（计算机软件与理论专业论文）基于小波包最优树的图像数字水印技术.pdf

基于小波包最优树的图像数字水印技术 捅要 近年来，小波包变换技术已逐步进入各种应用领域。小波包能够把信号的 高频细节部分进一步细分，在数字水印的应用上极大地拓展了水印信息的嵌入 空间，并且小波包分解的特点适用于图像加密。因此，小波包数字水印嵌入方 法也越来越多地受到了人们的关注，目前，在灰度图像和彩色图像的水印中， 已经出现了多种小波包水印嵌入技术，得到了比传统小波方法更稳健的水印。 但这些方法都存在着无最优基选择，或寻优算法复杂、数据量大等缺陷。 本文主要研究小波包域的图像数字水印技术，针对目前使用小波包作水印 的种种问题与不足，如无最优基选择，或寻优算法复杂、数据量大等缺陷，提 出了更为有效的嵌入和提取算法，并与已有的多小波图像水印技术进行对比研 究，在实验的基础上进一步证明了本算法的可行性和优越性，其主要研究工作 和取得的主要成果如下： 1 、考虑图像的自身特点和对水印的影响，在对原始图像进行小波包变换 时，选择了适宜的d a u b e c h i e s7 9 小波基，并且同时采用了对图像自适应性 更强的“熵”优化算法来选取小波包分解的最优基，这种算法主要用于图像压 缩中，能够抵抗压缩中噪声的干扰，数字水印所要求的性能之一就是要能抵抗 图像的压缩操作，因此，这种基用于数字水印是一种很有潜力的研究方向。 2 、由于低频范围信息量大，在低频范围嵌入水印会对原图像的影响较大， 很容易识别出来，又由于高频中存在噪声信号，大多数的压缩方法都是将高频 信号去除掉。如果把频率块的划分限制到一个足够小的范围内，这个划分中存 在一个频带，称为“感兴趣子带”，它的能量很高，而且又不容易被人眼识觉， 这样，这个频带的频率若不是很高的话，它就不会受到压缩操作的影响了。本 文就是选取了这样一个子带来嵌入水印。 3 、与目前在水印技术方面比较新的小波域方法多小波水印技术做了对比 研究，比较二者在理论基础和方法步骤上的差异，并做了大量的抗攻击能力实 验，分析和总结了实验结果，得出了实验结论。 关键词：数字水印，小波包，小波包交换，“熵”优化法，多小波 i m a g ed i g i t a lw a t e r m a r k i n gb a s e do nw a v e l e tp a c k e t w i t hb e s tt r e e a b s t r a c t t h et e c h n i q u eo fw a v e l e tp a c k e tt r a n s f o r m a t i o nh a sb e e na p p l i e di na l lk i n d s o ff i e l d si nr e c e n ty e a r s w a v e l e tp a c k e tc a na n a l y z et h eh i g hf r e q u e n c yp a r to f s i g n a l ，d e v e l o p i n gr o o mo fw a t e r m a r k i n gi n f o r m a t i o ne m b e d d e dc o n s u m e d l y ，a n d t h i sm e t h o do fe m b e d d i n gw a t e r m a r k i n gi n f o r m a t i o nc a na p p l i e dt oe n c r y p t i o no f i m a g e s o ，t h e m e t h o do fw a t e r m a r k i n g e m b e d d i n gw i t h w a v e l e t p a c k e d t r a n s f o r m a t i o nh a sg o tm o r ea n dm o r ea t t e n t i o no fp e o p l e a tt h ep r e s e n tt i m e ， m o r ea n dm o r em e t h o d so fw a t e r m a r k i n ge m b e d d i n gw i t hw a v e l e tp a c k e dh a v e a p p e a r e di ng r e yi m a g ea n dc o l o ri m a g e ，o b t a i n i n gm o r em o d e r a t ew a t e r m a r k i n g b u tt h e s em e t h o d sh a v em a n yl i m i t a t i o n s s o m em e t h o d sh a v en ob e s tb a s i s ，s o m e m e t h o d sh a v ep e r p l e x i n ga r i t h m e t i co ff i n d i n gt h eb e s tb a s e s ，a n do t h e r sh a v ea