（计算机软件与理论专业论文）基于小波变换的数字图像水印算法的研究与实现.pdf

摘要 安全问题是当前网络多媒体应用中比较突出的问题，目前用于解决 该问题的技术很多，其中的数字水印技术，尤其图像数字水印技术，以 在版权保护方而的独特优势而引起人们的普遍重视，成为当前研究的热 点。本文以静态图像为基本研究对象，将含有版权信息的二值图像作为 水印，基于混沌映射对初始值的敏感性，采用混沌系列对二值图像进行 加密，并给出加密和解密算法；最后结合人类视觉特性，提出一种的基 于小波变换域的盲水印算法，实验表明该算法具有良好的不可见性和鲁 棒性，取得了较为满意的结果。 关键词：数字图像盲水印离散小波变换鲁棒性 a b s t r a c t s e c u r i t yi sav e r ys e r i o u sp r o b l e mi nt h ea p p l i c a t i o no fn e t w o r ka n d m u l t i m e d i a t os o l v et h ep r o b l e m , n o w a d a y sm a n yt e c h n o l o g i e s 龇 c o n s i d e r e d , e s p e c i a l l yf o ri m a g ew a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g y , w h i c hc a t c h e sa w i d ea t t e n t i o n f o ri t su n i q u ea d v a n t a g e si nc o p y r i g h tp r o t e c t i o n , a n d b e c o m e st h eh o t s p o to fc u r r e n td e v e l o p m e n t t h ep a p e rs t u d i e so ns t a t i c i n l a g e a n du s e st w o - b i t i n l a g e w i t h c o p y r i g h t i n f o r m a t i o n a s w a t e r m a r k f i r s t , i te n c r y p t st h et w o - b i ti m a g eo fw a t e r m a r kb yc h a o t i c m a p p i n gh a s e do nt h es e n s i t i v i t yo ft h ec h a o t i cm a p p i n gt o t h eo r i g i i l a l v a l u e 1 1 l i sm e t h o di sv e r ys i m p l ea n dh a sg o o ds e q z - i t y t h e ni tg i v e s a n o t h e r w a t e r m a r k i n g a r i t h m e t i cw i t h o u t o r i g i n a li m a g e b a s e do n d w t ( d i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o r m ) a n dc h a r a c t e r i s t i c so fh u m a n v i s u a l s y s t e m ( h v s ) ，a n dp r o d u c e sas a t i s f a c t o r ye f f e c t k e yw o r d s ：d i 班a li m a g e b l i n dw a t e r m a r k i n gd w tr o b u s t 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，基于小波变换的数字图 像水印算法的研究与实现是本人在指导教师的指导下，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，本论文不包含任何 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。 作者签名：圣萄速。型年旦月卫日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学 位论文版权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机 构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 长春理工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，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：立扬虫2 翌年堡月丝日 指导导师签名：年互月i 日 第一章绪论 数字水印技术是近几年发展起来的信息隐藏与多媒体图像处理领 域中的一个综合性研究课题。