（信号与信息处理专业论文）基于纠错编码的数字图像水印技术的研究.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 数字水印是信息隐藏技术的一个重要分支，它主要通过在媒体信息中嵌入标记信号( 数 字水印) ，为媒体信息在防伪、防篡改、认证、保障数据安全和完整性等方面提供有效的 技术手段。目前数字水印技术研究所选取的原始图像以灰度图像为主，使得数字水印技术 的应用范围受到限制，本文针对彩色图像水印算法进行了研究。 本文在介绍了数字水印常见算法以及纠错编码、小波分析等基础理论后，首先研究了 基于编码理论的图像数字水印算法，针对灰度图像水印的特点介绍了其灰度值的汉明码、 b c h 码、r s 码以及卷积码编码，然后用量化法实现了水印信号的嵌入和提取。本文接着 探讨了一种有效的抵抗压缩攻击的彩色图像数字水印算法，算法对i n o u e 的利用小波重要 系数算法的水印嵌入和提取规则进行了改进，并将其应用到彩色图像数字水印算法中。本 文还研究了一种基于h v s 的彩色图像数字水印改进算法。该算法将彩色图像作为水印信 息嵌入到原始彩色宿主图像中，使水印信息丰富、具有现实意义；算法对原始彩色水印图 像进行了置乱加密预处理，提高了算法的安全性和水印抵抗攻击的能力：算法还改变了人 们在基于离散小波变换算法水印嵌入时多把小波图像低频系数排除在外的做法，使我们对 小波图像低频系数有了新的认识。 本文对所提到各种算法作了编程仿真研究，对产生的水印进行了实验比较。试验结果 表明，所提改进算法产生的水印鲁棒性和不可见性都很好，实用性强。 关键词：数字水印，纠错编码，小波变换，h v s ，图像置乱 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t d i g i t a lw a t e r m a r k i n gi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tb r a n c ho ni n f o r m a t i o nh i d i n g i tc a n p r o v i d ee f f e c t i v ep r o t e c t i o nf o rd i g i t a lm e d i af o r g e r y , f a l s i f i c a t i o n ，a u t h e n t i c a t i o n , s e c u r i t ya n d i n t a c t n e s sb ye m b e d d i n gas p e c i a lm a r k ( d i g i t a lw a t e r m a r k ) i n t ot h em u l t i m e d i ad a t a t h e c u r r e n ta p p l i e dr a n g eo fd i g i t a lw a t e r m a r k i n gt e c h n i q u ei sl i m i t e dg r e a t l yb e c a u s et h eg r a yv a l u e i n l a g e sa lew i d e l ys e l e c t e da so r i g i n a li m a g e s t h e r e f o r e ，r e s e a r c h e si nt h i sp a p e rm a i n l yf o c u s o nt h ew a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g i e sf o rc o l o ri m a g e s ，w h i c ha r ed e s c r i b e da sf o l l o w s ： a f t e rt h eu s u a la l g o r i t h m so fd i g i t a lw a t e r m a r k i n g 、m e t h o do fc h a n n e lc o d i n ga n dw a v e l e t t r a n s f o r ma r ei n t r o d u c e d ，a ni m a g ed i g i t a lw a t e r m a r k i n gm e t h o db a s e do nc o d i n gt h e o r ya r e d i s c u s s e d o nt h eb a s i so ft h ef e a t u r e so fg r a yi m a g ew a t e r m a r k i n g ，t h eh a m m i n gc o & 、t h e b c hc o d e 、t h er sc o d ea n dt h ec o n v o l u t i o nc o d eo ft h ei m a g e sg r a yv a l u ea r ei n t r o d u c e d t h e e m b e d m e