（计算机软件与理论专业论文）基于混沌特性的数字图像水印技术的研究.pdf

ab s t r a d abstract withthe r a p iddevel o p m ent o f m u l t i m e d i a techoo 1 o g y and e s pec i al 1 y g r o w i llg o fl nt e rn e t ，t h ed i g i t al m e d i al h a sb e c o m eam ai nw a yfo ri n fo rmat in n c o mm uni c at i o n . aithe s ame t i m e ， m u l t i m e d i a i n fo n 刀 a t l o n se cun typrob l e m s a n d the q u e st i o n o f c o p 州ght p r o t e c t i o n e m e 玛 edass i dee ffec t s o f the p o p ul a ri t y o f d i g i tal re p re s e n t a t 1 on and d i s trib utio n o v ern e two r ks o th e p r o t e ct i o n and e n fo rc e m e n t o f i n 1 e 1 l ectual pr o pert y for d i g i talm e d i a h asbec o m e ani m p o rt a n t i s s ue. 叭 伯 t e n 刀 ar k i n g whi c h i s o neo f th e i m p o rt a n t fi e l d s o f i n fo rmat i o n h i d i ngand t hee ffec t i v e m e ans to prot e c t c o p y ri ghtsp iracyi sre c e i v i雌 i n c re a s i n gattenti o n . t h ek e yo f d i gi tal wat e rmark to c o p yrig h tp r o te ct i o ni sthe 1 m p e r c epti b i l i ty a n dro b u s o l e s sfo r e mb e d dedinfon n a l l o 几 r e s e archworks fo c uson the e x c e l l e ntp r o p e rt i e s o f c h a o t i cs e q uenceand d wti n d i g ital i m a g e w a l e rma r k i ng， w h ichi n c l u d e : ( 1 ) ana l y s i s o f the t ec hno l o gy o fd i g i t a li m a g ew a t e rmarki n g ;( 2 )a n a 】 y s i so fth ec h a o t i cs e q u e n c eand w a t e rma r k i ngm e t h o d s b as e d o n c h aot i c s y s t e m ; k eyw心 rds : i n fo rma t io n hi d i n g ; d i g ita l w a t e n 力 a r k i n g ; d wt;c h a o t i c s y st e m i i 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 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 南昌大学 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谢意。 学 位 论 文 作 者 签 “ (手 “ )喇哪 签 字 日 期 : 刁年 月 ” 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了 解南昌大学有关保留、 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。 本人授权南昌大学可以 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适用本授权书) 学 位 论 文 作 者 签 “ (手 写 ，:呵 卿 导 师 签 “ 手 “ ，侠砂 签 字 ， 广 月 ” 日 签 字 晰 冲年 月 “ 日 学位论文 作者毕 业后去向: 工作单位: 通 讯地 址: 电话: 邮编: 第 1 章 绪论 第1 章 绪论 论文选题的背景和意义 随着数字技 术、多媒体技术及网 络技木的飞 速发展，使数据的交换和传输 变的简而易之，也使我们的视觉和听 觉可以 尽情地享受多 媒体及数字传输技术 带来的愉悦，并且可以毫无限制地任意编辑、 修改、 拷贝 和散布那些数字音乐 和图像。