（计算机应用技术专业论文）基于小波变换的数字图像水印技术研究(1).pdf

摘要 随着多媒体技术的发展和互联网的门益普及，数字多媒体信息的版权保护、真伪鉴 别、盗版跟踪等问题逐渐浮现水面。数字水印技术是解决这一问题的良好途径，得到了 人们越来越多的关注。但是目前数字水印技术仍有许多尚未明确和亟待解决的问题。 本文分析研究了数字水印技术，讨论了小波变换理论及其在数字水印技术中的应 用，并在此基础上提出了基于小波变换和奇异值分解的数字水印算法和一种小波域双重 盲水印算法。前者将具有多分辨率分析特征的图像小波变换和代表图像内在代数特性的 奇异值相结合，在图像小波变换后的低频奇异值上嵌入水印，并自适应的选择水印嵌入 强度，具有较好的鲁棒性。后者在图像的小波低频和高频域嵌入双重水印，并根据人眼 视觉特性，自适应地选取高频子带系数和设定量化值，实现了盲检测，增大了水印的信 息量，具有较好的鲁棒性和安全性。并通过大量实验验证了算法的有效性。两种算法应 用到我们设计开发的数字图像水印系统软件d i w s 中，取得了较好的效果。 关键词：数字水印版权保护离散小波变换人类视觉系统 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm u l t i m e d i at e c h n o l o g ya n dt h ep o p u l a r i t yo fi n t e r n e t ，t h e p r o t e c t i o no ft h ei n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t sh a sb e c o m ei n c r e a s i n g l yi m p o r t a n t d i g i t a lm e d i a o f f e r ss e v e r a ld i s t i n c ta d v a n t a g e s ，s u c ha sh i i g hq u a l i t y , e a s ye d i t i n g ，h i g hf i d e l i t yc o p y i n g d i g i t a li n f o r m a t i o nc a nb ed u p l i c a t e da n dd i s t r i b u t e de a s i l yh a sl e dt ot h en e e df o re f f e c t i v e c o p y r i g h tp r o t e c t i o nt o o l s d i g i t a lw a t e r m a r k i n gw h i c hi so n eo ft h er e s e a r c hf o c u si nt h e a c a d e m i cw o r l dp r e s e n t sac a n d i d a t ek e yt ot h o s eq u e s t i o n s t h i sp a p e rh a sm a k es o m er e s e a r c ho nt h ed i g i t a li m a g ew a t e r m a r k i n gb a s e do nw a v e l e t t r a n s f o r ma n dp r o p o s e dad i 百t a lw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mc o m b i n i n gt h ed i s c r e t ew a v e l e t t r a n s f o r m ( d w dw i t hs i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n ( s v d ) t h ea l g o r i t h m sm a i ni d e ai st h a t a f t e rt h eo r i g i n a li m a g ei sd e c o m p o s e dw i t hd w ta n dt h el o ws u b b a n di sd e c o m p o s e db y s v d ，t h eg r a yi m a g ew a t e r m a r k i n gi se m b e di n t ot h es i n g u l a rv a l u ew i t ha d a p t i v ei n t e n s i t y i t i sw e l lr o b u s tt ot h ea t t a c ko fi m a g ec r o p p i n ga n dj p e gc o m p r e s s i o n b ya n a l y z i n gt h e q u a n t i z a t i o n b a s e d w a v e l e td o m a i n d i 酉t a