（计算机系统结构专业论文）基于通信模型的图像水印算法鲁棒性研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 随着互联网的迅速发展，数字多媒体作品比以往更加容易获取、复制和传 播。因此对这些数字作品的版权保护问题就成为一个重要的课题。数字水印技 术正是为了解决这一问题而产生的。数字水印技术，是指一种在原始载体作品 中嵌入具有某种意义的数字信号( 称作数字水印) ，形成水印作品的技术；被嵌 入的信号通常是不可见或不可察的，但是通过对水印载体的检测仍然可以提取 出水印或者判定水印是否存在。这篇论文主要研究如何提高图像数字水印的鲁 棒性。为了实现这一目标，这篇论文提出一种通过嵌入多个数字水印来提高数 字水印的鲁棒性的方法。这是一种新的提高鲁棒性的思路。论文首先给出了水 印的基本知识，包括水印的基本概念、特性、应用范围和水印模型。接下来， 论文讨论了一些提高数字水印鲁棒性的传统方法。然后论文讨论了多水印嵌入 技术以及如何利用多水印嵌入技术来提高数字水印的鲁棒性。最后给出了该篇 论文的结论，讨论了其工作的优点及不足之处，以及下一步的工作任务。 论文的工作主要集中在三个方面。第一个方面是对提高数字水印鲁棒性的 传统方法的研究。在这一部分，基于其它论文中提出的一些原则和方法，实现 了三个新的水印系统，即r e p e a t 系统、a n t i n o i s e 系统和a n t i c r o p 系统。第二 个方面主要研究如何利用多水印嵌入技术来提高鲁棒性。该方法是一个新的提 高水印技术鲁棒性的方法。在这一部分，构建了一个新的水印系统c o m b i i l e 系统，同时还提出了一种新的嵌入多水印的方法。这一部分是该篇论文最重要 的部分。除了以上两个方面，论文还实现了其它一些系统。这些系统是由其它 研究者提出的。所有的系统均进行了相应的鲁棒性实验，以验证其有效性。 理论分析和实验结果均表明论文中提出的各个新的数字水印系统可以有效 地提高水印的鲁棒性。 关键词：数字水印技术，鲁棒性，多水印嵌入 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dg r o w t ho fi n t e r n e t u s a g e ，d i g i t a lm u l t i m e d i aw o r k sb e c o m e s m o r ea n dm o r ee a s yt ob ea c q u i r e d ，c o p i e da n dt r a n s m i t t e d c o n s e q u e n f l nt h e p r o t e c t i o no fc o p y r i g h to ft h e s ew o r k st u r n st ob ea l li m p o r t a n ti s s u e d i g i t a l w a t e r m a r k i n gi st h et e c h n i q u et oe m b e ds o m ed i g i t a ls i g n a l sc a l l e dd i g i t a lw a t e r m a r k i n t ot h ed i g i t a lm u l t i m e d i ac o n t e n tt op r o t e c ti t sc o p y r i g h t t h ee m b e d d e dw a t e r m a r k i su s u a l l yi m p e r c e p t i v e h o w e v e r , ad e t e c t o rc a nb eu s e dt oe x t r a c ti to rv e r i f yi t s p r e s e n c eo ra b s e n c e t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ei m p r o v e m e n to fr o b u s t n e s so fi m a g e d i g i t a lw a t e r m a r k i n gt e c h n i q u e f o rt h i sp u r p o s e ，an e ws c h e m ei sp r o p o s e d ，w h i c h e m b e d sm u l t i p l ew a t e r m a r k si n t ot h es & m em u l t i m e d i ac o n t e n t s o m ep r e l i m i n a r i e s o fw a t e r m a r k i n gt e c h n i q u ea r ep r e s e n t e df i r s t l y , w h i c hi n c l u d eb a s i cc o n c e p t i o n ， a p p l i c