（计算机软件与理论专业论文）基于变换域的数字图像水印技术研究.pdf

信息工程大学硕士学位论文 摘要 本文从数字水印技术的研究现状出发，介绍了水印的产生、嵌入、检测技术以及相应 的评价指标。在此基础上，针对鲁棒数字水印问题，选择数字图像作为水印的嵌入对象， 对变换域嵌入算法进行了较为深入的研究。主要内容包括： 首先，系统综述了数字图像水印技术的相关基础知识和研究现状。 其次，提出了一种基于差值抖动调制的鲁棒数字水印算法。该算法采用扩频调制水印， 然后随机选取图像8 8 分块d c t 变换后的中低频系数对来嵌入水印信息，最后对影响水 印鲁棒性和不可见性的主要因素进行了分析。实验结果表明，该算法不仅能够抵抗j p e g 压缩和剪切攻击，而且能够抵抗一定程度的低通滤波攻击。 再次，将离散余弦变换( d i s c r e t ec o s i n ct r a l l s f o n n ，d c t ) 和离散小波变换( d i s c r e t e w 打e l e tt r m s f o 锄，d w t l 相结合，提出了一种基于零树结构的鲁棒数字水印算法。首先， 对原始图像按照零树框架进行编码，即将图像8 8 分块d c t 变换；其次，对变换后的所 有块中d c t 中低频系数重新组合，将相同方向相同频带的系数集中起来进行编码；再次， 对重组后的d c t 系数再进行第二次d c t 分块变换：最后，从经过编码后的系数中找出相 对的d c t 系数的零树，然后把水印嵌入其中，并对其不可见性进行了分析。实验结果表 明，该算法能够有效的抵抗j p e g 压缩和剪切攻击，而且能够抵抗一定程度的加噪以及低 通滤波的攻击。 最后，对本文工作进行了总结，并提出了将来的努力方向和构想。 关键词：数字水印；d c t ；零树；鲁棒性；不可见性；j p e g 第v l 页 信息工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sa n i c l es t a n e d 劬mt i l eb a c k g r o l m do fw a t e 硼a r ka n di n v i t e dm ep r o d u c t ，唧b e d d i n g ， d e t e c t e dt e c h n i q u e 卸dr e l e v a mv a l u et a 唱e to fw a t 盯m a r k o nt l l eb a s e so fi t ，a c c o r d i n gt ot l l e r o b u s td i g i t a lw a t e m l a r k i n g ，d e 印l yr c s e a r c ho nc h o o s i i i g d i g i t a li m a g e 舔w a t e m a r k s 锄b e d d e do b j e c tj sd o n e n em a j 川yi i l v e s t i g a t i o n 锄di t l l l o v a t i v er e s u l ti s 嬲f o l l o w s ： f i r s to fa l l ，s y s t c ms u m m a r i z e dc o r r e l a t i v eb 硒i ck n o w l e d g e 锄ds t a t mr e s e a r c ho fd i g i t a l w a t c 加1 a r k st e c l u l i q u e s e c o n d ，ar o b u s td 酒t a lw a t e 锄a r ka l g o r i t h mb a s e do nd i 髓r e n c ed i 1 e rm o d u l a t i o ni s p r o p o s e d t h i sa i g o r i t l l ma d o p 僦ls p r e a d s 肌dm o d u l a t i o l l st h ew a t e m l a r ks i g n a la n dt l l e l lt 1 1 e m i d d l ea n dl o wf e q u e n c yc o e f h c i e n tp a i r sa r es e l e c t e dt o 锄b e dw a t e n n a r ks i g n a lm d o m l y ； f i n a l l y ，t l l e 曲m a r y 缸t o r sa f f c “n gr o b u s n l e s sa 1 1 di m p e r c e p t i b i l 时撇a 1 1 a l y z e d t h er e s u l t so f e x p e r i m e n t ss h o wm a tt 1 1 i ss c h e m ec a i lr e s i s tn o t0 1 1 l yj p e gc