（计算机应用技术专业论文）数字水印感知性与健壮性的研究.pdfVIP

一 ：要塞坚里堂堕堡主堕塞皇兰垡笙塞 摘要 随着多媒体技术和网络技术的迅猛发展，许多作品开始以数字产品的形式在网络上广 泛传播。这简化了作品的交易过程，加快了作品的流通速度，同时也扩大了作品的影响范 围。但是它也带来了负面影响，多媒体技术使得作品的拷贝更为容易，网络技术则使得许 多恶意攻击者可以获得作品，这些直接导致了当前的盗版活动越来越猖獗。要想遏制这种 盗版行为，既需要法律的制约，也需要技术的保证。就技术而言，原有的密码技术在一定 程度上可以阻止这种盗版行为，但是这种技术将影响作品的可视性，而且自身的生命期比 较短暂，当到达合法的接收者时该密码技术就失效了，所以它不能担当起维护版权的卫士。 数字水印技术就是在这样的背景下产生的。数字水印技术是将创作者或发布商的版权信息 嵌入到作品中，并在需要的时候使用检测器检测出水印。它能最低限度地减小对原始作品 质量的影响，而且在作品的整个生命期内可以对作品的版权进行有效的保护。本文在前人 工作的基础上，针对当前数字水印的发展状况，完成了以下工作： i 提出了一种基于w a t s o n 感知模型的图像自适应数字水印算法。该算法首先根据图 像的灰度变化情况将图像划分成若干个平滑区域，然后根据w a t s o n 感知模型计算各个区域 的水印缩放系数，最后根据缩放系数来嵌入数字水印。实验证明这种算法具有很好的不可 感知性，且对作品的特征值没有较大的影响。 2 综合现有的质量评价标准和a n o v a 分析方法，构建水印图像的质量评价体系， 并且基于标准的测试图像集进行水印作品的质量评价。实验结果证明，这种质量评价体系 对于不同的图像集具有很好的一致性。 3 ，提出了一种基于f o u r i e r - m e l l i n 变换特性和相位相关性的新的抗几何失真数字水印 算法，并应用于实际的水印系统中。这种算法的核心，是先在水印系统的检测端对水印图 像进行基于f o u r i e r - m e l l i n 变换特性和相位相关性的图像匹配分析，并对水印图像的几何变 化做出判断，然后在对水印图像进行逆变换后，再进行相似性计算。实验证明，该算法能 够改善水印系统抗几何失真的性能。 4 针对带边水印系统模型，对数字水印容量的求解进行了分析，并采用实验方法研 究了数字水印感知性和健壮性之间的相关性。 关键词：数字水印，版权保护，感知性，健壮性，带边水印系统，水e p 容量 一一要塑皇堂堕堡主婴塞皇堂垡鲨塞 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm u l t i m e d i aa n dn e t w o r k ，m u c hw o r ki s d i g i t a l i z e da n d n e t w o r k e d i ts i m p l i f i e st h ed e a l ，a c c e l e r a t e st h ec u r r e n c ya n de x t e n d st h ee f f e c ta r e ao ft h ew o r k h o w e v e r , i tb r i n g ss o m en e g a t i v ee f f e c t ，f o re x a m p l e ，i tm a k e si te a s i e rt oc o p yt h ed i g l t a b z e d w o r k i tn e e d sb o t hl a wa n dt e c h n i q u e st os t o pt h ep i r a c y a sf a ra st e c h n i q u e sa r ec o n c e r n e d ， m o d e mc r y p t o g r a p h i ct e c h n i q u e sc a l ls t o pt h ep i r a c yl oac e r t a i ne x t e n t b u tt h ec r y p t o g r a p h y m a k e st h ew o r kd i s t o r t ，a n di tw i l lb eo u to fu s ea f t e rt h ew o r ki sd e c r y p t e d s ot h ec r y p t o g r a p h y c a n tf o r b i dt h ep i r a c y i nt h i sb a c k g r o u n d ，d i g i t a lw a t e r m a r k i n gi sg r a d u a l l yd e v e l o p e d t h e w a t e r m a r k i n gt e c h n i q u ec a l le m b e dt h ei n f o r m a t i o na b o u tt h eo r i g i n a t o ro rd i s t r i b u t o ri n t ot h e w o r