a f i o n s ，p r o p e r t i e s ，m o d e l so fd i g i t a lw a t e r m a r k i n gt e c h n i q u e a n dt h e n , s o m e c o n v e n t i o n a li d e a st o i m p r o v e t h e r o b u s t n e s s a r ei n t r o d u c e d n e x t ，m u l t i p i e w a t e r m a r k i n gt e c h n i q u ei sd i s c u s s e d , a n di su s e dt oi m p r o v et h er o b u s t n e s s f i n a l l y , s o m ec o n c l u s i o n sa r ed r a w n ，a n dm e r i t sa n dd e m e r i t so ft h ew o r ka r ec o m m e n t e d ， a n dt h et a s k sf o rf u r t h e ri n v e s t i g a t i o na r ea l s og i v e n t h i sp a p e rf o c u s e so nt h r e ea s p e c t s t h ef i r s to n ei st oe x p l o i tn e ws c h e m e st o i m p r o v et h er o b u s m e s so fd i g i t a lw a t e r m a r k i n gb a s e do nc o n v e n t i o n a li d e a s a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l e sa n dm e t h o d sp r o p o s e db yo t h e rp a p e r s ，t h r e en e w w a t e r m a r k i n gs y s t e m s ，n a n e l y , s y s t e mr e p e a t ，s y s t e ma n t i n o i s ea n ds y s t e m a n t i c r o pa r ep r o p o s e d t h es e c o n do n ef o c u s e so nh o w t oi m p r o v et h er o b u s t n e s so f t h ew a t e r m a r k i n gt e c h n i q u eb ye m p l o y i n gt h em u l t i p l ew a t e r m a r k st e c h n i q u e ，w h i c h i san e ww a yl e a d i n gt ot h ei m p r o v e m e n to fr o b u s t n e s s an e ww a t e r m a r k i n gs y s t e m n a m e ds y s t e mc o m b i n e ，i si m p l e m e n t e d ，a n dan e wi d e ao fe m b e d d i n gm u l t i p l e w a t e r m a r k sa r ep r o p o s e dt o o t h i si st h ef o r e m o s tp a r to ft h ep a p e r e x c e p tf o rt h e t w oa s p e c t sa b o v e ，m a n yo t h e rw a t e r m a r k i n gs y s t e m sa r ea l s oi m p l e m e n t e d ，a l lo f w h i c ha r ep r o p o s e db yo t h e rr e s e a r c h e r s c o r r e s p o n d i n ge x p e r i m e n t so nr o b u s t n e s s h a v e b e e n c a r r i e d o u t t o v e r i f y t h e v a l i d i t y o f e a c hs y s t e m t h e o r e t i ca n a l y s i sa n dc o m p u t e rs i m u l a t i o ns h o wt h a tt h ep r o p o s e d w a t e r m a r k i n gs y s t e m sd oi m p r o v et h e i rr o b u s t n e s se f f e c t i v e l y k e yw o r d ：d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ，r o b u s t n e s s ，m u l t i p l ew a t e r m a r ke m b e d d i n g 重庆大学硕士学位论文1 数字水印技术的基本知识 1 数字水印技术的基本知识 数字水印技术是一种新兴的技术， 本章将介绍数字水印技术的基本知识， 围和特性三个方面。 