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基于编码与嵌入联合优化的大容量 鲁棒水印算法研究 专业：通信与信息系统 姓名：黄梅莹 导师：倪江群教授 摘要 近几年，致力于寻求保真度和鲁棒性的最佳权衡点，有关人士相继提出了 基于载体信息的编码( i n f o r m e dc o d i n g ) 与基于载体信息的嵌入( i n f o r m e d e m b e d d i n g ) 的一些数字水印算法。基于载体信息的编码，就是在编码过程中， 对于要嵌入的信息，利用载体信息在几个可选码向量中进行选择，找到在嵌入 过程中引起作品失真最小的那个码向量。基于载体信息的嵌入，就是在嵌入过 程中利用载体信息对水印模板进行调整，以获得保真度与鲁棒性的最优折衷。 这些算法，存在有算法复杂度较高，容量不够大等问题。 本文采用向量h m m 来为小波系数建模，并基于此发展了基于小波域向量 h m m 的水印嵌入和检测算法。在检测器的设计上，针对在采用了基于载体信 息的嵌入策略之后接收端无法获知嵌入强度的问题，提出了局部最优假设检验 l o t 检测器。基于l o t 检测器，定义了鲁棒性测度，并设计了结构化的脏纸 编码。仿照w a t s o n 构造d c t 域的视觉模型的原则构造了小波域的w a t s o n 视 觉模型，并将它用于定义水印嵌入所引起的失真。结合l o t 检测器非线性的特 点，对基于载体信息的编码和基于载体信息的嵌入进行了联合优化。在嵌入过 程中，为更好地优化鲁棒性和不可见性之问的矛盾约束，引入了具有良好全局 优化能力的遗传算法( g a ) ，以此获得最优嵌入强度系数。 大量的实验仿真表明本文提出的水印算法能在达到1 6 4 比特象素的嵌入 容量的同时，大幅度提升了抵抗j p e g 压缩攻击、数值标量( v a l u e m e t r i c ) 攻 中山人学硕士论文第1 页 击、低通滤波攻击等方面的性能，显示了良好的鲁棒性。 关键词：数字水印，大容量，鲁棒，遗传算法，基于载体信息的编码、基于载 体信息的嵌入 中山_ = 学颂j ：论文第1 i 负 ar o b u s ta n dh i g hc a p a c i t yw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m w i t hj o i n tc o d i n ga n d e m b e d d i n go p t i m i z a t i o n m a j o r ：c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m n a m e ：h u a n gm e i y i n g s u p e r v i s o r p r o f n ij i a n g q u n a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，s e v e r a lw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m si m p l e m e n t i n gi n f o r m e d c o d i n ga n di n f o r m e de m b e d d i n gh a v eb e e nd e s i g n e d i ni n f o r m e dc o d i n g , t h e c o d e w o r du s e dt or e p r e s 豇l tam e s s a g ei sd e p e n d e n to nt h ew o r ki nw h i c ht h e m e s s a g ew i l lb ee m b e d d e d i ni n f o r m e de m b e d d i n g t h ee m b e d d i n gp r o c e s st a i l o r s e a c hw a t e r m a r kp a t t e r na c c o r d i n gt ot h ec o v e rw o r k , a t t e m p t i n gt oa t t a i na no p t i m a l t r a d e - o f f b e t w e e ne s t i m a t e so f p e r c e p t u a lf i d e l i t ya n dr o b u s t n e s s t od a t e , t h es t u d i e s o f i n f o r m e dc o d i n ga n de m b e d d i n gh a v eb e e nl i m i t e dt ow a t e r m a r k sw i t hv e r ys m a l l d a t a p a y l o a d s f u r t h e r m o r e , m o s t o f t h