（模式识别与智能系统专业论文）基于数字水印的信息隐藏技术研究与应用.pdf

硕士论文 基于数字水印的信息隐藏技术研究与应用 摘要 随着信息技术的发展，数字产品的信息安全和版权保护问题越来越引起人们 的关注在这种应用需求下，信息隐藏技术迅速发展起来。数字水印作为信息隐 藏技术的一个主要的分支，成为近年来多媒体安全领域的研究热点之一。 本文主要研究图像数字水印技术。粗略考察了信息隐藏的通用模型、分类以 及与密码技术的关系，简单阐述了数字水印的特点、分类及应用领域，并针对数 字水印系统的体系结构做了较为深入的研究与论述。 对于算法研究，本文首先在已有算法的基础上提出了一种基于h v s 的自适 应盲水印算法。该算法根据人类视觉系统的感知特性和图像的局部特性对图像块 进行分类，根据其所属类别进行不同强度的水印嵌入，缓和了水印不可见性与鲁 棒性的矛盾。同时，为保证水印的安全性，在水印预处理阶段通过混沌序列对版 权图片进行调制，在水印嵌入阶段通过伪随机序列作为嵌入密钥确定嵌入位置。 最后，本文在第二代水印嵌入理论的基础上，实现了一种基于图像特征点的局部 化数字水印算法，该算法利用图像中相对稳定的特征点标示水印的嵌入位置，在 与特征点对应的局部区域中提取局部特征向量，选取与特征向量正交的混沌二值 序列作为水印信号进行水印嵌入，实验证明该算法有很好的鲁棒性 关键词：数字水印，信息隐藏，版权保护，信息安全 硕士论文 基于数字水印的信息隐藏技术研究与应用 a b s t r a c t w i bt h e d e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o n 协妇o l o g y i n f o r m a t i o ns e c u r i t ya n d c 0 州g h tp r o 删o nf o rd i 百t a lp r o d u c t sh a v ed r a w nm o 他a n dm o a t t e n t i o n r e s p o n d i n gt os u c ha p p i i c a 廿o nd e m a n d s ，i n f o r m a t i h i d i n gt e c b n o l o g yh a sb e e n d e 、，e l o p e dr a p i d l y 缸r e c e l l ty e a r s a sal , r i m a r yb r a n c ho fi n f o r m a f i h i d i n g , d i g i t a l w a t e r m a r k i n gh a sb e c o m eo n eo f b em o s th o t s p o _ c si nt h e 丘l e do f s e c u f i w t h i sp a p e rr e v i e w 鹤t h eg e n e r a lm o d e lc a t e g o r i e sa n dt h er e l a f i o n 砌 e n c r y p f i o nt e c h n o l o g ，o fi n f o r m a t i o nh i d i n g , i n t r o d u c e st h e 弘0 p 嘶髓，c a t e g o r i 豁 a n da p p h c a b l ef i e l d s ，a n di n a k 嚣t h o r 叫g he x p l a n a t i o na n di n v e s t i g a t i o no nt h e s u x l c u a e w 越e r m a r k i n gs y s t e m i nl h i sp a p e r , t w ow a t e r m a r k i n g 如f i t h m sa i i n p l 锄e n c d o n ei sa na d a 面v e b l i n dw a t e r m a r k m gb a s e d 蛆h v s 鹊缸i m 硼) v 锄e n tf o r 姐e x i s t i n g a l g o f i t h m t h i s a l g o f i t h me n h a n c e st h e b u 咖e 鹅b yd 舔s i f y i n gb l o c k so fi m a g ed u et ot h e c h a r a c t e r i s u co fh u m a n 、r i s u a l 趼s t e ma n dt h eb c a lf e a t u r e so fi m a g ea n de m b e d d i n g w a t e r m a r k si nd i f f e r e n tm t e n s i f i d u et ot h ec a w g o f i 懿t h i sm e t h o du s e sc h a o f i c s e q