（通信与信息系统专业论文）基于扩展变换抖动调制的数字水印方法.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 随着信息技术和计算机网络的飞速发展，数字多媒体信息的存储、复制与传 播变得非常方便，人们的同常生活与工作越来越趋向于数字化和网络化。而由此 引发的信息安全问题、盗版问题和版权纷争问题已成为只益严重的社会问题。在 此背景下，数字水印作为一种可在多媒体数据中隐藏信息的技术得到了学术界、 产业界及政府部门的广泛关注。 盲水印算法由于较高的应用灵活性被得到普遍的关注。而量化索引调制 ( q u a n t i z a t i o ni n d e xm o d u l a t i o n ) q i m 技术正是典型的一类盲水印算法。它在计算 复杂度与算法实现上的显著优势使其得到了广泛的应用。扩展变换抖动调制 ( s p r e a dt r a n s f o r md i t h e rm o d u l a t i o n ，s t d m ) 作为q i m 数字水印系列的一个重要 扩展，对于普通信号处理攻击具有较好的鲁棒性。本论文在s t d m 数字水印算法的 基础上，在嵌水印图像视觉质量的提高和多幅水印的同时嵌入两个方面进行了研 究。取得以下主要成果： 1 、通过分析扩展变换抖动调制( s t d m ) 水印理论与现有的视觉模型，提出 了一个新的方法将修正的视觉模型与扩展变换抖动调制相结合。即将载体向量的 视觉冗余向量沿某方向进行投影以此来获得载体向量在该方向上的最大不可见改 动，从而可以自适应的计算出s t d m 中所使用的量化步长。实验结果表明，所提出 的基于投影步长的方法可以更好的将视觉模型与s t d m 相结合，从而大大提高嵌水 印图像的视觉质量。与目前其他基于s t d m 的水印算法相比，我们所提出的算法在 高斯噪声、椒盐噪声、j p e g 压缩方面具有较高的鲁棒性。将此算法应用于视频的 逐帧保护中，其在抗击视频压缩方面具有较好的性能，能够在极低码率下实现水 印认证。 2 、在深入研究s t d m 单水印算法与d m 调制原理的基础上，提出了一个新的多 水印算法。它将原有的s t d m 单水印理论进行了扩展，使其应用于多水印领域。它 可以向载体的同一位置、同一变换域嵌入多幅水印，并且在检测端，嵌入的多幅 水印可以各自独立的被检测出来。另外，通过研究d m 调制器的性质和所提出的多 水印算法，我们进一步提出了一个优化算法。实验结果表明，所提优化算法可以 山东大学硕士学位论文 大幅提高嵌水印图像的视觉质量，并且所要嵌入的水印越多，图像质量提升的越 大。另外，我们还讨论了算法的几个典型应用，并且针对图像历史管理提出了基 于所提算法的连续水印嵌入技术。与目前已有的同类多水印算法相比，所提出的 多水印算法拥有更加广阔的应用范围，并且在对抗高斯噪声、椒盐噪声、j p e g 压 缩和图像倍增方面具有明显的优势。 关键词：数字水印、扩展变换抖动调制、w a t s o n 视觉模型、多水印、连续水 印嵌入 2 山东大学硕士学位论文 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 ft h ei n f o r m a t i o nt e c h n i q u ea n dc o m p u t e rn e t w o r k ， t h es t o r a g e ，c o p ya n dd i s t r i b u t i o no ft h ed i g i t a lm u l t i m e d i ai sb e c o m i n gm o r ea n dm o r e c o n v e n i e n t ，a n dp e o p l e sl i f ea n dw o r ki sb e c o m i n gd i g i t a l i z e da n dn e t w o r k - c o n n e c t e d s i n c et h e n ，i n f o r m a t i o ns e c u r i t y , p i r a t ea n dc o p y r i g h tp r o b l e mh a v ec o m et ob es o c i e t y p r o b l e m a g a i n s tt h i sb a c k g r o u n d ，d i g i t a lw a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g y , w h i c hc a nh i d e d i g i t a li n f o r m a t i o ni nm u l t i m e d i ap r o d u c t s ，i sr e c e i v i n gc a r e f u la t t e n t i o ni nt h es c i e n t i f i c r e s e a r c h e s ，i n d u s t r i e s ，a sw e l la st h eg o