（信号与信息处理专业论文）基于小波变换域的数字水印算法研究.pdf

南京邮电大学硕士学位论文摘要 摘要 随着网络技术和多媒体技术的飞速发展，多媒体数据逐渐成为人们获取信息的重要来 源，成为人们生活的重要组成部分，数字产品的版权保护和完整性认证问题显得越来越重 要。数字水印技术通过在原始数据中嵌入秘密信息水印，来证实该数据的所有权或完 堑| 生，以此来抵制对数字产品的盗版或篡改等。该技术作为版权保护的重要手段，正得到 广泛的研究和应用。 本文对静止图像水印技术进行了研究，系统地分析了数字水印技术的基本原理和方 法，介绍了小波变换原理及其在图像水印技术上的应用，针对小波变换在图像信号处理方 面所具有的优点，选择在图像的小波变换域中嵌入水印信息。首先提出了一种基于关系的 小波域鲁棒性盲水印改进算法，该算法在图像经离散小波变换后的低频子带中选择感知重 要系数作为水印的嵌入区间，逐行隔点的选择中心系数；根据中心系数与其邻近系数平均 值的大小关系，选择合适的嵌入位置，将水印重复嵌入到低频子带中。另外，在此基础上， 本文还提出了一种多功能水印技术，在已嵌入鲁棒水印的图像中再嵌入半脆弱水印，能在 确认图像版权的同时验证图像的完整性。 通过各种常见的图像处理、压缩、剪切等攻击进行测试，结果表明了本文所提算法对 大部分的图像攻击有较强的鲁棒性。 关键词：数字水印；离散小波变换；盲检测；多功能水印 南京邮电人学硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rn e t w o r ka n dm u l t i m e d i at e c h n o l o g y , m u l t i m e d i a d a t ai sb e c o m i n gt h em a i ns o u r c ef o r mt h a tp e o p l eg e ti n f o r m a t i o nf r o m ，a n dm u l t i m e d i ad a t ai s m o r ea n dm o r ei m p o r t a n ti np e o p l e sl i f e p r o b l e m sa b o u tc o p y r i g h tp r o t e c t i o na n di n t e g r i t y a u t h e n t i c a t i o no fd i g i t a lm e d i ah a v ea t t r a c t e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n w a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g y , a sa ni m p o r t a n tm e t h o dt os o l v et h i sp r o b l e m ，i su n d e r b r o a dr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n i nt h i sp a p e r , w es u m m a r i z et h eg e n e r a lt h e o r i e so fd i g i t a lw a t e r m a r kt e c h n o l o g ya n d w a v e l e tt r a n s f o r m ，a n de m b e dt h ew a t e r m a r ki n f o r m a t i o ni nt h ew a v e l e td o m a i n f i r s t l y , an e w i m a g eb l i n dw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mb a s e do nn e i g h b o r i n gm e a nv a l u er e l a t i o n s h i pi sp r o p o s e d i nt h ep r o p o s e da l g o r i t h m ，a2 - l e v e ld w t d e c o m p o s i t i o no f t h eo r i g i n a li m a g ei sp e r f o r m e da n d t h ep e r c e p t u a l l ys i g n i f i c a n tc o e f f i c i e n t sa r es e l e c t e df r o ml ls u b b a n dt ob et h ee m b e d d e d d o m a i n t h ew a t e r m a r ki se m b e d d e di n t ot h ec h o s e np o s i t i o n sr e p e t i t i v e l ya c c o r d i n gt ot h e n e i g h b