u 黜a n dp s e i l d d o ms e q 啦n e et om a k es u 聆t h e c u r c t y t h eo t h e ri sa l o c a l i z e d w a t e r m a r k i n g m e t h o db a s e d t h e2 n d g e n e r a t i o nw a t e r m a r k i n g e m b e d d i n gn l 巧t h ei d e ai st om a k eu s eo ff c 砷【玳巾i n t st ot a go u tt h ee m b e d d e d l 删o n sa n dg c t sf e a t u r e - v e c t o n ，a n dp i c k so u tas e q u 黜eo r t h o g o n a lt ot h ef e a t u r e v e c 锄s 舔硼l c l m a r kt h e s u l t so f 麟p e r j 血即t sa l c o n f t r mt h e 劬i l s l m 姆o ft h i s a l g o r i 也m k e y w o r d s ：d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ，h f o r m a t i o ni i i d m g ，c o p y r i g h t p r o t e c t i o n , i n f o r m a t i o ns e c m e t y 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 己在论文中作了明确的说明。 研究生签名：塑叠叠”一霹”绸- 7 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：! 盐i ! 壶伊b 年一拥t9 日研究生签名：! 堑! ! 堕伊b 年一拥t7 日 颈士论文基于数字水印的信息隐藏技术研究与应用 1 绪论 1 1 研究背景 网络的迅猛发展、个人计算机和各种存储设备的普遍应用极大的方便了信息 的存储和传播，同时也引发了一系列的安全问题。数字产品的信息安全问题以及 版权认证问题已成为日益严重的社会问题。 对于解决信息安全和版权问题，人们首先想到的解决方案是加密和数字签名 等密码学技术，然而这种方案并不完全可行。密码学技术是信息安全领域的传统 技术，一般采用加密算法把明文加密成密文进行传输。成熟的密码学可以解决安 全传递和访问控制，但这种方式存在着一些问题闭，比如密文一旦被解密其内容 就完全透明，就可以被随意的复制篡改；密文形式通常可以明确地提示攻击者哪 些是重要信息。可见单纯的密码学技术不能为数字产品提供一个可靠的安全保 证，采取新的方式对数字产品进行版权保护已成为十分迫切的工作。 在这种情况下，一种交叉学科一信息隐藏学产生了，信息隐藏学的研究涉及 密码学、图像处理、模式识别、数学和计算机科学等领域。信息隐藏技术是近几 年新兴的研究方向。信息隐藏技术的出现弥补了密码技术的一些缺陷密码技术 仅仅隐藏了信息的内容，而信息隐藏技术不但隐藏了信息的内容而且隐藏了信息 的存在当然，信息隐藏技术不可能代替密码学技术，它与密码技术密切相关。 数字水印是信息隐藏技术研究领域的一个重要分支，是一种有效的数字产品 版权保护和数据安全维护技术，与数据加密有密切的关系它将具有无意义的信 号或特定意义的标记( 如序列号，版权标志等) 利用数字嵌入的方法隐藏在图像、 声音、文档、电子图书、视频等数字产品中，用于证明作者对其作品的所有权， 并作为鉴定、起诉非法侵权的证据，同时通过对水印的检测和分析来保证数字信 息的完整可靠性，从而成为知识产权保护和数字多媒体防伪的有效手段1 2 1 数字 水印一般具有抵抗非法攻击或无意的图像处理的鲁棒性、视觉或听觉上的不可感 知性、不影响原来媒体内容的保真性等特点【。 数字水印技术是当前多媒体信息安全研究领域发展最快的热点技术，已经受 到国内外学术界和企业界的高度关注。数字水印的应用范围很广，例如很多唱片 公司都在自己的作品中应用了数字水印技术，以标注自己的版权信息。 数字水印技术是国内信息安全研究的一个重要方向。国内电子政务的广泛应 用以来，数字产品的安全问题日益突出。电子政务涉及相当多的政府，企业和个 人的机密信息，例如，一些作为重要历史资料的图像文件，录入的个人身份证、 个人学历证书，一些重要的电子票据、合同文件等，如果被恶意篡改会给国家、 硕士论文基于数字水印的信息隐藏技术研究与应用 社会乃至个人生活带来极大的安全隐患。数字水印技术作为信息隐藏、版权保护 及认证的有效手段，为上述问题提供了一个有效的解决方案。 1 2 研究领域发展状态 1 9 9 0 年第一篇关于图像数字水印的文章发表。从1 9 9 4 年开始，国际学术界 陆续发表有关数字水印的文章，并且文章数量呈快速增长趋势。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闭很多有影响的国 际会议和国际权威杂志都组织了数字水印技术专刊或专题报道。 