（计算机软件与理论专业论文）基于纠错码的数字水印技术的研究.pdf

摘要 数字水印是网络与信息安全方向的一个重要分支，在数字化媒体 的信息安全与版权保护方面有着极为重要的应用。目前的研究重点是 构造有强鲁棒性的稳健的数字水印算法，这是本文的研究重点。 本文的主要工作如下：首先，在前人工作的基础上，本文提出了 一种基于g o p p a 码的自适应数字水印算法。通过实验结果的分析说明 该算法能满足视觉掩蔽性，同时对含水印的图像进行有损压缩、噪声 干扰、中值滤波、锐化等处理结果显示该算法也具有很好的鲁棒性。 其次，在元家昕和马允胜提出的基于人眼j l q d 门限的多分辨率水印 嵌入算法的基础上，本文提出了一种新的小波域中基于g o p p a 码的数 字水印算法。本文的算法有如下的特点： 1 ) 该算法对图像的锐化、图像的剪切等图像处理具有较强的鲁棒 性。 2 ) 有效地调和了不可见性和稳键性的矛盾。增强了水印的鲁棒性 和不可见性。同时考虑数字水印系统和通信系统的相似性，对水印进 行g o p p a 编码，提高了该系统的纠错能力。 最后本文对所提出的算法进行了编程实现。并对纠错码今后在数 字水印中的研究方向作了一些预测。 关键词：数字水印；纠错码；鲁棒性；g o p p a 码 a b s t r a ( 叮 d i g i t a lw a t e r m a r k i n g i sa ni m p o r t a n tb r a n c hi nn e t w o r ka n d i n f o r m a t i o ns e c u r i t y , t h er e s e a r c ho ft h i sa r e ah a ss t r o n ga p p l i c a t i o n b a c k g r o u n di nt h es e c u r i t yo fd i g j t a lm e d i aa n dt h ep r o t e c t i o no f c o p y r i g h t o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tr e s e a r c ha r e ai sh o wt od e s i g nt h e e m b e d d i n ga l g o r i t h mw i t hs t r o n gr o b u s t n e s s w ea i mt oi n v e s t i g a t et h e e m b e d d i n ga l g o r i t h m so fw a t e r m a r k i n gw i t hg o o dp r o p e r t i e s i nt h i s p a p e r , an e ws e l f - a d a p t i n gw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mw a s p r o p o s e db a s e do ng o p p ac o d e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sd e m o n s t r a t e t h a tt h ew a t e r m a r k s g e n e r a t e d w i t ht h e p r o p o s e da l g o r i t h m a r e p e r c e p t u a l l yi n v i s i b l ea n dr o b u s ta g a i n s tj p e gc o m p r e s s ，n o i s e ，m e d i a n f i l t e r i n ga n dc o m m o n l yu s e di m a g ep r o c e s s i n gt e c h n i q u e s a na l g o r i t h m o fw a t e r m a r k i n gu s e dj n dt h r e s h o l dp r e s e n t e db yy u a nj i a x i na n dm a y u n s h e n g b a s e do ni t ，an e wd w t b l o c kb a s e dw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m w a sp r o p o s e db a s e do ng o p p ac o d e t h ea l g o r i t h mh a sf o u o wf e a t u r e 1 1t h ea l g o r i t h mh a s s t r o n gr o b u s t n e s sa g a i n s ts h a r p e n i n ga n d c