（计算机应用技术专业论文）图像数字水印算法研究.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 摘要 互联网的普及和数字技术的广泛应用为人们的工作与生活带来方便的同时， 也加剧了数字作品的版权侵犯，信息篡改等恶意行为。数字水印作为信息隐藏领 域的重要技术，在版权保护及内容认证方面发挥着越来越重要的作用。 本文首先详细介绍了基于数字水印技术的图像内容认证及版权保护的基本 理论和基本框架，并在这两个领域各提出一种算法，主要工作如下： 1 提出了一种基于奇异值分解( s v d ) ，可见噪声门限( j n d ) 及离散小波变换 ( d w t ) 的鲁棒性数字水印算法。算法运用了s v d 的稳定性，并将j n d 的概念用 于计算每个图像子块的最大嵌入强度值，实现了水印不同强度的自适应嵌入。水 印提取不需要原图像，算法在m a t l a b 2 0 0 7 r 平台下实现，实验结果表明，该算法 在抗j p e g 压缩及加性噪声方面有较强的鲁棒性，同时也能抵抗一些常见的攻击。 2 给出一种把图像自身特征一水平线作为水印嵌入到图像的内容认证算法。 该算法从宿主图像中提取出水平线，并对此水平线作a r n o l d 变换得到最终嵌入水 印序列，将宿主图像分成互不干扰的予块，对每个子块作一阶小波变换，同时考 虑了h v s 的掩蔽特性，并计算出每个子块的可见噪声门限j n d 值，实现水印的 自适应嵌入。实验证明该算法在水印透明性与鲁棒性方面具有较好的性能，并实 现水印的盲提取。 最后，本文对数字水印技术今后的研究方向进行总结，指出今后需要继续研 究和完善的地方。 关键词：数字水印，人类视觉系统，水平线，奇异值分解，a r n o l d 变换 浙江大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t t h ep o p u l a r i t yo fi n t e r n e ta n dt h er a p i dd e v e l o p m e n to fd i g i t a lt e c h n o l o g ya l ea t w o f a c es w o r d o no n eh a n d ，i tb r i n g sg r e a tc o n v i n e n c eo np e o p l e sd a i l yl i f e ，o nt h e o t h e rh a n d ，i ta g g r a v a t e st h ec o p y r i g h tv i o l a t i o n d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ，a ni m p o r t a n t t e c h n o l o g yo fi n f o r m a t i o nh i d i n g ，p l a y sam o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l e si nt h e c o p y r i g h tp r o t e c t i o na n dc o n t e n ta u t h e n t i c a t i o n t h i st h e s i sp r e s e n t st w oa l g o r i t h m si n t h ec o p y r i g h tp r o t e c t i o na n dc o n t e n ta u t h e n t i c a t i o n , b a s e do nt h ei n t r o d u c t i o no ft h e b a s i ct h e o r ya n df r a m e w o r ko fd i g i t a li m a g e w a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g y t h em a i nw o r k o ft h i st h e s i si sa sf o l l o w s ： 1 t h et h e s i sp r o p o s e saw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mf o rd i g i t a li m a g eb a s e do ns v d a n dd w t t os o l v et h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e nt h er o b u s t n e s sa n dt r a n s p a r e n c y , t h e a r t i c l eu s e st h eh u m a nv i s u a ls y s t e m ( h v s ) t h ew a t e r m a