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上海交通大学、上海亚太计算机信息系统有限公司博士后研究工作报告 频等数字产品中，用以证明原创者对其作品的所有权，并作为鉴定、起诉非法侵 权的证据，同时通过对水印的探测和分析保证数字信息的完整可靠性，从而作为 知识产权保护和数字多媒体防伪的有效手段。 根据使用目的不同，数字水印又可分为脆弱水印( f r a g i l ew a t e r m a r k i n g ) 和 强健水印( r o b u s tw a t e r m a r k i n g ) 两类。脆弱水印主要用于数字多媒体产品的内 容及版权等关键信息的真伪鉴定，防止非法篡改、伪造，保障数据安全完整性。 对于这一用途，即使图像发生轻微的变化也很重要。因此嵌入的水印必须对宿主 信息的改动具有极强的敏感性，可以通过对水印信息的检测来鉴定重要信息的真 伪。强健水印则是根据版权保护的需求应运而生的，用于标识数字产品版权和用 户授权等信息，可作为法庭起诉非法侵权盗版的证据。因此这类应用中的数字水 印应该具有以下特性： 1 ) 水印必须嵌入到宿主数据中，而不能存储于文件头或单独的文件，否则可以 很轻易地被除去或改变。 2 ) 水印不应对原始的质量产生可察觉的失真，即应具有透明性。 3 ) 水印必须具有一定的稳健性，能抵抗宿主信号上的压缩、滤波、重采样、重 量化、剪切、加噪声等一般信号处理。 4 ) 水印应易于提取，嵌入和检测的计算量要低，以方便其集成到一般电子产品 中。 5 】水印算法必须具备某种同步机制，以对抗时间域上的同步攻击。 6 ) 原则上水印的检测不应需要原始，即实现盲检测，因为寻找原始数据是十分 困难的。 7 】水印算法应该公开，安全性最好依赖于密钥而不是算法的秘密性。 水印算法通用的水印算法包含两个方面：水印的嵌入和水印的提取或检测，见图 1 1 。 壅丑1 圃* j 图1 - 1 ：水印信号的嵌入模型和检测模型 数字水印主要应用领域( 1 6 ，8 ，9 】 ( 1 ) 版权保护即数字作品的所有者可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， 所有者即可利用水印信号作为依据，从而保护所有者的权益。对这种应用领域来 说，水印技术必须有较好的鲁棒性、安全性、透明性和水印嵌入的不可逆性。 ( 2 ) 加指纹为避免未经授权的拷贝制作和发行，出品人可以将不同用户 第4 页共s 2 页 一印否一 匿 萝 上海文通大学、上海亚太计算机信息系统有限公司博士后研究工作报告 的d 或序列号作为不同的水印( 指纹) 嵌入作品的合法拷贝中。一旦发现未经 授权的拷贝，就可以根据此拷贝所恢复出的指纹来确定它的来源。对这种应用领 域来说，水印技术除具有版权保护应用中的特性外，还必须具有防止串谋攻击( 多 拷贝攻击) 等功能。 ( 3 ) 标题与注释即将作品的标题、注释等内容( 如，一幅照片的拍摄时 间和地点等) 以水印形式嵌入该作品中，这种隐式注释不需要额外的带宽，且不 易丢失。 1 1 3 典型算法 ( 1 ) 时域算法 2 ，1 0 1 2 】 时域水印算法在时间域上将水印直接隐藏入数字音频信号，与频域水印算法 相比相对容易实现且需要较少的计算资源，但对一般信号处理如音频压缩和滤波 等的抵抗能力较差。该类算法包括文本水印算法、s c h y n d e l 算法 1 0 1 和p a t c h w o r k 算法等。其中文献【1 0 】被认为是一篇具有历史价值的文献，它是第一篇在主要会 议上发表的关于数字水印的文章，文中阐明了一些关于水印的重要概念和鲁棒水 印检测的通用方法( 相关性检测方法) ，该文提出的s c h y n d e l 算法首先把一个密钥 输入到一个i n _ 序列发生器来产生水印信号，然后此n 1 序列被重新排列成2 维水 印信号，并按像素点逐一插入到原始图像像索值的最低位。由于水印信号被安排 在了最低位上，因此它是不可见的，因其基本原理限制，所隐藏的数字水印信息 是极为脆弱韵，无法经受一些有损的信号处理：p a t c h w o r k 2 ，1 2 】提出了一种基 予图像数据统计特性的水印算法，该算法首先随机选取n 对像素点，然后通过 增加像素对中一个点的亮度值，而相应降低另一个点亮度值的方法来隐藏信息。 为增加其水印的鲁棒性，文中还把像素对扩展为小块的像素区域( 如8 8 ) ，再通 过增加一个区域中的所有像素点的亮度值，而相应减少对应区域中所有像素点亮 度值的方法来隐藏信息。该算法具有不易察觉性，并且对于有损压缩编码( j p e g ) 和一些恶意攻击处理等具有抵抗力，但嵌入码较低。 纹理块映射编码方法则是时间域水印技术的典型设计。它是将数字信息隐藏 于数字图像的任意纹理部分，其将隐藏信息纹理映射到另一纹理相似的区域。该 算法对于滤波、压缩和扭转等操作具有抵抗力，但仅适于具有大量任意纹理区域 的图像。 ( 2 ) 压缩域算法 1 3 ，1 4 由于m p e g 4 及j p e g 2 0 0 0 压缩标准的公布，小波已成为其核心技术，基于 小波域的水印算法也越来越多。