（计算机应用技术专业论文）静止图像的数字水印算法研究.pdf

摘要 摘要 伴随着网络技术和多媒体技术的飞速发展，多媒体数据逐渐成为人们获取信息的重 要来源，并成为人们生活的重要组成部分。因而，如何保护多媒体信息的安全成为国际 上研究的热门课题。数字水印技术作为版权保护的重要手段，已经得到广泛的研究和应 用。本论文主要探讨有关数字图像信息安全的数字水印技术。 本论文首先分析了水印算法的历史和相关术语，再概括地描述了数字水印的基本原 理和总体框架，然后回顾了图像数字水印的分类，并基于水印算法中比较著名的方案进 行了细致的介绍。 本文还运用扩频通信的基本原理，对c d m a 水印算法在抗几何攻击时的自相关函 数进行了分析，并提出了模版去噪的扩频水印算法，利用视觉优化函数在小波变换域完 成水印的嵌入。最后，给出图表数据，进一步地证明论文所提出的水印算法在满足水印 的不可见性的同时具有很好的稳健性。 本文还探讨了一种基于数字签名的数字水印方案。数字签名是为了保证应用系统进 行通讯时真伪鉴别的一种方法。该方案使用图像的r a d o n 投影向量作为图像特征信息 来完成签名信息的提取，并最终形成水印比特嵌入到图像中。它有效结合了数字签名和 数字水印的特点，为更好的进行图像认证提供了一种全新的途径。 关键诃：信息隐藏数字水印数字签名图像哈希特征提取几何攻击码址多分 r a d o n 变换r i d g c l c t 变换 江南大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ed i g i t a lm e d i ah a sb e c o m eam a i nw a yf o ri n f o r m a t i o nc o m m u n i c a t i o na l o n gw i t ht h e w i d eu s eo fn e t w o r k a tt h es a m et i m e ，m u l t i m e d i ai n f o r m a t i o ns e c u r i t yp r o b l e m si n c l u d i n g c o p y r i g h t sp i r a c ye m e r g e da ss i d ee f f e c t so ft h ep o p u l a r i t y o fd i g i t a l r e p r e s e n t a t i o na n d d i s t r i b u t i o no v e rn e t w o r k d i g i t a lw a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g yp r o v i d e sn o v e lw a y st os o l v e t h e s es e c u r i t yp r o b l e m sf o rm u l t i m e d i ai n f o r m a t i o n i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w es t u d yt h e t e c h n o l o g i e sa n da p p l i c a t i o no fm u l t i m e d i ai n f o r m a t i o ns e c u r i t yi n t h ea r e ao fd i g i t a l w a t e r m a r k i n g f i r s t l y , t h eh i s t o r yo fw a t e r m a r k i n ga n dt h er e l e v a n tg l o s s a r ya r et a l k e d ，a n dt h eb a s i c t h e o r ya n df r a m e w o r ko fw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mh a v eb e e nr o u g h l ya n a l y z e d ，t h e n w a t e r m a r k i n gp a t t e m sa r ec l a s s i f i e da n dt h ep o p u l a rw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m sh a v eb e e n c o n d u d e d s e c o n d l y , w i t ht h eb a s i so ft h i n k i n go fw a t e r m a r k i n gc o m m u n i c a t i o n ，t h ea c f o ft h e c d m a w a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m si sa n a l y z e du n d