（计算机应用技术专业论文）基于svd分解和傅立叶梅林变换的零水印技术研究.pdf

北京化丁大学硕士研究生学位论文 基于s v d 分解和傅立叶一梅林变换的零水印技术研究 摘要 信息隐藏是信息安全领域的一个重要分支，其中的数字水印技术 是目前的研究热点，在数字作品版权保护等领域可发挥重要的作用。 本文在介绍传统鲁棒型图像水印理论的基础上，对零水印概念和算法 进行了深入研究，利用零水印解决传统水印的不可见性与鲁棒性之间 的矛盾，设计实现了基于s v d 分解的零水印算法和基于傅立叶梅林 变换的零水印算法，并通过一些常见的图像攻击实验验证了算法的性 能。本文的研究成果主要表现在以下两个方面： ( 1 ) 基于s v d 分解的零水印算法。该算法利用s v d 分解提取分 块图像的最大奇异值作为图像特征构造零水印。实验证明，该算法不 仅解决了传统水印的不可见性与鲁棒性之间的矛盾，与传统的基于 s v d 分解的水印算法相比，还提高了对各种攻击的鲁棒性。 ( 2 ) 基于傅里叶梅林变换的零水印算法。该算法利用傅里叶梅 林变换的系数作为图像特征构造零水印。实验证明，该算法扩充了水 印容量，同时大大提高了对几何攻击的抵抗力。 零水印技术需要通过注册机制实现版权保护功能。作为数字水印 的一个新的发展方向，零水印的算法研究与机制建立有待完善，但其 不改变载体数据的特性为数字水印的实际应用提供了新的方向。 关键词：数字水印零水印s v d 分解傅立叶一梅林变换 北京化工大学硕士研究生学位论文 r e s e r c ho nz e r o w a t e r m a r l ( i n ga l g o r i t h m s b a s e do ns v do rf o u r i e r m e l l i nt r a n s f o r m a b s t r a c t d a t ah i d i n gi sa ni m p o r t a n tb r a n c ho fi n f o r m a t i o ns e c u r i t yt h e o r y , i n w h i c h d i g i t a lw a t e r m a r k i n g i s ah o tr e s e a r c h d i r e c t i o n d i g i t a l w a t e r m a r k i n gw i l lp l a ya ni m p o r t a n tr o l e i nt h ea r e ao fd i g i t a lw o r k c o p y r i g h tp r o t e c t i o n t h e o r yo ft r a d i t i o n a lr o b u s td i g i t a lw a t e r m a r k i n gi n i m a g e si si n t r o d u c e df i r s t l y , a n dt h e nt h ec o n c e p ta n da l g o r i t h m so f z e r o w a t e r m a r k i n ga r es t u d i e dm a i n l y t h ec o n f l i c tb e t w e e ni n v i s i b i l i t ya n d r o b u s t n e s si sa v o i d l e s si nt r a d i t i o n a lw a t e r m a r k i n g ，b u ts o l u t i o nc a nb e g i v e nb y z e r ow a t e r m a r k i n g z e r 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 ns v d a n df m t ( f o u r i e r - m e l l i nt r a n s f o r m ) a r ed e s i g n e di nt h i sp a p e r t h eg o o d p e r f o r m a n c eo ft h et w oa l g o r i t h m si sv e r i f i e db ys o m ec o m m o ni m a g e p r o c e s s i n ga n da t t a c ke x p e r i m e n t s z e r 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 ns v de x t r a c t sm a xs i n g u l a r v a l u eb ys v do fb l o c k e di m a g ea si m a g ef e a t u r et oc o n s t r u c tz e r o w a t e r m a r k i n g t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tn