（电路与系统专业论文）图像与视频水印技术的研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 摘要 数字水印技术，由于其崭新的应用前景，已经受到学术界和工业界的广泛 关注，成为了信息安全技术的前沿方向。 结合数字水印的应用背景和研究现状，本文重点研究了当前数字图像和视 频水印中的两个重要问题，即如何嵌入鲁棒水印以及高容量的可逆水印，完成 了以下几个方面的工作。 ( 1 ) 为了提高水印的鲁棒性，提出了一种d c 系数与扩频技术相结合的多比 特水印算法。该算法把图像相关的水印信息经g o l d 序列扩频后，嵌入到图像的 d c 系数中，并通过w a t s o n 视觉模型自适应地调整水印的嵌入强度，最后利用 g o l d 序列良好的相关性提取出水印。实验表明，嵌入的水印对常规信号处理攻 击和几何攻击都具有很强的鲁棒性。 ( 2 ) 为了提高水印的嵌入容量，并实现载体图像的可逆恢复，提出了一种小 波系数扩展的高容量可逆数据隐藏方法。该方法利用二维整数小波变换得到图 像中高频子带的冗余，通过l s b 扩展技术，直接把信息隐藏在具有较大冗余度 的小波系数中。利用闽值t 自适应地调整，防止小波逆变换后图像灰度值的溢 出，同时嵌入标志位，使得水印提取时能够区分隐藏信息的位置。最后通过多 层递归嵌入，进一步提高了隐藏的容量。 ( 3 ) 针对数字视频的版权保护，以及内容认证，提出了一种多级视频水印算 法。该算法利用m p e g 4 压缩技术和本文的图像水印技术，在视频编码i - v o p 的d c 系数中嵌入鲁棒水印，在p v o p 的运动矢量中隐藏脆弱的高容量水印。 实验表明，该算法具有较好的鲁棒性和不可见性，而且易于实现。 最后，在研究的基础上，本文完成了一个数字水印演示系统。 关键字：d c 系数，g o l d 序列，整数小波变换，标志位，m p e g 4 压缩技术， 运动矢量 图书分类号：t n 9 1 1 7 3 a b s t r a c t d i g i t a lw a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g i e sh a v ea r o u s e db o a r da t t e n t i o ni na c a d e m ya n d i n d u s t r y , b e c a u s eo f t h e i rb r a n da p p l i c a t i o n s ，a n dh a v eb e e na na d v a n c e dd i r e c t i o no f i n f o r m a t i o ns e c u r i t y f o rt h er e s e a r c hb a c k g r o u n d ，a p p l i c a t i o n so fd i g i t a lw a t e r m a r k i n ga n dt h es t a t e o ft h ea r t ，w em a i n l yf o c u s e do u rr e s e a r c ho nt h ed i g i t a l i m a g ea n dv i d e o w a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m t h i st h e s i si sc o n c e m e dw i t ht w oi m p o r t a n tp r o b l e m si n i n v i s i b l ew a t e r m a r k i n g ，h o wt oe m b e dr o b u s tw a t e r m a r k sa n dh o wt oh i d er e v e r s i b l e w a t e r m a r k s ，s o m ew o r k sh a v e b e e nc o m p l e t e da sf o l l o w s ( 1 ) i no r d e rt oi m p r o v er o b u s t n e s s ，am u l t i b i ti m a g ew a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m w a sp r o p o s e d ，w h i c hc o m b i n e ds p r e a d s p e c t r u mt e c h n i q u ew i t hd cc o e f f i c i e n t s i n t h i s a l g o r i t h m ，i m a g er e l a t e dw a t e r m a r k sw e r es p r e a d e dw i t hg o l ds e q u e n c e s ，a n d e m b e d d e di n t od cc o e f f i c i e