（计算机应用技术专业论文）基于ncg的变换域数字视频水印技术研究.pdf

高校教师硕+ 学俄论文 摘要 数字水印技术是知识产权保护和安全隐秘通信的重要手段之一。视频水印是 数字水印技术的重要分支，具有不同于其他载体类型水印的特点。由于数字视频 在多媒体产品中占有较大的比重，且相对于数字图像水印等研究较少，数字视频 水印的研究具有较强的理论和应用价值。 n c g ( n o m e dc e n l r eo f g 怒v i l y ) 是由德冒学者d i m ap 两董j 沁呔提出的，它类似 于一个块的质心。但是，它独立于块的边界，与像素的位置无关。图像的纹理复 杂度可以通过n c g 的强度进行反映。本文根据视频每帧图像本身的特征，利用 n c g 选取特定的帧嵌入水印，以提高视频水印的透明性和鲁棒性。 本文在介绍视频水印技术的发展现状及主要技术方法基础上，以常觅的视频 文件a v i 为嵌入载体，提出了两种变换域的数字视频盲水印方案。论文的主要工 作如下： l 、提出了一种基于d c l 和n c g 的数字视频水印算法。它通过计算视频图 像的n c g 选定具有复杂纹理特性的视频帧，然后在选定的视频帧中，利用d c t 分块变换来嵌入水印信息。该算法豹优点是能抵挡剪裁、有损压缩、滤波、帧删 除、帧重组等多种针对视频水印的特有攻击。 2 、利用数字图像的奇异值分勰( s v d ) 的稳定性，提出了一种基予n c g 和 s v d 的数字视频水印算法。它利用n c g 的统计特性选取具有复杂纹理特征的视 频帧，并剩明s v d 分解在d c t 系数中有选择性地嵌入水印，能实现誊检测，同 时鲁棒性好。 上述算法在m a t l a b 环境下进行了仿真实验和分析。实验结果表明：算法 可应用于数字视频产品的版权保护中，也可以应用在以数字视频作载体的隐蔽通 信中。 关键词：数字视频水印；n c g ；离散余弦变换；奇异分解；透明性；鲁棒性； 盲检测 珏 基予n c g 的变换域数字视频水印技术研究 a b s t r a c t d i 舀t a lw a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g yi so n eo ft h ei m p o r t a n tm e a s u r e st op r o t e c t t h ei 瓤l e l l e c l 疆a lp f o p e r t yp f o l e c l i o 珏鑫纛d 薹【e e ps a f ea n ds e c f e le o 蕺l l n 珏n i c a l i o 鑫s a s a ni m p o r t a n tb r a n c ho fd 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 y ，v i d e ow a t e r m a r k i n gh a s d 主j 睡l e f e n 重f e a 童u f e sa se o l n p 鑫f e dw i l ho t h e ft y p e so fw a l e f l n a f k i n gt e c h 致o l o g i e s 。 s i n c ed i g i t a lv i d e oi so fl a r g ep r o p o r t i o ni nt h em u l t i m e d i ap r o d u c t s ，a n dt h e f e s e a f c ho 珏v i d e ow a l e n n a r 薹( i 鑫gi sr e l a t i v e l yl e s s ，t h er e s e a r c ho nd i g i l a lv i d e o w a t e r m a r k i n gi so ft h e r o f i a ls i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a lv a l u e n c g ( n o m e dc e n t f eo fg f a v i t y ) w a sp f o p o s e db yag e f m a ns c h o l a r ，i e ，d i m 8 p f 6 f r o c k ，w h i c hi ss i m i l a rt ot h eg r a v i t yc e n t r eo fo n eb l o c k h o w e v e r i ti s i n d e p e n d e n tf o mt h eb l o c kb o r d e f s ，a n de v e f yg r a y v a l u eo ft h ep i x e lh a st h e s a m ei n f l u e n c et ot h en cg t h et e x t u r ec