它应用领域广，涵盖学科门类多，且技术 要求含量高。本章将对数字水印技术的产生背景、发展现状以及本论文 的主要研究内容作简要介绍。 1 1 引言 随着计算机技术和网络技术的飞速发展，人类社会己经进入了一个 全新的数字化信息时代。目前，在我们国家已有几千万个网络用户，而 且正在以平均每六个月翻一翻的速度发展着。计算机网络技术的发展与 普及使人们的生产、生活方式和意识形态发生了深刻的变化。现在，人 们坐在家里就可以随时通过互联网获取与发布信息。网络已经成为人们 生产、生活必不可少的组成部分。被誉为我国四大发明之一的造纸术曾 经为人类文明的发展立下了不朽的功勋，它使得知识、信息与技术得以 记录、保存、传播、交流、沿续进而发展，而计算机网络的产生，又为 信息与知识的交流与传播插上了腾飞的翅膀。因此，著名的i t 产业s u n 公司有一句著名的广告词“人类文明从网络开始”。网络的产生标 志着人类文明进入了一个全新的发展阶段。 计算机技术、通信技术、多媒体技术的普及和应用，促进了各种数 字媒体信息的产生，也使得人们对信息的需求从过去单一的文本数据逐 渐延伸到数字化的文本、图像、图形、音频、视频信号集成的多媒体信 息。这些数字化的图形、文字以及音频、视频作品的易存储加工、易传 输复制的特点加快了知识和信息的交流与传播，网络通信技术以及计算 机辅助设备的发展( 比如：打印机、扫描仪等输入、输出设备) 又使得信 息的获取与交换变得更加简单便利，数字信息可以很方便的在世界范围 内进行广泛的传播交流。但与此同时这些高新技术的产生也为一些非法 者提供了恶意篡改、攻击、盗用他人劳动成果的便利条件。盗版者可以 在极短的时间内，轻易地获取别人的劳动成果，并任意传播、复制。因 此，数字产品知识产权的保护和信息的安全与维护就成了一个急需解决 的问题。迫切的应用需求促使多媒体信号处理技术成为近年来的一个重 要的研究课题。如何既能充分利用互联网的便利性和数字媒体的优良特 点促进社会文明的发展与进步，又能有效地保护数字媒体的版权和信息 的安全，引起了国内外各界人士的广泛关注。 目前对多媒体数字版权保护的研究，主要集中在密码学、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版权保护方法。 所谓数字水印( d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ) ，就是在数字宿主媒体( 如图 形、图像、音频、视频或文本等) 中嵌入一定量的信息，根据对所加信 息要求的不同，这部分加入的信息或可见或不可见( 通常要求不可见) ， 但都不影响原宿主媒体的功能，并对原宿主媒体起到保护的作用。通 常这些加入的水印是含有版权信息或其它重要信息的数字符号，它可以 是代表版权所有的文字、商标、印鉴或是其它数字图形、图像、音频、 视频或随机序列信息。 1 2 数字水印技术的发展过程 从上个世纪n r k e l 在1 9 9 3 年提出了空域算法以来，数字水印研究 得到了很大的发展。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，且文章数量还在大幅度增长，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 r ap 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。有关数字水印和信息隐藏的 会议也增长很快。 目前，已支持或开展数字水印研究的机构既有政府部门，也有大学 和知名企业，它们包括美国财政部、美国版权工作组、美国空军研究院、 美国陆军研究实验室、德国国家信息技术研究中心、n t t 信息与通信系 统研究中心、麻省理工学院、伊利诺斯大学、明尼苏达大学、剑桥大学、 瑞士洛桑联邦工学院、西班牙v i g o 大学、i b m 公司w a t s o n 研究中心、微 软公司剑桥研究院、朗讯公司贝尔实验室、c a 公司、s o n y 公司、n e c 研 究所以及荷兰菲莉浦公司等。 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 ，m w ) 在英国剑桥牛顿研究所召开，至今该 研讨会已举办了五届。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 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 l 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。工业界也对此表示出极大的热情，并大幅 度提高了水印研究的资助程度。从而使数字水印研究成为信号、图像处 理领域中最热门的研究领域之一。