v e r n m e n t d u et oi t ss o u n da p p l i c a t i o nf l e x i b i l i t y , b l i n dw a t e r m a r k i n gs c h e m e s ( i e ， a l g o r i t h m si nw h i c ht h ew a t e r m a r kc a nb ee x t r a c t e dw i t h o u tr e s o r t i n gt ot h eo r i g i n a l u n m a r k e ds i g n a l ) ，h a v er e c e i v e dw i d e s p r e a da t t e n t i o n s q u a n t i z a t i o ni n d e xm o d u l a t i o n ( q i m ) i st h er e p r e s e n t a t i v em e t h o da m o n gt h o s es c h e m e s i ti sw e l lk n o w nt h a ts p r e a d t r a n s f o r md i t h e rm o d u l a t i o n ( s t d m ) ，a sa ne x t e n s i o no fq i m ，h a sg o o dp e r f o r m a n c ei n r o b u s t n e s st oc o m m o ns i g n a l p r o c e s s i n go p e r a t i o n i n t h i s p a p e r , t w on o v e l w a t e r m a r k i n gs c h e m e sa r ep r e s e n t e d ，o n eo fw h i c hc a ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h e f i d e l i t yo ft h ew a t e r m a r k e di m a g e ，a n dt h eo t h e ro n ec a ne m b e da n yq u a n t i t yo f w a t e r m a r k si n t ot h es a m ea r e aa n dt h es a m et r a n s f o r md o m a i no fo n ei m a g e t h ew o r k si nt h i st h e s i sa r e a sf o l l o w s ： 1 w ea p p l yan o v e lw a yt oi n c o r p o r a t et h ep e r c e p t u a lm o d e lw i t hs t d m f r a m e w o r kb a s e do nt h es t e p - p r o j e c t i o ni d e a t h a ti sp r o j e c t i n gt h ep e r c e p t u a ls l a c k so f t h eh o s tv e c t o ra l o n gt h ed i r e c t i o no ft h er a n d o mp r o j e c t i o nv e c t o rt oa d a p t i v e l ys e l e c t t h eq u a n t i z a t i o ns t e p e x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ep r o p o s e ds t e pp r o j e c t i o n b a s e da p p r o a c hc a ni n c o r p o r a t et h ep e r c e p t u a lm o d e l 、析t l ls t d mf r a m e w o r ki nab e t t e r w a y , t h e r e b yp r o v i d i n gas i g n i f i c a n ti m p r o v e m e n ti ni m a g ef i d e l i t y c o m p a r e dw i t h f o r m e rp r o p o s e dm o d i f i e ds c h e m e so fs t d m ，o u rb e s t p e r f o r m e ds c h e m e ， s t d m - s p v c n l ，p r o v i d e sp o w e r f u lr e s i s t a n c ea g a i n s tt h ec o m m o na t t a c k s ，e s p e c i a l l yi