（计算机应用技术专业论文）基于数字水印的图像内容认证技术研究.pdf

摘要 随着计算机网络的不断完善扩大和多媒体信息处理技术的迅速发展，我们能 够方便的创作、存储、编辑、传播数字多媒体信息。然而，技术发展的同时也带 来了如何保证信息安全的问题，因而对多媒体信息的真伪进行认证并实施必要的 完整性保护，是一个亟待解决的问题。 本文主要研究了数字水印在图像内容认证技术中的应用。 首先分析了数字水印技术的基本原理和图像内容认证技术的关键问题等， 并分别从不同的角度分析了当前国内外现有的各种典型算法。 然后在此基础上设计了用于数字图像内容选择性认证和精确认证的两种数 字水印方案： 前者结合扩频调制技术和离散小波变换的基本思想，提出了一种具有一定 实用价值的半脆弱水印算法，利用混沌序列对水印数据加密并扩频调制，将处 理后的水印数据根据量化函数嵌入到低频小波系数中，实现了盲检测和篡改定 位，并能有效区分恶意和非恶意篡改； 后者在充分分析了遗传算法的原理和基于提升方案的整数小波变换的基础 上，将遗传算法应用于寻找优化的嵌入频带，使得载体图像在水印的不可见性 和鲁棒性之间取得了平衡，提出了一种基于遗传算法的脆弱水印算法，可以实 现篡改检测与篡改定位。 最后，本文对数字水印技术今后可能的研究方向进行了总结，指出了今后 需要继续研究的地方。本文设计的半脆弱性和脆弱性数字水印算法都已经在 m a t l a b 7 0 平台上得以实现，并通过对实验结果的分析，得到了满意的效果。 关键词数字水印图像内容认证离散小波变换扩频调制遗传算法 a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u s l yp e r f e c te x t e n s i o no ft h ec o m p u t e rn e t w o r ka n dt h eq u i c k d e v e l o p m e n to fm u l t i m e d i ai n f o r m a t i o np r o c e s s i n gt e c h n o l o g y ，w ec a nc r e a t e ，s a v e ， e d i ta n ds p r e a dt h en u m e r i c a lm u l t i m e d i ai n f o r m a t i o nc o n v e n i e n t l y h o w e v e r ，t h e d e v e l o p m e n to ft e c h n i q u ea l s ob r i n g st h ep r o b l e mo fh o wt og u a r a n t e et h es a f e t yo f i n f o r m a t i o n s oi tb e c o m e sa nu r g e n tp r o b l e mo fi d e n t i f y i n ga u t h e n t i c a t i o na n d c a r r y i n go u ti n t e g r a t e dp r o t e c t i o nf o rm u l t i m e d i ai n f o r m a t i o n t h et h e s i sm a i n l ys t u d i e st h ea p p l i c a t i o no ft h ed i g i t a lw a t e r m a r k i n gi nt h e p i c t u r ec o n t e n t sa u t h e n t i c a t i o nt e c h n i q u e i ta n a l y z e st h eb a s i cp r i n c i p l eo ft h ed i g i t a lw a t e r m a r k i n gt e c h n i q u ea n dt h ek e y p r o b l e mo f p i c t u r ec o n t e n t sa u t h e n t i c a t i o nt e c h n i q u e ，a n da n a l y z e st h ec u r r e n tt y p i c a l a l g o r i t h m sw a y sh o m ea n da b r o a df r o md i f f e r e n ta n g l e s ，a n dt h e np r o p o s e st w ok i n d s o fd i g i t a lw a t e r m a r k i n gp r o j e c t so ft h ed i g i t a li m a g ec o n t e n t ss e l e c t i v i t ya t t e s t a t i o n a n de x a c ta t t e s t a t i o no nt h i sf o u n d a t i o n ： t h ef o r m e rp u t sf o r