（模式识别与智能系统专业论文）面向版权保护的数字水印技术研究.pdf

摘要 摘要 近几年，随着数字产品的大量使用，版权保护问题变得愈来愈严峻。数 字水印作为种潜在的解决方案，备受青睐。本文重点研究了图像水印不可 见性和鲁棒性之间的平衡，基于水印容量分析设计水印以及应用水印进行版 权保护的系统方案，以期设计面向版权保护的更加实用的水印算法和系统。 版权保护要求水印具有不可见性和鲁棒性，然而，它们之间是相互矛盾 的。要解决这个问题，必须采用合适的感知质量失真度量。我们引入了信噪 比、峰值信噪比和由人眼视觉模型得到的恰好明显偏差，并在扩频水印的框 架下从理论上分析了如何将他们应用于水印。最优的嵌入方案是在给定失真 限制下通过最大化检测值获得的，同时也量化了水印的极限性能，也就是水 印检测值的上限。所有的结果都是在一个图像块上导出的，因为小区域上感 知质量失真度量能够更好地估计图像质量的失真量。我们还给出了每个图像 块上嵌入强度的调整策略，通过这种调整能提升水印的不可见性和鲁棒性。 理论分析和实验都表明所提出的算法具有更好的性能。 适于版权保护的水印需要嵌入多位信息，水印的容量分析为它的设计提 供了必要的理论基础。本文总结了这方面的主要成果并介绍了一种可逼近水 印容量的水印，标量c o s t a 方案。以此为基础，本文提出了一种自暴露的水 印。它利用标量c o s t a 方案将有意义的水印信息以块重复方式嵌入到载体信 号中，检测过程可剔除载体信号的干扰，只保留水印信息暴露于人眼前。每 个块上采用不同的量化步长实现了水印的自适应嵌入。我们以局部信噪比为 失真度量，得出了每个块上的最优量化步长并建立了量化步长空间，解决了 水印检测需要已知量化步长的问题。相应的，新的码本加密方案能确保水印 的安全。实验结果显示提升的标量c o s t a 方案能有效抵抗几何攻击。 作为应用研究的一部分，水印的系统方案尤为重要。本文提出了两种基 于水印的数字版权保护方案。一种是面向在线多媒体内容的。它利用了插件 来增加当前播放器的版权保护功能，通过将插件与用户信息绑定以及以不同 的密钥和水印处理媒体文件，能有效的阻止非法传播。另一种方案是利用水 印来扩展o m a d r m 标准，以加强无线网络内的版权保护。当没有发生盗版 面向版权保护的数字水印技术研究 时，媒体内容的管理由正常的o m a d r m 完成。相反，可通过水印的验证为 处理版权纠纷提供可靠的证据。 关键词： 数字水印，版权保护，扩频水印，鲁棒性，水印容量 1 1 a b s 仃a c t a b s t r a c t r e c e n t l y ，w i t hw i d eu s eo fd i g i t a lp r o d u c t ，c o p y r i 曲tp r o t e c t i o ni sb e c o m i n g u r g e n t d i g i t a lw a t e r m a r k i n a sap o t e m i a lr e s o l u b l ea p p r o a c h ，r e c e i v e sm u c h a t t e n t i o n t h i st 1 1 e s i sf o c u s e so nt l l et r a d e o f fb e t w e e n i n v i s i b i l i t ya n dr o b u s t n e s s o fw a t e m a r k i n 舀c a p a c i t ya n a l y s i sb a s e dw a t e m a r k i n g d e s i g na n dw a t e m a r k i n g s y s t e mf b rc o p y r i g h tp r o t e c t i o n t h eo n l yp u r _ p o s ei st op r e s e n tm o r ep r a c t i c a l w a t e r m a r k i n ga l g o r i t l l i l l sa n ds y s t e m st o 舻o t e c tc o p y r i g h t b o t hi n v i s i b i l i t ya n dr o b u s 恤e s so f 、v a t e h n a r k i n ga r er e q u i r e df b rc o p y r i g h t p r o t e c t i o n b u tt h e r ee x i s t sm u t u a lc o m r a d i c t i o nb e t 、v e e nm e m t os o l v es u c ha p r o b l e m ，r e a s o n a b l ep e r c e p t u a lq u a l i t ym e a s u r e ( p q m ) i r m s tb ea p p l i e d w e i n t r o d u c es i g n a l t on o i s er a t i o ( s n r ) ，p