（计算机软件与理论专业论文）文档图像变换域鲁棒性水印研究.pdf

独创声明 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。据我所知，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( 洼：如没有其他需要特别声明的， 本栏可空) 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。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：吗安导师签字： 学位论文版权使用授权书 汽 本学位论文作者完全了解堂撞有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权二差撞一可 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，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：吗妥 签字日期：2 0 0 7 年芦月2 f 日 导师签字： 签字日期： 2 。7 年妇习日 山东师范大学硕士学位论文 摘要 随着以微电子技术为代表的信息产业的飞速发展，多媒体、计算机网络等进入寻常百 姓家，数字化已深入人心。以i n t e m e t 为代表的网络化进程席卷全球，加之多媒体技术和 数字传输的迅猛发展，使i n t e r n e t 和c d r o m 上的数字媒体应用呈爆炸式增长。数字信 号处理和网络传输技术可以对数字媒体( 数字声音、文本、图像和视频) 的原版进行无限 制的任意编辑、修改和拷贝，对数字媒体作品的原作者造成巨大的经济损失，并对数字媒 体的安全性提出了挑战，促使数字媒体的知识产权保护和信息安全问题日益突出，并已成 为数字世界的一个非常紧迫和重要的议题。 数字作品拥有者最早使用的信息安全技术是密码学，密码学只能保护传输中的内容， 而内容一旦被解密就不再有保护作用了( 盗版者可以购买产品，使用密钥获取无保护的内 容副本，然后继续发行非法副本) 。因此，迫切需要一种替代技术或者对密码学进行补充 的技术，它应该在内容被解密后仍然能继续保护内容。 数字水印技术作为信息隐藏在多媒体领域的一个重要应用，为多媒体版权保护提供了 一个崭新的方法。数字水印技术近年来在国际上引起了人们极大的兴趣和注意，并得到广 泛的研究和应用。 数字水印涉及到图像语音处理、人类视听系统、数学、计算机网络与应用、通信以及 信号检测与评价等多个领域。通过在多媒体数据( 如图像、声音、视频信号等) 中嵌入秘 密信息水印来证实该数据的所有权或完整性。嵌入信息可以是版权信息，也可以是其 它的秘密信息等。它一般要求具有较强的鲁棒性，从而使其在一般使用中不会被删除。即 使经过解密、再加密、压缩、数一模变换和改变文件格式这些过程，设计巧妙的水印仍能 继续保留在内容中，起到防止拷贝和版权保护的作用。 本文较为系统地研究了数字水印在图像版权保护中的应用问题，首先介绍了数字水印 技术及其背景、分类、基本特性、算法模型以及目前典型的嵌入算法等；然后对人类视觉 系统做了简要介绍，并介绍了常用的科学计算软件m a t l a b 及其在研究数字水印中的应 用；对各种挛换中较典型的d c t 变换进行了介绍，总结了文档图像的特点，并由此提出 了一种基于d c t 域的文档图像水印算法。该算法利用文档图像自身的特性，通过将一个 用于标识文档方向的水印信号和一个用于标识版权的水印信号嵌入图像d c t 变换后的系 数中，达n t 较强的鲁棒性并能比较有效的防止因为旋转而引起的水印不可检测问题。本 文对该算法进行了大量的实验，结果表明本文算法对常见的图像处理如滤波、噪声、j p e g 压缩、剪切、旋转、翻转等攻击有较好的鲁棒性。 关键字：数字水印，离散余弦变换，文档图像，水印算法，版权保护 山东师范大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i da d v a n c eo fe l e c t r o n i ct e c h n i q u ea n di n f o r m a t i o ni n d u s t r y , m n l t i m e d i a 、 h t e m e tb e c o m eau s u a lt h i n gi np e o p l e sd a i l yl i f e i n t e r n e ts w e e pt h ew o r l d ，w i t ht h er a p i d a d v a n c eo f m u l t i m e d i at e c h n i q u ea n dd i g i t a lt r a n s f e r s ，t h e 眦o f d i g i t a lm e d i aw h i c hi ni n t e m e t a n dc d r o ma d v a n c e dq u l c k i y d i g i t a li n f o r m a t i o np r o c e s sa n dn e tw a n s