（信号与信息处理专业论文）基于小波变换的数字图像水印技术研究.pdf

南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学信号与信息处理专业 研究方向：图像处理与多媒体通信 作者：张丽媛 指导教师：董育宁 题目：基于小波变换的数字图像水印技术研究 英文题目：r e s e a r c ho nd i g i t a li m a g ew a t e r m a r k i n g b a s e do nw a v e l e tt r a n s f o r m 主题词：数字图像水印；离散小波变换；a r n o l d 变换；彩 色图像；盲水印 k e y w o r d s ：d i g i t a li m a g ew a t e r m a r k i n g ；d i s c r e t ew a v e l e t t r a n s f o r m ；a r n o l dt r a n s f o r m ： c o l o ri m a g e ； b li n dw a t e r m a r k i n g 69 9呲45呲7 叭1 y、 ，之 南京邮电人学硕士研究生学位论文摘要 摘要 随着网络技术和数据通信技术的飞速发展，多媒体数据对于人们的生活产生了越来越 重要的影响，因此，数字产品的版权保护问题自然成为了人们关注的焦点。作为数字产品 版权保护有效方法之一的数字水印技术自从提出以来就一直受到专家学者们的广泛关注 与重视，是国际学术界的研究热点。 在参阅大量国内外相关文献的基础上，本文研究了一种基于离散小波变换和改进 a r n o l d 变换置乱并加密的彩色数字图像盲水印技术，主要用于数字图像的版权保护。其 主要思想为在彩色宿主图像y c b c r 彩色空间y 分量的离散小波变换的三级高频系数h l 3 、 l h 。以及h h 。上，采用基于奇偶量化思想的邻近值算法，自适应的重复嵌入经改进a r n o l d 变换置乱并加密的二值有意义的水印信息图像，以增强整个水印系统的安全性和抗攻击的 鲁棒性，水印信息的提取不需要原始载体图像，为盲水印提取。 为了验证本文算法的不可见性和抗攻击的鲁棒性等各方面的性能，本文进行了一系列 的仿真实验以及与相关文献的比较分析。仿真实验结果表明，本文的数字图像盲水印算法 具有较好的不可见性和抵抗常见的基本图像处理操作攻击的鲁棒性，尤其是具有显著的抵 抗j p e g 有损图像压缩攻击的鲁棒性，因而具有一定的实用价值。 关键词：数字图像水印；离散小波变换；a r n o l d 变换；彩色图像；盲水印 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fn e t w o r kt e c h n o l o g ya n dd a t ac o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y ，t h em u l t i m e d i ad a t ah a sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n ti n f l u e n c eo np e o p l e s l i r e s t h e r e f o r e ，t h ep r o b l e mo fd i g i t a lc o p y r i g h tp r o t e c t i o nh a sn a t u r a l l yb e c o m e t h ef o c u so fa t t e n t i o n a so n eo ft h ee f f e c t i v em e t h o d sf o rd i g i t a lc o p y r i g h t _ p r o t e c t i o n ，t h ed i g i t a lw a t e r m a r k i n g h a s a l w a y s a t t r a c t e de x p e r t s a n d s c h o l a r s e x t e n s i v ea t t e n t i o ns i n c ei ti sp r o p o s e d ，a n di t sar e s e a r c hh o t s p o t i nt h ei n t e r n a t i o n a la c a d e m i cf i e l d o nt h eb a s i so fs t u d y i n gal a r g en u m b e ro fr e l a t e d l i t e r a t u r e sa th o m ea n d a b r o a d ，t h i st h e s i ss t u d i e sac o l o rd i g i t a li m a g eb l i n dw a t e r m a r k i n gt e c h n i q u e