n t s ，m e i ri n t e n s i t yw a sc o n t r o l l e d b yw a t s o nv i s u a l m o d e l f i n a l l y , t h ef a v o r a b l er e l a t i v i t yo fg o l ds e q u e n c e sw a su s e dt or e c o v e r w a t e r m a r k s e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ee m b e d d e dw a t e r m a r k sc a nb e r o b u s ta g a i n s tg e n e r a li m a g ep r o c e s s i n ga n dg e o m e t r i c a la t t a c k s ( 2 ) i no r d e rt oi n c r e a s ep a y l o a da n dr e a l i z er e v e r s i b l er e c o v e r yo fc o v e ri m a g e ，a h i g hc a p a c i t y , r e v e r s i b l ed a t ah i d i n gm e t h o du s i n gw a v e l e tc o e f f i c i e n t se x p a n s i o n w a sp r o p o s e d t h em e t h o du s e d2 di n t e g e rw a v e l e tt r a n s f o r m st og a i nr e d u n d a n c y f r o mh i g h f r e q u e n c ys u b b a n d so fi m a g e ，a n dd i r e c t l yh i d e dw a t e r m a r k si nw a v e l e t c o e f f i c i e n t sb yl s be x p a n s i o n at h r e s h o l dtw a sa d j u s t e da d a p t i v e l yt op r e v e n t g r a y s c a l ef r o mo v e r u n d e r f l o w , a n df l a gb i t sw e r ee m b e d d e dt oe n a b l ed e c o d e r i d e n t i f yt h e h i d d e n l o c a t i o n f i n a l l y , m u l t i l e v e le m b e d d i n gm e t h o dw a su s e d r e c u r s i v e l yt oa c h i e v eh i g h e rp a y l o a d ( 3 ) f o rt h ec o p y r i g h tp r o t e c t i o na n da u t h e n t i c a t i o no fd i g i t a lv i d e o ，ap y r a m i d v i d e o w a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m w a s p r o p o s e d ，w h i c ha d o p t e dm p e g 一4s p c o m p r e s s i o nt e c h n i q u ea n di m a g ew a t e r m a r k i n gm e t h o d t h ea l g o r i t h me m b e d d e d r o b u s tw a t e r m a r k si n t od cc o e f f i c i e n t so fi - v o pa n dh i d e df r a g i l ew a t e r m a r k si n m o t i o nv e c t o r so fp - v o p e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ea l g o r i t h mh a sg o o d p e r f o r m a n c eo nr o b u s t n e s s ，i n v i s i b i l i t ya n di m p l e m e n t a t i o n f i n a l l y , w ed e s i g n e dad i g i t a lw a t e r m a r k i n gs y s t e m k e y w o r d s ：d cc o e f f i c i e n t s ，g o l ds e q u e n c e s ，i n t e g e rw a v e l e tt r a n s f o r m s ，f l a gb i t s ， m p e g 一4c o m p r e s s i o nt e c h n i q u e ，m o t i o nv e c t o r s 2 第一章绪论 1 1 数字水印的研究意义 第一章绪论 伴随着信息产业的飞速发展和信息商品化意识的深入人，1 1 , ，数字化信息产 品正面临着严峻的挑战一一非法侵权盗版和恶意篡改。