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基f 信道编码和发射分集技术的数字水印算法的研究 摘要 摘要 本文对信息隐藏的基本特征和基本模型进行了简单的介绍，总结了数字水印 的几种主要算法，并比较它们各自的特点。选择具体水印算法应该结合水印体制 的具体应用领域。一个好的水印系统必须建立一个可靠而计算简单的感知模型， 本文对水印系统的质量和保真度性能评估方法进行了描述。在此基础上提出了结 合纠错码和发射分集技术的空域水印系统，并分析了其容量和鲁棒性。 为了使水印具有更好的鲁棒性，我们研究了卷积码和t u r b o 码的性能以及在 水印系统中实现的可行性，并以信息论为基础，将水印系统建模成通信过程，提 出了一种空域水印算法与纠错码相结合的水印体制。此外，我们借鉴了无线移动 通信中的发射分集技术，使水印通过不同的独立信道进行传输，希望通过冗余来 提高水印提取的准确度，防止单一信道在严重衰减情况下丢失信息。在水印嵌入 过程中我们采用h i l b e r t 扫描顺序，并对人类视觉系统( h v s ) 建立一个计算上 较为简单的模型，作为水印的掩模。水印提取不需要获取原始图像，即实现了盲 提取。对于卷积码编码采用v i t e r b i 译码和软判决相结合的译码模式；而对t u r b o 码编码则采用多次迭代的最大后验概率译码( m a p ) 算法，两种编码都很大程度上 降低了译码的误码率。该水印体制较目前的水印体制在水印容量上有较大的提 高，同时抵抗信道二1 二扰和攻击的性能也大为改善。我们采用s t i r m a r k 4 0 水印攻 击标准对我们的算法进行鲁棒性测试，实验数据表明信道编码和发射分集技术相 结合的水印系统克服了目前空域水印系统抗攻击力弱的缺点，能够抵抗正常的图 像处理。该算法的时问复杂度小，能做到实时提取水印，所以该算法可以考虑进 一步移植到视频水印体制中。 最后，我们结合水印发展现状对本文的算法进行了总结，并提出了数字水印 研究进一步的研究方向。 关键词：信息隐藏，数字水印，卷积码，t u r b o 码，发射分集，隐藏容量，鲁棒 性 i i i 基于信道编码和发射分集技术的数字水印算法的研究 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i st h e s i sg i v e st h ei n t r o d u c t o r yo fd a t ah i d i n ga n dd i s c u s s e st h ec h a r a c t e r i s t i c sa n d v a r i o u sa l g o r i t h m so fw a t e r m a r k i n gs y s t e m w ed e s c r i b ean u m b e ro f a p p l i c a t i o n so f d i g i t a lw a t e r m a r k i n ga n d e x a m i n et h ec o m m d np r o p e r t i e so fr o b u s t n e s s ，t a m p e r r e s i s t a n c e ，f i d e l i t y , c o m p u t a t i o n a lc o s ta n df a l s ep o s i t i v er a t e t h e s ep r o p e r t i e sv a r y g r e a t l yd e p e n d i n go nt h ea p p l i c a t i o n e v a l u a t i o no faw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mi s d i f f i c u l tw i t h o u tf i r s ti n d i c a t i o nt h ec o n t e x ti nw h i c hi ti st ob e a p p l i e d i nt h i sc o n t e x t ， w e p r o p o s ean e ww a t e r m a r k i n gs c h e m ec o m b i n e dw i t he r r o r - c o r r e c t i n gc o d e sa n d t r a n s m i td i v e r s i t y t e c h n i q u e s i nt h i s t h e s i s ，p a r a m e t e r s a n dm e t h o d so fe v a l u a t i o n p e r c e p t u a li m p a c t o f w a t e r m a r k sa r ei n v e s t i g a t e d w ea l s os t u d yt h ec o n v o l u t i o n a lc o d ea