w a r da1 ( i 1 1 do fs e m i - f r a n l ea l g o r i t h m sw i t hc e r t a i np r a c t i c a l w o r t ht h r o u g hc o m b i n i n gt h eb a s i ct h o u g h to fs p r e a d - s p e c t r u mm o d u l a t et e c h n i q u e a n dd i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o r m a t i o n ，a n dt h e nm o d u l a t e sa n de n c r y p t sw a t e rm a r kd a t a a n de m b e d st h e mi n t ot h ed w tl o wf r e q u e n c yc o e f f i c i e n t i tc a r r i e so u tt h eb l i n d d e t e c t i o na n dt a m p e r sl o c a l i z a t i o n ，a n dc a nd i s t i n g u i s ht h ev a l i dd i s t i n c t i o nm a l i c e a n dn o n m a l i c e sd i s t o r ta v a i l a b l y ； t h el a t t e ra n a l y z e st h ep r i n c i p l eo ft h eg e n e t i ca l g o r i t h m sa n dl i f t i n gw a v e l e t t r a n s f o r m a t i o n ，a n dp r o p o s e san e wf r a g i l ea l g o r i t h mb a s e do ng e n e h ca l g o r i t h m i t a p p l i e st h eg e n e t i ca l g o r i t h m si nf i n d i n gt h ef r e q u e n c yb a n dt ok e e pe m b e d d e dd a t a h a v i n gab a l a n c eb e t w e e nt h ei n v i s i b i l i t ya n dr o b u s t n e s s ，a tt h es a m et i m e ，a c h i e v i n g t a m p e rd e t e c t i o na n dt a m p e rl o c a l i z a t i o n l a s t ，t h et h e s i sc a r r i e so u tas u m m a r yo ft h ep o s s i b l er e s e a r c hd i r e c t i o no f d i g i t a lw a t e r m a r k i n gt e c h n i q u ea n dp o i n t so u tf u r t h e ra c a d e m i cd i r e c t i o n t h e s e m i - f r a g i l ea n df r a g i l e d i g i t a lw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m so ft h et h e s i sh a v eb e e n a p p l i e di nt h em a t l a b 7 0p l a t f o r m ，w h i c hw a sv a l i d a t e db ye x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n d 1 1 p r o v e dt ob es a t i s f a c t o r y k e y w o r d s ：d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ， i m a g e c o n t e n t sa u t h e n t i c a t i o n ，d i s c r e t e w a v e l e tt r a n s f o r m s ，s p r e a d s p e c t r u mm o d u l a t e ，g e n e t i ca l g o r i t h m s v 独创胜声明 本人声明所呈交的论文是我个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，论文中不包括其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得西北师范大学或其他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己在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 