e a ks i g n a lt on o i s er a t i o ( p s n r ) ，a i l dj u s t n o t i c e a b l ed i 虢r e n c e s ( 心d s ) d e r i v e df r o ms o m eh u m a nv i s u a lm o d e l ( h v m ) a n dm et h e o r yo na p p l y i n gt h e mt 0w a t e r m a r k i n gi sf o 眦d e di nt h e 丘啪e w o r ko f s p r e a ds p e c t r u mw a t e r m a r k i n g ( s s ) t h eo p m n a le m b e d d i n gs t r a t e g i e s a r e a c q u i r e dt h r o u g hm a x i m i z i n g d e t e c t i o nv a l u ew i t ht 1 1 e g i v o n d i s t o n i o n c o n s t r a i n t s m e a r l w h i k ，t h el i m i tp e r f o n n a n c ei sa l s 0q u a l i 矗e di n 也es a m e c o n d i t i o n ，w h i c hu p p e 卜b o u n d sd e t c c t i o nv a l u e a 1 1t h er e s u h sa r ed e r i v e di n0 1 1 e i m a g eb l o c k ，f o rt h ep e r c e p t u a lq u a l i t yo fs m a l lr a n g ei se s 由n a t e db e t t c rb yp q m t h ee m b e d d i n gs t r e n g t hi ne a c hi m a g eb l o c ki sf u r t h e ra d j u s t e dt oi m p r o v et h e i n v i s i b i l i t ya n dr o b u s t n e s sa c c o r d i n gt o t h eg i v e ns t r a t e g y ，b o mt h e o r e t i c a l a n a l y s i sa i l de x p c r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt l l eh i g h e rp e r f 0 棚施n c eo ft h ep r o p o s e d a l g o r i t h m s w a t e 瑚a r k i n gi sr e q u i r e dt oe m b e dm u l t i - b i ti n f o 珊a t i o nf o rc o p y r i g h t p r o t e c t i o n c 印a c i t ya i l a l y s i sp r o v i d e st h en e c e s s a r yt h e o r yf o ri t sd e s i g n m a i n r e s u l t sa r es u m m a r i z e di nt h i sr e s p e c t a n ds c a l a rc o s t as c h e m e ( s c s ) i s i n t r o d u c e d ，w h o s ec a p a c i t ya p p r o a c h e st h em e o r e t i c a lr e s u l t s b a s e do nt 1 1 e s e ，t 1 1 e n o v e ls e l m s c o v e r yw a t e r m a r k i n gi sp r o p o s e d m e a n i n g f u lw a t e m a r km e s s a g e i se m b e d d e di ns c sw i t l lb l o c kr e p e t i t i o n w 乱e r m a r ke x t r a c t i o ne l i m i n a t e st h e i i i 面向版权保护的数字水印技术研究 i n t e r f e r e n c eo fc o v e rd a t aa n do n l yk e e p sw a t e r m a r kl e rb e f o r eh m l a ne y e s t h e e m b e d d i n gs t r e n g t h o ne a c hb l o c ki sa d j u s t e da d a p t i v e l yb yu s i n gd