n dt u r b oc o d e a n da n a l y z et h e f e a s i b i l i t y o ft h e i r a p p l i c a t i o n i n w a t e r m a r k i n gs y s t e m an e w w a t e r m a r k i n gs c h e m ei sp r e s e n t e df o rr g bi m a g e s ，w h i c hi sc o m b i n e dw i t ht h e t r a n s m i td i v e r s i t yt e c t m i q u e sa n dc o n v o l u t i o n a lc o d e s t u r b oc o d e si ns p a t i a ld o m a i n t h er g bt o n e so fc o l o ri m a g e sa r ec o n s i d e r e da s t h r e e s l o w l yf a d i n gc h a n n e l s m o d u l a t e d b y d i f f e r e n t p s e u d o r a n d o ms e q u e n c e s a n d i n t e r l e a v e r s ，t h es a m e w a t e r m a r ki nd i f f e r e n tf o r m si st r a n s m i t t e di nt h r e ec o l o rc h a n n e l ss i m u l t a n e o u s l y t h i ss c e n a r i om a k e su pt h ew e a k n e s si n s i n g l ec h a n n e ls c h e m e st h a ta r ep r o n et o s e v e r ef a d i n g h u m a nv i s i o ns y s t e m s ( h v s ) o ft h r e ec o l o rc h a n n e l sa r ea d a p t e d s e p a r a t e l y ，t h ee x t r a c t i o np r o c e d u r ew o r k sw i t h o u tt h eo r i g i n a li m a g ea n dt h et i m e c o s ti sl o w w eu s es t i r m a r k 4 0t ot e s tt h ep e r f o r m a n c eo fo u rs c h e m e e x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a to u rs c h e m eh a su n m i s t a k a b l ea d v a n t a g eo v e rt h o s es i n g l e - c h a n n e l s c h e m e s i t sr o b u s t n e s st o n o i s e ，j p e gc o m p r e s s i o n , c o n v o l u t i o nf i l t e r i n g ，s e l f s i m i l a r i t i e s ，a n dc r o p p i n gh a sb e e n g r e a t l yi m p r o v e d a tl a s t ，w es u m m a r i z et h e p e r f o r m a n c eo ft h en e wo p t i m i z e dw a t e r m a r k i n g s c h e m eo nt h eb a s i so f w a t e r m a r k i n gs t a t u si nq u oa n da n t i c i p a t et h ed e v e l o p m e n to f t h er e s e a r c hw o r ko f w a t e r m a r k i n g k e y w o r d s ：i n f o r m a t i o nh i d i n g ，d i g i t a lw a t e r m a r k ，c o n v o l u t l o n a lc o d e ，t u r b oc o d e t r a n s m i t d i v e r s i t y , c a p a c i t y , r o b u s t n e s s 基于信道编码和发射分集技术的数字水印算法的研究 第一章绪论 1 1 背景介绍 第一章绪论 随着多媒体技术和网络技术的迅猛发展，对图像、音频、视频等多媒体内容 的保护成为迫切需要研究的问题。