签名：查幽日期：竺坐：7 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西北师范大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名导师签名：崆 日期：跫丑：引 缈 西北师范大学硬士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景与意义 第1 章绪论 近年来，随着计算机网络的不断完善扩大和多媒体信息处理技术的迅速发 展，人类已经进入了数字时代。计算机网络为我们提供了无限的信息资源。强 大的多媒体信息处理技术使我们能够方便的创作、存储、编辑、传播数字信息。 然而，技术发展的同时也带来了如何保证信息安全的问题，其中对多媒体数字 信息的非法篡改和传播会给社会和人们的生活带来巨大的危害，如果篡改的内 容涉及到国家安全、法庭举证、历史文献、医疗记录等重要数据，这类篡改可 能会造成不良的社会影响或导致重大的政治、经济损失。因而对多媒体信息的 真伪进行认证并实施必要的完整性保护，是一个亟待解决的问题【1 ，2 】。 数字图像是最为普遍的一种多媒体信息。数字图像以其直观易懂的特点， 已经成为我们工作和生活中最为重要的一种获取、发布信息的方式，而且随着 各种高质量、高精度的图像处理设备如：打印机、扫描仪、复印机、数码相机 的出现，以及大量的图像编辑软件如：a d o b ep h o t o s h o p 、m i c r o s o f tp a i n t 、p a i n t s h o pp r o 的普及应用，使得对数字图像的编辑、修改更加方便容易。因此对数 字图像进行真伪认证和完整信息保护是非常有必要的。 图像认证及完整性保护有着广泛的应用前景：在数码相机拍摄新闻图片的 时候，在相机中嵌入一个含认证算法的芯片，将有效的保证拍摄图片的真实性 和可靠性；在医疗上，它可以保证数字化后的医疗图片的真实性，作为处理医 疗纠纷的依据：它还可以用于电子商务和政务方面：或作为法庭的证据和应用 在军事图像上。本文主要研究的就是针对数字图像的内容认证技术。 1 2 课题研究现状 1 2 1 数字水印技术的研究现状 数字水印作为一项应实际需求而生的信息安全技术，得到了学术界、产业 界、国际标准化组织等各个方面的关注。无论是从理论研究、产品研制还是专 利获取等各个方面，我们都可以感受到水印正以不可估量的速度发展着【3 ，4 】。 近年来，水印技术得到了学术界的广泛重视。自1 9 9 4 年在国际重要学术会 西北师筢大学硕士学位论文第章绪论 议上由vs c h y n d e l 等人发表第一篇有关数字水印文章以后，时隔l o 年左右， 有关水印方面的论文已经可以用不计其数来形容。从发展的需要出发，1 9 9 6 年 学术界召开了第一届信息隐藏技术国际研讨会，到2 0 0 1 年会议已经举行了四 届。1 9 9 8 年以来， i e e e 图像处理( i e e e t r a n s a c t i o no n i m a g e p r o c e s s i n g ) 、 i e e e 会报( p r o c e e d i n g so f t h ei e e e ) 、i e e e 通信选题( i e e et r a n s a c t i o n o f is e l e c t e d a r e a so fc o m m u n i c a t i o n 、i e e e 消费电子学( i e e et r a n s a c t i o no nc o n s u m e r e l e c t r o n i c s ) 、 s p i e ) ) 等许多国际重要期刊也都组织了数字水印的技术专利获专 题新闻报道，如“s p i es e c u r i t ya n dw a t e r m a r k i n go f m u l t i m e d i ac o n t e n t s ，s a nj o s e ， c a , u s a ，j a n ，1 9 9 9 ”是s p i e 出的专门有多媒体信息安全与水印技术的会议文 集。i e e e 也曾出过两个专集，分别为：1 9 9 8 年5 月的“i e e ej o u r n a lo ns e l e c t e d a r e a so fc o m m u n i c a t i o nv 0 1 1 6 ”和1 9 9 7 年7 月的“p r o c e e d i n go ft h ei e e e ， v 0 1 8 7 ”。i e e e 的s i g n a lp r o c e s s i n g 在2 0 0 1 年6 月出版一卷水印专集，卷名为 “s p e c i a ls e c t i o no ni n f o r m a t i o nt h e o r e t i c 加伊c t so m i g i t a lw a t e r m a r k i n g ”。