（信号与信息处理专业论文）变换域数字水印算法的研究.pdf

西安建筑科技大学硕士学位论文 变换域数字水印算法的研究 专 业：信号与信息处理信号与信息处理 研 究 生：雷雷 洁洁 指导教师：王慧琴王慧琴 教授教授 摘 要 随着计算机网络的飞速发展，数字媒体产品给工作和生活带来方便快捷的同 时，也带来了版权安全等一系列的问题。数字水印技术作为一种有效的数字信息 版权保护方法，得到了广泛的关注。 本文在分析现有数字水印技术的基础上研究了两种变换域数字水印算法： （1）基于 svd(singular value decomposition)分解的 dct(discrete cosine transform)域数字水印算法。将原始图像分块并计算熵值和标准差，根据人类视 觉系统特点,选取熵值较大和方差较小的块嵌入水印。 对选取的原始图像块进行离 散余弦变换，将二值水印图像进行混沌加密后进行奇异值分解，然后嵌入到选取 块奇异值分解的 s 分量中。由于将水印进行了三次嵌入，加大了嵌入的水印信息 量。 水印提取采用了 3 选 2 的方法。 仿真实验证明了算法具有良好的不可感知性， 并且对有损压缩、图像添加噪声、中值滤波、剪切等图像处理操作具有较强的鲁 棒性。 （2）基于图像归一化的零水印算法研究。结合图像归一化技术，研究了一种 新的零水印算法。首先利用图像归一化技术在原始图像中提取构造区域，然后在 重要区域中进行离散小波变换，选择低频子带进行分块离散余弦变换，提取每块 直流分量组成一个矩阵并求平均值，通过判断每块系数与平均值关系得到特征信 息，最后结合版权水印信息构造零水印。仿真实验表明，算法对常规处理和几何 攻击均具有较好的鲁棒性。 关键词：关键词：数字水印技术；离散余弦变换；奇异值分解；零水印 西安建筑科技大学硕士学位论文 research of digital watermarking technique in transform domain specialty: signal and information processing name: lei jie supervisor: prof. wang huiqin abstract with the rapid development of computers and networks, digital media products to work and life, while convenient, it also brings security, and other copyright issues. digital watermarking is an effective method for copyright protection of digital information, received extensive attention： based on the analysis of the existing digital watermarking technique based on the proposed two digital image watermarking algorithm: (1)digital watermarking algorithm based on svd in dct domain. firstly, original image was divided into blocks and their entropy and standard deviation were calculated. according to hvs characteristics, selected some blocks with larger entropy and smaller standard deviation to embed watermark. selected blocks are transformed into dct domain and then operating svd. the binary watermark image was embedded into the s component of those svd decomposition after encrypted by chaotic encryption. due to the watermark was embedded three times, the amount of embedded information is