o m p l e x i t yo fa ni m a g ec a nb er e f l e c t e d b yt h es t r e n g t ho fn c q t h i st h e s i su t i l i z e sn c gt os e l e c ts o m ef f a m e st oe m b e d w a t e r m a f ki n f b 锄a l i o ns o a st o i l n p r o v et h et f a n s p a r e n e ya n df o b u s t n e s so f w a t e r m a r k i n g a 建e ra n a l y z i n g毫量l ec u f f e n ts t a t u so fv i d e ow a t e m a r 薹【i n g ，t h i st h e s i s r e s e a c h e so nn c gb a s e dd i g i t a lv i d e ow a t e r m a f k i n gi nt r a n s f o r md o m a i n i t u l i l i z e st h ee o m m o n 轰v lv i d e oa sw a t e r m a f 薹【c a r r i e f 簟h em a i nw o f 薹【o f 专h i sl h e s i s i ss u m m a r i z e da sf o l l o w s ： f i f s l ，嚣v i d e ow a l e f 五a f 薹( i n g 鑫l g o 纛l h l nb a s e do 魏d c ta n dn c g i sp f o p o s o d a f t e rc a c u l a t i n gn c gi nt h ev i d e oi m a g e s ，t h ev i d e of r a m ew i t hc o m p l e xt e x t u r e f e 鑫l 毽f e s 囊a sb e e ns e l e c l e d ，i | 薹ow h i e 魏l 蠢ew a l e f m a 呔i 鼗gi 珏内f 攥a i o 魏i se m b e d d e d w i t ht h ec h a n g e so ft h ed c tb l o c k s t h ea d v a n t a g eo ft h i sa l g o r i t h mi st or e s i s t l h e鑫l l a c 薹【s l 鑫f g e e d 鑫重v i d e ow a t e f 獭鑫f k i 珏g蠹o l nc 鼍l l i n g ， l s s ye o 辍p r e s s i o 稳， f i l t e r i n ga n ds oo n s e e o 珏d ，an ( 1 0a 旌ds v db a s e dv i 莲e ow 纛l e f l 珏鑫f 薹( i 矬ga l g o f i l h l 硅i sp f o p o s e d 。 b yu t i l i z i n gt h ef e a t u r e so fn c g t h ev i d e of r a m ew i t hc o m p l e xt e x t u r ef e a t u r e s 矗鑫sb e e 珏s e l e c l e d ，i 爨l ow h i c hl h ew a l e r m 莲f 款i 娃gi 矬f o f l 珏a t i o 鼓i se m b e d d e db y d e c o m p o s i t i o no fs v di nt h ed c tc o e f f i c i e n t s t h i sa l g o r i t h mc a nr e a l i z et h e b l i n dd e t e c t i o 矬a n da c 量l i e v ee x c e l l e n tr o b u s t n e s s 。 獾 高校教师硕_ ：学位论文 零蠢e 纛b o v e鑫lg o 疰l 魏搬s基a v eb e e 莪 e x p e f i m e 簸l e d w i l 氧m a 彳l a b 誓h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h e s e a l g o r i t h m s c a nb e a p p l i e d i n e o p y 蛀g h 重p r o 乏e e 重i o 蕤 鑫珏di 藏董d 豫鑫童i o 毅e o n c e 鑫l 薹建e 薹l l ，鑫鼗莲e a 魏s e r v e鑫se f & e 乏i v e m e a s u r e