今天无论是独特创意的 数字化艺术作品，还是巨额投资而成的数字电影视盘，现代盗版者仅需轻点几 下鼠标就可获得与原版完全一样的复制品，并以此谋取暴利。而一些具有特殊 意义的信息，如涉及司法诉讼、政府机要等，则会遭到攻击和篡改伪造。这一 系列数字化技术本身带来的负面效应，已经成为信息产业持续健康发展的一大 障碍叽 现有的版权保护系统多采用密码认证技术【”，但仅采用密码并不能完全解决 版权保护问题，因为密码只能够在数据从发送端到接收端的传输过程中进行加 密保护，而当数据被接收并进行解密后，所有加密的文档就与普通文档一样， 将不再受到保护，无法幸免于盗版。为了解决这一难题，近几年国际上提出了 一一种新的数字产品版权保护的方法一一数字水印技术d , 4 1 ，这种技术利用人类视 觉系统( h v s ) 和人类听觉系统( h a s ) 的特性，用信号处理的方法在数字化的多 媒体数据中嵌入隐藏的标记，这种标记通常是不可见的，只有用专门的检测器 或阅读器才能提取。因此，一旦多媒体数据嵌入了水印信息，它将一直受到保 护，产品所有者可以在需要的时候提取出水印数据，作为控告未受权非法盗版 者的证据。 数字水印是一个涉及多个领域、涵盖多种技术的研究课题，它横跨生理学、 信息论、密码学、数字通信、多媒体技术等多个学科领域。信息论为数字水印 技术提供了更具一般性的分析方法，使用信息论可以从理论上分析水印算法的 性能极限，以及在某种给定的水印攻击方法下，找出能使水印系统的总体容量 达到最大的水印嵌入和检测策略1 5 0 】。密码学和数字水印技术相互渗透，在一个 全面的信息安全系统中，应该使密码技术与水印技术协同工作。数字通信在处 理过程、系统构成方面与数字水印非常的相似，因此可以将数字水印看作成一 个带有附加信息的通信问题进行设计、描述和衡量，许多用于提高通信质量的 方法，如扩频通信原理，信道估计理论、纠错编码技术、信号相关检测理论等， 同样可以应用到水印系统中，以提高水印的鲁棒性和检测的准确性】。多媒体 压缩技术中使用的感知模型为水印信号的嵌入强度提供了理论支持，而数字水 印本身作为一种冗余信息又促进了压缩技术新特性的开发【9 , 1 0 。总之，数字水印 第一章绪论 技术中融合了多种学科的知识，加强了不同研究领域之间的交流，促进了学科 的发展，已经成为了信息安全前沿中一个新颖且具有广泛应用前景的研究熟点。 1 2 数字水印的性能要求 面对不同应用背景的数字水印技术在算法性能上既有着共同的属性，又表 现出不同的特点。本节先总结图像水印性能的一些共性，然后讨论视频水印的 特点，以及不同应用背景对水印的性能要求。 1 2 1 图像水印的一般要求 1 ) 鲁棒性( r o b u s t n e s s ) 水印的鲁棒性是指在经历多种无意或有意的图像处 理过程后，数字水印仍能够保持其完整性或仍能够被准确的检测。鲁棒性测试主 要包括数字水印对数据同步的依赖程度、抗各种线性和非线性滤波的能力，以及 抵抗图像几何变换和其它攻击的能力。对于鲁棒性的测试，水印嵌入者可以根据 应用环境的需要以及水印嵌入的方法选择不同的攻击方式。对于图像水印来说， 已经存在很多公开可获得的软件测试工具和平台，用以对嵌入水印的图像进行各 种攻击或者进行水印系统的鲁棒性检测，比较著名的是s t i r m a r k 软件j ；而对于 视频水印，还没有公开的标准测试软件，研究者大都是针对自己的水印算法，选 择相应的攻击形式。 2 ) 不可见性( i n v i s i b i l i t y ，t r a n s p a r e n c y ，i m p e r c e p t i b i l i t y ) 隐藏的水印不应该 影响原始图像的使用价值，因为数字产品的最终消费者是人类的感知系统，所以 水印的嵌入应不易被人察觉。对水印不可见性的测试可分为主观测试和客观测试 两种。主观测试采用一定数量的没有经过训练的旁观者，根据他们是否能够区分 出未嵌入水印和已嵌入水印的图像来进行评判的测试。客观测试则使用差别失真 评测准则来评价嵌入水印所引起的原始图像的扭曲程度。常用的差别失真评测准 则是峰值信噪k l ( p s n r ) ，单位为分贝( d b ) 。 3 ) 容量( c a p a c i t y ) 水印的容量是指水印经过编码后得到的信息量，它可以 根据用户的不同需要进行调整，即不同的鲁棒性要求对水印的嵌入容量高低也 不相同。例如用于版权保护的数字水印系统只需要嵌入一个比特即可满足要求， 而用于数字产品发布和跟踪的数字水印系统则因为要对每一份拷贝嵌入不同的 信息，所以需要嵌入多比特的水印。