（电路与系统专业论文）基于数字水印的图像认证技术研究(1)[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要i 摘要 在付出了昂贵的代价之后，人们才发现一个环节的滞后往往会导致整个产业 举步维艰。计算机网络为多媒体信息交流和交易提供了平台，却没有提供有效的 安全保障，网络信息特别是多媒体信息的安全已成为阻碍网络持续发展不可绕过 的绊脚石。数字水印技术通过嵌入算法将具有特殊作用的水印信息隐藏在多媒体 信息中，用于多媒体信息的版权保护和内容认证，已引起学术界和产业界的广泛 关注，并得到广泛的研究与应用。 本论文将主要研究如何构造基于数字水印技术的图像认证系统。首先介绍了 数字水印技术的起源、分类、应用领域以及鲁棒性水印、易损水印和半易损水印 的研究现状和发展趋势，同时介绍了基于数字水印的图像认证系统的特征、原理、 设计以及性能评估，重点研究如何构造可满足不同需要和要求的图像认证系统， 主要工作可概括为以下五个方面： 1 研究了二值图像的内容认证问题，提出了两种针对二值图像认证算法。第一 种算法将水印信息隐藏在二值图像的外边缘和内边缘中对二值图像视觉质 量影响较小的像素点中，避免二值图像在隐藏水印时发生明显的失真：第二 种方法通过构造基于人类视觉特性的失真度量矩阵度量水印嵌入过程所引 入的视觉失真，使嵌入算法以最小的视觉失真将水印隐藏于图像中。以上两 种方法相对于经典算法具有失真小、容量大、定位和检测篡改能力强等优点。 2 研究了基于易损水印的完全图像认证问题，提出了两种基于易损水印的图像 认证算法。第种算法通过原始密钥和图像特征构造合成密钥，增强密钥的 图像依赖性和多样性，进而消除独立分块水印算法的密钥资源数量限制，并 在此基础上对原始的独立分块算法进行改进并提出等价类动态变化算法、嵌 入信息动态变化算法和子块相关算法，增强了独立分块水印方法抵抗 h o l l m a n 攻击的能力。第二种算法将原始图像的色调处理图像作为认证信息， 置乱后通过误差扩散算法将认证信息隐藏于原始图像之中，由此所构造的图 像认证算法不仅可以检测和定位篡改，而且可近似地修复篡改。 3 研究了基于半易损水印的鲁棒图像认证问题。提出了三种鲁棒性图像认证算 法。首先对s c s 算法的鲁棒性进行深入分析，然后给出基于s c s 算法的鲁 棒水印、半易损水印、易损水印的构造原则，并以图像子块特征系数二进制 表示的主要比特作为认证信息，进而给出一种基于s c s 方法的图像认证算 法，同时深入分析了认证信息构造算法的鲁棒性以及认证算法的漏警概率和 西安电子科技大学智能信息处理研究所 i i摘要 虚警概率。由于观察者和攻击者对图像的不同区域感兴趣程度不同，所以在 认证时的要求也不尽相同，因而第二种算法在构造认证信息时，针对不同类 型的区域构造了具有不同属性和作用的认证信息，对于包含感兴趣区域的图 像子块认证信息包含两部分：认证签名和修复签名。认证签名的作用在于认 证图像子块内容的可信性和完整性，被自隐藏在感兴趣图像子块中，修复签 名的作用在于当感兴趣区域被篡改，修复篡改，被隐藏在非感兴趣图像子块 中，而对于没有包含感兴趣区域的图像子块认证信息仅包含认证签名。在第 三种算法中，为了提高l i n 认证算法的篡改定位能力和安全性，用来构造签 名的两个系数其中一个来自于当前图像子块d c t 变换矩阵，另一个基于密 锅随机构造，在认证时，根据边界区域一致性和内部区域一致性的差剐判断 图像是否被j p e g 压缩，并采用最大似然法估计量化步长，改进后的l i n 认 证算法对恶意篡改具有较强的定位能力，同时可区分恶意篡改和偶然操作。 4 研究基于鲁棒签名的图像认证问题，提出了一种改进的a m a c 签名认证算 法。基于给出的最低不变比特定理，以图像予块的直流系数和低频系数相对 于干扰强度阈值的所有不变比特作为图像子块特征比特，并由此构造具有层 次结构的a m a c 图像签名，定位篡改时采用逐步求精定位算法，改进算法 避免了原始签名算法的安全缺陷、降低了算法的虚警概率和漏警概率，最后 分析了改进算法对j p e g 压缩、a w g n 噪声等偶然操作抵抗能力，证明其有 效性和可行性。 5 研究了基于无损水印的图像认证问题提出了两种基于无损水印的图像认证 算法。第一种算法基于提升h a r a 小波变换，分别通过插入和无损压缩来隐 藏认证信息，为了增大算法的水印容量和避免溢出误差，给出两种预处理算 法。最后给出一种基于图像直方图的无损水印算法，充分利用图像中零出现 的灰度值，并通过对颜色等于峰点相邻灰度的像素点扰动来无损嵌入水印信 息，并将它用于无损图像认证，预处理算法可明显增加水印的容量，其优点 在于容量大、失真小、可精确重建且对恶意篡具有较强的检测和定位能力。 关键词：网络安全、数字水印、数字签名、图像认证、二值文档图像、色调处理、 图像边缘、恶意攻击、偶然操作、感兴趣区域、可逆信息隐藏、灰度直 方图、提升小波变换。 