k ，a n dt h e ni d e n t i f yt h ee x i s t e n c eo fw a t e r m a r ka tt h ed e t e c t o r t h i st e c h n i q u ec a na v o i d d i s t o r t i n gt h ew o r k ，a n dc a r lk e e pp r o t e c t i n gt h ew o r k sc o p y r i g h td u r i n gt h ew o r k sl i f e t i m e b a s e do nt h er e s e a r c hw o r ko fp r e - s c h o l a r s ，s o m ei n n o v a t i v ew o r ki sd o n ei nt h i sd i s s e r t a t i o n a n di so r g a n i z e da sf o l j , o w s ： 1 b a s e do nt h ew a t s o nm o d e l ，a ni m a g e - a d a p t i v ew a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mi sd e s i g n e d b y t h ea l g o r i t h ma l li m a g ei sd i v i d e di n t od i f f e r e n ts m o o t ha r e a s ，t h e nt h es c a l ef a c t o r sa r ef o u n di n d i f f e r e n ta r e a sa n dt h ew a t e r m a r ki se m b e d d e db yt h es c a l ef a c t o r s i tp r o v e st h a tt h ea l g o r i t h m h a sg o o di m p e r c e p t i b i l i t y 2 t h eq u a l i t ym e t r i c sa r ec o m b i n e dw i t ha n o v a t of o r mt h eq u a l i t ye v a l u a t i o ns y s t e mt o e v a l u a t et h ew a t e r m a r k e dw o r kb a s e do nt h et e s t e di m a g es e t s i tp r o v e st h a tt h eq u a l i t y e v a l u a t i o ns y s t e mi sc o n s i s t e n tf o rd i f f e r e n ti m a g es e t s 3 an e ww a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mi sd e s i g n e da g a i n s tg e o m e t r i ca t t a c k b a s e do n f o u r i e r - m e l l i nt r a n s f o r ma n dp h a s ec o r r e l a t i o n a f t e rt h ea l g o r i t h m i s a p p l i e d o nt h e w a t e r m a r k i n gs y s t e m s ，i tp r o v e st h a tt h ew a t e r m a r k i n gs y s t e m sa r eg r e a t l yi m p r o v e da g a i n s t g e o m e t r i ca t t a c k 4 b a s e do nt h ew a t e r m a r k i n gs y s t e mw i t hs i d ei n f o r m a t i o n ，t h ee x i s t i n gs c h e m e sa r e a n a l y z e dt h a th a v ed i s c u s s e dt h et h e o r i e sa b o u tw a t e r m a r k i n gc a p a c i t y a tl a s t ，t h er e l a t i o n i s o b t a i n e db e t w e e nw a t e r m a r k i n gi m p e r c e p t i b i l i t ya n dr o b u s t n e s st h r o u g ht h ee x p e r i m e n t s k e yw o r d s ：d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ，c