（计算机软件与理论专业论文）小波域图像数字水印算法研究.pdf

山东师范大学硕士学位论文 摘要 通信、计算机和i n t e r n e t 技术的飞速发展，在许多方面改交了人们的生活。基子计 算机和网络的多媒体信息交换为数字产品的使用、传播提供了便利的途径，使数字作品与 传统作品相比有很大的优越性，成为信息交流的一种主要方式。因特网上信息的获取达到 了前所未有的深度和广度，但对多媒体作品的侵权也随之更加容易，非法复制，篡改也更 加方便，极大的损害了作者及版权所有者的利益。如何有效的保护多媒体信息的版权成为 信息安全领域的一个热门问题。作为信息隐藏在计算机多媒体领域的一个重要应用数字 水印技术使得人们能够在不影响多媒体产品( 如数字图像、文档、视频、音频等) 使用质 量的前提下，将具有特定意义的标记( 水印) 按照某种给定算法嵌入到媒体产品中以 实现对该产品的保护或认证。数字水印技术为多媒体版权保护提供了一个崭新的方法。近 年来在国际上引起了人们极大的兴趣和注意，从而成为目前国际学术界研究的一个前沿热 门方向 数字水印技术还远未成熟，许多问题亟待解决。本文着重对图像数字水印算法进行了 研究，主要工作如下： 1 ) 首先介绍了数字水印的研究背景，接着比较回顾了数字水印的发展历史，并简述了 数字水印的研究现状及存在的闯题 2 ) 较系统全面地论述了数字水印技术的各个方面，内容包括：数字水印定义，水印按 不同标准进行的分类，数字水印的应用领域，数字水印应该具有的特征，及数字水印的通 用模型，水印的常见攻击以及应对策略。 3 ) 由于本文的水印算法考虑了水印置乱预处理，所以还分别介绍了基于a r n o l d 变换 的图像置乱算法及幻方变换，并进行了实现。接着又介绍奇异值分解的简单原理。 4 ) 对小波分析理论作了简要介绍，主要包括：小波的定义、性质，小波在数字图像及 其在数字水印中的应用，多分辨率分析，最后分绍了小波的实现算法妇l l a t 算法。 5 ) 作者提出了种基于d w t 域的小波水印算法该算法实现了将置乱后的数字水印 嵌入到原始载体图像的l 级小波逼近子图中。实验证明，利用该算法嵌入的数字水印不但 具有较好的不可见性，而且对图像噪声、滤波等攻击具有较好的鲁棒性 6 ) 提出了一种基于奇异值分解的小波域水印算法，将奇异值分解的方法引入到水印嵌 入过程中，嵌入的水印信号是灰度图像，嵌入和提取过程比较简单，实验结果表明，该算 法对图像处理有较好的鲁棒性 关键词：数字水印；水印算法；图像加密；离散小波变换；奇异值分解 山东师范夫学硕： 二学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o n ，c o m p u t e ra n di n t e r n e tt e c h n o l o g y ， h u m a n s i i v e sh a v eb e e nc h a n g e dd r a m a t i c a l l y b a s e do n t h et e c h n o l o g yo fc o m p u t e r a n dn e t w o r k ，t h em u l t i m e d i ai n f o r m a t i o ne x c h a n g e sp r o v i d eac o n v e n i e n tw a yf o r u s i n ga n ds p r e a d i n go fd i g i t a lp r o d u c e s t h i sm a k ed i g i t a lp r o d u c t sh a v em o r e a d v a n t a g e st h a nt r a d i t i o n a lp r o d u c t s 。a n dd i g i t a m u l t i m e d i a h a sb e c o m em a i n m e a n so fi n f o r m a t i o nc o n m u n i c a t i o n w h i l eo n e c a na c q u i r eaw i d er a n g eo f m u l t i m e d i ad a t at h r o u g ht h ei n t e r n e t ，v a r i o u sp r o b l e m s ( c o p y r i g h tv i o l a t i o n ， i1l e g a lc o p y i n g , e a s yf o r g i n g ，e t c ) a r i s e sn a t u r a ll yt h a ts e r i o u s l yh a r mt h e b e n e f i to ft h ea u t h o ro rt h ec o p y r i g h to w n e r h o wt op r o t e c tm u l t i m e d i ad a t af r o m v i o l a t i o nh a sb e c o m