（检测技术与自动化装置专业论文）基于自保留变换的数字图像水印技术研究.pdf

一 学位论文使用授权声明 本人完全了解苏州大学关于收集、保存和使用学位论文的规定， 既：学位论文著作权归属苏州大学。本学位论文电子文档的内容和纸 质论文的内容一致。苏州大学有权向国家图书馆、中国社科院文献信 息情报中心、中国科学技术信息研究所( 含万方数据电子出版社) 、中 国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社送交本学位论文的复印件和电子文 档，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存和汇编学位论文，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。 涉密论文口 本学位论文属在年月解密后适用本规定。 非涉密论文口 论文作者签名： 导师签名： 乡丕 日期： 日期： 基于自保留变换的数字图像水印技术研究 中文摘要 基于自保留变换的数字图像水印技术研究 中文摘要 数字多媒体和网络通信的发展使数字信息的存储、复制和传播变得简单，但随之 而来的数字产品版权保护、信息安全、真伪识别已成为正待研究解决的问题。数字水 印技术因其透明性、稳健性和保密性成为解决这些问题的重要方法。 本文在介绍了数字水印技术的特点、评价标准、关键技术以及国内外研究现状的 基础上，着重分析了时空域算法易被破解、透明性和稳健性差；变换域算法嵌入信息 量小、透明性不佳等缺点，提出了一种基于自保留变换( n p t ) 、小波图像融合和a m o l d 混沌置乱技术的图像水印方案，对水印的不可见性、鲁棒性和安全性进行了改进和提升。 本课题主要完成了以下工作： 1 、研究了自保留变换( n p t ) 正交变换矩阵对图像的重构和补偿特性，提出一 种介于时空域和变换域之间的方法，用于水印的嵌入与提取过程，提升了水印的不可 见性，并通过实验验证了该方法能够正确完整的提取水印，并在抵抗j p e g 压缩、剪 切、尺度变换、旋转和噪声攻击方面表现出良好的性能； 2 、分析y d , 波图像融合技术的多分辨率分析和多频域融合特点，提出将小波融 合技术与n p t 变换嵌入水印方法结合，用于提升水印图像的不可见性和视觉效果。 通过仿真实验证明了小波图像融合的方法比b u t t e r w o r t h 低通滤波的方法更好的改善 了水印图像的质量； 3 、讨论了混沌置乱易于生成水印且保密性好的特点，提出在嵌入水印之前先对 待嵌入水印图像进行a r n o l d 混沌置乱，使得水印更难被破译和恢复，提升了水印方 案的安全性能。 本文还通过大量的仿真实验，验证了水印方案所具有的鲁棒性、安全性和良好的 视觉效果，并提出了进一步研究的思路和方向。 关键词：数字图像水印；自保留变换( n p t ) ；a r n o l d 置乱；图像融合 作者：尚运 指导教师：顾济华 英文摘要基于自保留变换的数字图像水印技术研究 r e s e a r c ho nd i g i t a li m a g ew a t e r m a r k i n g a l g o r i t h m b a s e do nn a t u r a l n e s sp r e s e r v i n gt r a n s f o r m a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f d i g i t a lm u l t i m e d i aa n dn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n , i tm a k e st h e s t o r a g e ，c o p i n ga n dt r a n s m i s s i o no fd i g i t a li n f o r m a t i o ne a s i e r , w h i l et h ep r o b l e m so f c o p y r i g h tp 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 ya n di d e n t i f i c a t i o nt h a tf o l l o w e dh a v eb e c o m e u r g e n tp r o b l e m st ob es o l v e d d 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 yb e c o m e sa ni m p o r t a n tw a y t os o l v et h e s ep r o b l e m sb e c a u s eo fi t si n v i s i b i l i t y , r o b u s t n