o r i n gs y m b o l sm e a nv a l u e s e c o n d l y , w ep r o p o s ead o u b l ed i g i t a lw a t e r m a r k i n g a l g o r i t h mb a s e d o nt h ef i r s tm e t h o d w ee m b e dt h es e m i f r a g i l ew a t e r m a r ki n t ot h ei m a g ea g a i n a f t e ri ti si m b e d d e db yt h er o b u s tw a t e r m a r k t h ea l g o r i t h mc a np r o v et h eo w n e r s h i pa sw e l la s t h ei n t e g r i t yo ft h ei m a g e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e da l g o r i t h mi sr o b u s tt ot h ec o m m o ni m a g e p r o c e s s i n gs u c ha sf i l t e r , j p e gc o m p r e s s i o n ，n o i s ep o l l u t i o n ，i m a g ec l i pa n ds oo n k e y w o r d s ：d i g i t a lw a t e r m a r k ；d w t ；b l i n dd e t e c t ；d o u b l ed i g i t a lw a t e r m a r k i i 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电大学或其它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 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：煎：趟日期：丝堕：生：! 。 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 南京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 数字水印提出的背景 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 ，各种形式的多媒体数字作品( 图像、 视频、音频) 纷纷以网络形式发表。这样，数字作品可以低成本、高速度的被复制和传播， 为创造者和使用者都提供了很大的便利，然而数字作品的便利性和不安全性是并存的，这 些特性容易被盗版者所利用。盗版者能以低廉的成本复制、传播未经授权的多媒体内容， 还有一些个人和团体为了某种目的，在未经作品所有者许可的条件下擅自篡改数字图像内 容的做法，使得数字图像的真实性、完整性受到严重威胁。因此，多媒体数字产品内容的 知识产权保护以及内容的真实性、完整性认证具有重要的研究意义和应用价值n 川1 。 为解决数字信息产品的安全问题，必须对其进行保护，通常对多媒体内容的保护分为 两个部分，一是版权保护，二是内容完整性( 真实性) 保护，即认证d 3 。一种解决方案是， 依靠密码学技术对数字产品进行加密，只有合法用户( 或付费用户) 才拥有密钥，这样可 以保证数字产品内容的安全传送，并且可以作为存取控制和征收费用的手段。但是，传统 的加密方法对内容的保护只局限在加密通信的信道中或其它加密状态下，一旦解密，则毫 无保护可言；密码学中的认证方法对多媒体内容的保护也无能为力：一方面由于多媒体内 容的真实性认证往往需容忍一定程度的失真，而密码学中的认证方法不容许一个比特的改 变；另一方面，由于多媒体认证的认证信息往往需要直接嵌入到多媒体内容中，不另外保 存认证信息，但密码学中的认证方法则需另外保存信息认证码。由于密码学对多媒体内容 保护能力的局限，一种新的保护途径应运而生，即数字水印技术。 数字水印技术弥补了加密技术对多媒体数据保护的不足，成为对多媒体数据进行版权 保护和认证的有效手段。数字水印类似于信息隐藏，它也是在数字多媒体载体中隐藏一些 信息，将与多媒体内容相关或不相关的一些标识信息直接嵌入到多媒体内容当中，但不影 响原内容的价值，并不能被人的知觉系统觉察或注意到。通过这些隐藏在多媒体内容中的 信息，可以达到确认多媒体产品的所有者，或者多媒体内容是否真实完整。数字水印是目 前学术界研究的一个前沿热门方向，可为版权保护等问题提供一个潜在的有效解决方案。 同时，它也是一门新兴的学科交叉的应用技术，涉及了不同学科领域的思想和理论，如信 南京邮电大学硕上学位论文第一章绪论 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、计算机科学及网络技术等技术。数字水印技术经过几年的研究与发展，取得了长足的 进步，算法上从最初简单的基于最不重要位( l s b ) 嵌入的空域算法到现阶段基于离散余弦 变换和离散小波变换的变换域算法。