至今仍然是一个热门的研究课题 2 8 1 3 ”。 包括数字水印技术的基本概念、应用范 1 1 数字水印技术的基本概念 随着互联网在全世界范围内的普及，各种数字作y n ( 包括文档、声音、图像 和视频等) 能够更加容易地被非法复制和传播，这必然对版权所有者的利益造成 损害。虽然传统的数字签名也可以在某种程度上保护数字作品的版权，但它仍 具有很大的缺点： 数字作品可以从签名中分离出来。虽然这时作品失去了签名，但仍然可 以使用或欣赏。 作者为了证明其版权，不得不在每次发布作品前把作品的数字签名传送 给第三方公正，这是很不方便的。 由于这些缺点，人们期望存在这样一种技术： 作品及其版权难以分割 作者毋须第三方即可证明其拥有版权 数字水印( d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ) 技术可以满足这些要求，数字水印技术可 定义如下： 数字水印技术，是指一种在原始载体作品中嵌入具有某种意义的数字信号 ( 称作数字水印) ，形成水印作品的技术；被嵌入的信号通常是不可见或不可察 的，但是通过对水印载体的检测仍然可以提取出水印或者仅仅判定水印是否存 在。 从上面的定义来看，包括以下几个概念； 原始载体作品：用于嵌入数字水印的数字作品，可以是文档、图像、音 频、视频等形式 数字水印：一种有意义的数字信号，它可能包含了与原始载体作品或作 品的版权所有者等相关的信息。 嵌入器：可以是软件或硬件的形式，实现一种算法，将数字水印嵌入到 原始载体作品。 数字作品：嵌入了数字水印的作品。该作品可能会受到一些正常的信号 处理，甚至是恶意的攻击 重庆大学硕士学位论文1 数字水印技术的基本知识 检测器：可以是软件或硬件的形式，实现一种算法，从数字作品中提取 出数字水印或者段仅仅判定数字水印是否存在。 除了用于数字作品的版权保护，数字水印技术在其它领域也有广泛的用途， 如内容认证和增值服务等。我们将在下一节中具体介绍数字水印的应用。 1 2 数字水印技术的应用范围 数字水印的应用范围可分为七类，即：广播监视、所有者鉴别、所有权验 证、拷贝跟踪、内容认证、拷贝控制和增值服务。这一节将介绍每一类应用的 背景和概念。 1 2 1 广播监视 以电视中播放的广告为例，电视或电台的广告客户需要确认他们的广告确 实在在所有预定的时间内被播放。而广告演员也希望保证从每一次的广告中获 得应得的版税。又或者某些市场统计组织需要关于某种产品广告的统计数据。 这些需求都需要实现广播监视。 有三种备选解决方案可以实现广播监视。 人工监视：即雇佣人员来收听和监视广播( 音频或视频) 。这种方案监 视效果最精确，但成本太高，因为人员所能监视的广播数目有限。 被动监视：电脑直接接收广播的内容，然后鉴别。这种方式需要大量的 存贮空间，而且算法的运算时间也很长。如果改为对广播的数字签名进行鉴别， 则由于广播信号容易发生畸变，所以准确性差。 主动监视：电脑识别与广播内容一起发送的相关信息。水印是实现主动 监视的有效方案。广告的用户或统计组织可要求在广播中嵌入水印，然后在任 一接收端用检测器提取出水印，并记录到数据库中。主动监视方法比前两种方 法效率更高、成本更低。由于现有的许多广播并非采用数字形式，在嵌入和提 取时可能需要将水印及算法进行一定的修改。 1 2 - 2 所有者鉴别 所有者鉴别的目的向数字作品的使用者告之该作品的版权所有者。为了将 数字作品及其版权所有者联系起来有多种方法。对于视频作品，这个任务更容 易实现。因为可以在视频的开始处插入一个关于版权所有者的画面。对于音频 作品来说，版权信息则印在物理媒介和包装上，在复制时，版权就更容易丢失 了。而对图像而言，如果将版权标志在醒目的地方，这将影响它的美观；如果 放在不醒目的地方，则又会被剪切掉( 有的时候这种剪切并非是恶意的) 。对于 音频和图像来说，稍好的解决方案是将版权信息放在文件头。然而，在格式转 换时这些信息可能会丢失。 2 重庆大学硕士学位论文1 数字水印技术的基本知识 数字水印技术是解决所有者鉴别问题的一个好的各选方案。通过在数字作 品中嵌入不可见的数字水印，即使作品改变了存贮格式，仍然可提取出水印， 从而告之用户该作品的版权所有者是谁。该技术已经有一些应用的实例。例如 d i g i m a r e 公司帮助a d o b e 公司在p h o t o s h o p 软件上生成的图片中加入水印，可 以表明图片的所有者。图片的优胜者可以通过因特网查出图片的所有者是谁。 1 1 2 _ 3 所有权验证 所有者验证是指数字作品的版权所有者可以证明他( 或她) 确实是该作品的 版权所有者。