lw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m s ，a n o v e lb l i n d w a t e r m a r k i n gs c h e m ew i t hd o u b l ew a t e r m a r k si nw a v e l e td o m a i ni sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r t h ed o u b l ew a t e r m a r k si se m b e di n t ob o t hl o ws u b - b a n da n dh i g hs u b b a n du s i n gt h ew a yo f q u a n t i z a t i o n - b a s e dw a v e l e td o m a i n t oe n h a n c et h ei n v i s i b l ec a p a b i l i t yo ft h ea l g o r i t h m ， c o n s i d e r i n gt h eh v sc h a r a c t e r i s t i c so fh u m a ne y e s ，t h ev i s i b l ee l l - o rt h r e s h o l d sa r ec a l c u l a t e d f o rt o e f f i c i e n t so fh la n dl hs u b b a n d st od e t e r m i n ew h e t h e rac o e f f i c i e n ti sr o b u s to rn o t b ys e l e c t i n gt h eq u a n t i z a t i o nf a c t o ra d a p t i v e l y , t h ea l g o r i t h m se m b e d d i n gc a p a c i t ya n d r o b u s t n e s sa r ee n h a n c e d i nt h ee n d ，w ei n t r o d u c e dt h ed i g i t a li m a g ew a t e r m a r k i n gs y s t e m d i w s ，w h i c hi sb a s e do nt h er e s e a r c ho ft h ed i g i t a lw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m si nt h i sp a p e r 1 1 1 k e y w o r d s d i g i t a lw a t e r m a r kc o p y r i g h tp r o t e c t i o n d i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o r m s ( d w t ) h u m a nv i s u a ls y s t e m ( h v s ) 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个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谀j 的地方外， 论文中不包括其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 西北师范大学或其他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j ，明确的说明 并表示了谢意。 签名拉i 耋日期：幺茎：埋 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西北师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以 公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。 签名：缕导师签名：j 坐瞧门期：二塑! 丝 州北帅范人学顺f 学位论丘： 第一葶绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 近年来，随着多媒体技术的不断进步和计算机网络的r i l 益普及，数字媒体的 应用取得了惊人的发展，多媒体信息的交流也达到了前所未有的深度和广度。人 们可以通过i n t e r a c t 网发布自己的多媒体作品( 包括音频、视频、动画、图像等) ， 传递重要信息，进行网络贸易等，但随之而来的副作用也十分明显。例如，任何 人都可以通过网络轻而易举地得到他人的原始作品，尤其是数字化的图像、音乐、 电影等，盗用者不但可以通过非法手段获取电子数据，而且可以未经作者的同意 而对原作品任意加以复制、修改、生产和再传输等，这些不法行为严重地侵害了 作者的著作权，给版权所有者带来巨大的经济损失，对信息安全造成强烈的冲击。 