e rg e o m e t r ya t t a c k t a k i n ga d v a n t a g eo ft h e c o m m u n i c a t i o n t h e o r y a n d p r e - n o i s e - r e m o v e dt e c h n o l o g y , a n e w 、s p r e a d s p e c t r u m - w a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mb a s e do nc o d e - d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s e si sp r o p o s e d i t u s e st h ep e r c e p t u a lm a s k i n gt oa c c o m p l i s he m b e d d i n gt h ew a t e r m a r k i n gi nt h ew a v e l e t d o m a i n ，a st h ee x p e r i m e n t sg i v e n ；i t sp r o v e dt ob ei n v i s i b l ea n dr o b u s t n e s s am e t h o do fw a t e r m a r k i n gw h i c hb a s e so nt h ed i g i t a ls i g n a t u r ei sa l s op r o p o s e d t h e s i g n a t u r ei saa u t h e n t i cm e t h o do ft h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e na p p l i c a t i o n s w ec o n s i d e rt h e i m a g eh a s ha st h es i g n a t u r e ，w h i c hw a se x t r a c t e df r o mt h ei m a g eb yr a d o nt r a n s f o r ma n d l - l e v e ld w t a sc o m b i n e so fs i g n a t u r e ss e c u r i t ya n dw a t e r m a r k i n g si n v i s i b i l i t y i tp r o v j d c s an e w w a y f o ri m a g ea u t h e n t i c a t i o n k e yw 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 ，d i g i t a ls i g n a t u r e ，i m a g eh a s h ，f e a t u r e e x t r a c t i o n ，g e o m e t r ya t t a c k ，c o m a , r a d o nt r a n s f o r m ，r i d g e l e tt r a n s f o r m i i 独创性声明 y9 8 7 8 7 9 本人声明所呈交的学位论文是本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，也不包含 本人为获得江南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已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规 定：江南大学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，允许论文被查阅和借阅，可以将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、 汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名：鱼l ! 查i 墨 导师签名： ! 生兰2 丛 日期： t u , 。v , ) 胁 ，= l ，2 ，3 其中气，v ，是由w a s t o n 模型计算出来的j n d 阙值。 水印的检测过程如下： ，导 哪加考鼍w l f “，v ，1 f d “r d ， 相- 击荛啊叫， ( ，) 一击冀( f ，) ，d rf 一1 , 2 ，3 p 品- 珥擎扣。t ( f ) ，p ，( ，) j 其中x 。盯是第z 层中位置坐标为( u ，v ) 的块的频域系数。x ：州，为对应的嵌入水印后的 系数w u 一，为水印序列。最后通过对比p 和给定的域值来判断水印的有无。 在最后的三个公式中，作者计算了每层中的每个频域系数的标准相关性并选取出了其中 的最大值。其基本思想是要结合频域和空域的共同优点。