（应用数学专业论文）几种数字图像水印的算法及应用.pdfVIP

学位论文独创性声明 本人郑重声明： i 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是 真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其 它机构已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明 并表示了谢意。 作者签名：亳乒 日期：y ，5 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文 的规定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机 构送交论文的电子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目 的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阕；有权格学位 论文的内容编入有关数据库进行检索；有权将学位论文的标题 和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 作者签名：茎：基 日期： 坐丛。 摘要 随着网络技术和多媒体技术的飞速发展，如何保护多媒体信息的安全 成为国际上研究的热门话题，数字水印技术应运雨生。作为保护数字作品 版权的一种重要手段，数字水印技术已成为当今学术界研究的一个热点。 数字水印技术是通过在原始数据中嵌入秘密信息来证实该数据的所 有权。被嵌入的水印可以是一段文字、标识、序列号等。水印通常是不可 见或不可察的，它与原始数据紧密结合并隐藏其中，成为源数据不可分离 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。 本文以静态的数字图像作为主要研究对象，重点研究了几种水印的算 法及应用。主要工作有以下几含方面： 针对传统的相关值检测盲水印方法嵌入容量小，鲁棒性较差的缺点， 利用数字图像s 、r d ( 奇异值) 分解后的特点，提出一种结合分块s v d 分解 的相关值检测盲7 k 印方法，该方法具有实现简单，运算复杂度低的特点， 并对常见的图像处理具有鲁棒性。 对抵抗几何攻击的数字水印算法进行分析，介绍了几种对r s t 鲁棒的 水印算法的思路。着重对f o u r i e r m e l l i n 变换构造几何不变域的算法进 行探讨，深入研究了算法的思想。 数字图像矩阵在傅立叶变换后的幅度谱8 2 够体现图像的重要信息，且 具有平移不变性，然而单纯的修改傅立叶频谱系数进行水印嵌入，不能够 达到稳定的检测响应。因此利用图像傅立叶幅度谱系数量化的方法嵌入水 印信息，并通过多点嵌入和检测，不仅提高检测的准确性，而且对于图像 的尺度变换也有较好的鲁棒性。同时，利用傅立叶幅度谱的特点，在检测 前对图像进行旋转检测并矫正，避免旋转所造成的破坏检测同步性。在图 像受到轻微几何攻击的情况下，能够对水印准确提取。 抵抗几何变换一直是水印算法研究的难点和重点，构造图像强的几何 不变性空间是解决问题的一种思路。图像的伪z e r n i k e 矩具有较强的旋转 不变性，通常在模式识别中有着广泛应用。利用数字图像伪z e r n i k e 矩的 旋转不变性进行改进，对矩归一化，使得归一化后的矩在保持旋转不变性 的同时，还具有缩放不变性。直接在图像的矩上嵌入水印需要重建图像， 会严重破坏图像质量，且计算量巨大，本文提出改进的嵌入方案，结合图 像的伪z e r n i k e 矩重构水印信息，直接添加在图像空域内，避免图像的重 建，不仅保证图像质量，时间效率也有大幅提高。实验结果表明，提出的 方法在对抗常规信号处理及图像旋转、缩放等方面有较好的鲁棒性。 关键词：数字水印，奇异值分解，f o u r i e r m e l l i n 变换，傅立叶变换 伪z e r n i k e 矩 a b s t r a c t 晰仂t h ed e v e l o p m e n to f t h e 皿u l t i m e d i aa n dt h en e t w o r kt e c h n o l o g y , 曲e a p p l i c a t i o no ft h ed i g i t a lp r o d u c ti sm o r ea n dm o r ew i d e n l es e c u r i t yo f m u l t i m e d i ah a sb e c o m i n gu r g e n tp r o b l e m o fa nt h es o l u t i o nt ot h ec o p y r i g h t p r o t e c t i o n ，t h ew a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g yi sm o r ee f f e c t i v eo n e t h e r e f o r e ，t h e s t u d yo f t h i st e c h n o l o g yb e c o m e saf o c , l l si nt h ea c a d e m i cw o r m d i g h a lw a t e r m a r ki sam e t h o df o ri m p e r c e p t i b l ye m b e d d i n g a l li d e n t i f i c a t i o n c o d ei n t om u l t i m e d i af o rt h ep u r p o s eo f p r o v i n go w n e r s h i p t h ew a t e r m a r ki s a so n ep a r to f m u l t i m e d i aa n ds t r o n ge n o n 出t os u r v i v ea f t e rs o m ep u r c h a s e n l i sd i s s e r t a t i o nh a sm a i n l ys t u d i e dd i g i t a tw a t e r m a r k i n gw i t h o u to r i g i n a l i m a g ef o rs t i l li m a g ea n dr o b u s to fw a t e r m a r k i n g 1 1 1 em a i nw o r ki n c l u d e st h e f o l l o w i n gf o u ra s p e c t s ： t h eo r i g i n a lb l i n dw a t e r m a r kb a s e do nc o r r e l a t i v i t yh a st h ed i s a d v a n t a g e o fs m a l lc a p a c i t ya n dd e t e c t i o nf a l s e i nt h i sp a p e r ew ei m p r o v eab l i n d w a t e r m a r ka l g o r i t h mb a s e do ns v d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wo u i a l g o r i t h mh a sv e r ye x c e l l e n ti m p e r c e p t i b i l i t y , a n dr o b u s t t os o m ep o p u l a r a ：c c a c k sl i k ej p e gc o m p r e s s i o n , i m a g en o i s ea n di m a g ec r o p p i n g t h eo r i g i n a l i m a g ew a sn o tr e q u i r e df o re x t r a c t l u gt h ee m b e d d e dw a t e r m a r k s a n a l y z eo fd i g i t a li m a g ew a t e r m a r k i n g w i t hr o t a t i o n ，s c a l ea n d t r a n s l a t i o ni n v a r i a n te m p h a s i z eo i lh o wt of o n n a f i o na nr s ti n v a r i a n tu s i n g f o u r i e r - m e u i nt r a n s f o r m o na c c o u n to ft h es p e c i a l t yi nf o u r i e rt r a n s f 0 肌i ti sh a r dt og e ts t a b l e d e t e c t i n gr e s u l t sb ym o d i f yd f rt o e 笳c i e n t si nt h i sp a d o r , e a c hw a t e r m a r k b i ti se m b e d d e di n t oi n t e r m e d i a t ef r e q u e n c yt e r mi nd f td o r a a i nb y q u a n t i z i n gt h em a g n i t u d eo f f o u r i e rs p e c t r u m t h ee m b e d d e ds e q u e n c ec a i lb e e x t r a c t e db yc h e c k i n gn e i g h b o r so fc o o 历c i e n t sw i t h o u tr e s o l i n gt ot h e o r i g i 蹦u n m a r k e di m a g e ，a n dar o t a t i o nr e c t i f yb e f o r ed e t e c t i n gc o u l db e i m p