（电路与系统专业论文）基于变换域的数字图像水印算法研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 近年来，随着因特网的普及和应用，信息社会的全球化进程不断 飞速前进，对数字产品版权保护的需求也日益迫切。数字水印技术已 经成为用来解决数字多媒体中版权保护和内容认证的热门技术。 本文主要针对图像水印系统的算法进行研究，采用有意义的二值 图像作为水印信号，利用变换域系数作为水印的载体，在不降低图像 质量的前提下达到嵌入水印的目的。 文中首先研究了经典的空域水印算法。空域水印算法无需考虑到 复杂的时频域变换过程，简单、高效，可嵌入信息量较大。但是对其 实验仿真表明算法的抗攻击性不强，也就是鲁棒性比较差。在对图像 进行压缩、滤波等基本处理后，基本上已经无法对水印进行正确的提 取。 随后本文分别研究了基于d c t 域和d w t 域的两种图像水印方 案。在d c t 水印系统中，为了与常用的图像压缩标准j p e g 兼容， 进行了分块d c t 变化，选择d c t 系数的中低频系数作为嵌入的载体 ( 出于不可觉察性和鲁棒性的考虑) 。在d w t 水印系统中，利用小波 变换的多分辨率特性，同样选取能够容纳绝对值较大的水印信号的能 量部分作为水印的载体，使得系统在保证鲁棒性的同时获得很好的不 可觉察性。还引入了a r n o l d 变换作为有意义信号的预处理，提高了 水印算法的鲁棒性。所有的过程，包括嵌入、攻击、提取、验证均在 m a t l a b 环境中进行模拟。实验证明经过常见的信号处理与j p e g 压 缩后，水印仍然可以被提取出来。相比较d c t 系统，d w t 水印系统 可以实现水印的自适应嵌入。d w t 的多分辨率特性可以将人眼视觉 特性与图像的统计特性结合起来，为设计最优的水印系统提供了一种 可能，具有更大的发展空间此外。此外，利用建立的水印模型对影响 水印系统的各种因素，包括水印嵌入的位置、嵌入的强度，水印嵌入 的空间对系统性能的影响进了全面的综合分析，为优化系统性能提出 一定的可参考的建议。 关键词：数字图像水印；a r n o l d 变换；离散余弦变化；离散小波变换 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，a l o n gw i t hi n t e r n e t sp o p u l a r i z a t i o na n d t h ea p p l i c a t i o n ，i n f o r m a t i o ns o c i e t y sg l o b a l i z a t i o ns h o o t a h e a dc o n t i n u o u s l y ，t h ee n f o r c e m e n to fm u l t i m e d i ac o p y r i g h t p r o t e c t i o nb e c o m e sa ni m p o r t a n ti s s u e t h ed i g i t a l w a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g ya l r e a d yb e c a m et h ep o p u l a rt e c h n o l o g y t os o l v et h ed i g i t a lm u l t i m e d i ac o p y r i g h tp r o t e c t i o na n dt h e c o n t e n ta u t h e n t i c a t i o n t h ei m a g ew a t e r m a r ks y s t e ma l g o r i t h mh a sb e e nr e s e a r c h e d i nt h i st h e s i s i tt a k e st h es i g n i f i c a n c et w ov a l u ei m a g ea s t h ew a t e r m a r ks i g n a l ，u s e st h et r a n s f o r m a t i o nd o m a i n c o e f f i c i e n ta st h ew a t e r m a r kc a r r i e r ，t oa c h i e v et h eg o a lw h i c h t h ep r e m i s et oe m b e dw a t e r m a r kw i t h o u tr e d u c i n gt h ep i c t u r e q u a l i t y i nt h et h e s i s ，c l a s s i c a la l g o r i t h mi ns p a t i a ld o m a i nh a s f i r s ts t u d i e d t h ea l g o r i t h mi ns p a t i a ld