西安电子科技大学博士学位论文 a b s t r a c tl f l 鼍皇酱i i i ii i 邕蔓量皇墨辩凳毫苎 a b s t r a c t a f t e r p a y i n g o u ta p a i n f u le x p e n s e ，p e o p l e t h e nr e a l i z et h a to n l yo n el i n kd e l a y i n g w i l lr e s u l tt h ew h o l ei n d u s t r ys t a n d s t i l l h o wt o p r o t e c t t h ei n f o r m a t i o n b e i n g t r a n s f e r r e d t h r 0 1 【g l l t h en e t w o r kh a sb e c o m eas t u m b l i n gb l o c ko ft h es u s t a i n e d d e v e l o p m e n to fn e t w o r kt e c h n i q u e ，e s p e c i a l l yt h es e c u r i t yo fm u l t i m e d i ai n f o r m a t i o n t h ew a t e r m a r kw i t has p e c i a lf u n c t i o ni se m b e d d e di n t ot h em u l t i m e d i ai n f o r m a t i o nt o p r o t e c t t h e c o p y r i g h t o ft h e o r i g i n a l a u t h o ra n da u t h e n t i c a t et h e i n t e g r i t y a n d a u t h e n t i c i t yo f t h em u l t i m e d i ai n f o r m a t i o n t h ew a t e r m a r kt e c h n i q u eh a sb e c o m eo d e f o c u so fr e s e a r c h e r t h ea r e n f i o no fd i s s e r t a t i o ni sf o c u s e do nh o wt oc o n s t r u c tt h ei a s ( i m a g e a u t h e n t i c a t i o ns y s t e m ) b a s e do nt h ew a t e r m a r ka n ds i g n a t u r e i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，a s y s t e m a t i c a li n t r o d u c t i o no f t h eo r i g i n ，a p p l i c a t i o n s ，c l a s s i f i c a t i o na n db a c k g r o u n do f i n f o r m a t i o nh i d i n gi s g i v e nf i r s t ，t h e nt h ep r i n c i p l e so fi a sa r ed e s c r i b e dw i t ht h e i r c h a r a c t e r i s t i c sa n d d e s i g n i n gr e q u i r e m e n t s a n d l i m i t a t i o n s ，b e f o r e t h e w a y s o f p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n , a t t a c k s a n dc o u n t e r m e a s u r e sa r ei n t r o d u c e d t h ew o r ki s f o c u s e do nt h ei n v e s t i g a t i o no ft h ei a si nd i f f e r e n tc a s e sa n dr e q u i r e m e n ta n dc a nb e s u m m a r i z e da sf o f l o w s ： 1 t h ei a s o f b i n a r yi m a g ei ss t u d i e da n dt w oi a sb a s e d o nw a t e r m a r ka r cp r o p o s e d i nt h ef i r s ta l g o r i t h m ，t h ew a t e r m a r ki se m b e d d e di n t ot h ei n s i d ea n do u t s i d ee d g e o ft h eb i n a r yt e x td o c u m e n t i m a g e t oa v o i dt h ev i s u