（计算机应用技术专业论文）基于ica和dwt的多重数字图像水印算法.pdf

硕士学位论文 i _ l a s t b r st h e s i s 摘要 随着网络数字多媒体技术的发展，数字水印技术成了数字版权保护领域的研究 热点。数字水印技术是将特定的信息嵌入到数字多媒体中，从而保护数字多媒体的 安全，这种嵌入通常是不可见的，并且对于含水印数据的各种可能的操作具有鲁棒 性。独立成分分析( i c a ) 是近期发展起来的一种盲源信号分离技术，在许多应用 领域发挥着重要的作用。目前，已经有越来越多的专家将其应用在数字水印领域。 本文简单介绍了数字水印技术的产生背景和发展状况，对小波分析理论在数字 水印领域的中应用做了重点介绍。以静止数字图像水印作为研究对象，利用i c a 技 术在小波变换数字图像领域中的应用，采用置乱技术，实现了两种多重数字水印算 法。下面是本文的主要内容。 第一章是对数字水印技术的概述，对水印产生的背景知识、数字水印的基本框 架和性能评估指标做了简单的介绍，同时概括了数字水印的研究现状和主要应用领 域。 第二章为本文研究的数字水印算法做了预备知识简介。对置乱技术、小波分析 理论和i c a 技术做了详细的介绍。其中对i c a 技术的算法f a s t i c a 做了重点介绍。 同时，在此基础上介绍了一些其他研究者在这一领域所做的工作。 第三章和第四章是本文的重点章节，分别介绍了两种基于i c a 技术和小波分析 理论的多重数字水印算法。 ( 1 ) 基于i c a 的多重数字图像水印算法。该算法利用i c a 技术，在小波分解 得到的中频子带中嵌入水印，并利用i c a 盲源分离的特性实现了水印的盲提取。首 先是水印的生成，该算法实现的是多重水印的嵌入，选取多个有意义的图像作为水 印信息，先分别将它们置乱，再将置乱后的图像利用i c a 技术进行混叠，然后选择 混叠后的一个图像作为水印嵌入，该水印包含所有原始水印的信息。其次是嵌入位 置的选取，对原始载体图像进行分块编号；然后由混沌序列发生器产生一组混沌序 列，根据密钥选出一定数量的序列；依据序列从原始图像中选出小块组成一个子图 像。本算法是对子图像进行小波分解，将含有多个水印信息的水印嵌入到小波分解 后的中频子带中。水印嵌入后将其进行小波逆变换，再根据密钥把子图像还原到原 始图像中即可得到水印图像。水印的攻击检测采用s t i m a r k 工具对水印图像进行攻 击，该算法具有较强的鲁棒性和不可见性。 ( 2 ) 基于图像独立特征分量的多重水印算法。该算法首先根据i c a 技术在图 像特征提取方面的应用，根据嵌入水印的个数提取出其特征分量，然后对这些特征 硕士学位论文 m a s t l i r st h e 8 1 8 分量进行两层小波分解，并将各个处理后的水印嵌入到中频子带中，水印的提取过 程是非盲的，因为用到了原始载体图像。实验结果表明，该算法在增大水印信息容 量的同时保证了水印的不可见性，同时，它对各种常见加噪、腰e g 压缩、旋转和 剪切等攻击具有较强的鲁棒性。 本文的最后一章则是对第三章和第四章提出的两种算法进行了比较，并对本文 进行了总结，同时进一步展望了将来的工作方向。 关键词：离散小波变换；独立成分分析；特征提取；多重水印；置乱 a b s t r a c t w i mt l l ed e v e l o p m e n to f 缸锄tm u l t i l i l e d i at e c h n o l o g 弘d i 百t a lw a t 锄a r kh a db e 吼 m ef o c l l si 1 1m ec o p y r i g l i tp r o t e c t i o n 丘e l d np r o t e c t st h e0 、m l e 曙1 1 i po fm u l 缸e d i a 纰 t l l r o u g h 咖b e d d i n gc o p y r i g l l ti n f 0 衄a t i o n a i l di ti s 衄1 s p a r e n t 锄dr o b u s tt 0r e s i s tt 0 1 【i i 协o fo p 盯a t i o no nm em u l 劬e d i a 讹 1 1 1 i sp a p e ri i 衄o d u c e s 押on “t i p l ed i 昏t a lw a t 锄a r ks c h 锄鼯b 私e d0 nt 1 1 ei c a ( h l d e p e n d e mc o m p o n e n ta n a l ) ，s i s ) ，d w