o m p r e s s i o na n dc m p p i n g 毗a c k s e f 绝c t i v e l y ，b u ta l s ot h el o wp a s sf i l t e r i n gi na c e n a i l le x t e m n 坨m i r do n e ，m a d et h ed c ta n dd w tf e ut o g e t h e r ，ar o b u s td i g i t a lw a t e r l l l a r k i n gb a s e d o nz e r o n 它ea l g o r i m mi sp r o p o s e d f i r s t ，c o d et 1 1 eo r i g i n a li m a g ea c c o r d i n gt ot h ez e r o n e ； s e c o n d ，m a d ea l lo ft l l ed c tc o e m c i e n tw h i c ht r a i l s f o n n e da s m b l ea g a i n ，a i l dt h e nm a d em e 鼢m ew a ys 锄ef k q u e n c yb a i l dc o e f 五c i e mt o g e m e r 锄dc o d ei t t h et h i r d ，咖s f o n n e dm e r 啪m p o s i t i o n sd c t c o e 衢c i e n ta g a i n ；a tl 勰t ，矗n dt h er e l a t i v ez e r o h e eo fd c tc o e m c i e n t 舶m t l l e 饿m s f o n n e dc o e f f i c i e n t ，t h e ne m b e d d e di i i 觚d 粕a l y z e di t s i m p e r c e p t i b i l i t y 1 1 1 e e x p e r 主m e n t a ir c s u i t ss h o w e d 佩m i sa i g o r i t i l i i lc a i lr e s i s tt t l ea t t a c ko fj p e gc o m p r e s s i o na i l d c r o p p i n ga n a c k se f f e c t i v e l ya n di tc a l lr e s i s tt h ea t t a c ko f n o i s eb u ta l s on l cl o wp 如sf i l t 砸n gi na c e n a i ne x t e n t f i r i a l l y ，c o n c l u d et h i sp 印e ra n dp r e s e n tf u n h e rr e s e a r c ha s p e c t so f t l l ed i g i 协1w a t e 咖a r k i n g t c c i l l l o l o 画e s k e yw o r d s ：d 蟛t a lw a t e n n 龇忆n g ；d c t ；z e m 雠e ；r o b u s t n e s s ；i m p e r a 科i b i l i t y ；j p e g 第r i 颐 信息工程大学硕士学位论文 表目录 表1 常用的基于像素的差分失真度量方法9 表2 水印提取正确率与图像品质系数的关系2 9 第1 v 页 信息工程大学硕士学位论文 图目录 图1 水印嵌入的基本原理图5 图2 水印检测的基本原理图6 图3 差值抖动调制示意图1 3 图4 实验图像1 9 图5 在不同品质系数4 下对嵌入水印图像进行j p e g 压缩后提取的水印图像1 9 图6 对带水印图像进行剪切与提取的水印图像2 0 图7 采用不同截断频率厂对带水印图像进行2 阶b u t t e n v o r t h 低通滤波后提取的水印图像 2 ( 1 图8 不同基准量化表和嵌入比率对信噪比s n r 的影响2 l 图9 不同基准量化表和嵌入比率对峰值信噪比p s n r 的影响2 1 图1 08 8 d c t 块的之字形顺序图x = x 。，o “6 3 2 4 图1 1d c t 系数扫描顺序2 5 图1 28 8 d c t 块的三层金字塔结构表示2 6 图1 38 8 d c t 块各分辨层次四叉树结构2 6 图1 4 实验图像2 8 图1 5 对带水印图像进行剪切与提取的水印图像3 0 图1 6 对带水印图像添加不同程度的椒盐噪声及提取的水印信息正确率3 l 图1 7 采用不同截断频率低通滤波后的带水印图像及提取的水印信息正确率3 1 第v 页 信息工程大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明所提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。 