o m a i nw h i c hd o e sn o t n e e dt oc o n s i d e rt h ec o m p l e xt i m ea n df r e q u e n c yt r a n s f o r m a t i o n p r o c e s s ，i ss i m p l e ，i sh i g h l ye f f e c t i v e ，t h ei n f o r m a t i o n c o n t e n tc a ne m b e di sa l s og r e a t b u tt oi t se x p e r i m e n t a l s i m u l a t i o ni n d i c a t e dt h ea n t i a t t r a c tc a p a b i l i t yo ft h e a l g o r i t h mi sn o ts t r o n g ，m e a n sr o b u s t n e s si sb a d c a r r y i n go n t h ec o m p r e s s i o n ，t h ef il t e ra n ds oo nb a s i cp r o c e s s i n gt ot h e i m a g e ，i tb a s i c a ll yw a su n a b l et oe x t r a c tt h er i g h tw a t e r m a r k a f t e r w a r d st h i st h e s i sh a sa n a l y z e ds e p a r a t e l yb a s e do nt h e d c rd o m a i na n dt h ed w td o m a i nt w ok i n do fi m a g ew a t e r m a r kp l a n i nt h ed c tw a t e r m a r ks y s t e m ，f o rc o m p a t i b l e sw i t hi m a g e c o m p r e s s i o ns t a n d a r dj p e g ，h a sc a r r i e do nt h ed i v i d e db l o c kd c t i i i t r a n s f o r m a t i o n ，c h o s et h el o wf r e q u e n c yc o e f f i c i e n tt oc a r r y a sc a r r i e r ( c o n s i d e rt h eu n p e r c e i v a b l ea n dt h er o b u s t n e s so f w a t e r m a r k ) i nt h ed w tw a t e r m a r ks y s t e m ，i tc a ne m b e dt h e a b s o l u t ev a l u eb i gw a t e r m a r ks i g n a lu s i n gt h ew a v e l e t t r a n s f o r m a t i o nm u l t i r e s o l u t i o nc h a r a c t e r i s t i c a st h es a l l l e i ts e l e c tt h ee n e r g yp a r ta st h ew a t e r m a r kc a r r i e r ，c a u s e st h e s y s t e mt oo b t a i nv e r yw e l lu n p e r c e i v a b l ec a p a b i l i t yd u r i n g g u a r a n t e er o b u s t n e s s a l s oi n t r o d u c e dt h ea r n o l d t r a n s f o r m a t i o na c h i e v e m e n tt o h a v et h e s i g n i f i c a n c es i g n a l p r e t r e a t m e n t ，e n h a n c e dt h e w a t e r m a r ka l g o r i t h mr o b u s t n e s s a l lp r o c e s s e s ，i n c l u d i n gt h e e m b e d m e n t ，t h ea t t a c k ，t h ee x t r a c t i o n ，t h ec o n f i r m a t i o nc a r r y o nt h es i m u l a t i o ni nt h em a t l a be n v i r o n m e n t t h ee x p e r i m