u t t i n g 办h a r m o n i z i n gt h ec o n f l i c tb e t w e e ni m p e r c e p t i b l ea n d r o b u s t n e s s f i n a l l y , t h ea l g o r i t h mw a si m p l e m e n t e da n df o r e c a s t e dt h ef u t u r e 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 ；e r r o rc o r r e c t i n gc o d e ：r o b u s t n e s s ； g o p p p ac o d e m 湖南师范大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果除文中已经注明引用的内容外， 本论文不合任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：袖锄矽哆年6 月占 日 湖南师范大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留：使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅本人授权湖南师范大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书 2 、不保密口 ( 请在以上相应方框内打。 ”) 作者签名：帕勃 导师獬：筘良v - ” 、 石月，日 0a ( b年年 州7 期期 基于纠错码的数字水印技术的研究 1 1 引言 第一章绪论 多媒体数据的数字化为多媒体信息的存取提供了极大的便利， 同时也提高了信息表达的效率和准确度。随着因特网的日益普及， 多媒体信息的交流已达到前所未有的深度和广度，其发布形式也愈 加丰富。如今人们可以通过因特网发布自己的作品、重要信息和进 行网络贸易等，但是随之出现的问题也十分严重：如作品侵权更加 容易，篡改也更加方便。因此如何充分利用因特网，又能有效地保 护知识产权，得到了人们的高度重视。 1 9 5 4 年，美国m u z a 公司在e m i lh e m b r o o k e 申请了一项名为 “i d e n t i f i c a t i o no f s o u n da n dl i k es i g n a l s ”的专利。1 9 6 1 年美国专利 局对该项专利做了描述：该专利描述了一种将标识码不可感知地嵌 入到音乐中而证明所有权的方法。h e m b r o o k e 在专利中指出：该发 明使得对音乐制作人的身份认证和有效地防止盗版成为可能，它的 作用类似于纸张中的水印。这是迄今为止所知道的最早的电子水印 ( e l e c t r o n i cw a t e r m a r k i n g ) 技术。从此以后，一些水印技术被提出并根 据不同的应用而得以发展。早期的数字水印技术是针对数字图像进 行研究的。1 9 9 3 年t i r k e l 等人首先提出了电子水印( e l e c t r o n i c w a t e r m a r k ) 的说法。 v a ns c h y d e l 等在i c i p 9 4 发表了题为“a d i g i t a lw a t e r m a r k ”的 文章口1 ，正式提出“数字水印”这一术语。其中阐明了一些关于水印 硕士毕业论文 的重要概念，它被认为是一篇具有历史价值的文献。1 9 9 6 年，在英 国剑桥牛顿研究所召开了第一届国际信息隐藏学术研讨会，这标志 着一门新兴的交叉学科1 言息隐藏学的正式诞生。如今信息隐藏 学作为隐蔽通信和知识产权保护方面的主要手段，正得到广泛的研 究与应用。许多大学、研究机构和公司纷纷开展了这方面的研究， 并召开了专门的国际学术研讨会进行定期交流。在有关信息安全的 国际会议和刊物上经常可以见到相关领域的论文和报告。 在2 0 世纪9 0 年代末期一些公司开始正式销售水印产品。在图 像水印方面，美国的d i g i m a c 公司“率先推出了首个商用数字水印 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 f 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，用户就可以直接进入与图像内容相关 联的网络站点。a l p v i s i o n 公司池1 推出的l a v e u t 软件，能够在任何扫 描的图片中隐藏若干字符，这些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，都可以借助隐藏的标记知道它的原始出处。 