e m e t h o d sa r e o f c o m p l e x i t y i nt h i sp a p e r , b a s e do nv e c t o rh m mi nw a v e l e td o m a i nw ed e v e l o pa n a l g o r i t h mf o re m b e d d i n go f r o b u s ti m a g ew a t e r m a r k sw i t hl a r g ed a t ap a y l o a d su s i n g i n f o r m e de m b e d d i n ga n dc o d i n gt e c h n i q u e s ad e t e c t o rb a s e do nl o c a l l yo p t i m u m t e s t ( l o t ) i sp r o p o s e dt or e s o l v et h ep r o b l e mt h a tt h er e c e i v e rh a s n ok n o w l e d g eo f t h es t r e n g t hf o ri n f o r m e de m b e d d i n g b yu s e do ft h el o td e t e c t o r , am e t h o dt o m e a s u r et h er o b u s t n e s si sd e f i n e da n dak i n do fs t r u c t u r a ld i r t yp a p e rc o d e si s d e s i r e d t h e nw a t s o n sp e r c e p t u a ld i s t a n c em e a s u r ei nw a v e l e td o m a i n i sp r e s e n t e d a n di t sa p p h e dt oe s t i m a t et h ep e r c e p t u a lf i d e l i t y c o m b i n e dw i t ht h en o n - l i n e a r c h a r a c t e r i s t i co fl o td e t e c t o r , aj o i n ti n f o r m e dc o d i n ga n di n f o r m e de m b e d d i n gt o d e s i g nar o b u s th i g hc a p a c i t yw a t e r m a r ki sd e v e l o p e d i ne m b e d d i n gp r o c e s s ，t h e s t r e n g t hf o ri n f o r m e de m b e d d i n gi so p t i m i z e db yu s e do fg e n e t i ca l g o r i t h m ( o a ) ， 中山犬学硕。i ：论文第1 i i 页 a t t e m p t i n gt oa t t a i l l 锄o p t i m a lt r a d e - o f f b e t w e e ne s t i m a t e so f p e r c e p t u a lf i d e l i t ya n d r o b u s t n e s s e x p e r i m e n t a l r e s u l t sd e m o n s t r a t et h ew a t e r m a r k sw i t h c a p a c i t yo f 1 6 4 ( b i t p i x e l s ) ，a r er o b u s tt oj p e gc o m p r e s s i o n , v a l u e - m e t r i cd i s t o r t i o n , a n dl o w - p a s s f i l t e r i n g k e y w o r d s ：w a t e r m a r k i n g , h i g h - c a p a c i t y , r o b u s t , g e n e t i ca l g o r i t h m , i n f o r m e d c o d i n g , i n f o r m e de m b e d d i n g 中山人学硕j ：论文第1 v 贞 第l 章绪论 i i 引言 第1 章绪论 随着因特网技术与多媒体技术的迅猛发展，数字化信息可以在网络上方便、 快捷地传输。多媒体通信逐渐成为人们之间信息交流的重要手段。人们可以通过 网络传播、拷贝、存储和处理图像、音频、视频和文本等多媒体信息。