r kc a nb ee m b e d d e dt ot h e i m a g ea d a p t i v e l yb a s e do nt h ej n d o u s tn o t i c e a b l ed i f f e r e n c e ) i ti sn on e e d t h e o r i g i n a li m a g ew h e ne x t r a c t i n gt h ew a t e r m a r k t h ee x p e r i m e n ti sr e a l i z e do nt h e p l a t f o r mo fm a t l a b2 0 0 7 r ，a n dt h ee x p e r i m e n tr e s u l ts h o w st h a tt h ea l g o r i t h mi sr o b u s t t ot h ec o m m o ns i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n ds o m em a l i c i o u sa t t a c k s 2 b yt a k i n gf u l la d v a n t a g eo ft h em a s k i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h eh v s ( h u m a n v i s u a ls y s t e m ) ，t h et h e s i sf i r s tp r e s e n t sas e m i f r a g i l ew a t e r m a r k i n gs c h e m ew h i c h e m b e d st h el e v e l - l i n e ，e x t r a c t i n gf r o mt h e i m a g e ，i nt h ed w t ( d i s c r e t ew a v e l e t t r a n s f o r m ) d o m a i n i ti sn on e e dt h eo r i g i n a li m a g ew h e ne x t r a c t i n gt h ew a t e r m a r k i n g m o r e o v e r , w h e nd e t e c t i n ga n dl o c a t i n gt a m p e r e da r e a s ，t h eo r i g i n a lw a t e r m a r ki sn o t n e c e s s a r y t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a t t h ea l g o r i t h mh a sag o o di n v i s i b i l i t y a n dh i g hr o b u s t n e s sa g a i n s tn o n m a l i c i o u sa t t a c k s ，a n da l s oc a nl o c a t et h et a m p e r e d a r e a sr o u g h l y i nt h ee n do ft h et h e s i si st h es u m m a r y , s t a t eb r i e f l yw h a tn e e d st or e f o r 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 u m a nv i s u a ls y s t e m ，l e v e l l i n e ，s i n g u l a rv a l u e d e c o m p o s i t i o n ，a r n o l dt r a n s f o r m a t i o n 浙江大学硕士学位论文图目录 图目录 图1 1 水印分类图。4 图1 2 一级小波变换图7 图2 1 数字水印系统架构1 3 图2 2 水印嵌入框架图1 6 图2 3 对比灵敏度18 图3 1 水印嵌入原理框架图2 9 图3 2 选取子块并放大3l 图3 3 小波变换后l h ，h l 子带矩阵31 图3 4 对两个矩阵作s v d 变换3l 图3 5 嵌入水印后的奇异值矩阵3 2 图3 6 水印提取原理框架图3 2 图3 7 测试图像3 3 图3 8 原始水印图像3 3 图3 9 水印透明性3 3 图3 1 0j p e g 压缩3 4 图3 1 1 加高斯白噪声3 5 图3 1 2 加椒盐噪声3 5 图3 13 裁剪n c = 0 9 9 2 9 3 6 图3 1 4 裁剪n c ：o 9 9 7 2 3 6 图3 1 5 裁剪n c = 0 9 7 5 8 3 6 图3 1 6 裁剪n c = 0 9 8 7 3 3 7 图3 