到目前为止，数字水印从研究对象上看主要涉及嘲图像水印、视频水印、音 频水印、文本水印和三维网格数据水印等几个方面，其中大部分的水印研究和论 文都集中在图像研究上，其原因在于嘲图像是最基本的多媒体数据，且互联网的 发展为图像水印的应用提供了广泛的应用基础 数字水印技术的研究虽然只有短短几年时间，但其软件产业已经有相当的规 模。早在1 9 9 5 年，数字水印技术的研究才刚刚开始不久，美国的d i g i m a r c 公司 就率先推出了世界上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 ep h o t o s h o p4 0 和c o r e ld r a w 7 0 中。 全球支持或开展数字水印研究的政府机构和研究部门很多，包括美国财政 部、欧洲电信联盟、麻省理工学院、微软公司、朗讯贝尔实验室等机构，同时， m m 、h i t a c h i 、n e c 、p i o n e e r 和s o n y 五家公司还宣布联合研究数字水印版权 保护技术。与此同时，一些公司已逐步推出了有关水印技术的商用软件系统，目 前已经出现了很多的信息隐藏方面的软件和产品，例如m i c r o s o f t 的d i g i t a l r i g h t 、 m a n a g e r , i b m 的c r y p t o l o p e 等等。国际标准化团体也对水印技术表现出了很大的 兴趣。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 - 4 中都加入 了水印技术。d v d 工业标准中也将包含拷贝控制和拷贝保护机制，它使用水印 来标志多媒体数据的拷贝权限，如“允许拷贝一次”和“刁允许拷贝”标志【3 1 微软 亚洲研究院正在进行多媒体数字水印项目，本项目研究开发的下一代音频、视频 及图像水印技术，以提高水印的保真性、鲁棒性以及抵抗黑客攻击的能力该项 目应用的情景包括：版权保护、指纹、数据完整性检查和核查、数据标注等。 中国信息隐藏研讨会( c m w ) 是我国信息安全领域中信息隐藏及数字水印 技术的专业学术交流活动，从1 9 9 9 年召开了第一届会议以来，在中国电子学会 通信学分会及北京电子技术应用研究所的组织和有关高校及科研机构的大力支 持下，c i h w 研讨活动至今已成功举行了五届全国会议。c i h w 已成为国内最具 代表性的信息隐藏学术交流活动。根据研讨会的计划安排，第六届全国信息隐藏 学术研讨会( c i h w 2 0 0 6 ) 将于2 0 0 6 年8 月6 日在哈尔滨工业大学召开。 2 硕士论文 基于数字水印的信息隐藏技术研究与应用 目前国内外数字水印技术的研究者正在努力建立一个相对完备的、能够提供 普遍指导意义的理论基础，但就目前而言，这项工作还远远没有达到令人满意的 地步，数字水印技术远不如密码技术等安全技术成熟。 1 3 课题来源与研究内容 本课题的研究工作是以国家某8 6 3 项目为背景进行的。该项目中有大量的重 要图片希望可以通过数字水印技术对其进行版权保护。 本课题主要研究图像数字水印技术，针对目前数字水印领域的发展状况、信 息隐藏与数字水印的理论进行研究、尤其对数字水印系统的体系结构做出较为深 刻的分析与研究，最后根据实际应用设计出两种数字水印解决方案。 本文主要研究内容如下； 1 信息隐藏与数字水印理论研究：对信息隐藏( 一般模型、分类、与密码 技术的关系) 、数字水印( 发展状态、基本特征、分类、应用领域) 等理论进行 研究与分析；对数字水印系统的体系结构，尤其是水印生成技术和嵌入技术，进 行深入的研究。 2 在已有算法的基础上，根据实际应用进行扩充，提出一种结合了混沌与 伪随机序列的自适应盲水印算法该算法采用基于图像块系数关系的嵌入方法， 根据人类视觉系统各种特性和图像的局部特性对图像块进行分类，根据图像块所 属的类别进行不同强度的水印嵌入该算法考虑通过混沌二值序列调制原始水印 信息、伪随机序列确定水印的嵌入位置等方法确保水印的安全性 3 在第二代数字水印嵌入理论的基础上，提出一种基于图像特征点的局部 化盲检测水印算法，该算法以c b w m 水印模型和局部化数字水印的思想为基础， 利用图像中相对稳定的特征点标示水印的嵌入位置，在与特征点对应的局部区域 进行特征向量提取，选取与特征向量正交的混沌序列作为水印信号。该算法希望 通过图像的特征点相对稳定的特点来解决水印的同步问题，保证水印的鲁棒性。 1 4 本文的组织 本文正文由5 章组成，主要内容如下： 第1 章：介绍了本课题的研究背景、课题领域的发展现状、研究内容及论文 各部分内容的组织结构。 第2 章：对信息隐藏和数字水印做简单的论述。简单介绍了信息隐藏技术的 一般模型、分类，并将隐藏技术与密码学技术的关系做了研究与分析对数字水 印的主要特点，应用和分类做了简单介绍，并着重介绍了数字水印的时空域，变 换域水印和鲁棒，脆弱水印。 颈士论文 基于数字水印的信息隐藏技术研究与应用 第3 章：详细介绍了数字水印系统的体系结构，对水印生成与嵌入技术做了 较深刻的研究，论述了目前水印界常用的水印检测技术。 