（计算机应用技术专业论文）基于小波变换的数字水印算法研究(1).pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 随着计算机网络的飞速发展和多媒体技术的广泛应用，人们可以非常方便地从网络上 获取多媒体产品。因此，数字多媒体的信息安全，版权保护和完整性认证问题就成为迫切 需要解决的重要问题。数字水印技术就是在这样的背景下诞生的，随着研究工作的不断深 入，应用领域也在不断地扩大。因此，对数字水印技术的研究不但有着重要的理论意义， 更有着非常重要的实用意义。 小波分析又称为多分辨率分析，是在傅立叶分析的基础上发展起来的新兴学科，具有 非常广泛的应用范围。j p e g 2 0 0 0 采用小波图像压缩编码为核心技术，使得嵌在小波域的 水印在j p e g 2 0 0 0 有损压缩下不会被去除，同时小波变换的多分辨分析与人类视觉特性的 一致性，使得可以根据h v s ( h u m a nv i s u a ls y s t e m ) 自适应地选择水印嵌入的位置和嵌入的 强度，以保证嵌入水印的不可见性与算法的鲁棒性具有很好的平衡性。所以，基于小波变 换的数字水印技术是目前的一个研究热点。 本文主要研究基于小波变换的数字水印算法。首先，详细地阐述了数字水印技术的基 本原理应用范围和一些典型的数字水印算法；其次，简单介绍小波分析理论及其在数字 水印技术中的应用；最后，根据目前数字图像水印技术的研究现状，提出了三种基于小波 变换的数字水印算法：基于小波变换和人类视觉系统的盲数字水印算法，基于整数小波变 换和混沌映射的盲数字水印算法和基于小波变换和神经网络的盲数字水印算法。 关键词：数字水印；小波变换；整数小波变换；人类视觉系统；神经网络 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n to ft h en e t w o r ka n dw i d e l ya p p l i c a t i o no ft h em u l t i m e d i a t e c h n o l o g y , p e o p l ec o u l dg e tm u l t i - m e d i ap r o d u c tt h r o u g hi n t e r a c tc o n v e n i e n t l y t h e r e f o r e , d i g i t a lm u l t i - m e d i as e c u r i t y , c o p y r i g h tp r o t e c t i o na n di n t e g r a l i t yi n s u r a n c eb e c o m ea nu r g e n t p r o b l e mt ob es o l v e d w a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g yw a sb r o u g h tu po n t h i sb a c k g r o u n d i t s a p p l i c a t i o nf i e l ds p r e a dw i d e l yw i t hah u g ea m o u n to fr e s e a r c hd e v e l o p m e n t s ot h es t u d yo f w a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g yi sm e a n i n g f u ln o to n l yi nt h e o r yf i e l d s ，b u ta l s oi na p p l i c a t i o nf i e l d s w a v e l e ta n a l y z ei sc a l l e dm u l t i d i s t i n g u i s ha n a l y z e i ti san e wb r a n c hd r i v i n gf r o mt h e f o u r i e rt r a n s f o r m , w h i c hi sb e e nw i d e l yu s e d j p e g 2 0 0 0u s ew a v e l e te n c o d e da sc o r e t e c h n o l o g y , b yw h i c hi t i sd i f f i c u l tt or e m o v ew a t e r m a r kt h r o u g hj p e gc o m p r e s s i o n t h e w a v e l e tm u l t i - d i s t i n g u i s ha n a l y z ei ss i m i l a rt oh u m a nv i s u a lm e c h a n i s m ，s ow ec a nd e c i d et h e e m b e di n t e n s i t ya n dp o s i t i o na d a p t i v e l yi ti