（控制科学与工程专业论文）数字水印技术及其应用研究.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文捅姜为了保护多媒体信息的版权，版权保护研究者提出了数字水印的解决方案。它通过对媒体数据做微小地修改，将水印信息不可见的嵌入到宿主媒体中。嵌入的水印信息可能是版权信息或者某种秘密信息。嵌入过程对宿主媒体的影响应该足够的小，从而使得这些水印信息对非法的媒体接收者不可见。论文基于现有文献中的水印算法，阐明了可应用于一般水印方案的通用鲁棒性策略；论文考察了针对几何变换攻击可能的几种鲁棒性策略；论文深入研究了水印方案的公平评价；论文同时提出了基于通信系统模型的数字水印方案。在基于通信系统模型的水印方案中，论文提出了将信息编码的方法应用于数字水印方案，从而更有效的表达了水印信息并增加水印系统的鲁棒性。数字水印研究的一个主要目标就是获得对各种可能攻击的高鲁棒性。虽然已有许多鲁棒性水印方案提出，但在这些水印方案之后隐藏的共同的理论却很少被研究。本文研究了大部分可能的鲁棒性方案，并考察了可能的通用鲁棒性策略。对图像可能的攻击包括j p e g 压缩、图像滤波和几何变换。当前对如何获取对j p e g 压缩和图像滤波的高鲁棒性已经作了广泛的研究，但如何获得对几何变换高鲁棒性的研究却相对较少。本文考察了三种可能的解决方案：不变指数方法、模板方法和自相关方法。近年来有许多水印方案已被提出，但每个水印方案都有各自的评价标准，这使得水印的用户很难比较水印方案的良莠，因此对水印方案的评价就变得必不可少。本文研究水印方案评价的基础，以及s t i r m a r k 基准测试程序在水印方案评价中的应用。当前大部分文献中提及的水印方案都是基于零比特水印信息的水印方案。本文提出了基于通信系统模型的水印的方案，它解决多位水印信息嵌入的问题。在这个方案中使用了信息编码的思想，它使得水印信息更有效的被表达同时也增加了系统的鲁棒性。关键词：数字水印，鲁棒性，通信系统模型，水印攻击，水印方案评测，数字水印基准测试程序第1 页国防科学技术大学研究生院学位论文a b s t r a c td i g i t a lw a t e r m a r k i n g ，w h i c hh a sb e e np r o p o s e da sas o l u t i o nt ot h ep r o b l e mo fc o p y r i 曲tp r o t e c t i o nf o rm u l t i m e d i ad a t a ，i sap r o c e s so fe m b e d d i n gm e s s a g e si n v i s i b l yi n t om e d i ad a t ab ym a k i n gs m a l lm o d i f i c a t i o n st ot h e m t h em 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 rs e c r e tm e s s a g e s a n dt h e ys h o u l dh a v eav e r yl i t t l ei n f l u e n c eo nh o s tm e d i a ，h e n c ei n v i s i b l et oi l l e g a lr e c e i v e r s i nt l l i st h e s i s ，t h ec o m m o nr o b u s t n e s ss t r a t e g i e s ，b a s e do nv a r i o u sw a t e r m a r k i n gs c h e m e sr e f e r r e di nr e s e a r c hp a p e r s ，a r ef o r m u l a t e d ；s o m er o b u s t n e s so n e sa g a i n s tg e o m e t r i c a lt r a n s f o r m sa r ei n v e s t i g a t e d ；t h ef a i re v a l u a t i o no fd i g i t a lw a t e r m a r k i n gs c h e m e si sr e s e a r c h e dd e e p l y ；a n dac o m m u n i c a t i o n - m o d e l - b a s e dd i g i t a lw a t e r m a r k i n gs c h e m ei sp r o p o s e d i nt h ec o m m u n i c a t i o n - m o d e l - b a s e dd i g i t a lw a t e r m a r k i n gs c h e m e ，t h em e t h o do fm e s s a g ee n c o d i n gi sa p p l i e ds ot oe n h a n c ei t sr o b u s t n e s