（计算机科学与技术专业论文）结合小波与奇异值分解的数字图像水印算法研究.pdf

国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 摘要 数字水印是信息安全、版权保护等的重要手段，研究安全、鲁棒的水印技术 是一项具有挑战性的研究，有广泛的应用前景。 本文重点研究水印的安全性和鲁棒性。提出用混沌加密方式研究水印的加密 技术，详细分析了四个小波子带上奇异值性质，提出了两种在小波域子带中修改 奇异值系数的水印算法。 1 ) 基于d w t s v d ( d i s e r e t ew a v e l e tt r a n s f o i m s i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n ) 鲁 棒的图像水印嵌入与提取算法。 该方法通过把水印嵌入到图像经过一级小波变换后的四个子带上。通过原图像 小波变换后四个奇异值子带与水印图像的最大奇异值系数关系，自适应地嵌入水 印图像。实验表明，该算法能够抵抗各种常见攻击，尤其对复合攻击有很强的鲁 棒性。 2 ) 基于d w t s v d 的鲁棒盲水印算法。 该方法通过确定p s n r ( p e a ks i g n a lt on o i s er a t i o ) 建立水印嵌入强度和图像 质量的关系，使水印算法能确定水印的最优嵌入能量来量化变换域，以达到同时 满足图像的不可察觉性和鲁棒性，并能够实现盲提取，最后对量化嵌入算法进行 了误差分析。实验结果表明有很好的鲁棒性。 在水印的安全性方面，本文在深入研究图像的置乱技术的基础上，提出了一 种基于二值图像的混沌加密算法，给出了对二值图像的置乱度评价指标，实验表 明，混沌加密解密效率高、运算量不大、密钥量大，安全性好等优点。 最后，对本文中建立的算法用v i s u a lc + 十6 0 编程设计了一个数字图像水印处 理系统软件，主要用于进行数字图像的加密解密、水印的嵌入，提取与鲁棒性检 测实验等，测试验证本文算法的可行性与水印的鲁棒性。 主题词：数字水印二值图像置乱变换小波变换奇异值分解鲁棒性 第i 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 a b s t r a c t 功ed i g i t a l w a t e r m a r k i n g i sa l li m p o r t a n tm e a n st o p r o v i d e t h e c o p y r i g h t p r o t e c t i o n 、i n f o r m a t i o ns e c u r i t y ，t h e r e f o r et h er e s e a r c ho fs e c b r ea n dr o b u s td i g i t a l w a t e r m a r k i n gt e c h n i q u ei ss t i l lc h a l l e n g i n gr e s e a r c h , a l s or e m a i n sap o p u l a ra p p l i c a t i o n f o r e g r o u n d i ti si m p o r t a n tt ds t u d ym o r es e c n r ea n dr o b u s tw a t e r m a r ki nt h i sp a p e r f i r s t l y ， t h i sp a p e rp u tf o r w a r d sa ni m a g ee n c r y p t i o na l g o r i t h mb a s e do nc h a o t i cb i n a r y s e q u e n c e s ，w h i c hh a sw e l le f f e c tt oe n c r y p tw a t e r m a r kp i c t u r e s e c o n d l y ，w ep r e s e n t t w oh y b r i ds c h e m eb a s e do nt h ed i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o r m ( d w t ) a n ds i n g u l a rv a l u e d e c o m p o s i t i o n ( s v d ) b ym e a 1 1 so ft h ea n a l y s i so ff e a t u r e so fw a v e l e ts u b - b l o c k s s i n g u l a rv a l u ea n di n f l u e n c ed e g r e eb e t w e e nt h ec o m m o n l yu s e di m a g ep r o c e s s i n g t e c h n i q u ea n dn o i s ei n t