（计算机应用技术专业论文）基于小波变换的数字图像水印研究.pdf

硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 摘要 知识产权保护一直是备受关注而又不好解决的一大难题，尤其是数字媒体 的版权保护问题。数字化作品具有易存储加工、易传输复制等优点，这使得知 识信息的传播和交流更方便，但与此同时也为一些非法者提供了恶意篡改、攻 击、盗用他人劳动成果的便利条件。随着互联网和多媒体技术、通信技术的迅 速发展，数字媒体的版权保护问题日益突出，使得数字水印技术备受人们关注。 数字水印技术是近年来产生的被公认为能够有效地解决版权纠纷的一项新兴 的电子技术，由于其巨大的应用前景，因此它刚一产生，便受到了国际科技界 和企业界的高度重视，并且很快地成为了当今信息科学和计算机科学中一个新 颖独特的研究课题。 本文主要研究基于小波变换的数字图像水印技术。 在d w t ( 离散小波变换) 域，图像的大部分能量集中在低频子带，当在低 频子带嵌入的数据量较大时，会影响视觉效果，且p s n r ( 峰值信噪比) 值下 降大。因此，本文选择在细节子带中嵌入水印。目前，虽然提出了很多基于离 散小波变换的水印算法，但很少讨论到水印嵌入时细节子带的选择问题。本文 通过大量实验证明，相对于同一层中的三个细节子带而言，均方根值较大子带 中的水印在抵抗高斯噪声和j p e g 压缩攻击时有更好的鲁棒性。为了进一步增 强算法的鲁棒性，我们在均方根值较大子带中选择一些稳定性较好的小波系数 来嵌入水印，这些稳定的系数在各种信号处理操作中都不会有太大的变化幅 度。算法用m a t l a b6 5 实现，以w i n d o w s2 0 0 0p r o f e s s i o n a l 为实现平台。实 验结果表明，该算法在满足视觉不可见性的同时，对常见的图像处理和噪声干 扰表现出较强的鲁棒性，提取出的二值图像水印很容易视觉辨认，具备一定的 实用价值。 关键词：离散小波变换；最大均方根；数字图像；数字水印；知识产权保 护；人类视觉系统；信息隐藏 a b s t r a c t i n t e l l e c t u a l p r o p e r t yp r o t e c t i o n r e c e i v e sm u c hc o n c e l mb o t ha th o m ea n d a b r o a d ，a n ds o m er e l a t i v ep r o b l e m sa r ed i f f i c u l tt os o l v e ，e s p e c i a l l yt h ep r o t e c t i o n o f d i g i t a lm e d i ac o p y r i g h t t h e s ed i g i t a l m e d i a i n c l u d i n gi m a g e s ，t e x t s ，a u d i o a n d v i d e o d i g i t a l i z e dw o r k s a l ee a s yt os t o r e ，d e s i g n ，t r a n s m i ta n dd u p l i c a t e ，a n dt h i s a c c e l e r a t ec o m m u n i c a t i o na n dt r a n s m i s s i o no f k n o w l e d g e a n di n f o r m a t i o n b u tt h e y a l s oo f f e rc o n v e n i e n c et os o m ei l l e g a lp e r s o n sw h oc a l ld i s t o r t ，a t t a c ka n dp i r a t et h e a c h i e v e m e n t m a l i c i o u s l y a tt h es a n l et i m e w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t o fi n t e r n e t ， m u l t i m e d i aa n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，p r o t e c t i o no f d i g i t a lm e d i ac o p y r i g h t h a sb e e n p a i d m o r ea t t e n t i o nt h a ne v e rb e f o r e ，w h i c hm a k e st h e d i 百t a t w a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g yc o n c e r n e db yp e o p l e i np a r t i c u l a r a san o v e l t e c h n o l o g y ， d i 百t a