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，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 e ld r a w 图像处理软件中。a l p v i s i o n 公 司推出的l a v e l l 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。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。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 bb y l 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 ga 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目于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、天津大学、 北京邮电大学、中国科学院自动化研究所、中山大学等，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 t h w ) ，至今已成功的举办了六届，很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一 一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。另外， 山东高考网上阅卷系统明年将启用数字水印以保证阅卷安全，由于使用 了数字水印技术，网上阅卷有安全保证。系统设置中，在图像扫描过程 中嵌入了数字水印，并对嵌入数字水印的图像生成数字指纹，可保证图 像不会被篡改。数码相机拍摄的图片没有法律效应，原因在于数字产品 的可编辑性。国内外学者提出了可信赖数码相机概念，在拍摄的同时， 加入数字水印信息，一旦图片被篡改，便可根据提出的水印，判断是否 篡改，并且，能指出那个地方被篡改，从而保护图片的完整性，为数 码相机的应用拓宽商业路径，也为数字版权管理提供有效的技术支持。 虽然数字水印的应用取得了一定的进展，水印公司的创办也使得数 字水印技术从此走上了实用化和商业化的道路。但是目前市场上的数字 水印产品在技术上还不成熟，很容易被破坏或破解，还需要进一步的水 印技术理论的支持，进而推动国内外水印技术的蓬勃发展，为信息安全 产业提供有效的、安全的保障。 1 3 本文主要工作 数字水印虽然已经开始从理论的研究走向了实用化阶段，但是还很 不成熟，还需要进一步的理论支持。本文主要对数字图像水印算法作了 一些研究工作：1 基于混沌映射对初始值敏感性，运用混沌系统对二值 水印图像进行加密；2 提出一种基于离散小波分解的盲水印算法。 论文的章节安排如下： 第一章，介绍数字水印技术产生的背景及数字水印技术发展过程及 现状，从而提出本文研究的必要性，以及本文的主要内容。 第二章，主要是对数据水印基本知识的介绍。在这一章中从水印的 由来、特点、分类与应用及数字图像水印典型算法和攻击等方面对数字 水印技术基本知识作了概括性的总结与分析。 第三章，介绍了数字图像水印的一般原理及小波理论，为水印算法 的提出做理论基础。 第四章，首先基于混沌序列对初值的敏感性来实现对水印图像的置 乱加密和解密。然后结合人类视觉特点，提出一种基于离散小波变换的 盲水印算法，并加以实现，取得了满意的效果。 第五章，总结全文工作及进一步工作展望。 4 第二章数字水印技术概述 本章主要从不同角度来介绍数字水印技术，包括数字水印的由来、 特点、分类、应用领域以及数图像水印典型算法和攻击等方面的内容。 2 1 信息隐藏与数字水印 2 1 1 信息加密与信息隐藏技术 多媒体信息安全技术的研究主要有两种方法：多媒体信息加密技术 和多媒体信息隐藏技术脚。 ( 1 ) 信息加密技术 传统的加密算法一般是基于文本数据设计的，它把一段有意义的数 据流( 称为明文) 转换成看起来没有意义的数据( 成为密文) ，如d e s ( d a t a e n c r y p t i o ns t a n d a r d 数据加密标准) 和r s a ( 以三个发明者的首位字 母命名) 。由于将明文数据加密成密文数据，使得在网络传递过程中非 法拦截者无法从中获得信息，从而达到保密的目的。虽然，我们可以把 多媒体数据作为文本数据流一样看待，使用传统的加密算法进行加密； 但是，多媒体数据流具有的特性与文本数据的特性有很大不同。因此， 目前的传统加密方法如d e s 、3 - d e s 或r s a 等也很难满足多媒体应用中 的实时性等要求。新型的多媒体应用需要新的数据加密技术。近年来， 在这方面的研究取得了一些成果，主要针对视频数据和图像数据。传统 的加密方法一直被认为是在通信研究应用领域中主要的信息安全手段 而受到极大重视。近年来人们逐步认识到其对多媒体内容的保护和完整 性认证也具有一定的局限性。