（计算机软件与理论专业论文）数字水印在jpeg2000中的应用研究.pdf

电子科技大学硕士学位论文：数字水印在j p e g 2 0 0 0 中的应用研究 摘要 随着多媒体技术和网络技术的发展，人们可以通过网络方便地传播和 交流数字图像产品，但是由于数字产品复制不会引起质量下降，因此大量 出现的盗版现象严重地损害了著作者的利益，数字产品市场迫切需要加强 版权保护的手段。数字水印技术作为数字产品版权保护的有效手段，已成 为多媒体安全研究的热点。另一方面，j p e g 2 0 0 0 是i s o 推荐的新一代静止 图像压缩标准，由于其感兴趣区域编码，渐进传输等优越性能，有着广阔 的应用前景。水印算法经过多年的发展也正在走向实用阶段，但与特定图 像编解码系统相结合的水印方案还很少。本文把水印算法与j p e g 2 0 0 0 的编 解码系统相结合作为研究目标，设计并实现了水印方案，所做的工作具体 如下： 首先介绍了数字水印的基本原理、讨论了现有水印算法的优缺点及其 适用场合，然后分析了j p e g 2 0 0 0 的编解码系统，提出了基于j p e g 2 0 0 0 编解 码系统数字水印的基本要求，考虑j p e g 2 0 0 0 编码参数对水印的影响，充分 利用j p e g 2 0 0 0 编解码系统提供的小波变换，e b c o t 技术，设计了基于位嵌 入的水印方案，并妥善解决了水印嵌入参数到解码端的传递问题，该方案 算法简单，易于实现，对j p e g 2 0 0 0 编解码系统的影响小，具有相对独立性。 最后实现了水印方案的验证平台，对设计的水印方案作了验证，试验表明 基于位嵌入水印方案有自己独特的优点，能够抵御常见的攻击，具有不错 的鲁棒性。 关键字：数字水印j p e g 2 0 0 0 小波变换e b c o t a b s 甘a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm u l t i m e d i aa n dn e t w o r k t e c h n o l o g y ，w ec a nc o n v e n i e n t l y t r a n s m i td i g i t a lm e d i a p r o d u c t sv i an e t w o r k s h o w e v e r ，s i n c ec o p i e so fd i g i t a lp r o d u c t s d on o t b r i n gl o wq u a l i t y ，al a r g ea m o u n to fp i r a c yc o m eo u tt og r e a t l yd a m a g et h e a u t h o r s p r o f i t s a na p p r o a c ho fc o p y r i g h tp r o t e c t i o n i ss tr o n g l yn e e d e di nm a l k e to f d i g i t a lp r o d u c t sb e i n g a sa l le f f e c t i v e w a y o f p r o t e c t i n g c o p y r i g h t ，t h ed i g i t a l w a t e r m a l k i n g b e c o m e sh o ti nt h ea r e ao fm u l t i m e d i a s e c u r i t y o nt h e o t h e rh a n d ， j p e g 2 0 0 0 ，t h en e wg e n e r a t i o no fs t a n d a r di ns t i i ii m a g ec o m p r e s s i o nr e c o m m e n d e db y i s o ，h a si t sw i d ea p p l i c a t i o nh o r i z o nb e c a u s eo fi t sh i g hp e r f o r m a n c e a f t e ry e a r so f d e v e l o p m e n t t h ew a t e r m a r k i n ga l g m 。i t h l n i s g o i n gt op r a c t i c a la p p l i c a t i o ns t a g eb u t t h e r ei sf e ww a t e r m a r k i n gs c h e m et h a tc o m b i n e dw i t hs p e c i f i ci m a g ec o d ；n g d e c o d i n g s y s t e m t h e r e s e a r c h 0 b j e c t o ft h i st h e s i si st om a k ea c o m b i n a t i o nb e t w e e n w a t e r m