ea ni m p o r t a n ti s s u ei ni n f o r m a t i o ns e c u r i t yf i e l d a sam a i n a p p li c a t i o no fi n f o r m a t i o nh i d i n gt e c h n i q u et om u l t i m e d i ac o p y r i g h tp r o t e c t i o n ， t h ed 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 ，w h i c he m b e d sa ni n v i s i b l es i g n a l ( w a t e r m a r k ) t ot h eo r i g i n a lm u l t i m e d i ad a t a ( i m a g e ，a u d i o ，a n dv i d e o ) ，h a sb e e np r o p o s e da s av i a b l es o l u t i o nf o rt h ec o p y r i g h tp r o t e c t i o na n da u t h e n t i c a t i o no fm u l t i m e d i a d a t ai nan e t w o r k e de n v i r o n m e n ts i n c ei tm a k e sitp o s s i b l et oi d e n t i f yt h ea u t h o r ， o w n e r 。d i s t r i b u t o ro ra u t h o r i z e dc o n s u m e ro fm u l t i m e d i ad a t a s oi th a sd r a w n e x t e n s i v ea t t e n t i o ni nr e c e n ty e a r sa n dh a sb e c o m et h em o s tp o p u l a rr e s e a r c h i n t e r e s t d i g i t a lw a t e r m a r k i n gi ss t i l li nh i si n f a n c y ，a n dm a n yp r o b l e m sr e m a i ny e tt o b es o l v e d t h i sp a p e ra d d r e s s e sr e s e a r c ho fi m a g 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 t h em a i nc o n t r i b u t i o n sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： f i r s t l y ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h er e s e a r c hb a c k g r o u n d ，t h e nr e v i e w sh is t o r y o fd i g i t a lw a t e r m a r k i n ga n ds u m su pt h ec u r r e n td e v e l o p i n gc o n d i t i o n ，a n dp o i n t o u ts o m ep r o b l e m so fd i g i t a lw a t e r m a r k i n g i nt h i sp a p e r ，t h ea u t h o rf i r s tm a k e sa no v e r a l lr e v i e wo nt h ed i g i t a l w a t e r m a r k i n gt e c h n i q u e s i n c l u d i n gt h ed e f i n i t i o n ，c h a r a c t e r i s t i c s ， m a i n a p p l i c a t i o nd o m a i n s ，b a s i cf e a t u r e so fd i g i t a lw a t e r m a r k i n g t h e nt h eg e n e r a l f r a m eo fd i g i t a lw a t e r m a r k i n gi sg i v e n f i n a l l y ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ea t t a c k s a n dc o u n t e r m e a s u r e s a st h e p r o c e s s i n g o