g r e a td e a lo fd a t at od e a lw i t h t h i sp a p e rs t u d i e dt h et e c h n i q u eo fi m a g ew a t e r m a r k i n gw i t hw a v e l e tp a c k e t ， a i m i n g a ta l lk i n d so fl i m i t a t i o n so fw a v e l e tp a c k e tw a t e r m a r k i n g ，b r i n g i n g f o r w a r dam o r ee f f e c t i v em e t h o do fe m b e d d i n ga n de x t r a c t i n g ，a n dc o m p a r i n gt o t h ee x i s t i n gm e t h o d s w eh a v ep r o v e dt h ef e a s i b i l i t ya n dv a l i d i t yo fo u rm e t h o d w i t hm a n yp r e p a r a t i o n s a l lo u rw o r ka n dp r o d u c t i o n sa r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 、t h i n k i n go ft h ep e c u l i a r i t ya n di n f e c t i o n st ow a t e r m a r k i n go fi m a g e ，i nt h e w a v e l e tp a c k e tt r a n s f o r m a t i o no ft h eo r i g i n a li m a g e ，w ec h o s et h ef e a s i b l eb a s i s c a l l e dd a u b e c h i e s7 9w a v e l e tb a s ea n du s et h ee n t r o p y b a s e da l g o r i t h mt os e l e c t t h eb e s tw a v e l e tb a s i s t h i se n t r o p y b a s e da l g o r i t h mw h i c hc a ns t a n da g a i n s tt h e e f f e c to fn o i s ei nc o m p r e s s i o ni su s u a l l yu s e di ni m a g ec o m p r e s s i o n t h i si sj u s t b er e q u i r e di nw a t e r m a r k i n g s ot h i sb a s i sh a sp o t e n t i a li np r o c e s s i n gi m a g e w a t e r m a r k i n g 2 、e m b e d d i n gw a t e r m a r k i n gi nt h el o wf r e q u e n c yo fi m a g ec a nb r i n gb i g g i s h e f f e c ta n dt h ew a t e r m a r kc a nb ee a s i l yi d e n t i f i e d t h eh i g hf r e q u e n c yh a sn o i s e a n dm o s tm e t h o d so fc o m p r e s s i n gi st ow i p eo f ft h eh i g hf r e q u e n c yo ft h es i g n a l i fw el i m i tt h ep a r t i t i o no ff r e q u e n c yt oas m a l lr a n g e ，a n dt h i sp a r t i t i o nh a sa f r e q u e n c yb l o c kc a l l e di n t e r e s t i n gb l o c kh a v i n gh i g he n e r g ya n dc a nn o tb ee a s i l y i d e n t i f i e d ，t h i sf r e q u e n c yb l o c k c a nn o tb ea f f e c t e d b y t h eo p e r a t i o no f c o m p r e s s i n g o u rp a p e rj u s ts e l e c tt h i sk i n do fb l o c kt oe m b e dw a t e r m a r