n r o b u s t n e s sa g a i n s tg a u s sn o i s e ，s a l t & p e p p e rn o i s ea n dj p e gc o m p r e s s i o n w ef a r t h e r p r o p o s e dav i d e ow a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mb a s e do ns t e pp r o j e c t i o nb a s e ds t d m e x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a to u rp r o p o s e ds c h e m eh a sg o o dr o b u s t n e s sa g a i n s t v i d e oc o m p r e s s i o n ，a n dc a np r o v i d ew a t e r m a r kc e r t i f i c a t i o ne v e nu n d e rt h ee x t r e m el o w c o m p r e s s i o nr a t e 3 山东大学硕士学位论文 2 an o v e lm u l t i p l ew a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mw a sp r o p o s e dw h i c hi m t i a l l ye x t e n d t h es t d m ，as i n g l ew a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m ，t ot h ef i e l do fm u l t i p l ew a t e r m a r k i n g a p p l i c a t i o n i tc a ne m b e da n yq u a n t i t yo fw a t e r m a r k si n t ot h es a m ea r e aa n dt h es a m e t r a n s f o r md o m a i no fo n ei m a g e ；m e a n w h i l e ，t h ee m b e d d e dw a t e r m a r k sc a nb ee x t r a c t e d i n d e p e n d e n t l ya n db l i n d l yi nt h ed e t e c t o rw i t h o u ta n yi n t e r f e r e n c e m o r e o v e r , t o i m p r o v et h ef i d e l i t yo ft h ew a t e r m a r k e di m a g e ，t h ep r o p e r t i e so ft h ed i t h e rm o d u l a t i o n q u a n t i z e ra n dt h ep r o p o s e dm u l t i p l ew a t e r m a r k se m b e d d i n gs t r a t e g yw e r ei n v e s t i g a t e d ， a n do n ep r a c t i c a lo p t i m i z a t i o nm e t h o dw a sp r o p o s e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a t t h eo p t i m i z a t i o np r o c e d u r ec a ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h eq u a l i t yo ft h ew a t e r m a r k e d i m a g e ，m e a n w h i l e ，t h em o r ew a t e r m a r k se m b e d d e dt h em o r eq u a l i t yi m p r o v e m e n t sc a n b eg a i n e d f i n a l l y , t oe n h a n c et h ea p p l i c a t i o nf l e x i b i l i t y , a ne x t e n s i o no fo u ra l g o r i t h m w a sp r o p o s e d ，w h i c hc a ns e q u e n t i a l l ye m b e da n yn u m b e r so fm u l t i p l ew a t e r m a r k si n t o t h ei m a g ed u