i f 毪r e n t q u a n t i z a t i o ns t e p w i t ht h eg i v e nl o c a ls n t h eo p t i m a lo n ei sd e r i v e d ，w h i c h m a x i m i z e st h er o b u s 协e s s t h eq u a n t i z “o ns t e ps p a c ei sc o n s t r i l c t e dt om a k e w a t e r m a r kd e t e c t e dw i t h o u tt h ek n o w l e d g eo fq u a n t i z a t i o ns t e p s a c c o r d i n g ly ， t h en e wc o d e b o o ke n c r y p t i o nm e t h o di sa l s op r e s e n t e d t h ee x p e “m e n t a lr e s u l t s d e m o n s t r a t et h a tt h ei m p r o v e ds c si sr o b u s tt og e o m e t r i c a la t t a c k s w a t e r m a r k i n gs y s t e md e s i g ni sa l s oi m p o n a n tf o ra p p l i c a t i o n t h i st h e s i s p r e s e n t st w os c h e m e so nd i g i t a lc o p y r i g h tp r o t e c t i o n ( d c p ) o n ei s f o ro n l i n e m u l t i m e d i a d c pi si m p l 哪e n t e db ye x t e n d i n gt h ee x i s t i n gm e d i ap l a y e r sw i t h t h ep r e s e n t e dp l u g i n i l l e g a ld i s t r i b u t i o no fm e d i ac o n t e n ti sc e a s e de f 传c t i v e l y t h r o u g hb i n d i n g t h e p l u g i n t o p e r s o n a l i n f b m a t i o n ， e n c r y p t i n g a n d w a t e m a r k i n gt h ec o n t c n t t h eo t h e ri sf o rt h ec o n t e n ti n 耐r e l e s sn e t w o r k o m a d r mi ss t r e n g t h e n e db yw a t e r m a r k i n g w i t h o u td u b i o u sp i r a t i c a lc o p y ，t h e c o n t e n ti sc o n t r o l l e db yo m a d r mi n d e p e n d e n t l y o p p o s i t e l y ，t h ec o p y r i g h ti s t e s t i f i e dt h r o u g hw a t e m a r kd e t e c t i o n k e y w o r d s ： d i 酣a lw a t e r m a r k i n g ， d i g i t a lc o p y r i g h tp r o t e c t i o n ， s p r e a d s p e c t m mw a t e m a r k i n g ，r o b u s t n e s s ，w a t e r i i l 盯k i n gc 印a c i t y i v 独创性声明 本人声明所成交的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，论文中不包含其他入已经发表或撰写过的研究成果。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地说明并表示了谢意。 签名： 粜孙j ， 日期： 关于论文使用授权的说明 乙蜘i ， 本人完全了解中国科学院自动化研究所有关保留、使用学位论文的规定，即：中国科学院自 动化研究所有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：可以公布论文的全部或部分内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 签名： ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 臻易7 一导师签名：丞叠刍z 日期： 诃。