（电路与系统专业论文）数字水印的研究.pdf

a o ij u4 5 摘要 随着 i n t e r n e t 用户的急剧增加和多 媒体技术的飞速发展， 数字媒体产品 越 来越普及。 数字化产品可以非常方便的传播、 复制或篡改， 所以如何有效的保护 数字产品成为人们迫切的需求。 数字水印己经被公认为是解决多媒体数据保护的有效手段。 它通过对原始数 字数据的细微修改， 把一些附加信息直接隐藏到多媒体数据中。 通过对水印信息 的提取，可以实现对多媒体数据的版权保护和完整性保护。 本文第一章介绍数字水印的特性和应用， 以及水印系统的基本模型。 分析了 数字水印所要面临的攻击和基本解决途径。 第二章提出了一种基于 d c r域的，新的，改善水印鲁棒性的静态图像水印 算法.通过在图像d c c 域的a c系数中筛选合适的点嵌入水印，有效的增强了 水印的鲁棒性。 第三章总结了视频水印的特殊要求， 介绍视频压缩处理的一些基本概念， 简 要分析了目前己经提出的各种视频方案。 第四章首先介绍d e w视频水印算法，针对其中存在的一些问题，对图像的 置乱，嵌入点的动态选择，以 及水印嵌入方式等方面作了改进，提出n d e w视 频水印算法。n d e w 视频水印算法是针对消费类数字媒体的实时水印检测而设 计的。 它应用能量差分嵌入水印信息， 具有算法简单， 抗降码率重编码性能好的 优点。 ab s t r a c t wi t h t h e s h a r p i n c r e a s e o f t h e i n t e rn e t u s e r s a n d f a s t d e v e l o p m e n t o f t h e m u l t i m e d i a t e c h n o l o g y , d i g i t a l p r o d u c t s h a v e b e c o m e m o r e a n d m o r e p o p u l a r . a s d i g it a l m u l t i m e d i a i s v e r y e a s y t o c o p y , t a m p e r a n d t r a n s m i t , h o w t o p r o t e c t t h e m e ff e c t i v e l y h a s b e c o m e t o u r g e n t r e q u i r e m e n t . d i g i t a l w a t e r m a r k i n g h a s b e e n p r o p o s e d a s a n e ff e c t i v e s o l u t i o n t o t h e p r o t e c t io n o f m u l t i m e d i a d a t a . d ig i t a l w a t e r m a r k i s a p r o c e s s o f e m b e d d i n g i n f o r m a t i o n o r s i g n a t u r e d i r e c t l y i n t o t h e m e d i a d a t a b y m a k i n g s m a l l m o d i f ic a t i o n s t o t h e m . wi t h t h e d e t e c t i o n o f t h e s i g n a t u r e f ro m t h e w a te r m a r k e d m e d i a d a t a , t h e p r o t e c t i o n o f c o p y r i g h t a n d i n t e g r i t y o f t h e m e d i a d a t a c a n b e r e s o l v e d . c h a p t e r 1 i n t r o d u c e s t h e c h a r a c t e r o f w a t e r m a r k i n g a n d i l l u s t r a t e s s e v e r a l a p p l ic a t i o n s w h i c h c a n b e i m p le m e n t e d w i t h w a t e r m a r k i n g . t h e n , d e s c r i b e s t h e b a s i c m o d e l o f w a t e r m a r k i n g s y s t e m . w a t e r m a r k i n g s h o u l d s u r v i v e a l l p o s s i b l e a t t a c k , a n d w e p r e s e n t s e v e r a l g e n e r a l m e t h o d s t o m a k e