a r k i n ga l g o r i t h ma n dj p e g 2 0 0 0e n c o d i n g d e c o d i n gs y s t e m ，d e s i g na n dr e a l i z e t h ew a t e r m a r k i n gs c h e m e ，o fw h i c ht h ed e t a i lw o r ki ss h o w nb e l o w ： f i r s t ，a ni n t r o d u c t i o no fd i g i t a lw a t e r m a r k i n g sb a s i ct h e o r yi sg i v e n ，t h e nt h e a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s o fc u r r e n t w a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m s a sw e l la st h e i r a p p l i c a t i o n f i e l d sw i i ib ed i s c u s s e d ，ab i t e m b e db a s e d w a t e r m a r k i n gs c h e m e i s d e s i g n e db a s e do nf u l lc o n s i d e r a t i o no ft h ec h a r a c t e ro fj p e g 2 0 0 0e n c o d i n g d e c o d i n g s y s t e ma n d i t s r e q u i s i t et ow a t e r m a r k i n g t h i se a s i l ya p p l i e ds c h e m ec a ns o l v et h e t r a n s m i tp r o b l e mf r o mw a t e r m a r k i n ge m b e d d i n gp a r a m e t e r st od e c o d i n gs i d ep r o p e r l y ， i na d d i t i o n ，i th a st h ec h a r a c t e ro fc o m p a r a b l yi n d e p e n d e n c yt h a th a sl i t t l ee f f e c tw i t h t h ej p e g 2 0 0 0e n c o d i n g d e c o d i n gs y s t e m a tl a s t ，t h et e s tb e di sr e a l i z e dt ot e s tt h e e f f e c t i v e n e s so ft h es c h e m e e x p e r i m e n t si n d i c a t et h a tb i t e m b e db a s e dw a t e r m a r k i n g s c h e m eh a si t so w na d v a n t a g e sa n dg o o dr o b u s t n e s s k e yw o r d s ：d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ，j p e g 2 0 0 0 ，w a v e l e tt r a n s f o r m ，e b c o t 1 l 独创性声明 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 为获得电子科技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。 。烨，只匆b 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、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。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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应遵守此规定) 签名：蔑复导师签名：趔 日期：。呷年i 、一月1 曰 电了科技人学硕士学位论文：数0 水印枉j p e g 2 0 0 0 中的应用研究 1 1 概述 第一章绪论 随着数字技术和互联网的迅猛发展，数字多媒体信息的交流正呈爆炸 式的增长，数字多媒体信息( 图象、文本、音频、视频) 的存储、复制与传 播变得非常方便。人们不仅可以通过互联网方便快捷地获得多媒体信息， 而且可以得到与原始媒体信息完全相同的复制品，由此引发的盗版和版权 纠纷已成为日益严重的社会问题。