r i n ge a c h s t a g eo fi t sc i r c u l a t i o n ，t h e r e b yr e a l i z i n gi m a g eh i s t o r y m a n a g e m e n t i n g e n e r a l ，c o m p a r e d 谢t l lt h ep i o n e e r i n gm u l t i p l ew a t e r m a r k i n g a l g o r i t h m s ，t h ep r o p o s e ds c h e m eo w n sm o r ef l e x i b i l i t yi np r a c t i c a la p p l i c a t i o na n di s m o r er o b u s ta g a i n s td i s t o r t i o nd u et ob a s i co p e r a t i o n ss u c ha sr a n d o mn o i s e ，j p e g c o m p r e s s i o na n dv a l u m e t r i cs c a l i n g 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 ，s t d m ，w a t s o n sp e r c e p t u a lm o d e l ，m u l t i p l e w a t e r m a r k i n g ，s e q u e n t i a lw a t e r m a r k i n g 4 山东大学硕士学位论文 符号说明 标量值 向量 矩阵 矩阵4 的转置 矩阵么的逆 a 的c 次幂 矩阵彳的第f 行第列的元素 向量a 的2 范数 口的自然对数 以c 为底的口的对数 a 的近邻取整 口的符号 指数运算 最值运算 5 力 力0例p曲口彳一矿删喇训硼酬刊训 山东大学硕士学位论文 缩略语简表 a s t d m a d a p t i v es p r e a dt r a n s f o r md i t h e rm o d u l a t i o n 自适应扩展变换抖动调制 b e rb i te r r o rr a t e误码率 c p t w g c o p yp r o t e c t i o nt e c h n i c a lw o r k i n gg r o u p拷贝保护技术工作组 d c t d m d i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r i l l d i t l l e rm o d u l a r i o n d m d cd i t h e rc o m p e n s a t i o nd m d f t d w t d j p e g l s b m p e g p s n r q i m s t d m 6 d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r n l d i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o r m j u s tn o t i c e a b l ed i f f e r e n c e 离散余弦变换 抖动调制 失真补偿抖动调制 离散傅立叶变换 离散小波变换 最小可察觉差 j o i n tp h o t o g r a p h i ce x p e r t sg r o u p联合图像专家组 l e a s ts i g n i f i c a n tb i t s m o v i n gp i c t u r e se x p e r t sg r o u p p e a ks i g n a lt on o i s er a t i o q u a n t i z a t i o ni n d e xm o d u l a t i o n s p r e a dt r a n s f o r md i t h e rm o d u l a t i o n 最低有效位 动态图像专家组 峰值信噪比 量化索引调制 扩展变换抖动调制 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 概述 1 9 4 6 年第一台电子计算机的诞生，为人类开辟了一个崭新的数字化时代，信 息技术“数字化 和“网络化 的飞速发展，使得人们对数字作品( 包括数字图 像、数字视频和数字音频等) 的访问和存取变得越来越快捷和方便，对数字信息 的共享和交流也达到了前所未有的广度和深度。人们不但可以通过互联网和 c d r o m 方便快捷地获得多媒体产品，而且可以毫无限制地编辑、拷贝和传播获 得的多媒体产品，这在最大限度地拓宽合法用户利益范围的同时，也使出于不同 目的的盗版和侵权行为有可乘之机，这使数字产品的版权制度受到了前所未有的 冲击。如何在网络环境下防止数字作品的任意复制和篡改，实施有效的版权保护， 成为了当前数字信号处理领域中一项重要而紧迫的研究课题【l 一。 