尽我所知，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和撰写 过的研究成果，也不包含为获得信息工程大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 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。 学位论文题目：基主变逸域的錾呈图堡丕色擅盔硒究 学位论文作者 作者指导教师 学位论文版权使用授权书 日 日 本人完全了解信息工程大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权信息工程大学 可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借 阅；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。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目；基王变逸垴的錾主图像盔卯撞苤班究 学位论文作者 作者指导教师 第l 页 日 日 信息工程大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 近年来，随着计算机多媒体技术的迅猛发展，人们可以方便地利用数字设备制作、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”。 多媒体数字产品易于处理，易于存储和传输，并且可以方便地得到完美的复制品【”， 但同时，引发出数字信息传输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 tp m t e c t i o n ) 和内容保护，已经引起了国际学术界、企业界以 及政府有关部门的广泛关注【2 ，3 1 。其中，如何对数字图像的版权进行很好地保护以保证作品 作者、所有者以及合法用户的权利，已经成为人们越来越关注的热点问题 4 1 7 】。数字水印 技术的研究就是在这种应用要求下迅速发展起来的，因此研究数字图像水印技术具有重要 的理论和现实意义。 数字水印( d i g i t a lw a t e n n a r k ) 是一种有效的数字产品版权保护和数据安全保护技术，是 信息隐藏技术研究领域的一个重要分支。它是在数字图像、音频和视频等数字产品中嵌入 秘密信息，以便保护数字产品的版权、证明产品的真实可靠性、跟踪盗版行为或者提供产 品的附加信息。它可以是代表所有权的文字或i d ( i d e m m c a t i o n ) 、图形图像、音频数据、随 机序列等等。数字水印技术是水印的生成、嵌入、提取和检测等过程的统称，它应具有较 强的鲁棒性、安全性和不可见性。 数字水印可以按多种方式分类【8 叭。按照数字水印的特性可将数字水印分为鲁棒数字水 印( r o b u s tw a t e m a d d n g ) 和脆弱数字水印或易碎数字水印( f 吨i l ew a t e m a r k i n g ) 两类，二者有 着不同的用途。鲁棒水印：可抗攻击的数字水印技术。是指嵌入数字水印信息的载体在经 过各种处理甚至恶意攻击后，除非载体被大幅度改动，其商业价值大幅度下降，否则无法 有效地去除水印；主要用于媒体信息的版权保护和所有权认定。易碎水印：对图像篡改非 常敏感，通过对数字水印的检测能够发现嵌入数字水印信息的载体是否发生变化，可防止 恶意篡改；主要用于多媒体信号的数据完整性证明。易碎水印还可以进一步分为完全易碎 水印和半易碎水印( s 锄i 一魄i l ew r 8 t e 彻a 幽n 曲。完全易碎水印对任何变换或处理都非常敏 感，可用于对媒体精确认证；半易碎水印是对一部分特定的图像处理方法有鲁棒性而对其 他处理不具备鲁棒性，可用于内容认证。 数字图像水印算法方面，按嵌入技术基本上可以分为两类1 1 8 ，1 9 j ：空域水印算法和变换 域水印算法。 空域算法是指通过改变像素的亮度值来加入数字水印。目前的空域水印技术大都是基 于最不重要像素位( l s b ：l e a s ts i 鲥f i c a mb “) 的，在l s b 位上的改变是不易察觉的，可 第1 页 信息工程大学硕士学位论文 满足不可见性要求，但是也因此使得嵌入水印后图像的鲁棒性较差，水印信息容易被几何 变形、噪声、图像压缩等操作所破坏。 变换域算法( 也叫频域法) 是先对图像进行某种变换( 如正交变换) ，然后把水印嵌 入到图像的变换域中。从目前的研究情况看，变换域方法正变得日益普遍，在设计一个好 的水印算法时，往往还需要考虑图像的局部统计特性和人的视觉特性，以提高鲁棒性和隐 蔽性。目前讨论比较多的频域方法主要有：扩展谱方法( s p r e a ds p e c 仉m ) ，基于离散余弦 变换( d i s c r e t ec o s i n et m s f 0 彻，d c t ) ，基于离散小波变换( d i s c r e t ew 打e l e tt r a l l s f o 咖， d w d ，基于离散傅立叶变换( d i s c r e t ef o 嘶e rt r 锄s f o 彻，d f n 等等。 