o to n l yc o n f l i c to f i n v i s i b i l i t ya n dr o b u s t n e s si sa v o i d e d ，b u ta l s ot h ea l g o r i t h mi sm o r er o b u s t a g a i n s t s o m ec o m m o n l yi m a g ea t t a c kt h a nt r a d i t i o n a l w a t e r m a r k i n g a l g o r i t h mb a s e do ns v d i i 北京化丁大学硕上研究生学位论文 z e r o w a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m s b a s e do nf m tc o n s t r u c t sz e r o w a t e r m a r k i n gw i t ht h ef a c t o ro ff m t t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t t h e a l g o r i t h me x p a n d sc a p a c i t yo fw a t e r m a r k i n gw h i l ee n h a n c e st h e r e s i s t a n c ea g a i n s tg e o m e t r i ca t t a c k z e r ow a t e r m a r k i n gn e e d sar e g i s t r a t i o ns y s t e mt or e a l i z ec o p y r i g h t p r o t e c t i o n i ti sa n e wd i r e c t i o no f d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ，a n dt h er e s e a r c ho f a l g o r i t h ma n dt h ee s t a b l i s h m e n to fr e g i s t r a t i o ns y s t e ms t i l ln e e dt ob e i m p r o v e d n e v e r t h e l e s st h ec h a r a c t e rt h a ti td o e s n tm o d i f yo r i g i n a ld a t a p r o v i d e san e wm e t h o df o rt h ea p p l i c a t i o no fd i g i t a lw a t e r m a r k i n g k e y w o r d s ：w a t e r m a r k i n g ，z e r ow a t e r m a r k i n g ，s v d ，f m t i i i 北京化工大学硕士研究生学位论文 北京化工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：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。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者签名：企登嶙 日期： 沙苔1 1 ，易 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工大 学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，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 以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名：盒鍪嗑日期：鎏彗：坐! 垒： 导师签名：殛型i日期：兰监：堡! 笸 北京化工大学硕上研究生学位论文 1 1 数字水印技术概述 第一章绪论 数字水印是上世纪9 0 年代提出的一个概念，一般来说，数字水印是指向多 媒体数据( 如图像、声音、视频信号等) 中添加某些数字信息( 水印) ，在不影 响原数据的视听效果的前提下实现数据扩充、版权鉴定等功能。 数字水印不同于传统的加密，因为其目的不在于限制正常的资料存取，而在 于保证水印信息不被侵犯和发现。另外，数字水印必须考虑水印信息在经历各种 环境、操作之后，仍具有免遭破坏的能力。因此，数字水印技术必须考虑正常的 信息操作所造成的威胁，即要使水印信息对正常的数据操作技术具有免疫能力。 这种免疫力的关键是要使水印信息部分不易被正常的数据操作( 如通常的信号变 换操作或数据压缩) 所破坏。 