17 随意涂抹n c = o 9 8 9 1 一3 7 图3 18 随意涂抹n c = 0 9 9 0 6 3 7 图3 1 9 直方图均衡化n c = 0 9 9 8 5 3 8 图3 2 0 直方图均衡化n c = 0 9 8 5 6 3 8 图3 2 l 旋转1 0 度3 8 图3 2 2 旋转10 度：3 9 图4 1l e n a 直方图4 3 图4 2 水平线4 3 图4 3j e p g 压缩后提取的水平线4 4 图4 4 加高斯噪声后提取的水平线4 5 图4 5 图像裁剪后提取水平线4 5 图4 6 测试图4 9 图4 7 水印透明性5 0 图4 8 篡改检测和定位5 1 i v 浙江大学硕士学位论文表目录 表目录 表2 1 i t u rr e c 5 0 0 质量等级2 2 表3 2 水印图像的p s n r 值( d b ) 3 3 表4 1j p e g 压缩后水平线与原水平线相似度4 4 表4 2 加高斯噪声后水平线与原水平线相似度4 5 表4 3 水印图像的p s n r 值4 9 表4 4y a n g 算法的水印图像的p s n r 值4 9 表4 5 抗j p e g 压缩的n c 值对比5 0 表4 6 抗噪声的n c 值对比5 0 v 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 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，也不包含为获得逝鎏盘堂或其他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谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝婆盘堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年月日 签字日期：年 月日 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 数字技术的飞速发展及互联网的普及给人们的工作和生活带来了巨大的变 化。以数字媒介为载体的作品如音乐，图像，视频和书籍等由于其获取容易，复 制简单和传播迅速等优点，丰富了人们的生活。然而，网络的开放性和数字作品 的易篡改性也带来了危害，如侵犯版权，信息篡改等，这些恶意行为严重损害了 数字作品的创作者和使用者利益，数字产品的信息安全问题以及版权认证问题已 经成为日益严重的社会问题。因此迫切需要一种技术来保护数字作品的版权，数 字作品的真实性和完整性，以及用户的隐私，知识产权和财产安全等。 对于解决信息安全和版权问题，人们一般会想到加密技术及数字签名等密码 学技术。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，达到隐藏信息内容的目的，它可以解决安全传递和访问控制。 然而密文一旦被解密其内容就完全透明，可以被随意复制篡改，不再受到保护。 所以，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护。 数字签名技术是将摘要信息用发送者的私钥加密，与原文一起传送给接收 者。接收者只有用发送的公钥彳。能解密被加密的摘要信息，然后用h a s h 函数对 收到的原文产生一个摘要信息并让它与解密的摘要信息对比。如果相同，则说明 收到的信息是完整的，在传输过程中没有被修改，否则说明信息被修改过。因此 数字签名能够验证信息的完整性。同时它的公钥也可以表明发送者身份，防止交 易中的抵赖发生。然而数字签名一般把摘要附加在原文后面一起发送，不但增加 了网络传输的带宽，同时如果数字签名丢失或损坏会给原文的完整性验证带来麻 烦。因此采取新的方式对数字产品进行版权保护成为越来越迫切的工作。 在这种情况下，信息隐藏学产生了。它是一门古老而又崭新的学科。1 所谓 信息伪装技术，就是把一种信息隐藏于另一种信息中，如利用隐迹墨水传递消息， 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 用藏头诗下达作战命令等。随着信息时代的到来和数字媒体的出现，这些古老思 想有了新的表现形式，它的研究也涉及密码学，图像处理，模式识别，数学和计 算机科学等领域。信息隐藏技术隐藏了信息的存在性，从而为数字媒体提供进一 步的保护。 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。它将信息嵌入到图像，视频，音频及文本文件 等数字媒体中，以达到保护知识产权和防篡改的目的。 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，已经受到国 内外学术界和企业界的高度关注。