increased. watermark obtained by selecting best one from three watermarks extracted from watermarked image. the experiment results show the algorithm has good invisibility and robustness to jpeg compression, image add noise, median filtering, cropping and other image processing operations. (2)zero-watermark algorithm based on image normalization. a new zero-watermark algorithm is proposed, combining with image normalization techniques. firstly, the image normalization techniques are used in the original image to extract a significant-region and transform it by using dwt(discrete wavelet 西安建筑科技大学硕士学位论文 transform), then select its low frequency sub bands to block dct(discrete cosine transform). matrix composed by direct current component coefficients of each block extracted by determining the average relationship of low-frequency coefficients and the matrix of each block. finally, combining with the copyright watermark to produce zero-watermark. experimental results show that algorithm had good robustness to common image processing and resist geometric transformation. keywords：watermarking ; dct ; svd ; zero-watermark 西安建筑科技大学硕士学位论文 i 目 录 1 绪论绪论 . 1 1.1 引言 . 1 1.2 研究目的及意义 . 1 1.3 国内外研究现状及发展趋势 . 3 1.4 论文内容安排 . 4 2 数字水印技术概述数字水印技术概述 . 5 2.1 引言 . 5 2.2 数字水印技术的基本概念和框架 . 5 2.3 数字水印的特性及分类 . 6 2.3.1 数字水印的特性 . 6 2.3.2 数字水印的分类 . 7 2.4 典型的数字水印算法 . 9 2.4.1 空域数字水印算法 . 9 2.4.2 变换域数字水印算法 . 10 2.5 数字水印评价标准 . 12 2.6 本章小结 . 13 3 基于基于svd分解的分解的dct域数字水印算法域数字水印算法 . 15 3.1 引言 . 15 3.2 理论基础 . 15 3.2.1 离散余弦变换 . 15 3.2.2 奇异值分解 . 17 3.2.3 嵌入位置的选择 . 18 3.3 水印图像的置乱加密 . 18 3.4 基于svd分解的dct域数字水印算法 . 19 3.4.1 算法基本思想 . 19 3.4.2 水印的嵌入 . 19 3.4.3 水印的提取 . 20 西安建筑科技大学硕士学位论文 ii 3.4.4 算法分析 . 21 3.4.5 仿真实验及结果 . 21 3.5 本章小结 . 27 4 基于图像归一化的零水印算法基于图像归一化的零水印算法 . 29 4.1 引言 . 29 4.2 零水印技术 . 29 4.2.1 零水印技术的概念 . 29 4.2.2 零水印算法的分类 . 30 4.3 离散小波变换 . 31 4.4 图像归一化处理 . 32 4.4.1 基于几何矩的图像归一化处理 . 33 4.4.2 归一化图像构造区域的提取 . 35 4.5 基于图像归一化的零水印算法 . 36 4.5.1 零水印的构造 . 36 4.5.2 零水印检测和版权认证 . 