基于离散余弦变换的图像水印算法.pdf

中南民族大学 硕士学位论文 基于离散余弦变换的图像水印算法 姓名 彭川 申请学位级别 硕士 专业 指导教师 蒋天发 20070101 中南民族大学硕士学位论文 i 摘摘 要要 随着因特网的日益普及和多媒体技术的发展图像图形音频视频等 数字媒体已经成为信息交流的一种主要方式因特网上信息的获取达到了前所 未有的深度和广度但对多媒体作品的侵权也随之更加容易非法复制篡改 也更加方便极大地损害了作者及版权所有者的利益如何有效地保护多媒体 信息的版权成为信息安全领域的一个热门问题 数字水印技术是目前信息安全技术领域中一个新的研究方向是一种开放 的网络环境下用以保护版权和认证来源及完整性的新技术用于版权保护的数 字水印系统设计的关键是水印信息嵌入的不可见性和抵抗攻击的鲁棒性 本文系统地研究了图像数字水印技术首先介绍了数字水印技术及其原 理特点以及目前的应用状况等然后对数字水印算法模型分类以及典型 算法进行了简要的分析 并对目前比较热点的 dct 域图像数字水印进行了新的 探索和总结最后针对如何解决水印不可见性和鲁棒性矛盾这一问题提出 了一种新的水印方案 方案设计了一种基于离散余弦变换的数字水印嵌入算法和提取算法该算 法的特点是具有良好的不可见性较大的水印容量较好的安全性并且可以 实现水印信息的多址伪装 本文对该算法进行了仿真实验以验证其性能实验结果表明该算法具有 良好的不可见性对常见的图像处理操作如 jpeg 压缩低通滤波剪切 噪声攻击等具有较强的鲁棒性是一种有效可行的算法 关键词版权保护数字水印离散余弦变换不可见性鲁棒性 基于离散余弦变换的图像水印算法 ii abstract with the popularization of internet and the development of multimedia techniques digital multimedia image graphics audio video etc has become the main means of information communication while one can acquire a wide range of multimedia data through the internet various problems copyright violation illegal copying easy forging etc arises naturally that seriously harm the benefit of the author or the copyright owner how to protect multimedia data from violation has become an important issue in information security field digital watermark is a new direction in the information security field it s a new technology which can protect copyright and authentication source the key to design a good watermarking algorithm is imperceptibility and robustness in this paper the author first makes an overall review on the digital watermarking techniques including the definition characteristics and main application domains of digital watermarking then analyzes fundamental principles of digital watermarking algorithm in detail such as the general framework classification and the typical algorithm and then mainly analyzes watermarking algorithm based on dct transform finally a new image watermarking scheme is proposed in order to solve