据美国唱片行业协会估计，全世界每年 因盗版而造成的经济损失高达5 0 亿美元；美国电影行业协会则估计，盗版 使美国电影业的年收入减少了2 5 亿美元。因此，如何既充分利用互联网的 便利，又有效保护多媒体内容的版权已成为亟待解决的问题。 数字水印( d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ) 是实现未来版权保护的主要技术方法 之一，如今已成为多媒体信息安全研究领域的一个热点，也是信息隐藏技 术研究领域的重要分支。该技术在宿主信息中嵌入秘密信息一水印 ( w a t e r m a r k i n g ) ，被嵌入的水印信息可以是一段文字、标识、序列号、图像 等，而且这种水印通常是可见的或不可见的，水印嵌入是基于宿主信息的 内容( 如图像、音频、视频数据) 设计嵌入算法的，水印信息成为宿主信息 难以分离的一部分，并可以经历一些常见的操作或修改，宿主信息的使用 价值或商用价值不会被改变，水印信息也可以被检测或提取。数字水印技 术的研究虽然不长，但其软件产业己经有相当的规模。作为数据安全领域 中的新生事物，它具有很高的技术含量和很强的生命力，同时也孕育着广 阔的市场和巨大的商机。目前，数字水印的主要应用领域有以下几个方面： 版权保护：数字作品的所有者用密钥产生一个水印，并将其嵌入原始 数据，然后公开发布他的水印版本作品。当该作品被盗版或出现版权 纠纷时，所有者从盗版作品或水印作品中获取水印信号作为依据，从 而保护所有者的权益。 印刷防伪：目前市场上使用的防伪技术，在商品流通过程中仍存在着 许多弊端，如技术独占性和惟一性差；易伪造和泄露核心技术；只能 满足于产品的真假鉴别功能：将防伪识别的正常费用转嫁给了消费者。 而基于数字水印的印刷防伪技术与传统的印刷防伪技术不同，它彻底 第一章绪论 更新了印刷防伪的传统观念，并在印刷防伪中具有独特的性质。 篡改提示：当数字作品被用于法庭、医学、新闻及商业时，常需确定 它们的内容是否被修改、伪造或特殊处理过。为实现该目的，通常可 将原始图象分成多个独立块，再将每个块加入不同的水印。同时可通 过检测每个数据块中的水印信号，来确定作品的完整性。与其他水印 不同的是，这类水印必须是脆弱的，并且检测水印信号时，不需要原 始数据。 保密通信：可以把需要传递的秘密信息嵌入可以公开的图像中，由于 嵌入秘密信息的图像在主观视觉上并未发生变化，觉察到秘密信息的 存在的概率非常小。从这个意义上讲，传输秘密信息的信道也是秘密 的，这将有效地减少遭受攻击的可能性。同时，由于信息的嵌入方法 是秘密的。如果在此基础上结合密码学的方法，即使攻击者知道秘密 信息的存在，要提取和破译陔信息也非易事。这一点在军事上具有重 大意义。 数字水印的应用与水印载体息息相关，实际应用的数字水印可以对不 同的载体作不同的设计。j p e g 2 0 0 0 是新一代的静止图像标准，与j p e g 具 有根本性不同，放弃了j p e g 所采用的以离散余弦变换算法为主的区块编 码方式，而改用以离散小波变换算法为主的多解析编码方式，采用当前最 新的嵌入式编码技术，在获得优于目前j p e g 标准压缩效果的同时生成的 码流有较强的功能，可应用于多个领域。主要优势有以下几个方面： 低码率下的高压缩特性：传统的j p e g 标准在中，高比特率时，其图像 质量比较理想。但是在低于o 2 5 b i t s 的速率时，使用j p e g 压缩的图像 质量就不能接受，存在显著的方块效应。j p e g 2 0 0 0 则能有效地解决这 个问题，这对于有限的带宽资源来说是很有现实的应用价值。 同时支持有损和无损压缩：j p e g 2 0 0 0 在压缩图像时，使用l e g a l l ( 5 ，3 ) 小波滤波器和d a u b e c h i e s ( 9 ，7 ) 小波滤波器。l e g a l l ( 5 ，3 1 小波滤波器使用 整数到整数的变换实现无损压缩，这对于那些需要精确保存原始图像 的细节信息的图像( 诸如医疗图像和建筑图像类的图像) 压缩和显示 是必不可少和必须的；d a u b e c h i e s ( 9 ，7 ) 小波滤波器使用实数到实数的变 换实现有损压缩，适用于那些不需要高精度的保存原始图像的细节信 息的图像( 诸如印刷、扫描等类的图像) 。 包了科技大学碳j 学位论文：数字水印在i p e g 2 0 0 0 中的应用硎究 渐进传输：传统的图像在网络中传输显示时是逐行显示的，而经 j p e g 2 0 0 0 压缩的图像文件在网络中传输时，在客户端显示的模式为： 首先显示图像的轮廓，然后逐步显示图像的细节信息，即图像的显示 是一个由不清楚到清楚，逐渐显示的过程。给客户在浏览互联网上的 图片时，带来了很大的便利，当从图像的轮廓发现不感兴趣时，客户 就可以终止图像的传输，从而节约带宽，节省等待时间。 感兴趣区域的定义：j p e g 2 0 0 0 允许用户在浏览图像时，定义自己感兴 趣的区域，对该区域进行优先传输和高精度的显示。也就是说，这个 特性使得用户在浏览j p e g 2 0 0 0 格式的图像时，可以先点击鼠标右键， 就会弹出一个菜单，选中“定义感兴趣区域”后，用户可以在出现的图像 中，定义一个自己感兴趣的区域，要求此区域被优先传输和高精度显 不o 允许j = j 户对码流进行随机访问和处理：j p e g 2 0 0 0 允许用户在不对图像 进行解压的前提下，对图像的某些局部进行旋转、剪切、滤波等处理。 