首先，加密方法只用在通信的信道中，密 文数据因其不可理解性妨碍多媒体信息的传播；其次，多媒体信息经过 加密后容易引起攻击者的好奇和注意，并有被破解的可能，而一旦被破 解后其内容完全透明，版权所有者就失去了对盗版的任何控制权；另外， 密码学中的完整性认证是通过数字签名方式实现的，它并不是直接嵌到 多媒体信息之中，因此无法察觉信息在经过加密之后的再次传播中内容 的改变。 ( 2 ) 信息隐藏技术 信息隐藏( d a t ah i d i n g 或s t e g a n o g r a p h y ) 不同于传统的密码学 技术，他主要研究如何将一机密信息秘密隐藏于另一普通信息中，然后 通过网络传输，使非法拦截者无法判断和截获机密信息。而密码技术 将机密信息加密成密文进行传递，非法拦截者可获得密文对其进行破 译，或将密文进行破坏后再发送，从而影响机密信息的安全性。 信息隐藏的例子层出不穷，从中国古代的藏头诗到中世纪欧洲的栅 格系统，从古希腊的蜡板藏书到德国间谍的密写术等这些都是典型的例 子。多媒体技术的广泛应用，为信息隐藏技术的发展提供了更加崭新的 领域。1 9 9 6 年5 月3 0 日，在英国剑桥大学牛顿研究所召开了第一届国 际信息隐藏学术研讨会，标志着一门新兴的交叉学科信息隐藏学的 正式诞生。信息隐藏学作为隐蔽通信和知识产权保护等的主要手段，正 得到广泛的研究与应用。 需要指出的是，信息隐藏不同于传统的密码学技术，密码技术主要 研究将机密信息进行特殊的编码，形成不可识别的密码形式( 密文) 进 行传递；信息隐藏主要研究如何将一机密信息秘密隐藏于另一公开的信 息中，然后通过公开信息的传输来传递机密信息。对加密通信而言，可 能的监测者或非法拦截者可截取密文并对其进行破译，或将密文进行破 坏后再发送，从而影响机密信息的安全；但对信息隐藏而言，可能的监 测者或非法拦截者难以从公开信息中判断机密信息是否存在或截获机 密信息，从而保证机密信息的安全。信息隐藏技术由于其具有的特点和 优势，已成为当今多媒体信息安全技术的一大重要研究热点。 待隐藏的信息被称为秘密信息，它可以是版权信息或其他秘密数 据，比如说一个序列号；而公开信息则称为载体信息( c o v e rm e s s a g e ) ， 如视频、音频片段。而信息隐藏过程一般由密钥( k e y ) 来控制，通过 嵌入算法将秘密信息隐藏到公开信息中，而隐蔽载体( 隐藏有秘密信息 的公开信息) 则通过信道传递，最后检测器利用密钥从隐蔽载体中恢复 检测出秘密信息。 信息隐藏技术主要由两部分组成：信息嵌入算法和隐蔽信息提取 检测算法( 检测器) ，其模型如图2 1 。信息嵌入算法是利用密钥实 现秘密信息的隐藏。隐蔽信息提取检测算法是利用密钥从隐蔽载体中 检n 恢复秘密信息。在密钥未知的前提下，第三者很难从隐秘载体中 得到或删除、甚至发现秘密信息。信息隐藏技术具有透明性、强壮性、 高效性和安全性等基本特性。 信息加密与信息隐藏是从不同的角度提出的信息安全技术，将信息 加密与信息隐藏有机结合，就可进一步提高信息的安全性。此外，需要 注意的是，解决信息安全问题，仅仅依赖于技术和算法等技术手段是不 够的，如加密芯片、安全协议等，还有赖于第三方认证中心、法制手段、 道德观念和保密措施的完善，这是一个全方位的问题。 6 互pe 互习区盈 。 口 目匡j 图2 1 信息隐藏模型 2 1 2 数字水印技术 数字水印技术的基本思想源于古代的伪装术( 密写术) 。古希腊的 斯巴达人曾将军事情报刻在普通的木板上，用石蜡填平，收信的方只 要用火烤热木板，融化石蜡后就可以看到密信。使用最广泛的密写方法 恐怕要算化学密写了，牛奶、白矾、果汁等都曾充当过密写药水的角色。 大约7 0 0 年前，在手工造纸技术中出现了纸张上的水印。可以说，人类 早期使用的保密通信手段大多数属于密写而不是密码。但与密码技术相 比，密写术始终没有发展成为一门独立的学科，其中的主要原因是密写 术缺乏必要的理论基础。 然而今天的数字化技术的发展为古老的密写术注入了新的活力，在 研究数字水印的过程中，研究者大量借鉴了信息伪装的思想。尤其是近 年来信息隐藏技术理论框架研究的兴起，更给密写术成为一门严谨的科 学带来了希望。 数字水印技术是通过一定的算法将一些标志性信息直接嵌入到多 媒体内容当中，但不影响原内容的价值和使用，并且不能被人的知觉系 统觉察或注意到，只有通过专用的检测器或阅读器才能提取“1 。其中的 水印信息可以是作者的序列号、公司标志、有特殊意义的文本等，可用 来识别文件、图像或音乐制品的来源、版本、原作者、拥有者、发行人、 合法使用人对数字产品的拥有权。与加密技术不同，数字水印技术并不 能阻止盗版活动的发生，但它可以判别对象是否受到保护，监视被保护 数据的传播、真伪鉴别和非法拷贝、解决版权纠纷并为法庭提供证据。 2 1 3 信息隐藏与数字水印的区别与联系 作为信息隐藏学科的一个重要研究分支，数字水印与信息隐藏又不 尽相同。为了更好的理解数字水印的概念，我们有必要对信息隐藏和数 字水印的区别与联系加以说明。 7 信息隐藏就是将机密信息秘密地隐藏于另一非机密的文件内容之 中。如图像、音频、视频或一般的文本文档等等，其目的不在于限制正 常的资料存取，而在于掩盖隐密通信的存在性，在保证隐藏的信息不引 起攻击者的注意和重视的前提下，减少被侵犯的可能性，从而最大限度 的保证秘密通信的安全性“1 ，其分类如图2 2 。 