f e r sc a ne d i t 、a m e n d a n dc o p yt h eo r i g i n a le d i t i o nd i g i t a lm e d i aa b s o l u t e ，i i lt h i sw a yi tm a k et r e m e n d o u se c o n o m y e x p e n s ef o rt h ea u t h o ro ft h em e d i a , a n dm e a n w h i l ei t sac h a l l e n g eo ft h ed i g i 切lm e d i a s s e c u r i t y , s oi t i sb e c o m ea ni m p o r t a n ti s s o ei ni n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t sp r o t e c t i o na n d i n f o r m a t i o ns e c u r i t yt h a th o wt op r o t e c tm u l t i m e d i ad a mf z o mv i n l a t i o n a tt h eb e g m n m g t h ea u t h o ro ft h em e d i au s ec r y p t o g r a p h y , b u tc r y p t o g r a p h yo n l yc a n p r o t e c tt h em e d i aw h i c hi nt r a n s m i s s i o n , a n dw h e nt h em e d i ah a sb e e nd e c i p h e r e d ，t h e c r y p t o g r a p h yc a n n o tp r o t e c ti ta n yl o n g e r s o ，w en e e dan e wt e c h n i q u et h a tc a na l w a y sp r o t e c t t h em e d i aa f t e ri th a sb e e nd e c i p h e r e d a sam a i na p p l i c a t i o no fi n f o r m a t i o nh i d m gt e c h n i q u et om u l t i m e d i af i e l d , t h ed i g i t a l w a t e r m a r k i n gt e c h n i q u eh a sb e e np r o p o s e da san e ws o l u t i o nt ot h ec o p y r i g h tp r o t e c t i o n s oi n r e c e n ty e a r si th a sd r a w ne x t e n s i v ea t t e n t i o na n dh a sb e e nw i d e l yr e s e a r c h e da n da p p l i e d d i g i t a lw a t e r m a r k i n gi si n v o l v e si m a g ea n ds p e e c hp r o c e s s i n g ，h t t m a na u d i oa n dv i s u a l s y s t e m s ，m a t h e m a t i c s ，c o m p u t e rn e t w o r ka n da p p h c a t i o n , c o m m u n i c a t i o n , s i 掣】a ld e t e c t i o na n d e v a l u a t i o na n ds oo n i te m b e d ss o m ei n v i s i b l ei n f o r m a t i o n - - - w a t e r m a r ki n t ot h eo r i g i n a l m u l t i m e d i ad a t as u c ha si m a g e ，a u d i o ，v i d e os i g n a l sa n ds oo n , i nt h i sw a yi tc a na u t h e n t i c a t e t h eo w n e r s h i po ri n t e g r a l i t yo ft h e s em u l t i m e d i ad a t a8 0 a st op r o t e c tt h ec o p y r i g h lt h e e m b e d e dm e s s a g e sc o u l db ec o p y r i g h ti n f o r m a t i o no ro t h e rs e c r e tm e