su s e f u lt oi n s u r et h eb a l a n c eo ft h ei n v i s i b l eo f e m b e d d e dw a t e r m a r k sa n dt h er o b u s t n e s so fw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m h e n c et h er e s e a r c ho n w a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g yb a s e do nw a v e l e tt r a n s f o r mi sb e c o m i n ga na c t i v er e s e a r c hh n t s p o t t h i sa r t i c l em a i n l yd i s c u s s e st h er e s e a r c ho nd i g i t a lw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mb a s e do nw a v e l e t t r a n s f o r mf i r s t l y , i ts t a t e st h et h e o r yo f w a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g y , t h ef i e l do fi t sa p p l i c a t i o na n d s o m et y p i c a lw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mi nd e t a i l s s e c o n d l y , t h ew a v e l e tt r a n s f o r ma n di t s a p p l i c a t i o ni nw a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g ya r eb r i e f l yi n t r o d u c e d f i n a l l y , i tb r i n g so u tt h r e e m e t h o d so fw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mb a s e do i lw a v e l e tt r a n s f o r m ：ab l i n dd 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 do nw a v e l e tt r a n s f o r ma n dh u m a nv i s u a ls y s t e m , ab l i n dd 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 do ni n t e g e rw a v e l e tt r a n s f o r ma n dc h a o t i cm a p a n dab l i n dd 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 do nw a v e l e tt r a n s f o r i l la n dn e u r a ln e t w o r k s k e y w o r d s ：d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ；w a v e l e tt r a n s f o r m ；i n t e g e rw a v e l e tt r a n s f o r m ；h u m a n v i s u a ls y s t e m ；n e u r a ln e t w o r k 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 1 1 数字水印的研究背景 第一章前言 当前的信息安全技术基本上都是以密码学理论为基础，无论是采用传统密钥系统还是 公钥系统，其保护方式都是控制文件的存取，即将文件通过某种加密技术【1 1 加密成密文， 使非法用户不能解读。但随着计算机计算能力的提高，这种通过不断增加密钥长度来提高 系统密级的方法变得越来越不安全。另外，多媒体技术已被广泛应用，需要进行加密、认 证和版权保护的声像数据也越来越多。数字化的声像数据从本质上说就是数字信号，如果 对这类数据也采用密码加密方式，则其本身的信号属性就被忽略了。近年来，许多研究人 员放弃了传统密码学的技术路线，尝试用各种信号处理方法对声像数据进行隐藏加密，并 将该技术用于制作多媒体的“数字水印”。 数字水印技术是目前信息安全技术领域的一个新方向，是一种可以在开放网络环境 下保护版权和认证来源及完整性的新型技术【2 i ，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、认证鉴定等方面 具有十分广阔的应用前景。