sa n dt oe x p r e s sw a t e r m a r km e s s a g em o r ee f f i c i e n t l y t h em a i ng o a lo fd i g i t a lw a t e r m a r k i n gr e s e a r c hi sa c h i e v i n gh i g hr o b u s t n e s sa g a i n s tav a r i e t yo fp o s s i b l ea t t a c k s a l t h o u g hm a n yr o b u s tw a t e r m a r k i n gs c h e m e sh a v eb e e np r o p o s e d ，c o m m o nt h e o r i e su n d e rt h e ma r er a r e l yr e s e a r c h e d t h i st h e s i si n v e s t i g a t e sm o s tr o b u s ts c h e m e s ，a n dt h e np r e s e n t sc o m m o nr o b u s t n e s ss t r a t e g i e s ：s p r e a ds p e c t r u m ，e m b e d d i n gr e d u n d a n t l y , e t c p o s s i b l ea t t a c k so ns t i l li m a g e sc o v e rj p e gc o m p r e s s i o n s ，i m a g ef i l t e r s ，a n dg e o g r a p h i c a lt r a n s f o r m s w h i l er e s e a r c h e so nh o wt oa c h i e v er o b u s t n e s sa g a i n s tj p e gc o m p r e s s i o n sa n di m a g ef i l t e r sh a sb e e nc a r r i e do u te x t e n s i v e l y , r e s e a r c h e sa g a i n s tg e o g r a p h i c a lt r a n s f o r m sh a sb e e nr a r e l yd o n e t h i st h e s i si n v e s t i g a t e st h r e ep o s s i b l es o l u t i o n s ：i n v a r i a n ts o l u t i o n ，t e m p l a t es o l u t i o n ，a n da u t o - c o r r e l a t i o ns o l u t i o n i nr e c e n ty e a r sav a r i e t yo fw a t e r m a r k i n gs c h e m e sh a sb e e np r o p o s e d ，b u te a c ho n eh a si t so w ne v a l u a t i o nc r i t e r i a , w h i c hm a k e si td i 衢c u l tf o ri t su s e r st oc o m p a r eq u a l i t i e sa m o n gt h e m s or e s e a r c ho nt h ee v a l u a t i o no fw a t e r m a r k i n gs c h e m eh a sb e c o m ei n d i s p e n s a b l e t h i st h e s i sh a sr e s e a r c h e dt h ef o u n d a t i o no ft h ee v a l u a t i o no fw a t e r m a r k i n gs c h e m e ，a n dt h ea p p l i c a t i o no fs t i r m a r kb e n c h m a r kt ot h ee v a l u a t i o no fw a t e r m a r k i n gs c h e m e w a t e r m a r k i n gs c h e m e sr e f e r r e di np a p e r sa r em o s t0 - b i to n e s t h i st h e s i sp r o p o s e sac o m m t m i c a t i o n m o d e l b a s e dw a t e r m a r k i n gs c h e m e ，w h i c he m b e d sm u l t i b i tw a t e r m a r km e s s a