（通信与信息系统专业论文）多功能数字水印技术的研究与实现.pdf

上海师范大擘项士学位论文：多功能数字水印技术的研究与实现 多功能数字水印技术的研究与实现 摘要 随着计算机网络技术、数字多媒体的存储、复制与传播技术的飞速发展，数字产品的 版权保护以及内容认证越来越受到重视。数字水印技术是通过在被保护数字对象中嵌入某 些秘密信息即水印来证明版权归属或跟踪侵权行为。水印的嵌入不会影响原内容的价值和 使用且不能被人感知系统察觉和很难被清除由于数字水印是实现版权保护和内容认证 的有效方法，因此已成为多媒体信息安全领域的一个研究热点。特别对鲁棒性水印进行了 广泛、深入地研究，提出了许多好的算法，用以实现多媒体的版权保护，相对来说。对实 现多媒体内容完整性认证和篡改提示的脆弱水印研究要少一些，把两者结合起来的多功能 数字水印研究就更少了 本文提出的一种多功能数字水印算法是基于静止图像内容的版权保护和内容完整性 认证功能的结合多功能水印被分为两个部分，鲁棒水印和脆弱水印，其中鲁棒水印实现 内容的版权保护和用户跟踪；脆弱水印实现内容完整性认证。并对这些功能傲了详细的性 能分析和算法仿真。所取得的主要成果有： 1 ，基于实现版权保护的鲁棒水印算法。利用r s 纠错编码的系统码特性，针对客户 端与认证中心分别设计了水印提取算法，保证了两者不同的鲁棒性能要求。 2 、用于实现用户跟踪的鲁棒水印算法，采用奇异值量化和分组嵌入算法添加水印， 达到了高强度鲁棒性的效果，在受一定攻击的情况下仍能1 0 0 提取 3 、本文采用抵抗j p e g 2 0 0 0 压缩的半脆弱水印算法实现内容完整性认证根据 j p e g 2 0 0 0 压缩主要的质量损失环节，设计了抵抗算法嵌入水印为邻域自特性水印，提 取时无需原始图像甚至无需原始水印。同时还具备篡改定位功能，使水印的实用性更强。 4 、最后考虑了鲁棒与脆弱水印相互问的影响，将上述功能添加到一幅图像中试验 证明，该多功能数字永印算法具有版权保护、用户跟踪和内容完整性认证三种功能，且各 自功能特性良好。 关键词= 多功能数字水印，版权保护内容认证，奇异值分解，r s 纠错编码，j p e g 2 0 0 0 上海师范大学项士学住论文：多功能敷字水印技术的研究与实现 r e s e a c ha n di m p l e m e n t a i o n g0 fm u l _ t i f u n c t l 0 n a l w a t e r m a r k i n g a b s t r a c t w i t l it h em 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 kt e c h n o l o g y , t h es t o r a g e 丑耐c o p yo ft h e d i 百t a lm u l t i m e d i at e c h n i q u e ，m o r ea n dm o r ee m p h a s i si sp a i d 佃c o p 巾g h tp r o t e c t i o na n d v e r i f i c a t i o no fd i g i t a lp r o d u c t s d i g i t a lw a t e n n a g l d n gp r o t e c t st h ec o 刚g h ta n dc o n t e n t a u t h e n t i c a t i o nb ye m b e d d i n gs o m es e c r e ti n f o r m a t i o n , w h i c hi sc a l l e dw a t e r m a r k 1 1 摇 e x i s t e n c eo ft h ew a t e r m a r ki nt h ed i g i t a lp r o d u c t ss h o u l dn o ti n f l u e n c et h eq u a l i t yo ft h e o r i g i n a ld 画t a jp r o d u c to b v i o u s l ya n di ti sd i f f i c u l tt or e m o v et h ew a t e r m a r k t h e r ea g em a n y p a p e r sa b o u tr o b u s td i g i t a lw 锄c f m a f k i n g ，b u tp a p e r sa b o u tf r a 瘿l ed i g i t a lw a t e r m a r k i n ga 坞 f e w e r t h u s n 忙r es e m - c ho f m u l t i f u n c t i o n a ld i g i t a lw a t e r m a r k i n gi su s u a l l yi g n o r e d i nt h i sp a p e r , ak i n do fm u l t i - f u n c t i o n a ld i g i t a lw