（计算机软件与理论专业论文）彩色图像数字水印技术研究.pdf

硕+ 学位论文 摘要 随着计算机网络和通信技术的飞速发展，包括数字图像在内的数字媒体得到 了广泛的应用，但随之而来出现了一系列数字媒体的信息安全问题。一方面网页 上处处可见图像，复制、编辑、非法散布数字图像在信息时代成了轻而易举的事 情；另一方面，数字图像处理技术的成熟，使得伪造、篡改图像成为可能。数字 图像的版权保护和内容认证问题变的日益突出，迫切需要解决这些问题。传统的 加密系统可以起到保护作用，但是数据一旦被解开，就完全置于解密人的控制之 下，原创作者没有办法追踪作品的复制和二次传播，加密技术的安全性也受到质 疑。数字水印技术应用而生，成为实现数字产品版权保护与信息完整性验证的有 效方法，目前已成为信息安全领域的一个研究热点。 在研究了数字水印技术的基本理论和算法基础之上，对彩色图像的数字水印 技术做了较深入的研究和分析。主要体现在以下几个方面：数字水印技术的研究 情况，包括数字水印提出的应用背景和技术背景，国内外研究现状和数字水印的 应用；数字水印的基本理论：包括数字水印技术的模型、针对图像的数字水印攻 击技术、数字水印的特性及其图像数字水印的鲁棒性和不可见性研究；并且研究 了现有数字水印算法，包括空间域算法和变换域算法。在此基础上本文着重做了 两个方面的工作。第一是提出了一个基于小波变换和奇异值分解的彩色图像水印 算法。结合人类视觉系统将一个灰度图像嵌入到彩色图像的蓝色分量中，很好地 实现了水印的不可见性，实验中用信噪比说明了水印嵌入到蓝色分量比嵌入到其 它颜色分量中可以更好地保持原始图像的感知质量。实验证明该方案对j p e g 压缩 和中值滤波等处理有较好的鲁棒性。 第二个工作是提出了一个同时实现彩色图像版权保护和内容认证的数字水 印方案。结合人类视觉系统在图像的绿色分量中嵌入版权信息，实现版权保护， 在蓝色分量中嵌入二值图像，实现内容认证。与其它此类方案相比，通过与原始 信息的相同位百分比计算，版权保护水印对j p e g 压缩、高斯噪声等攻击抵抗力强； 实验表明内容认证水印能更有效地刻画攻击和定位篡改；版权保护水印嵌入位置 随机选取，内容认证水印经过a r n 0 1d 变换置乱，使得方案的安全性加强。 关键词：彩色数字图像；数字水印，人类视觉系统，版权保护，内容认证 彩色匿像数字水露技术研究 a b s 量r a c 量 w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fn e t w o r ka n dc o m p u t e r ，d i g i t a lm e d i ai n c l u d i n g d i g i t a li m a g eh a sb e e nw i d e s p r e a du s e d ，b u tt h ep r o b l e m so f i n f b r m a t i o ns e c u r i t yo f d i g i t a | l 珏e d i a 。e e u f 。0 no n eh 雒d ，d i g i l a | i l n a g ee a nb e 为醢魏琏o nw e be v e f y w 魏e f e ， c o p y i n g 、 e d i t i n ga n dd i f f u s i n gi m a g eb e c o m eav e r ye a s yj o bi ni n f b r m a t i o ne r a ；o n t h eo t h e rh a n d ，d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gt e c h n 0 1 0 9 yh a sb e e nm a t u r e ，i ti sp o s s i b l et o f ；d f 窑ea 羚莲耄a 燃蛰e fo f i i 建a li 燃a 窭e 。c o 蛰v r i g h 专p r o 专e e 季i o na 珏de o 致耄e 簸宅a 珏耋董薹e 致差i e a 重i o 犍o f 量f g ea 珏莲耄a 薹羧p e fo f 至g l 建a 重量薹毽a g e 。o o p y r 至g 羹lp r o 毛e e 专薹o na 珏ge o 致毛e 簸e a 珏【珏e l l 【重e a 【l o 壬lo i i m a g et r o u b l ep e o p l ei n c r e a s i n g l ya n d n e e d t os o l v et h o s ep r o b l e m su r g e n t l y t r a d i t i o n a le n c r y p t i o nm e t h o dc a np r o t e c td a t ai nac e r t a i ne x t e n t b u to n c et h ek e y i sg o tb y 越t a e 薹( e f ，鑫a t aw i l lb el o s tw i t h o u ta 珏yc 。