e n t p r o v e dt h a tp a s s e dt h r o u g ht h ec o m n o ns i g n a lp r o c e s s i n ga n dt h e j p e gc o m p r e s s i o n ，t h ew a t e r m a r ks t i l le x t r a c t c o m p a r e dw i t h d c tb a s e ds y s t e m , d w tb a s ew a t e r m a r ks y s t e mi s a na d a p t i v e s y s t e m a st h em u f t i - r e s o l u t i o np r o p e r t yo fd w te n a b l ed w t b a s e dw a t e r m a r ks y s t e mc o m b i n et h es t a t i s t i cc h a r a c t e r i s t i co f i m a g ew it hh u m a nv i s u a ls y s t e m ，m a k ei tp o s s i b l et of i n da n o p t i m a ls y s t e m a n dh a dt h eb i g g e rd e v e l o p m e n ts p a c e b e s i d e s ，u s i n gp r o p o s e ds y s t e mt e s tt h ep a r a m e t e r sw h i c hw o r k o nt h es y s t e mp e r f o r m a n c e ，s u c ha se m b e dp o s i t i o n ，e m b e d s t r e n g t h ，e m b e dd o m a i n ，c a r r i e do nc o m p r e h e n s i v ea n a l y s i s c o m p l e t e l y ，f o rt h eo p t i m i z e ds y s t e mp e r f o r m a n c ep r o p o s e d c e r t a i nm a yr e f e rs u g g e s t i o n k e yw o r d s = d i g i t a lw a t e r m a r k ，a r n o l dt r a n s f o r m a t i o n ，d i s c r e t e c o s i n et r a n s f o r md o m a i n ，d i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o r md o m a i n i v 湖南师范大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：律荔欠力哆年6 月矿日 湖南师范大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属湖南师范大 学。同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南师范大学可以将本学 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和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密d 。 ( 请在以上相应方框内打“ ”) 作者签名：缸欤日期：勿矽年月 扩日 导师签名：多嗲锈才日期：9 年月尹 日“ 基于变换域的数字图像水印算法研究 1 ：1 引言 第一章绪论 近年来，随着因特网的普及和应用，信息社会的全球化进程不 断飞速前进，人们获得和处理信息的方式发生了极大的改变。计算 机技术、网络技术和多媒体技术的出现和革新，拓展了信息共享的 时空域，利用手中的数字电子设备人们可以方便的制作、处理、存 储和传播各种形式的多媒体数字信息( 图像、视频、音频等) 。通过 网络，人们能够得到的数字服务也越来越多，如数字图书馆、数字 图书出版、数字电视、数字新闻等。就在人们可以便利的使用多媒 体信息和服务的同时，一个不可忽视的安全问题开始凸现出来 信息的低成本、高速度地被复制和传播同样为盗版者提供了便利， 随之而来的盗版侵权活动也日益猖獗。如何在网络环境中实施有效 的版权保护和信息安全手段成为数字社会的一个紧迫的议题。 为了解决信息安全和版权保护的问题，人们最先想到了加密技 术和数字签名技术。传统的加密技术只能解决传输过程中信息的保 护问题，将多媒体数字信息加密成密文后发布，虽然可以使部分非 法的攻击者无法得到加密信息中的机密信息，但是也存在着一些缺 点：它限制了数字信息的交流；它无法阻止加密文件被破解后 信息的传播以及密码的肆意分发，对加密信息解密后的内容的保护 只能是鞭长莫及；它明确提示了攻击者那些是重要信息，就算在 硕十学位论文 破解失败的情况下攻击者也有可能对加密文件进行破坏，使合法的 接受者也无法阅读信息内容。