r o v et h ed e t e c t i n gv e r a c i t y e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o v qt h a tt h ew a t e r m a r k t h u sg e n e r a t e dj sr o b u s ta g a i n s tc o r n l o ni m a g ep r o c e s s i n ga n dg e n t l y g e o m e t r yd i s t o r t i o n ，w h i l eh a v i n gm u c hh i g h e rb i tm t e i ti sd i f f i c u l t ya n dk e y s t o n et or e s i s tr s tt r a n s f o r mi nd i g h a lw a t e r m a r k o n ew a yi st of o r m a t i o nas t r o n gr s ti n v a r i a n t s p a c e o fi m a g e p s e u d o z e m i k ei sak i n do fr e g i o n - b a s e ds h a p ed e s c r i p t o r , t h em a g n i t u d eo f p s e n d o - z e m i k em o m e n t sh a sr o t a t i o n a li n v a r i a n tp r o p e r t ya n dt h e r ei sn o i n f o r m a t i o n r e d u n d a n c y w ea n a l y z et h e i n v a r i a n c eo fp s e u d o z e r n i k e m o m e n t sa n dp r e s e n ta ni m p r o v e dp s e u d o z e r n i k em o m e n t st h a tn o to n l y h a v er o t a t i o ni n v a r i a n c e b u ta l s oh a v es c a l ei n v a r i a n c e w 乱e r m a r ks i g n a li s d e s i g n e dw i t hp s e u d o z e r n i k em o m e n t s t h es i g n a l i sa d d e dt ot h ec o v e r 2 i m a g e i nt h e s p a t i a ld o m a i n a f t e rr e c o n s t r u c t i o np r o c e s s a v o i d i m a g e r e c o n s t r u c t i o na n da s s u r et h ei m a g eq u a l i t y t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a to u r w a t e r m a r ki sr o b u s tt or s tt r a n s f o r mi na i ie f f i c i e n t w a y k e yw o r d s ：w a t e r m a r k i n g ，s v d ，f o u r i e r - m e l l i n ，d f t , p s e u d o z e m i k e 3 第一章引言 1 1 数字水印出现的背景及意义 随着i n t e r n e t 的迅速普及，多媒体信息的交流已经达到了前所未有的深度和广 度，其形式也愈加丰富多彩，计算机网络已经成为信息发布的重要手段，数据交换 和传输变成一个相对简单且快捷的过程。许多相应的服务都是通过互联网提供的。 比如：视频图像、电子数据交换等等。然而计算机网络在带给人们快捷与方便的同 时，也存在着很严重的闯题：这些服务很难进行保护通过网络传输的数字作品 很容易被非法复制，这是的有恶意的个人或团体可以随意拷贝和传播有版权的内容， 却并未得到作者的许可。因此，如何能够在充分利用互联网便利的同时，又能有效 的保护数字作品的版权，这成为一个迫在眉睫的实际问题 1 1 。于是多媒体信息安全 学应运而生。多媒体信息安全是集数学、密码学、信息论、概率论、计算复杂度理 论和计算机网络以及其他计算机应用技术于一体的多学科交叉的研究课题。其中， 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。 ( 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，它将一段有意义的数据流转换成 看起来没有意义的数据，如d e s ( d a t ae r m r y p t i o ns t a n d a r d ) 数据加密标准和r s a 加密标准吲9 l 。