f w a t e r m a r k i n g s c r a m b l i n g i st a k e ni n t oa c c o u n t ， i m a g e - s c r a m b li n ga l g o r i t h m s s u c ha s a r n o l dt r a n s f o r m a t i o n ，r u b i kc u b e t r a n s f o r m a t i o na r ei n t r o d u c e da n ds i m u l a t e d t h ep r o c e s so fd e v e l o p m e n t ，b a s i cd e f i n i t i o n 。m u l t i r e s o l u t i o na n a l y s i so f w a v e l e t ，m a l l a ta l g o r i t h ma n di t sa p p l i c a t i o ni n t h ei m a g ep r o c e s s i n ga r e i n t r o d u c e d n 坐查堑堕查竺竺! ：兰堡丝苎 一 a ne f f e c t i v 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 mb a s e do nt h ea r n o l dp e r m u t a t i o n m e t h o di sp r o p o s e di nt h i sp a p e r i no u ra l g o r i t h m ，t h ew a t e r m a r ki se m b e d d e dt o t h e1 0 wf r e q u e n c yc o e f f i c i e n t so ft h el - d e e pw a v e l e td o m a i n t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a tt h ee m b e d d e dw a t e r m a r ki sn o to n l yi n v i s i b l e ，b u ta l s o r o b u s ta g a i n s tt h ea t t a c k so ft h en o i s ea d d i t i o n ，f i l t e r i n ga n ds oo n t h i sp a p e rp r o p o s e sa na l g o r i t h mb a s e do ns i n g u l a r v a l u ed e c o m p o s i t i o n a l g o r i t h m si f lw a v e l e td o m a i n e m b e d d i n gs t r a t e g ya n de x t r a c t i o nm e t h o da r ev e r y s i m p l 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 dt h a tt h ew a t e r m a r ki sf a i r l yr o b u s t t os e v e r a ls i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n i q u e s 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 ；w a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m ；i m a g ep e r m u t a t i o n ；d i s c r e t e w a v e l e tt r a n s f o r m a t i o n ；s v d m 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，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( 注：如没有其他需要特别声明的，本栏 可空) 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。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谢意。 