e r f e r e n c e 1 ) b a s e do nt h ea l g o r i t h mo fd w t - s v dr o b u s tw a t e r m a r ki m a g ee m b e d d i n ga n d e x t r a c t i n g d e c o m p o s i n gt h ec o v e ri m a g ei n t of o u rb a n d s ，w ea p p l yt h es v d t oe a c hb a n d ， a n de m b e dt h es a m ew a t e r m a r kd a t ab ym o d i f y i n gt h es i n g u l a rv a l u e s m o d i f i c a t i o ni n a l lf r e q u e n c i e sa l l o w st h ed e v e l o p m e n to faw a t e r m a r k i n gs c h e m et h a ti sr o b u s tt oa w i d er a n g eo fa t t a c k s w eo b s e r v e dt h a tt h es c a l i n gf a c t o rc a nb ec h o s e nf r o maf a i r l y 、析d er a n g eo f v a l u e sf o rl l ，a n da l s of o rt h eo t h e rt h r e eb a n d s ，t h es c a l i n gf a c t o rc a nb e c h o s e na c c o r d i n gt ot h er e l a t i o no fm a x i ms i n g u l a rv a l u ec o e f f i c i e n tb e t w e e n s u b b l o c k sa n dw a t e r m a r k e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h ea l g o r i t h mc a nr e s i s t a l l k i n d so f c l a s s i c a la t t a c k s ，s p e c i a l l y ，t h es t r o n gr o b u s t n e s sf o ra n t i c o m p o u n da t t a c k s 2 1r o b u s tb l i n dw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mb a s e do nd w t s v d d w t s v dd o m a i nw a t e r m a r l d n gi sp u tf o r w a r db yt h ep i c t u r ep s n ra n a l y s i sa n d q u a n t i z a t i o nw a t e r m a r k se r r o ra n a l y s i s w ec a nd e t e r m i n et h eb e s te n e r g yo rc a p a c i t yt o b ea d d e dt ot h eo r i g i n a li m a g e e x p e r i m e n t sa n da t t a c k st e s ts h o wt h a tt h ea l g o r i t h mh a s g o o dr o b u s t n e s s i no r d e rt oe n $ u r et h es e c u f i t yo ft h ew a t e r m a r ks y s t e m ，t h i sp a p e rg i v e sa ni m a g e e n c r y p t i o na l g o r i t h mb a s e do nc h a o t i cb i n a r ys e q u e n c e s ，a l s oi m p r o v e sa l g o r i t h mo f g r a yd i s t a n c et 0e v a l u a t et h ee f f e c to fb i n a r yi m a g ee n c r y p t i o n b ye x p e r i m e n t i n go n c h a o t i cs e q u e n c es e n s i t i v i t yo nt h e i ri n i t i a lc o n d i t i o n ，t h es c r a m b l i n go fd i s t a n c ep i x e l s ， a n dt