o o p t i m i z e t h ed w tc o e f f i c i e n t so f h i g h - m i d d l e s u b b a n d s t h e na p s e u d o r a n d o m w a t e r m a r ki se m b e d d e di n t ot h ek ls u b - b a n d c o r r e s p o n d i n g t ot h e h i g h e s te i g e n v a l u e f u r t h e r m o r e ，w ei m p r o v e t h e m e t h o dt os e m i b l i n dd e t e c t i o nu s i n gq u a n t i z a t i o ni n d e xm o d u l a t i o n ( q i m ) t e c h n o l o g y i t i ss h o w ni nt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t st h a tt h ep r o p o s e dm e t h o d i sm o r er o b u s ta g a i n s tj p e gc o m p r e s s i o na n dc o m m o ng e o m e t r i ca t t a c k s s u c ha ss c a l i n g ，c r o p p i n g ，a n ds oo n 2 an o v e ls sb a s e da u d i ow a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mb a s e do nl p cw h i t e n i n g w eu s el i n e a rp r e d i c t i o nc o d i n ga saw h i t e n i n gp r o c e d u r et oi m p l e m e n tb l i n d d e t e c t i o n a n da f t e ras e r i e so fm e c h a n i c si n c l u d i n gs o p h i s t i c a t e ds u b b a n d s e l e c t i o na n dp n s h a p i n gu s i n gp a f m i ns p e c t r a la n d t e m p o r a ld o m a i n ，t h e r o b u s t n e s sa n d i m p e r c e p t i b i l i t ya r ec o m p a r a t i v e t ot h en o n - b l i n da l g o r i t h m s a l s o ，t h ea l g o r i t h mi m p r o v e s t h ew a t e r m a r k c a p a c i t yh i g h e r t h a no t h e r s k e y w o r d s ：i m a g ew a t e r m a r k i n g ，p r i n c i p a lc o m p o n e n t a n a l y s i s ，q u a n t i z a t i o ni n d e x m o d u l a t i o n ，a u d i ow a t e r m a r k i n g ，l i n e a r p r e d i c t i o nc o d i n g ，w h i t e n i n g ，s h a p i n g 3 中国科学技术大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 数字水印概述 第一章绪论 随着数字技术和i n t e m e t 的发展，互联网已经成为了一个优秀的数字媒体发 行系统，这是因为它拥有成本低、传输速度快和不需要库存等优点 1 。各种形 式的多媒体数字作品( 图像、音频、视频等) 纷纷以网络形式发表，人们更愿意 在网上下载图片、音乐和视频。但同时，利用录制设备和互联网，盗版者可以轻 易地录制和发行受版权保护的数字媒体，而无需付给实际版权所有者正当的补 偿。