而建立在加密技术基础上的数字签名 是通过一个单向函数对要传送的报文进行处理得到的用以认证报文 来源并核实报文是否发生变化的一个字母数字串，主要用于电子邮 件和数字证书之中，不能向原始数据中一次性的加入大量信息决定 了数字签名并不适用于视频和图像等其他数据量大的多媒体信息的 保护。因此国际上提出了一种全新的信息安全领域的技术数字 水印( d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ) 技术，用来弥补传统加密技术和数字签 名的一些不足。数字水印同时被应用于图像、视频、音频、文档等 多种数字媒体，由于它在版权保护，鉴别真伪，秘密通信和隐含标 注等领域有广泛的应用前景，因而日益成为一个信息安全领域非常 重要的研究热点【1 1 。 作为传统的加密技术的一种补充，数字水印是一种有效的数字 产品版权保护和数据安全维护的- - i - j 技术，是信息安全技术里面一 个新的发展方向。它利用人的视觉听觉特性，将标识作者版权的信 息加入到需要保护的图像、音频和视频中去，人们很难分辨加水印 后的数字作品与原始数字作品的区别。被嵌入的信息通常是不可见 或者是不可察觉的，人们只有利用专有检测器或者计算机软件才能 被检测或是被提取。数字水印与原数据紧密结合，成为原始数据不 可分割的一部分。 基于变换域的数字图像水印算法研究 1 2 数字水印的应用背景 从1 9 5 4 年最初提出数字水印的概念到现在为止，数字水印已经 有五十余年的历史，信息的数字化处理技术的发展和互联网的普及 所带来的一系列相关问题，都给其发展提供了广阔的应用前景。最 初提出数字水印的目的是为了保护版权，但是随着对数字水印技术 的进一步研究，人们认识到数字水印可以用于更多的用途。目前数 字水印主要应用于知识产权保护、数字信息数据完整性证明、广播 电视信号监视、数字信息标识等方面。 数字产品的版权保护圜【3 】：数字产品的版权保护是数字水印研究 的热点之一。当前的数字水印技术在数字信息产品的产权保护方面 主要有所有权证明、拷贝控制和散播追踪。 ( 1 ) 所有权证明( p r o o f o f o w n e r s h i p ) 由于数字信息产品的广泛应用，如果有效的向数字信息产品的 发行者提供证明其所有权的机制成为目前水印技术的难点和重点。 所有者可以在其制造的数字信息产品中加入自己的水印信号作为标 识，而多媒体发行商一直以来不仅仅想使用水印来表明自己的所有 权，更希望其能够提供真正具有法律意义的保护。一旦发生所有权 纠纷时，仲裁机构能通过提取数字水印信号来判断产权的归属。但 是，由于数字水印技术用来证明所有权的技术还很不成熟，不是对 所有攻击都能保持稳健性，也缺乏统一的嵌入和检测工具，因此距 真正实用还有一定的距离，众多的数字水印技术的研究者也正朝这 个方向做出努力诩。 3 硕士学位论文 ( 2 ) 拷贝控制( c o p yc o n t r 0 1 ) 数字水印可以应用在控制数字化信息的拷贝控制中。理想情况 下，如果每台记录设备都装有水印检测器，嵌入的水印信息就可以 防止有版权信息产品的非法拷贝。这种应用的一个典型的例子是 d v d 防拷贝系统，就是在每一数字音频或视频帧上加入人眼或耳察 觉不到的噪声( 水印) 。回放和录写设备可以识别水印标签，以防止 拷贝，而不管信号是用数字或模拟来传输的，或是经过视频处理。 一个符合要求的d v d 播放器不允许重放或拷贝带有“禁止拷贝 ( c o p yn e v e r ) ”水印信息的数据。对含有“允许拷贝一次( c o p y o n c e ) ”水印的数据只能拷贝一次，而不能多次拷贝。这样d v d 播 放机即可通过对d v d 数据中的水印信息的检测来判断其合法性和 可拷贝性，从而保护d v d 制造商的合法利益。1 9 9 6 年，美国电影 协会( m p a a ) 、消费电子产品制造商协会( c e m a ) 和部分计算机 厂商联合成立了国际版权保护技术工作组( c p t w g ) 来研究防止数 字视频被盗版。在过去几年，该协会已研制成功了d v d 防拷贝系统， 并实际应用于d v d 光盘和播放机的制作中【3 】。 ( 3 ) 散播追踪( t r a n s m i s s i o nt r a c i n g ) 散播追踪与控制拷贝不同，它用于追踪拷贝源。数字信息产品 制造商在每一产品中嵌入唯一水印作为购买者的标识，当数字信息 产品制造商发现有非法拷贝时，就可以从非法拷贝中提取水印，从 而判断这些非法拷贝是用哪个购买者手中的产品复制来的。 广播电视信号监听【4 】：这是水印在广播和电视上的一种应用。广 基于变换域的数字图像水印算法研究 播台和电视台发送广播电视信号后，希望监视所发送的信号是否被 其他电视台或广播电台未授权转播。把数字水印嵌入到广播信息的 每一份授权拷贝中，在广播的时候水印就可以被监听站点方便的检 验出来。当非法使用者使用广播拷贝播放时，监听站点提取的水印 可以作为追踪广播来源和盗版的证据使用。在商业系统中这种水印 、 也已经有了一段时间的研究历史。