a t e r m a r k i n gi sp r o v i d e , w h i c h 啪b e a p p l i e dt oc o p y n g h tp r o t e c t i o n , 嘲t r a c k i n ga n dc o f l t e n ta u t h e n t i c a t i o n 缸t h e 鞠m et i m e t l 硷 m u l t i - f u n c t o n a lw a t e n m ai sd i v i d e di n t ot w op a r t s ；r o b u s tw a t e r m a r ka n df r a g i l ew a t e r m a r k 丁h cr o b u s tw a t e r m a r ki su s e dt op r o v i d et h ec o p y - g h tp r o t e c t i o no fi m a g ea n d 蝴t r a c k i n g ； t h ef r a g i l ew a t e r m a r ki su s e df o ra u t h e n 6 c a t i o no ft h ec o n t e n l1 1 砖a t k h o fd e v i s e do o r e a l g o r i t h m s 诚也d e t a i l e dp c 响彻a 瓣a n a l y s i sa n dc o m p u t e rs i m u l m i o n s mm a i nc o n t r i b u t i o n o f t h i sp a p e ri sl i s t e da sf o l l o w s ： l1 1 砖a l g o r i t h mo fr o b u s tw a t e r m a r k i n g w h i c hi m p l c x a e n t e dc o p y r i g h tp r o t e c t i o n 哪b a s e d o nt h ec h a r a c t e r i s t i co fs y s t e m a t i cc o d ei nr se t r o rc o r r e c t i n gc o d e a i m e da tc l i e n ta n d c e r t i f i c a t ea u t h o r i t y , t h i sa l g o r i t h md e s i g n e dt w od i f f e r e n te x t r a c u n gm e t h o d s ，w h i c h e n s u r e dt w od i f f e r e n tr e q m r e m e n t so f r o b u s m c s s 2 ma l g o r i t h mo fr o b u s tw a t e r m a r k i n g , w h i c i li m p l e m e n t e du s 盯t r a c i n gw a sb a s e do i l s v d q u a n t i z a t i o na n dg r o u p i l 瑶i n s e r t i n gw a t e r m a r k i tr e a c h e dt h es t a n d a r do fs t r o n g r o b u s t n e s sa n dc o u l da c h i e v e1 0 0 e x t r a c t i n gw t hc e r t a i na t t r a c t i n g 3 n 砖a l g o r i t h mo fs e m i - f r a g i l ew a t e r m a r k i n 吕w h i c hi m p l e m e n t e dt h ea u t h e n t i c a t i o no f c o n t e n tw a sb a s e d0 1 1t h em a i ns e g m e n t so fi m a g eq u a j i t yl o s i n gi nj p e g 2 0 0 0c o m p r e s s i o n 砸碑w a t e r m a r ki se m p l o y i n gt h es e l f - c h a r a c t e r i s t i co fn e i g h b o r h o o d a n d 位钎哂商m , , a g e a n do r i g i n a lw a t e r m a r ki sn o ti r ln e e dw h i l ee x t r a c t i n gm sa l g o r i t h mw a sa l s op r o v i d e d 山e f u r c t l o no ft a m p e r e dp o s i