lw a t e r m a r kd s e si nr e c e n ty e a r s ，a n do f f e r e db r a n d - n e wt h o u g h tt or e a l i z e e f f e c t i v ep r o t e c t i o no fi n t e l l e c t u a lp r o p e n y i 4 0 wi th a sb e c o m ear e s e a r c hh o t s p o t i nt h ef i e l do fm u l t i m e d i ai n f o r m a t i o n s e c u r i t y t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nw a v e l e t sa n dt h e i ra p p l i c a t i o na l g o r i t h m sf o ri m a g e d i 酉t a lw a t e r m a r k i n g i nd w t d o m a i n ，m o s te n e r g yo fi m a g ec o n v e r g ei na p p r o x i m a t i o ns u b b a n d ， w h e n l a r g ea m o u n t s o fd a t aa r ee m b e d d e di nt h i ss u b b a n d ，b o t ht h ep s n rv a l u ea n d t h ev i s u a lq u a l i t yo ft h ew a t e r m a r k e di m a g ed r o pg r e a t l y s ow ee m b e dw a t e r m a r k i n d e t a i l s u b b a n d s t h o u g hm a n yd w t - b a s e dw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m s a r e p r e s e n t e dn o w , f e wo ft h e md i s c u s st h ei s s u et h a tw h i c hd e t a i ls u b b a n di sab e t t e r c h o i c et oe m b e dw a t e r m a r k t h r o u g hal a r g en u m b e ro fe x p e r i m e n t ，w ed r a wa c o n c l u s i o nt h a tw a t e r m a r k i n gi nt h es u b b a n d sw i t hh i 曲e rr m sv a l u ei sm o r e r o b u s tt og a n s s i a nn o i s ea n dj p e g c o m p r e s s i o n f o rt h es a k eo f f u r t h e rr o b u s t n e s s o ft h ea l g o r i t h m w ec h o o s es o m es t a b l ec o e f f i c i e n t si nt h es u b b a n d st ow a t e r m a r k t h e s es e l e c t e dc o e f f i c i e n t sc h a n g el i t t l ea f t e rs i g n a lp r o c e s s i n g t h i sa l g o r i t h mw a s i m p l e m e n t e db ym a t l a b 6 5 t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h i sa l g o r i t h mi s 钉 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s i n v i s i b l ea n dr o b u s t a g a i n s tn o i s e a n dc o m m o n l yi m a g ep r o c e s s i n g s oi th a s p r a c t i c a lv a l u e k e yw o r d s ：d i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o r m ；m a xr o o tm e a n s q u a r e ；d i g i t a li m a g e ； d i g i t a lw a t e r m a r k ；i n t e l l e c t u a l p r o p e r t