在算法理论上取得进展的同时，也有一些相应的产品 和解决方案相继推出，其应用领域也在不断扩展。但是总的来说，数字水印技术作为一门 年轻的学科，其理论体系尚未完善，技术还不够成熟，尚未有一种水印能够经受所有的己 知攻击，大部分算法仍都是探索性的，尚需在实践中接受检验和继续发展，因而离广泛的 应用还有很长的一段路要走，还需要研究人员做更多的努力。 1 2 国内外研究现状 如今信息隐藏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。自1 9 9 3 年数字水印技术被提出以来，学术界对数字图像水印理论研究不断深入，企业 界也对图像水印的应用给予了足够重视。i b m 在其数字图书馆( d i g i t a ll i b r a r y ) 研究计 划中采用了可视水印技术，n e e 公司则研究如何把水印技术应用于d v d 系统的拷贝保护机制 中n 1 ，与此同时，一些公司还逐步推出了有关水印技术的商用软件系统。 1 9 9 6 年后它得到了前所未有的关注，学术界分别于1 9 9 6 年，1 9 9 8 年和1 9 9 9 年召开了三 届信息隐藏技术国际研讨会，许多大众科学杂志和报纸也将它作为流行话题。与此同时， 研究界也做了很大努力来标准化水印处理技术。这清楚地反映了声像及多媒体产业对这项 技术和应用的兴趣。 自数字水印的概念出现以来，国内外的研究学者提出了许多算法。到目前为止，不存 在任何一种水印算法，可以确保水印在任何攻击之下仍然可靠稳定地存在。最早提出的算 法是基于空间域的，空域水印算法是通过改变图像像素的灰度值来嵌入水印。早期的空域 水印算法是最低有效位算法( l s b ) 及其改进算法。最低有效位算法( l s b ) 是l f t u r n e r 和 r g v a ns c h y 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 算法使用特定的密钥通过i l l 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 当于叠加了一个能量微弱的信号，因而在视觉和听觉上很难察觉。l s b 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，该方法尽管直接，但不鲁棒也不抗干扰。 针对l s b 算法的缺陷，一些研究学者对空间域图像进行了改进，如1 9 9 6 年b e n d e r 等人提出 著名的p a t c h w o r k 算法，以及近几年出现比较多的量化技术。 。 2 南京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 与空间域图像水印相比，变换域水印嵌入算法物理意义清晰；可充分利用人类的感知 特性；不可见性和鲁棒性好；与压缩标准兼容。变换域数字水印方法是指将水印嵌入到多 媒体数据的频率域。常见的变换域方法有： ( 1 ) 基于离散余弦变换( d c t ) 域数字水印 离散余弦变换( d c t ) 是数字信号处理技术中最常用的线性变换之一，具有很好的能 量压缩能力和去相关能力，在数字音频压缩和图像压缩等领域得到广泛应用。特别地，数 字图像的j p e g 压缩标准就是建立在离散余弦变换基础上的，基于j p e g 压缩标准模型的水印 嵌入算法可以增强水印抵抗j p e g 压缩的能力，因此离散余弦变换在数字水印处理技术中受 到了普遍重视。 典型的d c t 域算法，如c o x t 6 1 等提出的基于图像全局变换的水印方法，他们的方法是对 整幅图像进行d c t 变换，然后将水印信息加到变换后的低频分量上。c o x 等还提出了提高 水印鲁棒性的两个要点：一是水印信号应该由服从g a u s s i a n 分布的随机实数序列构成；二 是水印信号应该嵌入宿主图像中对人的感觉最重要的部分，这个部分对应于d c t 域中的低 频系数。d c t 水印还有其它方法，如通过由密钥随机选取的图像的一些分块，在变换后数 据的中频上添加水印信息，这种算法对于低通滤波和有损压缩具有较好的鲁棒性。 ( 2 ) 基于离散傅立叶变换( d f ，i ) 域数字水印 离散傅立叶变换d f t 是复数变换，在幅度和相位满足特定的条件下，数字水印信息既 可以嵌入到媒体信号的幅度上，也可以隐藏在它的相位中。傅立叶变换对几何攻击，如平 移、缩放、旋转等均具有不变性。在傅立叶域上嵌入水印需要较大的计算量，而且在水印 提取的时候，它的计算量丝毫不会减少。总的来说，傅立叶域上的数字水印在嵌入水印或 提取水印的时候，计算量和算法复杂度都较高，但是它能够较好地抗几何攻击。 ( 3 ) 基于离散小波变换( d w t ) 域的数字水印 类似于d c t d f t 算法，基于离散小波变换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 ) 的水印 算法主要也是针对小波系数进行的。