第4 章：根据实际应用，对已有算法进行扩充，提出一种基于h v s 的自适 应的水印算法，给出了算法的基本思想，实现过程、实验结果。 第5 章；将c b w m 模型思想与局部化水印思想结合起来，实现了一种基于 图像特征点的局部化盲检测水印算法，给出了算法的基本思想、实现过程与实验 结果 最后在结论部分总结了论文的研究工作，并给出了进一步的研究方向 4 硕士论文基于数字水印的信息隐藏技术研究与应用 2 信息隐藏与数字水印概述 2 1 信息隐藏概述 近年来，信息隐藏技术的研究成为国际信息技术研究领域的一个新兴的研究 方向，它作为隐秘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。 信息隐藏阐的思想起源予隐写术( s t e g a 簪a p b y ) ，它是一种将秘密信息隐藏 在某些宿主对象中，且信息传输或存储过程中不被发现和引起注意，接收者获得 隐藏对象后按照约定规则可读取秘密信息的技术。 信息隐藏的例子有很多，例如b 聆a k p r i s o n ) 里面的男主人公把监狱的地图 隐藏在背后的纹身中，古人通过藏头诗来传递秘密的信息，神侦探柯南里复 杂的文字游戏等。信息之所以能够隐藏在多媒体数据中是因为田：乱多媒体信息 本身存在很大的冗余性。从信息论的角度看，未压缩的多媒体信息的编码效率是 很低的，所以将这些机密信息嵌入到多媒体信息中进行秘密传送是完全可行的。 并不会影响多媒体信息本身的传送和使用b 人眼或入耳本身对某些信息都有一 定的掩蔽效应，比如：人眼对灰度的分辨率只有几十个灰度级：对边缘附近的信 息不敏感。利用人的这些特点，可以很好地将信息隐藏而不被察觉。 信息隐藏在不同领域有不同的特点，但其基本的特点有阳4 】： 不可见性：指嵌入信息后不会引起载体文件产生可感知的失真。即隐藏文件 和原载体应充分接近，否则便失去了隐藏的意义 不可测性：指对非法者来说，要检测到秘密信息的存在并提取出来应十分困 难，至少在秘密信息的有效期内是不可能的。 鲁棒性：指隐藏文件受到一定的扰动，也应仍然能恢复隐藏的信息。即要求 所嵌入的信息不能轻易地失去如多媒体数据作有损压缩时，或信息在传输过程 中受到噪声干扰、滤波及可能的人为破坏时，嵌入的信息要保持其完整性。 稳定性：指隐藏信息能“永久”的存在，并在一定的条件下可以提取。 安全性：指第三方在不知道隐藏算法和密钥时。均不能获得秘密信息。 2 1 1 信息隐藏的通用模型 图2 1 1 1 是信息隐藏的通用模型州，主要由两部分组成；嵌入过程和提取 过程。信息嵌入过程一般由密钥来控制，通过嵌入算法将嵌入对象( 秘密信息) 隐藏于载体对象( 公开信息) 中，嵌入过程得到了隐藏对象。携带秘密信息的隐 藏对象在信息通道上进行传输。提取过程是检测器利用密钥从隐藏对象中提取秘 密信息的过程。 5 硕士论文 基于数字水印的信息隐藏技术研究与应用 模型中嵌入对象是指希望被秘密隐藏的对象，也就是所谓的秘密信息。嵌入 对象可以是一幅图片、一段视频或音频，也可以是一段文字通常该秘密信息是 版权信息或者秘密数据，例如密钥信息、序列号或任何希望隐藏的数据载体对 象是用来隐藏嵌入对象的可公开的无需保密的媒体对象。同样，载体对象可以是 文本、图像、视频、音频等隐藏对象是嵌入过程的输出，就是隐藏了秘密信息 后用于传输的对象。 图2 1 1 i 信息隐藏的通用模型 信息隐藏过程还涉及密钥生成和隐藏分析密钥生成是指根据一些算法生成 嵌入密钥和提取密钥的过程，信息隐藏的安全由密钥来保证，即在算法已知的前 提下，如果密钥未知则很难从隐藏对象中得到或删除秘密信息隐藏分析指在网 络上传播时隐藏对象被隐藏分析者截获并进行处理的过程。在密钥未知的前提 下，隐藏分析者很难从隐藏对象中得到、删除或者发现嵌入对象。 2 1 2 信息隐藏与密码学技术 密码学技术是一种信息加密技术，其原理是利用密码学方法，将明文转换成 为无意义的密文，阻止非法用户理解原始数据，从而确保数据的保密性。明文变 为密文的过程称为加密，由密文还原为明文的过程称为解密，加密和解密的规则 称为密码算法密码学技术是一种主动的信息安全防范措施。 信息隐藏学是一个交叉学科，它的研究内容涉及密码学领域故而信息隐藏 与密码加密技术并不相互矛盾例如，数字签名中的阈下信道就是一种典型的信 息隐藏技术。文件签发者( 发送方) 将秘密信息掩藏于数字签名之中，接收方在收 到签名文件后，利用预先约定的协议和方法恢复秘密信息，从而建立起一个难以 被检测到的秘密信道。即建立起阈下信道。在隐藏技术中，为增加算法的安全性， 经常把加密技术与隐藏技术相结合例，即先对待嵌入对象进行加密得到密文， 再把密文隐藏到载体对象中 信息隐藏与密码学技术解决了很多相似的问题。例如，图像认证。密码学技 6 硕士论文 基于数字水印的信息隐藏技术研究与应用 术通过数字签名来解决图像认证。数字签名首先提取原始图像的内容或特征，而 后对提取的信息用私钥加密来形成签名，将此签名与原始图像捆绑在一起存储或 传输。图像认证时采用同样的方法从被测图像中提取图像内容或特征，将提取的 信息与用公钥解密后的签名相比较，若二者一致则认为图像未被更改：若二者不 一致则认为图像己被更改【5 研信息隐藏技术通过数字水印来解决图像认证问题。 