yp r o t e c t i o n ；h u m a n v i s u a l s y s t e m ； i n f o r m a t i o n h i d i n g 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引t e j 的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表 或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名日期：年月日 学位论文版权使用授权说明 本人完全了解华中师范火学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权华中师范大学可以将本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和汇编本学位论文。 保密论文在解密后遵守此规定。 论文作者签名： 日期：年月日 导师签名： 日期：年月日 本人已经认真阅读“c a l l s 高校学位论文全文数据库发布章程”，同意将本人的学 位论文提交“c a l i s 高校学位论文全文数据库”中全文发布，并可按“章程”中规定享 受相关权益。回耋途塞堡銮卮滥丘! 旦主生i 目= 生；旦三生蕉查。 论文作者签名： 日期：年月口 导师签名： 日期：年月 日 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 1 1 知识产权保护 1 绪论 随着计算机多媒体技术及网络技术的迅速发展，文字、图形图像、音视频 等信息可以通过数字媒体广泛地传播。数字化的媒体具有强大的可移植性、 高效性、快捷性及精确性。此外，网络的进一步发展与完善，极大地方便了 信息交换与资源共享。数字化技术精确、廉价、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的影响。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 已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，并不能很好的解决版权保护问题：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 的人展示自己的作品；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式存在，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；没有办法追踪多媒体信 息的复制、传播状况。例如：如果存在多个授权使用者，其中某一授权使用 者非法将多媒体信息传给非授权者，则没有任何直接的证据来证明是谁非法 传给非授权者的；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。因此如何在网络环境中实施有效的舨权保护成为一项重要而 紧迫的研究课题。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s l s 数字水印作为信息隐藏技术在计算机多媒体领域的种重要应用，使得人 们能够在多媒体信息( 如图像、声音、视频) 中嵌入不可见的数字信息( 水印) 。 水印处理技术的主要目的是隐藏秘密的个人信息以便保护数字产品的版权【卜3 1 或证明产品的真实可靠性。嵌入水印后，充当载体的多媒体数据必须没有明 显的降质现象，不影响其使用价值。并且当多媒体数据经过一定程度的处理 之后，嵌入的水印信息不会丢失。尽管数字水印技术本身并不能直接阻止拷 贝行为，但是却使得人们能够通过验证多媒体信息的所有权来揭露非法拷贝、 传播等行为，以法律的手段对其进行制裁，间接地打消盗版者非法复制的企 图，起到保护知识产权的作用。数字水印技术作为多媒体信息版权保护的有 效手段受到了广泛关注【4 j ，已成为多媒体信息安全研究领域的一个热点问题， 越来越得到重视。 1 2 数字水印技术研究现状 如今信息隐藏学作为隐蔽通信和知识产权保护等的主要手段，正得到广泛 的研究与应用。而数字水印技术作为信息隐藏学的重要分支，也吸引了大量研 究人员的注意力。学术界和工业界对水印技术的关注程度都很高。自1 9 9 4 年在 国际重要学术会议上由v s c h y n d e l l 5 】等人发表第一篇有关数字水印文章以来， 近几年国际上相继发表了不少有关数字水印的学术文章，皿e e 信号处t - _ 哩( 1 9 9 8 年) 、通信杂志( 1 9 9 8 年) 、图像处t 里( 1 9 9 9 年) 及p r o c o f i e e e ( 1 9 9 9 年) 分别出版了 有关数字水印研究的专刊1 6 。j 。1 9 9 5 年以后，数字水印技术获得了广泛的关注 并得到较快的发展。与此同时，也出现了一些研究信息隐藏的文章。据a n d e r s o n 和p c t i t c o l a s 的统计，到1 9 9 9 年8 月止+ 国际上关于信息隐藏技术的文章已经达 到4 0 0 篇。