h ee n c r y p t i n ga n dd e - e n c r y p t i n gs p e e do fi m a g e s ，t h er e s u l ts h o w st h a tt h e e n c r y p t i o na l g o r i t h me f f e c t i sg o o da n dl o wc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t ya n dh i g h s e c u r i t y f i n a l l y b a s e do nt h ep r o p o s e ds c h e m ea n dm i c r o s o f tv i s u a lc + + 6 0e n v i r o n m e n t ， w eh a v ed e s i g n e dac o r r e s p o n d i n gs o f t w a r es y s t e mf o rw a t e r m a r ke m b e d d i n g ， w a t e r m a r ke x t r a c t i n g ，i m a g ee n c r y p t i o n ，d e e n c r y p t i n ga n dw a t a r m a r kr o b u s t n e s s 第i i 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 d e t e c t i n g ，e t c 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 ，b i n a r yi m a g e ，s c r a m b l i n gt r a n s f o r m a t i o n , d i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o r m 。s i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n , r o b u s t n e s s 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 表目录 表3 1 图像处理对l e n a 各级小波子图的影响2 l 表3 2 图像处理对l e n a 各级小波子图的奇异值影响2 l 表4 1 各种置乱度评价表2 7 表4 2 测试图像加密、解密速度表2 7 表5 1 六种测试图像小波域各个子带的最大奇异值3 0 表5 2 典型水印嵌入实验效果比较( p s n r ) 3 4 表5 3 几何攻击实验检测结果3 8 表5 4 其它攻击实验检测结果3 9 表5 5 在j p e g 有损压缩不同q f 情况下n c 值4 6 表5 6 滤波攻击下提取水印的n c 值4 7 袭5 7 各种噪声攻击下提取水印的n c 值4 8 表6 1 图像格式5 6 第r v 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 图目录 图2 1 水印信号嵌入 图2 2 水印信号恢复 图2 3 水印信号检测9 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图4 1 图5 1 图5 2 图5 3 小波分解示意图 小波反变换示意图 1 9 1 9 小波三级分解结构示意图1 9 l e n a 图像小波二级分解结构图2 0 混沌二值图加密图2 6 小波域各个子带的奇异值变化趋势图3 0 宿主图像 水印图像 图5 4 含水印的图像 3 3 3 4 图5 5 四个子带提取的水印图像3 5 图5 6 对含水印图像压缩和锐化3 5 图5 7 图像j p e g 压缩后从小波子带提取水印3 6 图5 8 图像j p e g 2 0 0 0 压缩后从小波予带提取水印3 6 图5 9 图像锐化后小波子带提取水印3 6 图5 1 0 对含水印图像高斯噪声、椒盐噪声、马赛克攻击3 7 图5 1l 高斯噪声后小波子带提取水印3 7 图5 1 2 椒盐噪声后小波子带提取水印3 7 图5 1 3 马赛克攻击后小波子带提取水印3 7 图5 1 4 水印图像和加密水印图像4 6 图5 1 5 宿主图像和含水印图像4 6 图5 1 6j p e g 有损压缩不同q f 情况下提取水印图4 7 图5 1 7j p e g 2 0 0 0 有损压缩不同q f 情况下提取水印图4 7 图6 1水印系统主要功能模块图4 9 图6 2 显示图像 图6 3 嵌入水印界面5 7 图6 4 提取水印界面 图6 5 鲁棒性检测水印界面5 8 第v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本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，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术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 