37 4.5.3 阈值的确定 . 37 4.6 实验结果及分析 . 38 4.7 本章小结 . 43 5 结论结论 . 45 致致 谢谢 . 47 参考文献参考文献 . 49 研究成果研究成果 . 53 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 1 绪论 1.1 引言 现今，随着计算机网络技术以及多媒体技术的迅速发展，使得数字化信息的 交流既快速、容易又便利，创造者和授权者在享受数字化时代所带来的便利的同 时，面临例如数字化信息的安全问题和数字产品的版权问题也变得十分严峻。因 此，如何利用网络所带来的便利条件，有效的保护数字作品所有者的知识产权和 合法权益，已经成为当今社会一个十分紧迫的问题。近些年来，数字水印技术作 为隐蔽通信和知识产权保护等的主要手段，正得到广泛的研究与应用。 1.2 研究目的及意义 多媒体信息及产品的数字化，为信息的存取带来极大的便捷、并提高信息表 达的效率和准确度之外，也带来了数字化信息安全及多媒体信息版权归属等安全 问题。而为了解决数字化信息安全及多媒体信息版权归属等一系列问题时，大多 数数字产品的版权所有者会利用加密技术或数字签名技术对其进行保护。加密技 术通过公钥或私钥将信息变成不能理解的密文信息，而只有拥有密钥的接收者才 能解读密文信息的真正含义，从而达到保护数据的安全性。数字签名技术通过密 钥，利用字符串代替签名或印章对短消息进行信息可靠性的认证，但这种技术对 于现今的需要嵌入大量信息的图像、视频或音频的需求应用并不实际与便捷。单 靠密钥保护多媒体信息的可靠性也并不是唯一的办法，而且只有拥有密钥的人才 能获得信息，对于网络飞速发展的今天而言，就达不到让更多人分享多媒体信息 的效果。另外，一旦密钥被解密，多媒体信息的版权将很难被证明其归属问题。 为了解决上述遇到的问题，一种新型的技术较好的弥补了上述遇到的问题。这种 新型的技术就是数字水印技术（digital watermark） ，而这样的技术也正作为版权 等安全保护的有效方法被广泛的关注与研究。 数字水印技术是信息隐藏技术的一个重要应用。它是一种有效的数字产品版 权保护和数据安全维护技术。他将类似版权标志、用户序列号或者是产品相关的 秘密信息，利用数字嵌入的方法嵌入在类似数字图像、音频和视频等需要保护的 数字产品中，以便保护原创作者的合法权益、证明产品的真实完整可靠性、跟踪 非法占有行为或提供产品附加信息。 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 数字水印技术的应用范围十分广泛，包括所有者识别、所有权验证、交易跟 踪、内容真伪鉴别、拷贝控制、设备控制和广播监控等方面。 随着互联网的飞速发展，版权保护的意义也变得更为重要，数字作品被快速 复制并广泛分享和传播着，但不乏有不法分子对数字作品进行伪造、篡改或非法 发布，对于科技如此发达的今天而言，拷贝复制数字作品是轻而易举的事情，而 复制出的数字作品与原始作品相比，没有任何质量上的差别。而这些对于数字作 品的所有者来说， 数字作品的版权保护就尤为重要。 既使在作品前添加文本说明， 但也会有意无意的在拷贝的过程中忽略，也会在作品使用过程中，由于只用作品 中的一部分而不得不剪切掉一部分，而这时，文本说明有可能被剪切掉，那么版 权保护的作用也就随之失效了。 而数字水印技术正好是解决版权保护的有效措施， 它可以把作品的有效信息，比如作者姓名，作品的创作时间、商标、序列号等所 有能证明所有者版权的信息嵌入到视频、音频或者图片等作品当中，从而达到跟 踪保护多媒体数字产品版权的作用。不仅可以视频、音频或者图片中添加水印信 息，而且可以添加在出版的纸质印刷制品中，这对于作品内容的完整性和真伪的 认证也是十分有效的手段。例如在可以证明身份的证件上添加所有者的照片、姓 名等信息，如果有人想要替换证件上的信息时，只要扫描一下证件，检测出嵌入 其中的水印信息与替换的信息比较，就可以很容易的发现证件的真伪。如果作品 被未经授权的人修改使用，那么通过检测水印的存在与否，从而可以获知作品是 否被修改过，即作品是否完整。利用水印信息还可以对作品的拷贝经历的次数做 记录，对作品的销售和发行的拷贝接收者进行跟踪，倘若哪个环节出现问题或作 品被滥用（没经过授权随意发布）时，就可以找出应该承担责任的人。 数字水印技术还可以应用在广播监听中，它可以存在被监听的内容之中，相 比采用广播信号中的特定片段，它更能与广播设备的安装基础兼容。此外，对于 多媒体作品的访问和复制加以控制。