o p y r i g h t ，p e r c e p t i b i l i t y , r o b u s t n e s s ，w a t e r m a r k i n gs y s t e m w i t hs i d ei n f o r m a t i o n ，w a t e r m a r k i n gc a p a c i t y l i 南京邮电学院 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学计算机应用 研究方向：信息隐藏 作 者：2 0 0 2 级研究生邓兰兰指导教师型堂 题目：数字水印感知性与健壮性的研究 英文题目：t h er e s e a r c h o n p e r c e p t i b i l i t y a n dr o b u s t n e s so f d i g i t a lw a t e r m a r k i n g 主题词：数字水印版权保护感知性健壮性 带边水印系统水印容量 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 c o p y r i g h t p e r c e p t i b i l i t y r o b u s t n e s sw a t e r m a r k i n gs y s t e mw i t hs i d ei n f o r m a t i o nw a t e r m a r k i n gc a p a c i t y 课题来源： 江苏省“六大人才高峰”项目：数字水印应用的关键 技术研究 堕墨坚皇堂堕堡圭坚壅竺兰垡堕兰 缩略词 缩略词英文全称 译文 a n o v a a n a l y s i so f v a r i a n c e方差分析 j n dj u s tn o t i c e a b l ed i f i e r e n c e 刚能察觉到的差异 c s fc o n t r a s ts e n s i t i v i t yf u n c t i o n 对比敏感度函数 m s e m e a ns q u a r ee r r o r 均方差 f f tf a s tf o u r i e rt r a n s f o r n q 快速傅立叶变换 i f f ti n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o t i n 快速傅立叶反变换 d c td i s c r e t ec o s i n et r a r t s f o r r n 离散余弦变换 d w td i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o t i n 离散小波变换 d cd i r e c tc u r r e n t直流 h v sh u m a nv i s u a ls y s t e m 人类视觉系统 南京邮电学院学位论文独创性声明 x 。7 6 5 2 3 8 本人声明所呈交的学位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谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电学院或其它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了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：盟兰兰日期：2 煎量生生 南京邮电学院学位论文使用授权声明 南京邮电学院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电学院研究生部办理。 研究生签名：照兰兰导师签名：i 益篁重垦日期：堡噬至生 南京邮电学院硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 多媒体信息的数字化为多媒体信息在互联网上的广泛传播提供了极大的便利，为广大 的用户创造了一个数字化的世界。随着多媒体信息交流的深度化和广度化，作品发布商大 多希望能够真接在互联网上完成多媒体产品的交易，从丽简化原始交易的繁杂过程，买卖 双方无须见面即可完成一次交易。然而多媒体技术的发展不仅带来了交易的简化，也带来 了作品的修改与拷贝的简化。于是盗版活动日益猖獗，盗版者只需将获得的媒体数据进行 简单的修改，甚至无需修改，只要进行多份拷贝，然后以相对正版低廉得多的价格进行销 售，即可获得巨大的非法利润。盗版行为破坏了交易的规范，损害了发布商与创作者的利 益。于是人们在充分享受因特网为生活带来便利的同时，开始考虑采用何种方式才能对人 类的知识产权进行有效保护，这既需要法律上的约束，也需要技术上的支持。 多媒体版权保护的一个普遍使用方法是加密技术。它将多媒体数据加密成密文后再 传播到网络上，从而防止非法用户获得多媒体数据并进行传播。这种技术存在的问题是， 当拥有密钥的入将作品解密出来后，他就可以任意的复制并传播该作品。