同信息隐藏一样，数字水印也是在数字的音频、视频、文本、图像 中加入一定的数字信息。但两者又有不同：信息隐藏加入的是机密的， 只有特定的人或机构才可看到的信息，这部分信息与其载体之间不一定 有必然的联系，而数字水印加入的是商标、序号或其它特殊的标志信息， 用于标识其载体的版权归属，被加入的信息与其载体之间存在一定的关 系，并在不影响载体作品质量的情况下，保护载体作品版权人的应得权 益；信息隐藏的目的在于最大限度的掩盖隐密通信的存在，而数字水 印的目的则是注释其载体、标识其载体的版权身份或者防止其载体被篡 改，它可以明确地告诉大家有一个不可见的印记存在于文件中。因此基 于数字水印所起的作用，对所加的水印信息要求有非常高的强韧度，对 于常用的图像处理( 如线性或非线性滤波、分割、缩放、去噪、有失真 压缩等) 应该具有很强的鲁棒性，使得如果这些处理引起了水印的退化 或破坏，那么原有载体图像也将同时被破坏“】。 图2 2 信息隐藏技术的分类 2 1 4 数字水印与数据加密的区别 作为通信保密家族中的孪生兄弟，数据水印和数据加密技术都是 为了保护通信的秘密性产生和发展起来的，两者是有一定的共性的，但 是也有明显的区别。 1 隐藏的对象不同 数据加密技术是将所要传递的信息进行特殊的编码，形成不可识别 的密码形式；而数据水印技术则是将传递的信息隐藏到充当载体的多媒 体数据中去，使之不易被察觉。数字水印使得可能的监察者不知道隐藏 的信息在发送，而数据加密中的监察者是知道有一个秘密信息在发送 的。加密是隐藏信息的内容，而数字水印主要是隐藏信息的存在性，这 是数字水印与数据加密的一个本质不同。隐蔽通信比加密通信更安全， 因为它隐藏了通信的内容以及通信过程的存在，不易引起怀疑。 2 对保护对象的影响不同 传统的加密方法对数据的加密后，要使用该数据，必须先解密；而 数字水印不影响宿主数据的使用，只是在需要检测隐藏的那一部分数据 时才进行检测，不影响其使用和隐藏信息的作用。 3 保护的时间长短不问 数据加密技术一般来说，是在数据传递或储存时将数据加密，当需 要使用时，则需要将之解密；而用于版权保护的数字水印则需要在多媒 体数据生命期内一直存在，即存在于传递、保存、使用等所有过程中， 可见数字水印比数据加密具有更长时间的保护效力。 4 对数据失真的容许程度不同 多媒体信息在传递的过程中一般会受到不同程度的处理，因此用于 多媒体内容版权保护和真实性认证的数字水印必须能够容忍载体一定 程度的失真：而对于数据加密而言，加密后的数据是不容许改变的，甚 至是一个比特的变化，否则可能就无法解密。 尽管数字水印和数据加密之间存在着上述的区别，但是密码学中的 很多思想可以借鉴到数字水印中来，如数字水印系统的安全性应建立在 密钥的基础上，不能通过对算法保密来得到安全性，而且数字水印的实 际应用往往需要借助密码体制才能实现。 2 2 数字水印技术特点 与加密技术不同，数字水印技术本身并不能阻止盗版活动的发生， 但它可以判别对象是否受到保护，监视被保护数据的传播、进行真伪鉴 别、防止非法拷贝、解决版权纠纷并为法庭提供证据。当与第三方检测 器联合作用时，数字水印技术也可以阻止盗版和非法使用。为给攻击者 增加去除水印的难度，目前大多数水印制作方案都采用密码学中的加密 ( 包括公开密钥、私有密钥) 体系来加强，在水印的嵌入、提取时采用一 种密钥，甚至几种密钥联合使用。 数字水印技术是作为用于版权保护的一种直观而有力的工具出现 的，它除了应具备信息隐藏技术的一般特点外，还有着其固有的特点和 研究方法。目前，该技术已经形成了几个公认的标准“1 ： 1 不可觉察性 在大多数数字水印应用中，系统都要求带水印的图像保持极高的品 质，与原始图像之间在肉眼下几乎不可辨别。 2 鲁棒性( 强壮性) 要求在水印图像经受j p e g ( j o i n tp h o t o g r a p h i ce x e r t sg r o u p 联 合图像专家组) 压缩和一般的图像处理( 如滤波、平滑、图像量化与增 强、有损压缩、几何变形、噪声污染等) 等无意变形破坏篡改或有针对 性的恶意攻击后，水印依然存在于多媒体数据中并可以被恢复和检测出 来。 3 容量 要求水印算法能嵌入一定的水印信息量。在典型应用中，我们一般 取6 0 到1 0 0 位的信息量。信息量太少不足以唯一地确定产品，常见的 信息有多媒体内容的创建者或所有者的标志信息、购买者的序列号等 等。 4 安全性 嵌入的水印信息必须只有授权的机构才能检测出，非法用户不能判 断水印是否存在，或者，即使检测出水印，也不能获取或去除水印信息。 5 盲检测性 水印的检测和解码过程不需要未加水印的原始载体图像的具体信 息。 6 确定性 水印所携带的信息能够被唯一确定地鉴别。显然，只有保证足够的 数据容量才能确保确定性。 一般而言，上述这些特性要求之间通常是互相竞争和矛盾的，实际 应用中不可能使他们同时达到最佳，只能根据需要在不同特点之间取得 折中或者设定可调范围。 2 3 数字水印的分类 目前，数字水印技术大致可以归为如下几类： 1 按特性划分 一度7 k 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。 