觳t r o l 。o r i g i 娃a l o fc a n tl r a e et h e c o p yo fi m a g ea n dt h ea c t i o no fd i 壬l u s e t h es e c u r i t ye n c r y p t i o nw a sd o u b i e db y p e o p l e i nt h i ss i t u a t i o nd i g i t a lw a t e r m a r k i n gt e c h n 0 1 0 9 ye m e r g e d i g i t a l w a t e r m a r k i n gi s a ne f l c t i v em e t h o dt ot h ec o p y r i g h tp f o t e c t i o na n dc o n t e n t a l l 量l e n l i e a t i 。no fd i g i l a ll n e d i aa 芏l dh a sb e e 薹lah o ti s s 疆ei 致i 觳岛r l n a t i o ns e c u f i l y d o m a i n a f t e rs t u d i n gt h eb a s i ct h e o r yo fd i g i t a lw a t i 。r m a r k i n gt e c h n o l o g ya n de x i s t e d w a l e f 丑：l a f 薹( i 魅ga l g o r i t 囊l 毅，s t 珏d ya 芏l da n a l y s i s 董l ee o l o fi m a g ed i g i a lw a t e r 搬鑫l 爱i n g c a r e f u l l y t h ee s s a yh a sf o u rp a r t sa sf o l l o w s ： r e l a t e d s t u d ys t a t e o fd i g i t a l w a t e r m a r k i n g ，i n c l u d i n gt h ea p p l i c a t i o nb a c k g r o u n da n dt e c h n o l o g yb a c k g r o u n d ，i t s s 毫a 圭珏si 魏魏。薹稳ea 登da b r 。a da 薤di 重sa p p l i c a 童i o 珏d o 搬鑫i 鞋s ；b a s i e 炎稳o w l e d g eo f 磊i g i 专a l w a t e r m a r k i n g ：g e n e r a ls y s t e ms t r u c t u r e ，t h ea t t a c k st oi m a g ed i g i t a lw a t e r m a r k i n g ， r e q u i r e m e n t s o fw a t e r m a r k i n g a l g o r i t h m ， a n dr o b u s t n e s sa n di n v i s i b i l i t yo f w a t e f m a f k i 觳ga l g 。r i t h me t e 。s l i l d i n ge x s l e df e l a t e d 主| 髓a g ew 鑫t e r 撒a f 薹【i n ga l g o r i t h m s i n c l u d i n gb o t hs p a t i a ia l g o r i t h ma n dt r a n s f b r ma l g 。r i t h m 艮。、v a t e r n l a r k i n gs e h e m a w e r ep r e s e n t e d o n ei sad w t - s v db a s e dc 0 1 0 ri m a g ew a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m a g r a y 主】n a g e a sw a t e r m a r ki se m b e d d e di n t ob l l l ec o n l p o n e n to fc o l o ri l 矬a g eb y c o m b i n i n gh u m a nv i s h a ls y s t e l n ( h v s ) ， a n db yc o m p a r i l l gs rp e f e e p i v eq u a l i t y o fo r i g i n a li m a g ew h e nw a t e r m a r ki se m b e d d e di nb l u ec o m p o n e n tc a no b t a i nb e t t e r t h a no t h e rc o l o rc o m p 0 1 l e n t s t h ee x p e “m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h ew a t e r m a r k i n g s e 量l e l n ai sv e r yf o 珏s 。