密码技术作为信息安全领域的一项主要技术被广泛应用于传统的信息保护方 案中，即利用基于私有密钥或公共密钥的加密技术来控制数据的访问f 5 l 。它将明文 消息变换成旁人无法理解的密文消息。加密后的产品是可以访问的，但只有那些 具有j 下确密码的人才能正确解密。除此之外，还可以通过设置密码，使得数据在 传输时变得不可读，从而可以为处于从发送到接收过程中的数据提供有效的保护。 然而，密码技术对多媒体信息的保护存在局限性，并不能完全满足当前对多 媒体信息版权保护和信息安全的需求。一旦加密的数字产品被解密( 被合法用户 解密或恶意解密) ，产品就可以被毫无限制的复制并且传播出去( 图l 一1 ) 。而基于 数字水印的新一代版权保护方案( 图1 2 ) 利用在数字产品中隐藏的版权认证信息 实现数字产品信息的有效保护。数字水印技术作为加密技术的补充，虽然不能阻 止非法拷贝和恶意篡改等活动的发生，但它可以判定多媒体信息的版权拥有者、 确认多媒体信息来源的安全性和真实性、识别购买者、提供与多媒体信息相关的 其他附加信息，实现所有权认证和跟踪侵权行为。它可以将每一位合法用户的识 别信息作为水印，以不可感知的方式嵌入到数字作品中。尽管用户仍可将自己得 到的数字产品复制并传播出去，但是，其的每一个副本将仍旧携带标示该用户的 认证信息。数字产品的版权方在流通领域得到这些副本后，只要从中提取出水印 7 山东大学硕士学位论文 信息，就可以追踪到最初的那个盗版者。 平jk和p 潞1 1 1 够鬻 ， f t 车习c 肿裂一f 厂_ t _ 一、l f 挚 ，i ；竺里! 、乡- 7 传统加密技术 1 墓f 添一一一磊赢、勰窖手 传统加密技术 1 夔_ 传播 j 合法用户n ，17 墨萋篥j 一鍪吾 。、 ；产 ip- u 。 、i - l p l ， ，看盗版矗 1 图的合法3 1 ： l 辈j 篱 嘲嘧氆幅 土， 、 ! 乒 - 盗版用户1 一盗版用户r l 数7 产，t ! 爨 ，俏3 j i j p i i j pi 。墨萋檗，7 雾矗 i ， ， 7 7 7 黍 ， 警蓑粱，芋l 氟， 1 7 i 蝴。i ，葛j 、传螽一一一i ，锄抄j n 簸鬈，7 嚣 ，i 警 一。jj 一、 7 7 1 ：i ，7 磊客霪蒂，繁，纛版川户。，囊斗( 圾e ij 碍高j i 惑【- ：lt j ”“。 提取玎j 。信息 i馕 ，命| t 箍一7 h - 盎最- 版l t 训j ) 鬻! i 竺4 一羔一一一一一一一一7 一。一一一j 一一二j 图1 2 数字水印对版权保护的优点 目前，数字水印技术的研究正处于一个快速发展的阶段，其应用领域也从最 初单一的版权保护、盗版跟踪逐步拓展到内容认证、广播监控、拷贝控制、完整 性校验和隐蔽通信及其对抗等多个方面。作为一门新兴的交叉学科，数字水印结 合了各种不同研究领域的思想，如密码学、图像处理、信号处理、认知科学和计 算机视觉等。同时，拥有不同专业背景的研究人员充分发挥自身优势，为数字水 印的发展提供了许多新的思路。 1 2 数字水印技术的研究现状 数字水印技术的首次使用是在1 9 5 4 年e m i lh e m b r o o k e 申请的名为 “i d e n t i f i c a t i o no fs o u n da n dl i k es i g n a l s ，【6 1 的专利中。该专利通过间歇性地应用 匝 山东大学硕士学位论文 中心频率为l k h z 的窄带陷波器，将认证码插入到音乐中。此系统一直被m u z a k 公 司用到了1 9 8 4 年前后阴。从那时起，人们开始应用此类技术【8 1 。但这一时期出现的 水印技术只是作为一种版权认证的工具，并没有形成一门独立的学科。 数字水印技术作为一门正式学科的诞生是在1 9 9 3 年，该年a z t i r k e l 等所撰写 了一篇名为“e l e c t r o n i c w a t e r m a r k 的论文，其中首次使用了“w a t e r m a r k ”这一 术语【9 1 。后来，这篇文章被整理为“ad i g i t a lw a t e r m a r k 在次年的i c i p 上发表【1 0 1 。 该文中提出了修改图像最低有效位( l s b ) 位平面的方法，采用替换的方式，将水 印位嵌入到载体图像像素点的最低位。这方法可以实现较高水印信息容量和较好 的不可见性。但其鲁棒性非常差，一些简单的攻击就会破坏载体中隐藏的水印信 息。1 9 9 6 年，b e n d e r 掣1 1 】提出了一种针对打印、扫描应用的p a t c h w o r k 法。该方法 把水印信息隐藏在图像数据的统计特性中。其有较好的隐蔽特性，并且对j p e g 压 缩、f i r 滤波以及图像剪切操作有一定的抵抗力，但嵌入的信息量有限。 此后，数字水印的研究逐渐把研究重点转向了鲁棒水印，并引入了数字信号 处理中一些常用的变换技术。1 9 9 7 年，c o x 等【1 2 】提出了基于全局d c t 变换的图像数 字水印算法。算法中对整个图像进行d c t ，在d c t 域中幅值最大的i j i j 1 0 0 0 个交流 系数上通过直接序列扩频的方法将水印嵌入。