（计算机应用技术专业论文）基于小波变换的图像数字水印算法研究.pdf

山东婀j 范人学硕1 叠 乏位论文 基于小波变换的图像数字水印算法研究 摘要 随着计算机技术和网络技术的迅速发展，数字多媒体信息在更容易获得的同时，也更 容易遭受非法复制、伪造、篡改、侵权等攻击，而传统的基于密码学的安全措施对这些攻 击显得力不从心，出于对数字产品本身及其原有者利益的保护，人们提出了数字水印技术。 数字水印是将具有特定意义的标记( 水印) ，按照某种给定算法嵌入到多媒体产品中，以实 现对该产品的保护和认证，同时不影响该产品的使用质量。它一般具备三个基本特征，即 不可见性、鲁棒性及安全性。 一般而言，数字水印算法按嵌入域可分为空间域方法和变换域方法。空间域方法比较 简单，但这类方法对于极小的改动都很脆弱。在许多情况下，即使由于有损压缩的很小变 化也可能使整个隐藏信息丢失。变换域方法是在宿主图像的重要区域嵌入水印，因而比空 间域方法能够更好地抵抗压缩、剪切、缩放、滤波等攻击。事实上，这类算法不仅能更好 地抵抗各种信号处理操作，而且还能保持对人类感观系统的不可感知性。目前主要有三种 变换域方法：离散傅立叶变换( d f t ) 、离散余弦变换( d c t ) 、离散小波变换( d w t ) 。本文 主要讨论小波域的数字水印算法，所做工作及创新表现在以下五个方面： 首先对数字水印技术的研究背景、发展现状及算法现状作了综合性介绍，并对数字水 印的基本概念特征、通用模型、分类、主要应用领域、典型算法、水印攻击分析以及系统 评测等方面进行了总结和探讨。 其次阐述了小波分析理论基础，图像置乱技术及其应用。根据小波变换前后总能量不 变这一特点，通过计算与分析得出能量分布规律，同时也可以看到小波变换后择级子图针 对各种攻击所受影响程度是不同的。 对小波域数字水印算法作了细致的研究。阐述了小波域的数字水印嵌入方法首先应该 解决的三个关键技术：小波的选取、小波系数的选择以及如何充分利用人类视觉特性来平 衡水印的鲁棒性和不可见性，同时对水印的嵌入位置的选择作了深入的分析，七要涉及低 频和高频子带。提出一种基fd w t 的数字水印算法，通过比较的方法实现水印信息的嵌入， 并实现了水印的亨f 提取，仿真实验证明该算法的鲁棒性较好。 提出了采用有特殊意义的二值图像作为水印信息。本文将选用标志为“l f j 东师范大 学”的二值图像作为嵌入水印。在嵌入水印之前，对水印进行了预处理，将原始图像置乱 成为杂乱信息，从而加强了水印信息的安全性及不可见性。与传统的使用伪随机序列的数 字水印相比，有意义的数字水印将更具有可读性、实用性和直观性。 最后借鉴已7 r 的研究成果，提出一种基于小波变换的白参照图像数字水印作法，算法 没有按照传统的办案选择在低频、中频或者高频嵌入水印，而是在小波域中通过对小波系 数的修改得到原始图像的自参照图像，然后通过计算原始图像与参照图像的差值得到水印 的嵌入位置。这彳：仅保证了水印的不可见性同时也极大的增强了水印的鲁棒性。 山东帅范人学顺 j 掌位论义 通过大量的仿真实验，证明本文算法在保证水印不可见性的同时，对常见的图像处理， 如j p e g 压缩、噪声、剪切、缩放以及滤波等，均具有较好的鲁棒性。最后，对本文的工作 进行了总结，并对数字水印的发展方向作了展望。 关键词：数字水印；小波变换；图像置乱；自参照图像 分类号：t p 3 9 l 山东师范人学倾i ：学位论文 r e s e a r c h0 fd i g i t a lw a t e r m a r k i n g a l g o r i t h mb a s e d o n 、，a v e l e tt i a n s f o r m a b s t r a c t w i t ht h er l p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra n dn e t w o r kt e c l l l l o l o g y ，m ea c q u i r a t i o no fd i g i t a l m u l t i m e d i ai n f o m a t i o ni sb e c o m i n gm o r ee a s ii y ，m e a l l w h i l e ，i ti sa l s om o r ee a s i l ys u f f 旨m e a t t a c k ss u c ha si l l e g a lc o p y i n g ，f a b 打c a t i n g ，t 啪p e r i n g ，i n m n g e m e n te t c ，t h ec o n v e n t i o n a ls a f e t y p r e c a u t i o n sw 1 1 i c hb a s e do nt 1 1 ec r y p t o l o g yd j dn o th a v et h ea b i l i t ye q u a lt om e i ra i 】曲i t i o n h o r d e rt op r o t e c tt h ed i 百t a lp r o d l l c ti t s