例如所有者希望作品被“禁止复制” 、 “复制 一次”或“复制多次”时，就会在作品中添加这样的水印信息，从而对作品进行 访问、复制进行控制，这样既能保证授权者的合法权益，又能控制侵权行为。 另外，数字水印技术还能应用在通信安全上。把信息隐藏在通信数据里而很 难被发现，在保证正常通信的情况下，不仅隐蔽性好，不易被察觉，而且保证了 通信的安全性。 总之，数字水印技术的应用十分广泛，对其的研究也是十分有意义的。 西安建筑科技大学硕士学位论文 3 1.3 国内外研究现状及发展趋势 tirkel7等人在 1993 年时首先提出了“数字水印”的概念，并提出了两种嵌 入水印的方案，该方案利用图像的最低有效位隐藏信息。这种方法的优点是嵌入 水印量比较大，但是此方法的鲁棒性较弱，水印经过信号处理器很容易被去除。 而早期的数字水印算法也都是在空域中完成的，并且大多数是在图像中进行的。 空域算法的特点是算法简单，但鲁棒性较弱，水印较容易受信号处理的影响被去 除。 由于信息安全对于各国不管在经济还是其他方面都是至关重要，而数字水印 技术又是信息安全、版权保护的有效手段，所以世界各国的科研机构、大学和商 业机构都积极参与或投资支持此方面的研究。如美国财政部、美国版权工作组、 美国洛斯阿莫斯国家实验室、美国海陆空研究实验室、欧洲电信联盟、德国国家 信息技术研究中心、日本 ntt 信息与通信系统研究中心、麻省理工学院、南加利 福尼亚大学、剑桥大学、瑞士洛桑联邦工学院、微软公司、朗讯贝尔实验室等都 在进行这方面的研究工作。ibm 公司、日立公司、nec 公司、pioneer 电子公司 和 sony 公司等五家公司还宣布联合研究基于信息隐藏的电子水印。 由于国外有众多研究机构、大学、社会团体、政府部门等参与数字水印技术 的研究，所以研究的步伐也是非常快的。比如数字水印算法的计划就列入一些国 际标准项目中，欧洲的 talisman 项目的目标是建立一个在欧洲范围内对大规 模商业侵权盗版行为提供一个版权保护机制； okapi 项目希望能够为视频产品以 增加标识水印的方法来提高保护手段；octalis 则是 taliman 和 okapi 的后 续项目，其主要目的是将有条件的访问机制和版权保护机制整合起来。国际标准 组织也为数字视频压缩标准 mpeg4(iso/ieo14496)提供一个框架允许结合简单 的加密方法和水印嵌入方法。 随着信息交流的加快和水印技术的迅速发展，国内的一些科研单位已逐步从 跟踪转向深入系统的研究，如黄继武等人提出一种自适应水印算法8，根据图像 块dct系数定性和定量的分析，平衡不可感知性和鲁棒性的要求，在dc分量上嵌 入水印信息，该算法对常见的图像处理具有较好的鲁棒性。还有哈尔滨工业大学 的孙圣和、牛夏牧、陆哲明等，天津大学的张春田、苏育挺等，北京邮电大学的 杨义先、钮心忻等，中国科学院自动化研究所的刘瑞祯、谭铁牛等，他们是国内 较早投入水印技术研究且取得较好成绩的科研单位。同时，政府对信息安全产业 的发展极为重视。 数字水印的研究得到了国家自然科学基金和 “863” 计划的资助。 西安建筑科技大学硕士学位论文 4 2001 年 9 月，温泉等人9 1.4 论文内容安排 在我国第三届信息隐藏学术研讨会上，提出了“零 水印”的概念。 “零水印”的基本思想是在不修改原始图像的情况下，利用其本身 的重要特征信息来构造水印信息，这样构造出来的水印被称为“零水印” 。而其以 每幅图像都有不同的特征，即每幅图像构造不同与其它图像的水印信息为理论基 础。而零水印技术很好的解决了水印鲁棒性和不可感知性之间的矛盾。从国内外 的研究现状来看，基于变换域的数字水印技术仍然是研究的热点。由于经过变换 域处理之后，水印信息分布在整个图像之中，不可感知性和鲁棒性都优于空域方 法。 虽然数字水印技术的发展在国内还处于初级阶段， 仅仅停留在理论研究阶段， 但当它走上实用化和商业化的道路时，就能为快速发展国内的信息安全产业做出 贡献。 近些年，数字水印技术作为版权保护和安全认证的热点技术被广泛地研究， 但研究成果还尚未完善，本文在研究国内外专家和学者的研究基础上进行研究工 作。以下是本文的研究工作及全文安排： 第一章：介绍了数字水印技术的研究背景及应用、国内外的研究现状和发展 趋势和本文的结构安排。 第二章：介绍了数字水印的概念及相关基础知识。 第三章：基于 svd 分解的 dct 域数字水印算法。算法利用离散余弦变换和 奇异值分解的特点，根据人类对纹理复杂的区域不敏感的特点，利用熵和标准差 选取纹理复杂的区域作为水印嵌入区域，并重复嵌入水印 3 次。