n ta n de x t r a c t i o no ft h ew a t e r m a r k i n gs i g n a l sa r ei m p l e m e n t e db yu s i n gt h eq u a n t i z i n g a l g o r i t h m s t h e n , a ne f f e c t i v ed i g i t a lw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m f o rc o l o ri m a g e sa g a i n s t c o m p r e s s i o ni sp r o p o s e d i ti m p r o v e se m b e d d i n ga n de x t r a c t i n gp r i n c i p l e sb a s e do ni n o u e s s i g n i f i c a n tw a v e l e tc o e f f i c i e n t sa l g o r i t h m ，a n di t i su s e di nd i g i t a lw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mf o r c o l o ri m a g e s a l s o ，a ni m p r o v e dd i g i t a lw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mf o rc o l o ri m a g e sb a s e do i lh v s i sr e s e a r c h e d i te m b e d sac o l o rd i g i t a lw a t e r m a r ki n t oa no r i g i n a lc o l o ri m a g ew h i c hm a k e st h e w a t e r m a r k i n gm o r em e a n i n g f u l t h ea l g o r i t h r ns c r a m b l e st h eo r i g i n a lw a t e r m a r k i n gi m a g ei n p r e t r e a t m e n t ，w h i c hi m p r o v e st h ea b i l i t ya g a i n s ta t t a c k so ft h ea l g o r i t h m t h ew a t e r m a r ki s e m b e d d e di nt h el o w f r e q u e n c ys u b b a n d ，w h i c hg i v e su sa n e wc o g n i t i o n t h i sp a p e rc a r r i e so nv a r i o u so ft h ep r o g r a m m i n gs i m u l a t i o nr e s e a r c ht ot h ea l g o r i t h m m e n t i o n e d t h e nw eh a v es o m et e s t st oc o m p a r et h ed i f f e r e n tw a t e r m a r k i n g t h et e s tr e s u l t s p r o v et h em e t h o dh a sg o o dr o b u s t n e s sa n di n v i s i b i l i t yo fw a t e r m a r k i n g i t sc r e d i b i l i t ya n d p r a c t i c a l i t ya r ev e r yw e l l k e yw o r d s ：d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ，c h a n n e lc o d i n g ，w a v e l e tt r a n s f o r m ，h u m a nv i s u a ls y s t e m ， i m a g es c r a m b l i n g n 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：触日期：金q ! 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。 研究生签名：二燃导师签名：参基! 亟鳖日期：邋。丝f2 南京邮电大学i 燹士研究生学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 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，同时网络的逐渐普及也使得信息的发布和 传输较以往任何时候都更为容易，这些优点为电子图书馆、在线服务和电子商业等先进的 多媒体服务提供了广阔的发展前景，但这也导致了数字信怠传输的安全及数字产品版权等 闯题的霉益严重。