（信号与信息处理专业论文）变换域数字水印算法研究.pdf

国立华侨大学硕士学位论文 i 论文摘要论文摘要 多媒体和网络通信技术的迅猛发展为多媒体信息的处理、发布和 存储提供了极大便利，同时也给网络普及带来负面影响，如盗版侵权 行为等数字信息安全问题。数字水印技术的出现，为解决这些问题提 供了新方法，它能确定多媒体信息的来源、作者、所有者、发布者、 合法使用者或数据完整性等。本文就数字水印技术的一些关键问题进 行研究，设计了新算法并给出相应的实验结果和分析。 论文前两章对数字水印技术的基本概念和理论进行梳理和总结。 第三章总结了常见的水印预处理方法，介绍了常用于多媒体信息 加密的混沌动力系统，分析了基于 logistic 混沌系统的图像加密算 法，给出了空间域加密步骤和实验结果，实验结果表明 logistic 混沌 系统用于数字图像加密，其算法快速、安全高效，利用混沌动力系统 可以有效地解决水印系统的伪随机问题。 第四章根据小波理论在图像中的应用，探索了一条频率域鲁棒性 水印的新思路。根据人眼 hvs 特性，对于平均灰度较大的图像块，人 眼对其像素值改变不敏感，而小波变换后图像主要能量集中在低频子 带，因此低频子带的系数平均值较大，选择这类特性的图像块小波域 系数来嵌入水印，可嵌入水印强度大。实验结果和分析表明，所提水 印算法具有嵌入水印信息量大、鲁棒性强等优点。 第五章将所提出的水印算法在ti提供的dsp6416图象处理平台上 进行实现。实现过程中充分结合 dsp 平台的特点以及考虑实际应用的 需要，算法在实现过程中尽可能的使水印系统具有较大的灵活性和通 用性。实验结果表明在 dsp 平台上初步实现的水印系统的可行性，水 印系统能够实现水印的实时嵌入和提取。 论文最后对科研工作进行总结，并对水印技术进行展望。 关键词：数字水印，小波变换，hvs， 混沌系统， dsp6000 关键词：数字水印，小波变换，hvs， 混沌系统， dsp6000 国立华侨大学硕士学位论文 ii abstract the rapid growth of multimedia manipulation tools and network access leads to convenience of multimedia information processing, distribution and storage. at the same time, multimedia information security problems including copyrights piracy emerge as side effects of the popularity of digital representation and distribution over network. digital watermarking has been demonstrated to be very effective in identifying the source, creator, owner, distributor, authorized consumer, or integrity of a media document (usually an image). in this dissertation, several important problems about digital watermarking are studied. novel algorithms are proposed and the experimental results are given. the background and overview of digital watermarking are introduced in chapter 1 and chapter 2. the chapter 3 presents a few usual watermarking pre-processing methods, especially the method based on logistic chaos system is discussed in detail. a novel digital watermarking scheme based on dwt is proposed in chapter 4. by modifying coefficients of host image in frequency domain, a gray-scale image is embedded into host image. the approximate sub-band of host image is divided into many blocks and some of these blocks are selected with hvs. watermark is embedded into host image by increasing a coefficient and reducing another coefficient