欧洲的v i v a ( v i s u a li d e n t i t y v e r i f i c a t i o n a u d i t o r ) 项目组开发的水印技术已经被实际运用于商业 电视信号监视系统。 数字信息完整性鉴别：随着大量的数字信息在网络上的快速交 换，对数字信息的恶意攻击和修改随之增多，数字信息往往轻易被 修改而且很难被识别出。利用数字签名技术可以证明收到的数字化 信息是否被别人篡改或者伪造过，但是数字签名并不适合如数字图 像信息这类的数字信息。数字水印的易碎水印可较好的解决这一问 题。嵌入水印信息后任何针对数字图像信号的改变都会导致易碎水 印在鉴定器上无法检测，从而提示数据己被篡改。 标签或标题：以水印的形式把标签或者标题放入数据本身，只有 通过特殊的阅读程序才可以读取，这样既可以保护标题和标签不被 损坏，也可以应用于特殊场合保密性要求。这种方法已经被国外一 些公开的遥感数据库所采用。 1 3 数字水印技术发展历史和现状 关于在数字作品内嵌入标识符以证明所有权的技术思想【5 抛源 硕七学位论文 于1 9 5 4 年，美国m u z a k 公司的e m i lh e m b r o o k e 提出的一项名为 “i d e n t i f i c a t i o no f s o u n da n ds i g n a l s ”专利。在这项专利中通过问歇 性地应用中心频率为l k h z 的窄带陷波器，认证码就被插入到音乐中。 1 9 6 1 年美国专利局这样描述了该项发明【6 】：此发明使对音乐作品进 行确证成为可能，从而制定出了一条防止盗版的有效途径，它的作用 类似于纸币中的水印。此系统被m u z a k 公司用到了1 9 8 4 年前后。 但是一直到2 0 世纪9 0 年代初，数字水印才作为- - f - j 科学真正成为 各大研究机构的热点科研课题。 最早的数字水印技术就是针对数字图像进行研究的，关于该技术 的论述首见于t i r k e l 等人在1 9 9 3 年的一篇文章“e l e c t r o n i cw a t e r m a r k ”川一文中首次使用了“w a t e rm a r k ”这一术语，标志着数字水 印技术作为一门正式研究学科的诞生。而现在一般都使用“d i g i t a l w a t e r m a r k i n g ”一词来表示“数字水印”。现在我们所说的“水印” 一般指的都是数字水印。随后他们发表了另一篇题为“a d i g i t a l w a t e r m a r k ” s l 的文章，正式提出了“数字水印”这一术语，同时他 们针对灰度图像提出了两种向图像最低有效位( l s b ，l e a s t s i g n i f i c a n tb i t ) 中添加水印的方案。其中一种是使用一个i i l 序列来 置换图像的最低有效位，另一种就是向图像的最低有效位叠加一个 n l 序列，并使用自相关函数对其进行检测。这种基于最低有效位的 方法直接对图像数据进行处理，简单易行，但水印系统的稳健性比 较差。随后在1 9 9 5 年c o x 等人【9 】提出了一种基于扩频通信和图像 全局变换的思想，将水印嵌入图像感知最重要的频域因子中的水印 基于变换域的数字图像水印算法研究 方案。他们的水印方案是先对整个图像进行d c t ，然后将水印加载 到d c t 域中幅值最大的前k 个系数上( 除去直流分量) ，通常为图像 的低频分量，水印是服从高斯分布的随机实数序列，用为常数的尺 度因子来控制水印添加的强度，再用新的系数做反变换得到水印图 像。水印检测函数则是分别计算原始载体图像和水印载体图像的离 散余弦变换，并提取嵌入的水印，再做相关检测，以确定水印的存 在与否。该算法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j p e g 压缩、滤波、d a 和a d 转换及重量 化等信号处理，也可经受一般的几何变换如剪切，缩放，平移及旋 转等操作。这种方案也成为数字水印技术的一个比较经典的方案。 但是该水印的提取需要原始图像的参与，是一种非盲水印方案。 1 9 9 6 年，p i t a s 提出了一种盲水印方梨1 0 1 ，即将灰度图像的像素 集划分成随机选择的两个具有相同像素个数的子集合a 和b ，在一 个子集a 中每个像素值上加上一个小的整数k ，生成嵌入水印的图 像。检测时，需要按照相同的方法将待测图像划分为a 和b ，分别 计算a 7 和b 中像素的平均像素值p 和pb ，计算k = p a ，p b ，如 果k k ，则说明待测图像中含有水印，否则就不含水印。显然该 算法仍然是一种空间域算法，它的稳健性有待进一步提高。其后 v o y a t z i s 掣1 在此基础上提出了将混沌的方法引入到数字水印算法 中，混沌序列对参数和初始条件的敏感依赖性使得算法的稳健性进 一步提高，但是算法仍然局限于空间域中。 最早的基于分块d c t 的水印技术之一见文献【1 2 1 。他们的数字水 硕士学位论文 印方案是由一个密钥随机地选择图像的一些分块，在频域的中频上 稍稍改变一个三元组以隐藏二进制序列信息。