如果一个伪造者要剪切图像， 那么高层分解所获得的水印信息比低层更完整，即使低层收到了破坏，高层分解的信息 仍能保存的完整。另外，如果伪造者想使图像平滑化，那么低层检测将会抵御此种攻击。 总之，该方案在鲁棒性上表现的比d c t 版本要好，不管是在抗尺度攻击方面，还是在 抗压缩和剪切攻击方面，此方案都更胜一筹。但是该方案和其d c t 版本一样对旋转攻 击具有脆弱性。 b ) 自相似周期对称水印 文献【1 5 】建议应该将小波的优点和周期对称水印的优点结合起来，这就是自相似周期 对称水印的模型。首先，我们生成一个具有文献【1 4 】中提出结构的母周期对称模版( m o t h e r c k c u l a r l ys y m m e t r i cp a t t e r n ) ，然后，对其进行平移和放大得到家族模版( f a m i l yp a t t e r n s ) ： n l , n ) 毫薯鼽( 2 f n i + i c e i l c 争, 2 f n 2 + j * c e i l c 却 源图像采用h a a r 小波变换，被分解为4 层。先将水印信号嵌入到第一层，然后将水印 信号放大再嵌入到第二层，分层后的图像经过逆的小波变换后得到水印图像。下图显示 该水印算法的整个框架。另外，水印的检测过程通过计算嵌入水印后的系数的相关性来 完成。 2 1 江南大学硕士学位论文 e 习 i i m a g e 1 一 c i r c u l a r l y s y m m e t r i c w s t e r m a r k d e t 6 c t o r r e s p o n s e - 且坐土- 一- + 里宝蜊蔓一- 1 图2 6 自相似周期对称水印示意图 2 4 小结 本章我们讨论了图像数字水印的评价标准和其发展过程中涌现出的有代表性的算 法，也使用了一些篇幅介绍这些水印算法的优劣。就像我们在前面章节叙述的那样，数 字水印领域当今的研究者已经将重心放置在基于频域的水印技术上，尽管如此，到现在 为止也没有一项技术能完全符合我们在第二段中所提出的那些要求。这并不意味着我们 不可能设计出一个完全鲁棒的数字水印，相反，这是一个水印技术的一个刚刚起步的领 域，它需要更多的研究者投入到其中来，提出更多的更有创意的技术来发展出更为可靠 的数字水印，我们有理由相信，水印技术在不久的将来会有一个新的飞跃。 第三章基于图像自适应的降噪预处理水印方法 第三章基于图像自适应的降噪预处理水印方法 自9 0 年代以来，数字水印技术取得了一些进展，有关这方面的论文也呈较大态势 增长。然而我们可以看到的是，水印算法的鲁棒性仍是今后乃至很长一段时间亟待解决 的问题1 1 6 1 。c o x l l 7 】等引入扩展频谱技术之后，水印算法的鲁棒性较空域算法有了明显的 提高。针对水印的抗噪声添加，低通滤波，j p e g 压缩，多种算法f 1 8 l 【1 9 l f 2 0 l 给予了详尽的 解决方案及试验验证。然而就抗几何攻击来说，至今还不存在能完全抵抗一般几何攻击 的水印算法。已知的抗几何攻击的水印算法可以分为四类： 一、基于图像内容 k u t t e l j 2 1j 等人提出的第二代水印算法中，将水印的信息与图像的内容而不是其像素 坐标联系起来，使得在图像的内容不被完全损坏情况下，水印的提取成为可能。 a l g h o a i e m g 2 2 1 等人提出的用图像的标准化操作来完成对几何扭曲变形的矫正。b a s 2 3 】 等人提出的利用图像上的特征点来完成原始图像与几何变化后的图像的同步。不过该类 算法中图像内容的特征的选取还有待进一步的探讨。 二、基于评估几何操作 该类算法先评估作用在水印图像上的几何变换( 包括几何变换的种类和强度) ，然 后对水印图像做逆几何变换，最后在逆变换后的图像上进行水印信息的检测或提取。明 显地，一旦三种或者以上不同强度的几何变换作用于水印图像，则该算法中的评估过程 的计算量就呈指数性增长。因此该算法对组合几何变换攻击的计算复杂度较高，另外有 限的水印容量亦是缺陷。 三、基于频域 此类算法将水印嵌入到几何变换所影响不到的频域中去，这样水印的检测就具有了 几何无关性，所以此类算法具有较好的鲁棒性。但是，由于涉及到频域，图像需要进行 离散变换，所以一般该类算法都比较复杂，并且水印的嵌入容量受到限制。 四、基于检测模式 文献【刎中，水印的检测模式由图像的正交投影序列的归一化来完成，它摒弃了易 受几何变换影响的像素值信息( 的归一化) ，因此该类检测模式在抗几何攻击方面具有 较好的表现力，尤其是对旋转，平移攻击后的水印信息的检测有很低的误识率。不过， 涉及到图像的子块的正交投影变换，该检测模式在检测过程中较为复杂，还有待进一步 的研究。 本文提出一种改进的c d m a 水印嵌入模式，可以有效应对几何变换所引起的噪声 添加。该模式将用于隐藏水印信息的模版，经过低通滤波之后，使用c d m a 算法将水 江南大学硕士学位论文 印比特信息嵌入到模版中形成水印签名，然后在视觉优化的基础上将水印签名叠加到原 图像的小波分解系数上，获得水印图像。该模式不需要几何攻击的评估和逆几何变换， 它可以在设计的有效量度内防御中等强度的几何攻击，另外，该模式在j p e g 压缩中具 有较低的误码率。 