w a t e r m a r k s r o b u s t . c h a p t e r 2 p r o p o s e s a n e w , i m p ro v e d i m a g e w a t e r m a r k i n g a l g o r i t h m b a s e d o n d c t . i n e v e r y 8 x 8 d c t b l o c k s , w e c h o o s e p r o p e r a c c o e f f i c i e n t s f o r e m b e d d i n g r a t h e r t h a n u s i n g a l l , s o t h a t o u r a l g o r i t h m i m p ro v e s t h e r o b u s t o f w a t e r m a r k i n g . c h a p t e r 3 s u m m a ri z e s t h e s p e c i a l r e q u i r e m e n ts o f v i d e o w a t e r m a r k i n g a n d g i v e s t h e b a s i c k n o w l e d g e o f v i d e o c o m p r e s s i o n . i t a l s o e x a m i n e s s o m e l a t e s t a l g o ri t h m s o f v i d e o w a t e r m a r k i n g . c h a p te r 4 p ro p o s e s a n e w v i d e o w a t e rm a r k i n g s c h e m e c a l l e d n d e w, w h i c h i s d e r i v e d f r o m d e w. i t r e ma i n s t h e f u n d a me n t t h a t t h e l a b e l b i t s o f wa t e r ma r k a r e e n c o d e d i n t h e p a t t e rn o f e n e r g y d i ff e r e n c e b e t w e e n d c i b lo c k s ，b u t m a n y i m p r o v e m e n t s a r e m a d e i n c l u d i n g s h u f fl i n g , s e a r c h i n g t h e p l a c e f o r e m b e d d i n g a n d t h e e m b e d d i n g r u l e . n d e w i s d e s i g n e d f o r c o n s u m e r r e a l - t i m e a p p l i c a t i o n s , i t h a s t w o i m p o r t a n t a d v a n t a g e s : o n e i s l o w c o m p l e x i t y a n d t h e o t h e r i s h i g h r o b u s t t o lo w b i t r a t e r e c o d i n g a t t a c k . 引言 对着光看一张 1 0 0 元的人民币， 会在一角看到毛泽东主席的头像。 这就是我 们熟悉的水印， 它具有以下特点:第一， 在正常使用的时候是看不到水印的， 只 有通过特殊的观察方式才可以看得见。 第二， 水印隐藏于对象 ( 纸币) 中， 并携 带了有关信息 ( 毛主席像) 。第三，在制造纸币的过程中嵌入水印，在使用纸币 的过程中通过水印来辨别纸币真伪，并且纸币 很难伪造. 水印除了应用于纸币防伪，还可以应用于其它物理对象和信号。 在数字多媒 体制品中加入水印， 就是一个重要的领域。 近些年来， 数字技术的发展逐步使信 息由模拟化转向数字化， 互联网的突飞猛进使得信息的交流更加方便快捷。 无失 真的复制与传播使数字化的信息数据的安全受到严重威胁， 对数字信息的认证与 保护日益引起了人们的关注。 数字数据的保护有两种方法: 加密和水印， 这两种方法的区别在于他们的用 途不同.加密技术实际上是信息置乱的方式，加密转换后的信息是无法辨认的。 这种方法是对信息传输过程的保护， 它依赖于加密解密算法的可靠性， 一旦数据 解密， 所有的保护都随之失效。 而水印隐藏于数据内容之中， 不对多媒体信息传 输过程进行保护， 不影响其正常使用和传播， 而是对多媒体数据内容的保护， 与 数据内容共生共存。一旦水印被破坏，多媒体数据内容也将失去使用价值。 数字水印技术是公认的解决多媒体数字数据版权保护的有效手段。 水印信号 是根据一定算法和物主提供的署名信息产生的。 它的物主身份是确定的。 