根据数字水印的目的和技术要求，数字水印应具有如下的特性l b 4 ： ( 1 ) 鲁棒性( r o b u s m e s s ) 指不因图像文件的某种改动而导致水印信息丢失的 能力。鲁棒性是一个技术术语，简单而言，就是指一个数字水印应该能够承受大 量的、不同的物理和几何失真，包括有意的( 如恶意攻击) 或无意的( 如图像压 缩、扫描与复印、噪声污染、d a 或a d 转换、尺寸变化等等) 。在经过这些操 作后，鲁棒的水印算法应仍能从水印图像中提取出嵌于其中的水印或证明水印的 存在。如果不掌握水印的所有有关知识，数据产品的版权保护标志就很难被伪造。 若攻击者试图删除水印则将导致产品的彻底破坏。 ( 2 ) 不可检测性( i n d e f e c t i b i l i t y ) 指隐蔽载体与原始载体具有一致的特性。如 具有一致的统计噪声分布等，以便使非法拦截者无法判断是否有隐蔽信息。水印 用统计方法也是不能恢复的，如对大量的用同样方法和水印处理过的信息产品即 使用统计方法也无法提取水印或确定水印的存在。 ( 3 ) 透明性( i n v i s i b i l i t y )利用人类视觉系统或人类听觉系统属性，经过一系 列隐藏处理，使目标数据没有明显的降质现象，而隐藏的水印信息却无法人为地 看见或听见。 ( 4 ) 安全性( s e c u r i t y ) 指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。 ( 5 ) 自恢复性( s e l f r e c o v e r y ) 由于经过一些操作或变换后，可能会使原图 产生较大的破坏。如果只从留下的片段数据，就能恢复隐藏信号，而且恢复过程 北京化工人学硕十研究生学位论文 不需要宿主信号，这就是所谓的自恢复性。 ( 6 ) 可证明性( p r o v a b l e ) 。水印能够为受到保护的图像的归属提供完全可靠 的证明。在需要的时候，水印检测算法能够识别并提取嵌入在保护对象中的所有 者的相关信息。水印能够用来判别对象是否受到保护，并能监视被保护对象的传 播、真伪鉴别以及非法拷贝控制等。因此一个好的水印算法应该能够提供完全没 有争议的版权证明，在这方面还需要做很多工作。 数字水印的最初思路是利用计算机将古老的信息隐藏技术在多媒体数据中 实现，其发展基本动力是版权保护。具体的做法是利用水印算法识别被嵌入到保 护对象中的所有者的有关信息( 如注册的用户号码、产品标志或有意义的文字等) 并能在需要的时候将其提取出来，用来判定多媒体数据的版权。随着水印技术的 发展，人们还发现数字水印还有些如秘密通信、标志隐含、盗版跟踪等其它的一 些重要用途。 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。 数字水印的基础研究主要集中在鲁棒水印算法、水印容量等方面。9 0 年代 中期，研究人员采用通信理论模型，将原始图像中有意无意的攻击看作噪声，特 别是将扩频通信理论引入后，水印的鲁棒性大大提高，随后提出结合感知模型、 自适应的鲁棒水印算法。也有研究人员提出矢量量化和基于奇异值分解的鲁棒水 印算法，通过理论分析和实验证明具有很好的鲁棒性。在不同鲁棒性算法中，水 印容量分析相当重要，因为这是应用中首先需要明确的问题目前结合信息论、 通信理论来分析容量范围，成为了当前研究热点之一。 1 2 数字水印技术的分类 数字水印技术可从以下几种不同角度进行划分【5 。1 0 】： 按水印特性划分为鲁棒水印和脆弱水印。鲁棒水印主要用于在数字作品中标 识著作权信息，需要嵌入的水印能够抵抗常见的编辑处理、图像处理和有损压缩， 2 北京化工人学硕上研究生学位论文 在历经恶意或非恶意攻击后水印不被破坏，仍能检测出来进行认证。而后者主要 用于完整性保护，与鲁棒水印的要求相反，脆弱水印必须对信号的改动很敏感， 人们根据脆弱水印的状态就可以判断数据是否被篡改过。 按水印所附载的载体数据可划分为图像水印、音频水印、视频水印、文本水 印以及用于三维网格模型的网格水印等。随着数字技术的发展，会有更多种类的 数字媒体出现，同时也会产生相应的水印技术。 按水印的检测过程划分为非盲水印、半盲水印和盲水印。非盲水印也叫明文 水印，在检测过程中需要原始数据和原始水印，其鲁棒性较强，但实用中受到存 储成本的限制。半盲水印检测中需要原始水印，而盲水印的检测只需要密钥，不 需要原始水印。盲水印的应用更为广泛，尤其是在无法获得原图像的网络应用方 面，但对于水印技术的要求较高。 按水印内容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也是 某个数字图像或数字音频片断的编码，其特点是在水印经过攻击受损后，人们仍 可通过视觉观察确认是否有水印。无意义水印为随机码，通过统计决策来确定信 号中是否包含水印。 按水印用途划分为版权保护水印、篡改提示水印、票据防伪水印和隐蔽标识 水印。版权保护水印是数字作品的拥有者希望在数字作品中加入能够标志版权信 息的水印，并进行商业性的应用，在经过各种有意或无意的攻击后仍然可以提取 以确认数字作品的归属问题，如果水印遭到破坏难以检测，则版权保护失败。篡 改提示水印是利用图像中的水印来保护图像内容的完整性，对篡改的内容进行标 注提示，并且需要能够抵抗常见的有损压缩。