（电路与系统专业论文）基于混沌的图像数字水印研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 数字通信、网络以及计算机技术的不断发展和日趋成熟，促进了多媒体技术的迅速普 及和应用，但随之也带来了一系列问题，多媒体版权的保护问题已经成为目前讨论的热点 问题之一。作为一种主要的解决途径之一，数字水印技术得到了广泛和深入地研究。数字 水印技术是近几年才发展起来的信息隐藏学的一个分支。它是通过一定的算法将一些标志 性信息直接嵌入到多媒体内容当中，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，只有通过专用的检测器或阅读器才能提取。随着国内信息化程度的提 高和电子商务逐渐走向实用，数字水印技术将会拥有更广阔的应用前景。 数字水印技术与信息隐藏和数据加密技术关系非常密切，这些技术的发展以及融合为 信息技术的发展提供必不可少的安全手段；混沌系统由于具有良好的伪随机特性、轨道的 不可预测性、对初始状态及控制参数的敏感性等一系列特性，使其在密码学领域的应用成 为研究热点。 现有数字水印算法大都针对单一变换域进行研究，水印的鲁棒性不强，且保密性有待 进一步加强。本文提出新型数字水印算法，其核心思想是：首先对水印信息进行混沌加密， 然后针对j p e g 和j p e g 2 0 0 0 的压缩标准，将离散余弦变换( d c t ) 和离散小波变换( d w t ) 结合起 来实现数字水印的嵌入。研究表明，在抵抗图像压缩、噪声干扰、中值滤波、图像剪切等 方面，本文算法具有较好的性能。 关键词：混沌映射离散余弦变换小波变换图像数字水印 南京邮电大学硕上研究生学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fd i g i t a lc o m m u n i c a t i o n ，n e t w o r ka n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y ， m u l t i m e d i aa p p l i c a t i o nb e c o m e sp o p u l a r h o w e v e r , i ta l s ob r i n g ss o m ep r o b l e m s ，s u c ha sp i r a t e ， i l l e g a lc o p ye t c c o p y r i g h tp r o t e c t i o nh a sb e c o m eak e yp r o b l e mf o rm u l t i m e d i a d i g i t a l w a t e r m a r k i n g ，a so n eo f t h ew a y st or e s o l v et h i sp r o b l e m ，h a sb e e ns t u d i e dm u c ha n dg o tn o t a b l e a c h i e v e m e n t s d i g i t a lw a t e r m a r k i n gt e c h n i q u ei sab r a n c ho fi n f o r m a t i o nh i d i n gg r o w i n gi n t h e s ey e a r s s o m em a r k i n gi n f o r m a t i o na r ee m b e d d e di n t om u l t i m e d i ac o n t e n td i r e c t l yb yt h e g i v e na l g o r i t h m ，a n dt h em a r ki se x t r a c t e db yas p e c i a ld e t e c t o ro rr e a d e r t h ev a l u ea n d u s e f u l n e s so fm u l t i m e d i aa r eu n a c t e do nm a r ke m b e d d i n g ，a n dt h ee m b e d d e dm a r ki sn o te a s yt o b ed i s c o v e r e da n dn o t e db yt h ep e r c e p t i v i t yo fh u m a n w i t hd e v e l o p i n go fi n f o r m a t i o ni n d u s t r y a n dp r a c t i c i n go fe l e c t r o n i cc o m m e r c ei no u rc o u n t r y ，t h ed i g i t a lw a t e r m a r k i n gt e c h n i q u ew i l l h a v em o r ea p p l i c a t i o n s d i g i t