随之而来 的副作用是这些数字形式的数据文件或作品使有恶意的个人和团体有可能在没 有得到作品所有者的许可下拷贝和传播有版权的内容，例如，现代盗版者仅需轻 点几下鼠标就可以获得与原版一样的复制品，并以此获取暴利；而一些具有特殊 意义的信息，如涉及司法诉讼、政府机要等信息，则会遭到恶意攻击和篡改伪造 等等。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r 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，它是基于香农信息论及 密码学理论的技术，现有的数字内容的保护多采用加密的方法来完成，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 决问题：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。换言之，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，数字媒体内容便可以随意的被拷贝、传播，它给媒体 内容制造商造成了巨大损失，从而制约着数字多媒体应用的进行。数字东印作为 一项很有潜力的解决手段，最近几年成为了商业界和学术界共同关注的焦点。 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性的新型技术，创作者的创作信息和个人标 中山人学硕：j ：论文第l 页 第1 章绪论 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、i n t e m e 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。 迄今为止，数字水印的研究已经取得了一定的成果，但远还未完善。九十年 代中期，采用通信理论模型，将原始图像和有意无意的攻击看作噪声，特别是将 扩频通信理论引入后，水印系统的鲁棒性大大提高，随后相关人士还提出了结合 感知模型、自适应的鲁棒水印算法。1 9 9 9 年，c o x 等【1 3 】研究表明，若把用于水 印嵌入的原始载体作品当作为嵌入端所知的边信息，则数字水印可以看作是嵌入 端携带边信息( i n f o r m e d ) 的通信问题。基于这一研究结果，c h o n 掣 5 】相继提出了 基于载体信息的编码( i n f o r m e dc o d i n g ) 与嵌入( i n f o r m e de r a b e d d i n g ) 的水印算法。 基于载体信息的编码，就是在编码过程中，对于要嵌入的信息，利用载体信息在 几个可选码向量中进行选择，找到在嵌入过程中引起作品失真最小的那个码向 量。基于载体信息的嵌入，就是在嵌入过程中利用载体信息对水印模板进行调整， 以获得保真度与鲁棒性的最优折衷。 c h e n 等【2 卅在编码阶段引入基于载体信息的编码，设计出了较大容量的数字 水印算法。但是这些算法并没有很好的对鲁棒性和保真度进行评估，也就是说， 在嵌入阶段并没有采用到基于载体信息的嵌入策略。并且，这些算法大多数都基 于格形编码，在抵抗数值标量攻击方面的性能较差。针对这些问题，m i l l e r 掣州 提出了一种基于载体信息的编码和嵌入的大容量鲁棒水印算法：在编码阶段，他 们采用了一种改进的网格码，有效解决了格形码无法抵抗数值标量攻击的问题； 在嵌入阶段，他们首先基于相关检测器定义了鲁棒性的测度，然后在满足鲁棒性 约束的基础上使得嵌入水印后的图像与原始图像之间的均方误差最小，即失真度 最小。在水印的检测阶段，采用相关检测器进行检测。相对c h e n 等提出的算法， 这种算法在性能上相对有较大幅度的提升。然而这晕需要特别指出的是，m i l l e r 等提出的算法中，编码与嵌入是独立成两个阶段的。 对于采用了相关检测方式的算法来说，在编码过程中与载体相关值最大的码 中山丈学硕士论文第2 页 第1 章绪论 字必然是同等鲁棒性情况下嵌入能量最小的，即在编码阶段所选出的码字就是该 陪集中的最优的码，从而编码和嵌入可以独立为两个阶段。然而对于其它的检测 方式，编码与嵌入未必独立，只有前者选出的码字必然有利于检测才能保证独立 性。由此可知，对于脏纸编码水印技术来说，陪集的划分、脏纸代码的构造、编 码阶段对陪集中码字的选择及嵌入算法都必然和检测器有关。 事实上，对于实际的图像，相关检测器并非最优的检测器。文献【7 】利用向 量h m m 模型精确地描述了图像小波域系数间的统计特性，基于该统计模型的水 印盲检测系统( 为方便引述，这里记为d w t - h m m 检测器) 较之传统的相关检测 器，在性能上有着显著的提升。 本文也采用向量h m m 来为小波系数建模，并基于此发展了文献【7 】中基于 d w t h m m 的水印嵌入和检测算法。特别地，结合文中提出的局部最优假设检 验( ) t ) 检测器的特点，对基于载体信息的编码与基于载体信息的嵌入两个阶 段进行了联合优化。大量的实验仿真表明本文提出的水印算法能在达到1 6 4 比 特象素的嵌入容量的同时，大幅度提升抵抗j p e g 压缩、数值标量( v a l u e - m e t r i c ) 、 低通滤波等方面攻击的性能。 