e s sa n ds e c u r i t y i n t r o d u c i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c ，e v a l u a t i o ns t a n d a r d ，k e yt e c h n i q u ea n dr e s e a r c hs t a t u s a th o m ea n da b r o a do 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 , t h ep a p e ra n a l y z e st h a tt h es p a t i a l d o m a i na l g o r i t h mi sv i s i b l ea n de a s yt ob ed e c o d e da n di t sr o b u s t n e s si sp o o r o nt h eo t h e r s i d e ，t h et r a n s f o r md o m a i na l g o r i t h mh a st h ef o l l o w i n gd i s a d v a n t a g e s ：s m a l li n f o r m a t i o n c a p a c i t y a n dp o o r i n v i s i b i l i t y a c c o r d i n g l y , t h i sp a p e rp u t sf o r w a r d an e wi m a g e w a t e r m a r k i n gs c h e m e w h i c hi sb a s e do i ln a t u r a l n e s sp r e s e r v i n gt r a n s f o r m ( n p t ) ，w a v e l e t i m a g ec o m b i n a t i o na n dc h a o t i cs c r a m b l i n g ，a n dw h i c ha l s oi m p r o v e st h ei n v i s i b i l i t y , r o b u s t n e s s ，a n ds e c u r i t yo fw a t e r m a r k i n g t h em a i nr e s e a r c hw o r ki sa sf o l l o w s ： 1 d o i n gr e s e a r c ho nt h ep r o p e r t i e s o fr e c o n s t r u c t i o na n dc o m p e n s a t i o no ft h e n a t u r a l n e s sp r e s e r v i n gt r a n s f o r mf n p t ) p r o p o s i n ga na l g o r i t h mw h i c hi sb e t w e e ns p a t i a l d o m a i na n dt r a n s f o r md o m a i n t h i sa l g o r i t h mi su s e di nt h ep r o c e s so fi n s e r t i o na n d e x t r a c t i o no fw a t e r m a r k , p r o m o t i n gt h e i n v i s i b i l i t y a n dp r o v i n gt h er o b u s t n e s so f w a t e r m a r k s i m u l a t i n ge x p e r i m e n t ss h o wt h a tb yt h i sw a y , t h ew a t e r m a r kc a nb ee x t r a c t e d c o m p l e t e l ya n di tc a nr e s i s tj p e gc o m p r e s s i o n ，c r o p p i n g ，s c a l i n g ，r o t a t i o na n dn o i s e s e f f i c i e n t l y 2 a n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fm u l t i - r e s o l u t i o na n a l y s i sa n dm u l t i - f r e q u e n c y i i s a f e t yp e r f o r m a