对多媒体内容的保护分为两个部分：一是版权 保护，二是内容完整性( 真实性) 保护。传统加密方法对内容的保护只局限于通 信或存储，一旦解密，则毫无保护可言：传统密码学利用密码术对明文实施各种 变化，使它不为局外人所理解。这种利用随机性来对抗密码攻击的技术，在防止 他人从中得到信息具体内容的同时，也暴露了消息的重要性，因此，成为攻击者 注意的焦点，在实际应用中，这一点常常是需要极力避免的。密码学中的认证方 法对多媒体内容的保护也无能为力：一方面由于多媒体内容的真实性认证往往需 容忍一定程度的失真，而密码学中的认证方法不容许一个比特的改变；另一方面， 用于多媒体认证的认证信息往往需要直接嵌入多媒体内容中，不另外保存认证信 息，但密码学中的认证方法则需另外保存信息认证码。 由于传统密码学对多媒体内容保护能力的不足，一类新的保护方法应运而 生，即信息隐藏技术。近年来，出于对数字作品版权保护和个人隐私保护等方面 的需求，掀起了信息隐藏技术研究的热潮。信息隐藏技术利用载体信息中具有随 机特性的冗余部分，将重要信息嵌入载体信息之中，使其不被其他人发现。在实 际应用中，存在冗余信息的载体非常丰富，这一点也在客观上增强了信息隐藏技 术的隐蔽性和可行性 1 。这种通过把信息存在本身隐藏起来的技术使得攻击者 无从获取秘密信息的位置，从而增强了安全性。信息隐藏技术是将与多媒体内容 相关或不相关的一些信息直接嵌入到多媒体内容中，人的知觉系统几乎不能感知 那些被嵌入的信息。基于这些隐藏在多媒体内容中的信息，至少可以达到以下两 个目的：版权保护和内容完整性保护。 信息隐藏技术的应用非常广泛，隐写术、数字水印、计算机系统中的隐通道、 密码协议中的阈下通道、低截获概率通信等技术在保护数字作品版权和个人隐私 方面都发挥着重要作用【2 】。另外，广播加密、匿名选举、数字现金等应用中也 使用了信息隐藏技术。同时这个领域还可能出现各种增加媒体价值的新应用，例 如注释和连接内容至4w e b 。这些新的应用将被证明是最引人注目的。已经取得的 进展使这些应用成为可能：感知模型、安全威胁和对策、对有效实现的攻击手段 的开发。处理几何和时间变形的方法需要进一步的发展 3 。 信息伪装和数字7 9 e 0 1 4 都是描述将信息嵌入到伪装载体中的技术，使所传送 基于信道编码和发射分集技术的数字水印算法的研究第一章绪论 的信息不可察觉。典型的信息伪装是在通信双方进行隐蔽的点到点通信，对载体 数据的修改通常是不太健壮的，对所嵌入信息只能进行有限的保护。为了防止企 图移去隐藏的数据数字水印提出了更高的要求。 数字水印针对不同的应用对误码率有不同的要求。对于版权保护，接收方以 虚警率和误警率来衡量系统的性能。而对于隐蔽通信，则以提取水印的误码率作 为衡量标准。在本文中我们以准确的提取隐藏信息为目标，结合通信中的信道编 码技术来提高系统的容量和鲁棒性。用于版权保护的数字水印一般称为鲁棒水 印，利用这种水印技术在多媒体内容的数据中嵌入版权信息或者嵌入购买者的标 示信息( 例如产品序列号) 。在发生版权纠纷时，创建者或所有者的信息用于标 示数据的版权所有者，而产品序列号用于标示违反协议而为盗版提供多媒体数据 的用户。用于版权保护的数字水印要求有很强的鲁棒性，除了要求在一般的图像 处理( 例如：滤波、加噪、替换、压缩、折叠、弯曲和形变等) 中生存外，还需 能抵抗一些恶意攻击。目前，尚无非常有效的、普遍实用的和鲁棒的水印算法。 用于多媒体内容完整性和真实性鉴定( 即认证) 的水印一般称为易损水e p 5 ， 6 1 ，这种水印同样是在多媒体的内容中嵌入信息，当内容发生改变时，这些水印 信息会发生一定程度的改变，从而可以鉴定原始数据是否被篡改。易损水印应对 一般图像处理有较强的鲁棒性，同时要求有较强的敏感性，即：既允许一定程度 的失真，又能将失真情况揭示出来。 数字水印是涉及到计算机科学、信号与图像处理、电子工程、以及密码学的 一个相对比较新的交叉研究领域。目前对这个领域还没有形成个全面而统一的 看法。而信息时代的两大政策版权保护和状态监视促使我们对数字水印领域进 行更深入更规范的研究。 1 2 本文结构 在下一章中将介绍信息隐藏的基本内容；第三章讲述数字水印技术的基本原 理、算法及其应用；接下来的一章简要介绍信道编码中卷积码和n 盯b 0 码的基本 原理以及在数字水印中的应用；第五章详细描述基于信道编码的多通道水印机制 在时空域中的具体实现；在第六章中我们将根据大量的实验数据分析发射分集和 两种编码体制下的水印机制性能，包括水印容量、抵抗攻击鲁棒性和解码实时性； 在最后一章中将对我们的新型水印体制的性能进行总结并对数字水印研究进行 展望。 基于信道编码和发射分集技术的数字水印算法的研究 第二章信息隐藏概论 第二章信息隐藏概论 在现实生活中，人们对于信息的保密往往是求助于密码术，而计算机软硬件 技术的发展史的密码破译能力越来越强，这迫使人们对加密算法的强度提出越来 越高的要求。在许多领域，密码术的应用已经越来越显现出它的局限性。另一方 面，由于音频、视频和其他作品都能以数字形式获得，制作其完美拷贝变得非常 容易，从而可能会导致大规模非授权拷贝，这既有可能会损害音乐、电影、书籍 和软件等出版业的发展。