学位论文作者签名：苏醐 导师签字： 1 覆j ：f 识 i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解堂撞有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权望燕可以将学 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、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：秫：旆抽 导师签字：彳裹 i 枷k 签字日期：2 0 0 7 年4 月2 7 日签字日期：2 0 0 7 年4 月2 7 日 山东师范大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 数宇水印的背景 近年来，随着计算机多媒体技术的迅猛发展，人们可以方便的利用数字设备制作、处 理和存储图像、语音，文本和视频等信息媒体与此同时，数字网络通信正在飞速发展， 使得信息的发布和传输实现了数字化和网络化。在模拟时代，人们把磁带作为记录设备， 盗版拷贝通常要比原是拷贝的质量低，而盗版拷贝的二次拷贝的质量更糟糕。而在数字时 代，歌曲或电影的数字拷贝过程完全不损失作品质量。自从1 9 9 3 年l1 月i n t e r n e t 上出 现了m a r ca n d r e e s s e n 的m o s a i c 网页浏览器，i n t e r n e t 对用户变得友好起来，很快人们 便开始乐于从i n t e r n e t 上下载图片、音乐和视频。对数字媒体而言，i n t e r n e t 成了最出 色的分发系统因为它不但便宜。而且不需要仓库存储，又能实时发送。因此数字媒体很 容易借助i n t e r n e t 或c d - r o - i 被复制、处理、传播或公开这样就引发出数字信息传送的 安全问题和数字产品的版权保护问题。如何在网络环境中实施有效的版权保护( c o p y r i g h t p r o t e c t i o n ) 和信息安全( i n f o r m a t i o ns e c u r i t y ) 手段，已经引起了国际学术界、企业 界和政府有关部门的广泛关注。其中，如何防止数字产品( 如电子出版物、音频、视频、 动画、数字产品等) 被侵权、盗版和随意篡改，已经成为世界各国亟待解决的熟门课题。 数字产品的实际发布机制的详细描述是相当复杂的，它包括原始制作商、编辑、多媒 体集成者、重销者和国家官方等。本文给出了一个简单的发布模型“，如图1 1 所示 供应商 f 信赢骨布者) 盗版者 用户 ( 泊薷者) 图i i 敢孚产品网络发布的摹本梗型 图中的“供应商”是版权所有者、编辑和重销者的统称，他们试图通过网络发布数字 产品x 图中的。用户”也可以称为消费者( 顾客) ，他们希望通过网络接收到数字产品x 而图中的“盗版者”是未授权的供应者，他们未经合法版权所有者的允许重新发送产品x ( 如盗版者a ) 或有意破坏原始作品( 如盗版者b ) 并重新发送其不可信的版本x 。从而 消费者难免间接受到盗版的副本x 或x 。盗版者对数字多媒体产品的非法操作行为，通 常包括以下三种情况： ( 1 ) 非法访问，即未经版权所有者的允许从某个网站中非法复制或翻印数字产品 生墨墅堕奎兰堡! ：兰堡丝苎 ( 2 ) 故意篡改，即盗版者恶意的修改数字产品以抽取或插入特征并进行重新发送，从而 使原始作品的版权信息丢失。 ( 3 ) 版权破坏，即盗版者受到数字产品后，未经版权所有者的允许，将其转卖。 为了解决信息安全和版权保护问题，数字产品所有者首先想到的是加密和数字签名等 技术。基于私用或公共密钥的加密技术，可以用来控制数据访问，它将明文信息转换成旁 人无法理解的秘文信息。加密后的产品是可以访问的，但只有那些具有正确密钥的人才能 解密。除此以外，还可以通过设置密码，使得数据在传输时变得不可读，从而可以为从发 送到接受过程中的数据提供有效的保护。 数字签名是用“0 ”、“1 ”字符串来代替书写签名或印章，起到书写签名或印章同样的 法律作用。它可以分为通用签名和仲裁签名两种方式。数字签名技术已经用于检验短数字 信息的真实可靠性，并已形成了数字签名标准( o s s ) 它通过使用私用密钥，对每个消息 进行签名，而公共的检测算法用来检查消息的内容是否符合相应的签名但这种数字签名 在数字图像、视频或音频中的应用并不方便也不实际，因为在原始数据中需要加入大量的 签名。另外，随着电脑软硬件技术的迅速发展，以及基于网络的具有并行计算能力的破解 技术的日渐成熟，这些传统的安全性已经受到质疑。仅靠密钥增长长度以增强保护系统的 可靠性己不再是唯一可行的方法，而且只有被授权持有密钥的人才可获得经过加密后的信 息，这样就无法通过公共系统让更多的人获得他们所需要的信息。同时，一旦信息被非法 破密，就没有任何直接证据来证明信息被非法复制和转发。再者，对于少数人来说，加密 具有挑战性，因为人们很难防止一个加密文件在解密时被“剪掉”因此需要寻求一种不 同于传统技术的更加有效的手段，来保障数字信息的安全传输和保护数字产品的版权。 为了弥补密码技术的缺陷，人们开始寻求另一种技术来对加密技术进行补充，从而能 使解密后的内容仍能受到保护。数字水印技术有希望成为这样一种补充技术。数字水印是 一个把相关信息或签名嵌入媒体数据的过程。嵌入的水印只有通过专用的浏览器或阅读器 才能提取，应该能够为受到保护的媒体数据的归属提供完全和可靠的证据。它在数字产品 中嵌入的信息不会被常规处理操作去除掉。