a ld i s t o r t i o nd u r i n ge m b e d d i n g ， a n di nt h es e c o n dt e c h n i q u e ，aw e i g h tm a t r i xi sc o n s t r u c t e dt oe v a l u a t et h e d i s t o r t i o no ft e x t i m a g ed u r i n gw a t e r m a r ke m b e d d i n g , t h e nt h e w a t e r m a r ki s e m b e d d e di n t ot h ed o c u m e n ti m a g ew i mal e a s ti m p e r c e p t i b i l i t yd i s t o r t i o n 2 t h ei a sb a s e do nt h ef r a g i l ew a t e r m a r ks c h e m ei ss t u d i e dp a r t i c u l a r l ya n dt w o i a sb a s e do nt h e f r a g i l e w a t e r m a r ka r c p r o p o s e d i n t h ef i r s t a l g o r i t h m a c o m p o s i t ek e yi sc o n s t r u c t e db a s e do i lt h eo n ea n do n l yo r i g i n a lk e y ka n dt h e d i f f e r e n t i m a g ef e a t u r eff o r d i f f e r e n t i m a g et o a v o i dt h el i m i t a t i o n so fk e y r e s o u r c eo ft h eb l o c k w i s e i n d e p e n d e n t i n v i s i b l ew a t e r m a r ks c h e m e s ，a n dt h e nt h r e e i m p r o v e ds c h e m e ，d y n a m i ce q u i v a l e n ts e t ，d y n a m i cw a t e r m a r ka n db l o c k - d e p e n d e n ts c h e m e a r ep r o p o s e dt op r e v e n tt h ec o u n t e r f e i t i n ga t t a c k i nt h es e c o n ds c h e m e ，t h eh a l f t o n e i m a g eo fo r i g i n a li m a g ei s l o o k e du p o na sw a t e r m a r ka n de m b e d d e di n t ot h e _ _ _ - i i i! - 西安电子科技大学智能信息处理研究所 i v b s t r a c t _ i i i i 量墨 o r i g i n a li m a g e w i t he r r o rd i f f u s i o ns c h e m e t h ea d v a n t a g eo ft h i sk i n ds c h e m ei s t h a tw h e nt h ei m a g ee n c o u n t e r sal o c a lm a l i c i o u sm o d i f i c a t i o n ，t h ec h a n g ec a r lb e l o c a t e da n dr e c o v e r e db a s e do nt h ew a t e r m a r kh i d d e ni nt h em o d i f i e di m a g e 3 t h ei a sb a s e do nt h es e m i f r a g i l ew a t e r m a r k i n gi ss t u d i e da n dt h r e ee f f e c t i v e r o b u s ti m a g ea u t h e n t i c a t i o ns c h e m e sa r ep r o p o s e d f i r s tb a s e do nt h ep a r t i c u l a r a n a l y s i so f t h er e l a t i o nb e t w e e nt h ep r o b a b i l i t yo fe x t r a c t i o ne r r o rw a t e r m a r ka n d t h ee m b e d d i n