t i o n i n g w h i c hm a d et h i s s e m i r f r a g i l ew a t c m m t d n gi n o t e p r a c t i c a b i l i t y 4 i nt h e 砒a f t e ra u t h 0 - c o n s i d e r i n gt h ei n f l u e n c eb c t w e e l lr o b u s ta n ds e m i f r a g i l e w a t e r m a r k i n g , a l if u n c t i o n sa b o v e - m e n t i o n e dw e r ea d d e di n t oo n ei m a g e t h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o w e dt h i sk i n do fm u l t i f u n c t i o n a ld j g i t a lw a t e r m a r k i n gp r o v i d e dc o p ) 耐g h t p r o t e c t i o n , u s e rt r a c k i n ga sw e l la sc o n t e n ta u t h e n t i c a t i o n , a n de a c hf u n c l i o np e r f o r m e d w e i l k e yw o r d s ：m u l t i - f u m t i o n a l 击目忸1w a t e m t a r k m 岛c o p y n g mp r o t e c t i o n , c 沁n t l m ta u t h e m i c a t i o n , $ i l t g t t l _ f fv a u ed e c o m p o s i t i o n p s 删rc o n e c n n gc o d e f p e g 2 0 0 0 l l 论文独创性声明 本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。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人 或机构已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发 和所做的贡献均已在论文中做了明确的声明并表示了谢意。 作者签名：酶缎鼠日期：函口 s 2 论文使用授权声明 本人完全了解上海师范大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其 它手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此规定。 作者签名棚导师签名：互弗日期：如7 土。n 上海师范大学硕士学位论文：多功能数字水印技术的研究与实现 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 计算机技术的迅猛发展使网络成为人类交换数据信息的首要便利途径，并且因此大大 促进和提高了科技、教育、文化，产业的发展，改善了现代城市人的生活质量，使人类真 正进入了电子时代信息媒体的数字化为信息的存取提供了极大的便利，同时也显著地提 高了信息表达的效率和准确度。特别是随着计算机网络通讯技术的发展，数据的交换和传 输变成了一个相对简单的过程。人们借助于计算机，数字扫描仅，打印机等电子设备可以 方便、迅速便捷地将数字信息传达到世界各地。数字多媒体信息的交流也随着因特网的普 及达到了前所未有的深度和广度，越来越多的人们通过网络发布自己的作品、重要信息和 电子商务等。然而，随之而来的隐患也十分严重，作品侵权、窃取机密、信息篡改等非法 传播都将给社会和人们的生活带来巨大的危害和侵犯。通过网络传输数据文件或作品，容 易使不法分子在没有得到作品所有者的许可下拷贝和传播有版权的内容对国家、组织和 个人的信息安全带来了极大的威胁。因此如何在网络环境中实旌有效的版权保护和信息安 全手段成为一个迫在眉睫的现实问题。信息安全与保密的课题也被提到了一个前所未有的 高度课题内涵从最初的信息保密性到现在的信息完整性、不可否认性、防攻击等多方面 基础理论和实施技术。在这样的背景下信息隐藏学诞生了，它作为隐蔽通信和知识产权 保护等的主要手段，使版权信息隐藏于数字媒体中的设想成为了现实，得到了广泛地研究 与应用 数字水印是信息隐藏技术的发展和演化【1 1 。它是将水印永久镶嵌在宿主数据( 数字图 像音频和视频等) 中具有可鉴别性的数字信号或模式它不需要新的存储格式，也不影 响宿主数据的可用性。水印信号可以是图像、文字、符号、数字等一切可以作为标记、标 识的信息，人们无法从表面上感知水印，只有用专用的检测器或相应软件才能检测出隐藏 的永印信息由此可以确认版权的拥有者、认证多媒体来源的真实性识别购买者、提供 关于数字内容的其他附加信息、确认所有权认证和跟踪侵权行为等它在篡改鉴定、数据 跟踪和查询、电子商务，视频广播和网络付费服务等方面都具有十分广阔的应用前景 数字水印涉及了信息论，密码学通信、信号处理、图形图像学，模式识别，数学和 计算机科学等不同领域的思想和理论，使得水印算法层出不穷，生机勃勃数字水印技术 被认为是解决数字媒体安全问题的最有效和最具潜力的技术对边缘交叉学科的深入发展 也启到一定的推动作用。