鲁棒数字水印主要用于在数字作品中标识著作权信息，它要求嵌入的水 印能够经受各种常用的编辑处理；脆弱数字水印主要用于完整性保护， 脆弱水印必须对信号的改动很敏感，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，数字水印分为图像水印、音频水印、视频水 印、文本水印以及用于三维网格模型的网格水印等。 3 按检测过程划分 按水印的检测过程将数字水印分为明文水印和盲水印。明文水印在 检测过程中需要原始数据，而盲水印的检测只需要密钥，不需要原始数 据。一般明文水印的鲁棒性比较强，但其应用受到存储成本的限制。目 前数字水印大多数是盲水印。在信息隐藏和数字水印研究中，盲水印算 法具有较大研究意义和实用价值，本文研究的内容就是盲水印算法。 4 按内容划分 按数字水印的内容可以将水印划分为有意义水印和无意义水印。有 意义水印是指水印本身也是某个数字图像( 如商标) 或数字音频片段的 编码；无意义水印则只对应于一个序列号。有意义水印如由于受到攻击 或其他原因致使解码后的水印破损，人们仍然可以通过视觉观察确认是 否有水印。但对于无意义水印来说，如果解码后的水印序列有若干码元 错误，则只能通过统计决策来确定信号中是否含有水印。 5 按水印隐藏的位置划分 按数字水印的隐藏位置划分为时域数字水印、频域数字水印、时 频域数字水印和时间尺度域数字水印。时域数字水印是直接在信号空 间上叠加水印信息，而频域数字水印、时频域数字水印和时间尺度域 数字水印则分别是在d c t 变换域、时频变换域和小波变换域上隐藏水 印。随着数字水印技术的发展，各种水印算法层出不穷，水印的隐藏位 置也不再局限于上述四种。实际上只要构成一种信号变换，就有可能在 其变换空间上隐藏水印。 2 4 数字水印技术应用领域 数字水印的研究背景和应用领域主要有以下几个方面： 1 数字作品的知识产权保护 版权标识水印是目前研究最多的一类数字水印由于数字作品的拷 贝、修改非常容易，而且可以做到与原作完全相同，所以原创者不得不 采用一些严重损害作品质量的办法来加上版权标志，而这种明显可见的 标志很容易被篡改。数字作品的所有者可用密钥产生一个水印，并将其 嵌入原始数据，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，从而保护所有者的权益“”。目前用于版权保护的数字水印技术已 经进入了初步实用化阶，i b m 公司在其“数字图书馆”软件中就提供了 数字水印功能，a d o b e 公司也在其著名的p h o t o s h o p 软件中集成 d i g i m a r c 公司的数字水印插件。 2 商务交易中的票据防伪 随着高质量图像输入输出设备的发展，特别是高精度彩色喷墨、激 光打印机和高精度彩色复印机的出现，使得货币、支票以及其他票据的 伪造变得更加容易。据报道，美国、日本以及荷兰都已开始研究用于票 据防伪的数字水印技术。麻省理工学院媒体实验室受美国财政部委托， 已经开始研究在彩色打印机、复印机输出的每幅图像中加入唯一的、不 可见的数字水印，在需要时可以实时地从扫描票据中判断水印的有无， 快速辨识真伪。此外在电子商务中会出现大量过度性的电子文件，如各 种纸质票据的扫描图像等。即使在网络安全技术成熟以后，各种电子票 据也还需要一些非密码的认证方式。数字水印技术可以为各种票据提供 不可见的认证标志，从而大大增加了伪造的难度。 3 标题与注释 即将作品的标题、注释等内容( 如照片的拍摄时间和地点等) 以水 印形式嵌入到作品中，这种隐式注释不需要额外的带宽，且不易丢失。 4 篡改提示 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，基 于数字水印的篡改提示是解决这一问题的理想技术途径，通过隐藏水印 的状态可以判断声像信号是否被篡改。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。 5 使用控制 这种应用的一个典型的例子是d v d 防拷贝系统，即将水印信息加入 d v d 数据中，这样d v d 播放机即可通过检钡i j d v d 数据中的水印信息而判断 其合法性和可拷贝性。从而保护制造商的商业利益。 6 隐蔽通信及其对抗 数字水印所依赖的信息隐藏技术不仅提供了非密码的安全途径，可 以实现网络情报战的革命。网络情报战是信息战的重要组成部分，其核 心内容是利用公用网络进行保密数据传送。由于经过加密的文件往往是 混乱无序的，容易引起攻击者的注意。网络多媒体技术的广泛应用使得 利用公用网络进行保密通信有了新的思路，利用数字化声像信号相对于 人的视觉、听觉冗余，可以进行各种信息隐藏，从而实现隐蔽通信。 1 2 2 5 典型的数字图像水印算法 近年来，数字水印技术研究取得了很大的进步，尤其针对图像数据 的水印算法方法繁多。本小节将对一些典型的算法进行了分析，有些算 法也适合视频和音频数据。 1 空域算法 这是数字水印中最早的一类算法“，其中阐明了关于水印的一些重 要概念。