g ei n t oh o s t - m e d i ao n c ea tat i m e i nt h i ss c h e m e ，t h em e t h o do f m e s s a g ee n c o d i n gi sa p p l i e d ，w h i c he x p r e s s e sw a t e r m a r km e s s a g ee f f i c i e n t l ya n de n h a n c e st h er o b u s t n e s so fw a t e r m a r k i n gs y s t e m k e yw o r d sd i g i t a lw a t e r m a r k i n g ，r o b u s t n e s s ，c o m m u n i c a t i o nm o d e l ，w a t e r m a r ka r a c k s ，w a t e r m a r k i n gs c h e m ee v a l u a t i o n ，d i g i t a lw a t e r m a r k i n gb e n c h m a r k第1 t 页独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我本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，论文中不包含其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它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。学位论文题目：熬皇壅虫这盎区基廑围婴窒学位论文作者签名：独堡日期：动砰年，月2 么日学位论文版权使用授权书本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅；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。( 保密学位论文在解密后适用本授权书。)学位论文题目：数主坐卫挞! 壁丛基廛周盟壅学位论文作者签名：鍪：里日期：2 “午年1 1 月石墨作者指导教师签名：j 藩丛一日期：矽一乒年，f 月1 z 日国防科学技术大学研究生院学位论文第一章绪论信息媒体的数字化为信息的存取提供了极大的便利，同时也显著地提高了信息表达的效率和准确度。特别是随着计算机网络通信技术的发展，数据的交换和传输变成了一个相对简单的过程。入们借助于计算机、数字扫描仪、打印机等电子设备可以方便、迅捷地将数字信息传达到世界各地。随之而来的副作用是通过网络传输数据文件或作品使有恶意的个人或团体有可能在没有得到作品所有者的许可下拷贝和传播有版权的内容，因此如何在网络环境中实施有效的版权保护( c o p y r i g h tp r o t e c t i o n )和信息安全( i n f o r m a t i o ns e c u r i t y ) 手段成为一个迫在眉睫的现实问题。近几年发展的数字水印为版权保护和信息安全等问题提供了一个潜在的解决方案，因而引起了国际学术界、企业界以及政府有关部门的广泛关注。数字水印( d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ) 是往多媒体数据( 如图像、声音、视频信号等) 中添加某些数字信息( 水印) 而不影响原数据的视听效果，并且这些数字信息可以部分或全部从混合数据中恢复出来，以达到版权保护等作用。一般地，数字水印应具有如下的特性：鲁棒性( 水印对有意或无意的图像操作与失真具有一定的抵抗力) 、不可觉察性( 水印对人的感觉器官应是不可觉察的，或者说是透明的) 以及安全性( 嵌入在宿主数据中的水印是不可删除的，且能够提供完全的版权证据) 、。水印算法识别被嵌入到保护对象中的所有者的有关信息( 如注册的用户号码、产品标志或有意义的文字等) 并能在需要的时候将其提取出来。水印可以用来判别对象是否受到保护，并能够监视被保护数据的传播、真伪鉴别以及非法拷贝控制等，这实际上是发展数字水印的基本动力。尽管版权保护是发展数字水印最重要的原动力，事实上人们还发现数字水印还具有其它的一些如广播监视、拷贝控制、秘密通信等重要应用。数字水印技术与古老的信息隐藏和数据加密技术关系非常密切，这些技术的发展以及融合为今后信息技术的发展提供必不可少的安全手段。1 。1 原理和现状数字水印过程就是向被保护的数字对象( 如静止图像、视频、音频等) 嵌入某些能证明版权归属或跟踪侵权行为的信息，可以是作者的序列号、公司标志、有意义的文本等等。目前对数字水印技术的热情还很高，这既可以从学术界也可以从工业界看出来。学术界的热情反映在水印方面的文章还在大幅度增长，且有关数字水印和数据隐藏的会议也增长很快。工业界对水印的热情则表现在他们大幅度提高了对水印研究的资助程度。