tp i s c r e t ew 打e l 吼t r 黜f i m n ) 锄dh a s h r e 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，o t l l e ri i e s t i g a t o r s 、o r ki sa l s op r e s 即t e d t h e 蚰r da n df o n ：hc h p t e 璐a r e 也ei m p o i t a n tp a r to ft h ep a p e r h lt 1 1 i sp a r t ，t v 旧 a l g o r i t l l i n sa r ei n l d u c e di nd e t a i l t h em a t 耐a lc o n t e n ti ss h o w c d 雒亿l l o w s ( 1 ) t k 砌l t i p l ed i 百t a lw a t 锄a 岫培s c h 锄eb 雒e d0 nd w t 锄di c a f 洳t l 弘d w t w 弱a p l p l i e dt 0o n es u b i m a g ee x 仃a c t e df 吣mm eo r i g i l l a li m a g eo r d e r l 弘a tm es 锄et i i n e ， m e m u l t i p l ei n d 印e n d e n tw a t 髓n a f ks i 班a l sm i ) 【e d 、析mi c aa i l dg m 锄e dm i x e ds i 朗a l s ，1 1 l 胁as i 印a lw 蠲c h o s e i l 硒mm el n i ) 【e ds i 弘a l s 蠲w a t 锄a 曲n g 既l b e d d i i 玛缸。廿l e 硫锄l e d i a t ef e q u e l l c yb yi n i x i n g 、析t l li c a a tt l l ee x 仃犹t i i 玛s t a g e ，u s i l l gm es 锄em l e 船e i ：n b 文h d i n gs t a g e ，e x 仃吐n gm e 双l b - i m a g e 丘d mw a t e r m 破e di m a g e ，t 1 1 e ne v e r y 瞰l b e d d e dw a t 锄a r ks i 弘a l sc 趾b e 麟仃a c t c dm r o u g h 押i c ed 鲥x e d 谢t l li 认b y i n _ v e r s e 咖b e ( i d i i l gp r o c e s s u s h 培t l l ew a t 锄a 越n gs t 锄d 御dt c s t i n gt 0 0 1s t i n i l a r kt 0 a t t a c km ew a t 锄砌【e di m a g e s ，m es i i n u l a t i o nr e 叭1 t sd 锄0 n s 们t em en 0 v e la p p m a c h s g o o dp e r f 0 m a n c eo f t l l er o b u s t i l e s sa i l di n 访s i b i l i 哆 ( 2 ) am u l t i d i 百t a lw a t 锄a r ks c h e m ei sp r o p o s e db a s e do ni i n a g ei n d e p e n d e n tf e a t i l r e t h ei i l d 印e l l d e n tc o m p o n e m 趾a l y s i s ( i c a ) t e c h n 0 1 0 9 ) ，i sa p p l i e dt 0 g a i l lm e i i l d 印e n d e n tf e a t u r eo fi i l l a g e 丘璐n yt h e nm ei i l d 印e n d e mf e a t u r e sa r ed e c o m p o s e db y d i s c r e t ew a v e l e t 仃独s f o m w t ) a t1 a s t ，t l l e e 1 1 c r ) 7 p t c dw a t e n i l m 【s 恤c ha 陀 们n s f o n n e db yh 础1r e p l a c 锄e n ta r ec i n b c d d e di 1 1 t 0t h el o w - 自o q u e n c ys u b - b 孤l d s i l i m l a t i o n 阳s u 蛔s h o 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有权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 阅和借阅。