数字水印技术一方面弥补了密码技术的缺陷， 因为它可以为解密后的数据提供进一步的保护；另一方面，数字水印技术也弥补了数字签 名技术的缺陷，因为它可以在原始数据中一次性嵌入大量的秘密信息。人们可设计某种水 印，它在解密、再加密、压缩、数据转化以及文件格式等操作下保持完好数字水印技术 主要用于拷贝控制和版权保护。在拷贝控制应用中，水印技术可通过软件或硬件指出当前 的拷贝行为是被禁止的。而在版权保护的应用中，水印可用来标识版权所有者，保证版税 的合理支付。此外，水印技术还在一些其他场合得到应用，包括广播监控、交易追踪、真 伪鉴别、拷贝控制以及设备控制。 数字水印作为版权保护的新技术，数字水印技术的研究都还很不成熟，从理论到应用 都还是处于发展的初级阶段，有许多问题有待于解决。目前研究的如何设计数字水印方案 或者如何攻击数字水印，各种方案都还存在着这样或那样的问题，尚缺乏有关数字水印的 理论可以说，数字水印技术是目前国际学术界研究的一个前沿热门方向，其在多学科交 叉位置上是一个非常有生命力的研究课题。无论在国内还是在国外，已经引起了国内外专 2 些垄堑蔓查竺竺主兰垡丝苎： 家和商业团体的广泛关注。因此，研究出具有实用价值的水印系统不仅对版权保护具有十 分重要的意义而且在商业应用方面也具有广阔的前景。特别是在网络技术和应用发展迅速 的今天，水印技术的研究更具有现实意义。 1 2 数字水印的历史 尽管庄一千多年前我国就发明了造纸术，但是纸水印直到1 2 8 2 年才在意大利出现。这 些水印是通过在纸模中加细线模板制造出来的。纸在存在细线的区域会略薄一些，这样也 会更透明些。 最早水印的意义和目的是不明确的这些水印可能服务于某些实际功能，例如识别某 些纸是由哪些铸模制造的，或者作为识别造纸者的商标。另一方面，这也可能代表了某种 神秘的符号，又或者可能是一种简单的装饰。 到了1 8 世纪，在欧洲和美国制造的产品中，纸水印已经变得相当实用了。水印被用作 商标，记录纸张的生产如期，显示原始纸片的尺寸。大约也是这个时期，水印开始用于钱 和其他文件的防伪措施。纸水印的存在既不影响美感，也不影响纸张的使用。 将近1 8 世纪末期，“水印”这个术语似乎已形成，它可能起源于德国词汇w a t e r m a r k 。 这个词语其实是一个误称，因为在水印制造中水并不是特别重要。可能是因为水印有类似 于水在纸上的效果，就形成了这个词。 大概在“水印”这个术语形成的同时，伪币制造者开始开发一种技术，来伪造用于纸 币防伪的水印。伪造促进了水印技术的发展。英国人威廉康格里夫发明了一种制造有色 水印的技术，方法是在造纸币过程中把经过染色的物质插入纸币中。由此制成的水印一定 极难伪造，：因为英格兰银行自身也因它们太难制造而拒绝使用这种水印另一个英国人威 廉亨利史密斯发明了一种更实用的技术取代了精细线模式该模式用一种浅的浮雕雕 刻制造早期水印，并把水印嵌入到纸模中，由此产生的铸模表面的多变性创造出一种具有 不同灰度阴影的漂亮水印，这就是今天2 0 美元钞票的杰克逊总统面部上所使用的基本技 术。 更般的水印的例子( 在物体中嵌入与其有关的感知不到的信息) 可以追溯至最早的 文明大卫卡恩在他的经典著作。1 h ec o d e b r e a k e r s ”( 电码译员 ) 中给出了有趣的 历史符号。另一个与此相关的故事描述了一则隐藏在4 h y p n e r o t o m a c h i ap o l i p h i l i ”一 书中的消息，该书在1 4 9 9 年匿名出版。该书每章开始的字母拼出了。p o l i a mf r a t e r f r a n c i s c u sc o l u m n ap e r a 删a v i t ”，意思被猜想为“f a t h e rf r a n c e s c oc o l u m n al o v e s p o l i a ”。 中国是世界上最早发明造纸术的国家，也是最早使用纸币的国家。宋真宗在位时( 公 元9 9 8 - - 1 0 2 1 年) ，四川民间发明了“交子”。交子正面都有票人的印记，有密码画押，票 面金额在使用时填写，可以兑换，也可以流通。可以说交子上的印文既包含水印技术也包 含消隐技术。 事实上，正是由于纸张水印和消隐技术的特性才真正地启发了在数字环境下水印的首 次使用数字水印的产生最早可追溯到1 9 5 4 年，它的产生源于对数字产品的保护。在1 9 5 4 些查墅蔓查兰堡主兰垡丝苎 年，m u z a k 公司的埃米利希姆布鲁克为带有水印的音乐作品申请了一项专利。在此例中， 通过间歇的应用中心频率为l k h z 的窄带陷波滤波器，认证码就被插入到音乐中。该频率 上能量的缺失表征使用了陷波滤波器，而缺失的持续时间通常被编码为点或长划，此认证 码使用了莫尔斯电码。1 9 6 1 年美国专利局这样描述了该项发明： 此发明使对音乐作品进行确证成为可能，从而制定出了一个防止盗版有效途径，这也 可以比作纸币中的水印 此系统被m u z a k 公司沿用到了1 9 8 4 年前后。而很耐人寻味的是，这项发明被误解并演 变成的谣言持续了很长一段时间，此谣言声称m u z a k 公司会把潜在的广告信息传送给听众 很难确切地说数字水印是何时被第一次论述的。