因而，对数字媒体进行保护、对侵权者进行惩罚已经成为十分追切的工作。 除了传统版权保护的法律和管理手段外，还应该针对数字媒体本身的特点在技术 上提供有效的保护手段。数字水印技术的研究正是在这种应用的要求下发展起来 的 2 】。 数字水f l 】( d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ) 技术将具有特定意义的标记( 水印) 利用数 字嵌入的方法隐藏到数字图像、音频、文档、图书和视频等数字载体中，用以证 明创作者对其作品的所有权。 作为一种新兴的数字产品版权保护技术，数字水印技术拥有其自身的一些特 性，最主要的有以下几方面内容 3 】： a ) 不可感知性( i m p e r c e p t i b i l i t y ) 一般而言，水印的嵌入不应引起可感知的 数据修改，即嵌入水印后的作品在呈现给顾客时，应当与原始作品在感 觉( 视觉、听觉) 上是没有差异的。 m 鲁棒性( r o b u s t n e s s ) 鲁棒性指的是在经过常规的信号处理操作之后，仍 能检测出水印的能力。需要说明的是，我们不能严苛地要求单独的一种 水印方法同时对抗所有的信号处理操作，且都表现出鲁棒性。因此，在 设计具体的水印方法时，要根据应用中可能出现的信号处理操作，因地 制宜地选择方案。另外，在一些应用中，鲁棒性也可以是无关紧要的， 例如脆弱水印( f r a g i l ew a t e r m a r k i n g ) 等。 有效载荷( c a p a c i t y ) 数据的有效载荷是指在单位载体中水印编码的比 特数。对于图像来说，有效载荷指的是在图像中编码的比特数；对音频 6 中国科学技术大学硕士学位论文 第一章绪论 信号而言，有效载荷则指的是每秒能够传输的比特数。水印的有效载荷 越大，携带的有效信息量就越大，其应用就越广泛。 d ) 盲检测与含辅助信息检测( b l i n dd e t e c t i o na n di n f o r m e dd e t e c t i o n ) 我 们把不需要原始未添加水印载体作品的检测器称为盲检测器，相反地， 把需要原始未添加水印载体作品的检测器称为含辅助信息检测器。另 外，有些文献中也将只使用部分原始作品信息的检测器称作半盲检测器 ( s e m i b l i n d d e t e c t o r ) 。一些应用条件下，检测器可以得到原始载体作品， 因而能显著地提高检测器的性能。然而，在更多的实际应用场合中，检 测器必须在无法获得原始作品的条件下工作，因此，水印的盲检测方法 也成为数字水印的研究热点之一。 在上述性质中，前三条性质是相互关联、互为影响的。因此，在实际应用 中，要根据实际情况做出合理的折衷。除了以上列出的四条重要性质。还有诸多 其他性质，如安全性( s e c u r i t y ) 、虚警率( f a l s ep o s i t i v e ) 、误梭率( f a l s en e g a t i v e ) ， 等等。所有这些性质合在一起表征了一个水印系统的有效性，但每一条性质的重 要性又都取决于实际应用的需求，在实际设计水印系统时，要有所侧重，有所取 舍。 1 2 数字水印的应用 虽然数字水印技术发展的时间不长，相关产品也只是近几年才出现，但其有 着良好的应用前景以及广泛的应用领域。下面列出一些主要的应用领域： a 1 版权保护( c o p y r i g h tp r o t e c t i o n ) 版权所有者将版权信息嵌入到载体作 品，当作品被盗版或出现版权纠纷时，版权所有者即可通过在作品中提 取的版权信息为依据，保护自身利益，这就要求水印拥有高的鲁棒性、 不可感知性和安全性。 b ) 内容认证( c o n t e n t a u t h e n t i c a t i o n ) 当数字产品被用于法庭、医学、新闻 及商业时，人们需要确定它们的内容是否被修改、替换或特殊处理过， 这可以通过嵌入易损或半易损水印来验证内容的完整性。 曲操作跟踪( t r a n s a c t i o n t r a c k i n g ) 在此应用中，水印纪录了带水印作品在 中国科学技术大学硕士学位论文第一章绪论 复制过程中发生过的一步或更多步的操作。例如，水印可以记录谁合法 购买了作品副本或是将副本分发给了谁，作品的所有者或创作者在每份 副本中放置不同的水印，如果后来作品被滥用，所有者可以查明由谁来 负责。 d ) 拷贝控s t j ( c o p yc o n t r 0 1 ) 在多媒体发行体系中，人们希望有一种拷贝保 护机制，即客户可以以某种方式感知作品，但防止作品受到不被允许的 拷贝。 