票据防伪水印是一类比较特殊的水 印，主要用于打印票据和电子票据的防伪，历经印刷、打印、扫描过程后能将 水印检测出来，需要防止的是复制后水印不再存在。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。它要求隐藏 的数据量较大。 按水印隐藏位置划分为空间域数字水印和变换域数字水印。空间域水印是直 接在信号空间上叠加水印信息，而变换域水印则是在变换域( 如d c t 、d w t 、f f t 域等) 、分形域上隐藏水印。随着数字水印技术的发展，各种水印算法层出不穷， 水印的隐藏位置也不局限于上述几种。应该说，只要构成种信号变换，就有可 能在其变换空间隐藏水印。 按水印可见程度划分为可见水印和不可见水印。可见水印一般以较淡或半透 明图案的形式存在于数字图像、视频或文本中，它在数字作品中产生明显地可以 察觉的变化，但不会严重影响原始数字作品的本来面目。而不可见水印则隐秘地 存在于数字作品中，当发生侵权行为时，可从侵权人持有的数字作品中提取出来 3 北京化工大学硕l 研究生学位论文 以确认该作品的归属。目前对于不可见水印的研究相对较多。本文也是研究不可 见水印。 1 3 数字水印技术的应用 数字水印技术的最初目的是为了实现数字作品的版权保护，随着研究的不断 深入，其应用领域得到了极大扩展，在许多方面正发挥着越来越重要的作用。概 括起来，数字水印技术目前主要应用在以下几个方面【1 1 1 2 】： 1 3 1 版权保护 计算机技术的发展使得数字产品的拷贝、修改非常容易，而且与原作完全相 同，数字产品的版权保护是当前的热点问题，也是迫切需要解决的问题。数字水 印技术是数字产品版权保护的重要手段，可以用来公证地解决版权纠纷问题。数 字水印在版权保护方面主要有三个作用：一是对盗版者是一种威慑，二是在发生 版权纠纷时为版权所有者提供有力的证据，三是在发现盗版的同时，能够找到为 盗版者提供原版资料的用户。 1 3 2 拷贝保护 数字产品的拷贝问题是其面临的根本问题。数字水印可以用来说明数字产品 的数据被拷贝的情况，从而控制数据能否被拷贝或限制被拷贝的次数。在多媒体 发行系统中，数字水印可以用来禁止未被授权的用户拷贝数据。例如，在防拷贝 系统中，将数字水印嵌入数据中，播放机通过检测数据中水印信息来判断其是否 合法和能否拷贝。带有数字水印检测功能的播放器将不允许重放或拷贝带有“禁 止拷贝 水印的数据，允许拷贝带有“一次拷贝”水印的数据，但不允许再进行 二次拷贝。 4 北京化工大学硕十研究生学位论文 1 3 3 盗版跟踪 盗版跟踪的目的是传输合法授权者的信息而不是数据来源者的信息，主要用 来识别数据单个发行拷贝。这很像软件的序列号，对监控和跟踪流通数据的非法 拷贝非常有用。这一类应用是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”。数字指纹一般不能避免非授权使用，但可以检测非授权的使用。 数字指纹可进行版权保护，而且是一种比较容易且有效的版权保护方法。 1 3 4 真伪鉴别 真伪鉴别的目的是对数据的修改进行检测，可以通过易损水印来实现，一般 是利用水印信息的完整性来证明图片的真实性。如果数码相机使用惟一固定的水 印标识，就会在它拍摄的照片中嵌入数字水印，之后对该照片的任何修改都会破 坏数字水印，使用专门的检测软件就能检测出什么地方被修改了，以此来保证图 片的真实性。目前，美国、日本以及荷兰己开始研究用于票据防伪的数字水印技 术，麻省理工学院也开始研究在彩色打印机、复印机输出的图像中加入惟一的、 不可见的数字水印。 1 3 5 保密通信 数字水印实际上是种信息隐藏技术，它为保密通信开辟了新的思路。传统 的保密通信一直采用文件加密的思维模式，经过加密的文件杂乱无序，容易引起 攻击者的注意。而数字水印可以将信息隐藏在普通的文件中，不易引起注意，攻 击者一般很难检测到，即使检测到也要获得水印密钥才能提取出来。例如，可以 将一幅作战地图隐藏在一幅艺术作品中达到信息隐藏和保密通信的目的。 数字水印是基于信息隐藏理论的一种信息安全技术，应用前景广阔，既可以 用于版权保护、电子商务等方面，也可以用于保密通信、网络情报战、信息战等 领域。随着计算机网络技术的进一步发展，无论是在理论研究方面还是在实际应 用中，数字水印技术必然会得到更深入的研究和更快的发展。 5 北京化工大学硕上研究生学位论文 1 4 数字水印技术的发展和研究现状 2 0 世纪9 0 年代初期，数字水印作为一个研究课题开始受到重视。1 9 9 3 年 a z t i r k e l 等所撰写的“e l e c t r o n i cw a t e rm a r k 一文中首次使用了“w a t e rm a r k 这一术语引。这一命名标志着数字水印技术作为一门正式研究学科的诞生。后 来二词合二为一就成为“w a t e r m a r k ”，而现在一般都使用“d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ” 一词来表示“数字水印 。现在我们所说的“水印 一般指的都是数字水印。数 字水印技术自9 3 年被提出以来，由于其在信息安全和经济上的重要地位，发展 较为迅速，世界各国的科研机构、大学和商业集团都积极的参与或投资支持此方 面的研究。