总之，信息技术是一把双刃剑，一方面它为人们合法使用信息资源提供了极大的 方便，另一方面它义使得非法侵权、盗版和恶意篡改成为可能。因此如何既充分 利用i n t e r a c t 网的便利，又能有效地保护知识产权，已受到人们的高度重视。如 何在网络中实施有效的版权保护和解决信息安全的问题也就成为了一个迫在眉 睫的研究课题。 但是，数字作品的版权保护不仅是一个法律问题，也是一个很困难的技术问 题。从技术的角度来说，版权信息的嵌入和检测问题是数字作品保护的两个关键 问题。这一问题与传统密码学的认证和鉴别问题既有密切联系又有区别。数字作 品的版权认证有极强的鲁棒性要求。这是因为多媒体内容的真实性认证需要容忍 一定程度的失真，认证信息往往需要直接嵌入多媒体内容中，不另外保存认证信 息；而传统的密码学认证方法则需另外得到信息的认证码。正是由于传统密码学 对多媒体内容保护的局限，使得作为信息隐藏学的一个分支一一数字水印 f d i g i t a l w a t e r m a r k ) 技术在近些年发展起来。 1 2 课题意义 研究数字水印技术的主要意义在于可以有效的实现网络环境中数字产品的 版权保护。面对人类社会的数字化时代，在网络交流h 益普及和电子商务逐渐启 动的今天，数宁产品的版权保护问题以及数字信息的安令传输问题是摆在人们而 l 儿i 北! j | | j f | ：l 人学顺i ：学似论文 前需要迫切解决的问题，而数水印技术将是解决这类问题的一种最有效和最具 潜力的技术之一。多媒体数字水印系统软件的f ：发具有品著的经济效益和社会效 益：对j 觇范数字化市场，促进信息产业的健康持续发展具有极为重要的意义。 并且，该课题得到了片肃省科技攻关项目“多媒体数字水印及其应用研究” 的资助( 项目号2 g s 0 3 5 a 0 5 2 - 0 1 1 ) 。本文t 要研究已有小波域数字图像水印算法， 对它的优点、缺点进行分析研究，以设计出自己数字图像水印的嵌入和检测算法， 并对它的实验结果进行分析研究，达到推广数字水印技术应用的目的。 1 3 本文主要工作和内容安排 数字水印技术作为一个领域其研究内容是及其广阔的，本论文依托甘肃省科 技攻关项目“多媒体数字水印及其应用研究”，在国内外专家和学者的研究工作 基础七，只是对小波域数字图像水印的一部分进行了研究。 主要完成的工作有： ( 1 ) 提出了一种基于离散小波变换( d w l ) 和奇异值分解( s v d ) 相结合的数字 水印算法，该算法把具有多分辨率分析特征的小波变换与代表图像内在代数特性 奇异值相结合，结合人眼视觉特性，自适应的选择嵌入强度，实验表明，此水印 方案有较好的鲁棒性。 ( 2 ) 简要介绍了小波域中量化嵌入的数字水印算法，提出了一种小波域双重 盲水印算法。该算法利用模运算，自适应选取高频鲁棒系数和设定高频量化值， 将二值图像重复嵌入到图像小波变换后的低频与高频部分，实现盲检测。 ( 3 ) 在对数字图像水印算法研究的基础上，参与设计实现了数字图像水印系 统软件d i w s 。该系统是针对当前数字水印技术应用相对缺乏的现状，依托甘肃 省科技攻关项目“多媒体数字水印及其应用研究”而开发的。 本论文组织结构安排如下： 第章主要讲述了课题的研究背景以及课题研究的意义。 第：章对数字水印技术作了一个比较全面的概述。 第二三章介绍了小波变换理论和图像的奇异值分解的基本思想。提出了一种 基于小波变换和奇异值相结合的数字图像水印算法，对算法进行了 仿真实验，并对实验结果进行了分析。 第p q 章在分析了已有的小波域数字图像水印算法的基础上，提出了。种小 波域双重岗水印算法并对算法进行了仿真实验和结果分析。 2 两北帅范人学坝l 。学他论史 第血l 章简要介绍了数字水印系统软件d w i s ，该系统是存埘数宁图像水印 算法的研究基础七，针对当前数字水印技术应用相对缺乏的现状， 依托甘肃省科技攻关项目“多媒体数字水印及其应用研究”向丌发 的。 第六摹对本文进行了总结，指出了进一步研究的方向。 衍北师范人学硕i 学位论文 第一章数，水印控术 第二章数字水印技术 2 1 数字水印的起源、概念和基本原理 信息隐藏，也称为信息伪装( s t e g a n o g r a p h y ) ，该单词来源于古希腊，意思是 将有用或重要的信息隐藏于其他信息里面以掩饰其存在，也就是将机密信息秘密 地隐藏于另一非机密的文件内容之中【“。 数字水印技术是信息隐藏技术的一个分支，其基本思想源于古代的伪装术， 古希腊的斯巴达人曾将军事情报刻在普通的木板上，用石蜡填平，收信的一方只 要用火烤热木板，融化石蜡后就可以看到密信。使用最广泛的密写方法恐怕要算 化学密写了，牛奶、白矶、果汁等都曾充当过密写药水的角色。大约7 0 0 年前， 在手工造纸技术中出现了纸张上的水印。 数字水g j ( d i g i t a lw a t e r m a r k ) 技术是将代表数字媒体著作权人身份的特定信 息、用户指定的标志或序列码等，按照某种方式嵌入被保护的信息f 包括版权保 护、内容完整性保护) 中，在产生版权纠纷时，通过相应的算法提取出该数字水 印，从而验证版权的归属，确保媒体著作权人的合法利益，避免非法盗版的威胁。 