也就是说加密技 术只在作品的传播过程中对作品的版权进行保护，而当作品到达传输终端后，加密技术即 失去了效用。同时具有特殊意义的密文也很容易引起人的兴趣，有的人只是简单的想从破 解密码的成功中享受快乐，但是有些恶意的攻击者不只是想要破解密码，而是将解密后的 作品进行非法传播，从中获利。 于是人们需要一种版权保护技术，它在作品的整个生命期内都能对作品的版权进行有 效地保护，而且它不会对作品的可视性产生显著影响。数字水印技术正是在这种背景下， 顺应人们对版权保护的要求而产生的。 数字水印技术【2 1 是在作品中嵌入水印( 如文字、标识、序列号等) ，并在必要的时候将 水印从作品中提取出来，以证实作品的所有权，它隐蔽了水印的存在性。在数字水印具有 较好的感知性和健壮性的条件下，数字水印的嵌入既不会给作品带来明显的失真，又能抵 抗住一些信号的处理操作。当然数字水印技术除了用于版权保护以外，还可以用在盗版跟 踪、拷贝保护以及作品的完整性保护上。因此，数字水印技术正得到了越来越多的研究者 和商业机构的关注。虽然与密码技术相比，数字水印技术还不够成熟，但其具有很大的发 展潜力，其技术正在不断地完善，其在版权保护中的优势也越来越突出。 南京邮电学院硕士研究生学位论文 第章结论 1 2 国内外研究现状 从c a r o n n i 于1 9 9 3 正式提出数字水印的概念到现在，数字水印技术经历了十年的发展 时间，锝到了国内外各个领域专家的关注，技术有了长足的进步。国内外对数字水印技术 的研究主要涉及三个方面： 1 基础理论研究，主要包括数字水印的通信模型和理论框架。数字水印的通信模型 分三类，代表了数字水印技术发展的不同时期：第一类是将多媒体数据看作是一种无法从 通信系统中删除的噪音：第二类也是将多媒体数据看作是一种噪音，但是它在嵌入端加入 了感知模型信息；第三类是将多媒体数据看作是一种边缘信息，嵌入端可以利用这个边缘 信息来控制数字水印的感知性和可检测性，也就是利用边缘信息分别产生了感知模型和水 印检测器模型。前两种通信模型将载体数据与噪音混为一谈，即将载体数据当作噪音看待， 没有充分利用对载体数据的已知性。而后一种带有边缘信息的通信模型将载体数据与噪音 区分开来，将载体数据看作是边缘信息，充分幂u 用了对它的已知性，从而可以在嵌入数字 水印时对数字水印的感知性和健壮性进行充分考虑。 这三类通信模型将数字水印技术的研究发展分为三个阶段： ( 1 ) 第一阶段的研究是基于第一种通信模型，虽然并没有专门的论文对这种通信模型 进行详细的讨论，但是在感知模型应用到数字水印之前，论文【3 】【4 1 大都是采用这种通信模 型来对数字水印技术展开讨论的。这种水印系统采用了s h a n n o n 信息论作为自己的理论基 础。论文 5 】就以s h a n n o n 的信息论为理论基础来讨论这种通信模型下的数字水印嵌入量问 题，并讨论了在保证这个数字水印嵌入量的前提下，如何实施数字水印的嵌入。这是数字 水印技术发展的初始阶段。 ( 2 ) 第二阶段的研究是基于第二种通信模型，这种通信模型与第一种通信模型相比， 多出了一个感知模型。因此这个阶段的研究重点将是感知模型及感知模型在数字水印中的 应用。应用到数字水印技术中的感知模型被分成以下三种：j n d ，凡是位于j n d 界限以 下的信号都被认为是不显著的或是不可感知的，论文【6 】由背景的亮度适应和局部的空间对 比度掩蔽推倒出了基于像素的j n d 界限值；对比敏感度，m a n n o s 与s a k r i s o n 在论文【7 】 中提出用c s f 表示对比敏感度；掩蔽，一个信号的存在将掩蔽另一个信号的存在，论 文 8 】通过实验获得了当左眼和右眼都有掩蔽光信号到达时，右眼对正弦波光信号所能感受 到的界限值。感知模型的特性表明，分布在图像各个像素位置上的数字水印能量不是一致 的，而且噪音的能量也不是一致的。这使得s h a n n o n 的信息理论不能直接应用于这种通信 模型中，于是一些论文开始考虑基于感知模型上的理论分析，论文 9 】就在这个方面做了探 2 量堕苎堕型塑堑粤苎! 墨! 生兰堡堡生 塑= 童堕笙 讨，给出了变化状态信道的水印容量公式。 ( 3 ) 第三阶段的研究是基于第三种通信模型，这种通信模型与前两种通信模型完全不 同，不仅有效地利用了载体数据，而且在嵌入端同时考虑n t 数字水印嵌入的感知性和健 壮性，可以在保证数字水印的不可见性同时，能够抵御一般的信号操作。i j c o x 等人在 论文 1 0 】中提出将在传输端含有边缘信息的通信模型应用到数字水印中，并进行了理论分 析，给出了有效的数字水印检测区域。论文0 1 对这种通信模型的水印容量问题迸行了探 讨。虽然s h a n n o n 在1 9 5 8 年提出了这种通信模型1 1 2 1 ，并且后来有许多论文 1 5 对带有 边缘信息的不同信道容量问题进行了探讨，但将这种通信模型应用到数字水印技术中的时 间比较短，这种模型也很复杂，相应的理论分析还很缺乏，正处于研究阶段。 国内的研究主要基于前两种通信模型对数字水印进行研究。论文【1 6 】在s h a n n o n 信息 论的基础上，针对典型的频域图像水印算法，给出了一个估计水印信道容量的理论公式。 