选择在中频分量编码 是因为在高频编码易于被各种信号处理方法所破坏，而在低频编码 则由于人的视觉对低频分量很敏感，对低频分量的改变易于被察觉。 该数字水印算法对有损压缩和低通滤波是稳健的。1 9 9 9 年，k u n d u r 等提出了一种基于离散小波变换( d w t ) 的水印算法【1 3 】，通过修改 d w t 系数嵌入水印，更有效的对水印进行检测。很快随着数学工具 的成熟，分形、神经网纠1 4 1 【1 5 1 纷纷被应用到数字水印的之中。数字 水印技术研究的不断深入使得数字水印的应用对象已经不仅仅局限 于图像，音频、视频、文本和以图形动画等为嵌入对象的水印技术 也蓬勃发展起来。 由于数字水印技术在信息安全和经济上的重要地位，世界各国都 非常重视信息隐藏与数字水印技术的研究。世界各国的科研机构、 大学和商业集团都积极的参与或投资支持此方面的研究。1 9 9 8 年以 来，i e e e 图像处理、i e e e 会报、i e e e 通信选题、i e e e 消 费电子学等许多国际重要期刊都组织了数字水印的技术专刊或专 题新闻报道。在美国，以麻省理工学院媒体实验室为代表的一批研 究机构和企业已经申请了数字水印方面的专利。1 9 9 8 年，美国政府 报告中出现了第一份有关图像数据隐藏的报告。目前，已支持或开 展数字水印研究的机构既有政府部门，也有大学和知名企业，它们 包括美国财政部、美国版权工作组、美国空军研究院、美国陆军研 究实验室、德国国家信息技术研究中心、日本n t t 信息与通信系统 基于变换域的数字图像水印算法研究 研究中心、麻省理工学院、伊利诺斯大学、明尼苏达大学、剑桥大 学、瑞士洛桑联邦工学院、西班牙v i g o 大学、i b m 公司、w a t s o n 研究中心、微软公司剑桥研究院、朗讯公司贝尔实验室、c a 公司、 s o n y 公司、n e c 研究所以及荷兰菲利浦公司等【1 6 1 。 1 9 9 6 年5 月3 0 日至6 月1 日，在英国剑桥牛顿研究所召开了第 一届国际信息隐藏学术研讨会，至今已举办了七届。从2 0 0 2 年国际 数字水印讨论会每年召开，专门讨论关于数字水印技术。9 0 年代末 期一些公司开始正式地销售水印产品。在图像水印方面，美国 d i g i m a c e 公司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 e l d r a w 图像处 理软件。 随着国际上对数字水印的研究，我国在该领域的研究这些年也从 跟踪逐步转向自主研究，许多大学和研究所等科研机构纷纷致力于 水印技术的研究。其中比较有代表性的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。 我国于1 9 9 9 年1 2 月1 1 日由北京电子技术应用研究所组织，召开了 第一届信息隐藏学术研讨会( c i h w ) ，至今信息隐藏学术研讨会已成 功的举办了7 届，此外在2 0 0 0 年还专门召开了数字水印技术的研讨 会，很大程度地推进了国内水印技术的研究与发展。现在国内已经 出现了一些生产水印产品的公司，上海阿须数码和成都宇飞数码都 硕七学位论文 是其中的代表。由中科院自动化研究所的刘瑞祯、谭铁牛等人于2 0 0 2 年在上海创办的上海阿须数码技术有限公司是一家专门从事数字水 印，多媒体信息和网络安全肪伪技术等软硬件开发的公司公司 现从事数字证件、数字印章、p d f 文本、分块离散图像、视频、网 络安全等多方面数字水印技术的研究，已申请了一项国际和三项国 家数字水印技术专利。而成都字飞公司方面，作为新型防伪技术一 一“宇飞数字水印”也先后被医药、邮票、税务发票、金融证券、 各类证照、食品、烟酒、软件、音像制品等国内数十种产品所采用， 并在书籍出版、证件、电子政务和通讯中也得到了迅速的应用。虽 然数字水印在国内的应用还处于初级阶段，但水印公司的创办使得 数字水印技术在国内不仅仅只停留在理论研究的层面上，而是从此 走上了实用化和商业化的道路，更加推动国内水印技术的蓬勃发展， 为国内的信息安全产业提供有效的、安全的保障。但是国内的数字 水印发展仍然处于初级阶段，数字水印的商用化和实用化程度仍然 不高，各个研究机构和公司也正加紧步伐朝这个目标迈进。 1 4 本文研究的主要内容 本文第一章介绍了数字水印的基本概念和应用背景，概括了数 字水印发展的历史和现状。第二章阐述了数字水印系统的基本理论， 包括数字水印技术的分类及应有特性、数字水印系统的基本框架、 数字水印系统的重要技术、数字水印系统的评估。第三章给出了空 域数字图像水印的经典算法，d c t 基本理论以及基于d c t 的数字水 基于变换域的数字图像水印算法研究 印算法，在此基础上引入了a r n o l d 变换对有意义的二值水印进行置 乱，利用m a t l a b 软件工具对图像进行仿真攻击，结果表明基于d c t 的改进算法有较好的抗攻击能力。本文第四章在小波基本理论的基 础上，总结了小波变换在数字图像水印中的优点，利用小波变换对 数字图像的多分辨率分解，提出一种基于d w t 的数字水印算法。 