a l 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，将水印信 息隐藏在纸的背面，用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 基于纠错码的数字水印技术的研究 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行为。该开发计划名称为 t a l i s m a n ( t r a c i n gk 感蝌r i g l l t sb yl a b e l i n gi m a g es e r v i c ea n d m o n i t o r i n ga c c sn e t w o r k s ) ) ) 。该开发计划作为欧洲电子产业界 等组织的欧共体项目于1 9 9 5 年9 月开始，到1 9 9 8 年8 月结束。法 国、比利时、德国、西班牙、意大利和瑞士等国家在内的1 1 个从事 通信与广播业的研究单位和大学参加。 随着水印技术的迅速发展，国内一些研究单位也逐步从技术跟 踪转向深入的系统研究，各大研究所和高校纷纷投入到数字水印的 研究。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。在国内，他们 较早的投入水印技术研究且取得较好的成绩。1 9 9 9 年1 2 月1 1 日， 由北京电子技术应用研究所组织，召开了第一届信息隐藏学术研讨 会( c i h w ) 。至今已成功举办了四届，在很大程度上推进了国内水印 技术的研究与发展。同时，国家对信息安全产业的健康发展也非常 的重视。2 0 0 3 年的科技型中小企业技术创新基金若干重点项目指 南，明确指出了对于“数字产品产权保护( 基于数字水印，信息 隐藏，或者网络认证等先进技术) ”和“个性化产品( 证件) 的防伪( 基 于水印，编码，或挑战应答等技术) ”等多项防盗版和防伪技术予以重 点支持。现在国内已经出现了一些生产水印产品的公司，其中比较有 代表性的是由中科院自动化研究所的刘瑞祯、谭铁牛等人于2 0 0 2 年 硕士毕业论文 在上海创办了的一家专门从事数字水印、多媒体信息和网络安全、 防伪技术等方面的软硬件开发公司上海阿须数码技术有限公 司。公司主要从事数字证件、数字印章、p d f 文本、分块离散图像、 视频、网络安全等多方面数字水印技术的研究。这家公司现在已申 请了一项国际和三项国家数字水印技术专利。虽然数字水印在国内 的应用还处于初级阶段，但水印公司的创办使得数字水印技术在国 内不仅仅只停留在理论研究的层面上，而是从此走上了实用化和商 业化的道路，进一步推动国内水印技术的蓬勃发展，为国内的信息安 全产业提供有效的保障。 1 2 数字水印 1 2 1 典型数字水印系统模型 常规的水印嵌入模型如图1 - 1 所示，其原理是根据密钥k e y 生 成水印信号w ，采用一定的方法将其加入到原始数据中，得到嵌入水 印后的作品。 图1 - 1 水印嵌入模型 图1 2 是典型的水印检测模型，其功能是根据k e y 生成水印信 号矽，然后与待测数据进行水印信号相似性检测，来判断是否存在水 印。生成水印信号是否使用待测数据由水印嵌入过程中的生成方法 基于纠错码的数字水印技术的研究 决定。一些水印技术( 如私有水印等) 的检测过程需要使用原始数据， 来有效的解决水印鲁棒性问题，但同时这也带来一些额外的开销和 安全隐患。 1 2 2 分类 图1 - 2 水印检测模型 数字水印的分类阻1 钉方法很多，不同的分类标准有不同的分类种 类。最常见的分类方法包括以下几类： ( 1 ) 按照水印的载体可将数字水印分为静止图像水印、视频水 印、声音水印、文档水印和软件水印。本文所考虑的就是静止图像 水印。 ( 2 ) 数字水印从外观上分为两大类，可见数字水印( v i s i b l ed i g i t a l w a t e r m a r k i n g ) 和不可见数字水印( i n v i s i b l ed i g i t a lw a t e r m a r k i n g ) 。更准 确地说应是可察觉数字水印和不可察觉数字水印，这是对图像而言。 ( 3 ) 按照水印处理过程，由图l 一3 可以看到分为生成水印、嵌入 水印和检测水印，而其中每一种又有不同分类。 硕士毕业论文 图1 3 数罕水印按照处理过程分类 1 2 3 数字水印主要应用领域 数字水印产品虽然在近几年才陆续出现，但其应用前景和应用 领域将是巨大的。总的说来，数字水印有以下一些应用领域m 。 ( 1 ) 版权保护 数字作品的所有者可用密钥产生水印，并将其嵌入到原始数据， 然后公开发布其水印版本作品。当该作品被盗版或出现版权纠纷时， 所有者即可利用从盗版作品或水印版作品中获取水印信号作为依 据，从而保护其合法权益。 ( 2 ) 数字指纹 为避免数字作品未经授权被拷贝和发行，版权所有人可以向分 发给不同用户的作品中嵌入不同的水印以标识用户的信息。该水印 可根据用户的序号和相关的信息生成，一旦发现未经授权的拷贝， 就可以根据此拷贝所恢复出的指纹来确定它的来源。 ( 3 ) 认证和完整性校验 通常采用脆弱水印。对插入了水印的数字内容进行检验时，须 基于纠错码的数字水印技术的研究 用惟一的与数据内容相关的密钥提取出水印，然后通过检验提取水 印的完整性来检验数字内容的完整性。 ( 4 ) 访问控制 利用数字水印技术可以将访问控制信息嵌入到媒体中，在使用 媒体之前通过检测嵌入到其中的访问控制信息，以达到访问控制的 目的，它要求水印具有很高的鲁棒性。 ( 5 ) 信息隐藏 数字水印可用于作品的标识、注释、检索信息等内容( 如，一幅 照片的拍摄时间和地点等) 以水印形式嵌入该作品中，这样不需要额 外的带宽，且不易丢失。数字水印技术还可用于隐蔽通信，这点将 在国防和情报部门得到广泛的应用。 ( 6 ) 篡改提示 当数字作品被用于法庭、医学、新闻及商业时，常需确定它们 的内容是否被修改、伪造或特殊处理。为实现该目的，通常可将原 始图像分成多个独立块，再将每个块加入不同的水印。同时可通过 检测每个数据块中的水印信号，来确定作品的完整性。与其他水印 不同的是，这类水印必须是脆弱的，并且检测水印信号时不需要原 始数据。 1 2 4 数字水印的评价标准 水印算法的评估有多种客观的评估标准，但主要有以下3 种评 价标准n 2 1 ： 信噪比s n r 和峰值信噪比p s n r 1 硕士毕业论文 在实验中，我们使用信噪比( s n r ) 和峰值信噪比( p s n r ) 作为嵌 入水印后图像质量的评估标准，它是一种客观评价标准。信噪比 ( s n r ) 和峰值信噪比( p s n r ) 分别定义如下( 单位分贝，m ) ： s n r l o i g 吾 p s n r f f i - 1 0 1 9 鲁 其中： 1n 一1 ，n - i 盯2 2 专善 一毫) ，毫2 专善玉， d ：一1 乞n - i n ( 玉一孟) 2 智。 ” 玉表示原图的像素值，毫表示输出图像的像素值，n 表示图像的像素 个数， 0 ，m - 1 为图像像素值的取值范围。 水印容量 在给定水印( 二值型或高斯型) 和图像质量标准的前提下，某些水 印系统可以测出水印的最大长度和强度。水印容量越大，所含版权信 息越多，不可见性会随之下降。 鲁棒性 数字水印算法的鲁棒性常用攻击测试来进行评价，常见攻击测试 包括：低通滤波、色彩量化、按比例缩放、剪切、旋转、对称或非对 称剪切( x ，y 方向) 、对称或非对称行和列移动、普通线形几何变换、 j p e g k 缩、小波压缩等。除了上述基本的攻击测试，近年来又出现 了统计平均攻击和引发多著作权问题的多重水印攻击。 基于纠错码的数字水印技术的研究 1 3 典型的数字水印算法 近年来，国际上数字水印技术的研究发展很快，新技术新算法 。1 例层出不穷。水印算法大致可以分为两类：空域算法和频域算法。 后者通常也称为变换域算法，目前很多新的水印算法都是基于变换 域的。下面对一些典型的算法进行介绍，除特别指明外，这些算法 主要针对图像数据( 某些算法也适合视频和音频数据) 的。 1 3 1 空域算法 该类算法m ”“7 1 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 ts i g n i f i c a n tb i t s ) 上，这可保证嵌 入的水印是不可见的。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。空域算法中较典型的有下面两种： ( 1 ) s c h y n d e l 算法 s c h y n d e 算法n “”1 提出了一些关于水印的重要概念和鲁棒水印 检测的通用方法，即相关性检测方法。该算法首先将一个密钥输入 一个m 一序列( m a x i m u m - l e n g t hr a n d o ms e q u e n c e ) 发生器来产生水印 信号，然后排列成二维水印信号，按像素点逐一嵌入到原始图像像 素值的最低位上。其中，m 一序列是由一些初始向量按照f i b o n a c c i 递归数列的关系运算生成的，也可以用线性移位寄存器实现。如果 每个向量的长度为弹，或移位寄存器的级数为r t ，则生成的巩一序列 硕士毕业论文 长度最大为z 一1 。r a 一序列的自相关函数和频谱分布的特点类似予随 机高斯噪声。检测时，通过计算m 一序列和水印图像行的相关函数来 判断是否存在水印。由于s c h y n d c l 算法将水印信号安排在了像素点 的最低位上，它是不可见的。但基于同样的原因，水印信息很容易 为滤波、图像量化、几何变形的操作破坏，因此是不鲁棒的。 ( 2 ) p a t c h w o r k 算法 p a t c h w o r k 算法“1 是通过改变图像数据的统计特性将信息嵌入到 像素的亮度值中。p a t c h w o r k 算法的方法是随机选择对像素点 ( 4 i ，岛) ，这些随机选取的两个像素点的差值是以0 为中心的高斯分布。 然后将点a j 的亮度值加1 ，点熟的亮度值减1 ，这样来改变分布的中 心，并且使得整个图像的平均亮度保持不变。最后采用统计的方法 来对水印进行检测。为了抵抗诸如有损压缩以及滤波的处理，它将 像素点对扩展成小块的像素区域( p a t c h ) ，增加一个p a t c h 中的所有像 素点的亮度值，同时减少对应另外一个p a t c h 中所有像素点的亮度 值。