the contradiction between imperceptibility and robustness the scheme proposes the method of watermark embed and watermark recovery the method has good futures of invisibility robustness and security and multi watermark can be embedded in image by the method in order to test the imperceptibility and robustness of the algorithm simulation experiments are conducted results indicate that this method is very robust against the common signal processing attacks such as jpeg compression filtering noise contamination cropping and so on so the algorithm is feasible and effective key words copyright protect digital watermark discrete cosine transform robustness imperceptibility 中南民族大学硕士学位论文 1 第第 1 章 前言章 前言 1 1 研究背景 随着信息时代的到来 信息媒体的数字化为信息的存取提供了极大的便利 同时也显著地提高了信息表达的效率和准确度特别是随着计算机网络通讯技 术的发展数据的交换和传输变成了一个相对简单的过程人们借助于计算机 数字扫描仪打印机等电子设备可以方便迅速地将数字信息传达到世界各地 而 internet 的普及更为数字化信息产品提供了快捷廉价的传输手段 但随之而来 的副作用是通过网络传输数据文件或作品使有恶意的个人或团体有可能在没 有得到作品所有者的许可下拷贝和传播有版权的内容 1 2 多媒体产品的可完美 复制和世界范围内几乎不需要代价的分发使数字版权保护成为一个急需解决 的现实问题 3 计算机技术的发展也对如何保证信息安全提出了挑战计算机软件强大的 信息处理能力使人们可以方便地编辑修改存储和传播数字信息但一些个 人和团体为了某种目的在未经作品所有者许可的条件下擅自篡改数字图像内 容的做法使得数字图像的真实性完整性受到严重威胁如果篡改的内容涉 及到国家安全法庭举证历史文献等重要图片数据这类篡改可能会造成不 良的社会影响或导致重大的政治经济损失因此多媒体内容的真实性完 整性认证具有重要的研究意义和应用价值 为解决数字信息产品的安全问题必须对其进行保护通常的保护包含两 个方面内容一是版权保护二是内容完整性真实性保护 传统的信息安全技术基本上都以密码理论为基础人们常常认为通信安全 的实现可以通过加密cryptography来完成即首先将多媒体数据文件进行加 密从而达到版权保护和信息安全的目的但这并不能完全解决问题一方面 多媒体技术已被广泛应用需要进行加密认证和版权保护的声像数据静止 图像视频音频等也越来越多数字化的声像数据从本质上说就是数字信 号如果对这类数据也采用密码方式则其本身的信号属性就被忽略了而且 加密后的文件因其不可理解性防碍多媒体信息的传播另一方面多媒体信息 经过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一旦加密 文件经过破解后其内容就完全透明了密码学中无论是采用传统的密钥系统还 是公钥系统其保护方式都是控制文件的存取即将文件加密成密文使非法 用户不能解读但随着计算机处理能力的快速提高这种通过不断增加密钥长 度来提高系统密级的方法变得越来越不安全人们开始尝试将秘密信息隐藏于 基于离散余弦变换的图像水印算法 2 普通文件散发出去用以跟踪侵权行为并提供法律保护的证据这称为信息隐 藏information hiding或更严格的称为信息伪装 steganography 4 5 事实上自 古以来信息伪装就一直被人们所应用而目前信息伪装再次受到人们的重视 其动力则来自计算机和国际互联网的发展为了防止数字形式的多媒体产品在 网络环境下大范围的侵权拷贝和广泛的非法分发 国际上从 1995 年开始提出一 种新的关于信息安全的概念即信息伪装它以识别注释及著作权保护等为目 