b a s e do nd i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o r ma n di m p r o v e da r n o l dt r a n s f o r mf o rs c r a m b li n g a n de n c r y p t i o n ，w h i c hi sm a i n l yu s e df o rd i g i t a li m a g ec o p y r i g h tp r o t e c t i o n t h e m a i ni d e ai st h a tu s i n ga d j a c e n tv a l u ea l g o r i t h mb a s e do no d d 。e v e nq u a n t i z a t i o n t oe m b e dm e a n i n g f u lb i n a r yw a t e r m a r ki n f o r m a t i o ni m a g es c r a m b l e da n de n c r y p t e d b yt h ei m p r o v e da r n o l dt r a n s f o r ma d a p t i v e l ya n dr e p e a t e d l yi n t ot h et h r e e 。l e v e l h i g h f r e q u e n c yc o e f f i c i e n t so fd i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o r mo ft h eyc o m p o n e n ti n t h ey c b c rc o l o rs p a c eo ft h ec o l o rh o s ti m a g e ，i no r d e rt oe n h a n c es e c u r i t ya n d a n ti a t t a c kr o b u s t n e s so ft h ew h o l ew a t e r m a r k i n gs y s t e m t h ew a t e r m a r ke x t r a c ti o n d o e s n tn e e dt h eo r i g i n a li m a g e ，t h a ti s ，i t sab l i n dw a t e r m a r ke x t r a c t i o n i no r d e rt ov e r i f yt h ep e r f o r m a n c eo ft h i sa l g o r i t h mi na l la s p e c t ss u c ha s i n v i s i b i l i t ya n da n t i a t t a c kr o b u s t n e s s ，as e r i e so fs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sa n d c o m p a r a t i v ea n a l y s i sw i t hr e l a t e dl i t e r a t u r e sw e r ec a r r i e do u t t h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h i sd i g i t a li m a g eb l i n dw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mh a sg o o d i n v i s i b i l i t ya n dr o b u s t n e s sr e s i s t a n tt ot h ec o m m o n b a s i ci m a g ep r o c e s s i n g o p e r a t i o n s ，e s p e c i a l l yt h es i g n i f i c a n tr o b u s t n e s sr e s i s t a n tt ot h ej p e gl o s s y i m a g ec o m p r e s s i o n s oi th a sac e r t a i np r a c t i c a lv a l u e k e y w o r d s ：d i g i t a li m a g ew a t e r m a r k i n g ；d i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o r m ；a r n o l d t r a n s f o r m ；c o l o ri m a g e ； b 1 i n dw a t e r m a