它应用在很多领域，如唱片公司在自己的作品 中应用数字水印技术，标注自己的版权信息；同本电信电话通信公司开发了一种 采用数字水印技术的身份认证技术，能实现简单、低成本的身份识别和管理；美国 d i g i m a r c 公司推出了一系列数字水印产品，其“媒体桥( m e d i a b r i d g e ) ”技术丌拓了 访问i n t e m e t 的一条新途径；美国电影协会( m p a a ) ，消费电子产品制造商协会 ( c e m a ) 和部分计算机厂商联合成立的国际版权保护技术工作组( c p t w g ) 研制了 d v d 防拷贝系统等。 如今网络办公已经越来越普及，电子政务及电子商务模式已经深入到政府企 业部门，因此如何保障数字产品网络传输的安全问题也同益突出。尤其是很多政 府企业等的机密信息，如果被恶意篡改会给国家，社会带来极在危害。而数字水 印技术作为版权保护的最后一道防线，为上述问题提供了一个有效解决方案。 1 2 数字水印概述 2 0 世纪9 0 年代数字水印作为一种版权保护的手段被f 式提出。然而虽然目 前有很多讨论数字水印的文献，但数字水印没有一个明确统一的定义。一般认为 数字水印是向多媒体数据( 如图像，音视频，文本等) 中添加某些数字信息而不影 响原数据的视听效果，并且这些数字信息可以从混合数据中全部或部分恢复，以 达到版权保护或内容完整性认证的目的。 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 1 2 1 数字水印的基本特征 为保证水印可为版权保护和内容认证提供可靠证据，水印应当具备以下特 性f 4 】： 1 透明性：指水印对人的感觉器官是不可察觉的。加水印的作品与原始作 品具有很强的感知相似性，另外也不能用统计方法恢复水印。 2 可证明性：水印可以为受到版权保护的信息产品的归属提供完全和可靠 的证据。水印算法可以识别出嵌入到载体数据中的水印信息并能在需要的时候将 其提取出来。一个好的水印算法应该能够提供完全没有争议的版权证据。 3 不可检测性：指隐藏对象与载体象需具有一致的特性，以便使隐藏分析 无法判断隐藏对象中是否藏有嵌入对象。 4 鲁棒性：好的数字水印算法应该能够承受大量不同的物理和几何失真，如 恶意攻击和压缩过滤等操作。水印必须很难被移除，若有人试图强行移除或破坏 水印会导致图像质量严重下降。 5 可靠性检测：水印的检测必须可靠，虚警率和漏检率必须很小【5 1 。 1 2 2 数字水印的分类 根据不同的角度，数字水印有不同的划分方式。 图1 1 列出了常用的分类方式。 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 半脆弱性水 l 鲁棒性水印脆弱性水印 印 明水印 盲水印 l 可见水印不可见水印 按水印特性分 按水印信号是否可见分 按原始载体分 l 图像水印音频水印视频水印文档水印 原图 l 时，空水印变换域水印压缩域水印i 图1 1 水印分类图 下面简单介绍各个分类： ( 一) 按水印的特性可以将数字水印分为鲁棒性水印，半脆弱性水印和脆弱性 水印。对常见的各种图像处理方法均具有鲁棒性的是鲁棒性水印，对一部分特定 的图像处理方法具有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性水印。 ( 二) 按水印信号是否可见可以分为可见水印和不可见水印。可见水印主要用 于版权信息的清晰标示，它是不可删除的，不能影响数字内容的价值如视觉效果 和使用等，而且必须自适应于任何内容的媒体以满足这些要求。可见水印的典型 应用是在i b m 数字图书馆项目中【6 1 。另外同常生活中我们也经常可以看到，如钞 票中的面值水印，电视台的台标以及很多网站的预览图像都被嵌入可见水印。 ( 三) 根据原始载体的不同可分为图像水印，音频水印，视频水印和文档水印 竺 弋于o ( 四) 根据水印的生成是否依赖于原始载体，可分为非自适应性水印和自适应 性水印。非自适应性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。自适应性水印是从原始载体的特性生成的水印， 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 如原始载体的边缘信息，直方图信息等。 ( 五) 从水印提取和检测是否需要原始图像参与，可以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。 ( - k ) 按水印的处理算法分可以分为时空域水印、变换域水印和压缩域水印。 时空域水印是直接把水印嵌入到载体的空间域中，它是数字水印早期主要研究的 领域，一般应用在安全认证领域，如内容认证或篡改提示。对于图像水印研究，通 过直接改变图像某些像素的灰度值来加入水印，如改变图像像素的最不重要比特 位( l s b ) ，以及p a t c h w o r k 等【7 1 。时空域算法一般实现简单，但嵌入的水印容量有 限，因此鲁棒性不如变换域算法。 目前大多数水印算法采用变换域算法，这类算法是先对图像进行某种可逆的 数学变换，然后对变换域的系统进行某种修改，再进行逆变换得到图像。基于变 换域的算法主要包括离散余弦变换( d c t ) 和离散小波变换( d w t ) 两类。 ( 一) d c t 变换 离散余弦变换( d i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m ，简称d c t 变换) 是一种与傅立 叶变换紧密相关的数学运算。在傅立叶级数展开式中，如果被展丌的函数是实偶 函数，那么其傅立叶级数中只包含余弦项，再将其离散化可导出余弦变换，因此 称之为离散余弦变换。 它是n a h m e d 等人在1 9 7 4 年提出的币交变换方法。它常被认为是对语音和 图像信号进行变换的最佳方法。为了工程上实现的需要，国内外许多学者花费了 很大精力去寻找或改进离散余弦变换的快速算法。由于近年柬数字信号处理芯片 ( d s p ) 的发展，加上专用集成电路设计上的优势，这就牢固地确立离散余弦变换 ( d c t ) 在目前图像编码中的重要地位，成为h 2 6 1 、j p e g 、m p e g 等国际上公用 的编码标准的重要环节。在视频压缩中，最常用的变换方法是d c t , d c t 被认为 是性能接近k l 变换的准最佳变换【8 】，变换编码的主要特点有： ( 1 ) 在变换域罩视频图像要比空问域罩简单。 ( 2 ) 视频图像的相关性明显下降，信号的能量主要集中在少数几个变换系数上， 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 采用量化和熵编码可有效地压缩其数据。 ( 3 ) 具有较强的抗干扰能力，传输过程中的误码对图像质量的影响远小于预测编 码。通常对高质量的图像，d m c p 要求信道误码率，而变换编码仅要求信道误码 率。 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抗压缩能力，因此离 散余弦变换在数字水印处理技术中受到普遍重视。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，通常是矩阵中第一个元素值，它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 系统可分为低频分量，中频分量和高频分量。 其中，低频分量反映了载体图像的主要轮廓，集中了图像的大部分能量，它影响 着水印的不可见性，因此该区域不能有较大的篡改失真；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区域，但在处理过程 中容易丢失。k o c h 等人 9 , 1 0 l 首先提出基于d c t 域的水印算法，通过修改由伪随 机选定的中频系数对的差值嵌入水印。由于它与j p e g 压缩的特性兼容，且在修 改d c t 系数的同时考虑到 p e g 压缩量化矩阵，因而可以有效地提高水印的抗 j p e g 压缩能力。p r o m c h a r o e n 等人【】首先利用模糊c m e a n 算法( f c m ) 来把 d c t 分块区分为纹理和非纹理块，然后利用遗传算法来找出最适合水印嵌入的位 置。z e n g 等人【l2 】提出一种利用量化索引模型( q i m ) 技术的盲水印策略。算法首先 分析了水印嵌入位置和对应的d c t 域的p n s r 值的数学关系，并把水印嵌入到 直流分量中。c o x1 1 3 1 等人首先提出将水印嵌入到图像中感知重要的区域，其思想 是要破坏水印必然会破坏图像的重要内容，从而导致图像质量严重下降。 ( 二) d w t 变换 余弦变换是经典的谱分析工具，它考察的是整个时域过程的频域特征或整个 频域过程的时域特征，因此对于平稳过程，它有很好的效果，但对于非平稳过程， 它却有诸多不足。在j p e g 中，离散余弦变换将图像压缩为8 x 8 的小块，然后依 次放入文件中，这种算法靠丢弃频率信息实现压缩，因而图像的压缩率越高，频 率信息被丢弃的越多。在极端情况下，j p e g 图像只保留了反映图像外貌的基本 6 浙江大学硕士学位论文 第l 章绪论 信息，精细的图像细节都损失了。 小波变换是在傅立叶变换基础上发展起来的。它与傅立叶变换，余弦变换的 最大区别是，傅立叶变换和余弦变换是一种全局变换，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尺度( 时间频率) 变换，它具有多分辨率分析的特点，且具有 分层特性，能够使水印的嵌入和检测在某个子带或几个子带进行。 小波变换是现代谱分析工具，它既能考察局部时域过程的频域特征，又能考 察局部频域过程的时域特征，因此即使对于非平稳过程，处理起来也得心应手。 它能将图像变换为一系n d , 波系数，这些系数可以被高效压缩和存储，此外，小 波的粗略边缘可以更好地表现图像，因为它消除了d c t 压缩普遍具有的方块效 应。 数字图像经过小波分解后，共分为四个子带图像，分别为l l ，l h ，h l ，h h 。 如图1 2 所示。 图1 2 一级小波变换图 其中子带图像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。 子带图像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低，稳定性较差。 