s s a g e s g e n e r a l l yi t d e m a n d sr o b u s t n e s s ，s ot h a ti tc a n n o td e l e t e df r o mt h em e d i ae a s y l y e v e ni f t h em e d i ah a sb e e n d e c i p h e r e d 、c o m p r e s s e d 、a - dt r a n s f o r m , t h ew a t e r m a r kc a na l s oh o l di nt h em e d i a , s ot h a ti tc a n a l w a y sp r o t e c tt h em e d i a t h i sa r t i c l er e s e a r c h e dt h eu o f d i g i t a lw a t e r m a r k i n gi nt h ec o p y r i g h tp r o t e c t i o no f i m n g e f i r s t , i ti n t r o d u c e dt h ed i g i t l aw a t = m a r k i n gt e c h n i q u ea n di t sb a c k g r o u n d , c l a s s i f i c a t i o n , c h a r a c t e r , a l g o r i t h mm o d e la n dt y p i c a le m b e da l g o r i t h m t h e ng i v eai n t r o d u c t i o no fh u m a n v i s u a ls y s t e ma n dt h eu o f m a t l a bi nd i g i t a lw a t e r m a r k i n g g i v eai n t r o d u c t i o no f t h et y p i c a l w a n s f o r m - - - - d i a c r e t ec o s i n et r a n s f o r m , s u m m a r i z et h ec h a r a c t e r i s t i co fd o c u m e n ti m a g e , b a s eo nt h i s ，an e ww a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mf o rd o c u m e n ti l b a g ei nd c td o m a i ni sp r o p o s e d t h i sa l g o r i t h mu s et h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ed o c u m e n ti m a g e e m b e dt w ow 刮皓n a r k si n t ot h e d c tc o e f f i c i e n t , o n ew a t e r m a r ki su s e df o rs i g nt h ed i r e c t d o na n dt h eo t h e ri su s e df o rs i g nt h e c o p 妒g h t , t h i sw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mh a v eas t r o n gr o b u s t n e s sa n dc a np r e v e n t t h ep r o b l e m 3 山东师范大学硕士学位论文 t h a tw a t e r m a r kc a nn o tb ec h e c k e dw h i c hc a u s e db yr o t a t et h ei m a g e i nt h i sa r t i c l e ，al o to f e x p e r i m e n t sa 托c o n d u c t e di no r d e rt o t e s tt h er o b u s 恤e s so ft h ea l g o r i t h m , t h er e s u l ti n d i c a t e t h a tt h i sa l g o r i t h mi sr o b u s tt ot h ec o m m o ni m a g ep r o c e s s i n ga t t a c k ss u c ha sf i l t e r , n o i s e c o n t a m i n a t i o n , j p e gc o m p r e s s i o n , c r o p p i n g ，r o t a t i o na n dr e v e r s a l 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 , d i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m , d o c u m e n ti m a g e , w a t e r m a r k i n g a l g o r i t h m ，c o p y r i g h tp r o t e c t i o n 4 山东师范大学硕士学位论文 1 i 数字水印技术的提出 第一章绪论 随着计算机技术、网络技术和多媒体通信技术的发展与普及，人类社会已进入了一个 全新的数字化信息时代。