在小波域中嵌入水印可以防止由于j p e g 2 0 0 0 有 第5 页共5 2 页 上海变通大学、上海亚太计算机信息系统有限公司 博士后研究工作报告 损压缩而造成的水印消除：可以利用信源编码领域对图像失真的可见性研究成果 来控制水印的嵌入位置和强度：可以实现在压缩域直接嵌入水印。此外，利用小 波多分辨分析可以更好地控制水印在宿主中的分布，更好地解决鲁棒性和可见性 之间的矛盾。 k u n d e r 等人描述了一种基于小波融合的水印嵌入方法。它的方式是在不同 的分辨率水平下将水印和图像的小波系数相加。在相加之前，水印的小波系数使 用一种人类视觉模型约束进行调制。 x i a 等提出一种基于小波变换的分层水印提取过程，分层提取的目的是当水印图 像失真不严重时节约计算时间。基本思想是用离散小波变换( d 、 ，t ) 将接收到 的图像和原始图像分解成四个子带( 即一层分解) ，然后计算加在i - i h l 子带中的 水印和接收图像与原始图像小波系数之差间的互相关。如果互相关中有一个峰 值，则认为检测到水印；否则，考虑同一层上的其它子带( 即h l l 和l h l ) 。如 果仍检测不到水印，则计算下一层d d w t ( 即第二层分解) ，再检测水印。该过 程一直执行到检测到水印或计算到最后一层d w t 。 ( 3 ) 变换域算法【7 ，1 5 2 5 1 e k o c h 和j z h a o 提出了一种d c t ( 离散余弦变换) 域数字水印算法，其方 法是首先把图像分成8 8 的不重叠像素块，经过d c t 变换后，将水印信号嵌入 到由密钥控制选择的一些d c t 系数中。该算法是通过对选定的d c t 系数进行微 小变换以满足特定的关系，以此来表示一个比特的信息。在水印信号提取时，则 选取相同的d c t 系数，并根据系数之间的关系抽取比特信息。其特点是数据改 变幅度较小。且透明性好，但是其抵抗几何变换等攻击的能力较弱。 c o x 等人首先提出了将水印嵌入图像中感知性较强区域的思想。在文献中， 他们对整幅图像作二维d c t 变换，然后选取1 0 0 0 个低频d c t 系数并加以改变， 用一维高斯序列代替水印序列。检测时通过计算高斯序列与从加水印图像中得到 的1 0 0 0 个改动过的低频d c t 系数的相关性来判断水印是否存在。 另外，基于d f t ( 离散傅立叶变换) 和d w t ( 离散小波变换) 算法与上述 算法具有相似的原理。这种以变换域算法为代表的算法普遍采用交换技术，以便 在频率域实现水印信号叠加，并借鉴扩展频谱通讯等技术对水印信号进行有效的 编码，从而提高了透明性和鲁棒性，同时还适当利用滤波技术对水印信号引入的 高频噪声进行了消除，从而增加了对低频滤波攻击的抵抗力。 ( 4 ) 生理模型算法【8 ，2 l 2 5 1 人的生理模型包括人类视觉系统h v s ( h u m a n v i s u a ls y s t e m ) 和人类听觉系统h a s 。该模型不仅被多媒体数据压缩系统利用， 同样可以供数字水印系统利用。它们的基本思想均是利用从生理模型导出的临界 异差j n d ( j u s tn o t i c e a b l ed i 彘r e n c e ) 描述来确定在信号的各个部分所能容忍的数 字水印信号的最大强度，从而能避免破坏视觉或听觉质量。也就是说，在图像上 第6 页共5 2 页 上海交通大学、上海亚太计算机信息系统有限公司博士后研究工作报告 利用视觉模型来确定与图像相关的调制掩模，然后再利用其来插入水印。在声音 中利用临界频带和频率掩蔽保证嵌入数据的不可感知性，这一方法同时具有好的 透明性和强健性。 l 。1 4 水印攻击分析 所谓水印攻击分析，就是对现有的数字水印系统进行攻击，攻击的目的在于 使相应的数字水印系统的检测工具无法正确地恢复水印信号，或不能检测到水印 信号的存在。水印攻击以检验水印算法的鲁棒性，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。常见的攻击方法有： ( i ) 鲁棒性攻击 这是最常见的水印攻击方法，包括常见的信号处理操作，这种方法依靠对大 多数水印算法弱点的基本认识，尝试多种可以掩蔽大多数水印的失真的图像处理 的操作 2 6 】，如各种滤波器、极值压缩、微小几何或时间的失真、图像裁减、数 模模数转换等。其中最著名的鲁棒性攻击软件是：s t i r m a r k ，它采用软件方法来 实现对水印载体图像进行的各种攻击，在水印载体图像中引入了一定的误差，但 人们可以以水印检测器能否从遭受攻击的水印载体中提取或检测出水印信息来 评定水印算法抗攻击的能力。如它的重采样攻击，它首先模拟图像用高质量打印 机输出，然后再利用高质量扫描仪扫描，在这一过程中引入的误差。另外，s t i r m a r k 还可对水印载体图像进行几何失真攻击，即它可以以几乎注意不到的轻微程度对 图像进行拉伸、剪切、旋转等几何操作，这样可以成功去处大多数的水印。 ( 2 ) 抖动攻击o i t t e r i n g ) 、时间尺度变形( t i m e s c a l ew a r p i n g ) 、变调( p i t c h - s h i f t w a r p i n g ) 以及上下采样( u p d o w ns a m p l i n g ) 。 