的将机密的数据资料隐藏到一般的数字化文件中然后再通过网络进行传输 与传统保密技术不同的是非法拦截者是一堆会激发非法拦截者破译动机的乱 码而在外观上与一般的资料没有什么差别这样就很容易躲过非法拦截者的 破解信息伪装类似于动物保护色的特点用不易察觉的与周围环境相融合的 方式来躲过天敌的攻击这一点正是传统加解密系统所欠缺的另外由于用 传统的加密方法对图像数据加密后图像数据本身成为密文在通用平台上用 通用软件不能够直接观看图像的原貌这对于普通的读者或消费者来说难以接 受的而信息伪装却不同经过伪装的图像在外观上与伪装前几乎没有差异 而且可以在网络上自由流通并不限制普通消费者的使用信息伪装是一个崭 新的技术领域也是多媒体技术网络技术研究的前沿应用前景十分广阔 现代的数字水印digital watermarking技术源于信息伪装是近几年国 际上提出的一种新的有效的数字产品版权保护和数据维护的技术数字水印技 术弥补了密码技术对多媒体数据保护的不足成为对多媒体数据进行版权保护 和认证的有效手段数字水印技术是不可感知地在宿主媒体中嵌入与版权和认 证有关的数据信息其本质是在宿主媒体中嵌入第二个数据它将一种特制的 不可见的标记利用数字内嵌的方法隐藏在数字图像声音文档图书视 频等数字作品中用以证明原创作者对其作品的所有权并作为鉴定起诉非 法侵权的证据同时通过对水印的探测和分析保证数字信息的完整性和可 靠性从而成为保护作者权益的有效手段 数字水印是目前国际学术界研究的一个前沿课题它不仅具有显著的社会 效益也具有不可低估的经济效益 1 2 数字水印的国内外研究现状 与其它技术相比数字水印具有以下优点数字水印是不可感知的不会 影响到图像的艺术效果不容易引起蓄意攻击者的特别注意数字水印能够实 现与宿主数据的无缝结合当宿主数据的存储和显示格式发生变化时水印依 然存在并且水印可以和宿主媒体一起传播并可在解密后依然存在能够作为 版权证明的依据数字水印和宿主数据遭受相同的变换水印始终存在于宿主 媒体中直到宿主媒体的价值被破坏为止数字水印的这些优点使得其在多媒体 中南民族大学硕士学位论文 3 版权保护和认证方面的应用日益广泛也引起了学术界和商业界的广泛注意 数字水印技术自 1993 年被提出以来世界各国的科研机构大学和商业集 体都积极地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 美国空军研究院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普渡大学剑桥大 学瑞士洛桑联邦工学院日内瓦大学微软公司朗讯贝尔实验室等都在进 行这方面的研究工作 国际学术界陆续发表了许多关于数字水印技术方面的文章几个有影响的 国际会议例如 ieee icipieee icasspacm multimedia 等及一些国际 权威学术期刊例如 signal processingcommunications of acm 等相继出版 了有关数字水印技术的专题在 1999 年第三届信息隐藏国际学术研讨会上数 字水印成为主旋律大量文章都是关于数字水印的研究 数字水印技术的市场潜力很大相关的商业公司纷纷推出了基于数字水印 技术的软件和产品 美国的dig marc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 adobe photoshop 和 corel draw 图像处理软 件中 ibm 公司在其数字图书馆 digital library 研究计划中采用了可视水印技 术nec 公司则研究如何把水印技术应用于 dvd 系统的拷贝保护机制 6 中 与此同时还一些公司逐步推出了有关水印技术的商用软件系统例如 dice 的专利技术 7 digimarc corporation 的 digmarc tools 8 mediasec 的 syscop 9 alpvision 公司推出的 labelle 软件具有能够在任何扫描的图片中隐藏若干字 符的技术这些字符标记可以作为原始文件出处的证明也就是说任何电子 图片无论是用于 word 文档出版物还是电子邮件或者网页都可以借助 于隐藏的标记知道它的原始出处alpvision 的 safepaper 是专为打印文档设计 的安全产品它将水印信息隐藏到纸的背面以此来证明该文档的真伪safe paper 可用于证明一份文件是否为指定的公司或组织所打印 如医疗处方法律 文书契约等还可以将一些重要的或秘密的信息如商标专利名字金 额等隐藏到数字水印中signum 公司的 veridata 软件称为 ipak它将不可见 