论文 17 i 也是在s h a n n o n 信息论的基础上，利用了噪声可见性函数，给出了对水印嵌入功 率进行自适应限定的水印容量分析方法，并且讨论了盲检测和非盲检测情况下的水印容量 问题。论文1 8 1 采用了包含感知模型在内的通信模型，在该模型的基础上，从六个方面给 出了设计和评价水印健壮性的基本方法。 2 应用基础研究，包括针对图像、声音和视频等多媒体数据，研究相应的数字水印 嵌入算法、检测算法以及能够保证数字水印不可见性的自适应水印算法，能够抵抗住几何 变化、压缩、过滤等信号处理的健壮水印算法。 数字水印嵌入算法根据选择的嵌入域不同，可以分为：空间域算法，即在空间域中实 施水印嵌入，其中有置换算法，妇最低比特位置换和伪随机置换旧1 ，数据融合算法【2 0 1 以及 四叉树算法等：变换域算法，目前主要是d c t 域 2 2 1 2 3 j 和d w t 域 2 4 1 1 2 引。 为了增强数字水印的不可感知性，人们将感知模型应用到数字水印中，其中感知模型 包括j n d ，视觉的对比敏感性和掩蔽性。i j c o x 等人发表的论文1 26 l 第一次提出将水印信 号基于载体的感知性上修改。一些论文口7 】【2 8 脚1 将j n d 应用到数字水印算法中，其中论文 2 7 】是在传统的l s b 算法中应用了j n d 感知模型，使嵌入的l v , 特数适应于图像中不同灰度 级的像素；论文【2 8 】是在扩展频谱嵌入算法中将感知模型与水印检测模型结合在起；论 文f 2 9 】是在小波域中应用j n d 来决定嵌入水印的位置，并且动态控制水印的能量。论文【3 0 】 和论文【3 1 】分别用到了c s f 的特征和在小波域中使用了c s f 公式。一些论文f 3 2 j 采用 了掩蔽视觉模型，其中论文【3 2 】是在扩展频谱水印方法中用到了掩蔽模型并评估了这种方 案的健壮性，论文【3 3 】是在d c t 域中应用了掩蔽模型，使不同能量的水印嵌入到不同的图 像块中，论文 3 4 1 是在d w t 域中应用掩蔽模型实施水印嵌入a 量坐塑型塑堡墅生望墅塞兰兰垄坚 苎二兰堕堡 在现有的论文中，增强健壮性的方法主要有两类：一类是试图创造出一种水印，它在 经过常规的处理后仍能被检测器检测出来，大部分论文p 5 】【3 6 肼l p 8 1 均是采用这种方案来增强 数字水印的健壮性；另一类是试图在嵌入或检测处理中，对水印进行失真补偿，这种方法 需要在嵌入端估计数字水印可能经历的所有攻击，在作品中嵌入水印的各种变形，或者在 检测端估计数字水印可能经历的攻击，再对作品进行反变换的处理。 3 应用技术研究，以实用化为主要目的，开发出一些用于版权保护的数字水印软件。 目前有许多公司在从事数字水印软件的开发【3 9 j ，如d i g i m a r c 公司，它生产的产品包括： p i c t u r e m a r c ，是与a d o b ep h o t o s h o p 、c o r e ld r a w 等图像处理和图形绘制软件捆绑销售的 数字水印插件，它可以在图像中加入著作权i d 、发行权i d 和复制权i d ；r e a d m a r c ，是与 p i c t u r e m a r c 配套使用的数字水印阅读器，是一个可以自由下载的免费软件；m a r cc e n t r e ， 是一个基于i n t e r n e t 的水印认证服务系统，可以管理大规模的著作权i d 数据库，并提供各 种在线服务。还有s i g n u m 技术公司，它生产的水印产品包括两个系列：s u r e s i g n f i n g e r p r i n t s ，包括为p h o t o s h o p 开发的数字水印插件s u r e s i g n w r i t e r 、批量水印书写软件 s u r e s i g np r o 和水印开发包s u r e s i g ns d k ：s u r e s i g n 水印产品允许用户嵌入著作者标识和 作品标识两种水印信息，在图像类型方面，s u r e s i g n 没有特殊的要求，支持真彩色、灰度 和索引色图像，在存储格式方面，s u r e s i g n 支持压缩比小于3 0 的j p e g 格式，s u r e s i g n 还 可以从打印作品的扫描图像中读取水印。a l p h a 技术公司：其开发的数字水印产品 e i k o n a m a r k 在技术上有很多特色，比较好地解决了多次图像水印问题，可以添加5 0 个 以上不同的水印。当然，每个水印都会在定程度上损害图像的质量。e i k o n a m a r k 还允 许将添加了水印的图像保存为高压缩比的j p e g 格式，解码时也不需要原始图像。 在国内也有一些公司在做数字水印软件的应用开发，如上海阿须数码有限公司专门从 事数字防伪技术，申请了电子印章、电子印章服务平台、电子公文系统和数字防伪技术等 多项国内外专利，其技术被广泛应用于文档安全、数字图像认证等方面。 综合国内外数字水印技术的研究现状，我们看到数字水印技术的研究虽然刚刚起步， 只有短短十几年的时间，但数字水印技术已经有了很大的发展，水印种类根据其特性可分 为可感知的、不可感知的，盲检测的、非盲检测的，健壮的、脆弱的等等，水印算法层出 不穷，包括空间域的、变换域的。