从1 9 9 4 年开始，国际学术界陆续发表有关数字水印的文章，且文章数量呈快速增长趋势，几个有影响的国际会议( 如i e e ei c i p 、i e e ei c a s s p 、a c mm u l t i m e d i a第l 页国防科学技术大学研究生院学位论文等) 以及一些国际权威杂志( 如p r o c e e d i n g so fi e e e 、s i g n a lp r o c e s s i n g 、i e e ej o u r n a lo fs e l e c t e da r e a sc o m m u n i c a t i o n 、c o m m u n i c a t i o n so fa c m 等) 相继出版了数字水印的专辑。除了大学和研究机构对水印的研究，一些国际标准项目也有计划发展实用的数字水印算法。如欧洲的t a l i s m a n 的目标是建立一个在欧洲范围内对大规模的商业侵权和盗版行为提供个版权保护机制。t a l i s m a n 希望能够为视频产品以增加标识和水印的方法提高保护手段。o c t a l i s 则是t a l i s m a n 和o 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。国际标准组织也对数字水印技术深感兴趣。即将发布的数字视频压缩标准m p e g 一4( i s o i e c1 4 4 9 6 ) ，提供一个框架允许结合简单的加密方法和水印嵌入方法。d v d工业标准将利用水印技术提供复制控制和复制保护机制，如“复制一次”或“不允许复制”等等。到目前为止，数字水印从研究方向上看主要涉及图像水印、视频水印、音频水印、文本水印和三维网格数据水印等几个方面，其中大部分的水印研究和论文都集中在图像研究上，其原因在于图像是最基本的多媒体数据，且互联网的发展为图像水印的应用提供了直接大量的应用需求。另外视频水印也吸引了一些研究人员，由于视频可以看成时空域上的连续图像序列，从某种意义上讲，它与图像水印的原理非常类似，许多图像水印的研究结果可以直接应用于视频水印上。但两者有一个重要的差别在于处理信号的数量级上，特别是视频水印需要考虑实时性问题。从水印的嵌入方式上看，数字水印可大致分为两类：一类方法是将数字水印按某种算法直接叠加到图像的空问域上；另一类方法是先将图像做某种变换，然后把水印嵌入到图像的变换域中。从目前的情况看，变换域方法正变得日益普遍。因为变换域方法通常都具有很好的鲁棒性，对图像压缩、常用的图像滤波以及噪声均有定的抵抗力。并且一些水印算法还结合了当前的图像和视频压缩标准。如果按水印算法中因输入、输出的不同分类，则可将水印算法分为私有水印系统和公开水印系统。所谓私有水印系统是指从可能失真的水印图像中提取水印或验证水印存在与否时需要原始图像。私有水印系统可用来为法庭上的版权保护和应用上的复制控制提供证据。就应用前景而言，公开水印系统更有前途，但该方法面临如何提供可靠的版权保护证据以及如何解决鲁棒等问题。就研究对象而言，数字水印主要包含以下几个方面：算法设计、鲁棒性与攻击方法研究、版权证明和水印唯一性的解决方案等。很多水印算法事实一l i i 常类似，只是在水印的设计、水印的嵌入以及检测方法上有不同之处。嵌入信息对水印本身而言通常不太重要。在水印算法的设计过程中鲁棒性问题是需要考虑的一个极为重要的因素，有大量文章探讨了如何提高水印的鲁棒性并能够承受大量的、不同的物理和几何失真，包括有意的( 如恶意攻击) 或无意的( 如图像压缩、滤波、扫描与复印、噪声污染、尺寸变化等等) 。另外版权证明和水印唯一性的研究也开始受到研究人员的重视。水印应能为受到版权保护的信息产品的笫2 页国防科学技术大学研究生院学位论文归属提供完全和可靠的唯一证据。1 2 当前存在的问题作为一门新兴的学科，尽管在过去的几年中，各种水印算法如雨后春笋般地不断涌现，但数字水印仍然是一个未成熟的研究领域，还有许多问题需要解决，其理论基础依然非常薄弱，大多数水印算法还是经验性的。存在的问题主要体现在一下几个方面：1 ) 现有的水印算法在原理上有许多雷同之处，但目前国内外的工作尚未能对这些有内在联系的不同算法中的共性问题进行高度提炼和深入的理论研究，因而缺乏对数字水印作进一步研究具有指导意义的理论结果；2 ) 现有水印方案的鲁棒性研究多集中于j p e g 压缩和滤波，而很少考虑几何变换，这使得设计的水印系统很难应用于存在几何变换的场合；3 ) 如何对水印系统进行公正的比较和评价方法，在这方面虽然己经有少数学者进行了初步的研究，但缺乏普遍性和原理性，水印系统的脆弱之处无法进行全面测试与衡量；4 ) 目前的水印研究多集中于零比特水印信息的鲁棒性，且大都是完全依赖于水印嵌入器来提供鲁棒性，而忽视了水印信息编码对于水印信息的有效表示和信息纠错的重要性。1 3 本文的研究内容和结构针对上面的问题，本文对数字水印技术做了深入的研究，并提出基于通信模型的数字水印方案。论文的主要研究内容、贡献及结构如下：第1 章绪论，简要介绍了数字水印的研究背景、当前的发展状况以及本文的组织结构和贡献；第2 章阐述了数字水印的通用鲁棒性策略；第3 章从理论上研究了可用于获取几何变换鲁棒性的策略；第4 章建立了水印评价的框架，定义了视觉质量评价的方法，研究了水印基准测试程序在水印方案评价中的应用；第5 章提出了基于通信系统模型的水印方案，并创新性的将信息编码思想应用于水印系统。阐释了方案的理论基础和设计实现过程，并对方案进行了试验评价；第6 章是结论与展望，对本文的创新点和结论做了一个总结。