这种算法对抵御有损压缩编码( y p e o ) 、剪裁攻击和灰阶校正非 常有效。但其缺陷在于嵌入的水印信息少，对仿射变换敏感，对多 拷贝联合攻击抵抗力比较脆弱。 1 3 2 频域算法 该类算法随1 删中，大部分水印算法采用了离散余弦交换即 d c t ( d i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m ) 技术。d c t 变换是基于实数的正交变 换。d c t 交换矩阵的基良量很近似于t o e p l i t z 矩阵的特征向量，而 t o e p l i t z 矩阵又体现了人类语言及图像信号的相关特性，故d c t 常 l n 基于纠错码的数字水印技术的研究 常被认为是对语音和图像信号的准最佳变换，同时d c t 算法较易于 在数字信号处理器中快速实现，因此它目前在图像编码中占有重要 的地位，成为一系列图像编码的国际标准的主要环节。 典型算法有： 1 扩展频谱通信( s p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o n ) 算法羽 其实现方法是，先计算图像的离散余弦变换( d c t ) ，然后将水 印叠加到d c t 域中幅值最大的前l 个系数上( 不包括直流分量) ，通 常为图像的低频分量。然后用新的系数做反变换得到水印图像x 。 解码函数则分别计算原始图像x 和水印图像x 的离散余弦变换，并 提取嵌入的水印矿，再做相关检验s h n w ：旷矽再声面，以确定水 印的存在与否。该方法即使当水印图像经过一些通用的几何变形和 信号处理操作而产生比较明显的变形后仍然能够提取出一个可信赖 的水印。 2 n e c 算法脚 该算法由n e c 实验室的c o x 等人提出，该算法在数字水印算法 中占有重要地位。其实现方法是，首先由作者的标识码和图像的h a s h 值等组成密钥，以密钥为种子来产生伪随机序列，该序列具有高斯 n ( o ，1 ) 分布，再对图像做d c t 变换，用该伪随机高斯序列来调制( 叠 加) 该图像除直流( d c ) 分量外的1 0 0 0 个最大的d c r 系数。该算法具 有较强的鲁棒性、安全性、透明性等。由于采用特殊的密钥和不可 逆的水印生成方法，因此可防止i b m 攻击，而且该算法还提出了增 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到图 l i 硕士毕业论文 像频域中可见性最主要的部分，这样可以增强抵抗常规信号处理和 几何失真，以提高检测出水印的概率。 3 生理模型算法叫，施矧 人的生理模型包括人类视觉系统h v s ( h u m a nv i s u a ls y s t e m ) 和 人类听觉系统h a s 。该模型不仅被多媒体数据压缩系统利用，同样 可以供数字水印系统利用。利用生理模型的基本思想均是利用从视 觉或听觉模型导出的y n d ( j u s tn o t i c e a b l ed i f f e r e n c e ) 描述来确定在 图像或声音的各个部分所能容忍的数字水印信号的最大强度，从而 能避免破坏视觉或者听觉的质量。也就是说，利用生理模型来确定 与数据相关的调制掩模，然后再利用其来嵌入水印。这一方法同时 具有好的透明性和鲁棒性。 4 压缩域算法n 5 1 基于j p e g 、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 o0 1 1 d e m a n d ) 中有很大的实用价值。水印检测与提取可直接在压缩域中进 行。 5 多分辨分解算法跚 该算法的主要思想：在小波域上，对信号进行细致的频率分离 即多分辨分解，将信号分解成高频和低频两部分。信号的大部分能 量集中在低频部分，多极小波分解将低频部分继续分解为低频和高 频两部分。将水印信息嵌入高频部分，以达到提高水印鲁棒性的目 的。 基于纠错码的数字水印技术的研究 6 r u a n a i d h 算法伽 大多数水印算法中，加了水印的对象进行仿射几何变换后，在提 取水印时存在许多问题。为了克服这个弱点，r u a n a i d h 等人1 9 9 8 年 提出了在水印算法中使用m e u i n f o u r i e r 变换。m e u i n f o u r i e r 的变换 空间是基于傅立叶变换的转换特性，具有r s t 不变性，从而可以抵 抗这些几何攻击。 1 3 3 各种算法的性能比较 下面对几种典型的数字水印算法在不可见性、鲁棒性、嵌入量以 及计算复杂度各项性能指标进行了分类比较，以便进一步地研究。 表1 - 1 硕士毕业论文 从上表1 - 1 可以知道，空域水印算法的复杂度较低，但鲁棒性 不及频域水印算法。对于鲁棒性要求不高的水印我们可以采用这种 算法能大大减少运算量。虽然频域水印算法的计算较复杂，但可以 嵌入更多的水印信息，同时也具备良好的鲁棒性。