通过对 原始的数字数据的细微修改， 把水印信号隐藏到多媒体数据中， 在必要的时候进 行检测提取， 验证所有权， 防止非法使用， 数字多媒体的数据的安全问 题就可以 得到解决。 数字水印有许多不同的用途，它可以用来保护多媒体数据的版权、防止数据 的拷贝， 也可应用来验证数据的可靠性. 不同用途的水印的要求也不尽相同， 保 护版权的水印要求鲁棒性好， 而数据验证的水印则要求准确度高。 目 前的数字水 印研究并没有充分的理论保证，水印方案也是各有千秋。 本文的结构安排如下: 第一章概述数字水印的概念、 应用和要求; 第二章是 对静态图像中d c t 水印改进算法的研究; 第三章对视频水印作总体介绍。第四 章给出视频n d e w 水印的方案:第五章是对数字水印研究的总结以 及水印研究的 展望。 第一章 数字水印简介 数字水印技术的一般应用是:多媒体数据的保护。 水印与其他技术的主要区别在于三个重要方面:首先，水印是不可感知的。 水印的存在不会降低数字制品的使用性能: 第二， 水印与其嵌入的作品密不可分， 当作品被显示或者转化成其他格式的时， 水印不会被消除: 第三， 水印将经历和 作品完全相同的变换，通过对水印的检测，可以获悉有关那些变化的一些情况。 数字水印有着广阔的应用前景，成为研究热点，正是基于这三个特性。 一般而言， 如果有一个元数据有助于把一些附加信息与作品关联起来， 那么 它就可以作为水印嵌入。特定水印系统的性能可以基于一系列的特性进行评估。 例如， 用鲁棒性描述水印如何很好的在常规信号处理中保留下来， 用保真度描述 水印的不可感知性。 这些特性中的哪一个相对比较重要， 取决于系统是为哪方面 应用而设计的. 本章首先描述几种通过水印实现的应用， 分析在这些应用中水印优于其他技 术的几个方面; 然后描述水印系统的一些特性以及它们的相对重要性随应用变化 的情况。 最后， 简要介绍水印系统的基本模型以 及它所要面临的攻击和基本解决 途径。 1 . 1数字水印的应用 数字水印有广阔的应用领域。目 前， 已经实际应用的或者提出的水印应用主 要有如下s 种:广播监视，所有权证明，操作跟踪，内容认证，拷贝控制。 绝大多数水印的应用也可以由其他技术来完成。 我们仔细考察每一种应用的 要求， 考虑为什么选择水印技术， 它有什么优势， 哪些特性使得水印 成为合适的 解决方案。 1 . 1 . 1 广播监视 b roa d c a s t mo n i t o r i n g 1 9 9 7 年，日 本 一 起关 于电 视 广 告的 丑闻 被 揭 露 1 - 1 。 至少 有 两 家电 视 台 超 额定出了电视广播时间。 结果众多的广告客户付了巨额的广告费用后， 他们的广 告却没有播出相应的时间。 这次事件使得广告客户意识到， 他们需要确认他们占 有全部从广播公司购买的广告时间; 而作品所有者也要确保自己的所有物不会被 侵权电台非法转播。对电视和广播电台进行监视成为一种迫切需求。 一种技术含量较低的广播监视方法是雇佣观察人员， 记录他们看见或听见的 广播内容。 但是这种方法代价高而且容易出现错误， 如果用自 动监视的形式取代 它可以采用被动监视和主动监视两种方式。 被动监视把接收到的信号与己知作品的数据库进行比较， 进行匹配搜索。 这 种方式不需要广告客户和媒体公司的 任何协助， 不会改变广播的原有工作流程。 但是， 接受信号与数据库的比 较工作是巨大的。 我们会把接受信号分解成为可以 识别的单位， 如视频中的帧， 再到数据库中去搜索。 用帧这么大的比特序列作为 索引在数据库中搜索是不切实际的。 必须把接收信号处理为 一些小的签名， 这些 签名要足够丰富，能够区分任何可能的作品， 又要足够小， 可以作为索引。 此外 由于信号在传输过程中还会发生畸变， 因此还需要有邻近搜索功能。 这样的系统 设 计是相当 困 难的 【 1 - 2 e 主动监视是将可识别的鉴定信息随同内容一起传播。 主动监视技术可以采用 在文件头中储存标识码的方法， 但很显然， 这样做难以保证广播商诚实完整的发 送头信息。 水印具有其本身与内容不可分的特点， 鉴别信息可以直接进行可靠解码， 不 需要数据库，简单易行.所以成为广播监视服务的首选方案. 1 . 1 . 2所有权证明 p ro o f o f o w n e r s h i p 在此应用中， 所有权的拥有者不仅希望使用者明确作品的所有权， 而且希望 作品得到广泛的传播， 从而达到某种目 的， 例如提升知名度。 显然， 在这个要求 下， 采用的技术必须不影响作品传播的简易性，同时也不能影响作品的品质。 水印是不可感知的， 它与其嵌入的作品密不可分， 水印的存在不会降低数字 制品的使用性能， 这些优点使得水印成为广泛采用的所有权证明技术。 多媒体作 品的所有者在其数字作品中嵌入一个水印， 然后公开发布他的水印版本作品。 当 该作品被盗版或出现版权纠纷时， 所有者就可以从盗版作品或水印作品中获取水 印信号作为依据，证明其所有权。 1 . 1 . 3 操作跟踪 t r a n s a c t i o n t r a c k i n g 当一种多媒体作品存在多个授权用户时， 为了避免其中的一些授权用户进行 未经授权的拷贝 制作和发行， 作品所有者可以在发放给不同 授权用户的多媒体作 品中嵌入一种能够标识给用户的水印信息， 例如用户的i d或者序列号等，这种 水印 被 称作 指 纹fi n g e r p ri n t 。 