a lw a t e r m a r k i n gi sc l o s e l yt i e du p 、i t l ii n f o r m a t i o nh i d i n ga n dd a t ae n c r y p t i o n ， d e v e l o p m e n ta n df u s i n go ft h e mw i l lb ea ni n d i s p e n s a b l es e c u r i t ym e a n sf o r t h ed e v e l o p m e n to f i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y c h a o t i cs y s t e m sh a v ea t t r a c t e de x t e n s i v ei n t e r e s t si nc r y p t a n a l y s i sa n d c o m m u n i c a t i o n sb e c a u s eo fi t sn o i s e l i k e ，u n p r e d i c t a b l ey e td e t e r m i n i s t i co r b i t sa n ds e n s i t i v i t y t oi n i t i a lc o n d i t i o na n dp a r a m e t e r s n o w , t h ee x i s t i n ga l g o r i t h m so fi m a g ew a t e r m a r ka l m o s tf o c u so ns i n g l et r a n s f o r mf i e l d ，s o t h e i rr o b u s ta n ds e c u r i t yp e r f o r m a n c ea r en o ts t r o n ge n o u g h i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，an e w a p p r o a c h o fi m a g ew a t e r m a r ka r ep r o p o s e d t h em a i ni d e ai sa sf o l l o w s ：f i r s tt h ew a t e r m a r ki m a g ei s e n c r y p t e db yc h a o t i cm a p s ，t h e nw ec o m b i n ed c t 谢md w tt oe m b e dt h ew a t e r m a r ka c c o r d i n g t ot h ej p e ga n dj p e g2 0 0 0s t a n d a r d s i ti ss h o w nt h a tt h en e wa p p r o a c hh a sb e t t e re f f e c t i v e n e s s o nr e s i s t i n gt h ei m a g ec o m p r e s s i o n ，n o i s ed i s t u r b a n c e ，m e d i a nf i l t e ra n di m a g ec u t t i n g k e yw o r d s ：c h a o t i cm a p s ，d c t ，d 啊i m a g ed i g i t a lw a t e r m a r k i n g i i 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师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的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果j 也不包含为获得南京邮电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如何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示了谢意。 研究生签名： 叠堑磊日期：2 璺鲤垒丝 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文 的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除了保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以 公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权南京邮电大学研 究生部办理。 研究生签名： 叠笙盏 导师签名： ， 1 日期：2 篮：垒! ! 