2 0 0 3 年1 月i e e es i g n a lp r o c e s s i n g 还将出版一期专集。此外欧洲、北美以及其他的 一些关于图像、多媒体研究方面的国际会议都有专门的数字水印讨论组。 在产业界，欧美和日本的有关厂商正在积极开发采用该技术的产品。1 9 9 6 年2 月美国a d o b es y s t e m 公司首先在图像处理软件a d o b ep h o t o s h o p4 o 中， 采用美国的d i g i m a r c 公司的技术面加入了数字水印模块，起到版权保护的功能。 1 9 9 9 年2 月，五大唱片公司：博得曼( b m g ) 、百代( e m i ) 、索尼( s o n y ) 、环宇 ( u m u s i c ) 和华纳( w b r ) 联合宣布与m m 合作，联合开发一个在因特网方便、 快速、安全发布数字视听产品的实验系统。2 0 0 1 年1 月d i g i m a r c 公司又宣布与 图形艺术的业界团体p r i n t i n gi n d u s t r i e so fa m e r i c a ( p i a ) 就电子水印技术联手合 作，在打印机中使用d i g i m a r c 的“m e d i ab r i d g e ”电子水印技术。2 0 0 1 年7 月， 富士通公司开发了“阶层型电子水印”技术，为其在因特网上实现电子博物馆 和电子美术馆系统“m u s e t h q u el i 曲t ”提供了安全保障。2 0 0 1 年5 月，美国 d i g i m a r c 、日立制作所、美国m a c r o v i s i o n 、n e c 、荷兰飞利普、先锋和索尼等 7 家公司成立了数字视频内容电子水印技术业界团体“v i d e ow a t e r m a r k i n g g r o u p ( v w mg r o u p ) ”。日立、n e c 、先锋、索尼一直在推行利用水印技术保 护d v d 版权的“银河( g a l a x y ) ”计划，而d i g i m a r c 、m a c r o v i s i o n 和飞利普则 在推行m i l l e n n i u m 技术。v w mg r o u p 计划向d v d 著作权管理协会d v d c c a ( c o p yc o n t r o la s s o c i a t i o n ) 在2 0 0 1 年5 月实施的技术评价工程“m a y2 0 0 1 西北师范大学硕士学位论文 第一章绪论 d v dc c a ”提交了v w mg r o u p 技术，该评价工程于2 0 0 1 年9 月份完成。 在美国，以麻省理工学院媒体实验室为代表的一批研究机构和企业已经申 请了数字水印方面的专利。1 9 9 8 年，美国政府报告中出现了第一份有关图像数 据隐藏的a d 报告。目前，已支持或开展数字水印研究的机构既有政府部门， 也有大学和知名企业，它们包括美国财政部、美国版权工作室、美国空军研究 院、美国陆军研究实验室、德国国家信息技术研究中心、日本n t t 信息与通信 系统研究中、麻省理工学院，伊利诺斯大学、明尼苏达大学、剑桥大学、瑞士 洛桑联邦工学院、西班牙v i g o 大学、i b m 公司w a t s o n 研究中心、微软公司剑 桥研究院、朗讯公司贝尔实验室、c a 公司、s o n y 公司、n e c 研究所以及荷兰 飞利普公司等。 我国学术界也有很多对数字水印技术的研究，已经有相当一批有实力的科 研机构投入到这一领域。为了促进数字水印及其他信息隐藏技术的研究和应用， 1 9 9 9 年1 2 月，我国第一届信息隐藏学术研讨会( c 珊w ) 在北京电子技术应 用研究所召开，2 0 0 0 年召开了第一届数字水印研讨会，国家“8 6 3 ”计划、“9 7 3 ” 项目( 国家重点基础研究发展规划) 、国家自然科学基金等都对数字水印的研究 有项目资金支持【5 】。 1 2 2 基于数字水印的图像认证技术的研究现状 目前国内外研究用于数字图像认证和完整性保护的方法有很多种，归结起 来可以分为两大类：基于密码学 6 】中数字签名技术的图像认证算法、基于脆弱 和半脆弱数字水印技术的图像认证算法。我们主要介绍基于数字水印的图像认 证技术。 对于基于数字水印的图像认证技术，国内外已经进行了大量的研究工作， 并取得了很多的成果。根据水印技术实现方法的不同，本文将基于数字水印的 图像认证算法分为空间域和变换域两大部分。 1 2 2 1 空间域图像认证算法 1 w a l t o n 提出的数字水印算法将所有像素值中的高7 位的校验和作为水印 信息【7 】。这种求校验和的算法实质上是一种特殊的h a s h 函数，在该算法中， 每一个字由8 个部分构成，每个部分又是由像素值的高7 位组成。根据校验和， 在图像中随机选取固定数目的像素，将每个像素值的最低位( l s b ) 用校验和中对 西北师范大学瑚士学位论文第一章绪论 应的一比特替换完成水印嵌入。认证时，只需检测图像的校验和与提取的水印 信息是否一致即可。嵌入水印的像素在嵌入后平均只有半数像素发生改变，所 以给算法能较好的保持图像的透明性。