对版权保护的这类关注引发了一个很有意义的研究方 向：寻找将版权信息和序列号隐藏到数字媒体中的方法，其目标是：通过序列号 来帮助识别版权侵犯者，而版权信息能用来检举和起诉盗版者。 2 1 基本原理 2 1 1 概念 我们通常将希望被秘密保存的信息称为嵌入对象，将用于隐蔽嵌入对象的非 保密载体称为掩体对象。掩体对象可以是掩体文本、掩体图像或掩体音频等，对 应的隐藏对象也可以是隐藏文本、隐藏图像或隐藏音频等。将嵌入对象添加到掩 体对象中得到隐藏对象的过程被称为信息的嵌入，嵌入过程中所使用的算法称为 嵌入算法。信息嵌入的逆过程，即从隐藏对象中重新活的嵌入对象的过程称为信 息的提取，也可称为信息的恢复。在提取过程中所使用的算法称为提取算法。执 行嵌入过程和提取过程的组织或个人分别被称为嵌入者和提取者。 在嵌入和提取过程中通常会使用一个秘密信息来对其进行控制，使得只有它 的持有者才能对其进行操作，这个秘密信息被称为隐藏密钥，隐藏密钥在嵌入过 程中被称为嵌入密钥，在提取过程中被称为提取密钥。通常情况下，嵌入密钥和 提取密钥是相同的，这样的信息隐藏技术被称为对称信息隐藏技术；反之，若嵌 入密钥与提取密钥不相同，则被称为非对称信息隐藏技术。 与密码术类似，我们可以将信息隐藏的研究分为隐藏技术和隐藏分析技术两 部分。隐藏技术研究的主要内容是寻求向掩体对象中秘密添加嵌入信息的方法， 而信息藏分析技术研究的主要内容则是考虑如何从隐藏对象中破解出嵌入信息， 或通过对隐藏对象的处理达到破坏嵌入信息和阻止信息检测的目的。我们将隐藏 技术的研究者称为隐藏研究者，将隐藏分析技术的研究者称为隐藏分析者。 2 1 2 模型 一个信息隐藏系统的一般化模型可以用图1 1 来表示。系统主要包括一个嵌 基于信道编码和发射分集技术的数字水印算法的研究 第二章信息隐藏概论 入过程和一个提取过程，其中嵌入过程是指信息隐藏者利用嵌入密钥，将嵌入对 象添加到掩体对象中，从而生成隐藏对象这一过程。隐藏对象在传输过程中有可 能被隐藏分析者截获并进行处理。提取过程是指利用提取密钥从接收到的、可能 经过修改的隐藏对象中恢复嵌入对象中恢复嵌入对象，在提取过程中有可能需要 掩体对象，也可能不需要。该模型中没有包括对待隐藏信息的预处理和提取后的 后处理，在有些情况下，为了提高保密性需要预先对待隐藏信息进行预处理( 例 如加密) ，恢复原始信息。 嵌 掩体对象 图1 1 信息隐藏系统的一般模型 象 图中的“对象”可以是“消息”、“图像”、“文本”等。嵌入对象是信息隐藏 嵌入过程的输入之一，只需要被隐藏在其他在体制中的对象。嵌入对象将在提取 过程中被恢复出来，但是由于隐藏对象在传输过程中有可能受到隐藏分析者的攻 击，提取过程通常只能正确恢复出原始嵌入对象的部分。掩体对象用于隐蔽被嵌 入信息的载体，在一些信息隐藏系统的提取过程中也需要掩体信息的参与。在同 一个掩体对象分别用于隐蔽多个嵌入对象时( 如数字指纹系统) 必须考虑合谋攻 击 7 。隐藏对象嵌入过程的输出，是将被嵌入对象隐藏在掩体对象中之后得出 的结果。隐藏对象应该与掩体对象具有相同的形式，并且为了达到不引人注意的 效果，通常要求二者之间的差别是不可感知的 8 。密钥在隐藏过程中可能需要 附加秘密数据。通常需要在提取过程中适用于嵌入过程中相同或相关的密钥才能 重新提取出被嵌入消息。 在这个信息隐藏系统模型还存在一个隐藏分析者，它通常位于隐藏对象传输 的信道上。隐藏分析者的目标主要有以下几点【9 】： 1 检测出隐藏对象： 2 查明被嵌入对象； 3 向第三方证明消息被嵌入，甚至指出是什么消息； 4 在不对隐藏对象作大的改动的前提下，从隐写对象中删除被嵌入对象； 5 阻塞，即删除所有可能被嵌入对象而不考虑掩体对象。 其中前三个目标通常可由被动观察实现，后两个目标通常由主动干扰实现。 我们称前者为被动攻击，后者为主动攻击。相应的攻击者分别被称为被动攻击者 4 基于信道编码和发射分集技术的数字水印算法的研究 第二章信息隐藏概论 和主动攻击者。对面向不同应用的信息隐藏系统，其攻击者的目的也不尽相同。 通常，在隐写系统中攻击者并不知道在某个数据对象中是否隐藏有秘密信息，因 此隐写系统攻击者的目的往往在于正确检测出被嵌入目标的位置；而对版权标记 系统来说，攻击者明确了解作品中含有版权标记，他们的目的就是使得标记不可 用，因此版权标记系统的攻击者都是主动攻击者。 此外，信息隐藏系统中的各对象会因研究的具体内容和所使用的技术不同而 有所不同。 2 2 基本特征 2 2 1随机性 信号的数据率与信息率是两个不同的概念，因而原始实验体对象的数据率未 必代表其信息率，可以将掩体对象的模拟值量化为n 比特，如将音频信号的数据 设为1 6 比特采样( b i t s a m p l e ) ，黑白图像的数据率设为8 比特像素。它们的平 均信息率是由它们的熵决定的，通常情况下，黑白图像的熵一般在每像素钆6 比特。这样，在利用量化数据来传递媒体信息时就存在一定冗余。显然，我们可 以利用这些冗余信息来向掩体数据中隐藏秘密信息。 假设c 是掩体对象，e 是被嵌入对象，要在一个理想的n 比特信道中传输隐 写对象，可以使得 日( e ) n 一日( c )( 2 1 ) 这样就可以利用所有可以被压缩的信息来隐藏被嵌入对象。也可以考虑隐写 对象为s ，并引入约束条件，使得及时指导了隐写对象s 和c 。