r k i n g h 南京邮电大学硕士研究生学位论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i i i 第一章、绪论1 1 1 、研究背景与意义，1 1 2 、研究现状1 1 3 、本文的研究内容与所做工作3 1 4 、本文的篇章架构4 第二章、数字图像水印概述5 2 1 、数字图像水印的基本原理5 2 2 、数字图像水印系统的一般模型5 2 3 、数字图像水印的基本特征6 2 4 、数字图像水印的分类7 2 5 、数字图像水印的评价指标8 2 5 1 、不可见性评价8 2 5 2 、鲁棒性评价1 0 第三章、相关理论知识介绍1 2 3 1 、彩色空间变换1 2 3 2 、小波变换1 2 3 3 、图像置乱及a r n o l d 变换2 l 3 3 1 、图像置乱2 l 3 3 2 、a r n o l d 变换一2 2 第四章、基于离散小波变换和改进a r n o l d 变换置乱加密的彩色数字图像盲水印2 4 4 1 、水印信息的预处理2 4 4 2 、水印信息的嵌入2 5 4 3 、水印信息的提取2 8 第五章、仿真实验与结果分析3 1 5 1 、实验条件3 l 5 2 、未进行仿真攻击的实验结果3 l i l l 南京邮电大学硕j ：研究生学位论文 目录 5 3 、进行仿真攻击的实验结果3 2 5 4 、相似算法间的性能比较3 5 5 5 、抵抗j p e g 有损图像压缩的性能比较4 3 5 6 、抵抗j p e g 2 0 0 0 有损图像压缩的性能分析4 8 第六章、总结与展望5 0 参考文献5 2 致谢5 5 i v 南京邮电大学硕士研究生学位论义 第一章绪论 第一章、绪论 1 1 、研究背景与意义 随着计算机技术与网络通信技术以及信息产业的飞速发展，再加上多媒体存储和传输 技术的进步，数字化信息的传播和获取变得空前的方便和快捷。然而，由于数字媒体易于 存储、复制和传播的特点，使得大量的数字媒体在以合法形式进行传播的同时，经常遭受 非法复制与传播。因此，如何既能顺应数字化的潮流，又能有效保护数字信息的安全和著 作者的所有权问题，越来越受到人们的关注。 密码学的密码认证技术是保护数字产品的一种方法，但仅仅采用密码并不能完全解决 版权保护的问题，密码仅能够在数据从发送者到接收者的传输过程中对数据进行加密保 护。但是，当信息被接收并进行解密以后，所有加密的数字信息就与普通数字信息一样， 将不再受到任何保护。一旦经受非法拷贝与非法传播，这种加密系统对版权的保护将无济 于事。因此，为了解决这一难题，人们提出了数字水印技术来实现对数字产品的版权保护。 数字水印是一种信息安全技术，是信息隐藏技术的分支，它是在数字信息( 如图像、 声音、视频等) 中通过一定的算法加入不可见的标记，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信息的完 整可靠性，从而成为知识产权保护和数字多媒体防伪的有效手段。它是一种可以在开放的 网络环境下保护版权和认证来源以及完整性的新型技术，创作者的创作信息和个人标志通 过数字水印系统以人类所不可感知的形式嵌入在数字多媒体中。人们无法从表面上感知水 印的存在，只有用专用的检测器或计算机软件才可以检测出隐藏的数字水印信息。 在此背景下，作为数字产品版权保护的一种有效手段，信息隐藏技术分支之一的数字 水印技术逐渐引起了人们广泛的关注和重视，并已成为国际学术界的一个研究热点，近年 来，相继发表了大量的关于数字水印技术的学术文章和书籍，同时举办了多次关于数字水 印技术的国际国内会议。因而，本文对数字图像水印技术进行研究有着重要的理论与现实 意义。 1 2 、研究现状 目前，对于数字图像水印技术的研究主要分为鲁棒性水印和脆弱性水印，前者主要用 于数字产品的版权保护，后者主要用于内容的完整性保护。 鲁棒性水印的主要用途包括解决版权争议、设置用户标识等。鲁棒性水印在保护数字 产品的知识产权方面起着重要作用，例如作者版权遭到侵犯时可以为第三方提供证据；打 击盗版时根据盗版资料提取的水印信息可以发现进行非法复制的用户和盗版源。水印的鲁 南京邮电火学坝上q 允生学位论文 第一章绪论 棒性取决于实际的应用场合，一般而言，在保留数字作品使用价值的前提下，鲁棒性水印 不能被各种常见的数字处理技术，如有损压缩、滤波、缩放、剪裁等所破坏。此外，鲁棒 性水印还必须能够抵抗各种蓄意的攻击。鲁棒性水印根据其感知性可以分为两类：可见水 印和不可见水印。可见水印的主要目的是明确标识版权，防止非法使用：不可见水印则意 味着水印信息的存在不会引起人类视觉感官的注意，从而最大程度地保留数字作品的价 值。 脆弱性水印主要用于对数字作品的数据完整性、内容真实性等进行认证。由于数字作 品很容易进行修改和复制，因此其真实性和完整性都将受到怀疑。现实应用决定了脆弱性 水印的特点是较小的外部变化就足以破坏数字作品中加载的水印，因而这类水印对作品的 真实性和完整性鉴定很有帮助。针对不同的应用，可定义数字作品允许的变换程度，例如 可以接受高质量的压缩和轻微的滤波或完全不能修改等。相应地，用于认证的水印又可以 分为易损水印和半易损水印，用户可以根据实际需要定制满足特定需求的水印。 