1 2 数字水印技术产生的背景 数字水印技术属于信息隐藏技术范畴，信息隐藏技术的历史可以追溯到人类 文明产生的时代。而数字水印d i g i t a lw a t e r m a r k s ) 技术本身却是一种较新的技 术，到目前为止不过十几年的发展历史。 最早提出数字水印的概念与方法是为了进行多媒体数据的版权保护。随着计 算机多媒体技术及网络技术的发展，文本、图像、音频、视频等信息都可以通过 数字媒体广泛地传输。多媒体数据的数字化为多媒体信息的存取提供了极大的便 利，同时也极大地提高了信息表达的效率和准确性，因而成为人们之间信息交流 的重要手段。但其暴露出的问题也十分明显：作品侵权更加容易，篡改更加方便。 如何既能充分利用因特网的便利，又能有效地保护知识产权，已受到人们的高度 重视，并成为目前的一个研究焦点。 最早用于知识产权保护的技术是密码学。在数据信息发送之前先对其进行加 中山大学硕： 论文第3 页 第1 章绪论 密，仅把密钥给予那些购买了数据的合法副本的用户。这样，经过互联网的发布， 虽然盗版者可以获得加密后的文件，但是没有正确的密钥，该文件也是无用的。 然而，通常的加密技术仅仅是预防性质的，并不能很好的解决版权保护问题。此 外，密文信息的传递也容易引起攻击者的注意，从而对信息传输的安全性造成一 定的隐患。因而，采用多种手段对数字作品进行保护、对侵权者进行惩罚已经成 为十分迫切的工作。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。 数字水印技术，作为一种新的信息隐藏技术，是用信号处理的方法在多媒体 数据中添加某些数字信息( 即数字水印) ，比如在数码相片中添加摄制者的信息， 在数字影碟中添加电影公司的信息等等。这种数字信息的嵌入，不会引起宿主媒 体主观质量下降，不易察觉，只有通过专用的检测器才能提取，并且水印具有很 强的对抗非法破解的能力。与信息加密技术相比，信息隐藏技术不会引起人们去 怀疑多媒体信息( 如图像) 中可能携带了重要的隐含信息。而传统的信息隐藏技 术和数字水印技术的主要区别在于攻击者的目的不同：信息隐藏技术的攻击者试 图揭露携带的信息；而针对数字水印的攻击者是试图去除水印来破坏版权，或是 复制被篡改后的数字产品以获得虚假的内容验证。也就是说，数字水印技术的目 的不是为了保密通信，而是为了标明载体本身的一些信息，以便保护数字产品的 版权或证明产品的真实可靠性。 1 3 数字水印国内外研究现状 自t i r k e l 在1 9 9 3 年提出了空域算法f s l 以来，数字水印研究得到了很大的发 展。从1 9 9 4 年开始，国际学术界陆续发表了有关数字水印的文章 9 - 1 4 l ，且文章 数量还在大幅度增长，几个有影响的国际会议( 例如i e e e ，s p i e 等) 及一些国 际权威学术期刊( 例如s i g n a lp r o c e s s i n g 等) 相继出版了有关数字水印技术的专 题。有关数字水印和信息隐藏的会议也增长很快。1 9 9 6 年5 月，国际第一届信 息隐藏学术讨论会( i n t e r n a t i o n a li n f o r m a t i o nh i d i n gw o r k s h o p ，i h w ) 在英国剑桥 牛顿研究所召开。到1 9 9 9 年第三届信息隐藏国际学术研讨会之时，数字水印已 成为主旋律，全部3 3 篇文章中有1 8 篇是关于数字水印的研究。1 9 9 8 年的国际 中山大学硕士论文第4 页 第1 章绪论 图像处理大会( i c i p ) 上，还开辟了两个关于数字水印的专题讨论。由m a r t i n k u t t e r 创建的w a t c r m a r k i n g w o d d 已成为一个关于数字水印的著名网上论坛。工业界也 对此表示出极大的热情，并大幅度提高了水印研究的资助程度。从而使数字水印 研究成为信号、图象处理领域中最热门的研究领域之一。 在二十世纪九十年代末期一些公司开始正式地销售水印产品。在图像水印方 面，美国的d i g i m a r c 公司【l5 】率先推出了第一个商用数字水印软件，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 l p v i s i o n 公司【1 6 1 推出的l a v e l i t 软件，能够在任何扫描的图片中隐藏若干字符， 这些字符标记可以作为原始文件出处的证明。a l p v i s i o n 的s a f e p a p c r 是专为打印 文档设计的安全产品，它将水印信息隐藏到纸的背面，以此来证明该文档的真伪。 欧洲电子产业界和有关大学协作开发了采用数字水印技术来监视复制音像软件 的监视系统，以防止数字广播业者的不正当复制的行为。 随着技术信息交流的加快和水印技术的迅速发展，国内一些研究单位也已逐 步从技术跟踪转向深入系统研究，各大研究所和高校纷纷投入数字水印的研究。 同时，国家对信息安全产业的健康发展也非常的重视。现在国内已经出现了一些 生产水印产品的公司。虽然数字水印在国内的应用还处于初级阶段，但水印公司 的创办使得数字水印技术在国内不仅仅只停留在理论研究的层面上，而是从此走 上了实用化和商业化的道路，这样会更加推动国内水印技术的蓬勃发展，为国内 的信息安全产业提供有效的、安全的保障。 