自1 9 9 3 年以来，该技术已经引起人们的浓厚兴趣，并且日益 成为国际上非常活跃的研究领域，受到国际学术界和企业界的高度重视，而且数字水印技 术是一门新兴的多学科交叉的应用技术，它涉及到不同学科领域的思想和理论。因此，数 字水印技术的研究无论在理论上还是在应用上都具有重要的意义。 1 2 国内外的研究现状 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地参与或投资支持此方面的研究。 1 9 9 5 年以后，数字水印技术获得广泛的关注并且得到了较快的发展。1 9 9 6 年在英国，1 9 9 8 年在波兰，1 9 9 9 年在德国，2 0 0 1 年在美国、2 0 0 2 年在荷兰、2 0 0 4 年在加拿大、2 0 0 5 年在 西班牙，2 0 0 6 年在美国、2 0 0 7 年在法国先后9 次召开了信息隐藏学术会议。美国 c p t w g ( c o n t e n tp r o t e c t i o nt e c h n o l o g yw o r k i n gg r o u p ) 组织成立了专门的数据隐藏小组 ( d h s g ) ，欧盟委员会的项目o c t a l i s ( o f f e ro fc o n t e n tt h r o u g ht r u s t e da c c e s sl i n k s ) 等也正 致力于实用的水印技术研究。 在2 0 世纪9 0 年代末期一些公司开始正式地销售水印产品。在图像水印方面，美国的 d i g i m a i c 公司率先推出了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 公司的p h o t o s h o p 和c o r dd r a w 图像处理软件中。该公司还推出了媒体桥 ( m e d i a b r i d g e ) 技术，利用这项技术用户只要将含有d i g i m a r c 水印信息的图片放在网络 摄像机( w e bc a m e r a ) 前，媒体桥技术就可以直接将用户带到与图像内容相关联的网络站 点。a l p v i s i o n 公司推出的l a v e l l t 软件，能够在任何扫描的图片中隐藏若干字符，这些 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 字符标记可以作为原始文件出处的证明，也就是说，任何电子图片，无论是用于w o r d 文 档、出版物，还是电子邮件或者网页，都可以借助于隐藏的标记知道它的原始出处。 m p v i s i o n 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 l i 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 s n e t w o r k s ) ) ) ，此开发计划作为欧洲电子产业界各组织的欧共体项目于1 9 9 5 年9 月 开始进行，到1 9 9 8 年8 月结束，法国、比利时、德国、西班牙、意大利和瑞士等国的1 1 个通信与广播业单位、研究单位和大学参入了该项开发计划。 随着技术信息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 跟踪转向深入地系统地研究，各大研究所和高校纷纷投入到数字水印的研究，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到水印技术研究且取得较好成绩的科研人员。国家8 6 3 ，9 7 3 等项目 也都包含水印的研究项目，从而为国内的信息安全产业提供有效的、可靠的保障。 1 3 本文的主要工作 本文对数字水印的基本概念和基本原理进行了全面的理论研究，并且以静止图像为研 究对象，结合当前国内外数字水印技术的研究现状，重点研究了基于小波变换的数字水印 算法。以小波分析理论为基础，很好的实现了三种不同类型的数字水印算法。全文安排如 下： 第一章前言。简要介绍了数字水印技术的研究背景国内外研究现状和本文的主要 工作。 第二章数字水印的基本理论及其应用。详细地介绍了数字水印的基本概念、分类和 主要的应用领域，并且归纳讨论了数字水印的一些典型算法，最后介绍了数字水印常见的 攻击类型和水印性能的评估方法。 第三章小波变换理论及其在数字水印技术中的应用。简单地介绍了传统小波变换的 基本概念，离散小波变换、小波变换快速算法提升与整数小波变换及小波变换在数字 水印技术中的应用。 第四章基于小波变换和人类视觉系统的盲数字水印算法。算法将水印图像信息利用 a r n o l d 混沌映射进行置乱，对宿主图像进行小波分解，然后通过改变两个小波子带相应系 数的大小关系来嵌入水印信息。其中对相应小波系数修改权值的设置，利用了基于小波域 的人眼视觉系统的特性。 第五章基于整数小波变换和混沌映射的盲数字水印算法。首先利用广义a r n o l d 混沌 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 映射对水印图像进行置乱，利用整数小波变换对载体图像进行三级小波分解，然后利用 l o g i s t i c 混沌映射随机产生各水印比特嵌入第二层高频部分整数小波系数的比特位置。 