所 有 者一 旦 发 现 未 经 授权 的 拷贝 ， 就 可以 根 据 此 拷 贝所提出的指纹来确定它的来源. 1 . 1 . 4 内答认证 a u t h e n t i c a t i o n 当多媒体作品被用于法庭， 医学， 新闻及商业时， 常需要确定它们的内容有 没有被修改，伪造或特殊处理过。 如图1 . 1 , 左边是原始图 像， 右边是修改后的图像， 小孩身 后的 人被移除了。 实施基于水印的拷贝 控制系统所存在的非技术型性的实质问题是: 如何保证 每台录制机有水印检测器。 图1 . 2拷贝 控制机制 我们同时使用水印和加密技术， 利用重放控制的思想， 采用如图1 . 2 所示的 系 统， 就可以 很 好的 进行拷贝 控 制【 1 - 4 。 在播 放 器和录制 器中 采用 水印 检测设 备 的称为规内设备，而那些没有采用水印设备的称作违规设备。 c s s( 内容扰乱系 统)是用来防止非法复制d v d视频的加密系统。合法加密的作品可以在规内播 放器上播放， 但不能在违规的播放器上播放， 因为无法解密。 规内 播放器的输出 不能被规内播放器录制， 因为录制机会在检测到水印之后关闭。 然而这种输出可 以 被违规的录制机录制， 由此得到未加密的非法作品副本。 这个副本可以在违规 的播放器上播放， 因为它未加密， 但不能在规内的播放器上播放， 因为会检测到 水印而被禁止。 这样， 用户可以选择购买规内或者违规的设备， 前者只能播放合 法内容，后者只能播放盗版内容。当然希望大多数用户选择规内设备。 1 . 2 数字水印的特性 水印系统可以由一些限定特性描述其特征， 每一个特征的重要性取决于实际 应用的需求和水印的作用。 不可感知性 水印系统的一个重要要求就是水印可感知的透明度， 绝大多数的水印应用都 是不可感知的水印。 可感知的水印系统中， 隐藏的水印信息被暴露， 水印信号易 受到攻击而导致被移除或破坏， 水印不能改变原来的图像质量， 而且可感知的水印可能会破坏图像的商业价值。 利用人的视觉系统模型 ( h v s ) ，在不超出感知 限的约束下， 可使水印的能量达到最大值， 从而使人在视觉上不能分辨出图像 中水印的存在。 嵌入有效性和虚誉率 有效性是指嵌入水印之后能够正确检测出水印的概率。尽管人们总是希望 1 0 0 %的有效性。 但是实现这个目 标常常需要在其他特性方面付出非常高的代价。 所以， 根据应用的要求， 有时我们宁愿牺牲一点有效性以 换取其他方面的良 好性 育 rg = 虚警是指在实际不含水印的作品中检测出水印。 根据是把水印还是载体作品 看做是随机变量，虚带率有两种不同的定义。 第一种， 假设作品确定而随机选定水印时， 检测器能在作品中检测出水印的 概率。这种情况下，虚替率与作品无关，仅与作品水印检测方法有关。 第二种，水印确定而随机选定作品，检测器能 在作品中检测出水印的概率。 作品选择所服从的分布与应用息息相关。自 然图像， 医学图像， 音乐视频和监控 视频都有不同的统计特性，与水印生成的检测特性也不尽相同。 鲁棒性和安全性 鲁棒性和安全性是指在经过常规或者恶意的信号处理之后， 仍然能检测到水 印的能力。 用于版权保护的数字水印应该能够抵抗任何的由标准的或恶意的数据 处理所带来的失真。 图像遭受破坏引起的失真包括两类， 一类是由于加性噪声引 起的失真， 这种失真是破坏攻击; 另一类是由 于空间或时间的几何修改引起的失 真， 这种失真是同步攻击。 迄今为止还没人提出一个完美的方法， 甚至是否存在 完全安全的版权保护水印也是未知的。 鲁棒性和安全性不仅是数字水印的基本要 求之一，也是急需解决的问题之一。 盲检测或含辅助信息 检测 在一些应用中. 检测水印的过程中可以获得原始的未加水印的作品。例如， 操作跟踪，为了发现非法发行特定副本的人，通常由作品的拥有者来进行检测。 由于用水印副本减去原始版本就可以得到单独的水印模板， 因此这样可以显著的 提高检测器的性能。 原始的版本还可以 用于同步， 以 抵消水印副本中可能有的几 何或者时间失真。 但是， 在大多数的应用中， 水印 检测器必须能 够在没有原始作品的情况下工 作。 对一个拷贝控制应用， 如果把未加水印的内容发给每一个检测器， 不仅不切 实际，而且使水印系统失去意义。 把不需要原始作品信息的水印检测称为盲检测， 而把需要原始作品全部或者 部分信息的水印 检测称为含辅助信息检测。 水印容量 水印容量是指在单位时间或者在一个作品中可以嵌入的水印信息的b i t 数。 它和水印嵌入的载体特性有关。 不同的应用需要的水印容量是不同的。 比如拷贝 控制应用对于音乐要求每妙接收0 .4 - 0 .8 b it 的信息， 视频则只需要每分钟0 .8 . 1 . 6 b i t 信息就足够。而用于电视广播监视需要至少每秒2 4 b i t . 水印系统的以上特性是相互关联的。 我们在评价一个水印系统的优劣时， 通 常需要基于应用综合考虑。一个特性的改进，常常是以牺牲其他特性为代价的。 例如， 不可感知性和鲁棒性是数字水印的两个基本要求， 他们却是一对相互制约 的因素。