in selected blocks, by this way, watermark can be extracted without initial host image. experimental results show that proposed algorithm provides good invisibility and robustness. a practical application about how to realize watermarking system that is proposed in chapter 4, which is based on dsp6000, is proposed in chapter 5. in the processing, programs make full use of the advantages of 国立华侨大学硕士学位论文 iii dsp hardware resource with considering practical application of watermarking system. watermarking system is divided into two parts: embedding and extracting. each part includes some common programs and especial programs, the common programs such as reading and saving image, dwt and idwt and some others. especial part only includes embedding and extracting. by this way, the system is flexible. the system can accomplish watermark embedding and extracting in real time. it makes sense to apply watermarking technique in practice. finally, the prospect of watermarking technique is depicted in chapter 6. key words: digital watermarking, dwt, hvs, chaos-sorting operator, dsp6000 华侨大学硕士学位论文 学位论文版权使用授权声明 学位论文版权使用授权声明 本人同意授权华侨大学有权保留并向国家机关或机构送交学位 论文和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅。 论文作者签名： 指导教师签名： 签 名 日 期： 签 名 日 期： 原创性声明 原创性声明 本人声明兹呈交的学位论文是本人在导师指导下完成的研究成 果。论文写作中不包含其他人已经发表或撰写过的研究内容，如参 考他人或集体的科研成果，均在论文中以明确的方式说明。本人依 法享有和承担由此论文所产生的权利和责任。 学位论文作者签名： 日期： 国立华侨大学硕士学位论文 1 第一章第一章 引言引言 1.1 数字水印产生的背景数字水印产生的背景 数字技术、多媒体技术和网络技术的发展，各种信息的数字化，为信息的存 取、处理和传输提供了极大的便利，同时也提高了信息表达的效率和准确性。特 别是计算机网络通信技术的发展，使数据的交换和传输变成了一个相对简单的过 程。越来越多的人通过互联网发布自己的作品或各种信息并进行网络交易，越来 越多的知识产品以电子版的形式在网络上进行广泛传播。但随之而来的副作用是 通过网络传输的数字产品(如电子出版物、电子广告、音频、视频产品、数字图书 馆等)在没有被授权的情况下容易被有恶意的人们随意篡改、拷贝和散布，这极大 的损害了产品作者及商家的利益。同时因作品被侵权、篡改等版权问题所引起的 社会问题急剧增多。如何维护数字产品版权和数字信息安全是一个急待解决的难 题。 起初人们用传统的密码技术来解决电子领域信息安全的问题， 如rsa和des等。 密码技术是通过一系列变换，使信息在传输途经中变得不可读，从而提供有效的 保护。但这样的保护手段并不彻底，因为信息被加密后容易引起攻击者的好奇和 注意，并有被破解的可能性，而且一旦被解密之后，就可以随心所欲、无限制地 复制和分发原始信息。这样数据就完全处于无保护状态，我们也就无从跟踪信息 的使用情况。即采用密码技术只能保护密文状态下的数据文件，一旦密文被解密 就不再有保护作用。 近年来提出的数字水印技术却可以很好地解决这个问题。作为传统加密方法 的有效补充手段，数字水印技术引起了人们的高度重视，逐渐成为国内外学术界 和产业界关于数字信号处理研究领域的一个研究热点。1996年，召开了关于水印 的第一次国际学术会议，水印技术越来越引起人们的重视。