俗话说的好，任何事物都有 其两面 性， 有利也有弊.于是随之而来的 便是， 这些数字媒体原创者的 版权 和经济利益如何得到保护? 数字媒体是否安 全、可信 ， ， ? 目 前，数字媒体的信息安全、知 识产权 保护和认证问 题变得越来越突出， 且己 成为数字世界中一个非常重要和紧迫的课 题。 起初人们用传统的加密技术 将数据加密后再传送来解决电 子信息安全的问 题， 使没有密钥的 人难以 获得加 密后的信息，这种方式一方面限制了数据信息的交流，另一方面也并不能很好 的解决数字信息的版权保护问题， 如r sa和d es 等 川. 加密技术是 通过一系列 变换， 使信息在传输过程中 变得不可读，进而得到了 有效的保护。 这种加密技 术只要一旦得到密钥，便使数据完全处在无保护状态。即只能解决数字信息内 容的 保密，而 不能 解决其版权问 题5 。近年来提出 的数字水印技术却可以 解决 这种问 题. 作为传统加密技术的补充手段，数字水印 技术引 起了 人们的 高度重 视，并 逐渐成为国内 外计算机多媒体 信号处 理领域的一 个研究 热点。 数字水印 技术是目 前信息安全技术领域的一 个新方向，是实 现版权保护的 有效办 法，己 成为信息安全领域的 一个热点，也是 信息隐 藏技术研究领域的 重 要分支e1 。数字图像水印的思想最初是在 1 9 90 年提出的，后来发展成为 “ 粉te r 毗 k ” 。 并 于1 9 96年 召 开 了 关于 水 印 的 第 一 次 国 际 学 术 会 议 v 。 对 于过 去的十多年，已 有很多国外著 名大学和研究所投入大量的 人力财力， 致力于该 项技术的 研究， 并取得了一 定的成果。如美国的 麻省理工学院， pur due 大学， 瑞士洛桑 联邦 工技院，美国的n ec研究所， 美国的1 明 研究所，美国陆军研究 所实验室，德国国 家信息技术研究中心，日 本 n tt 信息与通讯系统研究中心， 英国剑桥大学， 朗 讯公司贝 尔实验室， s ony 公司等。 1 9 98年美国 版权保护技术 第 1章 绪论 组 织( c p t w g)成立了专门 的数据隐藏小组( d h s g ) ，考虑制定保护水印的技术标 准。 在 实 用 方面 也 出 现了 一 些 数 字水 印 软 件 产品 ， 如 di gi m arc c 0 rp 0 rat ion、 f ra u nh o fer、 syscop、 m a r kan y corporat ion等。 在我 国 数 字 水 印 技 术 也 得 到 了 较 快的 发展。 先后于1 999 年12月、20 00 年6 月和2001 年9 月举办了 三次信 息隐 藏技术研讨会。国家8 63 计划智能 计算 机专家 组同中 科院自 动化所模式识 别国家重 点实验 室和北京邮电大 学信息安 全中心还召开了 专门的 “ 数字水印 学 术 研讨会” 。 国内 也有很多科 研单位如北京大 学、 清华大学、 中国科 学院、 浙江 大 学、 北京邮电 大学、北京 工业 大学等都做出了 国际先进水平的 研究成果。 数 字水印 技术是 通过在原始数 据中嵌 入秘密信息( 水印) 来证实数 据的 所有权。被 嵌 入的可以 是一 段文字、标识、 序列号 等等。人们无法从表面上感知水印， 只 有 专用的 检测器或计算机 软件才可以 检 测出隐 藏的数字水印 ， 月 。 数字水印技术的主要应用领域有 ( 1)数字媒体的版权标识、认证 利用数字水印技术可以 把版权提示信息 嵌入在数字媒体中。例如a d obe 公 司的 著名图像处理软 件p h otosh op6 . 0 就 采用了d igi marc公司 的水印技术。 当 数字媒体内容受到怀疑时，可将该水印提取出来用于媒体内容的真伪认证，并 可以指出篡改的位置等。 (2) 标题与注释 将作品的标题、注释等内容以 水印 形式嵌 入到该作品中。例如， 一幅照片 的拍摄时间和地点等。 ( 3)使用控制 在多媒体发 行体系中，人们 希望有一 种防拷贝 机制。而水印技 术正 好可以 解决 此问 题。如 果在音像的 录制 设备中 装有检测水印的电路，那么 就可以实 现 拷贝 控制的功能。目 前d vd和数字音乐 销售业都在尝试这方面的工作。 (4 ) 隐蔽通信 这是一 种将重要信息隐 藏在无关紧要的媒体中进 行通信的方 法。更确 切的 说，是 一种数据隐藏的方 法。 ( 5 ) 广播监视 是 把鉴别水印信号放 到广播信号中 一起发送， 实现广播监视。 数字水印 作为一 种有效的数 字产品 版权保护技术 和数据安 全维护技 术。因 此， 研究出 实用价值的水印系统 不仅对版权保护具有十分重要的 意义而且在商 第 1 章 绪论 业应用方面也有广阔的前景， 特别是在网 络技术迅猛的今天，水印 技术的 研究 更具有现实意义。 