数据隐藏的某些应用中则需要更高的隐藏 容量，以保证通信的完整性。 对于某一特定的水印算法，水印容量、鲁棒性、以及不可见性三者是相互 矛盾的。增加任何一个的性能，其余两者都会有不同程度的下降。 1 2 2 视频水印的特殊要求 视频水印除了要满足图像水印的一般性要求之外，还要具有盲检测性、实时 处理性以及与视频编码结合的特点【1 2 】。 ( 1 1 盲检测性 视频序列本身具有较大的数据量，存储和传输视频数据时会占用较大的磁盘 和带宽，因此，视频水印算法在实际应用时应该具有盲检测的能力，即检测水印 或提取水印过程中，不需要原始视频序列，只使用嵌入水印的视频数据和其他的 附加信息，如密钥等。 ( 2 ) 实时处理性 实际应用中要求视频水印的嵌入和提取应该具有较低复杂度，能够实时地嵌 入、提取或检测水印。然而不同的应用有不同的要求，如果水印是用于视频监控， 每个接收端都必须提取水印，则水印提取的复杂度应该较低。如果为不同的接收 者在大量的分布视频序列上嵌入身份标识，而水印只是在出现版权冲突时才进行 提取，那么考虑到对水印所有可能的攻击，水印提取的算法应该较为复杂，同时 水印嵌入的复杂度应该降低。 ( 3 ) 与视频编码结合 视频数据由于其较大的数据量，在存储、传输中通常要先对其进行压缩编码。 如果在压缩视频流中嵌入水印，很显然要与视频压缩编码标准相结合；如果是在 原始视频中嵌入水印，由于水印嵌入是利用视频的冗余数据来携带信息，而视频 压缩编码则需要去除视频中的冗余成分，如果不考虑视频压缩编码标准而盲目的 嵌入水印，则水印很可能在编码过程中完全或大部分丢失。 1 2 3 不同应用背景下的性能要求 不同的应用背景对于数字水印的性能有着不同的要求。例如应用于版权保护 的水印需要具有较高的鲁棒性；而在内容认证应用中，要求水印具有良好的易损 性，鲁棒性则不需要太强；高容量隐蔽通信领域对水印嵌入容量要求最大，而对 鲁棒性要求也最低。 表1 2 1 给出了水印在不同的应用背景下各种性能指标之间的比较关系。从中 可以看出，水印的鲁棒性、不可见性和嵌入容量三者之间是不能同时得到很好的 满足，一个具体的水印算法应该根据应用的需要，在这三个性能指标之间进行综 合考虑。 第一章绪论 表1 - 2 一l ：数字水印在不同应用背景下的性能要求 主要应用领域版权保护内容认证高容量隐蔽通信 应用于该领域的水印类型鲁棒水印脆弱水印数据隐藏 抵抗攻击的能力蓄意攻击强 中 弱 ( 鲁棒性) 非线性攻击 强 较弱弱 几何攻击强较弱弱 嵌入容量小较大大 不可见性好好较好 1 3 数字水印的研究现状 1 3 1 水印的发展 19 5 4 年m u z a c 公司的e m i lh e m b r o o k e 发表了一份专利，题目是“i d e n t i f i c a t i o n o fs o u n da n d l i k es i g n a l s ”，它描述了一种嵌入方法可以把一种标识信息毫无察觉 的隐藏在音乐中，用于产品所有者身份的证明。e m i l 认为他们的发明提供了一 种辨认音乐作品发布者的有效方法，可以防止盗版，就像钞票中的水印一样【l3 1 。 这是水印第一次作为一种隐藏方法被提出，但直到1 9 9 0 年以后，数字水印技术 爿得到了迅速的发展，并得到了广泛的应用。 现在，每年i e e e 、s p i e 等国际重要期刊上都发表了大量数字水印的文章， 而且许多知名企业( 立n m i c r o s o f l 、i b m 、p h i l i p s 、s o n y 等公司) 和研究机构也都 投入人力、物力进行研究和开发。他们不但有大量的理论文章发表，而且一些 公司已经给出自己的水印嵌入产品，女n p i c t u r e m a r c 、r e a d m a r c 、s y s c o p 、s u r e s i g n 等，同时也有s f i r m a r k 、u n z i g n 等水印测试工具的问世。 我国对数字水印技术的反应也非常迅速，已经有相当一批有实力的科研机 构和公司投入到这一领域的研究中。其中最为知名的是北京华旗数码影像技术 研究院，他们开发的数字水印技术在国内率先应用于新华社的新华社多媒体 数据库图片版权保护和中国图片总社的中国图片总汇图片版权保护中， 而且还研制了世界上第一款数字水印数码相机，可以在相机拍出的照片存储到 存储卡之前嵌入水印信息，确保最初捕获到的图像内容的真实性【l “。 1 3 2 图像和视频水印算法 目前数字水印的研究工作主要集中在三个方面：水印基础理论的研究、水 印新算法的研究以及水印标准化和实用化的研究，本文的工作属于水印新算法 第一章绪论 的研究范畴，在这个领域中，国内外研究者都是在分析和总结现有水印算法的 基础上，结合其它学科的知识来设计面向不同应用环境的水印算法，本节仅就 本文涉及到的水印算法进行分类和总结。 ( 1 ) 鲁棒的图像水印算法 鲁棒性是水印的一个重要性能指标。c o x 等人 16 】为了提高水印的鲁棒性，把 通信中的扩频技术应用到了水印当中，通过扩频调制使得水印的能量可以分散 到大量的d c t 系数中。而且他们认为水印信息应该被嵌入到对感知重要的系数 中，因为这些重要的系数在图像处理过程中会保持较好的稳定性，不易发生改 变。