这个算法的价值不仅在于将通信中 直接序列扩频技术应用于水印嵌入上，而且算法中明确提出数字水印嵌入在载体 图像的最重要部分才能有较强的鲁棒性。其后，p o d i l c h u k 等【1 3 1 、h s u 等1 1 4 l 也在d c t 域做了很多有实际意义的研究。与此同时，k u n d u r 等f 博1 7 1 、x i a 等、z h u 等【1 9 1 也提出了基于离散小波变换的数字水印。为了克服水印对于r s t ( r o t a t i o n , s c a l e ， t r a n s l m i o n ) 变换鲁棒性较弱的问题，r 啪a j d h 【2 0 j 等人提出了基于m e l l i n - f o u r i e r 变 换的水印算法，其利用坐标之间的变换来实现r s t 不变的目的。另外，研究者也提 出了基于分形【2 1 1 、混沌【2 2 】、数学形态掣2 3 1 、奇异值分解【冽等的水印算法。 在国际上，由于大公司的介入和美国军方及财政部的支持，数字水印的研发 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。目前，已支持或开展数字水印研究的机构既有政府部门，也 有大学和知名企业，它们包括美国财政部、美国空军研究院、美国陆军研究实验 9 山东大学硕士学位论文 室、美国版权工作组、德国国家信息技术研究中心、日本n t t 信息与通信系统研 究中心、麻省理工学院、伊利诺斯大学、剑桥大学、瑞士洛桑联邦工学院、西班 牙v i g o 大学、i b m 公司w a t s o n 研究中心、微软公司剑桥研究院、贝尔实验室、c a 公司、s o n y 公司、n e c 研究所以及荷兰菲利浦公司等。 随着学术界对数字水印技术的研究不断深入，该技术在商业应用方面也取得 了很大的进展。起初仅仅作为图像处理软件的插件，而今已经开始向大型商业化 软件发展。主要发展方向体现在：与密码技术，尤其是数字签名技术相结合，构 造综合的数据安全系统；通过提供基于流技术的数字水印产品，为各种付费点播 服务；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；使用各种生物认证技术( 如指纹、视网膜) 构造专人标识水印；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；建立水印认证中心， 提供各种网上服务；开发基于数字水印技术的数字作品电子销售系统，提供完整 的安全与版权保护机制。目前，国际上已经产生了一些数字水印的实验性产品和 协议。例如，美国电影协会、消费电子产品制造商协会和部分计算机厂商联合成 立的拷贝保护技术工作组( c p t w g ) 1 2 5 1 ，其经过多年的发展，目前已有三种技术投 入使用：内容加扰系统、模拟信号防护系统和拷贝管理系统；欧盟赞助的v i v a ( v i s u a li d e n t i t yv e r i f i c a t i o na u d i t o r ) 2 6 】项目测试了把视频数字水印应用在专业的电 视广播监视系统中的可行性。从2 0 世纪9 0 年代末期，一些公司就已开始正式地 销售水印产品，如v e r a n c e 企业的产品技术采用了s d m i ( s e c u r ed i g i t a lm u s i c i n i t i a t i v e ) 1 2 7 技术，此技术同时也被l i q u i d a u d i o 等国际互联网络音乐发行人使用。 美国的d i g i m a r 公司推出了第一个商用数字水印软件，并以插件形式将其集成到 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。美国n e c 研究所开发了 可在图像数据中埋入数字水印的软件( t i g e rm a r kd a t ab l a d e ) 。美国i n f o r m i x 软件 公司开发的数据库管理系统( i n f o r m i x u n i v e r s a ls e r v e o 也可作为埋入数字水印 软件使用。 1 3 论文研究内容和主要贡献 量化索引调制( q u a n t i z a t i o ni n d e xm o d u l a t i o n ，q i m ) 作为数字水印的一类经 典算法，在计算复杂度与算法实现上的显著优势使其得到了广泛的应用。扩展变 1 0 山东大学硕士学位论文 换抖动调制( s p r e a dt r a n s f o r md i t h e rm o d u l a t i o n ，s t d m ) 作为此类算法的杰出代 表，在对抗常规信号处理的鲁棒性方面有着其它水印算法不可比拟的优势。本论 文在深入研究s t d m 算法的基础上，在盲鲁棒水印领域进行了研究，取得的主要成 果如下： 1 、通过分析扩展变换抖动调制( s t d m ) 水印理论与现有的视觉模型，提出 了一个新的方法将修正的视觉模型与扩展变换抖动调制相结合。即将载体向量的 视觉冗余向量沿某方向进行投影以此来获得载体向量在该方向上的最大不可见改 动，从而可以自适应的计算出s t d m 中所使用的量化步长。