3 1 模式描述 我们先来介绍一般的水印嵌入要遵循的模版，虽然各种水印算法不一，但是用到的 理论却大同小异。水印嵌入一般可描述为y t 1 砷口p 】，计】，其中x ，w 分别表示载体 图像和编码水印信号，t 表示正交变换，如d c t 变换、f f t 变换、d w t 变换等。h 为嵌入函数，通常采用视觉掩盖函数，在增加水印鲁棒性的同时保持水印信号的隐蔽性。 3 1 1 离散小波变换 d w t ( 离散小波变换) 近几年受到人们的普遍关注。小波变换是一种窗口大小固定 不变但其形状可改变的时频局部化分析方法，小波变换在信号的高频部分，可以取得较 好的时间分辨率；在信号的低频部分，可以取得较好的频率分辨率，从而可以弥补f o u r i e r 变换没有时域信息等的不足之处。小波变换是将信号分解为不同尺度分量的线性运算。 具体实现是通过信号与尺度变化的滤波器卷积来完成。二维信号的小波分解与重构的原 理如图3 1 所示。其中日是低通滤波器，g 是高通滤波器，a ，d 6 ，d ”，d 4 分别表 示小波分解的近似分量和水平方向，垂直方向，对角方向上的细节分量。 螭l训 图3 1 = 维小波的分解和重构 由图3 1 可以看出二维信号的离散小波变换( d w t ) 可以看作是一个分级的四通道 滤波运算，分别对行和列进行高通和低通滤波的不同组合，可以得到信号在子带l l 、 喵 第三章基于图像自适应的降噪预处理水印方法 l h 、h l 和h h 上的变换系数。其中每一层小波分解成四个子带：低频子带l l ，垂直 方向高频和水平方向上的低频子带l h ，水平方向的高频和垂直方向的低频子带h l ， 对角方向高频子带h h 。低频子带信号称为近似分量，其余三个子带信号称为细节分量， 对于子带u ，继续进行分解，直到达到需要的层数为止。因此总的子带数为3 k + l ，其 中k 为分解的层数。如图3 2 所示。 砒 孤 2 m 3 i 最娜 1 h l 2 l h2 h h 1 l h1 h h 图3 2 三层小波的分解系数 经过变换后，大部分能量集中在左上角的子带里，其它子带的小波系数大多是0 或比较小。有利于根据人的视觉特性利用小波变换进行图像压缩、去噪及提取多分辨率 的特征等。图3 3 表明了l e n a 图像的三层小波分解。 图3 3l e n a 图像小波三层分解图 江南大学硕士学位论文 3 1 2 视觉掩盖分析 为了同时能满足水印的稳健性和不可见性，很多数字水印的算法采用了视觉掩盖。 它是利用人眼在在图像的边缘或纹理等象素变化大的高频区域对细微的改变不易察觉 的原理，通过频率变换在频域内选择适当的象素点的位置嵌入水印信号。有文献【2 5 】【2 6 】 提到使用人眼视觉系统模型( h v s ) 计算视觉系统的频率响应函数，该计算方法虽然精 确，但计算很复杂，不适合水印系统在图像和语音信号等较大信息量中的快速处理。本 论文主要考虑小波域量化噪声和噪声知觉函数( n v f ) 这两种视觉模型。 视觉模型的作用是给出在图像小波分解后每个分量上可以容许的最大噪声( 称为 j n n ，j u s tn o t i c e a b l en o i s e ) 。当噪声小于这个最大噪声值时该噪声不会在人类视觉上产 生任何畸变。由于小波变换的多分辨率特征很好的满足了视觉上的掩盖特性，因此首先 考虑将图像信号进行小波分解。 图像处理对小波变换的相应滤波器有一定的要求，例如，最好是线性相位的、有着 较好的正则性( r e g u l a r i t y ) 等。目前满足这些要求的小波分解的滤波器很多，经过研 究，线性相位的双正交7 9 小波非常适合用于图像处理，特别是图像压缩。美国联邦调 查局已经将它作为指纹图像的压缩标准。 一般的视觉模型主要由以下3 部份组成： ( 1 ) 基本对比灵敏度t 。 ) ：该阈值决定了在图像中可以观测到某一目标子带所应具 有的能量； ( 2 ) 亮度阈值f ， ，1 ) ：这是指原图中的图像信号本身可以在一定程度上掩盖图像信 号的失真。最常见的简化是认为该阈值与子带位置k 无关。由于大多数的图像压缩算法 是处理灰度修正后的图像( 灰度修正是指对图像的量度作非线性变换以补偿显示器，同 时使图像的表示更为有效的一种方法) ，多数的模型是适用于经过灰度修正后的输入图 像。 ( 3 ) 对比度纹理阈值t ( 七，栉) ：这是指由于图像中一部份的存在，对比之下图像中另 一部份的存在显得不那么明显了。 一般的视觉模型是这3 项的乘积： f ，n ) 一t ，n 弦f ，n ) t 6 ) 其中k 表示子带的级数，n 表示在子带内的位置。由于处理的是经过灰度修正后的图像 故而不需要考虑亮度阈值( 即q ( 七，n ) 一1 ) ，同时不失一般性我们在这里不考虑对比度纹 理阈值( 即f ， ，n ) t1 ) ，即只考虑基本对比灵敏度，使用如下量化因子公式： 第三章基于图像自适应的降噪预处理水印方法 = 石2 口l 。k ( 1 0 9 2 x f ，o g o r ( 公栅) 这里用a 表示小波变换的级数，0 表示每一级内部的位置即o ；扎2 ，3 ，4 分别表示 u 。 h l , h h ，l h ，为显示视觉分辨率，为第a 层的空间频率f 。r 2 ，y 校正值取2 3 ， g 。