( c 的一部分， 一般是掩体对象的固有的噪声) ，也无法知道嵌入对象e 的信息，这种情况可以 表示为 h ( e ) h ( c 。l s )( 2 2 ) 因此，可以被嵌入掩体对象的秘密信息的数量受攻击者在已知隐写对象的情 况下对掩体对象的不确定性的约束，这给出了信道隐写容量的一个上界。但实际 上我们更需要的是信道隐写容量的下界。 2 2 2 稳健性 影响一个信息隐藏方案稳健性的因素对于某些应用来说是比较复杂的。对合 理的基准和性能评价来说，我们必须保证所考察的方法是在可比较的条件下进行 的 1 0 ，1 1 】。通常意义上，一个稳健的版权标记系统应该具有如下特性： 1 版权标记的嵌入不应引起作品质量上的可感知退化，这意味着需要建立起个 好的质量度量标准 1 2 1 。 基于信道编码和发射分集技术的数字水印算法的研究 第二章信息隐藏概论 2 对一个标记存在性或者标记值的检测应该需要已知一个秘密信息，即版权标 记系统的安全性应依赖于隐藏密钥的存在。 3 如果一个对象中被嵌入多个标记，它们不应相互干扰，此外，如果同一作品 的不同版本在分发时分别被嵌入不同的标记，几个合法用户不能通过比较和 处理它们的拷贝来生成一个与原有标记都不同的新的拷贝，即版权标记系统 应具有抵抗合谋攻击的能力。 4 标记能够在所有对原作品感官质量上不产生退化的处理后存留在作品中，这 些处理可以包括再抽样、再量化、抖动、压缩以及它们的组合等。 在实际应用中，随作品特征和使用环境的不同，对于版权标记系统的稳健性 还有一些其他需求。迄今为止，几乎没有一种标记方案能够抵抗精心设计的稳健 性攻击，因此稳健性仍是数字水印领域需要突破的难点。 2 3 信息隐藏的主要分支 隐写术，也称为信息伪装是信息隐藏学的一个重要分支。密码学研究如何保 护消息内容，而隐写术专门研究如何隐藏实际存在的信息。隐写术的英文名词 s t e g a n o g r a p h i a 是由t r i t h e m i u s 首先构造出来的，一般认为来源于希腊文 r r r e y c t v o f 、妒口一s z u ，其含义为“被掩盖的笔迹” 1 3 ，现在通常把该词理 解为将一个信息隐藏在另一个信息之中。 与信息伪装相反，数字水印技术需要增加健壮性要求，以对抗各种可能的攻 击。在该领域中，“健壮”的定义取决于应用的场合，但一个成功的攻击只需要 使水印标记检测不出来即可。因此，健壮性在整个水印系统设计中具有非常重要 的份量。数字水印也不总是需要隐藏起来，一些应用系统中需要可见的数字水印 【1 4 】，但在文献中大多数情况下还是强调不可察觉的数字水印，因为他们的应用 范围更广泛一些。 信息伪装与数字水印的另一个根本不同点，即水印系统所隐藏的信息总是被 保护的数字对象或它的所有者有关，而信息伪装系统可以隐藏任何信息。同时， “健壮性”评判标准也不同，因为隐写术主要关注被隐藏信息的检测，而数字水 印则关注被盗版者查出的可能性。另外，伪装通信通常是点对点的，而数字水印 技术通常是一点对多点的。 基于信道编码和发射分集技术的数字水即算法的研究第三章数字水印的基本原理及其应用 第三章数字水印的基本原理及其应用 当使用载体数据的各方知道隐藏数据的存在，并且想移去它的时候，使用的 通常是数字水印而不是信息伪装。水印的一种比较常见的应用，是通过在数字产 品中嵌入版权信息来作为提供产品所有权的证据。就这种应用而言，嵌入的信息 对试图移去它的操作应该是健壮的。我们将通过介绍数字水印的基本原理和应用 来说明水印系统的特性。 3 1 数字水印的基本模型及其特征 所有水印技术算法都包含两个基本的构造模块，即一个水印嵌入系统和一个 水印恢复系统( 也称水印提取或水印解码系统) 。图3 1 描述了一个一般的水印嵌 入过程。该系统的输入是水印、载体数据和一个可选的公钥或私钥。水印可以是 任何形式的数据，比如数值、文本、图像等等。加载水印的数据可以是音频、图 像、视频、格式化文本、3 d 模型、动画模型的参数等。密钥可用来加强水印系 统的安全性，以避免未授权方恢复和修改水印。所有的实用系统至少使用一个密 钥，有的甚至是几个密钥的组合。当水印与私钥或公钥结合时，水印技术通常分 别称为秘密水印技术和公开水印技术 1 0 。水印系统的输出称为添加了水印的数 据。 栽体数据， 公钥私钥k 嵌入水印后的数据r 图31一般的数字水印嵌入方案 对现实的水印系统而言，它们应具有一些基本特性： 1 鲁棒性水印嵌入方法应该能够抵抗由标准的或恶意的数据处理所引起的任 何类型的失真。但迄今为止，还没有提出这样完美的方法，甚至到底存在不 存在一种完全安全的水印嵌入方法也未可知。另外不同的应用对鲁棒性有不 同的要求。 2 不可感知性因嵌入水印而引起的数据的变动应该低于可感知的门限。评价 基于信道编码和发射分集技术的数字水印算法的研究第三章数字水印的基本原理及其应用 不可感知性的标准包括主观评价标准和客观评价标准。例如常用峰值信噪比 ( p s n r ) 、均方误差( m s e ) 、归一化互相关系数( n c ) 等作为客观评价标 准。由于水印所必需的不可感知性，用来嵌入水印的每个样本值( 或像素、音 素、特征等1 只能作微小的修改。 