本人授权华中师范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。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文 全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 储签名：苏码 日期：瑚年舌月乙日 名：锄冬 日期：历年衫月弓日 本人已经认真阅读“c a l i s 高校学位论文全文数据库发布章程，同意将本人的 学位论文提交“c a l i s 高校学位论文全文数据库 中全文发布，并可按“章程 中的 规定享受相关权益。回童途塞堡銮卮溢蜃! 旦圭生；旦二生i 旦三生筮壶! 储执秀畸 日期枷年舌月多日 导师糨锄冬导师签名：y ，i n 呐：州年易月歹日 硕士学位论文 m a s t l 敷st h e s i s 第一章数字水印概述 本章介绍了数字水印技术的背景及研究意义，对数字水印技术的基本框架、发 展现状以及应用领域做了概要介绍，同时阐述了本文的主要工作。 1 1 背景知识 随着i n t e n l e t 应用的日益广泛，数字技术的快速发展。多媒体信息在网络上的 发布、传播和交换越来越普遍，各种数字产品( 图像、文本、音频、视频等) 都可 以被高质量地复制和便捷地传播，给人们的生活带来方便的同时，也使版权侵犯、 信息篡改等违法行为变得更加容易，成本也更低廉。这给数字多媒体的创造者、所 有者和提供商造成了巨大的经济损失。数字多媒体产品的版权保护成为越来越迫切 需要解决的问题。 密码学的加密技术是最初保护数字多媒体产品的一种方法，但是它只能保证数 字多媒体在传输过程中的安全，不能保证它们解密后的盗版问题，也不能防止在解 密后原始信息被篡改的问题，而且利用加密技术使得加密后的文件可理解性变差， 在某些特定的应用中具有局限性。所以传统的加密技术已经不能对当前多媒体内容 进行保护，而数字水印技术就是为解决这一问题应运而生的，并且在图像、音频、 视频、文本中得到了广泛地研究，并得到了迅速发展。相对于传统的数字加密技术 而言，数字水印技术有以下优点：( 1 ) 水印信号直接嵌入到数字多媒体信息中，可 以根据水印检测器的结果，对数字多媒体内容本身提供相应的保护；而加密技术只 能保证内容在传输过程中的安全，不能保护内容本身；( 2 ) 水印的嵌入是不可感知 的，不影响数字内容的正常使用；而加密技术只有在解码之后才能正常使用，不利 于数字信息内容的传播和使用。 1 2 数字水印基本框架 1 2 1 数字水印的通用模型 数字水印技术是利用人的听觉、视觉系统的特点，在图像、音频、视频或文本 中嵌入一定的信息，使人们很难分辨出嵌入水印后的数字做媒体与原始数字多媒体 的区别，而通过专门的检验方法又能检测或提取出所嵌入的信息，以此证明原创作 者对数字多媒体的所有权。在嵌入过程中对数字多媒体进行尽量小的修改，以保证 原始数字多媒体的价值不被破坏。 数字水印技术的出现是为了保护通信系统的安全，因此，水印系统在某种意义 硕士学位论文 m a s t e r st 搬s i s 上也就是一个特殊的通信系统。从数字通信的角度看，水印嵌入可理解为在一个宽 带信道( 载体对象) 上用扩频通信技术传输一个窄带信号( 水印信息) 。水印的检 测或提取则是一个有噪信道中弱信号的检测或分离问题。通常情况下，一个完整的 水印系统包括水印生成、水印嵌入和水印检测或提取三个阶段。如图1 1 所示。 图1 1 水印系统模型 1 水印的生成 水印的生成可分成两大类，有载体数据参与而生成的水印和无载体数据参与而 获得的水印。水印的最原始来源可以是一个随机序列，比如说二值的伪随机序列或 者混沌序列；也可以是有意义的水印信号，代表了有一定意义的文本、图像、声音 或视频信号等。无载体参与而获得的水印是指将上述最原始的水印直接或者加密后 嵌入到载体数据中。有载体数据参与的水印，则是在生成水印时把载体数据本身的 一些特性加入到最原始的水印信号中，生成最终要嵌入的水印信号。一般情况下， 有意义的水印要经过变换和加密，这样才能保证水印信号的安全性。 