st op r o t e c tt h ei n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t so fd i g i t a lv i d e op r o d u c t s k e yw o r d s ：d i g i t a lv i d e ow a t e 珊a r k i n g ；n c g ；d c t ；s v d ；t r a n s p a r e n c y ； r o b u s t 娃e s s ；b l i 薹l dd e l e c t i o 珏 基于n c g 的变换域数 视频水印技术研究 插图索引 图1 1 信息隐藏技术的分类1 图2 1 水印嵌入框图9 图2 2 水印提取框图9 图2 3 水印检测框图。1 0 图3 13 种典型的视频水印的嵌入与提取方案1 3 图3 2 视频水印的分类1 6 图3 3 文献 1 7 】提出的水印方案1 7 图4 1 水印嵌入示意图2 7 图4 2n c g 的计算2 8 图4 3 水印提取的过程。3 0 图4 ，4 原始水印图案3l 图4 5 在第3 4 帧里嵌入水印前( 左) 、后( 右) 的灰度图比较3 1 图4 6 在嵌入水印的a v i 文件里加入高斯噪声3 2 图4 7 在嵌入水印的a v i 文件里裁剪一部分3 2 图4 8 在嵌入水印的a v i 文件中中值滤波3 2 图4 9 文件压缩前后文件大小的比较。3 3 图4 1 0 不同视频水印嵌入前后视频图像及n c 值的比较。3 4 图5 1 水印嵌入示意图3 6 图5 2 水印提取示意图3 9 图5 3 原始水印图案一3 9 图5 4 在b u s 序列第2 0 帧里嵌入水印前( 左) 、后( 右) r g b 图比较3 9 图5 5 在s i l e n t 序列第3 0 帧里嵌入水印前( 左) 、后( 右) r g b 图比较4 0 图5 6 在嵌入水印的a v i 文件实施部分攻击后示意图4 2 v 高梭教师硬士学位论文 附表索引 表1 1 中国学术期刊全文数据库查询结果4 表3 。l 视频水印攻击算法分类2 3 表4 1 序列v l p l a n e 在不同情况下提取水印图像及其相关系数n c 3 2 表4 2 多个序列提取隐藏水印图像及相关系数n c 3 3 表4 3 两种不闻嵌入算法随机删除6 帧质提取的永印豳像及相关系数n e 3 4 表4 4 帧重组攻击提取的水印图像及相关系数n c 3 5 表5 。lb 毽s 序列在不同情况下提取隐藏水印图像及檩关系数n c 4 2 表5 2s i l e n t 序列在不同情况下提取隐藏水印图像及相关系数n c 4 2 v 珏l 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律后果由本人承担。 作者躲闺箩乏日期础年二月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留若向国家有关部f 】或机构送交论文的复印 宰和电子版，允许论 文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本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、缩印或扫摧等复制手段保 存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密日。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：l 对衫日期：制年m 夕日 导师签名：加弋日期：z 细扩年厂月夕 日 高校教师硕士学像论文 1 1 选题背景 第1 章绪论 随着计算祝及透信技术的迅速发展，多媒体作品的数字纯存储和传输成为可 能，数字化产品可以方便地制作、复制、修改、存储和传播。然而，与此同时也 导致了大量非法盗版的出现，严重地损害了创作者和所有者的知识产权 ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t s ) ，数字产品的知识产权保护也显得越来越重要。在这 种形势下，以信息隐藏技术为核心的数字水印( d i g i t a lw a l e 撇a f k i n g ) 技术应运而 生。在数字化产品中嵌入水印信息，可实现拷贝限制、使用跟踪、盗版确认等功 能，从而有利于解决版权纠纷，保护数字产权合法拥有者的利益。 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技术，是信息隐藏 ( i n f o 瑚a t i o nh i d i n g ) 技术研究领域中的一个重要分支。事实上，信息隐藏技术从 有隐密逶信就已开始研究，但壶于其特殊的用途，一直被限制在军事和安全都门 一个很小的范围内。随着计算机、多媒体技术的发展，网络通信逐步成为人们交 流信息的方式之一，对数字化产品( 如：音像作品、电子商务、电子政务、数字 图书、远程教育等) 的认证、防伪以及版权保护的需求越来越迫切，从而产生出 一门新的分支：数字水印。