本课题正是基于上述背景，主要在鲁棒数字水印方面，研究基于变换域的数字图像水 印技术。在本文中，基于d c t 变换域提出了两种鲁棒数字水印算法，并对算法进行了分 析，最后通过实验验证了算法的鲁棒性和不可见性。同时，本课题是河南省科技攻关项目 “基于混沌系统的图像数字水印软件平台”( n o 0 6 2 3 0 2 1 5 0 0 ) 的一都分。 1 2 数字水印技术 1 2 1 数字水印技术的发展与现状 数字水印技术的发展源于二十世纪九十年代初期，1 9 9 4 年在一次重要的国际学术会议 上发表了第一篇题目为“ad 谢t a l 、v a t e 姗盯k ”【l 】的关于数字水印技术的文章，在该文中正 式提出“数字水印”这一术语，从此，数字水印技术引起了广泛的重视，近几年来在国际 上相继发表了大量的有关数字水印技术的学术文章和书籍f 1 击，2 m 2 2 1 。i h w 、1 w d w ( i n t e m a t i o n w o r l 汕o po nd i 画t a lw a t e l m a r k i n g ) 等国际会议定期对数字水印技术的进展进行讨论。意大 利的f l o r e n c e 大学、瑞典的普杜大学、剑桥大学、麻省理工学院的多媒体实验室、普林斯 顿c o x 等人领导的n e c 研究机构、i b m 研究中心，以及希腊1 1 l e s 铅l o n i k i 大学的p i t a s 研 究小组，还有i n t e l 公司等大学和研究机构也在数字水印及其相关领域展开了研究，并取得 了不少成果。中国科学院软件所、中国科学院自动化研究所、国家信息安全测评认证中心， 以及清华大学、北京大学、中山大学、北京邮电大学等一批国内有实力的科研单位和院校 也投入到这一领域的研究中来。除了召开学术会议和研讨会以外，还出版了相关的学术书 籍7 嘎1 “，国内主要刊物上发表了大量的有关数字水印技术的综述【1o 1 6 】、算法的设计分析 或改进3 0 1 、算法攻击与对剿1 0 ，3 1 1 等文章。下面简要介绍一下空域水印技术和变换域水印 技术的发展现状。 空域水印技术 图像空域水印技术是指在图像的空间域中嵌入水印的技术。最简单和有代表性的方法 就是用水印信息替代图像的最低有效位( l s b ) 或者多个位平面的所有比特的算法。图像的 最低有效位也称为最不显著位，它是指数字图像的像素值用二进制表示时的最低位。此方 法把水印放在图像数据最不显著位上，保证了水印的不可见性，但是鲁棒性较差，一般的 第2 页 信息工程大学硕士学位论文 图像压缩和量化就可以把大部分水印去除。 1 9 9 3 年，t i r k e l 等人提出了数字图像水印的一种方法【3 2 1 。该方法将m 序列的伪随机信 号以编码形式的水印嵌入到灰度图像数据的l s b 中。首先将每个像素值从8 b i t 压缩为7 b i t ， 然后将编码信息作为第8 个比特( 即像素值的l s b ) 。水印的恢复很简单，只需要提取含 水印图像的l s b 位平面即可，而且这种方法是盲水印算法。但是l s b 算法最大的缺陷是 对信号处理和恶意攻击的鲁棒性很差。 1 9 9 6 年，b e n d e r 等人提出了空域图像水印方法中著名的p a t c h w o r k 算法【3 3 j 。这是一个统 计算法，即在一个载体图像中嵌入具有特定统计特性的水印。该算法具有不易察觉性，并 且鲁棒性很强，可以有效地抵抗剪切、灰度校正、有损压缩等攻击，其缺陷是数据量较低， 对仿射变换敏感，对多拷贝平均攻击的抵抗力较弱。 随后k 哦c r 等提出一种对r g b 彩色空间中的蓝色成分进行修改以嵌入水印的方法例。 实验表明，该算法对图像模糊、j p e g 格式压缩解压、旋转和两幅图像合成等攻击具有较 好的鲁棒性。 上述几种方法水印的鲁棒性都不太理想，经j p e g 压缩或其他图像处理后容易被去除。 正是由于空域算法经常规处理操作之后水印容易被去除的特点，因此把基于鲁棒特性的水 印技术研究转向了变换域，但空域水印算法鲁棒性差的特点却为其新的用途基于载体 完整性认证开辟了一个新的应用领域。 变换域水印技术 图像变换域水印技术是先将图像变换到频率域，改变图像的频率域系数，然后进行反 变换得到加水印的图像。几种最常用的变换是离散余弦变换( d c d ，离散傅立叶变换( d f t ) ， 离散小波变换( d w n 等。 典型的d c t 域算法是由c o x 等人提出的一种基于d c t 变换的扩频水印技术【”】。它将满 足正态分布的伪随机序列加入到图像的d c t 变换后视觉最重要系数中，利用了扩频( s s ) 和人类视觉特性( h v s ) 。它在抗有损压缩以及其它图像处理操作的能力有很大的提高， 但它的缺点是提取水印时必须利用原始图像。 p o d i l c h i l k 等人提出了可感知水印的方法 3 6 1 。