为小波分解同一层中不同方向的位移系数，口为视觉阈值的最小值，a 。，口为偏差 幅度。公式( 3 - 1 ) 中参数的优化值见表3 1 表3 1 量化噪声参数表 口 k f 0g 。9 2 g 9 0 3dl2d 0 4 9 50 4 6 60 4 0 】 】5 0 】0 5 3 41 a bw a t s o n 等i 卅对双正交7 9 小波用于图像压缩时的量化噪声进行了研究，给出了在显 示视觉分辨率( d i s p l a yv i s u a lr e s o l u t i o n ) 为参数条件下的各级小波系数的量化因子， 如一般计算机显示器的d v r 为3 2 像素弧度，此条件下不引起图像失真的图像亮度分 量各级小波系数的量化因子如表3 2 所示。 o r i e n t a t i o n 1 2 3 4 l e v e l 123456 0 6 2 1 7 10 3 4 5 3 70 1 8 0 0 40 0 9 1 4 0 10 0 4 5 9 4 30 0 2 3 0 1 3 0 6 7 2 3 40 4 1 3 1 70 2 2 7 2 70 1 1 7 9 20 0 5 9 7 5 80 0 3 0 0 1 8 0 7 2 7 0 90 4 9 4 2 80 2 8 6 8 80 1 5 2 1 40 0 7 7 7 2 70 0 3 9 1 5 6 0 6 7 2 3 40 4 1 3 1 70 2 2 7 2 7 o 1 1 7 9 2 0 0 5 9 7 5 8 0 0 3 0 0 1 8 表3 2 各级小波系数的量化因子表 这从另一个角度给出了利用双正交7 9 小波分解时，在不同尺度f 的部分司以容纳 噪声的能力上限。我们可以利用这一点确定嵌入水印信息的强度，满足不可见性的要求 设x 。，丹) 为原始载体图像小波分解后的系数，o 枷为小波分解第 九，o ) 个子带 的量化因子。如果防枷 ，订) | a 。，2 ，则嵌入水印 z ：口，1 ) 一x 1 , 0 ( m ，n ) + w q 枷2 ( 公式3 - 2 ) 否则，x i 口，n ) - z 。一 ，1 ) 。 信息嵌入过程和利用双正交7 9 小波进行图像压缩时量化过程对小波分解系数的改 ” 江南大学硕士学位论文 变是一致的，这样可以保证水印信息的嵌入不改变图像的视觉效果。由于嵌入信息的位 置由原始图像的各级小波变换系数决定，嵌入信息与原始图像的内容相关，这比c o x 等嵌入信息与图像的具体内容无关的算法更能保证嵌入水印信息后的图像质量；此外， 由于小波变换固有的多尺度特性，使得嵌入的信息在不同尺度下都存在，大大加强了嵌 入信息的稳健性。 在实验中采用公式3 2 的方法嵌入水印后的图像如图3 5 所示，左图为原始载体图 像。但是水印的嵌入需要乘以一个系数a ，图3 5 中为取a = o 0 4 得到的结果，当a 的 取值大于0 0 4 时，嵌入水印后的图像的质量无法接受。因此在水印的稳健性上大打折 扣，并且采用该方法嵌入的水印只能进行相关检测，在不提供原始图像的情况下无法恢 复原始水印信号。 图3 4 l e n a 原图像图3 5 l e n a 水印图像 3 1 3 噪声知觉函数( n v f ) 通常图像象素的灰厦值的分布只，司以近似看作是服从商斯分布，但经过小波分 解系数的图像统计特性分析，其分布更接近于拉普拉斯分布。对于不同的图像可用估计 参数a 和6 ，来描述图像的分布。根据不同的图像统计模型( 非平稳的高斯模型( n s g ) 和平稳的广义高斯模型( s 6 g ) ) ，纹理掩盖函数n v f ( n o i s ev i s i b i l i t yf u n c t i o n ) 嗍分别 定义为： m 伊( ，) 。i 石天1 丽其中盯；( f ，) 为图像的方差； 脚，。群其中州h m 州7 赤圳掣产， 吣) 。j 器舅r ( f ) 暑p 扩。- 和删别为图像像素点灰度值的均值和方差。 第三章基于图像自适应的降噪预处理水印方法 形状参数y 用来描述图像的灰度值的概率分布。一般可取y ；0 7 ，则计算l e n a 图像在 不同的图像统计模型下的n v f 函数值如下所示： 图3 6 l e n a 图像在n s g 模型下的n v f 函数图3 7 l e n a 图像在n g g 模型下的n v f 函数 由图中可以看出，图像的局部方差较好地反映图像的局部特性。如当局部方 差较小时，仃：一o ，反映图像较为平坦，此时n v f 一1 ；方差较大，则是图像的边缘 和纹理部分，此时n v f 一0 ，因此相应的嵌入策略【2 4 】为： y - z + ( t - n v f ) w s 其中w 为水印，s 为水印强度系数。 从上述嵌入策略可以看出，水印信号在边缘及纹理处嵌入的能量大，而在平坦区域 嵌入的能量相对减小。从而满足了视觉上的隐蔽性的同时增强了水印系统的抗攻击能 力。 3 1 4 扩频理论 在2 0 世纪5 0 年代，为了实现一种拦截概率小，抗干扰能力强的通讯手段，提出了 扩展频谱通讯技术，简称扩频或扩谱。扩频技术最早只是用于军事通讯和指导等军用系 统，它的理论基础是信息论和抗干扰理论。