被保护的信息是一种数字媒体，如图像、音频、视频或般性的电子文档等。数 字水印是嵌在数字产品中的数字信号，水印的存在要以不破坏原数据的欣赏价 值、使用价值为原则。 一般数字水印的通用模型包括嵌入和检测或提取两个阶段。嵌入阶段包含水 印的预处理和水印嵌入两个阶段，嵌入方案的目标是使数字水印在不可见性和鲁 棒性之间找到个较好的折中。检测阶段主要是设计一个相应于嵌入过程的检测 算法，检测的结果或是原水e n ( 女n 字符串或图标等) ，或是基于统计原理的检验结 果以判断水印存在与否。检测方案的目标是使错判与漏判的概率尽量小。为了给 攻击者增加删除水印的不可预测的难度，目前大多数水印制作方案都在加入、提 取时采用了密钥，只有掌握密钥的人才能读出水印。 图2 - 1 1 为数字图像水印信号嵌入模型，其功能是完成将水印信号嵌入原始 图像数据中；图2 - 1 2 为数字图像水印信号检测模型，用以判断某一图像数据中 是否含有指定的水印信号。虚线代表该部分是可选的。 两北帅范人学硕f 掌f 童论文 第章数。，水印技术 图2 1 1 水印信寸嵌入模型 幽2 1 - 2 水q 】1 青号检测模型 数字水印系统中的参数和变最影响和限制系统的性能。某些参数互为正比或 反比的关系，相互制约。下面列出了数字水印系统的一些重要参数及对系统性能 影响的一般分析： ( 1 ) 内嵌信息量 这是一个重要的参数，它直接影响水印的鲁棒性。内嵌的信息越多，水 印的鲁棒性越低，即内嵌信息量的增加会引起鲁棒性的下降。需内嵌的信息 量取决于应用。 ( 2 ) 内嵌强度 通常须在水印内嵌强度和图像质量之间进行折衷。鲁棒性的增加要求增 大内嵌强度，而这将使图像的视觉质量严重下降。 ( 3 ) 数据尺寸和特性 数据尺寸正比于鲁棒性。尽管很小的图像没有很人的商业价值，但却要 求水印软件能从中恢复出水印。图像的特性对水印的鲁棒性也是一个冲击， 通常埘自然具有较高鲁棒性的方法，当应用丁合成图像时，其鲁棒性会惊人 地减少。一个好的水印系统应适用于j “泛的图像尺寸范围，以及不同类型的 图像。 ( 4 ) 秘密信息( 如密钥) 尽管秘密信息并不对图像的视觉精度或水印的鲁棒性构成冲击，但它在 系统安伞性方面起着重要的作用。密钥空间f 即町能的秘密信息耿值范围) 必 须足够大，以使攻击凼耗时过长而不可能成功。 两北帅范人学坝l 位论文第审数7 一水印技术 2 2 数字水印系统的要求 对多媒体水印来说，不司载体对应的水印应能够满足不同的需求，但一般应 具有以下特性： f 1 、可证明性：水印应能为受到保护的信息产品的归属提供完全和r 叮靠的证 据。水印算法识别被嵌入到保护对象中的所有者的有关信息( 如注册的用 ，、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。 ( 2 1 不可觉察性：在数字作品中嵌入数字水印不会引起明显的降质，对于不可 见水印，要不易被察觉。 f 3 ) 唯一一性：用特定的算法，使所加入的水印具有唯一的确定性和不可替代性。 ( 4 ) 鲁棒性( 稳健性) ：所谓鲁棒性是指在经历多种无意或有意的信号处理过程 后，数字水印仍能保持完整性或仍能被准确鉴别。 在数字水印技术中，水印的数据量和鲁棒性构成了一对基本矛盾。从主观上 讲，理想的水印算法应该既能隐藏大量数据，又可以抵抗各种信道噪声和信号变 形。然而在实际中，这两个指标往往不能同时实现，不过这并不会影响数字水印 技术的应用，因为实际应用一般只偏重其中的一个方面。如果是为了隐蔽通信， 数据量显然是最重要的，由于通信方式极为隐蔽，遭遇敌方篡改攻击的可能性很 小，因而对鲁棒性要求不高。但对保证数据安全来说，情况恰恰相反，各种保密 的数据随时面临着被盗取和篡改的危险，所以鲁棒性是十分重要的，此时，隐藏 数据量的要求居于次要地位。 2 3 数字水印的分类 数字水印在如今的数字化社会有着广泛的应用，对于不同的应用，水印的目 的不同，对水印的要求也不同，因此没有一种公用水印能适应所有的应用。数字 水印技术从不同的角度有不同的分类方法，下面介绍几种最典型的数字水印分类 方法【2 “。 f 1 1 按特性划分 按水印的特性可以将数字水印分为可见水e l i ( v i s i b l ew a t e r m a r k ) 年n 不可 见水t o ( i n v i s i b l ew a t e r m a r k ) 。町见水印是可以看见的，就像插入或覆盖在图 像上的标识。不可见水印是表面f ：不可察觉的，所有者j 叮以从中提取标识， 从而证明物品的所有权。不- 1 见水印又可分为鲁棒性数字水印和脆弱性数字 陌北师范大学帧卜学位论文 第一搴数f 水印挫术 水印两类。 鲁棒性数字水i ； j ( r o b u s tw a t e r m a r k ) 是指加入的水印不仅能抵抗非恶意 的攻击，而且要求能抵抗一定失真内的恶意攻、缶，并且般的数据处理不影 响水印的检测。它的特性主要是水印在通常或特定条件下不可感知；嵌入水 印的载体信号经过普通的信号处理或恶意攻i 妊后，水印仍然保持在信号中； 未经授权者很难检测出水印；授权者町很容易地检测出水印。鲁棒水印主要 用于在数字作品中标识著作权信息，如作者、作品序号等。 