n c e b yl o t so fs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s ，t h ep a p e rv e r i f i e st h er o b u s t n e s s ，s e c u r i t y , a n dg o o d v i s u a lq u a l i t yo ft h i ss c h e m ea n dp u t sf o r w a r dt h ef u r t h e rr e s e a r c ht h o u g h t sa n dd i r e c t i o n k e y w o r d s ：d i g i t a li m a g ew a t e r m a r k i n g ，n a t u r a l n e s sp r e s e r v i n gt r a n s f o r m ( n e t ) ，a m o l d ， i m a g ec o m b i n a t i o n i i i w r i t t e nb y s h a n g y u n s u p e r v i s e db y g uj i h u a 章绪论 目录 1 1 研究课题的目的和意义1 2 国内外研究现状和评价3 1 2 1 信息隐藏与数字水印技术的发展。3 1 2 2 现有主流数字水印方法及评价5 3 本课题的主要研究工作8 第二章数字图像水印技术概述9 2 1 数字水印的基本原理9 2 2 数字水印的分类1 1 2 3 数字图像水印的特点1 4 2 4 数字图像水印的评价。1 5 2 4 1 含水印图像质量的评价1 5 2 4 2 水印鲁棒性的评价1 7 2 5 数字图像水印关键技术1 8 2 6 人类视觉系统对数字图像的感知特性1 9 2 7 本章小结：2 0 第三章基于小波融合和自保留变换的图像水印原理2 1 3 1 自保留变换( 卜m t ) 2 l 3 1 1n p t 变换的定义2 l 3 1 2n p t 的几种正交变换矩阵2 2 3 1 3n p t 变换的特点2 4 3 1 - 4n p t 变换适用于数字水印的理论基础2 6 3 2 小波图像融合2 7 3 2 1 小波变换基础2 7 3 2 2 小波变换的特点一2 9 3 2 3 常用小波变换3 0 3 2 4 图像融合技术3 2 3 3 混沌置乱3 3 3 3 1 混沌基础3 3 3 3 2 混沌在数字水印中的应用3 3 3 3 3a r n o l d 混沌置乱3 4 3 4 本章小结3 4 第四章基于小波融合和自保留变换的图像水印算法 3 5 4 1 水印算法概述3 5 4 2 水印嵌入算法3 5 4 3 小波图像融合算法。3 6 4 4 小波降噪预处理3 7 4 5 水印提取算法。3 8 4 6 本章小结3 8 第五章仿真实验及结果讨论 3 9 5 1 水印嵌入过程仿真结果。3 9 5 1 1 水印图像的a r n o l d 置乱及结果3 9 5 1 2 水印嵌入过程及结果。4 l 5 2 水印图像视觉效果比较4 4 5 3 水印提取仿真结果及比较。5 l 5 4 水印攻击实验和鲁棒性分析5 5 5 5 本章小结5 8 第六章总结与展望 5 9 6 1 本课题研究工作总结5 9 6 2 进一步研究思路与展望6 0 攻读学位期间发表的论文及科研成果 致 水印技术研究第一章绪论 第一章绪论 的和意义 随着数字多媒体技术和计算机网络通信的飞速发展，数字多媒体信息的存储、复 制和传播变得非常简单，多媒体信息的数字化为信息存取提供了极大的便利，也大大 提高了信息表达的效率和准确度，使得数据的交换和传递成为一个非常简单的过程。 但是由于网络通信的开放性，数字产品很容易被复制、传播、处理和公开，这也 使得诸如盗版行为猖獗、通信保密攻击、非法拷贝泛滥等多媒体信息安全问题成为了 对网络通信的新挑战。例如，当前数字图像是互联网上最主要的多媒体数据之一，由 于其广泛的应用价值，数字图像已成为盗版的主要对象，数字图像的版权保护问题已 经迫在眉睫。然而，在以数字多媒体为载体的数字产品版权保护中传统的版权保护措 施无能为力。如何有效保护数字产品的版权，减少由盗版行为带来的经济损失，已经 受到了国际学术界、企业界、政府相关部门的广泛关注。因此以数字媒体为载体产品 的版权保护、通信安全、真伪识别等问题已经成为多媒体信息安全领域正在研究解决 的问题。数字水印技术因其良好的透明性、稳健性和保密性成为解决这些问题的重要 方法1 捌。 数字水印技术的学术特点在于它横跨信号处理、数字图像处理、信息论、多媒体 技术、模式识别、密码学、数字通信等多个学科领域，是当前信息科学前沿中一个新 颖且具有广泛应用前景的研究热点。而包括数字水印在内的信息隐藏技术，尚未形成 完整的学科理论体系，因此这也是一项重要的应用基础研究。 同时，数字水印技术的研究由于应用领域广泛，不但具有学术价值，还具有很大 的经济意义和实用价值。