虽然我们可以利用传统的加密算法对多媒体信息加密，但是多媒体 数据流与文本数据的特性有着很大的不同。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，密文的数据因其不可理解性妨碍了多媒体信息的传播； 其次，加密信息一旦遭破解，其内容将完全透明，版权所有者就失去了对盗版的任 何控制权。 ( 2 ) 信息隐藏技术 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- - n 新必的交叉学科信息隐藏学的正式诞生。作为隐蔽通信 和知识产权保护的重要手段，信息隐藏学正得到广泛的研究与应用。信息隐藏不同 于传统的密码学技术【4 】【5 l ，信息隐藏主要研究如何将机密信息秘密隐藏于另一公 开的信息中，通过公开信息的传输来传递机密信息。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。 ( 3 ) 数字水印技术 数字水印( d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ) 是1 9 9 4 年有学者提出的一种新型信息伪装技 术f 6 i 。所谓数字水印技术，指的是在数字媒体内容之中嵌入某种不可感知的信息， 4 这种信息称之为数字水印。在发生数字媒体侵权使用、版权争议时，通过检测媒体 内容中的数字水印，从而起到媒体知识产权保护的目的。一方面，数字水印技术可 为解密后的数据提供进一步的保护，弥补了信息加密技术的缺陷；另一方蕊，数字 水印技术不但可在原始数据中一次性嵌入大量的秘密信息，而且还有很强的鲁棒性 ( 对鲁棒水印而言) ，也弥补了数字签名的技术缺陷。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，也是信息隐藏技术研究领域的重要 分支。 自数字水印技术诞生以来，有关数字水印的研究论文不断发表，有些科技刊物 还为此出版了专刊，比如：p r o c e e d i n g so ft h ei e e e ( j u n e ，1 9 9 8 ，v 0 1 8 6 ；j u l y i1 9 9 9 ， v 0 1 8 7 ) ，s i g n a lp r o c e s s i n g ( 2 0 0 i ，v 0 1 8 1 ) ，i e e et r a n s a c t i o n so ns i g r a lp r o c e s s i n g ( a p r i l ， 2 0 0 3 ，v o l ，5 1 ) ，s i g n a lp r o c e s s i n g ：i m a g ec o m m u n i c a t i o n s ( 2 0 0 3 ，v 0 1 1 8 ) 。很多国际会议 也为此设了专题，如s p i e , i c i p 。 由于多媒体信息 艮容易被未授权的甩户复销，采用传统密码方法并不能完全解 决这些问题。数字水印技术通过在原始数据中嵌入秘密信息水印( w a t e r m a r k ) 来证实数据的所有权。所嵌入的水印可以是段文字、标识、序列号等。水印通常 是不可见或不可察，他与原始数据紧密结合并隐藏其中，成为源数据不可分离的一 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 水印技术最初的目的是保护静止图像和视频；而现在正广泛地被应用到其他数字媒 体，如三维模型、网上音乐、d v d 和数字电视广播。 1 2 数字水印的特点和分类 数字水印技术与信息加密技术和信息隐藏技术相比，有其鲜明的特点和优势 根据不同的需要，在众多场合扮演着重要角色， 1 ，2 。1 数字水印的特点 一般来说，为了使数字水印技术能更好地应用于版权保护中，水印应满足以下 特点f 7 l 嘲： ( 1 ) 不可感知性( u n o b t r u s i v e n e s s ) 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，即在嵌入水印后，不影响原始信息的使用，不会 干扰数据的正常转播。 ( 2 ) 鲁棒性( r o b u s m e s s ) 鲁棒性对于数字承印来说极为重要。鲁棒性是指数字水印的稳健性，要求在水 印图像经受j p e g ( j o i n t p h o t o g r a p h i c e x e c s g 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、图像亮化与增强、有损压缩、几何变形、噪声污染等) 5 等无意变形破坏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。如果攻击者试图删除水印就会导致原始数据的彻底破坏：如果不 掌握水印所有的相关知识，数字水印就很难被伪造。 ( 3 ) 确定性( u n a m b i g u o u s ) 数字水印所携带的信息s 够被唯一地鉴别出来，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，同时能够监视被保护数据的传播，防止非法拷贝。 ( 4 ) 数据容量( d a t a c a p a c i t y ) 数字水印应具有一定的数据容量，以满足水印的多样化需求。信息量过少不足 以唯一的确定产品，常见的信息有多媒体内容的版权所有者的标志信息、购买者的 序列号等。 在这些特性中，不可感知性和鲁棒性、数据容量是相互冲突的，制约着水印算 法的具体实现。为了获得较好的鲁棒性，嵌入水印的强度应尽量的高些，这就必然 影响水印的不可感知性；为了获得较大的数据容量，嵌入的水印信息应尽量多，这 也势必影响水印的不可感知性。此时，应根据具体的需要，进行折衷。 1 2 2 数字水印的分类 数字水印根据使用目的的不同、原始水印信号的选择的不同、嵌入方法的不同 等可以有许多不同的分类方法，下面列举了一些常用的分类方法。 ( i ) 按使用目的，分为易损水印、半易损水印和鲁棒水印。易损水印能够检测出作 品是否被篡改过，如果作品被篡改，则水印检测不出来，它主要用于认证i 鲁棒水 印与之相反即使作品遭到一定程度的破坏也能检测出来，它主要用于版权保护： 半易损水印主要用于认证，但它能够容忍定的信号失真。 ( 2 ) 根据感知性不同，分为可见水印和不可见水印。可见水印的主要目的在于明确 标识版权，防止非法的使用，虽然降低了资料的商用价值，却无损子所有者的使用。 而不可见水印将水印隐藏，视觉上不可见，目的是为了将来起诉非法使用者，作为 起诉的证据，以增加起诉非法使用者的成功率，保护原创者和所有者的版权。 ( 3 ) 按水印的实现方法，分为空域水印和变换域水印。早期的水印算法从本质上来 说都是空域上的，水印宣接加载在数据上：基于变换域的技术可以嵌入大量数据而 且不可感知眭好，往往采用类似扩频通信的技术来隐藏水印信息。这类技术一般基 于常用的图像变换，如：离散傅立叶变换( d f t ) 、离散余弦变换( d c t ) 、离散小波 变换( d w t ) 、哈达马变换( h a d a m a r dt r a n s f o r m ) 以及傅立叶一梅林变换 ( f o u r i e r - m e l l i n ) 等等。 6 ( 4 ) 按水印的检测是否需要原始图像，分为盲检测水印和非盲检测永印。水印检测 时不需要原始图像的信息，被称为盲检测水印方案或公有水印方案，反之需要原始 图像信息的方案被称为非盲检测水印方案或私有水印方案。 ( 5 ) 按水印载体的不同，可分为图像水印、视频水印、音频水印、文档水印和三维 网格水印等。 1 3 数字水印的算法与攻击 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 方法较多，本节对一些典型的算法进行分析。 1 3 1 数字水印的算法简介 ( 1 ) 空域算法；这是数字水印中最早的一类算法。1 ，其中阐述了关于水印的一些重 要概念。这类算法是将信息嵌入到随即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，但是由于使用图像中不重要的像素位，因此算法的鲁 棒性较差，水印信息容易被滤波、压缩、几何变形的操作所破坏。 ( 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”1 。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信息。该方法能够抵抗剪裁攻击和灰度校正。但是水印 的容量小是其主要缺点。 ( 3 ) 文本水印算法：这类算法针对文本进行。1 ，主要通过轻微调整字符间距，行间 距或改变字符特征来嵌入水印。 ( 4 ) 变换域算法：最早提出的是一种离散余弦变换( d c t ) 域数字水印算法”。这 类变换域算法往往采用类似扩频图像的技术来隐藏数字水印信息，除了d c t 变换域 外，还有基于小波变换域以及基于傅氏变换域等。变换域算法相比于空域算法的优 点：首先，在变换域中嵌入的水印信号能量可以分布到空域的所有像素上，有利于 保证不可见性。其次，在变换域，h v s 的某些特性( 如频率特性) 可以更方便地结 合到水印编码过程中。有乖j 于稳健性能钓提高，另外，变换域的方法可与国际数据 压缩标准兼容，从而实现在压缩域( c o m p r e s s e dd o m a i n ) 内的水印算法。 除了以上介绍之外，还有n e c 算法【j “，生理模型算法1 1 4 等。 1 3 2 数字水印的攻击方法 当前，图像数字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，攻击是对水印鲁棒性的一个直观评估方法f 1 ”。 7 常见的攻击方法有以下几种： ( 1 ) 简单攻击：主要包括线性或非线性滤波，基于波形的图像压缩添加噪声图 像裁减，图像量化，模拟数字转换。 ( 2 ) 重调制攻击：l a i l g e l 日r 首先提出一个重调锚攻击方法。该算法首先将带水印 图像进行中值滤波，将带水印图像减去滤波后的图像，并据此估算出一个粗略的水 印再对估算水印高通滤波后乘以一个放大系数，从水印图像中减去，这样就得到 消除水印的图像。另外，h o l l i m a n 也提出一个类似的基于加权平均估计的攻击算法 。 ( 3 ) 诱惑攻击：即试图通过伪造原始图像和原始水印来迷惑版权保护，也称i b m 攻击。 ( 4 ) 删除攻击：即针对某些水印方法通过分析水印数据，估计图像中的水印，然后 将水印从图像中分离出来并使水印检测失效。典型的删除攻击有共谋攻击，其利用 同一图像加入不同水印后的数据，从各图像中分掰截取一小部分，然后对应拼接成 新的图像数据。d e g u i l l a u m e 将共谋攻击应用于视频中并提出相应的对抗措施16 1 。 ( 5 ) 几何攻击：通过对水印图像的空间或时间的变换以扭曲水印，使检测器无法与 嵌入的信息同步。集成了几何攻击的著名软件有s t i r m a r k ，该软件同时采用全局和 局部的几何扭曲。全局变换包括旋转、比例变换、变换视角比例、位移以及一系弼 的仿射变换等。 ( 6 ) 协议攻击：协议攻击是针对水印应用的概念提出的。c r a v e r 等给出第一个协 议攻击算法1 。他们引入了可逆水印的概念，并证明用于版权保护的水印必须是不 可逆的。协议攻击还包括拷贝攻击，该攻击的目标不在消除水印或侵扰其检测过程， 而如同重调制攻击那样，先从图像中预测水印，再将这个估测出的水印复制到目标 图像数据上，然后根据目标数据的局部特征调制该水印以满足不可见性。 ( 7 ) 第二代水印攻击：v o l o s h y n o v s k i y 提出第二代水印攻击方法i 】”，基于估计理论 给出水印攻击的随机公式模型，它们将水印攻击过程分为两个步骤：水印或载体数 据的估计：水印图像数据修正，科用水印的统计特性和人体视觉特性，其目标是破 坏水印检测过程和消除版权信息。并在水印攻击模型的基础上，提出一系列比较客 观全面的水印鲁棒性评价标准：除噪攻击和小渡压缩，拷贝攻击，破坏同步机制， 随机变形等。第二代水印攻击方法的主要特点是利用图像和水印的统计信息，能成 功的攻击水印，同是还保持甚至提高图像质量。 1 4 数字水印技术的应用领域和未来发展方向 数字水印的应用领域很广泛，常见的应用主要有以下几个方面”“”7 ” ( 1 ) 版权保护：版权保护是数字水印技术研究的主要应用前景。即在发生版权纠纷 时，通过提取水印来证实版权所有者的所有权，维护版权所有者和合法使用者的正 当权益。 ( 2 ) 数字签名：通过水印识别版权所有者，潜在用户用以获得合法使用权。 ( 3 ) 指纹识别：可以用来追踪非法拷贝源。它已经应用在d i v x 公司的数字视频播 放器中，该播放器在每个播放过的视频中加入独一无二的水印信号。 ( 4 ) 广播监听：水印被用于电视广播自动监听系统，以跟踪媒体内容何时在何地出 现。这对那些想确保媒体内容没有被非法分发或想决定媒体版权付费的媒体所有者 来说是很好的监测手段。另外也可以用于监测广告客户的商品广告是否完整播出。 ( 5 ) 拷贝控制：在水印中可包括版权所有者想加载在数字产品上有关使用及拷贝的 规则。结合视频播放器的控制芯片使用，可以达0 控制盗版或非法拷贝的目的。 作为一门新兴的交叉学科，数字水印技术还有很大的发展空闻。未来数字水印 的发展方向将会有以下几个方面： ( 1 ) 完善水印理论：数字水印技术的研究起步较晚，尤其对于水印的理论研究仍不 完善，仍有许多问题在理论上没有解决。 ( 2 ) 研究稳健性更好的数字水印算法：作为版权保护的重要手段，鲁棒性是衡量一 个数字水印算法优劣的重要标准。目前算法对于常规的图像处理如压缩、滤波等具 有较好的鲁棒性，然雨多数算法对于几何变换、疃变换等效果不理想，或者对于图 像的综合处理不是完全鲁棒。在实际应用中，水印要面晦各种各样的攻击或数据处 理，如何更好的提高水印的鲁棒性，将是水印算法能否得到广泛应用的关键。 ( 3 ) 建立对数字水印算法的攻击与评价标准：目前数字水印算法的攻击与评价并没 有统一的标准这在一定程度上制约了水印技术的鲁棒性研究，如何对算法进行客 观准确评价，是一个亟待解决的问题。 ( 4 ) 水印技术在其他领域的应用二如前文所述，数字水印技术的应用领域+ 分广泛， 而目前的研究仍有一些局限性。一些方法仍处在理论上的研究，没有应用于实际。 9 第二章一种基于相关值检测的盲水印方法 从水印信息的检测角度来看，数字水印大体上可以分为需要原始图像信息的方 法和盲永印方法。较早的承印方法在提取或检测中需要原始图像的参与在原始图 像不可得的情况下不能检测水印，因此在实际应用中受到很大限制。而盲水印方法 在检测过程中不需要原图像，园而受到更多关注，是目前讨论的热点 2 h 。传统的相 关值检测盲水印算法嵌入信息量小，提取水印正确率低。针对这些缺点，本章提出 了一种新的方法，在嵌入过程中对原始图像进行分块s v d 分解，取最大的一部分奇 异值重新构成载体图像块将水印置乱后，水印信息通过向载体图像块叠加一令离 斯分布的模板实现嵌入。保证透明度的同时增大了嵌入量。为提高水印提取的准确 率，通过对待检测图像滤波预处理，比较相关值的大小来判断水印信息。实验结果 表明，新的算法在保证水印的不可觅性的弱对，增加了嵌入信息量，提高了检渤的 准确性。且对于常见的图像压缩，噪声干扰和剪切等处理具有很好的鲁棒性。 2 , 1 传统的相关值检测水印算法 相关值检测算法是通过向载体图像叠加高斯分布的模扳实现水印信息的嵌入， 通过计算图像与模板的相关值来检测水印，不需要原图信息，是一种经典的盲水印 方法口”，其具体方法如下： 水印信息记为w ，彬为中的元素。g ，为参考模板，x ，j , - 5 载体图像相同 服从离斯分布。参考模板可以根据嵌入信息量的多少选取一个或多个。