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 1 1 数字水印的提出 第一章绪论 随着计算机网络和多媒体信息处理技术在全世界范围的迅猛发展，多媒体数字化技术 得到前所未有的发展和应用，而数字多媒体数据的正确性、可移植性、易传输性极大地方 便了信息交换和资源共享。越来越多的数字媒体得以广泛传播，信息表达的效率和准确度 也得到了显著的提高。随着网络通信的普及，数字化信息产品在电子商务中将占据巨大市 场份额，如m p 3 的网上销售，数字影院的大力推行，网上图片、电子书籍销售等等。然而， 伴随着信息产业的高速发展和信息商品化意识的深入人心，数字化信息产品面临着新的严 峻挑战对数字化信息的非法侵权、盗版、恶意篡改和传播。如果泄露或篡改的内容涉 及到国家安全、法庭举证、历史文献等重要数据，可能会造成不良的社会影响或导致重大 的政治、经济损失。大量的数字化技术本身的特性带来的负面效应，己经成为信息产业健 康持续发展的一大障碍。因此，数字多媒体的信息安全、知识产权保护和真实性认证问题， 己成一个富有挑战性并迫切需要解决的问题。 传统的加密技术是防止窃取信息的重要手段，一般情况下，将多媒体数据文件加密成 密文的形式发布，这样可以保证数据文件在网络传递过程中，非法攻击者无法从密文获得 机密信息，从而达到保护信息安全的目的n 1 。但事实证明这种方法并不能完全解决问题： 其一，传统的加密算法一般是基于文本数据设计的，它把一段有意义的数据流( 称为明文) 转换成看起来没有意义的数据( 称为密文) ，如d e s 和r s a 。由于将明文数据加密成密文数 据，使得在网络传递过程中非法拦截者无法从中获得信息，从而达到保密的目的。但只有 掌握正确密钥的用户才能解密，其他人不能对数字产品进行观赏浏览，这样版权所有者就 不易对数字产品进行宣传或交易，而且一旦被解密，数字产品就完全透明了，版权所有者 就无法跟踪和控制侵权行为；其二，利用密码技术加密数字信息，虽然可以防止信息内容 为他人所理解，但同时也暴露了信息的重要性，成为攻击者注意的焦点；其三，所加密的 数字内容仅在传输过程中被保护，当信息被接收并解密之后，就无法保证其不被非法拷贝、 再次传播和盗用；其四，数字图像和音视频的数据量较大，对它们进行传统意义上的加 密或数字签名不太实际，并且，现存加密算法和签名算法有限，用公开的算法易被破解。 作为传统加密方法的有效补充和发展手段，信息隐藏技术在近年来引起了学术界和产 南京邮电大学硕研究生学位论文 第一苹绪论 业界的高度重视，正得到广泛的研究与应用。数字水印是一种新的信息隐藏技术，它可为 版权保护等问题提供一个潜在的有效解决手段，从而成为目前国际学术界研究的一个前沿 热门方向。“数字水印”的概念最初是f l 了c a r o n n i 乜1 于1 9 9 3 年提出来的，并应用于图像，引起 了电子出版界、学术界的极大兴趣，同时被广泛应用于视频、音频等其他数字媒体口1 。该 技术是将序列号、身份识别码、文本、图像标志、音频和视频等信息嵌入到多媒体数据中， 以起到版权保护等作用。尽管版权保护是发展数字水印技术最重要的原动力，但随着数字 水印技术研究的不断深入，数字水印的其它一些重要作用，如真伪鉴别、秘密通信、标志 隐含等h 3 ，也被逐渐地提出和应用。 1 2数字水印技术的研究现状和发展趋势 1 2 1 数字水印技术的研究现状 数字水印技术自其诞生以来发展迅猛。第一篇与数字水印相关的文章出现在1 9 7 9 年， 而真正引起人们对水印关注的则是t i r k e l 等人于1 9 9 3 年发表的( ( e l e c t r o n i cw a t e r m a r k ) ) 及随 后的ad i g i t a lw a t e r m a r k ) ) 。作者在后文中正式提出并定义了数字水印这一术语。这些初 始的水印方案都局限在空域内，即属于改变像素低位的方法。此外t i r k e l 还认识到可以将扩 频技术应用到数字水印中，提出了可以使用扩频技术向静止图像中添加水印的思想嘞。 1 9 9 5 年以后，数字水印技术得到了厂泛的关注并且得到了较快的发展，仅1 9 9 8 年就发 表了1 0 0 篇左右有关数字水印的文章。1 9 9 8 年，美国政府报告中出现了第一份有关图像数 据隐藏的a d 报告。目前，已支持或开展数字水印研究的机构既有政府部门，也有大学和知 名企业。它们包括美国财政部、美国版权工作组、美国空军研究院、美国陆军研究实验室、 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、明尼苏 达大学、剑桥大学、i b m 公司、微软公司剑桥研究院、朗讯公司贝尔实验室，c a 公司、s o n y 公司、n e c 研究所以及荷兰菲利浦公司等。s p i e 和i e e e 的一些重要国际会议也开辟了相关 的专题。 我国也先后于1 9 9 9 年1 2 月、2 0 0 0 年6 月和2 0 0 1 年9 月举办了三次信息隐藏技术研讨会， 国家8 6 3 计划智能计算机专家组会同中科院自动化所模式识别国家重点实验室和北京邮电 大学信息安全实验室还召开了专门的“数字水印学术研讨会 。 2 南京邮电大学硕七研究生学位论文第一章绪论 随着学术界对水印理论和技术的研究，产业界也对水印的应用给予了足够的重视。