与传统水印类似，数字水印技术将特定的不可见的标识嵌在 文本、图像、视频、音频等数字产品中，然后公开发布作者的水印版本作品，一方面， 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或水印版作品中获取水印 信号作为依据，这样就可以公正地解决所有权问题，从而防止其他人对该数据拥有版 权，保护所有者的权益；另一方面，作者还可以事先在每份副本中放置不同的水印， 第一章绪论基于自保留变换的数字图像水印技术研究 假如作品被滥用，就可通过对其数字产品中的水印进行探测和分析来实现对作品的动 态跟踪，从而确定其作品的完整性和真实性。因此，数字图像水印可以为以下问题提 供解决方案： ( 1 ) 图像版权的所有者识别 图像版权声明作为作者的识别方式具有一定的局限性，由于水印是不可见的，而 且其嵌入载体图像以后与原图像不可分离。只要用户或者图像的接收者拥有水印检测 器和检测算法，即可识别出含有水印图像的版权所有者，这可以有效的保护图像的所 有权，防止盗版和滥用。 ( 2 ) 图像所有权的验证 在图像所有权验证的应用中，传统的文本声明的方式极易被篡改和伪造，中央资 料库的方式成本比较高。这里是要证明检测出的水印图像是来自版权所有者而不是来 自攻击者的。因为只有版权所有者才拥有生成水印的原始图像，所以检测出水印图像 与原始图像的相关度应当是最高的。 ( 3 ) 交易跟踪 利用水印可以记录图像作品的某个拷贝所经历的一个或多个交易。图像作品所有 者可以在每次不同拷贝中加入不同的水印，水印可以记录作品的每个合法销售和拷贝 的接受者。 ( 4 ) 内容真伪鉴别 用于内容真伪鉴别主要是脆弱水印或者叫做易碎水印的应用。例如微小的改动即 可造成水印被破坏而无法恢复，这样可以实现图像真伪的鉴别。 ( 5 ) 拷贝控制 如果能够实现对拷贝过程进行控制将有效的预防并制止非法拷贝操作的发生。水 印可以被嵌入到数字图像中，在该数字图像被拷贝复制的时候，复制装置中安装有一 个水印检测器，当此水印检测设备检测到“禁止拷贝”的信息时停止拷贝操作。 ( 6 ) 隐蔽通信 将重要数据作为水印隐藏在公开传输的数据中，不同于传统的密码术，它不改变 数据的特征，不易察觉，不易丢失。 ( 7 ) 数字广播电视分级控制 2 基于自保留变换的数字图像水印技术研究 第一章绪论 利用数字水印在数字广播和数字影视中根据不同的服务种类，对各级用户分发不 同的内容，同样原理，也可应用于网络，可以控制访问者的权限。 ( 8 ) 印刷防伪 高质量图像输入输出设备的发展使得货币、支票以及其他票据的伪造变得更加容 易。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 性和唯一性差、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等。而基于数字水印的印刷防伪技术所隐藏的水印标志 可以是有意义的数字和随机的数码、文本信息、图像甚至声音。它彻底革新了印刷防 伪的传统观念，并在印刷防伪中具有独特的性质。数字水印的加入和加入的内容具有 随机性，使得每一种印刷品所隐藏的数字水印可以不同，加入水印的位置也是随机的， 技术掌握人本身也不知晓水印的隐藏位置，这样的随机性和变化特征使伪造者难以仿 造。 综上可见，对数字图像水印技术的研究不但具有科研价值，更具有实用价值和经 济价值。特别是如何提高数字图像水印的安全性和保密性，使其不能被破译；如何提 高数字图像水印的隐藏性和透明性，使其不可见；以及如何提升数字图像水印抵抗各 种攻击的能力，使其更稳健等问题是国内外图像水印研究领域正在关注和着力解决的 重点。因此对数字图像水印不可见性、保密性和抗攻击性等方面性能改善和提升的研 究对解决多媒体信息安全问题有着至关重要的意义。 1 2 国内外研究现状和评价 1 2 1 信息隐藏与数字水印技术的发展 为了解决计算机网络通信发展带来的信息安全问题，密码技术和信息隐藏技术一 直被广泛的应用。密码技术在应用中存在着明显缺陷：一是明确提示攻击者哪些是重 要信息，容易引起攻击者的注意并被破解；二是攻击者可以在破译失败的情况下将信 息破坏；三是加密文件一旦被破解内容将完全透明【2 】。因此密码技术逐渐被信息隐藏 技术取代。 在数字水印技术成为信息隐藏技术的研究热点以前，人们已经在关心数据隐藏和 第一章绪论基于自保留变换的数字图像水印技术研究 标记技术。包括隐写术、隐蔽信道通信在内的信息隐藏技术通常是一种保密通信技术， 保护的重点是所隐藏的信息。其工作原理就是在声音、图像、视频等多媒体数字信号 中嵌入不可感知的信息，用于传输对第三方保密的内容。早期的研究重点是数据隐藏， 这些技术在设计上并没有考虑被隐藏数据的鲁棒性，这是因为当时预想的应用还没有 包括通过对信号的失真或有意的破坏来删除隐藏数据的问题【3 ，5 1 。而数字水印技术的 载体是数字产品，通常是版权保护的对象，所嵌入的信息则是与该数字产品相关的版 权标识。