e ) 广播监视回r o a d c a s tm o n i t o r i n g ) 这一应用的主要目的是检测、识别和 监控存储或传输的数据，如视频、音频等。例如，广告客户需要检测、 确认他们占有全部从广播公司购买的广告时间。 以上5 种应用都已在商业上得到了实现，不仅如此，数字水印技术还有很多 很广泛的潜在应用，这里不再一一列举。需要说明的是，对于每一种具体应用， 我们都应该分析问题具有哪些特性，选择合适的水印解决方案。 1 3 数字水印基本框架 水印系统的基本框架可定义为一个六元体【2 】( ) i 【 w ；k ，g e ，d ) ，其中： x ：所有要保护的数字产品x 的集合。包括一维音频、二维图片和三维的视 频等等。 w ：水印信号w 的集合。通常，我们定义水印为： 一d w = w ( $ ) 1 w ( k ) u ，k w ) ( 0 1 ) 式( 1 1 ) 中矿“表示维数为d 的水印信号集合。例如，d = l ，2 ，3 分别指示声音、 图像和视频的水印信号。水印信号可以表示成二值形式( u = o ，1 ) 或 u = 一1 ，1 ) ) 或高斯噪声形式。 k ：水印密钥k 的集合。 g ：利用密钥k 和待嵌入水印的x 共同生成水印的算法，即： g ：x 4 k w ，w = g ( x ，k ) ( 0 2 ) e ：将水印w 嵌入到载体瓦中的算法，即： 中国科学技术大学硕士学位论文第一章绪论 e ：x + w 专x ，x 。= 昱( x 。，x ) ( 0 ：；) 这里，咒代表原始的数字载体，而j 已则代表嵌入水印后得到的数据产品。 d ：水印检测算法，即： d ：x + k 一 o ，1 ) d ( x ，k ) = 臻蔫羔， ( 0 4 ) ( o 5 ) 一个完整的水印系统的设计必然包括水印的生成、嵌入和提取三部分。 a ) 永印生成 水印信号的产生通常基于伪随机数发生器或混沌系统。产生的水印信号w 往往需要进一步的变换以适应水印嵌入算法。 b ) 水印嵌入 水印嵌入就是把水印信号w - w ( k ) 嵌a 至t j 原始产品x o = 工。( 七) 中，如图 卜l 所示。一般可将水印嵌入描述为： x w ( k ) = x o ( k ) o 厅( 豇) w ( j | ) ( 0 6 ) 其中。为某种叠加操作，也可能包括合适的截断操作或量化操作。h - h ( k ) ) 称为d 维的水印嵌入掩码。最常见的嵌入准则有加法和乘法两种： 力法准贝4 ：z 。( 七) = x o ( k ) + a w ( k ) ( o 7 ) 乘法准则：k ( t ) = x o ( k ) ( 1 + a w ( k ) ) ( 0 8 ) 在这里，变量x 既可以是载体对象的时域表示，也可以是某种变换的系数值； 参数a 可能随采样数据的不同而不同。 图卜l 水印嵌入框图 f i g u r el 一1 ：f r a m e w o r ko fw a t e r m a r ke m b e d d i n g 中国科学技术大学硕士学位论文 第一章绪论 c ) 水印的提取和检测 图卜2 和图卜3 分别显示了水印提取和水印检测的框图。水印的提取和 检测时可以需要原始作品的参与，也可以不需要原始作品的参与。图中虚线 框表示在提取或判断时，原始载体作品不是必需的。 ? 一一。一一一1 ：原始载体作品： 图卜2 水印提取框图 f i g u r el 一2 ：f r a m e w o r ko fw a t e r m a r ke x t r a c t i n g 图1 - 3 水印检测框图 f i g u r e1 3 ：f r a m e w o r ko fw a t e r m a r kd e t e c t i n g 在某些水印系统中，水印可以被精确地提取出来，这一过程被称作水印提取 ( w a t e r m a r ke x t r a c t i n g ) 。例如，在完整性确认应用中，系统必须能够精确地提 取出嵌入的水印，并且通过水印的完整性来确认多媒体数据的完整性。而对于主 要用于版权保护的鲁棒水印，因为它很可能遭受到各种恶意的攻击，嵌入水印的 数据经历这些操作之后，提取出的水印通常已经面目全非，这时我们就需要一个 水印检测过程，通常的做法是与原是水印做相关性计算。 1 4 本文主要工作 v a ns c h y n d e l 在1 9 9 4 年的i c i p 会议上发表了题为 a d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ) ) 中国科学技术大学硕士学位论文 第一章绪论 的论文【3 ，其中，首次正式提出数字水e j ( d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ) 这一概念。