g 为信息 模板，通过对水印信息形进行编码得到： 铲心，篙 嵌入算法为 f = ，。+ a g 。 ( 21 ) ( 2 2 ) 其中口( 1 d o ) 为嵌入强度。l 为原始载体图像，1 w 为嵌入水印后的图像。 嵌入水印图像在传输过程中可能会加入噪声，此时接收到的图像，d ； i d = 十g a u s s a i n r ( 2 _ 6 ) 1 1 0 乙( i dg ，) 一t 从上述的公式推导可以看出，相关值检测方法的理论基础是向量的相关性比较， 此方法成立的前提是图像矩阵与检测模板之间相关性较小或不相关。然而在实际问 题中，载体图像l 很难完全服从高斯分布，从而( 2 4 ) 式中的。g ，非0 ，此时对 相关值的影响较大，因而阈值的选取不易确定；另一方面。在嵌入多b i t 信息的情 况下，为了提高检测的准确性，需加大嵌入强度，但此时载体图像的内容将会被严 重破坏。针对以上缺点，本章通过对图像嵌入和检测前进行预处理的方法进行改进， 在嵌入前对载体图像分块s v d 分解，重构载体图像块，在检钡4 前对待检测图像进行 滤波处理。以增加加嵌入信息量，提高检测准确性。 2 2 结合s v d 分解的相关值检测水印算法 对于给定的载体图像，在嵌入信息量一定的情况下，为保证透明性，嵌入强度 应尽可能小，这就要求水印检测器更敏感，嵌入的水印更稳健。本章主要通过对两 方面的改进；一方面减小载体图像与模板的相关性，使( 2 4 ) 式中，。g ，对相关值 的影响尽可能小，本章方法采用对待检测图像进行边缘增强的滤波处理来实现；另 一方面在水印提取中减小闽值对提取准确率的影响，本章在嵌入水印前对图像分块 s v d 分解2 3 】“】，取最大的几个奇异值重新构造载体图像，使嵌入的水印更稳健： 通过相关值的大小关系来提取水印信息，避免通过阈值进行判断。 设原始图像为，大小为m n ，水印图像为矿，大小为脚w x 疗w 。具体 算法如下； s t e p l ：将原始图像和水印图像采样置乱旧，置乱参数作为密钥保存。特别地，二值 水印中灰度为1 的像素点个数也作为密钥保存。置乱后的图像和水印分别记为t 和 矽。 s t e 啦：“分成大小为黔 别的互不枢交的她m ， 脚x 疗矽) 。 s t e p 3 ：对做s v d 分解8 q ： 其中，为t 的秩。 s t e p 4 ：将奇异值按降序排列，g g c c p 个( p ，) 构造一个新的块，记为t ，作 为载体图像块，实验中取p = 5 。 ，。= 剪町( 哆) 7 ( 2 8 ) s t e p s ；用一个伪随机序列的种子产生一个高斯分布的模板g ，其种子作为密钥保 存- 根据公式( 2 9 ) 将水印信息彬进行编码，得到信息模板g 。： g 。= 慨筹 ， s t e p 6 ：根据公式( 21 0 ) 将信息模板叠加在厶。上，得到嵌入水印信息后的块，： i ：= ik j + a g m ( 2 1 0 ) s t e p 7 ：七= 五十i ，i = i + 1 ，矿j j m w x n w ，返回s t e p 3 。 s t e p 8 ：对嵌入完成的图像做置乱变换的逆交换，得到嵌入了水印的图像，。，嵌入 过程结束。 算法中使用了奇异值分解，由于奇异值反映了图像的能量特性，奇异值越大， 1 2 72 、j 矿 ，l u ， 兄 ，同 i l r 矿 su = 表示对图像越重要，因而l 保留了原来块的重要信息。p 取值越小，嵌入越稳健， 检测准确率越高，但水印透明性越差。折衷考虑，实验中p = 5 。 水印的嵌入强度口直接影响到嵌入水印后图像的失真程度。根据人类视觉特性 ( h v s ) 的视觉掩盖效应口7 】p ”，载体图像的照度越小，人眼视觉对其绝对值变化越 敏感：图像纹理越复杂，人跟视觉对其变化越不敏感，允许嵌入的水印信号强度越 大。本章根据图像均匀度函数估算水印的嵌入强度p i ，从而确保嵌入水印图像的保 寞度： 配) = 丽1 彘矛1 k 伍曲_ _ ( 2 1 i ) 其中l 为载体匿 像，。的灰度均值。d ( i o ) 越小，载体图像比较均匀，嵌入水印 的强度应当较小；反之，认为图像包含纹理和边缘，嵌入强度可以较大。通过h v s 模型，可以根据载体图像的内容自适应的调整嵌入强度，保证水印的不可见性。 本章方法在嵌入前对原始图像置乱变换，使图像在经过剪切后仍能较好的提取。 对图像分块s v d 分髂后重新寿造的图像块有较强的稳定性，从而可以减小水印嵌入 强度，增加水印的不可见性。 2 3 水印提取算法 待检测图像记为0 ，载体图像置乱密钥劬1 ，水印置乱密钥k e y 2 ，模板生成 种子妲y 3 ，水印图像中灰度为1 的像素点个数七钞4 。检测过程如下： s t e p l ：为了提高检测准确性，本章对待检测图像进行滤波处理p “，使经过滤波处理 后的待检测图像边缘增强，图像内容与检测模板之间的相关性降低，对相关 值的影响减小，从而增加了检测的准确性。滤波算子为 f = 三| 一i il 1 0 11 _ 1 1 1 ( 2 1 2 ) s t e p 2 ：按照嵌入过程中置乱算法，通过密钥尼1 ，得到1 ，的置乱图像厶a s t e p 3 ：对应嵌入时的分块算法得到f ，的分块信息。通过模板密钥k e y 3 生成w ， 对每个块，根据公式( 24 ) 求相关值，最大的k e y 4 个相关值对应的水印信 息为1 ，其余为0 ，得到置乱后的水印。 