数字图像水印的实现方法基本分为两类：基于空间域的方法和基于变换域的方法。空 间域数字水印是直接在数字图像的信号空间上嵌入水印信息。常用的技术有最低有效位法 和扩展频谱方法等。其优点是嵌入信息量大，而缺点是鲁棒性较差；变换域数字水印是将 图像从时域变换到相应的变换域，并对水印信息进行定的变换域调制，使其很好地隐藏 在图像重要的能量部分，从而较好地满足了数字图像水印技术不可见性和鲁棒性的要求， 是当前最重要的水印方法之一。 基于变换域的数字图像水印通常采用的变换域有离散余弦变换( d c t ) 域、离散小波 变换( d w t ) 域、离散傅里叶变换( d f t ) 域等。其中，由于小波变换具有许多良好的时频 特性，如空间频率定位特性、多分辨率特性、与h v s 人类视觉特性的相似性、自适应性等， 使得嵌入水印信息后的图像在经历各种图像处理操作和攻击后，如有损压缩、滤波、加噪、 缩放、剪切等，仍能保持较高的鲁棒性，从而成功地提取出水印信息，所以基于小波变换 的数字图像水印技术一直是研究的热点，本文研究的数字图像水印算法也正是基于离散小 波变换域的。 下面就简单介绍一些现有的基于离散小波变换( d w t ) 域的数字图像水印算法。 文献【7 】r a k e s hd u g a d 等人采用一种阈值法将水印信息隐藏于静态数字图像中。该 方法需要确定两个阈值t 。和t ：，其中t 是水印信息添加的阈值，它决定了水印信息添加 的位置；t ：则是水印信息提取的闽值，它决定了水印信息提取的位置，严格要求t ： t 。 文献【8 】将小波系数分为两类，不重要系数和重要系数。第一种算法将水印信息嵌 入到不重要的系数中，二值水印信息通过在小波子带中修改系数的幅度来表示；第二种算 南京邮电大学硕二l ：研究生学位论义 第一章绪论 法是将水印信息嵌入到重要的系数中，但需要保存这些系数的位置、子带和分类阈值。实 验结果表明该算法能很好的保持数字图像的质量并能抵抗j p e g 有损图像压缩。 文献【9 】q u a ny u a n 等人提出了一种新的小波域数字图像水印方案。该方案考虑到 了不同的中频子块系数之间的联系，通过量化中频系数对来嵌入水印信息。该水印方案是 一种盲水印方案。 文献【1 0 】主要研究了水印算法中小波基的选择和正交小波基的性质与水印鲁棒性的 关系，研究结果表明：正交小波基的正则性、消失矩阶数、支撑长度以及小波图像能量在 低频带的集中程度对水印鲁棒性的影响极小，同时也得到了一个有意义的结论：h a a r 小 波比较适合应用于数字图像水印，这对于在离散小波变换域中嵌入水印信息时小波基的选 择具有十分重要的意义。 文献【l l 】提出了一种基于小波分块的自适应数字图像水印算法。先将水印信息进行 置乱，以提高安全性和鲁棒性，然后根据小波变换后高、低频的特点，将水印信息以不同 强度自适应地嵌入其中。实验结果表明，该算法不仅具有较高的安全性，而且在增加了水 印信息容量的前提下，图像的质量降低很小，从而较好地统一了数字图像水印算法的不可 见性和鲁棒性。 文献【1 2 】提出了一种有效的基于离散小波变换的数字图像盲水印算法，首先利用 a r n o l d 置乱和l o g i s t i c 混沌系统对水印信息进行加密，以增强水印系统的安全性。然后 结合人类视觉系统根据阂值选取离散小波变换系数，并按照指定的量化方程对系数进行量 化，从而实现水印信息的嵌入。仿真实验结果表明，该算法对剪切、中值滤波、噪声、j p e g 有损图像压缩等操作具有较强的鲁棒性。 如今，虽然已有大量的各种数字图像水印算法，对于数字图像水印技术的研究也取得 了一定的成绩，但可以说数字图像水印技术仍然是一个尚未成熟的研究领域，还有许多问 题有待解决，如其理论基础依然薄弱、仍未形成一套完整的理论体系、缺少公正客观的评 价指标等。其中，如何达到数字图像水印系统的不可见性、鲁棒性以及嵌入容量之间的最 佳平衡，是绝大多数数字图像水印算法至今仍为之努力，且尚未从理论上完全解决的数字 图像水印的关键问题之一。这就需要我们继续对数字图像水印技术进行更加深入的研究， 以促使其得到进一步的发展与完善。 1 3 、本文的研究内容与所做工作 本文研究的是主要用于版权保护的鲁棒性小波域数字图像水印，主要包括以下几个方 面的内容： 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 ( 1 ) 水印信息的预处理 本文采用有意义的二值图像作为水印信息。为了提高水印信息的安全性与整个水印系 统的抗攻击的鲁棒性，在将水印信息图像嵌入到宿主图像之前，先采用本文改进的a r n o l d 变换对其进行置乱与加密处理，以消除其像素的空间相关性，从而在载体图像被破坏时能 够分散错误比特的分布，加强鲁棒性。 ( 2 ) 基于离散小波变换的彩色数字图像盲水印 提出了一种基于离散小波变换的彩色数字图像盲水印技术，实现了水印信息的成功嵌 入与提取，嵌入水印信息后的图像具有较好的不可见性，且在提取时不需要原始宿主图像 和原始水印图像的参与，为盲提取，具有一定的实用性。 ( 3 ) 仿真实验与结果分析 为了验证本文的数字图像水印系统的鲁棒性，对嵌入水印信息后的图像进行了一系列 的仿真实验，实验结果表明本文的数字图像水印算法具有较好的不可见性和抗j p e g 有损 图像压缩及基本的图像处理操作攻击的鲁棒性。 同时，就本文算法的性能及水印信息嵌入和提取的算法与相关文献进行了比较与分 析。 1 4 、本文的篇章架构 本文共有六章，各章的主要内容如下： 第一章绪论部分，从信息发展的实际出发，论述了数字水印研究的理论背景与实际意 义，介绍了数字图像水印领域的研究现状，同时概括说明了本文的研究内容与所做工作。 第二章为数字图像水印概述，详细系统的介绍了数字图像水印技术的基本原理等各项 相关知识。 第三章为本文提出的数字图像水印算法涉及的相关理论知识的介绍，包括彩色空间变 换、离散小波变换、a r n o l d 置乱变换等。 第四章详细介绍了本文提出的基于离散小波变换和改进的a r n o l d 变换置乱并加密的 彩色数字图像盲水印，包括水印信息图像的预处理、水印信息的嵌入与提取。 第五章为对本文的数字图像水印算法进行的一系列的仿真实验与相应结果的比较分 析。 第六章为对本文所作研究工作的总结与对未来工作的展望。 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章数字幽像水印概述 第二章、数字图像水印概述 在这一章里，主要对数字图像水印方面的基础理论知识进行详细与系统地介绍。 2 1 、数字图像水印的基本原理 数字水印是一种有效的数字产品版权保护和数据安全维护的技术，它将具有特定意义 的标记( 水印) ，在不易被察觉的前提下，利用数字嵌入的方法隐藏在数字图像、音频、 文档、视频、网络等数字产品中，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，通过对水印的检测和分析来保证数字信息的完整可靠性，从而 成为知识产权保护和数字多媒体防伪的有效手段。 概括地说，数字水印就是永久镶嵌在其它数据( 宿主数据或载体数据) 中具有可鉴别 性的数字信号或模式，并且并不影响宿主数据的可用性。以静止图像( 或图片) 为载体的 水印( 被嵌入的信息可以是任何数字内容) 就称为图像水印，它是数字水印研究领域中成 果最丰富、最成熟、应用最广泛、也是最直观的分支。n 1 2 2 、数字图像水印系统的一般模型 数字图像水印系统通常包括两大部分：水印信息的嵌入与水印信息的提取或检测，如 图2 1 、图2 2 所示。其中，水印信息可以有多种形式，如随机数字序列、数字标识、文 本、图像等等。 图2 1 、水印信息的嵌入 ： 曩壅壅：卜； 图2 2 、水印信息的提取或检测 在水印信息的嵌入部分，主要是将水印信息通过一定的水印嵌入算法隐藏到原始宿主 图像数据中，以形成嵌入水印信息后的图像，同时记下嵌入时所用的密钥以待提取时所用； 南京邮电人学硕上研究生学位论文第二章数字图像水日j 概述 在水印信息的提取或检测部分，利用嵌入过程中记下的密钥，将嵌入水印信息后的待检测 图像，通过相应的水印提取算法，提取出所需的水印信息。这里，在提取过程中j 若不需 要原始宿主图像的参与，就称为盲提取或盲检测，相应的水印算法就称为盲水印算法。在 实际应用中，往往不易获得原始的未进行处理的宿主图像，所以研究不需要原始宿主图像 的盲水印算法，将具有更大的实际意义。 2 3 、数字图像水印的基本特征 数字图像水印一般应具有以下四个方面的基本特征：不可见性( i n v i s i b i l i t y ) 、鲁 棒性( r o b u s t n e s s ) 、安全性( s e c u r i t y ) 和可证明性( p r o v a b i l i t y ) 。 不可见性主要是指人眼视觉感官上的不可见性。具体说来就是因嵌入水印信息而导致 的载体图像的变化对于观察者的视觉系统来说应该是不可察觉的；水印信息的存在不应明 显干扰被保护的数据，不应影响被保护数据的正常使用。最理想的情况是嵌入水印信息后 的图像与原始图像在视觉上一模一样，至少是人眼无法区别的，这是绝大多数数字图像水 印算法所应达到的基本要求。 鲁棒性是指数字水印必须难以被清除，即嵌入水印信息后的图像在经过一定的信号处 理或信道攻击以后，仍能够成功的检测到水印信息。一个实用的鲁棒水印算法应该对常见 的信号处理、通常的几何变形以及恶意的攻击等具有鲁棒性，这些常用的图像信号处理包 括：图像压缩( 如j p e g 有损图像压缩) 、滤波、加噪、对比度变化、几何变化等等。 安全性是指数字水印中的信息应该是安全的，难以被篡改或伪造。数字水印系统使用 一个或多个密钥来确保安全，防止修改和擦除水印。安全性是以鲁棒性为基础的，对数字 水印进行对称或非对称加密处理可以禁止未经授权的嵌入、提取和检测。 可证明性是指水印应能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。 水印算法能够识别嵌入到被保护对象中的所有者的有关信息( 如注册的序列号、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，用以证明数字版权的所有者。