j p e ge o l n p r e s s i n g 、m e d i a n 蠡l e r i n ga 飘do 魏e fa l l a e k s 。 a n o t h e ri sac o l o ri m a g ew a t e r m a r k i n gs c h e m aw h i c ha c h i e v e sc o p y r i g h t l l 碳一 = 学位论文 p r o t e c t i o n a n dc o n t e n ta u t h e n t i c a t i o ns i m u l t a n e o u s l y f r a g i l e w a t e r m a r kw a s e 薹n b e d d e di 瓤t o 圭h eb l 毽ec o m p o n e n 专so fe o l o ri l 稳a g ef o fi m a g ea l l t h e n t i e a 专i o na 珏d r o b u s tw a t e r m a r kw a se m b e d d e di n 专。童h eg r e e nc o m p o n e n 毫so fc o l o ri m a g ef o r c o p y r i g h tp r o t e c t i o n c o m p a r i n ge x i s t e ds c h e m a ，t h ee x p e r i m e n t ss h o wt h a t t h e a l g o f i t h me a na s s u r eg o o di m p e r c e p t i b i l i t yf 6 rw a t e r m a r k e di l 娃a g e ，t h ew a t e r m a r k e m b e d d e d 如rc o p y r i g h tp r o l e e t i o ni sf o b u s n e s st oj p e ge o m p r e s s 、g a u s s i 强n o i s e a n ds oo nb yc o m p u t i n gt h es a m eb i tp e r c e n t ，a n dt h ew a t e r m a r ke m b e d d e df o r c o n t e n ta u t h e n t i c a t i o nc a n n o t o n l y c h a r a e t e r i z ea t t r a c tb u ta l s ol o c a l i z et h e l 娃o d i 蠡e a i o 致s 璎a d el ol 纛ei 强a g ee f 怒c i v e l y ；董l ee l 娃b e 莲d i 蚕gp s i l i o 登o fw 嚣l e f m 鑫r k f o rc o p y r i g h tp r o t e c t i o ni ss e l e c t e dr a n d o m l y ，w a t e r m a r kf o rc o n t e n ta u t h e n t i c a t i o n w a ss c r a m b l e db e f o r ee m b e d d i n g ，s os e c u r i t yo fs c h e m ai se n h a n c e d k e y 聘o r d s ：c o l o rd i g 主t 鑫li 撒a g e ； d i g i l a lw a l e r m a 呔i n g ；h 珏m a l lv i s 醢鑫ls y s t e m ； c o p y r i g h tp r o t e c t i o n ；c o n t e n ta u t h e n t i c a t i o n 彩色豳豫数字水印技术磷究 插图索引 图2 。l 水印信号嵌入系统6 强2 。2 求印信号恢复系统。7 霭2 3 辩s v 纺锤体模囊1 2 图3 1 双通道滤波过程1 9 图3 2 降采样过程1 9 图3 。3 小波分解树2 e 图3 4 小波煎构方法2 0 图3 5 多分辨率分解2 l 图3 。6 黧像麓夺波分解2 董 图3 ? 承印嵌入前焉的对照图2 6 图3 8 水印对照图2 6 图3 。