p o d i l c h u k 等人i i7 j 在c o x 的基础上利用h v s 的感知模型决定图像中重要系数 的位置，自适应地嵌入了水印，对于不同种类的图像，他们的方法嵌入的水印 比特数也不相同。图像中平坦和边缘区域嵌入的比特数较少，而纹理复杂区域 适合嵌入较多的信息。h u a n g 等人 1g 把水印信息直接嵌入到了图像的d c 系数 中，他们认为d c 系数l k a c 系数具有更大的感知容量，而且常规的图像处理对 d c 系数的改变很小。m a s o u d a l g h 0 1 1 i e m y 等人为了增加水印抵抗几何攻击的 鲁棒性，利用图像几何矩设计了不变性水印。因为图像的矩不变量在仿射变换 中保持不变，水印嵌入在这些特征信息中可以有效的抵抗几何扭曲。 ( 2 ) 可逆数据隐藏算法 近年来，数据隐藏领域又出现了一个新的分支一一可逆数据隐藏，引起了 许多研究者的兴趣，它的特点在于提取出水印信息之后，还能够完全恢复原始 的载体数据。在法律，医学和军事图像系统中，可逆数据隐藏有着广泛的应用 前景，它不仅可以在载体中隐藏大量的信息，而且接收者在提取出水印信息后， 仍能够完全无损的恢复出原始载体，以备重新利用，或者作为法庭上的证据【2 0 。 最近几年，各种可逆数据隐藏的算法被相继提出。c e l i k 等人【2 i 】对原始图像进行 量化，获得其残差，再用c a l i c 无损图像压缩算法对残差进行压缩，并把被压 缩的残差和所要嵌入的信息进行合并，通过g l s b 调整的方法嵌入到图像里。这 种算法的不足是嵌入容量较低，特别是对于一些纹理较丰富的图像，隐藏能力 比较差。g u o r o n gx u a n 等人1 22 j 对整数小波变换后的高频系数的位平面进行了无 损的压缩，得到嵌入信息的空间，并利用直方图调整技术保证小波逆变换后图 像灰度值不会溢出，但却降低了嵌入信息后图像的视觉质量。j u n t i a n 2 3 】利用一 维可逆整数变换d e ，得到原始图像中像素对的差值，再通过l s b 扩展的方式嵌 入信息。这种方法的一次性嵌入率比较低，只能达到0 5 b p p ( b i t p e r p i x e l ) ，而且 在多次重复嵌入时，图像的视觉质量下降的比较快。a d n a n m a l a t t a r ”】推广了 t i a n 的算法，提出了g d e 变换，用象素向量代替了象素对，增加了图像隐藏信 息的能力，提高了算法性能。他把g d e 方法应用到了彩色图像里，获得了较好 第一章绪论 的效果。 ( 3 ) 视频水印算法 当前文献中的视频水印算法主要可以分为两大类：非压缩域的视频水印 和压缩域的视频水印。 在非压缩域的视频水印算法中，原始视频序列被看作成一个连续独立的图像 组，各种成熟的图像水印技术直接应用于视频序列当中。h a r t u n g 等【2 5 】借鉴扩频 通信的基本思想，提出了在未压缩视频序列中嵌入水印的算法。他将视频信号看 作成一个一维信号，水印信息经过扩频调制后，变成一个伪随机序列。采用加法 将该伪随机序列嵌入到视频信号上。检测时，计算水印嵌入时的伪随机序列和嵌 入了水印的视频信号( 可能受到攻击) 之间相关值的大小。这种方法是对图像扩频 水印算法的推广。p i k w a h c h a n 等 2 6 1 提出了一种新的基于场景的视频水印算法， 该方法也是直接对未压缩的视频序列做d w t 变换，然后利用小波系数的大小关 系嵌入不同场景的水印信息。这两种方法都把视频序列看成了连续图像组，并没 有考虑各帧之间时间上的相关性。 近几年，越来越多的研究者把视频数据看成是具有一定压缩格式的视频文 件，女n a v i 、r m v b 、w m v 等，这些文件都是国际流行的压缩编码标准产生的， 例女h m p e g 2 、m p e g 4 、v c l 、 l 2 6 4 ，a v c 等。以压缩格式存储和传输视频数据， 有利于节省存储空间和带宽资源，因此，更多的视频水印算法，直接把信息嵌入 到压缩后的视频流中。h a n u n g 等人 2 7 利用扩频思想在m p e g 2 压缩视频流中嵌入 水印。他们对m p e g 2 视频流进行部分解码，得到每一帧图像的d c t 系数，然后 选择其中不会增加视频比特率的系数进行修改。用这种方法得到的视频码率在 4 - 1 2 m b s 之间，适用于d v d 平i i 数字电视广播技术。a d n a nm a l a t t a r 等人【28 j 提出 了一种鲁棒的低比特率视频水印算法，他们把水印信号嵌入到m p e g 一4 a s p ( a d v a n c e ds i m p l ep r o f i l e ) 压缩后的视频流中。水印信号由原始消息信号和一 个同步模板组成，经直接序列扩频调制后，嵌入n i 帧和p 帧的a c 系数中，嵌入 强度由全局增益因子和局部增益因子控制，同时还利用漂移补偿( d r i f t c o m p e n s a t i o n ) 和比特率控锖l j ( b i t r a t ec o n t r 0 1 ) 算法，进一步减小水印对原始视频 流的影响。