如美国财政部、美国版权工作组、美国洛斯阿莫斯国家实验室、美国 海陆空研究实验室、欧洲电信联盟、德国国家信息技术研究中心、日本n t t 信 息与通信系统研究中心、麻省理工学院、南加利福尼亚大学、剑桥大学、瑞士洛 桑联邦工学院、微软公司、朗讯贝尔实验室等都在进行这方面的研究工作。 在2 0 世纪9 0 年代末期国外一些公司开始正式地销售水印产品。在图像水印 方面，美国的d i g i m a r e 公司率先推出了第一个商用数字水印软件，而后又以插 件形式将该软件集成到a d o b e 公司的p h o t o s h o p 和c o r e ld r a w 图像处理软件中。 该公司还推出了媒体桥( m e d i a b r i d g e ) 技术，利用这项技术用户只要将含有 d i g i m a r c 水印信息的图片放在网络摄像机( w e bc a m e r a ) 前，媒体桥技术就可以 直接将用户带到与图像内容相关联的网络站点。a l p v i s i o n 公司推出的l a v e l l t 软 件，能够在任何扫描的图片中隐藏若干字符，这些字符标记可以作为原始文件出 处的证明，也就是说，任何电子图片，无论是用于w o r d 文档、出版物，还是电 子邮件或者网页，都可以借助于隐藏的标记知道它的原始出处。a l p v i s i o n 的 s a f e p a p e r 是专为打印文档设计的安全产品，它将水印信息隐藏到纸的背面，以 此来证明该文档的真伪。欧洲电子产业界和有关大学协作开发了采用数字水印技 术来监视复制音像软件的监视系统，以防止数字广播业者的不正当复制的行为。 随着技术信息交流的加快和水印技术的迅速发展，国内的数字水印技术也取 得了良好的发展【1 4 d5 1 ，如：哈尔滨工业大学的孙圣和、牛夏牧、陆哲明等，天津 大学的张春田、苏育挺等，北京邮电大学的杨义先、钮心忻等，中国科学院自动 化研究所的刘瑞祯、谭铁牛等，他们是国内较早投入水印技术研究且取得较好成 绩的科研单位及个人。国家对信息安全产业的健康发展也非常的重视，在2 0 0 3 年的科技型中小企业技术创新基金若干重点项目指南中，明确指出了对于“数 字产品产权保护( 基于数字水印、信息隐藏、或者网络认证等先进技术) ”和“个 性化产品( 证件) 的防伪( 基于水印、编码等技术) ”等多项防盗版和防伪技术 6 北京化工人学硕l 研究生学位论文 予以重点支持。现在国内已经出现了一些生产水印产品的公司，其中比较有代表 性的是由中科院自动化研究所的刘瑞祯、谭铁牛等人于2 0 0 2 年在上海创办了的 一家专门从事数字水印、多媒体信息和网络安全、防伪技术等软硬件开发的公司 一上海阿须数码技术有限公司，公司现从事数字证件、数字印章、p d f 文本、图 像、视频、网络安全等多方面数字水印技术的研究。水印公司的创办使得数字水 印技术在国内不仅仅只停留在理论研究的层面上，而是逐步走上了实用化和商业 化的道路。 1 5 零水印概念 根据传统的数字水印概念我们知道：将信息嵌入到宿主信息中，这就不可避 免的使得鲁棒性和不可感知性发生一定的冲突。因为，不可感知性要求嵌入的信 息尽可能少，且尽可能小地改变数据，而鲁棒性则希望尽可能多嵌入信息，使得 数字水印的能够抵抗一定的攻击。因此，这就形成了传统数字水印中鲁棒性与不 可见性之间的矛盾。 为了解决这个矛盾，吉林大学的温泉等于2 0 0 1 年提出“零水印”概念【l b 埔】， 其基本思想是：改变传统水印算法的水印与原始图像间“嵌入式”的关系，而是 从原始图像中提取出图像特征，并将图像特征与作者信息相结合形成“提取式 的数字水印。由于水印的形成不影响原图像，所以从根本上解决了数字水印鲁棒 性与不可见性之间的矛盾以及水印容量问题。 1 6 本文工作及论文结构 1 6 1 本文的主要工作及创新 如前所述，不可见性和鲁棒性是数字水印的两个基本特征，即嵌入水印后图 像应与原始图像在视觉上差别不大且经过信号处理后应能够提取出较完整的水 印。而目前数字水印技术存在的一些主要问题在于： ( 1 ) 不可见性和鲁棒性固有的矛盾性无法调和，导致了性能上的瓶颈。 ( 2 ) 很多数字水印算法的抗几何攻击能力不强，即对于几何失真的图像不 7 北京化工大学硕l 二研究生学位论文 能很好的提取出水印。 ( 3 ) 传统的嵌入式水印虽然对原始的数字图像影响很小，但还是改变了原 始信息，对原始图像来说是具有伤害性的。 基于以上几点，本文针对零水印技术，研究了基于s v d 分解和傅立叶梅林 变换的新的数字水印算法，并通过常见的图像处理攻击实验验证了算法的性能。 本文研究结果具有如下优点： ( 1 ) 基于零水印的水印算法具有天生的不可见性，同时水印与图像分离， 无法对水印直接攻击，极大地提高了水印的鲁棒性。 ( 2 ) s v d 分解和傅立叶- 梅林变换在原理上就具有抗几何失真的特性，基于 该原理的水印算法有很好的抗几何攻击能力。 ( 3 ) 由于零水印不直接在原图中嵌入水印，故不对原图造成任何损伤。 ( 4 ) 由于零水印的原图无关性，使得水印的容量得到极大地提升。 