水 印信息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。这实际上也是发展数字水印技术的基本动力。 注意，不可见性和鲁棒性是数字图像水印系统最主要的两个特点，并且，鲁棒性、不 可见性和水印信息的嵌入容量这三者之间存在着相互矛盾制约的关系，即鲁棒性的提高往 往是以不可见性和水印信息嵌入容量的降低为代价的，这是由水印算法设计的基本思路而 必然决定的。因为不管采用什么样的水印算法，水印信息往往是作为载体图像数据的冗余 而被嵌入的，是对载体图像数据的一种修改，修改的程度越大，在相同水印容量下，载体 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章数字幽像水日j 概述 图像在经过信号处理或攻击后遭受的破坏相对原值来说就越小，鲁棒性就越强；但是同时， 修改的程度越大，对载体图像数据的改动也就越大，从而也就越容易造成失真，但是较大 的修改量也可以嵌入更多的水印信息。所以，在研究具体的水印算法时，应根据具体的应 用，使这三者之间得以平衡，以本文主要研究的鲁棒水印来说，就应同时达到不可见性和 鲁棒性的要求，在这两者之间找到最佳的平衡，并且尽可能的增加水印信息的嵌入容量。 2 4 、数字图像水印的分类 从不同的角度出发，可以对现有的形形色色的数字图像水印算法进行多种分类，常见 的分类如下： ( 1 ) 基于水印隐藏位置的分类 根据水印隐藏位置的不同，可以分为两大类：空间域水印和变换域水印。 空间域水印是将水印信息直接加载在载体数据上，比如最低有效位( l s b ) 法、 p a t c h w o r k 方法及纹理块映射编码方法等，早期的数字水印算法一般都是基于空间域的。 空间域水印具有算法简单、计算速度快、容易实现的优点，但同时也具有鲁棒性较差、抗 攻击能力较弱的缺点。 变换域水印是将水印信息加载在原始宿主图像的如离散余弦变换( d c t ) 、离散小波变 换( d w t ) 、离散傅里叶变换( d f t ) 等变换域的变换系数上。由于在变换域中，图像的能 量分布较集中且图像像素间有很强的相关性，并且易于和人眼的视觉特性相结合，所以基 于变换域的水印通常都具有较好的鲁棒性，对数据压缩、常用的滤波处理以及噪声等，均 具有一定的抵抗能力。 与空间域水印方法相比，变换域水印具有以下优点：首先，在变换域中嵌入的水印信 息的能量可以散布到空间域的所有位置上，有利于保证水印信息的不可见性：其次，在变 换域，人类视觉的某些特性( 如频率的掩蔽特性) 可以更方便地结合到水印信息的嵌入过 程中：最后，变换域的方法可以与数据压缩标准相兼容，从而抵抗相应的有损图像压缩。 所以，基于变换域的水印是目前最常见的水印类别之一。 ， ( 2 ) 基于水印特性的分类 按水印的特性，可以将数字图像水印分为鲁棒性水印和脆弱性水印两类。 鲁棒性水印主要用于在数字作品中标识版权所有者的信息，它要求所嵌入的水印信息 能够抵抗各种常见的信号处理操作，包括无意或恶意的处理，如有损压缩、滤波、加噪、 几何形变等等。鲁棒性水印在经过各种处理以后，只要载体图像没有被破坏到不可使用的 程度，都应该能够检测出水印信息。本文研究的就是鲁棒性数字图像水印。 7 南京邮电大学坝士研究生学位论义 第二章数字幽像水日j 概述 脆弱性水印主要用于完整性保护和内容认证，与鲁棒性水印的要求相反，脆弱性水印 必须对信号的改动很敏感，人们根据脆弱水印的状态就可以判断数据是否被篡改过。它的 特点是载体数据经过微小的处理以后，所加载的水印信息就会被改变或毁掉。脆弱性水印 通常是用在证明图像的真实性、检测或确定图像内容的改动等方面。 ( 3 ) 基于水印检测的分类 根据水印的检测过程可以分为非盲水印和盲水印两类。 在水印检测时，需要原始宿主图像参与的称为非盲水印： 反之，不需要原始宿主图像参与的称为盲水印。 ( 4 ) 基于水印内容的分类 按照水印信息的内容可以将水印划分为有意义水印和无意义水印两类。 有意义水印是指水印本身是具有特定意义或者是可识别的，如某个有意义的数字图 像。 无意义水印则只对应于一个没有实际意义的序列号。 有意义水印的优势在于，如果由于受到攻击或者其它原因致使提取出的水印信息有所 破损，人们仍然可以通过视觉观察来判断是否含有水印及其信息；但对于无意义水印来说， 如果提取出的水印序列有若干码元错误，那么则只能通过统计决策来确定所检测的图像中 是否含有水印信息。 2 5 、数字图像水印的评价指标 不同的角色和应用对数字水印的特性有不同的要求，因此，有必要研究数字图像水印 系统的评价指标问题。 一般地，数字水印主要用于版权保护、内容认证、版权标记、版权跟踪、拷贝控制、 广播监视等方面，用户既可以根据水印系统的评价结果来判断选用相应的数字水印系统是 否适宜应用，也可以根据应用的具体需求来调整水印系统的相关性能指标，从而使得各个 特性在调整的过程中找到最佳的平衡点。数字水印某个特性的改善，通常是通过牺牲其他 特性的性能而得到的。 本文研究的鲁棒性数字图像水印算法，主要是要在嵌入水印信息后图像的不可见性和 鲁棒性之间找到最佳的平衡，同时尽可能的增加水印信息的嵌入容量。 