但我们也看到数字水印技术与密码技术相比，仍然很不 成熟，有许多问题需要解决，其中的热点问题是： j 缺乏对水印系统的基础理论研究。早期的研究多是从应用角度设计水印算法，缺 少理论的支持。近来许多专家意识到这一点，并开始这方面的研究。些研究将水印系统 看作一个通信模型，其中将载体信息作为噪音，应用了s h a i l l l o n 的信息论作为水印系统的 4 重量苎业坠型墨幽型竺兰燮 ： 塑二皇堕笙 基础理论。但是这种通信模型没有充分利用对载体信息的已知性，而且应用s h a n l l o n 信息 论的前提条件是整个载体信息必须有一致的水印能量限制和噪音能量限制。于是有人将水 印系统看作是一个带有边缘信息的通信模型，这种通信模型充分利用了对载体信息的已知 性，与水印系统的实际情况相符含，但是这种通信模型缺少相应的基础理论，包括如何确 定感知性与健壮性之间的关系，如何得到水印的最大有效载荷等。另外，没有相关的论文 证明将水印系统看作是通信模型的合理性。 2 对于版权保护这应用，健壮性是数字水印技术的一个主要性能指标，它要求水 印系统能经受住一些基本的操作，包括压缩、过滤、几何变换等。但目前所研究出来的水 印系统只能经受住其中的一种或几种操作，而没有任何一个水印系统能经受住所有的操 作，而且像几何变化这样的操作一直困扰着众多的研究者，个有效抵御几何失真的数字 水印算法正在探讨之中。 3 标准化问题也是个急待解决的问题。目前水印的研究完全处于开放状态，没有 一个标准对各种水印系统进行公正的、客观的评价。现在已经存在多种用于水印健壮性测 试的软件，比较有代表性的是s t i r m a r k 、c h e c k m a r k 和o p t i m a r k 。s t i r r n a r k 是对给定的一幅 加了水印的图像进行测试，生成许多修改后的图像，以此来验证嵌入的水印是否能被检测 到；与s t i r m a r k 相比，c h e c k m a r k 添加了新的质量测量方法一加权p s n r 和w a t s o n 测量方 法；o p t i m a r k 是用于静止图像水印算法的一个基准测试工具，与s t i r r n a r k 和c h e c k m a r k 不 同的是，它能利用不同的水印密钥和信息，使用多重测试进行检测解码性能评估。但这些 针对健壮性的水印基准测试软件无法用于不同的水e 口系统，例如有些水印系统要求水印具 有脆弱性，但这些测试没有考虑这种易损性水印；另外测试没有考虑隐藏分析，即对水印 系统可能带来暴露隐藏信息存在性的问题没有考虑，它们只是注重于删除水印和阻止水印 检测的攻击。因此开发针对不同系统的基准测试软件，是当前数字水印技术的研究重点。 1 3 本文的主要工作和结构安排 数字水印技术作为一种版权保护技术，一方面要求在作品中嵌入数字水印后，作品仍 能维持较好的品质，其失真保持在人的感知界限以内，使人无法觉察到这种变化，即要求 数字水印是不可感知的；另一方面要求水印作品在经历了一般的处理后，检测端仍然能从 中检测到水印的存在，即要求数字水印是健壮的。可见不可感知性和健壮性是数字水印技 术的两个基本性能，本文将对数字水印的这两个特性分别进行详细讨论。 不可感知性和健壮性是相互联系，相互影响的。为了实现数字水印的不可感知性，使 南京邮电学院硕士研究生学位论文 第一章绪论 嵌入水印的作品具有最小的失真，我们通常将数字水印嵌入到作品的高频分量中，即作品 感知不显著的系数中；但由于这部分高频分量对作品贡献较小。一些处理操作如低通滤波、 压缩等将会去除这部分高频分量，我们在检测时将会由于这部分内容的缺少而无法检测到 水印的存在。同样，为了实现数字水印的健壮性，我们将数字水印嵌入到作品的低频分量 中，但这很容易造成作品的失真，使人觉察到水印的存在。因此寻找数字水印的不可感知 性和健壮性之间的折中是很重要的，本文将在带边水印系统模型中探讨不可感知性和健壮 性之间的关系。 我们知道数字水印技术的发展才是最近十年的事情，其理论研究十分欠缺，于是些 研究者试图将通信模型引入到数字水印中，并采用通信理论对数字水印进行理论分析。本 文将介绍带边水印系统模型，并对带边水印系统模型的数字水印容量求解进行分析。 本文作者的研究工作主要在以下几方面有所突破和创新； 1 提出了一种基于w a t s o n 感知模型的图像自适应数字水印算法。该算法首先根据图 像的灰度变化情况将图像划分成若干个平滑区域，然后根据w a t s o n 感知模型计算各个区 域的水印缩放系数，最后根据这个缩放系数来嵌入数字水印。实验证明这种算法具有很好 的不可感知性，且对作品的特征值没有较大的影响。 2 综合现有的质量评价标准和a n o v a 分析方法，构建水印图像的质量评价体系， 并且基于标准的测试图像集进行水印作品的质量评价。实验结果证明，这种质量评价体系 对于不同的图像集具有很好的一致性。 3 提出了一种基于f o u r i e r - m e l l i n 变换特性和相位相关性的新的抗几何失真数字水印 算法，并应用于线性相关检测水印系统和归一化相关检测水印系统。