脆弱性数字水印( f r a g i l ew a t e r m a r k ) 是指当嵌入了水印的载体数据被修 改时，通过对水印的检测，可以对载体是否进行了修改或进行了何种修改进 行判定的水印。脆弱性数字水印主要用于完整性保护，与鲁棒水印的要求相 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念就可以判 断数据是否被篡改过。目前学术界研究鲁棒性数字水印的较多。 ( 2 ) 按水印所附载的媒体划分 按水印所附载的媒体，我们可以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。随着数字技术的 发展，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 按水印的检测过程可以将数字水印划分成非盲水印、半言水印和盲水 印。非盲水印检测时至少要求提供原始数据；半盲水印则不需要原始数据， 但要原始水印来进行检测；盲水印的检测只需要密钥，既不需要原始数据， 也不需要原始水印。一般来说，非占水印的鲁棒性比较强，但其应用受到存 储成本的限制。 ( 4 ) 按内容划分 按数字水印的内容可以将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。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，人们仍然可以通过视觉观察确认是 否有水印。但对f 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。 f 5 ) 按用途划分 不h 的应用需求造就_ 广不同的水印技术。按水印的用途，我们可以将数 两北师范人学倾i ：学位论文 第一乖数7 水印技术 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，伪币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 字水印算法不能太复杂。 版权标识水印是日前研究最多的一类数字水印。数字作品既是商品又是 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。 f 6 ) 按水印嵌入策略划分 按数字水印嵌入策略，我们i 叮以将其划分为时( 空) 域数字水印和变换域 数字水印。空域数字水印是直接在信号空间上叠加水印信息，变换域水印技 术在图像从空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透明性和鲁棒性的要求而成为当前最重 要的水印算法。常用的变换有d c t ( 离散余弦变换) 和d w t ( 离散小波变换) 。 随着数字水印技术的发展，各种水印算法层出不穷，应该说，只要构成一种 信号变换，就有可能在其变换空间上隐藏水印。 2 4 数字水印的检测标淮及攻击 2 4 1 数字水印检测标淮 数字水印技术存在的巨大潜力以及良好的应用前景，推动了数字水印技术研 究向纵深发展。但与此不相适应的是：到目前为止，仍然没有一个很好的客观衡 量手段来对数字水印算法作出合理的评估。一种数字水印算法的4 i 可见性如何， 受到攻击的稳健性、安全性如何，这种算法是否可使用，所有这些问题都需要客 观的评价手段，而不能仅仅由人的主观意识来决定。不论是空间域还是频率域水 印，都是根据不同的应用和需要而设计的，那么任何检验水印算法是否合适呢? 到目前为j f ：还没有令人满意的解决方法，同时，制定水印算法的衡量标准，也足 两北帅7 0 ；人学删i 学位论史第尊数，水印技术 目自的研究热点之+ 。在这里，先介绍l 卜使用较多的检测参数： ( 1 ) 均方差m s e ( m e a ns q u a r ee r r o r ) 均方差常常使用在统计过程中，是一种非常有用的统计特性指数。通常 计算均方差并不是针对所有的样本空间来进行计算，而足从所有样本空间中 抽取一定的样本中进行计算，并依据样本空间中抽取一定的样本中进行计 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列象的各种行为特征。 凶此在工业控制中，广泛的采用均方差米进行产品质量的评估和检验标准。 为了衡量原始载体图像在添加水印后图像的质量变换情况，我们就可以采用 均方差来对图像质量的变换进行一种估计，给出一种图像质量变换的客观指 标。 均方差的计算公式( 针对二：维图像) ： m s e = i i 罗罗( ，o ，y ) 一，o ，y ) ) 2 ( 2 4 - 1 ) m 鲁台。“ 这里， ，y ) 是原始图像的像素值，0 ，y ) 是添加水印后图像的像素值，m 、 n 分别是图像的宽和高。 ( 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 ) 在具体的实际应用中，一般最后采用峰值信噪比作为衡量尺度，针对普 通图像格式，其灰度级别是0 - 2 5 5 ，0 代表黑色，2 5 5 代表白色，因此p s n r 的计算公式如下： p s n r = 1 0 1 0 9 i o 了丽2 5 5 ( 2 - 4 2 ) 或者 觥= 1 0 l o g l o 篇 ( 2 - 4 渤 这是把嵌入信号看作是加载到载体图像卜的噪卢，观察其峰值信噪比， 尽管这一引用不是很精确，但是在某种程度l ，它还是能够很好地比较水印 的稳健性。