它可以将数字图像空间域数据转化为相应的频域系 数，根据待隐藏的信息类型，对其进行适当的编码或变形，根据隐藏信息量的大小和其相 应的安全目标，选择某些类型的频域系数序列( 如高频或中频或低频) ，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，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。在d w t 域，b a r n i 口1 等人提出的基于人类视觉模型的水 印算法，利用了纹理和亮度掩蔽特性实现小波域水印，它将水印嵌入在高频子带上。黄继 武呻3 等提出的算法对原始图像进行三层小波分解，并对分解系数进行小波块分类，首先选 择小波分解低频系数，若有剩余，再按小波分解频率带重要性的排序嵌入高频系数中。 二i 南京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 m i n g s h i n gh s i e h 册等人提出了一种以图像作为水印信息并能将其恢复出来的水印算法， 该算法基于小波变换，利用零树编码的有关理论来嵌入水印。d e e p ak u n d u r n 0 1 等分别提出 了一种基于小波变换的私有水印和公开水印算法，前者将图像和需要嵌入的水印信息分别 作小波分解，根据视觉特性进行数据融合，此方法在提取水印时需要原始图像；后者是对 小波系数进行特殊的量化以达到嵌入信息的目的，此方法提取水印时不需要原始图像的参 与，将水印技术结合到小波图像编码中能够减少因水印操作而带来的计算负荷。总而言之， 小波域算法的隐藏和提取信息操作复杂，隐藏信息量不可能很大，但抗攻击能力强，很适 合于用数字作品版权保护的数字水印技术中。 变换域水印算法的主要优点是：1 ) 在变换域中嵌入的水印信号，其能量可以分布到空 间域的所有像素上，有利于保证不可见性。2 ) 在变换域，h v s 的某些特性( 如视觉掩蔽特性、 频率掩蔽特性) 可以更方便地结合到水印编码过程中，有利于鲁棒性的提高。3 ) 变换域的 方法可与国际数据压缩标准兼容，对有损压缩和其他的信号处理具有较强的免疫力，因此 更具优越性，目前占据了主要地位。 目前，变换域水印算法的研究主要集中在小波域上，研究的重点仍然是如何平衡水印 视觉透明性与鲁棒性之间的关系。小波变换相对于d c t 变换和d f t 变换，优点之一是它具 有良好的时频局部性，离散余弦变换是从图像空间到频率空间的全局变换，而离散小波变 换是一种局部的变换。由于离散余弦变换的全局本质，在变换空间中任何一个数据的误差 都会影响到图像中的每一个像素，为了限制离散余弦变换的全局影响，可把图像分成一系 列的小块，但是这样一来分块d c t 变换又会导致马赛克效应，对结果有不良的影响。小波 变换既可以保留这些局部特征，又具有全局变换的特性，嵌入水印时产生的失真能随机分 布在整幅图像中，因而不会出现马赛克效应。此外，离散小波变换的另一优点是它具有多 尺度分析的能力，利用小波变换把原始图像分解成多频段的图像，能适应人眼的视觉特性 且使得水印的嵌入和检测可分多个层次进行。小波变换域数字水印方法兼具时空域方法和 d c t 变换域方法的优点，因此，基于离散小波变换的数字水印算法已经成为当前研究的热 点和最重要的研究方向。 1 3 本文主要研究工作和章节安排 数字水印技术的特点在于它横跨图像信息处理、多媒体技术、模式识别、密码学、数 字通信等多个领域。与密码学相似，数字水印也是一个对抗性的研究领域。正因为有水印 攻击的存在，才有水印研究的不断深入，水印测试者既要熟悉水印算法也要熟悉水印攻击 4 南京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 算法，而且还要从水印算法的理论入手进行水印信息量和鲁棒性的定量分析。针对目前盲 水印算法鲁棒性不高的弱点，本文在基于小波变换域的图像数字水印及多功能数字水印等 方面进行了研究，主要的研究工作及结果包括： ( 1 ) 提出了一种基于邻域均值关系的静止图像盲水印算法。该算法对原始图像进行 二级离散小波变换，在变换后的低频子带中选择感知重要系数作为水印的嵌入区间，再根 据邻近特征平均值，选择合适的嵌入位置，将水印重复嵌入到低频子带中。水印的检测过 程简单，不需要原始图像的参与。 ( 2 ) 提出了一种多功能水印技术，在嵌入鲁棒水印后的子带中根据系数间的关系再 嵌入半脆弱水印，同时实现了图像认证和版权保护功能。由于半脆弱水印的嵌入通过提取 图像的特征，不修改图像的任何数据，因此克服了以往多水印嵌入算法中的图像质量问题。 本论文共分六章，具体内容安排如下： 第一章：简要地介绍了数字水印技术的发展概况。给出了研究工作的背景、国内外研 究动态，最后给出了研究工作概要和论文章节安排。 第二章：主要介绍数字水印的原理、基本特征，归纳了数字水印系统的基本框架，并 给出了评价数字水印性能的方法。 第三章：详细介绍了小波变换的基本原理及性质；小波多分辨率分析及其在图像应用 中的基本原理、在数字水印应用中的基本知识。 第四章：提出了一种基于邻域系数均值关系的小波域改进算法，该算法利用邻域系数 的关系，将二值水印图像嵌入到图像二级小波变换系数的低频子带，提取时不需要原始图 像。实验仿真结果表明，该改进算法具有较强的鲁棒性能够很好的抵抗大部分常见攻击。 