1 6 2 论文的组织结构 文中每章的具体内容如下： 第一章介绍数字水印技术产生的背景、数字水印技术的应用、数字水印技术 的现状以及本论文的主要内容。 第二章主要是对传统数字水印和零水印基本知识的介绍。在这一章中首先就 传统水印的一般系统模型、基本算法、特点、分类与用途等方面对数字水印技术 基本知识作了概括性的总结与分析，对传统数字水印的嵌入、提取与检测以及相 关技术进行了总结和探讨，并列举了当前几种主要水印算法的处理策略。然后介 绍了零水印技术的相关知识，包括零水印技术的产生背景、流程分析和主要应用 方向。 第三章和第四章分别研究了基于s v d 分解和傅立叶梅林变换的零水印算 法。通过对算法原理、流程、水印的生成和提取深入讨论了算法的特性，并验证 了水印的鲁棒性。 第五章总结了全文所做的工作，并对未来的数字水印技术做出了展望。 8 北京化工大学硕士研究生学位论文 第二章传统数字水印与零水印 2 1 传统数字水印 传统数字水印技术是通过一定的算法将一些标志性信息直接嵌到多媒体内 容当中，但不影响原内容的价值和使用，并且不能被人的知觉系统觉察或注意到。 水印信息可以是作者的序列号、公司标志、有特殊意义的文本等，可用来识别文 件、图像或音乐制品的来源、版本、原作者、拥有者、发行人、合法使用人对数 字产品的拥有权。与加密技术不同，数字水印技术并不能阻止盗版活动的发生， 但它可以判别对象是否受到保护，监视被保护数据的传播及其真伪鉴别和非法拷 贝、解决版权纠纷并为法庭提供证据州。 2 1 1 传统数字水印的基本模型 为了给攻击者增加去除水印的难度，目前大多数水印制作方案都采用密码学 中的技术，加密包括公开密钥、私有密钥体系来加强，在水印的嵌入、提取时采 用一种密钥，甚至几种密钥联合使用。 图2 1 为水印信号嵌入模型，其功能是完成将水印信号加入原始数据中。该 模型的输入是水印载体数据和一个可选的密钥，输出是添加了水印的数据。密钥 可用来加强安全性，以避免未授权方恢复和修改水印，当密钥为公钥和私钥时， 嵌入水印的技术通常分别称为公开水印技术和秘密水印技术【2 。 由图2 1 可以定义水印嵌入过程的通用公式： l = e ( i ，w ，k ) ( 2 1 ) 其中，厶表示嵌入水印后的数据，j 表示原始载体数据，矿表示原始水印信 息，k 表示密钥集合。这里密钥k 是可选的。嵌入前为了提高水印的安全性和不 可见性往往会对载体数据进行预处理。载体数据是图像时，图像置乱是一种常用 预处理方法，其功能是将图像中象素的位置或者象素的颜色“打乱”，将原始图 像变换成一个杂乱无章的新图像，它是一种可逆的变换。经过图像置乱用处理后， 一方面加强了水印图像对剪切等处理的抵抗性；同时也使水印有更强的保密性， 即使盗版者提取出水印也无法恢复。数字图像置乱技术包括基于a r n o l d 变换、 9 北京化t 大学硕十研究生学位论文 幻方、h i l b e r t 曲线、g r a y 码变换的方法。也可用其它的一些方法对原始水印信 号进行预处理，如纠错编码等，以增强水印算法的鲁棒性。 图2 - 1 水印信号嵌入模型 f i g 2 - 1e m b e d d i n gm o d e l 水印嵌入就是把水印信号加到载体数据中，嵌入准则可以是加法嵌入、乘法 嵌入等： 1 加法嵌入：直接将水印信号加入载体数据中。 2 乘法嵌入：将水印信号加入载体数据时，按加入的位置不同选取不同的 嵌入强度作为加权值。这样可以使得水印信号自适应的嵌入到载体信息中，以达 到最好的效果。 图2 2 描述了一般的水印信号恢复和检测模型，用以判断某一数据中是否含 有指定的水印信号。该模型的输入是嵌入水印的数据、密钥，以及原始数据和( 或) 原始水印，输出是水印或某个判决数值。 由图2 2 可以定义水印检测过程的通用公式为： w d ( 1 w ，w ，k ) ( 2 2 ) 其中，缈表示估计水印，d 为水印检测算法，厶表示在传输过程中受到 攻击后的水印载体数据。 1 0 北京化工大学硕士研究生学位论文 图2 - 2 水印信号恢复模型 f i g 2 - 2d e t e c t i n gm o d e l 检测水印的手段可以分为两种：一是在有原始信息的情况下，可以做嵌入信 号的提取或相关性验证；二是在没有原始信息情况下，必须对嵌入信息做全搜索 或分布假设检验等。如果信号为随机信号或伪随机信号：证明检测信号是水印信 号的方法一般就是做相似度检验。水印相似度检验的通用公式为： s i r e ：丝；二一 ( 2 一= 芦= = = = = = = ：7 = = = = = =l j ， 4 r r 木w 士4 w 木w 其中，矿表示估计水印，矿表示原始水印，s i m 表示形与矿的相似度。 2 1 2 传统数字水印的主要算法 数字水印是一门新兴的交叉学科技术，结合了信息隐藏、计算机、信号学、 通信科学、密码学等领域的大量相关知识。同时数字水印技术在多媒体领域的各 个方面均可应用。这就使得不同专业领域的研究者在针对不同需求和侧重点的研 究中各自有其独特的研究角度。本文中仅讨论用于图像版权保护的鲁棒性水印。 图像水印算法大致可以分为两类：空域水印和频域水印。后者通常也称为变 换域水印，目前很多新的水印算法都是基于变换域的。 