e l fs e c u n t ya sw e l ia sm eo w n e r sb e n e f i t s ，p e 叩l ep u t f o r w a r dt h ed i g i t a lw a t e 肌矗l ( i n gt e c h n i q u e d i g i t a lw a t e 肋a r k i n gi sa t e c l l l l 0 1 0 9 yw l l i c hw i t l lt l l e p r e c o n d i t i o no fh a 奶n gn oa f - f l e c t i o nt ot h eq u a l i t yo ft h ed i g i t a lp r o m l c t ，e m b e d d i n gt h es e c r e t i n f o n n a t i o ni n t ot l l ed i 百t a lp r o d u c tw h i c hc a n tb es e e nt oa t t a i nm e p r o t e c t i o no fd i 百t a lp r o d u c t g e n e r a l l y ，i tp o s s e s s e st h r e e b a s i cc h a r a c t e r so fi m p e r c 印t i b i l i t y ，r o b u s 协e s sa n ds e c 嘶t y d i 舀t a lw a t e m l a r k i n gt e c l l l l i q u e ，w h i c he m b e d ss p e c i a li n f o 瑚a t i o ni n t od i g i t a lp r o d u c t s ，i sa n e wm e t h o df o rc o p 如曲tp r o t e c t i o n w i t ht h eh e l po fd i g i t a lw a t e 珊酞，w ec a np r o v em e o g i n a t o ，so 、v n e rt od i 西t a lp r o d u c t st h a th ec r e a t e s ，a n dm ew a t e m a r kc a l lb em ep r o o fo f a u t h e n t i c a t i o na n dp r o s e c u t i n gi l l e g a lc o p y r i g h ti n 伍n 百n g b a s i c a l l y ，t h e r ea r et w oc o 瑚m o n m e t h o d so fd i 百t a lw a t e 肋a r k i n gt e c h n i q u e ：s p a t i a ld o m a i nm e m o d sa n d 仃a n s f 0 姗d o m a i n m e t h o d s s p a t i a ld o m a i nm e m o d sa r es i m p l e ，b u tt h e ya r eh i g h l yv u l n e r a b l et oe v e ns m a nc o v e r m o d 涵c a t i o n s ，i i 】m a i l yc a s e se v e nt h es m a l lc h a n g e so w n j n gt ol o s s yc o m p r e s s i o ns y s t e m sm a y 姐e l dt ot o t a li n f 0 咖a t i o nl o s s t r a n s f o n nd o m a i nm e t h o d sh i d ew a t e m a r ki n f o m a t i o ni nt h e s i g n if i c a l l ta r e a so ft h eh o s ti m a g e ，s ot h e ya r em o r er o b u s tt oa t t a c k s ，s u c ha sj p e gc o m p r e s s i o n ， n o i s ec o n t a m i n a t i o n ，c r o p p i n g ，z o o ma n dc i r c u m r o t a t ee t c i nf l a c t ，t h e s ek i n d so fa l g o t h m sa r e n o to n l yr o b u s tt ov a r i o u ss i 髓a lp r o c e s s i n gb u ta l s or e n l a i ni m p e r c 印t i b l et oh 嘶a 1 1s e n s o 巧 s y s t e m t h e r ea r et 1 1 r e em a i