因此，如何防止数字产品( 如图像、音频) 等被侵权、盗版和随意篡改， 避免给被盗用者带来巨大的经济损失，已经成为了世界各国急待解决的热门课题。 传统的信息安全技术基本上都是以密码学理论为基础，无论是采用先前的密钥系统还 是公钥系统，其保护方式都是控制文件的存取，即将文件加密成密文，使非法用户不能解 读。但随着计算机处理能力的快速提高，这种通过不断增加密钥长度来提高系统密级的方 法越来越不安全。近年来提出的数字签名等技术已用于检验短数字信息的真实可靠性，并 已形成了数字签名标准；但这种数字签名在数字图像、视频或音频审的应用并不方便也不 实际，因为在原始数据孛需要嵌入大量的签名。因此，寻求一种不同予传统技术的更加有 效豹加密手段，来保证数字信息的安全传输和保护数字产品的版权跫迫在眉睫。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。数字水印是一种有效的数字产品版权 保护和数据安全维护技术，是信息隐藏技术研究领域的一个重要分支。它将具有特定意义 的标记( 水印) ，利用数字嵌入的方法隐藏在数字图像、声音、文档、视频等数字产品中， 溺以证明剖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，从丽成为知识产权保护和数字多媒体防伪的 有效手段。这种技术一方面弥补了密码技术的缺陷，因为它可以为解密质的数据提供进一 步的保护；另一方面，也同时弥补了数字签名技术的缺陷，因为它可以在原始数据中一次 性嵌入大量数据，正由于数字水印技术在版权保护、数据鉴别、数据检测、用户跟踪以及 保密通讯等领域有着广泛的应用前景，因而， 快的热点技术。 因常生活中见到的景色几乎都是彩色的。 已成为当前多媒体信息安全研究领域发展最 多媒体，如电影电视中的大多数洒面也都是 以彩色为主，各种艺术品更是离不开颜色这个可以表达艺术家独特风格的重要因素。颜色 是各种图像内容组成的一个基本要素，其能包含和揭示文字和灰度图像所无法直观表达的 很多信息。当前，数字水印技术研究所选取的原始图像还以灰度图像为主，这样使得数字 水印技术的应用范围受到极大的限制。本课题针对彩色图像水印处理进行研究，可以拓展 l 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一苹绪论 水印技术在多媒体作品和各类艺术作品的版权保护和身份鉴定的应用，从而扩展了数字水 印技术的应用范围。 通过以上的介绍可以看出，在当今知识信息爆炸的年代，数字产品的版权保护以及数 字信息的安全传输是摆在人们面前需要迫切解决的问题，而数字水印技术将是解决这些问 题的一种极为有效和极具潜力的技术，同时它又是一个多学科交叉的研究领域，这给研究 工作提出了相当的挑战性以及宽广的研究空间。因此，无论从理论角度还是应用角度看， 开展在数字水印领域的研究，都具有重要的学术意义和深远的经济意义。 1 2 国内外研究现状 从公开发表的文献来看，匿际上在数字承印方瑟的研究正方兴未艾，并且由予大公司 的介入和美国军方及财政部的支持，该技术研究的发展速度非常快。1 9 9 8 年以来，“i e e e 图像处理、“i e e e 会报 、“i e e e 通信选题”、“i e e e 消费电子学”、等许多国际重要期刊 都组织了数字水印的技术专刊或专题新闻报道。 在美国，以麻省理工学院媒体实验室为代表的一批研究机构和企业已经申请了数字水 印方面的专利。1 9 9 8 年，美国政府报告中出现了第一份有关数字图像数据隐藏的a d 报告。 至2 0 0 2 年，已支持或开展数字承印研究的辊构既有政府部羹，也有大学和知名企业，它 们包括美国财政部、美国版权工作组、美国空军研究院、麻省理工学院、伊利偌斯大学、 剑桥大学、s o n g 公司、n e c 研究所、圜本n w 信息与遗信系统研究中心、荷兰的菲利清 公司等等。 。 一些公司邑推出它们的数字水印技术软件工具和服务，例如，a d o b e 公司已将d i g i m a r 公司开发的数字水印技术p i c t u r em a r e 集成到它的成品p h o t o s h o p 4 0 中。至今为止，国际 上对于数字水印技术还处于研究探索阶段，还未制定出统一静国际标准。 我国学术界对数字水印技术的反应也非常快，已经有相当一批有实力的科研机构投入 到这一领域的研究串来。为了促进数字水印及其他信息隐藏技术的研究和应用，1 9 9 9 年 1 2 月，我国信息安全领域的何德全院士、周仲义院士、察吉人院士与有关应用研究单位联 合发起召开了我国第一属信息隐藏学术研讨会。2 0 0 0 年薹月，由国家“8 6 3 智能机专家 组和中科院囱动化所模式识别国家重点实验室组织召开了数字水印学术研讨会，来自国家 自然科学基金委员会、国家信息安全测评议证中心、中国科学院、北京邮电大学、国防科 技大学、清华大学、北方工业大学、上海交通大学、天津大学、中国科技大学、北京大学、 北京理工大学、中出大学、北京电子技术应用研究所等单位的专家学者和研究人员深入讨 论了数字水印的关键技术，报告了各自的研究成果。