这种类型的攻击会损坏音频信号的同步结构，比第一种类型的攻击更具挑战 性。同步问题对任何数据隐藏技术都是一个严重的问题，尤其是对一维的音频信 号。剪切掉不想要的音频片段或随机向音频数据中添加和删除样本，都会引起这 个问题。扩频技术中采用的相关检测器依赖于待检测信号和水印信号之间精确的 对齐，同步错误会对检测性能产生严重的影响 2 7 。大多数的音频水印算法都是 基于位置的，即水印嵌入到特定位置再从该位置检测，而同步攻击引起的位移将 会使水印检测不在嵌入位置上进行，这就需要在检测前恢复同步。 ( 3 ) 歧义攻击 也称做m m 攻击，这是一种未经授权的嵌入，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i ，加入水印w 的图像为 i a = i + w 。攻击时，攻击者首先生成自己的水印w f ；然后创建一个伪造的原图 i r = i a w f ，也即i a _ i f + w f ：此后，攻击者可声称他拥有i a 的版权，因为攻击者 可利用其伪造原图i ，从原图i 中检测出其水印w f ，但原作者也能利用原图从伪 第7 页共5 2 _ 贞 上海交通大学、上海亚太计算机信息系统有限公司 博士后研究工作报告 造原图i f 中检测出其水印w a 。这就产生无法分辨与解释的情况。而防止这一攻 击的有效办法就是研究不可逆水印嵌入算法，如单程哈希函数，使参考模版依赖 与原始作品的内容，确保攻击者制造的伪造原作不可能正确生成伪造水印。 ( 4 ) 扰乱攻击 是系统层面的攻击，在作品进行水印检测之前扰乱，随后进行解扰。扰乱的 类型可以是样本的简单置换或者是较复杂的伪随机扰乱样本值。扰乱的程度依赖 于检测的策略，这里唯一的约束是扰乱必须是可逆或近似可逆的，近似可逆或有 损扰乱会生成一个感知上与水印作品相似的作品。一个著名的扰乱攻击是马赛克 攻击，攻击方法是首先把图像分割成为许多个小图像，每块都非常小以至于不能 进行可靠的水印检测，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，一般的w e b 浏览器在组织这些图像时，都可以达到图像中间不留任何缝 隙，并且使这些图像看起来和原图具有相同的感知性，从而使得探测器无法从中 检测到侵权行为。这种攻击方法主要用于对付在i n t e m e t 网上开发的自动侵权探 测器，该探测器包括一个数字水印系统和一个网络爬行检测器。 ( 5 ) 串谋攻击 包括两种类型。第一种类型是将包含同一水印的不同作品结合起来进行研 究，用以了解算法如何操作，简单的方法是对这几个作品进行统计平均，如果附 加到所有作品的参考模版是相同的，这一平均就可以得到非常接近与此模版的结 果，从而方便的去除水印。另一种攻击是获得包含不同水印的间一作品的副本， 结合这多个副本而得到原始作品的精密近似，最简单的结合是将多个副本进行平 均而减少每个副本中水印的强度。 1 1 5 研究展望 互联网的飞速发展和多媒体技术的成熟使得对数字水印技术的需求越来越 迫切。应该说这种技术尚处于比较初级的阶段，还有许多技术层和协议层的问题 需要进一步解决。时域水印技术相对容易实现且计算量较小，但抵抗攻击的能力 较差。频域水印技术通常利用掩蔽效应和扩频技术的思想，具有较强抵抗攻击的 能力，但实现较复杂。压缩域水印技术直接对压缩格式的数字迸行操作，但简单 的修改压缩编码器或解码器对解压一再压缩的抵抗能力较弱，还需要提出新的 思想。基于内容的水印技术更加强调将水印信息嵌入到音频信号的重要特征上， 其与h a s 相结合代表了今后水印技术的发展方向。对一维的信号来说，同步攻 击引起的后果是极其严重的，需要给予特别的注意。总而言之，到目前为止，还 没有一种音频水印算法是完美和真正实用的。虽然数字水印技术已取得诸多进 展，但仍有许多挑战性的研究难题等待解决，例如水印嵌入和检测的数学模型、 可靠的水印恢复、水印容量估计、最佳水印检测、信道编码在数字水印中的应用、 第8 页共5 2 页 上拇交通大学、上海亚太计算机信息系统有限公司博士后研究工作报告 错误概率的界限、攻击模型及反攻击、大规模实验测试和比较、新的统计和感知 模型、数字水印的新型应用、水印系统安全性、时间空间域的同步问题等等。 水印技术必须与密码学、多媒体技术、通信理论、编码理论、心理声学、信号处 理、模式识别等多个学科有效结合，才能产生新的思路并实现可实际应用的水印 系统。 通过对现有技术的分析，数字水印技术今后可能的研究方向为【1 8 ，1 5 2 5 ，2 8 f 1 1 算法分析通过对现有数字水印算法的鲁棒性、安全性、抗攻击性等特 性的研究，并结合数字信号处理技术，寻找出它们之间的关系，从而发现更加好 的数字水印技术。 ( 2 ) 基于特征的数字水印技术因基于统计特征的数字水印技术容易受到非 线性等变换方法的攻击，而基于特征的数字水印技术如基于边界信息的数字水印 技术等则具有较好鲁棒性，因此可能成为今后的研究重点。 ( 3 ) 公钥数字水印系统即使用一个专有的密钥来叠加水印信号，而任何人 均可通过一个公开的密钥来检测出水印信号，但是用公开的密钥来推导专有密钥 和用公开的密钥来去除水印信号这两个过程都非常困难。目前，该领域还未取得 突破性进展。 ( 4 ) 数字水印代理( a g e n t )其核心思想是将数字水印技术与 t s a ( t r u s t e d s p o t t i n g a g e n t ) 相结合。这种数字水印代理在网络上的服务器之间漫 游，扮演着基于数字水印检测、验证和追踪非法拷贝的侦探角色。 ( 5 ) 目前其它的数字水印技术，如对基于图形、矢量图和动画等媒体的数字 水印技术研究得还比较少，仅见有文献 2 8 】阐述的基于三角面片几何图形的水印 嵌入算法。这也是今后数字水印技术的一个研究方向。 第9 页共5 2 页 上海变通太学、上海亚太计算机信息系统有限公司博士后研究工作报告 1 2 基于小波包变换的数字水印方法 1 2 1 摘要 提出了一种基于小波分析的盲图像水印方法，本方法利用小波包分解在图像 和音频文件中构造信息冗余，嵌入的水印为二值图像，提取时不需原始信息和水 印信息。对比试验结果证明，该方法能够抵抗常见的水印攻击，在经过加噪、平 滑、缩放和压缩等信号处理后仍能保持稳健。 1 2 2 引言 随着因特网上越来越多地使用多媒体数字数据，管理和防止非法的数据拷贝 已引起了人们的关注。数字水印在主信息中加入不可见信息来标注版权，可以为 序列码、比特流或图像等，可被用于版权认证，打击非法拷贝等。 目前水印技术分为两类，一类在空域中嵌入水印另一类在变换域中嵌入水 印，大多数空域算法简捷，嵌入区域灵活，隐藏信息量大，但常常缺乏对信号处 理的稳健性，而变换域水印算法较坚固，它利用频率掩盖现象嵌入水印，具有较 强的抗信号处理和恶意攻击的能力。根据监测水印时是否需要原数字作品，现有 水印技术可分为：私有水印，半私有水印和公开水印( 盲水印) 。需要原数字作 品的为私有水印，应用范围非常有限。在大多数数字跟踪与监控等情况下，要获 得原数字作品是不可能的；监测水印时不需要原作品但水印是随机序列的则称为 半私有水印技术，这种水印技术依据假设检验理论判断水印是否存在。其携带的 信息量是l b i t ，意义不明确，在版权证明上存在一定的不足；提取水印不需原作 品且水印是一个有意义的图案则称为公开水印( 盲水印) 技术，这种水印最实 用，在版权证明、自动验证和信息监控方面需要。公开数字水印技术面临许多技 术上的挑战，由于嵌入的信息量大，提取水印时每一比特信息需要精确恢复，而 且不能借助原始图像和原始永印，这些限制都增添了技术的难度。 为达到水印嵌入的目的，必须使水印在主信息中不被感知，对有意和无意的 攻击具有稳健性。数字水印技术一方面弥补了密码技术的缺陷，因为加密后的数 字信息只有少数人可以使用，并且一旦被解密，信息就得不到任何保护；另一方 面，数字水印也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 入大量的秘密信息。因此。数字水印技术成为当前多媒体信息安全领域发展最快 的热点技术之一，受到高度关注l z j 。 的热点技术之一，受到高度关注1 2 j 。 第1 0 页共皿页 e 海交通大学、上海亚太计算机信息系统有限公司 博士后研究工作报告 1 2 3 材料与方法 本文中使用得方法是频率域水印嵌入方法，由于隐藏类似于公司图标这种信 息量丰富，意义明确，可证明性强，所以文中利用小波包分解构造信息冗余，在 图像和音频信息中嵌入二值图像水印，提取时不需原数字作品，是一种盲水印算 法。对比实验表明这种方法在模拟信号攻击和经压缩变换后水印图像能保留较好 的可识别性。 一、小波分析 新一代静止图像、音频和视频的压缩标准编码标准j p e g 2 0 0 0 1 3 1 、m p 3 和 m p e g 4 的公布，表明了基于小波分析的数字水印方法是今后的发展方向。小波 分析介于纯时域的方波分析和纯频域的傅立叶分析之间，它的基本细想是将信号 展开成一族基函数的加权和，这族基函数是通过基本函数的平移和伸缩构成的。 小波分析的快速m a l l a t l 4 算法用于信号处理的基本思想就是把信号进行多分辨分 解，分解成不同空间不同频率的子信号，然后再对子信号的系数进行处理。小波 分析在时域和频域同时具有良好的局部化特性，而且可以采取逐渐精细的时域或 频域步长，从而可以聚焦到分析对象的任何细节。函数的小波展开和多分辨分析 是两个相互耦舍的过程，而线性相位对于信号的多分辨分析有重要的意义，只有 当分析滤波器满足线性相位条件时，才能方便的解决不同分辨率表达之间的相位 补偿，所以在本文中我们选择线性相位且支撑器长度近似相等的双正交9 7 小波。 根据m a l l a t 3 的塔式分解算法，设二维图像 c o ( m ，n ) ，则对于给定的尺度 函数和小波函数，可按下式进行小波分解： c 7 = h f h r c 一1 麓箍c 矿j - i 。 d 口= q g , c 卜1 其中： k = h ( n - 2 k ) a 。 1 胁) 。= g ( n - 2 k ) a 。 l ” h 、g 是共轭正交滤波器组，分别为高通和低通滤波器，c 、r 代表列和行操 作。图像边界采用对称周期延拓，消除信号的有限长度带来的边界效应，e p + 波 信息可完全重构p 1 。图像经过小波分解后被分为大小、位置和方向都不同的分量， 高分辨率子带信息的大部分点的数值都较小，接近于零，频率越高这种现象越明 显，低分辨率子带信息的标准差最大，集中了整个信息的能量【们。