但校验和无法检测像素之间的交换，篡 改者可以通过替换图像l s b 平面来移除水印信息。 2 在文献【8 】中，f r i d r i e h 先将图像分成8 1 6 的图像块，对每个图像块计 算1 2 8 个像素中的7 个m s b 的h a s h 值，用相应的作为水印信息的二值标识块 进行异或操作，加密后嵌入同一图像块的l s b 平面上。其中，水印标识也被分 成8x1 6 的块，并携带原始图像信息、数字相机d 、著者i d ( p i n ) 、随机码等 信息，每个标识块前5 2 比特的像素值与下一个5 2 比特值相同，用后者构造认 证信息，通过比较前5 2 比特值与后5 2 比特值是否一致完成认证，同时可通过 阅读认证信息来了解篡改情况。该算法几乎对所有篡改攻击都有极好的检测效 果，但对于j p e g 压缩不具有鲁捧性。 3 准文献t 9 】中，c d i k 等人则在文献【l o 】的基础上，提出一种层式结构的 脆弱水印算法。该算法先将图像分块，并将这些图像块的集合定义为第一层， 对相邻的2 x 2 的图像块合成得到的图像块集合定义为第二层，依次类推。在每 一层上，对各个图像块中的7 个最高有效位加密形成数字签名( 或h a s h 函数) ， 并将数字签名嵌入选定的l s b 中完成水印嵌入。最低层的数字签名用来定位篡 改位置，高层的数字签名对v q 攻击极其敏感。该算法安全性高，认证时可分 层进行，对图像局部篡改检测效果极佳，但对于j p e g 压缩缺乏鲁棒性。 1 2 2 2 变换域图像认证算法 1 b h a t t a c h a 和k u t t e r 提出一种图像认证技术，通过一种尺度交互模型和墨 西哥草帽小波变换来提取重要的特征点，并利用这些特征点的位置来产生数字 签名 h i ，这些特征点在有损压缩的情况下保持相对稳定，通过比较原始图像和 被验证图像的特征点位置来判断图像的真实性。当压缩比较低时，如j p e g 2 0 0 0 压缩比小于5 ：l ，这种技术可以有效地验证图像的真实性。但如果压缩比继续升 高，虽然图像的视觉内容基本保持不变，特征点的坐标位置会发生很大的变化， 因为不能区分是有损压缩的结果还是内容篡改的结果，从而导致认证失败。 2 f r i d r i e h 提出了一种脆弱的自嵌入水印方法d 2 1 。f r i d r i c h 等人先对原始 图像的每个8 8 图像块进行d c t 变换，对应一定的品质因子，利用l p e g 量 化矩阵对d c t 低频系数分别进行量化，再对这些系数采用z i g z a g 扫描并进行 4 西北师范大学硕士学位论文第一章绪论 编码后，嵌入到图像的l s b 平面上。当认证失败时，还可以根据提取的水印信 息近似的复原图像。经算法重构的图像可视性强，但水印极其脆弱，图像l s b 平面上像素值发生任何微小的变化，都会使认证失败。 3 k u n d u r 提出了一种量化的脆弱水印算法【1 3 ，先对图像进行l 级小波分 解，利用密钥挑选需嵌入水印的小波系数，将这些小波系数用预定的量化步长 进行奇偶性量化后，与水印信息比较，若不等，利用量化步长调整小波系数。 提取时首先将待检测图像l 级分解后，对相应位置的小波系数量化，判断量化 系数的奇偶性，得出相应值，然后将提取结果与原始水印比较得到检测结果。 该方案可以检测不同分辨率下的水印篡改图像并能够实现对篡改的定位，并可 通过调节门限来降低虚警率。 4 f r i d d e h 曾提出了一种图像的自嵌入方法【1 4 】，将一幅图像的重要内容作 为水印嵌入其自身之中，从而能够在检测篡改的同时近似地恢复被篡改的内容。 但该算法的数据编码位长不够合理，因此恢复图像的质量不够好。张鸿宾等人 对f r i d d c h 的算法进行了改进【1 5 】，提高了恢复图像的质量，但是仍存在篡改 定位模糊的问题。 1 3 本文的研究内容和章节安排 本文主要研究基于数字水印的图像内容认证技术，目前基于小波变换的水 印算法研究是该领域的一个重要方向。本文在研究离散小波变换的基础上提出 了一个基于扩频调制技术的半脆弱水印算法，经过实验表明本算法具有较好的 篡改定位能力，并且水印提取过程不需要原始图像和原始水印。基于提升方案 的整数小波变换是2 0 世纪9 0 年代中期提出的，但一般基于小波域的水印算法 对嵌入频带的选择没有一个准确的定位，本文通过使用遗传算法( g a ) 来寻找优 化频带以嵌入特征水印。实验表明对于具体的原始图像，通过遗传算法进化训 练能够寻找到嵌入水印的优化频带，从而提高了水印的不可见性和鲁棒性。 本文在结构上作了如下安排： 第一章绪论，主要讲述课题研究的背景和意义，国内外研究的现状，本文 所做工作； 第二章基于数字水印的图像内容认证技术，本章主要介绍了数字水印的基 本原理，以及图像内容认证技术的分类、设计要求、关键问题和未来发展方向 等： 西北师范大学硕士学位论文第一章绪论 第三章基于扩频调制的图像内容选择性认证算法，本章着重分析了扩频调 制技术和离散小波变换的基本思想以及在图像处理和数字水印中的应用，并在 此基础上给出了半脆弱水印算法及其仿真实验； 第四章基于遗传算法的图像内容精确认证算法，本章分析了基于提升方案 的整数小波变换，以及遗传算法的原理和实现步骤，最后在此基础上给出了基 于遗传算法的整数小波域脆弱水印算法与仿真实验； 第五章对本文所做的工作进行了总结，并对数字水印的发展前景做了展 望。 