gp a r a m e t e r , t h es c a l a rc o s t as c h e m ei su s e dt oa u t h e n t i c a t et h e i n t e g r i t ya n da u t h e n t i c i t yo f t h ei m a g e b e c a u s ed i f f e r e n to b s e r v e r sa n da s s a i l a n t s h a v ead i f f e r e n ti n t e r e s to fas a r n e i m a g e ，s o t h es a m e i m a g e i nd i f f e r e n t a p p l i c a t i o n e n c o u n t e r sd i f f e r e n tm a l i c i o u s m a n i p u l a t i o n a n d i n c i d e n t a l l y m a n i p u l a t i o n t h u s ，i nt h es e c o n ds c h e m e ，t h es i g n a t u r ei n f o r m a t i o nc o n s t r u c t e d f r o mt h ei m a g eb l o c k i n c l u d i n gr o i ( t h er e g i o no fi n t e r e s t ) o f u s e ri sc o m p o s e do f t w op a r t s ，o n ep a r ti sa u t h e n t i c a t i o ni n f o r m a t i o nt oa u t h e n t i c a t et h ei m e g r i t ya n d a u t h e n t i c i t yo ft h ei m a g eb l o c ka n di s s e l fe m b e d d e di n t ot h ei m a g eb l o c k ，t h e s e c o n dp a r ti sr e c o v e r i n gi n f o r m a t i o nt or e b u i l tt h er e g i o nm o d i f i e dm a l i c i o u s l y a n di se m b e d d e di n t ot h ei m a g eb l o c kw i t h o u tt h er o i l a s t l y ，a ni m p r o v e dl i n s c h e m ei sp r o p o s e d o n eo ft h ep a r a m e t e r st oc o n s t r u c ts i g n a t u r ec o m ef r o mt h e d c tc o e f f i c i e n tm a t r i xo f i m a g eb l o c k ，t h es e c o n di sg e n e r a t e db a s e do n t h ek e y a n dv a r i a n c eo fd c tc o e f f i c i e n t sa tt h es a l t l el o c a t i o n w h e nt h ei m a g ee m b e d d e d s i g n a t u r ei st r a n s f e r r e d ，t h er e c e i v e rc a nf i r s tj u d g ew h e t h e rt h er e c e i v e di m a g ei s c o m p r e s s e db yj p e gb a s e do nt h ec o n s i s t e n c yo fb o u n d a r yr e g i o na n di n t e r i o r r e g i o no f i m a g eb l o c k ，t h e n b a s e do nt h ed c tc o e f f i c i e n t so f r e c e i v e di m a g e b l o c k ， t h e s t e po fq u a n t i z a t i o n i se s t i m a t e dw i t ham a x i m u ml i k e l i h o o de s t i m a t i o ns c h e m e t h ea d v a n t a g eo ft h er o b u s ti m a g ea u t h e n t i c a t i o nt e c h n i q u ei st h a ti tc a nn o to n l y d e