随着数据隐藏技术的发展，数字水印技术在版权追踪方面的优势逐渐显现出 来，并发展成为一个应用性更强的研究领域【6 】。 数字水印早在二十世纪七八十年代已有人关注， w a t e r m a r k 这个概念最初是由 t i r k e l 等人于1 9 9 3 年提出来的，并用于图像水印技术。1 9 9 4 年，s c h y n d e l 等在i c i p 9 4 会议上宣读的题为“ad i g i t a lw a t e r m a r k 的论文，被公认为第一篇数字水印领域的正 式学术论文 7 1 。1 9 9 7 年，c o x 等发表的d c t 域扩频水印算法成为数字水印研究的一 座里程碑【8 】，对整个数字水印技术的发展成熟起到了不可估量的作用。 数字水印技术从正式提出到现在短短十几年，欧美一些著名大学和研究机构，如 麻省理工学院、剑桥大学、普渡大学、n e c 研究所、i b m 研究所等都投入相当的人 力和财力，致力于该项技术的研究，并取得了一定的成果。一些公司如d i g i m a r c c o r p o r a t i o n 等已推出了一些数字水印软件产品。 随着数字水印技术的推广，其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 月联合公布了一个保护数字视频和数字电 影的水印标准协议，标志着水印标准已逐步走向正规。 我国已经有相当一批有实力的科研机构投入到这一领域的研究中来，如中科院自 动化所的谭铁牛等人，北京邮电大学信息安全中心的钮心忻、杨义先及其团队，哈尔 滨工业大学的孙圣和、陆哲明、牛夏牧等人及团队都在数字图像水印的研究方面发表 了许多论文和专著，做出了很多成果。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 月我国信息安全领域的何德全院士、周仲义院士、蔡吉人院士与 有关应用研究单位联合发起召开了我国第一届信息隐藏学术研讨会( c i h w ) ，到目前 为止已召开了九次。 从总体上来看，目前我国数字水印研究工作已经基本与世界水平保持同步，并提 4 基于自保留变换的数字图像水印技术研究第一章绪论 出了一些独特的研究思路，其中大部分工作集中于应用基础理论研究，但就研究成果 来说，大多局限在初始阶段，尚未形成一个完整的理论知识体系，而且还没有商品化 的成熟软件推出，在实际领域中的应用还十分有限。 1 2 2 现有主流数字水印方法及评价 根据数字水印在实际应用中的需求，数字水印应当具备安全性、隐形性和稳定性 三个方面的特点。即要求数字水印嵌入信息的安全，不易被伪造或篡改；且数字水印 在视觉上不可见，不影响被保护载体对象的视觉效果和使用；同时可以抵抗一般的处 理和操作，使其在受到攻击后能最大的提取出原有水印。基于以上三个方面的应用需 求，如何提升数字水印在安全性、隐形性和稳定性三个方面的性能是现在国内外数字 水印技术研究的重点。而数字水印以上三方面的性能，主要由数字水印所采用的加载 和嵌入方法决定【9 ，1 0 1 。 目前，主流的数字水印加载和嵌入技术主要有空域数字水印技术和变换域数字水 印技术。 1 、空域数字水印技术 空域方法是通过直接修改宿主图像某些位置像素将水印图像嵌入到载体图像上 【1 1 ，1 2 】 o 1 9 9 3 年由a t i r k e l 在国际图像处理会议上提出的最低有效位( l e a s ts i g n i f i c a n tb i t , l s b ) 替换是空域图像水印中最经典的算法 7 1 。该算法就是通过将图像所有像素用二 进制表示后的最低位构成的平面进行替换来实现水印的嵌入【1 3 】。q u e n z o n gw h 等人 将l s b 替换算法的嵌入过程按行列进行【1 4 1 ：对于奇数行，用水印替换该行奇数位置 的像素最低位；对于偶数行，用水印替换该行偶数位置的像素最低位；对于奇数列， 用水印替换该行偶数位置的像素最低位；对于偶数行，用水印替换该行奇数位置的像 素最低位。这四个过程互不干涉，加起来刚好覆盖了图像的所有像素。鉴于l s b 算 法鲁棒性差，而最高位平面替换的不可见性差，一些学者提出了折中的多个位平面替 换算法【1 5 - 1 7 1 。位平面替换的算法比较简单，能嵌入一定的信息量，但是其鲁棒性比较 差，无法经受一些无损和有损的信息处理，水印信息在压缩编码、滤波、几何攻击等 操作中非常容易受到破坏。而且，如果确切地知道数字水印隐藏在几位中，数字水印 第一章绪论 基于自保留变换的数字图像水印技术研究 很容易被擦除或绕过，其安全性不高。 b a n d e r 等提出的了p a t c h w o r k 法和纹理块映射编码是一种基于统计的数字水印 【1 3 1 ，其加载方法是任意选择n 对图像点，在增加一点亮度的同时，降低另一点的亮 度值。该算法的隐蔽性较好，并且对j - p e g 压缩、滤波和扭转等操作具有一定抵抗能 力，但仅适用于具有大量任意纹理区域的图像。 