6 西北师范大学颈士学位论文第二章基于数字水印的图像内容认证技术 第2 章基于数字水印的图像内容认证技术 2 1 数字水印技术的基本原理 2 1 1 数字水印的概念 数字水印是解决版权保护问题的有效方法之一，目前，学术界对数字水印 还没有公论的定义。简单的说，数字水印技术( d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ) 的基本思想 是在数字图像、音频和视频等数字产品中嵌入秘密的信息，以便保护数字产品 的版权、证明产品的真实可靠性、跟踪盗版行为或者提供产品的附加信息 1 6 1 。 其中的秘密信息可以是版权标志、用户序列号或者是产品相关信息。一般，它 需要经过适当的变换再嵌入到数字产品中，通常称变换后的秘密信息为数字水 印( d i g i t a lw a t e r m a r k ) ，通常可以定义水印为如下信号： w = h i 0 ，i = 0 ，l ，2 ，j | i 彳一1 ( 2 1 ) 式中，m 为水印序列的长度，d 代表值域。 通过以上的描述可以看出，数字水印就是永久镶嵌在其他数据( 宿主数据) 中具有可鉴别性的数字信号或模式，水印与宿主数据紧密结合并隐藏其中，成 为宿主数据不可分离的组成部分，而且不影响宿主数据的可用性。数字水印是 信息隐藏技术的最重要的一个分支，也是目前国际学术界研究的一个前沿热门 方向。它可以为计算机网络上的多媒体数据的版权保护问题等提供一个潜在的 有效解决办法。如果没有鲁棒性的要求，数字水印与信息隐藏从本质上来说是 完全一致的，在绝大多数情况下，我们希望添加的水印信息是不可察觉的，但 在某些使用可见数字水印的特定场合，版权保护标志不要求被隐藏，并且希望 攻击者在不破坏数据本身质量的情况下无法将水印去掉。数字水印技术发展的 源动力是为了提供多媒体数据的版权保护，但人们发现数字水印还具有一些其 他的重要应用，如数字文件的真伪鉴别、网络的秘密通信和隐含标注等。不同 的应用对数字水印的要求是不尽相同的，一股认为数字水印应具有如下特点： 1 ) 安全性 数字水印中的信息应该是安全的，难以被篡改或伪造，同时，应有较低的 虚警率。 7 西北师范大学硕士学位论文第二章基于数字永印的图像内容认证技术 2 ) 可证明性 数字水印应能对宿主数据的归属提供完全和可靠的证据。水印还可以用来 判别宿主数据是否受到保护，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。 3 ) 不可感知性 以图像作为宿主数据来说，不可感知性指的是视觉上的不可见性，即因嵌 入水印导致图像的变化对观察者的视觉系统来讲应该是不可察觉的，数字水印 的存在不应明显干扰被保护的数据，不影响被保护数据的正常使用。 4 ) 稳健性 数字水印必须难以被清除。当然从理论上讲，只要有足够的知识，任何水 印都可以被去掉。但是如果只得到部分信息，那么破坏水印将导致图像质量的 严重下降。特别的，一个实用的水印算法应该对信号处理、通常的几何变形， 以及恶意攻击具有稳健性，以图像作为宿主数据来说，它们通常包括：图像压 缩、滤波、图像量化、图像增强，以及几何失真等。 2 1 2 数字水印系统的基本框架 载体作品 水印信息 水印作品 检测到的 水印信息 图2 - 1 水印嵌入和检测的一般过程 通常，数字水印系统包含嵌入器和检测器两大部分( 如图2 1 ) 。嵌入器至 少具有两个输入量：一个是原始信息，它通过适当变换后作为待嵌入的水印信 号；另一个就是要在其中嵌入水印的载体作品。水印嵌入器的输入结果为含水 印的载体作品，通常用于传输和转录。之后这件水印作品或另一件未经过这个 嵌入器的作品可以作为水印检测器的输入量。大多数检测器尽可能地判断出水 印存在与否，若存在，则输出为所嵌入的水印信号 1 7 1 。 西北师范大学磺士学位论文第二章基于数字水印的图像内容认证技术 泵雨霜裾甄习 塑 囤霉圈毋圈：粤 倒 囱 际醺鞠期啊葡丽嘲同厕磊飘 !i 【鱼j! ! 图2 2 数字水印处理系统基本框架 图2 2 给出了数字水印处理系统基本框架的详细示意图。它可以定义为九 元体( 膨，x ，玎0 置，g ，e m ，a t ，d ，e x ) ，分别定义如下： 1 ) j i ，代表所有可能原始信息的集合。 2 ) x 代表所要保护的数字产品工的集合，即内容。 3 1 代表所有可能水印信号w 的集合。 4 ) 置代表水印密钥置的集合。 5 1g 表示利用原始信息m 、密钥k 和原始数字产品x 共同生成水印的算 法， ( 原始数字产品聋不一定参与水印生成过程，因此图中用虚线表示) 即： g ：m x x k j w ，w = g ( m ，x ，七) ( 2 - 2 ) 国e m 表示将水印w 嵌入数字产品x 中的嵌入算法，即： e m ：x w 斗x ，工”= e m ( x ，们 ( 2 3 ) 这里，工代表原始产品，代表含水印产品。为了提高安全性，有时在嵌入算 法中包含嵌入密钥。 7 ) m 表示对含水印产品的攻击算法，即： a t ：x k 斗x ，工= a t ( x ”，k 。) ( 2 4 ) 这里，k 表示攻击者伪造的密钥，x 表示被攻击后的含水印产品。 8 ) d 表示水印检测算法，即： d ：石。