在过去几年里，从事信息隐藏技术的研究人员和组织不断增加，国 际上己先后于1 9 9 6 在英国，1 9 9 8 在波兰和1 9 9 9 在德国召开了三次信息隐藏学术 会议。这标志着门新兴的交叉学科信息隐藏学的正式诞生。一些信息处 理领域的国际会议上也都有关于信息隐藏技术的专题。 欧洲共同体资助的几个研究计划以开发实用的数字水印技术为目标来开展 研究活动。t a l i s m a n ( a c r s 的a c 0 1 9 计划，即通过标记图像服务和监控访问 硕士学位论文 m a s 疆r s1 h e s i s 网络来跟踪作者版权的计g r j ) 打算提供欧洲联合服务，它用一个标准的版权机 制来保护数字产品，使其避免大规模的商业盗版和非法拷贝。t a l i s h 4 a n 所期 望的成果是得到一个通过数字标记和数字水印来保护视频序列的系统。 o c t a l , i s 是t a l i s m a n 和o k a p i ( a c t s0 5 1 计划，即用于被保护互操作交互服 务的开放内核计划) 的后续计划，它的主要目标是得到一个用于公平条件访问 和版权保护的全球性方法，并通过在互联网和e b u ( 欧洲广播联盟) 网络上大规 模的试验认证它的有效性。 国际标准化组织对水印技术也很感兴趣。比如，新出现的视频压缩标准 m p e g 4 f i s o i e c1 4 4 9 6 ) 提供了一个易于将密码和数字水印结合起来的体制。 d v d 工业标准也包含拷贝控制和版权保护机制，该机制使用数字水印来标明多 媒体数据的可拷贝状态，比如“一次拷贝”或者“禁止拷贝”标记。 国际上的研究如火如荼，我国学术界也紧跟世界水印技术发展的脚步，一 批有实力的科研机构相继投入到这一领域的研究中来。为了促进数字水印及其 他信息隐藏技术的研究和应用，1 9 9 9 年1 2 月，我国信息安全领域的何德全院士、 周仲义院士、蔡吉人院士与有关应用研究单位联合发起召开了我国第一届信息 隐藏学术研讨会，2 0 0 0 年和2 0 0 1 年又分别在北京和西安举行了第2 届和第3 届。 2 ( ) 0 0 年1 月，由国家“8 6 3 ”智能机专家组和中科院自动化所模式识别国家重点 实验室组织召开了数字水印学术研讨会。 数字水印对于知识产权保护来说是一个全新的技术，它集合了多学科的理 论及技术，如密码学、编码理论、数据压缩技术、扩频通信、信号处理技术、 噪声理论和视听觉感知理论等。数字水印技术经过近年的研究与发展，取得了 长足的进步，算法上从晟初简单的基于最不重要位( l s b ) 嵌入的空域算法到现 阶段基于离散余弦变换和离散小波变换的变换域算法，进一步的算法尝试应用 新的数学工具如小波提升和嵌入式小波零树。在算法理论上取得进展的同时， 也有一些相应的产品和解决方案相继推出，其应用领域也在不断扩展。但是总 的来说，数字水印技术作为一门年轻的学科，其理论体系尚未完善，技术还不 够成熟，尚未有一种水印能够经受所有的己知攻击，大部分算法仍都是探索性 的，尚需在实践中接受检验和继续发展，因而离广泛的应用还有很长的一段路 要走，还需要研究人员做更多的努力。 3 硕士学位论文 m a s l i e r st h e s l s 1 3 本文主要工作介绍 本文主要研究了静态图像数字水印的算法问题。这里主要从两个方面提高 嵌入水印的隐蔽性和鲁棒性： ( 1 ) 在均方根值较大的细节子带中嵌入水印。 ( 2 ) 选择那些在各种信号处理揉作中都不会有太大变化的小波系数嵌入水 印。 实验证明该算法具有较好的鲁棒性，并且嵌入水印后对图像质量的影响较 小，人眼几乎感觉不到图像质量的变化，算法能够抵抗常见的信号处理操作 ( 高斯噪声和椒盐噪声) 、j p e g 压缩等攻击方式。 本文的组织结构如下： 第一章首先说明了本文的选题背景和意义，然后概括性的介绍了国内外数 字水印技术的研究现状，最后介绍了本文的主要工作。 第二章对数字水印技术本身进行了较为全面的介绍。首先介绍数字水印的 应用领域、基本特征和分类等基本问题，然后给出数字水印的基本模型以及 典型的水印算法，最后讲述数字水印系统所面l 临的攻击。 第三章介绍了本文涉及到的小波分析理论知识。 第四章设计并实现了一个完整的水印系统，从水印嵌入到带水印图像被攻 击，最后提取检测出水印。水印嵌入在比较稳定的小波系数中，实验证明， 该方案具有较好的鲁棒性。 第五章是对本论文研究工作的一个总结。 4 硕士学位论文 m a s t e r st i l e s , i s 2 数字水印技术 2 1 数字水印的应用领域 数字水印的应用领域非常广泛，概括起来主要包括以下几个方面f 9 , j o , 4 6 1 ： ( 1 1 数字媒体的版权保护。这是数字水印技术的一个主要应用方向。数字 作品的所有者，利用数字水印技术在自己的作品中加入可以证明自己版权的 水印信息，当出现版权纠纷问题时，所有者可以从盗版作品或含水印作品中 提取出水印信号作为版权依据，从而保护了所有者的正当合法权益。对于用 于版权保护的水印，一般要求具有很好的鲁棒性、安全性和隐蔽性，含水印 作品在经受正常的数据处理或恶意的盗版者的攻击以后，应仍能提取出足以 证明版权的水印信息。 ( 2 ) 跟踪非法传播。