nt r a i l s f b m ld o m a i nm e m o d s ：t h ed f t ，t h ed i s c r e t ec o s i n et r 孤s f 0 肌 ( d c t ) a n dt h ed i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o r n l ( d w t ) t h ep a p e rw i l lf o c u so nt h ew a v e l e td o m a i n ， t h em a j o rr e s e a r c hw o r k sa n di n j t i a t i v ep o i n t si nl h i sa n i c l ea r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y ，t h ep 印e rm a k e sac o m p r e h e n s i v ei n t r o d u c t i o na b o u tm ea l g o d t h m so fd i g i t a l w a t e r m a r k i n gw h i c hb a s e do nw a v e l e tt 啪s f - o m a tf i r s tt h eb a c k g r o u n d ，t h ed e v e l o p m e n ta i l d t h e a l g o r i t h m sa c t u a l i t yo fd i g i t a lw a t e m l a r k i n gi s i n t r o d u c e d ， d i s s e r t a t et h e d i g i t a l w a t e 肌a r k i n g a b o u tt h eb a s i cc o n c 印ta 1 1 d c h a r a c t e r ，g e n e d cm o d e l ， t y p i c a la l g o r i t h j n s ， c l a s s i n c a t i o n ，a p p l i c a t i o nd o m a i n ， a t t a c k a n a l y s i s a 1 1 de v a l u a t i o no fp e 响r n l a n c ea r ea l s o i n t r o d u c e d s e c o n d l y ，e l a b o r a t i n gt h et h e o 叮o fw a v e l e ta n a l y s i s ，a p p l i c a t i o no fw a v e l e tt r a l l s f i o m la n d i m a g ep e r m u t a t i o n a c c o r d i n gt om ea n a l y s i so fw a v e l e tt r a n s f o 舯c o e m c i e n t s ，w eo b t a i nm e 山东师北人学硕一 ：学位论义 e n e r g yd i s t 订b u t i o nr u l e ，a l s o w em a ys e et h a ta f ：t e rw a v e l e tt r a n s f o m ，a i m i n ga tv a r i o u so f a t t a c k s ，t h ei n f l u e n c eo ne a c hs u b b a n di sd i f f e r e n t d o i n g 伽向l r e s e a r c ho nd i 昏t a lw a t e 肌a f ka 1 9 0 r i t h mi nw a v e l e td o m a i n e l a b o r a t i n gt h r e e k e yt e c h n o l o g i e ss h o u l db ef i r s ts o l v e di nt h ee m b e d d i n gm e t h o d ：w a v e l e ts e l e c t i o n ，w a v e l e t c o e 伍c i e m ss e l e c t i o na sw e l la sh o wt ob a l 舭c et h er o b u s t n e s sa n dt h ei n v i s i b i l i t yo ft h e w a t e m a r ku s i i l gh u m a nv i s u a lc h a r a c t e r i s t i c ，s i m u l t a l l e o u s l y ，m a 虹n gt h o r o u 曲a 1 1 a l y s i so ft h e e m b e d d i n gp o s i