该类算法中最典型的，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 ) 上，从而保证嵌入的水印不可见。但是由于使用 了图像中不重要的像素位，算法的强壮性差，水印信息很容易为滤波、 图像量化、几何变形的操作破坏。另外一类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。例如n i k o l a i d i s 提出随机选择对像 素点( q ，岛) ，然后将每个q 点的亮度值加1 ，每个岛点的亮度值减1 ， 从而保证整个图像的平均亮度保持不变“”。适当地调整参数，可使 p a t c h w o r k 方法对j p e g 压缩、f i r 滤波以及图像裁剪有一定的抵抗力。 但该方法嵌入的信息量有限，为了嵌入更多的水印信息，可以将图像分 块，然后分别对各个图像块进行嵌入操作，但这样的做法牺牲了水印的 完整性。 2 基于统计学的算法 这类水印基于一个假设：随机选取的两个像素的差值是以0 为中心 的高斯分布“”。我们可以同时增加该点对中一个像素的亮度值和减少另 一个像素的亮度值来嵌入水印。考虑到像素对所引入的水印频谱是高频 噪声，为抵抗诸如压缩和滤波等攻击，该算法可以进化为把像素扩展成 小的像素块( p a t c h ) ，同时增加减少各像素对中所有像素的亮度值。 该方法抵抗某些攻击( 裁剪攻击，灰度校正) 的能力相当强，但是水印 容量小是其中一个问题，同时对仿射变换攻击敏感。该方法有若干种改 进变种。 3 变换域算法 最先提出的是一种离散余弦变换( d c t ) 域数字水印算法“”，其方 法是首先把图像分成8 x 8 的不重叠像素块，在经过分块d e w 变换，得到 由d c t 系数组成的频率块，然后随机选取一些频率块，将水印信号嵌入 到由密钥控制选择的一些d c t 系数中。该算法是通过对选定的d c t 系数 进行微小变换以满足特定的关系，来表示一个比特的信息。在水印信号 提取时，则选取相同的d c t 系数，并根据系数之间的关系抽取比特信息。 其思想类似于扩展频谱通讯中的跳频技术，特点是数据改变幅度较小， 且透明性好，但是其抵抗几何变换等攻击的能力较弱“”。 另外基于d f t 和d w t 算法与上述算法具有相似的原理。在整个水印嵌 入过程中，首先可将数字图像的空间域数据通过d c t 、d f t 或d w r 转化到 相应的频域中；其次，根据待隐藏的信息类型，可对其进行适当编码或 变形；再次，根据隐藏信息量的大小和其相应的安全目标，选择不同类 型的频域系数带来嵌入水印；然后，确定某种规则或算法，用待隐藏的 信息的相应数据去修改前面选定的频域系数序列；最后，将数字图像的 频域系数经相应的反变换转化为空间域数据。该类算法的隐藏和提取信 息操作复杂，隐藏信息量不能很大，但抗攻击能力强，适用于数字作品 版权保护的数字水印技术中。 4 压缩域算法 基于j p e g 、m p e g ( m o t i o np i c t u r ee x p e r t sg r o u p 运动图像专家 组) 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 中有很大的实用价值。并且相应地， 水印检测与提取也可直接在压缩域数据中进行。下面介绍一种针对 m p e g 一2 压缩视频数据流的数字水印方案。虽然m p e g 一2 数据流语法允许把 用户数据加到数据流中，但是这样的数字水印技术方案将是非常脆弱 的，因为用户数据可以简单地从数据流中去掉；同时，在m p e g 2 编码视 频数据流中增加用户数据会加大位率，从而不适于固定带宽的应用；所 以m p e g 一2 水印算法的关键是如何把水印信号加到数据信号中，即加入到 表示视频帧的数据流中。h a r t u n g 提出了一种针对m p e g - 2 压缩视频数据 流的数字水印方案“”。对于输入的m p e g - 2 数据流而言，它可分为数据头 信息、运动向量( 用于运动补偿) 和d c t 编码信号块3 部分，在这个方案中 只有m p e g - 2 数据流最后一部分数据被改变，其原理是，首先，对d c t 编 码数据块中每一输入的h u f f m a n 码进行解码和逆量化，得到当前数据块 的一个d c t 系数；其次，把相应水印信号块的变换系数与之相加，得到 水印叠加的d c t 系数，再重新进行量化和h u f f m a n 编码，最后对新的 h u f f m a n 码字的位数1 。与原来的无水印系数的码字o 。进行比较，只在l 。不 大于o 。的时候，才能传输水印码字，否则传输原码字，这样就保证了不 增加视频数据流位率。该方法有一个问题值得考虑，即水印信号的引入 是一种引起降质的误差信号，而基于运动补偿的编码方案则会扩散和累 积误差；为解决该问题，此类算法采取了漂移补偿的方案来抵消因水印 信号的引入所引起的视觉变形。 5 n e c 算法 该算法由n e c 实验室的c o x 等人提出，并在数字水印算法中占有重 要地位“。