因此，开展对数字水印的研究，不但具有重要的学术意义，更对 促进信息产业规范化的健康发展有着深远的现实价值。 上海师范大学硕士学住论文：多功能敷字水印技术的研究与实现 有关数字作品版权法律公证的研究是近几年兴起的一项交叉和边缘的研究领域。它要 求将数字作品版权技术与法律有机地结合在一起，既在技术上保护数字作品的版权，同时 要求法律上也有相关的版权制度作为支持。当发生版权纠纷时。使用技术手段可以提供有 效的法律凭证，从而解决数字作品所有权的法律公证问题目前进行数字作品版权保护可 和用的技术手段主要有密码技术、数字水印和数字指纹，其中数字水印和数字指纹都属于 信息隐藏中的版权标记技术水印的现实应用功能非常多，最常用的归纳起来主要有以下 几类：确认数据的版权信息；检查数据是否被篡改；跟踪用户 确认数据的版权信息主要是对原刨者或版权所有者的一种技术保护。传递数字版权信 息的同时更是对版权持有者权利主张的一种必要的声明与保护水印内容一般为能代表版 权所有者身份的标记( 图像、文字，符号，数字等) 。对于水印呈现的性质要求其不可见， 以及有较强的鲁棒性，不仅可抵抗正棠编辑类攻击还可抵抗恶意性攻击 检查数据的完整性是指对媒体的真实性进行评估。对不法分子的恶意篡改有所警示， 同时也保证了用户的合法利益。避免了交易双方不必要的矛盾。水印内容一般为与媒体自 身特征数据有关的信息，可以没有十分具体的现实意义但可辅助算法完成完整性的检测。 大部分媒体数据对该类水印的特殊要求是对于正常的编辑类攻击必须有一定的抵抗能力。 跟踪用户的唯一解决方案是在媒体数据中嵌入用户的唯一信息，无论复制、剪切或非 线性处理都无法将用户的信息抹去在不关联硬件或系统程序的情况下水印仅能对用户进 行追踪，并不能完全阻止非法的盗版或篡改行为但为了实现跟踪用户的功能，嵌入的水 印多为数字或符号，并唯一对应用户信息。嵌入的水印信息提取时必须达到1 0 0 恢复， 否则无法正确对应所跟踪的用户，因此，较以上两种水印而言，这类水印的鲁棒性最强 随着媒体交易的日益频繁，综合功能的水印需求越来越大在媒体数据交易、交换的 过程中，无论是版权持有者还是使用者都希望能保护自身的利益价值。为了多媒体交换， 交易市场有序及安全地操作，水印保护技术应建立在满足双方合法利益的基础上，设计定 位在功能丰富，嵌入允许复杂、提取必须简易的立足点上因此多功能数字水印技术的研 究对于真正的交换、交易市场而言具有深远的意义。 q 2 本文研究内容 有关数字作品版权的法律公证研究是近几年兴起的一项交叉边缘学科g l e b n a u n o v i c h ，等人曾指出埘，数字作品舨权保护系统设计中有一个原则：在任何情况下都不 能允许用户获得真正的原始致字作品。但对一件数字作品，无论它是文章、图片还是音乐， 都必须被用户所使甩才能够体现出其价值，舨权保护系统仍然要保证用户对数字作品的正 常使用。数字水印技术恰巧符合上述特性，它是通过一定的算法将一些标志性信息直接嵌 2 上海师范大学项士学位论文：多功能数字水印技术的研究与实现 入数字作品中但不影响原内容的价值和使用，并且不会被人感知或注意到 数字水印可以应用于：确认数据的版权来源；检查数据是否被篡改：跟踪用户本文 希望提出一种多功能数字水印的技术，结合奇异值分解及r s 纠错编码理论完成水印嵌入 功能，完善数字作品版权保护的安全力度与鲁棒性，同时嵌入用户信息。达到用户跟踪的 目的：针对j p f 论2 0 0 0 的压缩特性，设计出能抵抗1 p e ( 3 2 0 0 0 压缩的半脆弱水印，并且能 对篡改的位置进行定位；将两者有机地结合，成为具有版权保护、用户跟踪和完整性认证 的多功能数字水印技术，在提高水印安全性的同时，开拓版权保护更广泛的应用领域。其 功能示意国如下： 图l l 多功陡水印功能模型 本文研究的多功能数字水印可用于实现数字多媒体作品交易中对版权的监督与保护， 主要包含版权保护、用户跟踪和内容完整性认证三大功能。 用户端处水印可| ；上完成完整性认证与版权认证两大功能，完整性认证保护了用户应获 得的商品利益，版权认证则保证了商家与用户之间达成共识后的不可否认性 图中r r p 为第三信任方f r n i s b 。dt h i r dp a r t y ，1 r p ) ，这一概念曾出现在许多数字签名 或公钥体系中，在数字水印领域同样可以存在这样的机构具体的r r p 一般是一个认证 中心机构( c c 而五c a 缸鲫a u t h o r i t y , c a ) ，主要负责处理双方的版权纠纷与责任入认证，此 处水印将完成用户跟踪与版权认证两大功能。认证中心端的版权认证往往会遇到被恶意破 坏后的水印提取，因此c a 端的版权认证应具有更强的鲁棒要求 具体的研究内容包括： 一、版权保护及用户跟踪水印 版权保护及用户跟踪所用到的水印属鲁棒水印技术。而版权保护涉及到客户端与认证 中心的两重认证。 