该方法最后的视频比特率小于7 8 4 k b s 。j o r d a n 等1 2 9 j 通过修改m p e g 4 编码流的运动矢量来隐藏信息，该方法使用一定的嵌入规则，选择运动矢量的不 同分量，在运动估计的搜索范围内修改运动矢量的大小。m a u r ob a m i 等人口o 】利 用m p e g 4 基于对象压缩的特点，通过随机选择的宏块中d c t 系数对之间的关系， 在每个视频对象中嵌入水印。g a n g q i u 等人1 3 l 】提出了另一种h 2 6 4 a v c 视频流上 的等级视频水印算法，他们在每个i 帧的a c 系数中嵌入1b i t 鲁棒水印，在每个p 帧的运动矢量上嵌入1b i t 的易损水印，所提出的水印框架既能用于版权保护，又 _ 8 第一章绪论 能用于内容认证。 本文所涉及到的水印算法为不可见的图像和视频鲁棒水印，以及可逆的图像 数据隐藏，嵌入域为频率域。 1 3 3 存在的问题及解决方案 本文研究的水印技术属于水印新算法设计的范畴，通过比较、分析、总结现 有算法中存在的问题，提出新的解决方案。 ( 1 ) 针对当前大部分扩频水印算法中，仅仅嵌入和检测1 比特水印的问题，本 文对多比特的扩频水印技术进行了研究。利用每个扩频码调制1b i t 的水印信息， 嵌入到图像中具有较高感知容量的地方；同时，水印信息的产生不使用伪随机的 方法，而是根据图像的内容自适应生成，可以有效的提高水印鲁棒性。 ( 2 ) 在已有的可逆数据隐藏算法d e 羊i g d e 中，只利用一维擦数变换提取一个 区域内( 象素对或象素向量) 的冗余，而没有考虑不同区域之间的相关性。针对这 一问题，本文使用二维整数小波变换开发整幅图像中，不同行、列象素间的冗余 成分，增加了信息隐藏点，进一步提高了水印的嵌入容量。并通过嵌入标志位和 自适应调整阈值，保证了原始图像的可逆恢复，同时防止了小波逆变换后图像灰 度值的溢出。 ( 3 ) 现有的视频水印算法中，基于扩频技术的算法和基于运动矢量的算法， 都不能很好的满足水印鲁棒性和嵌入容量之间的平衡。针对这一问题，本文结合 当前国际流行的视频压缩标准，对低比特率下的多级视频水印技术进行了研究， 解决了同时在压缩域嵌入鲁棒的多比特水印和高容量脆弱水印的问题，实现了版 权保护和内容认证的统一。 1 4 主要工作 本文的主要工作如下： ( 1 ) 提出了一种多比特水印算法。该算法把图像相关的水印信息嵌入至i j d c 系数中，通过w a t s o n 视觉模型自适应地调整嵌入强度，在保证水印不可见性的 同时，提高了水印的鲁棒性。另外，为了实现水印的盲检测，用g o l d 序列对水 印信息进行扩频；检测时，通过g o l d 序列良好的相关性恢复出水印。应用所提 出的算法，我们把二进制的水印嵌入n 5 1 2 x 5 1 2 的各种灰度图像中，实验结果表 明，嵌入的水印对常规信号处理攻击和几何攻击都具有很强的鲁棒性。 ( 2 ) 提出了一种高容量可逆数据隐藏算法。该算法利用二维整数小波变换得 到图像中高频子带的冗余，通过l s b 扩展的方式，直接把信息隐藏在具有较大 冗余度的小波系数中。通过阈值r 的自适应调整，防止小波逆变换时灰度值的 第一章绪论 溢出；同时嵌入标志位，使得水印提取时能够区分隐藏信息的位置。另外，为 了进一步提高隐藏容量，我们对图像进行了多层递归嵌入。与前人的d e 、g d e 和g l s b 的方法进行了比较，仿真实验表明，所提出的方法在保持较好图像质量 的同时，能够隐藏更多的信息。 ( 3 ) 提出了一种多级视频水印算法。该算法利用m p e g 一4s i m p l ep r o f i l e 压 缩技术，并结合我们提出的图像水印方法，在编码i v o p 的d c 系数中嵌入鲁棒 水印，在p v o p 的运动矢量中隐藏高容量的脆弱水印。其中我们设计了三种 i - v o p 中d c 系数的修改方案：1 ) 修改宏块中亮度块逆量化后的d c 系数，2 ) 利 用整数小波变换修改宏块中亮度块的d c 系数平均值，3 ) 修改宏块中亮度块的 d c 预测残差值。实验结果表明，嵌入的水印既能抵抗常规的视频攻击，又具有 较好的不可见性。 ( 4 ) 在图像和视频水印研究工作的基础上，本文用c + + 语言设计了一个数字 水印演示系统，供迸一步的研究学习之用。 1 5 论文的安排 本文结构安排如下： 第二章，介绍鲁棒的图像水印算法。主要叙述了本文提出的基于图像d c 系数的多比特水印算法。 第三章，给出一种可逆数据隐藏方法，通过实验与前人提出的d e 、g d e 和g l s b 方法进行了比较，证明了其具有更好的隐藏能力。 第四章，叙述m p e g 一4s p 压缩域上的多级视频水印方法。主要是利用 m p e g 4 压缩技术和我们提出的图像水印技术，实现了视频版权保护和内容认 证的统一。 第五章，介绍本文完成的数字水印演示系统。 第六章，对研究生工作的总结和对未来工作的展望。 第二章基于d c 系数的多比特水印 2 1 概述 第二章基于d c 系数的多比特水印 在数字水印的应用中，从水印检测的目的角度划分，水印可以分为两大类： 单比特水印和多比特水印。