不可感知性要求嵌入图像的信息尽量的少，以不影响图像的视觉效果; 而鲁棒性则要求嵌入的信息能量足够大。 在两者之间寻找一个平衡点成为设计数 字水印方案中需要解决的重要问题. 1 . 3数字水印系统的基本模型 通用的数字水印技术包含两个基本过程: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， 可根据应用目的、 载体的使用限制以及其 他约束条件综合考虑。 1 . 3 . 1 数字水印的嵌入 数字水印方案的设计是通过对水印载体媒质的分析，嵌入水印信息的预处 理， 水印 信息嵌入点的 选择， 嵌入方式的 设计， 嵌入调制的控制等几个相关技术 环节进行合理优化， 寻求满足不可视性、 有效性、 安全性和鲁棒性等诸条件约束 下的准最优化设计问题。 嵌入阶段的设计主要解决两个问题:一是水印信息w 的生成，它可以是一 串伪随机数， 或是与作者有关的字符串、 图标等信息， 也可以是与图像相关的信 息等经过加密产生; 二是嵌入方式设计， 包括嵌入方式的选择， 嵌入的位置的选 择，嵌入参数的优化等等。 嵌人水印信息w 的预处理 嵌入水印信息的预处理主要包括水印信息的选择和将水印信息进行伪随机 化处理。 由于构成水印的 序列应该具有不可预测的随机性， 而人类视觉系统对纹 理具有极高的敏感性， 所以水印构成纹理是不允许的， 因此加入的水印应该具有 与噪声相同的特性。目 前对水印信息的选择， 一般采用高斯白噪声或伪随机数作 为水印加人到图像数据中: 也可选择具有特定含义的字符串， 以每个字符作为产 生随机序列的种子再来产生伪随机序列。 在嵌入水印信息的预处理中， 通常使用 各种概率密度函数来生成伪随机序列， 概率密度函数可以是高斯型、 单极型、 双 极型的。 一般情况使用几种典型的伪随机序列来设计数字水印信息， 如由移位寄 存器产生的m 序列。 这种序列具有周期性和规律性， 可以人为地产生和复制。 由 于移位寄存器地输出是山初始状态和反馈逻辑直接决定， 任取其中一段输出不可 能推算出整个系列，保证了水印信息的安全性. 水印信息嵌人点的选择 水印既可以嵌入空间域中也可以嵌入变换域中. 在空间域技术中， 有一种方 法就是将水印的伪随机序列取代图像的最低位(i s b方案) ， 该算法简单， 不可 视性好， 但对图像处理很敏感. 在变换域技术中， 先对图像进行某种可逆的数据 变换， 然后用某种规则按水印的特性对变换域的系数进行修改， 再进行逆变换得 到嵌入水印的图像。 在频率域中， 人眼对图像上不同空间频率成分具有不同灵敏 度， 实验表明， 人眼对于中频响应较高， 而对高低频响应较低， 一般选择将水印 嵌入中频系数。 另外也可对水印信息嵌入点进行自 适应处理， 将水印嵌入到原图 像不易察觉的点， 在某些点， 为了保证主观图像质t而选择不嵌入或少嵌入水印 信息。 嵌入方式的设计 首先， 我们建立加载数字水印和检测数字水印的数学模型。 1 代表一幅图像， w则代表了数字水印信息，k是嵌入时需要的密码，i w是加载数字水印后的图 像，e是编码函数，对e有如下关系成立: e ( i , w. k) =i w 值得注意的是我们并未排除数字水印信息w依赖于图像i 的可能性.解码函数 d从图像j 中提取出数字水印或者是数字水印证据w， ，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. 如果解 码方法中需要再参考未加水印的原图 像i . 则有成立d ( j , i , k ) = w 。其中， w， 表示从图像 j中提取出的数字水印信息.如果解码过程中不需要原图像 i , 则解码过程可表达为d ( j , k )= w 。提取出的w， 同所有者的数字水印 w 通过一比较函数c 。 相比较，d 是比较函数输出判决域值，结果表明两者间匹配 与否: c 6 ( w, 律，) 一 1 o r o 不失一般性，一个数字水印方案可表示为一个三元组 ( e , d , c 曰，其中对任 何图像1 和任何可允许的数字水印w都应成立: d ( e ( i , w . k) . l k) =w 1 . 3 .2 数字水印的检测 数字水印的检测是水印算法中重要的步骤. 检测阶段主要是设计一个相应于 嵌入过程的检测算法。 根据检测过程是否需要原作品， 将其分为盲提取水印和非 盲提取水印。 非盲提取比较容易实现， 而且可使水印信息的鲁棒性更好， 也有较 好的稳健性。 若将这一过程定义为解码函数d ， 那么输出的可以是一个判定水印 存在与否的0 , 1 决策，也可以是包含各种信息的数据流，如文本、图像等。 检测器的输出 结果如充分可信， 则可在法庭上作为版权保护的潜在证据。 那 么实际上要求水印的检测过程和算法应该完全公开。对于假设检验的理论框架， 可能的错误有如下两类: 第一类错误是检测到水印， 但水印实际上不存在， 该类 错误用错误率p w r 1 衡量: 第二类错误是没有检测到水印， 而水印实际上存在， 用 拒绝错误率p e . . 2 表示。总错误率为 p = p n r l t p e r r 2 . 1 . 3 . 