实验结果表明，所提出 的基于投影步长的方法可以更好的将视觉模型与s t d m 相结合，从而大大提高嵌水 印图像的视觉质量。与目前其他基于s t d m 的水印算法相比，我们所提出的算法在 高斯噪声、椒盐噪声、j p e g 压缩方面具有较高的鲁棒性。将此算法应用于视频的 逐帧保护中，其在抗击视频压缩方面具有较好的性能，能够在极低码率下实现水 印认证。 2 、在深入研究s t d m 单水印算法与d m 调制原理的基础上，提出了一个新的多 水印算法。它将原有的s t d m 单水印理论进行了扩展，使其应用于多水印领域。它 可以向载体的同一位置、同一变换域嵌入多幅水印，并且在检测端，嵌入的多幅 水印可以各自独立的被检测出来。另外，通过研究d m 调制器的性质和所提出的多 水印算法，我们进一步提出了一个优化算法。实验结果表明，所提优化算法可以 大幅提高嵌水印图像的视觉质量，并且所要嵌入的水印越多，图像质量提升的越 大。另外，我们还讨论了算法的几个典型应用，并且针对图像历史管理提出了基 于所提算法的连续水印嵌入技术。与目前已有的同类多水印算法相比，所提出的 多水印算法拥有更加广阔的应用范围，并且在对抗高斯噪声、椒盐噪声、j p e g 压 缩和图像倍增方面具有明显的优势。 山东大学硕士学位论文 第二章数字水印概述 2 1 数字水印的基本概念 数字水印就是将一定的信息嵌入到多媒体载体( 静止图像、视频、音频等) 中的一类技术。数字水印系统一般分为嵌入端和检测端( 图2 1 ) 。 n 原始 载体 提取出 的水印 是否含 有水印 腺始嵌入 的水印 图2 i 数字水印系统框图 在嵌入端，通过一定的算法将需要隐藏的信息嵌入到多媒体载体中，并产生 用于检测水印的密钥。之后，嵌入水印的载体在传输过程中可能要经历一定的攻 击( 噪声、压缩、滤波等) ，在接收端变成失真的载体信号。接受端则利用密钥对 载体进行水印检测或提取：水印提取，即直接提取载体所携带的水印；水印检测， 即根据已知的原始嵌入的水印来判断载体中是否含有欲检测的水印。在此过程中， 有些算法要求已知原始未嵌水印的载体信号。 2 2 数字水印的基本特征 数字水印系统的性能通常由不可感知性、鲁棒性以及水印嵌入率几个主要特 性来进行衡量【1 1 。由于这些特性往往不能够同时满足，因此需要根据实际应用，对 这几个特性进行折中。 1 ) 不可感知性：即不可见性、透明性、隐蔽性。在不可见水印领域中，要求 嵌入的水印对载体信号的质量没有影响，不易被人察觉或感知到。对于图像水印 而言，水印的不可感知性可以采用多种方法进行测量，除了主观测评方法之外， 常用的客观测评方法是计算原始图像与嵌水印图像之间的峰值信噪比： 1 2 山东大学硕士学位论文 峰值信噪比p s n r ( p e a ks i g n a l t o n o i s er a t i o ) 气气2 p s n r = 10 l o g l o _ 1 币 竺一 ( 2 6 ) 熹【，(训)一i。(训)】2mn 厶一x = o 。y - - o 7 、“7 1 其中，l ( x ，y ) 是原始图像的像素值，j 。( x ，y ) 是嵌入水印后图像的像素值， m ，分别是图像的行列数。由于峰值信噪比计算起来比较简单，并且关心的只是 相对值，而不是绝对值，因此我们通常选用p s n r 来衡量水印的不可见性。 2 ) 水印嵌入率：水印嵌入率是指在单位载体信号中能嵌入水印的比特数。对 一幅图像而言，水印嵌入率就是嵌入在图像中的比特数与图像比特数之比：而对 音频而言，水印嵌入率是指在一秒钟的传输过程中所嵌入的比特数；对视频来说， 水印嵌入率既可用每一帧中嵌入的比特数来衡量，也可用每一秒内嵌入的比特数 来衡量。一般地认为水印嵌入率越大越好。 3 ) 鲁棒性：又称稳健性、顽健性，是指嵌入水印的载体信号在经历各种无意 或有意的信号处理操作后，隐藏在其中的数字水印仍能保持完整性或仍能被准确 鉴别。可能的信号处理操作包括信道噪声、滤波、数模与模数转换、重采样、剪 切、位移、尺度变化以及有损压缩编码等。 数字水印的不可见性、嵌入率以及鲁棒性这三方面是矛盾的结合体，很难使 三者同时达到最佳，在实际应用中对各方面的要求往往有所侧重。如隐蔽通信中， 由于通信方式极为隐蔽，遭遇敌方篡改攻击的可能性很小，嵌入率是最重要的， 而鲁棒性要求不高。但对于保证数据安全来说，鲁棒性是最重要的，而所能隐藏 的数据量居于次要地位。在相同的鲁棒性水平下，不可见性和嵌入率也需要相互 折中考虑。对进行版权保护的数字水印来说，不可见性和鲁棒性是关键的( 尤其 是鲁棒性) ，而嵌入率相对次要一些。 2 3 数字水印的基本分类 数字水印技术作为信息处理领域的一个重要分支，发展至今已涌现出一系列算 法与方案。按照不同的分类标准，可将它们分为： 1 、按数字水印所附的载体划分 分为图像水印、视频水印、音频水印和文本水印等。 山东大学硕士学位论文 图像作为发展最早的水印嵌入载体，是当前使用最多的一种多媒体数据，也 是经常引起版权纠纷的一类载体。视频水印的发展一定程度上以图像水印为基础， 但关于数字视频的版权保护无疑是未来数字水印技术最重要的应用方向。 2 、按嵌入的水印是否可被感知划分 分为可见水印和不可见水印。 