自此 以后，数字水印技术得到了迅速的发展，尤其是在1 9 9 6 年的第届信息隐藏国 际学术研讨会召开之后，许多大学、研究机构和公司都纷纷开展了这方面的研究， 并召开学术研讨会进行交流。随着数字水印技术的不断深入，其研究对象也已经 不限于图像，音频水印、视频水印甚至文本水印等都相继被提出并深入研究。 本文中，我们着重关注图像水印和音频水印，并分别提出了种薪颖的数字 水印算法以解决各自领域中存在的问题。 在图像水印方面，我们在深入地研究了图像水印发展现状的基础上，提出了 “基于主分量分析的小波数字图像水印方法”。基于小波技术的数字水印方法充 分地考虑了人类视觉特性( h v s ) ，有效地保证了水印的不可感知性。我们利用主 分量分析( p c a ) 原理，提出了种新颖的基于小波变换的图像水印方法，并在此 基础上利用量化索引调制( q i m ) 技术进行了改进，使之成为一种半盲( s e m i b l i n d ) 的水印方法。该方法首先对图像的小波变换的中频子带系数进行k l 变换，将随 机置乱的水印信号嵌入到最大特征值所对应的子空间内，从而将水印嵌入到最佳 方向上，优化了水印信息在各予带嵌入的比重。在保证不可感知性的同时，显著 地增强了水印的鲁棒性。随后，我们利用q i m 量化的方法，在检测时，将不需要 原始图像，而只需少量的边信息( s i d ei n f o r m a t i o n ) 由原始图像求得的k l 变换矩阵，即可稳健地提取出水印。实验结果表明，对于j p e 6 压缩、缩放、剪 切等多种攻击，本方法具有很强的鲁棒性。相比较空域中直接使用主分量分析的 方法 4 以及其他利用边信息的方法 5 ，本算法在性能上均有了相当大的提高。 在音频水印方面，我们将着重介绍“基于扩频的音频水印”和“基于回声隐 藏的音频水印”两秘音频水印技术。并且在扩频音频水印的基础上，提出了一种 新颖的音频水印算法“基于l p c 白化的盲音频水印算法”。本算法对传统扩 频水印算法进行了改进，将人耳的心理声学掩蔽特性和频率选择特性用于水印的 嵌入，取得了很好的嵌入效果。此外，在检测端，通过使用基于l p c 的白化处理， 在保证水印不可感知性的前提下，实现了水印的盲检测。相应的算法具有鲁棒性 强、嵌入容量大的特点。 中国科学技术大学硕士学位论文 第二章图像水印 第二章图像水印 以图像为载体对象的数字水印技术是当前水印技术研究的重点，约6 0 的数 字水印技术文献都是针对图像载体而展开的 6 。在本章中，首先对空域和变换 域图像水印方法做简要描述，然后，对其中有代表性的算法进行回预，最后在基 于小波变换的图像水印基础上，对本文提出的“基于主分量分析的小波水印技术” 着重加以介绍。 2 1 空域图像水印技术 顾名思义，空域图像水印技术就是指在图像的空间域中直接嵌入水印的技 术。我们这里主要介绍比较有代表性的最低有效位算法和p a t c h w o r k 算法，还有 其他一些如基于分形算法的水印技术等，限于篇幅，在此不一一赘述。 2 1 1 最低有效位( l s b ) 算法 在空域图像水印算法中，最简单也是最具代表性的算法当属最低有效位 ( l s b ，l e a s t s i g n i f i c a n t b i t ) 算法 7 】。它由a z t i r k e l 等人在1 9 9 3 年提出的，其 主要思想就是，以二值比特序列构成静二维水印信息，然后将水印位平面 ( w a t e r m a r kb i tp l a n e ) 直接替换图像的最低有效位平面( l e a s ts i g n i f i c a n tb i t p l a n e ) 。其最大的优点就是图像最低有效位平面对图像的视觉效果影响最小，因 而添加水印后的载体图像与原始载体图像在视觉上几乎没有差别，拥有良好的不 可感知性。但这也就决定了其最大弱点鲁棒性差。 下面我们以实例详细说明l s b 算法。图2 1 和图2 2 分别为8 位2 5 6 级灰度 载体图像l e n a 以及自制2 值水印图像u s t c ，大小均为5 1 2 5 1 2 。我们将把水印 图像u s t c 嵌入到载体图像l e n a 的8 个不同的位平面中( 从左向右、从上向下， 位平面依次升高) 。如图2 - 3 所示，随着嵌入位平面逐渐升高，嵌入水印后的图 像失真就越大，其不可感知性就越来越差，在最高位平面( m o s ts i g n i f i c a n tb i t p l a n e ) 中嵌入水印时，图像失真最大。 