i b m 在其数字图书馆d i g i t a ll i b r a r y i 开究计划中采用了可见水印技术哺1 。该计划的研究成果已为 美国国会图书馆等著名图书馆所采用。n e c 公司则研究如何把水印技术应用于d v d 系统的 拷贝保护机制中。与此同时，一些公司已逐步推出了有关数字水印技术的商用软件系统( 如 d i c e 的专利技术、d i g i m a r cc o r p o r a t i o n 的d i g i m a r ct o o l s 、m e d i a s e c 的s y s c o p 、s i g n a f yi n c 的o w n e r m a r k 、s i g n u mt e c h n o l o g i e s 的s u r e s i g n 、剑桥大学的s t i r m a r k 等) 。在国内，上海 阿须数码技术有限公司率先推出了自己的数字水印产品它们有着无限的商业价值和应用 前景。 随着水印技术应用的推广，其标准化工作也开始受到重视口1 。i b m 、s o n y 、h i t a c h i 、 n e c 和p i o n e e r 等五家大公司在1 9 9 9 年2 月联合宣布了一个保护数字视频和数字电影的水印 标准协议，标志着水印标准化已逐步迈向正轨。 1 9 9 8 年美国版权保护组织( c p t w g ) 成立了专门的数据隐藏小组( d h s g ) 考虑制定 版权保护水印的技术标准，并提出了一些基本的要求帅1 ： 1 隐藏于数字作品中的水印是不可感知的； 2 可被专用数字电路识别； 3 水印的检测不必获取完整的数据； 4 可标记“未曾复制 、“只可复制一次 和“不能再复制 等信息； 5 漏检概率低； 6 对常用信号处理过程具有鲁棒性； 7 使用成熟的技术嵌入或检测水印。 数字水印作为一种目标明确的被攻击对象，需要满足极强的鲁棒性；同时作为一个以 版权保护为目的的系统，必须能够作为法庭上有效证明版权归属的、合法的、可靠的证据。 但是，目前的数字水印技术，无论是嵌入过程还是提取过程都还远远不够成熟，离上述美 国提出的技术标准更有很大的距离，无论是鲁棒性、保密性还是嵌入或提取过程中算法的 简易性，都值得去深入探索n 们。 1 2 2数字水印技术的发展趋势 无论是在国内还是国外，数字水印技术的研究都还很不成熟，甚至在有些问题上( 如 嵌入算法、水印结构等方面) 还存在着完全不同的观点和做法，其应用也处于初级阶段。 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一苹绪论 总的来说，数字水印技术的研究和发展正呈现以下的趋势“n ： ( 1 ) 基础理论研究方面 数字水印技术是一个新兴的研究领域，其基础研究的目的是建立数字水印的理论框 架，解决隐蔽性等基本理论问题，目前对该问题的研究儿乎还是一个空白，还没有形成统 一规范的概念和术语，缺乏完整的理论体系描述。在认知科学和信号处理理论的基础上， 充分借鉴密码学的研究成果，完善数字水印理论，建立数字水印的理论框架，分析数据量 与隐藏量之间的关系，从而奠定数字水印技术的理论依据，使其真正发展成为一门学科， 是该研究领域的一项重要工作。 ( 2 ) 应用基础研究方面 应用基础研究的土要方向是针对多媒体信号，研究相应的水印隐藏与解码算法，以及 能抵御各种攻击的鲁棒性数字水印技术。 对于数字水印的结构设计，利用有意义的、保密性更好的图像编码取代随机序列做为 水印更具实用价值，但图像编码的信息量远远大于随机序列，因此，嵌入水印后，载体图 像的不可见性较难保证。另外，采用相似函数法就可检测出载体中是否包含有随机序列水 印。而对于图像水印来说，由于其有一定的实际含义，因此除了利用相似检测方法外，还 需要利用提取算法恢复出图像水印，这往往比水印嵌入更具技术难度。在水印嵌入对策上， 研究鲁棒性好的数字水印嵌入算法仍是数字水印的最重要的发展方向。由于d c t 和d w t 在 图像处理和数据压缩领域中的特殊地位，基于d c t 或d w t 域的水印算法的研究将成为主 流。对于一些特殊的对象，单一的技术不能解决问题。例如，对于纹理细微且分布均匀的 图像，分块d c t 法不能有效地提取出图像纹理信息，从而不能保证将水印信息嵌入到图像 的不可见区域。因此，将空间域和频率域水印算法相结合的混合型水印算法也将成为该领 域有前途的研究方向。在水印检测方面，如何降低在失真的水印图像中检测数据的错误概 率问题，以及在科学地比较算法的优劣方面还需要做非常深入的研究。最后，对于数字水 印这一对抗性很强的领域，研究水印攻击和反攻击方法也至关重要。 ( 3 ) 应用研究 影响数字水印应用的因素很多，最重要的仍然是水印算法的可靠性和完整性。现有的 水印算法抗攻击性较差，大部分算法直接针对灰度图像，对一些常见的格式如文本、彩色 图像等，还缺乏较完善的解决方案。以数字水印的实用化为目的，基于先进的数字水印算 法，开发成熟的数字水印应用软件是未来该领域研究的重要环节，该方向发展速度也很快， 目前已经从单纯的图像处理软件插件向商业化软件发展。