2 水印的嵌入 水印的嵌入就是将生成的水印信号嵌入到原始载体数据中，一般的水印嵌入算 法有调制嵌入和量化嵌入两种方法。本文重点介绍调制嵌入算法，量化嵌入算法可 参考【l 】。常用的嵌入准则有基于加性规则的嵌入( 公式1 1 ) 、基于乘性规则的嵌入 ( 公式1 2 ) 和基于指数规则的嵌入( 公式1 3 ) ，最常见的是前两者。嵌入公式描 述如下 i m = i + o 姒 i m = i 堪+ 蒯) ，、 2 ( 1 1 ) ( 1 2 ) 凡= 尼嘲( 1 3 ) 其中m 是水印信息，是原始载体，厶为嵌入水印后的载体，口是水印嵌入 强度。可以通过实验选取不同的口值或自适应的确定嵌入强度以达到最好的水印效 果。 3 水印的检测或提取 水印的检测或提取可以作用于任何产品，主要是根据嵌入方法来设计，检测或 提取时可以需要原始载体的参与，也可以不需要原始载体的参与。在水印的检测过 程中，可能产生如下两类错误： 第一类错误：检测到水印但水印实际上不存在，称为虚警，用虚警率衡量。 第二类错误：没有检测到水印而水印实际存在，称为漏检，用漏检率衡量。 1 2 2 数字水印的分类和特性 数字水印的分类方法有很多种，根据不同的观点有不同的分类方式，它们之间 既有联系又有区别。最常见的分类方法包括以下几类闭： 1 按水印特性划分 根据水印自身的特性可将其划分为可见水印和不可见水印。可见水印是指肉眼 可以看到的水印，就像插入或覆盖在图像上的标识，它与可视纸张中的水印相似。 可见水印主要用于图像，比如用来可视地标识那些可在图像数据库中得到，或在网 络上得到的图像预览来防止这些图像被用于商业用途。当然也可以用于嵌入在图 像、音频或视频当中，表面上是不可察觉的，但是当发生版权纠纷时，所有者可以 从中提取出标记，从而证明该物品为某人所有。 不可见水印又可以分为以下两种水印：鲁棒水印和脆弱水印( 也称易碎水印) 。 鲁棒水印是指嵌入的水印不仅能抵抗非恶意的攻击，而且要求能抵抗一定失真内的 恶意攻击，并且一般的数据处理不影响水印的检测。脆弱水印或易碎水印是指当嵌 入水印的载体数据被修改时，通过对水印的检测，可以对载体是否进行了修改或进 行了何种修改进行判定。 2 按水印所附载的载体数据划分 按水印所附载的载体数据，可以将水印划分为图像水印、音频水印、视频水印、 文本水印和用于三维网格模型的网络水印等。随着数字技术的不断发展，会有更多 种类的数字媒体出现，同时也会产生相应载体的水印技术。 3 按水印的检测过程划分 按水印的检测过程可以将水印划分为非盲水印、半盲水印和盲水印。非盲水印 在检测过程中需要原始载体和原始水印的参与；半盲水印则不需要原始载体，但需 3 硕士学位论文 m a s t b r st h e s i s ， 要原始水印来进行检测；盲水印的检测则只需要密钥，既不需要原始载体也不需要 原始水印。非盲水印的稳健性强但需要存储成本，目前主要研究的数字水印大多是 半盲水印或盲水印。 4 按水印内容划分 按数字水印的内容可以将水印划分为有意义水印和无意义水印。有意义水印是 指水印本身是某个数字图像或数字音频段的编码；无意义水印则只对应一个序列号 或一段随机数。对于有意义的水印，如果受到攻击或其他原因致使解码后的水印破 损，仍然可以通过检测确认是否含有水印。而对无意义的水印来说，如果解码后的 水印序列有若干码元错误，则只能通过统计决策来确定信号中是否含有水印，有可 能产生一定的误码率。 5 按水印用途划分 不同的应用需求使得不同的水印技术相继产生。按水印的用途可以划分为票据 防伪水印、版权保护水印、篡改提示水印和隐蔽标识水印等。 票据防伪水印主要用于打印票据和电子票据的防伪；版权标识水印主要强调隐 蔽性和稳健性，而对水印数据量的要求相对较小。篡改提示水印是一种脆弱水印， 其目的是标识宿主信号的完整性和真实性。隐蔽标识水印的目的是将保密数据的重 要标注隐藏起来，限制非法用户对保密数据的使用。 6 按水印的隐藏位置划分 按水印的隐藏位置，可以分为时( 空) 域数字水印和变换域数字水印。时( 空) 域数字水印是直接在信号空间上叠加水印信息，而变换域水印则包括d c t 域、f f t 域、d f t 域和d 、t 域等变换域上嵌入水印信息。空间域算法具有速度快，容易实 现等优点，比如最低有效位法；变换域则具有抗攻击能力强等特性，应用领域比较 广泛。 7 按水印的嵌入个数划分 按水印的嵌入数目分，可以分为单重水印和多重水印。单重水印就是只在载体 中嵌入一个水印信息，而多重水印则在一个载体中嵌入多个水印信息，各个水印可 能起不同的作用。 1 3 数字水印的性能评估及攻击方法 1 3 1 数字水印性能评估 对水印的性能建立合理的评估方法和基准是数字水印研究的一个重要内容。