t i o n ，m a i n l yi n v o l v e sm e1 0 w 疔e q u e n c ya 1 1 dt h eh i 豇仔e q u e n c ys u b b a n d s p u t f o r w a r dad i g i t a lw a t e r i n a r ka l g o r i t h mb a s e do nd w t t h ew a t 锄a r ki n f o m l a t i o ni se l n b e d d e d t h r o u g hc o m p 撕s o nm e t h o d ，a n dm ew a t e r m a r ki se x t r a c t e dw i t h o u to r i 垂n a li m a g e ，r e a l i z i n g b l i n de x t r a c t i o n ，t h es i m u l a t i o ne x p 嘶m e n ts h o w sm a tm i sa 1 9 0 d t l l mi sm o r er o b u s t p u tf 0 刑砌am e t h o du s i n gt h em o v a l u ei m a g ew h i c hh a ss p e c i a lm e a i l i n ga sw a t e r m a r k i n f o m a t i o n t h i sp a p e rw i ns e l e c tt h es ) 毗o lw h i c hi s “s h a n d o n gn o r m a lu i l i v e r s i t y a st h e e m b e d d i n gw a t e m a r k c a r r y i n gm r o u 曲p r e t r e a t m e n tt ot h ew a t e m a f kw i 吐1i m a g ep e 珊u t a t i o n b e f o r ee n l b e d d i n g ，m a l ( i n gi tb e c o m e sd i s o r d e r l yi i l f 0 肌a t i o n h lm i sw a yt h ew a t e h n a r k s s e c u r i t ya 1 1 di n l p e r c 印t i b i l i t yw i l lb es t r e n g m e n e d c o m p 痂gw i t ht h et r a d i t i o n a lw a y sw l l i c h u s e dp s e u d 0 - r a i l d o ms e q u e n c e ，t 1 1 es i g l l i 6 c a i l c ew a t e n l l a r ki sm o r ef e a d a b l e ，m o r ep r a c t i c a b l e a n dm o r ci n 仉i “v e l y l a s t l y ，i nv i e wo ft h er e s e 黜hr e s u l t s ，t h i sa r t i c l ep r o p o s e sas e l 二r e f e r e n c ed i 酉t a lw a t e m a r k a l g o 打t h mb a s e do nw a v e l e tt r a n s f o m d i f f e r e n t 舶mt h et r a d i t i o n a lm e t h o d s ，w l l i c h c h o s et h e l o w 仔e q u e n c y ，t h ei n t e m l e d i a t e 行e q u e n c yo rt h eh i 曲厅e q u e n c yt oc 鲫哕o u tm ew a t e 肌a r k s e m b e d d i n g t h i s a r t i c l er e 、，i s e st h e o r 主百n a li m a g e i nw a v e l e td o m a i n ；w eo b t a i nt h e s e l f r e f e r e n c ei m a g e ，a 1 1 df i n d 也ee m b e d d i n gp o s i t i o nt h r o u 曲c o m p 撕n gt h ed i 虢r e n c eb e m e e n t h eo r i g i n a l i m a g e锄d t h es e l f - r e f e r e n c e i m a g e 。 