信息隐藏技术的分类【l 】见图1 1 。 信息隐藏 隐蔽信道伪装术匿名通信版权标记 l l 毒毒毒 基于语义伪装基于技术伪装 稳健版权标识 易碎水印 l 指纹技术数字水印 l 毒毒 不可见水印 可见水印 圈1 1 信息隐藏技术的分类 数字水霉技术除具有信息隐藏技术的一般特点外，还有着其固有的特点和研 究方法。例如：从信息安全的保密角度上看，如果隐藏的信息被破坏，系统可以 视为安全的，因为秘密信息并没有泄露；但在数字水印系统中，隐藏信息的丢失 基于n c g 的变换域数宁视频水印技术研究 即意味着版权信息的丢失，从而失去了版权保护的功能，这一系统就是失败的。 因此，数字水印技术必须具有较强的稳健性、安全性和透明性。 数字视频在数字化多媒体产品中占有较大的比重。随着网络技术和计算机技 术的发展，特别是视频压缩编码和传输的发展，数字视频在因特网上近年来呈指 数级增加，对数字视频产品的保护就显得越来越重要，视频水印领域将具有较为 广阔的应用前景。另一方面，通过对发表的数字水印研究文献检索统计，发现数 字视频水印的研究文献相对于数字图像水印的研究文献要少得多。因此，选择数 字视频水印展开研究作为研究课题具有较强的现实意义。 1 2 数字视频水印的国内外发展及研究现状 1 2 1 国外发展及研究现状 数字水印技术首次被使用是在1 9 5 4 年，m u z a k 公司的e m i lh e m b r o o k e 申请 了一项名称为“i d e n t i f i c a t i o no fs o u n da n dl i k es i g n a l s 的专利【2 1 。从此，水印 技术的研究日益拓展，应用也逐步深入。1 9 7 9 年，s z e p a n s k i 描述了一种机械探 测模式，它可以用在文件上起到防伪的效果。1 9 8 8 年，h o l t 等人阐述了一种在 音频信号中嵌入认证码的方法。但是，此时的数字水印只是作为一种版权认证的 工具，并没有形成一门科学。1 9 9 3 年a z t i r k e l 等所撰写的“e l e c t r o n i cw a t e r m a r k 一文中首次使用了“w a t e rm a r k 这一术语【3 】。这一命名标志着数字水印 技术作为一门正式学科的诞生。后来，这篇文章被整理为“ad i 百t a lw a t e n n a r k 在1 9 9 4 年的i c i p 上发表。a z t i r k e l 提出了修改图像最低有效位( l s b ) 平面 的方法，即采用替换的方式，将水印位嵌入到载体图像中的最不重要位。l9 9 6 年，b e n d e r 等提出了一种针对打印、扫描应用的p a t c h w o r k 法【4 1 。p a t c h w o r k 方 法隐蔽性好，并且对j p e g 压缩、f i r 滤波以及图像剪切操作具有一定的抵抗力， 但是嵌入的信息量有限。 1 9 9 7 年，c o x 等提出了一种基于全局d c t ( d i s c r e t ec o s i n et r a n s f o m ) 变 换的数字图像水印算法【5 】。它先对整个图像进行d c t ，然后将水印通过直接序 列扩频的方法嵌入到d c t 域中幅值最大的前1 0 0 0 个交流系数上。该算法的鲁棒 性比较好，但是水印检测时需要原始的载体图像。1 9 9 8 年，z e n g 等提出基于分 块d c t 的水印方法【6 】，采用一个密钥随机地选择图像的一些子块，通过在频域 的中频部分改变一个三元组来嵌入二进制水印序列。之所以选择中频分量嵌入水 印时，是为了兼顾了水印不可见性和鲁棒性两个方面，并且根据人类视觉模型自 适应地进行水印嵌入。该算法不仅保持了良好的不可见性，而且对有损压缩和低 通滤波鲁棒性较好。b a r n i 等【7 1 、h s u 等【8 1 、t a n g 等也在d c t 域做了很多有实际 意义的研究。d e e p ak u n d u r 等【9 】提出了基于小波变换的图像水印算法。它将图像 2 高校教师硕上学位论文 和要嵌入的水印信息分别进行小波分解，然后根据视觉特性进行数据融合。但是， 该方法在提取水印时需要载体图像。此后，在该方法的改进算法中通过对小波系 数进行特殊的量化以嵌入水印信息，从而具有盲检测性。为了克服水印对于几何 ( r s t r o t a t i o n ，s c a l e ，t r a n s l a t i o n ) 变换鲁棒性较弱的问题，or u a n a i d h 【1 0 。1 l 】 等人提出了在水印算法中使用m e l l i n f o u r i e r 变换，即利用坐标之间的变换来实 现r s t 不变的目的。该方法对几何变换具有很好的鲁棒性，但是计算量大。另 外，还利用分形、混沌、数学形态学、奇异值分解等嵌入水印，以及在压缩域嵌 入水印的方法。 