这种算法的核心，是 先在水印系统的检测端对水印图像进行基于f o u r i e r - m e l l i n 变换特性和相位相关性的图像 匹配分析，并对水印图像的几何变化做出判断，然后在对水印图像进行逆变换后，再进行 相似性计算。实验证明，该算法能够改善水印系统抗几何失真的性能。 4 针对带边水印系统模型，对数字水印容量的求解进行了分析，并采用实验方法研 究了数字水印感知性和健壮性之间的相关性。 本文的主要内容和结构安排如下： 第一章是绪论，简要介绍了数字水印的发展背景和当前国内外的发展现状，并提出了 数字水印技术中存在的一些热点问题。 第二章是数字水印概述，对数字水印的发展进行了较全面的论述，包括数字水印的发 展历史、数字水印的概念和系统模型、数字水印的特性和分类，并且分析了数字水印几种 典型算法的特点，在本章的最后我们对数字水印的应用前景进行了展望。 6 南京邮电学院硕士研究生学位论文 第一章绪论 第三章对数字水印不可感知性进行了详细讨论，首先我们对不可感知性的概念进行了 讨论，确定了不可感知性不仅指人是否能用肉眼觉察到作品的失真，还包括采用水印分析 工具对作品的重要特征进行分析后是否能发现明显的变化。然后我们介绍了感知模型、质 量评价标准和a n o v a 分析方法，由此来构建水印图像的质量评价体系，实验证明该质量 评价体系对不同的图像集具有一致性。最后我们在w a t s o n 感知模型基础上提出了一种图像 自适应水印算法，实验结果表明这种算法具有很好的不可感知性，并且对作品特征值的影 响较小。 第四章是对数字水印健壮性进行探讨。我们首先介绍了当前的几种攻击类型，以及一 些相应的对策，详细介绍了针对几何攻击的健壮性方案。然后我们提出了一种基于 f o u r i e r m e l l i n 变换特性和相位相关方法的抗几何失真数字水印算法，并将这个算法应用到 水印系统中，实验证明这种算法能有效改善水印系统抗几何失真的性能。 第五章是将通信模型引入到数字水印系统中，介绍了带边水印系统模型，并且对这种 模型中数字水印容量的求解进行了分析。在带边水印系统模型的基础上，我们采用实验的 方法研究了线性相关检测水印系统和归一化相关检测水印系统数字水印不可感知性和健 壮性之间的相关性。 7 曼塑皇兰堕堡主翌塞竺兰垡堡兰 塑三兰墼主查堡堡蕉 第二章数字水印概述 2 1 数字水印的形成和发展 数字水印实际上是由纸上水印发展而来的。最早的纸上水印出现在大约7 0 0 年前，当 时在意大利的一个城镇里，造纸工业很发达，大约有4 0 家造纸厂在制造纸张，当然这些 纸张的式样、质量和价格均不相同。而且造纸厂生产的纸张表面粗糙，是不能直接使用的， 必须经过工匠加工。经过加工后的纸张被清点、折叠后卖给商人。因此在造纸厂、工匠和 商人之间存在着激烈的竞争。水印成为了当时最完美的解决方案。这种水印主要是用来识 别不同工厂，从而确保纸张的质量。自从水印发明之后，他们便迅速在意大利继而全欧洲 传播开来。 纸上水印与数字水印之间存在许多相似之处，在银行票据或邮票上的纸上水印激发了 “水印”这一术语在数字产品环境中的应用。最早关注数字图像水印的文献 4 0 】f 4 1 】是 t a n a k a 等人于1 9 9 0 年以及t i r k e t 等人于1 9 9 3 年发表的。 二十世纪九十年代正是互联网的时代，互联网不仅成为了人们与外界接触的媒介，而 且它也成为了各大商家推广自己的产品甚至进行产品交易的场所。而多媒体技术的发展促 进了电子商务的诞生与发展，为网上交易提供了技术可能。但是多媒体技术的发展也使得 制作完美拷贝非常容易，这导致了大量的非授权拷贝，极大的损害了各个商家的利益。数 字水印技术得到了研究者和商家的注意，成为了解决版权问题的主要方法，也因此得到了 极快的发展。 从1 9 9 4 年开始，国际学术界陆续发表了有关数字水印的文章，几个有影响的国际会 议( i e e e c i p 、i e e ei c a s s p 、a c mm u l t i m e d i a 等) 以及一些国际权威杂志( p r o c e e d i n g s o f i e e e 、s i g n a lp r o c e s s i n g 、c o m m u n i c a t i o n so f a c m 等) 相继出版了数字水印专辑。1 9 9 6 年5 月，第一届国际信息隐藏学术研讨会( i n t e r n a t i o n a li 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 ) 在英国剑桥牛顿研究所召开，至今已举办了六届。而另一个国际数字水印专题讨论会也从 2 0 0 2 年开始，每年举办一次，至今已经举办了三届，并计划于2 0 0 5 年的九月份在意大利 召开第四届研讨会。这些会议有效地推动了数字水印技术的快速发展，所取得的成绩相当 于密码学在过去一百年的时问里所取得的成绩，而数字水印技术的应用早在1 9 9 5 年就开 始了，当时美国的d i g i m a r c 公司率先推出了世界上的第一个商用数字水印软件，而后又以 插件的形式将该软件集成到a d o b ep h o t o s h o p4 0 和c o r e ld r a w7 0 中。从数字水印概念的 曼堕堡皇兰堡堡圭塑墨竺兰堡堡茎 一 一一一一塑三兰墼! 