髟 o ，1 ) ，d ( 二，k ) ： 1如果：中存在w 日- ( 2 5 ) 1 0如果x o 不存在w ( h 。) 9 西北师范大学硕士学位论文第二章基于数字水印的图像内容认证技术 这罩，和凰代表二值假设，分别表示水印的有无。 9 1e x 表示水印提取算法，即： 戤：x k 寸w ，w = e x ( x ，k ) ( 2 - 6 ) 2 1 3 数字水印技术的应用 数字水印与其他技术的区别在于三个重要方面：首先，水印是不可感知的， 与条形码不同，水印不会破坏一幅图像的美观性；第二，水印与其嵌入的作品 密不可分，和头区段不同，当作品被显示或转化为其他文件格式时，水印不会 被消除：最后，水印将经历和作品完全相同的变换，这意味着通过查看得到的 水印可以获得有关那些变换的一些情况。正是这三个特性使水印在当前应用中 的价值无法估计 2 0 1 。 零印塞要有以下7 种应用领域： 1 ) 广播监控 广播监视是通过识别嵌入到作品中的水印来鉴别作品是何时何地被广播 的。例如：对实时广播电影的监视是要确定转播费用是否缴纳。有时广告客户 为了监控电视节目或广播电台是否按照协议进行了广告信息内容的发布及发布 次数，我们就可以在不同的时间段内的广告中加入不同的信息，以此来监视他 们的行为是否违反了协议。同时也可以用来监控一些电视节目或电台节目在别 的地方是否受到了非法使用等。水印具有其本身存在于内容之中的这一优点， 优于广播信号中特定片断的使用，因此它与广播设备的安装基础包括数模、 模数交换完全协调一致。其主要缺点是嵌入过程比在v b i ( 视频信号的垂直空 白间隔，v e r t i c a lb l a n k i n gi n t e r v a l ) 或文件头中安放数据更复杂，而且人们会担 心水印可能降低作品的视觉或听觉质量，尤其是内容创作者更是如此。 2 ) 所有者识别 文本的版权标记用于作品所有者识别时，存在一些限制。例如，版权标记 在复制时容易从文档中消除，甚至是在无意进行不正当行为的情况下。另一个 问题是，它可能会占据一部分图像空间，破坏原图像的美感，尽管可以让它不 那么喧宾夺主，例如把它放在图片一个不重要的角落，但是这样做会使它更容 易被剪掉。因为水印可以不被感知而且和其嵌入的作品密不可分，所以水印比 文本更适合于所有者鉴别。如果作品的用户拥有水印检测器，他们就能够识别 出含水印作品的所有者，即使用能够将文本版权标记去除的方法来改动它，水 o 西北师范大学硕士学位论文 第二章基于数字水印的图像内容认证技术 印也依然能够被检测到。 3 1 所有权验证 水印的优秀之处在于它不仅能鉴别版权所有者，而且能证明实际所有者。 这是文本版权标记所不能做到的事，因为它很容易伪造。人们使用水印来保护 版权，为了使所有权验证达到一定的安全级别，可能需要限制检测器的发放。 对手如果没有检测器，清除水印是相当困难的。 4 ) 交易跟踪 在此应用中，水印记录了带水印作品在复制过程中发生过的一步或更多步 操作。例如：水印可以记录谁合法购买了作品副本或是将副本分发给了谁。作 品的所有者或创作者会在每份副本中放置不同的水印。如果后来作品被滥用( 泄 露给出版社或非法再发行) ，所有者可查明该由谁负责。 5 ) 内容真伪鉴别 如今戗雉以察觉的方式对数字作品进行篡改已经变得越来越容易。解决这 一问题的一种普通加密途径是创建数字签名，本质上它是信息的加密摘要。如 果将经过篡改的消息同原始签名相对照，便会发现签名不符，说明消息被篡改 过。这些签名均为源数据，必须同所验证的信息一起传送，一旦签名遗失，信 息便无法再进行真伪鉴别。使用水印技术将签名嵌入作品中是一种比较好的解 决方法，这些被嵌入的数据通常是一些与介质内容或作者身份相关的信息，通 过验证提取数据的完整性来检测介质被篡改的情况。人们将这种被嵌入的签名 称作真伪鉴别印记。如果极微小的改动就能造成真伪鉴别印记失效，这种水印 便可称作“脆弱水印”。 研拷贝控制 迄今为止所讨论的水印的绝大多数应用仅在某人做错事后才发挥作用，毫 无疑问，更好的方法是去实际阻止非法行为。拷贝控制应用旨在防止人们制造 有版权内容的非法副本。最早和最强防止非法副本的防线是加密，然而密码保 护的主要弱点是：归根到底它必须在使用前解密，而一旦解密，所有保护功能 就丧失了。在拷贝控制的情况下，嵌入的水印标识某种复制控制和访问控制限 制，水印检测器通常集成在一个记录回放系统中，检测是通过使某种硬件或软 件产生动作( 例如使记录模式有效还是无效) 来得到实施。 7 1 设备控制 设备控制是指设备能够在检测到内容中的水印时做出反应。例如：d i g i m a r c 西北师范大学硕士学位论文第二章基于数字水印的图像内容认证技术 公司的m e d i a b r i d g e 系统可以把独特的标识符嵌入到印刷和发行的图像里，在 数字相机重新获取这些图像后，计算机上的m e d i a b r i d g e 软件读取水印，并使 用标识符指导网页浏览器连接相关网站。 2 1 4 数字水印技术的特性 每一种特性的相对重要性取决于实际应用的需要和水印的作用，甚至对水 印特性的解释也会随着应用场合的不同而变化。与水印嵌入过程有关的特性有： 有效性、逼真度和容量。与水印检测有关的特性有：盲检测与明检测、虚检率 和鲁棒性。