第六章基于小波变换和神经网络的盲数字水印算法。利用提取含水印图像小波分解 的低频子图的特征点坐标集估计含水印图像遭受的几何失真，根据估计的几何失真参数对 受到几何攻击的含水印图像进行校正，最后利用神经网络很好的非线性映射和自适应学习 功能实现水印信息的盲提取，实验表明该算法不仅能抵抗常规的图像处理攻击，还能抵抗 一定程度的几何攻击。 第七章总结和展望。对本文的研究工作进行简要总结，对今后数字水印技术的研究 发展进行展望。 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 第二章数字水印的基本理论及其应用 2 1 数字水印的基本概念及其特征 2 1 1 数字水印的基本概念 “水印”可以被看作是版权保护的代名词i ”。数字水印技术是在数字多媒体技术及其互联 网技术迅速发展的背景下应运而生的一种信息安全技术。它利用人类感觉器官的不敏感性 以及数字信号本身存在的冗余，将具有特定意义的标志性信息，通过数字嵌入的技术隐藏 在文本，图像、音频、视频等数字产品中，水印信息可以是作品的序列号，公司标志或有 特殊意义的文本等，并能够抵抗些攻击而生存下来。同加密技术相比，数字水印不改变 数字产品的基本特性和使用价值，也不能阻止盗版活动的发生。但它可以判别对象是否受 到了保护，能监视被保护数据的传播情况，完成真伪鉴别限制非法拷贝、甚至能用于解 决版权纠纷等法律问题1 4 。 2 1 2 数字水印的特征 为了给攻击者增加去除水印的难度，目前大多数水印制作方案都采用密码学中的加密 ( 包括公开密钥和私有密钥) 体系来加强，在水印的嵌入和提取时采用一种密钥甚至几种密 钥联合使用。因此，作为有实用价值的数字水印，一般应该具有以下几个特征【，l ： ( 1 ) 不可感知性，又称不可见性。它包括两方面的含义：一方面指视觉或感觉上的不可 见性，即观察者用肉眼观察不到或用感觉器官感觉不到嵌入水印后含水印内容的变化，也 就是说相对于被保护数据的使用而言，嵌入的数字水印对人的视觉或感觉器官应是不可觉 察的，或者说是透明的；另一方面指水印信息即使用统计的方法也无法恢复。 ( 2 ) 鲁棒性，又称稳健性，是数字水印技术的重要指标。它指嵌入的水印必须难以被一 般算法清除，也就是说多媒体的水印能够抵抗各种对数据的破坏，如a d ，d a 转换、滤 波，平滑，有失真压缩以及旋转，平移、缩放及分割等几何变换和恶意的攻击等。也就是 说，在经过这些操作后，鲁棒的水印算法应仍能从水印图像中提取出嵌入的水印或证明水 印的存在。另外，用于版权保护的数字水印之一一易损水印，功能是对完整性的保护， 这种水印同样是在内容数据中嵌入不可见的信息。当嵌入水印的内容发生改变时，这些水 印信息会发生相应的改变，从而可以鉴定原始数据是否被篡改。 ( 3 ) 可证明性。指对嵌有水印信息的内容，可以通过水印检测器证明嵌入水印的存在。 ( 4 ) 自恢复性。指含水印的内容在经受一系列攻击后( 内容可能有很大的破坏) ，水印信 息也经过了各种操作或变换。但可以通过一定的算法从剩余的内容片段中恢复出水印信 息，而不需要整个原始内容的特性。 ( 5 ) 安全保密性。数字水印系统使用了一个或多个密钥以确保安全，防止修改和擦除。 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 并且应当有较低的误检测率，当含水印内容发生变化时，水印也应当发生变化，从而可以 检测原始内容的变更。当然，数字水印同样对重复添加有较强的抵抗性。 2 2 数字水印的分类 数字水印技术可以从以下几个不同的角度进行分类。 ( 1 ) 按特性划分，可将数字水印分为可见水印和不可见水印。可见水印是可以看见的水 印，它与可视的纸张中的水印相似。不可见水印是一种应用更加广泛的水印，与可见水印 相反，它加在图像，音频或视频当中，表面上是不可察觉的，但是当发生版权纠纷时，所 有者可以从中提取出标记，从而证明该物品的所有权或证明该物品是否被篡改过。不可见 水印又分为鲁棒性数字水印和脆弱性数字水印。鲁棒性数字水印主要用于数字作品中著作 权信息，如作者，作品序列号等的保护，它要求嵌入的水印能够经受各种常用的编辑处理； 脆弱性数字水印主要用于完整性保护，与鲁棒性水印的要求相反，脆弱水印必须对信号的 改动很敏感，人们根据脆弱水印的状态就可判断数据是否被篡改过。 ( 2 ) 按数字水印所附载的媒体划分，可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。图像水印技术是目前研究得最多也 是最为成熟的水印技术。许多其它媒体的水印技术都是在图像数字水印的基础上发展起来 的，此类主要用于数字图像的版权保护。音频水印技术主要研究低比特位编码相位编码 ，基于扩展频谱编码和回声隐藏等4 个方面的内容。音频水印主要用于网上音乐等音频数 字产品的版权保护。视频水印算法是将水印数据嵌入视频流或压缩视频流中，主要用于网 上电影等视频数字作品的版权保护。文本数字水印技术是通过轻微调整文本中的行距、字 距文字特性( 如字体) 等来嵌入水印信息。文本水印可以抵抗照相和扫描复制等文档操 作，但很容易被破坏。网格水印、矢量图像水印等是数字水印家族的新成员。