总的来说，与空 间域方法相比，频域的方法具有三个优点： 1 ) 在频域中嵌入的水印信号能量可以散布到空间域的所有像素 上，有利于保证水印的不可见性； 2 ) 在频域，人类视觉系统的某些特性( 如频率掩蔽效应) 可以更 方便地结合到水印编码过程中； 3 ) 频域的方法可与国际数据压缩标准兼容，从而实现在压缩域 内的水印算法，同时，也能抵抗相应的有损压缩。 在实际应用中，可以根据不同的需求选择合适的算法。 1 4 本文的主要研究及内容安排 本文主要研究信息隐藏中的数字水印技术，当前影响水印的性 能主要是水印的嵌入算法和水印的结构。本文以几种常见的纠错码 1 4 基于纠错码的数字永印技术的研究 为基础，对数字水印结构进行了预处理，试验结果表明该方法提高 了水印的鲁棒性。本文尝试从水印结构入手，将性能更优的纠错码一 g o p p a 码应用到数字水印技术中，德到了良好的结果。一般来说鲁 棒性与不可见性之间存在着矛盾。本文最后提出的一种新的基于 y n d 的小波域数字水印算法，有效的兼顾了稳健性和不可感知性的 要求。论文所作的工作对于数字水印技术的研究具有一定的理论意 义和较大的实际意义。全文分为四章： 第一章绪论。主要介绍了数字水印技术的发展现状，对各种现 有的典型水印算法进行了分析和比较。对各篇章结构安排做了介绍。 第二章常见的纠错码及在水印中的应用。本章首先介绍了通信 模型的基本概念以及几种常见的纠错码( h a m m i n g 码，b c h 码，t u r b o 码) ：并对各种纠错码方法处理水印结构对水印鲁棒性的影响效果进 行了比较分析。 第三章基于g o p p a 码的数字水印算法的研究及应用。本章提 出了一种基于d c t 域的数字水印算法，引入了一种性能优良的纠错 码g o p p a 码对水印进行预处理。通过实验得到了理想的结果。 第四章基于j n d 的小波域数字水印算法。利用人类视觉系统 的对比感知性和掩蔽现象对图像的分块进行分类，然后将经过 g o p p a 码预处理后的水印以不同的强度系数进行嵌入。有效的兼顾 了稳健性和不可感知性的要求。 最后对所做工作进行了总结与展望，提出了今后的研究方向。 基于纠错码的数字水印技术的研究 第二章常见的纠错码及其在水印中的应用 在我们的实际应用中，所有信息传输、存储系统如通信、雷达、 遥测遥控、计算机的内外存储系统和内部运算，以及计算机通信网 中的信息传输等，都可归结成如图2 1 所示的数字通信系统模型。 图2 - 1 致孚通信系统模型 图像数字水印就是把要嵌入的水印信息( 信号) ，通过载体( 信 道) 进行传输，接收者必须定位嵌入信息并把它恢复成原始的水印 信息。而对图像数字水印的各种攻击相当于在信道中加入噪声。可 以看出图像水印系统和通信系统的模式很相似吲。基于这点，人们 把纠错检测码( a t - r o rc o r r e c t i n gc o d e ) 技术应用于图像数字水印系统 中。通讯模型中由于将数字产品定义为信道，当宿主图像受到噪声 攻击时，对提取出来的水印的质量影响很大，因此可以采用通信中 的纠错编码技术，对数字产品版权信息进行纠错编码生成数字水印 信息，以提高数字水印在信道中传输的可靠性，即抗干扰( 抗攻击) 能力。所以我们可以用传统通信模型来研究水印嵌入与提取的过程， 如图2 - 2 所示。 硕士毕业论文 图2 - 2 基于通信理论的水e p 通信的目的是要把对方不知道的信息及时可靠地( 有时还须秘 密地) 传给对方，因此，要求一个通信系统传输消息必须可靠与快速， 在数字通信系统中可靠与快速往往是一对矛盾。若要求快速，则必 然使得每个数据码元所占的时间缩短、波形变窄、能量减少，从而 在受到干扰后产生错误的可能性增加，传送信息的可靠性减低。若 要求可靠，则使得传送信息的速率变慢。纠错码也正是在解决这对 矛盾中不断发展起来的。 2 1 纠错码的基本概念 1 9 4 8 年c es h a n n o n 在通信的数学理论一文中提出了著名 的信道编码定理，开创了纠错码的研究方向，奠定了现代通信特别 是纠错码的理论基础，此文标志着编码理论的开端。 纠错编码的目的是引入冗余度，即在传输的信息码元后增加一 些多余的码元( 称为校验元，也叫监督元) ，以使受损或出错的信息 仍能在接受端恢复。 由信息论的基本知识可知，在高斯白噪声信道中，信道容量 c = l 0 9 2 i l + i w n o ( b i t l s ) 式中，矽是信道所能提供的带宽，是信号功率，p w 是单位频带 的信号功率，0 是单位频带的噪声功率，p i 矽n o 是信噪比。 基于纠错码的数字水印技术的研究 由于通信线路上总是有噪声存在，对有用信息产生影响，就会 出现差错。从编码的角度来看，平均误码率与信道编码的码字长 度n 有关，同时也与信道上所传消息的信息传输速率r 有关，因此 可建立起它们之间的函数关系，即 = e x p - n e ( 妁1 ( 2 - 1 ) 由式2 - 1 可知，要减少误码率就应当增大码长n 或增大可靠 性函数e ( r ) 。而对于同样的信息传输速率，信道容量c 大者其可靠 性函数e ( 置) 肯定也大；对于同样的信道容量c ，r 小者其可靠性函 数e ( r ) 则大。