p s n r 的值典型范围在2 0 到4 0 分贝( d b ) 之阳j ，一般以精确到小 数点后两位( 如3 1 2 5 ) ，p s n r 实际的值并没有多少意义，但通过比较两幅图 像计算而得到的p s n r ，就町以给出个图像质量的尺度。凶为我们其实只 关心结果的相对值，而不是计算结果的绝对值。 两北师范人学颤 j 1 学位玲文第二学数j 7 水印技术 ( 3 ) 互相关系数n c ( n o r m a l i z e dc o r r e l a t i o n ) 数字水印被从待检测图像中提取出来后，对各个观察者而苦，所提取出 来的水印的逼真度好坏取决f 各自主观上的看法，这跟观察者多方面的因素 有关，如经验、对图像的敏感性等是很具有随意性的，凶此对j 二提取出来的 水印和原始水印，这二者相似到哪种程度，需要客观的衡量方式，而不能 通过主观因素来进行评测，在数字水印方法中，通常使用n c 系数 ( n o r m a l i z e dc o r r e l a t i o n ) ，即相似性测量，衡量提取出来的水印与原水印的 相似性程度。这早用w ( i ，j ) 代表原始水印信息，用w ( i ，j ) 表示提取水印信息。 相似性的计算公式为： 们孵卟j蒌墼竺竺 函。旬 1 善再矿( f ，”( f ，d 1 善荟v ) - w “力 对水印图像进行多种攻击后，通过比较n c 系数的值，可以得到数字水 印算法抗攻击的能力，由n c 系数值的变化给出一个比较客观的评价准则。 2 4 2 数字水印的攻击 在许多水印应用中，嵌入水印的图像在到达接收端时总要经受一些处理。这 些处理可以是有损压缩、信号增强、d a 或a d 转换等。水印有可能有意或无 意地受到这种处理的削弱。在水印术语中，攻击指任何一种可能削弱水印的检测 或对水印所表达的信息传输的处理。经过这种处理后的含水印图像称为受攻击图 像。 数字水印作为一种数据认证和版权保护的手段，必然会受到各种形式的攻 击，冈此鲁棒性是对水印系统的一项基本要求。当然，根据水印不同的应用场合， 对鲁棒性的要求也是不同的。常见的数字水印攻击方法主要有以下几种【3 叫： ( 1 1 基本攻击 包括常见的各种信号处理操作，如图像压缩( j p e g ，m p e g ) 、线性或非 线性滤波叠加噪声、图像量化与增强、图像裁减、模拟数字转换以及图像的 校正等。 ( 2 ) 串谋攻击 串谋攻击( c o l l u s i o na t t a c k ) 是采用儿个带有不f 叫水印的相同载体数据拷 贝进行合成，从| 面达到使原水印消息失效的目的的- 种攻击，例如采用统计 1 0 西北师范大学碳卜# 住硷炙笫薯敖，承印技术 平均的方法t 叮以产，l1 个检测不i 水印的图像。受串、谋攻击影响最大的就是 数字指纹。指纹标记通常是一个嵌入到图像中的序号，比如销售商为了追踪 而为每一个顾客提供的唯。标识。在此种情况下，载体图像可能是相同的， 而水印标记各不相同，此时将嵌有水印的图像加起来，再平均，相当于将不 同的水印进行了平均，结果将与原始图像非常接近，而水印标识被完全擦除。 ( 3 1 同步攻击 同步攻击( s y n c h r o n i z a t i o na t t a c k ) 是试图破坏相关性和使得水印检测器 对水印的恢复变得不可能或不可实现的攻击方法，其中最典型的就是几何变 形攻击( g e o m e t r i c a ld i s t o r t i o n sa t t a c k ) 和马赛克攻击( m o s a i ca t t a c k ) 。 几何变形攻击采用的是几何变形方法，例5 1 ：缩放、旋转、挤压、裁剪、像 素置换、子采样、移去或插入像素及像素块，或者其他对数据进行的几何变 换等。 马赛克攻击的基本原理是这样的，我们知道图像越大越容易在其中嵌入 一定量的比特信息，当然反过来说图像越小能嵌入的信息越少，小到一1 定程 度，就不能再往其中嵌入信息了。不可能在一个像素上隐藏一个有意义的标 记。马赛克攻击就是利用这个原理，通过把一幅图像分割成足够小的图像块， 将水印检测器蒙蔽。 这两种攻击有一个共同的特点就是他们都不破坏水印信号的存在，也就 是说，经过攻击后的媒体数据中仍然保留着较为完整的水印信号，但破坏了 水印检测器与水印信号的同步关系。虽然这两种攻击本身的复杂性较高，但 一旦盗版者成功实旌了这两种攻击，将会有效的破坏检测器正确检测出水印 信息。 ( 4 ) 解释攻击 它通过加入一个或几个另外的水印而使得最先的原始水印不能被清楚 的区分出，以此造成对水印权限的怀疑。 抵御解释攻击的关键在于解决j f 确的所有权问题，也就是必须能够在一 个存在多个水印的图像中，确定出真正授权的水印。对此可以有两种方法， 一种是采用时间戳或者其他的公证来阻i 七这种攻击，另r 一种是采用不可倒置 水印。 以上介绍了几种有代表性的水印攻击的例子，事实l 还有许多其它类型的水 印攻击方法。府该注意到各种攻击之问的区别有时是很模糊的，并日有螳攻击并 i ；可北帅范人学碘 学位论文第蒂数，水印技术 不能很明确地归j 二f ：述哪一类。