8 1 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 当今社会的发展已经呈现两个明显的特征：数字化和网络化。数字化指 的是信息的存储形式，它的特点是信息存储量大、易于编辑和复制；网络化 指的是信息的传输形式，它具有速度快、分布广的优点。在过去的十年里， 数字媒体信息的使用和分布爆炸性的增长。个人电脑在家里通过宽带就可以 连到互联网上，而且性能和速度不断提升，这使得数字媒体信息的分布和应 用变得更快捷更容易。随之电子商业和在线服务也得到了迅猛的发展。我们 也逐渐发现模拟化的音频、视频播放设备都有了相应的数字化的替代品。甚 至，人们很容易利用手中的数字设备制作个人的数字作品。 尽管数字媒体信息有很多优于模拟信息的地方，但是服务提供商们却对 提供数字内容的服务颇感为难，因为不受限制的复制和分发有版权的资料会 给他们带来巨大的经济损失，甚至引起法律纠纷。根据英国i n f o 咖a 媒体集 团发表的份调查报告【1 】，到2 0 1 0 年，单是通过互联网销售电影一项年销 售额就可能超过8 亿美元，但如果不存在非法下载，这一数字应当是1 3 亿。 另外，原始的数字媒体数据也不具备任何安全性，人们可以很容易的对其进 行修改，这会导致很多严重的问题，比如说，法庭证据的有效性。由于可能 出现版权和安全的问题，数字媒体数据必须得到保护 2 ，3 】。 数字信息与模拟信息有本质的差别，传统的保护模拟信息的方法对数字 信息已不再奏效。再加上一些具有通用目的的处理器的出现，如p c 机，使 那些基于硬件的媒体保护方案很容易被攻破。而通常采用的加密技术事实上 只能在信息从发送者到接受者的传输过程中保护媒体的内容。在信息被接收 到以后，再利用的过程中所有的数据对使用者都是透明的，不再受到任何保 护。数字水印的提出，作为一种潜在的解决方案，得到了众多学者的青睐。 数字水印的基本思想是在原始媒体数据中，如音频、视频、图像等，嵌 入具有一定意义的附加信息，被嵌入的信息与原始数据紧密结合，并随之一 面向版权保护的数字水印技术研究 起被传输【4 】。通常我们称原始的媒体数据为载体信号或者宿主信号，而称被 嵌入的信息为水印信号。在接收端，通过计算机水印信号被提取出来用于各 种目的，可能的应用包括版权保护、数字签名、数字指纹、广播监视、内容 认证和秘密通信等【4 】。 数字水印自提出以来已经涌现了大量的算法，其中主要的思想有l b m 、 特征修改、扩频、已知边带信息的通信以及竞赛。伴随数字水印同时产生的 是水印的攻击技术。攻击的意图是阻止水印正确检测和提取。水印的攻击技 术可以用来评价水印的性能，它是水印技术的一个重要方面。如何提高水印 的鲁棒性，抵抗攻击，是水印设计者最为关注的问题。 1 2 面向版权保护的数字水印 数字媒体的大量使用使得版权保护正面临着严峻的挑战。鉴于数字内容 易于编辑和复制，盗版更加容易：再借助i n t e m e t 和无线通信网络的快速传 播，将给版权所有者造成更大的损失。因此，实现版权保护应该从限制更改， 限制传播，跟踪内容，提供版权证据等几方面入手。数字水印可以使附加信 息与数字内容紧密结合，从而在实现上述几个方面的功能中起着关键性的作 用。数字水印被视作抵抗多媒体盗版的“最后一道防线” 5 】。 普遍一致的观点是，数字水印应用于版权保护需要满足如下的一些特性 要求： - 由水印嵌入所导致的宿主信号的失真量是不可见的，不可闻的( 不 可见性) _ 水印检测不需要已知宿主信号( 盲的) ； _ 水印能抵抗常用信号处理和恶意攻击，例如压缩、滤波、随机噪声 和剪切等操作( 鲁棒) ； - 可嵌入一定量的信息( 水印容量) ； 一水印嵌入和检测的计算量低( 复杂度) ： 一水印检测器的输出结果具有很高的可靠性( 错警率) ； 总之，版权保护所需要设计一种实现简单，可靠性高，具有一定容量， 2 第一章绪论 不可见的盲鲁棒水印。本文的工作即是致力于此。 然而，数字水印自身并不能阻止数据被拷贝。它需要作为一个更大系统 的一部分用于版权的验证或者拷贝的预警。所以有必要研究应用水印的协议 和系统的具体实现方案，比如说按照设计的协议利用水印能够明确排除版权 所有者之间的争论。 1 3 国内外研究动态 国际上对数字水印技术的研究可谓如火如荼。许多著名的大学都设立了 与此相关的方向。美国麻省理工学院、英国伦敦大学、瑞士洛桑联邦工学院、 德国国家信息技术研究中心和意大利的锡耶纳大学等可代表学术的最高水 平。一些大的政府或国际组织致力于应用水印标准的制定。美国版权保护技 术组织( c p t w g ) 成立了专门的数据隐藏小组( d h s g ) 来制定版权保护水 印的技术标准。由欧洲委员会资助的项目t a l i s m a n 是为欧盟成员国的服 务提供商提供一个标准版权保护机制，防止大规模商业盗版和非法拷贝。 o c t a l i s 是t a l i s m a n 和0 k a p i 的后续项目，其主要目的是将有条件的访 问机制和版权保护机制整合起来。国际上一些大的商业集团大量投资于水印 的具体应用研究。微软公司正在积极地研究对原版c d 的版权保护，同时也 在研发新的操作系统来全面防止信息的非法复制。