随着数字技 术的发展，将会有更多种类的数字媒体出现，同时也会产生相应的水印技术。 ( 3 ) 按检测过程划分，可将数字水印划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。水印的检测是在分析原始媒体数据与含有水印媒体数据差别的基础上进行 的，因而只能由原始作品的持有者进行检测，生成的水印难于被伪造。同时，对这样的算 法，可嵌入水印的位置选择范围较大，能充分考虑到水印的鲁棒性和不可觉察性，生成的 水印鲁棒性较好，但其应用由于受到存储成分的限制而不易推广，而盲水印的检测只需要 密钥，不需要原始数据。水印的检测独立于原始数据进行，即水印的抽取由含水印的媒体 本身确定。这种水印的检测可以在任何有检测环境的平台上进行，使用范围较广，但此类 算法仅利用选定数据的固有特性进行水印的嵌入和检测，一旦数据固有特性被破坏，水印 检测就变得比较困难，生成水印的鲁棒性也不是太好。目前学术界研究的数字水印大多数 是盲水印。 ( 4 ) 按内容划分，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 印本身也是数字图像( 如商标图像) 或音频片段的编码；无意义水印则只对应于一个序列号。 有意义水印的优势在于如果由于受攻击或其他原因致使解码后的水印破损，人们仍然可以 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 通过视觉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。 ( 5 ) 按用途划分，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 和隐藏标识水印等。票据防伪水印是类比较特殊的水印，主要用于打印票据和电子票据 的防伪。一般来说，伪票据的制造者不可能对票据图像进行过多的修改。所以，诸如尺度 变换等信号编辑操作是不用考虑的。但另一方面，人们必须考虑票据破损、图案模糊等情 形，而且考虑到快速检测的要求，用于票据防伪的数字水印算法既是商品又是知识作品， 这种双重性决定了版权标识水印主要强调隐蔽性和鲁棒性，而对数据量的要求相对较小。 篡改提示水印是一种脆弱水印，其目的是标识宿主信号的完整性和真实性。隐蔽标识水印 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。 ( 6 ) 按水印嵌入方式划分，可以将数字水印分为空间域水印和变换域水印。空间域水印 是通过直接改变载体数据中的某些数据值来嵌入水印，该类算法一般都比较简单，容易实 现，但其鲁棒性和不可见性都比较差。变换域水印是对载体数据进行各种变换后再嵌入水 印，包括d f t 域水印1 6 j d c t 域水印 7 1 ，d w t 域水印i g 】以及他们之间结合的水印算法等。 他们普遍采用变换技术，以便在频率域实现信号的叠加，并借鉴扩频通信等技术对水印信 号进行有效的编码，从而提高了透明性和鲁棒性。 2 3 数字水印的主要应用 随着数字水印技术的发展，数字水印的应用领域也得到了扩展，越来越多的研究机构 和企业不断投入或资助研究开发各种数字水印技术和应用。综合来讲，数字水印技术主要 有如下几个方面的应用： 1 数字作品的知识产权保护。随着网络技术的飞速发展和多媒体技术的广泛应用，数 字产品的版权保护成为当前的热点问题。由于数字产品的拷贝，修改非常容易，甚至可以 做到与原作完全相同，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。目前用于版权保护的数字水印 技术己经进入了实用化阶段。 2 票据防伪。随着高质量输入输出设备的发展，特别是精度超过1 2 0 0 d p i 的彩色喷墨 ，激光打印机和高精度彩色复印机的出现，使得货币、支票以及其他票据的伪造变得更加 容易。另外，在从传统商务转化的过程中，会出现大量过渡性的电子文件，如各种纸质票 据的扫描图像等。即使在网络安全技术成熟以后，各种电子票据也还需要一些非密码的认 证方式。数字水印技术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。 3 证件真伪辨别。信息隐藏技术可以应用的范围很广，每个人都需要不同的证件。例 如，证明个人身份的身份证，护照，驾驶证，出入证等，证明某种能力的各种学历证书 资格证书等。通过水印技术可以确认该证件的真伪，使得该证件无法仿制或复制。 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 4 声像数据的隐藏标识和篡改提示。数据的标识信息往往比数据本身更具有保密价值， 如遥感的拍摄日期、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。这种方法已经被国外一 些公开的遥感图像数据库所采用。此外，数据的篡改提示也是一项很重要的工作。现在的 信号拼接和镶嵌技术可以做到“移花接木”而不为人知。因此，如何防范对图像、录音、录 像数据的篡改攻击成为重要的研究课题。所以，数字水印的篡改提示通过隐藏水印的状态 来判断声像信号是否被篡改，是解决这一问题理想的技术途径。 5 隐藏通信及其对抗。经过加密的文件往往是杂乱无序的，容易引起攻击者的注意。 