客户端的版权认证是为了向用户展示媒体作品的版权信息，体现作品版权的真实 性 上海师范大学项士学位论文：多功能数字水印技术的研究与实现 认证中心的版权认证则是在产生版权纠纷时，作为法律公证的手段之一。 可见这两者对版权水印的鲁棒性有所不同，用于认证中心的版权水印应具有更强的鲁 棒性以抵抗可能存在的恶意攻击。针对这一方面，作者充分地利用7r s 纠锚码的特性， 将用于客户端和认证中心的版权水印合二为一，通过修改奇异值的途径解决了不可见性的 性能要求。提取时则可根据需求分开提取。达到嵌入一个水印拥有多重功能的技术 对用于跟踪用户的用户信息水印，作者创新性地提出了一种分组嵌入的方法，大大提 高了水印的鲁棒性，做到了一般攻击下百分之百提取，同时对该算法进行了详细的性能分 析和算法仿真。采用了包括剪切、添加噤声、压缩等多种攻击性试验，验证了水印的鲁棒 性能。 二完整性验证水印 完整性验证水印采用脆弱水印技术提出了可抵抗j p f l 0 2 0 0 0 的半脆弱水印算法。该 算法对i p f 0 2 0 0 0 的压缩技术进行了深入研究，试探性地提出了抵抗低压缩比的半脆弱水 印。并且通过修改像素值，使像素郐域相关的方法达到攻击检测及定位的功能。通过仿真 及半脆弱性试验，该算法不但能有效抵抗i p f _ n 2 0 0 0 的低压缩攻击，检测恶意篡改并能定 位篡改发生区域。 三、多功能水印 将以上多种功能性水印融于一幅图像中，在小波域进行的嵌入过程如图l - 2 ，再次进 行攻击试验，力求蒋水印与水印之间的楣互影响减到最小，附上各种实验的数据，图表等 锝出最终的性能参数。 1 3 全文组织结构 i 权水印及用户 跟踪水印嵌入 东印_ j 图i 2 多功能数字水印嵌入过程 本文提出一种多功能的数字水印技术包含版权保护、内容完整性验证及用户跟踪等 功能，先对各种功能分开分析及性能验证，再将所有功能性水印融合在一起，与分开时进 行比较和研究。 第一章为绪论。介绍课题研究的背景意义，特别是针对多功能数字水印研究的深远意 义。 第二章介绍数字水印技术的一些基本概念，数字水印模型和一些通用的水印算法，阐 上海师范大学硕士学住论文：多功能数字水印技术的研究与实现 述了数字水印技术的发展历程和研究现状，最后介绍了数字水印的典型应用及其研究意 义 第三章详细介绍了用于舨权保护和用户跟踪的鲁棒性水印技术重点分析了奇异值分 解和r s 纠错编码的基本理论和性能特性，提出了一种基于r s 纠错码的双重使用场景水 印技术用于满足版权认证的多场合需求。另外还提出了一种分组嵌入的高鲁棒性数字水印 技术，用于达到用户跟踪的功能 第四章详细介绍了用于内容完整性认证的半脆弱数字水印技术重点分析了 j p e g 2 0 0 0 的压缩技术，提出了一种图像像素自相关的半脆弱数字水印算法 第五章介绍了将上述功能性水印融为一体的考虑过程，形成了一种多功能数字水印技 术 第六章对硕士研究生阶段的工作做了总结，并对数字水印技术的发展和各镊域中的应 用前景进行了展望 上海师范走学硕士擘位论文：多功能敷字水印技术的研究与实现 2 1前言 第二章数字水印技术及其研究现状 信息数字化的迅猛发展为信息的存取提供了极大的便利性。特别是随着计算机网络通 讯技术的发展数据的交换和传输变成了非常容易的过程，人们可以方便，迅速地将数字 信息传输到所期望的地方。随之而来的副作用是这些数字形式的数据文件或作品同样也十 分容易被恶意的个人和团体在没有得到作品所有者的许可下拷贝和传播有版权的内容这 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，目前，数字媒体的信息安全，知识产权保护和认证问题变得日益 突出，且已成为数字世界中一个非常重要和紧迫的议题 密码技术是信息安全技术领域的主要传统技术之一，它是基于香农信息理论及密码 学理论的技术。现有的数字内容保护技术多采用加密的方法来完成但密码学只能保护传 输中的内容，而内容一旦解密就不再有保护作用了因此，迫切需要一种替代技术或是对 密码学进行补充的技术，它应该甚至在内容被解密后也能够继续保护内容于是，人们提 出了新兴的信息隐藏的概念数字水印。数字水印技术是目前信息安全技术领域的一个 新方向，是一种可以在开放网络环境下保护版权和认证来源及完整往的新型技术，创作者 的创作信息和个人标志通过数字水印系统以人所不可感知的水印形式嵌入在多媒体中，人 们无法从表面上感知水印，只有专用的检测器或计算机软件才可以检测出隐藏的数字水 印 在多媒体中加入数字水印可以确立版权所有者、认证多媒体来源的真实性、识别购买 者、提供关于数字内容的其它附加信息、确认所有权认证和跟踪侵权行为它在篡改鉴定、 数据的分级访问、数据跟踪和检测、商业和视频广播、l n l m n c t 数字媒体的服务付费、电 子商务认证鉴定等方面具有十分广阔的应用前景。自1 9 9 3 年以来，该技术已经引起工业 界的浓厚兴趣，并日益成为国际上非常活跃的研究领域 由于数字水印技术在信息安全和经济上的重要地位发展较为迅速，世界各国的科研 机构、大学和商业集团都积极的参与或投资支持此方面的研究全球五大唱片公司：博得 曼、百代、索尼、环字和华纳也联合宣布与i b m 合作，联合开发一个在因特同方便、快 速、安全发布数字视听产品的实验系统我国学术界也紧跟世界水印技术发展的脚步，相 关学术领域的研究与世界水平相差不远，而且有自己独特的研究思路我国水印技术的研 究集中在水印的强鲁棒性方面，使用扩展频谱、纠错编码、可视密码学、混沌理论、信号 处理、频谱分析等理论和工具提高水印的鲁棒性水印的载体则从静止图像扩展到图形、 6 上海师范大擎项士学位论文：多功能数字术印技术的研究与实现 m p e g 2 、m p e g - 4 视频、音频、数字地图、数据库等但就研究成果来说。