1 9 7 9 年，s z e p a n s k i ”描述了一种机械 探测模式，它可以用到文件上起到防伪效果。九年后h o l t 等人“1 阐述了一种在音频信号中 嵌入认证码的方法。但这时的数字水印只是作为一种版权认证的工具，并没有成为一门科 学。直到2 0 世纪9 0 年代初期，数字水印才作为一个研究课题受到了足够的重视。1 9 9 3 年 a z t i r k e l 等所撰写的“e l e c t r o n i cw a t e rm a r k ”删一文中首次使用了“w a t e rm a r k ” 这一术语。这一命名标志者数字水印技术作为一门正式研究学科的诞生。后来二词合二为 一就成为“w a t e r m a r k ”，而现在一般都使用“d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ”一词来表示。数字 水印”。现在我们所说的“水印”一般指的都是数字水印。 1 。3 水印的发展现状 数字水印技术自9 3 年被提出以来，由于其在信息安全和经济上的重要地位，发展较为 迅速，世界各国的科研机构、大学和商业集团都积极的参与或投资支持此方面的研究4 1 。 如美国财政部、美国版权工作组、美国洛斯阿莫斯国家实验室、美国海陆空研究实验室、 欧洲电信联盟、德国国家信息技术研究中心、日本n t t 信息与通信系统研究中心、麻省理 工学院、南加利福尼亚大学、剑桥大学、瑞士洛桑联邦工学院、微软公司、朗讯贝尔实验 室等都在进行这方面的研究工作。i 阴公司、日立公司、n e c 公司、p i o n e e r 电子公司和 s o n y 公司等五家公司还宣布联合研究基于信息隐藏的电子水印。 国际学术界陆续发表了许多关于数字水印技术方面的文章，几个有影响的国际会议( 例 如i e e e ，s p i e 等) 及一些国际权威学术期刊( 例如s i g n a lp r o c e s s i n g 等) 相继出版了 有关数字水印技术的专题。1 9 9 6 年5 月，国际第一届信息隐藏学术讨论会“”( i n t e r n a t i o n a l i 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，至今该研讨会己举办 了五届。在1 9 9 9 年第三届信息隐藏国际学术研讨会上，数字水印成为主旋律，全部3 3 篇 文章中有1 8 篇是关于数字水印的研究。1 9 9 8 年的国际图像处理大会( i c i p ) 上，还开辟 了两个关于数字水印的专题讨论。由m a r t i nk u t t e r 创建的w a t e r m a r k i n gw o r l d 已成为 一个关于数字水印的著名网上论坛。 在2 0 世纪9 0 年代末期一些公司开始正式地销售水印产品。在图像水印方面，美国的 d i g i m a r c 公司率先推出了第一个商用数字水印软件，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 e ld r a w 图像处理软件中。该公司还推出了媒体桥 4 坐变墅蔓查兰堡! ：兰垡丝苎 ( m e d i a b r 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，媒体桥技术就可以直接将用户带到与图像内容相关联的网络站 点。a 1 p v i s i o n 公司推出的l a v e l i 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，还是电子邮件或网页，都可以借助于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，它将水印信息隐藏到纸的背面，以此来证 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的行为。该开发计划名称 为( t a l i s m a n ( t r a c i n ga u t h o r s r i g h t sb yl a b e l i n gi m a g es e r v i c ea n dm o n i t o r i n g a c c e s sn e t w o r k s ) “”。此开发计划作为欧洲电子产业界等组织的欧共体项日于1 9 9 5 年9 月开始进行，1 9 9 8 年8 月结束，法国、比利时、德国、西班牙、意大利和瑞士等在内的 1 1 个通信与广播业者、研究单位和大学参加。 随着技术信息交流的加快和水印技术的迅速发展，国内一些研究单位也已逐步从技术 跟踪转向深入系统研究。