9 攻壶后提取粥的水印2 7 图4 ，董水印嵌入翦焉图像对院图。3 2 图4 2 内容认证水印比较图j 3 2 图4 3 局部篡改及提取的水印3 3 鋈4 。4 水印遭攻击螽的毂粟蚕3 4 图4 5 原始图像和a r n o l d 恢复的图像。3 4 图4 6 在不同迭代次数下图像a r n o l d 变化的效果图3 5 l v 硕十学位论文 附表索引 表2 1i t u rr e c 5 0 0 定义的品质和作品失真等级1 0 表3 1 水印遭攻击后的感知质量分析结果2 7 表4 1 版权保护水印的抗攻击实验3 3 v 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。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后果由本人承担。 作者签名： 私永锋 日期：如夕年屋月日 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。本人授权兰州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，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、： 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：加。7 年2 月彭日 日期栌叼铣五月么日 锌 z 水、d 杨刁饬 硕卜学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 随着因特网和计算机技术的迅猛发展，图像、音频、视频等形式的多媒体数字产品 纷纷在网络上发布，使得数字多媒体以数字形式更容易和便捷地获取、存储及分发，这 极大地改善了我们的视听享受和物质文化生活。然而正是由于数字多媒体产品可以随心 所欲地复制，而且对数字作品的编辑容易，甚至可以恶意篡改而破坏了作品的原始性， 这极大地损坏了其所有者或创作者的合法权益。任何人都可以创建多媒体数据的拷贝， 与原始数据比较，复制出的多媒体数据不会有任何质量上的损失，即可以完整地“克 隆”多媒体数据。与作者创作这些多媒体数据所花费的艰辛相比，篡改、伪造、复制和 非法发布原创作品在信息时代变成了一件轻而易举的事情。 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，即未经版权所有者允许从某个网站上非法复印或翻印数字产品。 2 故意篡改，即盗版者恶意地修改数字产品以抽取或插入特征并进行重新发送， 从而使原始版权的信息丢失。 3 版权破坏，即盗版者收到数字产品后未经版权所有者的允许将其转卖。 这一系列数字化技术本身的可复制和广泛传播的特性所带来的负面效应，已成为信 息产业健康持续发展的一大障碍，数字作品的版权保护与信息完整性验证成为当前迫切 需要解决的一个重要问题。传统的加密和数字签名是数字产品所有者最先想到的。但多 媒体信息安全中传统的加解密系统并不能很好地解决版权保护问题。另外，随着电脑软 硬件技术的迅速发展以及网络并行计算能力加强，传统技术的安全性也受到质疑。因为， 虽然经过加密后只有被授权持有解密密钥的人才可以存取数据，但是这样就无法向更多 的人展示自己的作品；而且数据一旦被解开，就完全置于解密人的控制之下，原创作者 没有办法追踪作品的复制和二次传播。数字水印技术应用而生，成为实现数字产品版权 保护与信息完整性验证的有效方法，目前正成为信息安全领域的一个研究热点。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 数字水印的研究现状 数字水印技术属于信息隐藏技术范畴。信息隐藏，也称为信息伪装，该单词来源于 古希腊，意思是将有用或重要的信息隐藏于其他信息里面以掩饰其存在，就是将秘密信 息秘密地隐藏于另一非机密的文件内容之中。密码学是研究如何保护消息内容的，而伪 彩色图像数字水印技术研究 装术是专门研究如何隐藏它们的存在性。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 一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。 1 9 9 0 年发表了第一篇关于图像数字水印的文章。1 9 9 3 年a z t i r k e l 乜1 撰写了 “e l e c t r o n i cw a t e rm a r k ”，文中首次使用了“电子水印”这个术语。在1 9 9 4 年的i e e e 国际图像处理会议，r g v a ns c h y n d e l 等人提出了“数字水印”的概念。2 0 世纪9 0 年 代早期，信息隐藏的各种应用引起不同研究团体的关注和重视。1 9 9 6 年5 月第一次国际 信息隐藏学术会议在英国剑桥召开，在信息隐藏的一些基本概念和术语上达成共识，标 志着信息隐藏学的诞生，而作为信息隐藏学主要分支之一的数字水印技术的研究也得到 了迅速的发展。