利用小波变换的多分辨特性，嵌入的水印在不同分辨层上具有不同的稳定性 和视觉特性。同时的能量集中特性和良好的时频分解特性更符合人类视觉系统特 点，因此被新一代压缩标准如m p e g 4 及j p e g 2 0 0 0 所采用【1 4 】 由于小波变换在对抗压缩，基本信号处理方面具有良好的适应性，因此近年 来对小波域数字水印研究开展较多，也取得了较好的研究成果。d a z h iz h a n g ”j 等人通过小波变换，基于p d e 的图像光滑处理和形念操作，获取低频区域来嵌入 浙江大学硕上学位论文第l 章绪论 水印。c h a n g 1 6 1 等人提出一种使用混沌a r t 的基于d w t 的版权认证算法。算法 结合d w t ，混沌a r t 和量化处理，把图像映射为带有版权信息的小型的鲁棒性 表格。c h u a n m ul i t l 7 】等人提出一种基于d w t 的图像认证算法。在这算法中，二 值水印通过一个混沌图生成，并对图像作3 级小波变换从中选择一部分作为水印 嵌入位置。h u a n gh f t l 8 1 提出一种d w t 和混沌不规则性原理的水印算法。通过对 水印图像作不规则性转换和对水印图像进行加密。文献【1 9 】通过研究d w t 和混沌 理论，提出把水印嵌入到d w t 的低频区域。 基于小波域的数字水印具有四个优点【2 0 】：其一，由于新一代压缩标准 j p e g 2 0 0 0 采用了小波变换，因此基于小波域水印算法可以保证水印能抵抗 j p e g 2 0 0 0 压缩；其二，由于小波域原理符合人类视觉系统的特性，因此可以把 这些理论与人类视觉系统结合起来运用在水印算法中；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，可以把人眼视觉系统h v s 的理论用于选择适当的水印嵌入位置与嵌入强度。 然而，小波域变换也有不足之处。d w t 系统不具有几何不变性，对抗图像缩放 和旋转等方面存在不足。 压缩域水印处理是指在压缩域内进行的水印处理，如j p e g 域、m p e g 域压 缩等。 1 2 3 数字水印的应用 数字水印技术出现的最初目的是为了解决随着数字技术和互联网技术发展 带来的版权危机问题，然而随着研究的不断深入，其应用领域也得到了很大的扩 展，在许多方面都发挥着很重要的作用。 目前，数字水印技术主要应用在如下几个方面： ( 一) 版权保护 网络技术的普及和数字技术的飞速发展使得数字作品的拷贝和修改变得十 分容易，这也导致数字产品的版权保护问题变得同益重要。数字水印技术作为信 息隐减的重要手段，可以很好地解决这一问题。数字作品的所有者可以用密钥产 8 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 生一个水印，并将其嵌入原始载体中，然后公开发布这一水印作品。当作品出现 盗版或版权纠纷问题时，所有者可以从盗版作品中获取水印信号，并以此为依据 保护所有者的合法权益。目前，用于版权保护的数字水印技术已经进入了商用化 阶段。如a d o b e 公司的图像处理软件p h o t o s h o p 集成了数字水印插件，i b m 公司 在其”数字图书馆”软件中提供了数字水印的功能。 ( 二) 隐藏标识和篡改提示 可以将作品的标题，注释等标识以水印形式嵌入作品中。这些标识信息比数 据本身更具有保密价值。标识信息在原始文件中是看不到的，只有通过特殊的阅 读程序或软件才可以读取。国外一些公开遥感图像数据库已经采用这种方法。 此外，当数字作品被用于法庭，医学，新闻等领域时，通常需要确定内容的 真伪。为实现该目的，通常将原始载体分成多个独立块，每个块嵌入不同水印， 当载体被篡改时可以较精确地定位篡改位置。 ( 三) 拷贝保护 多媒体发行体系中，人们通常希望一种拷贝保护机制，不允许未授权的媒体 拷贝。数字水印可以用来记录数字产品的数据被拷贝情况，从而控制数据能否被 拷贝或限制被拷贝的次数。一个成功的例子是由美国电影协会( m p a a ) ，消费电 子产品制造商协会( c e m a ) 和部分计算机厂商联合成立的国际版权保护技术工作 组( c p t w g ) 研制的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”水印的数据只可以被拷贝 一次。 ( 四1 盗版跟踪 盗版跟踪的目的是传输合法授权者的信息而不是数据来源者的信息，主要用 来识别数据单个发行拷贝。这一类应用是在发行的每个拷贝中嵌入不同的水印， 通常称之为”数字指纹”。数字指纹一般不能避免非授权使用，但可以检测非授权 使用。 ( 五) 真伪鉴别 真伪鉴别的目的是对数据的修改进行检测，一般用水印信息的完整性实现。 9 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 如数码相机中使用惟一固定的水印标识，拍摄时会在照片中嵌入数字水印，对照 片的任何修改都会破坏数字水印，使用专门的检测软件就能检测出什么地方被修 改了，以此保证图像的真实性。 