单比特水印在水印的检测阶段，只需要判断水印存 在与否，即检测器输出1 或者0 t 1 6 09 1 。而多比特水印，需要在水印检测阶段把 嵌入的信息重新恢复出来1 3 2 , 3 3 。在以前的大部分扩频水印算法中，多使用单比 特水印。而现在由于应用的需要，希望能够在检测时提取出一些标记信息，用 来证明产品或者作品的所有权。所以多比特水印具有更广的应用前景。 本章在文献 1 7 1 和 1 8 的基础上提出了一种新的多比特水印算法。该算法把 图像相关的水印信息经g o l dj - y n 扩频后嵌入到图像的d c 系数中，并通过 w a t s o n 视觉模型自适应地调整水印的嵌入强度。在水印的检测阶段，不需要原 始图像，用g o l d 序列良好的相关性恢复出水印信息。实验结果表明，所提出的 算法具有很强的鲁棒性。 本章安排如下：第二节介绍视觉模型，第三节讨论g o l d 码扩频技术，第四 节描述我们的水印算法，最后给出实验结果和结论。 2 2 视觉模型 2 2 1 视觉模型的引入 在j p e g 和m p e g 压缩技术中，离散余弦变换( d c t ) 是一个重要组成部分。 例如在j p e g 标准中，要先对图像的每个8 8 块做d c t 变换，然后对变换后 的系数进行量化，最后做熵编码。而每个系数量化值的大小，是由一个量化矩 阵( q m ) 决定的，但在压缩标准中，并没有对q m 进行具体的定义，需要用户自 己设计。 q m 设计的原则是以压缩后的图像在特定的网络带宽或比特率下能否达到 最优的视觉质量为标准，它取决于各个d c t 频率点上量化误差的可见性。因此 很多研究者引入了视觉模型的概念，指导q m 的设计。p e t e r s o n 等人 3 4 提出了 一种在一定视觉距离和平均亮度条件下测量d c t 基函数闽值幅度的方法。 a h u m a d a 等1 35 】通过对其他亮度和视觉距离的比较，把这种方法总结成了一个视 觉模型。在这个模型中，图像的q m 可以被计算出来，以确保所有量化误差都 在闽值以下，不易被人察觉。但是这个模型所计算的q m 是与图像本身无关的 第二章基于d c 系数的多比特水印 ( i m a g e i n d e p e n d e n t p e r c e p t u a la p p r o a c h ) ，即对于不同的图像背景和纹理，q m 是 固定的。所以w a t s o n 3 6 i 提出了另一种可以自适应地计算图像特征的视觉模型， 更有效的减小了量化对图像质量的影响。 虽然视觉模型的提出是应用于图像压缩领域中，但是数字水印技术也可以 使用它来满足不可见性和鲁棒性的要求。因为水印本身相对于载体来说就相当 于是一种量化误差，如何降低量化误差对原始载体的影响，如何在不可见性的 范围内，保证水印的嵌入强度，正是视觉模型的设计目的。 2 2 2w a t s o n 视觉模型 本章的方法是利用w a t s o n 视觉模型来计算每个d c t 系数的j n d ( j u s t n o t i c e a b l ed i f f e r e n c e ) 闽值。j n d 闽值是用来衡量两个不同激励之间差异的基本 单位。对于图像的d c t 系数来说，如果它的改变在一个d - n d 之内，那么这种 变化将不易被人发现，而且一个d c t 系数的d n d 闽值越大，那么它所具有的 感知容量也越大。w a t s o n 模型是一个较精确的视觉模型，它综合考虑了频率敏 感度，亮度掩蔽和对比度掩蔽这三种人类视觉系统( h u m a nv i s u a ls y s t e m ) 的特 性。 频率敏感度描述了人对各个频率段正弦波的敏感程度。w a t s o n 模型中通过 实验定义了一个频率敏感度表，如表2 - 2 1 所示。表中每个元素“f ，】表示在不 存在任何掩蔽噪声的情况下，可被察觉的d c t 系数的最小幅度，这个值越小说 明人对该频率点越敏感。这张敏感度表是一些参数的函数，包括图像的分辨率， 观察者与图像之间的距离等。 表2 - 2 1 ：w a t s o n 模型中的8 x 8 块d c t 系数的频率敏感度值 1 41 0 l1 1 61 6 62 43 4 34 7 96 5 6 1 0 114 51 3 21 5 222 7 13 6 74 9 3 1 1 61 3 22 2 42 5 92 9 83 6 44 65 8 8 1 6 6 15 22 5 93 7 745 55 _ 36 2 87 6 2 422 9 84 5 56 1 57 4 68 7 ll o 1 7 3 4 32 7 l3 6 45 37 4 69 6 21 1 5 813 5 l 4 7 93 6 74 66 2 88 7 11 1 5 81 4 51 7 2 9 6 5 64 9 35 8 87 61 0 1 71 3 5 11 7 2 92 1 1 5 亮度掩蔽衡量的是在固定亮度背景下噪声的检测闽值，对于人类视觉系统 来说，它是一个非线性的函数，取决于图像自身的特点。在w a t s o n 模型中，通 过图像的d c 系数值对f ，力进行调整，得到亮度掩蔽阈值t 。 