2国内 外研究情况 数字水印技术是近 年来发 展起来的一种新的信息隐藏 技术， 深受国内 外众 多知名学府、研究机构和公司的极大兴趣，并成为当前信息 科学中的 一个新颖 且具有广阔 应用前 景的 研究热点。 在1 99 4 年的ie e e 国 际 图 像处 理 会 议 ( ic ip ， 94 ) ， r. 众一sc h y n d el 等 人 第 一次 明确提出了“ 数字水印”的 概念，从 此掀起了现代信息隐 藏技术 研究的高 潮。 仅仅过了 两年，在 1 9 9 6年，出 现了以信息隐藏领域中的 水印技 术、 版权保护 (c 叩 y ri ght p rote cti on)和多 媒 体服 务的 存取 控 制 ( accessc o n tr o l ofm ul t in l e d ia s e rv l ce s) 为 主要内容的研讨专题。同 年在英国剑桥召开了 第一届信息隐 藏国际 研讨会(f irst l n l e m a t l o nal 从 /o rk s h o p onl n fo n 刀 a t i onhid i n g ) ，内 容涉及数据隐藏、 保密通信、密码学等相关学科领域，并把数字水印作为它的主要议题之一。在 美国，许多著名大学和大公司的研究机构，如麻省理工学院的媒体实验室、明 尼苏达大学、 普林斯顿大 学、 南加州大学等， 以及日 本的n e c 研究院 、美国的 ibm研究院、朗 讯公 司的贝 尔实验室等， 都一直在致力于信息隐藏技 术方面的 研究，并已 取得了大量 研究成果。与此同时，大量的数字 水印应 用软 件也应运 而生，如美国d i g i m ar c a d o be公司 于 1 995 年就推出了 有专利权的 水印 制作技 术， 是世界上唯一一 家拥有这一技术的公司， 并在p hoto s h o p 4. 0 和c o re l 扮 a w7 .0 中得到了应用， 但是用其做出 来的水印尚 不 够健壮。 1 9 97年 1 月该公司 又推出 独立的 水印阅 读软件 r e a d m arc ，利用它可以发现图像中是否含有水印 及其内 容， 但效果仍 不太理想， 此外英国、日 本等 也相继在90年代初期开始了 对这项 技术的研究，虽 然也没 有完美的 产品问世， 但对数字水印 技术的 发展还是起到 了巨 大的推动作用。目前 应用于数字图像的水印技术己 被考虑写入 jpe g z 0 00 标准，这必将进一步推动信息隐藏技术的发展。 目 前国内的 许多高 校和研究机构也加大了数字水印 技术的 研究力 度，其中 一部份人取得很大的成就。为了 促进国内 信息隐藏 技术的 研究和应用， 我国 信 息安全领域的何德全、周 仲义、蔡吉人三位院士与 有关 应用研究单 位联合发起 了我国的信息隐藏学术研讨会，并于 1 9 99 年 12 月在北京召开了第一届学术会 第 1章 绪论 议。 与 此同 时， 国家5 63计 划智能计算机专 家组于2 0 00年1 月举办了“ 数字水 印技术学术研讨会” 。 此次研讨会由中科院自 动化所模式识别国家重点实验室和 北京邮电大学信息安全中心承办， 来自 全国各 地的80余名与会者就数字水印技 术的 发展动态和趋势进行了 全面、 深入的 探讨。 2 0 00年6 月，第二届信息隐藏 学术研讨会在北京举行。 2 0 01年9 月， 全国第 三届信息隐藏学术 研讨会在西安 举行， 这次会议的一 个重 要成果是对目前该领域的一些术语进行了规范。 早期的数字水印算法研究主要是集中在空域上的，水印信息直接加载在图 像数据上， 这种方法的 特点是抵抗图像的几何变形、噪声和图像压缩的能力较 差。 但是空 域算法的计 算 速 度快，而 且隐 藏的 信息 量大 110 1 。 近期的 研究则主要集中在变换域( 如离散傅立叶变换 d f t， 离散余弦变换 d c t ，离 散小 波 变换d w ，o中 实 现。 在变换域中 嵌入 水印， 信号 能 量 可以 扩展 到空间域所有象素上，有利于保证水印的不可见性，同时变换域的方法可以与 现有的数据压缩标准兼容， 例如， 基于d c t的方法可以与j p e g压缩方法兼容， 基于d wt的方法可以与jpe gzo 00兼容等等。 从目 前的情况看， 大多数研究工 作更关注变换域算法研究。 1 . 2 . 1空间域代表性算法 ti rkel 在19 93年提出了 空域算法。 这种算法的主要思想是修改图 像的 最低 有效 位l s b( l e astsi 咖fi c ant bi ts)， 在这种算法中， 图 像的l s b 平面先 被置为0， 然后根据要嵌入的水印改变为1 或者不变。这种方法的依据是:不重要比 特的 调整对原图像的视觉效果影响较小，这就保证了嵌入的水印是不可见的。最低 有效位算法(l s b)是将特定标记隐藏于数字音视频和数字图 像内， 这是一种典 型 的空间域数据隐藏算法。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， 在视觉和听觉上很难察觉。 空间域水印技术的典型设计当属 b e n d e r 提出的基于统计的数字水印嵌入 方案 ( p a tc h w o rk ) 和 纹理块映 射 编 码方法。 