使用从视觉模型导出的j n d ( j u s t n o t i c e a b l ed i 恐r e n c e ) 来确定在图像的各个部分所能容忍的水印信号的最大强度，从而避 免水印信号对视觉质量的破坏。对于d c t 系数，使用w a s t o n 定义的感知模型，检测时根 据原始图像与待测图像间的偏差和水印序列的相关性进行水印检测，以确定图像中是否含 有水印。算法对j p e g 压缩、剪切、缩放、附加噪声及打印扫描操作都有较好的鲁棒性， 但是对含有几何变形的攻击，则需要在水印检测前对图像进行相应的逆操作。 b a r n i 等人提出另一种利用h v s 掩蔽特性的基于d c t 的水印算法m j 。在水印嵌入阶 段，对大小为的图像块进行的d c t 变换。该水印对一些图像处理技术具有较 强的鲁棒性。 伯晓晨等提出一种新的盲图像水印检测算法【3 引，该文通过分析盲水印检测与私有水印 第3 页 信息工程大学硕士学位论文 检测在理论模型上的本质区别，认为在水印研究中已被广泛使用的线性相关算法在盲水印 检测中不再具有普遍适用的理论依据。进而根据d c t 交流系数的拉普拉斯分布模型，提出 了一种新的盲图像水印检测算法一一符号相关算法。通过计算渐进相对效率证明了该检测 算法的高效性，针对典型攻击的实际结果表明该算法具有良好的鲁棒性。 黄继武等提出了一个自适应水印算法【2 3 l ，根据对图像块d c t 系数定性和定量的分析， 从鲁棒性的角度，在保证水印不可见性的前提下，将水印嵌入到d c 分量。该算法对于噪声 干扰和常见的图像处理技术是鲁棒的。 王宏霞等提出了基于混沌映射的鲁棒性公开水印算法【3 9 】。该算法利用混沌随机性好和 容易再生的特性，首先用散列处理后的混沌序列置乱水印，而后基于混沌序列在宿主图像 d c t 域的中频带随机选择少量参考点，并在其邻域内用奇偶量化法批量嵌入乱序水印比 特。多级混沌密钥的使用与频域系数修改的隐蔽性，加强了水印信息的保密性，在保证隐 藏较大容量的有意义二值水印图像的同时，实现了水印信息的盲提取，并在水印的不可见 性与鲁棒性之间达到了合理的折衷。 r 彻 i l 【砌a 等人在d f t 域上实现嵌入水印【4 们。另外，随着j p e g 2 0 0 0 的标准化和d c t 到 d w t 图像压缩方法的转变，基于d w r 的水印方案引起了人们越来越多的兴趣。 周亚训等将离散小波变换和离散余弦变换相结合，将原是图像经适当的离散小波变换 分解成一个逼近子图的多个细节子图，对逼近子图再进行离散余弦变换，将水印嵌入到中 高频段d c t 系数中1 4 ”。 张荣跃等人提出了一种基于小波域隐马尔可夫模型( h i d d e nm a r k o vm o d e l ，简称h m m ) 的多比特图像水印算法【4 2 1 。该算法可以较好地利用图像小波域的低频子带以实现较大容量 图像水印的嵌入，并在抵抗s t i 姗a r k 平台攻击，如j p e g 压缩、加噪、中值滤波和线性滤波 等方面具有很强的鲁棒性。 从对国内外研究现状来看，变换域水印技术是当前研究的主流。因为变换域方法通常 都具有较好的鲁棒性，对图像压缩、常用的图像滤波以及噪声均有一定的抵抗力，并且一 些水印算法还结合了当前的图像和视频压缩标准，因此有很大的实际意义。如何能够提高 算法的鲁棒性和不可见性，以及能够抵抗一定程度的常规处理操作，本文提出了基于d c t 域的两种鲁棒数字水印算法，具体内容见第二章和第三章。 1 2 2 数字水印技术的基本原理 通常的数字水印算法主要包含三个方面：水印的生成、嵌入、提取和检测。 数字水印生成是数字水印处理技术的第一步关键步骤。构成水印的序列通常应该具有 不可预测的随机性( u n p r e d i c t a b l e 砌d o m n e s s ) 。水印的生成通常分无意义水印的生成和有意 义水印的生成。无意义的水印通常使用伪随机实数序列、伪随机二值序列和混沌序列生成 水印信号。对无意义的水印采用相关检测来检测水印的存在与否。有意义的水印是由代表 一定意义的文本、声音、图像或视频信号生成。有意义水印的一个显著特点是提取的水印 第4 页 信息工程大学硕士学位论文 非常直观，而且这种类型的水印比伪随机序列含有更多的信息量。 从图像信号处理的角度看，嵌入载体对象的水印信号可以视为在强背景下叠加一个弱 信号，只要叠加的水印信号强度低于人类视觉系统( h 啪a i l s u a ls y s b 咖，h v s ) 对比度门限 或听觉系统( h 岫a i la u d i t o r ys y s t e m ，h a s ) ，h v s 和h a s 就无法感知到信号的存在。从数 字通信的角度看，水印的嵌入可理解为在一个宽带信道( 载体对象) 上用扩频通信技术传 输一个窄带信号( 水印信号) ，水印的检测则是一个有噪信道中弱信号的检测问题1 9 j 。 水印的嵌入过程的基本原理如图l 所示： 图1 水印嵌入的基本原理图 根据图l 所示，设原始图像为，水印信息为形，密钥为k ，那么含水印图像，可用 下式表示： j = ，+ e ( ，形) ( 1 ) 式中e 为编码函数。 