提供对图像内容的描述：j p e g 2 0 0 0 在对图像的码流传输时，提供额外 的关于图像内容的描述信息，通过这个特性，就可以方便建立关于图 像内容的数据库检索，从而使得图像检索在互联网搜索中成为可能。 另一方面，这个特性对于一个很大容量的图像数据库的维护和检索来 说，也是必不可少的。 对图像进行版权保护：j p e g 2 0 0 0 允许在图像中通过加密、水印等方法， 加入图像的版权信息。这对于现在互联网中普遍存在的盗版现象具有 现实的应用价值。通过加密和水印的方法，图像的使用者只有在授权 时才能浏览该版权图像。 容错性：在码流中提供容错性有时是必要的，例如在无线等传输误码 很高的通信信道中传输图像时，没有容错性是让人不能接受的。 开放的框架结构：为了在不同的图像类型和应用领域优化编码系统， 提供一个开放的框架结构是必须的，在这种丌放的结构中编码器只实 现核心的工具算法和码流的解析，如果需要解码器可以要求数据源发 送未知的工具算法。 由于上述的优越性，j p e g 2 0 0 0 无论是在传统的j p e g 市场( 如数码相 机、扫描仪等) 还是在新兴应用领域( 如网路传输、无线通讯、医疗影像 等) 都将大有用武之地。 第一章绪论 本课题就是鉴于j p e g 2 0 0 0 未来广阔的应用前景，研究数字水印在 j p e g 2 0 0 0 中的应用，主要目的是实现数字图像作品的版权保护。 1 2 主要工作 围绕数字水印在j p e g 2 0 0 0 中的应用研究这个课题内容，本文作 者在毕业论文阶段主要作了以下工作： 对j p e g 2 0 0 0 标准和编解码器进行讨论和分析； 对现有的主要数字水印算法进行讨论和分析： 设计实现数字水印方案； 对实现的数字水印方案进行攻击测试，并对水印方案作出评价。 1 。3 本文组织 本文共分六章。 第一章为绪论，介绍数字水印的应用领域和j p e g 2 0 0 0 的优越性、论 文的选题依据、主要工作和本文的组织结构。 第二章讨论数字水印技术，主要介绍数字水印技术的基本原理，数字 水印算法等内容。 第三章介绍j p e g 2 0 0 0 的编解码系统。 第四章给出一个具体的水印方案设计。 第五章给出水印攻击测试结果并对水印方案作出评价。 第六章进行全文总结和展望。 电子科技大学碗上学位论义：数字水e 在j p e g 2 0 0 0 中的应用研究 第二章数字水印技术 2 1 数字水印的研究现状 数字水印作为信息隐藏的一个部分，其相关研究很多。而数字水印研 究的论述最早见于t i r k e l 等人在1 9 9 3 年发表的“e l e c t r o n i cw a t e r m a r k ”。 在i c i p 9 4 会议上他们又发表了题为“a d i g i t a lw a t e r m a r k ”的文章，这是 第一篇在主要会议上发表的关于数字水印的文章。文中阐明了一些关于水 印的重要概念和鲁棒水印检测的通用方法一相关性检测方法，当时他们已 经意识到数字水印的重要性，并且提出了可能的应用，包括图像标记、增 强版权保护、防止伪造及控制图像数据存取等。这篇文章被认为是一篇具 有历史价值的文献。此外t i r k e l 还是第一个认识到可以将扩频技术应用到 数字水印中的人，他提出可以使用扩频技术向静止图像中添加水印。1 9 9 6 年c o x 等人提出了将水印嵌入视频和音频信号感知上最重要的频域因子中 的水印方案，该方案基于扩频通信的思想，已经成为数字水印技术中一个 经典方案。同年，p i t a s 等人提出一种名为p a t c h w o r k 的水印方案，利用统 计信息在没有原始数据的条件下成功提取出水印，该方案成为公开水印方 案的典型代表，此后有很多研究人员在这一方案基础上进行了攻击和改进 算法的研究。 9 0 年代以来，数字水印的研究受到了更多专家学者的关注。1 9 9 6 年 在英国剑桥牛顿研究所召开了第一届信息隐藏学术研讨会，这标志着一门 新兴的交叉学科一信息隐藏学的正式诞生。而在1 9 9 9 年召开的第三届信息 隐藏会议上3 3 篇论文中有18 篇论述水印技术，因此会议主席a n d r e a s p f i t z m a n n ，建议，可以将此次会议称为“抗一般有损压缩的水印研讨会”。 同年1 2 月，由s t e f a nk a t z e n b e i s s e r 和f a b i e na p p e t i t c o l a s 等人撰写的阐 述信息隐藏技术及数字水印的第一本书“i n f o r m a t i o nh i d i n gt e c h n i q u e sf o r s t e g a n o g r a p h ya n dd i g i t a lw a t e r m a r k i n g ”面世。1 9 9 8 年的国际图像处理大 会上，还开辟了两个关于数字水印的专题讨论。国际光学工程学会( s p i e ) 从1 9 9 9 年起，每年召开一次多媒体信息安全与数字水印大会，其会议的论 文主要是关于数字水印技术方面的文章。