3 数字水印的仲裁 当数字水印应用于解决版权纠纷时， 第三方能够进行仲裁。 数字水印的仲裁 就是在发生版权纠纷时第三方对水印真伪进行鉴别的过程。 水印仲裁过程主要由计算过程和比较过程两大部分组成。 当某作品需要仲裁 时， 待仲裁作品的所有者须向仲裁者提供水印( 如果是非盲提取水印方案， 则所 有者还需向仲裁者提供原作品) 。仲裁者由计算过程从待仲裁作品中计算出待仲 裁作品的特征值w , 然后由比较过程将原作品水印w相比较， 根据其相似情况 与阀值相比较的得出结果。 1 .4 数字水印的攻击方法及对策 水印必须能够经受住各种可能遭受的攻击，要设计或者评价一个水印方案， 就必须了解和研究这些攻击。 针对不同的攻击方法， 改普应用条件下水印的鲁棒 性，是提高水印方案性能的重要途径。 对数字水印的常见攻击可分为无意攻击和故意攻击两大类。 在故意攻击中可 以采用所有无意攻击的手段， 本节对各种攻击的方法和手段进行分析， 并相应地 提出一些对策。 对水印的攻击方法主要分为四类: 解释攻击， 信号处理攻击， 分析攻击和表 达攻击。 1 . 4 . 1解释攻击 解释攻击也称模糊攻击， 攻击者并没有除去原水印， 而是在原图像中引入他 自己的水印， 从而使水印失去了 意义， 尽管他并没有真正 地得到原图像。 在这种 攻击下， 存在对检测出的水印的多个解释， 攻击者同所有者一样拥有发布的图 像 的所有权的水印证据，从而导致了所有权的争议。 一般的解释攻击过程如下: 1 .作者a创作出图像l a ，然后编码并注册一个水印w a ，得到嵌入水印的图 像i w =i a 十 w a ，并将i w公开。 2 .攻击者b将水印插人过程逆过来运用，即他的攻击是减去一个水印。b计 算伪造的原图像 i b = i w - wb ，声称、是他的 “ 原图像”(即未插入水印的图像， 由于wb 足够小， i b 和 i w之间无明显的差异) ， wb 是插入的水印， i w是插入水 印后的i b ，而实际上，i w是b从某途径得到的未对其授权的图像 ( 其中已插入 了a的水印) 。攻击者b编码并注册另一个水印wb ，然后声称帅是他的作品， 并且向仲裁者提供原图像i b e 3 .当发生版权纠纷.需要对i w进行仲裁，a向仲裁者7 提供l a 和wa ; b向 仲裁者提供 i b 和wb 。 仲裁者j 执行仲裁水印过程， 从而确定i w中嵌有水印wa 还是 wb o 4 .仲裁者得出如下结论: 若a为原作者， l a 为原图像， i w上嵌有水印w a , i b 上嵌有水印w a -wb 即 n a = i b -i a = wa 一wb ; p a = c ( n a , wa ) =c ( wa -wb , wa ) 若b为原作者， m为原图 像， i w上嵌有水印w b , l a 上嵌有水印w b - w a a 即n b = i a -i b = wb -wa ; p b =c ( n b , wb ) =c ( wb -wa , wb ) e 这样， p b 代表了a的水印出现在攻击者b声称的原图像和水印所产生的i w 中，而p a 则代表了b的水印在所有者a声称的原图像和水印所产生的i w中. 结果的对称性是显然的:在i b 中有w a ，而在l a 中有wb 。这样，形成了死锁。 无法判断i w是由谁产生的，所以也就无从区分版权所有者是a还是b ，引起法 仲裁的版权纠纷，解释攻击成功。 目前，对解释攻击所引起的版权纠纷的解决方法主要有三种: 引入时戳机制，例如哈希数字签名，从而确定两个水印被嵌入的先后顺序; 作者在注册水印序列的同时对原始作品加以 注册， 仲裁机构增加对原始图像 的检测; 约束作者所采用的水印方案必须是单向水印方案， 以消除水印嵌入过程中的 可逆性: 1 . 4 . 2 信号处理攻击 常见的信号处理攻击法包括无恶意的和常用的一些信号处理方法， 例如: 各 种有损压缩、 线性， 非线性滤波、附加噪声、 打印和扫描等。 我们对图像， 视频 经常采取这些处理以适应不同的要求。 例如: 对图像进行压缩以得到更快的网络 传递速度。 信号处理攻击也包括通过加上噪声而有意修改图像， 以减弱图像水印 的强度。 基于相关检测的水印算法对随机噪声这类攻击是稳健的， 因此， 在实际应用 中， 噪声并不是严重的问题， 除非噪声相对于图像来说幅度太大或者噪声同水印 是相关的。 但是， 即使是目前已知鲁棒性较好的基于扩频技术的水印， 也不能对 抗所有信号处理攻击方法，如3 x3 大小的中值滤波器能很有效地除去图像中的 扩频水印。 特别是如何抵抗类似的非线性的基于信号处理的攻击方法还是非常值 得 深入 研究的问 题【 1 - 习 . 本文第二章对静态图像水印算法的研究就主要是针对抗信号处理攻击。 1 . 4 . 3 分析攻击 分析 ( 计算) 攻击法是通过对水印方案和添加了 水印的媒体数据进行分析， 估计出水印或者原图像，从而可以擦除或减弱图像中的水印。 例如， 攻击者采用统计平均攻击， 如果水印方案中水印不是非常依赖于图像 那么， 攻击者可以通过对大量的添加了水印的数据进行平均， 从而发现了一个通 用水印估计值. 此时， 水印方案失效， 攻击者可以用此估计值除去任何采用同一 水印方案插入水印的图 像中的水印1 1 - 6 . 