网络多媒体技术的广泛应用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，可以进行各种空域和变换域的信息隐藏，从而实现隐 藏通信及其对抗。 2 4 数字水印的基本模型 数字水印系统一般包括水印的嵌入、提取和检测过程。水印的嵌入过程如图1 1 所示， 输入包括原始数据，水印信息和密钥( 公钥或密钥) 。原始数据可能是压缩后的数据，也 可能是未经压缩的多媒体数据。水印信息可以是序列号，文字或图像等，密钥主要是用于 提高安全性。根据具体的应用范围，通过一定的水印嵌入算法，将水印信息加入到原始数 据中获得含水印的数据。图l ，2 为水印信息的提取过程，输入的信号是嵌入水印的数据、 密钥和原始数据( 如果是盲提取此项不需要) ，输出信号是恢复出的水印信息。图1 3 为水 印信号的检测过程，检测器输出的结果是一个判断水印是否存在的二值信号。 至匠 一 图1 0 l 水印的嵌入过程 猛墅翌1 f 照 旺至享互蛩一“至曩叠习 t 豫雅数据o 图1 0 2 水印的提取过程 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 2 5 数字水印的典型算法 图1 3 水印的检测过程 随着数字水印技术研究的深入，越来越多的水印算法不断出现。一般根据水印的隐藏 位置可以把水印算法分为空域算法和变换域算法两大类。 2 5 1 空域算法 较早的数字水印算法从本质上来说都是空间域上的，水印信息直接加载在原始数据 上，其还可以细分为如下方法： ( 1 ) l f t u m 9 】与r g v a ns c h y n d e l l l 0 1 等人的最低有效位算法( l s b ) 与改进算法。由于 该算法是通过调整原始数据的最低几位来隐藏信息，使一般用户对于隐藏的信息在视觉上 很难察觉。虽然其有较大的信息嵌入量，但所隐藏的数字水印信息是极为脆弱的，无法经 受一些有损的信号处理。 ( 2 ) b a n d e r 等【l l 】人提出的基于统计的数字水印方案( p a t c h w o r k ) 和纹理块映射编码方 法则是空域水印技术的典型方案。p a t c h w o r k 任意选择n 对图像点，增加其一点亮度的同 时，相应降低另一点的亮度值，通过这一调整过程完成水e p 的嵌入。该算法具有不易觉察 性，并且对于有损压缩编码和一些恶意攻击处理等具有抵抗性。纹理块映射方法则是将数 字信息隐藏于数字图像的任意纹理部分，其将隐藏信息纹理映射到另一纹理相似的区域。 该算法对于滤波、压缩和扭转等操作具有抵抗能力，但仅适于具有大量任意纹理区域的图 像。 ( 3 ) b r a s s i l 等【1 2 】人首先提出了3 种在通用文档图像中隐藏特定二进制信息的技术， 水印信息是通过轻微调整文档中的以下结构来完成编码，包括垂直移动行距，水平调整字 距，调整文字特性( 如字体) 。基于此方法的数字水印可以抵抗一些文档操作，如照相复 制，但也很容易被破坏，只适用于文档图像类。 空域水印算法的优点是计算速度比较快，时间复杂度比较低，具有较大的信息隐藏量 等特性。缺点是此种算法实现的数字水印比较脆弱，鲁棒性较差。对于一些无损或有损的 信号处理具有比较低的抵抗性。 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 2 5 2 变换域算法 1 9 9 5 年，c o x 等人最先将水印嵌入在d c t ( d i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m ) 域中并由此开 辟了变换域水印的先河，该算法成为引用频率最高的算法。后来又出现了其他变换域的水 印算法，主要包括d f t ( d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ) 域、d c t 域、d w t ( d i s c r e t ew a v e l e t t r a n s f o r m ) 域等。 ( 1 ) d f t 域水印算法。r u a n a i d a 等人，最先将水印嵌入在d f t 域中，指出相位调制 可能更适合于鲁棒水印。其中有两个方面的原因使其得到这个结论。第一，在图像的理解 上，相位成分是非常重要的。这是因为d f t 的相位成分比振幅成分具有更大的心理视觉影 响。因此，如果在相位中引入带有较高冗余度的水印，那么为了移除水印，恶意的攻击将 会给图像质量带来令人无法接受的破坏。第二，从通信理论方面考虑，相位调制对噪声信 号具有较强的鲁棒性。 ( 2 ) d c t 域水印算法。c o x 等人【1 3 1 ，基于扩展频谱的思想，提出了在d c t 域嵌入水 印的算法。首先，用d c t 变换将图像变换为频域表示。从变换后数据的d c t 系数中选取 n 个最重要的频率分量，组成序列v = v i ，v 2 ，v n ，以提高对j p e g 压缩的鲁棒性。然后， 以密钥为种子产生伪随机高斯序列来调制( 叠加) 选定的d c t 系数，产生含水印的序列v 。 最后再将v 转换为d ，再反变换为含有水印的图像。水印检测依赖于一个阈值，当相关 性检测结果超过阈值时，判断含有水印，否则不含水印。后来b a r n i 等人把c o x 算法改为 盲水印算法。 ( 3 ) d w t 域水印算法。k u n d e r 等人，最早提出将水印嵌入到d w t 域。其依据是图 像经过多分辨率小波分解后，被分解为若干子带，非常类似于视网膜将图像分成若干部分， 因此小波变换的空一频分解特性能很好地匹配视觉系统。该算法首先将图像和水印进行小 波变换，然后将特定子带的水印信号缩放后加到相应图像子带上，最后经过小波逆变换得 到嵌入水印的图像。 变换域的方法与空域相比具有以下优点：在变换域中嵌入的水印信号能量可以分布 到空域的所有像素上，有利于提高数字水印的不可见性；在变换域上，可以更充分地利 用人类视觉的特性，使数字水印的稳健性得到最大的提高；小波变换与国际数据压缩标 准j p e g 2 0 0 0 兼容，从而容易实现在压缩域内的水印算法。缺点是变换域的水印算法一般 计算量比较大，特别是小波变换。 2 5 3 其它水印算法 数字水印中除了空间域和变换域两种典型的算法外，还有如下一些算法： ( 1 ) 压缩域水印算法。基于p e g 和m p e g 标准的压缩域数字水印系统不仅节省了大 量的完全解码和重新编码过程，而且在数字电视广播及v o d ( v i d e oo nd e m a n d ) q b 有很大 的实用价值。相应地，水印检测与提取也可直接在压缩域数据中进行。h a r t u n g 提出了一 种针对m p e g - 2 压缩视频数据流的数字水印方案。该算法的关键是如何把水印信号加到数 第l o 页武汉科技大学硕士学位论文 据信号中，即加入到表示视频帧的数据流中。 ( 2 ) n e c 水印算法。该算法由n e c 试验室的c o x 等人提出，在数字水印的算法中占 有很重要的地位，实现方法是首先以密钥为种子来产生伪随机序列，该序列具有高斯n ( 0 ，1 ) 分布。密钥一般由作者的标识码和图像的哈希值组成，其次对图像做d c t 变换，最后用 伪随机高斯序列来调制( 叠加) 该图像除直流分量外的1 0 0 0 个最大的d c t 系数。该算法还 提出了增强水印鲁棒性和抗攻击算法的重要原则，即水印信号应该嵌入原数据中对入感觉 最重要的部分。随后p o d i l c h u k 等利用人类视觉模型又对该算法进行了改进，从而提高了 该算法的鲁棒性、透明性等。 ( 3 ) 生理模型水印算法。利用从视觉模型导出的j n d 描述来确定在图像的各个部分 所能容忍的数字水印信号的最大强度，从而能避免破坏视觉质量，也就是说，利用视觉模 型来确定与图像相关的调制掩模，然后再利用其来嵌入水印。这种方法同时具有好的透明 性和鲁棒性。 2 6 数字水印的常见攻击方法 随着水印算法的发展，针对水印系统的攻击也越来越多，这些攻击破坏了水印的提取， 而使得水印算法失效。根据攻击采用的策略不同，一般可以把攻击分成以下四类1 1 4 l ： ( 1 ) 消除攻击。消除攻击的目的是从含水印图像中完全去除加载的水印，这类攻击方 法一般把水印信号看作是具有一定统计特性的噪声，并且一般要估计出原始图像数据。 l a n g e l a a r 等人，建议对含水印图像作中值滤波高通滤波及非线性切割等有序处理。 v o l o s h y mo v s k i y 等人，提出了一种算法，它是基于水印估计最大后验概率及再调制手段， 从而得到直接由检测器所能检测到的噪声分布。 ( 2 ) 几何攻击。几何攻击主要是指以旋转，缩放和平移、剪切，投影等空域变换为手 段的攻击方法。这种攻击目前仍然是许多水印算法的严重缺陷，因为它虽然并不直接除去 图像中的水印，但这些操作使媒体数据的空间或时间序列的排布发生变化，使嵌入的水印 很难被检测出来，因此这种攻击也叫异步攻击。 ( 3 ) 密码攻击。密码攻击有些类似于密码学中的密码破译，但又有其自身的特性。许 多水印算法都利用了密钥作为水印信号产生的前提，若密钥长度不够，则利用穷搜索算法 就可以找到正确的密钥，从而破坏水印。常见攻击如o r a c l e 攻击，它可以在检测时产生一 幅不含水印的图像；统计平均攻击，它利用不同的密钥及所对应的不同的水印建立一个数 据集合，计算出其平均值作为攻击数据，如果这个集合足够大，则会导致水印无法被检测 出来；共谋攻击，攻击者利用同一条媒体信息的多个含水印拷贝，使用统计方法构造不含 水印的媒体数据。 ( 4 ) 协议攻击。协议攻击是通过减掉一个水印而不是加上一个水印来实现攻击的，它 依赖于水印方案的可逆性。抵抗这种攻击就要使嵌入方案是原始图像的单向函数( 如啥希 函数) ，从而使攻击者难以伪造。另外，拷贝攻击也是协议攻击的一种。这种攻击的目的 不是破坏水印或降低检测器性能，而是要从含水印的图像中估计出水印，并把它嵌入到自 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 己的目标图像中，达到混淆图像真正所有者的目的。 2 7 数字水印性能的评估方法 一项技术从提出到投入使用，必须经过严格的性能评估。虽然数字水印技术在最近几 年内得到了蓬勃发展，工业界对它的关注也不断增加，但其评估标准的建立需要有待时日。 而要对数字水印系统进行合理的，公平的评估，主要需考虑以下三个因素”1 1 16 】： 1 均方差m s e ( m e a ns q u a r ee r r o r ) 均方差是一种最直接且简单的误差计算函数，使用的范围相当广泛。