对 水印的评估主要包括以下两个方面：水印鲁棒性的评估，嵌入水印对载体引起的失 4 硕士学位论文 m a s t e r 8t h e s i s 真的主观和客观定量评估。本文主要考察图像数字水印的性能评估标准，在这一领 域影响水印鲁棒性的有以下几个因素【2 1 。 1 嵌入的信息量 这是一个重要的参数，它直接影响水印的鲁棒性。对于同一种水印算法而言， 要嵌入的信息越多，水印的鲁棒性越差。但是对于相同数量的水印信息，增加每位 信息的嵌入数量又可以提高水印的抗攻击性。 2 水印的嵌入强度 水印嵌入强度和水印不可见性之间存在着一个折中，增加鲁棒性就要增加水印 嵌入强度，相应地也会降低水印的不可见性。 3 数据的大小和种类 图像的尺寸、内容、色彩深度等对嵌入水印的鲁棒性有直接的影响。 4 密钥 密钥的数量不直接影响水印的可见性和鲁棒性，但是它对系统的安全性起了重 要的作用。水印算法中，密钥允许取值的范围必须足够大，以使穷举攻击法失效。 初始水印和提取水印的相似程度体现了水印系统鲁棒性的高低，主要采用归一 化相关系数( n c ) 来衡量。 ，、m g ，y ) m g ，y ) 们似，m ) - 型上l _ 了一 ( 1 4 ) 、 ，肘詹 、， m 2 g ，y ) j = ly i l 其中，m 、m 分别表示为提取的水印与原始水印，m g ，y ) 、m g ，少) 分别是 m 、m 在b ，y ) 位置的值，水印信息的大小为研刀。 1 3 2 数字水印的不可见性评估 1 主观测试 主观测试是依靠人眼的主观评价。对于鲁棒性不可见水印而言，在一个好的数 字水印嵌入与提取方案中，数字水印是不可见的，即人眼分辨不出载体在嵌入水印 前后的差别。这种方法一般是有使用价值的，但是在研究和开发中，该方法的用处 却不大，实际的度量往往采用定量度量的方法。 2 定量测试 对含有水印的数字产品( 主要指图像和视频) 进行感知度量的客观标准大都沿 袭于图像和视频处理中所采用的各种失真度量方法，这些方法包括：差分失真度量 ( 平均绝对差( a d ) 、均方误差( m s e ) 、信噪比( s n r ) 、峰值信噪比( p s n r ) ) 硕士学位论文 i 正a s t e r st h e s i s 等。下面对两种常见的量度方法做简单介绍： ( 1 ) 信噪比s n r ( s i 割【a 1 t 0 - n 0 i s er a t i 0 ) 胄c ，g ，y ) 册汹) = 1 0 l o g l o 百1 生生一 ( 1 5 ) p g ，y ) 一j g ，y ) ) 2 j = ly l l 其中，g ，y ) 为原始水印的像素值，j 。g ，y ) 为嵌入水印后的像素值，尺c 为载 体图像的大小。但由于个人主观感觉的因素，并不是得到的s n r 值越大，就一定 表示重建的图像质量越好。 ( 2 ) 峰值信噪比p s n r ( p e a ks i 驴a l - t 0 - n o i s e 砌呖o ) 在具体的实际应用中，我们一般采用p s n r 代替s n r ，这是因为s n r 计算复 杂度要大一些。针对普通图像格式，其灰度级别是0 也5 5 ，o 代表黑色，2 5 5 代表白 色，因此p s n r 的计算公式如下： 脚汹) _ 1 0 1 0 9 l 。丁广旦堕一 ( 1 6 ) o g ，y ) 一，g ，y ) ) 2 j 暑lj ，= l 其中，d 是信号的峰值，这里的值就是2 5 5 。 p s n r 实际的值并没有多少意义，但通过比较两幅图像计算得到的p s n r ，就 可以给出一个图像质量的尺度。所以我们关心的并不是结果的绝对值，而是相对值。 要公平的评价各种水印系统的性能，我们必须使用标准的测试图像库，以嵌入 信息量和嵌入强度为参数来测试水印系统的性能，并以这样的测试结果作为比较不 同水印系统性能的依据。目前图像处理研究中使用较多的是u s c s p i 图像数据库 中的图像。水印测试工具s t i r m a r k 是p e t i t c 0 1 嬲等在英国剑桥大学攻读博士期间开 发的首个用于数字图像水印算法鲁棒性测试的通用工具，发展到现在成为目前使用 最广泛的用于水印攻击的基准测试工具。在本文的测试图像均取自于u s c s p i 图 像库，采用s t i r 】a r k 工具软件进行水印算法的性能测试。 1 3 3 数字水印攻击方法 到目前为止，还没有一个水印算法能够抵抗所有已经提出的攻击。在实际应用 中，虽然水印并不需要抵抗所有攻击，但是了解攻击方法对于设计水印算法和水印 应用方案还是非常有意义的。