3 冗余性尽管在允许的范围内所做的改动很小，为了保证鲁棒性，通常要将水 印信息冗余地分句在载体数据的很多样本( 或像素、音素、特征等) 中，从而 得到整体的鲁棒性。这意味着利用一小部分已嵌入水印的数据就可以恢复出 水印。很显然，如果在水印恢复过程中有更多的已嵌入水印的数据可用，对 水印的恢复将会更加有利。 4 密钥一般而言，水印系统使用一个或多个安全的密钥来确保安全防止修 改和擦除水印。一旦水印被人读取到，他就可以很容易地破坏该水印，因为 在这种情况下，他不仅知道了水印嵌入的策略也知道水印嵌入的位置。 图3 2 描述了一般的水印恢复过程。该系统的输入是已嵌入水印的数据、私 钥或公钥，根据嵌入水印的方法还可能需要原始数据和( 或) 原始水印，输出的是 水印w 或者是某种可信度的值，它表明了所检测数据，中存在给定水印的可能 性。 水印w 或 原始数据，。： 测试数据， 公钥私钥k 3 2 数字水印的应用 水印或可信度测量值 图3 2 一般的水印恢复或检测方案 评估数字水印方案通常是以鲁棒性、抗篡改能力、以及透明性几个指标为标 准的。然而，水印系统要满足的条件总是建立在具体应用基础上的。比如，为满 足c i a 安全要求的水印设计必须符合多种要求，而为一般注解家庭视频录像设 计的水印机制就简单的多。在衡量这两种体制的时候就不能用同一个标准。因此， 在我们考虑这些条件和最终设计之前，先介绍水印的一些应用。很显然，没有“普 遍适用的”水印嵌入方法。虽然总体来说水印嵌入方法应该是健壮的，但是不同 的应用对鲁棒性有不同的要求。 基于信道编码和发射分集挫术的数字水印算法的研究第三章数字水印的基本原理及其应用 3 2 1 用于广播监控的水印 电台常常超额定出广告时间，导致实际播放的广告时间达不到预定时间【1 5 1 。 这曾经在1 9 9 7 年日本爆发过电视广告丑闻。广告商为此要损失巨额金费。而在 这个领域的研究在近二十年中还处于未涉足状态 1 6 。 我们通过在广播之前嵌入唯一的水印在视频或者声音片断中来实现广播监 控。自动监测站接收广播并寻找水印，识别每个声音片断出现的时间和地点。 3 2 2 用于版权标记的水印 虽然版权注释并不能保证版权，但是这仍然是值得推荐的方式。诸如“ d a t e ， o w n e r ”这种形式的标注常常出现在书籍、照片上，使得作品的著作权显而易见。 在电影中，该形式的标注附加在姓名表中。对于预录音乐，版权标注一般置于包 装上。 这种文本方式标注的缺点是很容易被抹去：包装可能丢失，电影可能会被剪 掉姓名表，其他图片也可能被剪切。在这种情况下，数字水印能起到很好的弥补 作用，因为数字水印变成作品内容的一部分，而不是附加注释。比如，把版权信 息加入到音乐作品中而不是附加在包装上。 3 2 3 用于版权保护的水印 目前，版权保护可能是水印最主要的应用。其目的是嵌入数据的来源信息以 及比较有代表性的版权所有者的信息，从而防止其它团体对该数据宣称拥有版 权。这样水印就可以用来公正地解决所有权问题，这种应用要求水印系统有非常 高的鲁棒性。开放的互联网上大量图像的存在是该应用的推动力量，这些图像是 可随意使用的，但是它们的所有者却要保护它们。除了鲁棒性以外还要考虑其它 的问题，例如，水印必须是清晰的，当其它人嵌入另外的水印时仍然能够确认真 正的所有者。因此，除了鲁棒性之外，还要考虑其它的要求。 3 2 4 用于盗版跟踪的数字指纹 对于某些应用，它们的目的是传输合法接收者的信息而不是数据来源者的信 息，主要用来识别数据的单个发行拷贝。这很像软件产品的序列号，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”。每个拷贝嵌入不同水印的目的是因为数据的发行 要面临共谋攻击的危险，所以设计的水印系统对共谋攻击而言应该是安全的1 7 ， 1 8 。同样，对于某些数字指纹应用来说，它们要求水印易于提取且有很低的计算 复杂度。数字指纹应用也需要很高的健壮性，不仅要能抵抗一些标准数据处理， 还要能抵抗恶意的攻击。 9 基于信道编码和发射分集技术的数字水印算法的研究第三章数字水印的基本原理及其应用 3 2 5 用于拷贝保护的水印 在多媒体发行体系中，希望存在这样的一个拷贝保护机制，即它不允许未授 权的媒体拷贝。在丌放系统中很难实现拷贝保护，然而在封闭或私有系统中，拷 贝保护是可行的。在这样的系统中，可用水印来说明数据的拷贝状况。这种情况 的一个典型例子是d v d 系统，在该系统中，数据中的水印含有拷贝信息。一个 符合要求的d v d 播放器不允许重放或拷贝带有“禁止拷贝”水印的数据，而带 有“一次拷贝”水印的数据可以被拷贝，但不允许从该拷贝再进一步制作拷贝 1 9 ， 2 0 。 3 2 6 用于图像认证的水印 、 在鉴定应用中，使用水印的目标是对数据的修改进行检测。这可用所谓的“脆 弱性水印”来实现，它对特定的修改( 如压缩) 有弱的健壮性，而其它的修改则是 破坏性的 6 ，2 1 】。此外，根据不同的数据类型和应用，相应的鲁棒性要求也会有 所不同。不过，在所有可能的水印应用中，用于鉴定的水印对鲁棒性的要求最低。 应该注意到已经出现了一些新的方法，诸如将块平均或边缘特性之类的数据属性 嵌入到图像中，用来验证接收到的图像是否还有同样的属性。 3 2 7 隐蔽通信 数字水印，更准确地说是信息隐藏的最初应用就是传递秘密消息。