该算法具有良好 的不可感知性，并且对 jpeg 压缩、图像添加噪音、中值滤波、剪切等图像处理 操作具有较强的鲁棒性。 第四章：基于图像归一化的零水印算法研究。算法结合图像归一化技术提取 出构造区域，并利用 dwt 低频子带的能量聚集效应以及 dct 的 dc 直流分量的 稳定性来构造零水印。算法在没有对原始图像做任何改变的情况下，各种攻击具 有很强的鲁棒性，而且很好的平衡了鲁棒性与不可感知性之间的矛盾。 第五章：结论。进行本文的研究工作总结和对今后工作做了展望。 西安建筑科技大学硕士学位论文 5 2 数字水印技术概述 2.1 引言 数字水印技术是一门新型的多学科交叉的应用技术，已成为当前多媒体信息 安全研究领域发展最快的热点技术，同时国际学术界及企业界也高度重视此类技 术的发展。它涉及了包括信号处理、图像处理、信息论、密码学、数字通信、计 算机科学、网络技术及算法设计等技术，也包括法律、公共策略等问题，它作为 一种有效保护多媒体作品版权的手段而被广泛应用。所以，数字水印技术在学术 和经济上都有着非常重要的意义。 2.2 数字水印技术的基本概念和框架 数字水印技术是信息隐藏技术的一个重要分支。 所谓数字水印技术， 就是在图 像、音频、视频等多媒体数字信息中添加一些数字信息，这些数字信息可以是无意 义的信息，也可以是有意义的信息，例如序列、商标、产品信息等有着特殊含义的 版权信息， 在不影响原始信息的观赏性和完整性的情况下， 不但能有效的保护其版 权、合法权益，还能证明原始信息的真实性及为客户提供用于说明的附加信息，只 有通过专门的仪器或阅读器才能检测或提取。数字水印技术从信号处理的角度来 说， 水印信号的嵌入可以理解为在强背景下添加一个弱信号， 在保证叠加的水印信 号不被感知， 那么就要利用人类视觉系统(hvs)或听觉系统(has)得出一个门限值， 低于门限值时，就可以满足水印不被感知。数字水印系统的框图如图 2.1 所示。 图 2.1 数字水印系统框图 数字水印系统一般包括水印的生成、嵌入和提取三部分。 水印的生成通常分两种情况，第一种是直接将原始水印信息嵌入到原始信息 里，第二种是要在嵌入之前，先对水印信息进行预处理，预处理通常是对水印信 西安建筑科技大学硕士学位论文 6 息进行置乱，考虑到这样可以增强水印信息的安全性，之后再将置乱后的水印信 息嵌入到原始信息里。 水印的嵌入就是水印信息 ( )ww k=嵌入到原始信息 00 ( )xx k=里。 最常用 的嵌入准则分为加法准则和乘法准则，如下式所示： 0( ) ( ) w xx kw k=+，加法准则 0( )(1 ( ) w xx kw k=+，乘法准则 变量既可以是原始信息采样的幅值，也可以是经过变换域得到的系数值； 参数 可以随采样数据的不同而变化。 水印提取通过密钥提取出嵌入到原始信息里的水印信息。一般根据在提取过 程中是否需要原始信息参与可分为盲提取和非盲提取。在图 2.1 中加虚框的部分 是要根据算法的需要。 2.3 数字水印的特性及分类 2.3.1 数字水印的特性 数字水印的特性较多，针对不同应用场合的要求及考虑水印在应用场合要起 到的重要作用，每种特性的相对侧重点也会根据上述因素的要求来考虑，甚至会 根据应用场合的特殊要求，牺牲一部分特性来增强另一部分特性来满足特殊场合 的要求。具体的特性如下所述11 (1) 不可感知性 ： 不可感知性是指因嵌入水印导致原始数据的变换对于观察者的视觉或听觉系 统来讲是不可察觉的，最理想的情况是水印与原始数据在视觉上或听觉上是一样 的。这样不仅不影响原始数据的正常使用，而且也很好的对原始数据起到了版权 的保护作用。 (2) 鲁棒性 鲁棒性指抵抗各种处理操作和恶意攻击而不会导致水印信息丢失的能力。即 经过常规的信号处理操作后，仍能检测到水印或证明水印存在的能力。常规的信 号处理操作包括有损压缩、滤波、几何变换等等。针对不同的应用场合的需求， 水印抗信号处理的应用要求也是会随之发生变化。对于版权保护方面的应用场合 需要，水印信息应该具有对诸如噪声、有损压缩、滤波等常规信号处理、旋转、 缩放等几何变换等攻击的鲁棒性。而对于内容的认证方面的需求时，水印信息就 西安建筑科技大学硕士学位论文 7 要对某些信号处理的操作表现出脆弱性。 (3) 安全性 安全性是指水印信息在没有授权的情况下，不能被恶意的移除、替换、破坏 或者是获得，即使在相关水印算法或者公知或是获取相关知识的情况下，也要保 证水印信息不能被提取、检测、移除或替换。 (4) 数据容量 数据容量是指能够嵌入到多媒体信息中的水印信息比特数，并能够保证水印 算法的有效性。