该应用的要求比所有者鉴别更高。因为所有者鉴别并不涉及抵抗 对水印的恶意攻击。例如，攻击者可能会抹去原有的水印，再嵌入自己的水印。 如果这是可行的，那么版权所有者如何证明他( 或她) 就是真正的版权所有者呢。 因此，用于版权保护的数字水印技术必须解决这个问题。许多新的算法已经提 出用于解决这个问题。 1 2 4 拷贝跟踪 当作品被非法复制时，我们需要追查出谁是第一个进行非法复制的人，这 一任务称作拷贝跟踪。数字水印可以实现这一任务。发行作品前，首先在原始 载体作品中嵌入一个标志购买人的序列号作为水印。当作品被复制时，水印同 时被复制。这样可通过水印检测器提取出水印，以此确认谁是第一个非法复制 者。 1 2 5 内容认证 数字作品很容易被修改，这也是为什么在许多国家数字音频和录相不能作 为有效的取证材料。内容认证力图确认数字作品在生成后是否被修改。一种新 的数字水印技术，称作脆弱数字水印技术，可以用来解决这一问题。该技术将 水印嵌入到数字作品中，如果作品生成后被修改了，检测器可以发现这种篡改， 甚至指明在哪些地方被篡改。脆弱数字水印技术通常由硬件来实现，例如数码 摄相机、数码录音机等。该技术可广泛运用于法律、医学和新闻等领域。 1 2 6 拷贝控制 前面各种技术主要起威慑作用，即用户的不正当行为可以通过数字水印技 术来发现或证明。拷贝控制技术则可以防止不正当行为。这种技术主要用在 d v d 的复制上。其主要思想是要求d v d 录制机在进行录制前必须先检查被录 制的内容是否含有禁止拷贝的水印，如果有，则拒绝拷贝。 法律并没有强制规定d v d 播放器和录制机必须含有水印检测器。解决该问 题的方法是技术专利许可。例如，c s s ( c o n t e n ts c r a m b l i n gs y s t e m ) 的专利许 可中要求必须包含视频水印检测器。这样，如果制造商想生产能播放c s s 加密 磁碟的d v d 播放器或录制机，就必须在其中包含水印检测器【”l 。 重庆大学硕士学位论文1 数字水印技术的基本知识 当然，对于那些不利用c s s 技术的厂家，可以生产不实施水印检测和c s s 加密的检测器和录制机。注意，这并不是违法的，可以这种机器称为违规设备。 这样，敌手可用规内播放器解密，然后用违规录制机录制。但是录制后的作品 不能被规内播放器中播放，因为规内播放器若发现作品己被解密，同样会拒绝 播放。因此，规内播放器可以播放合法购买的内容，但不能播放盗版内容；而 违规播放器正好相反。 1 2 7 增值服务 可以通过数字作品提供附加的服务。例如，在数字作品中嵌入关于此作品 的一些更详细的信息。只有那些购买了服务，获得密钥或附加的硬件的用户才 能够通过水印检测器享受增值服务。例如在1 9 8 9 年，b r o u g h t o n 和l a u m e i s t e r 申请了一项专利技术：在电视视频中嵌入水印( 编码在水平扫描线的强度中) 。 在电视旁摆放一个水印检测器，该检测器可以指挥室内的玩具跳舞。这样当检 测器开始工作时，玩具就随电视节目的内容一起跳舞l l 。 1 3 数字水印技术的特性 1 3 1 嵌入有效性 嵌入有效性是指从未经过任何处理的水印作品中检测出水印的概率。注意， 嵌入有效率并总是等于1 0 0 。例如，某些水印算法假设原始图像满足某种概率 分布，但对某些个体的图像，可能有很大的差距，这会导致提取水印时出错。 1 3 2 保真度 保真度是指是不带水印的作品和带水印的作品在感觉上( 如听觉和视觉) 的 相似程度。数字水印技术一般都要求很高的保真度，对于艺术作品更是如此。 1 3 3 数据有效载荷 数据有效载荷指在单位时间内或在一个作品中水印所占的比特数。例如， 用于音乐拷贝控制的载荷可能为0 0 5b i t s s ，用于视频的则可能为0 2 b i t s s 。一 般而言，更高的数字有效载荷意昧着更低的保真度。为了解决这个矛盾，通常 要借助人类视觉系统( h t t m a nv i s u a ls y s t e m ，h v s ) 或人类听觉模型( h u m a n a c o u s t i c a ls y s t e m ) 。 1 3 4 虚警率和漏警率 虚警率是指不含有水印的作品检测出了水印的概率。 有两种方法定义虚警率。第一种假设作品是确定的，而水印是随机选择的； 第二种假设水印是确定的，而作品是随机的。一般来说，第二种定义在应用中 更受关注。然而在拷贝跟踪中，第一种定义也很重要。在不同的应用中，对虚 警率的要求是不同的。 4 重庆大学硕士学位论文1 数字水印技术的基本知识 相应地，漏警率是指原本含有水印，但检测器却没检测出的概率。 1 3 5 鲁棒性 鲁棒性是指在经过常规的信号处理后，仍能够检测到水印的能力。鲁棒性 是数字水印技术最基本的同时也是最重要的特性。以图像为例，图像常常地受 到低通滤波、j p e g 变换和缩放变换等处理。这些处理均是正常的，且对图像的 保真度影响不大。因此，一般要求图像在经过此类处理后，仍然可以提取出水 印。 对不同的应用，鲁棒性要求的抵抗信号处理种类是不同的。对有的应用( 如 脆弱数字水印) ，甚至不希望具有鲁棒性。 1 3 6 安全性 与鲁棒性不同，安全性是水印在受到恶意攻击后仍然能够提取出水印的能 力。