研究面向i n t e m e t 实际网络环境下 的数字水印应用系统，建立水印认证中心，提供各种网上服务等，都具有很高的技术含量 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 和很强的生命力，同时也孕育着巨大的商机。 ( 4 ) 标准和协议 数字水印要想得到更广泛的应用必须建立系列的标准或协议，如加载或插入数字水 印的标准，提取或检测数字水印的标准，数字水印认证的标准等。目前国际上的水印处理 尚未形成统一的标准，标准的算法必须有其优越性、通用性和有效性，并要得到世界各国 的认同，所以形成标准是项艰巨的任务，其中基于d c t 变换和小波变换域的水印处理技 术是各国争相研究的热点，形成标准的可能性最大。 1 3 数字水印技术的应用 数字水印研究成果主要可应用于以下几个方面： ( 1 ) 版权保护 目前，版权保护是数字水印最主要的应用。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，这种应用要求有非常高的健壮性。包含很多图像的w e b 是该 ： 应用的推动力量，它所含的这些图像是可随意使用的，但是其所有者却要保护它们。除了 健壮性以外还要考虑其它的问题，例如，水印必须是清晰的，当其他人嵌入另外的水印时 仍然能够确认真正的所有者。因此，除了健壮性之外，还要考虑其它的要求。 ( 2 ) 防止非法拷贝 在多媒体发行体系中，建立禁止未授权的媒体拷贝的拷贝保护机制非常重要。在这样 的系统中，可以用数字水印来说明数据的拷贝情况。例如，在媒体的录放设备的设计中 应用图像数字水印技术，当录放设备工作时，检测媒体是否带有水印，以决定该媒体应不 应该被录放，从而拒绝非法拷贝媒体的流行和使用。同样的原理可应用于厂播、电视、 计算机网络在线多媒体服务中的听、看、访问权限的控制，例如在广播、电视接收机和计 算机网络的浏览器中应用数字水印技术，可以控制音、视频媒体的听、看权限。 ( 3 ) 盗版跟踪 与软件产品的序列号类似，数字水印可用于监控和跟踪流通数据的非法拷贝。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”。对每个 拷贝各自嵌入水印的情况，因为它们的发行要面临共谋攻击的危险，所以嵌入的水印应该 5 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 设计成对共谋攻击而言是安全的。同样，对于某些数字指纹应用来说，人们要求水印易于 提取，且有很低的复杂度，例如对于w w w 应用，有专门的w e b 搜索者寻找嵌入了水印的 盗版图像。数字指纹应用中的水印也需要很高的健壮性，不仅要能抵抗恶意的攻击，还要 能抵抗一些标准数据处理。 ( 4 ) 基于内容的真伪鉴别 随着高质量图像输入输出设备的发展，特别是高精度的彩色打印机和复印机的出现， 使得货币、支票以及其他票据的伪造变得更加容易。另一方面，在从传统商务向电子商务 转换过程中，会出现大量过度性的电子文件，如各种纸质票据的扫描图像等。数字水印技 术可以用于鉴别支票、合同等重要文档的来源的真实性、内容的真实可靠性等。在鉴定应 用中，使用数字水印的目的是对数据的修改进行检测，该技术可利用所谓的“脆弱性水印一 来实现。数字水印还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。 ( 5 ) 数字媒体附加描述和参考信息的携带 可以把感兴趣的图像特征( 或区域) 的位置和识别信息直接嵌入到图像中，实现特征的 定位和识别。目前针对广播电视、图书馆等单位的媒体资源平台的管理是一项十分复杂的 工作，尤其是搜索工作，由于媒资系统十分庞大，很难实现内容的快速查找。如果把图像 的特征加以描述，这样就大大加快了检索速度。此外，这一研究也将有助于广播电视和网 络多媒体安全的监测。 ( 6 ) 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。迄今为止，学术界在这方面的研究思路一直未能突破“文件加密的思维模式。然而， 经过加密的文件往往是混乱无序的，容易引起攻击者的注意。数字水印所依赖的信息隐藏 技术不仅提供了非密码的安全途径，更引发了信息战尤其是网络情报战韵革命，产生了一 系列新颖的作战方式，使得利用公用网络进行保密通信有了新的思路，利用数字化声像信 号相对于人的视觉、听觉冗余，可以进行各种时( 空) 域和变换域的信息隐藏，从而实现隐 蔽通信。 1 4 本文主要研究工作及内容安排 本文重点研究基于混沌映射的数字水印嵌入算法，将混沌加密应用于数字水印技术， 增强水印的保密性，提出了一套新的数字图像加密和数字水印嵌入算法。实验结果表明， 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一荤绪论 本文算法在抵抗图像压缩、噪声干扰、中值滤波、图像剪切、旋转攻击等方面有较好的性 能。 本文分为五章，其中： 第一章是绪论，首先介绍了数字水印提出的背景和研究意义、研究现状和发展趋势， 概括了数字水印技术的实际应用，本章主要内容都是从感性角度对数字水印做一个初步的 介绍，为下文从理性角度分析和进一步量化分析做好准备。最后概述本文的主要研究工作 和内容安排。 