2 1 2 1 空间域数字水印算法 ( 1 ) 最低有效位算法( l e a s ts i g n i f i c a n tb i t s - - - l s b ) 2 1 j 最低有效位算法( l s b ) 是r g v a ns c h y n d e l 等人提出的第一个数字水印算法， 是一种典型的空间域信息隐藏算法。l s b 算法是将信息嵌入到随机选择的图像点 中最不重要的像素位上，由于低位所代表的能量很少，改变低位对图像的质量没 有太大的影响，从而使嵌入的水印不可见。常用的l s b 算法有两种：一是将图 北京化工大学硕士研究生学位论文 像的l s b 用伪随机序列来代替；另一种是在l s b 中加入伪随机序列。这两种方 法均在一维空间内实现。 在进行数字图像处理和图像变换后，图像的低位非常容易改变，攻击者只需 通过简单地删除图像低位数据或者对数字图像进行某种简单数学变换就可将空 域l s b 方法加入的水印信息滤除或破坏掉，因此同变换域的方法相比，这种水 印算法的鲁棒性非常弱。尽管如此，由于l s b 方法实现简单，隐藏信息量大， 在早期互联网上公开的图像信息隐藏软件中不乏使用，并在当今隐蔽通信中仍占 有重要地位。 ( 2 ) p a t c h w o r k 算法【2 2 1 p a t c h w o r k 算法基于改变图像数据的统计特性。该算法首先随机选取n 对像 素点( 口，6 ，) ，然后增加像素对中每个a j 点的亮度值，而相应降低6 ，点亮度值， 这样使得整个图像的平均亮度保持不变，最后采用统计的方法检测水印。为增加 水印的鲁棒性，文中还把像素对扩展为小块的像素区域，通过增加一个区域中的 所有像素点的亮度值，从而相应地减少对应区域中所有像素点亮度值的方法来隐 藏信息。 p a t c h w o r k 法对j p e g 压缩、f i r 滤波及图像剪裁有一定抵抗力。但该算法 嵌入的信息量有限，对仿射变换敏感及多拷贝平均攻击的抵抗力较弱。为了嵌入 更多的水印信息，可以将图像分块，然后对每个图像块进行嵌入操作。 ( 3 ) 纹理块映射编码法拉习 纹理块映射将水印信息隐藏在图像的随机纹理区域中，利用纹理间的相似性 掩盖水印信息。隐藏块的提取相当容易，只需做一个原始图像的反向切片( 所有 像素点x t 都由2 5 5 一五代替) ，然后将它与水印图像按像素相加，这样当水印部 分与此切片相重合时就会出现黑色的块，而非水印部分则为白色。但是这种方法 并不适用于所有图像，只适用于那些拥有大面积纹理的图像。该算法对滤波、压 缩和扭转等操作具有抵抗能力，但不能自动完成，需要人工干预，水印受剪切操 作的影响很大。 2 1 2 2 变换域数字水印算法 空域算法的最大缺点是鲁棒性差，很难抵抗包括有损压缩、低通滤波等在内 的各种攻击。另外，空域中加入水印的算法只能嵌入很小的数据量。而图像的频 域算法可以嵌入大量的比特而不引起可察觉的降质，当选择改变中频或低频分量 来加入水印时，鲁棒性可以大大提高。常用的频域水印算法有d c t 、小波变换、 f o u r i e r - m e l l i n 、分形、其他变换域等。 ( 1 ) 基于扩频技术的算法【2 4 】 扩频通信( s p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o n ) 技术中以c o x 等人提出的扩频方法 1 2 北京化工人学硕r 上研究生学位论文 较具代表性。该算法旨在兼顾水印信息的不可见性和鲁棒性，它的一个重要贡献 在于提出水印应嵌入到图像信息感知重要的部分，以达到提高水印鲁棒性的目 的。它利用随机数发生器产生标准正态序列作为水印信息，对图像进行整体d c t 后，将水印叠加到d c t 域中幅值最大的前l 个系数上( 不包括直流分量) ，通常 为图像的低频分量。若d c t 系数的前l 个最大分量表示为d = 碱 ，i = 1 ，三， 水印是服从高斯分布的随机实数序列w = w ) ，江l ，l ，那么水印的嵌入算法为 d ，= 盔+ 口4 心，其中常数口为尺度因子，控制水印添加的强度。然后用新的系 数做反变换得到含水印图像。在检测水印的时候利用相关性检验以确定水印存在 与否。该方法即使当含水印图像经过一些通用的几何变形和信号处理操作而产生 比较明显的变形后，仍然能够提取出一个可信赖的水印。r gw o l f g a n g 提出了 一种具有代表性的基于小波变换的扩频水印算法，该算法先生成一个似u 的伪 随机序列，其容量的大小根据视觉模型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 ) 来决定。 用正交小波对原始图像进行4 级分解，然后对所有分解后的子图像计算该子图所 对应的j n d 阈值，再对分解后的子图嵌入水印，最后是小波逆变换，合成一张 嵌入水印的新图。该算法的检测仍然采用相关检测技术，因此需要原始图像。该 算法保证了水印的不可见性又具有一定的鲁棒性。 ( 2 ) d f t 域水印算法【2 副 傅立叶变换是一种经典而有效的数学工具，d f t 域的算法有利于实现水印 的仿射不变性，且可利用变换后的相位信息嵌入水印。基于傅立叶变换域的水印 方法抗几何攻击的性能比较好，嵌入信息量大，信号鲁棒性也很强。