1 4 数字水印的应用领域 最初提出数字水印的目的是为了保护版权，然而随着数字水印技术的发展， 人们发现了更多更广的应用，有许多是当初人们所没有预料到的。 目前，数字水印技术的应该大体可以分为版权保护、篡改提示、内容标识及 隐藏标识、拷贝控制、数字指纹和完整性认证等几个方面。 ( 1 ) 版权保护 数字水印提供了版权保护的补充证明，因为它嵌入多媒体作品中，随时向人 们提醒作品的版权所有者，是解决著作权纠纷的利器。其潜在的应用市场有：电 中山丈学硕i ：论文第5 页 第1 章绪论 子商务、在线( 或离线) 发布多媒体内容以及大规模的广播服务。 ( 2 ) 篡改提示 用于确定数字产品的内容是否被篡改、伪造或特殊处理过。其基本思想是产 品所有者能从产品中提取出水印，来检查图像等产品是否被更改。当数字产品发 布到因特网时，尤其需要这种水印处理。显然这种应用领域的水印技术必须有较 好的不可见性和脆弱性等。 ( 3 )内容标识及隐藏标识 此类应用中，嵌入的水印信息构成一个注释，提供数字产品内容的进一步信 息。数字水印可用于隐藏标识和标签，可在医学、制图、多媒体索引和基于内容 的检索等领域得到应用。 ( 4 ) 拷贝控制 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。 ( 5 ) 数字指纹 为了避免数字产品被非法复制和散发，作者可在其每个产品拷贝中分别嵌入 不同的水印，即数字指纹。如果发现了未经授权的拷贝，则通过检索指纹来追踪 其来源。在此类应用中，水印必须是不可见的，而且能抵抗恶意的擦除，伪造以 及合谋攻击等。 ( 6 ) 完整性认证 传统的基于数字签名信息的完整性认证系统一般将签名与媒体信息捆绑在 一起存储或传输，由于签名独立于媒体数据存在，这样既占用一定的存储空间或 信道带宽，又很容易被删除。而基于数字水印的认证系统则将水印内嵌于媒体信 息中，水印无需占用存储空间或信道带宽，且很难被除去；再者，数字水印技术 还可以采用双水印系统( 即脆弱水印与鲁棒水印相结合) 对数字产品进行多重目 的的保护。 数字水印技术还处于发展之中，上述几个方面也不可能包含其所有可能的应 用领域，但可以看出数字水印技术未来的应用市场将会更加广阔，毕竟，它还是 个方兴未艾的领域。 中山人学硕- ：论文第6 页 第1 章绪论 1 5 本文的主要工作 本文采用向量h m m 来为小波系数建模，并基于此发展了文献【7 】中基于 d w t - h m m 的水印嵌入和检测算法。针对采用了基于载体信息的水印策略后接 收端无法获知嵌入强度的问题，提出了局部最优假设检验( l o t ) 检测器。基于 l o t 检测器，定义了鲁棒性测度，并设计了结构化的脏纸编码。仿照w a t s o n 构 造d c t 域的视觉模型的原则构造了小波域的w a t s o n 视觉模型，并将它用于定义 水印嵌入所引起的失真。结合l o t 检测器非线性的特点，对基于载体信息的编 码和基于载体信息的嵌入进行了联合优化。在嵌入过程中，为更好地优化鲁棒性 和不可见性之间的矛盾约束，引入了具有良好全局优化能力的遗传算法( g a ) ， 以此获得最优嵌入强度系数。 大量的实验仿真表明本文提出的水印算法能在达到1 6 4 比特象素的嵌入容 量的同时，大幅度提升抵抗j p e g 压缩、数值标量( v a l u e - m e t r i c ) 、低通滤波等 攻击的性能，显示了良好的鲁棒性。 1 6 本文的组织结构 本论文基于小波域h m m 模型，对基于载体信息的编码和基于载体信息的嵌 入进行联合优化，同时引入遗传优化算法，研究和提出了大容量鲁棒水印的算法。 具体章节安排如下： 第1 章介绍了数字水印技术产生的背景、国内外的研究现状以及数字水印的 应用领域等，并介绍了本论文的主要工作及组织结构。 第2 章对数字水印技术进行了较为全面的介绍，包括水印的定义、水印的嵌 入与检测的基本过程、按照不同分类标准对水印进行的分类、水印的基本特征、 水印的常见攻击与相应对策、水印系统的性能评估及基准等。 第3 章首先介绍小波域隐马尔可夫模型的基本概念及h m m 模型参数的估 计；接着针对在采用了基于载体信息的嵌入策略之后接收端无法获知嵌入强度的 问题，提出了一种基于向量小波域隐马尔可夫模型的局部最优假设检验( l l ，t ) 检测器；最后基于l o t 检测器定义了鲁棒性测度。 中山大学颂士论文第7 页 第1 章绪论 第4 章首先介绍评价水印感知效果的方法，然后仿照w a t s o n 构造d c t 域 的视觉模型的原则构造了小波域的w a t s o n 视觉模型，最后将小波域的w a t s o n 视 觉模型用于定义水印嵌入所引起的失真。 第5 章首先基于l o t 检测器提出了本文“脏纸编码”设计方案；接着简要 描述了遗传算法( g a ) 的基本原理，给出了鲁棒性和不可见性约束下的g a 优化算 法；最后根据l o t 检测器非线性的特性，提出基于编码与嵌入联合优化的大容 量鲁棒水印算法。 最后是本文的总结及研究展望。 