t h ea l g o r i t h mn o t o n l yg u a r a l l t e e st h e w a t e r m a r k si n v i s i b i l i t y ，b u ta l s os t r e n g t h e n sw a t e m l a r k sr o b u s t n e s s p l e n t i m le m u l a t i o ne x p 嘶m e n t ss h o wm a tm e a l g o r i t h m e n s u r e st h ew a t e m l a r k s im p e r c e p t i b i l i t ya n dr o b u s t n e s s ，a n di sa l s or o b u s tt of a m i l i 2 l ri m a g ep r o c e s s i n gs u c ha sj p e g c o m p r e s s i o n ，n o i s ec o n t a m i n a t i o n ，c r o p p i n g ，z o o ma n dc i r c u m r o t a t ee t c f i n a l ly ，w er e v i e wt h e e 1 1 t i r ew o r k ，a n dm a k et h ee x p e c t a t i o no f t h ed i r e c t i o nf o rt h e 凡t u r er e s e a r c ho f w a t e r m a r k i n g k e y w o r d s ：d i 百t a lw a t e n n a r b n g ，w a v e l e tt r a n s f o r n l ，h n a g ep e m u t a t i o n ，s e l s r e f e r e n c e l m a g e c l a s s i 6 c a t i o n ：t p 3 9 1 i v 独创声明 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。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其它人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得( 注：如没有其它需要特别声明的，本栏 可空) 或其它教育机构的学位或证书使用过的材料。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。 学位论文作者签彩：瑰硷 导师签字韵啤 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解! 墩有关保留、使用学位论文的规定，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。本人授权兰邀可以将学 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。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：弱氟硷 导师签字： 扔崞 f 签字日期：2 0 0 8 年歹月；d 日签字同期：2 0 0 9 年歹月刃臼 山东师范人学颂l ：学位论义 第一章绪论 近年来兴起的数字水印m ( d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ) 是实现版权保护的有效办法，如今 己成为多媒体信息安全研究领域的一个热点，也是信息隐藏技术乜3 研究领域的重要分支。 1 1 课题研究背景 随着数字技术和计算机通信技术的飞速发展，多媒体存储和传输技术的进步使得数字 化信息的存储和传输变得更加方便快捷而又准确，图像、- 视频、音频等各种形式的多媒体 数字作品纷纷通过网络发表。然而数字化技术精确、大规模的复制功能和i n t e r n e t 的全球 传播能力给人们带来信息共享的同时也带来了许多负面影响。由于对数字信息的复制非常 容易，而且所得复制品和原件几乎完全相同，因此有恶意的个人或团体有可能在没有得到 作品所有者许可的情况下复制、修改、传播有版权的内容，甚至非法用作商业用途，严重 侵犯了作者及版权所有者的利益。对数字化作品的知识产权保护引起了计算机科学界的高 度关注，并己成为目前的一个研究焦点。 以前使用的版权保护方法主要是通过数据加密技术口来实现的，即首先将多媒体数据 文件加密成密文后发布，使得网络传递过程中出现的非法攻击者无法从密文中获得有用的 信息，从而达到版权保护和信息安全的目的。但通常的加密技术仅仅是预防性质的，并不 能很好地解决版权保护问题：( 1 ) 经过加密后，只有少数被授权持有解密密钥的人，才可 以存取数据，作者无法向更多的人展示自己的作- 锗：( 2 ) 多媒体信息仅仅在加密状态下才 受到保护，一旦被解密，多媒体信息就以明文形弋存在，完全处于解密人的控制之下，当 发生侵权时，无法提供用以进行法律诉讼的有效证据：( 3 ) 没有办法追踪多媒体信息的复 制、传播状况；( 4 ) 加密大数据量的多媒体信息时，运算量大，处理效率低。