第二章对数字水印的基本概念、原理与主要算法作了一个全面的概述，介绍了数字水 印的常见分类以及数字水印的相关特性，描述了数字水印的系统框图，包括水印嵌入、提 取和检测；列举了一些常见的数字水印算法，以及几种常见的数字水印攻击方法，并对当 前水印技术的研究所存在的不足作了概要的总结，分析这些是为了在研究数字水印算法的 过程中，更全面地评价一种算法各方面的性能，以及如何进一步提高算法的质量。 第三章首先介绍了混沌的基本原理和相关概念，对混沌的发展史由远及近的做了介 绍，从数学角度给出了混沌系统的定义，从物理角度描述了混沌系统的特征，尤其对一些 典型的混沌系统作了较为详细的介绍，因为其中一些低维的混沌映射是本文第四章图像加 密和数字水印的具体算法中所要涉及到的；然后简要介绍了混沌在图像加密和数字水印技 术中的应用，这些介绍是下面第四章了解和研究具体算法的基础。 第四章是本文的核心思想所在，分别提出了一种基于混沌映射的图像加密算法和一种 基础混沌的数字图像水印算法。首先回顾了三种混沌映射，这三种都是低维混沌映射，基 于这三种混沌映射提出了一种图像加密方法；然后介绍了两种数学变换：d c t 变换和d w i 变 换，这两种数学变换和图像处理有着密切关系，下文的数字水印算法就是在这两个变换域 内进行的；接着将这两部分内容有机整合，提出了一种全新的基于混沌的d c t 和d w ”i 的数 字水印算法，并通过一系列的仿真、比较和分析，将该算法的作了全面总结。 第五章是总结与展望，总结本文的所做的工作，展望数字水印技术和混沌的未来发展 方向。 7 南京邮电大学硕 研究生学位论文 第二章数字水印技术 第二章数字水印技术 2 1数字水印的概念、分类及基本特征 2 1 1 数字水印的概念 提起“水印 ，马上会使我们联想到纸币上的水印、纸张上的水印。这些传统的“水 印 用来证明纸币或纸张上内容的合法性。同样，数字水印也是用以证明一个数字产品的 拥有权、真实性，成为分辨真伪的一种手段。它们的不同之处在于，传统水印都是人眼可 以看得见的，而数字水印有的也可被人眼所见j 但大多数是深藏于数字化产品( 图片、音 频、视频、文本等) 之中，是人眼看不见的，即不易感知，只能用计算机来识别、读取。 数字水印本质上是一个隐藏在数字化图像、视频和音频等多媒体中的信息，水印和内 容本身集成在一起，在不需要额外的存储空间和新的存储格式的情况下，可以为原始数字 媒体提供必要的证明信息和版权保护。目前大部分文献都将数字水印技术用在静态图像和 视频图像中，本文论述的都是针对静态图像。 2 1 2数字水印的分类 从不同的角度出发，对数字水印有不同的分类方法。目前常见的分类方法有如下几种 1 z - l s ( 1 ) 按水印所附载的媒体分类 按数字水印所附载的媒体，可以将数字水印划分为图像水印、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，同时相应地也会产生新的数字水印技术。 ( 2 ) 按水印的特性分类 按照水印的特性，可以将数字水印分为鲁棒数字水印和脆弱数字水印。鲁棒数字水印 主要用于解决在数字作品中标识著作权信息问题，例如作者名称、作者序号等，它要求嵌 g 堕塞坚皇奎堂堡圭堕壅竺兰垡笙苎釜三兰墼兰查望垫查 入的水印能够抵抗各种有意或无意的攻击：脆弱水印主要用于完整性保护，要求对信号的 改动敏感，人们根据脆弱水印的状态可以判断数据是否被篡改过。 ( 3 ) 按水印的主观形式分类 从数字水印的主观形式的角度出发，可将数字水印分为可见数字水印和隐形数字水印 两种。更准确地说应该是可觉察数字水印和不可觉察数字水印。不可觉察数字水印嵌入到 媒体后在媒体中留卜明显的印记，主要用于标识版权，防止非法使用，虽然降低了资料的 商业价值，却不妨碍使用者的使用。不可觉察性数字水印嵌入到数字作品中，人的感观不 能明显地觉察，不影响作品的质量。 ( 4 ) 按水印的检测过程分类 按照数字水印的检测过程，可以将数字水印划分为有源提取水印和无源提取水印。有 源提取水印在检测过程中需要原始数据，而无源提取水印只需要密钥，不需要原始数据。 ( 5 ) 按数字水印的嵌入位置分类 按数字水印的嵌入位置分类法，可以将水印划分为时( 空) 域数字水印、频域数字水印 和时频混合域数字水印三种。 ( 6 ) 按数字水印的内容分类 按数字水印的内容可以将数字水印划分为有意义水印和无意义水印。有意义水印是指 水印本身也是某个数字图像( 如商标图像) 或数字音频片段的编码：无意义水印则只对应于 一个序列号。有意义的水印的优势在于，当媒体水印化信息受到攻击或其他原因致使解码 后的水印破损时，人们仍然可以通过视觉观察确认是否含有水印。但对于无意义水印来说， 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的方法来确定信号中是否含 有水印。 ( 7 ) 按水印加密方法分类 在密码学中，根据密钥的不同加密方法可分为对称密码加密和非对称密码加密( 公钥 密码体系) 两种。类似地，数字水印算法也可根据所采用的密钥的不同分为私钥数字水印 和公钥数字水印。私钥数字水印方案在加载数字水印和检测数字水印过程中采用同一个密 钥( 私钥) 。因此，需要在发送和接收双方之间有一个安全的通道以确保密钥的安全传送。 