随着高质量图像输入输出设备的发展，特别是高精度的彩色喷墨，激光打印 机和高精度彩色复印机的出现，货币支票及其他票据伪造变得非常容易而且逼 真，在某种程度上可以达到以假乱真的效果，给人们的生活和财产安全带来危害。 另一方面，在从传统商务向电子商务转变的过程中，会出现大量过度性的电子文 档，如各种纸质票据的扫描图像等。数字水印技术通过为各种票据提供不可见的 认证标志的方式，大大增加仿造难度。目前，美国，日本及荷兰已开始研究用于 票据防伪的数字水印技术，麻省理工学院也开始研究在彩色打印机，复印机输出 的图像中加入惟一的不可见水印，从而减少仿造现象的发生。 ( 六) 保密通信 数字水印是信息隐藏技术的一种，它为保密通信开辟了新思路。传统的保密 通信通常采用文件加密的方式，经过加密的文件杂乱无序，容易引起攻击者注意。 而且一旦被破解则失去保护的作用。而数字水印可以将信息隐藏在普通文件中， 不易引起注意，攻击者一般很难检测，而且还需要借助水印密钥才能提取水印。 1 3 水印发展现状 自从t i r k e l 等人口”在1 9 9 3 年创造新词”w a t e r m a r k ”以来，数字水印受到 了越来越多的注意并得到迅速发展。学术界分别于1 9 9 6 ，1 9 9 8 ，1 9 9 9 年召开三届 信息隐藏技术国际研讨会。在s p i e 和i e e e 的一些重要会议上也开辟了相关的专 题。自1 9 9 8 年以来，i e e e 的多家刊物都组织数字水印技术的技术专刊或专题报 道。政府组织和许多著名企业及公司的参与与投入，更使数字水印技术成为当前 信息科学前沿中一个新的研究热点。 随着国际问信息与技术交流，国内关于信息隐藏的研究也迅速升温。中国信 息隐藏研讨会( c i h 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。1 9 9 9 年1 2 月，c i h w 研讨会成功召丌第一届会议。2 0 0 0 年1 月， 1 0 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 由国家8 6 3 计划智能计算机专家组织召开 数字水印技术学年学术研讨会 ，来 自国家自然科学基金委员会，国家信息安全认证中心，中科院自动化所模式识别 国家重点实验室，中科院计算所c a d 开放实验室及多家高校等多家科研机构与高 等学府的专家学者和研究人员参加了这次会议，充分反映我国对这一领域研究的 高度重视与大量投入幽1 。 到目前为止，数字水印从研究对象上看主要涉及图像水印，音频水印，视 频水印c 2 4 3文本水印嘲和三维网络数据水印等方面，其中大部分的水印研究集 中在图像研究上。同时，由于数字水印是门交叉学科，吸引了多个学科的学者参 与，因此给数字水印带来了新的活力，如把人工智能的神经网络啪1 ，支持向量机 原理乜7 1 应用于数字水印中等。 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，水印技术还处于发展阶段，从理论 上看仍不成熟。 1 4 本文的主要工作和组织结构 1 4 1 研究内容 本文通过查阅数字图像水印相关文献和研究成果，开展研究数字水印在对数 字水印技术在版权保护和图像内容认证方面的应用。 1 在分析当前鲁棒性算法在版权保护应用的基础上，利用人类视觉系统t t v s 的特性，实现一种结合奇异值分解s v d ，可见噪声门限j n d 及离散小波变换d w t 的鲁棒性数字水印算法。 2 在分析当前半脆弱性数字水印算法在内容认证应用的基础上，提出一种 利用图像自身特征作为水印嵌入到图像中的内容认证算法。该算法以人类视觉系 统h v s 和图像自身特征水平线的思想为基础。由于选择特征点相对稳定，水 印提取时不需要借助原图像，定位篡改也不借助原始水印。 1 4 2 组织结构 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 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，数字水印的概述，课题领域的发展现状， 研究内容及论文各部分组织结构 第2 章：详细介绍数字水印技术基本理论，对水印生成和嵌入技术做了较深 刻研究，并介绍了几种常用的性能评估指标。 第3 章：在分析鲁棒性算法的基础上，提出一种结合d w t 和s v d 的自适应性 水印算法，并给出了算法的基本思想，实现过程及结果。这是本论文的一个研究 工作。 第4 章：这是本论文的另一个研究工作。在分析图像内容认证技术的基础上， 提出一种把图像自身特征作为水印嵌入图像中的内容认证水印算法，本章给出了 算法的基本思想，实现过程及实验结果，并与一个相似算法进行对比。 第5 章：对目前的研究工作进行总结，并指出需要进一步改进和完善的地方， 同时展望了未来的工作。 1 5 本章小结 本章首先介绍了本课题的背景，指出数字水印在版权保护方面的重要作用。 第二节较详细地介绍了数字水印的概念，基本特征，应用等。第三节对研究领域 的发展状态进行描述，并指出当f j i 研究的不足。最后描述了本文的研究工作和组 织结构。 