t e c tt h em a l i c i o u sm o d i f i c a t i o n ，b u ta l s o l o c a t et h el o c a t i o no fm a l i c i o u s m o d i f i c a t i o n ，a tt h es a l t l et i m ei tc a nd i s t i n g u i s hm a l i c i o u sm a n i p u l a t i o nf r o mt h e i n c i d e n t a l m a n i p u l a t i o n ，s u c h a sj p e g c o m p r e s s i o n a n di tc a l lr e c o v e rt h e m a l i c i o u sm a n i p u l a t i o na p p r o x i m a t e l y 4 n l ei a sb a s e do nt h er o b u s ts i g n a t u r ei ss t u d i e da n da n i m p r o v e da m a c ( a p p r o x i m a t em e s s a g ea u t h e n t i c a t i o nc o d e ) i sp r o p o s e d i nt h i sm e t h o d ，a l lt h e i n v a r i a b l eb i t so ft h ei m a g eb l o c km e a nt ot h et h r e s h o l ds t r e n g t ho fi n c i d e n t a l m a n i p u l a t i o na r eu s e d t oc o n s t r u c ta m a c t ol o c a t et h em a l i c i o u sm a n i p u l a t i o na h i e r a r c h i c a la m a ci sc o n s t r u c t e d t h ei m p r o v e da m a ch a sas m a l lm i s s i n g a l a r m p r o b a b i l i t y a n df a l s ea l a r m p r o b a b i l i t y t h e r o b u s m e s su n d e rj p e g c o m p r e s s i o n a n da w g ni si n v e s t i g a t e dw i t hi t se f f e c t i v e n e s sd e m o n s t r a t e d 西安电子科技大学智能佰息处理研究所 a b s t r a c tv 5 ，t h ei a sb a s e do nr e v e r s i b l ew a t e r m a r k i n gi ss t u d i e da n dt w om e t h o db a s e do n r e v e r s i b l ew a t e r m a r k i n ga r ep r o p o s e d i nt h ef i r s tm e t h o d ，w a t e r m a r ki si n s e r t e d i n t ob i n a r yr e p r e s e n t a t i o no fd i f f e r e n c eo fa n e x p a n d a b l eg r a y s c a l e v a l u e dp a i r t o e n h a n c et h e c a p a b i l i t y o fw a t e r m a r ka n da v o i d o v e r f l o w ，t w op r e p r o c e s s i n g a l g o r i t h m sa l eu s e d i nt h es e c o n dm e t j l o d ，t h ez e r oa n dt h ea d i a c e n tp o i n to f p e a k o fh i s t o g r a ma r eu t i l i z e dt oe m b e dw a t e r m a r kt h r o u g hs l i g h t m o d i f i c a t i o n ，t o e n h a n c et h ec a p a b i l i t yo fw a t e r m a r ka p r e p r o c e s s i n g a l g o r i t h m s i su s e d k e y w o r d s ：n e t w o r ki n f o r m a t i o ns e c u r