学位论文题目：筮佥：遂皇童是焦金簋鲤墼室匿篮盔叠笺鎏珏荭 学位论文作者签名：日期：易彩年t 月，弓日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解囤防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；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 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目 学位论文作者签名：杨舰日期：彩年，月，匆 作者指导教师签名：丝丝 日期：力诺年，月，；日 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 网络技术和数字多媒体技术的迅猛发展，数字形式的照片、绘画、语音，文 本、视频等产品在最近十多年已经非常普遍。同时，以i n t e m e t 为先锋的网络化浪 潮更是席卷全球；然而，伴随着数字技术和网络化的发展，快捷、准确、廉价的 数字传输手段在为无数商家带来无限机遇，同时，也提出了新的挑战数字产 品( 如电子出版物、音频、视频、动画和图像产品等) 的侵权、盗版和随意篡改。 这也正是许多出版商面对信息网络销售模式依然犹豫不决的最主要原因之一，从 而就引发出数字信息安全问题和数字产品版权保护问题。数字水印技术正是在这 样的环境下应运而生，它被视为信息安全的最后一道防线，己引起学术界、企业界 以及政府部门的广泛关注【l 捌。其中，如何防止数字产品被侵权、盗版和随意篡改 已经成为世界各国亟待解决的热门课题m 。国际上还成立了一些专门的机构，如： 拷贝保护技术工作组( c p t w g ，c o p yp r o t e c t i o nt e c h n o l o g yw o r kg r o u p - ) 开始致 力于基于d v d 视频版权保护研究，安全数字音乐创始( s d m i 。s e c u r ed i g i t a lm u s i c i n i t i a t i v e ) 从1 9 9 9 年开始研究音频版权保护1 7 1 ，数字水印便是其中的核心关键技术。 数字水印技术也称数据隐藏【7 ，8 l ，就是将代表数字作品著作权人身份的特定信 息、用户指定的标志或序列码等水印信息按照某种方式嵌入被保护的作品中，在 产生版权纠纷时，通过相应的算法提取出水印，从而验证版权的归属。被保护的 作品可以是任何一种数字媒体，如软件、图像、音频、视频或文档等。 国际学术界陆续发表了许多关于数字水印技术方面的文章，几个有影响的国 际会议肛i o 及一些国际权威学术期刊相继出版了有关数字水印技术的专题。1 9 9 6 年5 月，国际第一届信息隐藏学术讨论会( i n t e r n a t i o n a li n f o r m a t i o nh i d i n g w o r k s h o p ，m w ) 在英国剑桥牛顿研究所召开，至今信息隐藏学术讨论会己举办了 多届。在1 9 9 9 年第三届信息隐藏国际学术研讨会上，数字水印成为主旋律。1 9 9 8 年的国际图像处理大会( i c i p ) 上，还开辟了两个关于数字水印的专题讨论。由 m a r t i nk u t t e r 创建的w a t e n n a r k i n g w o r l d 已成为一个关于数字水印的著名网上论 坛。 在9 0 年代末期许多公司开始销售数字水印产品。在图像水印方面，美国的 d i g i m a r c 公司【l l j 率先推出了第一个商用数字水印软件，而后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 dd r a w 图像处理软件中。该公司还推出 了媒体桥( m e d i a b r i d g e ) 技术，利用这项技术用户只要将含有d i g i m a r c 水印信息 的图片放在网络摄像机( w e bc a m e r a ) 前，媒体桥技术就可以直接将用户带到与 第l 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 图像内容相关联的网络站点。a l p v i s i o n 公司【1 2 1 推出的l a v e l i t 软件，能够在任何扫 描的图片中隐藏若干字符，这些字符标记可以作为原始文件出处的证明，也就是 说，任何电子图片。无论是用于w o r d 文档、出版物，还是电子邮件或者网页，都 可以借助于隐藏的标记知道它的原始出处。a l p v i s i o n 的s a f e p a p e r 是专为打印文 档设计的安全产品，它将水印信息隐藏到纸的背面，以此来证明该文档的真伪。 s a f e p a p e r 可用于证明一份文件是否为指定的公司或组织所打印，如医疗处方、法 律文书、契约等；还可以将一些重要或秘密的信息，如商标、专利、名字、金额 等隐藏到数字水印中。