查塑竖堡 提出和对数字水印技术研究的展开到数字水印技术的商品化，它们之间的时间间隔非常 短，可见市场对数字水印技术的需求是多么地迫切，这也成为了数字水印技术发展的动力。 2 2 数字水印的概念和系统模型 数字水印实际上是信息隐藏的一个分支，因此在这里我们先介绍一下信息隐藏的概 念。信息隐藏1 4 2 1 4 3 1 是将秘密信息隐藏在数字化宿主信息( 如文本、数字化的声音、图像等) 中的方法，是一种特殊的信息加密法，其宗旨是让加密后的密文有意义。这里的秘密信息， 是指待隐藏的信息，它可以是多媒体数据如图像等，也可以是版权信息或序列号；宿主信 息即载体信息，用来承载秘密信息。信息隐藏不同于密码学，密码学研究如何将秘密信息 进行编码，以便形成无法识别的密文进行传输，而信息隐藏技术则是将秘密信息隐藏在公 开信息中，并以公开的信息进行传输。 目前，信息隐藏除了包括数字水印以外，还包括数据伪装。数据伪装技术主要用于秘 密信息的传送，由于它隐匿了秘密信息的存在性，因此能够为信息的安全传输提供更多的 保障。数据伪装技术，主要是研究通信系统的安全性以及在保证秘密信息的不可感知性条 件下，传送尽可能多的信息，并且保证信息的完整性。数字水印技术主要用于版权证明， 它和数据伪装技术有许多相同之处，但是它要求能够检测到水印的存在，所以它比数据伪 装技术要求有更好的健壮性，能抵抗住各种攻击，包括像图像压缩、几何变换、过滤和噪 音干扰等。 数字水印系统包括数字水印嵌入和数字水印检测两个模块，如图1 所示。其中c o 为原 始作品，w 为数字水印。在嵌入端，数字水印嵌入器对数字水印进行编码，然后通过某种 算法将编码后的数字水印嵌入到原始作品中成为c - , 。在传输过程中，作品可能受到一些基 本的操作或是信道的干扰或是人为的攻击，我们都将它看作是对作品的扭曲”，因此检测 端得到的作品将是c ，。在检测端，存在两种情况，一种是读者对作品进行常规的读取操作， 另一种是法庭需要检测作品中是否存在水印。为了进行版权的证明，通常发布商要向法庭 提供原始作品，或者发布商为了保护自己的利益不愿意提供原始作品，而只是提供自己的 水印。这个水印系统既描述了数字水印技术实施的整个过程，同时也提出了对数字水印技 术的性能要求。首先我们需要对数字水印进行适当编码和变形，如扩展频谱编码和纠错编 码，这将使数字水印具有较好的健壮性，能抵御住噪音的干扰；再如根据数字水印可能遭 受的攻击对数字水印进行变形，这种处理通常是针对几何攻击的。然后我们在原始作品中 嵌入数字水印，我们将在2 , 4 节中介绍一些典型的数字水印算法。最后我们在检测端对水 9 卫坐塑堕塑堕曼圭墅耋兰兰些堡l 一 笙三童墼兰查塑塑堕 印进行盲检测或非盲检测。在检测端，读者需要阅读水印作品，这要求水印作品具有较好 的品质，水印的嵌入不将给作品带来明显的失真；法庭需要检测水印的存在，这要求水印 作品具有较好的健壮性，能抵抗住一般的操作以及部分攻击。 原始 水 图l 数字水印系统模型 2 3 数字水印的特点及其分类 随着数字水印技术的发展，数字水印技术已经不仅仅用于版权证明，而且应用到更多 的领域中，不同的应用对水印的性能要求是不同的，因此出现了不同的数字水印。下面我 们将介绍水印系统的性能评价指标，以及对应这些水印性能的数字水印分类。 1 有效载荷是指在确保水印信息的不可见性时，原始作品( 包括文本、图像、声音、 视频流等) 最大的隐藏能力。这首先要取决于所选的原始作品，不同的原始作品，其特征 也不同，例如，图像的幅度特征、直方图特征、边缘特征或纹理特征等，这些不同都会影 响到嵌入水印的能力；其次要取决于作品在流通中所经过的信道，信道性质不同，可能遭 受的攻击也会有所不同，有效载荷将受到影响；在原始作品和传播信道确定的情况下，就 要考虑具体的嵌入算法。 2 健壮性是对水印作品是否能够经过各种噪音和信号操作的一种量度。这里的信号 操作包括尺寸收缩、旋转、压缩、重采样和过滤等。根据健壮性这一特征，数字水印可以 分为健壮性水印和脆弱性水印。健壮性水印在遭受了一般的处理操作后，检测器仍然能够 检测到所嵌入的数字水印，因此健壮性水印主要用于版权证明，在本篇论文中，我们将主 要讨论健壮性水印。脆弱性水印则是在作品被修改或是被恶意攻击后，水印将是不可测的， 这类水印可以用于保持和验证作品的完整性上。 1 0 一鼍 蚋l 上套 扭 ， 窜 南京邮电学院硕士研究生学位论文 第二章数字水印概迷 3 感知性是对水印信息嵌入后水印作品质量的一种量度。如果水印信息的嵌入不能 影响到原始作品的品质，而且水印作品具有较好的保真度，即从观察者的角度无法观察到 水印作品与原始作品的区别，且水印作品与原始作品具有一致的特性，这样的水印称为不 可视水印。而如果水印信息嵌入后，观察者能壹接觉察到水印的存在，这种水印就是可视 水印。一些视频流可能会要求可视水印，但是为了保持作品的质量，通常人们都会使用不 可视水印。本篇论文将讨论不可视水印。 这里我们要说明的是，健壮性与不可感知性是相互矛盾的，健壮性要求算法将数字水 印嵌入到感知上比较重要的系数中，这将会破坏感知上重要的系数，降低作品的质量，如 果作品的失真非常严重，那么这幅作品将不再被使用。但是如果嵌入到感知不明显的系数 中，由于这些系数很容易被过滤掉或是被压缩掉，那么这些数字水印也将被从作品