p 砒h w o r k 任 意选择n对图 像点， 增 强其一点的亮度的同时， 相应降低另一点的亮度值， 通过此操作完成水印的嵌 入。纹理块映射编码方法则是将数字信息隐藏于数字图像的任意纹理部份，其 将隐藏信息纹理映射到另一纹理相似的区域。 第 1 章 绪论 2 . 2变换域代表性算法 c ox等人在1 9 97 年提出了 扩展频谱 方法， 它的重要贡献在于 首次明 确提出 了水印信息应该嵌入 在图 像的 视觉敏感部分 才能具有较好的 鲁棒性。因 为作为 水印 载体的宿主图像的 视觉敏感部分 携带有 较多的能 量， 在图像 有一定 失真的 情况下， 仍能保留主要成分， 使得水印算法 具有较好的 鲁棒性。 这种方法已 经 成为一种经典的模式，得到广泛的认可。 此后， b ar n l 提出了 对图 像做全局d c t变 换，然后将一个随 机序列 嵌入到 中频系数中。 h s u提出了一 种基于s x 8 dc t 变换的算法， 取值为卜 1 ， 1 的 随 机序列被加 载到d c t中 频系数上。 而s wanson 提出利用空间掩蔽 特性， 计算每 个d c t系数允 许改 变的 最大限度， 确保水印的 不可感知 性。 之后又出 现了 许多 基于d wt 的数字水印算法， k u l l d u r 等人提出了基于小波变换的 私有水印 和公 开水印算法，将 宿主图 像和水印图 像分别进 行小 波分解， 根据视觉特性进行数 据融合，但 此方 法在提取时需要原始图像。 而r u a n a i d 根 据 h aye s 的结 论: 从 图像的可理 解程度， 相位信息比 振幅信息更重要， 提出了 图 像的d f t 域相位水 印。黄继武等人提出了基于对图像 d c t系数振幅的定量分析，d c分量也可以 用来嵌入水印，而在此之前，d c分量总是无一例外被排除在外的。 对于数字水印技术， 数字 媒体的 版权、 完整性认证和强 鲁棒 性是目 前的 主 要的研究方向，如果能形成一系列的标准或者协议，将大大地有利于水印技术 的推广和应用。 但我们知道， 这是一项艰巨 而长期的任务。 3数字水印技术研究的发展展望 虽然数字水印技术的发展 迅速， 但是它 仍然是一 个未成熟的 研究领 域， 还 有许多问 题需要解决，其理论 基础还很薄弱，实际 产品有待更深入的开 发。 其 中包括: (l ) 载体与水印信息的可容量估计。 (2 ) 水印 检测差错估计与 算法。 (3 ) 水印 系统模型. (4 ) 水印 攻击与鲁棒性评价。 第 1章绪论 (5 ) 水印与密码系统、信道 编码技术的结合。 (6 ) 水印与印刷技术的结合。 (7 ) 水印技术的 标准化。 (8 ) 水印应用中的第三方及 法律问题。 作为一个技术 体系， 数字 水印尚不完善，每 个研究人员的 介入角度各不相 同， 所以 研究方法 和设计策略 也各不相同， 但都是围 绕着实现 数字水印 的各种 基本特性进行设计。同时，随着 该技术的推广和应用的深入， 一些其他领域的 先进技术和算法也 将被引 入， 从而完备和充实数据水印技 术。 例如在数字图 像 处 理中的小波、分形理论:图 像编解码中的各 种压 缩算法;音 视频编码技术等 等。 随着数字 化产品 在中国的 普及，特别是全球 信息化的 延伸，电 子商务的 加 速发展，其中如何 有效保 护产品 的产权将成为厂商极为关 注的问 题。 根据现在 的研究状况，未来数字水印的主要研究可能涉及以下几方面: ( 1) 基本理论和算法的研究: 目 前 数字水印 技术的研究模型 和基础理论都处 于雏形阶段，并不像密码学那样有一整套完备的理论体系。因此未来的研究仍 然是继续修改和完善 水印的 基本 理论， 包括水印结构、 水印 嵌入策略、 水印 检 测方法和水印 标准化等。 (2) 与密码学相结合: 在有关版权的应用中，数字水印必须与 像密码之类的 其它机制相结合才能提供可靠的保护。与密码技术、公钥密码和私钥密码体系 相结合，才能构 造更加安全的 数据系统 川 1 。 (3 ) 第二代水印: k u t t e r 将空域、频 域和其它变换域水印算 法统称为 第一代 水印， 指出第一代水印的缺点在于没有将水印信号直接嵌入在视觉重要成分中。 并首次提出第二代水印的概念，即在水印处理过程中利用重要的数据特征。如 图像的边缘和纹理区域等。 ( 4)与其它领域的先进技术的结 合: 随 着水印 研究的不断深 入，其 它领域的 先 进思想和技术必 然会被引入到 水印领域。 例如:混沌 理论、 神经网 络理论、 遗传算法、模糊集理论和分形理论等。 第 1 章 绪论 4本文的主要工作 本文对数字水印技术进 行了比 较全面的探讨. 第 1 章主要介绍数字水印 的技术的 产生背景及国内 外研究状况和现实意 义。 第2 章主要介绍了数字 水印的 基本特征、原理以及目 前研究现状等 基本问 题， 归 纳了数字 水印 系统的基本框架， 概括性介绍了目 前 常见的 数字水印算 法。 第3 章主要详细 介绍了目 前 非常流行的一种安全加密 技术非线 性混沌 技术， 第4 章介绍了 小 波分析 理论， 并对小波变换的发展 进行了 概述，以及它 用 于数字图像水印技术的优点和不足之处。 