的水印加入到打印出的包装和商标上以阻止商标盗版 在国内数字水印技术也得到了一些学者的关注并日益受到重视1999 年 5 月 25 至 27 日国家自然科学基金委员会政策局等组织有关专家在北京 九华山庄组织召开了网络计算和信息安全论坛强调了研究信息隐藏的重要 性与会专家建议基金委在十五期间应当重点关注包括数字水印在内的网 络环境下的信息安全领域的研究2000 年元月在北京又召开了信息安全方面 的会议将信息安全确定为优先研究领域国家 973 也有信息隐藏方面的专项 课题我国信息隐藏学术研讨会于 1999 年 12 月 11 日召开了第一次会议又于 2000 年 6 月和 2001 年 9 月分别召开了第二届和第三届全国信息隐藏和数字水 基于离散余弦变换的图像水印算法 4 印研讨会2002 年 8 月第四届全国信息隐藏研讨会在大连理工大学召开国 内数家科研机构和高校都进行了信息隐藏和数字水印的研究国内的学术期刊 近年来也发表了大量的有关数字水印技术的文章针对数字水印的各种应用领 域许多专家和研究人员在文章中提出了不同的水印算法 数字水印涉及到数字信号处理通信理论密码学等众多交叉学科目前 国内外学术界关于数字水印的研究还处在迅速发展阶段 有很多难题尚未解决 关于 当前企业界和学术界在数字水印方面的研究兴趣是否值得 的问题 cox 10 指出1从商业角度看该问题就是数字水印能否对实际问题提供经济的解决 方案从安全角度来看目前许多水印安全方案是弱的虽然这是明显的事 实但是在商业应用中弱安全总比没有要好2从学术角度来看该问题 就是水印是否为基础和应用研究带来了新的有意义的课题 1 3 数字水印技术的应用前景 多媒体技术的飞速发展和 internet 的普及带来了一系列政治 经济 军事和 文化问题产生了许多新的研究热点以下几个引起普遍关注的问题构成了数 字水印的应用前景 11 13 1数字作品的知识产权保护 数字作品如电脑美术扫描图像数字音乐视频三维动画的版权 保护是当前的热点问题由于数字作品的拷贝修改非常容易而且可以做到 与原作完全相同所以原创者不得不采用一些严重损害作品质量的办法来加上 版权标志而这种明显可见的标志很容易被篡改数字水印利用数据隐藏原 理使版权标志不可见或不可听既不损害原作品又达到了版权保护的目的 目前用于版权保护的数字水印技术已经进入了初步实用化阶段ibm 公司在 其数字图书馆软件中就提供了数字水印功能adobe 公司也在其著名的 photoshop 软件中集成了 digmarc 公司的数字水印插件然而实事求是地说目 前市场上的数字水印产品在技术上还不成熟很容易被破坏或破解距离真正 的实用还有很长的路要走 2商务交易中的票据防伪 随着高质量图像输入输出设备的发展特别是高精度的彩色喷墨激光打 印机和高精度彩色复印机的出现使得货币支票以及其他票据的伪造变得更 加容易据美国官方报道仅在 1997 年截获的价值 4000 万美元的假钞中用 高精度彩色打印机制造的小面额假钞就占 19 这个数字是 1995 年的 9 05 倍 目前美国日本以及荷兰都已开始研究用于票据防伪的数字水印技术其中 麻省理工学院媒体实验室受美国财政部委托已经开始研究在彩色打印机复 印机输出的每幅图像中加入唯一的不可见的数字水印在需要时可以实时地 中南民族大学硕士学位论文 5 从扫描票据中判断水印的有无快速辨识真伪另一方面在从传统商务向电 子商务转化的过程中会出现大量过渡性的电子文件如各种纸质票据的扫描 图像等即使在网络安全技术成熟以后各种电子票据也还需要一些非密码的 认证方式数字水印技术可以为各种票据提供不可见的认证标志从而大大增 加了伪造的难度 3声像数据的隐藏标识和篡改提示 数据的标识信息往往比数据本身更具有保密价值 如遥感图像的拍摄日期 经 纬度等没有标识信息的数据有时甚至无法使用但直接将这些重要信息标 记在原始文件上又很危险数字水印技术提供了一种隐藏标识的方法标识信 息在原始文件上是看不到的只有通过特殊的阅读程序才可以读取这种方法 已经被国外一些公开的遥感图像数据库所采用 此外数据的篡改提示也是一项很重要的工作现有的信号拼接和镶嵌技 术可以做到移花接木而不为人知因此如何防范对图像录音录像数 据的篡改攻击是重要的研究课题基于数字水印的篡改提示是解决这一问题的 理想技术途径通过隐藏水印的状态可以判断声像信号是否被篡改 4隐蔽通信及其对抗 数字水印所依赖的信息隐藏技术不仅提供了非密码的安全途径更引发了 信息战尤其是网络情报战的革命产生了一系列新颖的作战方式引起了许多 国家的重视网络情报战是信息战的重要组成部分其核心内容是利用公用网 络进行保密数据传送 迄今为止 