s t e p 4 ：将吃通过水印置乱密钥始y 2 ，通过置乱算法逆变换，提取出水印。 本章方法在检测水印前对图像进行滤波预处理，从而降祗了载体固像与捡泓模 板间的相关性，减小了载体图像自身对相关值的影响。通过比较各个相关值的大小 提取水印，避免了通过闽值提取准确率低的缺点。因而水印提取准确率有较大提高。 2 4 实验结果 本章采用5 1 2 x 5 1 2 的l e a 灰度图像作为测试图像，水印图像是3 2 x 3 2 的 二值图像。圈2 j 是原始图像和使用传统方法嵌入水印后的图像以及本章方法嵌入 水印后的图像。图2 2 是原始水印和传统方法提取的水印以及用新方法提取的水印， 可以看到传统方法在嵌入信息量较大的情况下，提取准确性较差 圉2 ( b ) 和蜀 21 ( c ) 的只 ，r 值分别为3 6 2 2 8 3 和4 19 6 8 7 ) 。这是由于新方法在嵌入水印前对 图像分块s v d 分解，且在检测水印前对图像滤波预处理，改进了水印信息判定方法， 从而使得嵌入信息容量明显增加。图像韵保真度和提取的准确性都有根大的提高， ( a ) 原始图像( b ) 传统方法嵌入图( c ) 新方法嵌八图 圈2 1 原始图像及两者方法嵌入图像的比较 圆圈圈 ( a ) 原水印( b ) 传统方法提取水印( c ) 新方法提取的水印 圈2 2 原始水印及两种方法检铡结果 2 5 鲁棒性检测 鲁棒性是衡量一种数字水印方法优劣的重要指标。本章用一些常见的图像处理 方法进行测试，图2 3 ( a ) 是对含水印图像执入1 高斯噪声后怕水印提取，埘 取的结果可以看出噪声对提取的结果影响不大。图2 - 3 ( b ) 是将含水印图像进行 p e g 有损压缩后的提取结果压缩质量系数为8 5 ，提取的水印较理想说明方法对于 压缩有较好的鲁棒性。匿2 3 ( ) 一( f ) 是将含水印图像在1 ，4 剪裁后的提取结果， 分别对图像的各个区域进行剪裁，皆能够较准确的提取水印，由于在嵌入前对原始 图像簧乱变换，因而对剪裁有较好的抵抗能力。可以看到，本章的方法对于常见的 4 图像处理操作有较好的鲁棒性。 图2 3 对水印图像的噪声、压缩和剪切测试 嵌入水印后的图像失真程度通常使用峰值信噪比( p s n r ) ”13 来衡量，峰值信 噪比的计算方法如下： 删= l o l 。9 1 0 ”m a x ( 1 w w ) z ( 2 1 3 ) 提取的水印质量是判断提取成功与否的重要标准，对于提取水印与原始水印的 相似度评价，本章采用归一化相关( n o r m a l i z e dc o r r e l a t i o n ) 来描述： ( f ，j ) o w ( i ，) n c = 二上而 ( 2 1 4 ) 为了更好的说明本章方法的鲁棒性，用公式( 2 1 3 ) 和( 2 1 4 ) 对实验进行数值 比较，见表( 2 1 ) 。可以看到含水印图像在经过处理之后，提取的水印与原水印仍 保持较高的相似度。 未经处理加性噪声j f e g 有损压缩剪切1 4 p s n r4 1 ，9 6 8 7”9 6 2 93 8 1 1 5 9l o ，7 7 6 3 c 0 9 8 8 30 9 6 0 90 9 3 7 50 9 7 6 6 2 6 本章小结 表2 1 攻击试验结果 相关值检测是数字水印的经典算法，该算法结合了c o x 的扩频水印的思想 3 3j i ”j ， 将水印信息扩展到整个嵌入域内。算法的理论萋础为具有相同分布的高斯模板有较 高的相关性，并且源数据与检测模板之间不相关或弱相关，通过检测模板与嵌入域 的相关值计算可以凸显水印信息。然而事实情况并不理想，图像矩阵并非高斯分布， 会对检测造成影响，尤其在嵌入量增大的情况下，很难保证图像质量。本章针对传 统的相关值检测盲水印方法嵌入信息量小，检测准确率低的缺点，进行改进，提出 了新的方法，嵌入前对图像分块s v d 分解，重构载体图像，增加了嵌入容量，提高 检测稳健性。提取水印之前对图像滤波预处理，避免了通过阀值检测准确率低的缺 点。方法对常见的图像处理有较好的鲁棒性。并且简便易行，计算量小。在应用中 有较大的灵活性。 1 6 第三章抵抗r s t 的数字图像盲水印技术研究 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p ”， 它在检测水印时既不需要原始图像也不需要水印信息。而抗几何变换的盲水印算法 是现在数字水印研究的热点，通常基于f o x h i e r 等频域空间的盲水印算法即l ，对压 缩、滤波和噪声可以较好的解决，而对待即使很小的几何变换，如旋转变换就无法 检测到水印d t j ”】口9 l 4 0 】。几何变换包括旋转变换、比例缩放变换和平移变换。在非盲 水印算法中由于可以得到原始图像，因此可以将待检测图像和原始图像进行矫正 来抵抗几何变换。而在盲水印算法中无法得到原始图像，就必须寻找合适的嵌入频 域和嵌入方式来实现对几何变换的鲁棒性。 3 1 抵抗几何攻击的水印方法简介 水印对抗几何攻击是一个十分困难而极具挑战性的课题。目前抵抗几何攻击的 水印算法大致可以分为以下四类： ( 1 ) 将水印嵌入到几何不变量中 0 r u a n a j d l l 首先提出把水印嵌在f o u d