10多年来，已有不少 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，purdue大学，瑞士洛桑联邦工技院，美国 的nec研究所，美国的ibm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ntt信息与通讯系统研究中心，英国剑桥大学，贝尔实验室，sony 公司等。1998年美国版权保护技术组织成立了专门的数据隐藏小组，考虑制定保 国立华侨大学硕士学位论文 2 护水印的技术标准，并提出了一些基本的要求。在实用技术方面，一些公司已推 出了一些数字水印软件产品，一些软件产品也引入了水印技术，例如 adobephotoshop6.0就引入了数字水印技术。随着数字水印技术的兴起，我国科学 研究者们也迅速做出了反映，数字水印技术在我国得到较快的发展。在过去几年 中，从事信息隐藏技术的研究人员和组织也不断增加。我国从1999年开始，迄今 为止已经举办了六次信息隐藏技术研讨会。 国家863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及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。 1.2 数字水印技术的国内外研究现状数字水印技术的国内外研究现状 数字水印的概念自从被提出 1 以来，引起了众多国内外专家和学者的兴趣， 数字水印的研究也取得了很大的进步。一般的数字水印技术可以分为空间域数字 水印和变换域数字水印技术，国内外的大部分研究也是基于这两种方法。 1.2.1 空间域数字水印研究 1.2.1 空间域数字水印研究 空间域数字水印技术主要是直接更改图像的像素值来嵌入水印，通常是在图 像的亮度和色彩或者两者之间加上一个调制信号来嵌入数字水印。考虑视觉上的 不可见性，最早提出的水印算法 2 是将水印信息嵌入到随机选择的图像像素的最 低有效位（lsb：least significant bits）上。但是由于使用的不是图像的重要 像素位，算法的鲁棒性差，对于滤波、图像量化等操作中，水印信息很容易被破 坏和丢失。 1995年，bruyndoncky等 3 提出了一个基于空域分块的方法，通过改变块均值 来嵌入水印。1996年，patchwork等人在文献 4 中提出了一种算法(后称为 patchwork算法)，该算法随机选取图像的n对像素点，通过增加其中一个点的亮度 值而相应降低另一个点的亮度值来隐藏信息，该算法水印嵌入量低，对串谋攻击 抵抗力弱。同年，pitas等 5 利用一个二进制的伪随机序列，将图像中的所有像素 分为两个子集，通过改变其中一个子集中的像素值以达到将水印隐藏至图像的目 国立华侨大学硕士学位论文 3 的。wolfgangu 6 等在此基础上做了改进，将m序列扩展成二维，并应用互相关函 数改进了检测过程，从而提高了鲁棒性。 1998年，darmstaedter等人在文献 7 中提出了一种新的空域水印算法，该算 法是基于图像的88块的空间域分解进行的。图像首先被划分成88大小的块， 然后根据作者定义的三类区间亮度对比特性将块分成亮度相近的区域，对区域中 像素按其所在块中的空间位置、所属的区域及水印编码器产生的秘密网格归于不 同的类，最后根据像素所在区域的亮度中值及其类的关系，通过调整像素的亮度 值将水印加入到图像中。这种算法在空间域计算效率较高，能够实现水印嵌入与 检测的实时性。同时，该算法的水印检测通过比较各区域亮度的中值来抽取水印， 可以独立于原始图像进行。 但上述的一些空域法普遍存在着可嵌入水印的能量不好控制、鲁棒性差等缺 点，现在已经很少有人使用，人们逐渐将水印的嵌入和检测转到频域上进行。 1.2.2 频域数字水印研究频域数字水印研究 频域法是目前应用最广泛的一种方法，这种方法是将图像通过 dft(discrete fourier transform),dct(discrete cosine transform),dwt (discrete wavelettransform)等变换到频域中，然后通过改变某些频域系数来嵌入水印。频 域中能量分布集中的特点和图像像素点间的相关性有利于保证水印的不可见性， 而且容易和人眼的视觉特性相结合，鲁棒性好，因此目前大部分的水印算法是在 频域中实现的。频域法大体有三类:dft 域、dct 域、dwt 域。 傅里叶变换是一种经典而有效的数学工具， dft域的算法有利于实现水印的仿 射不变性，并且可以利用变换后的相位信息嵌入水印。ruanaith 8 提出了dft域的 水印算法:将水印嵌入到dft系数的相位信息中，其依据是hayer的结论 9 “从图像 可理解性的角度，相位信息比幅度信息更重要”；但dft域的方法计算比较复杂， 效率较低，并且与国际压缩标准不兼容，这大大地限制了它的应用。与国际压缩 标准的兼容性使得dct域的水印算法可以很好地利用压缩域的特点进行水印的嵌 入，并且计算简单，因而目前用的最多。 1996 年， 由 nec 实验室的 cox 等人 10 提出了一种 dct 域内基于扩频通信原理 的水印算法，该算法在数字水印算法中占有重要的地位。实现方法是:首先以密钥 国立华侨大学硕士学位论文 4 为种子产生伪随机高斯分布序列，密钥一般由作者的标识码组成。