数字水印将标志信息作为水印直接嵌入图像内容中，当图像内容需认证时，将水 印提出鉴定其是否真实完整。 信息隐藏和密码学技术的共同目的都是保证信息安全，然而它们实现的方式 各不相同。经典的密码学技术仅仅隐藏了信息的内容，而信息隐藏技术不但隐藏 了信息的内容而且隐藏了信息的存在 3 6 1 。密码学技术主要是研究如何将机密信 息进行特殊的编码，以形成不可识别的密码形式( 密文) 进行传递，且密文一旦 被解密其内容就完全透明就可以被随意的复制篡改；而信息隐藏技术则主要研究 如何将某一机密信息秘密隐藏于另一公开的信息中，然后通过公开信息的传输来 传递机密信息【4 】对加密通信而言，可能的监测者或者非法拦截者可通过截取密 文，并对其进行破译，或将密文进行破坏后再发送，从而影响机密信息的安全： 而对信息隐藏而言，可能的监测者或非法拦截者则难以从公开信息中判断机密信 息是否存在，难以截获机密信息，从而能保证机密信息的安全。 2 1 3 信息隐藏的分类 隐蔽信道、隐写术、匿名技术与版权标记是信息隐藏的主要应用领域，图 2 1 3 1 给出了信息隐藏技术的分类旧 i n f e , r m a t i o n h i d m g f ；。：。：= = = 。，。；。 抽邮 。k w a t 口口“憾n g w a t e r m a r k i n g 图2 1 3 1 信息隐藏技术分类 信息隐藏技术中，隐写术和版权标记中的数字水印技术是最重要的两个分 支，这两类技术的基本思想都是将信息隐藏在载体对象中。但是它们之间存在着 一些不同：对于隐写术，被嵌入的信息是最重要的，但是嵌入信息的载体对象却 7 硕士论文 基于数字水印的信息臆藏技术研究与应用 是不重要的，其目的就是保护被嵌入的信息而在水印应用中，载体对象是最重 要的，因为它就是我们试图去保护的，嵌入水印的目的就是对该载体信息进行版 权保护，而嵌入的信息很多情况下是无关紧要，有时仅仅是一个无意义的随机序 列。隐写术是一种保密通信技术，数字水印则主要用于数字产品的版权保护及其 真实性和完整性认证。 2 2 数字水印概述 网络时代，信息安全和版权问题日益受到人们的关注。信息隐藏技术的一个 重要分支一数字水印，为解决这些问题提供了一个可研究的方向。 2 0 世纪9 0 年数字水印作为一种版权保护的手段被正式提出，数字产品的拥 有者可以通过数字水印进行版权标注或信息注释，以便在日后可以证明版权归属 或跟踪侵权行为在信息安全领域这是一种较为有效的技术手段虽然数字水印 的提出才仅仅十多年，但其发展相当迅速。 首先让我们来看一个日常生活中最常见的关于水印的例子1 0 0 元的人民币 放在紫外线下，人民币上的防伪标识i o o 元的字样会清晰地显示出来。这一防伪 标记就是一种水印，平时不可见，特殊条件下显现出来。 现实生活中有实际意义的数字水印一般是在被保护的数字对象( 如静止图 像、视频、音频等) 中嵌入某些能够证明版权归属或跟踪侵权行为的秘密信息， 这些秘密信息可能是作者的序列号、公司标志、有意义的文本等等。一般情况下， 这些秘密信息需要经过适当变换在嵌入到数字产品中，通常称变换后的秘密信息 为数字水印。 2 2 1 数字水印的基本特征 数字水印技术将附加信息即水印嵌入到载体对象中，为保证水印的有效性， 水印应当具备以下特征【1 ，2 明： 1 透明性( 不可感知性) ；指水印应该是不可感知的，或者可见但其存在不 会影响到作品受保护。这里的不可感知一个指视觉上的不可见性，即因嵌入水印 导致图像的变化对观察者的视觉系统来讲应该是不可察觉的，这是绝大多数水印 算法所应达到的要求，不可感知的最理想的情况是水印图像与原始图像在视觉上 一模一样；另一方面水印用统计方法也是不能恢复的，如对大量的用同样方法和 水印处理过的信息产品即使用统计方法也无法提取水印或确定水印的存在 2 鲁棒性：指在经过常规的操作或恶意攻击后仍能检测到水印的能力。对 水印的常规操作包括常规的信号处理、几何失真等。一般来说，水印应当对噪声、 d a a d 转换、重采样、量化、旋转、剪切、缩放等常规操作具有鲁棒性恶意 8 硕士论文 基于数字水印的信息隐藏技术研究与应用 攻击1 2 l 指任何意在破坏水印的行为，包括非授权去除、非授权嵌入、非授权检测 等水印应该必须保证可以一定程度上抵抗这些恶意攻击，否则很难进行实际应 用水印必须很难被移除( 理想状态为不可移除) ，若有人试图强行移除或破坏 水印，应该保证在水印被破坏前图像质量已经严重下降。当然，水印研究的一个 重要分支脆弱水印，具有与鲁棒性相反的特点。例如用于真伪鉴别的水印就应该 是脆弱的，即对图像做任何信号处理操作都会将水印破坏掉这也体现了水印的 安全性 3 通用性：一个好的水印算法应该适用于各种数字媒介，这里的媒介一般 指图像、视频、音频等。 4 不可检测性：指隐藏对象与载体对象需具有一致的特性，如具有一致的 统计噪声分布等，以便使隐藏分析这无法判断隐藏对象中是否藏有嵌入对象。 5 高数据容量：水印应该能够包含相当的数据容量，以满足多样化的需要。 