计算机和网络的飞速发展在许多方面改变了人们的生活。计算机 网络技术、通信技术、多媒体技术的普及和应用，使人们对信息的需求从过去的单一的文 本数据逐渐延伸到数字化的文本、图像、图形、音频、视频信号集成的多媒体信息，数字 化信息产品的数量剧增，人们越来越频繁的在网络上发布和获取各种数字化信息产品，迫 切的应用需求使多媒体信号处理技术成为近年来信息技术的一个重要的研究基础。 数字化的多媒体信息与传统的模拟信息相比，具有十分显著的优点：质量高、易于存 储、易于加工、易于复制、易于传输。因此，数字媒体技术的开发和应用在最近几年里有 突飞猛进地发展，越来越多的工业部门在投入更大的人力、物力去开发、生产更多的数字 媒体产品。人们可以借助于普通的计算机，很多源于生产的成果都以数字的方式存储和传 输，通过i n t e r n e t 网络去发布、传输自己的信息；同时还可以检索、搜集自己所需的各种 信息，并可以进行各种学术交流活动。然而，数字媒体的易于加工、易于复制、易于传输 等优点却对版权所有者的版权利益以及保密信息的安全造成了潜在的威胁。版权所有者的 艰苦劳动成果有可能在极短的时间内被无偿、轻易地复制、传输到世界各个角落，亦有可 能被非法者蓄意篡改，据为已有以获取暴利。这样，必然对商品化媒体的销售市场造成冲 击，从而影响版权所有者的经济利益，使得很多版权所有者不愿轻易公开其作品，这在相 当程度上阻碍了社会发展、科技进步。目前，盗版已成为对数字化产业最大的威胁。对数 字媒体版权所有者来说，版权保护的要求追在眉睫。如何既能充分利用互联网的便利性和 数字媒体的优良特点，又能有效地保护数字媒体的版权和信息的安全，这个问题引起了国 内外的广泛关注。 过去的版权保护系统多采用密码认证技术( 例如d v d 光盘的安全密码) ，但这种技 术并不能完全解决版权保护问题，密码仅能在数据从发送者到接收者的传输过程中进行数 据加密保护，但当信息被接收并进行解密后，加密的数据就与普通数据一样，将不再受到 保护，无法幸免于盗版。 为了解决这些问题，国际上提出了一种新的有效的数字产品版权保护和数据安全维护 的技术，即数字水印技术。与钞票水印相类似，它将特定的信息作为水印嵌入到文档、音 频、图像、视频等数字产品中，用以证明原创作者对其作品的所有权，并作为鉴定起诉非 法侵权的证据，同时通过对水印的探测和分析保证数字化信息的完整可靠性，从而成为知 识产权保护和数字化信息产品防伪的有效手段。 数字水印技术作为解决媒体版权保护的有效补充手段，迅速引起了国内外的高度重视 并逐渐成为了多媒体信号处理中的一个研究热点，甚至被称为多媒体数据保护的最后一道 5 山东师范大学硕士学位论文 “防线”它在实质上属于信息搭载技术范畴，随着研究的深入，数字水印技术在秘密通 讯方面的应用更引起人们的关注。 i 2 数字水印技术的研究现状 数字水印技术从正式提出到现在虽然只有短短几年，但由于它是应用于开放性网络上 的多媒体信息隐藏技术，为解决版权保护和内容完整性认证、来源认证、篡改认证、网上 发行、用户跟踪等一系列问题提供了一个崭新的技术研究方向，因此在数字产品的知识产 权保护、隐蔽标识、篡改提示、隐蔽通信和防伪等方面具有十分看好的应用前景。 从公开发表的文献看，国际上在数字水印方面的研究开始不久，但由于有大公司的介 入和美国军方及财政部的支持，该技术的研究发展速度非常快，并取得了一定的成果。1 9 9 3 年t i r k c l 等正式提出了数字水印【l j ，v a n s c h y n d e l 在i c i p 9 4 会议上发表的题为a d i g i t a l w a t e r m a r k ) 的文章，是第一篇在主要会议上发表的关于数字水印的文章，阐明了一些关 于永印的重要概念，被认为是一篇具有历史价值的文献【2 】。到1 9 9 8 年，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。s p i e 和i e e e 的一些重要国际会议也开辟了相关的专 题讨论会。 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图像数据隐藏的a d 报告。 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，如美国财 政部、美国版权工作组、美国空军研究院、美国陆军研究实验室、德国国家信息技术研究 中心、日本m r r 信息与通信系统研究中心、麻省理工学院、伊利诺斯大学、明尼苏达大 学、剑桥大学、瑞士洛桑联邦工学院、西班牙v i g o 大学、m m 公司w a t s o n 研究中心、 微软公司剑桥研究院、朗讯公司贝尔实验室、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。 