之后国际上又先后与1 9 9 8 在波兰，1 9 9 9 年在德国和2 0 0 1 年在美国召开 了三届信息隐藏学术会议。p r o c e e d i n go fi e e e 于1 9 9 9 年7 月出版了关于多媒体信息 隐藏的专辑。 在产业界，各大公司正在积极开发采用数字水印的产品。许多国际知名的商业集团， 如韩国的三星、日本的n e c 等，也都设立了d r m ( 数字资源管理) 技术开发项目。2 0 世 纪9 0 年代木期国际上开始出现一些水印产品。美国的d i g i m a r c 公司率先推出了有专利 权的水印软件，是第一个用于静止图像版权保护的数字水印软件，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 1 p v i s i o n 公司 推出的l a v e l 工t 软件，能够在任何扫描的图片中隐藏若干字符，用于文档的保护与跟踪。 m e d i a s e c 公司的s y s c o p 用水印技术来保护多媒体内容，欲杜绝非法拷贝、传播和编辑。 i b m 公司将数字水印用于数字图书馆的版权保护系统中。1 9 9 9 年索尼、华纳等5 家公司 与i b m 合作，联合开发了一个在因特网方便、快速、安全发布数字视听产品的实验系统。 美国版权保护技术组织( c p t w g ) 成立了专门的数据隐藏小组( d h s g ) 来制定版权 保护水印的技术标准。他们提出了一个5 c 系统，用于d v d 的版权保护。以麻省理工学 院媒体实验室为代表的研究机构和企业已经申请了数字水印方面的专利，国际标准化团 体在连续色调图像压缩标准j p e g 2 0 0 0 和视频压缩标准m p e g 一4 中都加了水印技术。 在国际水印研究的大趋势下，国内研究所和高校也纷纷投入到数字水印研究中，已 经有相当一批有实力的科研机构投入到这一领域的研究中来，有的已经取得了重要研究 成果。1 9 9 9 年1 2 月，我国举办了第一届信息隐藏研讨会( c i h w ) ，至今己举办了五次信 息隐藏技术研讨会。2 0 0 0 年，国家8 6 3 计划智能计算机专家组会同中科院自动化所模式 识别国家重点实验室和北京邮电大学信息安全中心召开了专门的数字水印研讨会。国内 有影响的有哈尔滨工业大学的孙圣和、牛夏牧、陆哲明，中科院自动化研究所的谭铁牛， 硕十学位论文 解放军理工大学的李德毅，北京邮电大学的杨义先等。在国内，政府对信息安全产业的 发展极为重视。政府颁布了中华人民共和国电子签名法，这给水印技术的应用提供 了必要的法律依据。 杭州电子科技大学李黎博士经历六年的研发和大量的试验，研究出了目前国际先进 的适用于多种信息载体的数字水印嵌入和提取软件系统。该数字水印嵌入和提取方法目 前已经申请软件著作权和发明专利。该数字水印系统不仅可以实现在数字化信息中加入 数字水印信息，同时还可以实现在数字化信息打印或印刷输出到纸介质后，仍然保留数 字水印信息，并可以通过扫描仪、数码相机或专用的设备准确提取。该数字水印嵌入方 法具有隐蔽性好和可以抵抗各种攻击的特点，可以广泛地应用于数字信息版权保护、印 刷品防伪、信息来源追溯等多个领域，其经济社会价值十分巨大。 1 2 2 数字水印的应用领域及发展前景 数字水印技术不仅可以有效地实现版权保护，也可以用作防伪认证，打击盗版行为。 他的主要应用包含：原始数据的真伪鉴别、数据侦察与跟踪、数字产权保护、篡改提示、 证件防伪、完整性鉴定等。数字水印研究特别要面向i n t e r n e t 上广为使用的各种数据文 件，应用对象包括j p e g 压缩图像、m p e g 2 压缩视频、w a v 、m i d i 、m p 3 音频文件、a v 工及三 维动画文件、p s 和p d f 标准文本、v o i c e m a i l 或v i d e o m a 订等多媒体邮件格式。 版权保护：是水印最主要的应用领域，其目的是嵌入数据的来源信息以及比较有代 表性的版权所有者的信息，从而防止其它团体对该数据宣称拥有版权。这样水印就可以 用来公正地解决所有权问题，但这种应用要求非常高的鲁棒性。 版权跟踪：为避免未经授权的拷贝制作和发行，出品人可以将不同用户的i d 或序列 号作为不同的水印嵌入1 乍品的合法拷贝中，称为数字指纹。其目的是通过授权用户的信 息来识别数据的发行拷贝，监控和跟踪使用过程中的非法拷贝。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。 标题与注释：即将作品的标题、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。如在遥感图像等信息中隐藏日期、经纬度等。 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、伪造或特殊处理过。为实现该目的，通常可将原始图像分成多个独立块，再 在每个块中加入不同的水印。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。 