再者，多媒 体信息经过加密后容易引起攻击者的好奇和注意，激发他们解密的兴趣和欲望。攻击者可 以在破解失败的情况下将信息破坏，这样即使是合法的接收者也无法阅读信息内容。 为了弥补密码技术的缺陷，人们开始寻求另一种技术来对加密技术进行补充，从而能 使解密后的内容仍能受到保护。数字水印技术有希望成为这样一种补充技术。数字水印是 一个把相关信息或签名嵌入媒体数据的过程。嵌入的水印只有通过专用的浏览器或阅读器 _ 才能提取，应该能够为受到保护的媒体数掘的归幅提供完全和可靠的证据。它在数字产品 中嵌入的信息不会被常规处理操作去除掉。数字水印技术一方面弥补了密码技术的缺陷， 因为它可以为解密后的数据提供进一步的保护；一方面，数字水印技术也弥补了数字签 名技术的缺陷，因为它可以在原始数据中一次性 沃入大量的秘密信息。人们可设计某种水 印，它在解密、再加密、压缩、数据转化以及文件格式等操作下保持完好。数字水印技术 主要川于拷贝控制和版权保护。在拷贝控制应用i i 】，水印技术可通过软件或硬件指出当前 的拷1 7 1 行为是被禁止的。而在版权保护n 勺应用中水印可用来标识版权所有者，保证版税 的合州支付。此外，水印技术还在一些j 乓他场合弭到应用，包括广播监控、交易追踪、真 山乐帅把人学坝- i ：学位论义 伪鉴别、拷贝控制以及设备控制。 数字水印作为版权保护的新技术，其研究都还很不成熟，从理论到应用还处于发展的 初级阶段，许多问题有待于解决。目前研究的如何设计数字水印或者如何攻击数字水印的 方案都还存在很多问题，尚缺乏有关数字水印的理论。可以说，数字水印技术是目前国际 学术界研究的一个前沿热门方向，其在多学科交叉位置上是一个非常有生命力的研究课题， 已经引起了国内外专家和商业团体的广泛关注。因此，研究出具有实用价值的水印系统不 仅对版权保护具有十分重要的意义而且在商业应用方面也具有广阔的前景。特别是在网络 技术和应用迅速发展的今天，水印技术的研究更具有现实意义。 因而，采用多种手段对数字作品进行保护、对侵权者进行惩罚己经成为十分迫切的工 作。数字水印技术的研究就是在这种应用要求下迅速发展起来的。 1 2 数字水印研究现状 1 2 1 发展现状 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啼3 。 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。i b m 公司、闩立公司、n e c 公司、p i o n e e r 电子公司和s o n y 公司等五家公司还宣布联合研究基于信息隐藏的电子水印。 国际学术界陆续发表了许多关于数字水印技术方面的文章，几个有影响的国际会议( 例 如i e e ，s p 【e 等) 及一些国际权威学术期刊( 例如s i g n a lp r o c e s s i n g 等) 相继出版了有 关数字水印技术的专题。1 9 9 6 年5 月，国际第一届信息隐藏学术讨论会砸1 ( i n t e r n a t i o n a l i n f o r m a t i o nh i d i n gw o r k s h o p ，i h w ) 在英 目剑桥牛顿研究所召开，至今该研讨会已举办了 五届。在1 9 9 9 年第三届信息隐减国际学术研讨会上，数字水印成为主旋律，全部3 3 篇文 章中有1 8 篇是关于数字水印的研究。1 9 9 8 年的国际图像处理大会( i c i p ) 上，还厅辟了 两个关于：数字水印的专题讨论。由m a r t i nk u t t e r 创建的w a t e r m a r k i n gw o r l d 已成为一个 关于数字水印的著名网上论坛。 在2 0 世纪9 0 年代末期一些公司开始i i 三式地销售水印产品。在图像水印方面，荚国的 d i g i m a r c 公司率先推出了第个商用数声水印软件，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 j ；由r i d g e ) 技术，利用这项技术用户1 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 hc a m e r a ) 前，媒体桥技术就t i r 以直接将用户带到与图像内容相关联的i 碉络站 点。a 】p v i s j o n 公司推出的l a v e l i 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，任何电予图片，无论是用于w o r ( j 文档、 出版物，还足电子邮件或网页，都可以倡肋f 隐藏的标记矢i l 道它的原始出处。a l p v i s i o n 2 些查塑堇叁兰丝! ：兰垡堡苎 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。s a f e p a p e r 可用于证明一份文件是否为指定的公司或组织所打印，如医 疗处方、法律文书、契约等，还可以将一些重要或秘密的信息，如商标、专利、名字、金 额等，隐藏到数字水印中。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。