欧洲电子产业界和有关大学协作开发了采用数字水印技术 来监视复制音像软件的监视系统，以防止数字广播业者的不正当复制行为。该开 发计划名称为 t a l i s m a n ( t r a c i n ga u t h o r s r i g h t sb vl a b e l i n gi m a g es e r v i c ea n d m o n i t o r i n ga c c e s sn e t w o r k s ) ) 【i ”。此开发计划作为欧洲电子产业界等组织的欧共 体项目于1 9 9 5 年9 月开始进行，1 9 9 8 年8 月结束，法国、比利时、德国、西班牙、 意大利和瑞士等在内的1 1 个通信与广播业者、研究单位和大学参加。 到目前为止，数字水印技术从研究方向上看主要涉及图像数字水印【1 0 】、音 频数字水印【2 1 5 1 、视频数字水印【2 6 2 引、文本数字水印1 2 9 - 3 0 l 、软件数字水印【3 1 1 、三 维网格数字水印1 3 2 和关系数据库数字水印d 3 1 等七个方面。其中大部分的水印研究 与论文都集中在图像数字水印的研究上。其原因在于图像是最基本的多媒体数据， 且互联网的发展为图像水印的应用提供了直接大量的应用需求。另外视频水印也 吸引了一些研究人员，由于视频可以看成时空域上的连续图像序列，从某种意义 上讲，它与图像水印的原理类似，许多图像水印的研究结果可以直接应用于视频 水印上。但两者有一个重要的差别在于处理信号的数量级上，特别是视频水印需 要考虑实时性问题。 数字水印的基础研究主要集中在鲁棒水印算法 3 4 1 、水印容量【3 5 1 等方面。9 0 年 代中期，采用通信理论模型，将对原始图像的有意无意的攻击看作噪声，特别是 将扩频通信理论引入后，水印的鲁棒性大大提高，随后提出结合感知模型、自适 应的鲁棒水印算法。在不同鲁棒性算法中，水印容量分析相当重要，因为这是应 用中首先需要明确的问题。目前结合信息论、通信理论、分析容量范围、成为了 当前研究热点。 就研究对象而言，数字水印主要包含以下几个方面：算法设计、鲁棒性与攻 击方法研究、版权证明和水印唯一性的解决方案等。很多水印算法事实上非常相 似，只是在水印的设计、水印的嵌入以及检测方法上有不同之处。在水印算法的 设计过程中鲁棒性问题是需要考虑的一个极为重要的因素，有大量文章探讨了如 何提高水印的鲁棒性并能够承受大量的、不同的物理和几何失真，包括有意的( 如 恶意攻击) 或无意的( 如图像压缩、滤波、扫描与复印、噪声污染、尺寸变化等 第2 页 i 雪防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 等) 两种方式。另外版权证明和水印唯一性的研究也开始受到研究人员的重视， 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唯一证据。 研究稳健性更好的水印算法仍是数字水印的重点发展方向【3 6 1 ，但在提高算法 稳健性的同时应当结合人类视觉特点和听觉特点 3 7 , 3 8 l ，以保持较好的不可见性及 有较大的信息容量。另外，应注意自适应思想以及一些新的信号处理算法在水印 算法中的应用【3 9 4 0 - - 4 2 1 ，如分形编码、混沌编码等。 在网络的信息技术及电子商务迅速发展的今天，水印技术的研究更具有重要 意义。数字水印技术将对保护各种形式的数字产品起到非常重要作用，但必须认 识到数字水印技术并非是万能的，必须配合密码学技术及认证技术、数字签名、 模式识别等技术一起使用。一个实用的数字水印方案必须有这些技术的配合才能 抵抗各种攻击，构成完整的数字产品版权保护的解决方案。 1 2 应用背景 数字水印的提出是为了保护版权，然而随着数字水印技术的发展，人们已经 发现了水印更多更广的应用。目前，数字水印技术的应用大体上可以分为版权保 护、数字指纹、认证和完整性校验、内容标识和隐藏标识、使用控制、内容保护、 安全不可见通信等几个方面【2 h 】，下面对一些常见的应用分别加以简单介绍： 版权保护：当数字水印应用于版权保护时，其潜在的应用市场有：电子商务、 在线( 或离线) 分发多媒体内容以及大规模的广播服务。潜在的用户则有：数字产品 的创造者和提供者；电子商务和图像软件的供应商；数字图像、视频摄录机、数 字照相机和d v d 的制造者等。 数字指纹：为了避免数字产品被非法复制和散发，作者可在其每个产品拷贝 中分别嵌入不同的水印( 称为数字指纹) 。如果发现了未经授权的拷贝，则通过检索 指纹来追踪其来源。在此类应用中，水印必须是不可见的，而且能抵抗恶意的擦 除、伪造以及合谋攻击等。 认证和完整性校验：在许多应用中，需要验证数字内容未被修改或假冒。尽 管数字产品的认证可通过传统的密码技术来完成，但利用数字水印来进行认证和 完整性校验的优点在于。认证同内容是密不可分的，因此简化了处理过程。当对 插入了水印的数字内容进行检验时，必须用唯一的与数据内容相关的密钥提取出 水印，然后通过检验提取出的水印完整性来检验数字内容的完整性。数字水印在 认证方面的应用主要集中在电子商务和多媒体产品分发至终端用户等领域。 