综上，基于空域的数字水印嵌入技术算法比较简单、实时性较强，但是其鲁棒性 有着明显的缺陷，抗攻击能力比较差，而且嵌入的信息量不能太多。因此，空域水印 算法只适合于脆弱水印和内容认证等应用。 2 、变换域数字水印技术 变换域方法是通过对宿主图像进行某种特定的正交变换后修改变换域参数的方 法实现水印嵌入，是近年大量文献集中探讨的方法。常用的有离散余弦变换( d c t ) 、 离散小波变换( d w r ) 以及离散分数阶傅里叶变换( d f r f t ) 等。 ( 1 ) 离散余弦变换( d c t ) 离散余弦变换具有很好的能量压缩能力和去相关能力。数字图像的j p e g 压缩标 准就是建立在d c t 变换的基础之上的，因此基于d c t 变换的水印嵌入算法可以增强 水印抵抗j p e g 压缩的能力【1 9 】。 黄继武等人提出了一种基于分块的二维d c t 变换的水印算法【2 0 】，通过应用图像 压缩技术可以降低隐藏图像的比特率，在隐藏图像过程中，使用了b c h 编码和匹配 滤波器。d c t 变换还可以有效的减少块效应。牛夏牧等人提出一种在图像中嵌入灰 度数字水印的方法【2 1 1 。该方法通过比特阈值分解将灰度图像水印分解为多重二值水 印，可以将水印嵌入载体图像任何可获得的位置，使水印更不易被攻击。自适应嵌入 算法的使用使不同的图像有不同的水印嵌入。结果显示该算法对传统的攻击和压缩有 较强的鲁棒性。黄继武认为水印嵌入到直流成分可以获得更好的鲁棒性，他提出了一 种结合纹理特性和人类视觉系统，在d c t 直流系数上嵌入数字水印的自适应算法阎。 c o x 等人在文献中提出了基于图像全局变换的数字水印方法【矧，算法采用了扩频通信 的思想，指出了增强水印鲁棒性和安全性的重要原则【2 4 2 5 1 。明确提出了加载在图像的 视觉敏感部分的数字水印才能有较强的稳健性。其数字水印方案是对整个图像进行 d c t ，然后将数字水印加载在预先决定的范围内除去d c 分量的低频分量上，该算法 6 基于自保留变换的数字图像水印技术研究第一章绪论 不仅在视觉上具有数字水印的不可察觉性，而且稳健性非常好，可经受有损的j p e g 压缩、滤波、d a 和a d 转换等信号处理，也可经受一般的几何变换如剪切、缩放、 平移及旋转等操作，对照相复印和扫描等处理也具有较强的稳健性。其后不断有学者 对该算法进行改进【2 6 矧。 ( 2 ) 离散小波变换( d w t ) 牛夏牧等人提出一种基于多分辨率分解的数字图像水印算法【2 羽，水印图像是灰度 图像，根据小波变换的多分辨率特性，将载体图像和水印图像用不同的机制分解为3 级多分辨率结构，每一级水印信息嵌入到图像的相应分辨率级上。c t h s u 等人提出 把水印和原始图像用不同结构的多分辨率分解描述，且各个分辨率的水印经过伪随机 排序和图像独立排序后嵌入到相应分辨率的图像中。该算法对一般的图像处理操作和 j p e g 压缩有鲁棒性【2 9 】。b j f a l k o w s k i 等人提出了基于多分辨率变换和h a d a m a r d 变 换的数字图像水印算法。该算法对j p e g 有损压缩、图像的尺度变换、剪切、抖动失 真都具有鲁棒性1 3 0 1 。n a l i 指出小波变换将图像分成一个低频分量l l ，三个高频分 量h l 、l h 、h h ，低频分量l l 集中了图像中的大部分能量。对于h v s 系统，水平 细节分量比垂直细节分量更加敏感，因此文章选择h l 区域作为水印嵌入区域。同时 选择d a u b e c h i e s 小波基，并在中频系数嵌入水印，既保证水印的不可见性，又可以 提升鲁棒性【3 1 1 。 d c t 变换是一种从图像空间到频率空间的全局变换，而d w t 是一种局部变换。 d w t 具有多尺度分析能力，利用d w t 把图像分解成多频段的图像，能适应人眼的 视觉特性且使得水印的嵌入和检测可以分多个层次进行，增强了抵抗有损压缩的能力 3 2 - 3 4 。此外，有学者利用了离散分数阶傅里叶变换( d f r f t ) 在时频平面上的旋转 特性，将其应用于水印嵌入算法，使得这种水印技术兼顾了空间域和变换域水印的特 点【35 。e y s h i h 提出了一种结合了空域和变换域的水印算法，可以根据不通图像水印 的不同需要将要嵌入水印分为空域和频域两部分。算法在空域嵌入时采用了l s b 算 法，而在频域嵌入时选择了d c t 低频系数进行嵌入。为了达到水印嵌入量和水印不 可见的平衡，不能一味的增加水印数据量。因此本算法通过把水印嵌入分成空域和频 域两部分，可以在载体中嵌入更多的水印，使鲁棒性和安全性增强【3 6 l 。 对比空域算法，变换域算法可以将水印信号能量分布到载体图像的全部像素上， 7 第一章绪论基于自保留变换的数字图像水印技术研究 适应了人眼对图像的低频信息敏感、高频信息不敏感的视觉特性的，更好的结合了人 类视觉系统( h v s ) 特点并且与图像压缩标准相兼容，因此具有较好的不可见性和抗 攻击能力。