然后对图像做 dct 变换，用伪随机高斯序列调制(叠加)该图像除直流(dc)分量外的 n 个最大的 dct 系数(在大多数图像中，这 n 个最大的系数对应了图像像素的低频部分)。实 验证明，该算法对常见的图像处理及有意攻击、打印及扫描等操作有较强的鲁棒 性，能够从质量遭严重破坏的图像中抽取出水印，但生成的水印对多重水印不同 持有者的联合攻击抵抗能力较差。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，还可防止 ibm 攻击。该算法还提出了增强水印的鲁棒性和 抗攻击算法的重要原则:水印信号应该由具有高斯分布 n(0,1)的独立同分布随机 实数序列构成；水印信号应该嵌入源数据中对人的感觉最重要的部分。他提出的 将扩频通信的理论应用到数字水印系统中的思想，引起了巨大的反响，被认为是 数字水印技术飞跃性的发展，该理论己经成为一种典型的模式。1996 年，koch 等 11 提出了一种新的算法，该算法从所有图像块中伪随机地抽取一系列图像块，对 其进行 88 的 dct 变换， 然后将二进制的水印序列添加到变换矩阵的中频系数来 实现嵌入，同时他们在水印嵌入时引入了密钥机制，实现了水印技术与密码技术 的结合，保密性好。在此期间，比较好的方法还有 nikolaidis 和 pitas 等 12 提 出的算法，它采用了高斯网状分类器来抽取图像块，添加水印有两种方法:一种是 通过在选定图像块的 dct 中频系数上添加线性限制来加入水印；另一种是在 dct 系数中定义一个固定的圆形区域来进行水印嵌入，这种算法不需要原始图像就可 以进行水印检测，方法简单。 1999年，hsu和wu等 13 人提出了基于可视化模型的算法，他们在88大小的 图像块的dct系数中之字形地选择44个中频系数组成小块， 通过比较相邻两个小 中频系数块中相应位置上系数的大小进行标志图像水印的嵌入，由于采用了可视 化模型，水印的不可见性得到了大大的提高。黄继武在文献 14 中提出了一种将水 印嵌入与人类视觉特性相结合的水印算法。它利用人类视觉系统的照度掩蔽特性 和纹理掩蔽特性将空域中的图像块(88大小)分成三类，然后将不同强度的伪随 机序列的水印分量自适应地嵌入到不同类图像块的dct低频系数中实现水印的嵌 入。实验证明，该算法具有较强的鲁棒性。 此外，在2000年，黄继武 15 、易开样 16 等还提出了一种dct域数字水印算法: 国立华侨大学硕士学位论文 5 首先把图像分成88的不重叠像素块，经过分块的dct变换后，得到由dct系数组 成的频率块，然后随机选取一些频率块，水印信号嵌入到由密钥控制选择的一些 dct系数中。该算法对选定的dct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，选取相同位置的dct系数，并根据系数之间的关 系抽取比特信息。其思想类似于扩展频谱通讯中的跳频(frequency hopping)技 术，特点是数据改变幅度较小，透明性好，但是其抵抗几何变换等攻击的能力较 弱。 2004年，王向阳等 17 提出一种dct域自适应彩色图像二维数字水印算法，将 灰度图像（二维数字水印）嵌入到原始彩色图像中。该算法将水印图像进行88 分块dct变换，并量化得到dct系数量化矩阵。保留前10个系数即一个dc分量和9 个ac分量，其余舍弃，将前5个量化成8位，后5位量化成4位，得到压缩编码后的 一维二进制序列再进行置乱。然后将原始彩色图像由rgb空间转换为ycbcr空间， 将其划分成88的子块，根据人眼特性选择合适的纹理子块用于水印嵌入。该算 法的优点是采用静态图像压缩技术实现了二维数字水印作为水印信号，充分利用 hvs实现二维数字水印的自适应嵌入，对于大部分攻击都具有很好的鲁棒性。 可见大部分的dct域内的水印方法，其水印的嵌入框架同jpeg相一致，采用的 多是基于dct的88图像块。 显然这种方法的最大优点就是与国际压缩标准(jpeg, mpeg, h.261/263等)兼容，水印的嵌入和检测都能够在数据的压缩域中直接进行。 这些算法大多选择dct系数的中频系数对水印的不可见性和鲁棒性加以折衷， 难以 抵抗滤波、加噪等一些图像处理的攻击，并且水印的不可见性很大程度上依赖于 不同图像的特性。虽然目前dwt域内的水印算法还不多见，但小波变换具有良好的 频率分解特性，并且嵌入式零树小波编码(ezw)将在新一代的压缩标准 (jpeg2000,mpeg4/7等)中被采用，迎合国际压缩标准，所以小波域内的水印算法 具有良好的发展前景。 1998年，kunder和hatzinakos 18 ，首先提出了多分辨率分析的水印算法， 首先对水印和原始图像同时进行多分辨率分析，然后将水印在分辨率下的分析系 数嵌入到具有相应分辨率的图像块中，这样，即使含水印的图像质量受到了攻击 的影响，丢失了部分信息，较低分辨率的水印仍然保存在较低分辨率的图像块中， 因此水印具有较高的鲁棒性。xia 和boncelet等 19 选用满足正态分布的伪随机序 国立华侨大学硕士学位论文 6 列做水印，在整幅小波分解生成的图像中，用由高分辨率到低分辨率、同一分辨 率下由高频到低频逐个子带添加水印的方法进行嵌入，水印的检测同样由高分辨 率到低分辨率、由高频到低频子带进行。