香农在其信息论中得到如下重要公式： p c b l 0 9 2 ( 1 + 子) 4 式中，c 表示信道容量，口是信道带宽，昂是噪声功率，b 是信号功率。香农公 式表明了无失真传输信息的能力同信噪比以及信道带宽之间的关系。令c 代表人们所希 望具有的信道容量，把上式换成自然对数变为 江南大学硕士学位论文 c=1441nbq + 争 、 p ，7 n r 对于于扰环境的典型情况，。st 2 0 ，以 如下方式计算每个角度的r a d o n 投影向量： r i ( o ，卜玄莩，( f c o s o r - j s i n o i , i s i n o z + ，c o s 钔 二：对 r ) r a d o n s 量进行l 层的小波变换得至u r i d g e l e t 系数表示，记为： m ，) 。 三：对r i d g e l e t 系数进行熵编码形成最终的图像哈希值假) 。 4 3 5 试验结果 我们选取了三十幅图像进行该哈希值的测定，效果显示出比较高的可信度。我们把 攻击前后图像的哈希值的海明距离来作为该哈希函数表现的优劣，也可以称这个距离为 哈希值的相似度( e q u a l i t yp e r c e n t a g e ( e p ) ) ，或者是两幅图中r a d o n 向量的相似程度。该 测试符合了两个特征：一在图像内容相似的情况下，由于哈希值的非常接近，e p 的值 接近9 9 ；二在图像内容不同的情况下，哈希值差别较为明显。 抵抗攻击的鲁棒性测试： 在此项测试中，我们选取了三十幅图像，包括常见的l e n a 图像和b a b o o n 图像，分别 进行了如下的几何操作： 旋转图像2 度 剪切图像1 0 放大图像1 0 第四章基于图像哈希签名的新型数字水印 随机删除和拷贝5 行 压缩质量为1 0 的j p e g 压缩 窗口大小为4 * 4 的滤波操作 经过以上各种操作，统计得到的e p 值都非常接近9 9 ，得到的哈希值与源图哈希相 差很小，没有误差较高的个例发生。 哈希值冲突性测试： 我们选取l e n a 图像作为我们的原始图像，另外选取5 0 幅其它内容的大小相同的图像 进行哈希值对比。结果显示所有的e p 值都低于6 7 ，e pt6 7 ，原图像的哈希值是唯 一的，虽然鉴于条件的限制，我们不能进行更多的图像试验，但是这也说明该哈希函数 发生冲突的概率是很低的。 图像哈希的安全性测试： 由于在图像的特征向量压缩阶段，使用了密钥k 来控制生成向量的比特值，所以在 没有密钥的情况下，是无法获取到图像特征向量的准确值的，所以哈希值也就无法进行 伪造了。密钥的使用说明了该图像哈希的安全性。 以上我们提出一种新的图像哈希函数。这种函数可以为每个不同图像内容的输入提 供唯一的一个哈希值。这要归功于r a d o n 变换的数学特质和其抗图像处理攻击的鲁棒 性。函数通过对图像进行不同角度的r a d o n 投影来完成特征的抽取，抽取后的r a d o n 向 量经过小波变换后形成r i d g e l e t 系数，较好的缩短了图像的特征信息，然后经过熵编码 方法的形成最后的哈希序列。图像哈希函数的鲁棒性和安全性不仅能很好的使用于图像 认证，也可以作为签名来提供更强的更鲁棒的水印算法。 4 4 水印的验证 由于图像压缩的必要性，导致了签名在检测验证的时候需要有一定的阀限( 当然是 有损压缩引起的) ，而且这个阀值是必要的，它能判断出图像是否经历了内容的修改还 是两幅完全不同内容的图像。为此，我们需要在原图像哈希值和图像提取出来的水印签 名信息的比较中进行阀值的设定。在签名验证的过程中，可以依据下列步骤： 1 ) 得到原水印信息即原图像内容的哈希值h 。 2 ) 对待测图像做水印信息提取，得到嵌入的哈希签名h ，。 3 ) 由公式i 归。一e0 s 一t r u e 来验证图像的真伪。其中，阀值可由实验来确定： 计算一定压缩率下图像的哈希内容与原图像的哈希内容的差值用以确定最大的 图像压缩所带来的内容的变化，而压缩率可由来视觉质量控制。根据以上哈希 函数测试的结果，我们可以定和图像哈希值( 即签名) 进行对比的水印信息的 相似度阈值为0 8 5 。 5 9 江南大学硕士学位论文 水印信息的验证图示如下： 4 5 水印的嵌入 图4 1 0 水印信息验证示意图 考虑到签名的另外传输占用的一定的带宽，所以我们要把签名嵌入到图像中，然而 为了不影响签名的验证( 需涉及到图像的内容) ，即签名的签入不能影响图像的内容。 归根结地，就是水印的植入方式。由于签名的重要性，导致了在作为水印签入和提取时 要有很低的误差。 水印的植入到目前为止有概括起来有三种主要方式：第一种【5 0 l 是把图像视为混杂的 通讯通道，利用扩频技术将签名信息植入到图像的频域中。第二种f 5 1 】是将图像分块， 每块上作d c t 变换，将签名比特信息适当缩放后植入到分块的中低频系数上，然后反 转各分块系数，完成签名的植入。第三种是将签名信息编制成随即量化噪声，分布( 植 入) 于图像中，使得水印信息在不知道种子产生器密钥的时候无法提取出来。鉴于算法 复杂度和签名强度的考虑，这里我们选用了第二种方法，将图像分块，然后植入各块 d c t 变换后的低频系数上。植入过程和检测过程如下： 1 ) 对整幅图像做分成8 * 8 小块。 