中国科学技术大学硕士学位论文第= 章图像水印 图2 - 1 原始载体图像l e n a ( 5 1 2 5 1 2 8 ) f i g u r e2 - 1 ：g r a y s c a l ec o v e ri m a g el e n a ( 5 1 2 5 1 2 8 ) 图2 - 22 值水印图像u s t c ( 5 1 2 5 1 2 2 ) f i g u r e2 - 2 ：b i n a r yw a t e r m a r ki m a g eu s t c ( 5 1 2 5 1 2 2 ) 图2 - 3 水印嵌入到不同的位平面后的图像 f i g u r e2 - 3 ：w a t e r m a r k e di m a g ei nd i f f e r e n tp i x e lp l a n e 1 3 中国科学技术大学硕士学位论文第= 章图像水印 由于l s b 位平面携带着水印，因此在嵌入水印图像没有产生失真的情况下， 水印的恢复很简单，只需要提取含水印图像的l s b 位平面即可，而且这种方法 是盲水印算法。但是，l s b 算法最大的缺陷就是对信号处理攻击的鲁棒性差，即 使是滤波、加噪等简单的处理，也能很大程度地破坏水印。 2 1 2p a t c h w o r k 算法 1 9 9 6 年，b e n d e r 等人提出了另一著名的空域图像水印算法p a t c h 、v o r k 算 法【8 】。这是一种统计算法，即在一个载体图像中嵌入具有特定统计特性的水印 信号，通过比较的办法检测水印。 p a t c h w o r k 算法对图像嵌入水印的过程分为四步： 1 ) 利用一个密钥k 和伪随机数发生器来选择数据( q ，岛) 。该密钥和随机数 发生器的模型仅为收发双方拥有，解码器需要按照和编码器相同的顺序 和位置来选择数据对。 2 ) g ：牢b t a ，处的亮度值提高6 ，6 的一般取值为量化级别的1 5 之间。 3 ) 将) b t b , 处的亮度值降低同样的6 。 4 ) 重复以上步骤n 次( n 的典型值为i 0 0 0 0 ) 。 相应的，解码过程为： 1 1 对编码后的图像，用同样的密钥k 和伪随机数发生器来选择数据对 ( q ，6 ) 。 2 ) 计算： 有 月 月 = ( q + 6 ) 一( 6 j + 占) = 2 竹占+ ( q 一包) ( o 9 ) i = l i = i 当n 的值很大时，有： e ( & ) “2 n 8 ( 0 1 0 ) 在不知道密钥k 的情况下，随机选取像素对，假设它们是独立同分布的，就 应( 鼠) “0 1 4 ( 0 1 1 ) 中国科学技术大学硕士学位论文第二章图像水印 这就表明，只有水印嵌入者可以对水印进行正确的检测，攻击者无法判定图 像中是否含有水印。 从以上的算法可以看到，p a t c h w o r k 算法是基于统计检测理论的，其在图像 中嵌入的水印就是6 ，也就是嵌入的信息只有i b i t ，只能表征水印的有或无两 种状态。这一缺陷限制了其实际应用可行性，很多学者在此基础上做了更为深入 的探讨，例如l a n g e l a a r 等人 9 为了增加嵌入的信息量，对p a t c h w o r k 进行了 改进，并且提高了这一算法的鲁棒性。 2 2 变换域图像水印技术 变换域水印技术指的是先对图像进行某种可逆的数学变换，然后对变换域的 系数进行某种修改嵌入水印，最后再进行逆变换得到嵌入水印后的图像。这 类技术一般基于常用的基于局部或是全局的图像交换有：离散余弦变化d c t 、离 散傅里叶变换d f t 、小波变换d w t 、分形或其他变换域等。这里我们主要介绍离散 余弦变换d c t 和小波变换域的两种数字水印技术，这两种水印技术得到了最广泛 和深入的讨论。 2 2 1d c t 域图像水印技术 离散余弦变换( d c t ) 域图像水印对压缩、滤波等常规数字信号处理操作表现 出顽强的鲁棒性，同时又由于其与图像压缩标准j p e g 兼容，因此得到了广泛的研 究 1 1 1 2 1 3 。 我们首先给出基于d c t 的图像水印基本框架，如图2 4 和图2 5 所示。 