这种水印算法的优点是水印检测按子带 分级扩充水印序列进行，即如果先检测出的水印序列已经满足水印存在的相似函 数要求，检测就可以终止，否则继续搜寻下一子带，继续扩充水印序列直至相似 函数出现一个峰值或使所有子带搜索结束。该算法的主要优点是在水印图像质量 破坏不大的情况下，水印检测可以在搜索少数几个子带后终止，提高了水印检测 的效率。 韦志辉等 20 实现了一个基于小波分解框架的数字水印系统。他的基本思想 是利用从视觉模型导出的jnd(just noticeable difference)模型来确定在图像的 各个部分所能容忍的数字水印信号的最大强度，从而避免了破坏视觉的质量，也 就是说，利用视觉模型来确定与图像相关的调制掩模来插入水印，实验证明，这 一方法同时具有好的不可见性和鲁棒性。 2000年，牛夏牧等人 21 提出一种基于小波多分辨率分解的数字水印技术， 利用灰度级二维数字水印图像可以实现多重水印嵌入，并且灰度图像所包含的信 息量和可感知性及保密性是传统的数字水印无法比拟的。利用图像的多分辨率分 解技术， 将相同分辨率层次的水印嵌入到对应的分辨率层次的原始载体图像之中， 使得水印对载体图像具有自适应性。并利用伪随机编码技术，实现数字水印信号 的伪随机分布，以增强数字水印的保密性。由于水印的嵌入过程是基于原始图像 的不同分辨率层次之间的关系，水印检测过程不需要原始图像的参与。实验表明 该算法对某些图像处理操作具有较好的鲁棒性。潘容等人 22 在上述方法的基础上 进行了改进，将水印图象扩展到原始载体图象同样的大小，将不同方向/不同频带 的水印分别以不同的强度嵌入对应方向和频带的原始图象中，最后检测水印时， 用f范数定义抽取水印与原始水印的相似度。 2004年，hernandez等人 23 根据图像压缩域dwt系数和人眼视觉特性之间关 系，提出一种小波域数字水印算法，该算法能够根据图像特征，如纹理和亮度等 自适应的将一组随机序列嵌入到小波系数中，根据载体图像和随机序列之间的相 关性来检测水印，不需要原始图像的参与。 国立华侨大学硕士学位论文 7 这些算法比较起来，空域中的水印算法被认为鲁棒性差，容易被擦去，所以 现在基本上己经没人使用。 起初dct域中的水印算法由于鲁棒性和不可见性好曾一 度受到青睐，但目前的图像标准己经是基于小波变换的，所以小波域内的水印算 法具有很好的发展前途，是目前水印算法研究的主要方向。 从上述描述中我们可以看出，虽然目前人们开发的鲁棒水印算法很多，但是 还很不完善，不够成熟，还没有形成一个完善的体系，尤其是公认的标准尚未出 现，这些都使得该项技术的应用和推广需要一段很长的时间。针对目前的研究状 况，本文主要对鲁棒性图像数字水印进行了研究，考虑到小波技术符合国际图像 压缩标准，人类视觉系统特性在当前的图像处理技术中有着重要的作用，所以实 现二者的有机结合是本文的重点之一。因为它们能够充分利用图像的自身特性， 能够将水印和图像的属性很好地结合起来，所以能够很好地解决图像水印的鲁棒 性和不可见性等问题。 1.3 数字水印技术的应用前景数字水印技术的应用前景 虽然数字水印最初被用于数字图像的版权保护，但是随着研究的深入与发展， 在其他领域的应用也得到不断的扩展。 1.版权保护 数字作品的所有者可以用密钥产生一个水印，并将其嵌入原始数据，然后公 开发布带有水印信息的作品。当涉及到作品被盗版或是产生版权纠纷的时候，作 品的所有者可以从盗版或水印作品中提取水印信号作为根据，达到保护版权的目 的。作为版权保护的数字水印，必须具有较好的鲁棒性、安全性及水印嵌入的不 可逆性。 2.加指纹 为了防止作品在未授权的情况下被拷贝和散布，作品的所有者可以将不同用 户的id或序列号作为不同的水印（指纹）嵌入作品的合法拷贝中，一旦发现未经 授权的拷贝，就可以根据此拷贝所恢复的水印来确定它的来源。对于此应用领域 来说，水印技术不仅具有版权保护的作用，同时还可以防止串谋攻击（多拷贝攻 击）等作用。 3.标题与注释 在此类应用中，插入的水印信息构成一个注释，提供有关数字产品的进一步的 国立华侨大学硕士学位论文 8 信息，例如将作品的标题、注释等内容以水印形式嵌入该作品中，这种隐式注释 不需要额外的带宽，且不易丢失。 4.篡改提示 当数字作品被用于法庭、医学、新闻及商业时，常需要确定它们的内容是否 被修改、伪造或特殊处理过。为实现该目的通常将原始图像分成多个独立块，每 个块加入不同的水印。为确定其完整性，可通过检测每个数据块中的水印信号来 确定作品的完整性。与其他的水印不同的是，这类水印必须是脆弱的，并且检测 水印信号时，不需要原始数据。 5.使用控制 这种应用的一个典型的例子是dvd防拷贝系统， 即将水印信息加入dvd数据中， 这样dvd播放机即可通过检测dvd数据中的水印信息而判断其合法性和可拷贝性， 从而保护制造商的商业利益。 6.内容保护 在一些特定应用中，数字产品内容的所有者可能会希望要卖的多媒体内容能 公开自由地预览，以尽可能地多招徕潜在的顾客，但也需要防止这些预览的内容 不被其他人用于商业目的，因此，这些预览内容被自动加上可见的但难以除去的 水印。 