i t y 、d i g i t a lw a t e r m a r k i n g 、d i g i t a ls i g n a t u r e 、 i m a g ea u t h e n t i c a t i o n 、b i n a r yd o c u m e n ti m a g e 、i m a g eh a l f t o n e 、i m a g ee d g e 、m a l i c i o u s m a n i p u l a t i o n 、t h ei n c i d e n t a lm a n i p u l a t i o n 、r e g i o no f i n t e r e s t 、r e v e r s i b l ed a t ah i d i n g 、 i m a g eh i s t o g r a m 、l i f t i n gw a v e l e tt r a n s f o r m 西安电子科技大学智能信息处理研究所 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究结果；也不包含为获得西安电子科技大学 或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均以在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 本人签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或 部分内容；可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在 解密后遵守此规定) 本人签名f ：| 期：速色。z 导师签名：皇擅日期： 矗神毕( f 第一章绪论 i 自日= | 目一i l l l l l e a e z ，t 第一章绪论 当我们的视觉和听觉在尽情地享受着多媒体技术及数字传输技术带来的愉 悦，当我们在毫无限制地任意编辑、修改、拷贝和散布数字音乐、图像、视频时， 我们是曾想过这些数字媒体原刨者的版权和经济利益如何得到保护? 我们所听到 和看到数字媒体是完整、可信? s u n 公司有一句著名的广告词：“人类文明将从i n t e m e t 开始”，i n t e m e t 打破 了传统的边界概念，拉近了人与人之间的距离。i a t e m e t 上流动的是数字信息，数 字信息是网络时代的重要资源，但随着网络时代和网络经济的到来，数字信息安 全问题却成为网络社区每一个两民共同关心的重要问题。信息加密是信息安全的 一个重要手段，但信息加密却不是万能的。 密码技术是信息安全技术领域一个非常重要的传统技术。它以香农信息论及 其密码学理论为基础，其安全性主要依赖于密钥的长度。数字签名是密码学在应 用研究领域的一项新技术，可用于保护各种电子文件的真实性、完整性，防止伪 造、抵赖、冒充和篡改。多媒体信息具有数据量大、冗余性高等特点，相对电子 文件认证，多媒体信息认证用户不仅想知道信息是否完整，而且想知道篡改的位 置、强度以及类型，因而简单地将传统的数字签名用于多媒体认证显然不合适， 也不方便。传统的密码技术已经很难满足当前数字多媒体内容认证发展的需要。 数字水印技术为数字多媒体信息安全带来了新的机遇，其独有的特性，打破 了传统密码学的思维范畴，从一个全新的视角审视信息安全，引起了学术界和工 业界的广泛关注。数字水印技术是目前信息安全技术领域的一个新方向，是一种 可以在开放的网络环境下保护版权和认证来源及完整性的新型技术，创作者的创 作信息和个人标志通过数字水印系统以人所不可感知的水印形式嵌入在多媒体 中。人们无法从表面上感知水印的存在，只有通过专用的检测器或计算机软件才 可以检测出其中所隐藏的数字水印，为数字媒体的内容保护提供信息。在多媒体 中加入数字水印可以确立版权拥有者、认证多媒体来源的真实性、提供关于数字 内容的其它附加信息、确认所有权认证和跟踪侵权行为。因此它在篡改鉴定、数 据的分级访问、数据跟踪和检测、商业和视频广播、i n t e m e t 数字媒体的服务付费、 电子商务、隐蔽通信等方面具有十分广阔的应用前景。自二十世纪九十年代以来， 该技术已引起工业界和学术界的浓厚兴趣，并日益成为国际上非常活跃的一个研 究领域。 西安电子科技大学智能信息处理研究所 2基于数字水印的图像认证技术研究 ! e ! ! 墨j ii i 一 i i i i u l , $ 口| e ! 自目i 1 1 数字水印的起源 信息隐藏，也称为信息伪装( s t e g a n o g r a p h y ) ，该词来源于古希腊，意思是 将有用或重要的信息隐藏于其他普通信息里以掩饰其存在性，换句话说就是将秘 密信息秘密地隐藏于另一非秘密信息之中。密码学旨在隐藏信息的内容，而伪装 术是专门研究如何隐藏信息的存在性。数字水印是信息隐藏的一个重要分支。 数字水印技术的基本思想源于古代的伪装术( 密写术) 。古希腊的斯巴达人 曾将军事情报刻在普通的木板上，用石蜡填平，收信的一方用火烤热木板，融化 石蜡后就可以看到密信。使用最广泛的密写方法恐怕要算化学密写了，牛奶、白 矾、果汁等都曾充当过密写药水的角色。