第3 页国防科学技术人学研究生院学位论文第二章数字水印通用鲁棒性策略作品在嵌入水印后会发生改变，很多应用要求能够从这样的作品中检测出水印。在内容合法的日常使用中仍能存在的水印就是鲁棒性水印。在这一章中，探讨了几种使水印具有鲁棒性的通用策略。2 1 冗余嵌入通常，当作品发生失真时，作品表达式中所有系数都并不是同等程度的受影响。作为一个小例子，考虑将一机图像沿其右边剪切。在图像的像素表示中，仅最右边的像素被影响，其余像素均无影响。另一个的例子是让作品通过带通滤波器。如果在空间域或时间域中表示作品该滤波器很可能改变所有样本。然而，在傅早叶变换域中滤波器仅影响带宽以外的频率部分。一个对抗各种失真的通用策略是将水印冗余的嵌入到几个系数中。就算其中一些系数被破坏了，仍然可以检测到其余系数中的水印。冗余嵌入的一个简单例子是空间域拼贴方法。这个拼贴提供了对抗剪切之类的空间域失真的鲁棒性。可以用大量方法来检测通过拼贴冗余嵌入的水印。其中一种方法是结合从作品中的各个拼贴块中提取的数据，解密出结果。例如，将各个拼贴块叠加在一起并取其平均值来检测水印。另一种方法是在每一个拼贴块中单独的检测水印。若在该位置的某部分检测出水印，则宣布水印存在。还有另一种方法可检测出各个拼贴块中的水印，然后把检测出的值组合起来。例如：可以计算参考向量和图像中每个8 x 8 块的相关系数，然后将所有结果之和与阈值比较。尽管冗余嵌入最显而易见的例子涉及到拼贴，但其他方法也是可能的。般来说，如果能同时在系数的几个子集中检测到水印，则可以说在此域水印是冗余嵌入的。例如，考察在图像中嵌入的白噪声水印。尽管这不是拼贴模型，但水印也冗余地嵌入到了空间域，因为它可以在几个子图像中检测到( 假设在子图像和参考模板问定位完好) 。冗余嵌入的思想可以进一步扩展成通过用不同的水印加密，将信息多次嵌入到作品中的方法，其中每个密码可以经受不同系列的失真。因为作品不可能经历水印敏感的所有失真，因此至少一个水印可以存在。2 2 扩频编码当冗余嵌入思想运用到频域中时，就产生了众所周知的扩频编码通信。在扩频通第4 页国防科学技术大学研究生院学位论文信系统中，信息用符号序列来编码。这些符号以时间顺序传播，其中每个符号用一种h q 碎片的信号来表示。通常，碎片是1 和o 的伪随机序列。在频域中，它们被扩展到大范围的频率上。因此，如果一些处理，比如带通滤波器或加性窄带噪声，破坏了小部分频率而造成信号失真，这些碎片仍可鉴别。图2 1 给出了一个简单的音频扩频水印系统。在此系统的嵌入器端，有一信息m编码错误而被表示为豫，从足够大的字母表中( 比如1 2 8 个a s c i i 字符) 选出一个符号序列，用此符号序列来表示髀。然后把每个信息符号扩频调制成5 1 2 位伪随机序列( 或碎片) ，由此得到感知成形的碎片序列，将其再加人到声音载体作品中。在接收端，则进行相反的处理。首先，进行感知成形( 近似) 逆处理；然后，与字母表中的1 2 8 个碎片进行相关性比较，选择其中相关性最好的碎片，就可得到被错误编码的符号序列，然后将此错误符号序列解码得到m 。裔疑储辘 籀慧图2 - 1简单的扩频音频水印方法带水鼯勰裔皴籀哥扩频通信有两个特征对水印来说很重要。其一，插入到任意频率上的信号能量很小，这种很低的信噪比降低了可感知的人为因素的危险。然而，尽管单一频率上的信噪比很低，但当压缩频率或将大量频率上的能量集中起来时，检测器输出信号仍可能有较高的信噪比。其二，水印被分散到了大量频率上还使得水印对许多常规信号失真具有鲁棒性。2 3 在感知重要系数中嵌入在实际应剧中，在作品表达式的所有系数中嵌入水印并不总是适宜的。一些系数对失真很敏感，这样，它们就不可能有用。例如，大多数类型的图像处理会破坏图像傅里叶表达式中的高频分量。即，有损压缩会把很多高频分量量化为0 ，扫描在采样之前会采用低通滤波器，等等，因此，高频分量中的水印信息很可能在处理后的图像中已被完全破坏。如果在检测时采用这些不可靠系数中的信息，很可能会降低系统的可靠性。此外，保真度限制可能意味着嵌入在不可靠系数中的水印能量必须由降低更可靠系数中的水印能量来补偿。因此，即使不i | ：r 靠系数中的水印数据在检测中有用，其代价也可能超过了好处。因此，最好把尽可能多的系数嵌入到可靠系数- _ i 。第5 页号占匿墨蛩国防科学技术大学研究生院学位论文如何判断哪些系数可靠，哪些不可靠呢? 通用的方法是：那些感知重要的系数很可能比较可靠，而感知不重要的系数则可能不可靠。理想的感知重要的系数是那些不发生变化的系数，除非作品感知上失真。一般来说，运用在作品上的所有正常的压缩、传播和显示技术专门设计成了能保持感知上重要的特性。相反，水印不一定必须承受能破坏感知上藿要系数的处理。根据定义，破坏这些系数会降低作品的可感知质量，如果得到作品的失真非常严重以至于其值丢失，则嵌入在其中的信息不再有用。例如，一个音频脉冲经处理后不可识别，于是它不再受版权法的保护，作为水印而嵌入在其中的版权标志也将变得毫无意义。在感知重要的系数中嵌入水印的主要问题是，它直接违反了制造不可感知的水印的客观性。要使水印不可感知，可能需要把水印的绝大多数能量嵌入到感知上不重要的系数中。事实上，这是感知成形算法例子的效果之一。此算法通常把图像的水印能量移到高频分量上。因此，保真度的客观性常常在实质上违反了鲁棒客观性。