图2 4 基于d c t 的图像水印嵌入框图 f i g u r e2 - 4 ：f r a m e w o r k o fd c tb a s e di m a g ew a t e r m a r ke m b e d d i n g 中国科学拄术大学硕士学位论文 第二章图像水印 图2 - 5 基于d c t 的图像水印提取框图 f i g u r e2 - 5 ：f r a m e w o r ko fd c tb a s e di m a g ew a t e r m a r ke x t r a c t i n g d c t 域算法中，可将d c t 系数分为直流、低频、中频和高频四类。通过选择这 四类d c t 系数，可以很好地反映人眼视觉频率特征： d c t 直流系数代表块的平均灰度，在此嵌入水印可保证好的鲁棒性，但容易 产生块效应，难以实现水印的不可感知性：d c t 低频系数集中了块的大部分能量， 在低频系数中嵌入水印有好的鲁棒性，但不可感知性较差；d c t 高频系数代表块 的纹理细节，在此嵌入水印有着很好的透明性，但很容易受到攻击，鲁棒性差。 目前，学者们比较倾向于的折衷选择是中频区域，即中频d c t 系数。 c o x 等人于1 9 9 6 年提出了基于d c t 变换的扩频水印技术 i o ，它将其有白噪声 性质的伪随机序列( p s e u d o r a n d o mn o i s es e q u e n c e ) 加入到原始载体图像d c t 系 数中，其中利用到扩频技术( s s ) 和人类视觉特性( h v s ) 的相关知识。算法首先选 定视觉重要系数，然后使用加法准则或者乘法准则进行修改。 在c o x l 作的基础上，研究人员不断提出了新的基于d c t 变换的水印算法。 t a o 结合j p e g 压缩技术，提出了一种自适应的d c t 水印技术 1 1 。他们将水印 嵌入到交流d c t 系数中，根据默认的j p e g 格式压缩表，选择合适的系数，使量化 的单位最小，并按下式对选定的系数进行修改： t = 蕾+ m a x x i a ，s g n ( t ) 警】 ( 0 1 2 ) 其中，口。是当前块的噪声敏感指数，d f 是薯的量化单位，5 k 6 。由于水印 信号需要利用i n s 的掩蔽效应计算其灵敏度，并将其分类。所以，在检测端，需 要原始图像和水印的参与，即为非盲检测水印方法。 p o d i l c h u k 等人提出了可感知水印的方法 1 2 。他们使用从视觉模型导出的 j n d ( j u s tn o t i c e a b l ed i f f e r e n c e ) 来确定在图像的各个部分所能容忍的修改的 1 6 中国科学技术大学硕士学位论文第二章图像水印 最大强度，也即可添加水印的最大强度，避免了水印信号对载体作品视觉质量的 破坏。实验证明，上述水印方案在对抗j p e g 压缩、剪切、缩放、噪声添加等非 几何攻击时表现出顽强的鲁棒性，但对于有几何形变的攻击，则需要在水印检测 前对图像几何变形逆操作。 2 2 2 小波域图像水印技术 在即将出现的图像压缩标准“j p e g2 0 0 0 ”中，小波相关技术成为主要技术 环节。如同d c t 对于j p e g 一样，基于小波变换的图像水印技术逐渐成为研究的 热点和重点。基于小波技术展开数字水印研究主要有以下三方面优势： 一是与j p e g2 0 0 0 标准兼容，可以保证水印对抗“j p e g2 0 0 0 ”有损压缩攻 击； 二是可以直接或间接利用j p e g2 0 0 0 研究中关于视觉特性的研究成果； 三是一些j p e g2 0 0 0 压缩算法可直接提供相关水印算法。 我们也在小波水印基础上，提出了“基于主分量分析的小波水印方法”，关 于这一内容，将在2 3 节专门讨论。 图2 - 6 和图2 7 分别给出了基于小波变换图像水印的嵌入和检测系统框图。 图2 - 6 基于d w t 的图像水印嵌入框图 f i g u r e2 - 6 ：f r a m e w o r ko fd w tb a s e di m a g ew a t e r m a r ke m b e d d i n g 中国科学技术大学硕士学位论文 第二章图像水印 图2 7 基于d w t 的图像水印提取框图 下面介绍几种典型的基于小波变换的图像水印方法： 人们首先想到的是将水印嵌入到小波变换的近似分量系数中，包括 b o l a n d 1 4 、c o r v i 1 5 、w a n g 1 8 3 等人的方法。其系数选择的依据是：选择那 些在常规信号处理操作中不会有太大变化的系数，如果企图对水印进行破坏，则 势必会影响到整个图像的可观性，即人眼视觉系统会明显地感受到攻击所带来的 改变。 随着研究的不断深入，更多地研究人员将关注的重点转移到细节分量上来， 这是因为细节分量的改变不会造成视觉上的较大差异，而且，恰当地选择中频区 域可以很好地在水印的鲁棒性和不可感知性之间做到合理的折衷。 