经典的水印攻击方法【3 】如图1 2 所示。移去攻击主要 是将水印移除或使水印检测不到。几何攻击不是移除水印，而是将水印变形导致无 法检测。协议攻击通常是通过伪造水印，造成水印的意义混乱。密码攻击是通过密 6 硕士学位论文 m a s t l ；r st h e s 培 码搜索或者水印检测器进行攻击。其中，前两种攻击可以看成是对水印的鲁棒性攻 击，涉及到非授权的移除问题；后两种攻击可以看成是对水印系统的安全性攻击， 涉及到非授权的检测、非授权的嵌入等问题。 图1 2 水印攻击方法 对数字水印的攻击一般是针对水印的鲁棒性提出的要求，数字水印的鲁棒性是 指水印信号在经历多重无意或有意的信号处理后，仍能保持完整性或仍能被准确鉴 别的特征。标准数据处理是指数据( 特别是数字作品) 经过数据发布渠道，如编辑、 打印、增强、格式转换等的过程。鲁棒性好的水印应该能够抵抗各种水印攻击行为。 1 4 数字水印技术的研究现状及主要应用 数字水印技术的提出，始于人们将信息隐藏作为一门学科来研究，特别是从 1 9 9 6 年5 月在英国剑桥大学第一届世界信息隐藏国际会议召开以来【4 】，信息隐藏特 别是数字水印技术得到了迅猛发展。很多机构都介入到该领域的研究，包括科研机 构，比如英国剑桥大学、瑞士联邦工学院、m i t 的林肯实验室，以及公司，比如微 软、索尼、菲利普等。发表在学术期刊，国际会议上的相关论文几乎是按几何级数 的方式增长。我国的数字水印技术的研究虽然起步较晚，但从1 9 9 9 年1 2 月召开第 一届信息隐藏研讨会以来，我国在该领域的研究也逐步发展起来，包括天津大学、 北京邮电大学、中山大学、浙江大学、西安电子科技大学等诸多科研机构的科学家 都为此做出了贡献。 数字水印技术主要有以下应用领域【5 】。 1 版权保护 数字产品的所有者用密钥产生一个水印，并将其嵌入原始数据，然后公开发布 他的水印版本作品。当该作品被盗版或出现版权纠纷时，所有者可利用从盗版作品 或水印作品中获取水印信号作为依据，从而保护所有者的权益。这要求水印必须有 较好的鲁棒性、安全性、透明性和水印嵌入的不可逆性。 2 图像认证 7 硕士学位论文 m a s t e r st h e 8 【s ， 认证的目的是检测对图像数据的修改。可用脆弱水印来实现图像认证。为便于 检测，脆弱水印对某些变换有较低的鲁棒性，而对其他变换的鲁棒性更低。因而在 所有的数字水印应用中，认证水印具有最低级别的鲁棒性要求。 3 标题与注释 将作品的标题、注释等内容以水印形式嵌入该作品中，这种隐式注释不需要额 外的带宽，且不易丢失。 4 篡改提示 当数字作品被用于法庭、医学、新闻及商业时，常常需要确定它们的内容是否 被修改、伪造或特殊处理过。为实现该目的，通常将原始图像分成多个独立块，每 个块中嵌入不同的水印。为确定其完整性，可通过检测每个数据块中的水印信号来 确定作品的完整性。与其它水印不同的是，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。 5 使用控制 在多媒体发行体系中，人们希望有一种拷贝保护机制，即它不允许未授权的媒 体拷贝。在封闭或私有系统中，可以用水印来说明数据的拷贝状况。 1 5 本文工作 本文主要是研究多重数字水印，针对现有多重水印算法嵌入量的问题，利用i c a 技术和小波分析理论，实现了水印的多重嵌入和半盲检测，有效地解决了多著作权 问题。本文在前人的基础上，进行了如下的研究工作。 第一章，介绍了本文的背景知识和研究意义，简单介绍了数字水印的基本原理、 基本特征、分类、性能评估指标，以及数字水印的国内外研究现状和主要的应用领 域。 第二章，介绍了图像置乱的相关知识、小波变换的理论和应用以及i c a 技术的 定义和应用。在此基础上，介绍了相关的水印算法。 第三章，提出了一种基于i c a 和小波变换理论的多重数字水印算法，通过仿真 实验，讨论分析了该算法的鲁棒性和盲检测算法。 第四章，提出了一种基于独立特征分析和d w t 的多重数字水印算法，通过i c a 技术对载体图像进行特征分量的提取，在不同的特征分量中嵌入不同程度的水印， 实现了多重水印的静态嵌入。 第五章，对本文提出的两种算法做了比较，同时对本文的工作做了总结，并对 今后的研究方向进行了展望。 硕士擘位论文 m a s 田e r st h e 8 i s 第二章预备知识 2 1 图像置乱 使用置乱技术对水印进行预处理，可以提高水印信息的安全性，增强水印抵抗 恶意攻击的能力。 对于图像信息的安全性，传统的保密学缺少足够的研究，主要是因为经典的密 码学主要是对一维数据流提出了较好的算法，而对于图像二维的自相似性、相关性、 大数据量等属性并未作考虑。