第5 章主要介绍了新安 全加密技术理论的图像数字水印 算法，设 计并实 现 了一种基于混沌加密和多分辨率小 波变换的 盲数字水印 方案， 利用图 像作为 水 印信号嵌入到 彩色图像的蓝色 分量d w t 变换系数中。 给出了 算法的设计理 念、 水印的嵌入和提取步骤以及实 验结果 分析。 第 6 章总结了本文的工作和对未来数字图像水印的展望。 5本章小结 本章是绪论，是为了让读者对数字水印技术的概貌有个大致的了解。为了 这一目 的，首 先给出了 研究图像数字水印的 背景和价值， 然后介绍了什么是数 字水印技术及特性， 最后总结了国内外的 研究 状况，以及 数字水印 技术未来的 发展前景。最后还对整个论文的结构进行了说明。 第2 章 数字图像水印技术 第2 章 数字图像水印技术 数字水印 技术涉及到数字信号 处理、图 像工程、多 媒体 技术、 模式识别、 密码学、数字通信等多学科领域，其应用领域也是很广的。 2 . 1数字水印的概念 数 字水 印 ( di gi 司w a t erm ark) 技 术是 指 用 信号 处 理的 方 法 将 一 些标 志 性 多 媒 体 信息( 如 数字声音、图 像或 视频等) 直接嵌 入到多 媒体内 容当 中， 这些 信息 通 常是不可见的，不能被人的视觉感知系统觉察或注意到的，但不影响原内容的 价值和使用价值，只有通过专用的检测器或阅读器才能提取。当 载体信息在网 络传播或其它状态下被非法复制从而产生版权纠纷或信息被非法篡改时，再通 过与设定方式相对应的算法提取出该数字水印，从而验证版权的归属或载体信 息的完整性，从而确保著作权人的合法利益以及信息的完整性。 但是它与 加密 技术不同，虽然不能阻止盗 版活动， 但它可以 判别对象是否受到保护112 。 数字水印技术的基本思想源于古代的伪装术( 密写术) 。古希腊的斯巴 达人 曾 将军事情报刻在普通的木板上， 用石蜡填平， 收信的一方只要用火烤热木板， 融化石蜡后就可以看到密信。使用最广泛的密写方法恐怕要算化学密写了，牛 奶、白矾、果汁等都曾充当过密写药水的角色。 可以说， 人类早期使用的保密通信手段大多数属于密写而不是密码。但与 密码技术相比，密写始终没有发展成为一门独立的学科，其中的主要原因是它 缺乏必要的理论基础。然而今天的数字化技术的发展为古老的密写术注入了 新 的活力，在研究数字水印的过程中，研究者大量借鉴了 信息伪装的思想。尤其 是近年来信息隐藏技术理论框架研究的兴起，给密写术成为一门严谨的科学带 来了 希望，更为数字水印的研究呈现了一片广阔的天地。 第2章 数字图像水印技术 2 . 2数字水印系统的基本原理 通用的 数字水印算法包含两个基本方面: 水印的嵌 入和水印的提取 或检测。 水印 可由多 种模型构成， 如随机数字 序列、数字标识、文 本以及图像等。 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11 习 。 设1 为数字图像，邵为水印 信号， k为密码，则 处理后的 水印肥由 函数f 定义如下: 不 二f( 1 ， 甲， k)(2 一 1) 若水印 所有者不希望水印 被其他人知道， 则函 数f应该是不可逆的，如 经 典的d e s 加密算 法等。这是将水印技术与加密算法结合起来的一种通用方法， 目的是提高水印的可靠性、安全性和通用性。 水印的嵌入过程如图2 一 1 所示， 设有编码函数万 ， 原始图像1 和水印甲( 尸 由2 一 1 定 义 ) ， 那 么 水 印图 像表 示 见 公式 ( 2 一 2) : 1 = e ( 1， 平 ) = e ( 1 ， f ( 1 ， 不， k ) )(2一 2 ) 原始图像 嵌入算法 水印图像 密码 图2 一 t水印嵌入算法 第2 章 数字图 像水印 技术 在完整性确认 和篡改提示应用中， 必 须能够精确的提取出嵌 入的 水印信 息， 从而 通过水印的完整性来确认多媒体数据的完整性。 所以水印 提取框图 如图 2 之。 图2 一 2水印 提取算法 水印检测是水印 算法中最重要的步 骤。 一般来说， 水印检测首先 是进行水 印提取，然后是水印判决。若把这一过程定义为解码函数 d ，那么输出的可以 是一个判定是否水印 存在的0 一 1 决策， 也可以 是包含各种信息的 数据。 ( 如图2 一 3) 水印或原始图 水印提取或 存在与否的 图2 一 3水印图像检测算法 第2 章 数字图像水印技术 如果已 知原 始图 像1 和有问 题的图 像p ， 则水印 提取及检测如下两公 式: 平 = 刀 ( 了 ， 1) c ( 附 ， 甲 ， k ， 占 ) = 1 . . . . . . 水印存在 0 . . . . . 水印不存在 其中罕 汤 为 提取出的 水印， k为密码， 函数c做 相关检测， 占 为决策闽值。 而可取水印 和原 始水印 的相关性 测试可以公式 (2 一 3) 可 得: b 厅( 尸 ， 平) = 全 (二 ，一 雨 x 碑 一 画 撂 而下 存 藏 而 ( 2 一 3 ) 其中叭甲分别表示为原始水印信息和提取出的 水印 信息， corr取值在 卜 1 ， 1 之 间 ， 如 果 这 一 相 关 值 依 赖一 个 给定 的 阐 值， 当co作超 过 这 个 阐 值， 则 可以判定图像中含有水印。 