该开发计划名称 为t a l i s m a n ( t r a c i n ga u t h o r s r i g h t sb yl a b e li n gi m a g es e r v i c ea n dm o n i t o r i n g a c c e s sn e t w o r k s ) h 1 。此开发计划作为欧洲电子产业界等组织的欧共体项目于1 9 9 5 年9 月开始进行，1 9 9 8 年8 月结束，法国、比利时、德国、西班牙、意大利和瑞士等在内的1 1 个通信与广播业者、研究单位和大学参加。 随着信息技术交流的加快和水印技术的迅速发展，国内一些研究单位也已逐步从技术 跟踪转向深入系统研究，各大研究所和高校纷纷投入数字水印的研究，其中比较有代表性 的有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。我国于1 9 9 9 年1 2 月1 1 日，由北京 电子技术应用研究所组织，召开了第一届信息隐藏学术研讨会( c i h w ) ，至今已成功的举办 了四届，很大程度地推进了国内水印技术的研究与发展。同时，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、或挑战应答等技术) 等多项防 盗版和防伪技术予以重点支持。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、谭铁乍等人于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上海阿须 数码技术有限公司吲，公司现在从事数字证件、数字e 章、p d f 文本、分块离散图像、视频、 网络安全等多方面数字水印技术的研究，现在这家公司己申请了一项国际和三项国家数字 水印技术专利。虽然数字水印在国内的应用还处于初级阶段，但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，而是从此走七了实用化和商业化的道 路，这样会更加推动国内水印技术的蓬勃发展，为困内的信息安全产业提供有效的、安全 的保障。 1 2 2 算法现状 随着水e i j 技术的不断发展，见诸于文献的水印舅法也日益增多，它们大多是围绕数字 水印的产乍、嵌入和检测( 提取) 三个方面做研究。 从数。# 水印的产g t 而言，大多数水印算法采用伪随机序列( 均匀分布序列、g a u s s i a n j 乒列、二进制序列) 作为水印信号。c o x 等凹1 提出，利旧g a u s s j 随机序列产生的水印具有 更好的稳健性。这是由于g a u s s i a n 分布的随机序列j 其它分斫j 的等长的随机序列相比，具 仃更大的1 7 i 相关系数。 在讨沦伪随机序列水印的同时，有意义水印n 们的研究引起了人们的注意，已有一些算 3 山乐帅地人学坝i j 学位论义 法采用有意义的文字串或一个图像( 如商标、印签等) 作为水印信号。这种有意义的信号 与无意义的伪随机序列相比，所具有的优点是不言而喻的。因此，如何在图像中嵌入有意 义的信息将是极具实际价值的研究内容。 早期的研究主要集中在空域上，水印信息直接加载在图像数据上，这种方法的缺点 是抵抗图像几何变形、噪声和图像压缩的能力较差。但是空域算法的计算速度快，而且隐 藏的信息量大。近期的研究则主要集中在变换域钉( 如离散傅立叶变换d f t ，离散余弦变 换d c t ，离散小波变换d w t ) 中实现。在变换域中嵌入水印，信号能量可以扩展到空间域所 有像素上，有利于保证水印的不可见性，同时变换域的方法可以与现有的数据压缩标准兼 容，例如，基于d c t 的方法可以与j p e g 压缩方法兼容，基于d w t 的方法可以与j p e g 2 0 0 0 兼容等等。从目前的情况看，大多数研究工作更关注变换域算法研究。 同时，由于小波变换灵活的时频局部化特性以及有众多的小波基可供选择等优点，使 得基于小波域的数字水印技术有着广泛的发展空间，从而引起许多研究人员的兴趣，越来 越多的人员开始重视d w t 域水印算法的研究，并提出了许多基于d w t 的数字水印算法。姜 凤利u 3 1 提出了种有效的基于d w t 的盲水印嵌入算法，首先利用a r n o l d 置乱和l o g i s t i c 混沌系统对水印进行加密，然后根据阈值选取d w t 系数并按照指定的量化方程对系数进行 量化实现水印的嵌入，该算法对剪切、中值滤波、噪声、j p e g 压缩等操作具有较强的鲁棒 性。许小勇，李瑛u 们提出二种基于d w t 和s v d ( 奇异值分解) 的水印算法，首先将宿主图 像均匀分割成四块，对每一块进行一层小波分解，得到每一块的低频子带，再对每一低频 子带进行奇异值分解，得到各低频子带的奇异值。将置乱后的水印图像也进行奇异值分解， 将得到的结果分别以一定的强度嵌入到宿主图像每一块低频子带的奇异值中，经过反变换 得到水印图像。该方法对常见的信号处理和攻击具有较强的鲁棒性。施化吉等n 鄙提出基于 小波变换和h v s 的水印算法，算法选择j n d 值较大的块作为水印嵌入位置，根据不同的图 像特征选取嵌入因子，将水印嵌入到小波系数的中低频处，使水印的鲁棒性进一步提高。 