k i n g 3 、w ec o m p a r eo u rm e t h o dw i t hm u l t i - w a v e l e tw a t e r m a r k i n gw h i c hi sn e wi n w a t e r m a r k i n gf i e l d w ec o m p a r et h e mi nb a s a lt h e o r ya n dp r o c e s sa n dd om a n y a t t a c ke x p e r i m e n t st o p r o v et h ev a l i d i t yo fo u ri d e a t h er e s u l t s a r ea l s ob e s u m m e du pa n da n a l y s e d 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 ，w a v e l e tp a c k e t ，w a v e l e tp a c k e tt r a n s f o r m ， e n t r o p y - b a s e da l g o r i t h m ，m u l t i w a v e l e 引言 引言 随着i n t e r n e t 为标志的网络时代的到来和电子商务为代表的网络经济的兴起， 网络信息安全问题也日益突出。数字信息可以很方便快捷地在世界范围内广泛传播， 随之而来的副作用就是恶意的个人和团体可能在没有得到作品所有者许可的情况下 进行非法拷贝和传播有版权的内容，这使数字信息产品面临严峻的考验，如数字音乐 和视频作品极容易被完美地复制，不但成本低廉而且极为容易，产量也很大这些问 题的部分解决方案可以是改变奇乐和视频产品的销售方式，但效果极为有限。人们希 望技术保护机制能够提供一种解决方案，其中最主要的一种保护机制就是版权标记一 将版权标识和序列号隐藏在音频或视频中，并使盗版者难以消去它们。目前对多媒体 数字版权保护的研究主要集中在集于密码学，数字签名，数字水印的技术和方法， 其中近几年刚刚发展起来的数字水印技术，被认为是一种最具潜力的数字版权保护 方法。 数字水印技术主要解决数字媒体版权保护中设置识别标记的问题，其基本思想 是将含有作者电子签名，日期，商标，使用权限等的数字信息作为水印信号，嵌入 到图像，文本，视频或音频等数字媒体中，并且在需要时，能够通过一定的技术检 测手段抽取出水印，以此作为判断媒体的版权归属和跟踪起诉非法侵权的证据。 在数字图像形式的信息宿主中嵌入水印，人们希望水印具有以下特性： 1 ) 隐蔽性人的视觉系统不会觉察到嵌入的水印，从视觉上看不出嵌入了水印的图 像和原图像的区别。 2 ) 鲁棒性嵌入水印的图像能够抵抗一些有意或者无意的改动，如压缩，滤波，旋 转 3 ) 安全性未授权者不能够将水印提取出来 4 ) 可读性嵌入的水印被提取出来后，应与原水印相近，两者不会存在很大的差别， 以容易辨别出所含的授权等信息 有很多的研究者致力于图像数字水印的研究，以达到这些好的性能可以把他们 的研究分为两个方面： ( 1 ) 空间域 在空间域方面，一般是在图像的最低有效位嵌入水印，如v a ns c h y n d e l 等人 1 1 提出要至少在最低有效位的两位嵌入水印w a l t o n 2 】用伪随机码来分配整个图像的 水印，然后检查七位数据的和w o l f g a n g 等人【3 1 发展y v a ns c h y n d e l 提出的把8 x 8 象 青岛人学硕士学位论文 素区域的1 和一1 的双极m 序列相加的方法b e n d e r 等人利用一种叫做拼凑物的统讨学 方法来选择强度级的值，并且调整低强度级的值这种方法在强度级较连续的情况下 是比较有效的通常，基于空间域的水印嵌入方法足比较简单的，水印对一螳几何变 换如剪切，旋转等的鲁棒性也比较好，但这样嵌入的水印对高比例的压缩鲁棒性比较 差 ( 2 ) 频率域 在频率域方面也出现了很多水印嵌入方法，如快速傅立叶变换( f f t ) ，离散余弦 变换( d c t ) 和小波变换用这些方法把图像变换到频率域，然后根据要嵌入的水印来 改变选定区域的变换系数h s u 等人 4 1 提出在图像的中间频率范围嵌入水印比较好， 他们认为中间频率段嵌入的水印对图像的影响比较小k o c h 等人 5 1 随机选出一些频 率段的离散余弦系数进行水印嵌入c o x 等人【6 】用高斯序列作为水印，修改可见度比 较高的低频范围的1 0 0 0 个离散余弦系数b o r s 和p i t a s 7 1 等人选择中间频率范围的 8 x 8 区域，然后调整它们的离散余弦系数r u a n a i d h 等人 8 1 没有做频率变换，而是基 于离散傅立叶变换的方法改变相位，这个方法中同时电使用离散余弦变换r y u 平n l e e 。1 提出了一种基于最小离散余弦变换母化误差的鲁棒性水印，这种方法得到的水 印抗压缩的鲁棒性很好 ( 3 ) 基于小波和小波包 在以后数字水印的研究中，多分辨率分析的方法的开展使得数字水印技术有了 重大突破基于小波变换域的数字水印技术因其具有良好的多分辨率表示、时频局部 分析等特性，且易于兼容j p e g 2 0 0 0 、m p e g 4 压缩标准等特点，得到了普遍关注。