将二值图像的进行小波分解得到的小波系数嵌入到原始图像的多层 小波分解后的能量部分，对算法做的仿真实验表明，基于d w t 的 数字水印算法的抗攻击性要优于基于d c t 的水印算法。并对水印嵌 入空间、嵌入的位置、嵌入的强度对系统性能的影响进行了综合分 析，为优化水印算法提出一定的可参考的建议。 硕十学位论文 第二章数字水印基本理论 2 1 数字水印技术的基本原理和特性 数字水印技术“7 1 ( d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ) 是信息隐藏技术 的一种，它通过一定的算法将一些标志性信息直接嵌到多媒体内容 当中，但不影响原内容的价值和使用，并且不能被人的知觉系统觉 察或注意到。水印信息可以是无意义的序列、作者的序列号、公司 标志、有特殊意义的文本等，可用来识别文件、图像或音乐制品的 来源、版本、原作者、拥有者、发行人、合法使用人对数字产品的 拥有权。不同的水印有不同的要求，一般认为数字水印应该具有以 下特性m 蚓： ( 1 ) 不可感知性 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 想的情况是水印与原始载体在视觉上是一模一样的，至少是人眼无 法区别的，这是绝大多数水印算法所应达到的要求。此外，要求水 印用统计方法也是不能恢复，即对大量的用同样方法和水印处理过 的信息产品使用统计方法也无法提取水印或确定水印的存在。 ( 2 ) 安全性 数字水印对一般用户应该是不可检测和消除的，一般用户即使 基于变换域的数字图像水印算法研究 知道一个数字产品中藏有水印，用一般的统计方法，即对大量的用 同样方法和水印处理过的信息产品使用统计方法也无法提取水印或 确定水印的存在的准确位置。如果用户试图删除水印将对原数字产 品的质量产生巨大的破坏，从而有效的保护作者的合法版权。 ( 3 ) 可证明性 水印应能为受到版权保护的信息产品的所有权提供完全可靠的 证据，水印系统中嵌入到保护对象中的所有者的有关信息( 如产品 标志、用户号码或有意义的文字等) 应该能在需要的时候将其提取 出来。水印可以用来判别对象是否受保护，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。 ( 4 ) 稳健性( 也可称为鲁棒性) 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。 在数字水印技术中，水印的数据量和鲁棒性构成了一对基本矛 盾。从主观上讲，理想的水印算法应该既能隐藏大量数据，又可以 抗各种信道噪声和信号变形。然而在实际中，这两个指标往往不能 同时实现，不过这并不会影响数字水印技术的应用，因为实际应用 一般只偏重其中的一个方面。如果是为了隐蔽通信，数据量显然是 最重要的，由于通信方式极为隐蔽，遭遇敌方篡改攻击的可能性很 小，因而对鲁棒性要求不高。但对保证数据安全来说，情况恰恰相 硕士学位论文 反，各种保密的数据随时面临着被盗取和篡改的危险，所以鲁棒性 是十分重要的，此时，隐藏数据量的要求居于次要地位。 2 2 数字水印的分类 数字水印按照不同出发点可以划分为不同类型，各类型之间相 互关联。最基本的分类包括以下几类： ( 1 ) 按照水印嵌入的载体划分 根据水印嵌入的载体不同，现阶段的水印大致可以划分为图像 水印、音频水印、视频水印、文本水印以及三维网络模型的网格水 印。但随着数字技术的发展，新的数字媒体的不断出现，数字水印 技术将同样可以应用于这些数字媒体，将会出现更多种类的水印。 ( 2 ) 按照是否被感知划分 按照水印是否被人们所感知把水印划分为可感知水印和不可感 知水印。其中把人类视觉系统范围感知的水印分为可见水印( v i s i b l e w a t e r m a r k ) 和不可见水印( n ov i s i b l ew a t e r m a r k ) 。相应的，音频水 印也可划分为可听和不可听水印。 可见水印是可以看见的水印，它是覆盖或插入到图像或者视频 中的可见标志，它的插入可以证明作者的版权，但并不引起图像或 者视频的质量的明显降低，不妨碍读者对载体的正常使用。不可见 水印利用人的视觉特性将水印信息隐藏在载体中，使人眼不可察觉， 一旦需要其证明作者的所有权时，便可以作为证据被提取出来，从 而有力的保护作者权益。 1 4 基于变换域的数字图像水印算法研究 ( 3 ) 按照水印检测过程划分 按照水印的检测过程是否需要原始图像和原始水印将水印划分 为盲水印( b l i n dw a t e r m a r k ) 、半盲水印( s e m i n o n b l i n dw a t e r m a r k ) 和非盲水印( n o n b l i n dw a t e r m a r k ) 。检测过程中，不需要原始图像 和原始水印，仅需要密钥参与检测的水印为盲水印；需要原始水印 不需要原始图像参与检测的为半盲水印；需要原始图像和原始水印 共同参与检测的为非盲水印。 ( 4 ) 按照水印隐藏的位置划分 按照水印隐藏的位置可以将数字水印划分为空间域水印和变换 域水印。空间域水印直接加载在数据上。