6 高检测可靠性：水印的检测必须可靠，虚警率和漏检率必须很小p7 j 在 本文中，虚警率指在没有水印的情况下检测出水印的概率；漏检率指在有水印的 情况下没有检测出水印的概率 当人们希望通过嵌入水印来保护自己的数字信息时，总是希望寻找这样的一 种方法：嵌入水印的方法简单快速容量大且鲁棒性高安全性能好，提取水印的算 法迅速快捷且安全可靠。然而通常情况下，实际应用中这样的要求很难完全实现。 水印的上述特性要求之间存在很大的矛盾性，可能无法使它们同时达到最佳，只 能根据需要在不同特点之间取得这种或者设定可调范围。 2 2 2 数字水印应用 目前，水印处理技术应用大致可以归为如下几类刚声1 3 】： 1 版权保护 数字作品的所有者用密钥产生一个水印，并将其嵌入原始数据，然后公开发 布他的水印版本作品当该作品被盗版或出现版权纠纷时，所有者可以利用从盗 版作品或水印作品中获取水印信号作为依据，从而保护所有者的权益。这要求水 印必须有较好的稳健性、安全性、透明性和水印嵌入的不可逆性 2 标题与注释 将作品的标题、注释等内容以水印形式嵌入该作品中例如，一幅照片的拍 摄时间和地点等。这种隐式注释不需要额为的带宽，且不易丢失 3 篡改提示 当数字作品被用于法庭、医学、新闻及商业时，常常需要确定它们的内容是 否被修改、伪造或特殊处理过。为实现该目的，通常将原始图像分成多个独立块， 9 硕士论文基于数字水印的信息隐藏技术研究与应用 每个块加入不同的水印。为确定其完整性，可通过检测每个数据块的水印信号来 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 4 。完整性认证 认证的目的是检测被保护的信息是否完好无损，数字水印技术中一般采用脆 弱水印来实现图像认证为便于检测，水印对某些变换，如压缩等具有较低的稳 健性，而对其他变换的稳健性更低。因而在所有的数字水印应用中，认证水印具 有最低级别的稳健性要求。 5 拷贝控制 在多媒体( 一般为音频、视频) 发行体系中，人们希望有一种拷贝保护机制， 即他不允许未授权的媒体拷贝。在封闭或私有系统中，可用水印来说明数据的拷 贝状况。一个典型的例子就是d v d 防拷贝系统。一个符合要求的d v d 播放器 不允许播放或拷贝带有“禁止拷贝”水印的数据，而带有。一次拷贝”水印的数 据可以被拷贝一次，但不允许用该拷贝再次制作拷贝。现今世界各大知名公司如 m m 、n e c 、s o n y 、p h 叫衅s 等，都在加速数字水印技术的研制和完善 2 2 3 数字水印分类 数字水印的分类方式很多，这里介绍几种常见的分类方式。 根据水印信号是否可见可分为可见水印和不可见水印。可见水印主要作用是 清晰标示版权，很多网站的预览图片都被嵌入7 可见水印，例如网易的泡泡表情， 如果下载的是预览图片则会发现图片上有很多清晰可见的水印 根据原始载体的不同可分为图像水印、音频水印、视频水印、文档水印等。 本文主要研究图像水印。 根据水印的生成是否依赖于原始载体来分，可分为非自适应水印和自适应水 印自适应水印是考虑原始载体的特性而生成的水印。非自适应水印是独立于原 始载体的水印，可以随机产生，也可以由预先给定信息通过某种算法生成。 从含水印载体的抗攻击能力来分可分为脆弱水印、半脆弱水印( 有文献称之 为半鲁棒水印网) 和鲁棒水印对常见的各种图像处理方法均具有鲁棒性的是 鲁棒水印，对一部分特定的图像处理方法与鲁棒性而对其他处理不具备鲁棒性的 称为半脆弱水印，对任何变换或处理都非常敏感的是脆弱水印。 从水e 瞄黾取和检测是否需要原始图像参与来分，可分为明水印和盲水印。明 水印又称为私有水印，在提取和检测时需要原始图像的参与。盲水印又称为公有 水印，在提取和检测时不需要原始图像的参与 从水印的处理算法可以分为时空域水印、变换域水印和压缩域水印。直接 1 0 硕士论文 基于数字水印的信息隐藏技术研究与应用 修改载体时空域为时空域水印，这类算法的鲁棒性不高，且能够嵌入的水印信 息不太多。而变换域水印处理时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、离散傅立叶变换、小波变换等。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 以上是常用的几种分类方式，事实上，还有很多种分类方式，例如根据检测 密钥与嵌入密钥的相同与否分为公钥水印系统和私钥水印系统等。 2 2 3 1 变换域水印 目前大部分水印算法集中在变换域，基于变换域的水印方法应该是水印算法 未来的发展趋势。与时空域的方法相比，变换域的方法具有很多优点刚：嵌入 的水印信号能量可以分布到空域的所有像素上，有利于保证水印的不可见性：人 类视觉系统的某些特性( 如频率掩蔽特性和敏感特性等) 可以更方便地结合到水 印编码过程中：交换域的方法可与国际数据压缩标准兼容 目前图像水印中主要用到的变换方式有离散傅立叶变换( d f t ，d i s c r e t e f o u r i e rt r a n s f o r m ) 、离散余弦变换( d c t ，d i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m ) 和离散小波 变换w t ，d i 蹦吲【ew a v e l e tt r a n s f o r m ) 。 