索尼和飞利浦收购了捌有 多项版权保护专利的i n t e r l t m s t 公司，收购最重要的目标是通过广泛采用 l m e r t r u s t 在d r m 方面的知识产权加强数字内容的安全传播。惠普从i n t e l 处获得了数字内容保护技术的授权，并将与飞利浦合作开发拷贝控制技术。 还有韩国的三星，日本的n e c 目前都有专门的d r m 研究项目。 国际学术界陆续发表了大量关于数字水印技术方面的文章，几个有影响 的国际会议( 例如i e e e ，s p i e 等) 及一些国际权威学术期千日( 例如s i g n a l p r o c e s s i n g 等) 相继出版了有关数字水印技术的专题。1 9 9 6 年，国际第一届 信息隐藏学术讨论会【6 】( i n t e m a t i o n a li n f o r m a t i o nh i d i n g w o r k s h o p ，i h w ) 在 英国剑桥牛顿研究所召开，至今该研讨会已举办了五届。1 9 9 8 年的国际图像 处理大会( i c i p ) 上为数字水印开辟了两个专题。2 0 0 2 年韩国首尔举办了由 韩国政府资助的第一届国际数字水印研讨会【7 】。m a n i nk u t t c r 创建的 w a t e r m a r k i n g w o r l d 已成为一个关于数字水印的著名网上论坛【8 】。 3 面向版权保护的数字水印技术研究 国内一些研究单位和高校也纷纷投入数字水印的研究，像哈尔滨工业大 学、天津大学、北京邮电大学、中国科学院自动化研究所等，他们是国内较 早投入水印技术研究且取得较好成绩的科研单位。国内信息隐藏学术研讨会 ( c i h w ) ，至1 9 9 9 年以来已成功的举办了五届，很大程度地推动了水印技 术的研究与发展。同时，国家对信息安全产业的发展也极为重视。数字水印 的研究列在国家自然科学基金和8 6 3 计划的资助下。在2 0 0 3 年的科技型中 小企业技术创新基金若干重点项目指南中，明确指出了对“数字产品产权 保护( 基于数字水印、信息隐藏或者网络认证等先进技术) ”和“个性化产品 ( 证件) 的防伪( 基于水印、编码或挑战应答等技术) ”等多项防盗版和防伪 技术予以重点支持。于去年更颁布了中华人民共和国电子签名法，这给水 印技术的应用提供了法律依据。 总结数字水印技术的研究与应用，还存在如下几方面的问题【9 1 。 1 ) 水印的不可感知性与鲁棒性之间的平衡问题没有得到很好地解决。一方面 已经存在的感知模型不能很好地描述人的视觉特性和听觉特性，会误导水印 的设计；另一方面，对如何利用这些模型指导水印的设计缺少理论的依据， 以往经验的用法不能充分利用它们。 2 ) 已有水印的鲁棒性不高，不能有效的抵抗一些常见的攻击。当前，几何攻 击是鲁棒水印面临的最困难的问题，对此还没有非常有效的策略。要解决这 一问题需要从水印的基本原理和模型入手。 3 ) 如何量化水印鲁棒性存在困难。水印的设计其实是水印不可感知性、鲁棒 性和容量之间折衷的结果，所以是一个优化问题。鲁棒性难以量化的原因是 水印机制和攻击技术特别复杂，结果导致不能在理论上给出最优的水印设计。 现在都是利用攻击实验测试水印的鲁棒性【l o ，1 1 】。 4 ) 数字水印的基本理论尚不成熟。虽然在容量分析上己取得了很大进展，但 是所基于的假设前提与实际情况尚有差距，使得这些理论的应用受到限制。 另外基于容量分析设计的水印方案极少，而且其中没有使用人的感知模型和 考虑抵抗几何攻击的问题。 5 ) 大量的水印算法和应用水印的协议却没能形成统一的标准。这令水印的安 全性和可靠性受到质疑，因此不能作为有效的证据。而且这也阻碍了水印技 4 第一章绪论 术自身的发展。 1 4 本文的结构与研究内容 本文面向版权保护对数字水印技术进行了深入研究。从整体上，全文内 容可分为两部分：前一部分是面向版权保护的水印设计，为解决鲁棒性和不 可见性之间的平衡以及基于容量分析的水印设计等主要问题提供了一些新的 思想和方案；后一部分是基于水印的版权保护系统设计。具体地，各章内容 如下： 1 第一章是绪论。简要介绍数字水印的基本概念、版权保护的需求、 当前的研究现状以及篇章结构和内容。 2 第二章综述水印的发展与应用情况。依照各个时期的水印思想，包 括l b m 、特征修改、扩频、已知边带信息的通信和竞赛，对水印算 法进行分类介绍，比较系统全面的反映了水印技术发展的全貌。同 时也介绍了水印在版权保护领域的应用情况。这些是本文研究工作 的基础。 3 第三章着重解决了为版权保护设计水印时所面临的鲁棒性和不可见 性之间相互矛盾的问题。在扩频水印的框架下，当给定一定的失真 强度，理论上推出了水印检测器的性能极限。进一步通过最大化检 测值得出了两种优化的基于区域的水印方案。而且通过调整局部嵌 入强度在鲁棒性和不可见性之间取得了很好的平衡。理论上还证明 了在相同失真强度下，所提出的水印具有更好的鲁棒性。大量的比 较实验结果显示改进的水印方案在鲁棒性和不可见性方面有了明显 提升。 4 第四章为基于容量分析的水印设计，其目的是为版权保护提供可嵌 入多位信息的水印方案。首先总结了当前在水印容量分析方面取得 的重要成果。随后引入了一种可逼近极限容量的量化数字水印s c s 。 最后利用s c s 设计了一种自暴露的水印方案。