此问题的解决方法是，在频域中把水印扩展到大量的感知重夏的系数。扩频编码允许每一频率上具有较小的能量，这样每一系数的变化很小，可以不被感知。另一种替代解决方法是把水印嵌入到中等感知重要的系数中，即感知重要性既不太高，使我们无法在不被感知的情况下把水印嵌入到系数中，也不太低，使系数不能承受常规处理。例如，许多图像水印技术把水印嵌入到图像的中间频率上，从而避免使用最低频率，因为它们很容易被觉察，同时也避免使用最高频率，因为它们不可靠。2 4 在已知鲁棒性系数中嵌入当在感知重要性系数中嵌入水印时，试图使水印能承受各种可设想到的不改变作品值的处理。然而，在很多应用中不可能考虑所有能想到的处理，而只能考虑在嵌入和检测之间可能发生的特定处理。在这些情况中，可更直接地应付这些处理。首先，在变换域中，若水印对所感兴趣的处理具有鲁棒性，则应在此变换域中描述水印。例如，如果关心的是图像水印承受空间平移的能力，而不是其能承受线性滤波的能力，那么可以把水印嵌入到图像傅立叶变换的幅度谱中。在某些情况下，最好用其变换域，比如极对数傅立叶变换或倒谱变换。一旦选定了描述水印的表达式，就能鉴别出哪些系数能最好地承受预期的失真。对某些失真可以通过分析实现鉴别；对其它失真，可以用实验来鉴别。这些嵌入是直接比较刚嵌入水印后的内容和恰好要进行检测的内容，通过比较相应的系数，可以确定嵌入器与检测器之问的信道是如何影响每个系数的，这些实验需要在，泛多样的内容上进行，同时建立令人满意的、具有足够统计可靠性的模型常需要用大量的实验。例如，考察一个视频水印系统，此系统必须要能承受在v h s 磁带上录制这一处理，如果在块d c t 域中描述水印，需要鉴别8x8d c t 的系数，这些系数至少会受第6 页国防科学技术大学研究生院学位论文到录制的影响。将大量的帧录制到磁带上，然后重新使真数字化并比较其块o c t 系数，就可以进行鉴别。在上述例子中，首先，在很多作品的基础上进行统计测试，然后确定在水印上使用的一个固定系数集合。然而，在不同作品中，给定的系数其行为可能不同。考察使水印承受i h 适应压缩的问题。使用自适应压缩算法对已压缩的作品进行检查，并调整每个系数的量化值。结果，给定系数可能在某一作品中量化过大，而在另一作品中量化过小。这意味着不同作品其嵌入水印的系数集合应是不周的。在每个作品选择系数的方法是测量在嵌入水印之前每个系数的相对鲁棒性。此方法可以通过在作品中引入一些模拟失真，并在选定域中测量它们对作品表达式的影响来实现。然后，把水印嵌入到那些鲁棒性最好的系数中，对于不同的作品，鲁捧性最好的系数可能不同。在把使用的系数集合和带水印的作品( 可能有失真) 一起发送到检测器。2 5 检测器失真补偿前面讨论的方法试图创造出经过常规处理仍能保持不变的水印，而另一种有本质区别的方法则试图在检测处理中，对自水印嵌入后所经历的各种处理进行逆变换。很多处理能被精确的逆处理或被近似的逆处理。例如，图像的顺时针旋转可以通过逆时针旋转相同的角度来补偿。对于旋转角度不是9 0 度的倍数的情况，由于内插和舍去错误的问题，这种补偿可能只是近似的。如果检测器能确定在嵌入与检测之间作品经历了哪些处理，就可以在作品上采用逆处理来获得与未经处理的作品版本最接近的版本。基于水印算法，检测器可以在参考水印中引入失真，而不需要在作品中进行补偿。例如，考察一个图像水印检测器，它能讨算接收的作品和参考模板之间的线性相关性。如果，该检测器确定作品已经过低通滤波器滤波，则只要在计算相关性之前让参考模板经过相同的滤波器，检测器就能检测出水印。因为计算成本的缘故，或者因为逆处理是不精确的或不稳定的，这种方法可能比在接收作品上实行逆处理更可取。检测器中补偿失真时很困难的一步是确定要补偿哪些失真，更糟糕的是，为了在大量可能的逆处理后检测出水印，检测器不得不进行穷举搜索。例如，图像水印检测器要检测水印，就必须从o 度到3 5 9 度以1 度的增量旋转图像。针对某些类型的处理，降低搜索成本和虚警率是可能的。如果算法能鉴别一个或一些可能发生的候选失真，则检测器需要在补偿这些失真后测试水印，这样的算法必须针对每一类失真专门进行设计。含辅助信息的检测器鉴别失真时要易于盲检测器，因为含辅助信息的检测器有可能将接收作品和原作品进行比较。当接收作品经过正确的失真补偿后，它应该能与原作品匹配( 如果它有水印，则水印除外) 。对于很多类型的处理，已有的快速算法能第7 页国防科学技术人学研究生院学位论文找到使两作品达到最佳匹配的参数。2 6 小结水印的鲁棒性是水印在内容合法的日常应用中得以继续存在的衡量标准。基于文献中提及的大量水印算法，本章概要的阐述了可应用于一般水印方案的通用鲁棒性策略。冗余嵌入可提高水印系统对剪切滤波和加性噪声的鲁棒性。冗余嵌入可存在于空问域、频域或在处理后只有部分信号失真的任何其它域。扩频水印参考模板在空间域和频域有冗余的。它们提供了对抗滤波、加性噪声和剪切的一般鲁棒性。在感知重要的系数中嵌入水印，确保对任何可保持可接受保真度的处理过程的鲁棒性。有时有可能要明确地鉴别对预期处理过程具有鲁棒性的内容成分，并在其中嵌入水印。如果检测器含有辅助信息，可以依靠作品在作品中完成这些工作。如果检测器可以确定一个特定的处理已被应用于一个作品，那么检测器或者能逆处理，或者对参考标志使用该处理。第8 页国防科学技术大学研究生院学位论文第三章数字水印几何变换鲁棒性策略作品可能要经受缩放、旋转和平移等的几何变换过程，在这一章中，探讨了几种可使水印系统对几何变换具有鲁棒性的通用策略。