从这次会议反映的情况上看，我国相 关学术领域的研究与世界水平相差不远，丽且有自己独特的研究愿路。但就研究成果来说， 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一牵绪论 大多局限在初始阶段，尚未形成一个完整的理论知识体系，丽且还没有商业化的软件推出， 在实际领域中的应用还十分有限。 到目前为止，数字水印从研究对象上看主要涉及图像水印、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直 接大量的应用需求。另外视频水印也吸弓| 了一些研究人员，由于视频可以看成时一空域上 豹连续盈像序列，从某种意义上讲，它与图像水印的原理菲常类似，许多图像水印的研究 结果可以直接废用于视频水印上。但两者有一个重要的差别在于处理信号的数量级上，特 别是视频水印需要考虑实时性问题。 1 3 数字水印技术的应用与前景 1 。3 1 数字水印的主要应用领域 虽然数字水印产品只是近几年才出现，但其应用前景和应用领域将是巨大的，总的来 说，数字水印技术有以下一些主要应用领域。 1 版权保护 数字作品的使用者用密钥产生一个水印，并将箕嵌入原始数据，然霜公开发布他的水 颦版本作品。当该终品被盗版或者出现版权纠纷时，所有者可利用从盗版作品或水印作品 中获取水印信号作为依据，从两保护所有者的权益，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 图像认证 认证的目的是检测对图像数据的修改，可用易碎水印( f r a g i l ew a t e r m a r k ) 来实现 图像认证。为便于检测，易碎水印对某些变换( 如压缩) ，具有较低的稳健健，而对其他 变换的稳健性更低。因而在所有的数字水印应用孛，认证水印具有最低级别的稳健性要求。 3 。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外的带宽，且不易丢失。 4 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。为实现该酵的，通常将原始图像分成多个独立块，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中的水翻信号来确定作品的完整性，与其 他东印不同的是，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。 3 南京酃电大学硕士研究生学位论文第一荦缯论 5 使用控制 在多媒体发行系中，人们希望有一种拷贝保护机制，即它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次，僵不允许从该拷贝蒋进一步制作拷煲。现 今世界各大知名公司如i b m 、n e c 、s o n y 等，都在加速数字水印技术的研制和完善。 1 3 2 数字水印技术的发展前景 数字水印技术在产业化道路上已经迈开步伐，起初仅仅作为图像处理软件的攥件，诱 今已经开始向大型商业化软件发展呈现出面向i n t e m e t 、多种技术集成的趋势。主要发展 主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 面向电子商务，提供服务器端的完整性保护和客户端的数据认证。 ( 2 ) 建立水印认证中心，提供网上各种服务。 ( 3 ) 开发基于数字水印技术的数字作品电子销售系统，提供究整的安全和版权保护 机制。 ( 4 ) 必各种付费点播服务，提供基于流媒体技术的服务。 ( 5 ) 结合人工智能技术，开发水印a g e n t 自动追踪版权标志。 ( 6 ) 面向更广泛的数字媒体，如三维动画、数字地图等，开发基于数字水印的安全 保护产品。 。 ( 7 ) 使用各种生物认证技术( 如指纹、视掰膜) 构造专入标识水印。 今后，数字水印技术还可能成为保护阏页，防止毒# 法篡改和盗用的一种有效手段。电 子票据的水印技术也将得到更多的研究。随羞数字化产品在中国的普及，特别是i n t e m e t 的飞速发展，电子商务会加速发展，其中如何有效保护产品的产权将成为厂商极为关注的 闯题。有识之士应抓住机会，研制出我们自己的数字水印产品，以适应新技术的发展。 1 4 本文研究方向和章节安排 作为一个技术体系，数字水印还不是报完善，每个研究人员的介入角度各不相同，所 以研究方法和设计策略也各不相同，但都是围绕着实现数字水印的各种基本要求进行设 计。本课题主要研究在彩色图像中加入水印的技术与方法。论文写作结构安排如下： ( 1 第一章为绪论，根据目前的形势提出了本课题研究的意义，并介绍了数字水印 技术的研究现状。 ( 2 ) 第二章介绍了数字水印基础知识，概述了它的基本框架、分类、应用领域，常 4 南京邮电大学硕士研究生学彼论文 第一荦绪论 见的数字水印算法及评价指标等。 一 ( 3 ) 第三章介绍了纠错编码理论，因为本文研究的水印都是在对其进行纠错编码过 程以瑶嵌入图像的。纠错编码提高了水印的鲁棒性。 ( 4 ) 第四章介绍文中用到的数学知识，介绍小波分析基础理论，图像二维离散小波 的分解与会成等。因为本文提出的算法都是基于离敖小波变换的，所以，这一章的介绍能 很好地帮助我们理解文中研究的算法。 ( 5 ) 第氨章研究了一种抗压缩的彩色图像数字水印算法，该算法是对i n o u e 的利用小 波重要系数的嵌入水印算法进行了改进，解决了其在加大数据量时原始宿主图像上出现 “格子”的情况，并将其应雳到彩色图像嵌入水印的算法孛。本文对算法进行了仿真实验， 得到的结果显示了提出的算法在彩色图像数字水印抗压缩方面取得了很好的效果。 ( 6 ) 第六章探讨了一种基予h v s 豹彩色图像数字水印改进算法。该算法将彩色图像 作为水印信息嵌入到原始彩色宿主图像中，使水印信息获得了极大的丰富，极具现实意义； 算法对原始彩色永窜图像进行了置乱加密预处理，提高了算法的安全性和水印抵抗攻击的 能力；算法还改变人们在基于离散小波变换算法水印嵌入时多把小波图像低频系数排除在 辩的做法，使我们对小波图像低频系数有了新的认识。 ( 7 ) 第七章是对全文的总结及展望，指出本文所做的研究工作，课题研究过程中的 心得和体会，并指出了数字水印未来的研究重点。 5 南京邮电大学硬士研究生学位论文第二章数字水印技术概述 第二章数字水印技术概述 2 1 数字水印的概念 水印是一种图案或标记，根据一定的方法嵌入在某种媒介( 纸张、图像等) 中，用来 辨别真伪，辨识该媒体的版权所有者和合法拥有者的身份。 当前所研究的数字水印技术，它与传统水印技术有着较大差别。传统水印技术是在纸 带成型过程中，利用阙上成型技术，在纸页刚刚交织形成还带有水分时，通过特殊王艺使 湿纸页组织变位，形成各种标记和图案，在普通可见光源透射的条件下，可以看到隐藏在 纸张中的清暾的水印图案，这种技术被广泛应髑于钞票、邮票、发票和证券等有价证券的 防伪技术中。 数字水印是实现数字作品版权保护的有效办法之一，因此如今已成为多媒体信息安全 研究领域的个热点，也是信息隐藏技术研究领域的重要分支，该技术通过在原始数据中 嵌入秘密信息来证实该数据的所有权。 具体地，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 数据中嵌入隐藏的标记，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【。 这种被嵌入的水印可以是任何形式数据如一段文字、标识、序列号等，而且这种水印 通常是不可见或不可察的，它与原始数据( 如图像、音频、视频数据) 紧密结合并隐藏其 中，隐藏的信息需要具备以下特征才能称作数字水印： 1 透明性 应该尽量使观察者觉察不到水印的存在，加入水印后，对图像康量的影响越小越好。 这样，可以迷惑盗版者，使健无法知道图像是否加入了水印，从丽减少图像被攻击的可能。 2 鲁棒性 水印的鲁棒性是指在经历多种无意或有意的信号处理过程后，数字水印仍能保持完整 住或仍能被准确鉴别，可能的信号处理过程包括信道噪声、滤波、数模与模数转换、重采 样、剪切、位移以及有损压缩编码等。鲁棒性是数字水印的主要特点之一。 3 。确定性 水印所携带的信息必须能够被准确地鉴别，丽且提取应该是容易的，不能消耗太大的 人力物力，无需另外的专业设备、专门的技术。进一步说，即使遭到了一定的破坏，水印 仍然能被鉴别。 数字水印是信息隐藏学的一个重要分支，除了应具备信息隐藏技术的般特点外，还 矗 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第= 罩数孚水印技术橇述 有着其固有的特点和研究方法，与隐蔽通信相比其鲁棒性要求更突出，它要求隐蔽的信息 能够抵抗各种无意或恶意的攻击。虽然水印并不是都要隐藏起来( 如可见数字水印) ，但 一般数字水印系统还是强调透明性，由于隐藏信息量的限制，必须在鲁棒性和透明性之间 寻求个最佳结合点。 数字水印的很多思想和密码学的思想相似，但就加密方法来说，数字水印有一些独特 的性能。如水印和原始数据的不可分割性，一盈嵌入便不能( 很难) 修改、删除，不像加 密信息在解密蜃便失去了约束力。另外，出于水窜的透明性，攻击者不知道水印的存在， 降低了攻击者的兴趣，从褥提高了安全性。 2 2 数字水印系统的基本框架 下面我们根据v o y a t z i s 和p i t a s l 2 】提出的思想，对数字水印的基本框架进行介绍。尽管 数字水印有各种形式，通常我们可以定义水印为如下的信号： w 拦 缈( 七) lo j ( k ) 仨u ，kg 矽d ) ( 2 1 ) 这里矿d 表示维数为d 的水印信号域，d = 1 , 2 ，3 分别表示声音、静止图像和视频中的 水印。实际嵌入的信息往往是某产品的版权信息，商业图标等具有实际意义的信息，为了 信息安全和适应水印算法设计，原始信息一般会经过置乱或调制处理。序列可以是二值或 多值的，例如单僮序列( u = 0 ，l ) 、双极性序列( u = - 1 ，l ) 、高斯嗓声序列等。 般通用水印系统框架可定义为一个六元系统( x ，w ，k ，g ，置d ) ，即： ( 1 ) x 代表被保护的数字产品的集合。 ( 2 )w 代表所有可能水印信号的集合。 ( 3 ) k 是标识码( 也称为水印密钥) 的集合。 ( 4 ) g 表示利用密钥k 和待嵌入水印的x 共同生成水印的算法，即： g ：x x k _ w ，w = g ( x ，鬈) ( 2 - 2 ) ( 5 ) e 表示将水印信患矽嵌入数字产品氙中的嵌入算法，即： 置；x o w x w ，而= 互( x o ，矽) ( 2 - 3 ) 这里x o 代表原始的数字产品，勘代表嵌入水窜后得到的数字产品。 ) d 表示水印检测算法，即t d：xxk专o，l(2-4) 耻叫l ，翥嚣票喜墨戮， 泣5 其中e 和熊代表二值假设，分别表示水印的有无。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二犁致字水即技术概述 以上就是用于数字产品版权保护的水印系统框架模型，整个数字水印系统由水印信息 的生成、水印信息的嵌入、水印信息检测等几个算法模块组成。首先引入密钥k ，利用水 印信息的生成算法g 构造水印信息，实现水印信息的安全保护；其次通过嵌入算法露将水 印信息嵌入到数字产品中；最后通过水印信息检测算法d 提取水印信息检验是否与原始水 印信息相符，来判断水留信息是否存在予数字产品之中，从焉达到证鹳数字版权的嗣的。 通用的数字水印算法包括两个方面：水印的嵌入和水印的提取及检测，纵观近几年相 关的报道和文献，数字水印技术无论是整体框架构思还是具体实现细节设计，可以说是酉 花齐放、百家争鸣，各种设计思想往往取决于具体设计人员的研究背景和不同的设计角度。 通过对各种水印算法的深入分析，数字水窜的整体设计方案可以用图2 1 和鎏2 1 2 来概括 描述。 农印信息雾一一一一一一一一一。 ： 。 ： 原始信惠薹 ( 图像、视频、 密锈x 原始信息媒体i 含承窝豹媒铬 ( 图像、视频、 圈2 1 数字水印嵌入过程基本框图 密罨吩k 一一一。一： 印豹媒体信息歹 鼹壤承翠嵇惠 娥置信度检测 图2 2 数字水印提取过程基本框图 2 。3 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，它们之间是既 有联系又有区剃的，最常见的分类方法包括以下凡类。 2 3 1 按水印特性划分 按特性可将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 字产品中标识著作权信息，如作者、作晶序号等，它要求嵌入的水印能够经受各种常用的 编辑处理；脆弱水印主要用予完整性的傈护，与鲁棒水印的要求相反，脆弱水印必须对信 号的改动非常敏感，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 3 2 按水印所附载的媒体划分 8 堕室塑皇奎堂堡主婴壅兰堂垡堡塞墨三兰鍪羔查! 整查堡整 按水印所附载的载体数据，我们可以将东印划分为墅像水印、音频水印、视频水印、 文本水印以及用于三维网格模型的网络水印等。随着数字技术的不断发展，会有更多种类 的数字媒体出现，同时也会产生相应载体的水印技术。 2 。3 3 按水印检测过程划分 按水印的检测过程可以将水印划分为非盲水印( n o n b l i n dw a t e r m a r k ) 、半盲水印 ( s e m i n o n b l i n dw a t e r m a r k ) 和盲水印( b l i n dw a t e r m a r k ) 。非盲水印在检测过程中需要原始 数据和原始水印的参与：半富水窜则不需要原始数据，但需要原始水印来进行检测；盲水 印的检测只需要密锈，既不需要原始数据，也不需要原始水印。一般来说，毒# 富水印的稳 健性比较强，但其应用受到存储成本的限制，豳前学术界研究的数字水印大多数是半盲水 印或者盲水印。 2 3 4 按水印内容划分 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于一 个序列号或一段随机数。有意义水印的优势在于，如果由于受到攻击或其他原因致使解码 后的水窜破损，人翻仍然可以通过观察确认是否有水窜。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。 2 。3 s 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，我们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。一般说 来，伪币的制造者不可能对票据图像进行过多的修改，所以诸如尺度交换等信号处理操作 是不用考虑的。但另一方面，人们妊须考虑票据破损、图案模糊等情形，丽盈考虑到快速 检测的要求，用于票据防伪的数字水印算法不能太复杂。 版权保护水印是邂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稳健性，而对水印数据量的要求相对较 小。 篡改提示水印是一种脆弱水印，其目的是标识载体信号的完整性和真实性。 隐蔽标识水印的舀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。 2 。3 。6 按水印隐藏的位置划分 拿 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二荦羧孑求目l 技术襁述 按数字水印的隐藏位置，我们可将其划分为时( 空) 域数字水印、变换域数字水印。 时( 空) 域数字水印是直接在信号空间上叠加水印信息，而变换域水印则包括在d c t 域、 d f t 域和小波变换域上隐藏水印。 