1 3 本文的内容及主要工作 数字水印技术是一个比较前沿的科研项目，目前在国内的研究工作尚未完善，本文的 研究【作就是药：图内外专家的研究基础上进行的，基于水印技术的研究现状及不足，本文 主要对数字水印算法进行了研究，并提出一种基于小波变换的新算法。本文结构如下： 第一章为绪论，简单介绍数字水印技术的研究背景、意义，巨if ，国内外发展现状和算 法现状。 第二章对数字水印技术进行了全面系统的介绍。详细描述了数字水印技术的概念、基 本框架及特征，对数字水印技术的分类、主要应用领域、典型数亏：水印算法、数字水印的 性能评测标准、i j 丁能遭受的攻击及相应对策作了阐述，最后介绍了数字图像置乱技术。 第三章概述了小波分析理论的基础知识，简要介绍了小波变换的定义，多分辨率分析 以及小波变换番! 图像处理和数字水印技术中的应用。最后针对图像进行小波变换前后的能 量进行了分析。 谕四章对小波域数字图像水印算法作了细致的研究。阐述了小波域的数字水印嵌入方 4 山东帅姬人学坝 ：! 学位论义 法首先应该解决的三个关键技术：小波的选取、小波系数的选择以及如何充分利用人类视 觉特性来平衡水印的鲁棒性和不可见性，同时对水印的嵌入位置作了深入的分析。最后提 出一种基于离散小波变换的数字水印算法，并通过仿真实验对该算法作了简单的验证，实 验结果证明该算法具有比较好的鲁棒性。 第五章本着兼顾水印的不可见性和鲁棒性，结合人类视觉特性、采取图像置乱和多分 辨率嵌入技术提出了一种基于小波变换的自参照图像数字水印算法，并对该算法进行了多 方位的仿真实验，最终验证了本算法的可行性。 第六章是结束语，对本文的各项工作进行了简要的总结并作了展望。 5 山东师范人学坝i j 学位论文 第二章数字水印技术概述 本章主要介绍数字水印的基本概念、基本框架、水印系统的评测、典型的数字水印算 法、常见数字水印的攻击方法及策略，最后介绍了数字图像置乱技术。 2 1 数字水印 2 1 1 数字水印技术的概念 数字水印( d i g i t a lw a t e r m a r k jn g ) 技术作为信息隐藏技术研究领域的重要分支，是 实现多媒体版权保护与信息完整性保证的有效方法，该技术利用数字作品中普遍存在的冗 余数据与随机性，向数字作品中加入不易觉察但可判定分辨的秘密信息，从而起到保护数 字作品版权或完整性的作用。被嵌入的信息既可以是一段文字、i d 序列号，也可以是图像 标志，一般它需要经过适当变换再嵌入到数字产品中，通常称变换后的秘密信息为数字水 印( d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ) 。这种水印通常是不可见或不可察的，它与原始数据( 如图像、 音频、视频数据、文本等) 紧密结合并隐藏于其中，用于确认数字产品的所有权和跟踪侵权 行为，召：渚多文献中论及了各种形式的水印信号。通常，可以定义水印为如下的信号： 形= k l m d ，f - o ，1 ，2 m 一1 ( 2 1 ) 式中，m 为水印序列的长度，0 代表值域。实际上，水印不仅可以为一维序列，也可以 是二维序列，甚至是三维或高维信号，这通常要根据载体对象的维数来确定，如音频对应 一维，静止图像对应二维，动态图像对应三维。为描述方便，通常用式( 2 1 ) 表示水印信 号，对予高维情况，相当于将高维信号按一定顺序展夕1 ：成一维形式。水印信号的表示可以 是二值形式，如o = o ，1 ) ，o ： 一1 ，1 ) 或o = 一r ，r ) ，或者是高斯白噪声( 如均值为o ，方差 为l 的高斯白噪声n ( 0 ，1 ) ) 等其他形式。 2 1 2 数字水印的基本特征 一般来说，数字水印应具有的特征随具体应用要求的不卜司而有所区别，在一类应用中 必须具备的特征可能是另一类应用中所必须避免的。通常意义一 ：的用于版权保护和版权跟 踪的水印算法应该满足以下要求n 引： ( 1 ) f 证明性：水印应能为受到版权保护的信息产品的班j 属提供完全可靠的证据。水印 算法能够将所有者的有关信息( 如注册的用户号码、产品标志或有意义的文字等) 嵌入到 被保护的对象中，并在需要的时候将这些信息提取出来。水印可以用来判别对象是否受到 保护，并能够监视被保护数据的传播、真伪鉴别以及i | 乍法拷贝控制等。这实际上也是发展 水印技术的壤本动力。 ( 2 ) 1 i 可感知性：不可感知性是指视觉或听觉j ：的不可感知性，即指因嵌入水印导致载 6 些奎堑苎盔堂堡! ：兰垡堡整 体数据的变化对于观察者的视觉或听觉系统来讲应该是不可察觉的，最理想的情况是水印 与原始载体在视觉上是一模一样的，这是绝大多数水印算法所应达到的要求。 ( 3 ) 稳健性：稳健性是指水印应该能够承受大量的物理和几何失真，包括有意的( 如恶 意攻击) 或无意的( 如图像压缩、滤波、打印、扫描与复印、噪声污染、尺寸变换等) 。显 然在经过这些操作后，稳健的水印算法应仍能从水印载体中提取出嵌入的水印或证明水印 的存在。一个鲁棒的水印应做到若攻击者试图删除水印将会导致水印载体的彻底破坏。 ( 4 ) 安全性：数字水印对一般用户来讲，是不可检测和消除的。一般用户即使知道数字 产品中隐藏有水印，用一般的统计方法也是无法检测出并删除水印