第五章：进一步提出了一种小波域的多功能水印技术算法，在载体图像中同时嵌入一 个脆弱水印和一个鲁棒水印，前者可以用于篡改提示，后者可以用于版权保护。 第六章：对本论文的主要工作给出了一个简要的总结，结合数字水印技术未来几年的 发展趋势以及论文所提算法还存在的不足之处，提出了进一步的研究方向。 南京邮电大学硕：t 学位论文 第二章数字水印技术 第二章数字水印技术 2 1 数字水印概念、特点及分类 数字水印( d i g i t a lw a t e r m a r k ) 技术是指用信号处理的方法在数字化的多媒体数据中嵌 入隐蔽的标记，这种标记通常是不可见的，只有通过专用的检测器或阅读器才能提取。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、 图像或音乐制品的合法使用人对数字产品的拥有权。数字水印是信息隐藏技术的一个重要 研究方向。 不同的应用对数字水印的要求是不尽相同的，一般认为数字水印应具有如下特点： ( 1 ) 不可感知性 在宿主数据中隐藏的数字水印应该是不能被感知的。不可感知包含两方面的含义，一 个是指感官上的不可感知，二个是指统计上的不可感知。感官上的不可感知就是通过人的 视觉、听觉无法察觉出宿主数据中因嵌入数字水印而引起的变化，也就是从人类的感官角 度看，嵌入水印的数据与原始数据之间完全一样。统计上的不可感知是指，对大量的用同 样方法经水印处理过的数据产品，即使采用统计方法也无法确定水印是否存在。 ( 2 ) 健壮性 数字水印应该难以被擦除。在不能得到水印的全部信息的情况下，只知道部分信息， 应该无法完全擦除水印，任何试图完全破坏水印的操作将对载体的质量产生严重破坏，使 得载体数据无法使用。一个好的水印算法应该对信号处理、通常的几何变形，以及恶意攻 击具有健壮性。 ( 3 ) 安全性 在宿主数据中隐藏的数字水印应该是安全的，难以被发现、擦除、篡改或伪造，同时， 要有较低的虚警率。 ( 4 ) 可证明性 数字水印所携带的信息能够被唯一地、确定地鉴别，从而能够为已经受到版权保护的 信息产品提供完全和可靠的所有权归属证明的证据。数字水印算法能够正确识别出被嵌入 到保护对象中的有关信息，例如经过注册的用户的编码、产品的标识或者其它任何有意义 的文字等，并且能在需要时将其提取出来作为证据。 ( 5 ) 实现复杂度低 6 南京邮电大学硕士学位论文 第二章数字水印技术 数字水印算法应该容易实现，尤其是视频水印，有的甚至要求水印算法的实现满足实 时性要求。 数字水印的分类方法有很多种，分类的出发点不同导致了分类的不同，最常见的分类 方法主要有以下几类： ( 1 ) 按特性划分 按水印的特性，可以将数字水印分为鲁棒数字水印和脆弱数字水印两类。鲁棒数字水 印主要用于在数字作品中标识著作权信息，如作者、作品序号等，它要求嵌入的水印能够 经受各种常用的编辑处理；脆弱水印的要求相反，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，可以将数字水印划分为图像水印、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。随着数字技术的发展，会有更多种类的数字媒 体出现，同时也会产生相应的水印技术。 ( 3 ) 按检测过程划分 按水印的检测过程，可以将数字水印划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。一般来说，明文水印的 鲁棒性比较强，但其应用受到存储成本的限制。目前学术界研究的数字水印大多数是盲水 印。 ( 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( 如商标图像) 或数字音频片断的编码；无意义水印则只对应与 一个序列号。有意义水印的优势在于，如果由于受到攻击或其它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 ) 按用途划分 不同的应用需求造就了不同的水印技术。按水印的用途，可以将数字水印划分为票据 防伪水印、版权保护水印、篡改提示水印和隐蔽标识水印。 票据防伪水印是一类比较特殊的水印，主要用于打印票据和电子票据的防伪。一般来 说，伪币的制造者不可能对票据图像进行过多的修改，所以，诸如尺度变换等信号编辑操 作是不用考虑的。但另一方面，人们必须考虑票据破损、图案模糊等情形，而且考虑到快 速检测的要求，用于票据防伪的数字水印算法不能太复杂。 7 南京邮电大学硕十学位论文第二章数字水印技术 版权标识水印是目前研究最多的一类数字水印。数字作品既是商品又是知识作品，这 种双重性决定了版权标识水印主要强调隐蔽性和鲁棒性，而对数据量的要求相对较小。 篡改提示水印是一种脆弱水印，其目的是标识宿主信号的完整性和真实性。 隐蔽标识水印的目的是将保密数据的重要标注隐藏起来，限制非法用户对保密数据的 使用。 ( 6 ) 按水印隐藏的位置划分 按数字水印的隐藏位置，可以将其划分为空域数字水印和变换域数字水印。空域数字 水印是直接在信号空间上叠加水印信息；变换域数字水印则是在d c t 变换域、d f t 变换域或 小波变换域上叠加水印信息。 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以 上几种。