变化域水印则将水印添加 在变换域中，常用的变换域包括离散傅立叶变化( d f t ) 、离散余弦 变换( d c t ) 、离散小波变换( d w t ) 、傅立叶一梅林变换( f o u r i e r - - m e l l i nt r a n s f o r m ) 等等。 ( 5 ) 按照水印的用途划分 按照水印的不同用途大致可以划分为易碎水印( f r a g i l e w a t e r m a r k ) 和鲁棒水印( r o b u s tw a t e n n a r k ) 。易碎水印，又叫脆弱 水印，用来证明数据的完整性，一旦数据遭到篡改，水印便无法检 测出来，它主要用于认证；鲁棒水印与之相反，要求在数据遭受恶 意攻击和失真时仍然能够检测到水印，对水印的健壮性要求比较高， 主要用于版权保护。 ( 6 ) 按照水印信号的内容划分 按照水印信号的内容划分为有意义水印和无意义水印。无意义 硕士学位论文 水印一般为没有意义的一些随机数列或序列号。有意义水印多为能 够直观表明版权的某个图像或者一段数字音频的编码。一般而言嵌 入无意义水印的载体检测时需要原水印信号的参与，而有意义水印 由于本身的直观性一般不需要原始水印信号进行检测。 2 3 数字水印原理和水印处理系统的基本模型 数字水印技术属于信息隐藏的一种，水印信号之所以能够隐藏 在多媒体数据中，主要是由于多媒体信息本身有很大的冗余性，从 信息论的角度看，未经压缩的多媒体信息的编码效率很低，水印信 息嵌入到多媒体信息中并不会影响多媒体信息本身的传送和使用。 另一方面由于人眼和人耳本身对某些信息有一定的掩蔽效应，例如 对灰度的分辨只有几十个灰度级，对边缘的信息不敏感等，只要添 加的水印信号不高于人类视觉系统( h v s ) 对比度门限或者听觉系 统( h a s ) 对声音的感知门限，人就无法感知信号的存在。h v s 和 h a s 与时间、空间和频率特性紧密相关，因此可以利用它们之间的 联系调整嵌入的水印信息，从而达到隐藏而不被发现的目的。 从本质上说，数字水印处理是一种通信，在水印的嵌入者和接 受者之间传递的一条消息。在载体对象中嵌入水印信息，实际上可 以理解为在宽带信道上用扩频通信技术传输一个窄带信号( 水印) 。 尽管水印信号具有一定的能量，但分布到信道中任意频率上的能量 是难以检测到的。水印的检测则是一个有噪信道中弱信号的检测问 题。 基于变换域的数字图像水印算法研究 一个数字水印处理系统通常划分为水印嵌入和水印检测提取两 大部分。水印嵌入系统主要包括原始多媒体信息的变换、水印信息 生成及预处理、嵌入算法的设计，从而在不影响使用的前提下实现 水印信息的嵌入。攻击算法用来模拟信息在正常的使用和传输过程 中产生的失真以及人为的恶意破坏。水印的检测提取部分主要实现 从多媒体信息中提取水印信息或判断水印信息的存在与否。根据嵌 入算法的不同，部分的检测及提取过程中需要原始多媒体信息及密 钥的参与。图2 - l 为数字水印处理系统的基本框架的详细示意图。 图2 1数字水印处理系统基本框架 f i 9 2 1b a s i cf r a m eo ft h ed i g i t a lw a t e r m a r k i n gp r o c e s s i n gs y s t e m 结合文献“田，通用水印框架可定义为一个七元组( i ，w ，k ，e m ， a t ，d ，e x ) ，具体定义如下： ( 1 ) i ：表示需要包含水印的数字产品( 或称为多媒体、数据) 的集 合： ( 2 ) w ：表示可能水印信号的集合； ( 3 ) k ：表示水印密钥的集合； ( 4 ) e r a - 表示水印嵌入算法，将水印w 嵌入到数字产品i 中得到 硕七学位论文 嵌入水印后的版本i ”，即 e m ：i xw 斗，i ”= e m ( i ，w ) ( 2 - 1 ) ( 5 ) a t ：表示对含有水印信息i ”的攻击算法； ( 6 ) d ：表示水印检测算法，检测w 是否在i a 中存在。即 。舨酬叫州叫：黧黧芸； 协2 ， 这里h l 和h o 代表二值假设，分别表示水印的有无； ( 7 ) e x ：表示水印的提取算法，用于从i a 中提取水印w 7 。 2 4 水印处理的几个重要的技术 在数字水印处理系统中，水印的生成、水印的嵌入、对水印信 号的攻击和对水印信号的检测提取是其必须解决的几个重要技术问 题。 2 4 ，1 水印信号的生成 数字水印的生成是水印处理过程的第一个关键步骤。数字水印 信号由于自身内容的不同被划分为有意义水印和无意义水印，其生 成方式和所需要的条件也有所不同。 2 4 1 1 无意义水印信号的产生 无意义水印一般对应一个序列号或一个随机数，没有具体的意 义。构成水印的序列通常应该具有不可预测的随机性。由于人类视 觉系统对纹理具有较高的敏感性，故水印应该具有与噪声相同的特 性。因此，目前文献中一般取下述随机序列作为水印嵌入到载体数 基于变换域的数字图像水印算法研究 据中：高斯白噪声：满足均值为，方差为盯2 的正态分布。用的 最多的是均值为0 ，方差为1 的高斯白噪声 2 0 - 2 ，通常记为n ( o ，1 ) ， 这是c o x 2 2 首先提出的一个重要思想。伪随机序列：具有类似白 噪声的性质，但又具有周期性和规律性，可以人为的加以产生和复 制。通常可采用二值的m 序列【2 3 】、