随着计算机技术的发展，人们在这方面做了很多有益 的探索。如果我们把数字图像做一些“扰乱 ，得到一幅完全杂乱无章、面目全非 的图像，那么即使非法截获者得到它，如果不知道如何恢复，对它也无能为力。这 就在一定成都上增加了图像的安全性。置乱技术主要用于数字图像的预处理和后处 理。 所谓置乱就是将图像，中的原始坐标g ，y ) 按照某种变换规则p 映射到新坐标 ( 工，y 。) ，从而得到加密图像。这样变换后原始图像和加密图像的直方图是相同的， 但是视觉效果上可能是不同的。图像的解密则要通过逆映射将新坐标( x ，y ) 映射的 原始坐标( 工，y ) ，图2 1 给出了图像的置乱过程。置乱变换用到我们加密过程中，则 是将一个可识别有意义的图像变换成杂乱无章难以辨认的图像。置乱与加密保证安 全性不同的是，将置乱的图像作为秘密信息再进行隐藏，可以很大限度地提高隐蔽 载体的鲁棒性。典型的置乱技术有幻方变换、a m o l d 变换、f a s s 曲线、g 瑚【y 码变 换、哈希( h a s h ) 变换等。它们都是通过数学变换进行置乱的，有研究者尝试将上 述几种方法结合使用，以获得更加符合水印嵌入和提取算法要求的水印信息【6 】。我 们这里重点介绍h a s h 置乱方法。 图2 1 图像置乱过程 首先我们介绍安全h 嬲h 函数，在随机置换法中，由于对随机序列不加任何的 限制，不恰当的置换策略将容易导致选择的像素位重复出现多次，从而造成一个像 素嵌入了多个信息，后嵌入的信息破坏了先嵌入的信息，我们称这种情况为碰撞。 h 船h 函数就是为解决这一问题而产生的。 9 熬 甏爹累蔼遂鏊麓鬻 筮邈搿蔫震冀s 弼 懑 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 由于人眼对图像平衡区域的变化较敏感，对纹理和边缘处的微小变换不太敏感，而 图像的纹理和边缘信息大都集中在小波变换细节分量子带中，因而小波变换能更好 地与人类视觉系统( h v s ) 相结合，并且在相同压缩比下各对小波系数压缩编码引 起的图像失真小于对d c l i 系数编码引起的失真。 在数字水印应用中，d w t 变换与d f r 变换和d c t 变换相比，有以下优点： ( 1 ) 由于小波变换的多分辨率特性，能对图像进行多级分解，使得小波变换 更适合于大数据量，渐进传输的应用，如视频传输、实时系统等，在这些应用中可 以向图像嵌入一个多级或嵌套的数字水印，水印的检测能在接收到部分数据时进 行，只有当前面的子带信息中无法正确提取处水印信息时，才使用更高分辨率的子 带信息，这样能有效地提高算法的效率，节约计算资源； ( 2 ) 小波变换把信号分解为多个子带，并且能够对每个子带独立地进行处理， 因而利用小波变换，可以更加精确地对h v s 进行建模，更好地研究小波量化噪声的 可见性和视觉掩蔽特性； ( 3 ) 小波变换高分辨率子带通常包括图像的边缘和纹理信息，水印嵌入过程 中，可以在数值比较大的小波系数中嵌入更多的能量，使水印的能量集中到h 、，s 不 敏感的边缘和纹理区域。当然这只是利用小波域视觉掩蔽特性的一个简单例子，为 了研究性能更好的水印算法，还需要更加复杂的h v s 模型； ( 4 ) 可以采用图像融合技术将水印分散到图像的多个尺度中，设计出鲁棒性 更好的数字水印算法； ( 5 ) 小波变换可以通过多种方法实现，计算快速、高效，并且图像压缩编码 标准j p e g 2 0 0 0 就采用了小波变换方法。 在图像压缩标准皿e g 2 0 0 0 中，小波成为一个主要的技术。这是因为小波变换 具有良好的时频特性，所以在最近这些年间发表的论文中，这项技术成为应用于数 字水印技术的研究的重点和热点。这是因为使用小波域水印方法有以下三个优点： 一是可以保证在口e g 挖o o o 有损压缩下水印不会被去除；二是可以将图像编码研究 中关于视觉特性的研究成果用于水印技术；三是有可能提供在压缩域中直接嵌入水 印的方法。除此之外，小波的多分辨分析与人的视觉特性是一致的，这对根据h v s ( 人类视觉模型系统) 选择适当的水印嵌入位置和嵌入强度有很大的帮助。 2 2 - 1 小波变换理论简介 小波变换可以被看作是傅立叶变换的发展，它是空间( 时间) 和频率的局部变 换，能更加有效地提取信号和分析局部信号。与傅立叶变换一样，小波变换的基本 思想是将信号展开成一族基函数之加权和，即用一族函数来表示或逼近信号或函 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 数。这一族函数是通过基本函数的平移和伸缩构成的。 1连续小波变换 连续小波变换也称为积分小波变换。