大约7 0 0 年前，在手工造纸技术中出现 了纸张上的水印。 可以说，人类早期使用的保密通信手段大多数属于密写而不是密码。但与密 码技术相比，密写术却没有发展成为一门独立的学科，其中一个主要原因是密写 术缺乏啭实的理论基础。 然而今天的数字水印技术的发展为古老的密写术注入了新的活力，在研究数 字水印的过程中，研究者大量借鉴了信息伪装的思想。尤其是近年来信息隐藏技 术理论框架研究的兴起，更给密写术成为一门严谨的学科带来了曙光。 1 2 数字水印的分类 数字水印技术可从不同的角度进行划分，目前主要有如下划分方法： 1 按鲁棒特性划分 按水印的特性可以将数字水印分为鲁棒水印( r o b u s tw a t e r m a r k i n g ) 、易损水印 ( f r a g i l ew a t e r m a r k i n g ) 、半易损水印( s e m i - f r a g i l ew a t e r m a r k i n g ) 。鲁棒水印主要用于 在数字作品中标识著作权信息。易损数字水印主要用于信息完全认证；相对于易 损数字水印，半易损数字水印主要应用信息的鲁棒性认证。 2 按水印所附载的媒体划分 按水印所附载的媒体，数字水印分为：图像、音频、视频、文本、三维网格 模型、程序【l l 、可执行代码、数据库和网页2 3 水印等。 3 按检测过程划分 按水印检测过程数字水印分为：明文水印和盲水印。明文水印在检测过程中 需要原始数据，而盲水印的检测不需要原始数据。目前水印大多数集中于盲水印。 4 按水印内容划分 按水印的内容可以将水印可划分为：有意义水印和无意义水印。有意义水印 _ _ _ _ 一 、 i ii i i i i l m i l li i i i 一 匿安电子科技大学博士学位论文。 第一章绪论 3 目目簟| ，e e ! j 日! ，日_ - e _ - _ 一i i i i i i _ 是指水印本身也是一个数字图像( 如商标) 或数字音频片段的编码，或宿主图像 的某些特征描述；无意义水印则只对应于一个随机序列号。 5 按水印隐藏的位置划分 按数字水印的隐藏位置划分为：时域水印、频域水印、时频域数字水印和时 间尺度域数字水印。 6 按感知特性划分 按数字的感知特性可以分为两类：可见水印( v i s i b l ew a t e r m a r k i n g ) 和不可感知 水印( i m p e r c e p t i b l ew a t e r m a r k i n g ) 。可见水印主要目的是明确标识版权。不可感知 水印针是对不同媒介，“不可感知”意味着水印的存在不会引起人类各种感官如 视觉、听觉等的注意。 7 按宿主信息的感知特性划分 根据宿主信息的感知特性可分为：可感知和不可感知两类，不可感知包括： 音频、图像、视频、3 d 图形，而可感知包括：文字和可执行代码。 8 按用途划分 不同的应用需求造就了不同的水印技术。按水印的用途，数字水印可划分为 防伪水印、版权保护水印、篡改提示水印和隐蔽标识水印。 数字水印技术并不能直接保护数字信息，而是通过验证产品的所有权和完整 性来揭露非法拷贝、传播行为，以法律的手段对其进行制裁，间接地打消盗版者 的非法复制和篡改企图，起到保护知识的作用。 1 3 数字水印的应用领域 以下几个引起普遍关注的问题构成了数字水印的研究背景和应用领域； 1 数字作品的知识产权保护 版权标识水印是目前研究最多的一类数字水印。数字作品包括数字图像和图 形、音乐、视频、计算机软件等。由于计算机应用技术的快速发展，数字作品的 拷贝、修改变得非常容易，很容易做到与原作品完全相同，所以原创者不得不采 用一些严重损害作品质量的办法来加上版权标志，而这种明显可见的标志很容易 被篡改。数字水印利用数据隐藏原理，使版权标志不可见或不可听，既不损害原 作品，又达到了版权保护的目的。 2 篡改提示( 信息认证) 现有的信号拼接和镶嵌技术可以做到“移花接木”而不为人知。所以当多媒体 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发生变化 西安电子科技大学智能信息处理研究所 4基于数字水印的图像认证技术研究 ( w h e t h e r ) 、什么位置发生变化( w h e r e ) 、发生什么样的变化( w h a t ) 、发生多大的变 化( h o w ) 以及怎么修复变化( h o w ) ，显然经典的信息认证技术不能回答上述问题。 数字水印技术，被认为是多媒体内容保护的最后一道防线，为了实现认证，通常 将所构造的认证信息隐藏在多媒体中，在认证时，从多媒体中提取所隐藏的认证 信息，通过水印变化来确定数据的完整性和篡改的位置、强度、类型和修复篡改。 3 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，特别是高精度彩色喷墨、激光打印机 和高精度彩色复印枫的出现，使得货币、支票以及其他票据的伪造交得很容易。 数字水印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。 4 隐蔽通信及其对抗 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。