从2 0 世纪9 0 年代末期一些公司也开始正式地销售水印产品。在图像水印方面，美国 的d i g i m a r e 公司【3 】率先推出了第一个商用数字水印软件，而后又以插件的形式将该软件 集成到a d o b e 公司的p h o t o s h o p 和c o r dd r a w 图像处理软件中。该公司还推出了媒体桥 ( m e d i a b r i d g e ) 技术，利用这项技术用户只要将含有d i g i m a r e 水印信息的图片放在网络 摄像机前，媒体桥技术就可以直接将用户带到与图像内容相关联的网络站点。a l p v i s i o n 公司【4 】推出的l a v e l i t 软件，能够在任何扫描的图片中隐藏若干字符，这些字符标记可以 作为原始文件出处的证明，也就是说，任何电子图片，无论是用于w o r d 文档、出版物， 还是电子邮件或者网页，都可以借助于隐藏的标记知道它的原始出处。a l p v i s i o n 的 s a f e p a p e r 是专为打印文档设计的安全产品，它将水印信息隐藏到纸的背面，以此来证明 该文档的真伪。s a f e p a p e r 可用于证明一份文件是否为指定的公司或组织所打印，如医疗 处方、法律文书、契约等，还可以将一些重要或秘密的信息，如商标、专利、名字、金额 等隐藏到数字水印中。欧洲电子产业界和有关大学协作开发了采用数字水印技术来监视复 6 山东师范大学硕士学位论文 制音像软件的监视系统，以防止数字广播业者的不正当复制的行为。该开发计划名称为 1 = a l i s m a nf f r a c t n ga u t h o r s r i g h t sb yl a b e l i n gi m a g es e r v i c ea n dm o n i t o r i n ga c 鹞 n e t w o r k s ) p 1 此开发计划作为欧洲电子产业界等组织的欧共体项目于1 9 9 5 年9 月开始 进行，1 9 9 8 年8 月结束，法国、比利时、德国、西班牙、意大利和瑞士等在内的1 1 个通 信与广播业者、研究单位和大学参加。 我国学术界对数字水印技术的反应也非常快 6 1 ，已经有相当一批有实力的科研机构和 高校投入到这一领域的研究中来。其中比较有代表性的有哈尔滨工业大学的孙圣和、牛夏 牧、陆哲明等，天津大学的张春田、苏育挺等，北京邮电大学的杨义先、钮心忻等，中国 科学院自动化研究所的刘瑞祯、谭铁牛等。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、蔡吉人院士与有 关应用研究单位联合发起召开了我国第一届信息隐藏学术研讨会。2 0 0 0 年1 月，由国家 “8 6 3 ”智能机专家组和中科院自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、国家信息安全测评认证中心、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、中山大学、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。从会议反应的 情况上看，我国相关学术领域的研究与世界水平相差不远，而且有自己独特的研究思路。 同时，国家对信息安全产业的健康发展也非常的重视，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口l 中，明确指出了对于“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。 现在国内已经出现了一些生产水印产品的公司，其中比较有代表性的是由中科院自动 化研究所的刘瑞祯，谭铁牛等人于2 0 0 2 年在上海创办的一家专门从事数字水印、多媒体 信息和网络安全、防伪技术等软硬件开发的公司上海阿须数码技术有限公司嗍，公司 现从事数字证件、数字印章、p d f 文本、分块离散图像、视频、网络安全等多方面数字 水印技术的研究，现在这家公司已申请了一项国际和四项国家数字水印技术专利。虽然数 字水印在国内的应用还处于初级阶段，但水印公司的创办使得数字水印技术在国内不仅仅 只停留在理论研究的层面上，而是从此走上了实用化和商业化的道路，这样会更加推动国 内水印技术的蓬勃发展，为国内的信息安全产业提供有效、安全的保障。 1 3 数字水印技术的应用领域 数字水印作为保护数字作品版权的技术，可以将信息用人眼不可见的形式嵌入到数字 图像、数字音频及视频序列中，从而提供受保护的数字内容的基本信息并以此来确认所有 权及跟踪非法复制或传播行为。此外，数字水印技术在拷贝控制、电子商务、广播监听及 信息隐藏等方面有广泛的应用。 ( 1 ) 数字作品的版权保护1 9 ：版权保护是数字水印最基本的应用。其目的是在数字 7 山东师范大学硕士学位论文 作品中嵌入作品来源或版权所有者信息，从而防止他人对该作品宣称拥有版权。用于数字 作品版权保护的水印称为版权标识水印。版权标识水印是目前研究最多的一类。