通过对基本小波的二进伸缩和二进平移来 构成基函数，从而产生二进小波。 定义2 1 设缈b ) 弘忸) n 刀伍) 且痧( 0 ) = o ，则由函数缈g ) 伸缩和平移得到函 数族。 钆口州学) ，口，6 咄删 ( 2 1 ) 将式2 1 叫做连续小波，缈g ) 叫做母小波，其中口为伸缩因子，6 为平移因子。若伊g ) 式双窗口函数，则称妒g ) 为窗口小波。 定义2 2 设伊g ) 是基本小波， 张g ) ) 是按照式2 1 给出的连续小波。对于任 意函数厂弘伍) ，可定义信号g ) 的连续小波变换如式2 2 。 乃( 口，6 ) = ( 厂航j ) = l 口j - ；少。歧学卜 ( 2 2 ) 定义2 3 设伊g ) 弘伍) n 口伍) ，若满足条件， g ：雄虬 。 ( 2 3 ) 则缈( 石) 叫做允许小波，而条件2 3 被成为允许条件。 2离散小波变换 计算机中的图像信息式以离散信号形式存放的，所以需要将连续小波变换离散 化。而最基本的离散化方法就是二进制离散，一般将这种经过离散化的小波及其变 换叫做二进小波和二进变换。 定义2 4 若存在两个常数a ，b ，有：o 彳b ，使得式2 4 成立 彳l 痧( 2 一叫2 召 ( 2 4 ) 则称函数妒g ) 弘伍) n 刀伍) 为一个二进小波，条件2 4 被称为稳定性条件。若 彳= b ，则称为为最稳定性条件。而函数序列慨式厂g ) ，后z 叫做厂g ) 的二进小波 变换。其中， 厂g ) = 厂仍t g ) = 去j ：一九d 等卜 ( 2 5 ) 定义2 5 若x o ) 满足方程2 6 1 2 硕士学位论文 m a s t e r 8t h e 8 i s ， 庐( 2 国瓷( 2 甸= 1 ( 2 6 ) 称x o ) 为重构小波。也可取托) 满足条件2 7 荆2 萧 仁7 ) 此时，信号厂g ) 的重构公式为 厂o ) = 圭陟0 p d 国 = 去旷户( 2 一一，凇( 2 。国弘蛔d 国 ( 2 8 ) = j ：慨- ，厂，x ( 2 ，o 一6 凇 可以证明，础) 也是一个二进小波，且 丢砂( 2 ) 1 2 三 ( 2 9 ) 令缈( x ) 满足： i 庐( 工) 1 2 = 矿( 2 j 国户( 2 ，缈) ( 2 1 0 ) 则缈( x ) 是一个低通滤波器。 2 - 2 2 小波变换在数字图像水印中的应用 小波变换最早是为进行地震数据分析工作而提出的。1 9 8 9 年m a l l a t 结合小波变 换和图像金字塔描述的优点，给出了m a l l a t 分解厂合成算法，将其用于图像分解与重 构，很好地实现了人眼视觉对图像多分辨率的描述。小波变换具有时间频率定位能 力并能够实现图像中平稳成分和非平稳成分的分离，低频成分精确定位于频率域， 基本上是平稳的。图像的非平稳部分通常表现为边缘、纹理等，这部分被小波变换 精确定位于空间域。它本质上又是一种全局分解，量化失真随机分布在整幅图像中， 故与其他全尺寸变换一样，重建图像可免除采用分块正交变换所固有的分块效应。 经小波变换后，图像分解为多层不同方向的子图。其中最低分辨率下的尺度子 图对应于频带中的低频部分，且原图绝大部分能量集中在此。其他子图对应于不同 的尺度( 分辨率级) 及不同的空间方向上的高频分量( 细节子图) 。对于紧支小波 基来说，其相应的带通滤波器詹。 是有限长的，且满足岛，所以对于图像中较 为平坦的区域，变换后细节图像中相应的小波系数接近于零；对于图像中的边缘、 硕士学位论文 m a s t e r st h e s j s ， 卜口l ：吼，l 彳= l 口2 1 口2 2 口2 3l ( 2 1 1 b ) l 口3 l 口3 2 口3 3j 其中彳表示混和矩阵是未知的。如何从混和后的观测信号x 找到源信号s ，这 就是盲源分离问题。盲是指源信号位置、混和系统都是未知的。 为了使问题简单化，假设由位置系数所构成的系数矩阵是可逆的。则由它的 逆矩阵矿可得到位置的源信号： ( 2 1 2 ) 其中s y ，形= 彳一。 那么独立成分分析面临的问题就是如何求得混和系数矩阵彳的逆矩阵形。已经 有人证明，在满足一定的假设条件下，可以通过某些特殊的方法求得该问题的一个 解【9 - 1 4 1 。这些条件如下， ( 1 ) 源信号的各个分量在统计上是独立的； ( 2 ) 混和矩阵是列满秩的常数矩阵； ( 3 ) 源信号是非高斯的信号或最多只有一个是高斯信号。 条件( 1 ) 是解决i c a 问题的关键，通常源信号都是从不同的物理系统产生的， 因此该假设具有一定的现实意义。条件( 2 ) 实际上是为了保证观测信号的个数不 小于源信号的个数，且i c a