9 0 年代期间出现的信息隐藏和数 字水印的文献数量以几何级数递增，从1 9 9 2 年的2 篇迅速发展到19 9 8 年 的l0 3 篇，数字水印已经成为国际学术界研究的热点方向之一。国内在信 息隐藏方面的研究起步稍晚，但也引起了信息安全领域研究人员的普遍关 第二章数字水印技术 注，于1 9 9 9 年1 2 月召开了第一届信息隐藏学术研讨会。数字水印的研究 人员也于2 0 0 0 年1 月召开了国内第一届数字水印技术研讨会，此次会议由 国家“8 6 3 计划”智能计算机系统专家组主办、模式识别国家重点实验室 等单位承办，建立了数字水印研究主页和邮件列表，对国内信息隐藏研究 工作者的交流起到了很好的促进作用。 经过2 0 多年的研究，水印技术得到了飞速的发展，剑桥大学、i b m 研究中心、n e c 美国研究所、麻省理工学院以及m i c r o s o f t ，a t & t ，p h i l i p s 等公司都对水印做了广泛、大量而又深入的研究。国内的清华大学、北京 大学、北京邮电大学、中科院自动化所、北方工业大学、浙江大学、国防 工业大学等也都开展了深入的研究。随着对水印理论和技术的研究深入化， 产业界对水印应用的重视也在不断提高。i b m 在其数字图书馆f d i g i t a l l i b r a r y ) 研究计划中采用了可见水印技术，该计划的研究成果己为美国国会 图书馆等著名图书馆所采用。n e c 公司则研究如何把水印技术应用于d v d 系统的拷贝保护机制中。与此同时，一些公司己逐步推出了有关水印技术 的商用软件系统，这些程序通常被用作浏览器插件和流行的图像编辑程序 如a d o b ep h o t o s h o p 。雨水印技术的标准化工作也开始受到重视。i b m s o n y ，h i t a c h i ， n e c 和p i o n e e r 等五家大公司在1 9 9 9 年2 月联合宣布了 一个保护数字视频和数字电影的水印标准协议，标志着水印标准化已逐步 迈向正轨。 2 ，2 数字水印的基本原理 数字水印的基本原理是将某些标识数据作为水印信息嵌入到载体数 据中，并且保证水印信息在载体数据中不可感知和足够安全。其中，载体 数据可以是任何一种数字媒体，如图像、声音、视频或一般性的电子文档 等。数字水印是嵌在数字产品中的数字信号，可由多种形式的数据构成， 可以是随机数字序列、数字标识、文本、图像、音频、视频和动画模型等， 也可以是其它类型的数据，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。从鲁棒 性和安全性考虑，常常需要对水印进行随机化以及加密处理。 数字水印技术是将特定的信息嵌入隐藏到被保护的信息中，以及从被 保护的信息中提取或检测出特定信息的过程，所以，所有数字水印技术都 包含嵌入水印和提取或检测水印两个过程。下面介绍通用意义下的数字水 印嵌入和提取算法。 电子科技大学硕士学位论文：数字水印在j p e g 2 0 0 0 中的应用研究 首先来看水印的嵌入过程，所谓水印嵌入过程就是水印的制造者使用 秘密或公开的水印密钥，运用数字水印算法，将水印嵌入到需要被保护的 载体信息中，形成含水印的信息。 从图像处理的角度看，嵌入水印可以视为在强背景( 原始图像) 下迭加 一个弱信号( 水印信号) ，由于人的视觉系统分辨率受到一定的限制，只要 迭加信号的幅度低于对比度门限，就无法感觉到信号的存在，对比度门限 受视觉系统的空间、时间和频率特性的影响。因此，通过对原始图像做一 定的调整，有可能在不改变视觉效果的情况下嵌入一些信息。 另一方面，从数字通信的角度来看，水印嵌入过程可理解为在一个宽 带信道( 原始图像) 上用扩频通信技术传输一个宽带信号( 水印信号) ，尽管水 印信号具有一定能量，但分布到信道中任一频率上的能量是难以检测的， 水印提取过程则是一个有嗓信道中弱信号的检测问题。 设为水印信号，芷为密钥，那么处理后的水印由函数e 定义如下： 矿= e ( w ，足) ( 2 一1 ) 如果水印所有者不希望水印被其他人知道，那么函数e 应该是单向的、 非可逆的、非对称的，同时还可以结合一定的加密算法，如经典的d e s ( d a t a e n c r y p t i o ns t a n d a r d ，数据加密标准) 和r s a ( 公钥密码算法) 加密算法等。 这是将水印技术与加密算法结合起来的一个通用方法，目的是为了提高水 印的可靠性、安全性和通用性。密钥可用来加强安全性，以避免未授权方 恢复和修改水印。所有的实用系统至少使用一个密钥，有的甚至是几个密 钥的组合。 在水印的嵌入过程中，设有编码函数，原始图像，和水印旷，那么 嵌入水印后的图像1 可表示如下： ，。f ( i ，旷) ( 2 2 ) 图2 1 描述了一个简单的水印嵌入过程，该系统的输入是原始图像、 水印信号和一个可选的密钥( 公钥或私钥) 。 水印信号( w ) 原始图像( 1 ) 密钥( k ) 图2 - 1 通用数字水印嵌入方法 嵌入水印后 的图像( 1 。) 第二章数字水印技术 只有单纯的水印嵌入的过程不是一个完整的数字水印处理过程，水印 提取或检测是水印算法中另一个重要的步骤。