尚未形成一 个完整的理论知识体系，而且还没有成熟的商品化的软件推出，在实际领域中的应用还十 分有限 2 2 数字水印技术的发展历程及现状分析 数字水印由密码术和信息隐藏演变而来，它是基于香农信息理论及密码学理论的技 术。即首先将多媒体数据文件加密成密文后发布，使得其在传递过程中出现的非法攻击者 无法从密文获取机要信息，从而达到版权保护和信息安全的目的但这并不能完全解决闯 题：一方面加密后的文件因其不可理解性而妨碍多媒体信息的传播；另一方面多媒体信息 经过加密后容易引起攻击者的好奇和注意。并有被破解的可能性，而且当信息被接收并进 行解密后，所有加密的文档就与普通文档一样，将不再受到保护，无法幸免于盗版因此， 迫切需要一种替代技术或是对密码学进行补充的技术，它应该甚至在内容被解密后也能够 继续保护内容。在这种技术背景下，数字水印的概念就应运而生了它成为了新兴的信息 隐藏的概念。 第一个类似数字承印的技术实例出现在1 9 5 4 年，m u z a k 公司的e m i lh e m b r o o k e 为带 水印的音乐作品申请了一项专利0 1 美国专利局对该项发明的描述是t 此发明对音乐原作 进行确证，制定出了一个防止盗版的有效途径，这也可以比做纸币中的水印。尽管如此， 直到2 0 世纪9 0 年代初期术语。数字水印”才真正流行起来1 9 9 6 年5 月，第一届国际 信息隐藏学术研讨会在英国剑桥牛顿研究所召开l 舢美国a d o b es y s t e m 公司首先在图像 处理软件 a d o b e p h o t o s h o p 4 o 中。采用美国d i g i m a r c 公司的技术加入了数字水印模 块。起到版权保护的功能i s 全球五大唱片公司：博得曼、百代、索尼、环字和华纳也联 合宣布与m m 合作，联合开发一个在因特网方便、快速、安全发布数字视昕产品的实验 系统。步入2 i 世纪，d i g i m a r c 公司又宣布与图形艺术的业界团体p r i n t i n gi n d u s t r i e so f a m e r i c a ( p t a ) 就电子水印技术联手合作，在打印机中使用d i g i m a r c 的。m e d i a b r i d g e ”电 子水印技术 我国学术界也紧跟世界水印技术发展的脚步，一批有实力的科研机构相继投入到这一 领域的研究中来。其中比较有代表性的有哈尔滨工业大学的孙圣和、牛夏牧1 6 1 、陆哲明等， 天津大学的张春田阴、苏育挺等，北京邮电大学的杨义先、钮心忻l g l 等。中国科学院自动 化研究所的刘瑞祯、谭铁牛等，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2 0 0 3 年9 月北京邮电大学提出了。数字水印应用系统”唧从目前的研究发展 来看我国相关学术领域的研究与世界水平相差不远。而且有自己独特的研究思路我国 的水印技术善于挖掘成熟的数据分析、扩频编码等基础理论知识，形成鲁棒性较强的水印 7 上海师范大季硕士学位论文：多功毙数字水印技术的研究与实现 算法。同时在应用方面并不局限于电子商务相关的版权保护范围，如遥感水印、文档水印、 医学成像水印等都是我国目前正兴起的研究领域。但总的来说，数字水印技术仍属于新兴 科技，相应的理论体系和应用软件。同计算机其他应用技术如数据库、网页开发等相比还 很不成熟技术上的不成熟导致了市场运作价值链的不完整，目前，国内在市场舆论导向 与数字水印技术方面都在做进一步努力。力争创造一个有序、安全的版权使用、交易市场 2 3 数字水印的概念、分类和基本特点 目前虽有许多文献讨论有关数字水印技术的问题，但数字水印始终没有一个明确统一 的定义c o x 等把水印定义为。不可感知地在作品中嵌入信息的操作行为” 1 0 l ；杨义先 等认为。数字水印是永久镶嵌在其它数据( 宿主数据) 中具有鉴别性的数字信号或模式， 而且并不影响宿主数据的可用性。o i l 水印的定义随着水印的多方向多功麓地发展而不 断丰富从功能性的角度看鼗字水印技术是种信息隐藏技术，它的基本思怨是在数字图 像、音频和视频等数字产品中嵌入秘密信息，以便包含数字产品的版权、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 j 2 - 1 4 1 不同的应用对数字水印的要求不尽相同。一般认为数字承印应具有如下特点： 可证明性：水印应能为受到版权保护的信息产品的归属提供完全可靠的证据。水印 算法能够将所有者的有关信息( 如用户信息代号、产品标志或有意义的图像等) 嵌入到被 保护的对象中，并在需要的时候将这些信息提取出来。水印可以用来判别对象是否受到保 护，并能够监视被保护数据的传播，真伪鉴别以及非法拷贝控制等。这实际上也是发展水 印技术的基本动力。 