一般地，恶意攻击可包括三大类型： 未经授权的删除 指阻止检测器检测出水印。包括两种攻击：消除攻击和掩蔽攻击。消除攻 击是指将水印消除，使得最精密的检测器也无法检测出水印。而掩蔽攻击是指 水印虽然未被消除，但普通的检测器无法检测水印。 未经授权的嵌入 指将不合法的水印嵌入到作品中。 有一种攻击称作“伪造攻击”( c o u n t e r f e i ta t t a c k ) ，该攻击通过在作品中嵌入 伪造的水印，使得无从判断究竟谁是真正的版权所有者。抵抗伪造攻击是所有 权验证应用目前面临的一个困难问题。关于该攻击更详细讨论可参见本文作者 的相关论文口4 以及其它相关论文吲1 2 5 1 、阁【2 7 】。 未经授权的检测 指检测或解密出水印的信息。 为了实现安全性，许多密码学的技术将会被使用。如加密算法、报文摘要 等。 1 3 ，7 盲检测 需要原始作品部分或全部信息的检测器称为含辅助信息检测器；不需要任 何有关原始作晶信息的检测器称为盲检测器。一般而言，含辅助信息的检测器 只能供特定的人使用，因此又称为私有水印系统，而盲检测器可供所有人检测， 故又称为公有水印系统。由于提供了原始作品的信息，含辅助信息检测器更容 易实现高鲁棒性。目前水印的研究热点主要集中在盲检测。 重庆大学硕士学位论文1 数字水印技术的基本知识 1 4 本章小结 本章主要介绍了水印的基本知识，以使读者对水印技术的全貌有个大概的 了解。首先给出了水印的基本概念，并以此作为全章讨论的基础。然后分别介 绍了水印的七类用途：广播监视、所有者鉴别、所有权验证、拷贝跟踪、内容 认证、拷贝控制和增值服务以及七种特性：嵌入有效性、保真度、数据有效载 荷、虚警率和漏警率、鲁棒性、安全性和盲检测。其中，鲁棒性是水印特性中 最基本的同时也是最重要的特性。我们将在第3 章中仔细研究水印的鲁棒性问 题。 重庆大学硕士学位论文 2 数字水印模型 2 数字水印模型 在第1 章中我们介绍了数字水印的基本知识。这一章，我们将从技术角度 出发介绍数字水印技术的原理。首先将介绍数字水印的两个模型：通信模型和 几何模型。由于水印的检测比较重要，在这里专门列出一节加以讨论。 2 1 水印的通信模型 2 1 1 标准通信模型 如图2 1 为标准的通信模型。其中信道编码器可以分解成两个部分：信源编 码器和调制器。前者把信息映射为取自特定字符集的符号序列，后者把符号序 列转化为可以在信道传输的物理信号。例如对信号进行幅度、频率和相位的调 制。信号调制后开始在信道上进行传输，但信道是有噪声的。尽管如此，如果 信道编码与信道的特性配合得好，解码后的信息与编码前可以做到几乎相等。 输入信息+ 图2 1 标准的通信模型 f 瑭2 1 s t a n d a r dm o d e lo f c o m m u n i c a t i o n 输出信息 2 1 2 基于通信模型的水印模型 可以将水印系统看作一个通信系统：水印作为传输信号被加入到原始载体 作品中，然后“传输”到接收端的水印检测器。在“传输”过程中，水印随原 始载体作品会受到各种信号处理( 例如，对图像有线性滤波、有损压缩、数模 转换等处理) ，这些处理可看作信道噪声。 图2 - 2 和图2 3 均可映射成图2 1 的标准通信模型，它们分别是含辅助信息 检测器的水印模型和含盲检测器的水印模型。 重庆大学硕士学位论文2 数字水印模型 输入信 输入信 原始载体作品原始载体作品 图2 2 含辅助信息检测器的水印模型 f i g2 2w a t e r m a r k i a 培m o d e lc o n t a i n i n ga u x i l i a r yi n f o r m a t i o n 原始载体作品 图2 3 含盲检测器的水印模型 f i g2 3w a t e r m a r k i n gm o d e lc o n t a i n i n gb l h a dd e t e c t o r 出信息 输出信息 对于含辅助信息检测器的水印模型，由于在检测的时候要从接收到的作品 中减去原始载体作品，得到带噪声的水印，因此可以忽略添加的原始载体作品， 把水印编码器看作通信系统的信道编码器、噪声看作通信系统的信道噪声，以 及把水印解码器看成通信系统的信道解码器。 对于含盲检测器的水印模型，则将水印编码器看作通信系统中的信道编码 器，将原始载体作品与噪声看成通信系统中的信道噪声；而水印解码器被视为 信道检测器。 本章所有的水印系统均采用以上两种水印模型中的一种。 2 1 1 3s i m p l e 系统 基于水印的通信模型，我们实现了一个简单的水印系统。该系统在图像中 嵌入1 位水印。系统名称为s i m p l e ，系统的说明参见表2 1 及后面的内容。 弱 i e _ _；：；i-；_：_l，叫；|1洲；l。 h 厂咿 一 e ，十 磊一 重庆大学硕士学位论文2 数字水印模型 表2 1 系统s i m p l e t a b l e2 1 s y s t e ms i m p l e 系统名称 s i m p l e 功能 基于水印的通信模型，在图像中嵌入1 位水印。 