1.4 本文研究内容、创新点和组织 1.4 本文研究内容、创新点和组织 1.4.1 本文的研究内容 1.4.1 本文的研究内容 本文首先在基础理论方面，对数字水印系统的一些重要基础理论问题进行了 较全面的梳理和总结。介绍了数字水印技术的发展概况以及与传统加密技术的区 别；介绍了数字水印技术的应用领域；总结了数字水印的分类情况；分析了数字 水印应具有的基本特征和设计水印系统应考虑的原则要求。针对常用的数字图像 置乱方法进行了分析和比较；分析了水印系统可能受到的攻击并介绍了抵抗这些 攻击的对策；介绍了鲁棒性水印系统的基本模型，提出了新的基于离散小波变换 的盲水印算法。 在应用研究方面，论文研究了水印的嵌入方法和检测/提取方法的实现手段。 提出了一种新的可以应用于静态图像、视频文件等多媒体文件的数字水印嵌入和 检测算法，并将算法在 dsp 开发平台上实现，进行实验和结果分析。 国立华侨大学硕士学位论文 9 1.4.2 本文的工作 1.4.2 本文的工作 本文着重研究了数字水印系统的几个重要方面，包括水印信号预处理、载体 信号预处理、水印嵌入策略，以及算法在 dsp 上可实现性等。具体地说，本文工 作的主要可以归结为以下几点： 1针对目前灰度水印算法的某些不足，在研究现有算法的基础上，提出了一 种新的水印算法，实现了大容量水印嵌入。 2分析了基于混沌动力系统的水印信息加密方法混沌有序化算子方法， 提高了水印系统的安全性。 3在 dsp 平台上实现了所提出的数字水印算法，提高了水印系统的有效性 和实时性，有利于水印系统在实际中的应用 1.4.3 本文组织 1.4.3 本文组织 本文共分六章。 第一章“引言” ，从应用需求角度引出数字水印技术的概念，简单叙述了水印 技术的研究动态和发展状况等， 并对本文的研究内容及各章节的组织进行了说明。 第二章 “数字水印技术概述” ， 重点从数字水印与其他学科的联系、 应用领域、 分类方法、基本特征、攻击方法、水印系统模型等方面介绍数字水印的基本概念 和基础理论。 第三章“水印信息安全” ，围绕水印信号预处理及水印系统安全性进行阐述。 首先分析了一般水印加密算法的原理及优缺点，重点分析了基于混沌系统的水印 信号加密方法，所提出的方法简单、快速、可靠，安全性高，能充分利用混沌系 统的混沌特性。 第四章“基于小波变换的盲水印算法” ，从信号处理的角度考虑，结合人眼的 视觉系统，把数字水印分布在图像小波变换后的低频子带。该章从图像小波变换 后的时频特性出发，提出了基于低频子带小波系数均值嵌入图像水印的数字水印 算法，所提出算法在水印检测时不需要原始载体的参与，实现简单。利用所提出 的方法可以解决水印的容量、鲁棒性和不可见性三者之间的平衡问题，更有效地 利用宿主媒体的信息冗余，提高了水印的容量、鲁棒性和不可见性。 第五章“数字水印算法在 dsp 上的实现” ，从 tms320c64x dsp 出发，针对 dsp6000 系列芯片和处理器的性能和优点，结合 dsp 软件开发流程以及 ccs 开 国立华侨大学硕士学位论文 10 发工具，设计了一个具体的水印系统。基于第四章中提出的数字水印算法，将数 字水印系统在 dsp 上编程实现， 给出了实验结果和分析。 利用 dsp 实现的数字水 印系统能够很好的满足实时性的要求。 第六章以总结和展望结束全文。 国立华侨大学硕士学位论文 11 第二章第二章 数字水印技术概述数字水印技术概述 数字水印技术作为一门新兴学科，是信息隐藏的一个重要分支。它是一种有 效的数字产权保护技术。随着知识产权保护的日益紧迫性，数字水印技术也越来 越被众多的信息领域学者和专家看好。信息技术的发展对信息安全的迫切要求使 它成为信息科学与工程领域研究的热点课题。本章重点从数字水印与其他学科的 联系，数字水印分类方法、基本特征、要求、攻击方法、水印系统模型等方面介 绍数字水印的基本概念和基础理论。 数字水印是利用数字产品中普遍存在的冗余数据与随机性，将水印嵌入在数 字产品本身中，从而起到保护数字产品版权或者完整性的一种技术 22 。这种被嵌 入的水印可以是一段文字、标识、序列号等，而且这种水印通常是不可见的，它 与原始数据(如图像、音频和视频数据等)紧密结合并隐藏其中，在经历一些不破 坏源数据使用价值或商用价值的操作后仍能保存下来。 理想的数字水印方案应该只有版权所有者才可以加载水印，但任何人都可以 对其进行验证的水印方案。 2.1 数字水印的分类数字水印的分类 数字水印是加在数字图像、音频或视频中的微弱信号，这个信号使人们能够 建立产品所有权，辨认购买者或提供数字产品的一些额外信息。 依据所嵌入的载体不同，主要分为图像水印、音频水印、视频水印、文本水 印和网络水印。数字水印一般用在静止图像和视频图像中，本文论述中都指水印 技术用在静止图像和视频图像中。 按水印的用途分类，可分为版权保护水印、图像认证水印、隐藏标识水印、 防止复印水印等。 从加水印图像的抗滤波或压缩等能力即鲁棒性来分，可以分为易损水印，半 易损水印和鲁棒水印。易损水印对任何图像变换或处理都非常敏感；半易损水印 是对某些特定的图像处理方法有鲁棒性而对其它的处理不具备鲁棒性；鲁棒水印 对常见的各种图像处理方法都具备鲁棒性。 