基于 小波变换( d w t ) 的方法已经成为新一代国际压缩标准的内容，它具有良好的空间一频 率分解特性，通过将图像在独立的频带和不同的空间方向上进行分解，能更好的和人 类视觉系统特性相结合，是一种很有潜力的方法，小波变换是一种信号的时间一尺度 分析方法，它具有多分辨率分析的特点，而且在时频两域都具有表征信号局部特征的 能力，是一种窗口大小固定不变但形状可变，时间窗和频率窗都可改变的时频局部化 分析方法这很适合于探测正常信号巾夹带的瞬态反常现象并展示其成分，所以被誉 为分析信号的显微镜利用连续小波变换进行动态系统故障检测与诊断具有良好的 效果。k u n d e r 和h a t z i n a k o s 1 0 l 用高斯随机数作为嵌入密匙，在合适的频率范围把嵌 入密匙和系数相融合作为水印图像。这种方法得到的水印很容易被嵌入但在提取过 程中却容易被破坏。z h w e n 1 1 1 试图用相邻系数的细微差别来产生密匙，这样的到 的水印i = k k u n d e r 的方法得到的水印抗压缩的鲁棒性更好。1 9 9 9 年，k i m 和m o o n ”1 通 2 引言 过设置闽值过滤系数改进了水印嵌入算法，阂值是图像拥有者预先定义好的， 处于变动频率范围的系数都和这个闽值做比较，比闽值大的系数和适当频率范 围的所有系数相加作为水印。 虽然 i o , 1 1 , 1 2 1 中的方法能够比较容易地嵌入水印，但这样嵌入的水印极易被非 法者所攻击，原因是水印图像是由随机数产生的，在一些比较明显的区域，由 原图像和嵌入水印的图像之问的相关性所产生的峰值很容易被研究破解出来， 这样非法侵入者就会知道水印嵌入的位置，把水印去掉。解决这个问题的一个 办法就是预先定义一个图像作为水印图像，然后把它嵌入到原图像的选定频率 范围内m i n j e nt s a i 等人【1 3 】对原图像进行小波变换，变换成几组系数，同时 对预先确定的水印图像进行置乱变换，以使水印图像大小与所改变的频率范围 大小相符和，然后把原图像和水印图像的系数相融合作为嵌入水印的区域。用 这种方法嵌入的水印比 1 5 和 1 6 中嵌入的水印抗压缩的鲁棒性要好，和 17 中差不多，并且水印的隐蔽性较好，不容易被移除。然而， 1 8 中的方法也存 在着许多缺点，原因是对水印使用置乱变换使得它占用了很大的空间，以至于 覆盖了原图像的整个频率范围。结果在高比例压缩时水印会被损坏，变得不清 晰。b a r n i 等人 1 4 j 提出了一种改进的基于小波变换的水印嵌入方法，是通过象 素掩盖来实现的，就像在 1 1 中，利用了人类视觉系统的特点。w a n g 等人 1 5 1 针 对数字图像的版权保护提出了一种水印算法，这种方法是把水印嵌入图像选定 的中间频率范围。试验证明，w a n g 的方法能使水印具有好的隐蔽性和可读性。 而后的理论分析和实验结果表明：小波变换域数字水印算法在处理诸如 m a n d r i l l 、f l o w e r 之类纹理图像时却普遍存在透明性与鲁棒性不甚理想等问 题。其根本原因在于传统的塔式小波仅仅递归分解了低频子带，未能对纹理细 节丰富的高频子带实施分解处理同时，由于该技术对图像平移和尺度变换攻 击的鲁棒性较敏感而研究发现其原因在于传统的小波变换仅将水印嵌入在小 波域的低频部分，从而使水印在空域中重复加在某些位置所以，就考虑用小波 包变换代替传统的金字塔小波 本文在深入分析现有水目j 技术的基础上，重点研究了小波域数字水印技 术，图像的小波包变换和最优基的选择，基于小波包的图像数字水印，并对小 波域水印的两种新发展一小波包水印和多小波水印进行了对比研究，本文的主 要内容如下： 第一章主要说明了论文研究的应用背景，信息隐藏的概念和数字水印技 青岛大学硕士学位论文 术，对数字水印技术的产生、分类以及基本特征做了简要的介绍。 第二章介绍了本文方案中所使用的小波包分解的基本理论，从空间频率分 析以及连续小波变换到二维图像的小波包分解，小波包对信号分解和重建的原 理，同时介绍了今年来小波包变换在：1 = 程上的一些重要应用。 第一章重点介绍了小波包数宁水印方案，方案的提出和理论依据，算法的 设计以及实现，包括原图像的小波包分解、所使用的小波基、最优小波包基的 选择、水目j 图像的咒乱、水印的嵌入和提取以及嵌入水印后所受的攻击的测 试，并在一定的试验环境和条件r ，通过大量的实验证明了本水印方案的可行 性和优越性。 第四章的主要内容是在小波包数字水印方案可行的基础上，讨论了基于小 波包和多小波的两种水印的嵌入和提取方法，并把这两种方法进行了对比研 究，并从试验上进一步论证了小波包数字水印的独特优势。 4 第一章信息隐藏与数字水印 第一章信息隐藏与数字水印 1 1 信息隐藏的应用背景 信息隐藏( i n f o r m a t i o nh i d in g ) 是一门具有渊源历史背景的新兴学科，涉 及感知科学、信息论、密码学等多个学科领域。