然而变换域算法受嵌入水印信息容量和强度影响较大，能够嵌入的水印信 息量很有限，一旦嵌入水印过大将对水印的不可见性造成影响。因此不同的正交变换 核对水印算法的效果将产生主导作用。同时，一般的空域或变换域方法一旦被破解， 嵌入的水印图像将极易被恢复或破译，安全性将受到威胁。 1 3 本课题的主要研究工作 基于上述对空域和变换域数字水印技术的分析和比较，为了满足数字水印在安全 性、透明性和鲁棒性三方面的性能需求，在大量学习和阅读数字水印知识理论和相关 文献的基础上，本课题的研究工作主要有以下三个方面： 一、提出将一种介于空域和变换域之间的变换方法，即自保留变换( n a t u r a l n e s s p r e s e r v i n gt r a n s f o r m ，n p t ) 应用于数字水印的嵌入技术，选择最适合的变换核矩阵， 即离散余弦基矩阵，利用自保留变换的的重构和补偿特性使水印具有更好的鲁棒性， 并用仿真实验验证了水印在抵抗j p e g 图像压缩、剪切、尺度变换、噪声等方面具有 良好的性能； 二、在水印嵌入过程中使用了小波图像融合技术，减小n p t 变换引入的失真， 使水印的不可见性对比先前方法有了一定提升，改善了水印图像的视觉效果，并通过 仿真实验证明了水印视觉效果的增强。将小波图像融合技术与自保留变换( n p t ) 结 合应用于水印嵌入过程是本课题的创新型工作； 三、在水印图像嵌入之前，使用a r n o l d 混沌置乱的方法将水印图像置乱，增加 了一层保密性，使水印更难被破译和恢复，提高了水印的安全性能。 本文将在第一章介绍研究课题的目的和意义，分析当前水印技术研究的重点，对 国内外研究现状进行简介和评价；第二章将就数字水印技术的特点、分类、评价体系、 关键技术及人眼视觉系统等与本课题相关知识进行简介和导引；第三章将着重介绍自 保留变换( n 口t ) 、小波图像融合技术、混沌置乱技术的原理和方法；第四章给出本课 题水印的嵌入和提取算法；第五章将采用m a t l a b 平台进行仿真实验，给出实验结果并进 行分析；第六章对本课题提出的方法进行总结并提出进一步研究的方向和展望。 8 基于自保留变换的数字图像水印技术研究第二章数字图像水印技术概述 第二章数字图像水印技术概述 2 1 数字水印的基本原理 数字水印技术是信息隐藏技术的一个应用分支，虽然国内外有很多文章讨论数字 水印方面的问题，但对数字水印及其技术尚未有统一的定义。c o x 等把水印定义为“不 可感知地在作品中嵌入信息的操作行为”【l 】；钮心忻认为数字水印是永久镶嵌在其他 数据( 宿主数据) 中的具有可鉴别性的数字信号或模式，并且不影响宿主数据的可用性 3 1 。一般的，数字水印是指具有不可见性、鲁棒性、抗检测性的，含有认证敏感信息 的数字标记，诸如数字签名、日期、商标或随机序列等。数字水印技术是指利用信号 处理的方法，在数字化的多媒体数据( 主要包括数字图像、音频和视频) 中嵌入数字 水印，并且在需要时可以提取出水印或能够证明水印的存在性的一种数字编码技术。 从图像处理的角度看，嵌入水印信号可以视为在强背景下迭加一个弱信号， 只 要迭加的水印信号强度低于人眼视觉系统( h u m a nv i s i o ns y s t e m ，h v s ) 的对比度门 限，人眼视觉系统就无法觉察到信号的存在。而对比度门限则受视觉系统的空间、时 间和频率特性的影响。因此，通过对原始图像作一定的调整，有可能在不改变视觉效 果的情况下嵌入一些信息。而从数字通信的角度看，水印嵌入可理解为在一个宽带信 道( 载体图像) 上用扩频通信技术传输一个窄带信号( 水印信号) 。尽管水印信号具有 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。水印的译码( 检测) 则是一个有噪信道中弱信号的检测问题【3 , 1 2 。 设载体图像为厶水印信号为形密钥为k ，则水印嵌入可用( 2 1 ) 式描述： l = f ( i ，w ，k ) ( 1 - 1 ) ( 2 1 ) 式中的f 表示水印嵌入策略( 算法) 。水印的嵌入过程如图2 1 所示，其中虚 线表示该条件并非必要条件。 9 图2 2 是水印提取与检测流程： ：原始图像，： 图2 - 2 水印信号提取与检测框图 1 0 基于自保留变换的数字图像水印技术研究第二章数字图像水印技术概述 在某些水印系统中，水印可以被精确地抽取出来，将这过程称为水印提取。比如 在完整性确认应用中，必须能够精确地提取出插入的水印，并且通过水印的完整性来 确认多媒体数据的完整性。如果提取出的水印发生了部分的变化，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。 对于强健水印，通常不可能精确地提取出插入的原始水印，因为一个应用如果需 要强健水印，说明这个应用很可能遭受到各种恶意的攻击，水印数据历经这些操作后， 提取出的水印通常已经面目全非。这时需要一个水印检测过程。