2 5 1 、不可见性评价 图像的最终接收者是人，所以图像质量的好坏，一方面取决于目标图像与原始图像之 间的差异，差异越小，质量就越好；另一方面则取决于人眼的主观视觉特性，如果目标图 南京邮电火学坝- 上研究生学位论文 第二章敛字幽像水日j 做述 像中出现某些人眼不敏感或者“不在乎”的失真与损伤，那么对于观察者而言，就意味着 图像没有降质。 。 所以，评价一个数字图像水印系统的不可见性可以从主观和客观两个方面来进行。 对嵌入水印信息后图像的不可见性的主观评价是通过观察者自身的感觉给出的，也就 是让观察者根据一些事先规定的评价尺度或者是自己的经验，对测试图像按视觉效果提出 质量判断，并给出质量分数，再对所有观察者给出的分数进行加权平均，所得的结果即为 图像的主观质量评价，这种方法称为平均意见分( m o s ) 法，一般采用的是5 级评分制， 如表2 1 所示。 表2 1 、图像主观质量评价的5 级评分制 级别具体描述 质量很好5 分，感觉不到目标图像与原始图像之间的差异 质量较好4 分，能感觉到目标图像与原始图像之间有差别，但无影响 质量一般3 分，能感觉到目标图像与原始图像之间有差别，但能够容忍 质量较差2 分，目标图像与原始图像相比干扰严重，不能容忍 质量很差1 分，目标图像被严重干扰，根本不清楚，不能接受 主观质量评价是评价图像质量的较准确的方法，但是却往往受到观察者本身的知识背 景、视觉敏感程度、情绪和疲劳程度等因素的影响，不同个体之间存在着差异。因此，要 想从主观上得到一个准确的质量评价结果，是非常麻烦的，需要做大量的观察实验，需要 尽可能多的综合多人的评价结果，所以说，主观质量评价方法存在的主要问题就是可重复 性较差，实用性不足。因此，在实际应用中，通常采用较方便快捷的客观质量评价方法。 客观质量评价方法是以机器为主体对图像质量进行评价的方法，它是对一个系统中输 入和输出的图像信号做处理和分析，从图像中提取一些特征参量作为研究分析的对象，处 理并作比较，是从总体上反映图像间的差别，用获得的数据，如均方误差( m s e ) 、峰值信 噪比( p s n r ) 等作为对图像的客观质量评价标准。 对嵌入水印信息后图像的不可见性的客观评价指标有：峰值信噪比、均方误差、信噪 比、平均绝对差分、拉普拉斯均方误差等，这里，本文主要使用的是峰值信噪比( p s n r ) 来进行客观质量评价。 峰值信噪比( p e a ks i g n a lt on o i s er a t i o ，p s n r ) 的定义为：图像像素之间的峰值 均方误差的对数表示。图像的峰值信噪比在一定程度上反映了图像数据处理前后的变化情 况，其所反映的是图像数据变化情况的统计平均。 对于一幅大小为m * n 个像素的彩色图像来说，嵌入水印信息前的每个像素的第k 个分 9 南京邮电大学坝士研究生学位论文 第二章数字幽像水日j 概述 量( 彩色图像的每个像素由三个分量表示) 的值与嵌入水印信息后的每个像素的第k 个分 量的值分别为： 办( m ，z ) ( 朋= o ，l ，2 ，m l ；n = o ，1 ，2 ，一1 ) ( 2 1 ) g k ( m ，咒) ( 聊= o ，l ，2 ，m l ；，z = o ，l ，2 ，一1 ) ( 2 2 ) 图像的峰值均方误差( p e a km e a ns q u a r ee r r o r ，p m s e ) 为： 1 3 一1 m - i ， 聪辨壶差；丝至q 差q 竺竺竺1 3 彳2 ( 2 3 ) 图像的峰值信噪比( p e a ks i g n a lt on o i s er a t i o ，p s n r ) 为： 觥= 一l o l o g , 0 ( p m s e ) ( 2 4 ) 其中，a 为g k ( m ，z ) ( m = 0 , i 2 ，m 一1 ；n = o ，l ，2 ，- ，n 一1 ) 的最大值。 一般地，嵌入水印信息后图像的峰值信噪比越小，图像的质量降低得就越多。也就是 说，嵌入水印信息后图像的p s n r 值越高，则不可见性越好。 所以，在研究具体的数字图像水印的嵌入算法的不可见性时，应综合考虑其主观评价 指标和客观评价指标，使得嵌入水印信息后的图像不管是从主观上进行评价还是从客观上 进行评价，都具有较好的不可见性，从而真正满足数字图像水印系统的不可见性要求。 2 5 2 、鲁棒性评价 对于本文研究的鲁棒性数字图像水印来说，嵌入水印信息后图像的鲁棒性是最为重要 的指标之一。衡量一个数字图像水印系统的鲁棒性的方法，主要是通过对嵌入水印信息后 的图像进行各种攻击，例如压缩、滤波、加噪、几何变化等等各种数字图像处理操作以后， 再从中按照相应的水印提取算法提取水印信息，并将提取出的水印信息与原始的水印信息 相比较，计算它们的归一化互相关系数n c ，将n c 的值作为衡量一个数字图像水印系统鲁 棒性的客观评价指标。同时，和上文2 5 1 节“不可见性评价”中所述的一样，再加上人 眼对于从经过各种攻击后的图像中提取出的水印信息图像质量的主观视觉感受，将其作为 衡量一个数字图像水印系统鲁棒性的主观评价指标，具体的这里就不赘述了，可以参见上 文2 5 1 节中的相关内容。