3 。1 引言若用二元函数f x ，y 表示图像，则图像经历的几何变换可按如下方式表述：1 ) 缩放( s c a l i n g )f x ，y 】斗f p x ，p y 】，其中p 是缩放因子。2 ) 旋转( r o t a t i o n )f x ，y 】_ f x c o s o 一y s i n o - ，x s i n 盯- y c o s 盯 ，其中盯是旋转角度且0 o - 2 z 。3 ) 纵横比缩放( a s p e c tr a t i os c a l i n g )f x ，纠一f p , x ，n 纠，其中b 、n 是缩放因子。4 ) 对于任意的几何变换都可用仿射变换( a f f i n et r a n s f o r m a t i o n ) 来描述，k 川斗，c c t 力( ；) + ( 羔) 】，其中( ；) 是仿射变换矩阵、 妻) 是平移因子。图3 - 1含有几何变换信道的水印系统模型图3 1 给出了本章水印系统的模型，此模型假设水印信道存在如上所示的几何变换信号处理过程或攻击过程，例如这可能是图像扫描引入的图像旋转或是视频窗口的纵横比缩放等。对于公开水印方案在提取水印信息时需要原始作品，而对于私水印方案在提取水印信息时不需要原始作品，故用虚线在图3 一l 中表示这一点。本章研究水印系统的几何变换鲁棒性策略，即如何设计对几何变换具有鲁棒性的水印系统。对几何变换具有鲁棒性的水印系统设计的任务就是，使得在水印作品经过几何变换后仍然第9 页国防科学技术人学研究生院学位论文可以从变换后的水印作品中提取出原始的水印信息。有三大类方法可以提供对几何变换的鲁棒性，这包括不变特征方法、基于模板的方法和基于周期水印自相关函数或傅立叶频谱自参考原理的方法。3 2 数学理论基础3 2 1 离散傅立叶变换有限长离散信号札h ，”= o ，l ，1 - ，n 一1 的离散傅立叶变换( d f t ) 定义为一ni竺bx e k 埘胛】e - j 铲，k = o ，i ，1 ，n 一1反变换定义为x 珂】口专蓑一【七】e j 等“，珂= 。，1 ，- ，一1将d f t 变换写成矩阵形式，得到牙：a i其中变换矩阵a 为a =设有信号研n ，珂= 0 ，l ，n 一1 ，可计算出它的傅立叶变换幅度为d f t ( x n ) = 丑雎】，k = 0 ，1 ，j v 一1d f t ( x n ) j = l 州纠根据傅立叶变换的性质有，原始信号虹” 的平移信号x n 一】的d f t 为2 0d f t ( x n 一 ) = p 1 i “z 肚幅度为第1 0 页。譬，哆时国防科学技术大学研究生院学位论文胛m 棚牛等j= j 研硎= i d f r ( x n ) l因此，离散傅立叶变换的幅度对原始域( 空域、时域或其它域) 信号平移具有不变性。根据傅立叶变换的性质有d f t ( p x 如2 南x r 寺即，离散傅立叶变换对原始域信号的缩放具有反向性。二维离散傅立叶变换是对一维离散傅立叶变换的直接拓展。有限长离散信号f i x ，y ，x = 0 ，1 1 1 m 一1 ，y = 0 ，l ，1 一，n 一1 的二维离散傅立叶变换定义为f 【。，。】兰m - i n - i ， 。，叫等“+ 百2 x y e呐f 【“，v 】兰， x ，“百“+ 百9 反变换定义为m 川= 嘉m 萎- i 驴n - i ，v e “吾等训设有限长离散信号f i x ，y 】，x = 0 ，l ，m 一1 ，y = o ，l ，_ 1 一，n 一1 ，则计算出它的二维傅立叶变换幅度为d f t ( f x ，y 】) = f u ，v ，“= o ，1 ，t m 一1 ，v = 0 ，1 ，- ，n 一1d f t ( f x ，y i ) = i f u ，v 】|根据二维傅立叶变换的性质，原始信号f i x ，y 的平移信号f i x 一盯x ，y c r y 的二维傅立叶变换为d f t ( f x 一盯x ，y 一盯卅) = p 一百百”f ，v )幅度为l 胛t ( f x - c r x , y - c r y ) = i e - j ( 和等州脚) |= i f ( u ，v ) i因此，二维离散傅立叶变换的幅度对原始二维空间域的信号平移也具有不变性。第儿页国防科学技术大学研究生院学位论文根据二维傅立叶变换的性质，原始信号s x ，纠的缩放信号，k o x ，y c r y 的二维傅立叶变换为d f t ( f p 如2 南f c 尝，旁即，二维离散傅立叶变换对原始二维空间域的信号缩放也具有反向性。引入极坐标刃c o s 口刃s l n 口则f x ，y 的二维傅立叶变换可表示为d f t ( f r ，口】) = ， 河，纠对， x ，叫逆时针旋转岛度，则f i x ，纠变为f i r ，o + o o 。计算九，o + o o 的傅立叶变换d 刀v ，占+ 岛】) = ， 万，妒+ 岛因此，二维离散傅立叶变换对原始二维空间域的信号旋转具有等效性。3 2 2 坐标系统的几何映射变换傅立叶变换是将信号从空间域变换到频率域，信号在频率域的频谱对信号在空域中的几何平移具有不变性，但是对于缩放和旋转确不具有这样的良好特性。