从水印检测是否需要原始图像参与来分，可以分为盲水印和非盲水印。非盲 水印的检测需要原始图像的参与，而盲水印的检测不需要原始图像的参与。 国立华侨大学硕士学位论文 12 按水印的嵌入位置分类:空域水印和变换域水印。 从视觉效果考虑，图像水印一般可分为三类: （1） 可见水印 (visible watermark)； （2） 不可见易损水印(invisible-fragile watermark)； （3） 不可见鲁棒水印(invisible-robust watermark)即人们通常使用的数字 水印，它具有在视觉和统计上的不可见性，难以去除的鲁棒性。除非对数 字水印具有足够的先验知识，任何企图破坏和消除水印，都将会严重损坏 图像质量。由于可见水印的表现形式就像在原来的数字图像上盖上了一个 可见的邮戳，其应用范围受到较大限制。而不可见(隐形)水印作为一段信 息保存在原始图像上， 可能更有利于标识作品的版权及所有者方面的信息， 因而不可见水印是目前图像水印的主要研究内容。 由于多数数字水印的应用都具有隐蔽性的要求，因此对于不可见水印的研究 相对较多。目前普遍认为变换域水印具有更好的鲁棒性，因此人们对水印的研究 相对集中于鲁棒水印的研究。通常鲁棒性水印主要用于版权保护，而易损水印则 用于数据的完整性保护。 2.2 数字水印技术的要求数字水印技术的要求 数字水印的要求是与其水印的应用目的相关的。对于大多数水印来说,水印的 隐蔽性是一个最基本的要求,与应用的目的无关。在应用时,我们还应该考虑其他 的要求:鲁棒性,水印嵌入容量,提取水印或证明水印的存在性,计算复杂度以及安 全性问题。 (1)隐蔽性 隐蔽性是是指水印数据嵌入到载体数据中时,无法感知载体数据和水印数据 的区别,不会引起数字作品的明显降质。这是一个十分关键的问题。 (2)鲁棒性 鲁棒性使数字水印算法设计的主要问题之一。它要求数字水印能够在恶意 或是无意的信号处理操作中,仍能保持其完整性和鉴别的准确性。 (3)水印的盲提取 盲水印和非盲水印的区别主要是看提取水印时需不需要用到载体数据。 大部 分情况下,使用原始载体数据提取的水印通常更具有鲁棒性。 但是我们不可能在所 国立华侨大学硕士学位论文 13 有的情况下都取得原始的载体数据,比如在图像监控或跟踪应用中。 而且对于视频 水印,数据量的巨大使得使用原始图像是不切实际的。 因此我们采用的水印算法都 集中于盲水印算法,即在水印的检测或提取过程中,不需要原始的载体数据。 (4)水印的存在性 水印的检测过程中,一种要求是只要验证检测对像中是否存在着水印,如版 权保护；另一种要求是将检测对像中的水印数据提取出来进行恢复。这种方法可 用于网络上的图像跟踪。水印的提取过程可以看成是在假设水印已经存在的前提 下进行水印验证。 (5)水印安全性 水印技术要实现商业应用,其算法必须公开,算法的安全性完全取决于密钥, 而不对算法进行保密。水印的安全性可以使用两级保密。第一级:未授权的用户既 不能读取水印,也不能检测到给定的数据是否包含水印。第二级:未授权用户可以 检测数据是否包含水印,但是嵌入的水印信息在没有密钥的情况下无法读取。 在设 计版权保护系统时,必须考虑密钥的生成,发送和管理。 (6)计算复杂度 不同应用中,对于水印的嵌入算法和提取算法的计算复杂度要求是不同的。 因为复杂度直接与水印系统的实时性相关。 如指纹水印要求嵌入算法的速度要快, 而对检测算法则要求不高。有些水印对如嵌入速度要求不高但是对检测速度要求 高，如图像跟踪。 (7)水印容量 水印容量是指载体数据字中可嵌入水印信息位的多少。 不同应用对于水印可嵌 入水印的容量不同。例如注释水印要求有较高的水印比特率，鲁棒性水印次之。 而脆弱水印通常可以包含大量的水印数据,因为脆弱水印的目的是鉴别数据的完 整性。对于脆弱水印,不在乎嵌入了多少水印数据,而在注重安全前提下尽可能的 报告数据的失真情况。 因此对于不同的应用,水印算法要满足不同容量的水印嵌入 要求。 数字水印的这些基本要求和特点中,有三个方面是互相矛盾的,即水印的鲁 棒性,隐蔽性和水印容量。水印容量越大，水印的隐蔽性就越差；若要水印的隐蔽 性好，其鲁棒性就差；水印的鲁棒性越强，可嵌入的水印容量就小。所以水印算 国立华侨大学硕士学位论文 14 法需要解决的最关键问题就是解决这三者之间的平衡关系。 2.3 数字水印的一些攻击方法数字水印的一些攻击方法 数字水印作为一种信息安全技术,必然会受到各种攻击。 数字水印的攻击分析 是数字水印研究中的关键技术之一。攻击水印的目的主要是为了获得非法利润或 回避法律而篡改或伪造数字水印。研究水印攻击也有利于人们研究抵御水印攻击 的数字水印新方法。 2.3.1 简单攻击及对策 2.3.1 简单攻击及对策 简单攻击又称为波形攻击、噪声攻击。它试图对整个水印化数据(嵌入水印后 的载体数据)进行操作来削弱嵌入的水印的幅度，导致数字水印提取发生错误，甚 至根本提取不出水印信号。 常见的操作有线性滤波或非线性滤波、有损压缩(jpeg、mpeg)、添加噪声、 图像裁剪、模拟/数字转换。虽然目前出现的水印算法可以分别抵抗一些基本的图 像操作(如旋转、剪裁、重采样、尺寸变化和有损压缩等)，但对同时施加这些操作 或随机几何变换却无能为力。