只有从嵌入水印信号后的图 像中提取出预期的水印信号才能最终达到保护版权、保护完整性的目的。 水印提取和检测方法如图2 2 所示，水印提取或检测者使用秘密或公开的 水印密钥，运用数字水印提取检测算法，从含有水印的检测数据中提取水 印检测该信息中是否含有水印。该系统的输入是嵌入水印后图像、密钥以 及原始图像或原始水印信号( 取决于添加水印的方法) ，输出的是水印信号 或者某种可信度的值，水印信号有着明确的含义，可信度的值没有明确的 含义，它只表明了所考察数据中存在给定水印的可能陛。 原始水印( w ) 原始图像( i ) 嵌入水印后 的图像( i ) 密钥( k ) 印信息( w ) 戡 可信度 图2 - 2 通用数字水印提取和检测方法 如果已知原始图像，和有版权疑问的图像r ，那么水印提取过程可以 用式2 3 和式2 - 4 表示： w = ，( ，。)( 2 - 3 ) 其中矿为提取出的水印，f 1 为解码函数，输出的可以是一个判定水印 存在与否的0 1 决策，也可以是包含各种信息的数据流，如文本、图像等。 对提取出的水印信号，根据一定的相关检测函数，可以判定是否存在 水印。式2 4 指示了相关检测函数的一般形式。 c ( 唧忑班 豢嚣在 ( 2 - t ) 其中为原始水印信号，k 为密码，占为决策阈值，这些参数的选择 与否要根据检测方法的不同来取舍。这种形式的检测函数是创建有效水印 框架的一种最简便方法，如假设检验或水印相似性检验。 在水印提取检测过程中，有可能需要原始图像或者原始水印信号的参 与也可能不需要，如图中虚线所示，这由所采用的水印提取检测算法决 定。在对水印图像提取水印信号以前，还需要先对嵌入水印图像进行必要 的预处理。 电了科技大学硕十学位论文：数字水日j 在j p e g 2 0 0 0 中的应用研究 2 3 数字水印的特性 不可见性：水印技术的首要条件就是嵌入了水印的图像与未嵌入水印 之前的图像在视觉上是没有差别的，因此水印的不可见性又称为水印 的不可察觉性或者透明性。要求水印嵌入图像后仍能满足人们感观上 的需求，因此嵌入的水印不能影响原始图像的质量，否则就会降低图 像的观赏价值和商业价值。 鲁棒性：添加了水印的图像在传播过程中必然会受到各种有意或者无 意的操作处理。这些操作主要有两类：信号处理操作包括a i d ，d a 转 换、重采样、重量化、滤波、平滑、有损压缩等常用的信号处理方法； 几何处理操作包括旋转、平移、缩放及分割等操作。因此数字水印一 旦嵌入之后必须难以( 最好是不可能) 被除去，在经历了各种操作处理和 恶意的攻击后仍然能够被检测或提取出来，并且，如果只知道部分数 字水印信息就试图恶意毁或者去除水印，就会使得整幅图像的质量严 重下降而不可用，彻底破坏了图像的使用价值。增加水印嵌入强度可 以明显的提高水印的鲁棒性，然而同时它也会明显的降低水印的不可 见性。 安全性：指只有被授权方可以正确的解码出被嵌入的信息，并且要求 正确的加密方法。为了增强水印的抗攻击性，一般将水印技术与密钥 机制联合应用。方法通常包括两种：其一，选取水印的嵌入位置时利用 密钥选择，这样可以抑制恶意攻击，由于攻击者无法得知含有水印的 位置参数，只能通过破坏大多数位置上的系数来破坏水印，然而以这 种方式破坏水印的同时也对宿主图像的质量产生了很大的影响，甚至 于使其失去使用价值。其二，在水印嵌入的预处理阶段，即水印生成 中保证水印的安全性。另外需要注意的是水印信息是隐藏在图像之中 的，而不是隐藏在头文件中，因此文件格式的转换并不会丢失或者破 坏水印信息。 水印容量：容量问题是数字水印技术需要解决的基本问题之一。从信 息理论的角度而言，水印容量是指能够被可靠传输的消息比特数。因 此水印的容量问题可以归结为每个像素所隐藏的比特数和嵌入强度。 显而易见，水印的容量必然与原始图像的尺寸密切相关。尺寸较大的 图像即能够隐藏较多的水印信息。而对于一幅固定尺寸的图像，如何 嵌入较多的信息量是研究学者在水印算法研究和改进中必须考虑的问 第二章数字水印技术 题。 2 4 数字水印的分类 数字水印可以从不同的角度进行划分。 按特性划分：可以将数字水印分为鲁棒数字水印和脆弱数字水印两类。 鲁棒数字水印主要用于在数字作品中标识著作权信息，如作者、作品 序号等，它要求嵌入的水印能够经受各种常用的编辑处理；脆弱数字 水印主要用于完整性保护，与鲁棒水印的要求相反，脆弱水印必须对 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。 按水印载体划分：可以将数字水印划分为图像水印、音频水印、视频 水印、文本水印以及用于三维网格模型的网格水印等。随着数字技术 的发展，会有更多种类的数字媒体出现，同时也会产生相应的水印技 术。 按检测过程划分：可以将数字水印划分为明文水印和盲水印。明文水 印在检测过程中需要原始数据，而盲水印的检测只需要密钥，不需要 原始数据。一般来说，明文水印的鲁棒性比较强，但其应用受到存储 成本的限制。目前学术界研究的数字水印大多数是盲水印。 按内容划分：可以将水印划分为有意义水印和无意义水印。有意义水 印是指水印本身也是某个数字图像( 如商标图像) 或数字音频片段的 编码；无意义水印则只对应于一个序列号。有意义水印的优势在于， 如果由于受到攻击或其他原因致使解码后的水印破损，人们仍然可以 通过视觉观察确认是否有水印。