2 ) 对于每一块，做离散余弦变换，有密钥k 作为种子，从6 3 个a c 系数中，抽取四 个最大的系数，然后按照公式： c f 。c f + f ( f ) d f ( i ) t + 1 若s ( i ) 一1 ；f ( i ) = 一1 若s ( i ) - 0 ； 第四章基于图像哈希签名的新型数字水印 s o ) 为图像的哈希值比特信息。若对于大小为2 5 6 * 2 5 6 的2 5 6 色b m p 图像来讲，一 共可以嵌入4 0 0 0 个比特的信息，这对于可以表达图像内容的哈希值来讲足够了( 经 小波系数压缩的十投影l e n a 图签名长度在4 0 0 0 比特左右) 。 3 ) 签名比特信息的提取在【5 l l 中有详细介绍，并且其中提取得到的误码率达到令人满意 的程度，介于篇幅这里不再解释。由上面签名验证过程所述，对2 ) 中的结果和图 像的签名信息( 即原水印信息) 做相关性值比较，在阀值确定( 参考哈希函数试验) 的情况下，若全部块验证通过时则证明图像验证为真，否则验证为假。 图示如下： 图4 1 l 签名嵌入示意图 为了使签名的验证更准确，更直观，我们可以选用随机序列生成和签名长度相同的 2 0 0 个比特序列串，然后将签名比特替换掉第1 0 0 个比特串。由图像提取出来的水印信 息和每个比特串做相关性值运算，并生成响应曲线如图4 1 1 所示：如果图像中含有签 名的水印，那么该曲线会在第1 0 0 的位置上出现峰值，并且峰值在阈值以上；如果没有 出现峰值，或者该位置的峰值低于阈值，我们可以判定该图像为假。 6 1 江南大学硕士学位论文 4 6 结论 图4 1 2 验证响应曲线 本文提出了一种全新的基于图像哈希的新型数字水印方法，由于是在验证图像的时 候计算图像的直方图信息，所以该算法具有较低的复杂度。另外该图像哈希函数基于 r a d o n 变换使得它在抗几何攻击方面有较好的鲁棒性，同时在压缩过程中使用了小波变 换降低了容量并保持了哈希值间的距离，具有比较好的安全性和鲁棒性。将该图像哈希 作为水印嵌入图像，使用了d c t 分块的低频系数嵌入法，既保证了水印的不可视性， 也降低了水印信息在图像操作中的损失，最后使用签名与水印的相似度比较来完成图像 的认证。本方案提出了基于图像哈希的数字水印，不仅较好的完成了盲水印的生成和检 测，也为新水印算法的研究提供的一个参考的途径。但是限于本人的能力有限，更多的 进展和改进并没有在水印的嵌入和提取过程中出现，所以在整体的水印方案上算法复杂 度颇高，在今后的学习和工作中本人会继续这方面的改进。 江南大学硕士学位论文 第五章结论与展望 本论文主要进行了信息隐藏和数字水印技术在抗几何攻击领域中的算法研究，初步 尝试了将低通滤波和视觉质量控制应用到水印模版中去。本文从第二章到第四章详细分 析相关技术背景，提供了一些基本原理、基本方法和作者在攻读硕士学位期间在这一方 面所做的研究工作，主要包括以下几个方面： ( 1 ) 基于c d m a 算法改进型抗几何水印； ( 2 ) 基于图像哈希签名的数字水印 基于信息隐藏的数字水印技术还是一个新兴的研究领域，还有许多未触及的研究课 题，现有技术也需要改进和提高。而对于不同攻击鲁棒性的水印算法也是层出不穷。在 这里，我们给出数字水印技术未来几年内可能的研究方向和途径： 1 、更鲁棒的不可见水印的嵌入与检测算法。主要是通过分析现有算法的弱点并进行改 进；参考人类感觉系统的模型；探索新的隐密途径。 2 、确定不同水印算法承受各种攻击的能力，即水印的攻击分析，以促进水印系统的不 断提高。目前水印系统在抗击几何变形攻击和多拷贝攻击能力上很不足，希望能从 水印攻击分析的角度找出合适的抗攻击手段。 3 、公钥数字水印系统，即作者使用一个专有的密钥来叠加水印信号，而任何人均可通 过一个公开的密钥来检测出水印信号，但是从公开的密钥推导专有密钥和从公开的 密钥来去除水印信号两个过程都应当是非常困难的。这一目标一旦有所突破，将最 大限度的提高水印系统的实用价值，正如公钥系统在传统密码学领域的贡献一样。 目前的公钥数字水印是利用公钥加密来达到的，安全的纯公钥数字水印算法是否存 在在理论上还是一个未知数。也可以利用水印黑盒来实现公钥数字水印。这些都是 值得研究的课题。 4 、基于内容的数字水印系统。建立于统计特征集合上的系统很容易受到非线性变换等 方法的攻击，而基于更高层的内容特征叠加水印信号似乎具有更强的抵抗力，这与 目前的压缩编码研究领域的进展是一致的。 数字水印技术广泛应用的最大障碍在于对非平凡攻击的强壮性问题。平凡攻击指由 普通信号处理操作引起的攻击。而非平凡攻击指由有经验的攻击者或固执的黑客所设计 的攻击。但是，如果攻破一个水印所花费的代价足够高，可以保证让诚实的人保持诚实， 那么这个水印系统就应该算是成功的。 数字水印技术从1 9 9 3 年诞生起，短短的几年时间内就引起了学术界和工业界的普遍 重视和高度的研究热情。国际上已经召开过四届信息隐藏学术会议，数字水印专题的文 章接近指数上升趋势。我国在2 0 0 0 年1 月1 5 1 6 日也召开了一个数字水印技术学术研讨 会，会议由国家8 6 3 计划智能计算机专家组发起，由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中心联合承办。