这些攻击能够轻易的破坏数宁水印的存在或检 测，由此我们可以看到当前数字水印技术存在着很多缺陷。这也就是为什么现在 埘于数字水印技术的研究大多围绕健壮性进行的原因。然而要使数字水印技术能 够真f 解决版权保护问题，除了技术上的难点需要解决外还有许多涉及标准、规 范、法律、意识的问题需要解决。 2 5 数字水印的应用 数字水印技术的原动力是版权保护，但应用不仅仅局限于版权保护。随着技 术的不断发展，数字水印在数字票据防伪、数字数据完整性验证、隐蔽通讯等领 域有了广泛的应用，而且新的应用还在不断出现。目前典型的应用主要体现在如 下几个方面： ( 1 ) 数字作品的知识产权保护 一个世纪以来，无线电广播、电视、录像等新技术的产生都曾在一定程度 上造成过版权保护的困难，但最终都被版权制度所吸收和规范。近年来，数字 化技术和i n t e r n e t 的飞速发展，在最大限度地拓宽权利人利益范围的同时，也 带来了版权的危机。数字化技术精确、廉价、大规模的复制功能和i n t e m e t 的 全球传播能力都给现有版权制度带来了前所未有的冲击，数字作品的版权保护 成为团扰各国政府、法律界、艺术界和计算机科学家的难题。 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。数字水印技术之所以在近几年中以惊人的速度 发展，除了军事、安全方面的原因外，最主要的原动力就是数字作品版权保护 的需要。 ( 2 ) 商务交易中的票据防伪 会融安全是国家安全的重要组成部分，无论对于传统商务还是电子商务， 各种纸质票据和电子票据防伪的重要性都是不占而喻的。随着高质量图像输入 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。据美 国官方报道，仪在1 9 9 7 年截获的价值4 0 0 0 万美元的假钞中，用高精度彩色打 印机制造的小面额假钞就占1 9 ，这个数。是1 9 9 5 年的9 0 5 倍。 日前，美闭、h 本以及荷兰都己开始研究用于祟据防伪的数字水印技术。 其中麻省趔! 一】：学院媒体实验宦受荚困财政部委托，已经r 始研究在彩色打印 两北帅旭人7 坝l 学位论文 第争数z z l c e i i 技术 机、复印机输h 的每幅图像中加入唯1 的、不叮见的数宁水印，伍需要时可以 实时地从扫捕票据叶j 判断水印的有无，快速辨识真伪。 另一方面，在从传统商务向电子商务转化的过程中，会出现大量过度性的 电_ 了文件，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 ) 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，如遥感图像的拍摄f 1 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。现有的信号拼接和镶嵌技 术可以做到“移花接木”而不为人知，冈此，如何防范对图像、录音、录像数 据的篡改攻击是重要的研究课题。基于数字水印的篡改提示是解决这一问题的 理想技术途径，通过隐藏水印的状态可以判断声像信号是否被篡改。 ( 4 ) 隐蔽通信及其对抗 数字水印所依赖的信息隐藏技术不仅提供了非密码的安全途径，更引发了 信息战尤其是网络情报战的革命，产生了一系列新颖的作战方式，引起了许多 国家的重视。 网络情报战是信息战的重要组成部分，其核心内容是利用公用网络进行保 密数据传送。迄今为止，学术界在这方面的研究思路一直未能突破“文件加密” 的思维模式，然而，经过加密的文件往往是混乱无序的，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，可以进行各种时( 空) 域 和变换域的信息隐藏，从而实现隐蔽通信。 f 5 1 复制控制 复制控制使用水印来告知录制设备不能录制什么内容。这种情况下嵌入的 水印表示某种复制控制和访问控制限制，水印检测器通常集成在一个记录回 放系统，检测是通过使某种硬件或软件产生动作如使记录模式有效还足无效来 得到实施。比如c d 数据盘中秘密的数字水印技术l 叮以有条件的控制哪些人可 西北帅范人学硕f + 学位论文 第一嚣数7 ，水印挫术 以访问c d 数据盘【 j 的信息。 jd h d v d 已经火爆囡内电予f j 场，有很多犬公 司丌始研究如何应用数字水印系统改进d v d 的复制控制。比如希望消费者手 中的d v d 播放器无限制的复制家庭录像或过期的电视节目，家庭录像中所添 加的数字水印0 i 含任何控制标识，电视节日中的数字水印标识为“不允许复制” ( 如商业上的节日) 或“只复制一次”，相应的播放设备将对这些水印标识进行 判断并起相应作用。这样既保证了消费者私f 复制、交换节目的自由，又有效 控制了商业上的侵权行为。 f 6 ) 广播监测 如果在数字广播节目的内容中，嵌入标i 己。播电台的数字水印信息，通过 监听设备的实时检测，判断节目内容的来源；便呵有效地用于广播监听，防止 广播电台之间的大规模的侵权行为。它要求水印具有高鲁棒性与一定容量。 2 6 数字图像水印的典型算法 数字水印的论述首见于t i r k e l 等人于1 9 9 3 年的一篇文章【7 1 。