为了抵抗统计平均攻击， 应该采用图像与水印相关的水印算法。 另外， 限制 提供添加了水印的数字作品的数金: 在水印信号的嵌入位置选择上， 采用伪随机 的机制; 在水印信号设计中使用随机密钥进行加密等方法也可以有效增加消除攻 击的计算复杂度，导致消除攻击不可实现。 1 .4 .4 表达攻击 此类攻击有别于稳健性攻击之处， 在于它并不需要除去数字作品中嵌入的水 印 ， 它是 通 过 操 纵内 容 从 而 使 水印 检 测 器无 法 检 测 到 水 印 的 存 在 【 1 - 7 1 。 例如 : 表 达攻击可简单地通过不对齐一个嵌入了水印的图像来愚弄自 动水印检测端。 因为大多数水印提取算法需要知道嵌人水印的确切位置， 所以 表达攻击比 较 难防御。 解决方法可以是: 在图像及视频水印方案中， 除去嵌入水印外， 还嵌入 一个登记模式以抵抗几何失真。 但是在实际应用中， 这个登记模式往往会成为水 印方案的致命弱点， 如果正常的登记 过程被攻击者所阻止， 那么， 水印的检测过 程就无法进行而失效。 为了战胜表达攻击，水印软件应有同人的交互才能进行成功的检测。或者， 更聪明的检测算法应设计成为能容纳通常的表达模式， 但是在工程上实现这样的 智能是非常困难的。 第二章 静态图像水印 人类传递信息的主要媒介是语音和图像，而视觉信息占7 0 % 以上。静态与动 态图像是多媒体数据的主要载体， 传递的信息非常重要。 静态图像水印的研究是 视频水印研究的基础。 本章第一节对目 前已有的静态图像水印算法作简要介绍; 第2 节对目 前一般 的d c ， 域水印嵌入方案进行分析，引出改进思路;第3 节对改进算法作具体阐 述;第4 节对改进算法的原理做分析; 第5 节给出改进算法的m a t l a b 实验结果， 并给出结论。 2 . 1 典型的静态图像水印算法 水印按照嵌入的 方法不同可分为时域 ( 空间 域) 和变换域两种 2 - 1 卜 2 . 1 . 1 空间域水印 空间域算法是指通过直接改变像素的亮度或彩色光带，或在这两者之上叠 加一个调制信号的方式嵌入水印信号。常见的空间域算法有:最低有效位 i s b 法，p a t c h w o r k 法。 最低有效位算法将信息嵌入到随机选择的图像点中最不重要的像素位上， 这可保证嵌入的水印是不可见的。 但是由 于该算 法使用了图 像不重要的 像素位， 算法的鲁棒性差，水印 信息很容易为滤波、图像量化、几何变形的操作破坏。 p a t c h w o r k 算法基于改变图像数据的统计特征。 该算法是随机选择n对像素 点 ( a , b ) , 然后将每 个a 点 的 亮度值加1 ， 每个b 点 的 亮 度值减1 ， 这样整 个图 像 的平均亮度保持不变. 适当 地调整参数， p a tc h w o r k 对j p e g压缩、 h r 滤波以 及 图像裁剪有一定的鲁棒性，但该方法嵌入的信息皿有限。 空域算法鲁棒性差，很容易被检测和移除，而且不能充分考虑人的视觉影 响，很难抵抗本文第一章第4 节所提到的各种攻击，这种方法己经逐渐被淘汰。 2 . 1 . 2 变换域水印 变换域水印算法是在图像从时域到频域的变换过程中， 对水印信息进行一定 的频域调制， 使其很好地隐藏在图像重要的能量部分， 同时又不引起图像质量的 明显下降。 由于它较好地满足了数字水印技术不可视性和鲁棒性的要求而成为当 前最重要的 水印 算 法。 变换域的 水印 可 分为d c r 2 - 2 , w a v e l e t 2 - 3 , f o u r i e r 2 - 4 等几种方法。 离散余弦 d c i ， 变换大都采用了 扩展频谱通信技术。算法实现过程如图 2 . 1 所示: 先计算整幅或者分块图像的离散余弦变换， 然后根据某种规则将水印叠加 到 d c i ， 域中的某个系数上。检测端作 i d c i ， 变换，然后提取特征值与水印作相 关以判断是否存在水印。 图2 . 1 d c i ， 水印嵌入与提取 其中分块 d c i ， 域水印方案，因为计算量小，与现有的图像压缩标准结合性 好，而受到了更多的关注。在分块d o， 水印方案中，选择哪些系数添加水印， 可以添加的水印信息能量即水印强度为多少，是需要解决的主要问题。 梁 建勋 的多 维d c t水印 方 案 【 2 - s 使 用 联 合 概 率分 布 理 论， 将 水印 信 息 能 量 分散添加到4 个d c r 系数中去， 在不增加能量的 情况下， 提高了 水印 检测的准 确率。 d c i ， 域的低频是图像能量集中部分，对他们修改会造成相当大的视觉影响。 高频部分则很容易被有损压缩移去水印。 因 此， 出于鲁棒性和不可感知性的折衷， 多维d c r 水印 方案采用z i g z a g 扫描序号为3 , 6 , 7 , 8 的中频系数作为 添加水 印的区域，分别记为1 1 . . . 14 ，如图2 . 2 所示。 