因此想增大e ( r ) 就要加大信道容量c 或减少信息传输 速率r 。 鉴于上述分析，可采用以下措施减少误码率： ( 1 ) 增加信道容量c ( 2 ) 减少信息传输速率r ( 3 ) 增加码长 2 2 几种常见的纠错码 目前，用于水印生成的纠错码瓣蚴主要有以下几种：汉明 ( h a m m i n g ) 码，它是一种基本的线性分组码；b c h 码，它是一类 特殊的循环码，而循环码是特殊的线性分组码，实际上也存在循环 汉明码；t u r b o 码。下面对这几种纠错码分别做介绍。 2 2 1h a m m i n g 码 h a m m i n g 码是1 9 5 0 年首先由h a m m i n g 构造的纠单个错误线性 硕士毕业论文 分组码，由于它的编译码器非常简单，且构造容易，因而得到普遍 的使用。 2 2 2b c h 码 b c h 码是1 9 5 9 年由h o c q u e n g h o n ，1 9 6 0 年由b o s e 和 r a y - c h a u d h u i 分别独立得到的纠多个随机错误的循环码。 给定任一有限域及其扩域g ，( 矿) ，若码元取自g f ( q ) 上的一个循 环码，它的生成多项式暑( j ) 的根集合r 中，含有以下万一1 个连续根： r d _ 1 4 ，4 “，a m o 小2 l 则由此g ( 聋) 生成的q 进制循环码称为b c h 码。 b c h 码的最小距离d 2 万。 2 2 3t u r b o 码 t u r b o 码是法国学者c b e r r o u 等于1 9 9 3 年发现的一种新的旧突 发错误的差错控制码。在t u r b o 码系统中，编码器由两个或多个带 反馈的递归系统卷积码r s c 经交织器并行级联而成蚴。其中，成员 码采用r s c 码的形式可以保证成员码编码器在所有信噪比( s n r ) 条件下都具有良好的性能。 图2 3 给出了由两个r s c 码级联而成的t u l b o 码编码器、译码 器的结构。输入的信息序列可以是任何数字化的数据流。 基于纠错码的数字水印技术的研究 y o a p l 图2 - 3t u r b o 码编码器和译码器结构 2 。3 基于纠错码的水印生成和提取过程 实际上，以分组码为例，基于纠错编码的水印生成过程可统一 用如下过程来描述： 1 ) 对原始信息( 单极性二值序列) 限以k 比特为单位进行分组， 表示为m = 慨，啊，l 其中，吩= 魏。，岛。，岛耻。) jf o 1 l 2 ) 根据线性分组码定义，在每组码元啦上添加监督码元 蚝，岛似1 ) ，熟( 删，得 厩= 岛o ，岛l “，妒西建，岛，i ， 3 ) 最终得到的水印序列( 长度为原来的n k 倍) 表示为 ，；i 甄，厩，磊，l 2 t 硕士毕业论文 相应的，水印提取过程也可用如下过程来描述： 1 ) 对水印信息w 以玎比特为单位进行分组，表示为 w - - - - ，厩，噍，l 其中 魄= l 虻。，晚j ，b j ( 。) l矿aei ol l 2 ) 根据线性分组码译码规则，得到编码前的信息 扁= 帆。，乩，扫j 。l 3 ) 最终得到的原始水印序列，表示为 ，一= l m o ，m j ，l 一l 2 4 性能比较 试验采用5 1 2 5 1 2 像素的“l e n a ”作为原始图像，选用的4 0 x 2 4 像素的二值图像作为水印图像。采用d c t 域的分块算法哺1 。并 在m a t l a b 6 5 进行了仿真。 2 4 1j - p e g 压缩 在图像传输的过程中，经常对图像进行j p e g 压缩以提高图像传 输的效率。j p e g 压缩是广泛用于图像压缩的压缩算法，是一种有损 压缩，会损失一定的图像信息，对水印解码会产生一定的影响。对 水印图像进行不同程度的压缩后，提取的水印和原水印的匹配率如 表2 - 1 所示。 基于纠错码的数字水印技术的研究 表2 - 1j p e g 压缩的影响 从表中可以看出，在压缩比小于6 时，各种纠错码都体现了较 好的纠错能力。并且随着压缩攻击强度的增加，提取水印的匹配率 并没有急剧下降。 2 4 2 噪声千扰 在一定的信号噪音功率比下，高斯噪声干扰造成的干扰效果最 为明显。表2 - 2 显示加入不同噪声后提取出的水印与原水印的匹配 率。 表2 2 加入嗓声的影响 信噪功率比d b 4 0 43 5 53 2 11 8 2 h a m m i n g 码0 9 9 0 9 70 8 80 6 3 b c h 码 1 0 00 9 80 9 70 8 6 t u r b o 码 1 o o 1 0 00 9 8 0 7 5 从表2 - 2 可发现，在较低的噪声攻击强度下的环境中，汉明码 善于纠正一位随机错误，因此效果较好；b c h 码和t u r b o 码的纠错 能力也很明显。 2 4 3 图像剪切 对图像进行剪切可以破坏水印，这也是侵犯版权常用的方式之 一，表2 - 3 为在剪切到不同大小面积后提取出的水印与原水印的匹 配率。 