学术界在这方面的研究思路一直未能突破 文 件加密的思维模式然而经过加密的文件往往是混乱无序的容易引起攻 击者的注意网络多媒体技术的广泛应用使得利用公用网络进行保密通信有了 新的思路利用数字化声像信号相对于人的视觉听觉冗余可以进行各种时 空域和变换域的信息隐藏从而实现隐蔽通信 1 4 本文工作与论文结构 本文在国内外专家和学者研究工作的基础上着重对基于离散余弦变换的 图像数字水印进行了深入研究针对如何改进水印的不可见性和鲁棒性问题 提出了一种新的水印方案 在 matlab 环境下进行了编程实现 并通过仿真实 验验证了其性能 论文第一章为前言介绍了论文的研究背景和意义数字水印技术的产生 发展现状以及主要应用等内容第二章详细系统地介绍了数字水印相关内 容包括数字水印的基本概念系统框架一般模型水印分类攻击方法和 水印系统的性能评价等第三章从提高水印的鲁棒性不可见性着手结和人 类视觉感知模型的研究提出了一种基于离散余弦变换的图像数字水印方案 基于离散余弦变换的图像水印算法 6 该方案详细说明了设计水印嵌入 提取算法的关键问题和算法地具体实施步骤 第四章对提出的算法在 matlab 环境下进行编程实现 并通过仿真实验验证其 性能分析讨论实验结果最后总结全文指出了本文所做工作的不足和 需要进一步研究完善的问题 中南民族大学硕士学位论文 7 第第 2 章章 数字水印技术综述数字水印技术综述 2 1 数字水印的基本概念和分类 数字水印技术是利用数字作品中存在的冗余数据与随机性把水印信息嵌入 到数字作品中从而起到保护数字产品版权或完整性的一种技术数字水印的 载体数据可以是数字图像数字音频或数字视频等而嵌入其中的水印信息的 内容则可以根据实际应用需要而有所不同例如嵌入数字作品的所有者信息 用来声明作品的版权也可以嵌入易损水印来鉴别数字作品的完整性和真实 性数字水印根据应用要求的不同所具有的特征也有所不同有可能在某些应 用中数字水印所具有的特征恰好是另一种应用中不需要或必须避免的但总的 来说数字水印都具有以下基本特性 10 不可感知性数字作品中嵌入数字水印后不应引起感知失真即不造成 数字作品可感知品质的下降对于数字图像来说就是图像的视觉质量没 有变化 稳健性也称为鲁棒性是指嵌入水印后的载体数据在经历多种无意或有 意的信号处理过程后数字水印仍能保持完整性或仍能被准确鉴别常见 信号处理过程包括传输噪声滤波及各种有损压缩等这是对除了脆弱 水印以外的大多数水印的基本要求 确定性嵌入到载体数据中的水印信息必须能够被唯一的鉴别出来不会 产生二义性这样才能有效的识别数据的所有者真实性和完整性 数字水印的分类比较复杂从不同的角度可以将水印分为不同的类型常 见的分类方法如下 按照水印嵌入位置的不同来分目前的水印可分为空域 时域水印和变换域 水印对于数字图像水印来说空域水印是指水印嵌入算法直接对象素进行操 作通过改变图像中象素值来嵌入水印变换域通常是指先对原图像进行变换 如离散傅立叶变换离散余弦变换离散小波变换等然后通过修改变换域的 系数值来嵌入水印这也是目前经常使用的一种嵌入水印的方法 从水印的检测算法来分水印又可以分为盲水印和非盲水印盲水印是指 在检测水印的过程中不需要未加水印的原始图像作为参考直接从待检图像中 提取水印非盲水印则是指在水印的检测过程中需要未加水印的原始图像作 为参考如果嵌入的水印是由秘钥产生的随机数序列则无论是在盲水印还是 非盲水印的检测过程中都需要一个待检水印的拷贝将该水印与从图像中提 取出的水印进行相关相关值越大表明检出的水印与拷贝越接近本文提出 基于离散余弦变换的图像水印算法 8 的盲水印方案既不需要原始图也不需要水印拷贝同时检出的水印是具有明 确含义的可读信息而不是相关值此类水印是目前水印研究中的重点如何 保证水印的不可见性和鲁棒性是需要解决的难点问题 从水印的特性来分可将水印分为鲁棒水印和脆弱水印鲁棒水印在经历 了某些恶意或无意的攻击后例如滤波放缩和压缩等仍可以被检测出这 种水印通常应用于版权保护而脆弱水印则是一种易失的水印图像略有改变 水印即发生变化因此该种水印通常用于认证数字产品的真实性和完整性 还有一种水印的分类方法是根据水印的载体不同而进行分类可将水印 分为文本水印图像水印音频水印和视频水印 虽然水印有着不同的分类方法但这只是从不同的角度看待同一个问题 体现了事物的多面性一种水印方案往往包含了上述的几个方面本文所研究 的水印方案可以表述为鲁棒的变换域图像盲水印 2 2 数字水印系统的一般模型 一般数字水印系统都包含一个水印嵌入系统和一个水印检测系统在水印 的嵌入系统中系统的输入一般是载体数据 i水印信息 w 和私有或公有密钥 