通过在无 关的媒体( 图像、视频、音频) 中以水印的形式嵌入秘密消息，使得第三者察觉 不到隐蔽通信本身的存在。扩频通信技术的引入将隐写术扩展到频率带宽上传 输。一般的扩频系统是通过将数据编码为一个在旁观者看来是噪声，而持有密钥 的合法接收者却可以读出的二进制序列来传递信息。消息的发送者将消息分成简 短的几部分，然后通过一个预先安排好的频率序列发送出去，但是在一个特定频 率上发出的部分要足够短，这样才能保证监视者不会注意到它。 3 3 现有的数字水印算法 从二十世纪九十年代中期开始，许多著名大学和研究机构( 例如：麻省理工 学院、p u r d u e 大学、i b m 、n e c 和i n t e l 公司的研究部门等) 投入巨大人力和财 力，致力于数字水印技术的研究，取得了一定进展，国外的一些公司也推出了许 多数字水印软件产品。目前提出的数字水印算法大致有以下几种类型： 1 最低有效位算法( l s b ) ：该算法通过调整原始图像或语音数据的最低几位 来隐藏信息，使一般用户对于隐藏信息在视觉和听觉上很难察觉。虽然该 算法能隐藏较多信息，但是因算法本身的限制，所隐藏的数字水印信息极 为脆弱，无法忍受一般的信号处理。 基于信道编码和发射分集技术的数字水印算法的研究第三章数字水印的基本原理及其应用 2 文档结构微调方法：通过轻微调整数字文档中的结构信息完成水印的嵌入， 例如：垂直移动行距、水平调整字距、调整文字特性( 如字体) 等。该算 法可以抵抗一些标准的文档操作，如照相复制和扫描复制，但也极易被经 验丰富的攻击者破坏，算法仅适于文档图像类。 3 将内嵌的数字水印设计成与量化噪声相似，这是由于通常的数字信号中量 化噪声很难被观察者发现。具体方法是通过选择量化器的量化等级来嵌入 数字水印。 4 基于统计数据的水印嵌入方法：任意选择n 对图像点，在增加一点亮度的 同时，相应降低另一点的亮度值。通过这一调整过程完成水印的嵌入。该 算法具有不易察觉性，对于有损压缩编码和一些恶意攻击处理有一定的抵 抗力。 5 纹理块映射编码方法：将数字信息隐藏于数字图像的任意纹理部分。该算 法对于滤波、压缩和扭转等操作具有抵抗能力，但仅适于具有大量任意纹 理区域的图像，而且尚不能完全自动完成。 6 频域数字水印方法：它采用类似扩频通信技术来隐藏水印信息的一类方法。 该技术将隐藏信息经频率调制，然后隐藏于感知上最重要的频谱成分中。 该技术可以抗击有损压缩编码和其它一些有失真的信号处理。 总之，向图像中嵌入水印的基本原理是利用数字图像在视觉上的冗余特性， 将数字签名或标记信息嵌入到数字图像中去，在不改变图像视觉外观前提下( 人 的视觉系统往往难以觉察图像细节的细微改变，尤其是没见过嵌入水印之前的原 始图像时，就更加无法判定图像中是否被嵌入了水印信息。) 作为一个技术体系，数字水印尚不完善，每个研究人员的介入角度各不相同， 所以研究方法和设计策略也各不相同，但都是围绕着实现数字水印的各种基本特 性进行设计。同时，随着该技术的推广和应用的深入，一些其它领域的先进技术 和算法也被引入，从而充实数据水印技术。例如，小波变换、分形理论、代数格、 密码算法、纠错码算法、各种图像、音频、视频的编码算法等都将和数字水印技 术发生必然的联系。数字水印技术实际上是一种横跨信号处理、数字通信、密码 学、计算机网络等多学科的新兴技术，具有巨大的潜在应用市场，对它的研究具 有重要的学术和经济价值。 3 4 数字水印的攻击 数字水印技术的发展总是沿着两条路线前进的，一方面是不断地提出新的 水印技术体制，另一方面是提出各种攻击水印技术的新方法。而且这两方面应该 是互相促进的。因此我们在研究新方法的同时也要关注新的攻击方法。所谓攻击 基于信道编码和发射分集技术的数字水印算法的研究第三章数字水印的基本原理及其应用 水印通常是指要破坏嵌入的水印信息或降低检测的可靠性。而攻击的最终目的是 在未知原始图像和密钥的前提下，检测出隐藏信息的存在性并进一步提取隐藏信 息。这样就可以把水印挖出来，拷贝到其他图像中去，达到破坏版权保护和身份 认证的目的。 经典的水印攻击方法的主要分类 1 0 l 如图3 3 所示。下面分别介绍这几种攻 击方法。 水印攻击方法 iili l消除攻击几何攻击密码攻击协议攻击 去噪声、量 化有损压缩 重调制共 谋、平均 全局或局部的变直接密钥搜索 形全局或局部的0 r a c l e 攻击 变换 抖动算法 水印逆向 拷贝攻击 幽3 3 攻击方法分类 3 4 1 消除攻击 消除攻击也就是去除水印攻击。这种方法的前提是把水印看成是有已知概率 分布的噪声。攻击的过程就是通过一系列的高通滤波或中值滤波，把这些噪声滤 掉。具体方法有去噪声、量化、有损压缩、重调制、求平均和共谋。 去噪声攻击是一种最典型的消除攻击，它主要是采用滤波的方法。对于不同 的水印分布模型，选择与之对应的滤波算法。我们知道，大多数的滤波算法都是 基于一个准则，比如最大似然( m l ) 准则、最大后验概率( m a p ) 准则、最小 均方误差( m m s e ) 等等。如果是最大似然( m l ) 准则，当水印的分布近似g a u s s i a n 分布时，采用局部平均算法：当水印的分布近似l a p l a c i a n 分布时，采用中值滤 波；若是前两种分布的混合模型，那么采用修正的平均算法；若是c a u c h y 分布 模型，则采用大数滤波( m y r i a df i l t e r ) 。