出处文献 1 9 】3 3 1 小节 是否改进 否 是否简化 否 a ：5 1 2 5 1 2 的原始图像 输入w ：1 位水印 嵌入模块 a l p h a ：嵌入强度 输出 b ：水印图像 b ：5 1 2 5 1 2 的水印图像 输入m e t h o d ：检测方式可以是l c 、n c 、c c 之一 提取模块 a l p h a ：嵌入强度 输出d ：水印的检测值 水印嵌入过程 1 ) 调用r a n d n 产生一个5 1 2 + 5 1 2 高斯白噪声作为参考模板w r 。 2 ) 在空域嵌入一位水印矿，其方式如下： c 。= c 。+ w 。 式( 2 - 1 ) 其帆嘞舻w 。，= 嚣 水印提取过程 1 ) 调用r a n d n 产生一个5 1 2 + 5 1 2 高斯白噪声作为参考模板w ， 2 ) 根据m e t h o d 的值计算水印检测值d ，检测公式如下： l c ，：d ： 垒：堡 a l p h a + w ，w ， 重庆大学硕士学位论文 2 数字水印模型 n c ：。2 面丽c w w r 口f 加盯l c | n p 。 c ，一2 a l p l 鬻t a + i cl + i w l 如果水印的检测值为正数，则提取出的水印位为1 ，否则为0 。 2 2 水印的几何模型 如果我们将原始载体看成n 维空间中的一个向量( 例如对一灰度图像，其 像素个数即该空间的维数) ，则可建立关于水印的几何模型。在此模型下水印的 许多概念更直观，同时也可在该模型中定义许多数学运算。 媒介空间指全体n 维原始载体向量构成的空间 1 9 1 。对于数字作品，这个空 间是离散的，然而粗略地看，也可以将它视为连续的，即将一个点扩散到它周 围的区域上。在媒介空间可以研究一个分布和两个区域。 未加水印作品的分布 指媒介空间中随机向量的分布。最简单的模型假设作品服从椭圆高斯分布， 然而这是不准确的( 3 3 1 。更精确的模型满足拉酱拉斯或广义高斯分布。然而不加 水印作品的分布在不同的应用中实际是不同的。例如卫星图像和新闻图片就服 从完全不同的分布。 可接受保真度的区域 指在该区域内，所有的作品与给定的载体内容在视觉上的差异不明显。 一般采取数学上两点的欧氏距离来定义这个区域。然而，这种方法常常不 是很有效。例如，两个看起来相同的图像可能m s e 相当大，而两个m s e 相当 小的作品可能视觉差异很大。为了解决这个问题，有的采取临界差异( j u s t n o t i c e a b l ed i s t o r t i o n ) 为单位度量感知距离。 检测区域 从水印作品中提取出的水印通常会与真正的水印进行比较，以确定待测作 品是否含有水印，这个过程称为水印的检测，该过程可用式( 2 3 ) 表示： z ( c 。，w ，) t 式( 2 3 ) 其中，z 为检测函数， c 。为待测作品，w ，为真正的水印，t 为一阈值e 如果检测函数值大于阈值则认为待测作品含有水印，否贝i 没有。 重庆大学硕士学位论文 2 数字水印模型 如果采用内积检测法( 即以水印作品向量与水印向量的内积作为检测器的 检测值) ，由于水印向量是一常向量，该检测值可看成水印作品向量在水印向量 上的投影。因此，能通过检测的原始载体作品集合为一在水印向量上投影大于丁 且垂直于水印向量的超平面。 如果考虑到保真度的限制，且保真度用最简单的欧氏距离来定义，那么一 个可接收的水印作品可用图2 4 来表示。 检测区域 图2 4 可接收水印作品的几何表示。阴影的相交部分为可接收的水印作品 f i g2 4 g e o m e t r i cp r e s e n t a t i o no f a na c c e p t a b l ew a t e r m a r k e dw o r k s i n t e r s e t s o f t w os h a d o w e da r e a si n d i d a t e sc o l l e c t i o no f a c c e p t a b l ew o r k s 。 2 - 3 水印的相关性检测 大多数水印检测方法采用相关性检测，并且本文中所有的算法均采用相关 性检测。因此这里我们只讨论相关性检测。相关性检测包括三种公式，即线性 相关检测、归一化相关检测和相关系数检测。这三种检测公式是有关系的。下 面将分别讨论。 2 3 1 线性相关检测 线性相关检测即前面提到的内积检测法，可由式( 2 4 ) 显式表示： 1 z k ( c 。，w ，) = 去c 。w ， 式( 2 4 ) v 由于w ，的幅度是确定的，检测值等价于c 。在叶上的投影。可通过检测的 点的集合可形象地表述为一个垂直于w ，的超平面。图2 5 显示了线性相关检测 的二维几何表示。 重庆大学硕士学位论文2 数字水印模型 检测区域 图2 5 线性相关检测的二维几何表示。阴影部分为可通过检测的区域。 f i g2 5 2 - d i m e n s i o ng e o m e t r i cp r e s e n t a t i o no f l i n e a rc o r r e l a t i o nd e t e c t i o n w a t e r m a r k e di m a g ev e c t o rw h i c hl o c a l si nt h es h a d o w e da r e ag a nb ed e m c t e d 许多表面上与线性相关检测有较大差异的检测方法实质上也是线性相关检 测。