x i a 等人 1 7 提出了一种基于小波变换分层的水印提取处理方法。它的基本 思想是，对原始图像和待检测图像进行一层小波分解，并求取细节分量系数矩阵 差：将f f h l 段与水印做相关性检测，若有峰值，则检测到水印，若没有，则依次 转换到h l l 和l h l 段：若第层没有检测到水印，则对原始图像和待检测图像进 行第二层小波分解，重复上述过程，直到检测出水印为止。 k i m 等 1 8 对x i a 的方法进行了改进，他使用包括近似分量在内的所有尺度 进行水印的嵌入。使用层适应门限选取感知显著的系数以获得高的鲁棒性。 t s e k e r i d o n 1 9 利用小波变换域的多分辨率特性，在小波分解的第一层和第 二层的细节分量种嵌入一种循环自相似水印。如果图像受到几何攻击，使用这种 自相似水印在不需要原始图像的前提下，可以大大简化水印的定位步骤t k u n d u r 2 0 通过修改载体图像的同一分辨率层中三个不同方向的细节分量 系数的幅度关系，嵌入一种二值水印。对每一组选中的三个系数进行排序，对中 间的系数进行量化以嵌入0 或1 。 中国科学技术大学硕士学位论文第二章图像水印 2 3 基于主分量分析的小波水印方法 在本节中，我们利用主分量分析( p c a ) 原理 2 1 ，提出了一种新颖的基于小 波变换的数字水印方法，优化了水印信息在各小波子带中的比重，在保证不可感 知性的同时，显著地增强了水印的鲁棒性，相比较直接在空域中使用p c a 2 2 的 方法有了很大提高。在此基础上，我们利用q i m 技术，使之成为一种只需要少量 边信息( s i d ei n f o r m a t i o n ) 就可检测出水印的半盲( s e m i b l i n d ) 数字水印技术。 实验证明，相比较同类半盲水印 2 3 而言，本算法使用更少的边信息，而能达到 更好的鲁棒性。 2 3 1 主分量分析( p r i n c i p l ec o m p o n e n ta n a l y s i s ) 主分量分析是由h o t e l l i n g 提出的一种可以去除随机向量中各元素间相关 性的线性变换，又称h o t e l l i n g 变换，在应用到离散图像处理中，又称k l 变换( 卡 洛变换) 2 1 。 假设，贾是一个n 1 的随机矢量，它的均值矢量定义为( l 为样本总数) ： 威，= 置 ( o 1 3 ) 上，扣1 其协方差矩阵t 定义为： q = 占 ( 孟一而，) ( i 一而，7 ) ( o 1 4 ) 求取e 的特征值以和特征向量玩( k = 1 n ) ，满足下式： m c x i = d 诅g ( 丸) ( o 1 5 ) 其中，d 趣譬( ) 依五从大到小排列的对角阵，。是以喀为列组成的特征向量矩 阵， 次序与五相对应。 那么，k - l 变换定义如下： 歹= 7 置 ( 0 1 6 ) 其中，西为贾的协方差矩阵，秽是中的共轭转置矩阵。 1 9 中国科学技术大学硕士学位论文 第二章图像水印 k l 变换消除了数据间的相关性，拥有最佳变换、最佳数据压缩、能量期望 值最大和熵最小等优点 2 1 。本文中，我们将k l 变换用于数字水印技术，合理 地优化了水印在小波变换的中高频子带嵌入的能量，提高了水印的不可感知性鲁 棒性。 2 3 2 量化索引调制( q u a n t i z a t i o n i n d e xm o d u l a t i o n ) 量化索引调制( q u a n f i z a t i o n i n d e xm o d u l a t i o n ) 是水印的实现方法之一，其 中每条信息都和一个独有的向量量化器相连，嵌入器按照与期望信息相连的量化 器，将载体作品( 或是从载体作品中提取出来的向量) 量化：检测器利用所有的 量化器结合体对作品进行量化并识别信。g 2 2 。 最早的量化水印方法是在空域上提出的，这一思想同样可以灵活、方便地应 用在变换域中。假设w 是一串长度为n 的代表数字产品版权信息的二进制序 列。量化方案用以将水印信息嵌入到原始数据中。 ， t 7 | 。一jr o u n d ( 誓) 。a 乃2 0 一1 ，。蝴d ( 丝：等) 4 一皇哆2 1 ( o 1 7 ) 式中为量化步长。也就是说，如果w j 为0 ，i j 落在k a ；如果w j 为1 ， i 7 j 落在k a + a 2 。 量化调制也是嵌入水印的一种有效手段。量化水印方法不是将水印信号简单 地加在原始信号上，而是根据不同的水印信息用不同的量化器去量化原始信号。 