1 9 9 9 年，k u t t e r 等1 1 z j 在“t b w a r d ss e c o n dg e n e r a t i o nw a t e n n a r k i n gs c h e m e 刀 一文中首次提出了“第二代水印一的概念，并且提出具体例子来验证思想的正确 性。第二代水印思想的提出，突破了以往将水印嵌入到载体信号最不重要部分的 思想桎梏，极大地推动了水印研究的发展，从思路上为如何提高水印鲁棒性指出 了方向，使数字水印的研究进入了一个崭新的时代。数字图像是使用最广泛的水 印载体，因此图像水印的研究被誉为数字水印的“摇篮 。它蕴育了很多具有普 遍意义的方法，为其他载体形式的数字水印研究以及在实际中的应用奠定了坚实 基础，此后音频水印、视频水印等各种载体的水印技术也随着图像水印技术的发 展而迅速发展。 数字水印所具有的研究意义和实际中的应用价值，使人们对它的关注和研究 也空前高涨，计算机、信号处理等各领域内的专家学者都纷纷参与到数字水印的 研究中来。国际上已先后于1 9 9 6 年在英国、1 9 9 8 年在波兰、l9 9 9 年在德国、2 0 0 1 年在美国、2 0 0 2 年在荷兰、2 0 0 4 年在加拿大、2 0 0 5 年在西班牙、2 0 0 6 年在美国 召开了八届信息隐藏学术会议【1 3 】( i h w ，i n f o m a t i o nh i d i n gw o r k s h o p ) ，第九届 会议也将于2 0 0 7 年在法国召开。s p i e 从1 9 9 9 年开始也开设了关于多媒体内容 安全和水印的专题讨论会。从2 0 0 2 年到2 0 0 4 年国际数字水印专题讨论会( i w d w i n t e m a t i o n a lw o r k s h o po nd i g i t a lw a t e m a r k i n g ) 在韩国连续三年召开了三届，第 四届、第五届分别于2 0 0 5 年和2 0 0 6 年在意大利、韩国召开，第六届也将于2 0 0 7 年在我国召开。这些国际性水印讨论会，与会者越来越多，会议涉及的水印研究 范围也越来越广。另外，p r c e e d i n g so fi e e e 、i e e et r a n s a c t i o n so ni m a g e p r o c e s s i n g 、 i e e et r a n s a c t i o n so n s i g n a lp r o c e s s i n g 、 i e e et r a n s a c t i o n so n i n f o m a t i o nt h e o r y 、i e e et r a n s a c t i o n so ni n f o m a t i o nf o r e n s i c sa n ds e c u r i t y 等国 际权威期刊都相继出版了关于多媒体信息隐藏、数字水印专辑，重要的国际会议 如i c a s s p 、i c i p 等也都分别设立了数字水印的专题。 在数字水印理论研究向前发展的同时，从事于数字水印系统开发和应用的公 司在全球各地相继出现。美国的d i g i m a r cc o r p o r a t i o n 推出了第一个商用数字水 印软件，后来又以插件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 e l d r a w 基于n c g 的变换域数宁视频水印技术研究 图像件中。英国的s i g n u mt e c h n o l o g i e s 公司从1 9 9 7 年就开始开发s u r e s i g n 系列 水印产品。瑞士的a l p v i s i o n 公司推出的l a v e l l t 年能够在任何扫描的图片中隐藏 若干字符，该公司的s a f e p a p e r 则是专为打印文档设计的安全产品。另外，还有 美国的k o r e ac o m p a n y 、法国的n e x t a m p 、韩国的m a r k a n yi n c 、新加坡的d a t m a r k t e c h n o l o 西e sp t el t d 等都推出了各具特点的技术和产品。在广阔的应用前景吸引 下，全球著名的i t 企业如m i c r o s o n 、i b m 、n e c 、p h i l i p 等都设立了自已的数 字水印研发机构，并不断加强研发力量，各自拥有了很多水印方面的专利，在这 个崭新的领域中赢得先机。 1 2 2 国内发展及研究现状 我国的数字水印的研究起步稍晚，但己引起了信息安全领域研究人员的普遍 关注，近几年，国内也在开展视频水印方面的研究。比较有代表性的单位有：信 息安全国家重点实验室、哈尔滨工业大学计算机网络与信息安全技术研究中心、 中山大学信息安全技术研究所、中科院自动化所、北京交通大学信息科学研究所 和北京邮电大学信息安全中心等。