和一般图像的 小波分解不同的是，小波包分解不仅要对图像的低频部分进行分解，图像的高频 部分同样要进行相同的分解，这样在第n 层上的小波图像的个数为4 n ，从而构造 第1 1 页共5 2 页 上海文通大学、上海亚太计算机信息系统有限公司 博士后研究工作报告 出信息冗余，提供更灵活的水印嵌入可能。分解后的一般2 阶小波图像和小波包 分解的小波图像分别为( 图1 2 ) ： ( a )( b ) 图l 2 ：( a ) 一般小波分解c o ) d , 波包分解 f i g u r e1 - 2 ：( a ) w a v e l e tt r a n f o r r nc o ) w a v e l e tp a c k a g et r a n s f o r m 二、水印置乱： 为了保证图像水印的安全性，在嵌入之前将其置乱，使其不能被非法攻击者 识别。a r n o l d 7 1 在遍历理论的研究中提出了一类裁剪变换：假设图像为 s = 【0 ，l l x o ，l l ( x ，y ) s ，令： 盼( ：溯) 我们利用a r n o l d 变换对水印做遍历和置乱处理，令离散图像的像素坐标 j ，j ， 0 ，l ，n 1 ) ，a r n o l d 变换改写为： ( ；： = ( 1溯( m o d ) 并由此进行迭代：记变换中的矩阵为a ，g ，y ) 为输入像素位置，g ，y ) 7 为 输出像素位置，考虑反馈，得到： 弓了= a 只5 ( m o a ) 2 = ( f ，歹y ，n = 0 , 1 ， ( 4 ) 迭代的次数可以通过经验值来确定，本文中我们设定为6 0 ，通过离散点集 的置换，同时把图像信息移植过来，当遍历了水印中所有的点之后。就产生了置 乱后的水印图像。 兰、水印嵌入算法 设原始信息为x ( f ，) = x d o x n ，o s y ，置乱后的二值图像水印为 第1 2 页共j 2 页 上海变通大学、上海亚太计算机信息系统有限公司 博士后研究工作报告 l ，( f ，- ，) = b u i o 工 m ，0 s y m ) 在原始信息经过小波分解后，可以看到图像中某些子块非常相似，可以选择 在这些相似的子块中嵌入水印信息，嵌入的方法为； 假设某两个相似子块的信息为l 1 、l 2 ，计算均值： ：t z ( i , j t l ( i , j ) ：缝盟妄生蚴，谁，) 。= l ，2 l ，设t 为整数模值，计算均值系数除以t 的余数r ( f ，) ：f ( f ，) 一l r 。粤掣i ，设t i ，t 2 是两个小于t 的整数，且t 1 小于 t 2 ，它们用于区分水印图像e p 的0 和1 ，按下列公式修改这两个子块图像的系数： 拖力罐瓣勰i f 如y ( i , j ) = o n = 1 , 2 ( 5 ) 遍历水印图像中所有的点后，嵌入过程完成，将加载了水印信号的图像进行 小波逆变换，则得到加载水印后的图像，本文中我们称之为载体图像。 四、水印提取算法 水印提取的算法为将待测图像进行小波分解，计算图像中指定子块的平均 值，并按下列公式提取置乱水印旷： 卟书) = ：加警 ( 6 ) 将提取出得置乱水印图像按a r n o l d 逆运算可还原二值水印图案w ，观测者 可以通过直接观察主观的比较检测出的图像与实际水印的相似程度，但这种方法 比较容易受到观测者的经验、试验条件等因素的影响，因此应该选择一种客观评 价的方法来比较实际水印图像和提取水印图像之间的差别。我们使用相似性测度 b c r ： 羔兰而两丽刁 b c r ：生生l 一1 0 0 可计算出水印正确恢复率。 1 2 4 实验结果 本试验中我们对图像和音频两种数字媒体信息进行了研究，试验中使用的原 始图像是2 5 6 * 2 5 6 的脑医学核磁图像，灰度已归一化到【o ，2 5 5 1 ，水印图像为6 4 + 6 4 的二值图像，试验中对原始信息做小波包分解。加入水印前后的图像相似系数计 第1 3 页共5 2 页 上海交通大学、上海韭太计算机信息系统有限公司博士后研究工作报告 工( f ，) 刈g ，y ) 算方法为：s = 专等争一。原始水印、水印图像和加载了水印后的载 工( f ，j ) x x ( x ，y ) i - 0 j - 0 体图像分别为( 图l 一3 ) ： ( a )( b )( c ) 图1 - 3 ：( a ) 原始图像水印图像( c ) 加载水印后的载体图像 f i g u r e1 - 3 ：( a ) o r i g i n a li m a g ec o ) w a t e r m a r ki m a g ef c ) c a r r i e ri m a g ew i t l lw a t e r m a r k 加载水印前后两图像相似系数为o 9 9 2 6 ，水印对信号质量的影响非常小，不 会引起信号的明显退化。为了监测水印对抗攻击的能力，我们对加载水印后的图 像进行处理，如图1 4 ，分别为加( a ) 1 0 的高斯噪声( b ) 5 * 5 的中值滤波( c ) 尺寸缩小5 0 ( d ) 旋转1 5 度后还原( e ) 平移后还原( f ) 拉普拉斯锐化等处理 后，所提取出的水印，可见，在遭受各种攻击后，水印图案仍旧能保持一定的可 辨识性。 ( a )( b )( c )( d )( e )( f ) 图l _ 4 ：模拟载体图像经过各种攻击后水印的提取情况( a ) 高斯噪声( b ) 中值滤波( c ) 缩放变换( d ) 旋转变换( e ) 平移变换( f ) 锐化处理 f i g u r e1 - 4 ：p i c k e du pw a t e r m a r kf r o ma t t a c k e dc a r r i e ri m a g e ( a ) g a u s s i a nn o i s e s ( b ) m e d m f i l t e r s ( c ) s c a l et r a n s f o r m ( d ) r o t a t et r a n s f o r m ( e ) m o v et r a n s f o r m ( f ) s h a t vp r o c e s s 由于图像在传输过程中最容易遭受压缩的攻击，我们结合新一代静止图像压 缩标准j p e g 2 0 0 0 ，来检测我们的水印方法对抗压缩的能力，见表1 1 。 表1 - 1 ：不同压缩质量下水印的b c r 值 m b l e l ：w a t e r m a r kb c rv a l u ew i t hd i f f e r e n tc o m p r e s sq u a l i t y j p 2 品质因子 9 0 6 05 04 03 02 0 b c r 值 1 0 01 0 09 9 89 1 68 0 16 6 3 j p e g 2 0 0 0 标准采用小波变换，所以使用本文的水印方法能够有效抵抗j p 2 压缩的干扰，即使压缩的品质因子降到2 0 ，提取出的水印仍旧能够保持良好的 可辨别能力。 原始音频采用长2 8 9 秒，1 6 位量化，采样频率4 4 1 k h z 的信号进行水印试 验。原始音频信号和加入了水印的音频信号为( 图1 - 5 ) ： 第1 4 页共5 2 页 上海交通大学、上海亚太计算机信息系统有限公司 博士后研究工怍报告 图1 t 5 ：上图为原始音频图像，下图为加载了水印后的载体图像 f i g u r e1 - 5 ：u p p e ri so r i g i n a la u d i oa n dl o w e ri sc a r r i e ra u d i ow i t hw a t e r m a r k 加入水印前后两音频文件的相似系数为：o 9 9 0 3 ，对加入了水印的语音信号 经过以下处理( a ) 加入均值为0 ，方差o o l 的高斯白噪声( b ) 白噪声通过带宽为 3 0 0 3 4 0 0 h z 的带通滤波器。产生色噪声干扰，其范围和人声音大部分能量分布 所在的频率范围一致( c ) 长度为9 ，截至频率为2 k h z 的切比雪夫低通滤波器将 信号由1 6 比特量化为8 比特，再还原( c ) 将信号压缩为6 ：1 的m p 3 格式再还原等 的信号处理后，再提取水印，结果如下( 图1 6 ) ： ( 砖( b )( c ) ( d )( e ) 图l - 6 ：模拟载体音频经过各种攻击后水印的提取情况( a ) 白噪声嘞色噪声( c ) 低通滤波( d ) 重 新置化( e ) 有损匪缩 f i g u r e1 - 6 ：p i c k e d u pw a t e r m a r kf r o ma t t a c k e dc a l t i c ra u d i o ( a ) g a u s s i a nw h i t en o i s e s ( b ) c o l o r e - n o i s e ( e ) l o w - p a s sf i l t e r ( d ) r e - s a m p l i n g ( e ) c o m p r e s sw i t hl o s s 从试验结果分析，该算法对白噪声及m p 3 压缩有较强的稳健性，提取出的 水印比较清晰，而信号经过色噪声，低通滤波、重新量化后，提取的水印比较模 糊但仍就具有可辨识性。 1 2 5 结论 本文根据小波变换的时频分析特性细节，在图像和音频信号中嵌入视觉辨别 的二值水印图像，二值图像水印比一般水印所含信息量更丰富、直观，稳健性也 更好。这是一种盲水印方法，水印提取时不需要原始图像和水印图像。小波域中 的数字水印在逆变换时会散布在整个信号空间中，故不像空间域水印技术那样易 受到修剪处理的影响，并对一般的信号滤波、压缩等处理均具有抵抗力。 当前，对静态图像水印的研究很多，而对于音频水印的研究却鲜有报道。与 图像的水印算法相比，现今对音频水印算法的研究还不成熟，主要原因是人类的 听觉系统比视觉系统更加敏感i ”。而对水印技术的要求随着应用的不同也有所不 同，一个水印方案很难满足所有的应用的所有要求，因此，数字水印算法往往是 针对某类应用而设计的。所以下一步我们的研究工作重心是改善音频水印算法和 第1 5 页共5 2 页 上海交通大学、上海亚太计算机信息系统有限公司博士后研究工作报告 在视频中加入可识别的图像水印的技术。 