f ，k 】，如式2 2 一l 所示。其中f ，是块内索引，k 是块间索引，口，为一常数，实验中取值为0 6 4 9 ， 第二章基于d c 系数的多比特水印 g o ，0 ，】为原图中第k 块的d c 系数，c 0 。为原图中d c 系数的平均值。 f 。 f ，j ， = f f ，门f 娑塑) - ( 2 - 2 1 ) l 00 对比度掩蔽是指一个信号在另一个信号存在的情况下能够被检测到的闽 值，当两个信号具有相同的空间频率、方向和位置时，对比度的掩蔽效应晟强。 w a t s o n 模型中仅考虑了8 8 块内d c t 系数的掩蔽效应，并没有考虑块间的影 响。计算的公式为2 2 2 ，其中指数w f ，】是一个介于0 到1 之间的常数，当 w f ，j 】_ 0 时，没有掩蔽效应出现，阈值为常量t l i ，j ，k 】；当w i ，j _ 1 时，阈值 在对数或者百分比的意义上为常量，因为c o f ，j ，k 】 q i ，k 】，这也就是w e b e r 法则所描述的现象：j n d 阈值的变化正比于原始的激励值，即d c t 系数值越 大，对比度掩蔽阈值也越大。w a t s o n 模型中选取经验值w f ，】= 0 7 。 s f ，j j 】_ m a x t 【f ，后 ，l c o f ，k l l 巾卅t l f ，u ，后】1 叫”1 ) ( 2 2 2 ) 表2 2 2 是我们用w a t s o n 模型得到的5 1 2 x5 1 2 b a b o o n 图像中一个8 8 块 的对比度掩蔽阂值“，- ，k 】，从中可以看出最左上角d c 系数的j n d 值最大，说 明它具有很大的感知容量，而且常规的图像处理对d c 系数的改变较小，所以 在这里嵌入信息具有很好的鲁棒性。 表2 2 2 ：b a b o o n 图像中一个8 x 8 块的瓜r d 掩蔽闽值 8 9 6 51 3 0 7 62 2 9 3 71 0 1 0 86 7 3 1 55 2 618 18 35 0 1 5 5 1 5 3 9 41 8 5 6 82 4 9 4 94 7 1 9 87 9 0 9 62 0 7 21 1 9 4 l7 4 3 6 5 9 9 5 1 57 ，0 1 9 4 1 35 8 2 2 5 _ 3 8 713 3 3 56 9 5 8 73 5 1 77 8 3 5 2 l o 5 9 82 2 6 4 33 2 9 4 l2 8 8 2 41 7 5 9 41 0 7 5 52 3 1 2 29 ，2 0 9 7 1 0 0 6 53 1 8 9 31 1 8 5 27 3 1 1 32 3 8 6 55 7 0 3 666 5 9 37 7 7 5 5 5 8 2 5 91 3 3 l1 8 0 3 51 3 7 7 91 8 2 9 77 3 5 58 _ 8 5 3 61 0 3 2 9 6 8 4 0 11 6 6 7 71 5 1 54 8 0 1 41 3 9 11 6 4 81 1 0 8 61 6 3 9 7 3 2 6 3 7 6 9 3 1 8 4 4 55 8 1 0 67 7 7 5 5 2 4 6 4 51 3 2 1 91 7 2 9 8 2 3g o l d 码扩频技术 数字水印系统与数字通信系统在处理过程、系统构成方面均非常相似，因 此可以将数字水印看作成一个带有附加信息的通信问题进行设计、描述和衡量， 数字通信的理论和方法也可以有效的应用于数字水印的嵌入和检测过程中。无 线通信中的扩频技术，具有保密性好、抗干扰能力强、抗噪音等优点o7 1 ，水印 第二章基于d c 系数的多比特水印 系统可以利用扩频来提高抵抗攻击的能力，而扩频系统的诸多优良特性都与扩 频码的设计密切相关，因此具有良好伪随机特性和相关特性的扩频序列对于扩 频技术的应用十分重要。 g o l d 码的产生是以m 序列为基础。m 序列是由 级二进制线性反馈移位寄 存器产生的伪随机序列，周期为n = 2 ”一1 ，其元素由1 和0 构成，具有优良的平 衡性和自相关性。周期为的州序列的自相关值为： f 1 ，f = o 胄( 7 ) 2 一1 川o ( 2 - 3 - 1 ) 由于m 序列旁瓣值很小，当很大时旁瓣接近于0 ，自相关值呈现尖峰状，因 此能可靠的检测和恢复水印信号。 但是由m 序列组成的互相关性好的优选序列集很少，限制了其在码分多址 通信中的应用。而g o l d 码是由两个码长相等、码时钟速率相同的m 序列优选对 做模2 和构成，其中优选对是指m 序列中相关值为 一1 ，一f ( n ) ，f ( h ) 一2 的一对序 列， ，胛为奇数 t ( n ) = ：( 。1 2 n 为偶数( 2 - 3 2 ) l 每改变两个m 序列的相对位移就可得到一个新的g o l d 码，因此产生的序列集的 数量远远大于m 序列。g o l d 码保留了m 序列的优良特性，其自相关值与川序列 近似，而且序列之间的相关值不会超过原m 序列问互相关的最大绝对值t ( n ) ， 因此可以得到比m 序列更多的独立码组。这使得g o l d 码在多址技术中得到了广 泛的应用，同样我们可以利用其良好的特性，对隐藏信息进行扩频调制，实现