通常水印检测的第一 步是水印提取，然后是水印可信度判决。水印可信度判决的通常做法是相关性检测。 选择一个相关性判决标准，计算提取出的水印与指定水印的相关值，如果相关值足够 高，则可以基本断定被检测数据含有指定的水印。 可见水印提取的任务是从嵌入水印的数据中提取水印信号，而水印检测的任务是 判断某一数据内容中是否存在指定的水印信号。另外，水印检测的结果依赖于一个阈 值，当相关性检测的结果超过这个阈值时，给出含有指定水印的结论。这实际上是一 个概率论中的假设检验问题。当提高相关性检测的阈值时，虚检概率降低，漏检概率 升高；当降低相关性检测的阈值时，虚检概率升高，漏检概率降低。所谓虚检( f a l s e p o s i t i v e ) ，就是将没有水印信号的数据误认为含有水印信号。所谓漏检( f a l s en e g a t i v e ) ， 就是未能从含有水印信号的数据中检测到水印信号。在实际的水印应用中，更注重对 虚检概率的控制。 2 2 数字水印的分类 1 、按水印载体分类 加载数字水印的数字产品，可以是任何一种多媒体类型。根据载体类型的不同， 可以把数字水印分为以下几种： ( 1 ) 静止图像水印 这是目前讨论最多的一种水印，目前大多数文献都是讨论静止图像水印的。数字 图像是在网络上广泛流传的一种多媒体数据，也是经常引起版权纠纷的一类载体，静 止图像水印主要利用图像中的冗余信息和人的视觉特点来加载水印。当然，有些静止 第二章数字图像水印技术概述 基于自保 图像水印算法还可以适用于其他载体。 ( 2 ) 视频水印 为了保护视频产品和节目制作者的合法利益，可以采用 水印可以从两个角度来研究，一方面视频数据可以看成有许 此适用于静止图像的水印算法也可以用于视频水印；另一方面可以直接从视频数据入 手，找出视频数据中对人眼视觉不敏感的部位进行水印嵌入。通常后一种方法是比较 有效的，因为视频的数据量非常大，通常采用压缩编码技术，因此在每一帧静止图 像中隐藏的水印信息将大部分被压缩掉了。h a r t u n g 等人提出了参考m p e g 编码方式的 水印算法，其基本思想是对水印的每一个8 x 8 块做d c t 变换然后将水印的d c t 系数叠 加到相应的m p e g 视频流的d c t 系数上【3 8 1 。 ( 3 ) 音频水印 加载在声音媒体上的水印可以保护声音数字产品【3 9 1 ，如c d 、广播电台的节目内 容等。音频水印也主要利用音频文件的冗余信息和人类听觉系统的特点来加载水印， 音频水印主要有四种基本方法：低比特位编码方法、相位编码方法、扩频嵌入方法和 回声隐藏方法【1 8 1 。 ( 4 ) 软件水印 软件水印是近年来提出并开始研究的一种水印，它是镶嵌在软件中的一些模块或 数据，通过这些模块或数据，可以证明该软件的版权所有者和合法使用者等信息。软 件这种载体与前面几种载体有着明显的不同，图像、视频和音频信号，它们所包含的 全部信息都在原始载体上，而软件这种载体所表达的信息非常复杂，而且软件在不同 操作系统，不同编程语言实现的情况下，表现也不同。因此软件水印的研究不同于前 面几种载体的水印研究。软件水印根据水印的生成时机和存放的位置，可以分为静态 水印和动态水印两类。静态水印不依赖于软件的运行状态，可以在软件编制时或编制 完成后直接加入。动态水印依赖于软件的运行状态，通常是在一类特殊的输入下才会 产生，水印的验证也是在特定的时机才能完成。 ( 5 ) 文档水印 文档水印基本上是利用文档所独有的特点，水印信息通过轻微调整文档中的行间 距、字间距、字特性( 如字体) 等结构来完成编码4 0 1 。 1 2 基于自保留变换的数字图像水印技术研究第二章数字图像水印技术概述 2 、按水印外观分类 水印从外观上可分为两大类：可见水印和不可见水印【4 。更准确地说应该是可觉 察水印和不可觉察水印。通常，采用上述提法来概括所有媒体上的水印。 ( 1 ) 可见水印 最常见的例子是有线电视频道上所特有的半透明标识，其主要目的在于明确标识 版权，防止非法的使用，虽然降低了资料的商业价值，却无损于所有者的使用。 ( 2 ) 不可见水印 不可见水印实现水印隐藏，视觉上不可见( 严格说应是无法觉察) ，目的是为了将 来起诉非法使用者，作为起诉的证据。不可见水印往往用在商用的高质量图像上，而 且往往配合数据解密技术一同使用。 3 、按水印处理算法分类 按数字水印的隐藏位置，可以将其划分为时( 空) 域数字水印【1 3 】、频域数字水印 【1 9 】【2 2 】【3 e l 、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。 4 、从水印的检测方法上分类 ( 1 ) 私有水印和公开水印 、 在检测水印时，如果需要参考未加水印的原始载体( 图像，声音等) ，则这类水印 方案被c o x 等人称为私有水印方案【4 2 】。反之，如果检测中无需参考原始载体，则这 类水印方案被称为公开水印方案。 ( 2 ) 私钥水印和公钥水印 类似于密