由于数字 作品的拷贝、修改非常容易，而且可以做到与原作完全相同，所以创作者或者发行者不得 不在作品中加入可见的版权标签来宣称所有权。这种可见的版权标签严重损害了作品视觉 质量，而且明显可见的标志很容易被篡改。在数字水印技术中，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，然后公开发布其含水印版本作品。当该作品被盗 版或出现版权纠纷时，所有者即可从盗版作品中提取水印信号作为依据，从而保护自己的 权益。这样就可以公正的解决版权问题，这种应用要求水印系统必须具有非常高的鲁棒性。 ( 2 ) 数字指纹：当数字作品版权所有者分发其作品时，为避免该作品被非法拷贝及 发行，可向分发给不同用户的作品中嵌入不同的水印，一旦发生非法拷贝，即可根据非法 作品中的水印信息确定其来源。这样，数字指纹可作为调查非法拷贝和发行的技术手段。 ( 3 ) 拷贝控制 1 0 l ：实际上，无论版权保护还是数字指纹都不能彻底阻止非法拷贝， 只能作为威摄和调查取证的工具，要杜绝非法拷贝最终离不开硬件上的改进。在生成一个 数字作品( 如数字音频、视频) 时即向其中嵌入一个水印以指明它能否被复制及可以重复 拷贝的次数，若要对这样的数字作品进行复制，预置了水印检测电路的复制设备在检测到 水印信息后即会做出相应的反应，或不允许复制，或控制复制的次数。要做到这点，所有 录制设备都要增加检测水印的电路。目前，制片商和d v d 影碟机厂家联手开发利用水印 技术阻止非法拷贝机制的行动已经进入起步阶段。 ( 4 ) 多媒体信息正确性保护【l l 】：当多媒体信息在网络上传送时，由于传输媒介的影 响、误操作或受到恶意攻击都可能导致欲传输信息的改变，从而对接收方造成严重的影响。 针对这一问题，可在信息中嵌入脆弱水印或半脆弱水印，接收方对嵌入的水印进行检测， 如果发现接收数据中不包含水印或水印被破坏，则表明信息在传输过程中发生了变化，可 通知发送方重新发送信息并将已收到的错误信息丢弃。通过这种方法可以保证信息的正确 性。 ( 5 ) 电子票据的保护：作为交易的凭证，与传统交易一样，电子商务中也需要一定 的票据。与传统交易不同的是在电子商务中的票据都是通过网络传递的。如何鉴定这些电 子票据的真伪是决定电子商务是否能顺利进行的关键性问题。针对这个问题，可以在交易 双方的电子票据中嵌入数字水印形式的签名和日期。这样可以辨别真伪并且同时确定交易 双方的身份和交易的时间，从而解决了交易过程中的不可抵赖性问题，而且还可以在发生 纠纷时作为证据。为了防止水印被破坏，用于这一领域的水印必须是鲁棒型水印。 ( 6 ) 广播监测：一些电台或电视台未经许可擅自播放艺术作品而不付或少付费用， 从而侵犯了该艺术作品版权所有者的利益，或向广告商虚报广告的播出时间或次数，来达 到多收取报酬的目的。针对这些现象，可以在作品播出前嵌入特别的水印，然后由自动监 测台接收广播，搜索其中的水印，从而确定这些作品在什么时候、由什么电台播放。 ( 7 ) 信息隐藏和隐蔽通信【1 2 】：数字水印所属的信息隐藏技术提供了一种非密文的安 全途径，可以实现网络情报战的革命。网络情报战是信息战的重要组成部分，其核心内容 8 山东师范大学硕士学位论文 是利用公用网络进行保密数据传送。现有信息隐藏技术的研究思路是对文件进行加密，通 过该方式加密的文件往往是混乱无序的，容易引起攻击者的注意，并已经存在攻击破解手 段。数字水印技术拓展了保密通信的新思路，利用多媒体信号相对于人的视觉、听觉冗余， 可以进行各种空域和频域的信息隐藏，从而实现隐蔽通信 ( 8 ) 隐式注释【l 习：将作品的标题、注释等内容( 如照片的拍摄时间等) 以水印形式 嵌入到作品中，这种隐式注释不需要额外的带宽，且不易丢失。 9 山东师范大学硕士学位论文 2 1 信息隐藏技术 2 1 1 信息隐藏的概念 第二章数字水印技术概论 信息隐藏( i n f o r m a t i o nh i d i n g ) 是将有用或重要的信息隐藏于其他信息里面以掩饰其 存在，就是将信息秘密地隐藏于另一非机密的文件内容之中。它是集多学科理论与技术于 一身的新兴技术领域，它利用人类感觉器官对数字信号的感觉冗余，将一个消息隐藏在另 一个消息中，而由于在隐藏后外部表现的只是遮掩消息的外部特征，故并不改变遮掩消息 的基本特征和使用价值。 信息隐藏也称为信息伪装( s t e g a n o g r a p h y ) ，该单词是从希腊语演化而来的。其中 s t c g a n o 是“隐藏”的意思，而g r a p h y 是“写”的意思，其本意为笔迹隐藏。据历史资料 记载，人类最早的秘密通信行为可以追溯到古希腊时期。当时古希腊的奴隶主们为了达到 秘密通信的目的，将一个奴隶的头发剃光，把信息刻在其头皮上，待其头发长满后再派他 去收信人处，从而避免被敌人发现。这是信息隐藏技术的一种雏形，后来又出现了隐写术。 隐写术可以将信息隐藏于一段文字中，通过从这段文字中按一定规律提取出一些文字，再 将这些文字进行一些译码处理，就可以还原出了其中隐藏的信息。它也可以通过一种特殊 的墨水将文字写在一张纸上，墨迹干后文字就看不见了，当用水或某种药水涂抹时，文字 就又出现了。隐写术的其它方法还有很多，由于它具有很强的军事用途，在二次世界大战 时得到了广泛地运用。