中山大学颂上论文第8 页 第2 章数字水印的摹本理论 第2 章数字水印的基本理论 数字水印就是指嵌入到被保护对象( 如图像、音频、视频等) 中的能够证明 其版权归属的数字信息，可以是作者的姓名、序列号、公司标志等。现在数字水 印已经成为用来解决数字多媒体版权问题和内容认证的主要工具。 本章首先描述数字水印的理论模型，然后总结数字水印的特点及分类，接着 进行数字水印的攻击分析，最后提出数字水印系统性能评估与基准测试。 2 1 数字水印的理论框架 从图像处理的角度看，嵌入水印可以视为在强背景( 原图像下) 叠加一个弱 信号( 水印) 。由于人的视觉系统( h v s ，h u m a n v i s u a ls y s t e m ) 分辨率受到一定 的限制，只要叠加信号的幅度低于h v s 的对比度门限，人眼就无法感知信号的 存在。因此，通过对原始图像做一定的调整，有可能在不改变视觉效果的情况下 嵌入一些信息。另一方面，从数字通信角度看，水印编码( 嵌入) 可以理解为一 个宽带信道( 原始图像) 上用扩频通信技术来传输一个窄带信号( 水印) 。尽管 水印信号有一定的能量，但是分布到信道中任一频率上的能量却是难以检测到 的。因此水印的译码( 检测) 也可以认为是一个有噪声信道中弱信号的检测问题。 一个数字水印方案一般包括三个基本方面：水印的生成、水印的嵌入和水印 的提取或检测。数字水印技术实际上是通过对水印载体媒质的分析、嵌入信息的 预处理、信息嵌入点的选择、嵌入方式的设计、嵌入调制的控制等几个相关技术 环节进行合理优化，寻求满足不可感知性、安全可靠性、鲁棒性等诸条件约束下 的准最优化设计问题。而作为水印信息的重要组成部分一密钥，则是每个设计 方案的一个重要特色所在。往往可以在信息预处理、嵌入点的选择和调制控制等 不同环节入手完成密钥的嵌入。 数字水印一般过程基本框架示意图如图2 1 和图2 2 所示。 中山丈学颂i 二论文第9 页 第2 章数字水印的基本理论 水印生成算法 ( g ) 原始载体作品( i ) 私钥公钥( k ) 数字水印 ( w ) 水印嵌入 算法( e ) 图2 _ 1 水印嵌入的一般过程基本框架 加入水印后 的作品( l ) 图2 1 展示了水印的嵌入过程。该系统的输入是水印信息矿、原始载体数据 ，和一个可选的私钥公钥k 。其中水印信息可以是任何形式的数据，如随机序列 或伪随机序列；字符或栅格；二值图像、灰度图像或彩色图像；3 d 图像等等。 水印生成算法g 应保证水印的唯一性、有效性、不可逆性等属性。水印信息矿可 由伪随机数发生器生成，另外基于混沌的水印生成方法也具有很好的保密特性。 密钥k 可用来加强安全性，以避免未授权的恢复和修复水印。所有的实用系统必 须使用一个密钥，有的甚至使用几个密钥的组合。 水印的嵌入算法很多，从总的来看可以分为空间域算法和变换域算法。由图 2 1 可以定义水印嵌入过程的通用公式： = e ( z ，w ，置) ( 2 1 ) 其中岛表示嵌入水印后的作品( 即水印载体作品) ，表示原始载体作品，矿表 示水印集合，k 表示密钥集合。这里密钥k 是可选项，般用于水印信号的再生。 数字水印( 原始载体作品( i ) 待检测作品( j 0 ) 私钥公钥( k ) 嚣麓h 能搿：搿 图2 _ 2水印检测的一般过程基本框架 中山大学顾。l ：论文第1 0 页 第2 章数字水印的基本理论 水印的检测算法一般是以基于统计原理的检测结果来判断水印存在与否，它 的目的是使错判与漏判的概率尽量小。 图2 2 是水印的检测过程。由图2 - 2 可以定义水印检测过程的通用公式为 有原始载体作品j 时： w = d q ( 名，x ) ( 2 2 ) 有原始水印形时： w 7 = d ( 名，w ，k ) ( 2 3 ) 没有原始信息时： w = d i ( 名，足) ( 2 - 4 ) 其中，形表示估计水印，d 为水印检测算法，名表示在传输过程中受到攻击 后的水印载体作品。检测水印的手段可以分为两种：一是在有原始信息的情况下， 可以做嵌入信号的提取或相关性验证：二是在没有原始信息情况下，必须对嵌入 信息做全搜索或分布假设检验等。如果信号为随机信号或伪随机信号，证明检测 信号是水印信号的方法一般就是做相似度检验。水印相似度检验的通用公式为： $ i m = 黑或$ i m 4 ww= 而4 w 型w 4 w 杀 ( 2 5 ) 十 7 矿 其中表示估计水印，形表示原始水印，s o n 表示不同信号的相似度。 2 2 数字水印的特点及分类 2 2 1 数字水印的特点 数字水印是永久嵌入在其它数据中具有可鉴别性的数字信息或模式，而且并 不影响到数据的可用性。通常嵌入到载体作品中的数字水印应具有以下基本特 点： ( 1 )不可感知性：经过一系列隐藏处理，不会导致目标数据可感知的失真现 象，而隐藏的数据又无法人为的看见或听见。 ( 2 )鲁棒性：在经历各种信号处理操作和恶意攻击后，数字水印仍能保持完 中山大学硕士论文第1 1 页 第2 章数字水印的摹本理造 整性或仍能被准确鉴别。所谓的信号处理操作包括：传输过程中的信道 噪声、滤波、模糊、信号增强、有损压缩、几何变换、d a 或a d 转换 等。所谓的攻击包括：篡改、伪造、去除水印等。 ( 3 )无歧义性：恢复出来的水印或水印判决的结果应该能够确定地表明所有 权，不会发生多重所有权的纠纷。 ( 4 )隐藏位置的安全性：水印信息应隐藏于目标数据的内容之中，而非头文 件等处，防止因格式变换而遭到破坏。 ( 5 )通用性：好的水印算法适用于多种文件格式和媒体格式。通用性在某种 程度上意味着易用性。 ( 6 )计算效率：水印算法的计算效率也是应考虑的因素之一。水印算法应能 用硬件或软件有效的实现。特别是水印算法的速度对分布式网络上的多 媒体数据监视来说应足够快。 2 2 2 数字水印的分类 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。它们 之间既有联系又有区别。最常见的分类方法包括以下几类： ( 1 )按水印嵌入结果划分，可分为可见水印和不可见水印。如果嵌入的水印 强度足够大，能够用肉眼直接观察到，则称之为可见水印。由于多数数 字水印的应用都具有隐形性的要求，因此对于不可见水印的研究相对较 多。若无特别说明，一般都是指不可见水印。 ( 2 )按检测过程是否需要原始作品划分，可分为盲检测水印和非盲检测水 印。在提取或检测水印过程中，如果不需要原始数据参与，可直接根据 水印数据来提取出水印信息，称为盲检测水印。一般来说，非盲检测水 印比盲检测水印具有更好的鲁棒性，但盲检测水印更符合所有权验证的 需要，实用性更强，是水印算法的发展方向。 ( 3 )按数字水印的鲁棒性特征划分，可分为鲁棒水印，脆弱水印和半脆弱水 印。脆弱水印很容易被破坏，主要应用于完整性验证等应用之中。当载 体作品发生改变时，水印信息会发生相应的改变，从而可以鉴定原始数 中山大学顾：卜论文第1 2 页 第2 章数字水印的摹奉理论 据是否被篡改。脆弱水印应对常规图象处理( 如：滤波、加噪声、替换、 压缩等) 有较强的鲁棒性，同时又要求有较强的敏感性，即：既允许一 定程度的失真，又要能将失真情况探测出来。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。鲁棒水印则应 该经得起常规处理操作而存留下来，应该范围更加广泛，主要应用于版 权保护中，是水印研究的重点。 ( 4 )按水印生成是否依赖原始作品划分，可分为自适应水印和非自适应水印 ( 独立于原始载体的水印) 。独立于原始载体的水印可以是随机产生的、 用算法生成的，也可以是事先给定的；而自适应水印是考虑原始载体的 特性而生成的水印。 ( 5 )按水印嵌入技术划分，可分为时空域水印，变换域水印和压缩域水印。 时空域水印处理是用各种各样的方法直接修改载体的时空域采样，如直 接修改像素的最低位。这类算法的鲁棒性不高，且能够嵌入的水印信息 不多，否则将能从视觉上看出来。而变换域水印处理是对原始载体进行 各种各样的变换后嵌入水印，如离散余弦变换、多进南u j 4 , 波变换，脊波 变换和曲波变换等。压缩域水印处理是指在j p e g 域、m p e g 域、v q 压缩域和分形压缩域内进行的水印处理，这类算法直接对相应的压缩攻 击具有鲁棒性。 此外有些学者还提出非线性数字水印处理( 基于混沌、分形、神经网络、遗 传算法等) ，第二代数字水印处理( 基于不变特征点) ，多功能水印处理( 同时嵌 入多种功能的水印) 等概念。 2 3 数字水印的攻击分析 所谓水印攻击分析，就是对现有的数字水印系统进行攻击，以检验其鲁棒性， 通过分析其弱点所在及其易受攻击的原因，以便在以后数字水印系统的设计中加 以改进。攻击的目的在于使相应的数字水印系统的检测工具无法j 下确地恢复水印 信号，或不能检测到水印信号的存在。这和传统密码学中的加密算法设计和密码 分析是相对应的。水印研究者认识到，对水印系统的攻击可分为以下几大类1 1 7 - 1 s j ： 中山大学硕i ：论文第1 3 页 第2 章数字水印的摹本理论 ( 1 )鲁棒性攻击，亦即信号去除攻击( r e m o v a la t t a c k s ) ，是一种直接攻击 方式，目的在于去除数据中的水印而不影响图像的使用。它对整个水印 数据进行操作，试图削弱嵌入的水印信号，而不是试图识别和分离出水 印信号。常见的操作有：压缩、滤波、模糊、噪声叠加、颜色量化、 a d 、d a 转化、打印和扫描等。 对策：在人类视觉系统特性决定的最大容许范围内，增加水印嵌入的力度， 或者采用冗余嵌入技术。这两种方法都会增加水印强度，从而抵抗鲁棒性攻击。 ( 2 ) 表示攻击( p r e s e n t a t i o na t t a c k s ) ，也称同步攻击( s y n c h r o n i z a t i o n a t t a c k s ) 。它不需要去除数字产品中的水印，它是通过破坏水印的相关 性而使水印检测器对水印的恢复变得不可能或不可实现从而达到攻击 目的。最典型的有几何攻击( g e o m e t r i c a ld i s t o r t i o n sa t t a c k ) 和马赛克 攻击( m o s a i ca t t a c k ) 。其中几何攻击即是对图像进行缩放、旋转、剪 切等几何操作；而马赛克攻击方法则是把图像分割成为许多个小图像， 然后将每个小图像放在h t m l 页面上拼凑成一个完整的图像。 