下面给出一个嵌入和提取过程的例子： 例1 c o x 等人提出了三种常用的水印嵌入的方法【2 0 】，即： t = b + q ( 2 ) v ：- v ( 1 + 麟f ) ( 3 ) v ：= v ，p 4 ( 4 ) 其中h 和v ：分别表示原始载体信号和隐藏信息后的掩密信号( 或从中提取的特征) 的值， x 为待嵌入信号分量，0 f r( 1 0 ) r 的选择要基于一定的虚警概率和漏警概率。r 减小，漏警概率降低而虚警概率提高；r 增 大，虚警概率降低而漏警概率提高。 1 2 3 数字水印技术的基本特性 针对图像来说，一般认为数字水印应具有如下特性限9 4 3 】： ( 1 ) 不可感知性( i m p e r c e p t i b i l i t y ) 即水印的存在不应明显干扰被保护的图像数据。通常需要利用人类视觉系统特性来进 第6 页 笪星三堡查竺堡圭兰垡笙茎 行水印处理，从而使含水印图像没有明显的主观降质现象，而嵌入的水印却不可见，最理 想的情况是水印图像与原始图像在视觉上一模一样，这是绝大多数水印算法所应达到的要 求。 ( 2 ) 鲁棒性( r o b u 【g h l e s s ) 所谓鲁棒性是指图像水印算法抵抗常见图像处理操作的能力，也就是说含有水印图像 经理无意修改而保留水印信息的能力。一般来说，水印应当具有对噪声、平滑、增强、有 损压缩、平移、旋转、缩放和裁剪具有鲁捧性。 ( 3 ) 安全性( s e c u r i t y ) 安全性表现为水印能够抵抗恶意攻击的能力，即它必须能够承受一定程度的人为攻 击，而使水印信息不会被删除、破坏或窃取。安全性中还包含不可检测性( u 1 1 d e t e c t a b i l i 忉， 指掩密载体与原始载体具有一致的特性( 如具有一致的统计噪声分布等) ，以便使非法拦 截者无法判断是否掩密信息。 ( 4 ) 可证明性 又称确定性( u n 锄b i g u o u s ) 。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。显然，只有保证足够的数据容量才能确保确定性。 ( 5 ) 数据容量( d a t ac 印a c i t y ) 嵌入的水印信息必须足以表示版权拥有者或者产品所有这得标志信息。 ( 6 ) 盲检测和自恢复性 盲检测是指水印的检测和提取不需要原始图像的参与。含水印图像经过一些操作或交 换后，可能会产生较大的失真或破坏，如果只从留下的片段数据仍能恢复水印信号，而且 恢复过程不需要原始图像参与，这就是所谓的自恢复性。 1 。2 4 数字水印技术的应用 从实际应用上来看，数字水印潜在的主要应用领域有【8 ，9 4 3 】： ( 1 1 版权保护 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，所有着既可从盗版作品或水印作品中获 取水印信号作为依据，从而保护其合法权益。这要求水印必须有较好的鲁棒性、安全性、 不可见性。 ( 2 ) 图像认证 认证的目的是检测图像数据的修改。可用易碎水印来实现图像认证。 ( 3 ) 标识与注释 将作品的标识、注释等内容以水印形式嵌入该作品中。这种隐式注释不需要额外的带 宽，且不易丢失。 ( 4 ) 访问控制 第7 页 信息工程大学硕士学位论文 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 ) 票据防伪 随着高质量图像输入输出设备的发展，特别是高精度的彩色喷墨、激光打印机和彩色 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。目前，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。 ( 6 ) 篡改提示 当数字作品被用于法庭、医学、新闻及商业时，常常需要确定它们的内容是否被修改、 伪造或特殊处理过。为了实现该目的，通常将原始图像分成多个独立块，每个块加入不同 的水印。为确定其完整性，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 5 数字图像水印的性能评估和基准 对水印的性能建立合理的评估方法和基准是数字水印研究的一个重要内容。对水印的 评估主要包括以下两个方面：水印鲁棒性的评估：嵌入水印对图像引起的失真的主观和客 观定量评估。 影响水印鲁棒性的因素 水印的鲁棒性取决于以下几个方面1 4 4 ，9 】： ( 1 ) 嵌入的信息量 这是一个重要的参数，因为它直接影响水印的鲁棒性。嵌入的信息越多，则水印的鲁 棒性越差。 ( 2 ) 水印嵌入强度 在水印嵌入强度和水印可感知性之间有一个均衡。增加鲁棒性就要增加水印嵌入强 度，相应地也会增加水印的可感知性。 ( 3 ) 图像的尺寸和特性 通常图像的尺寸对嵌入水印的鲁棒性有直接影响。 ( 4 ) 秘密信息( 如密钥) 尽管秘密信息的数量不直接影响到水印的可感知性和鲁棒性，但在系统安全性方面充 当了重要角色。水印算法中，密钥空间( 密钥允许取值的范围) 必须足够大，以使穷举攻 击法( e x h a u s t i v es e a r c ha t t a c k ) 失效。 