2 . 3数字水印技术的 特性 数字水印技术的核心是信息隐藏技术， 是往多媒体数字载体( 如图像、 声音、 视频信号等) 中嵌入难以察觉的数字信息( 水印) 而不影响原数据的视听效果， 并 且这些数字信息可以部分或全部从混合数据中恢复出来，以保护数字产品的版 权信息，保 护作者的 合法权益. 水印 载体和 水印 信息都可以 是各种媒体rl4。因 此数字水印系 统要求有较高的健壮性以抵御攻击，它的 特性如下: (1 ) 不可感知性 数字水印的 不可感知性包含两方面的含意: 一方面是 指知 觉上( 视觉和听觉) 的不可感知性，即被保 护图 像在被 嵌入水印 信息 后应不引 起原始被保护图像质 量的显著下降 和视觉效果的明 显变化， 最理想的 情况是 水印图 像与原始图像在 视觉上一模一样:另一方 面水印 用统计方法 也是不能 恢复 的，即 大量使用统计 方法也不能提取出水印或确定水印的存在。 (2 ) 安全性 数字水印系 统使用一个或多个密 钥来 确保安 全， 防止修改和擦除水印。信 息被隐藏在多媒体内容中，并 不因文 件格式转换而丢失， 且未经授权者不能检 第 2 章 数字图像水印技术 测出水印，这便是它的安全性保障。 (3 ) 鲁棒性 所谓鲁棒性是指当 被保护信息 经过某种改 动后， 如信道噪声、 滤波、数模 与模数转换、重采样、剪切、编码、位移、尺度变化以及有损压缩等，嵌入的 信息仍保持其完整 性， 不会轻易 地 被去除。若有 第三方 试图 去除 或修改嵌入的 信 息时， 只会使被保 护的 信息发生明显改变， 从而 提醒合法的所 有者 和使用者。 对 数字水印来说，其 隐藏水印的鲁棒性在实际 应用中 是由两 部分 组成: a)在整 体 数据出 现失真后， 其内 嵌的水印仍能 存在; b)在 数据失真后， 水印探测算法 仍能准确的探测出水印的存在。 (4 ) 可证明 性 水印应能为信 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 控制等。这实 际上也是发展水印技术的基本动力。 (5 ) 不可检测性 指嵌入水印后的数据与原始载体数据具有一致的特性。 (6 ) 计算有效性 水印处理算法 应该比 较容易实 现于软、硬 件。尤 其是 水印 检测算法必须足 够快，以满足在产品发行网络上对多媒体数据的要求。 ( 乃 自 恢复性 指经过一些操作或变换后，可能会使原始图像产生较大的破坏，但可以从 留 下的部分数 据中 ，恢复出 水印 信号， 而且这种恢复过 程不需 要原 始图 像。 2 . 4数字水印的分类 数字水印技术 可以 从不同的角 度和 层次 进行分 类， 按照不同的 分类方法可 以 分为多 种水印模 式， 但它们之间既有区别，又有联 系。不同的 模式可以 应用 于不同方面。 第2 章 数字图像水印技术 2 . 4 . 1按内容划分 按数 字水印的内 容分类， 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 特点 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千码元错误， 则只能通过统计 决策来确定信号中是否含有水印。 2 ， 4 . 2按水印特性划分 按水印的特性可以将数字水印划分为鲁棒性数字水印和脆弱性数字水印两 类。鲁 棒性数字水印主 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; 脆弱性数字水印主要 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。 2 . 4 . 3按人的视觉特性划分 按人的 视觉特性划分， 有可见水印和不可见数字水印。 可见水印是指图像 在 嵌入水印 信息以 后， 水印 信息仍能被肉 眼观察到。不可 见水印 则相反，指的 是在嵌入水印后，水印信息不能够依靠视觉直接观察得到。 2 . 4 . 4按检测过程划分 按水印的 检测过程可以 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16 。 2 . 4 . 5按嵌入位t划分 按数字水印的 嵌入位置划分，可以 将水印划分为空间域数字水印、频率域 第2章 数字图像水印技术 数字水印、时/ 频域数字水印 和时间 / 尺度域数字水印。时域 数字水印 是直接在 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 . 4 . 6按水印所附载的媒体划分 按水印 信号附 载的 媒体划分， 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。 2 . 4 . 7按提取算法划分 按 提取 水印 算法划分， 可以 将水印划分为 对称水印 和非对称水印。对称水 印是指水印 嵌入与 水印 提取或水印检测过程所 使用的 密钥相同。