为了加强国内科研人员之间的交流，何德全、 周仲义、蔡吉人等三位院士分别于19 9 9 年到2 0 0 6 年组织召开了六届信息隐藏学 术研讨会( c i h w ) ，第七届刚于今年1 1 月在南京召开。国内，也已经出现了一 些开发水印产品的公司，其中有代表性的有：上海的阿须数码技术有限公司，该 公司专门从事数字水印、多媒体网络安全、防伪技术等软硬件开发，现已申请了 一项国际和三项国家数字水印技术专利；北京华旗数码影像技术研究院研发的新 一代图像、文本数字水印技术成功地应用于新华社图片版权保护系统和新华社的 文稿保护系统。这些水印公司的创办标志着数字水印技术在国内已经走上了实用 化和商业化的道路。 此外，国内专业期刊上关于数字水印的学术文章从2 0 0 1 年开始迅速增加， 以“篇名”为检索项，分别以“图像水印 、“视频水印一为检索词对“中国学术 期刊全文数据库 进行检索查询，分年度的论文篇数如表1 1 所示。 表1 1 中国学术期刊全文数据库查询结果 文献检索统计表明：目前，国内的数字水印技术主要是研究数字图像水印， 对数字视频水印研究相对较少。 4 高校教师硕士学位论文 1 3 主要研究内容 一般来说，水印嵌入在纹理较为丰富的区域，具有更好的透明性。n c g ( 规 范化质心) 类似于一个块的质心。然而，它独立于块的边界，并且每一个像素的 灰度值对n c g 都有同等重要的影响，即与像素的位置无关。n c g 能够用来检测 对象的边界，一副图像是否具有复杂的纹理可以通过n c g 的强度l 来反映。 根据上述分析，本文根据视频每帧图像本身的特征，利用n c g 选取特定的 帧嵌入水印，而不是嵌入在有规律的某些帧，以提高视频水印的透明性和鲁棒性， 因而确定如下两个主要的研究内容： 1 研究基于n c g 的d c t 变换域的数字视频水印算法 n c g 是图像的特征值，视频可以看作是由许多静止的图像组成，而变换编 码是视频压缩技术的核心之一，随着变换域视频水印算法的研究迅速崛起为新的 研究热点，研究变换域、能抵抗有损压缩的性能良好的水印算法，具有进一步挖 掘的意义。 2 研究基于n c g 与奇异值分解的水印算法 数字图像可以用一个矩阵表示。根据矩阵理论，一个矩阵的奇异值是确定的。 从图像处理的角度来看，奇异值分解有如下有用的特性：( 1 ) 一幅图像的奇异值 有很好的稳定性，这意味着当图像受到轻微的扰动时，它的奇异值不会发生剧烈 的改变；( 2 ) 奇异值能够表现出图像的内在的代数特性。但很多基于奇异值分解 的水印算法不能实现盲水印提取。实现基于s v d 分解的盲水印算法，也是主要 的研究内容之一。 1 4 论文章节安排 本文分五个部分。第一章绪论，介绍了选题的背景、数字水印的国内外研究 现状以及主要研究内容；第二章介绍数字水印系统的基本模型、水印的基本要求 以及水印系统的组成；第三章介绍了数字视频水印的基本概念、分类、特性，介 绍常见数字视频水印算法、检测标准与常见的检测方法；第四章提出了基于n c g 和d c t 的抗压缩的视频水印算法；第五章提出了一种基于n c g 和d c t 视频水 印算、法；对每一种算法的总体设计方案的可行性进行了分析、论证，给出算法实 现的具体方法，对透明性、健壮性进行了仿真实验、检测：最后，对论文工作进 行了总结。 5 蒸予n e g 憋交换壤数字援颏拳印技零磺究 2 董引言 第2 章数字水印技术概述 数字水印是信息隐藏技术领域的一个重要分支，它将具有特定意义的标记 ( 水印) ，利用数字嵌入的方法隐藏在数字图像、声音、文档、视频等数字产品中， 用以证明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。在本章中，约定将嵌入水印的数字产品称为掩体对象 或载体，将嵌入水印后的数字产品称为隐藏对象或会永窜载体。 2 2 数字水印的基本框架 2 2 1 水印系统模型 放信号处理的焦度上看，嵌入载体对象视频傣号) 的求印信号可以被视为在 强背景下叠加一个弱信号的过程。只要叠加的水印信号强度低于人的视觉系统 ( 薹差v s ) 对图像的感知门限或听觉系统h a s ) 对声音的感翔门限，珏v s 或h a s 就无 法感知到水印信号的存在。由于h v s 和h a s 会受到空间、时间及频率特性等因 素的限制，因此通过对载体对象作定的调整，就有可能在不引起人感知的情况 下嵌入一些信息。 从数字通信的角度上看，水印嵌入可理解为在个宽带信道( 载体对象) 上用 扩频通信技术传输一个窄带信号( 水印 。尽管水窜信号其有一定的能量，但分布 到信道中任一频率上的能量是难以检测到的。而水印的译码( 检测) 则是一个有噪 信道中弱信号的检测阑题。 水印有各种形式，通常可将水印定义为如下的信号肌 驴 羚| w 奶2 。l 其中：w 称为原始水印；水印信号可以是二值形式( 班 o ，1 ) 或泸 1 ，l ) 或嵩瓶噪声形式。 