k对于图像水印系统来说载体数据是灰度和彩色图像水印可以是任何形 式的数据比如数值文本和图像等密钥是一个可选项目的是为了保证水 印的安全性防止他人在获知水印算法的情况下来篡改水印信息加密或控制水 印的嵌入位置但这并不关系到水印的本质算法当使用私钥时嵌入水印的 技术通常称为秘密水印技术也就是私有型水印当使用公钥时则称为公开 型水印技术对于图像水印为了保证水印的感知不可见性一般还会加入基 于人眼视觉系统human visual system的视觉感知模型来控制水印的嵌入强 度一般的水印嵌入系统可以表示为 iiw 2 1 或者 1 iiw 2 2 其中为强度因子选择合适的可以使水印的鲁棒性和嵌入水印后图像的质 量都达到最佳的选择是由图像的特性和人眼视觉系统的感知特性确定的 图 2 1 表示了一个通用水印的嵌入过程给出一幅图像 i一个水印 w以及 一个密钥 k 通常是一个随机数发生器种子 嵌入过程可以被定义为如下形式 的射影 imki 并且这适用于所有的水印嵌入 中南民族大学硕士学位论文 9 图 2 1 水印嵌入 为了使嵌入水印后的图像质量不发生可感知的改变同时又要最大可能的 加强水印的鲁棒性在大多数水印方案中都采用了 hvshvs 大致可以从以下 几个方面来描述 11 1频率特性通常使用对比敏感度函数 csfcontrast sensitivity function 和可视误差jndjust noticeable difference来描述人眼对不同频率的感知特 性一般情况下人眼对高频分量的误差不敏感因此高频部分低频部分更能 容忍很大的改变而不被察觉 2亮度特性该特性是指在一个均匀亮度背景下可以检测的噪声阈值它 通常是图像局部特性的非线性函数一般来说噪声在低亮度均匀背景下比在 高亮度均匀背景下更容易被发现 3对比掩蔽特性该特性指出由于背景信号的作用而感觉噪声的存在对 图像来说噪声信号如果跟图像在空间频率上非常相似则不易被察觉而且 图像纹理越复杂的区域掩蔽特性越强图 2 2 描述了一般的水印检测系统模 型对于图像水印检测系统来说输入一般是待检的图像而私钥或公钥 k 以及原始图像 i原始水印信息 w 的需要与否取决于水印的嵌入算法对于盲 水印则不需要 i有时甚至不需要 w检测系统的输出对于某些盲水印来说是 检测得到的水印 w或者是某种可信度的值它表明了所检测数据中存在给 定水印 w 的可能性 图 2 2 水印检测 水印的检测方法可采用如下假设检验 水印w 载体图i 密 公钥 k 嵌入算法 水印图像 i 水印w 测 试 图 像 密 公钥 检测算法 水 印 图 像 基于离散余弦变换的图像水印算法 10 0 1 heiin heiiwn 无水印 2 3 有水印 其中 i和 i 分别是待检测数据原始数据w为检测出的水印n 为可能引入 的噪声由于嵌入水印的数据可能受到噪声等各因素的干扰因此从中检测出 的水印信息也将在一定程度上与原始水印有所不同为了确定检出的水印是否 为给定的水印需要计算 w与 w 的相关性 22 ii ii x x x x w w 2 4 水印存在与否的判断标准为若 w w t可以判定被测数据中有水 印 w 存在否则没有水印 wt 为一门限其选择要同时考虑虚警概率和 漏警概率 t 减小 漏警概率 p 降低而虚警概率提高 t 增大 则虚警概率 p 降低而漏警概率提高 上述的水印检测模型中如果需要原始数据 i则是一种非盲水印检测如 果不需要原始数据通常的检测是计算 i和 w 的相关如果 i中不含有水印 w那么二者的相关值很低反之则很高说明 i中含有水印 w但是 在某些应用中仅仅给出相关值是不够的特别是还需要待检水印的拷贝这 极大的限制了水印的应用因此在水印的检测过程中不需要原始数据也 不需要水印拷贝并且水印信息具有明确含义的水印方案成为水印研究中一个 重要的课题 2 3 数字水印的典型算法 近年来数字水印技术研究取得了很大的进步下面对一些典型的算法进 行了分析除特别指明外这些算法主要针对图像数据 某些算法也适合视频和 音频数据 2 3 1 空域算法 空域方法 14 19 一般是通过修改像素的亮度值来实现水印的嵌入目前大部 分的空域水印技术都是基于最不重要位 lsbleast significant bit的由于对 lsb 操作故对图像的改变最小因而嵌入水印后图像的质量可以得到保证 walter bender 14 描述了一种基于信息隐藏统计方法的水印技术称作 patchwork 这种技术随机的图像中选择 n 对像素 aibi 如果 ai像素的值被 i 增加 l那么 bi就被相应的减小 l其缺点是信息的嵌入效率非常低通常每 幅图 