余弦变换和傅立叶变换实质上属于同一种变换，两者都是将原始信号分解成 多个信号的叠加，所不同的是傅立叶交换所分解成的信号是不同参数的正弦信号 和余弦信号，而余弦变换所分解成的信号只有余弦信号；傅立叶交换存在虚数问 题，而余弦交换避免了傅立叶变换中的复数运算，是一种基于实数的正交变换。 1 d c t 域方法 d c t 变换是数字水印处理技术中最常用的频域交换之一，d c t 变换矩阵的 基向量很近似于t o e p l i t z 矩阵( 系数矩阵对称且沿着与主对角线平行的任一对角 线上的元素相等) 的特征向量，而t o e l o l i t z 矩阵又体现了人类语言及图像信号的 相关特性，故d c t 常常被认为是对语音和图像信号的准最佳变换嗍。同时d c t 算法较易于在数字信号处理器中快速实现，具有很好的能量压缩能力和去相关能 力州，因此它在图像编码等领域占有重要的地位，成为一系列有关图像编码的 国际标准( j p e g 、m p e g 、h 2 6 1 等) 的主要环节。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。 d c t 变换可以将图像的不同特征区域区别出来。当一幅图像经过d c t 变换之 后，所得到的频域矩阵中元素值最大的为直流分量，反映了整幅图像的平均亮度， 剩余各个元素的值为交流分量。d c t 系数可分为低频分量、中频分量和高频分量。 硕士论文基于数字水印的信息隐藏技术研究与应用 其中，低频信息反映了载体图像的主要轮廓，应不有较大失真，否则将影响水印 的不可见性，而高频信息一般代表图像的边缘或者纹理比较复杂的区域，是人类 感知系统不敏感的信息，在处理过程中容易丢失。根据数字水印技术方案的应用 领域和目的要求不同，可以选取适当的区域进行水印的嵌入d c t 变换理论与物 理意义在4 2 节有较为详尽的阐述 1 9 9 7 年a p i v a , m b a r m 等提出了一种d c t 域盲检测水印算法【l 飘，该算法在 水印提取检测时无需原始载体图像，开创了d c t 域盲检测水印的先河。该算法采 用的水印由符合正态分布的实数随机数组成在水印，在嵌入阶段，对水印进行整 体的d c t 变换，然后把变换后的d c t 系数按照z i g z a g 扫描( 就像在脚算法中做 的那样) ，将扫描的前i 十m 个系数排列为一维向量t ，然后对t 中第l 个向量以后 的m 个向量进行修改以嵌入水印 2 d w t 域水印 小波变换是在傅立叶变换基础上发展起来的基于小波变换的分析方法称为 小波分析。小波分析与傅立叶分析、余弦分析最大的区别是，傅立叶分析和余弦 分析使用的是一种全局的变换，要么完全在时域，要么完全在频域，并且采用单 一的分辨率，因此无法表述信号的时频局部性质。小波变换是一种信号的时间一 尺度( 时间- 频率) 分析方法，它具有多分辨率分析( m u l f i r c s o l u f i o n a n a l y s i s ) 的特点， 且具有分层特性，能够使得水印的嵌入和检测在某个子带或某几个子带进行。 数字图像经过小波分解后，子带图像l l 集中了原始图像的绝大多数能量， 为原始图像的逼近子图。予带图像l h 、h l 、h h 分别保持了原始图像的垂直边 缘细节、水平边缘细节和对角边缘细节，为原始图像的细节子图逼近子图具有 较强的抵抗外来影响的能力，稳定性较好；边缘细节子图对噪声及图像处理操作 的抵抗力很低，稳定性较差。不同的水印方案根据各自的需求采用不同的子图进 行水印嵌入。 文献【4 2 】提出将水印的主要能量和信息量嵌入到数字图像的逼近子图中，次 要信息量和能量嵌入到图像的细节子图中，这样既可以提高嵌入水印的鲁棒性又 有利于保证图像边缘细节的完整性。 小波变换具有良好的时频特性，在图像压缩标准j p e g 2 0 0 0 中，j 、波成为一项 主要的技术基于小波域的数字水印具有四个优点瞄j ，其一，可以保证在 j p e g 2 0 0 0 格式下水印不会被去除；其二，可以将图像编码研究中关于视觉特性 的研究成果用于水印技术；其三，有可能提供在压缩域中直接嵌入水印的方法； 其四，由于小波的多分辨率分析与人眼视觉特性是一致的，对选择适当的水印嵌 入位置和嵌入强度有很大的帮助但是，d w t 系数不具有几何不变性，因此抗 几何攻击能力不好，抽取过程中必须保证水印信息的同步由于小波域数字水印 顿士论变 基予数字承印的信息障鼠技术研究与应用 摆对蒎垂缝、基本僚号楚瑾方覆其意凝驽静逶蔽襞，因藏近年来，黠枣渡城数字 水印研究开展较多，也取得了相当好的研究成果 2 2 3 2 对空域求印 蚌空城拳露是数字本馨莩耀主要疆宠静镁域，黠子粒镶采窜鹾究懿楚京露域 水印。空间域方法通过直接激变图像菜些像索的灰度值米加入水印。目前融有很 多关于空闻域的水印嵌入算浅如：l s b 方法、p a l c l h w o r k 方法、纹理块映射编码 法等“” 时空域算法一般比较简单，容易裳现，但在鲁棒性上不如变按域算法。