会议吸引了来自全国四十几家高校和科 第五章结论与展望 研院所的七十几名代表，充分说明了数字水印技术的科研价值和商业潜力，也表明了我 国学术界在这一前沿方向赶超国际水平的决心。但是我们必须看到，数字水印技术真正 走向实用还有很多亟待解决的技术问题，管理问题和法律问题，尤其是在我国，学术界 和企业界缺乏必要的沟通和交流，怎样才能使其不走时髦化而更贴近于实用则是一个非 常值得注意的问题。值得欣喜的是已经有诸如成都字飞公司等的国内先进企业生产出来 基于数字水印的产品，使得水印技术开始在医药、食品、烟酒、印象制品、书籍出版、 证件、电子政务和通讯中得到推广和应用；国际上例如b l u e s p i k e 公司的g i o v a n n i ， d i g i m a r c 公司的i m a g e b r i d g e ，a d o b e 公司的a d o b er e a d e r 等也已经有初步的水印商业软 件，这让我们看到数字水印的广阔的前景，在这里本人也希望能有更多的人加入到这个 领域里边来，为多媒体产品的安全和认证研究集功献力。 江南大学硕士学位论文 攻读硕士学位期间发表的论文 【1 】基于图像自适应的降噪预处理水印新模式，微计算机信息( c s c d 中文核心期刊) ， 已于2 0 0 6 年0 3 月发表，第一作者刘伟强，第二作者须文波。 【2 】基于数字签名的数字水印新模式，科技信息( 期刊) ，已于2 0 0 6 年0 5 月发表，第 一作者须文波，第二作者刘伟强。 第五章结论与展望 致谢 这里，首先要感谢我的导师须文波教授。须老师在我研究生阶段和论文工作中，给 了我悉心指导和关怀。这两年多以来，我深深的感受到了须老师随和的性格，严谨的治 学态度。感谢须老师给我提供一个良好的工作环境，一个难得的锻炼机会，一个容许我 在学术上自由发挥的空间。在此，表示我最深切的谢意。 感谢徐黛言老师在学习和生活上的关心和帮助。徐老师严肃认真的工作与和善可亲 的待人给我留下了深刻的印象，在毕业的最后阶段，由于我的种种粗心，给徐老师带来 了许多麻烦，对此我深深抱歉。希望我在今后的工作和生活上能认真负责，不辜负徐老 师的期望。 感谢多年来养育、关心我的家人，是他们的支持使我在学习上无后顾之忧，顺利完 成新的学业。 感谢实验室一起工作学习的耿如年，杨朝龙，高浩。在论文工作中和他们的讨论让 我受益菲浅。感谢同宿舍的吕理伟，彭小军和耿瑞峰，感谢他们两年来在生活和学习上 对我的关心和鼓励，给了我很大的帮助。感谢好朋友郭俊恩，周军，杨蒙召，王风珍， 李颖，王传道，王磊，感谢他们一直以来在生活中对我的关心。 最后向所有关心过我，帮助过我的人表示我最衷心的谢意，感谢他们。 江南大学硕士学位论文 参考文献 【1 】m k u t t e ra n df a p p e t i t c o l a s ，“af a i rb e n c h m a r kf o ri m a g ew a t e r m a r k i n gs y s t e m s ”， p r o c e l e c t r o n i ci m a g i n g 9 9 ，s e c u r i t ya n dw a t e r m a r k i n go fm u l t i m e d i ac o n t e n t s ，v o l3 6 5 7 ， s a nj o s e ，c a , j a n 2 5 2 7 ，1 9 9 9 ，p p 2 2 6 - 2 3 9 【2 】r gv a ns c h y n d e l ，a z t i r k e l ，n r a m e e ，c eo s b o r n e ，“ad i g i t a lw a t e r m a r k ， p r o c e e d i n g so ft h ei n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo ni m a g ep r o c e s s i n g , n o v e m b e r , 1 9 9 4 ，a u s t i n ， t e x a s ，v 0 1 2 ，p p 8 6 - 9 0 【3 】r b w o l f g a n g a n de j d e l p ，”a w a t e r m a r k i n gt e c h n i q u ef o rd i s i t a li m a g e r y ：f u r t h e r s t u d i e s ”，p r o c e e d i n g so ft h ei n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo ni m a g i n gs c i e n c e ，s y s t e m s ，a n d t e c h n o l o g yj u n e3 0 j u l y3 ，1 9 9 7 ，l a sv e g a s ，p p 2 7 9 - 2 8 7 【4 】p m j r o n g e n ，m j j j b m a e s ，a n dc w a m c a no v