可以采用两种方法抵抗类噪声失真：增加嵌入水印 的幅度和冗余嵌入。通过增加嵌入水印的幅度的方法，可以大大地降低攻击产生 的类噪声失真现象，在多数应用中是有效的。嵌入的最大容许幅度应该根据人类 视觉特性决定，不能影响水印的不可感知性。冗余嵌入是一种更有效的对抗方法。 在空间域上，可以将一个水印信号多次嵌入，采用投票方法实现水印提取。另外， 采用错误校验码技术进行校验，可以更有效地根除攻击产生的类噪声失真。冗余 嵌入可能会影响水印数据嵌入的比率，实际应用中应该考虑折衷鲁棒性和增加水 印数据嵌入比率两者之间的矛盾。 2.3.2 分析攻击及对策 2.3.2 分析攻击及对策 分析攻击也称为计算攻击或删除攻击。这种攻击方法在水印的插入和检测阶 段采用特殊的方法来擦除或减弱图像中的水印，即针对某些水印方法通过分析水 印数据，估计图像中的水印，然后将水印从图像中分离出来并使水印检测失效。 这类攻击往往是利用了特定的水印方案的弱点。共谋攻击是最常见的分析攻击方 法，在共谋攻击中，几个盗版者可能联合他们的拷贝，逐个位置地对各自的拷贝 进行分析和比较，并至少部分定义标记的位置，在这些位置他们可以任意篡改， 国立华侨大学硕士学位论文 15 然后通过综合所有拷贝制造出一个新的数据拷贝，若这种情况发生在足够多的位 置，盗版者可能在新的数据拷贝中删除关于他们身份的所有踪迹 23 。针对这种攻 击方式，我们可以实施的对策是限制水印后图像的不同版本数量。 2.3.3 同步攻击及对策 2.3.3 同步攻击及对策 同步攻击又称为禁止提取攻击， 这种攻击试图破坏载体数据和水印的同步性。 被攻击的数字作品中水印仍然存在，而且幅度没有变化，但是水印信号已经错位， 不能维持正常水印提取过程所需要的同步性。这样，水印提取器就不可能或者无 法实行对水印的恢复和提取。因此，在对抗同步攻击的策略中，应该设法使得水 印的提取过程变得简单。同步攻击可能只使用一种简单的几何学变换，例如剪切、 旋转、平移等。比较可取的对抗同步攻击的对策是在载体数据中嵌入一个参照物 （边框，带边的水印技术） 。在提取水印时，先对参照物进行提取，确定水印嵌入 的边框，得到载体数据经历的所有攻击的明确判断，然后对载体数据依次进行反 转处理，即所谓“水印同步过程” 。这样可以消除所有同步攻击的影响。 2.3.4 解释攻击及对策 2.3.4 解释攻击及对策 解释攻击是由ibm公司的水印研究小组针对可逆水印算法而提出来的一种水 印攻击方案， 因而也称为 ibm 水印攻击24， 或称之为混淆攻击或逆镶嵌水印攻击。 基本思路是：设原始图像为，加入水印的图案为=+；攻击时，攻击 者首先生成自己的水印*；然后创建一个伪造的原图*=-*，也就是= *+*；因为攻击者可利用其伪造原图*从图 中检测出其水印*，也就是 能利用原图从水印图像中检测出其水印*。这样就产生了无法分辨与解释的 情况。通过分析，发现大多数不可见、需原图的数字水印方案有以下不足：首先， 大多数水印方案没有提供本质的方法来检测两个水印中哪一个是先加上去的；其 次，由于水印注册时仅仅对水印序列进行了注册，没有对原作品进行注册，使得 攻击者可以伪造原作品；第三，由于水印嵌入方案具有可逆性，为伪造水印提供 了条件。目前，解决其不足的方法有 3 种：第一种方法是引入时间戳机制25，时 间戳由可信的第三方提供，可以正确判断谁第一个为载体数据加了水印，从而确 定两个水印被嵌入的先后顺序；第二种方法是作者在注册水印序列的同时对原始 作品加以注册，以便于在检测时确定原始图像；第三种方法是利用单向水印方案 国立华侨大学硕士学位论文 16 或不可逆水印方案消除水印嵌入过程中的可逆性。其中前两种方法都是对水印的 使用环境加以限制，最后一种是对解释攻击的条件加以破坏。 数字水印技术研究表明，要解决应用性问题，必须先解决水印技术的安全性 和鲁棒性问题。要提高水印系统的安全性和鲁棒性就必须研究水印的攻击方法， 进而寻求相应的对策。 2.4 数字水印系统的一般模型数字水印系统的一般模型 目前大多数的图像水印算法可以理解为：在不易察觉的前提下，将一些具有 随机特性的数据嵌入到图像频域或空域的系数上。从信号处理的角度来看，嵌入 水印可以看成是在强背景（载体图像）下迭加一个弱信号（水印） ，由于人类视觉 系统(human visual system-hvs)的分辨率受到一定的限制，因此只要迭加的信号 幅度不超过 hvs 的对比度门限，人眼就无法感觉的到信号的存在，所以可以通过 对原始图像进行一定的调整， 可以在不影响视觉效果的情况下嵌入一些水印信息。 从数字通信的角度来看，水印编码(嵌入)可以看成是在一个宽信道(载体图像) 上用扩频通信技术传输一个窄带信号(水印)， 包含的水印具有一定的能量， 但分布 到信道中的任意频率上的能量是难以检测的。在传统通信系统中，通信信道模型 如图 2.1 所示： 我们可以将数字水印模型看成是一个通信问题，将信道的概念引入到数字水 印中。水印嵌入过程类似于信道编码，水印提取过程类似于通信接收器的作用。 其有效的通信信道由应用于水印信道的攻击特性所确定。我们对水印系统作如下 假设：水印作为输入信息，载体作品