在时 窆域篝法审，重要静一丈类箨法是脆弱采窜和睾驻骚求瘁算法，戮为这类算法兵 有对攻击的时间或掇问位置的定位能力。因为现在的时空域水印一般应用穰安全 试涯领域，弼如痨褰蔹证或纂竣握示。 时空域水印和变换域水印并不是究全独畿的，需癸时可将两者结合例如， 文献f 4 l 】为嵌入更多魄水印数据和减小数字篷像的失真提出了一辩新颖的空间 域和频率域耜结合魏数字水印方法该算法将承印图像分为两部分，重要的部分 用扩频技术嵌入剿图像小被域，不熬要的部分采用最低有效位算法嵌入到图像 空域。 2 - 2 & 3 锝棒水印 鲁棒水印是本课题研究的重点，擞累用于版权保护鲁棒水印要求嵌入的水 瘁售号应该由具有蒜瓶分枣豹独立分布戆随执实效彦刭梅或f i 】，簸够经受袋秘常 豫的信号缝理和各种恶意攻箍 。 c o x 认为让水蹲l 具有鲁棒性有几个一般的途径伫】： 1 将承球冗余的嵌入劐几个系数串，是辩抗各种失真豹一个通用策酶，当 水印信号遭受一定失真的情况下，可搬据冗余嵌入提取恢复水印信号冗余嵌入 霹蒡l 来建静骜锈、滤渡簌藤撩囔声致涛。 2 对水印信号进行扩频编码。扩频编码是将冗余嵌入的思想运用到频城中。 3 在蠹窑感知霪要的成分里嵌入水印，确保对于保持可保冀度蛇处瑷进程 疑有鲁棒饿。 4 在已知鲁棒性的系数中嵌入水印信号，由于这些系数在对抗攻击方面有 摄圣子的特畿蕺露可绦涯采瘁髓抗攻击健，鄂鲁棒毪。 5 如果检测器可以确嫩一个特定的处理融被用于一个作品( 从它嵌入水印 彗嘻起) ，器么捡溅爨藏者箍遴姓瑾，或孝毙怼参考蠡志搜震该娃毽 6 当可以预见划水印遭受的失真时，可以在嵌入过程中应用失真补偿。 硕士论文基于数字水印的信息隐藏技术研究与应用 很多水印方案都根据上述的途径进行扩充，以增加算法的鲁棒性。本课题着 重研究是的变换域上的鲁棒水印。 2 2 3 4 脆弱水印 所谓脆弱性数字水印技术1 4 3 】就是在保证多媒体一定视( 或听) 觉质量的前 提下，将数字、序列号、文字、图像标志等作为数字水印嵌入到多媒体数据中， 当多媒体内容受到怀疑时，该水印被提出用于多媒体内容的真伪鉴别，并且指出 篡改位置，甚至攻击类型等。脆弱性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及位置，甚至能够分析篡改的类 型并对被篡改的内容进行恢复。 在许多应用数据库的场合，所有者或授权者一般是对于图像的真伪验证感兴 趣的，他们非常关心原有图像是否被修改过：在医学数据库中，原有图像是否发 生变化对于诊断结果就是非常重要的；在法庭上，不论是被告还是原告的证人提 供的作为证据的照片，法官对于照片的真实性是非常关心的，必须保证这些照片 的真实性，才能为正确地判案提供有利的证据；在网络上进行电子商务时，购买 者必须保证从销售者手中买的是真品。所有这些应用，都要求对多媒体信息的完 整性与真伪性进行验证m l 。在这些场合下脆弱水印可以发挥其作用，用于这些 场合下的内容完整性与真伪性验证 脆弱性水印的嵌入与一般鲁棒性水印嵌入在原理上是基本相同的，但由于脆 弱性数字水印要检测出篡改并定位，因此水印应先与图像的特征融合在一起然后 嵌入到图像中在脆弱性水印的嵌入过程中，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 出的特征及密钥经嵌入运算得到实际要嵌入的内容，以此取代原始图像中的特 征，就得到加入水印后的图像。水印提取时首先对待检测的图像进行特征提取， 然后根据相同的密钥通过水印提取运算提出水印，为了对篡改内容有较好定位， 有时会需要与原始水印进行比较。 1 4 硕士论文 基于数字水印的信息隐藏技术研究与应用 3 数字水印系统的体系结构 一般而言，数字水印系统有三部分组成；水印生成、水印嵌入和水印检狈4 ， 提取图3 1 是数字水印系统的一般框架。 图3 1 数字水印系统一般框架 水印生成是数字水印嵌入前的准备工作和预处理工作，一般是把数字作品的 版权信息、保密信息等原始水印信息m 在密钥k 的配合下生成适合于嵌入到原 始载体i 中的待嵌入水印信号w 的过程。经常通过伪随机排序、置换、扩频等方 法将原始的有意义的水印转换为无意义的杂乱无章的看似噪声的信号目前的水 印生成算法一般分为伪随机、扩频、混沌、纠错编码，变换、分解、自适应等生 成方法 水印信号生成后，按照某种规则将其嵌入到载体信息i 中的过程称为水印嵌 入。水印界最广泛的研究就是如何在不引起失真或不影响原作品的情况下安全有 效地嵌入秘密水印信息水印的嵌入算法有很多，主要方法是在信号的时空域和 变换域( d c t ，d w t 等) 或压缩域上对其进行修改。含有水印的作品在网络上 传播，在传播的过程中会受到有意或无意的攻击，例如无意的有损压缩、图像变 换，有意的篡改，传输过程中的噪声影响，能否抵抗这些攻击是衡量水印算法好 坏的重要依据。 从待检测的作品中提取检测水印的过程是水印的提取，检测。水印的提取与 检测不同，水印的检测有时并不需要把水印完整的提取出来，由于嵌入的水印信 号并不一定都是有实际意义的信号，有时候可能是一串毫无意义的伪随机序列， 这时水印的提取就显得无关重要，而只需通过检测算法判断是否被嵌入了水印即 可。很多检测算法通过相关检测来实现水印检测算法