但对于无意义水印来说，如果解码后 的水印序列有若干码元错误，则只能通过统计决策来确定信号中是否 含有水印。 按用途划分：可以将数字水印划分为票据防伪水印、版权保护水印、 篡改提示水印和隐蔽标识水印。票据防伪水印是一类比较特殊的水印， 主要用于打印票据和电子票据的防伪。一般来说，伪币的制造者不可 能对票据图像进行过多的修改，所以诸如尺度变换等信号编辑操作是 不用考虑的，但必须考虑票据破损、图案模糊等情形，而且考虑到快 速检测的要求，用于票据防伪的数字水印算法不能太复杂。版权标识 水印是目前研究最多的一类数字水印。数字作品既是商品又是知识作 品，这种双重性决定了版权标识水印主要强调隐蔽性和鲁棒性，而水 j 乜予科技人学坝i 学位论史：数字水日j 在j p e g 2 0 0 0 中的应用 l 究 印容量的要求相对较小。篡改提示水印是一种脆弱水印，其目的是标 识宿主信号的完整性和真实性。隐蔽标识水印的目的是将保密数据的 重要标注隐藏起来，限制非法用户对保密数据的使用。 按水印隐藏位置划分：可以将数字水印划分为时( 空) 域数字水印、频域 数字水印、时频域数字水印和时间尺度域数字水印。时( 空) 域数字水 印是真按在信号空间上叠加水印信息，而频域数字水印、时频域数字 水印和时间尺度域数字水印则分别是在d c t 变换域、时频变换域和 小波变换域上隐藏水印。 2 5 数字水印算法 目前的水印算法是在扩频通信( s p r e a ds p e c t r u mc o m l n u n i c a t i o n ) 、数据 隐臧、人类视觉系统h v s ( h u m a n v is u ms y s t e m ) 模型、密码以及图像和模 式识别等理论的基础上发展起来的。水印算法的研究主要集中在水印嵌入 位置的选取和嵌入算法的设计上。根据水印嵌入位置分类主要有以下三类 流行算法。 空间域方法：基于图像空间域的方法，是通过修改图像象素值的最低 有效位( 最不重要的像素位) 来实现的，一般称作l s b ( 1 e a s ts i g n i f i c a n t b i t ) 方法。由于该算法是通过调整原始数据的最低几位来隐藏信息，使 一般用户对于隐藏信息在视觉上很难察觉。但因其算法基本原理的限 制，隐藏的数字水印信息是极为脆弱的，算法的鲁棒性差，无法经受 一些有损的信号处理，水印信息很容易被滤波、图像量化、几何变形 的操作破坏。为了提高这种水印方案的鲁棒性，出现了一系列改进的 方法，如将视觉系统的照度掩蔽性、纹理掩蔽特性引入水印机制中； 将扩频水印机制与h v s 的概念结合起来，以达到鲁棒性与不可见性较 好的折衷；基于拼凑法而提出的一些数字水印方法也具有一定的鲁棒 性，能够经受j p e g 压缩，采样等处理。基于统计的数字水印嵌入方案 和纹理块映射编码方法则是空间域水印技术的典型设计，以p a t c h w o r k 算法为例，该算法随机选择对像素点( 口，6 ，) ，然后将每个日，点的亮度 值加l ，每个b ，点的亮度值减l ，这样整个图像的平均亮度保持不变。 该算法具有不可见性，并且对于有损压缩编码( j p e g ) j 1 1 一些恶意攻击 处理，对于滤波，压缩和扭转等操作具有抵抗能力。基于空间域的水 印方案，在图像经过几何变换或剪切后，仍能恢复水印，在追求简捷 高效，但安全性要求不高的应用场合，空间域的方法得到了广泛的应 第二章数字水印技术 用，众多人员致力于此类算法的研究与改进。 变换域算法：该类算法中，大部分水印算法采用了扩展频谱通信技术。 算法的实现过程为：先计算图像的离散余弦变换( d c t ) ，然后将水印叠 加到d c t 域中幅值最大的前k 系数上( 不包括直流分量) ，通常为图像 的低频分量。若d c t 系数的前k 个最大分量表示为d = d ，) ，i = 1 k ， 水印是服从高斯分布的随机实数序列w = m ，= 1 彤，那么水印的嵌 入算法为d ，= d ，( 1 + o p w ，) ，其中常数d 为尺度因子，控制水印的添加强度。 然后用新的系数做反变换得到水印图像。该方法即使在水印图像经过 一些常用的几何变形和信号处理操作而产生比较明显的变形后仍然能 够提取出一个可信赖的水印。个简单改进是不将水印嵌入到d c t 域 的低频分量上，而是嵌入到中频分量上以调节水印的鲁棒性与不可见 性之1 6 j 的矛盾。陔类算法的隐藏和提取信息操作复杂，隐藏信息量不 能很大，但抗攻击能力强，很适合于数字作品版权保护t 的数字水印技 术中。空间域算法有一定的鲁棒性，经过有损压缩、滤波、扫描等图 像处理操作后水印仍然存在，而变换域的方法具有较好的安全性与不 可见性，其算法具有较强抗信号处理和恶意攻击的能力。基于扩频通 信技术的频率域数字水印嵌入策略则是频率域水印技术的经典之作， 该算法旨在兼顾水印信号的不可见性和鲁棒性，其贡献在于提出水印 嵌入到图像信息感知重要的部分，达到提高水印鲁棒性的目的。该技 术可以抗击有损压缩编码和其它一些可能引起失真的信号处理过程。 近年出现了多种基于不同变换域的方法，如离散余弦变换( d c t ) 、傅氏 变换f d f t ) 以及小波变换( d w t ) 等。