对策：因为大多数水印提取算法需要知道水印的确切嵌入位置，所以同步攻 击很难防御，目前有效的对策是在嵌入水印的同时嵌入水印参照物，那么在提取 水印的过程中，先根据水印参照物的变化获得同步攻击的变换步骤，然后用反变 换获得水印的完整恢复。而抵御马赛克攻击的措施就是保证水印能够嵌入到足够 小的图像中去，从而使这种攻击没有太大实际意义。 ( 3 ) 解释攻击( i n t e r p r e t a t i o n a t t a c k s ) ，也称死锁攻击( d e a d l o c k a t t a c k s ) 、 假水印攻击( f a k ew a t e r m a r k a t t a c k ) 、i b m 攻击。它是一种协议层攻击， 通过试图产生假的原始数据或假的嵌入水印数据来制造混乱以阻止版 权所有者对所有权的断言。这是针对可逆、非盲( n o n - o b l i v i o u s ) 水印 算法而进行的攻击。其原理为设原始图像为，加入水印矿的图像为 l = ，+ 呒。攻击者首先生成自己的水印所，然后创建一个伪造的原图 ，= l 一，也即l = ，r + 彤。此后，攻击者可声称他拥有l 的版权。 因为攻击者可利用其伪造原图，从原图，中检测出其水印w f ；但原作 者也能利用原图从伪造原图，中检测出其水印形。这就产生无法分辨 中山人学硕士论文第1 4 页 第2 章数字水印的基奉理论 与解释的情况。 对策：防止这一攻击的关键在于能够在存在多个水印一幅图像中确定出 真正授权的水印。对此可有两种方法，一种是采用时间戳或其它的公正来阻 止这种攻击，另一种是研究不可逆水印嵌入算法，如哈希过程。 ( 4 )合法攻击( l e g a la t t a c k s ) ，与前面三种不同，它主要是利用法律上的 一些条款的漏洞以达到攻击。 值得注意的是，攻击往往形式多样，并不局限于对水印算法本身，通常有一 些简单的攻击如马赛克攻击就可以使水印系统失效。了解这些攻击将帮助我们设 计出更好的水印方案。目前较为方法的水印攻击软件有u n z i g n 19 】和剑桥大学计 算机实验室编写的s t i r m a r k 2 0 ，它们都可以从网上免费下载。 2 4 数字水印系统性能评估与基准测试 在大量的研究中，人们大多关注于数字水印方法的设计，而忽略了一个重要 的问题，那就是对水印系统的合理的性能评估和基准测试1 2 1 - 2 3 1 负责水印系统的 绝大多数人需要一些评价和比较水印系统的方法。那些对水印系统实际感兴趣的 人需要鉴定系统是否最合适。而那些对开发新水印系统感兴趣的人需要度量标准 来检验算法的进步性。这些度量标准可以产生优化各种特性的方法。 2 4 1 数字水印系统的性能评估 各种水印系统最重要的性能就是鲁棒性，而鲁棒性与水印不可见性又是相互 矛盾的。因此必须在给定水印图像视觉质量的情况下来研究水印鲁棒性。同时， 鲁棒性还与嵌入信息量、水印嵌入强度等因素有关。 ( 1 )嵌入信息量。这是一个重要的参数，因为它直接影响水印的鲁棒性。一 般地，对同一种水印而言，要嵌入的信息越多，水印鲁棒性越差。 ( 2 )水印嵌入强度。水印嵌入强度和水印不可见性之间存在一个折衷。增大 水印嵌入强度可以增加水印鲁棒性，但相应会降低水印不可见性。 ( 3 )图像的尺寸和特性。图像的尺寸对嵌入水印的鲁棒性有直接影响。尽管 中山大学硕士论文第1 5 页 第2 章数字水印的基本理论 太小的嵌有水印的图像没多少商业价值，但一个水印程序应能从中恢复 出水印，这就有效了避免马赛克攻击。此外图像的特性对水印的鲁棒性 也有重要影响，如对扫描的自然图像具有高鲁棒性的算法应用于计算机 合成的图像时，鲁棒性大大削弱。 ( 4 ) 秘密信息。秘密信息对水印系统的安全性起着很重要的作用。密钥空间 越大，系统则更安全。 考虑以上参数，可知，对于公平的测试基准和性能评价，待评价水印方法必 须在各种不同的测试图像中进行测试。更进一步，必须改变水印的不同嵌入强度 来对被评估水印系统进行评价，以得到在统计上有效的结果。若要对几种水印算 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。 2 4 2 视觉质量的定量描述 水印不可见性和鲁棒性之间存在着折衷，因而正确评估和比较水印系统时， 对水印不可见性的考虑十分重要。对水印不可见性的评价可以用定量量测方法 ( q u a n t i t a t i v ed i s t o r t i o nm e t r i c s ) 或主观测试方法( s u b j e c t i v et e s t ) 。本文主要 介绍两种定量测试方法：基于象素的畸变量度量方法和基于人类视觉系统的度量 方法。后者将在本文第4 章进行详细分析。 基于象素的度量方法不依赖于主观评价，它允许在不同方法之间进行公平的 比较。大部分在视觉信息处理中的畸变量度量或质量度量方法都属于差分度量法 ( d i f f e r e n c ed i s t o r t i o nm e a s u r e s ) 。现在，在图像的视频编码、压缩领域使用最 多的畸变量度量指标是信噪比( s i g n a l t o n o i s e r a t i o