而公钥数字水印则在数字水印的加载和检测过程中采用不同的密钥，利用任何人都知道的 公开密钥加载数字水印，加载过数字水印的信号被所有者用一个只有他本人自己知道的密 钥进行检测。也就是说任何人都可以进行数字水印的插入和加载，但只有所有者可以提取 或检测数字水印。 ( 8 ) 按用途分类 o 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章数字水印技术 不同的应用造就了不同的水印技术。按水印的用途，可以将水印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。 随着数字多媒体技术的发展，会有更多种类的数字载体出现，同时也会产生相应的水 印技术。 2 1 3 数字水印的基本特征 为了更好地实现数字媒体的真伪验证、安全存储、保密传输等目的，一般认为在数字 媒体中嵌入的数字水印应具有如下特征n 7 1 ： ( 1 ) 鲁棒性 鲁棒性是指水印信号在经历多种无意或有意的信号处理后，仍能保持其完整性或仍能 被准确鉴别的特性。可能的信号处理过程包括信道噪声滤波、数模与模数转换、重采样、 剪切、位移、尺度变化以及有损压缩编码等。 ( 2 ) 不可感知性 不可感知性包含两方面的意思，一方面指视觉上的不可感知性，即原始图像与嵌入水 印后的图像在人类视觉系统下是不可分辨的。另一方面用统计的方法也无法分辨原始图像 与嵌入水印后的图像。不可感知性是数字水印系统的一个最基本的特性。 ( 3 ) 安全性 水印嵌入过程( 嵌入方法和水印结构) 应该是秘密的，嵌入的数字水印是统计上不可检 测的，非授权用户无法检测和破坏水印。对于通过改变水印图像来消除和破坏水印的企图， 水印应该能一直保持存在，直到图像已严重失真而丧失使用价值。 ( 4 ) 实时操作性 数字水印方案应能实时地嵌入和提取水印，以便于快速地处理图像序列或移动图像的 水印并分析图像的性质。 ( 5 ) 可证明性 数字水印所携带的信息能够被唯一地、确定地鉴别，从而能够为已经受到版权保护的 信息产品提供完全和可靠的所有权归属证明的证据。数字水印算法能够正确识别出被嵌入 到保护对象中的有关信息，例如经过注册的用户的编码、产品的标识或者其他任何有意义 的文字等，并且能在需要时将其提取出来作为证据。 以上特征并不是每一个水印系统都必须最大限度地满足，实际上也不可能都满足，许 1 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章数字水印技术 多特征之间是矛盾的，实际的系统只能根据具体应用的不同来进行折衷。 2 2 数字水印技术的系统模型 当前对数字水印技的研究主要集中在以下三个方面：其一是水印生成技术，研究如何 产生一个与作者或作品直接有关的信息( 一般是一个随机信号) ，也可以是二进制、实数值 的向量或图像。根据所设计的水印系统对安全程度的要求不同，还可对其进行混沌加密、 编码等处理，使得没有授权的第三方不能读取水印内容。其二是水印嵌入技术，研究如何 嵌入水印信息才能达到鲁棒性和不可感知性等水印特征的要求，主要方法有对水印载体在 空域( 变换域、混合域) 内对其数值( 灰度、颜色、变换系数等) 进行修改，以嵌入水印信号。 其三是水印检测技术，研究如何从水印载体中有效的判断水印的存在性或提取出可视的水 印信息，主要方法有统计检测、相似性检测和水印提取等。 通用的数字水印算法包括两个方面：水印嵌入算法和水印提取检测算法。 设原始图像为，水印密钥为k ，水印信息为形。若预处理函数为f ，那么预处理后 的水印为矿，可以表示为： 旷= f ( i ，形，k ) ( 2 1 ) 在图像，中嵌入水妒后得到含有水印的图像岛。设嵌入函数为e ，水印嵌入算法可以 用下式表示为： 岛= e ( i ，耽 ( 2 2 ) 上述水印嵌入过程可以用图2 1 所示。 图2 - 1 水印嵌入过程 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章数字水印技术 水印提取检测过程可以用图2 2 表示。待检测图像岛，水印提取函数d ，且提取水印 需要使用到原始图像，和密钥k ，那么提取出来的水印形+ 可以表示为： w d ( i ，0 ，k ) ( 2 3 ) 若待检测的图像乃就是易，贝, t lw + 就等于形；若0 是由石修改后得到的图像，那么w + 是 矿的修改版本，我们期望此时与肜尽量相似。 图2 2 水印提取和检测过程 若水印是可感知的内容，如文本、图像和语音，那么可以通过显示或者播放提取出来 的水印肜+ 来证实水印的存在。而且可以进一步计算提取出来的水印+ 与水印形之间的相 似度，以此来判断形是不是水印。若形与的相似度用函数s i m 计算，那么水印检测 过程可以表示为： 形存在妨”( 矾w ) p ( 2 - 4 ) l 形不存在s i m ( w ，w ) 0 一 ( i i ) 对任意的x ，j ，s ，有：i m p l y ”( x ) - f ”o ) 卜0 1 ( i i ) 对任意的x s 和f 的任一周期点y ，有： ” ”( y ) i 仃_ l i m s u p - j f ( x ) - f0 - - + 0 0 这个定义是针对一个集合提出的，它表明了混沌运动的重要特征：存在可数无穷多个 稳定的周期轨道；存在不可数无穷多个稳定的非周期轨道；至少存在一个不稳定的非周期 轨道。 