小波因具有良好的时频分解特性， 广泛应用于图像处理和数字水印中，由于小波变换成为新一代静止图 像压缩标准，使众多学者研究其在图像嵌入数字水印过程中的应用。 但用d f t 域的方法实现的水印方案很难保证嵌入水印后的图像剪切后 还能可靠地恢复水印，对于d c t 域和小波变换域也存在同样的问题， 所以结合空间域和变换域两者特性的图像自适应水印算法则是水印技 术中最有前景的研究方面。 压缩域算法：基于j p e g 、m p e o 标准的压缩域数字水印系统不仅节省 了大量的完全解码和重新编码过程，而且在数字电视广播及 v o d ( v i d e oo nd e m a n d l 中有很大的实用价值。相应地，水印检测与提 取也可直接在压缩域数据中进行。下面介绍一种针对m p e g 一2 压缩视 频数据流的数字水印方案。虽然m p e g 一2 数据流语法允许把用户数据 屯子科技人学颂士学位论文：数字水印在i p e g 2 0 0 0 中的应用研究 加到数据流中，但是这种方案并不适合数字水印技术，因为用户数据 可以简单地从数据流中去掉，同时，在m p e g 2 编码视频数据流中增 加用户数据会加大位率，使之不适于固定带宽的应用，所以关键是如 何把水印信号加到数据信号中，即加入到表示视频帧的数据流中。对 于输入的m p e g 2 数据流而言，它可分为数据头信息、运动向量( 用于 运动补偿) 和d c t 编码信号块三部分，在方案中只有m p e g 2 数据流最 后一部分数据被改变，其原理是：首先对d c t 编码数据块中每一输入 的h u f f m a n 码进行解码和逆量化，以得到当前数据块的一个d c t 系数； 其次，把相应水印信号块的变换系数与之相加，从而得到水印叠加的 d c t 系数，再重新进行量化和h u f f m a n 编码，最后对新的h u f f m a n 码 字的位数啊与原来的无水印系数的码字位数进行比较，只在玛不大于 , v t 。的时候，刊能传输水印码字，否则传输原码字，这就保证了不增加 视频数据流位率。该方法有一个问题值得考虑，即水印信号的引入是 种引起降质的误差信号，而基于运动补偿的编码方案会将。个误差 扩散和累积起来，为解决此问题，该算法采取了漂移补偿的方案来抵 消因水印信号的引入所引起的视觉变形。 2 6 数字水印攻击 抗攻击能力是水印算法的一个重要方面，一个实用的水印算法应该对 常用图像处理、几何变形以及恶意攻击等具有鲁棒性。从理论上讲，只要 具有足够的水印知识，任何水印都可以去除。但是如果只能得到部分信息， 那么破坏水印将导致图像质量的严重下降。因此为了防止数字水印被攻击 者破坏，保持其有效性，研究数字水印技术的攻击方法具有较强的实用意 义。目前，水印攻击的种类十分繁多，可以大致分为四类：擦除攻击、几何 攻击、密码攻击和协议攻击。 擦除攻击：擦除攻击的主要目的是在没有破坏水印算法保密性的前提 下f 即在没有水印加密密钥的前提下) ，从加水印图像中完全移除水印信 息，所谓完全移除就是没有办法可以从被攻击的图像中恢复水印信息。 方法包括：去噪、量化、压缩、再调制等。并不是所有的这些方法总 是能够完全地擦除水印信息，但可以或多或少地破坏水印信息。传统 的擦除攻击在保持受攻击图像质量足够高的前提f ，企图利用加噪或 量化等方法来尽最大可能地破坏已经加入的水印信息。 几何攻击：相对于擦除攻击而亩，几何攻击并不是真正自己去擦除水 第二章数字水印技术 印信息，而是在空间上改变水印图像数据。这种攻击方法往往会破坏 水印检测器的同步特性，使得水印嵌入和水印检测位置发生偏离，这 样即使水印存在也无法检测到。简单的几何攻击一般可用仿射变换来 表示，如平移、旋转、缩放、剪切等。除仿射变换外，常见的几何攻 击手段还有：去处某些行、列或点，裁减，插值，抖动等。目前用的最 多的两种攻击工具是s t i r m a r k 和u n z i g n ，s t i r m a r k 除了可以对图像作 全局几何变换外，还引入了局部的扭曲，到目前为止，还没有一种水 印算法可以抵抗它的攻击；u n z i g n 引入图像的局部像素抖动，这种攻 击方法对于空域水印的攻击非常有效。 密码攻击：密码攻击有些类似于密码学上的密码破译，但又具有其自 身的特性。密码攻击目的在于：破坏水印方案中的秘密算法并且由此 发现去除己嵌入水印信息或嵌入令人误解的水印信息的方法。穷举搜 索方法，它利用水印算法中用作产生水印信号的密钥长度，当密钥长 度不够长的时候，可以利用穷举搜索来找到正确的密钥，从而破坏水 印；统计平均攻击，它利用不同的密钥及所对应的不同的水印建立 个数据集合，计算出其平均值作为攻击数据，如果这个集合足够大， 则会导致水印无法被检测到；共谋攻击，针对指纹水印的攻击方法， 攻击者通过同一数据源的嵌入不同水印的版本，经过平均等运算得到 一个新的版本，使得水印无法被检测到。 协议攻击：协议攻击的目的不是破坏水印信号，也不是通过全局或局 部的数据处理使得水印信号无法被检测，而是设法将幅图像中的水 印“拷贝”到另一幅图像中，从而使版权保护中标识身份水印失信。 c r a v e 等人i 】首先提出协议攻击的概念，他们引入可逆水印的概念， 指出：对于版权保护来说，其水印必须是不可逆的，也就是说，对于 非可逆水印来说应该