它是将秘密信息隐藏于一个宿 主数据中，但不被觉察或不易被觉察到，而且不影响宿主信息的知觉效果和使 用价值，信息隐藏学科的主要分支包括：掩码术( s t e g a n o g r a p h y ) 和数字水印 ( w a t e r m a r k i n g ) 技术。主要应用于以下几个方面： 1 )隐蔽通信 隐蔽通信可以隐藏通信的收发双方以及通信过程的存在，隐蔽通信的目的 是实现利用公用网络进行保密数据传送，实现这一f 1 标的传统思想是采用数据 加密，但经过加密的文件往往是混乱无序，容易引起攻击者的注意，而隐蔽通 信则利用数字化或模拟声像信号相对于人的听觉、视觉冗余，在信号的时空域 或变换域中隐藏信息，从而实现对通信内容、收发双方以及通信过程存在性的 完全隐蔽，在军事和国家安全保护中有重要作用。 2 ) 版权保护 用于版权保护的数字水印是利用信息隐藏原理，使版权标志不可感知地隐 藏于接受保护的数字作品中，既不损害原作品，又达到保护版权的目的。指纹 水印如同软件的序列号，当有盗版出现时，可以根据其中的指纹找到盗版数据 的来源。 3 ) 真实性保护 也称为认证、篡改提示等。这种水印用于认证数据的真实性和完整性，提 示被篡改的情况。由于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，我们可通过隐藏于其中的数字水印的损害情况判断声像数据是否被篡改， 一些好的易损水印方案还能大致判断数据被篡改的情况，如位置、频率段等。 4 )标注信息 标志水印是指隐藏信息于数据中，用于解释这些数据，如在c d 音乐种隐 藏该乐曲的简介、作者、订购信息、访问连接等操作代码。数据的标识信息有 时比数据本身更有保密价值，若直接将这些重要信息标记在原始文件上可能失 密或给使用带来不便。如果利用基于水印技术的标识方法，表识信息在原文件 青岛大学硕 ：学位论文 上是看不到的，只有通过特殊的阅读程序才能读取。这种方法已经被国外一些 公开的遥感图像数据可所采用。 5 ) 票据防伪 随着高质量图像输入输出设备的出现，使货币、支票以及其它票据的防伪 变得更容易。为了防止伪钞的泛滥，许多幽家开始研究用于数据防伪的数字水 印技术。日口在打印机、复印机l ：输出的图像中加入唯一的、不可见的数字水印， 在需要的时候町实时地从扫描图像巾判断水印的有无。数字水印技术可为各种 票据提供不可见的标志，或在打印出的传统印鉴中嵌入小可见认证信息，从而 大大提高伪造难度。 6 ) 使用控制和数据监控 使用控制主要用于防拷贝系统。如将水印信息嵌入d v d 内容数据中，d v d 播放机通过检测d v d 数据中水印信息来判断其合法性和能否拷贝。如果水印标 识该拷贝不合法，则d v d 播放机拒绝播放。数据监控主要用于是否有非法的使 用情况。如确定电视节目等许可使用费的支付，探测未经许可的使用情况。 7 ) 错误隐匿 在刚络环境中，町能引起传输错误的最常见的两种情况是：为无线网络 上的突发错误或信号严重衰减：二是i n t e r n e t 上网络阻塞。这两种情况下， 都有可能造成大量数据丢失。被动解决方案是采用错误隐匿，即在接收端采取 后处理技术。它通过隐匿的信息恢复受损的数据。该方案在信号编码前，在信 号中隐藏一些与图像信息相关的重要特征信息，这些信息由于隐匿信息的鲁棒 性，在编码、传输后仍存在一些重要信息，从而我们可利用这些信息辅助恢复 原始信号。 1 2 数字水印的产生背景 数字水印的思想在1 9 9 0 年提出，1 9 9 3 年t i r k e le t a l 制造了一个词 “w a t e r m a r k ”，随后，信息隐藏技术在工业和通信研究等领域b 速发展起来。 1 9 9 4 年，由v s c h y n d e l 等人在重要国际会议上发表第一篇关于数字水印的文 章，1 9 9 6 年召开了关于水印的第一个学术会议。标志着一门新兴的交叉学科 一信息隐藏学的诞生。之后，1 9 9 8 年在波兰召开了信息隐藏学术会议，1 9 9 9 年在度召开第三届信息隐藏学术会议，随后美国召开了多次有关信息隐藏的学 术论坛。在短短几年间，学者们提出数字水印的定义，分类和各种各样的算法， 第一章信息隐藏与数字水印 并挖掘出各种各样的应用场合。许多大公司及实验室也纷纷将数字水印技术应 用于自己的产品。 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的缺陷，因为它 在原始数据中一次性嵌入大量的秘密信息，因此数字水印技术成为当前多媒体 信息安全研究领域发展最快的热点技术。数字水印技术是一门新兴的多学科交 叉应用技术，它涉及不同学科领域的思想和理论，如：信号处理、图像处理、 信息论、编码理论、密码学、检测理论、概率论和随机理论、数字通信、对策 论、计算机科学及网络技术、算法设计等技术，还包括公共策略和法律等问题。 1 3 数字水印的分类和基本特征 1 3 1 数字水印的分类 ( 1 ) 按人的视觉特性分，分为可见水印和不可见水印两大类。可见水印通 常代表版权信息公司的徽标等，可以被直接观察到，可见水印一旦被翻拍或其 他手段窃取，将不再具有商业价值，所以它具有一定的使用局限性：不可见水 印是目前国内外学者主要研究的对象，加入不可见水印后的图像或其他数字化 音像产品与原图像或产品非常才h 似，但实际上是不同的，水印只有通过特定的 方法才能被提取或检测。 ( 2 ) 按水印的生成可分为独立于原图像的水印和图像的自适应水印也叫零 水印。独立于原图像的水印可以是随机产生的序列，也可以是事先给定的些 图标等；零水印是利用图像的重要特征来构造水印信息，而不修改原图像的任 何数据。 ( 3 ) 按提取水印时是否需要原始图像，可分为非盲水印和盲水印，提取和 检测水印时需要原始数据的就称为留水印，如果不需要原始数据参与可直接提 取水印则称为盲水印。一般来说非盲水印比亩水印要安全，但盲水印更符合所 有权验证的需要，所以盲水日j 是水印研究发展的方向。 ( 4 ) 从含水印图像的抗攻击能力来分：鲁棒性水印( r o b u s t w a t e r m a r k i n g ) 、脆弱性水印( f r a g i l ew a t e r m a r k i n g ) 和半脆弱性水印 ( s e m i f r a g i l ew a t e r m a r k i n g ) 。鲁棒性水印是在多媒体内容中嵌入水印以实 现版权保护，鲁棒性越强抗攻击能力越强，水印越安全。脆弱性水印是用于辅 助表示图像内容的有关信息的水印，它对任何图像处理和变换都很敏感；半脆 青岛人学硕士学位论文 弱性水印是对某些特定的图象处理方法具有鲁棒性，而对其他处理不具有鲁棒 性。 1 3 2 数字水印的基本特征 鲁棒性( r o b u s t n e s s ) ：数字水印的鲁棒性是指当被保护信息经过某种改动 后，比如传输、过滤操作、巫采样、编码、有损脏缩等，嵌入的信息应保持其 完整性，不能被轻易地删除，并以一定的i f 确概率被检测到。不同的水印应用 对鲁棒性的要求不同，一般都应能经受i e 常的图像处理，如滤波、压缩等，用 于版权保护的鲁棒水印需要最强的鲁棒性，需要抵抗恶意的攻击，而易损水印、 注释水印则不需要抵抗恶意攻击。 不可感知性( i m p e r c e p t i b i l i t y ) ：也叫透明性，指被保护信息在被嵌入水 印信息后应不引起被保护信息质量的明显下降和视觉效果的明显变化。对鲁棒 性水印和易损水印来说不可见性是最基本的要求。而从信号处理的角度来说水 印的鲁棒性和不可感知性是相互矛盾的，只有根据要求在两者之间进行折中。 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和可靠的 证据。水印算法能够识别被嵌入到保护对象中的所有者的有关信息( 如注册的 用户号码、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。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 以及非法拷贝等。这实际上是发展水印技术的基本动力。 1 4 数字水印的典型算法 数字水印技术横跨了信号处理、数字通信、密码学、模式识别等多种学科， 水印的研究算法目前已经提出了许多数字水印方法，这些方法一般分为两类： 空域水印法和频域水印法。 1 4 1 空域水印算法 出现的空域水印算法主要有： ( 1 ) 最低有效位算法( l i s ts i g n i f i c a n tb i t s ，l s b ) 最低有效位算法( l s b ) 是r g v a ns c h g n d e l 等人提出的第一个数字水印算 法，是一种典型的空间域信息隐藏算法。l s b 算法使用特定的密匙通过m 序列 发生器产生随机信号，然后按一定的规则排列成二维水印信号，并逐一插入到 原始图像相应像素值的最低几位。由于水印信号隐藏在最低位，相当于叠加了 第一章信息隐藏与数字水印 一个能量微弱的信号。因而在视觉和听觉上很难觉察。水印的检测是通过待测 图像与水印图像的相关运算和统计决策实现的。l s b 算法虽然可以隐藏较多的 信息，但隐藏的信息可以被轻易地除去，无法满足数字水印的鲁棒性要求，因 而现在的数字水印软件已经很少采用这种算法了。不过作为一种大数据量的信 息隐藏方法，l s b 在隐蔽通信中仍占据着相当重要的地位。 ( 2 ) p a t c h w o r k 方法和纹理块映射编码方法 这两种方法都是由麻省理工学院媒体实验室w a l t e rb a n d e r 等人提出的。 p a t c h w o r k 方法是随机选择n 对像素点( 吒，岛) ，然后将每个q 的亮度值加1 ，每 个岛点的亮度值减1 ，这样整个图像的亮度保持不变。适当调整参数，p a t c h w o r k 方法对j e p g 压缩、f i r 滤波及图像裁减有一定抵抗力。但该方法嵌入的信息 量有限，对仿射变换敏感及对多拷贝平均攻击的抵抗力较弱。纹理块映射编码 是将水印信息隐藏在图像的随机纹理区域中，利用纹理间的相似性掩盖水印信 息。该算法隐蔽性较好，对滤波、压缩和扭转等操作具有抵抗能力，但仅适用 于具有大量任意纹理区域的图像，且需人工干预。 1 4 2 频域水印算法 频域中能量分布集中的特点，有利于保证水印的不可见性，因此目前的大 部分水印算法是在变换域中实现的。频域水印算法主要利用了图像的下述特 征：( a ) 图像像素点间的相关性；( b ) 人眼的视觉特性( 允许图像有一定的误差) ； ( c ) 变换域的能量集中特性；( d ) 加水印的数据间存在冗余度。 ( 1 ) d f t 域的算法 傅立叶变换是一种经典而有效的工具，d f t 域的算法有利于实现水印的仿 射不变性。且可利用变换后的相位信息嵌入水印。0 r u a n a i d h 提出了两种d f t 域的算法，一种算法是将水印嵌入到d f t 系数的相位信息中，其依据是h a y e s 的结论“从图像可理解性的角度，相位信息比幅度信息更重要”。另外一种算 法实现了水印的平移，旋转和尺度拉伸不变性。 ( 2 ) d c t 域的算法 d c t 域水印因其计算量较小，且与国际数据压缩标准( j p e g 、m p e g 、h 2 6 1 2 6 3 ) 兼容，便于在压缩域中实现，是目前为止研究最多的一种数字水印。其主要思 想是在图像的d c t 变换域上选择中低频系数叠加水印信息，之所以选择中低频 系数，是因为人眼的感觉主要集中在这频段，攻击者在破坏水印的过程中， 9 青岛人学硕： ：学位论文 不可避免地会引起图像质最的严霞下降，一般的图像处理过程也不会改变这部 分数据。e k o c h 和j z h a o 先利用d c t 分解设计水印算法，不把水印加到整幅 图像上，而是随机地选取图像的一些区域加以改动以嵌入水印。c o x 给出了一 种通过直序扩频技术实现的数字水印。在这个方案中，一系列类似高斯白噪声 数字水印数据，被嵌入到宿主图像离散余弦变换( d f t ) 系数中。h s u 和w u 对c o x 的方案进行r 改进，把图像进行8 x 8 块，然后将一个二进制序列作为水印放入 d c t 中频频带，b a r n l 等人则计算整个图像的d c t ，把一个实数序列嵌入到d c t 的中频系数中。 ( 3 ) d w t 域的算法 由于m p e g 一4 及2 p e g 一2 0 0 0 压缩标准的公布，基于小波域的水印算法也越 来越多。d e e p ak u n d u r 和d i m i t r i o sh a t z i n a k o s 对签名矩阵作小波变换，然 后叠加到原始图像的小波变换系数上。水印强度由图象空间频率的对比度决 定。x g x i a 等人提出的塔式水印，他们对宿主图像作多层小波变换并在每一 层小波变换系数上加上水印。w a n g 等人提出基于小波变换的盲水印算法，搜 索图像中感知性强的系数所对应的小波系数并用于嵌入水印。近几年来，基于 小波域的水印算法成为研究热点并取得了令人振奋的发展。 在小波域变换方法中又出现了小波包( w p t ) 数字水印和多小波数字水印方 法，尤其是小波包方法，近一步解决了传统小波域水印的问题，它能够为信号 提供更加精细的分析方法将频带进行多层次划分，对多分辨率分析没有细分的 高频信号部分进一步分解，并能够根据被分析信号的特征，自适应地选择相应频 带，使之与信号频谱相匹配从而提高时一频分辨率，用小波包对高频信号做进一 步分解，极大地拓展了信息嵌入的空间。所以目前小波包水印技术得到了很多 人的关注。 另外还有分形域水印算法和和n e c 水印算法，但它们都不如小波域水印算 法应用广泛，这方面的研究也不如小波域水印算法多。 1 5 常见的水印攻击方法 数字水印并不像高级机密那样需要做到绝对的不可破解，攻击水印的人往 往从经济利益考虑，只要做到需要花大屋人力物力才能将水印去除，就足以打 消攻击者的念头。对水印的攻击主要有四个方面：破坏水印、消除水印、加入 假水印、利用水印检测器等。主要有以下几个常见的攻击方法： l o 第一章信息隐藏与数字水印 1 基本攻击 很多基于扩频的数字水印仅仅通过复制或者删除一定数量的采样点，就能 造成水印提取失败。一些基本的图像处理过程：如滤波、均衡、替换、打印一 再扫描，也会降低水印的可检测性。 2 鲁棒性攻击 该攻击先对图像进行局部轻微程度的拉伸、剪切、旋转等几何操作，然后 采用双线性捅值，最后通过一个传递函数模拟非线性a d 转换器的缺陷带来的 误差。或者通过估计嵌入的水印的方法来除去水印。 3 共谋攻击 该攻击是针对指纹水印的攻击方法，攻击者通过同一数据源嵌入不同水印 的版本，经过平均等运算得到一个新版本，使水印无法被检测到。 4 表示攻击 此攻击主要针对网上自动侵权探测器。它将图像分成若于小块，将这些小 块在w e b 网页拼成完整的图像，使探测器无法探测到水印。 5 解释攻击 该攻击也称i b m 攻击。其基本思想是在己嵌入水印的图像i 中减去一个水 印信息w ，从而得到图像c 。这样原水印和假水印都能检测到，造成无法确定 的情况。解决方法是采用不可逆水印算法或第三方提供认证标志。 6 拷贝攻击 此攻击方法的目的不在于消除水印或使水印无法检测到，而是设法将图像 中的水印拷贝到另一图像中，从而使版权保护中标志身份的水印不再可信。 7 实际执行上的考虑 主要指对检测水印软件本身进行篡改攻击。 1 6 本章小结 本章主要介绍了数字隐藏技术和数字水印的产生背景，以往在数字水印领 域所出现的典型算法以及水印可能受到的攻击类型等。本文的水印方案主要是 采用了频域的小波包方法，针对鲁棒性攻击而考虑和设计的。鲁棒性攻击的 类型主要有：图像模糊、几何剪切、添加噪声、压缩、马赛克等。 