可见水印是指嵌入到载体信号中的水印是可觉察的。最常见的例子是有线电视 频道上所特有的半透明标识。目前大多数的数字水印技术专注于不可见水印，即 所嵌入的水印信息是不能被人觉察的。 3 、按嵌入载体中的数字水印能否抗击攻击划分 分为鲁棒水印和脆弱水印。 鲁棒水印要求所嵌入的水印能在载体遭受一般信号处理操作时( 如：滤波、加 噪声、替换、压缩等) ，仍能够在检测端被j 下确提取出来。同时还需能抵抗一些恶 意攻击( 如共谋、扫描) 。脆弱水印主要用于载体的完整性保护。这种水印同样是 在内容数据中嵌入信息，当内容发生改变时，这些水印信息会发生相应的改变， 从而可以鉴定原始数据是否被篡改。 4 按数字水印嵌入载体中的位置划分 分为空间域水印和变换域水印。 较早的数字水印算法一般都是空间域的，即直接将水印信号加载到原始的载 体信号上，而变换域水印是将原始载体进行一定的变换，如d c t 、d f t 和d w t 等， 然后通过对其变换系数的调制来完成水印的嵌入。与空间域方法相比，变换域中 水印的嵌入可以将水印信号能量充分散布到空间域中，这有利于保证水印的不可 感知性；而且人类感知系统的某些特性也可以更方便地结合到水印嵌入过程中， 以此来提高水印的鲁棒性；另外变换域方法还可以与国际上数据压缩标准相兼容， 从而实现压缩域内的数字水印算法。 5 按数字水印提取检测过程划分 分为明文水印、盲水印和半盲水印。 1 4 山东大学硕士学位论文 明文水印( 也称非盲水印) 在检测过程中需要原始未嵌水印的载体信号，水印 的检测是在分析原始载体信号与含水印的载体信号差别的基础上进行的，因而只 能由原始作品的持有者进行检测。 盲水印的检测不需要原始载体信号。水印的检测独立于原始载体信号进行，即 水印的抽取由含水印的载体本身确定。这种水印的检测可以在任何有检测环境的 平台上进行，使用范围较广。但此类算法仅利用选定数据的固有特性进行水印的 嵌入和检测，这样在数据固有特征被破坏时，水印检测较为困难，生成水印的鲁 棒性较差。这是目前最具挑战性的问题，一般来说，目前学术界研究的数字水印 大多数是盲水印。 半盲水印，此类算法同样不使用原始载体信号来检测。但是可能需要原始嵌入 的水印或某些与原载体信号有关的信息，这些信息可能是原载体信号嵌入水印时 的某些参量，也可能是表征原载体信号的某些特征信息。 2 4 小结 本章概述了与数字水印相关的基础知识，即数字水印的基本概念、基本特征 和基本分类。这为我们后面解决水印问题，提出我们的解决方案提供了理论基础。 山东大学硕士学位论文 第三章基于视觉模型的s t d m 水印算法 3 1 引言 近些年，随着人们在视频版权保护和广播监控方面的需求日益增加，盲水印 算法被得到普遍的关注。而量化索引调锖i j q i m 技术正是此类算法的杰出代表。它 在计算复杂度与算法实现上的显著优势使其得到了广泛的应用。但是，最基本的 q i m 算法对于一些常用的信号处理攻击( 如随即噪声、压缩、图像增强等) 的鲁 棒性还有待提高。实际上，在c h e na n dw o m e l l 的理论中f 2 8 1 ，他们提出了一系列的 基于基本q i m 的变种，如抖动调制( q i m d r y 0 、基于失真补偿的抖动调制 ( q i m d m d c ) 和扩展变换抖动调铝j j ( q i m s t d m ) 。这些算法的鲁棒性在对抗随机 噪声与重量化方面有了明显的提高。然而，q i m 系列算法对于倍增攻击( 即改变 图像的整体亮度或音乐的响度【l 】) 比较敏感。这一问题得到了普遍关注，许多解决 策略相继被提出【2 9 训。 s t d m 作为q i m 数字水印系列的一个重要扩展，对于普通信号处理攻击具有较 好的鲁棒性。而在另一方面，如何利用s t d m 将水印信息更为有效的嵌入到载体图 像中得到具有较高视觉质量的含密图像，成为业界普遍关注的焦点。基于此，许 多学者提出将人类视觉特性引入s t d m 中，使其能够自适应的利用人眼的视觉冗余 实现信息的有效嵌入【3 8 4 0 1 。q l i 等最先将w a t s o n 的视觉模型与s t d m 相结合。 在他们提出的方案中( s t d m w ) ，基于w a t s o n 的视觉模型所计算出的视觉冗余向 量将替换s t d m 中使用的随机投影向量，以此来保证具有较大视觉冗余的图像系数 承担较多的改动。但是在此方案中，嵌入水印时所计算出的视觉冗余与检测水印 时所计算的视觉冗余不一致，这将大大减低算法的鲁棒性。为了克服这一缺点， 他们进一步提出了改进方案( s t d m r w ) 。实验表明，根据w a t s o nd i s t a n c e ( w d ) ， 算法在图像的视觉质量方面有了很大提高。但是该算法仍就无法抵抗图像增强。 为了进一步提升算法性能，q l i 等又提出了s t d m o p t i m w - s s l 3 9 1 。此方案不仅利 用视觉冗余信息去计算投影向量，而且利用它去调整量化步长。其在抗击图像增 强和j p e g 压缩方面有了很大提高。然而，为了保证鲁棒性，该方案必须使用很多 d c t 系数去嵌入一位水印信息，导致信息的嵌入率很低。l m a 纠4 0 】也提出了一 1 6