其实现方法是，首先以密钥为种子来产生伪随机序列，该序 列具有高斯肌o ，1 ) 分布，密钥一般由作者的标识码和图像的哈希值组 成，其次对图像做d c t 变换，最后用伪随机高斯序列来调制( 叠加) 该图 像除直流分量( d c ) 外的1 0 0 0 个最大的d c t 系数。浚算法具有较强的强壮 1 4 性、安全性、透明性等。由于采用特殊的密钥，因此可防止i 叫攻击， 而且该算法还提出了增强水印强壮性和抗攻击算法的重要原则，即水印 信号应该嵌入源数据中对人感觉最重要的部分，这种水印信号由独立同 分布随机实数序列构成，且该实数序列应具有高斯肌0 ，1 ) 分布。 6 生理模型算法 人的生理模型包括人类视觉系统h v s 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，目前基 于此已实现了两个频域数字水印系统，一个基于分块d c t 框架，一个基 于小波框架“”。其基本思想是利用从视觉模型导出的j n d 来描述确定在 图像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 视觉质量。也就是说，利用视觉模型来确定与图像相关的调制掩模，然 后再利用其来插入水印。这一方法同时具有好的透明性和强健性。 2 6 数字图像水印攻击 所谓水印攻击分析，就是对现有的数字水印系统进行攻击，以检验 其鲁棒性，通过分析其弱点所在及其易受攻击的原因，以便在以后数字 水印系统的设计中加以改进“”。攻击的目的在于使相应的数字水印系统 的检测工具无法正确地恢复水印信号，或不能检测到水印信号的存在。 这和传统密码学中的加密算法设计和密码分析是相对应的。 当前，数字图像水印技术已经发展到一定程度，作为版权保护的一 种手段，数字水印势必受到各种形式的攻击，攻击是对水印强壮性的一 个直观的评估方法。这就像传统密码学所经历的加密一解密的否定之否 定的螺旋提高过程一样。我们有必要对水印攻击进行综合研究，而能更 深入了解和发现现有水印嵌入技术的弱点，进而促进更完善更强壮的水 印技术的开发。 综合前人的工作和，从原理上说，数字水印攻击方式可以分为除噪 有损压缩、重调制攻击、平均共谋攻击、几何攻击、密码学攻击、协 议攻击和第二代水印攻击等几类。 1 除噪有损压缩 该类攻击方法的基本思想基于以下假设：水印是一种服从某种统计 模型的噪声。因此，只要从水印图像中估计出未加入水印前的原始图像， 攻击者就能达到消除水印的目的。好的除噪技术可以派生出好的攻击算 法。该类水印攻击相当宽泛，涉及一系列图像处理操作，如图像除噪、 有损压缩、量化以及重调制等。图像除噪，又叫滤波，通常基于某一估 计准则而实施，如极大似然估计m l ，极大后验概率估计m a p ，极小均方 差删s e 或者极小极大准则等。而滤波算法也由所选择的准则以及已获 得的关于水印和载体图像的先验知识来决定。实际应用中最为常见的是 m l 和m a p 滤波。 有损压缩近来被证明在噪声的消除上和除噪方法效果相当嘲。此二 种方法都能把水印通道的容量大大减d , n o 的水平。至少对于平滑区， 通常在变换域中的系数为0 而并不会影响到图像的质量。当前小波域中 编码器的压缩比例可达4 0 到6 0 倍而图像质量尚可接受。 考虑到除噪和压缩的内在联系，攻击者可以将最新的小波编码器用 于水印消除；而小波编码器是基于失真率理论设计的，攻击者就可在攻 击所致的失真和水印的消除程度之间得到较好折衷。同样也可通过重新 量化消除q i m 技术嵌入的水印。值得注意的是，在除噪和上述的优化压 缩攻击后，图像的质量还可能得到若干分贝的提高。这些攻击属于消除 攻击一类。 2 重调制攻击 由于除噪和有损压缩已经在图像处理和存储传输中得到广泛的研 究，如今用于水印攻击也就非常自然；相对而言，基于重调制的攻击算 法是较新的概念。l a n g e l a a r 首先提出一个重调制攻击方法。该算法首 先在带水印的图像，中减去其中值滤波图像y ，并据此估计出一个粗 略的水印矿= y 一，再对进行高通滤波，将滤波所得的水印乘 上放大系数c ( 文中取口= 2 ) 从水印图像中减去，这样就得到消除水 印后的图像少= y 一例7 这种技术只能用在高通水印上效果良好。实际 应用中，水印的统计特性以及频谱常与载体图像相关，以取得更好的不 可见性，在这种情况下该方法性能不佳。h o l l i m a n 提出一个类似的基于 加权平均估计的攻击算法。“，他们声称能成功地消除p i t a s 以及商用软 件d i g i m a r k 等所生成的水印。 3 平均共谋攻击 统计平均利用同一载体多媒体数据集合的不同水印信号或不同密 钥版本，进行平均以使检测系统无法从中检测到水印信号的存在。该做 法的前提是数据量足够大，同时各水印平均的数学期望为零。 共谋攻击则利用同一图像加入不同水印后的数据，从各图像中分别 截取- - 4 , 部分，然后对应拼接成新的图像数据。该攻击的条件与平均攻 击类似。 统计平均和共谋攻击也属于消除攻击。d e g u i l l a u m e 将这两种攻击 应用予视频中并提出相应的对抗措施衄1 。 马赛克攻击的机理也是破坏水印的检测和解码过程。该攻击针对基 于因特网的自动版