如何在傅立叶变换对几何平移具有不变性的基础获取对旋转和缩放的不变性，坐标系统的几何映射方法提供了一种可能的解决方案。坐标系统的几何映射变换包括对数极坐标映射变换( l p m ) 和对数对数坐标映射变换( l l m ) 。设有限长离散信号f i x ，y 】，x = 0 ，1 ，m 一1 ，y = o ，1 ，n 一1 ，定义j x = 已“c 0 8 口村r o 口 2 石i y = e “s i n o7则对于每个【x ，y 】都存在一个唯一的 ，0 】与之对应，故有上尸m ：f i x ，y 】斗f l u ，0 】反之，对于每个【“，明也存在唯一的【x ，y 】与之对应，即尼尸m ：f u ，0 斗f x ，y 第1 2 页“v，、【目口善蛐r，| |=xy，f、l国防科学技术大学研究生院学位论文考察信号f x ，y 的几何缩放后的信号f i p x ，p y 】，其中p 是几何缩放因子计算它的对数极坐标映射变换三p m三尸m ：f p x ，p y 斗f u + l n p ，0 】再考察信号f x ，y 】的几何旋转后的信号f x c o s o 一y s i n c r ，x s i nc r + y c o s o - 】，其中盯是旋转角度。计算它的三p ml p m ： x c o s o - - ys i n 盯，x s i n o - + y c o s o 】j f u ，0 + 盯】因此，三p m 可将原始空问域的几何缩放变换和几何旋转变换变换成为对数极坐标空间中的几何平移变换。而几何平移的不变性总可以通过d f r 来获得，故最终可得到缩放和旋转不变性特征( r s i ) ，计算过程如图32 所示。图3 _ 2i r s i 的计算过程设有限长离散信号f x ，y ，x = o ，l ，1 - m 一1 ，y = 0 ，1 ，n 一1定义辱x = e u ：l ，u 1e r , u 2c r则对于每个k 纠都存在一个唯一的【，u 2 与之对应，故有国防科学技术人学研究生院学位论文反之，对于每个 u l ，“： 也存在唯一的 x ，y 】与之对应，即眦m ：f u 1 ，“2 】斗f x ，y 考察信号f x ，卅的纵几何纵横比缩放后的信号九成x ，b 纠，其中n ，岛是几何缩放因子，计算它的上j j ，村l 三m ：厂【n x ，p y jf l u l + 1 n 成，“2 + l n p y 图3 - 3a r i 的计算过程因此，上三m 将原始空间域的几何纵横比缩放变换变换成了对数对数坐标空间中的几何平移变换。而几何平移的不变性总可以通过d f t 来获得，故最终可得到纵横比缩放不变性特征( a r i ) ，计算过程如图3 3 所示。3 3 不变特征方法不变特征方法的思想来源于包括人脸识别等的模式识别领域，它将模式的变体看作模式的一个样本，模式识别的根本任务就是找出这些样本都具有的本质特征，用这个本质特征来标识模式。如这些模式的变体与模式存在某种变换关系如缩放和旋转等，那模式识别的任务就是从模式的原始特征中找出对这些变换具有不变性的特征( 由于原始特征通常维数较高，因此模式识别中求不变性特征的过程就是特征降维的过程) 。由于不变性特征是对某种变换的不变性，因此在数字水印系统设计中要提供国防科学技术大学研究生院学位论文对某种变换的鲁棒性，只要找到对这种变换的不变性特征，然后将水印嵌入到不变性特征中就可以了。图3 4 给出了基于不变性特征方法的水印系统框架，关键是要找到合适的求解不变性特征的变换。将水印嵌入不变性特征的方法可以使用c o x 指出的以下三种方法之一：1 ) 矿= k + 口x i ；2 ) = 0 + 口) ；3 ) = k g 。，其中，是第i 个不变性特征，x i 是第f 个水印分量，口是嵌入强度，是第i 个修改了的不变性特征，而水印的提取过程通常则使用相关性方法。图3 - 4基于不变性特征方法的水印系统框架r u a n a i d h 提出了图35 的旋转、缩放和平移不变性特征( r s t i ) 的一种水印方法。首先计算图像的d 刀频谱，它们对图像平移具有不变性。再对d f 丁频谱做工p m 。为了计算三p m ，考虑点( x ，y ) r 2 同时定义x = p “c 0 8 目材r o 兰口 0 1 ) ，但也要回答“是否”的问题。私有水印系统和半私有水印系统的仅有用处，是用于证明所有权和诸如d v d 的用户需要知道是否允许播放内容应用的拷贝控制的法庭证物。当前提出的大部分方案都是属于此类。( 3 ) 公开水印系统尚有许多挑战性的问题需要解决。因为它在检测时不要求秘密的原始载体图像c ，也不需要水印信息w 。它从测试图像中提取位水印信息( e x k 斗w ) 。同其它类型的水印系统相比，此类水印方案有着更多的用途。实际上，用于此类系统的水印嵌入策略也同样可以应用于私有水印系统。在对数字水印系统分类后，就可以确定水印系统的参数。( 1 ) 水印信息这是一个重要的参数因为它直接影响水印的鲁棒性。要嵌入的信息越多，水印的鲁棒性就越低。虽然要隐藏的信息量依赖于具体的应用场合，但实际上人们通常想嵌入类似于国际图书标准编号( i s b n ) 的数字( 大致1 0 位) 。另外，人们也希望添加版权日期信息，这意味着大约7 0 个信息位应该被嵌入图像。这并不包括用作错误校验的附加位。第2 0 页国防科学技术