q r u a n a i d h 等1 9 9 7 年首先提出把水印嵌入f o u r i e r - m e l l i n 变换域中，在这个变换域中嵌入水 印将是抗旋转、抗平移、抗缩放的。这个方法的缺点是对图像d f t 的幅度谱做 l p m 时会导致图像质量急剧下降。c - yl i n 等改进了q r u a n a i d h 的方法。他把 图像d f t 的幅度谱重采样后做l p m ，然后沿着坐标轴l o g 把幅度系数连加得到 一维函数，最后把水印加载到该函数上。这样一来，对含水印图像的旋转攻击只 不过是导致水印的一个平移操作；对含水印图像的缩放攻击只不过是导致水印能 量减弱或加强。但是，该方法检测的结果只能判定水印存在与否，并不能判断水 印受损情况。 ( 3 ) d c t 域水印算法仁6 j d c t 域水印因其计算量较小，且与国际数据压缩标准( j p e g 、m p e g 、 h 2 6 1 2 6 3 ) 兼容，便于在压缩域中实现，是目前研究最多的一种数字水印。其主 要思想是在图像的d c t 域上选择中低频系数叠加水印信号。之所以选择中、低 频系数，是因为人眼的感觉主要集中在这一频段，攻击者在破坏水印的过程中， 不可避免地会引起图像质量的严重下降，一般的图像处理过程也不会改变这部分 1 3 北京化工大学硕上研究生学位论文 数据。e k o c h 和j z h a o 首先利用d c t 分解设计水印算法。他们不是把水印加载 到整幅图像上，而是随机地选取图像的一些区域加以改动以嵌入水印。黄继武等 人提出了一种自适应水印算法，即将原始图像分块，并设计了一种基于视觉掩蔽 特性的分类器，根据分类的结果，不同强度的水印分量被嵌入到不同图像块的 d c t 低频系数中。c i p o d i l c h c k 和w z e n g 提出的自适应数字水印算法沿用c o x 算法设计基本思路，引入了d c t 域人眼视觉感觉模型j n d ，利用j n d 来确定在 图像的各个部分所能容忍的水印信号的最大强度，从而能避免水印信号对视觉质 量的破坏。此算法使水印的嵌入具有一定的自适应能力，从而提高嵌入水印信息 的抗攻击能力。 ( 4 ) d w t 域水印算法【2 7 】 由于m p e e - 4 及j p e c r - - 2 0 0 0 压缩标准的公布，基于小波域的水印算法也 越来越多。小波变换应用到数字水印中的基本思想就是把数字图像进行多分辨率 分解，分解成不同空间、不同频率的子图像，然后再根据各个子图像的特点有针 对性的进行处理。在小波域嵌入水印的优点是：可以防止由于j p e g 有损压缩而 造成的水印消除；可以利用信源编码领域对图像失真的可见性研究成果控制水印 的嵌入位置和强度：可以实现在压缩域直接嵌入水印。同时，利用小波多分辨分 析可以更好地控制水印在宿主中的分布，更好地解决鲁棒性和不可见性之间的矛 盾。除此之外，小波的多分辨分析与人眼视觉特性是一致的，这对根据h v s 选 择适当的水印嵌入位置和嵌入强度有很大的帮助。周四清等将h v s 与图像的 d w t 多分辨分解相结合，将水印嵌入到图像小波分解的各个中高频带，频带的 选择和嵌入的水印由密钥确定，并实现了水印的盲检测。x i a 等提出了一种基于 小波变换的分层水印提取算法，分层提取的目的是当含水印图像失真不严重时节 约计算时间。王卫卫等利用小波系数自身的特点和各层小波系数之间的树结构关 系对最低频逼近系数进行分类，一类对应于强纹理区域，另一类对应于弱纹理区 域，对不同类采取不同的嵌入对策，以保证水印的不可见性。牛夏牧等提出了一 种基于多分辨率分解的水印技术。该算法利用图像的多分辨率分解技术，将相同 分辨率层次的灰度级二维图像水印嵌入到小波变换后的相同分辨率层次的原始 静态图像中，使水印对原始图像具有自适应性。同时利用伪随机编码技术，实现 水印信息的伪随机分布以增强水印的保密性。由于水印的嵌入过程是基于图像的 不同分辨率层次之间的关系，所以水印的提取不需要原始图像。近年来，基于小 波域的水印算法层出不穷，这已成为研究热点并取得了令人振奋的发展。 ( 5 ) 分形域水印算法【2 副 基于图像分形压缩的分形水印是由p u a t e 和j o r d a n 首先提出的。令要嵌入的 信息为b ，b ( 0 ，1 ) ，在图像中随机选取一区域块，将它分成两个相等的子区域 1 4 北京化工大学硕| 上研究生学位论文 块，给每一个子块分配1 个比特，然后进行搜索，将子块中含有相应比特值的区 域块进行编码。在恢复过程中，先对含水印图像作分形压缩，然后进行全局搜索， 被标记块的位置包含了嵌入信息。实验表明，这种水印可以有效抵抗j p e g 压缩， 当j p e g 压缩质量为5 0 时，依然可以检测出水印。该算法缺点是计算量大，速 度慢，这主要是由分形压缩所致。 空间域水印算法具有对原始图像影响小、直观、运算快捷、能够有效地利用 人类视觉系统特性等优点，缺陷是对图像尺寸变换不具鲁棒性，为了使其对剪切 变换具有鲁棒性，空间域方法不得不重复地将同类信息内嵌到图像的不同区域。 空间域方法追求简捷、高效，在安全性要求不高的场合得到了广泛的应用。与空 间域的数字水印方法相比较，变换域的数字