通常计算均方差 并不是针对所有的样本空间来计算，而是从所有样本空间中抽取一定的样本数来进行计 算，并依据样本均方差来估计样本空间的均方差。均方差可以直接反映出所做评估对象的 改变，通过均方差可以洞察到所做评估对象的各种行为特征。为了度量原始载体图像在添 加水印后图像的质量变化情况，可以采用均方差来对图像质量的变化进行一种估计。二维 图像均方差的计算公式如下： 脚= ( l ，。一t 。) 2 m n 公式( 2 1 ) 2 峰值信噪比p s n r ( p e a ks i g n a l - t o - n o i s er a t i o ) 峰值信噪比是指可以定量刻画未嵌入水印信息的原始信号和嵌入水印信息后的含水 印信息信号的相似度，能较好的评价系统性能。在具体的应用中，峰值信噪比p s n r 可以 作为度量图像质量的标准之一。其公式定义如下； p s n r ：1 0 + i g _ 可拿坐丝型_ 公加2 ) = + _ f 矿二，- 二= 二_ 1 公式( 22 ) 砑茜善荟( 厂( x ，y ) - f y ) ) 3 相似度系数n c ( n o r m a l i z e dc o r r e l a t i o n ) 相似度系数是指未嵌入前的原始水印信息和经过嵌入后又分离出来的水印信息的相 似程度，对于鲁棒水印来说，相似系数越大越好。对水印图像进行多种攻击后，通过比较 相似度系数n c 的值，可以得到数字水印算法抵抗各种攻击的能力，由n c 系数值的变化 给出一个比较客观的评价准则。这里用w ( i j ) 代表原始水印信息，用w ( i j ) 表示提取的水 印信息。相似度系数的计算公式定义如下： w 化力w 协力 n c = 名焉l _ 一 公式( 2 3 ) w 似力w 化力 2 8 本章小结 数字水印技术是目前研究的热点。随着网络和多媒体数字信息的发展，用于信息安全的 数字水印技术得到了广泛的发展。本章详细地阐述了数字水印的基本概念，分类和主要的 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 应用领域，并且归纳讨论了数字水印的一些典型算法，最后简单介绍了数字水印常见的攻 击类型和数字水印性能的评估方法。 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 第三章小波变换理论及其在数字水印技术中的应用 小波变换的概念是由法国从事石油信号处理的工程师m o d e t 在1 9 7 4 年首先提出的， 通过物理的直观和信号处理的实际经验建立了反演公式，当时未能得到数学家的认可。但 是，c a l d e r o n 表示定理的发现，h a r d y 空间的原子分解和无条件基的深入研究为小波变换 的诞生做了理论上的准备，而且s t r o m b e r g 还构造了历史上非常类似于现在的小波基；1 9 8 6 年著名数学家m e y e r 偶然构造出了一个真正的小波基，并与m a l l a t 合作建立了构造小波基 的统一方法多尺度分析之后，小波分析才开始蓬勃发展起来。 小波变换与傅里叶变换、窗口傅里叶变换( g a b o r 变换) 相比，是时间和频率的局域变 换，因而能有效地从信号中提取信息，通过伸缩和平移等运算功能对函数或信号进行多尺 度细化分析( m u t i s c a l ea n a l y s i s ) ，解决了傅里叶变换不能解决的许多难题，成为继f o u r i e r 变换以来在科学方法上的重大突破，因此，小波变换被誉为“数学显微镜”1 1 7 1 。 本章将主要借助文献【1 8 】，【1 9 “2 0 、【2 l 】，1 2 2 1 的论述，简单介绍小波的基本概念、 离散小波变换多分辨分析m a l l a t 算法及其提升小波变换。 3 1 小波变换的基本概念 3 1 1 小波变换的发展历程 小波分析方法的提出，可以追溯到1 9 1 0 年h a a r 提出的小“波”规范正交基及1 9 3 8 年 l i t t l e w o o dp a l e y 对f o u r i e r 级数建立的i - p 理论，即按二进制频率成分分组，f o u r i e r 变换 的相位变换本质上不影响函数的形状及大小。1 9 8 1 年，法国地球物理学家m o f l e t 仔细研究 了g a b o r 变换方法，对f o u r i e r 变换与加窗f o u r i e r 变换的异同、特点及函数构造做了创造 性的研究，首次提出了“小波分析”的概念，建立了以他的名字命名的m o i l e r 小波，并将其 应用于信号处理。 m o i l e r 小波在地质数据处理中获得巨大成功。g r o s s m a n n 对小波变换做了更详细的研 究，与m o r l e t 共同建立了基于仿射群下不变性的连续小波变换的几何形式。数学家m e y e r 凭借自己深厚的数学功底对m o d e t 方法进行了系统性的研究。1 9 8 5 年，m e y e r 在一维情况 下，证明了小波函数的存在性，并与人合作，选择连续小波中的一个离散子集，由它构成 n 维空间上平方可积的准完备正交集。接着m e y e r 发现由一个对称小波构成的正交基，不 久他的学生把他的结果推广到n