当时的美国邮局为了防止敌人的隐写术，禁止邮递许多可能用于信 息隐藏的物品，如国际象棋棋谱、纵横字迷和剪报等【1 4 1 。 2 1 2 信息隐藏的模型 图2 1 为信息隐藏的通用模型阍，其中待隐藏的信息为秘密信息( s e c r e tm e s s a g e ) ， 可以是版权信息或秘密数据，也可以是一个序列号。公开信息称为封面信息( c o v e r m e s s a g e ) ，如图像、视频或音频文件。信息隐藏过程一般由密钥( k e y ) 来控制，通过隐 1 0 山东师范大学硕士学位论文 藏算法( e m b e d d i n ga l g o r i t h m ) 将秘密信息隐藏于公开信息中。隐蔽载体( 隐藏了秘密信 息的公开信息) 通过信道( c o m m u n i c a t i o n c h a n n e l ) 传递，传送到接收方之后，接收方利 用检测器( = t e c 时) 和密钥( k e y ) 从隐蔽载体中恢复、检测出秘密信息。 信息隐藏技术主要由两部分组成：第一，信息隐藏算法，它利用密钥实现秘密信息的 隐藏；第二，隐蔽信息提取、检测算法( 检测器) ，它利用密钥从隐蔽载体中检测、恢复 秘密信息。在密钥未知的前提下，第三者很难从隐秘载体中发现、得到甚至删除秘密信息。 2 1 3 信息隐藏的特点 信息隐藏不同于传统的密码学技术【1 6 】。密码技术主要是研究如何将机密信息进行特 殊的编码，以形成不可识别的密码形式( 密文) 进行传递；而信息隐藏则主要研究如何将 某一机密信息秘密隐藏于另一公开的信息中，然后通过公开信息的传输来传递机密信息。 对加密通信而言，可能的监测者或非法拦截者可通过截取密文，并对其进行破译，或将密 文进行破坏后再发送，从而影响机密信息的安全；但对信息隐藏而言，可能的监测者或非 法拦截者则难以从公开信息中判断机密信息是否存在，难以截获机密信息，从而能保证机 密信息的安全。因此，信息隐藏技术必须考虑正常的信息操作所造成的威胁。即要使机密 资料对正常的数据操作技术具有免疫能力。这种免疫力的关键是要使隐藏信息部分不易被 正常的数据操作( 如通常的信号交换操作或数据压缩) 所破坏。根据信息隐藏的目的和技 术要求，该技术具有以下特性： ( 1 ) 鲁棒性( r o b u s t n e s s ) ：指不因载体文件的某种改动而导致隐藏信息丢失的能力。 这里所谓“改动”包括传输过程中的信道噪音、滤波操作、重采样、有损压缩编码、d a 或a d 转换等。 ( 2 ) 不可检测性( u n d e t e c t a b i l i t y ) ：指隐蔽载体与原始载体具有一致的特性。如具有 一致的统计噪声分布等，以便使非法拦截者无法判断是否有隐蔽信息。 ( 3 ) 透明性( i n v i s i b i l i t y ) ：利用人类视觉系统或人类听觉系统属性，经过一系列隐 藏处理，使目标数据没有明显的降质现象，而隐藏的数据却无法人为的看见或听见。 ( 4 ) 安全性( s e c u r i t y ) ：指隐藏算法有较强的抗攻击能力，即它必须能够承受一定 程度的人为攻击，而使隐藏信息不会被破坏。 ( 5 ) 自恢复性：由于经过一些操作或变换后，可能会使原图产生较大的破坏，如果 只从留下的片段数据，仍能恢复隐藏信号，而且恢复过程不需要宿主信号，这就是所谓的 自恢复性。 2 1 4 信息隐藏的主要分支 山东师范大学硕士学位论文 图2 2 信息隐藏技术的分类 由图2 2 【1 7 】可知信息隐藏由四个主要分支组成，他们是： ( 1 ) 隐蔽信道( c o v e r tc h a n n e l s ) ：在多级安全水平的系统环境中，那些既不是专门 设计的也不打算用来传输信息的通信路径称为隐蔽信道。即以一种通信设施设计者未设想 的方式进行通信的方法。 ( 2 ) 隐写术( s t e g a n o g r a p h y ) ：研究将实际存在的信息怎样隐藏起来，而不引起别人 的注意，这个名词起源于1 5 世纪，来源于希腊文，是“笔迹隐藏”的意思。 ( 3 ) 匿名通信( a n o n y m i t y ) ；匿名通信即寻找各种途径来隐藏通信的发送者和接收 者。 ( 4 ) 版权标记( c o p y r i g h tm a r k i n g ) ：主要包括鲁棒的版权标志和脆弱水印( f r a g i l e w a t e r m a r k i n g ) ，而鲁棒的版权标志又分为鲁棒性水印( r o b u s tw a t e r m a r k i n g ) 和指纹 ( f i n g e r p r i n t i n g ) 。其中鲁棒性水印又可分为不可见水印( i m p e r c e p t i b l ew a t e r m a r k i n g ) 与 可见水印( v i s i b l ew a t e r m a r k i n g ) 信息隐藏学是一门新兴的交叉学科，在计算机、通信、保密学等领域有着广阏的应用 前景。由于数字水印技术在多媒体领域的重要应用，已受到人们越来越多的重视。 2 2 数字水印概述 2 2 1 数字水印的起源 图像数字水印实质上是一种用于图像处理中的信息隐藏。从技术上来讲，数字水印技 术使用的思想主要来源于信息隐藏技术中的隐写术。