硕士毕业论文 表2 - 3 剪切不同大小的影响 2 5 结论 实验结果表明，加入h a m m i n g 码、b c h 码、t u r b o 码的数字水 印具在满足视觉掩蔽性的同时，增强了隐藏水印的鲁棒性，这表明 纠错码在数字水印中的使用可提高水印的抗攻击能力。 基于纠错码的数字水印技术的研究 第三章基于g o p p a 码的数字水印算法的研究及应用 目前，在数字水印中引入纠错码的文章已陆续出现”删。在文献 3 0 中将h a m m i n g 码引入到数字水印中，对高斯噪声有一定的鲁棒性， 对椒盐噪声也有很强的鲁棒性，但未考虑抵抗有损压缩、剪切、滤波 等攻击的鲁棒性。而且由h 孤l i n i n g 码的构造可知，h a m m i n g 码只能纠 一位错误，纠错能力有一定的局限性。文献 3 1 3 2 提出了基于g o l d 码和t u r b o 码的数字水印算法，并取得了较好的试验结果。本文尝试从 水印结构入手，将性能更优的纠错码g o p p a 码应用到数字水印技 术中。 3 1g o p p a 码 2 0 世纪7 0 年代初俄国学者g o p p a 系统地构造出了一类有理分 式码：g o p p a 码。g o p p a 码的最主要优点是它的某些子类能达到香 农信道编码定理所给出的性能，并且有快速译码算法。特别是它的 不等价码类数目很大，因此在1 9 7 8 年m c e l i c e 用g o p p a 码构造了一 类公钥密码体制，自此开始了用纠错码构造密码体制及各种认证码。 无论在实际中还是在理论上，也无论是在差错控制系统还是在密码 学中，g o p p a 码都具有重要意义。 设o 0 f 罐数) ，己= k ，q ，q 卜， 是一个有序集合，a ae g f ( q 4 ) ，且对任何i j 恒有4 j 吩，i ，j 妄撑，又设 g f ( 鼋) 上的竹维线性空间g f ”( 鼋) ，码字 c = ( o l ，0 2 ，c o ) o f 4 ( q ) 2 s 硕士毕业论文 则与c 对应的g f ( 矿) 上的z 有理分式 眦，= 霎毒 又设g ( z ) 是系数在g f ( 矿) 上的，次多项式，它的根不在位置集工中， 则以下n 重集合 c ：p c ( z ) - ；o ( m o d g ( z ) ) ，c g f “( q ) ( 3 一1 ) 或等价地说由占( z ) 生成的多项式中使( z ) - = 0 ( r o o d g ( z ) ) 的多项式集合 l r c ( z ) l ，称为由g ( z ) 生成的g o p p a 码，称譬( z ) 是码的生成多项式或 g o p p a 多项式。若g ( z ) 在g f ( q 4 ) 上既约，则称为既约g o p p a 码。 由此定义看到，g o p p a 码是n 维线性空间中，满足( 3 1 ) 式的所有 拜重( 矢量) c 的集合，它显然是一个线性子空间，因而g o p p a 码是一 个线性码。 由以上定义可以看到，决定一个g o p p a 码的是两个参数：一个 是有序集合l = i q ，a 2 ，q ；另一个是g o p p a 多项式暑( z ) 。所以，又 称g o p p a 码为rf g ( z ) ，l ) 码。由于l 决定了码元的位置，所以又称为 码的位置集合。 由g o p p a 码的定义可知： 眦) 2 霎专- - - o m o d 删 该式可写成： 陡百1 划z - a ，【z 一吒 z q j c 0 c l ： c 0 1 = 日i c = - o m o d g ( z ) 基于纠错码的数字水印技术的研究 称 耻击瓦1&-iz a oi z 一口i 为g o p p a 码的校验矩阵。可把h 。化成如下形式： h 2 = g 1 ( ) a o g 。( ) “g 。1 ) l1 码 瑶砰 - 1 研4 g 1 心) q g 。心， “g - l ( a o 1l d 0 2a n ，1 ：， a ，r - 2 i 吒r 4 - i “ 暑。( q 1 ) “d s - l g 1 ( 哆1 ) a 。t - 。g1 ( ) 94()0 g - ( a o 0 g - i ( 1 ) 由口矩阵中任取r 列组成的矩阵是一个范德蒙矩阵，因此只要 a o ，q ，巳一，不相等，矩阵的秩为，且行列式的值不为0 ，而矩阵显然 是一个满秩矩阵。由此可知，h ：矩阵的秩为r ，且也矩阵中各行线 性无关，任意，列也线性无关。由线性分组码理论可知，由h ：矩阵 确定的g o p p a 码的最小距离为 碡血2 ，+ l = d e g g ( z ) + l 如果h ：中每个元素都用基域g f ( q ) 中的元素表示，则皿矩阵至 多有m a x ( d o g g ( z ) ) 行，且至少r 列线性无关啪3 。 h = 帆。，。) 是要编码的消息，其中对o i k ，毪= 0 或1 ，由 g o p p a 码的生成矩阵g 得到g o p p a 码字c = u x g 。 本文重点考虑的是二进制g o p p a 码，又称二元g o p p a 码。 二进制的g o p p a 码的最小距离为 d 2 2 a o g ( z ) +