根据不同应用场合的需求，水印信息所要表达信息的内容应该能 够具有一定的数据容量。 (5) 可证明性 可证明性是指在实际的应用过程中，可能多次加入水印，那么数字水印技术 必须能够允许多重水印嵌入被保护的数据，而且每个水印均能独立地被证明。 (6) 无歧义性 发生版权归属纠纷时，所提取或检测出的水印信息能够唯一确定的反映真正 版权所有者的归属，也就是说不能出现多个版权归属的所有权纠纷问题。 根据上述水印特性的描述，其中不可感知性和鲁棒性这两个特性是水印最重 要的两个特性，而它们之间既相互竞争又矛盾，当增强两者其一的特性时，就会 牺牲另一方的特性，例如增强鲁棒性时，就会主观上明显感知到变化，使不可感 知性变得较差，但当要增强不可感知性时，就会使抗攻击的鲁棒性有所下降，即 经过常规信号处理及几何变换的攻击之后，不能正确提取出水印信息。所以，就 要根据具体问题、具体应用场合的需求来折中或设定一定的范围调节，来平衡类 似这样的矛盾。 2.3.2 数字水印的分类 根据不同的出发点，数字水印的分类也相对很多11 (1) 按外观上分类 ，以下是常见的几种分类 方法： 从外观上，水印可分为可见水印和不可见水印两类。可见水印是能够被感知 的水印，类似于在多媒体信息表面覆盖或插入明显可识别的信息。其目的在于明 确表明版权的归属，防止他人非授权使用，但是这样会降低多媒体信息的观赏价 值，人们会在欣赏作品时明确感知到标识信息的存在。相对于可见水印而言，不 西安建筑科技大学硕士学位论文 8 可见水印是不会被感知的水印，它的应用更加广泛。虽然不可见，但是在发生版 权纠纷或者证明作品完整性时，只要在含不可见水印的多媒体信息里提取或检测 出水印信息，就可以证明版权的归属或作品的完整性。 (2) 按水印的内容分类 从水印内容上，可以分为无意义水印和有意义水印。无意义水印是一些序列 或者随机数。在检测多媒体信息是否含有水印信息时，需要通过统计决策的方法 做出判别。有意义水印通常是实际意义或能代表版权的特殊符号，如产品商标、 姓名、公司标志等，它们本身也是数字作品。有意义水印的优势在于，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干码元错误，则 只能通过统计决策来确定信号中是否含有水印。 (3) 按载体类型分类 按水印所附载的媒体，我们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络模型的网格水印等。但随着科技的发展和不 同应用场合的要求，会有更多种类的数字媒体出现，同时也会出现相应的水印技 术。 (4) 按检测提取类型分类 从检测和提取的类型，可将其分为非盲水印、半盲水印和盲水印。非盲水印 是指在检测或提取水印的过程中需要原始载体和原始水印参与才能完成；半盲水 印是指在检测或提取水印的过程中不需要原始载体的参与，但是需要在有原始水 印的共同参与下完成；盲水印是指在检测或提取的过程中，既不需要原始载体的 参与，也不需要原始水印的参与，这样可以节省存储成本。 (5) 按水印嵌入的域分类 可分为空域数字水印和变换域数字水印。空域数字水印是指在空间域中直接 将水印信号嵌入，虽然嵌入水印量大，算法简单，但是抗攻击性较差，即鲁棒性 较差。变换域数字水印是指先将原始载体进行离散余弦变换、离散小波变换、离 散傅立叶等变换，再将水印信号嵌入到经过上述变换后的图像系数中，实现水印 的嵌入，变换域数字水印一般具有较强的抗攻击能力，即鲁棒性较强，而许多学 者也致力于研究变换域的数字水印技术。当然随着科技的发展，信号处理技术也 将蓬勃向上，也将会出现更多不同的变换方法，同时也会出现不同变换域的数字 水印技术。 西安建筑科技大学硕士学位论文 9 (6) 按水印抗攻击能力分类 从抗攻击能力可将水印分为鲁棒型水印和脆弱型水印。鲁棒型水印是指含水 印的多媒体信息在经过各种信号处理或在传输使用过程中发生的失真的情况下， 仍然能够正确完整的提取出水印信息，完成版权保护或认证，即要具有较强的抗 发生的恶意或无意攻击的能力，从而保护版权所有者的合法权益。脆弱型水印是 指在原始数据真实的情况下，在原始数据中嵌入一些标识水印信息，当发现原始 数据又被改动的情况发生时，可以通过检测提取标识水印信息有无被改动来证明 原始数据的完整程度。 一般在数据真伪的鉴别和数据完整程度上的应用较为广泛。 2.4 典型的数字水印算法 水印技术历史久远，直到 1993 年，数字水印算法才真正发展开来。在这发展 的过程中，已经产生了许多水印算法。这些算法从不同嵌入域角度可以分为空域 数字水印算法和变换域数字水印算法两类。