这是指将购买者的信息( 如不同用户的i d 或序列号等) 作为水印嵌入产品中，这些水印信息就如同人的指纹或d n a 基因样，可以 准确地区分每一个不同的用户个体，因此又叫“指纹”。当发现未经授权的拷 贝时，就可以根据此拷贝所恢复出的指纹来确定它的来源，以追究非法传播 者的责任。对于这种水印，除应具有用于版权保护水印的特性以外，还应该 能够防止串谋攻击，就是防止两个以上的用户联合起来，通过对比消除加入 的水印。 f 3 1 标题与注释。利用水印技术将媒体的相关注释或标题等信息加入其中， 以方便自己或他人使用。比如，在图片或照片中加入制作或拍摄时间、地点、 图像名称、内容简介、创作者等；在c d 音乐中隐藏乐曲的简介、作曲、定 购信息、访问链接等；在数字视频中嵌入各种语言构成多语言电影系统，以 适应不同用户的需要等。这种隐式注释不需要增加额外的带宽，且不容易丢 失，因此是一种比较理想的注解方式。 “) 篡改提示。在某些情况下，对数字作品的完整性要求极高，比如用于 法庭或医学证明等，对作品微小的改动都有可能严重影响正确结果的产生， 硕士学位论文 m a s t e r 7 st h e s i s 因此需要确定这些数字作品的内容是否被修改、伪造或特殊处理过。嵌入脆 弱水印可验证作品真伪或测出所受篡改的性质【1 1 1 ，也可用于其他证明篡改的 场合，如新闻单位要验证图像是否存在编辑伪造i l “。 佰) 使用控制。就是利用嵌入的水印来控制媒体的使用权限。这种应用的 一个典型例子是d v d 防拷贝系统。就是通过在d v d 盘片中嵌入含有允许或 禁止拷贝或播放的水印信息，同时在d v d 刻录机或播放机中设置允许或禁止 刻录、回放检测系统，当发现是非法拷贝时，则拒绝刻录、播放。从而保护 制造商的商业利益。 数字水印技术凭借其自身的诸多优点引起了众多应用领域的关注，但是数 字水印技术本身目前还不能完全满足实际应用在安全性、可用性等方面的要 求。然而现代密码学的研究和发展为数字水印技术的应用提供了良好的基础。 利用现代密码学提供的各种保密性、认证性、完整性和不可抵赖性机制，可以 设计安全的数字水印服务于不同的应用。 2 2 数字水印的基本特征 不同的用途，对于数字水印的要求各不相同。通常我们要求数字水印应具 有如下基本特性 1 3 , 4 6 】： ( 1 1 鲁棒性：对应的英文术语为r o b u s t n e s s ，可以理解为“强健性、坚固性、 强壮性”，在有些文章中又称为“稳健性”。数字水印的鲁棒性是指数字水印应 该具备这样的特性：当被保护的信息经过某种改动后，比如传输、过滤操作、 重新采样、编码、有损压缩等，嵌入的信息应保持其完整性，不能被轻易地 去除，并以一定的正确概率被检测到。当有敌意的第三方试图通过某些处理 来去除或修改嵌入的信息时，只会引起被保护信息的明显改变，从而提醒合 法的所有者或使用者，达到对信息的保护作用。不同的水印应用对鲁棒性要 求不同，一般应能够抵抗正常的图像处理。用于版权保护的鲁棒水印需要最 强的鲁棒性，需要抵抗恶意攻击，而易损水印、注释水印则无需特别强调对 恶意攻击的抵抗能力。 ( 2 ) 不可感知性：对应的英文术语为i m p e r c e p t i b i l i t y ，可以理解为“难以觉 6 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 察，感觉不到”。这是指被保护信息在嵌入水印信息后应不引起原始被保护信 息质量的显著下降和视觉效果的明显变化。对于鲁棒和易损的不可见水印来 说，这是一个最基本的要求。这种技术是比较困难的，从信号处理的角度看， 水印的鲁棒性和不可感知性是一对相互矛盾的特性要求，过多的注重一个方 面，另一方面的性能就会削弱。因此需要在这两者之间进行折中。这种技术 是困难的，但并不是不可能的，因为人类的感觉器官并不是特别精密的系统， 所谓的不可感知并不是绝对感知不到的，而是相对的，只要人的感觉器官感 受不到发生了变化，就可认为是不可感知的。目前，当需要在这两方面兼顾 时，人们通常是在保证“相对”不可感知的前提下尽可能地提高水印的鲁棒性。 ( 3 ) 可检测性：数字水印应该能够由作者或公证机构来检测或提取。当作 品在版权问题上发生争执时通过提取作品中的水印信息可以确认作品的版权 归属。如果不具备可检测性，那么水印也就失去了意义。 ( 4 ) 可证明性：这是指恢复出的水印或水印判决的结果应该能够确定地表 明所有权的归属，不会发生多重所有权的纠纷。水印算法能识别被嵌入到保 护对象中的所有者的相关信息( 如注册的用户号码、产品标志或有意义的文 字等) ，并能在需要的时候将其提取出来。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、真伪鉴别以及非法拷贝控制等。就目前 已经出现的很多算法而言，攻击者有可能破坏掉图像中的水印，或复制出一 个理论上存在的“原始图像”，这导致文件所有者不能令人信服地提供版权归 属的有效证据。因此一个好的水印算法应该能够提供完全没有争议的版权证 明。 2 3 数字水印的分类 随着数字水印技术研究的不断发展，数字水印技术的应用领域也在不断 拓展，目前，越来越多的行业开始根据各自的需求研究并应用这一技术，得 到了各种不同的数字水印系统，对其进行整理分类，可得咀下几种【1 4 , 1 5 , 4 6 】： ( i ) 可见水印和不可见水印：这是基于人的主观感觉来划分的。