考虑到上述这些因素，我们认识到，对于公平的测试基准和性能评估，待评估水印方 法必须在各种不同的测试图像集中进行测试。并且，为了得到在统计上有效和可信的结果， 必须使用不同的密钥和改变水印的不同强度来对待评估水印系统进行评估。若要对几种水 印方法进行比较，则必须确保对所有的待评估方法，嵌入的信息量是相同的。 第8 页 信息工程大学硕士学位论文 水印可感知性评估 对水印可感知性的评估可以用定量度量方法( q u a n t i 诅t i v em e t r i c ) 或主观测试方法 ( s u b l e c t i v et e s t ) l 4 4 ，。 1 、主观性质量度量方法 当进行主观测试时，必须遵循一个测试协议，该协议要对测试和评估的过程进行描述。 这种测试通常分成两个步骤：第一步，将有失真的数据集按照从最好的到最坏的次序分成 几个等级。第二步，要求测试人员给每个数据集打分和根据降质情况描述可感知性。实践 表明，不同经历的人( 比如专业摄影师和研究员) 对水印图像的主观测试结果差异很大。 主观测试对最终的图像质量评估和测试是有实用价值的，但在研究和开发中，实际的用处 并不大。 2 、基于像素的度量方法 基于像素的失真度量方法属于量化失真度量( q u a m i 诅t i v ed i s t o n i o nm e t r i c ) 。如表1 所 示。表1 给出了常用于图像和视频处理中基于像素的差分失真度量。该表列出了最通用的 差分失真度量。这些度量都是建立在原始的未失真图像与修改后的失真图像的差值的基础 上。同时给出了基于原始信号与失真后信号的相关性度量方法以及其他差分度量方法。在 图像和视频编码领域使用最多的失真量度量指标是信噪比( s n rs i g n a lt on o i s er a t i o ) 或峰 值信噪比( p s n r ，p e a ks i 弘a l t on o i s e 胁i o ) ，通常以分贝( d b ，d e c i b e l s ) 为单位： 趴碾( 船) = 1 0 l g ( 肼幔) 。这些差分失真量度量不能很好地与人类视觉系统相对应。由于复杂 的水印嵌入算法可能会利用一种或多种视觉系统的效应，所以在数字水印应用中就会带来 一些问题，如使用表1 的方法来度量由水印处理过程所带来的失真，可能会造成失真度量 的误导。因此，有必要采用一种与人的视觉和听觉系统相适应的失真度量方法。近几年， 越来越多的研究集中在这种具有自适应性能的失真度量方法中。 表1 常用的基于像素的差分失真度量方法 差分失真度量 最大差 坳= 嚷i ， 一j 。i ( m a x i m u md i f r e r c n c e ) mh 平均绝对差 4 d = 南l ，。，一，i ( a v c r a g e a b s o l u t ed i 仃e m n c e )a 耋n 急”4 。 平均绝对差范数 m d = ij 。，一，0 l 1 ，。，l ( n o n i 】a v c r a g ea b s o l u t ed i f r c r e n c e ) m ，nm ，h 均方误差 舰= 击( ，。，一。) 2 ( m e s q u a r ce r r 讲) 甜怎一4 “。” 第9 页 信息工程大学硕士学位论文 表l ( 续) 归一化均方误差 m 艇= ( ，。一l ，) 2 ：。 ( n o m l a l s e dm e a ns a u a r ee r r o r )m h r 一范数 r = ( 击萎l l ，一，n “p ( r n o m ) 拉普拉斯均方误差 工朋跑= 2 l ，一v 2 ，0 ) 2 ( v 2 l ，) 2 m 4一 ( l 印l a c i 醐m e 锄s q u a e r t d r ) 其中可1 i 。= i 。“+ i m 4 n + i m “+ i m n 一4 i m 信噪比 舢= ，五( k ，0 ) 2 ( s i g n a l t o n o i s e r a t i o ) m 峰值信噪比 燃= 删m 双，乙( ，。，一l ，) 2 ( p e a l 【s i g l l a lt on o i s er a t i o )一m n 图像保真度 伊= 1 一( ，。，一：。) 2 ，毛 ( 1 m a g ef i d e l i 竹) m m 相关失真度量 归一化互相关 c = ，：，。，：。 ( n o m la l i s e dc r o s s c o r r c l a t i o n ) 月m n 相关质量 c q = l m 。1 。? i m 。 ( c o r r e l a t i o nq 吼l i l y )m m ， 其他 结构化容量 配= j ：，品 ( s t r u c t u r ec o n t e n t ) g s 姗= 盯；( 仃一一仃：) 2 全局西格马方差信噪比 ( g 1 0 b a ls 培m as i g n a lt on o i s er a t i o ) = j ；蕃，三，一c ；嘉，二，2 西格马方差信噪比 姗= 专莩姗。