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 播放机即可通过检测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。 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，更引发了信息战尤其是网络情报战的革命。网络情报战是信息战的重要组成部分， 彩色图像数字水印技术研究 其核心内容是利用公用网络进行保密数据传送。迄今为止，学术界在这方面的研究思路 一直未能突破“文件加密”的思维模式。但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，可以进行各种时( 空) 域和变换 域的信息隐藏，从而实现隐蔽通信。 尽管人们都在努力发展和完善数字水印技术，但水印技术仍然没有完全成熟和广为 人们理解，而且还有很多问题没有得到解决。虽然水印技术很难在短期内取得突破，但 是鉴于水印技术的广泛的应用价值，有必要对水印技术作一番深入研究。特别是在网络 技术和应用迅速发展的今天，数字水印技术的研究更具现实意义。如今数字水印技术在 商品化道路上迈开步伐，呈现出面向i n t e m e t 、多种技术集成的发展趋势： ( 1 ) 结合智能体技术，开发水印a g e n t 和自动追踪版权标志。 ( 2 ) 面向电子商务，提供服务器端的完整性保护和客户端的数据认证。 ( 3 ) 开发基于数字水印技术的数字作品电子销售系统，提供完整的安全与版权保护 机制。 ( 4 ) 为各种付费点播服务，提供基于流技术的数字水印产品。 ( 5 ) 建立水印认证中心，提供各种网上服务。 ( 6 ) 面向更广泛的数字媒体开发数字水印安全保护产品。 ( 7 ) 构造综合的数据安全系统使用各种生物认证技术构造专人标识水印等。 ( 8 ) 软件的搜索和下载数量的统计、网页安全预警、手机终端信息保护、数字电视 节目的保护和机密文档的防遗失等。 当然应该注意到，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，例 如水印版权保护的标准、嵌入水印的标准、提取或检测水印的标准、水印认证的标准、 水印测试的标准。因为不同的水印算法如果不具备兼容性，显然不利于水印的推广。而 这些标准的建立将会大大促进数字水印技术的应用和发展。 数字水印发展迅速，经过十几年的积累，从应用角度看，数字水印的多种隐藏算法 和协议等都达到了实用化的水平，水印技术正在向纵深发展，特别是以网络游戏、数字 动漫、数字电视、数字电影等为代表的数字内容产业的蓬勃发展，数字水印己经成为各 种数字媒体的最有效的保护手段之一，巨大的社会需求无疑将引发数字水印的应用高 潮。 数字水印被视做抵抗多媒体盗版的”最后一道防线”。因此从水印技术自身来说，它 具有广泛的应用前景和巨大的经济价值。相信不久的将来，水印与其它d r m 技术的结 合，将彻底解决数字内容的管理和保护问题。 1 3 本文的主要研究内容 本文在系统了解了已有图像数宁水印算法的基础上，提出了两个彩色图像数宁水印 4 硕士学化论文 算法。第一个算法结合人眼的光谱特性在彩色图像的蓝色分量中嵌入水印，很好地实现 了图像的不可见性。第二个算法同时实现了图像的版权保护和内容认证，版权保护水印 的鲁棒性强，内容认证水印可以有效的刻画和定位各种攻击和篡改。 1 4 本文结构 第l 章介绍了数字水印技术的研究情况，包括数字水印提出的应用背景和技术背景， 国内外研究现状和数字水印的应用。 第2 章介绍和总结了数字水印的基本理论：数字水印的模型、针对图像的数字水印 攻击技术、数字水印的特性及其图像数字水印的鲁棒性和不可见性研究。 第3 章介绍了已有的数字水印算法，包括空间域算法和变换域算法。提出了一个 基于小波变换和奇异值分解的彩色图像水印算法。在对彩色图像的蓝色分量8 水8 分块后 对各块进行小波分解，然后对分解后的低频分量奇异值分解，在第二个奇异值上叠加水 印信号，把一个灰度有意义图像嵌入到图像中。实验证明该算法对j p e g 压缩等攻击的 鲁棒性好，而且水印是不可见的。 第4 章版权保护和内容认证是数字水印研究的两个最重要领域。本文提出了一个同 时实现版权保护和内容认证彩色图像的数字水印方案。结合人类视觉系统在图像的绿色 分量中嵌入版权信息，实现版权保护，在蓝色分量中嵌入二值图像，实现内容认证。实验 证明我们的方法透明性好，版权保护水印对j p e g 压缩、高斯噪声等攻击抵抗力强，内 容认证水印能有效地刻画攻击和定位篡改。 最后展望了未来图像数字水印技术的研究热点。 彩色图像数字永印技术研究 第2 章数字水印技术的基础理论 2 1 数字水印简介 目前，虽然有许多关于数字水印技术的文献，但对数字水印还没有形成一个统一的 概念。数字水印技术是为了满足版权保护的现实需要而提懑来的。起初数字水印技术被 定义为将代表版权的特定信息，按照某种方式植入被保护的数字对蒙中，在产生版权纠 纷时通过相应的算法提取出该数字水印，从而验证版权的归属，防止恶意的拷贝与未授 权的散发。随着时间的推移，数字水印技术的运粥范围扩大。