根据各自 应用目的的不同，数字水印又有可见水印和不可见水印之分。当嵌入的水印 7 硕士学位论文 m a s t e r s 丁珏e s ! s 强度足够大时，能够用肉眼直接观察到，这就称为可见水印。比如电视台的 台标等。当然对于大多数用于版权保护的数字水印则更需要具有不可见性， 以利于水印信息的安全。由于媒体类型的不同，可见性概念不仅仅是视觉上， 还包括听觉上和触觉上不可感知。本文主要研究用于知识产权保护的不可见 水印。 ( 2 ) 易损性水印和鲁棒性水印：这是按所嵌入水印信息的抗攻击能力来划 分的。易损水印很容易被破坏，主要应用于完整性验证等应用之中，它随着 对象的修改而被破坏。对于易损水印，要求具有很高的图像变化敏感性，极 其细小的图像变动也会影响数字水印的提取和检测。但对鲁棒的数字水印而 言，则要求水印嵌入载体之后，不会因载体经过一些信号处理而丢失。鲁棒 数字水印其应用范围更加广泛，是本文研究的重点。 ( 3 ) 空域水印和频域水印：这是按水印隐藏的位置来划分的。空域水印就 是直接在空域中对采样点的幅度值做出改变来嵌入水印：频域算法是通过修 改图像变换域中的系数来嵌入水印。例如离散余弦变换( d c n 域算法和离散小 波变换( o w o 域算法，其共同的特点是：可嵌入水印数据量大，能满足较好 的不可见性和鲁棒性要求，但算法复杂度较高。傅立时变换域( d f r ) 算法对仿 射变换具有不变性，可用于图像传输过程中引起失真的情况；另外还可利用 相位信息嵌入水印，但d f t 域的方法与国际压缩标准不兼容，因而限制了其 应用。目前，d c t 系数被使用的较多，这是因为d c t 变换计算方法简单，且 有快速算法，易实现，同时d c t 变换是目前通用的国际压缩标准j p e g 的核 心技术，便于在压缩域中实现水印的嵌入，这有利于增强嵌入水印对图像压 缩处理的抵抗能力。但是，随着新的国际压缩标准j p e g 2 0 0 0 ( 将小波变换作 为核心技术) 的出台，使d c t 域水印算法的优势大打折扣。j p e g 2 0 0 0 因为小 波变换的多分辨率分析的特点，而具有更高的压缩比和更加细致的细节分析 能力，在d c t 系数中嵌入的水印难以抵御小波变换的多次滤波处理，如果利 用新的压缩标准对其进行处理，嵌入的水印信息将很容易被剔除出去。目前 小波域水印算法越来越被人们所看好，这也是本论文决定采取小波域嵌入水 印的主要原因之。可以预见，小波域水印算法将具有更美好的发展前景。 ( 4 ) 非盲水印和盲水印：这是根据水印提取时是否需要原始图像来划分的。 r 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 在提取或检测水印的过程中如果需要原始图像数据来提取水印信号，则称为 非盲水印；否则称为盲水印。一般情况下，非盲水印比盲水印更安全，但其 应用受到存储成本的限制，所以目前学术界研究的数字水印大多数是盲水印， 是水印算法发展的方向。 ( 5 ) 根据水印所附的载体数据划分，我们可以将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 字多媒体技术的不断发展，今后会有更多种类的数字媒体出现，同时也会产 生更多相应载体的水印技术。 ( 6 ) 私有水印和公开水印：私有水印是只能被特定密钥持有人读取或检测 的水印，公开水印是可以被公众提取或检测的水印。私有水印的安全性和鲁 棒性优于公开水印，但公开水印更适合声明版权信息和预防侵权。 ( 7 ) 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 号或一段随机数序列。有意义水印的优势在于，如果由于受到攻击或其他原 因致使解码后的水印破损，人们仍然可以通过观察确认是否有水印。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 决策来确定信号中是否含有水印。 ( 8 ) 对称水印和非对称水印：这是根据提取水印的算法来划分的。当水印 嵌入、提取或检测过程中所使用的密钥相同时，称为对称水印；否则称为非 对称水印。 ( 9 ) 根据水印的用途，我们可以将数字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。票据防伪水印是一类比较特殊的水 印，主要用于打印票据和电子票据的防伪。一般情况下，伪币的制造者不可 能对票据图像进行过多的修改，所以不用考虑诸如尺度变换等信号处理操作， 但我们必须考虑票据破损、图案模糊等情形。另外考虑到快速检测的要求， 用于票据防伪的数字水印算法不能太复杂。版权保护是目前研究最多的一类 数字水印。数字作品是商品的同时又是知识作品，这种双重性决定了版权保 护水日l 主要强调隐蔽性和稳健性，而对水印数据量的要求相对较小。篡改提 示水印是一种脆弱水印，其目的是标识载体信号的完整性和真实性。隐蔽标 9 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 识水印的目的是将保密数据的重要标注隐藏起来，限制非法用户对保密数据 的使用。 区分上述各类水印并没有绝对的界限标准。