该方案以块为基础， 每个块上根据局部p s n r 选用量化步长。同时从理论上分析了步长 空间的设计方法并且使用了新的码本加密方案。提升的s c s 能够有 5 面向版权保护的数字水印技术研究 效地抵抗几何攻击。 5 第五章主要研究了水印应用于版权保护的系统设计问题。利用当前 播放器的可扩展性，提出了一种基于插件的在线多枚媒体版权保护 方案。通过将插件与用户信息绑定以及以不同的密钥和水印处理媒 体文件，能有效的阻止非法传播。另一种方案是改进的o m a d r m ， 针对无线网络内的内容保护。利用水印技术来扩展0 m ad r m 的功 能，为处理版权纠纷提供可靠的证据。 6 第六章是结论部分。在这里，我们总结了本文的研究工作、所获的 研究成果以及创新点，并提出了将来的工作。 6 第二章数字水印的发展及在版权保护中的应用 第二章数字水印的发展及在版权保护中的应用 数字水印自提出以来，蓬勃发展，在理论和应用上都取得了大量可观的 成果。本章回顾了数字水印技术发展的历程，对各个时期( 虽仅有1 0 年) 提 出的一些新思想和伴随涌现的一些典型算法进行了重点介绍和评述。同时本 章还介绍了水印当前的应用情况。 2 1 水印技术综述 技术的发展每每都是应用促进的。这里我们没有像以往那样按照嵌入域 的不同对水印算法进行分类综述【9 ，1 2 】，而是试图以不同时期产生的水印思 想为纲，以其典型具体的算法为目，去理清水印发展的脉络。 数字水印起源于古老的隐写术( s t e g a l l o g r a p h y ) 。当时只限于那些模拟的 信息或者信息载体，直到多媒体的出现，水印技术才被移植到数字信息领域 里来。在1 9 9 3 年，a t i r k e le ta 1 发表了一篇数字水印的文章【1 3 】。虽然，他 采用的是最简单的l b m ( 1 e a s t s i g n i f i c a n tb i tm o d u l a t i o n ) 的隐藏方案，但是， 两年以后，数字水印的研究就如雨后春笋般发展起来。 2 1 - 1基于l b m 的数字水印 l b m 方法是一类经典的信息隐藏方案，在隐藏通信中一直占据着重要地 位。早期的数字水印软件中大多使用的是这类算法，它像匹老马一样至今 还在工作着。l b m 的基本思想是利用要嵌入的信息位去修改载体信号的二进 制表示中最低的有效位( 1 e a s t s i g n i 矗c a n tb i t ，l s b ) 。n r k e l 1 3 】首先提出了两 种基于l b m 的信息嵌入方案：1 ) 用一m 一序列代替载体信号的l s b ；2 ) 将 m 序列与l s b 叠加。检测水印分别通过直接对比m 一序列与l s b 和计算二者 之间相关性的统计决策方式来实现。 以t i r k e l 1 3 ，1 4 】的工作为基础，其他一些基于l b m 的水印方法被设计 出来，它们在某种程度上可看作是对t i r k e l 工作的扩展。c h e c k s u m 是一种基 于l b m 的易碎水印算法【1 5 】。它以图片上每8 个连续像素为一组，每组计算 出一个5 6 位长的序列，再把这些序列通过异或运算得出c h e c k s u m 。最后随 7 面向版权保护的数字水印技术研究 机选取图像中5 6 个像素点存储c h e c k s u m 值。m a c q 1 6 】提出只利用图像边缘 像素的l s b 嵌入水印，因此提取水印依赖于图像边缘检测的准确性。w o l 龟a n g 【1 7 】针对图像将m 一序列扩展成二维，从而提高了水印的鲁棒性。h i r o t s u 曲【l8 】 设计了一个图像数字签名系统。它利用原图生成一个区域图形，再将此图形 经过某种特定变幻后嵌入到原图的l s b 位上。验证签名是通过z k i p 方法。 f 1 e e t 【1 9 】则把l b m 方法应用到了彩色图像中。m o b a s s e r i 2 0 】引入了多个位平 面替换的概念，并经过测试得出对于视频信号而言修改第4 位以下的各位平 面，水印不易被察觉。这种扩展的l b m 方案对m p e g 压缩和高斯噪声等攻 击具有很好的鲁棒性。 很明显，l b m 只操作载体信号的最低有效位，不会引起明显的感官差异， 而且可嵌入的信息量大。但是，l s b 上的信息会在通常的信号处理中丢失， 水印的鲁棒性差。c h e n 【2 1 证明在不引入任何对源信号的附加变化时可以做 到完全移除水印信息。因此许多学者试图研究更加鲁棒能够满足实际需求的 水印方案，这种探索首先导致产生了一类基于特征的数字水印。 2 1 2 基于特征的数字水印 通过修改载体信号的某种特征使其具有一定规律性来嵌入水印的方式， 都可以称为基于特征的数字水印。此类水印涵盖面相当广泛，广义上说象素 值或者某个域内的变换系数都可以称为特征。狭义上讲特征应该是能够显著 区分其他信号的特点，例如说统计特征，像均值、方差等，分布特征，像数 值的奇偶性等。下面列举一些有代表性的例子。 在文献2 2 1 ，b e n d e f 提出了两种基于特征的水印方案。一种是统计方法， pa _ t c h w o f k 。