数字水印也可以进行内容 认证、数据侦察与跟踪、证件防伪等。仪面向版权保护的水印概念已过失。一般来说， 数字水印技术是指在数字化的数据内容中嵌入不明显的记号。被嵌入的记号通常是不可 见或不可察的，但是通过一些计算操作可以被检测或者被提取。水印与源数据( 如图像、 音频、视频数据) 紧密结合并隐藏其中，成为源数挺不可分离的一部分，并可以经历一 些不破坏源数据使用价值或商用价值的操作而存活下来。数字水印技术本质上是通过对 数字对象做微小改动，这些区域的变动对数据值不会造成较大的影响。 数字水印研究要涉及计算机科学、密码学、算法设计与分析和信号处理等多门学科。 数字水印技术是加密技术的补充，但与加密技术不同，它并不能阻止盗版活动发生，它 所起作焉是判别对象是否受到保护，益视被保护数据翡传播、真伪鉴别和j i 法拷贝，解 决版权纠纷并为法庭提供证据。为了给攻击者增加去除水印的难度，提倡制作水印方案 时采耀加密技术来加强永印系统的安全性。 2 。2 数字水印的一般模型 数字水印模型是由一个水印嵌入系统和一个水印恢复系统组成。水印嵌入模型如图 2 1 所示。其输入是水印信息、载体数据和一个可选的公钥或密钥。水印系统使用一个 或多个密钥来确保安全，这样可以增加对水印的攻击难度。水印可以是任何形式的数据， 院如随机数字序列、图像或文本等。 靛。 图2 ，l 水印信号嵌入系统 图2 2 为水印恢复模型，虚框部分表示在提取水印信号时，原始载体数据不是必要 6 硕十学位论文 。 ：；撅：j ，7 图2 2 水印信号恢复系统 通常可以将数字水印问题建模为扩频数字通信问题：水印嵌入就是数字水印信息在 原始图像信道中传输的过程；水印检测则是如何消除原始图像信道的噪声、从含水印图 像中提取数字水印信号的过程。许多数字水印技术都把数字水印的信道建模为加性高斯 噪声信道，在空域或频域利用加性隐藏的方法嵌入水印信息，加性隐藏口1 ： g f = a + 口w ( 2 1 ) 其中 心) 是水印序列， b 是原始图像， g f ) 是含水印图像，口表示嵌入水印的强 度。口的取值要在水印的可见性与鲁棒性之间衡量。口越大，水印鲁棒性越好，但是图 像质量就会降低；反之口越小，水印鲁棒性越差，图像质量越高。水印检测则通过计算 与水印序列 w 的相关值来提取水印信息。 j 原始图像信道的容量在不同区域分布是不均匀的，在加性隐藏方法中，如果水印嵌 入强度口为常数，通常会引起可见的图像失真。因此，在不同变换域下应结合人类视觉 系统( h v s ) 的特性，自适应地调整算法中水印嵌入的强度，将水印信息嵌入到原始图像 视觉重要区域的同时，保持水印信息的不可感知性。 乘性隐藏方法是c o x h 3 提出的另一种水印嵌入方法，乘性隐藏方法l ： g f = p f ( 1 + 口w ) ( 2 2 ) 乘性隐藏方法中，水印嵌入的强度随原始图像系数值大小动态改变，这种视觉屏蔽 效果降低了水印信息的不可感知性，因而一般认为乘性隐藏技术优于加性隐藏技术。 对待检测图像，有两种办法确定其是否含有水印： ( 1 ) 用秘钥和提取算法提取出 嵌入的数字水印，并生成可见的水印图像。这种方法比较直观，实际应用中也容易让人 接受；( 2 ) 根据假设检验理论，计算待检测图像和嵌入水印的相关值，并与设定的阈 值相比较，来确定待检测图像是否含有水印。在大多数水印算法中，采用伪随机数字序 列作为水印，在判断数字作品是否含有水印时，常采用n c 值。n c 表示原始水印和提取 到水印的相似度： n c = 形( f ，) 而历 兰生生一 ( 2 3 ) 形( f ，硝 对一定的检测阈值丁，当c 丁时，认为特定的水印存在。显然这是一个经典的二值假 7 彩色图像数字水印技术研究 设检验。存在虚警概率( 待测试根本没有嵌入水印或不是嵌入特定的水印，但检测器给出 了相反的检测结果的概率) 和漏检概率( 指待测试图像嵌入了特定水印，但没有检测出 来的概率) 。检测器需要在虚警概率和漏检概率之间折衷。 2 3 数字图像水印系统的基本要求 数字水印的思想虽然简单，但是要达到应用的目的，就必须满足一定的性能指标， 其中相对重要的特性包括： 保真性：又常称为不可见性，指的是水印嵌入导致图像质量变化的程度。鉴于图像 多是供人们观赏，水印应具有很高的保真性，同时又增加了水印自身的安全。即在图像 水印方案中水印的存在不应明显干扰被保护的图像数据，含水印的图像没有感知质量下 降的现象，人眼不能区分原始图像和含水印图像之间的差别。 鲁棒性：是指水印在图像编辑、处理过程中的生存能力。数字图像的各种处理会导 致图像信息损失，从而在不同程度上破坏水印完整性，甚至使水印丢失，像压缩、滤波、 加噪、剪切、缩放和旋转等常见图像处理。图像水印算法能够抵抗常见的图像处理操作。 信息容量：是指在一定保真度下，水印信号可传递的信息量。水印应该能够包含相 当的数据容量，以满足多样化的需要。实际应用要求水印可传送多位信息。 安全性：在应用中总有人要嵌入、检测或剔除水印，而必须限制其他人做同样的操 作，这就是水印的安全性。安全性是抵抗恶意攻击的能力，水印信息不会被删除、破坏 和窃取，即使是在水印算法或相关知识公开的情况下。