利用数字化声像信号相对于人类的视觉、听觉冗余，可以进行各种信 息隐藏，从而实现隐蔽通信。 5 使用控制 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 播放机可通过检测d v d 数据中的水印信息而判断其合法性和是 否可拷贝性从而保护制造商的商业利益。 6 隐蔽标识 数据的标识信息往往比数据本身更具有保密价值，如遥感图像的拍摄日期、 经纬度等。没有标识信息的数据有时甚至无法使用，但直接将这些重要信息标记 在原始文件上又很危险。数字水印技术提供了一种隐藏标识的方法，标识信息在 原始文件上是看不到的，只有通过特殊的阅读程序才可以读取。 7 数据跟踪 避免未经授权的拷贝制作和发行，出品入可以将不同用户的l d 或序列号作为 不同的水印( 指纹) 嵌入作品的合法拷贝中。一旦发现未经授权的拷贝，就可以根掘 此拷贝所恢复出的指纹来确定它的来源。 1 4 数字水印技术的研究现状 鉴子数字水印技术的应用前景和其在经济、技术上的重要性，全球支持或开 展此项研究的政府机构和商业机构很多，主要有美国财政部、美国版权工作组、 美国洛斯阿莫思国家实验室、美国海陆空军研究实验室、麻省理工学院、瑞士洛 桑联邦工学院、微软公司、飞利浦、朗讯贝尔实验室等众多研究机构。 - 一i i ii - _ _ 西安电子科技大学博士学位论文 第一章绪论 5 在学术界，v a ns e h y n d e l 3 在i c i p 9 4 上发表了题为“ad i g i t a lw a t e r m a r k ”的 论文，它是第一篇在国际会议上发表的关于数字水印的论文。1 9 9 6 年5 月，第一 届国际信息隐藏学术研讨会( i n t e r n a t i o n a li n f o r m a t i o nh i d i n gw o r k s h o p ，i i h w ) 在英 国剑桥牛顿研究所召开，至今该研讨会己举办了五届。1 9 9 8 年i e e ej o u r n a lo n s e l e c t e da r e a si nc o m m u n i c a t i o n ，s i g n a lp r o c e s s i n g c o m m u n i c a t i o no f a c m ，都出版 了关于数字水印的论文专辑，1 9 9 9 年，f h a r t u n g 和m k u t t e r 在p r o c e e d i n go ft h e i e e e 发表关于数字水印的综述论文，将数字水印的研究推向了一个新的高潮。 同时在产业界，欧美有关厂商正积极开发采用该技术的知识版权管理系统和 图像认证系统。福布斯杂志评选出全球2 0 0 3 年发展最快的2 5 家科技公司， 美国著名水印技术开发商d i g i m a r c 公司成为入选的2 5 家公司的领头羊，最主要的 原因就是该公司的数字水印技术及时满足了对安全越来越重视的人们的需求。它 率先推出了世晃上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 p h o t o s h o p 和c o r e l d r a w 图像处理软件中。随后，d i g i m a r c 又推出了一系列 数字水印产品，其“媒体桥( m e d i a b r i d g e ) ”技术开拓了访i n t e m e t 的一条新途径。而 全球各大数字相机生产商如e p s o n 、c a n o n 等都针对自己的数字相机开发了相应的 图像认证系统( i a s ) 。 目前，国内已有不少研究机构及大学正在从事数字水印方面的研究。1 9 9 9 年 底，第一届全国信息隐藏学术研讨会( c i h w ) 在北京电子技术应用研究所召开，至 今该研讨会已举办了三届。国家“8 6 3 计划”、“9 7 3 ”项目( 国家重点基础研究发展 规划) 、国家自然科学基金等都对数字水印的研究有项目资金支持。2 0 0 0 年1 月， 由国家8 6 3 计划智能计算机专家组织召开了“数字水印技术学术研讨会”。来自 多家科研机构与高等院校的专家学者和研究人员参加这次会议，充分反映了我国 对这一领域的高度重视和大量投入。从目前的发展来看，我国相关学术领域的研 究与世界水平处在同一阶段，有独特的思路，而且部分已推出具有自主知识产权 的产品，如成都宇飞信息公司推出“宇飞数字水印印刷应用技术”和上海阿须数 码技术有限公司研制的“数字印章技术”。 数字水印的作用对象( 载体) ，包括文本、图像、音频、视频以及其它多媒体数 据，但是目前以数字图像居多。从应用角度出发，数字水印的研究集中在版权保 护、完整性认证和鲁棒性认证三大方面，分别对应于为鲁棒水印和易损水印，半 易损水印。下面将分别进行说明上述三类水印的研究进展情况。 1 4 ，1 鲁棒水印 鲁棒水印的主要应用包括解决版权争议卜12 1 、用户标识1 1 3 - 5 1 、数据管理和信息 跟踪等1 1 6 用。 最初的水印技术直接修改数字媒体的空( 时) 域采样值1 6 l ，如声音采样或图像