，一圳s 南 ( s i g m as i g n a lt on o i s er a t i o ) 方差误差比s e 艮：t 。j ( s i g m at oe n d rr a t i o ) 去( ，。，一，0 ) 2 lb l 。c i 【b 2 5 5 直方图相似性 船= i ( c ) 一z 一( c ) i c = 0 ( h i s t o g r a ms i m i l 盯i t y ) ( c ) 是在2 5 6 灰度级图像中灰度级c 的相对频率 第】o 页 信息工程大学硕士学位论文 注1 1 ：l 。代表原始图像中坐标为咖，甩) 的像素点，：。代表嵌入水印图像中坐标为沏，”) 的像素点。g 薅r 、s ：r 和艇足需要将原始图像和嵌入水印的图像分割成含，个像素点 ( 如4 4 像素) 的b 个块。m 和分别是行和列的个数。 本文对嵌入水印后的图像采用信噪比s n r 和峰值信噪比p s n r 。虽然这种方法具有一 些缺点，但却是目前水印算法文献中常用的评估方法。 1 3 本文的工作及结构安捧 本文针对保护数字图像版权问题，选取数字图像作为嵌入水印对象，选择离散余弦变 换域对数字水印嵌入算法进行研究，主要涉及基于差值抖动调制的鲁棒数字水印算法、基 于零树结构的鲁棒数字水印算法两个方面。 1 根据扩频思想，本文提出了一种新的鲁棒水印方案。首先对水印进行扩频调制，然 后随机选取图像8 8 分块d c t 变换后的中低频系数对来嵌入水印信息。为了使水印能够 抵抗j p e g 压缩，提出了基于差值抖动调制的嵌入方法。最后对影响水印鲁棒性和不可见 性的主要因素进行了分析。实验结果表明，该方案不仅能够抵抗j p e g 压缩和剪切攻击， 而且能够抵抗一定程度的低通滤波攻击。 2 结合离散余弦变换( d c t ) 和离散小波变换( d w t ) 的存在的优缺点，本文提出 了一种利用静态图像的d c t 系数与零树编码相结合的结构来实现数字水印的嵌入算法。 首先，对原始图像按照零树框架进行编码，即将图像8 8 分块d c t 变换；其次，对变换 后的所有d c t 系数重新组合，将相同方向相同频带的系数集中起来进行编码，对重组后 的每个分块别进行二维d c t 变换；最后，从经过编码后的系数中根据给定的阈值找出相 对的d c t 系数的零树，然后把水印嵌入其中。实验结果表明，该算法能够有效的抵抗j p e g 压缩和剪切攻击，而且能够抵抗一定程度的加噪以及低通滤波的攻击。 本文结构安排如下：第一章系统介绍了数字水印技术的相关知识以及发展与现状；第 二章对基于差值抖动调制的鲁棒水印算法进行了阐述和分析；第三章介绍基于零树结构的 鲁棒数字水印方案；最后在结束语部分对本文工作进行了总结，并对下一步工作进行了展 望。 ， 第1 1 页 信息工程大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章基于差值抖动调制的鲁棒数字水印算法 本文在上一章中介绍了数字水印技术的相关知识和发展现状，但是目前数字水印技术 还没有统一的评价标准，而且各种数字水印技术层出不穷，它们都有各自的优势和特点。 1 9 9 8 年c h e n 等提出著名的抖动调制方法m ，该方法根据水印位来调制量化区间，它比文 【2 0 中的扩频水印更具有鲁棒性，且能够盲提取；随后，2 0 0 1 年c h e n 等提出了量化索引 调制( q i m ) 方法1 4 5 j ，其主要思想是根据水印位来调制量化区间；由于传统的扩频( t s s ) 方法中会有载体信号冲突问题，m a l v a r 和f l o r e n c i o 提出了一种改进的扩频( i s s ) 调制技术 来减少信号的冲突，该技术在性能上对t s s 方法有很大改进1 47 j ；o m 撕和a 1 j a b e r 在文【4 8 】 中每次将多比特信息嵌入选取的若干高频系数的和中，该算法增加了嵌入容量，实现了盲 检测，且与t s s 相比更具有鲁棒性，但是不足的是提取出的水印信号仍然有一定的误差； 文【4 9 将水印信息以随机确定的强度嵌入随机选取的图像d c t 系数中，该方法可使带水印 图像的峰值信噪比更高，能够抵抗中值滤波，但是还不能有效抵抗j p e g 压缩；文献 5 0 】 中的不可见水印方法选择每个颜色分量8 8 分块d c t 变换后最左上角的8 个系数来嵌入 信息，该方法具有较好的不可见性，但仍不能有效抵抗j p e g 压缩。 针对上述不足，本章提出了一种新的基于d c t 系数对差值抖动调制的鲁棒数字水印 方案。在水印生成时，该方案先对要嵌入的信息进行按位扩展，并将它与一个伪随机序列 进行按位异或，然后随机选取图像8 8 分块d c t 变换后的中低频系数对来嵌入水印信息。 在水印嵌入时，首先将系数对可能的差值进行分段，且选定基准量化表，并根据选定的基 准量化表将每个段分成有效区间和左、右辅助区间，然后根据要嵌入的信息对系数对的差 值进行抖动调制。左、右辅助区间的大小由基准量化表中对应位置的量化步长确定，有效 区间大小根据用户对鲁棒性和图像质量要求而定。最后还分析