数字水印处理系统可用6 个基本要素双职足、g 、露、d 来表达，其中： x 为所需要保护的数字产品x 的集合： 驴为所有可熊的水印矽集合； k 为标识码( 又称的水印密钥) 的集合； g 表示利用密钥x 和待嵌入永窜的x 共同生成水窜豹算法，即： g ，x x 一形， 肛g 的( 2 2 ) 置表示将水印w 嵌入数字产品嚣中的嵌入算法，即： 6 高校教师硕上学位论文 e fx x 形兄 凰= e ，的( 2 3 ) 这里，五表示原始的数字信号，凰表示嵌入水印后得到的数字产品。 d 表示水印检测算法，即： d fx x k 一 o ，1 ) ( 2 4 ) rl ，如果x 中存在职日1 ) 弋，目= ( 2 5 ) l - o ，如果x 中不存在职凰) 其中，凰、凰代表二值假设，分别表示水印的“有 或。无一。 2 2 2 水印系统的基本要求 水印处理系统必须满足一些特定的要求，以便形成一套适用于版权保护和产 品内容鉴定的值得信赖的根据【1 4 l 。主要包括两个方面的内容，即水印的不可感知 性与水印的稳健性。一般而言，水印的稳健性与不可感知性是一对基本矛盾，一 个水印算法很难同时满足水印系统的所有要求。水印系统的基本要求如下： 1 不可感知性 对于不可见水印处理系统，水印嵌入算法不应产生可感知的数据修改，也就 是添加水印后的产品必须相似于原始产品，即凰。 2 稳健性 设兄是原始的产品，而k 是加水印的产品，并且d ，叨= 1 ，肘是一个 多媒体处理操作算法，则对于任何y ，净懈) 满足d ( n 叨= 1 ，而且对于 任何z - 坝瓦) ，满足d ( z ，聊= 0 。 3 密钥唯一性 不同密钥应产生不等价的水印，即对于任何产品x x 和= g ，厨) ，i - l 、 2 ，满足k ，局、所。 4 水印有效性 在水印处理算法中，只有采用有效的水印。对于特定的产品x x ，当且仅 当存在k k 使得g ，目= 形，则称水印形是有效的。 5 产品依赖性 在相同的密钥条件下，当水印算子g 用在不同的产品时，应该产生不同的水 印信号，即对任何特定的密钥k k 和任何局，局x ，满足蜀搦，既，其 中形= g 墨) ，i = 1 ，2 。 6 多重水印 通常对已嵌入水印信号的产品用另一个不同的密钥再作水印嵌入是可能的， 这也往往是盗版者或侵权者在重销时可能做的工作。但在某些场合，利用这种特 性可以对产品的发布渠道进行跟踪。若五= e ( - ，职) ，i = 1 ，2 ，那么对于 7 蒸手n c g 静变换壤数字裰频求爨技零磺究 任何i s n ，原始水印必须在m 中还能检测如来，即d 陇，耽户l ，这里n 是个 足够大的整数，使得五，而且五+ f 撬。 7 检测可靠性 肯定检测的输出必须有一个合适的最小的置信度。如果如是检测的虚警概 率，则它满足尸f a 只h ，髓，这里p t h 嗍是产品供应者所选择的合适的概率阈值。 8 。计算有效性 水印处理算法应该比较容易用软件或硬件实现。尤其需要注意的是，水印检 测算法对某些应用( 例如产髭发行网络上对多媒体数据进行监视) 来说必须足够 快。 9 。是否需要原始数据进行水印信息提取 根据数据嵌入和提取方案的不问设计，有些方案需要借助原始数据进行水印 提取，有些方案则不需要原始水印提取( 即盲水印提取) 。一般说来，不需要原始 数据来提取水印有更大的优势。 2 2 3 水印系统的基本构成 一个完整的水印系统应包括水印的生成、嵌入和提取检测三部分。 1 水印的生成 水印信号的产生通常基于伪随机数发生器或混沌系统，产生的水印信罨驴 往往需要进一步的变换以适应水印嵌入算法。为了分析方便，可以把算子g 分 解为算法震和算法f 两个部分： g = z 。尺 ( 2 6 ) 嚣鬈一，f ；x 鬈一驴 子算法欠输出原始水印矿职该原始水印只e l j 密钥足毯k 产生。当尺基于 伪随机数发生器时，密钥k 直接映射为伪随机数发生器的种子。当冀基于混沌 系统时，密钥集由许多初始条件的适当变换而产生。这两种方法所产生的密钥集 足够大并且满足密钥唯一性条件，丽且由冀产生的水印是有效的水印。此外，震 是不可逆的。 子算法r 对原始水印进行修改以获得最后的依赖于产品的水印。z 应满足i 毅职嚣) 丝及，) 丝取职x 0( 2 7 这里乜表示原始产品，而凰表示嵌入水印的产品，并且彳：帆墨，) ，凰 赫，影表示多媒体数据处理操作算法。在这里需要指出的是原始水印信号也 可以预先指定，而在嵌入水印前对该水印信号可以做适当的变换或者不变换，密 钥珂以在水印嵌入过程中产生。 2 水印的嵌入 水印嵌入过程如图2 1 所示，图中虚框部分表示在嵌入水印信号时不是必须的。 3 高校教师硕十学位论文 图2 1 水即嵌入框图 水印嵌入就是把水印信号矜 w ( 妨；嵌入到原始产罴艺= 而妨 中，一般的水 印嵌入规则可描述为： 巍，( p 妨。磊( 妨w 妨2 。8 其中。为某种叠加操作，也可能包括的截断操作或量化操作；胙 j j l ( d ) 为水 印嵌入掩码。 嵌入水印较常用的方法有加法准剡、乘法准则： 似= 例+ 口w 似( 加法准则)( 2 9 ) = 岛国+ 8w 俐( 乘法准燹| j )( 2 1 0 ) 其中：工既可以是原始视频信号的幅值( 时域) ，也可以是某种变换的系数值( 变 换域；参数镬可随采样数据的不露面不同。 