空域数字水印算法是通过修改原始图 像的某些像素值来嵌入水印信息，变换域数字水印算法则是将修改经过变换后的 图像系数来达到嵌入水印信息的目的。 下面分别介绍空域和变换域数字水印算法。 2.4.1 空域数字水印算法 基于空域的数字水印技术是人们最早也是早期研究较多的数字水印算法。 tirkel等人7最先提出的数字图像水印算法都是空域的。空域数字水印算法就是通 过将水印信息直接添加到原始数据上的方法来嵌入水印信息的，常用的空域水印 算法有如下几个。 (1)最低有效位算法13 (2)patchwork算法：bender等人 ：最低有效位(lsb)算法是将原始数据用二进制表示， 并在二进制的最低几位上添加二值水印信息的。这种算法由于改变的是原始数据 最低位的信息，所以一般情况下，人们很难发现图像的改变，从而也就不会被感 知，而且添加的水印比特信息较大，在提取水印时，也只要提取添加水印后的原 始图像的最低有效位平面就可以检测水印的存在与否。 这种算法属于盲水印算法。 但是由于是在原始数据的最低有效位上修改数据来嵌入水印信息，这种算法在抵 抗一些有损的变换时，常常表现的鲁棒性较差。因此，这种算法在作品内容的完 整性上等需求场合应用广泛。 5于 1996 年提出了patchwork算法。这种算法 的基本方法是首先选取一些像素点，这些像素点是成对出现的，并对每一对的其 西安建筑科技大学硕士学位论文 10 中一个像素点增加亮度， 而对另一个像素的减少亮度， 增加和减少的量为相同的， 这样改变这些像素的相互关系实现了水印信息的添加。 在提取或检测水印信息时， 也是通过这些像素之间的相互关系来判断水印的存在与否。这种算法的优点是水 印嵌入后一般不易被感知，并且在抵抗裁剪、jpeg压缩等操作时，能表现较强的 鲁棒性，但这种算法的原理是基于统计检测方法的，由于这种算法嵌入水印算法 的原理限制，所以检测水印时，只能判别水印存在与否，不能准确的提取出水印 信息，而且嵌入的水印信息量较少，特别对旋转等操作表现出的鲁棒性较差。 (3)文本微调算法：文本微调算法的主要方法是在稍微变换行间距、字符之间 的距离或是根据字符的特点来添加水印信息的。 但是这种算法的抗攻击能力较弱， 较轻易损坏。这种算法主要在扫描拷贝或是通过拍照拷贝的文件中使用。 由上可知，空域数字水印算法是在空间域改变某些像素的灰度值的方法来添 加水印信息，算法相对容易简便、不易被感知等，但是相对添加的水印容量会少 些，并且在抵抗一些的常规攻击操作处理或是剪裁、旋转等攻击是表现较差的鲁 棒性等等。但从发展的角度来讲，空域水印算法对以后的算法研究奠定了坚实的 基础。 2.4.2 变换域数字水印算法 随着数字水印技术的发展，从早期研究较多的空域数字水印算法发展到变换 域数字水印算法，而正是科技的发展和应用场合的需求等因素的作用下促使了水 印算法研究的迅猛发展。由于空域数字水印算法在某些方面存在不足之处，而变 换域数字水印与空域数字水印算法相比，具有诸多的优势，所以，现今较多的学 者和研究人员致力于变换域数字水印算法的研究上。基于变换域的数字水印算法 是将原始数据经过某种变换方法到某个域里，通过改变变换域全部或某些系数来 实现水印信息的嵌入，并且可以根据人类视觉或听觉系统的门限值来限定嵌入的 强度，使得最大限度的增强嵌入的强度，并很好的平衡了不可感知性的要求。由 于改变变换域的系数，当嵌入水印后，含水印的原始数据进行反变换时，将水印 信息分散在空间域的像素上，这样就使得不可感知性有所增强；再者与许多国际 压缩标准兼容，实现压缩图像的水印嵌入；还有就是结合人类感官系统的特点， 在提高嵌入强度的同时，鲁棒性也是相对增强的；而且变换域数字水印算法在抵 抗常见的信号处理操作的鲁棒性都较不错。常用的变换如离散傅立叶变换 （discrete fourier transform，简称 dft） 、离散余弦变换（discrete cosine 西安建筑科技大学硕士学位论文 11 transform，简称 dct） 、离散小波变换（discrete wavelet transform，简称 dwt） 等其它变换。 （1）dft 域水印算法 傅里叶变换是常用的信号处理工具，它可以将信号进行幅度和相位的分解， 在分解得到的幅度值或相位值上改变其值来实现水印的嵌入。ruanaidh等人6在 dft域中，通过改变相位来添加水印信息，这种方法对于图像的对比度变化具一 定的抵抗能力。p.premaratne通过对原始数据和水印信息同时进行傅里叶变换，然 后将水印信息的傅里叶系数与原始数据的傅里叶