它在图像空间随机选取n 对像素点，( d f ，6 f ) 并且对像素嘶的亮度 加万，6 f 的亮度减艿，结果这两组像素点之间亮度差值的期望被修改为2 艿。 以此期望值再根据图像的某种统计假设来检测水印。可是p a _ t c h w o r k 能嵌入 的信息量有限，而且对几何变换敏感。另一种叫“纹理块编码”( t e x t u r eb l o c k c o d i n g ) 。水印嵌入是通过将一个图像纹理块拷贝到同一幅图中具有相似纹理 的另一区域。通过计算自相关性检测水印。这种水印只适合那些具有许多随 杌纹理块的图片。 一些算法通过修改块内或块间的一些总体特性来嵌入水印ap i t a s 【2 3 】， 8 第二章数字水印的发展及在版权保护中的应用 n i k 0 1 a i d i s 【2 4 ，2 5 】和b r u y n d o n c k y 【2 6 】进一步提出了扩展的p a t c h w o r k 方法， 把操作成对的点改成操作图像块，从而提高了水印对j p e g 压缩的抵抗能力， 而且大大增加了水印信息的嵌入量。相类似的水印方案还在其他变换域里被 提出了，如d c t 域【2 7 。b h a t t a c h 叫y a 2 8 采用了块间均值差的符号来嵌入二 值水印。h w a n g 【2 9 】利用的是块内均值。l u 【3 0 利用的是d c t 域内中频系数 的均值。h s u 【3 1 】，n i u 【3 2 ，牛【3 3 】都是修改多分辨率小波系数的层内或层间 相互关系来嵌入水印。h e 【3 4 】对d f t 中频系数分组并采用组内能量关系嵌入 水印，其做法与h w a n 班2 9 】相似。 另一些算法是利用的是图像内容特征。b r a s s i l 【3 5 】描述了几种用于文档保 护的水印策略，即平移文本行、字符、单字以及修改字符等，其实质是修改 图像块位置特征。单独使用其中一种，水印容易被去除，而这几种方式联合 使用可以有效的保护文本文档。另外其作者测试得出这些水印能抵抗不低于 l o 次的打印扫描操作。m a e s 3 6 】通过扭曲图像的特征点到直线附近的方式嵌 入水印，直线以伪随机的方式产生，特征点通过边缘检测滤波器获得，因此 代表高频信息。方案的实质是修改图像的几何特征。b a s 【3 7 ，3 8 设计了一种 结合分型编码和图像局部区域自相似性的水印。在做分型编码时要寻找相似 的两个图像块，嵌入水印是通过修改块内各点的值来改变图像块之间的相似 性。实验结果显示这种水印嵌入在d c t 域内能很好的抵抗j p e g 压缩攻击， 但是对几何攻击敏感。c 0 1 t u c 3 9 】提出了两种利用直方图信息来嵌入水印的 方案。一种是通过直方图均衡化将载体信号的直方图修改成水印信号的直方 图；另一种是在载体信号的直方图被修改成水印信号的直方图后再均衡化为 载体信号的直方图。前一种方案能够抵抗几何攻击，但是对压缩攻击等不鲁 棒：后一种方案对载体信号的修改少，但检测是非盲的。c o l t u c 4 0 又提出了 一种改进措施，即利用一类能覆盖所有灰度级的周期水印，结果增强了含水 印图像对滤波攻击的抵抗能力。l i u 【4 l 】给出了一种优秀的基于奇异值分解的 图像水印策略。图像的空间描述被视作一个矩阵，水印嵌入是通过修改其奇 异值实现，其引入的图像质量差异也被量化。由于矩阵奇异值自身具有较好 的抗干扰性，因此这种水印对多数攻击表现出了很强的鲁棒性。而且作者证 实此种水印是不可逆的，能够抵抗伪造水印的攻击。只是水印的验证需要原 始图像作奇异值分解后得到的两个矩阵因子及奇异值。 9 面向版权保护的数字水印技术研究 还有些算法通过设计函数在原图与水印之间建立一种映射关系，例如量 化。y e l u l g 【4 2 】提出通过修改原灰度图像使其经过一个基于密钥的二值化函数 后恰好映射成水印。w u 【4 3 引入了一种可普遍适用于在二值图片的水印簧 略。首先图片中的每个点被赋予一个分值来描述它的可翻转性。然后将图像 分块，通过翻转一些像素点来量化各个图像块中的黑色像素点的数目。作者 又把它的应用扩展到保护二值文档和地图 4 4 。虽然水印检测不需要原始图 像，但是水印的同步需要在图像边缘设定一些辅助标识，他们容易遭到攻击。 c h o i 【4 5 】描述了一种针对j p e g 压缩域的水印算法。先从j p e g 文件解码得到 的d c t 系数，并以9 个d c t 块为一组，修改每组内中心块的d c t 系数来嵌 入水印。其修改规则是每个修改后的d c t 系数是相邻四个d c t 系数均值与 标准偏差的和或差。提取水印时只需比较该位d c t 系数与其相邻四个系数均 值之间的大小。w o n g 【4 6 】将某个密钥序列线性叠加到从j p e g 文件解码得到 的每个d c t 块内的低频系数上，强度选择使叠加后的结果与密钥序列之间的 内积取模2 后即为二值水印信息。 一部分面向三维体的数字水印也是基于特征的。o h b u c h i 4 7 提出了三种 典型的三维体水印方案，即三角形相似四元组( t r i a i l g l es i m i l a r i t yq u a d r u p l e ， t s o ) 、四面体体积比( t c t r a l l e d r a lv o l u m er a t i o ，t v r ) 和网络密度模式( m e s h d e n s i t yp a t t e m ，m d p ) 算法。