例如文献 2 4 中将c 。的像素分成两组，用其中一组像素值的和减去另一组 像素值的和，这实际相当于将c 。与模板w ，进行线性相关检测，其中w ，分成两 组值，其中一组值全为1 ，另一组全为- 1 。 2 3 2 归一化相关检测 线性相关检测的一个问题在于其检测值很受幅度的影响。若攻击者将水 印作品的亮度或音量减小，就会使检测值变小，这减小了该检测法的鲁棒性： 或者由于水印作品本身较高的幅度，会提高虚警率。 引入归一化相关检测可以解决这个问题。归一化相关检测可由式( 2 5 ) 显 式表示： ( c w n ， w r ) 2 蹦 式( 2 5 ) 又因为c 。w ，= i c 。1 1 w ，i c o s o ( 日为二向量的夹角) ，故z 。p 。，) = c o s 0 。 且z n c ( c 。，w ，) k 口 一醇) ：e x t r a c t e d w a t e r m a r k s f r o m i m a g e ( a ) a f t e rr o t a t i n g w i t h a n g l e 2 1 ，3 0 1 8 重庆大学硕士学位论文 3 水印的鲁棒性 表3 2 r e p e a t 系统：在图3 2 ( a ) 中进行各种图像处理后的水印检测值 t a b l e3 2 s y s t e mr e p e a t ：d e t e c t o rr e s p o n s eo f w a t e r m a r k sf r o m t h ew a t e r m a r k e di m a g e w i t hs c a l ef a c t o r = 4a f t e rs o r t so f i m a g ep r o c e s s i n g 表3 2 ( a ) r e p e a t 系统：被剪切后的水印图像提取的水印检测值 t a b l e3 2 ( a ) s y s t e mr e p e a t ：d e t e c t o rr e s p o n s eo f w a t e r m a r ka _ f t e rc r o p p i n g 剪切边长 4 4 83 8 43 2 02 5 6 水印检测值 0 7 6 3 90 5 7 7 90 4 6 1 20 3 7 9 4 表3 2 ( b ) r e p e a t 系统：j p e g 压缩后提取的水印检测值 t a b l e3 2 c b ) s y s t e mr e p e a t ：d e t e c t o rr e s p o n s eo f w a t e r m a r ka f t e rj e p gc o m p r e s s i o n 压缩质量9 08 0 7 55 02 01 51 05 水印检测值0 9 9 7 30 ，9 9 6 6 0 9 9 5 1 0 5 2 8 8 0 3 2 4 20 2 9 6 90 2 6 6 10 2 2 4 9 表3 2 ( c ) r e p e a t 系统：加入白噪声后提取的水印检测值 j 噪声标准差 12 4 5 81 6 3 2 水印检测值 0 9 9 7 30 9 9 7 30 9 9 7 60 9 9 7 60 9 9 7 l0 9 8 5 6o 9 1 5 3 表3 2 ( d ) r e p e a t 系统：缩放变换后提取的水印检测值 t a b l e3 2 ( d ) s y s t e mr e p e l ：d e t e c t o rr e s p o n s eo f w a t e r m a r ka f t e rr e s i d n g 缩放倍数 o 50 7 5 1 52 水印检测值0 7 2 8 00 9 8 3 9 0 9 9 6 80 9 9 6 8 表3 2 ( e ) r e p e a t 系统：旋转变换后援取的水印检测值 旋转角度 l251 01 53 04 5 l 水印检测值 o 7 3 8 80 ，7 5 5 40 8 0 3 50 8 3 1 l0 ，8 5 1 l 0 8 2 3 7 0 7 3 9 0 从实验的结果来看，该方法对于大多数的图像处理具有好的鲁棒性。但是 当j p e g 压缩的质量为2 0 时，提取出的水印很不理想。其中的主要原因在于当 同时嵌入三个水印时，每个水印的能量必须减少才能保证图像的保真度。在本 实验中，嵌入的强度只能为o 2 5 。这样，当j p e g 的质量很小时，加入的水印 就容易被量化抹去。在5 1 2 5 节中，我们会再次讨论关于嵌入的水印的个数与嵌 入强度的关系的闻题。 3 2 2 扩频编码 扩频通信技术被广泛应用于保密通信中。它的主要思想是将窄带信号扩展 到大范围的频率上。将扩频技术运用到水印中，就形成了扩频水印模型( 图3 3 ) 。 