不可感知性：不可感知性是指视觉或听觉上的不可感知性，即指因嵌入水印导致载 体数据的变换对于观察者的视觉或听觉系统来讲应该是不可察觉的，缀理想的情况是水印 与原始载体在视觉上是一模一样的，这是绝大多数水印算法所应达到的要求 鲁棒性( 或稳健性) ：鲁棒性是指水印应该能够承受大量的物理和几何失真，包括 有意的( 如恶意攻击) 或无意的( 如图像压缩、滤波、打印、扫描与复印、噪声污染、尺 寸变换等等) 。显然在经过这些操作后，鲁棒的水印算法应仍能从水印载体中提取出嵌入 的水印或证明水印的存在。一个鲁棒的水印应做到若攻击者试图删除水印将会导致水印载 体的彻底破坏。 由于水印特性的要求对应用的依赖型很强，恰当的评价准则和具体的应用有关。许多 文献中讨论的数字水印可能不具备上述特点，或者只具备部分上述特点根据以上性质的 不同角度，随着数字水印技术的发展，水印算法的分类方法繁多： 按水印发展来看，可分为第一代水印和第二代水印； l 上海师范大学硕士学位论文：多功能数字水印技术的研究与实现 按嵌入的水印信号形式来分，可以分为一维水印和多维水印； 按嵌入方法可以分为可逆水印和不可逆水印： 按水印检测方法，可以分为盲水印和非盲水印； 按鲁棒性来分，可分为脆弱水印、半脆弱水印和鲁棒水印； 从外观上分类可分为可见水印和不可见水印； 按载体分类，可分为图像水印、视频水印、音频水印和文档水印； 从水印的嵌入域来分，可分为空问域水印、变换域水印。 下面就作者研究生期间主要研究的技术方向作常用算法的描述静止图像是二维数 组，介于声音与视频之问，对该类水印的研究具有一定的承上启下作用，对两类载体都具 有一定的借鉴意义。因此，攻读硕士学位期间，作者主要对鲁棒数字图像水印技术，脆弱 数字图像水印技术和多功能数字图像水印技术领域进行了大量研究与分析 2 4 鲁棒数字图像水印技术 嵌入图像中的水印具有较强的鲁棒性也就是对大量物理和几何失真攻击都具有适当 的不变性该类水印主要应用在所有权保护、所有者识别和交易跟踪等领域 设，为原始宿主信号，在此指图像，为水印信息使用一个密钥，通过某种运算 在宿主信号，中叠加水印信号，得到水印嵌入后信号，这个过程可以表示为 ，；，o ，这里0 表示某种运算，可以为简单的代数加法也可以是复杂的非线性运算等。 水印嵌入后信号j r 会受到许多有意的或是无意的攻击，这里不妨假设攻击所带来的失真为 信号e ，则攻击之后的信号r = ，7 $ e 这里可以用图2 - 1 来表示水印的嵌入和检测处理 过程 w w + 图2 i 鲁棒水印的添加与检测过程 在重要的国际期刊上发表的典型鲁棒水印技术有空域、变换域、压缩域算法；另外还 有自适应数字图像水印技术和抗攻击类数字图像水印技术。 空域算法是指将水印信息直接嵌入到多媒体原始载体的数据中，即在媒体信号空问域 上实现水印嵌入。该类算法中典型的水印算法i t s - l7 i 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 ：l e a s ts i g n i f i c a n tb i t s ) 上，这可保证嵌入的水印是不可见的。 9 上海师范大学硕士学位论文：多功能数字水印技术的研究与实现 但是由于使用了图像不重要的像素位，算法的鲁棒性差，水印信息很容易为滤波、图像量 化、几何变形的操作破坏。p a t c h l o r k 算法方法是随机选择对像素点( 4 ，蜀) 然后将 每个4 点的亮度值加1 ，每个旦点的亮度值减1 ，这样整个图像的平均亮度保持不变适 当地调整参数p a t c h w o r k ) 嗽对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。然后对每一个图像 块进行嵌入操作。 变换域算法是指将水印信息嵌入到原始载体变换域系数中该类算法中，大部分水印 算法采用了扩展频谱通信( 删s p e c i m l n l c o m m u n i c a t i o n ) 技术变换域算法主要有：离散 余弦变换( d c t ) n ”、离散小波变换( d w t ) i 蝴i 、离散傅立叶变换( d f 州2 韧等d c t 算法实现过程为：先计算图像的离数余弦变换，然后将水印叠加到d c t 域中幅值最大的 前t 系数上( 不包括直流分量) ，通常为图像的低频分量。然后用新的系数傲反变换得到 水印图像，7 。检测过程则分别计算原始图像，和水印图像，的离散余弦变换，并提取嵌入 的水印7 ，再做相关检验以确定水印的存在与否该方法即使当水印图像经过一些通用 的几何变形和信号处理操作而产生比较明显的变形后仍然能够提取出一个可信赖的水印 拷贝变换域葬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， 很适合于数字作品版权保护的数字水印技术中。 压缩域算法广义上是指充分考虑j p b g 【瑚、m p e g 和v q 【冽技术的结构和特性，将水 印嵌入到压缩过程的变量值域中，以提高对应压缩技术或压缩标准攻击的鲁棒性为目标的 嵌入算法狭义上是指嵌入到j e p g 位流，m p e g 位流和v q 索引流中。