应该说，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 2 数字水印系统的结构框架 数字水印是向多媒体数据中添加某些数字信息以达到版权保护等作用，在实际应用 中，一个完整水印系统的设计包括水印生成、水印嵌入和水印提取三个步骤。 2 2 1 水印的生成 数字水印生成是数字水印处理过程的第一步关键步骤。构成水印的序列通常应该具有 不可预测的随机性。通常意义上说，数字水印生成过程就是在密钥k 的控制下由原始版权 信息、认证信息或其它有关信息m 生成适合予嵌入到原始载体x 中的待嵌入水印信号w 的过 程。水印信息根据人的感官判断可分为两类，即无意义水印( 不可读水印) 和有意义水印( 可 读水印) 。 无意义水印生成往往采用伪随机数发生器( 产生m 序列) 或混沌系统( 产生高斯信号) 来 实现。当基于伪随机数发生器时，密码k 直接映射为伪随机数发生器的种子：当基于混沌 系统时，密码集由一些初始条件做适当变换产生。无意义水印的特点在于秘密性强，嵌入 时水印信号能量小且不可随意检测：安全性高，它能够分散于信宿的所有频谱中，当含水 印信宿受到攻击时可能将信号能量从某一频谱移走，但由于水印能量分散于所有频谱中， 故大部分的水印信息还是能保留下来。 有意义水印一般是指用具有现实意义的i d 序号、文字、图标、图像等信息作为水印。 该类水印的优点在于可读性，即人们可以通过感官来读懂水印的含义，能够满足水印的无 r 南京邮电大学硕士学位论文第二章数字水印技术 歧义性要求，因而成为数字水印技术的一个发展方向。 当选用的水印是图像形式时，可以采用二值图像也可以采用灰度图像，虽然灰度图像 的信息更加丰富，然而考虑其标记的作用，含有充分形状信息的二值图像更具实用性，并 可以通过水印提取后的处理过程使其更为清晰，因此，在方案设计中，可以选用二值图像 简化算法。针对水印为图像的形式，由于图像所特有的轮廓特征，使得算法设计中为了保 持不可见性的要求，可能需要选用比序列和文字形式的水印算法中小的多的强度嵌入水 印，这必然会降低水印的鲁棒性。而在生成阶段利用密钥和置乱技术，将具有明显轮廓的 图像打乱重新排列成类似于随机噪声的图像嵌入到原始图像之中，提高了水印的不可见 性。 在水印信号预处理中，设i 为原始数字图像，y 为水印信号，k 为密码，f 为信息预处理 函数，】，为处理后的水印信息，】，由函数f 作如下定义： yf(i，y，k)(2-1) 由上式可以知道，嵌入算法使用的水印信息可由原始数字图像、原始水印信号和密码 经过函数处理得到。在这里我们把水印技术与加密技术结合起来，提高了水印技术的安全 性、可靠性。 2 2 2 水印的嵌入 从图像处理的角度看，嵌入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眼的视觉系统( h v s ) 的对比度门限，就无法感到信号的存在。对比 度门限受视觉系统的空间、时间和频率特性的影响，因此，通过对原始图像作一定的调整， 有可能在不改变视觉效果的情况下嵌入一些信息。 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私钥。 水印系统使用一个或多个密钥来确保安全，防止修改和擦除水印。水印可以是任何形式的 数据，比如随机数字序列、图像或文本等。 图2 1 水印嵌入模型 9 南京邮电大学硕士学位论文第二章数字水印技术 设载体数据为i ，水印信号为w ，密钥为k ，则水印嵌入可用公式( 2 2 ) 描述，常用 的两种水印嵌入公式如( 2 3 ) 所示。 毛= f ( 1 ，形，k ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 式中f 表示水印嵌入策略；形表示图像数据区( 空域或频域数据) ；口为水印嵌入的强 度因子，在保证不可感知性的条件下，水印嵌入的强度应该尽可能大。 2 2 3 水印的提取和检测 图2 2 、图2 3 分别是水印提取和水印检测图，图中的虚框表示在提取和判断水印信号 时原始载体数据不是必需的。 图2 2 水印提取模型 ， 图2 3 水印检测模型 1 0 形叫 口 + + 0 杉形 = i i 矿 矿 形k ，jl 南京邮电大学硕士学位论文第二章数字水印技术 在大多数情况下，水印的检测过程包含水印提取过程，即用密钥把水印从含水印产品 中提取出来，提取出来的水印应与原始水印满足相似性。水印检测的条件有两种：一是需 要原始产品的参与，即检测非盲水印：二是不需要原始产品的参与，即检测盲水印。在大 多数情况下，检测时使用原始产品是个大的缺陷，因此希望不需要原始产品参与水印检测。 非盲水印的提取方法一般是对水印嵌入方法的逆运算，其形式可经过公式( 2 3 ) 的 移项得到，具体如式( 2 4 ) ： f 形= ( k 一v , ) a 【形= ( 形形一1 ) a ( 2 4 ) 盲水印的提取一般是需要一个参考值，由含水印数据与参考值的比较得到水印信息。 对于无意义水印的判定一般采用相关检验或基于概率假设的方法，先给出一个阈值， 如果提取信息与原水印信息的相关值大于该阈值，则给出图像中含有指定水印的结论。当 提高相关性检测的阈值时，虚检概率降低，漏检概率提高；当降低相关性检测的阈值时， 虚检概率升高，漏检概率降低。