015 1 2 1 41 52 72 8 24 1 3 1 31 62 62 9 4 2 1 114 1 21 7253 04 14 3 91 11 82 43 14 04 45 3 1 01 92 33 23 94 55 25 4 2 02 23 33 84 65 15 56 0 2 13 43 74 75 05 65 9 6 1 3 53 64 84 95 75 86 26 3 图2 .2 水印分布图 离散小波d wt 变换的水印算法的基本思想是和基于离散余弦d o， 变换的数 水印算法一致的。 小波变换具有多分辨率分析的特点， 能充分反映人类的视觉特 性， 特别是在新的图像压缩标准， 如j p e g 2 0 0 0 , m p e g 4 等都采用了基于小波变 换的方法之后，小波变换域的水印研究显得更为重要起来. 变换域水印的优点有:一、 变换域中嵌入的水印信号能量可分布到空域的所 有像素上， 有利于保证水印的不可见性; 二、 在变换域中， 可以更方便地将人类 视觉系统 (h v s ) 的某些特性结合到水印 算法中; 三、 变换域方法可与现有的 图像压缩方法兼容，从而实现压缩图像的水印嵌入。 因此变换域的 d c t水印算法得到了最为广泛的应用，下一节，我们将对其 进行更深入的分析与研究。 2 . 2 静态图像d c t 域水印方案分析 不可感知性和鲁棒性是数字水印最重要的两个标准。 不可感知性要求添加水 印后的图像质量没有明显下降， 不影响视觉效果: 而鲁棒性要求水印图 像经过一 系列的有意或无意的攻击或处理之后， 仍然具有良 好的可检测性。 这两个标准往 往是互相矛盾的。 如何在两者之间寻找一个最佳的平衡点， 成为水印方案设计的 关键。 解决 这个问 题的 途径 之一 是改善 水印 检 测 器的 性能【 2 - 2 1 ， 提高 检 测的 可 信 度。 多 维d c t 水印 方案 ( 2 - 5 1 使 用 联 合 概率 分 布 理 论， 采 用多 维 水印 联 合 检测 ， 有效的提高了检测的正确率。 解决这个问题的另一个途径是充分利用人的视觉模型e d c i ， 域分块图像水印 方 案 最 初由 2 - 6 提出 ， 它的 优点 是: d c t域的 视 觉 感知 模型比 较完 善， 可以 利 用人的生理特性， 使嵌入图像的水印信息不易察觉， 而且许多图像压缩如j p e g , m p e g等都是在 d o， 域进行的， 这使得该方案更容易应用于各个领域。 t a o . d i c k s o n 2 - 7 根 据视觉特性 把图 像 分为6 种不同 类型， 视觉 敏感的 类型 添加的 水 印能量小， 视觉不敏感的类型添加的水印能量大， 但是这种方法的水印检测需要 借助于 原图 像， 而且分类的 计 算较为复 杂。 p o d i l c h u k 2 - 8 提出了 根 据特定图 像 的j n d自 适应添加水印的方案。 j n d是水印可视性的一个衡量标准，它综合考 虑了人类视觉模型的频率， 亮度， 对比三个方面， 对水印添加的能量的大小制定 了可视性上限。多维 d c i 水印方案运用了这个研究成果。 上面一些方案，主要着眼于利用视觉模型， 如何在不影响视觉效果的前提下 尽可能的提高添加水印的能量，从而提高鲁棒性。而我们以多维d c i ， 水印方案 为基础， 在利用上述研究成果的同时， 转换了思路， 力图在水印能量不增加的前 提下， 通过嵌入点的合理筛选， 使相关检测结果得到改善， 进一步增强方案的鲁 棒性。 目 前，一般的d c i ， 域水印嵌入方案是: a .嵌入 v - i + a w 水印序列w 以一定的水印强度a，添加到方案选定的d c i 系 数序列上。 b .提取 。 一 脚 - v y -4 n m y , r n v r t ? 其 中 . m ， 是y ( i ) 的 平 均 值 ， v y 是y ( i) 的 样 本 方 差. y ( i ) - x w w * ( i ) 是 水 印 方 案 确 定 的 待 检 测图 像 的d c t 系 数 序 列x ( i) 与 水印 序 列w ， ) 的 积。 判 断 检 测 值 0. i 是否大于事先确定的域值t ，大于证明水印 存在;反之，证明水印不存在。 在这种水印方案中:水印强度a增大，图像质量损失增大，存在水印时的 相 关 检 测 值4 1 增大， 水印 的 鲁 棒 性 增强: 水印 强 度“ 降 低， 图 像质 量 损失 减小 ， 存 在 水印 时 相关 检 测值9 1 减小 ， 水印 的 鲁 棒 性降 低。 而 不 存 在 水印 时， 相 关 检 测值4 l 总是接近于0 . 下一节提出的改进方案将在同等水印强度 ( 即相同图像质量)的前提下， 使 存在水印时的相关检测值增大，从而提高水印方案的鲁棒性。 2 . 3 d c t 域水印改进方案 基于以上对d c t域水印方案的分析。 本方案在多维d c 1 ， 水印方案基础上对 水印嵌入点进行筛选，去除对相关检测值影响较大的点。 具休方法如下: 原始图像 图1水印嵌入方案模型 原始图像经过分块 d c 1 ， 变换，按如下公式嵌入水印: i ; ( i ) 二 i j ( i ) + 巩( i ) 代( i ) 二 “ 。 x p n i ( i ) x g ( i ) , i = 1 , 二 lx l , , j 一 3 ,6 ,7 ,8 i f i i i ( i ) 卜 a t h e n “ 。 一 0 每