比如，通常情况下变换域水 印鲁棒性较好，因此又可被称为鲁棒水印；而公开水印一般要求是非对称亩 水印等。因此在理解各类水印时，我们只能相对的根据它在某一特性上的不 同表现形式而将其归类。目前，基于不可见数字水印的算法主要分为两大类： 空间域算法和变换域算法。而变换域水印算法是未来发展的主流。本论文的 研究工作就是基于这一发展方向的。 2 4 数字水印的通用模型 通用的数字水印技术主要包含两个基本方面：水印的嵌入和水印的提取或 检测。在设计、使用一个具体的水印算法时，可根据一些具体情况综合考虑， 比如数字作品的使用限制、应用目的以及其他约束条件等。 2 4 1 数字水印的基本框架 数字水印的基本框架【1 6 j 可以定义为一七元组m ，rl n f 。，w ，g ，e ，d ) ，其中： ( 1 ) 1 0 为所要保护的原始数字产品( 图像) 的集合。 ( 2 ) k 为密钥的集合。 ( 3 ) i n f w 为待嵌入的水印信息。 ( 4 ) w 为实际嵌入的水印信号。 ( 5 ) g 表示利用密钥k 和待嵌入的水印信息i n f w 以及原始图像i 。共同生成水 印的算法，即： w = g ( 1 0 ，i n f w ，k ) 关于水印信号的生成，有时要根据不同的应用需要，对水印信息进行必要 的预处理，如编码、压缩、加密等，最终形成水印信号。 ( 6 ) e 表示将水印w 嵌入数字图像1 0 中的算法，即： 1 w = e 0 0 ，w ) 这里1 w 代表嵌入水印后得到的数字图像。采用水印嵌入算法e 将水印信号 1 0 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 加入到图像的空间域或者变换域，最终生成水印图像1 w 。该算法力图使对原 始图像所作的改动最小，同时又要保证尽可能强的鲁棒性。 ( 7 ) d 表示水印提取和检测算法。水印的提取是指从水印图像中完全恢复 出水印信息的过程；水印的检测是判断图像中特定水印信号的存在性的过程。 t = d ( j ，l ( ) p = c d ( t ，w ) 其中图像j 可以是一幅有数字水印或没有数字水印的图像，也可能是遭到破 坏的有数字水印的图像。t 为从图像j 中提取出的水印。p = 0 1 ，0 表示水印不存在， 1 表示存在。c 为判断原水印w 和提取出水印t 相似程度的相关函数。以上是 盲提取检测算法，可类似的定义非盲提取检测算法，这里不再赘述。 这一过程可大致的表示为如图2 1 所示的框架： 水 印 刮水印生成 密钥 水 原稚恭去色二 印 提 取 或 检 羽像 萎恶葸攻l 印图 7 测 l 。 ；像 图2 1 数字水印的基本框架 水印处理系统的基本框架必须满足一些特定的条件，以便形成套适用于 版权保护和产品内容鉴定的值得信赖的根据，这些基本条件是： 不可感知性：对于不可见水印处理系统，水印嵌入算法不应产生可感 知的数据修改。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 密钥难一性：不同密钥应产生不等价的水印。 水印有效性：在水印处理算法中只采用有效的水印，即只有用密钥集 中的密钥生成的水印才是有效的。 不可逆性：函数w = g ( 1 0 ，i n f 、k ) 应该是不可逆的，即k 不能根据w 和函 数g 逆推出来。在实际应用中，不可逆意味着对于任何水印信号w ，很 难再找到另一个与之等价的水印信号。 依赖性：在相同的密钥条件下，当水印算子g 用在不同的i i l f j 上时，应 该产生不同的水印信号。 多重水印：通常对已嵌入水印信号的产品用另一个不同的密钥再作水 印嵌入是可能的。这也往往是盗版者或侵权者在重销时可能做的工作。 但在某些场合，利用这种特性可以对产品的发布渠道进行跟踪。 检测可靠性：肯定检测的输出必须有一个合适的最小置信度。如果p n 是检测的虚警概率，则它满足p f a 0 ：， 妒。( f ) 称为小波基函数，简称小波基。其中a 为尺度因子( 伸缩因子) ，b 为 平移因子，因为它们都是连续变化的值，所以称妒。( f ) 为连续变化的小波基函 数。他们是由同一母小波函数1 = f ，0 ) 经过伸缩和平移后得到的一组函数系列。 记妒) 为妒o ) 的傅里叶变换，即：妒( ) 一r 妒( o e 一一d t 一0 。在这里，如果 矿) 满足： 巴：f 幽2 如。( 3 2 3 ) 咭 埘 则称妒0 ) 为允许小波，条件式( 3 3 ) 称为可允许性条件式。 由于小波基函数在时域、频域都具有有限的或近似有限的定义域，所以经 过伸缩平移后的函数在时频域仍是局部性的。小波基函数的窗口随尺度因子的 不同而伸缩，当a 逐渐变大时，基函数的时间窗口& 逐渐变大，而对应的频域 窗口a t o 相应减小，中心频率( 即频率窗的中点) 逐渐变低，相反，当口逐渐 减小，基函数的时间窗口址逐渐减小，其频率窗口相应增大，中心频率逐 渐升高。 经过定量分析可得到如下结论： ( 1 ) 尺度的倒数1 a 在一定意义上对应频率m ，即尺度越小，对应频率越高， 尺度越大，对应频率越低。如果我们将尺度理解为时间窗口的话，n 4 , 尺度信 号为短时间信号，大尺度信号为长时间信号。