所谓虚检，就是将没有水印的数据误认为含有水印信号； 所谓漏检，就是未能从含有水印信号的数据中检测到水印信号。在实际的水印应用中，更 注意对虚检概率的控制。 对于有意义水印的判定是很简单的，不需要计算，只需要提取的水印信息能够被人读 懂且与嵌入水印的实际意义相符，则可判定含有指定的水印。但有意义水印的检测也提出 了一个新的问题，即对水印提取正确率要求提高。在水印由随机序列构成时，由于采用相 关检测的方法，即使水印信号由于图像失真产生了一些变化，相关检测仍有可能达到较强 的响应，这是统计检测的特点。但水印为有意义水印时，每1 比特的错误信息，都将影响 水印的可读效果。当错误位较多时，原来可读的有意义水印就可能变为不可读，也就失去 了水印的作用，因此必须提高水印检测时的正确率。 2 。3 数字水印的性能评估 图像信息隐藏和数字水印的基础就是利用人眼对图像信号的不敏感性。人眼对图像有 很大的感觉冗余，图像信息隐藏就是要求在视觉没有异常感觉的情况下，将信息嵌入到图 像中，水印嵌入可以看作是信息隐藏的一个特例，即隐藏的信息是水印信息。一般来说， 对于相同的隐藏算法，图像中嵌入的信息量越大，图像的视觉效果就越差。换句话说，对 于同一个嵌入算法，载体图像数据的改变程度与嵌入的数据量是成正比关系的，嵌入的数 据量大，载体图像的视觉效果改变就大，嵌入的数据量小，载体图像的视觉效果改变就小。 l f 南京邮电大学硕士学位论文 第二章数字水印技术 但是对于不同的嵌入算法，嵌入的数据量大小就未必与载体图像视觉效果有特别直接的关 联。 因此，在不同的数字水印系统之间进行公正的算法比较、性能评估，对数字水印标准 化以及水印走向实际应用都具有重要意义。对水印系统进行性能评估的关键是要建立评价 基准，对水印系统评价的准则不仅要包括对鲁棒性的评价，还要包括关于水印处理引入失 真的主观或定量评价。换句话说，在水印的鲁棒性和不可见性之间需要有一个权衡。 2 3 1 不可见性评估 在水印的鲁棒性和不可见性之间需要有一个权衡，所以正确地评估和比较水印系统就 必须对水印的不可见性进行评估。对水印的不可见性进行评估可以通过主观测试或定量的 客观度量来衡量。主观测试直接反映了人对图像质量的感受，一般来说比较准确，对最终 的质量评价和测试是有实际价值的。表2 - 1 中给出了i t u - rr e c 5 0 0 质量等级标准，它用五 个级别来给出载体在嵌入水印后质量的等级。 表2 - 1i ，i u rr e c 5 0 0 从1 n 5 范围的质量等级级别 等级级别损害 质量 5 不可察觉优 4 可察觉，不让人厌烦 良 3 轻微的让人厌烦中 2让人厌烦差 1 非常让人厌烦 极差 主观测试的缺点是，不同人员之间主观差异较大，并且实验想要得到较好的统计结果， 就要找大量的人员进行测试，因此结果的可重复性不强。这种评价标准无法做到定量地对 系统性能进行分析，所以在研究和开发过程中往往采用定量度量的方法进行客观评价。 对含有水印的数字产品( 主要指图像、视频) 进行感知度量的客观标准大都沿袭于图 像和视频处理中所采用的各种失真度量方法，这些方法包括：差分失真度量( 平均绝对差 ( a d ) 、均方误差( m s e ) 、l p - 范数、拉普拉斯均方误差( l m s e ) 、信噪比( s n r ) 、峰 值信噪比( p s n r ) ) 、相关失真度量( 归一化互相关系数( n c ) 、相关质量( c q ) ) 以及 其它的基于像素的视觉失真度量方法，如直方图相似性、图像保真度等等。 假设原始图像为i ，大小为m x n ，z ( i ，j ) 是像素位置( f ，) 处图像的像素值；含水印图 1 2 南京邮电大学硕士学位论文第二章数字水印技术 像为i ，( f ，j ) 是位置( f ，) 处含水印图像的像素值；d b 表示分贝。各相关性能指标定义如 下： ( 1 ) 均方误差( m s e ，m e a ns q u a r e de r r o r ) m s e = 丽1 善m 蔷n 似“h u ) 2 ( 2 ) 信噪比( s n r ，s i g n a l t o - n o i s er a t i o ) 击m n 砸，) ： s n r _ l o 枣培丝等( 如) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 3 ) 峰值信噪比( p s n r , p e a k - s i g n a l t o - n o i s er a t i o ) m a x ( 2 ( f ，朋 p s n r = 1 0 奉l g 型二一( d b ) ( 2 - - 7 )m s e ( 4 ) 图像保真度 m ( 砸，j ) - i ( i ，埘2 i f = l 一旦上i 一可一 i ( i ， i = 1 j = l ( 2 8 ) 其中，峰值信噪比主要是针对不可感知性的一个具体评测指标，本文使用峰值信噪比 来估计水印嵌入宿主图像之后含水印图像的扭曲程度，并作为反映一个数字水印算法不可 见性好坏的指标来衡量水印的不可见性。 2 3 2 鲁棒性评估 鲁棒性是指含水印作品在经过常规信号处理操作( 包括滤波、有损压缩、几何变形等 等) 后仍能检测出水印的能力。