内容标识和隐藏标识：此类应用中，插入的水印信息构成一个注释，提供有 关数字产品内容的进一步信息。数字水印可用于隐藏标识和标签，可在医学、制 图、多媒体索引和基于内容的检索等领域得到应用。 第3 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 使用控制：在特定的应用系统中，多媒体内容需要特殊的硬件来拷贝和观看 使用，插入水印来标识允许的拷贝数，每拷贝一份，进行拷贝的硬件会修改水印 内容，将允许的拷贝数减一，以防止大规模的盗版。 内容保护：在一些特定应用中，数字产品的所有者可能会希望要出售的数字 产品能被公开自由地预览，以尽可能多地招徕潜在的顾客，但也需要防止这些预 览的内容被他人用于商业目的，因此，这些预览内容被自动加上可见的但同样难 以除去的水印。 对水印技术的要求随着应用的不同而不同，针对不同的应用，采用的技术也 不一样。一个水印方案很难满足所有应用的所有要求，因此，数字水印算法往往 是针对某类应用而设计的。 1 3 课题目标 本次毕业论文研究课题预期达到以下目标： 1 以水印安全性为目的，研究了水印的图像置乱技术，提出了一种基于二值 图像的混沌加密算法，给出了对二值图像的置乱度评价指标，并对该算法给出新 的图像置乱度的评价指标，并通过实验证明该算法的优越性： 2 以水印鲁棒性和不可见性为目的，基于d w t s v d 特性，依各个小波子带 与水印图像的最大奇异值系数关系，自适应地嵌入水印图像，设计出基于 d w t - s v d 鲁棒的图像水印嵌入与提取算法； 3 通过确定p s n r 建立水印嵌入强度和图像质量的关系，使水印算法能确定 水印的最优嵌入能量来量化变换域，以达到同时满足图像的不可察觉性和鲁棒性， 设计出基于d w t s v d 鲁棒盲水印算法： 4 在上述研究的基础上，基于m i c r o s o f t v i s u a lc + + 6 0 开发平台，实现图像 水印处理系统。 1 4 本文的研究内容与结构 根据前面提出的研究方向和预期达到的目标，提出了两种新的基于d w t - s v d 的鲁棒水印嵌入方案，本文的主要研究内容如下： 1 探讨了数字水印技术的研究与应用现状；分析了离散小波变换技术和奇异 值分解技术在图像处理中的特点及其应用，得出图像处理对各级小波子图和奇异 值系数影响的的评价方法，以指导水印的嵌入。 2 研究了二值图像的特征，深入分析了混沌的特性，提出了一种基于二值图 像的混沌加密算法，给出了对二值图像的置乱度评价指标： 第4 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 3 。通过深入分析小波域奇异值的特性，设计出基于d w t s v d 鲁棒的图像水 印嵌入与提取算法： 4 给出基于d w t s 的最大奇异值量化水印的误差分析，对最大奇异值进 行量化嵌入水印，通过量化模型嵌入水印的图像质量分析，并对量化嵌入算法进 行了误差分析，建立计算p s n r 与水印嵌入强度和图像质量的关系，使水印算法 能确定水印的最优嵌入能量来量化变换域，以达到同时满足图像的不可察觉性和 鲁棒性，并能够实现盲提取。 5 算法的程序实现：根据提出的水印算法模型，利用v i s u a lc + + 6 0 编程实 现，设计软件，实现课题既定的目标。 本论文的结构如下： l - 第一章简要介绍数字水印的研究背景、应用背景、课题目标、及本文的组 织结构与研究成果。 2 第二章对当前数字水印技术作了一个较全面的概述。 3 第三章介绍数字水印算法设计与实现的相关理论基础，得出图像处理对各 级小波子图和奇异值系数影响的的评价方法。 4 第四章提出了一种基于二值图像的混沌加密算法，给出了对二值图像的置 乱度评价指标，实验表明该算法是高效的，水印的安全性加强。 5 第五章设计出基于d w t s v d 鲁棒的图像水印嵌入与提取算法；还设计出 了一种基于d w t s v d 的图像鲁棒盲水印算法，采用一些常见的图像处理和其它 攻击手段对水印系统进行攻击实验，用实验证明设计出的水印算法的可行性与抗 攻击性能。 6 第六章介绍用v c 开发的图像水印处理系统的主要界面及其功能。 7 第七章是全文的结束语，主要是对全文的一个工作总结和对今后的工作展 望。 1 5 本文的研究成果 本文对结合d w t 与s v d 的图像水印算法进行了深入的研究，并运用混沌理 论加密水印图像，在此基础上设计了相应的水印系统，并在m i c r o s o f tv i s u a lc + + 6 o 平台上加以实现。同时，通过对该系统进行大量的水印嵌入、提取与鲁棒性检 测试验，验证了水印嵌入的不可见性和鲁棒性。在研究期间，以第一作者在计 算机应用研究、微计算机信息、计算机工程与设计、电脑编程技巧 与维护、微机发展、湖南城市学院学报等期刊上发表相关论文六篇( 见 本文附录) 。 第5 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第二章数字水印概述 本章对当前数字水印技术的原理特点、典型方案、攻击方法作了一个概述， 分类讨论了数字水印的应用与研究现状以及发展中存在的问题，提出了数字水印 今后的研究发展方向。 