提取时，根据待检数据与不同量化结果的距离，即可恢复水印信息。 2 3 3 嵌入算法 首先，对原始图像进行小波变换。在小波变换的高频系数中添加水印，对于 人类视觉系统( h v s ) ，拥有很好的视觉隐蔽性，然而高频信息对于j p e g 压缩等攻 击有很强的敏感性，一般来说，将水印加入到小波变换的中高频域子带中是对不 可感知性和鲁棒性的折衷。所以，本文首先对图像进行二阶小波变换，提取其二 阶子带的高频系数h h 2 、h l 2 、l h 2 , 如图2 8 所示。 中国科学技术大学硕士学位论文 第二章图像水印 l l 2h l 2 h l l l h 2h h 2 l h lh h l 图2 8 小波分解示意图 f i g u r e2 - 8 ：w a v e l e td e c o m d o s i t i o no fi m a g e 第二步，k - l 变换。对上一步提取的h h 2 、h l 2 、l h 2 子带分别重新排列，形成 个三维随机矢量c o 。由于我们利用k l 变换是为了更好地提取小波子带系数问 的主要能量分量，因此，我们先对c _ e 绝对值化，得n c ao ，并且保留原始符号 矩阵c s o 。然后对c a _ o 进行k l 变换，得到新的三维矢景c k l o 。 第三步，嵌入水印。提取上一步c k l o 中最大特征值对应的予带分量，检取 其较大系数，利用如下公式将水印信号嵌入子带。 c k lw m ( i ) 2 c k lo ( i ) ( 1 + 口w m ( i ) ) ( o 。1 8 ) 其中，c k l _ w m 为嵌入水印后的k 1 子带系数，d 为调节系数，w m ( 1 * n ) 为随机 置乱的水印信号，i = i - - n 。 第四步，恢复水印图像。根据以上三步的逆过程，恢复出嵌入水印后的图像， 其中，在k l 反变换后，需要用到符号矩阵c s _ o ，以恢复出嵌入水印信号后的小 波系数。 图2 9 给出了水印嵌入的系统框图，其中e m d 为式( 2 1 0 ) 所提供的嵌入策略。 图2 - 9 水印嵌入系统流程图 f i g u r e2 - 9 ：f r a m e w o r ko fw a t e r m a r ke m b e d d i n g 像 中国科学技术大学硕士学位论文 第= 章图像水印 在此基础上，我们利用q i m 技术，选择合适的量化参数，对小波系数进行如 式( 2 - 9 ) 的量化处理。 2 3 4 检测算法 水印的检测是水印嵌入的逆过程，其中需要原图像计算k l 变换矩阵m ”( 特 征向量矩阵) ，如图2 一l o 所示。 对于使用q i m 量化而改进的方法，我们只需比较小波系数除以q 2 后的倍数即 可求得水印值，这种方法直观简便。 图2 - 1 0 水印检测系统流程图 f i g u r e2 - 1 0 ：f r a m e w o r ko fw a t e r m a r kd e t e c t i o n 为了客观的评价检测水印w 与原水印w 的相似程度，我们选用如下相似度 n c ( n o r m a l i z e dc o r r e l a t i o n ) 公式进行衡量： n c = - ，_ i ，。、7 _ ，；w ； ( o 1 9 ) i = ， y 扛li = l 对水印图像进行各种攻击后，通过比较计算得出的n c 值，可以判断数字水 印算法抗攻击的能力，由n c 的变化可以给出一个比较客观的评价准则。 2 3 5 实验结果 实验中，我们选用5 1 2 5 1 2 8 的l e n a 图像作为原始图像，选用两幅原始 水印图像，分别为6 4 x 6 4 = 4 0 9 6 、3 2 3 2 = 1 0 2 4 的二值图像，如图2 - 1 i 、2 - 1 2 中国科学技术大学硕士学位论文 第二章图像水印 和2 1 3 所示。 图2 1 4 和图2 1 5 则显示了分别加入两种水印后的水印图像，可以发现具有 很好的不可感知性，并且提取的水印n c 值均为l ，即表示科完全准确地检测出 水印。其中由于水印2 的长宽均为水印1 的长宽的1 2 ，故嵌入水印2 的图像p s n r 值较大。 图2 - 1 t 原始载体图像l e n a ( 5 1 2 芈5 1 2 章8 ) f i g u r e2 - l l ：o r i g i n a lc o v e ri m a g el e n a ( 5 1 2 5 1 2 8 ) u s t c u s t c 图2 一1 2 水印图像1 ( 6 4 6 4 1 ) f i g u r e2 - 1 2 ：w a t e r