浙江大学硕士学位论文第2 章数字水印技术基本理论 第2 章数字水印技术基本理论 数字水印技术是信息安全技术领域的新方向，它是一种可以在开放网络环境 下保护版权和认证的技术。人们无法从表面上感知水印，只有专用检测器或软件 才能检测和提取水印信息。 数字水印系统主要由三部分组成【2 8 1 ：水印生成，水印嵌入和水印提取与检测， 如图2 1 所示。根据不同的应用，三部分的设计要求各有侧重。 图2 1 数字水印系统架构 2 1 水印生成 水印生成是数字水印嵌入前的准备工作和预处理工作。由于人类视觉系统对 纹理具有极高的敏感性，故水印不应含有纹理。构成水印的序列通常应该具有不 可预测的随机性，且具有与噪声相同的特性。水印信号w 可以包含一定的隐藏信 息，如作者信息，数字作品的标识，用户标识，公司图标等。隐藏信息一般要经 过加密处理，并保证生成水印信号的惟一性，有效性和不可逆性等特征。 水印生成过程一般是把原始水印信息在密钥k 的配合下生成适合于嵌入到 浙江大学硕士学位论文第2 章数字水印技术基本理论 原始载体x 的待嵌入水印信号w 的过程。水印生成函数g 通常基于一个加密系 统，伪随机数发生器或混沌系统，一般可以分解成两部分： g = to 尺 其中： r ：k 专w ，t ：x x w x k w 子算法r 的输出是基于密钥k 的原始水印渺形。当r 基于伪随机数发生 器时，密钥k 则表示其种子；当r 基于混沌系统时，密钥k 则由许多初始条件 经适当变换而产生。这两种方法通常可以得到足够大的密钥空间，并且满足密钥 惟一性条件和子算法r 的不可逆性，而且所产生的水印信号也满足有效性。子算 法r 适用于通常的信息隐藏技术，包括数字水印和信息伪装。r 可以保证即使攻 击者成功提取水印，也无法解密隐藏的信息。 子算法t 用于修改原始水印，以得到基于数字作品的水印w 。根据不同的应 用目的，对子算法t 的设计要求也不同。一些应用要求数字作品的细微差别应产 生完全不同的水印，如易损水印和鲁棒水印；有些应用则要求水印对数字作品及 其感知相似的版本具有依赖性，如半易损水印。信息伪装要求隐藏信息的不可检 测性，对子算法t 通常不做要求。 常用的水印生成技术有扩频水印生成技术，数字图像置乱技术，混沌水印生 成技术三种【2 9 】。 2 1 1 扩频水印生成技术 扩频技术f 2 9 】，即扩展频谱通信技术( s p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o n ) ，它的基 本特点是其传输信息所用信号的带宽远大于信息本身的带宽。扩频通信技术是一 种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频 带的扩展是通过一个独立的码序列来完成，用编码及调制的方法来实现的，与所 传信息数据无关；在接收端则用同样的码进行相关同步接收、解扩及恢复所传信 息数据。 浙江大学硕士学位论文第2 章数字水印技术基本理论 它利用与待传输数据无关的扩频码对待传输的信号进行频谱扩展，使之远远 超过待传输信息所必需的带宽，在接收机中采用相同的扩频码解扩和恢复数据。 信息隐藏中通常使用的两种扩频方法有直接序列方法和跳频方法。在直接序 列方法中，秘密消息由一个称为片串的常值扩散，与一个伪随机信号调制，再加 入到隐秘载体中。而在跳频方法中，载波信号的频率快速地从一个频率跳到另一 个频率。 扩频技术在数字水印领域应用广泛。在图像数字水印系统中，原始图像载体 相当于宽带，水印信号相当于窄带信号。利用扩频技术原理，可以把一个水印的 能量谱扩展到一个很宽的频段中，例如将水印分布在载体信号的各个频域系数 中，从而让分配到每个频率分量上的水印信号能量变得较小而难以检测。由于水 印嵌入位置和内容事先已知，所以在检测过程中，可以通过对各个频率分量上提 取和出来的弱信号进行合成处理，以高信噪比检测所嵌入的水印信息。 2 1 2 图像置乱技术 置乱技术是随着信息安全与保密被重视而发展起来的图像加密技术。该技术 可以看作是从经典密码学中的单表系统扩展而来的，它早期是对模拟图像的位置 空间做置换。对于数字化图像，置乱过程不仅可以在数字图像的空间域上进行， 还可以在其频率域进行。置乱技术考虑了图像数据本身的特点，克服了传统密码 技术把图像简单地看作是普通的数据流进行加密的缺点，它通过扰乱图像的组成 部分，并且让合法使用者自由控制算法的选择，参数选择及使用随机数技术，从 而达到非法使用者无法破译图像内容的目的。目前，使用较多的技术主要有几种： a m o l d 变换，幻方，h i l b e r t 曲线，i f s 模型，g r a y 码变换等。随着近年来数字水 印技术的兴起，置乱技术通过置乱分散错误比特的分布从而在提高数字水印的鲁 棒性方面有了新的应用。 2 1 3 混沌水印生成技术 在非线性科学中，混沌是一种无规则的运动，是在非线性动力系统中出现的 确定性的但不可预测的运动状态，它的外在表现和纯粹的随机运动很相似。这种 浙江大学硕士学位论文第2 章数字水印技术基本理论 过程既没有周期性也没有收敛性，同时它对无限小的初值变动和微扰也具有敏 感性，无论多小的扰动在长时间后，也会使系统彻底