2 1 数字水印的原理与基本特征 不同的应用对数字水印的要求不尽相同，一般认为数字水印应具有如下特点 【l 5 | ： 可证明性：水印应能为受到版权保护的信息产品的归属提供完全可靠的证 据。水印算法能够将所有者的有关信息( 如注册的用户号码、产品标志或有意义 的文字、图像等) 嵌入到被保护的对象中，并在需要的时候将这些信息提取出来。 水印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、版权认证等。这实际上也是发展水印技术的基本动力。 不可感知性：不可感知性是指视觉或听觉上的不可感知性，即指因嵌入水 印导致载体数据的变换对于观察者的视觉或听觉系统来讲应该是不可察觉的，最 理想的情况是含水印图像与原始载体在视觉上是一模一样的，这是绝大多数水印 算法所应达到的要求。 稳健性：稳健性是指水印应该能够承受大量的物理和几何失真，包括有意 的( 如恶意攻击) 或无意的( 如图像压缩、滤波、打印、扫描与复印、噪声污染、 尺寸变换等等) 。显然在经过这些操作后，稳健的水印算法应仍能从水印载体中 提取出嵌入的水印或证明水印的存在。 安全性：指水印信息隐藏的位置及内容不为人所知。这需要对水印进行预 处理( 如置乱或加密等) ，并采用隐蔽的算法。 自恢复性：由于经过一些操作或变换后，可能会使原图产生较大的破坏， 如果只从留下的片段数据，仍能恢复隐藏信号，而且恢复过程不需要宿主信号， 这就是所谓的自恢复性。 由于水印特性的要求对应用的依赖型很强，恰当的评价准则和具体的应用有 关。许多文献中讨论的数字水印可能不具备上述特点，或者只具备部分上述特点， 这里我们讨论更广泛意义上的水印。 2 2 数字水印的分类及其研究现状 近几年来，国内外研究人员都热衷于数字水印的研究，提出了许多算法和解 第6 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 决方案，取得了很大的进步，有些技术已经应用于商业目的。下面根据目前已经 提出的数字水印算法的不同分类进行讨论，以便对数字水印算法的研究现状进行 全面了解和掌握。 1 按水印嵌入的方法分类 数字水印根据嵌入方法的不同可分为两大类：空域水印和变换域水印。较早 的水印算法从本质上来说都是空域上的，水印直接加载在原始载体作品的数据上 岬“】。空域水印最典型的算法就是最低有效位方法( l s b ：l e a s ts i g n i f i c a n tb i t s ) 。 基于变换域的技术是先将作品做某种变换，然后把水印嵌入到作品的变换域( 如 d c t 域，d w t 域等) 中瞄 4 2 1 。从目前的情况看，变换域方法正变得日益普遍并 以小波变换的水印算法研究最热。相对于空域方法而言，变换域方法通常都具有 更好的鲁棒性。 2 按水印的可见性分类 数字水印按其在载体作品中的可见性可分为两大类：可见水印和不可见水印。 有线电视频道上所特有的半透明标识就是一种典型的可见水印，其主要目的在于 明确标识版权、防止非法使用。而不可见水印将水印隐藏，视觉上不可见，目的 是为了将来起诉非法使用者时作为起诉的证据，保护原创作者和所有者的版权。 目前主要研究的是不可见水印。 不可见水印根据鲁棒性还可细分为鲁棒的不可见水印和脆弱的不可见水印。 鲁棒的不可见水印要能经受绝大部分攻击操作，它是保证信息安全和版权保护最 主要的水印形式，也是目前乃至将来研究的重点。脆弱不可见水印的特点是原始 作品经处理后，所加载的水印就会被改变或毁掉。脆弱的不可见水印往往用在证 明数字作品的真实性，检测或确定作品内容的改动等方面的应用。 3 按水印的检测方法分类 ( 1 ) 秘密水印和公开水印。在检测水印时，如果检测中需要参考未加水印的原 始作品，则称为秘密水印方案【4 扣蜘。反之，如果检测中无需参考未加水印的原始 作品，则就称为公开水印方案【4 5 q 7 j 。由于未嵌入水印的原始作品只掌握在所有权 人手中，为了检测的方便一般宜采用公开水印方案。 ( 2 ) 私钥水印和公钥水印。私钥水印方案在嵌入水印和检测水印过程中采用同 一密钥。因此，需要在发送和接收双方之间有一安全通道以确保密钥的安全传送。 而公钥水印则在水印的嵌入和检测过程中采用不同的密钥，由所有者用一个秘密 的密钥嵌入水印，嵌入水印后的作品可由任何知道公开密钥的人来进行检测。也 就是说只有所有者可以嵌入水印，但任何人都可以进行水印的提取或检测。私钥 水印方案容易实现，但真正意义上的公钥水印方案的实现却相对比较困难，这方 面还有很多研究工作要做。 第7 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 4 按水印的载体分类 ( i ) 图像数字水印技术。到目前为止，图像数字水印是研究得最多也是最为成 熟的。很多其它媒体的水印技术都是在图像数字水印的基础上发展起来的。常见 的算法有基于空域的最低有效位方法( l s b ) 、纹理块映射编码方法、p a t c h w o r k 方法、文档结构微调方法和基于i x y r 或d w t 等变换域的方法。其中有很多算法 还结合了人类视觉模型( h u m a nv i s u a lm o d e l ) ，此类水印主要用于数字图像的版 权保护。 ( 2 ) 音频数字水印技术。音频水印技术主要集中于研究低比特位编码、相位编 码、基于扩展频谱编码和回声隐藏等四个方面【2 ，3 。另外还提出很多基于人类听觉 模型( h u m a na u d i om o d e l ) 5 7 l 的水印算法。音频水印主要用于网上音乐等音频数 字作品的版权保护。 ( 3 ) 视频数字水印技术。视频水印技术方面，提出的算法一般是直接将水印数 据嵌入视频流或压缩视频流中【4 5 捌，或采用基于d c t 、d w t 等变换域并结合各种 人类视觉模型的方法等。总体而言，后者具有较好的鲁棒性。如文献【4 5 】就提出一 种基于人类视觉模型和小波变换的盲视频水印算法，该算法对于旋转、缩放和剪 切等几何攻击以及m p e g 2 压缩都具有较强的鲁棒性。视频水印主要用于网上电 影等视频数字作品的版权保护。 ( 4 ) 文本数字水印技术。这里的文本通常是指图像文本，严格说来它也属于图 像，但却独具特色。其水印信息通过轻微调整文本中的行距、字距、文字特性( 如 字体) 等来完成编码。文本水印可以抵抗一些文档操作，如照相和扫描复制，但 很容易被破坏，而且仅适用于文档图像类。 ( 5 ) 关系数据库数字水印技术。目前，由于关系数据库数据本身的特殊性，这 方面的研究不像其它媒体数字水印技术研究那么活跃。尤其是国内研究很少。 ( 6 ) 软件数字水印技术。软件水印就是把程序的版权信息和用户身份信息嵌入 到程序中，它是一种比软件加密更具优越性的全新的软件保护技术【4 1 1 。现有的软 件水印算法主要有：动态图水印算法，虚构条件水印算法和矢量提取水印算法。 目前美国在软件水印方面已经申请了4 项专利，还有新西兰的a u c k l a n d 、日本的 o s a k a 等大学在做这方面的研究工作 从以上我们的分类介绍来看，国内外学术界已经掀起了水印研究的热潮。而 且有关水印的文献还在大幅度增长，相关的研讨会议也是越来越多，一些商业机 构己把一些水印系统投入到了商业运营，一些国际标准项目( 如欧洲的t a l i s m a n 和o c t a l i s 项目) 也已启动发展实用的数字水印算法，m p e g - 4 数字视频压缩标 准和d v d 工业标准也采用了水印机制。这些都说明我们在水印方面的研究已经取 得了一定的成果并向着标准化和商用化发展。 第8 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 2 3 数字水印的一般框架与典型算法 一个数字水印方案一般包括三个基本方面：水印的生成、水印的嵌入和水印 的提取或检测。数字水印技术实际上是通过对水印载体媒质的分析、嵌入信息的 预处理、信息嵌入点的选择、嵌入方式的设计、嵌入调制的控制等几个相关技术 环节进行合理优化，寻求满足不可感知性、安全可靠性、稳健性等诸条件约束下 的准最优化设计问题。而作为水印信息的重要组成部分密钥，则是每个设计 方案的一个重要特色所在。往往可以在信息预处理、嵌入点的选择和调制控制等 不同环节入手完成密钥的嵌入。 数字水印一般过程基本框架示意图，如图2 1 和图2 2 和图2 3 所示。 图2 1 水印信号嵌入 图2 2 水印信号恢复 图2 3 水印信号检测 第9 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 上图展示了水印的嵌入过程。该系统的输入是水印信息、原始载体数据，和 一个可选的私钥公钥k 。其中水印信息可以是任何形式的数据，如随机序列或伪 随机序列、字符或栅格、二值图像、灰度图像或彩色图像、3 d 图像等等。水印生 成算法g 应保证水印的唯一性、有效性、不可逆性等属性。水印信息w 可由伪随 机数发生器生成，另外基于混沌的水印生成方法也具有很好的保密特性。密钥k 可 用来加强安全性，以避免未授权的恢复和修复水印。所有的实用系统必须使用一 个密钥，有的甚至使用几个密钥的组合。 水印的嵌入算法很多，从总的来看可以分为空间域算法和变换域算法。具体 算法我将在后面详细介绍。由上图可以定义水印嵌入过程的通用公式： i ，= e ( i ，w ，足) ( 2 1 ) 其中岛表示嵌入水印后的数据( 即水印载体数据) ，i 表示原始载体数据，形 表示水印集合，x 表示密钥集合。这里密钥k 是可选项，一般用于水印信号的再生。 可以定义水印检测过程的通用公式为； 有原始载体数据，时：旷= d ( 0 ，i ，k ) 有原始水印w 时：旷= d ( 0 ，w ，幻 没有原始信息时：矿= d ( 0 ，k ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 其中，矿表示估计水印，d 为水印检测算法，0 表示在传输过程中受到攻击 后的水印载体数据。检测水印的手段可以分为两种：一是在有原始信息的情况下， 可以做嵌入信号的提取或相关性验证：二是在没有原始信息情况下，必须对嵌入 信息做全搜索或分布假设检验等。如果信号为随机信号或伪随机信号，证明检测 信号是水印信号的方法一般就是做相似度检验。水印相似度检验的通用公式为： s i m ：些二或s i m ：墨； ( 2 5 ) q w + w 4 w + w 、形+ w 其中矿表示估计水印，表