隐写术是将一个消息隐藏于另一个消 息的技术，不透露隐藏信息的存在或不让观察者发现消息里包含了一个隐藏信息i ls 】。经 典的隐写术和数字水印之间主要的不同之处是；隐写术仅仅是企图在其他内容中隐藏一个 消息( 可能是一个水印) ，而数字水印还要强调阻止攻击者篡改水印。 众所周知，把钞票纸币对着光照，其中隐藏的水印图像，就是我们通常所指的“水印”。 水印的历史几乎和西方中世纪的造纸业同样古老。水印最早出现在7 0 0 年前的人工造纸技 术中。最古老的纸张水印可追溯到1 2 9 2 年的意大利，由于意大利在造纸工业革命中发挥 山东师范大学硕士学位论文 过非常重要的作用，因此史学家们一致认为水印技术诞生在那里。在十三世纪末，意大利 有4 0 多家小的造纸厂，这些厂家控制着市场，决定着纸张的质盆、格式及价格。那时造 纸厂生产的生纸表面粗糙且不适合书写，要再由工匠们用一种很硬的石头加工成表面光洁 适合书写的纸张，最后这些纸张被批发给商人。由于生纸生产商、工匠及批发商间存在着 激烈的竞争，人们只能通过纸张的格式及质盆来判定纸的来源，这是比较困难的，因此水 印的引入很好地解决了这一问题并且迅速传遍整个意大利及整个欧洲。水印的作用也不仅 仅是用于识别生产厂商及商标，还被用来区分纸的规格、质量及强度。水印纸在制造过程 中，可利用技术手段将所需要的标识、图案等嵌入纸中，这些图案平常情况下不易看出， 只有对着强光才能看清，水印在纸张中的位置有固定的、不固定和半固定的几种。纸上水 印与数字水印之间的相似性是很明显的，在银行票据或邮票上的纸上水印，激发了“水印” 这一术语在数字产品环境中的首次使用。1 9 9 3 年儆e l 等正式提出了数字水印这一概念， 水印技术就此步入了现代发展阶段，传统模拟水印演变为数字水印，随着多媒体数字化技 术的迅猛发展，人们为古老的隐写术注入了新的活力。 2 2 2 数字水印的概念 数字水印技术( d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ) 是通过一定的算法将一些标志性信息直接嵌入 到多媒体内容当中，但不影响原内容的价值和使用，并且不能被人的知觉系统觉察或注意 到，只有通过专用的检测器或阅读器才能提取的技术。其中镶嵌( e m b e d d i n g ) 在数据载 体中，具有抵抗检测、伪造、擦除等特性，并不影响原数据载体合法使用的标志性信息称 为数字水印( d i g i t a lw a t e r m a r k ) 或水印信息。嵌入的水印信息可以是公司标志、有特殊 意义的文本、作者定义的序列号等可用来识别文件、图像或音乐制品的来源、版本、原作 者、拥有者、发行人、合法使用人对数字产品的拥有权的信息。数字水印技术并不能阻止 盗版活动的发生，但它可以判别对象是否受到保护，监视被保护数据的传播，解决版权纠 纷并为法庭提供证据。 通常，可以定义水印为如下的信号： w = w i o ，i = 0 ，l ，2 k m l ( 2 1 ) 式中，m 为水印序列的长度，o 代表值域。实际上，水印不仅可以是一维序列，也可以 是二维阵列，甚至是三维或高维信号，这通常要根据载体对象的维数来确定，如音频对应 一维，静止图像对应二维，动态图像对应三维。水印信号的值域可以是二值形式，如o = 0 ，l 或0 一 一l ，1 ) ，或者是高斯白噪声( 如均值为0 ，方差为1 的高斯自噪声n ( o ，1 ) ) 等其他形 式。 2 2 3 数字水印的分类 数字水印的分类方法有很多种，分类出发点不同导致了所分类别的不同，它们之间既 有联系又有区别，有的分类方法还直接反映了水印嵌入算法的不同。最常见的水印分类方 山东师范大学硕士学位论文 法【1 9 1 有以下几种： ( 1 ) 按人眼的视觉特性划分：可分为可见水印和不可见水印。可见水印在载体信息 中会产生明显的可以察觉的变化，但是不会严重地影响原始信息的本来面目。目前，这种 水印经过发展，可以呈现半透明的效果。不可见水印，顾名思义，就是嵌入载体信息中的 水印不能够被普通用户察觉，不会对载体信息产生视觉质量上的影响，因此不可见水印更 具有商业价值，同时适用于某些特殊的应用场合，如对清晰度要求极高的医学图像等。 ( 2 ) 按数字水印的稳健性划分：可分为脆弱水印和鲁棒性水印。脆弱水印很容易被 破坏，主要应用于完整性验证等应用之中，它随着对像的修改而被破坏，哪怕细小的改动 也会影响数字水印的提取和检测。但对鲁棒性水印而言，要求其一旦嵌入载体之后，不会 因为载体所经受的一些处理( 如滤波、平滑、增强、有损压缩和集合变换等) 或是恶意的 欺骗攻击( 如伪造、非法复制等) 而丢失，其应用范围更广泛，是水印研究的重点。许多 人也把鲁棒性水印分成数字指纹( 也称为标志) 和数字水印两大类：指纹是隐藏的序列号， 它能够让知识产权的拥有者辨明那些盗版的人；水印隐藏的是版权信息，可以让我们辨明 产权的拥有者。 ( 3 ) 按嵌入的空间划分；可分为空域水印和频域水印，直接在空域中对采样点的幅 度值做出改变，嵌入水印信息的称为空域水印；对变换域中的系数( 如傅立叶系数，d c t 系数和小波系数等) 做出改变嵌入水印信息的称为频域水印。一般说来，频域算法可嵌入 的水印数据量大、透明性好、安全性高，但算法复杂度也高。目前，d c t 系数被使用的