文献1 3 0 l 对脚 和j p e g 2 0 0 0 环境下的数字水印作了比较研究，已有大量的实验表明这两种标准在各种情 况下的性能，j p e 0 2 0 0 0 标准下的数字水印有很大的应用前景这些算法可基于主流压缩 标准的压缩域数字水印系统不仅节省了完全解码和重新解码的过程，在水印检测与提取也 可奁接在压缩域数据中进行，在数字电视广播中有很大的实用价值1 1 1 2 5 脆弱数字图像水印技术 脆弱数字水印除了具有永印的基本特征外还应能够准确地检测篡改并根据不同场合 具有不同的鲁棒性。基本要求如下 1 ) 检测篡改。脆弱水印最基本的功能就是能可靠地检测篡改，而且理想的情况是能 够提供修改或破坏量的多少和位置，甚至能够分析篡改的类型并对篡改的内容进行恢复。 2 ) 水印的盲提取在一些应用背景下。如可信赖数码相机，为保证照片的真实性， 需要在拍摄成像时自动嵌入水印，此时原数据无法得到。 上海师范大学项士学位论文：多功能数字水印技术的研究与实现 3 ) 鲁棒脆弱性水印的鲁棒性与脆弱性随应用场合的不同而不同如果用于版权 保护，希望水印足够鲁棒，能承受大量的、不同的物理和几何失真，包括有意或无意的， 若攻击者试图删除水印将导致多媒体产品的彻底的破坏而在进行图像的内容篡改鉴别 时，则希望水印是在满足一定鲁棒性条件下的脆弱水印譬如在许多应用场合，图像压缩 就属于容许篡改，要求水印能够抵抗一定的压缩下检测出恶意篡改。 4 ) 不可见性同鲁棒水印一样在一般情况下，脆弱数字水印也是不可见的 5 ) 水印安全和密码一般来讲，一个脆弱水印系统的算法是公开的，这样水印的安 全性依赖于密钥，因此密钥空间应足够大 脆弱水印的添加与检测过程如图2 - 2 ( 符号及标记同图2 1 ) 1 w 一吨母堂吨母幽吨丑三圈完一黼一 f 参照黑始术印w l 圈2 - 2 脆弱水印的添加与检测过程 脆弱水印的嵌入与一般鲁棒水印的嵌入在原理上是基本相同的，从数字信号处理的较 多可看作是对原始图像的调制过程。但由于脆弱水印要检测出篡改并定位，因此水印应与 图像的特征融合在一起后嵌入到图像中。在脆弱水印的嵌入过程中首先根据要进行真伪 鉴别的层次对原始图像进行特征提取，为保证水印的定位功能与安全性，需要将原始水印 与提取的特征及密钥进行相应的嵌入运算得到实际要嵌入的内容，以此提取原始图像中的 特征，从而得到含水印的图像水印提取时首先对待检测图像进行特征提取。然后根据相 同的密钥通过水印提取运算得出水印，为对篡改的内容有较好的定位。有时还需与原始水 印进行比较。 常用的脆弱水印算法也可分为空域、变换域和压缩域；另外还有自嵌入水印【| 1 1 和图 像可视内容的鉴别水印p 2 j 等。 空间域方法是基于l s b 的方法。即在图像最低有效位平面嵌入水印这种仅修改图 像最低有效位的方法对噪声非常敏感，不能容忍对图像的任何修改，常用于完全脆弱水印 文献i 竹1 描述了一种脆弱水印技术。对图像的七位最高有效位及尺寸通过密码学中的h a s h 函数运算获得原始图像的某些特征，该特征与一有意义的二值水印图像经过异或操作并经 公开密钥算法加密后嵌入到图像最低有效位当图像内容受到怀疑时，首先将图像的七个 最高有效位与图像尺寸经过h a s h 运算后得到某些特征，然后将图像最低有效位公开解密 上海师范大学项士学位论文：多功能敷字水印技术的研究与实现 的结果与该特征进行异或操作，得到嵌入的水印由于嵌入的水印为有意义的二值图像 因此该算法的篡改定位可直接从提取的水印中观看出来。 变换域和压缩域的特征值容易描绘，算法容易实现，在这些域中进行的半脆弱水印技 术多用于抵抗有损压缩i 州变换域和压缩域方法突出的优点就是能够较好地与现有压缩 标准结合起来，在容许一定压缩比的情况下检测出发生的篡改并定位但由于嵌入水印量 比较有限。对篡改的定位一般是8 x 8 大小的块，不如空域水印定位那么耩准 2 6 多功能水印常用算法 目前，在某一数字产品仅仅嵌入一种水印已经不能满足人们的要求，在很多情况下人 们需要的是多功能的水印，从而能达到不同目的，满足多方面需求其嵌入的方式方法在 考虑单一嵌入优缺点的同时还要把它们有机的结合起来，有时不得不牺牲某种水印的优点 以谋求整体的最佳，所以说多功能数字水印决不是简单的两个或几个不同性质水印加入， 而是在综合考虑整个系统的最佳。多功能水印技术模型如图2 3 圈2 - 3 多功能数字水印的添加与检测过程 按照水印的嵌入的方式方法不同可以大致分为：交换域、空域结合变换域、v q 域等。 近年来的多功能水印文献大都集中在变换域。主要通过修改载体的变换域系数来实现 水印的嵌入过程。在变换域水印嵌入算法的主要优点是：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。文献中已有的各种变换域数字水印 技术，主要包括离散余弦变换d c r ) 域、离散小波变换( 1 ) w - r ) 域、离散傅立叶变换( d f t ) ， 离散分数傅立叶变换域、哈德码变换域、f r e s n e l 变换域、矢量变换域、k l t 变换域、c r a l 拼 变换域、z e m i k e 变换域等其中，d c t 域、d w t 域和d f t 域比较常见如文献【 1 中提 出了一种可以同时实现版权保护和内容认证的水印算法 空域算法相对简单，运算速度侠，早期的水印研究基本上是基于空域的。空域算法在 鲁棒性上不如变