另外的两个特性安全性和密钥是紧密相关的，因为密钥使用通 常是水印系统的内在安全属性的一个完整部分【2 0 】。 1 ) 嵌入有效性 含水印作品是指输入到检测器后能检测出水印的作品，根据这种水印作品 的定义，水印系统的有效性指的是嵌入器的输出被水印化的概率。即：有效性 就是嵌入水印后紧接着检测到水印的概率。在一些情况下，水印系统的有效性 可以通过分析确定，也可以根据在大型测试图像集合中嵌入水印的实际结果确 定。只要集合中的图像数目足够大而且同应用场合下的图像分布类似，输出图 像中检测出水印的百分比就可以近似为有效性的概率。 2 1 逼真度 一般而言，水印系统的逼真度指原始作品同其嵌入水印版本之间在感觉上 的相似程度。然而，在被人们看到之前，嵌入水印的作品会在传输过程中产生 畸变，这时用另一种逼真度定义会更加合适。即：原始作品和嵌入水印作品在 呈现给顾客时，两者之间在感觉上的相似程度。 3 1 容量 容量是指在单位时间或一幅作品中能嵌入水印编码的比特数。对照片而言， 数据有效载荷指的是在图像中编码的比特数；对音频而占，指的是每秒传输的 比特数；对于视频来说，则指的是每一帧的比特数或者是每秒的比特数。编码 长度为比特的水印称为- 比特水印，这样的系统可嵌入2 ”条不同的信息。 4 ) 盲检测与明检测 人们把那些不需要原始作品任何信息的检测器称为盲检测器。而人们将需 要原始不含水印的拷贝参与的检测器称作明检测器，这个名称也可指那些只需 要少量原始作品的遗留信息而不需要整件原始作品参与的监测器。水印系统使 西北师范大学硕士学位论文第二章基于数字水印的图像内容认证技术 用盲检测器还是明检测器取决于它的应用场合。明检测器只能用于那些可以得 到原始作品的场合。 5 ) 虚警率 虚警是指在实际不含水印的作品中检测出水印。虚警率是指在给定的检测 次数中，虚警发生的概率。有两种略微不同的方法定义虚警率，它们之间的区 别在于到底是把水印还是把载体作品看作是随机变量。在第一种定义下，虚警 率是指在给定一件作品和随机选定的多个水印的情况下，检测器报告作品中发 现水印的概率。在第二种定义下，虚警率是指在给定一个水印和随机选定的多 个作品的情况下，检测器报告作品中发现水印的概率。 6 ) 鲁棒性 鲁棒性指的是在经过常规的信号处理操作后，仍能够检测到水印的能力。 针对图像的常规操作的例子包括空间滤波、有损压缩、打印和扫描，以及几何 失真( 旋转、平移和缩放及其他) 等等。 n 安全性 安全性表现为水印能够抵抗恶意攻击的能力。恶意攻击指任何意在破坏水 印功用的行为。攻击主要有三大类型：未经授权的删除；未经授权的嵌入； 未经授权的检测。被看作是主动攻击，因为这些攻击修改了载体，而 被认为是被动攻击。 8 1 密码密钥和水印密钥 在密码学中，安全性通常由密钥来提供。密钥可以被看作是或多或少具有 随机性的比特序列。这些比特序列决定着信息是如何被加密的。在最简单的系 统中，用特定密钥加密的信息只能由这种密钥来解密。许多水印系统被设计成 用类似的方式来加密解密。在这样的系统中，密钥决定着水印中信息嵌入的方 法，并且只有匹配的密钥才能检测出水印。理想情况下，如果密钥未知，即使 己知水印算法，也不可能检测出作品中是否有水印。由于在嵌入和检测过程中 使用的密钥和密码学中的密钥所提供的安全性不同，人们经常在水印系统中使 用两种形式的密钥。也就是，先用一种密钥加密信息，然后再用另一种密钥进 行嵌入。为了区分这两种密钥，分别称为密码密钥和水印密钥。 9 ) 水印修改与多重水印 当水印被嵌入到作品中时，水印的传送者可能会关心水印的修改问题。在 一些应用场合修改水印是必须的。例如在拷贝控制中，广播内容会被标明“一 西北师范大学硕士学位论文第二章基于数字水印的图像内容认证技术 次拷贝”，经过录制后，则被标记为“禁止拷贝”。 在一件作品中嵌入多重水印的场合是交易跟踪领域。内容分送过程长包括 一些中间媒介直至最后到达使用者手中，拷贝标记上首先包括版权所有者的水 印，之后作品可能会分发到一些网站上，每份作品的拷贝都可能会嵌入唯一的 水印来标识每个分发者的信息。最后，每个网站都可能会在每件作品中嵌入唯 一的水印用来标识对应的购买者。 1 0 1 耗费 部署水印嵌入器和检测器的经济学问题极其复杂，并且依赖于相关的商业 模式【1 8 】。从技术角度看，两个主要关注的问题是执行嵌入和检测的速度，以 及需要部署的检测器和嵌入器的数目。其他的问题包括是否选择使用专门用途 的硬件、应用软件或插件来实现检测器和嵌入器。 石k 1 露数字水印豹攻击 若要把数字水印技术真正地应用到实际的版权保护、内容认证等领域，必 须要考虑的一个重要问题是系统可能受到的各种攻击。当然，不同的应用场合 有不同的抗攻击能力的要求。抗攻击能力是数字水印系统测评最重要的性能指 标。截至目前为止，还没有一个算法能够真正经得住攻击者的所有攻击。 2 1 5 1 数字水印攻击技术的分类 本文中对攻击的理解是广义的，即包括针对鲁棒性的常规信号处理操作， 针对安全性的恶意攻击以及针对水印应用系统的法律问题的攻击。据此，攻击 技术可以分为三大类： 1 ) 鲁棒性攻击 鲁棒性攻击是指含水印作品在检测器之前必须经历的或者可能经历的常规 信号处理操作。 2 1 安全性攻击 这种攻击指的是攻击者为了政治、经济或军事利益或者纯粹为了恶作剧而 对水印算法、水印密钥或者含水印作品所进行的各