非对称水印则 相反，水印嵌入与提取或检测过程所使用的密钥不相同。 2 ， 4 . 8按用途划分 按水印信号的用途，我们可以将数字水印划分为票防伪水印、版权保护水 印、篡改提示水印和隐蔽标识水印。 2 . 5数字水印的典型算法 数字水印可以 分为 三个部分: 数字水印 生成wg ( w a t e m l ar k ge n e r a t ion) 、 水 印嵌 入w e(w a t e rmark embed d i ng) 、 水印提 取和检测w e d(w a t e n 刀 ark e x t ra c t i on 朋d d e t e ction) 。该算法可以分 为空间域算法、变 换域算法、 n e c算法、 压缩域 算法、生理模型算法。 2 . 5 . 1空域算法 该类算法包括l s b 算法、 sc妙n del 算法和p atch w o r k 算 法等。 最低有效位算 法(ls b): 它是国际 上最早提出的数字水印 算法， 是 一种典型 的 空间域信息隐藏算法。它可以 隐藏较多的 信息，但当受到各 种攻击后水印 很 容易 被移去。其具体算法是将 信息嵌入到随 机选择的图像点中 最不重 要的 像素 第2章 数字图像水印技术 位 (ls b : le ast si 加ficant b its ) 上， 这可保证嵌 入的 水印是 不可见的。 但是由 于使 用了图像不重要的像素位，所以算法的鲁棒性差，水印信息很容易被滤波、图 像量 化、 几何变形的操作破 坏。 还有一 种常用方法是利用像素的统计特征将信 息嵌入到像素的亮度值中。 s c h ” d el算 法: 被 认 为 是 一 篇 具 有 历 史 价 值的 文 献， 它 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( 相关性检测方法 ) ， 此算法 首先把 一个密 钥输入一 个 m序 列 ( max i mum. l e n gl h r an d o mse q u ence ) 发生 器中 产生水印 信号，然后此m序列被 重 新排列 成 2 维 水印 信号， 并按象素点逐一 插入到原始图 像象素值的最低位。 由于水印 信号被安排在了最 低位上， 它是不可见的，基于同样的原因， 它可以 轻易地被移去，因此也是不强壮的。 p a t c h w o r k 算法: 是 19 %年麻省理工学院 媒体实验室b e n d e r 等人提出的一 种空域图像水印算法，主要用于打印票据的防伪。其缺陷是所隐含的数据量较 少， 对仿 射变换 敏感。该 算法是随机选择n对像素点 (al ， bl)， 然后将每个al 点 的 亮度值加 1 ， 每个衍 点的 亮度值 减 1 ， 这样整个图像的平 均亮度保持不变。 适 当地调整参数，p a t c h wo rk方法对 jpe g压缩、fir滤波以及图像裁剪有一定的 抵抗力， 但该方法嵌入的 信息 量有限。为了 嵌入更多的水印信息，可以 将图像 分块，然后对每一个图像块进行嵌入操作. 2 . 5 . 2变换域算法 变换 域算法是 对图 像进行各种变换( 常 见的变换有d ft、 d c t 、d w t ) 后嵌 入水印。与空域算法相比，其优点如下: (l ) 在变换域内 嵌入的水印反变换后信号能量可以分布到空间域的所有像 素上，有利十提高鲁棒性; (2 ) 可以较方便的结合h v s ， 有利于保证水印的小叮见 性: (3)变 换 域 算 法 与 现 今 大 多 数国 际 图 像 和 视 频 压 缩标 准 兼 容， 可 直 接 实 现 压 缩域水印嵌入。 基于d ft 的频域 水印 算法: d ft 变换是一种经典而有效的数学工具， 已 成 熟的应用 于信号处理中，成为 人们早期的 首选方法。在傅立叶变换域中嵌入水 印是把水印嵌入到傅立叶变换的相位和振幅上。傅立叶变换系数中振幅的变化 第2 章 数字图像水印技术 对图像质量的影响比 较大， 因为 人眼 对亮度的 变化比 较敏感， 所以， 傅立叶变 换域的振幅调 制并 不十分 适合嵌入健壮 性水印， 但是 我们注意到正是 这一 点也 使得我们可以 较好的利用振幅来 嵌入水印。由于 中、 低频d f t系数的 值一般比 高频系数大，因 此具有较大的感觉容量，嵌 入一定 强度的 水印 不会导致原 始图 像的视觉质量严 重下降。 基于傅立叶 变换域的 方法抗几何攻击性能 很好， 嵌入 的信息量也 很大， 信号的 健壮性也 很好，但是 在这种方法抗剪 切攻击能力 较低 而且抗jpe g压缩能力也很差。 基于d c t的频域水印算法:这是目前研究较多的算法。d c t变换把空域 变换到频域中，一个直流分量 d c(dire ct c o m pon e nt)和一系列的交流分量 a q a c ro s s c o m p o ne nt ) ， d c 分 量 表 示 平 均 亮 度 ， ac 分 量集 中 了 原 图 像 块的 主 要能量。 它具 有鲁棒性强、 隐蔽性 好等特点， 尤其 可以 与jp e g 、 m p e g等 压缩 标准的核心算 法相结合， 能 较好地 抵抗有损压缩。 