水印的鲁棒性主要取决于以下几个方面： ( 1 ) 嵌入信息的数量：因为它直接影响水印的鲁棒性，所以是一个重要的参数。对 于同一个算法，需要嵌入的水印信息越多，水印的鲁棒性就越低。但对于相同数量的水印 信息，通过扩频增加每位信息的嵌入数量则可以提高水印的抗攻击性，扩频水印是目前增 强水印鲁棒性比较常用的方法。 ( 2 ) 水印嵌入强度：高鲁棒性需要较高的嵌入强度，而这反过来增加了水印的可见 性。在水印嵌入强度和水印不可见性之间需要一个均衡。 ( 3 ) 水印嵌入位置：嵌入在图像的视频敏感部分，数字水印才能有较强的鲁棒性； 1 3 南京邮电大学硕士学位论文 第二章数字水印技术 若将水印信息嵌入到图像的细节部分( 如变换后的高频部分) ，则图像在经受滤波、压缩 等常见攻击时，这部分信息容易丢失，因而算法不鲁棒。 ( 4 ) 秘密信息( 如密钥) ：尽管秘密信息的数量对水印的不可见性、鲁棒性没有直接 的影响，但在系统的安全性方面充当了重要的角色。密钥空间，也就是秘密信息所有可能 的取值范围要足够大，从而使穷举搜索攻击不可行。综合考虑这些因素，为了找到合适的 性能评估方法，必须使用很多不同的密钥和多样化的水印数据，针对不同种类、大小的数 据集进行测试评估。 为了定量描述已知水印系统对特定攻击的鲁棒性，可将攻击程度连续地增加，直到水 印不再可靠地提取。初始水印和所提取水印的相似度体现了水印系统鲁棒性的高低，可采 用归一化相关系数【1 4 】n c 来衡量，公式如下： 形( f ，歹) 幸形l ( f ，歹) n c p 莎可矿 q 。9 ，_ ， 其中w ( i ，) 和w ( f ，) 分别表示初始水印w 和提取的水印w 在位置( f ，j ) 的值。 0 0 。 4 ) 自相似性：一个小波可以通过平移参数b ，伸缩参数a 获得一个小波族，它们彼此 是自相似的。 5 ) 冗余性：连续小波变换中存在信息表达的冗余度。 3 1 2 离散小波变换 信号经过连续小波变换后，存在冗余非常大。在实际应用中，常用的是小波的离散形 式，即离散小波变换( d w t ) 。信号厂( f ) 的连续小波变换公式中，a 、b 和f 都是连续变量。 为了在计算机上有效的实现小波变换，式中口和b 也应取离散值。通常，尺度参数a 和平 移参数b 的离散化公式分别取作a = 耐和6 = k a g b o ，其中_ ，、k 为整数。这种离散化的基本 思想体现了小波变换作为“数学显微镜 的主要功能，选择适当的放大倍数，在特定位 置研究信号，然后再平移到另一位置继续研究，若放大倍数不合适，可使尺度按小步长移 动一个距离。 离散小波的表达式为： 一z 纺，七( f ) - - a o2 e ( a o ，一砜) ( 3 - - 5 ) 1 6 南京邮电大学硕上学位论文 第三章小波变换及其应用 为适合计算机运算，常采用二进制离散小波变换，即取= 2 ，魄= 1 ，则： 瞅) = 专驴( 竽) c 3 卅 任意函数f ( t ) 的离散小波变换为： ( 歹，舫= = ef ( t ) 6 p j , k ( t ) d t 其逆变换公式为： 厂o ) = ce ( ，七概，七( f ) j = - o ok = - - a o 其中c 是常数。 3 2 多分辨率分析与m a l l a t 算法 ( 3 7 ) ( 3 8 ) 多分辨率分析的基本思想，就是对于任意函数f ( x ) r ( 灭) ，看作某一逐级逼近的极 限，每级逼近都是用某个低通滤波器函数缈( x ) 对f ( x ) 做平滑的结果，缈( x ) 在做逐级逼近 的同时自身也在做逐级收缩，也就是说用不同的分辨率来逐级逼近厂( x ) 。多分辨率分析的 基本工作思路就是首先在乎( 霆) 的某个空间建立一个基底，然后对此基底做适当变换，将 其扩充到l 2 ( r ) 的其它子空间中，最后达到逼近描述f ( x ) 的结果。 设函数空间序列 巧 懈是能量有限空间r ( r ) 的闭子空间序列，若 巧) 脚满足如下性 质，则称为r ( r ) 的一个多分辨率分析： ( 1 ) 单调性，也叫逐级二分性，也就是信号在j + 1 分辨率级的逼近包含了所有在- ，级 分辨率的逼近 巧一is 巧“，v j z ( 2 ) 平滑逼近性 当歹一一，巧一彩，则q 巧2 a 当专悯时，t 专r ( r ) 1 7 南京邮电大学硕士学位论文 第三章小波变换及其应用 整个平方可积空间记为噘= r ( r ) j e z ( 3 ) 伸缩不变性 噎) 巧一- 营厂( x ) 巧( 2 z ) 巧小z ( 4 ) 平移不变性，函数f ( x ) 在l 司一子空间圪中平移前后的波形不变，即 f ( x ) 圪f ( x f ) 巧，v f z ( 6 ) 正交基存在性，即存在函数k ( f ) 巧，使得 巧乒( f ) ) 构成空间巧的正交基，其 中 巧，七( f ) = 2 2x ( 2 7 f 一后) ，( ，k z ) f d 承k ( t ) 为尺度函数，与小波基函数妒o ) 正交a m a l l a t 将计算机视觉邻域内的多分辨率分析引入到小波变换中，统一了前人关于小波 函数的构造，信号的小波分解与重构，并提出了著名的m a l l a t 算法。其算法基本思想是： f 2c