3 水印的提取与检测 水印的提取和检测可以作用于任何产品，提取和检测时可以需要原始产晶的 参与，也可不需要原始产品的参与。若将水印技术用于产品的网络发布和传播时， 在检测使用原始产品则是个缺陷，因此当前大多数的水印提取、检测算法不需要 原始产品的参与。 ( 1 ) 水印的提取 在某些水窜系统中，水印可以被精确地提取，这一过程被称为水印提取。例 如在完整性确认应用中，必须能够精确地提取出嵌入的水印，并且通过水印的完 整性来确认多媒体数据的完整性。如果提取的水印发生了部分变化，最好还能够 通过发生变化的水印位置来确定原始数据被篡改的位置。图2 2 是水印提取框图， 图中虚框部分表示在提取水印信号时不是必须的。 l萎篡 ；| 密钥； ： 载体 ；i 函霸i i _ _ - - t _ _ 二一一一1 - 一一_ ： 图2 2 水印提取框图 梦 基于n c g 的变换域数宁视频水印技术研究 ( 2 ) 水印的检测 对于主要用于版权保护的稳健水印，因为它很可能遭受到各种恶意攻击，嵌 入水印的数据经历这些操作后，提取的水印通常已面目全非。这时，可采用水印 检测来判断水印的存在。图2 3 是水印检测框图，图中虚框部分表示在提取水印 信号时不是必须的。 水印检测的第一步是用算子g 产生水印，第二步是使用算子d 进行检测。 检测可能产生两种错误： 第1 类错误：产品中不存在水印，检测结果是存在水印。这种错误发生的概 率可用虚警率p f a 来表示。令c = 1 尸f a 表示肯定检测的确定度，则c c t h 懈表示存 在水印，其中参数c t h 嘲是检测水印时所选择的检测确定度门限，上式直接和前 面的检测可靠性条件相关。 第1 i 类错误：产品中存在水印，检测结果是不存在水印。这种错误发生的概 率可用漏报概率p r 。i 来表示。 一般说来，当虚警概率p f a 趋向0 时，则水印检测的漏报概率r 。i 趋向1 。 水印的检测精度根据不同的要求可分为两种情况： 低精度检测：虚警率较大，但漏报率较小。在检测结果为肯定的情况下， 需要进一步查明水印的存在或证明版权。 高精度检测：虚警率较小，且检测器提供高可靠度的肯定检测。这种检测 结果甚至可以在法庭上作为合法所有权的强有力证据，但它的漏报率也较高，并 且检测对应的水印对有意或无意的攻击缺乏稳健性。 ； 曼兰；i 密钥； 载体 ii 硝明 2 3 数字水印的应用 图2 3 水印检测框图 数字水印从其诞生之日起就和应用有着密不可分的关系，从目前的数字水印 技术的发展来看，数字水印的主要用途基本上可以分为以下几类【i5 。1 。7 】： 1 版权保护 多媒体作品的所有者将水印嵌入原始数据，然后公开发布其水印版本作品。 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获取水印信号作为 版权依据，从而保护所有者的权益。在这种应用领域中，水印技术必须有较好的 l o 高校教师硕1 ：学位论文 鲁棒性、安全性、透舞性和水印嵌入的不可逆性。 2 篡改提示 当多媒体作晶被用于法庭、医学、新闻及商监时，常需要确定它们的内容有 没有被修改、伪造或特殊处理过。在这种情况下可以在多媒体作品中嵌入脆弱水 印，当含有水印的多媒体作品遭到恶意修改时，嵌入到其中的水印信息不可避免 被破坏，这样通过确认水印的完整性就可证实多媒体作品的完整性和真实性。这 类水印检测时一般都不需要原始数据。 3 数字指纹 如果嵌入到数字媒体中的数字水印用以标记媒体的使用者，当出现侵权行为 时，通过检测求印信息便可跟踪盗敝。此时数字水印称为数字指纹。豢同一种多 媒体作品存在多个授权用户时，作品所有者可以将能够唯一识别不同用户的水印 信患( 指纹) 嵌入作品中。一璧发现未经授权的拷贝，就可以据此拷贝所恢复出的 指纹确定它的来源。但这种水印必须具有防止共谋攻击的能力。 4 。标题与注释 这类水印信息主要用于解释多媒体作品的相关信息，即将作品的标题、注释 等内容( 如幅照片的拍摄时间和地点等) 以水印形式嵌入该作品中。 5 。隐蔽通信 利用数字化声像信号相对于人的视觉、听觉冗余，可以进行各种信息隐藏， 从丽实现隐蔽透信。这类水露技术焉于信息的秘密通信，与数据加密不一样，这 种技术将重要数据隐藏在公开传输的媒体中，使得通信内容和通信过程不易被察 觉，因此具有更好的隐蔽性。 6 商务交易中的票据防伪 随着高质量图像输入输出设备的发展，特别是高精度彩色喷墨、激光打印机 和高精度彩色复印机的出现，使得货币、支票以及其他票据的伪造变得更加容易。 据报道，美国、日本以及荷兰都己开始研究用于票据防伪的数字水印技术。麻省 理王学院多媒体实验室受美毽财政部委托，已经开始研究在彩色打印机、复印机 输出的每幅图像中加入唯一的、不可见的数字水印，在需要时可以实时地从扫描 票据中判断水印的有无，快速辫识真伪。 7 广播监测 众多的企业或个人迫切的希望缝够对电视节目或广播电螽节基进行监测，确 保他们的广告按时播出、自己的作品没有被非授权电台播出等等。电视台、广播 电台同样也要进行合法信号的检测。于是数字水印技术被引入到了广播、电视