其 方法是首先把图像分成8 、 8 的不重叠象素块，再经过分块 d c t变换，得到由d c t系数组成的频率块，然 后随机选取一 些频 率块， 将水印 信号嵌 入到由 密钥控制选择的 一些 d c t系 数 中。 该 算法是通过 对选定的d c t 系数 进行微 小变换以 满足特定的关系， 来 表示 一个比特的信息。 在水印信号提取时， 则选取相同的d c t系数，并根据系数之 间 的 关 系 抽 取比 特 信 息 116- 18 。 扩展频谱方法:是扩频通信技术在数字水印中的应用，其特点是应用一般 的滤波手段无法消除水印。 离散小 波变换 d wt ) 算法: 小 波变换是当 前研究的一大热点。 d w t是 将图 像变换至小波域，通过调整小波系数来完成水印的嵌入。其基本思想是:将信 号展开成一族基函数的加权和，即可以用一族函数来表示或逼近信号。它是一 种时间一尺度( 时间 一频率) 信号的 多分辨率分 析方 法，在时频两域都具有表征 信号局部特征的能力。根据人类视觉系统的照度掩蔽特性和纹理掩蔽特性，将 水印嵌入到图像的 纹理和 边缘等不易察觉处。 相应于图 像的小 波变换域，图 像 的纹理、边缘等信息主要表现在h h 、h l和 l h细节子图中一些有较大值的小 波系数上。即把数字图像进行多分辨率分解，分成不同空间、不同频率的子图 像，然后再根据各 个子图 像的 特点有针对性的 进行处 理。如 对一幅图 像的 三级 小波分解示意如图 ( 2 一 4)。 这样我们可以 通过修改 这些细节子图上的 某些小 波系 数来嵌入水印信息。 第2章 数字图像水印技术 ll3hl3 hl z hli lh3hh3 lhzhhz lhihhi 图2 一 4图 像的 三级小波分解 每 一级分 解都把图 像分 解为四 个频带: lh、 h l 、 iih 和 ll，其中低频(l l) 部分 还可以 进行下一级的 分解。从 而构成了小 波的塔式分解。一幅图像经过分 解之后，图 像的 主要 能量主要集中 于低频 部分， 这也是视觉重要部分;而图像 的高频 部分即图 像的 细节部分所含能量较少，分 布在hl、 lh、 hh 三个子图中， 主要包 含了 原图的 边缘和纹理部分 信息。小 波变换的这此性质为数字图像的局 部特性 ( 如边缘、 纹理等) 提供了很好的空间一 尺度定位，同时由于其多分辨率 的 表示 可以直 接对图 像进行分 级处理，这 特性更可以 实现水印的 渐进解码和传 输。小 波域的 数字水印 算法主要是 把水印 信号 嵌入到数字图象经过小波变换后 的 低频子带或高 频子带系数 上。 通常，低 频子带携带了 较多的信息，可以嵌入 更多的水印信号。但是，这也容易导致原始图像产生较大的视觉质量下降。而 高频部分主要携带原始图像的边缘和纹理信息，人眼对这此信息并不敏感，因 此可以在此部分嵌入水印信号，以免引起原始图像失真，但是对于某些图像的 操作特别是 有损压缩， 这些信息总是最先 被丢弃. 因此，这种嵌入方法使得水 印 抗压缩能力不强。 一个有效的数 字水印 算法必须在健壮性和图像失真之间取 得 个平 衡。为 达到此目的，目前 许多 算法都 采用了 人类视觉系统 特性原理以达 到嵌入最大限度的水印能量同时又能掩蔽水印信号的嵌入。 2 . 5 . 3n e o 算法 该 算法由n ec 实验室的c ox等人提出 ，该算 法在数 字水印 算法中占 有重要 地位，其实 现方法是，首先以密钥为种子来 产生 伪随机序列，该序列具有高斯 n (0 ， 1)分布， 密 钥一般由 作者的 标识码和图 像的哈希 值组成， 其次对图像做oct 变换， 最后 用伪随 机高 斯序列来调制( 叠加) 该图 像除 直流( oc) 分量外的1000个 第2 章 数字图 像水印技术 最大的d c t 系数。该 算法具 有较强的鲁棒性、安全性、 透明 性等。由于 采用特 殊的密钥，因此可 防止 i b m 攻击，而且该算法还提出了 增强水印鲁棒性和抗攻 击算法的重要原则，即水印信号应该嵌入源数据中对人感觉最重要的部分，这 种水印信号由 独立同分布随机实数序列构成，且该实数序列应该具有高斯分布 n( 0 ， 1 ) 的特征。 2 . 5 . 4压缩域算法 基于j p e g 、 m p e g 标准的压缩域数字水印系统不仅节省了大量的解码和编码 的过程，而且在数字电视广播及vod ( v ideo on de帕nd) 中有重要的实用价值。 相应地，水印检测与提取也可以直接在压缩域数据中进行。目前有一种针对 m p e g 一 2压缩视频数据流的数字水印方案。虽然m pe企2 数据流语法允许把用户 数据加到数据流中，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 一 2 编码视频数据流中增加用户数据会加 大容量，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 peg 一 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o