各大研究所和高校纷纷投入数字水印的研究，其中比较有代表性 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、谭铁牛等他们是国 内较早投入水印技术研究且取得较好成绩的科研单位我国于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 删) ，至今已成功的举 办了四届，艮大程度地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，在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 中，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、防伪技术等软硬件开发的公司上 海阿须数码技术有限公司“”，公司现从事数字证件、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，现在这家公司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，这样会更加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、 安全的保障。 5 山东师范大学颈l ：学位论文 1 4 水印存在问题及发展方向 1 4 1 存在问题 ( 1 ) 设计对水印进行评价的公j 下方法。在这方面已经有部分学者进行了一些初步的研 究。但由于缺乏普遍性和原理性，对水印系统的脆弱之处无法进行全面测试与衡量。 ( 2 ) 从现实的角度来看，水印系统必然要在算法的鲁棒形、水印的嵌入信息量以及水 印的不可感知性之间达到一个平衡，这涉及到鲁棒性算法的原理性设计、水印的构造模型、 水印能量和容量的理论估计、水印嵌入算法和检测算法的理论研究等多方面。而现在如何 确定这个平衡点仍然是一个难题，目前大多数数字水印算法都是利用经验而不是从理论上 解决这个难题。 ( 3 ) 如何将水印技术与现行国际图像及视频压缩标准相结合，这也是大家关注的一个 难题。 ( 4 ) 文件所有权的证明问题还没有完全解决。就目前已经出现的很多算法而言，攻击 者完全可以破坏掉文件中的水印或复制出一个理论上存在的原始文件，这将导致文件所有 者不能令人信服的提供版权归属的有效证据。因此，一个好的数字水印算法应该能够提供 完全没有争议的版权证明，在这方面还需要做很多工作。目前将水印作为版权保护的法律 证据还不可行。 ( 5 ) 音频和视频水印的解决方案还不完善。大多数的视频水印算法实际上是将图像水 印的结果直接应用于视频领域中，而没有考虑视频应用重大数据量及近乎实时的特性。从 未来的发展来看，水印在视频和音频领域将有极为广阔的应用前景。因此，如何设计成熟 的、符合国际规范的音视频水印算法显得尤为重要。 ( 6 ) 现有的数字水印算法在原理上有许多雷同之处，但目前国内外的工作尚未能对这 些有内在联系的不同算法中的共性问题进行高度提炼和深入的理论研究，因而缺乏对数字 水印做进一步研究具有指导意义的理论结果。 1 4 2 发展方向 数字水印技术是一门学科交叉的新兴的应用技术，它的研究涉及了不同学科研究领域 的思想和理论，如数字信号处理、图像处理、信息论、通信理论、密码学、计算机科学及 网络、算法设计等技术，以及公共策略和法律等问题，是近几年来国际学术界才兴起的一 个前沿研究领域，得到了迅速的发展但数字水印技术仍然是一个未成熟的研究领域，还 有很多问题需要解决，其理论基础依然薄弱。今后，数字水印侧重的研究方向为啪： ( 1 ) 数字水印的基础理论研究 研究不同学科理论在数字水印中的应用，建立数字水印的理论体系。这方面的工作包 括：建立更好的模型，分析各种媒体中隐藏水印信息的容量( 带宽) ，分析算法抗攻击和鲁 6 坐查壁堕奎竺堡主兰堡丝苎 棒件等性能，以及研究对数字水印攻击的方法 ( 2 ) 数字水印新算法研究 在分析已有大量的水印算法基础上，结合许多学科的思想来设计满足实际应用的数字 水印融合信号处理技术( 如压缩算法) 、通信理论( 如扩频通信、调频调幅等) 、h a s 或h v s 、 加密技术及现代最新的a 线性理论( 如混沌等) 等开展颓算法的研究。 ( 3 ) 数字水印的标准化研究 数字水印要得到更广泛的应用，必须建立一系列的标准或协议，如加载或插入数字水印 的标准、提取或检测数字水印的标准、数字水印认证的标准等等都是急需的，因为不同的 水印算法如果不具备兼容性，显然不利于推广数字水印的应用。在这方面需要政府部门和 各大公司合作，如果等待市场上自然出现事实标准，将延缓数字水印的发展和应用。同时， 需要建立一些测试标准以衡量数字水印的鲁棒性和抗攻击能力，如s t i r m a r k 几乎已成为事 实上的测试标准软件。这些标准的建立将会大大促进数字水印的应用和发展。 ( 4 ) 数字水印的网络应用研究 对于实际网络环境下的数字水印应用，应重点研究数字水印的网络快速自动验证技术。 这需要结合计算机网络技术和认证技术 1 5 本文的主要工作及章节安排 结合当前国内外研究现状。本论文以数字图像为研究对象，在小波域中实现数字水印 的嵌入与提取。在前人研究的基础上，本文设计并实现了一种基于奇异值分解的小波域水 印算法该算法结合图像置乱技术和奇异值分解方法。针对灰度数字图像，将经过预处理 的水印嵌入到载体图像的l 级逼近子图中，并进行奇异值分解，进而得到含水印的混合图 像。本算法能够抵挡常见的图像压缩处理和恶意攻击，具有较好的鲁棒性。 本文的结构安排如下： 第一章，首先介绍了数字水印的研究背景，接着比较详细地介绍了数字水印的发展历 史，并简述了数字水印的研究现状及存在的问题，最后概述了本文的主要研究内容和结构 安排。 