重庆大学硕士学位论文3 水印的鲁棒性 在扩频水印模型 2 1 ，【3 2 】牛一，输入信息m 首先进行纠错编码，得到一个符号序 列m 。然后把朋。的每个符号扩频调制成一个伪随机序列，再将其加入到载体作 品中，形成最终的水印作品。 载体作品 输入信6 裂嚣马荔翥一占一水印作品 图3 3 扩频水印模型 扩频水印有三个特征：一，插入到任一频率上的信号的能量很小，这保证 了保真度：二，将这些能量集中起来，其能量是可观的，这可保证嵌入有效性； 三，水印被分散到各个频率上，可保证其鲁棒性。 文献 2 】给出的算法是一个非常经典的扩频水印算法，现将该系统描述如下： 重庆大学硕士学位论文 3 水印的鲁棒性 rh“*“*目nwbgr一*d#w“# 盲水印算法。使用式( 3 1 ) 的逆运算即可提取出水印w 。提取出的水i 印将与原水印进行比较，以判定待测图像是否含有水印，比较的公式为：l s i m ( w 阶焉引，l 如果计算出的检测值大于一事先指定的闽值，则判定存在水印。否则不存 在。 文献 2 】中的系统在检测水印时，使用了检测器失真补偿( 如对剪切、旋转 和缩放处理) 。由于这是一个非盲水印算法，使用检测器失真补偿是很方便的。 该方法将在3 2 ，4 小节中介绍。 3 2 3 选择嵌入系数 水印通常在频域( 如d c t 域、d f t 域或小波域 中嵌入。一方面是因为在 频域中可以容纳更多的水印能量，另一方面是因为频域与水印的保真度及鲁棒 性有很大的联系。 文献【2 提出了一个选择水印嵌入系数的原理： 水印应该嵌入到那些在视觉( 听觉) 上比较重要的系数上去。 这是因为，那些在视觉上重要的系数被图像处理改变的量通常很小。如果 图像处理将这些系数作了较大的改动，则图像会严重降质，此时即使检测不出 水印也没有关系了。 在频域中，视觉比较重要的系数通常在低频区域( 直流分量除外) 。因此， 许多算法将水印嵌入到低频中。然而，在由于低频部分对视觉的影响很大，水 印的能量不可能太大，因此更多的算法选择在中频部分嵌入。 另一种选择嵌入的原则更直接，即在鲁棒性强的系数中嵌入。所谓鲁棒性 强的参数，是指那些经过处理后变化极小的参数，。如果预先知道水印作品会经 过哪些处理，我们通过两种方式确定的这些参数，即分析的或实验的方式。对 于实验的方式，其方法是比较刚嵌入水印后的作品，与经过特定处理后的水印 作品，选出那些基本不变的参数来嵌入水印。分析方式则从理论上推断哪些参 数经过处理后变化较小。例如对于j p e g 有损压缩而言，数据的损失主要在量 化中引入。而不同位置的参数，其量化误差是不同的，这就为选择鲁棒性的参 数提供了一个依据。 3 2 4 检测器失真补偿 检测器失真补偿是指检测器失真补偿试图在检测过程中，对水印嵌入后所 经过的各种处理进行逆变换【嘲。 重庆大学硕士学位论文3 水印的鲁棒性 举例来说，如果水印图像被放大了2 倍，在检测器端会先将水印图像缩小 0 5 倍，然而再检测水印。或者水印图像被沿顺时针方向旋转了5 度，则检测器 会先将图像沿逆时针方向旋转5 度，再检测水印。有的时候，补偿处理的处理 不一定是水印图像，而是水印参考模板。例如水印图像经过了低通滤波处理， 检测器会先对水印模板参考进行低通滤波，然后将提取出的水印与参考模板进 行比较。 在提供原始图像的情况下，使用检测器补偿更容易一些。因为可以通过比 较水印图像和原始图像来确定水印图像所经历的失真。已经有一些快速的模式 匹配算法用于确定使两个作品达到最佳匹配的参数【1 9 】。而对于盲水印系统，由 于没有任何的参考信息，这个问题则困难得多。在这种情况下，常常不得不进 行盲目穷举搜索。即定义各种可能的失真，以及该失真参数可能的范围与搜索 精度后，检查每种组合下是否存在水印。穷举搜索通常意味着庞大的搜索次数。 假设一个穷举搜索要检测增量为l 度、从1 7 9 度到1 8 0 度所有的旋转，增量为 1 、从5 0 到2 0 0 所有水平与垂直方向上的缩放，以及增量为1 像素、。1 0 0 到+ 1 0 0 个像素的水平与垂直方向上的位移，则该穷举搜索需要 3 6 0 + 1 5 1 1 5 1 2 0 l 2 0 1 ( 约3 3 2 1 0 ”) 次的检测。这个数目意味着很长的计算时 间。另一方面，穷举搜索会带来增加虚警率的危险。假设一次检测的虚警率为p ， 且各次检测相互独立，那么n 次检测中至少有一个导致虚警率的概率为n + p 【1 9 】。 为了解决这两个问题，一个方法是进行分块，以减小搜索空间 1 ”。例如， 当图像被分成了多个8 * 8 小块后，要搜索的垂直位移数量可能会减少到7 ( 当然， 这要求适当地设计检测算法) 。 3 2 5 嵌入器失真预补偿 嵌入器失真预补偿【1 9 】是指，如果预先知道水印作品要经过的处理，可以在 嵌入水印时进行一定的操作，使得水印作品经过处理后水印仍然具有很高的鲁 棒性。 嵌入器失真预补偿最简单的工作过程如下： 对载体作品进行预失真处理 在发生失真的作品中嵌入水印 最后进行逆失真处理 但是这种方法通常会使作品的保真度受到很大影响。另一种方式如下【1 9 】： 对载体作品巳( 注：对于嵌入多水印的系统，c 。可能包含了其它水印) 的副 本进行失真处理，得到c 。 在失真副本中嵌入水印，得到c 。 重庆大学硕士