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上 述四种。应该说，只要构成种信号变换，就有可能在其变换空间上隐藏水印。 2 4 数字水印算法简介 数字水印技术横跨了信号处理、数字通信、密码学、模式识别等多种学科，各专业领 域的研究者均有独特的研究角度，其算法可谓是五花k r - j ，主要有以下几种： 2 4 。1 最低有效位算法 最低有效位算法( l s b ) 是r 。qv a ns c h y n d e l 等人1 3 1 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。其设计思想是利用人眼视觉特性在对数字图像亮色等级 分辨率上的有限性，将需要隐藏的信息直接按位替换到数字图像最低有效位，达到传递秘 密信息的髓的。 l s b 算法使用特定的密钥通过m 序列发生器产生随机信号，然后按一定的规则排列成 二维水窜信号，并逐插入到原始图像相应像素值的最低几位。由予水印信号隐藏在最低 位，相当予叠加了一个能量微弱的信号，因瑟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的。 l s b 算法虽然可以隐藏较多的信息，但隐藏的信息容易被移去，无法满足数字水印的 鲁棒性要求，因此现在的数字水印软件已经很少采用l s b 算法了。不过，作为一种大数据 量的信息隐藏方法，l s b 在隐蔽通信中仍占据着相当重要的地位。 2 4 2p a t c h w o r k 算法 p a t c h w o r k 算法是麻省理工学院媒体实验室w a l t e rb a n d e r 等人【4 l 提磁的一种数字水印 算法，主要用予打印票据的防伪。 p a t c h w o r k 算法是一种基于统计学上的方法，它是将一幅图像中点的一个子集分成两 个集合，其中一个集合中的点都做正向改变，而另外个集合都以相同的单位做负向变化。 即使这幅图像被分成几个区域，且每个区域中加入不同的数值，应用这种方法在一幅图像 内可以加入的信息量也是有限的。该算法鲁棒性很强，可以有效地抵御剪切、灰度校正、 有损压缩等攻击，其缺陷是数据量较低，对仿射变换敏感，对多拷贝平均攻击的抵抗力较 弱。 2 4 3 文本微调算法 1 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二擘致孚承印技术橇述 文本微调算法f 5 j 是b r a s s i l 等入首先提出，用子在p s 或p d f 文档图像中隐藏数字水印， 水印信息通过轻微调整文档中的结构来完成编码，这主要包括垂直移动行距、水平调整字 间距、调整字符特性等。基于此方法的水印能抵御攻击，其安全性主要靠隐蔽性来保证。 2 4 4 直接序列扩频水印算法 扩频水印算法是扩频通信技术在数字水印中的应用两，与传统的窄带调制通信方法不 同，扩频通信将待传递的信息通过扩频码调制艏散布予非常宽的频带中，使其其有伪随机 特性，收信方通过相应的扩频码进行解扩，获得真正的传输信息。 扩频避信具有抗干扰性强、高度保密的特性，在军事上应用广泛。事实上，扩频通信 也可以看作是一种无线电密写方法，抛开其信息论方面的理论依据不讲，单从感知的角度 考虑，扩频通信之所以具有保密性，就在于它将信息伪装成信道噪声，使人无法分辨。 扩频水印方法与扩频通信类似，是将水印信息经扩频调制后叠加在原始数据上。从频 域上看，水印信息散布于整个频谱，无法通过一般的滤波手段恢复，如果要攻击水印信息， 则必须在所有频段上加入大幅度噪声，这无疑会严重损坏原始数据的藏量。 2 4 5d c t 变换域数字水印算法 d c t 变换域数字水印是冒翦研究最多的一种数字水印，它具有鲁棒性强、隐蔽性好的 特点1 7 , 8 , 9 1 。其主要思想是在图像的d c t 变换域上选择中低频系数叠加水印信息。之所以选 择中、低频系数，是因为人眼的感觉主要集中在这一频段，攻击者在破坏水印的过程中， 不可避免地会引起图像质量的严重下降，般的图像处理过程也不会改变这部分数据。 2 4 6 小波域水印算法 由于小波变换具有多分辨分析特点，能充分反映人类的视觉特性，因而在小波变换域 研究水印是极为重要的瑟0 , 1 1 , 1 2 1 。基于d w t 的数字水印算法的基本思想和基于d c t 的数字 水印算法思想是基本样的1 1 3 , 1 4 1 ，但是毒于基于d w t 的数字水窜算法具有多分辨特性， 水印的嵌入变得更为灵活【1 5 】。 2 4 。7 压缩域水印算法 基于j p e g 、m p e g 标准的压缩域数字水印系统不仅节省了大量的完全解码和重新编 码过程，而且在数字电视广播及v c d 中有很大的使用价值。相应地，水印检测与提取也 直接在压缩域数据中进行。 2 4 8 其它水印算法 除了上述典型的算法外还有针对计算机图形学中常用的三角形网络模型捷出的网格 水印等其它水印算法。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二犟数擎水e p 技术橛述 2 。5 数字水印算法的评价指标 不论选用什么样的水印和什么样的嵌入方式，都是根据不同的应用和需要而设计的， 那么如何检验水印算法合适昵? 