前两种方案都是修改三维模型的顶点坐标，分 别将信息嵌入到三角形四元组内和四面体的体积比中。后一种则是调整输出 网格内的三角形大小，使信息在三维体的网格模型中显示出来，是一种可见 水印方案。这三种方案虽然使人们对网格水印有了深入理解，但是他们不够 充分鲁棒【4 8 】。b e n e d e n 【4 9 】引入了一种统计水印策略，通过修改局部曲面法 线向量的分布嵌入信息。此水印能抵抗异步攻击，但是对剪切操作不鲁棒， 而且需要大量的预处理操作。c h o 【4 8 】提出了另一种相似的方案，通过修改顶 点向量的分布嵌入信息。其实，这两种水印都可以看作是p a t c h w o r k 方法的 扩展。a s h o l l r i a n 【5 0 】描述了种通过加性抖动9 闻格顶点坐标的水印嵌入方案， 嵌入强度由局部差分向量决定。它可以抵抗加噪和压缩等处理。 一般来说，基于特征的水印可以做到检测时不使用原始载体信号，但是 却依赖于对特征的检测。因此，如何选特征对鲁棒性影响很大，例如一些特 征易受位置变换的影响【2 3 3 5 】，对几何攻击很敏感；而一些特征抵抗不了通 1 0 第二章数字水印的发展及在版权保护中的应用 常的信号处理 2 2 ，3 9 ，4 0 ，4 2 】，如滤波，压缩等。所以基于特征的水印往往对 某种特定的应用环境有效。 2 1 3 基于扩频的数字水印 扩频水印( s p r e a ds p e c t r u mw a t e m a r k i n g ，s s ) 的基本思想与扩频通讯相似 【5 1 】。数字水印被视作从发送端到接收端的一种通讯形式。其中载体信号相 当于信道，通常具有较宽的带宽，而相对来说要传输的水印信号带宽较窄。 可以先将水印扩展到多个频率点上，再与载体信号叠加。这样，每个频率分 量内只含有微小能量的水印，既保证了不可见性，同时要破坏水印，贝9 必须 在每个频率上叠加幅值很高的噪声。 s s 的算法首先由c o x 【5 2 】完整地阐述。他选择在图像的d c t 域里嵌入水 印，使用除直流分量外的1 0 0 0 个最大的d c t 系数与表达1 位信息的l o o o 个j 下态分布的随机变量做线性调制，并利用相关检测器检测水印。因为水印 嵌入的位鼍正是对视觉敏感的部分，所以那些尽力保持图像质量的操作对这 些位置的频率分量影响较小，这样水印的鲁棒性就提高了。实验表明此方案 甚至可以抵抗质量因子为1 0 的j p e g 压缩，对于缩放和剪切等操作也足够 鲁棒。只是水印检测是非盲的。 针对s s 的不足，学者们提出了一系列提升的s s 算法。首先是对嵌入域 的扩展。s s 被扩展使用到d c t 域内5 8 ，5 9 ，6 5 - 6 8 ，8 2 ，8 7 ，9 4 9 9 ，1 0 8 ， 1 2 4 1 2 8 】、空问域内 5 3 5 5 ，6 9 7 1 ，7 7 ，7 8 ，8 6 ，9 2 ，1 1 7 ，1 1 8 ，1 2 9 ，1 3 0 】、小波域 内 5 7 ，6 0 ，6 1 ，7 2 7 6 ，7 9 ，8 0 ，8 4 ，9 1 ，9 3 ，9 4 ，1 0 0 ，1 0 2 ，1 0 6 ，1 1 6 ，1 1 9 ，1 2 0 ，1 3 1 ， 1 3 2 】、f f t 域内 8 8 ，1 3 3 ，1 3 4 】、d f t 域内【5 6 ，6 2 6 4 ，1 0 3 ，1 0 9 ，1 1 0 ，1 3 5 1 3 8 】和 z e r n i k e 域内【1 1 1 】等。其中，水印的主要思想都是一致的，只不过每个域有各 自的性质，用法也不尽相同。有些采用的是幅值调制【5 3 5 5 】，有些采用的是 相位调制 5 6 ，有些以信号的高频分量为载体信号 5 7 】，有些则采用的是低频 或者中低频分量【5 8 6 4 】，有些是基于分块的 6 5 7 1 】，有些是面向全局的 5 7 ， 7 2 7 6 】，还有些采用了不同分布的水印 5 2 ，7 7 8 0 。总的说来，d c t 和小波域 水印是研究的重点。d c t 域信号能量比较集中，有较好的数学统计模型和人 类感知系统模型，以及j p e g 压缩标准也是基于d c t 域的，所以能够设计出 性能相对良好的水印。小波域能很好地描述信号的时频特性，对信号的细节 面向版权保护的数字水印技术研究 表达近乎完美，也有很好的数学统计模型和人类感知系统模型，而且最新的 压缩标准j p e g 2 0 0 0 是基于小波域的，因此小波域具备了设计水印的得天独 厚的条件。 对s s 的另一面扩展是要解决如何进行盲检测的问题。m i l l e r 【8 l 】建立了 相关检测器的理论基础，其中涉及到相关测度、相关系数和归一化相关系数 三种量化相关性方法，并解决了基于相关检测的错正率计算问题。实现盲检 测的一种最简单的方法是利用线性相关检测器代替归一化相关检测器5 8 ， 8 2 - 8 4 】，而且可以通过滤波进一步提高检测可靠性【8 5 】。另一类方案是将载体 信号看作噪声，通过建立噪声分布模型，采用统计的方法估计水印。 v o l