这一点同信号时频分布的自然规 律是相符的，因为，事实上高频信号必然持续时间很短，低频信号必然持续时 间较长。 ( 2 ) 在任何b 值上，小波时、频域窗1 2 1 的大小址和a 山都随频率的变化而变 2 1 硕士学位论文 m a s t e r st h e s l s 化。 ( 3 ) 在任何尺度a ，时间点b 上，窗口面积a t - 保持不变，也即时间、尺 度分辨率是相互制约的，不可能同时提高。 ( 4 ) 由于小波母函数在频域具有带通特性，其伸缩和平移系列可以看作是 组带通滤波器。通常我们将通带宽度与中心频率的比值称为某一带通滤波器的 品质因数，即妒 ) 的品质因数吼：丝。 珊o 由以上分析可知，小波基函数妒。o ) 作为带通滤波器，其品质因数不随尺 度口的变化，是一组频率特性相同的带通滤波器组。 3 2 离散小波变换 凼为闵散小吸焚秧由j 王绥小设受珙禺敢化后得剑，所以在介绍离散小波变 换之前，先简要的介绍一下连续小波变换。 任意函数，( r ) 的连续小揪( c o n t i n u e w a v e l e t t r a n s f o r m ) ，简称( c w d ： w t e ( a 朋( m 矾脚) = 莉1 厂p 渺( 半卜 ( 3 _ 4 ) 其叫学) 为矿( 半) 的共轭。w t t ( a 肋为小波变换系数。 利用小波变换产生的小波系数，我们可以对原图像进行重构，也就是小波 变换的逆变换，其公式为： m 3 扛啊瓴姊击q 半) 知 婚s ， 其中c 妒是对1 ；f ，提出的允许性条件，妒。q ) 一去妒( 半) 是基本小波的位移 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 与尺度伸缩。 关于小波变换式，有以下几点补充说明： 尺度因子盯的作用是将基本小波妒( f ) 作伸缩，矗愈大妒( 考) 愈宽。在不 同尺度下小波的持续时间( 也就是分析时段) 随口加大而增宽，幅度则与 如成反比，但小波函数的波形保持不变。 妒。( f ) 前加因子的目的是使不同a 值下妒。( f ) 的能量保持相等。 在实际应用中，不管是图像还是音视频信息，都是经过采样量化后得到的 一些离散数据，因此我们还应将上述连续小波变换离散化，以便于对离散的 图像信号进行处理。 ( 1 ) 离散小波函数 我们将尺度因子口和平移因子6 离散化( 取= 2 和6 = 2 j b ) ，则( 3 2 ) 式可表示为： 删2 专妒( 警卜击峙嘲， 6 ， 其中：j ，k z 。然后再将t 轴用瓦归一化，上式就变为： 妒 p ) = 22 妒( 2 t k ) ( 3 - 7 ) 我们称上式为离散小波函数。 ( 2 ) 离散小波变换( d w 7 3 对任意函数厂p ) 的离散小波变换( d i s c r e t e w a v e l e t t r a n s f o r m ，简称为d w 3 为： w r t ( j ，七) = ( 厂，妒) = f nf ( t ) 妒j ：, ( t ) d t ( 3 8 ) h t ( j ，k ) 为离散小波变换系数。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s ( 3 ) 离散小波变换的逆变换o d w t ) 若离散小波序列扣”l 。构成一个框架，设其上、下界分别为a 和b ， 则当a = b 时( 此时框架为紧框架) ，离散小波变换的逆变换( i d w d 公式为： ，( f ) 。荔( ，妒- ) 妒；t o ) 4 者荔嘿( j ，2 ) 妒似o ) ( 3 9 ) 当a = b = i 时，离散小波序列扣m ，。为一正交基，此时离散小波变换的 逆变换公式为： f q ) 一乏( ，妒砧) ；f ，- 哆( ，七) 妒髓( f ) ( 3 1 0 ) 式( 3 - 8 ) 和( 3 1 0 ) 是对维信息的小波变换与重构，处理图像信号需 要二维小波变换。将一维小波变换进行拓展，我们可以得到二维离散小波变 换与重建公式。 3 3 二维离散小波变换快速算法 假定。6 为，尺度空间的剩余尺度系数序列，并且令和啊分别为小波函 数的低通和高通滤波器，则二维小波变换的快速分解公式为 a = h ，( 七一百) 。一2 ，p 。- i ( 3 1 1 ) 彤= 。( 七一盘溉一纠) i ，- 1 ( 3 1 2 ) y 二一h ，( 七一2 0 t h ( m 一2 2 ) ，i 。- i ( 3 1 3 ) s 二sh 。( 七一2 i ) h o ( m 一2 z ) s = ( 3 1 4 ) 其中：i ，2 分别为石方向和y 方向上的位移，s 、a 、卢、y 分别为将 其上一尺度( ，一1 尺度) 空间中的剩余尺度系数序列5 ，4 经x 方向和y 方向上 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 的低通滤波、z 方向上的高通滤波和y 方向上的低通滤波、x 方向上的低通滤 波和) ，方向上高通滤波、z 方向和_ ) ，方向上的高通滤波后所得到的，尺度空间 中的系数序列。 公式( 3 - 1 1 ) ( 3 1 4 ) 的树型流程图如图3 1 所示。 e 毫 y 1 s 2 乜2 p 2 y 2 图3 1 二维小波变换的树形算法示意图