到目前为止，还没有令人满意的解决方法，网时，制订水 印算法的衡量标准也是目前的研究热点之一，下面介绍一些常用的检测参数。 1 不可觉察性( i m p e r c e p f i o n ) ：这是检验不可见水印的首要要求，它要求水印信号不 能比宿主信号强，用户应该无法从含有水印图像中直接看出水印，常用的检测算法是找 些观察者，让他们观察含水印的图像并做出各蠢的翔断。 2 峰值信嗓比( p s n r - p e a ks i g n a l - t o n o i s er a t i o n ) - 就是把嵌入信号看作是加载在 宿主豳像上的噪音，观察其峰值信噪比，尽管这一引用不是很精确，但是在某种程度上， 它还是能够很好地比较水印的稳健性。其计算公式如下：厂为宿主信号，w 为水印信号， 兀为含水印信号，( 珑，抑) 为像素点，为像素总个数。 p ，谫【裁竺：竺竺墅芝! ：! 竺：生；】2 ( 2 - 6 s n r ( f = l o l o g )p m 夏磊菘募焉斋1 厶v ( 肿。一) 、 v ， ，v ， 3 归一化汉明距离：若水印信号是二进制序列，则可以计算提取水印信号与嵌入水印 信号之间的归一化汉明距离来检测其相似性。计算方式如下，其中珥与蛾分别表示嵌入水 印信号和提取水印信号，代袭水印长度，囝为异或运算。 蠢( 访端寺似d o 谛( 磅 、( 2 - 7 ) 4 相关系数：为了检测提取水印信号和嵌入的水印信号之间的相似性，一般可以通过 计算他们的归一化相关系数( n c ：n o r m a l i s e dc r o s s c o r r e l a t i o n ) ，计算方法如下：其中雌 与也分别表示嵌入水印信号和提取水印信号，代表水印长度，对于鲁棒型水印系统，一 般在有信号失真时，n c ( w ，访) 值越大越好，而对于易碎水印系统，则n c ( w ，谚) 值越小 越好，这样有助于提高检测的可信度。 n c ( w , 奶= 以f ) 议d = l ( 2 毒) 水印存在与否的判断标准为：若n c ( w , 韵 t 则可以判定被测图像中有水窜存在，否 则没有水印。f 的选择要同时考虑虚警概率和漏警概率，f 减小，潺警概率降低焉虚警概 率提高，z 增大，则虚警概率降低恧漏警概率提高。 1 2 堕京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章数字水印技术概述 5 计算复杂度：对于各种应用和要求的水印算法，计算复杂度是考证水印算法是否合 适的一种重要指标，但不同的应用范围对计算复杂度的具体要求有所不同，如对于m p 3 攒放来说，水印的提取要求具有实时性，毽对予静止露像，要求具有较高的稳健性，困此 对于计算复杂度的要求反而不是很高。 1 3 诲京邮电大学硕士研究生学位论文第三章数字求印中的纠错码 第三章数字水印中的纠错码 水印系统存在各种攻击与干扰，为了提高水印抵御干扰的能力，本文采用前向纠错技 术( f e c ，f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n ) 来纠芷水印误码率。所谓前向纠错就是在发送端对需 要发送的数据进行纠错编码然盾发送，接收端对这些具有自纠正能力码字进行解码。在对 水印进行的滤波、压缩、剪切、扭曲等搡作后，水印的误码主要表现为随杌型、突发型以 及随桃与突发混合型误码，这些各类错误需要采用纠错编码技术来纠正。在数字水印的发 展过程中，不少学者也把纠错编码应用于水印之中，以获得水印性能的提升。 线性分组码的定义如下： 如果原信息分组序列为m = ( m o ，m l - m ，m 2 * - i ) ， 其中， m i 鬻( b 阳，b f i b i ( 1 一i ) ) ，若按线性关系在m ，中增加监督码元( 歌，b t ( 川，岛( 州) ) ， 则生成的新的码字序列崩= ( 甄，羁，m “i ，m 2 ) 为( r , 七) ) 线性分组码，其中， 鹤= ( ，6 l ，b t ( k - d , ，川) ) 。 如果用线性方程组表示，可写为： = a j i 岛o + 呸2 岛l + + q 女岛( 1 ) 1 ) 2 啦l 魏。+ 锄龟l 氓岛l ( 3 - 1 ) i 2 j i ( 1 i 拦q l 岛o4 - a r 2 包l + + 岛( 1 1 ) 其中，1 = 1 1 一k 为监督码元数，系数a u 芒( o ，1 ) 。 式( 3 。1 ) 也可改写为： + 露l 岛( 七一1 ) + + o + 0 = 0 + a 2 k b i k - 1 ) + o 蘸( 1 + l ，o + 0 = 0 + 罐，蠹魏( 一1 ) + o + + o + 岛( 舻1 ) 搿0 若用矩阵表示，可写为： a t ta t 2 掰2 la 2 2 a ，ia ，2 a l t1 0 00 a 2 l01 0 0 a 成0 0 01 b i o 或， 玩( 川) 1 4 一h 。 b j o b 锺 魏( 川) ( 3 2 = 0( 3 。3 ) + + + 嘛碥 编 + + + o 9 o 知跏 跏 掰 群；辟 南泶邮电大学硕士研究生学位论文第三镦数字水印中的纠错码 其中，融 岛| 壤2