第二章，较系统全面地论述了数字水印技术的各个方面，内容包括：数字水印定义， 水印按不同标准进行的分类，数字水印的应用领域，数字水印应该具有的特征，及数字水 印的通用模型，水印的常见攻击以及应对策略。本章还介绍了数字水印系统中常见的评佶 方法。最后介绍了数字图像置乱技术，并进行了a r n o l d 变换的置乱实现，以及奇异值分 解的简单原理。 第三章，对小波分析理论作了简要介绍，主要包括：小波的定义、性质，小波在数字 图像及其在数字水印中的应用，多分辨率分析，最后介绍了小波的实现算法m a l l a t 算法。 第四章，提出了一种基于奇异值分解的小波域水印算法，将奇异值分解的方法引入到 水印嵌入过程中，嵌入的水印信号是灰度图像，嵌入和提取过程比较简单，实验结果表明， 该算法对图像处理以及j p e 6 有损压缩有较好的鲁棒性。 第五章，此章为结束语，总结全文并提出了今后进一步的研究思路 7 山东师范大学硕士学位论文 2 1 数字水印 第二章数字水印技术及理论基础 2 1 1 数字水印技术 目前虽然有很多讨论有关数字水印的文献，但数字水印始终没有一个明确的统一定义， c o x 等把水印定义为“不可感知地在作品中嵌入信息的操作行为“”；杨义先等认为“数 字水印是永久镶嵌在其它数据( 宿主数据) 中具有鉴别性的数字信号或模式，而且并不影 响宿主数据的可用性”“”。我们使用如下的说明性定义“”：数字水印技术是指用信号处理 的方法在数字声音，图像或视频等数字化的多媒体数据中嵌入隐蔽的信息，这些信息通常 是不可见的，不能被人的知觉系统觉察或注意到，只有通过专用的监测器或阅读器才能提 取通过这些隐藏在多媒体内容中的信息，可以达到确认内容创建者，购买者或判断内容 是否真实完整的目的。数字水印技术与信息隐藏学中密写术并不完全相同，水印技术往往 需要增加鲁棒性要求，以对抗各种可能的攻击。水印系统所隐藏的信息总是与被保护的数 字对象或它的所有者有关，而密写系统可以隐藏任何信息。但无论怎样讲，数字水印技术 是信息隐蔽学的重要分支。 2 1 2 数字水印的基本特征 不同的应用对数字水印的要求不尽相同，一般认为数字水印应具有如下特点： ( 1 ) 可证明性：水印应能为受到版权保护的信息产品的归属提供完全可靠的证据。水印 算法能够将所有者的有关信息( 如注册的用户号码、产品标志或有意义的文字等) 嵌入到 被保护的对象中，并在需要的时候将这些信息提取出来。水印可以用来判别对象是否受到 保护，并能够监视被保护数据的传播、真伪鉴别以及非法拷贝控制等。这实际上也是发展 水印技术的基本动力。 ( 2 ) 不可感知性：不可感知性是指视觉或听觉上的不可感知性，即指因嵌入水印导致载 体数据的变换对于观察者的视觉或听觉系统来讲应该是不可察觉的，最理想的情况是水印 与原始载体在视觉上是一模一样的，这是绝大多数水印算法所应达到的要求。 ( 3 ) 稳健性：稳健性是指水印应该能够承受大量的物理和几何失真，包括有意的( 如恶 意攻击) 或无意的( 如图像压缩、滤波、打印、扫描与复印、噪声污染、尺寸变换等等) 。 显然在经过这些操作后，稳健的水印算法应仍能从水印载体中提取出嵌入的水印或证明水 印的存在一个鲁棒的水印应做到若攻击者试图删除水印将会导致水印载体的彻底破坏 ( 4 ) 安全性：数字水印对一般用户来讲，是不可监铡和消除的。殷用户即使知道数字 产品中隐藏有水印，用一般的统计方法是无法检测出并删除水印的如果用户试图删除水 印，对原数字产品的质量将产生巨大破坏。因此水印可以有效的保护作者的合法版权。 8 坐垄堕堕盔兰堕圭兰垡笙塞 ( 5 ) 通用性：好的水印算法适用于多种文件格式和媒体格式。通用性在某种程度上意睐 着易用性 ( 6 ) 计算复杂度：不同应用对水印嵌入算法和提取算法的计算复杂度有不同的要求。如： 指纹水印要求嵌入算法速度要快，而对检测算法则不需要很快；其它的水印一般对嵌入的 速度要求不高但对检测的速度要求很快。 由于水印特性的要求对应用的依赖型很强。恰当的评价准则和具体的应用有关。许多 文献中讨论的数字水印可能不具备上述特点，或者只具备部分上述特点，这里我们讨论更 广泛意义上的水印。 2 1 3 数宇水印的分类 数字水印技术的分类方法有很多种，分类的出发点不同导致了分类的不同。它们之间 是既有联系又有区别。最常见的分类方法有下列几种“町伽洲； ( 1 ) 按特性划分 按水印的特性可以将数字水印分为鲁棒数字水印和脆弱数字水印两种。鲁棒数字水印 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。它要求嵌入的水印能够经 受各种常见的编辑处理；脆弱数字水印主要用于完整性保护与鲁棒性水印的要求相反， 脆弱水印对信号的改动非常敏感，人们根据脆弱水印的状态就可以判断数据是否被篡改 过 ( 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、 文本水印等。随着数字技术的发展，会有更多类的数字媒体出现，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为明文水印和盲水印。