第1 6 页共5 2 页 上海交通大学、j 二海弧太计算机信息系统有限公司博士后研究工作报告 2 1 项目介绍 第二章扎7 中文译本项目 我国医院信息化存在的最大瓶颈是缺少标准，由于缺乏统一的医疗信息标 准，各医院内部的信息系统之间，不同医院的h i s 之间，以及医院h i s 与保险公 司管理系统之间的信息交流成为瓶颈，很多医院已面临着成为现代社会信息孤岛 的尴尬。 h l 7 是由美国国家标准局( a n s i ) 授权的标准开发机构h e a l t hl e v e ls e v e n i n c 。( h l 7 组织) 研究开发的个专门用于医疗卫生机构及医用仪器、设备数据 信息传输的标准。h l 7 机构成立于1 9 8 7 年，1 9 9 3 年其制定的h l 7v 2 3 版经美 国国家标准局批准颁布实施，成为美国的国家标准，之后分别在1 9 9 4 年、1 9 9 7 年、1 9 9 9 年和2 0 0 0 年进行了修订，目前最新版本为h l 7v 3 0 版。h l 7 标准适 用于医院内部不同医疗信息系统之间交换病历资料、临床检验结果、财务信息， 便于医院内部之间信息的流通和管理；同时h l 7 也适用于医院与医院之间，医院 与保险公司、医院与上级主管部门之间大量的信息交换需求。 h l 7 可以应用于多种操作系统和硬件环境，也可以进行多应用系统间文件和 数据的交换，所有不同平台的医院信息管理系统通过h l 7 都可以顺利沟通；采 用h l 7 作为标准的h i s 和医用仪器、设备可以完全做到无缝联接和医学数据信 息的无障碍交换，为医院内部之间，医院与医院之间，医院与相关机构之间的数 据交换和资源共享奠定了基础。 h l 7 的应用，不仅使医院内部不同系统的沟通大大简化，各医院之间以及与 其他机构的联系也因此而便利。医院信息系统之间的信息交换要遵循h l 7 标准。 h l 7 通讯协议汇集了不同公司用来设计医院信息系统间接口的标准格式，主要是 各个医疗机构的不同应用系统相互进行一些重要数据的沟通，其中包括病历数 据、检验结果、保验及转诊等各项电子数据的交换标准。通讯协议同时保留相当 的弹性，使得一些特定需求数据得到处理，维持兼容性。h l 7 经过十几年的发展 已经成为一个国际化标准，我国目前的医疗信息系统的信息交换正在逐步向h l 7 靠拢。 2 0 0 0 年，中国加入h l 7 组织，成为h l 7 的成员国组织，h l 7 中国研究中心 ( 以下简称中心) 是由在中国境内的医疗卫生服务机构，医疗服务软件集成商、 开发商，医药生产、销售企业，医疗保险机构，医药卫生学会，科研机构及其他 相关组织机构组成的非营利性研究机构，是依法成立的社团法人。 中心负责在国内开始进行h l 7 标准的推广和本地化研究工作。由于h l 7 是 全球医疗行业信息化事实上的标准，随着时间的推移，借鉴在国际上已经成熟通 第1 7 页共s 2 贞 上海交通大学、上海亚太计算机信息系统有限公司博士后研究工作报告 用的h l 7 作为我国医疗信息化的信息交换标准已是必然的事情。经过几年的发 展，h l 7 标准正在国内逐渐获得大家的认识，目前已有很多信息集成商开始了这 方面的研究，进行h l 7 研究和本地化工作的人也越来越多。但作为负责在中国 推广这个标准的h l 7 中国研究中心，目前还没有出版过任何可参考的资料。 去年4 月，经h l 7 授权，由h l t c h i n a ( 中国研究中心) 组织，有国家卫生部 相关委员会支持的h l 72 5 中译本翻译工作和本地化工作正式开展，这也是我 国第一次出版相关标准的中译本。此次翻译工作的重要任务就是支撑下一步要 进行的本地化工作，由于h l 7 标准是以美国为首的发达国家在对其医疗系统业 务流程和管理模式研究总结的基础上，在过去十几年中逐渐发展成熟起来的。 整体来讲这个标准体现了西方的行业水准和价值观念，因此但是对于中国的现 状来说，这个标准不是拿来就可以用的，中心经过几年的研究，认为结合我国 医院信息化的现状，本地化的工作应分为三类，一类是由于文化差异导致的本地 化工作，一类是医疗模式导致的本地化工作，一类是信息化发展程度不同导致 的本地化工作。这个工作量非常大，可以想象还要经过很长时间才能够发布h l 7 中国版。在本地化工作具体展开时，希望我们公司能够参与其中，在本地化的 进程中能听到我们公司的声音。 2 2 项目阶段划分 此次翻译工作完全按照项目进行，整个过程如下： ( 1 ) 沟通与交流 请求h l 7 提供原文并寻找和译文相关的参考资料。h l t c h i n a ( 中国研究中 心) 在正式成立前就作了和h l 7 研究相关的很多工作，曾经组织过h l 7v 2 3 的 网络翻译，虽然最后的译本还存在很多问题，但积累了组织多人进行大型文档协 同翻译的经验，而且该译本基本上是在当时同步进行的本地化研究的重要参考资 料。中一i i , 还开发了一套i - 1 1 7 的中文版引擎，开hl 7 中文版的应用先河，并在北 大人民医院放射科实现r i s 与p a c s ( 两个厂商的系统) 的相互配合，测试成功， 实现放射检查的预约、划价、收费、报告共享及各种统计功能。 ( 2 ) 选人与培训 中心指定的项目经理通览原文，初步统一译文风格、专业用词、排版格式等， 建立相关文档；组建翻译项目组，通过各种途径吸纳项目组译员，并进行必要的 技术指导与培训；项目经理需要结合每位译员的优势领域与翻译速度，合理分配 翻译任务。 第1 8 页共5 2 页 上海文通大学、上海亚太计算机信息系统有限公司 博士后研究工作报告 ( 3 ) 控制与指导 在整个翻译过程中，项目经理有针对性地定期审查每位译员的稿件，实时与 译员交流与磋商，协助译员解决翻译过程中出现的各种难点、疑点等。 项目经理根据译员的翻译质量与速度，在必要的时候做出调整，以确保项目 的整体进度与质量要求。 结合每位译员的稿件，项目经理整理出套较为完整的用户词库、并提交中 心确认，待中心确认后，转交每位译员作为本次翻译的标准专业词汇。 ( 4 ) 译员内部交流 译员接到任务后，首先通览原文，列出专业术语表，提交项目经理；项目经 理汇总专业术语表，召开项目小组会议，统一专业术语的翻译。在整个翻译过程 中，都把专业术语的统一视为项目经理一领域专家译员之间“实时互动”的 交流过程。 译员按照项目经理的统一安排，进行翻译工作。项目组译员间也定期的进行 交流，翻译的划分是按章节进行的，但章节之间还有很多关联，要保持整个译文 的一致，译员之间经常性的沟通十分必要，对于不能达成一致的问题，每周总结 一次，提交给项目组聘请的专家和所有项目译员共同讨论。还需要及时沟通并解 决翻译中出现的难点、疑点，确保泽文在细节上的统一。 完成翻译任务后，译员进行“自检”与“交互式检查”，然后提交项目经理。 “自检”与“互检”的内容包括文体风格、专业术语、语法、拼写、数字、标点 符号、编号、是否有漏译、图文处理、排版格式等。 ( 5 ) 审校与反馈 项目经理汇总译文，并与原文对照检查译文内容是否完整、编号是否一致、 格式是否统一等。通览译文并对发现的问题进行修改，把修改意见及时反馈给译 员，以利于提高项目组的整体翻译水平。 ( 6 ) 知识积累与共享 项且经理汇总项目译文、确定遗留问题与中心讨论，并最终定稿。 项目经理与项目小组成员对本次翻译工作进行总结，完善项目词库，并与中 心共享。 目前国内的h i s 厂商还没有真正的用起来h l 7 ，现在基本处于学习、知识 积累和技术跟踪的阶段。因此，此次h l 7 c h i n a 推出中文译文的项目，我公司也 积极参与其中。由于我方得到了邀请，负责的翻译标准的第八章和第十四章，占 总翻译工作量的1 6 ；并负责第一章、第二章( a ) 、第四章和第六章译文的校对 第1 9 页共5 2 页 上海交通大学、上海噩太计算机信息系统有限公司博士后研究= i = 作报告 工作，占总初校工作量的1 4 ；而我公司也将获得相关章节的署名权。目前翻译 工作已进入第五个阶段，h l 7 c h i n a 特聘的项目经理汇总后难在进行二校的工作。 2 3 附录：h l 7 v 2 5 的章节 第一章简介( c h 0 1i n t r o d u c t i o n ) 第二章控制( c h 0 2c o n t r 0 1 ) 第二章续控制( c h 0 2 ac o n t r 0 1 ) 第三章患者管理( c h 0 3p a t i e n t a d m i n i s t r a t i o n ) 第四章医嘱录入( c h 0 4o r d e re n t r y ) 第五章查询( c h 0 5q u e r y ) 第六章财务管理( c h 0 6f i n a n c i a lm a n a g e m e n t ) 第七章观察报告( c h 0 7o b s e r v a t i o nr e p o r t i n g ) 第八章主文件( c h 0 8m a s t e r f i l e s ) 第十章日程安排( c h l 0s c h e d u l i n g ) 第十一章患者转诊( c h l lp a t i e n tr e f e r r a l ) 第十二章患者关怀( c h l 2p a t i e n tc a r e ) 第十三章检验科自动化( c h l 3c l i n i c a l l a b o r a t o r y a u t o m a t i o n ) 第十四章应用程序管理( c h l 4a p p l i c a t i o nm a n a g e m e n t ) 第十五章人事管理( c h l5 p e r s o n n e lm a n a g e m e n t ) 第2 0 页共5 2 页 上海交通大学、上海亚太计算机信息系统有限公司博士后研究工作报告 第三章产学研结合研究项目 产学研结合是集团博士后工作站的主要模式。科研项目由企业根据其产品开 发需要提出，经费由企业承担，研究工作主要在企业进行。由于企业的科技实力 和人才素质，从整体上看还比较薄弱，科研和科技开发、特别是高新科技的研究 并不是企业的长项，而高等院校长期以来积累了扎实深厚的科研基础，例如上海 交通大学生物医院工程学院和软件学院的很多科研成果已经走在了世界的前列。 因此充分发挥高等院校研究条件好、技术力量强、信息畅通而企业研究项目与实 际紧密结合、资金雄厚、锻炼条件好等优势，促进产学研结合，将技术和市场紧 密结合起来，推出具有市场竞争