下面主要进行鲁棒性客观评价指标的介绍。 归一化互相关系数n c 表示提取出的水印信息与原始水印信息的相似程度，其定义为：。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章敛字幽像水日j 概述 l ，。t ，厅 们2 专丁 ( 2 _ 5 ) 其中，甩( f ，) 表示原始水印信息图像各像素的值，肌，以( i ，_ ，) 表示提取出的水印信息 图像各像素的值。n c 值越大，表示提取出的水印信息图像与原始水印信息图像越相似， 也就是表示数字图像水印系统的鲁棒性越好，n c 值最大可达1 ，表示提取出的水印信息图 像与原始水印信息图像完全一致，鲁棒性最好。 由于一个数字图像水印系统的鲁棒性评价是建立在一系列相应的鲁棒性攻击的基础 之上的，那么，接下来就介绍一下常用的数字图像水印鲁棒性攻击的种类。 ( 1 ) 图像压缩 图像压缩算法是指按照一定的压缩比例，通过去除图像信息和彩色数据的冗余量，来 达到压缩图像的目的，从而减少存储容量，有利于信息的保存和传输，常用的有j p e g 有 损图像压缩和j p e g 2 0 0 0 有损图像压缩。数字图像水印系统能否抵抗j p e g 有损图像压缩是 衡量数字图像水印系统鲁棒性的重要指标之一。 ( 2 ) 滤波处理 滤波处理的作用主要是减少消除噪声，改善图像的质量，常见的滤波处理有高斯低通 滤波、均值滤波、中值滤波等。 ( 3 ) 加噪处理 对图像添加噪声相当于对图像进行了退化处理，常见的添加噪声有高斯噪声、椒盐噪 声、乘性噪声等。 ( 4 ) 对比度变化 对图像进行对比度变化主要是为了改善图像的视觉效果，对比度变化包括对比度增强 与对比度减弱等。 ( 5 ) 几何变化 对图像进行几何变化相当于对图像引进几何失真，常见的几何变化包括图像缩放、图 像旋转、图像剪切等。 南京邮电火学硕士研究生学位论义第三章相关理论知识介绍 第三章、相关理论知识介绍 在这一章里，主要介绍的是本文的数字图像水印算法所涉及到的相关理论知识，如对 彩色图像进行的彩色空间变换，对原始宿主图像进行的离散小波变换，以及对水印信息图 像进行的a r n o l d 变换。 3 1 、彩色空间变换 由于在现实生活中，彩色图像的使用要比灰度图像更加广泛和普遍，所以本文研究的 就是针对彩色图像的数字水印技术。 研究彩色图像的数字水印技术，就牵涉到彩色空间模型的变换问题。 最常见的r g b 混合型彩色空间模型是诸如彩色显示器或打印机之类的硬件设备中常 使用的颜色模型。该模型基于笛卡尔坐标系统，三个轴分别对应r ( 红色) 、g ( 绿色) 、b ( 蓝色) ，按三种基色的不同比例来混合表示颜色： c = a r + b g + 衄 ( 3 1 ) 其中，c 为任意彩色，a 、b 、c 为三基色r 、g 、b 的比例权值。 而j p e g 、j p e g 2 0 0 0 等一系列图像标准中对彩色图像的压缩处理采用的都是y c b c r 彩 色空间模型，以使得在压缩时可以充分去除冗余量，所以本文也采用了y c b c r 彩色空间模 型。在y c b c r 彩色空间模型中，亮度信息用单个分量y 来表示，色度信息用两个色差分量 c b 、c r 来表示，三个分量之间相互独立。这就分离了亮度信息和色度信息之间的联系， 从而使得能在不影响图像颜色的情况下处理图像的亮度分量。 由于r g b 彩色空间模型和y c b c r 彩色空间模型之间存在的差异，所以在具体使用一幅 彩色图像进行数字水印处理时，首先要对其进行从r g b 彩色空间模型到y c b c r 彩色空间模 型的变换。 y c b c r 彩色空间模型与r g b 彩色空间模型的转换关系如下： 悖 厂1 6 厂6 5 4 8 1 1 2 8 5 5 3 2 4 9 6 6 r r ili = i12 8l + l 一3 7 7 9 7 7 4 2 0 3 l1 2 0 0 0lig lll0 i 12 8l l 11 2 0 0 09 3 7 8 6 一l8 21 40b ( 3 - 2 ) 3 2 、小波变换 小波分析是近十多年来迅速发展起来的- - f 新技术，是传统傅里叶分析发展史上里程 碑式的进展。它是泛函分析、f o u r i e r 分析、样条分析、调和分析、数值分析等的完美结 合，近年来在信号处理、语音分析、模式识别、数据压缩、图像处理、数字水印、量子物 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章相关理论知识介绍 理等众多专业和领域都得到了广泛的关注和应用。小波分析优于f o u r i e r 分析之处就在于 前者在时域和频域同时具有良好的局部化性质j 且由于对高频成分采用逐渐精细的时域或 空域取样步长，从而可以聚焦到对象的任意细节，小波分析的这一多分辨率分析的特点， 使得它特别适合于对信号奇异性的分析，故被誉为“数学显微镜”。 小波变换( w a v e l e tt r a n s f o r m ) 是1 9 8 4 年法国科学家j m o r l e t 在分析地震波的局 部特性时首先使用了小波变换对信号进行分析并提出了小波这一