青岛大学硕士学位论文 第二章小波包分析的基本理论 本文的数字水印系统是基于小波变换域的一种改进算法，所以首先要把小 波分析的基本理论引入，通过x c d , 波分析的理论基础的阐述得出甚1 二小波分析 的数字水印的优越性。 2 1 空间频率分析 任何理论的体会出和发现都是经过漫长的过程，小波分析也不例外。人们 在分析信号处理的研究过程中曾提出过很多分析方法，从f o u r i e r 变换、d 函 数、g a r b o r 变换、s t f t 变换一直到小波变换的提出推倒论证经历了一百八十 多年的历史。 在实际应用中我们常常处理的是一些时变信号，如语音信号、音乐信号、 探测信号，对于这些时变信号进行分析通常需要提取某一时间段的频率信息或 某一频率段所对应的时间信息。无论f o u r i e r 变换还是6 函数都不能满足人们 对时变信号的分析要求，因此需要寻找介于傅立叶分析和6 函数分析之间的， 并且具有一定的时间和频率分辨率的基函数来分析时变信号。例如对于高频普 的信息，时间间隔要相对的小才会有比较好的精度。 在g a r b o r 变换的基础上，提出了多种形式的窗口函数，如矩形窝、汉明窗 等后来都统称为短时f o u r i e r 变换( s t f t ) ，s t f t 变换虽然可以描述某一局部时 间段上的频率信息，但其窗口仍然是固定的。另外还可以证明无论将频率m 和 时间r 如何离散化，窗函数g 。( f ) 都不能形成r ( r ) 上的正交基，因此为了不丢 失信息，在信号分析或数值计算时就必须采用非正交的冗余基，这就增加了不 必要的计算量和存储量，这些都是s t f t 的应用局限。而小波变换继承和发展 了s t f t 的局部化思想，同时又克服了窗口大小不随时间、频率变化，缺乏离 散正交基的缺点。 2 2 连续小波变换 2 2 1 连续小波基函数【1 6 】 小波变换的思想来源于伸缩和平移，最早是1 9 1 0 年由h a a r 提出规范正交 1 2 第j ：章小波包分析的基本理论 基；1 9 8 1 年s t o r m b e r g 对h a a r 系进行改进，证明了小波函数的存在性；1 9 8 4 年( 法) m o r l e t 在分析地震信号时确定出函数妒( f ) 的一个伸缩平移系 i o ，2 p ( 半) ；a , b e r , a , 0 ；1 9 8 5 年，y m e y e r 和d a u b e c h 记s 共同研究选取连续 小波空问的一个离散子集，得到一组离散的小波基( 称为小波框架) ，并且根据 小波框架的离散子集的函数恢复了连续小波函数的全空问。随后人们试图寻找 一组离散的正交小波基，但没能成功：1 9 8 6 年，m e y e r 在证明不可能存在时 频域都具有正则性的正交小波基时，发现了具有一定衰减性的光滑性函数妒， 使 2 - h 2 v , ( 2 - t - k ) lj ，女z 构成r ( 尺) 的正交基，从而证明了确实存在正交小波系； 1 9 8 7 年，f 法) m a l l a t 将计算机视觉领域内的多尺度分析的思想引入到小波分析 中，提出了多分辨率分析的概念，统一了在此之前的所有具体正交小波基的构 造，并且提出了相应的分解和重构快速算法。 那么小波的概念到底是如何定义的呢? 小波，即小区域的波，小波函数的 确切定义为：设妒( t ) 为一平方可积函数，即妒( 1 ) r ( r ) ，若其傅立叶变换妒( m ) 满 足条件 正学 ( 2 1 ) 则称妒( t ) 为一个基本小波目函数，并称式( 2 - 1 ) 为小波函数的可允许性条件。 连续小波基函数t f 。，( r ) 的定义：将小波母函数t f r ( f 1 进行伸缩和平移，设其 伸缩因子( 又称尺度因子) 为。，平移因子r ，令其平移伸缩后的函数为妒。( r ) ， 则有 础) f f i a l 2 妒( 字卜吣月( 2 - 2 ) 称钆，( f ) 为依赖于参数。，r 的小波基函数，由于尺度因子a 和平移因子r 是取 连续变换的值，因此称妒。( f ) 为连续小波基函数。他们是由同母函数经伸缩 和平移后得到的一组函数系列。 青岛人学硕士学位论文 由于小波基函数住时间、频率域都具有有限或近似有限的定义域，显然， 经过伸缩平移后的函数在时、频域仍是局部性的。下面对小波窗口的变化情况 进行定最的分析：定义小波母函数妒( f ) 的窗口宽度为出，窗口中心为f 0 ，则相 应呵求得连续小波妒。( t ) 的窗口中。b , b 5 ： t 。= a t o + r( 2 - 3 ) 窗口宽度为：a t a ，= a ? s t( 2 - 4 ) 同样妒( m ) 的频域窗口中心为，窗口宽度为x c o ，设妒。( f ) 的傅立叶变换为 妒。，( m ) ，贝u妒。，( m ) = n “2 e 一砷( a w ) ( 2 - 5 ) 所以频域窗口中心为 啦，。=i1(2-6) 寓口宽度为 啦，= 。( 2 - 7 ) _ 荇称址m 为窗几函数的窗l 丁面积，由于 r 口，g x o , = a r ! a 。r ( 2 h 8 ) 可见连续小波基函数的窗1 5 面积不随参数以r 而变这正是海森堡测不准原理告 诉我们的：n , a o ，的大小是相互制约的，乘积出 a c o z l 2 ，且只有当妒( f ) 为g