定义2 ：设y 是一个紧度量空间，连续映射f ：矿一y ，称在矿上是混沌的，如果： ( 1 ) f 对初始条件具有敏感依赖性：存在万 0 ，对于任意的占 0 和任意x y ，在x 的s 邻域内存在y 和自然数甩，使得l 广o ) 一广( y ) i 万； ( 2 ) 厂具有拓扑传递性：对于矿上的任意一对开集x ，】，存在k 0 ，厂( z ) n y g ； ( 3 ) f 的周期点集在y 中稠密。 对于初值的敏感依赖性，意味着无论z ，y 离得多么近，在的作用下两者的轨道都可 能分开较大的距离，而且在每个点x 附近都可以找到离它很近，而在厂的作用下终究分道 扬镳的点y 。拓扑传递性意味着任一点的邻域在的作用下将“撒遍 整个度量空间矿， 这说明不可能细分或不能分解为两个在下相互影响的子系统。这两条一般说来是随机 系统的特征，但第三条一周期点稠密性，又表明系统具有很强的确定性和规律性，绝非 一片混乱，形似紊乱而实则有序。 在物理学上人们并不严格采用数学上的定义，而给出了一个普适的依赖于现象的定 义，所谓混沌是指具有以下特点的一类现象： ( 1 ) 由确定性系统产生； ( 2 ) 具有有界性； ( 3 ) 具有非周期性； ( 4 ) 对初始条件具有极端敏感性。 混沌由确定性系统产生和具有有界性，这意味着混沌是可控的，而且也是可观测和可 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章混沌与图象数字水印技术 实现的。混沌具有非周期性，这表明它具有宽的频带和类噪声的特点。对初始条件的极端 敏感性说明混沌信号具有长期不可预测性。 3 1 3 混沌理论的基本概念 ( 1 ) 相空间：在连续动力系统中，用一组一阶微分方程描述运动，以状态变量( 或状 态向量) 为坐标轴的空间构成系统的相空间。系统的一个状态用相空间的一个点表示，通 过该点有唯一的一条积分曲线。 ( 2 ) 分形和分维：分形是n 维空间一个点集的一种几何性质，该点集具有无限精细的 结构，在任何尺度下都有自相似部分和整体相似性质，具有小于所在空间维数刀的非整数 维数。分维就是用非整数维分数维来定量地描述分形的基本性质。 ( 3 ) 混沌运动：是确定性系统中局限于有限相空间的高度不稳定的运动。所谓轨道 高度不稳定，是指近邻的轨道随时间的发展会指数地分离。由于这种不稳定性，系统的长 时间行为会显示出某种混乱性。 ( 4 ) 不动点：又称平衡点、定态。不动点是系统状态变量所取的一组值，对于这些 值系统不随时间变化。在连续动力学系统中，相空间中有一个点，若满足当，- - - o o 时， 轨迹x ( f ) 一，则称为不动点。 ( 5 ) 吸引子：指相空间的这样的一个点集s ( 或一个子空间) ，对s 邻域的几乎任意 一点，当，专时所有轨迹线均趋于s ，吸引子是稳定的不动点。 ( 6 ) 奇异吸引子：又称混沌吸引子，指相空间中具有分数维的吸引子的集合。该吸 引集由永不重复自身的一系列点组成，并且无论如何也不表现出任何周期性。混沌轨道就 运行在该吸引集中。 ( 7 ) 分叉和分叉点：又称分岔或分支，指在某个或某组参数发生变化时，长时间动 力学运动的类型也发生变化。这个参数值( 或这组参数值) 称为分叉点，在分叉点处参数的 微小变化会产生不同性质的动力学特性，故系统在分叉点处是结构不稳定的。 ( 8 ) 周期解：对于系统吃+ ，= 厂( 矗) ，当门专时，若存在孝= + ，= 吒，则称该系统 有周期f 解孝。不动点可以看作是周期1 解，因为它满足而+ 。= 毛。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章混沌与图象数字水印技术 3 1 4混沌系统的特征 根据3 1 1 关于混沌定义的描述，我们可以总结出这样个概念：混沌就是确定性非 线性系统所产生的类似随机的行为。这个定义说明了三个问题：其一，混沌是非线性系统 的产物，线性系统不可能产生混沌；其二，混沌是确定性系统的产物，任何混沌现象都是 由确定的混沌模型产生的，当前时刻的状态与前面的状态是相关联的；第三，混沌是类似 随机性的行为。 因此，可以将混沌的特征概括为以下几点： ( 1 ) 初值敏感性 这是混沌系统的典型特征，意思是相同的混沌系统在具有微小差别的初始条件下，系 统的长期行为会发生巨大的变化，注意这里的“长期 是个相对的概念；气象学家l o r e n z 教授根据牛顿定律建立了温度和压强、压强和风速之间的非线性方程组，他将方程组在计 算机上模拟，因嫌那些参数的小数点后的位数太多，输入烦琐，便舍去了几位，尽管舍去 部分微不足道，可是结果却大大出乎意料，居然大相径庭。这就是混沌系统对于初始条件 的敏感依赖性。 ( 2 ) 不可预测性 混沌系统的行为长期不可预测。混沌现象是确定性系统的一种内在随机性，它的确定 性是因为它内在的原因，而非受外界干扰而产生的；随机性是指不规则的、不能预测的行 为，称这种混沌为非平衡混沌，股票市场所处的混沌状态就是非平衡混沌；系统处于平衡 状态时所呈现的杂乱无章的混乱状态称为平衡态混沌，如分子热运动。无论哪种状态，当 系统进入混沌过程后，系统或表现为整体的不可