这十多年来水 印作为一项应实际需求而生的信息安全技术，得到了学术界、产业界和国际标准 化组织等各个方面的关注。无论是从理论研究、产品研制还是专利获取等各个方 面，我们都可以感受到水印正以不可估量的速度发展着。国际上，经过近十年的 快速发展，现己发表了很多有关水印方面的论文，提出了很多具有代表性的水印 算法，水印技术己经成为当前信息科学前沿中一个具有广泛应用前景的研究热 点。国际标准化组织也对水印技术表现出了很大兴趣。在连续色调图像压缩标准 j p e g 2 0 0 0 和视频压缩标准m p e g 4 中都加入了水印技术。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。尽管人们都在努力发展和完善数字水印技术，然而数字水印技术尚未形成一 个完整的学科理论体系，大多数系统设计还只是处于探索阶段，还有很多问题急 需解决。 目前，国内外数字图像水印算法基木七可分为两大类：空间域技术和变换域 技术。卜面介绍一下数字水印的几种典型算法除特剐指明外，这些算法主要针对 图像数据。 ( 1 1 空域算法 审问域的水印算法是最简单同时也是很常见的水印算法，浚类算法中典型的 水印算法是将信息嵌入到随机选择的图像点中最不重要的像素位( l s b ：l e a s t 州北师范人学碳j 学 证论文笫搴数7 水印挫术 s i g n i f i c a n tb i t s ) 副上，这叮保证嵌入的水印是不i ，j 见的。检测的时候，从图像的 l s b 部分恢复出所嵌入的信息，与原水印信息作比较，来确定水印的存在与否。 但是由于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。另外一个常用方法是利用像素的统计特征将信 息嵌入像素的亮度值中。p a t c h w o r k 算法1 9 】方法是随机选择n 对像索点( a i ，h i ) ， 然后将每个a i 点的亮度值加1 ，每个b i 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 t c h w o r k 方法对j p e g 压缩、f i r 滤波以及图像 裁蓟有一定的抵抗力，但该方法嵌入的信息量有限。文献【1 叫1 利用迭代混合的思 想，在空域中对原始图像与水印图像进行迭代混合，可以将水印图像隐藏在原始 图像中，隐藏信息量大，抗噪声能力强，但抗压缩能力较弱。 ( 2 ) 变换域算法 该类算法主要是利用图像处理中的图像的频域变换，将原始图像经频域变 换，在其变换域中进行水印嵌入。常用的图像变换有离散傅立叶变换( o f t , d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ) ，离散余弦变换( o c t , d i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m ) 及 离散小波变换f o w t , d i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o r m ) ，与之相应的水印算法也有d f t 域算法1 1 2 ，13 1 ，离散余弦变换d c t 域算法【1 4 - 1 8 1 ，小波变换( d w t ) 域算法1 1 9 _ 2 3 1 。变 换域水印嵌入基本过程是：首先，将数字图像的空间域数据通过某种变换转化为 相应的频域系数；其次，根据待毖藏的信息类型，对其进行适当编码或变形；其 次，根据隐藏信息量的大小和其相应的安全目标，选择某些类型的频域系数序列 ( 如高频或中频或低频) ；再次，确定某种规则或算法，用待隐藏的信息的相应数 据去修改前面选定的频域系数序列；最后，将数字图像的频域系数经相应的反变 换转化为空间域数据。 离散傅立叶变换是一种经典而有效的数学工具，d f t 域的算法有利于实现 水印的仿射不变性，而且可以利用变换后的相位信息嵌入水g o t l 2 , 1 3 l 。但d f t 域 的方法计算比较复杂，效率较低，而且与困际压缩标准不兼容，限制了它的应用。 典型的d c t 域算法是由c o x 等人【1 6 j 提出的一种基于d c t 变换的扩频水印 技术。它将满足正态分布的伪随机序列加入到图像的d c t 变换后视觉最重要系 数中。c t h s u 和j l w u 等【1 7j 利用可视化模型，在8 8 块图像块的d c t 系数中 之字形的选择4 x 4 个中频系数组成小块，通过比较相邻两个小中频系数块中相 应位置卜系数的大小进行标志图像水印的嵌入。b a r n i 等从整幅图像的d c t 系数中选择中频系数作为水印的嵌入位置。这些算法选择d c t 的中频系数对水 两北帅范人学坝i j 学位论史第争数，水日j 技术 印的不可见性和稳健性加以折衷，难以抵抗，k 缩编码及其他一些图陈处理的攻 击，而且水印的不可见性极大的依赖于不同图像的特性。 小波变换具有良好的时频特性，能充分反映人类的视觉特性，冈而在小波变 换域研究水印是极为重要的。现在大部分算法是基于小波变换的。 c t h s u 和j lw u t l 9 l 提出了多分辨率分析的水印算法，充