而典型的采用最大后验概率( m a p ) 准 则的例子是w i e n e r 滤波。量化和有损压缩攻击方法具有与去噪声攻击相同的影 响。 重调制的攻击方法最先是l a n g g e l a a r 在文献 2 2 1 里提出来的。具体模型如图 3 4 所示。这种攻击方法在水印近似于高斯分布的情况下有较好的攻击效果，但 是如果水印的分布与原始图像的分布相匹配的话，攻击效果就不尽人意了。 v o l o s h y n o v s k i y 在文献【2 3 里提出了基于水印估计的重调制攻击方法，并结合 图像的视觉分析，具体模型如图3 5 所示。 基于信道编码和发射分集技术的数字水印算法的研究第三章数字水印的基本原理及其应用 含水印 图 去除水即 像1 图3 4 重调制去除水印攻击模型( l a n g g e l a a r ) 求平均和共谋的攻击方法一般应用于可以得到大量的嵌入水印的图像集的 情况，比如视频流每帧可能嵌入了不同的水印图像或者用不同的密钥进行嵌入， 那么在图像帧足够多的情况下，通过求平均的方法可以去掉水印从而使检测器无 法检测到水印。另外，马赛克攻击也是一种试图迷惑检测器的攻击方法。很明显， 图像越大，越容易隐藏一定数量的比特信息。 含水印图像被攻击图像 强度调节因子 图3 5 结合视觉分析的重调制攻击 反过来说也是对的，这就是“马赛克攻击”的基础，即一个图像可以小到不 能嵌入水印。这种攻击是由版权盗版检测系统所激发的，版权盗版检测系统从网 上下载图片并检查它是否含有水印，还包括把图像分成许多小子图，放到网页中 合适的地方。而网络浏览器则把子图重新组合在一起，于是他们看起来与原图一 致。马赛克攻击就是把水印图像剪切成小块，浏览器修补页面时再粘贴在一起。 这些小块小到用一般的方法无法隐藏信息，因为所有水印方案都要求加水印的图 像有一个最小尺寸( 我们不能在一个像素上隐藏一个有意义的水印) 。所以通过把 图像分成足够小的块，水印检测器将会被迷惑 2 4 】。当然我们希望加水印的图像的 最小尺寸能非常小，那么这种攻击方法就不会太有效。 3 4 2 几何攻击 由上一节我们看到，消除攻击是要想办法去除嵌入的水印，与之不同的是， 几何攻击的目的是干扰存在的水印，使得检测器工作不可靠或失去同步。虽然很 多水印系统能抵抗一些基本的处理，比如旋转、平移、缩放等，但他们却无法应 付这些处理的合成和微小随机的几何变形。s t i r m a r k 是一种水印系统的测试工 基于信道编码和发射分集技术的数字水印算法的研究第三章数字水印的基本原理及其应用 具，他能对图像进行这样的几何变形。如果a 、b 、c 、d 是图像的四个角，一 点m 可以这样表示： m = a ( 厨+ ( 1 一f 1 ) d ) + ( 1 一口) ( 口8 + ( 1 一f 1 ) c )( 31 ) 这里0 口，1 是m 相对于四个角的坐标。如图3 , 6 所示。s t i r m a r k 中的随机双 线性失真变形就是通过用一个很小的随机数从两个方向上改变角度来实现的 【2 5 1 。新的m 值可以由上述公式确定，保持 ，芦) 不变，但用四个新的角计算。这 种变换是可逆的，虽然它不能从根本上删除水印，但是它可以阻止一些系统检测 到或恢复出他们的水印。 b oa 、 m d 幽3 6s t i r m a r k 中的随机双线性失真 另外，还可以对图像中的每个像素进行微小偏离，而边缘地区几乎不做处理。实 际实现中，这种突起形状就是简单的正弦波。如果( x ，y ) 表示一个象素的坐标， 0 z x ，0 y y ，变化以后的新的坐标为( x7 ，y ) ，满足： x x + 2 s i n ( n y y ) r 3 ，、 y = y + 兄s i i 刃c 爿) 、7 然后再做一个高频位移。即： j = 2 s m ( c o ，x ) s i n ( c o 。y ) 0 + 聆( z ，一) ) ，n 是随机数， 合成得到：x ”= x 十占，y ”= ，+ 万。那么( x ”，y 。) 就是处理后的坐标。 所有这些变形与适度的j p e g 压缩结合在一起，虽不能从本质上删除水印， 但它们能阻止检测器找到水印，使检测器失去同步。s t i r m a r k 还可以实现一系列 测试，它们已成为图像水印测试标准 2 6 1 。 3 4 3 密码攻击 密码攻击类似于常规的密码学攻击方法，例如在知道了嵌入方法但是嵌入密 钥未知的情况下，采用穷尽搜索的方法就有可能找到密钥，从而顺利实现攻击， 当然这是一种比较野蛮的方法。 这类攻击方法里还有一种称作o r a c l e 攻击的方法，它一般在攻击者可以访 问到水印检测器的情况下进行。这种检测器可能是配有图像处理包的软件，或者 是像d v d 那样的嵌入电器中的电子电路。即使攻击者不知道水印嵌入方法，他 仍然可以使用检测器返回的信息来删除水印，或者对图像作微小变动直到检测器 1 4 基于惰道编码和发射分集技术的数字水印算法的研究第三章数字水印的基本原理及其应用 什么都找不出来。l i n n a