另一方面要实现安全，必须保密 重要信息，比如通常使用密钥产生水印。 盲水印：在实际应用的方便，水印检测过程中应不需要原始的、未嵌入水印的图像。 这一方面简化了水印的检测；另一方面则是为了安全起见。 误警率：是指在不含水印的数字图像中，错误地检测出水印的概率。很显然，只有 误警率足够低，系统才能安全可靠地使用。 漏检率：在含水印的数字图像中，没能检测出水印的概率。很显然，只有漏检率足 够低，系统才能有效地使用。 尽管水印系统的特性很难同时满足，设计水印必须围绕上述性能指标结合实际应用 要求选择合适的技术。有些特性之间是不相容的，像不可见性、鲁棒性和信息容量，必 须做权衡的考虑。他们是相互冲突的，需要有很好的折衷，制约着水印算法的具体实 现。为了获得好的健壮性，水印的嵌入强度应该尽可能高，但这又很难保证不可见性； 为了获得高容量，需要嵌入较多的水印信息，影响了不可见性，检测器要准确检测出较 多的水印信息，难度也较大了。误警率和漏检率之间也是不相容的，需要折中考虑，但 尽量先保证误警率。 硕士学位论文 2 4 图像数字水印的攻击技术 对媒体数据的各种编辑和修改常常导致信息损失，又由于水印与媒体数据紧密结 合，所以也会影响到水印的检测和提取，我们把这些操作统称为攻击。水印的攻击技术 可以用来测试水印的性能，它是水印技术发展的一个重要方面。如何提高水印的鲁棒性， 抵抗攻击，是水印设计者最为关注的问题。 第一代水印性能评价系统囊括了大量的信号和图像处理操作，它们可以分为： 去除水印攻击：主要包括a d 、d a 转换、去噪、滤波、直方图修改、量化和有损压 缩等针对图像的常见处理。这些操作造成了媒体数据的信息损失，特别是压缩，能在保 证一定信息质量的前提下，尽可能多地剔出冗余，使得水印被去掉。 几何攻击：主要包括各种几何变换，例如旋转、平移、尺度变换、剪切、删除行或 列、随机几何变换等。这些操作使得媒体数据的空间或时间序列的排列发生变化，造成 水印的不可检测，因此也叫异步攻击。 共谋攻击：攻击者利用同一条媒体信息的多个含水印拷贝，使用统计方法构造出不 含水印的媒体数据。一种常用的共谋攻击是利用多个检测体进行多次平均统计操作，最 后得到一个成功删除水印的载体数据。共谋攻击的目标是删除水印。 重复嵌入攻击：攻击者在已嵌入其他水印的媒体数据中嵌入自己的版权信息，从而 造成版权纠纷。对付这种攻击的手段是采用时间戳技术。时间戳由可信的第三方提供， 可以正确判断谁第一个为载体数据加了水印。 第二代水印攻击系统由v o i o s h y n o v s k i y l 7 j 提出，其核心思想是利用合理的媒体数据 统计模型和最大后验概率来估计水印或者原始媒体信号，从而将水印剔除。 一 对攻击技术的分析和研究促进了水印技术的革新，但也为水印自身提出了一个又一 个挑战。当前，还不存在一种算法能够抵抗所有的攻击，特别是几何攻击，是学术界公 认的最困难的问题，目前还没有成熟的方案。 2 。5 图像数字水印测试 j 下确评估和比较水印系统，应该从水印的不可见性和抗攻击能力两个方面综合考 虑。 2 5 1 含水印图像质量评价 含水印图像质量评价要从主观和客观两个方面进行，因此水印不可见性的测量可采 用定量方法或主观测试方法。由于含水印信号的最终接收者是人，所以主观评价标准是 最直接的，也最可靠。主观方面结合人类视觉特性，如果加入水印影响了载体数据的明 9 彩色图像数字水印技术研究 显降质，就认为是不成功的。主观方面可采用观测者打分的方式，这种打分可基于i t u r r e c 5 0 0 质量等级评判【4 4 1 。 表2 1i t u rr e c 5 0 0 定义的品质和作品失真等级 但在研究中，当把测试任务叫给计算机来完成时，主观度量的方法用处并不大，实 际度量往往采用定量方法。均方差m s e 是一种统计行为指数，可以直接反映出所做评估 对象的改变。为了衡量原始载体图像在添加水印以后图像的质量变化情况，我们采用均 方差对图像的变化进行一种评估，给出一种图像变化的客观指标。 艘= 一( 艰，j ，卜， x ，y 】) 2 ( 2 3 ) m ，zj = i ；= i x ，y 是原始图像。，【x ，y 是含水印图像。 在许多文献中，水印研究者都喜欢采用信噪比( s n r ) 或峰值信噪比( p s n r ) 来衡量 原始图像与水印图像的失真程度： 脚限= 1 0 l o g l o ，2 x ，y j ，y ( 2 4 ) ( 艰，y 卜， x ，y 】) 2 脚_ 1 0 1 。g l o 下而上丝一( 2 5 ) 去萎善( 耻川伽 ) 2 信噪比是指有用的信号与在信号处理过程中引入的噪声的比值。在图像处理中，用 s n r 作为衡量重建图像质量的尺度。水印图像跟原始图像的信噪比，得到的比值越大， 就表示水印图像的质量越好，但由于个人主观行为的因素，事实上并不是得到的s n r 越 大，就一定表示水印的图像质量越好。 2 5 2 图像数字水印鲁棒性测试 鲁棒性是数字水印系统最重要的性能之一，因此需要对水印系统施加一些攻击，以 测试其性能。这些攻击是一个水印系统在实际应用过程中可能会遭受剑的任何有意