i 只能嵌入一个比特的水印信息这就限制了它只能应用于低水印码率的 中南民族大学硕士学位论文 11 情况下而且算法对仿射变换并不具有很好的鲁棒性尽管有这些应用的限制 但在不知道随机水印密钥的情况下要想移除水印是极其困难的除非破坏图 像的视觉质量 n nikolaidis 15 等将图像分为随机的两部分 a 和 b 使得 a 中的 象素均值比 b 中的高 k水印检测时判断两个集合采样均值的差若没有加 过水印采样值的差是一个零均值的随机变量若加过水印则差是一个均值 为 k 的随机变量 schyndel 17 等利用一个 m 序列作为水印并把它嵌入到图像的 每行像素的 lsb 中其主要缺点是抗 jpeg 压缩的鲁棒性不好且由于所有像 素的 lsb 都改变而易受攻击wolfganf 13 等在此基础上做了改进把 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其鲁棒性kutter 19 等提出了一种基于幅度调制的方法通过改变彩色图像中人眼较不敏感的蓝色 通道的象素值将水印重复多次的嵌入加入水印的强度与其象素的亮度成正 比关系 lsb 方法虽然对图像的改动较小加水印后图像失真小但由于 lsb 抵 抗噪声和一般的图像处理能力较差例如滤波和压缩因此它的鲁棒性满足 不了某些应用的需要 2 3 2 变换域算法 变换域方法通常利用离散傅立叶变换dft离散余弦变换dct或离 散小波变换dwt等将图像变换到相应的频率域然后通过改变变换系数的 方法来实现水印的嵌入 dct 变换是图像处理中经常使用的一种方法在 cox 的算法中 20 首先 计算图像 dct 系数然后选择那些视觉重要部分的系数嵌入水印构造水印 x x1 x2 xn其中 xi是服从 n01分布的随机数将水印嵌入到图像的 频域系数中cox 的算法在考虑了人的视觉特性同时采用扩频的方法增强了 水印的鲁棒性但该方法由于检测时需要原图所以限制了它的应用随后 barni 21 等改进了该算法将水印嵌入到某些固定位置的 dct 系数中文献 22 则提出了一种嵌入有意义的图形水印的方案它是基于分块 dct 的但提取水 印时仍需要原图 dct 域中嵌入水印对抵抗一般的图像操作如滤波剪切加噪都有很好 的鲁棒性但对于旋转平移放缩等几何变换则不具有鲁棒性dft 是常见 的一种变换dft 系数可以很好的表达图像的频率构成其中 dft 的平移放 缩和旋转特性常常被用来构造几何变换鲁棒水印典型 dft 水印如文献 23 24 小波变换在数字水印中的应用近几年受到了人们的普遍关注 25 28 小波变 换将输入信号分解为低分辨率参考信号以及一系列细节信号在每一尺度下 基于离散余弦变换的图像水印算法 12 参考信号和细节信号包含了完全恢复上一尺度下信号的全部信息由于小波变 换与人类视觉系统对图像的认知有着相似的过程所以被认为是一种很有前途 的图像处理工具小波变换将原始图像分解为一系列的细节信号部分和低频的 参考信号部分而人类视觉系统对图像低频分量的改变非常敏感对图像的纹 理等高频部分改变的敏感性要小得多因而可以利用这一点对图像进行水印 信息的嵌入 文献 25 提出了两种小波域水印算法算法将小波系数分为不重要和重要 两类第一种算法将水印嵌入到不重要的系数中二值水印通过在小波子带中 修改系数的幅度来表示第二种算法是将水印嵌入到重要的系数中但需要保 存这些系数的位置子带和阈值分类实验结果显示该算法能很好的保持图像 的质量并能抵抗 jpeg 压缩文献 26 提出了一种基于双正交易所 9 7 小波分解 的图像数字水印算法该算法在进行水印信息的检测时不需要利用原始图像 实验表明对常用的图像处理方法具有较强的稳健性由于对图像的低频部分和 强边缘的保护保证了图像的质量 2 3 3 压缩域算法 基于 jpeg mpeg 标准的压缩域数字水印系统不仅节省了大量的完全解码 和重新编码过程 而且在数字电视广播及 vod video on demand 中有很大的实 用价值 27 相应地水印检测与提取也可直接在压缩域数据中进行下面介绍 一种针对 mpeg 2 压缩视频数据流的数字水印方案虽然 mpeg 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 mpeg 2 编码视频数据流中增加 用户数据会加大位率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 mpeg 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 dct 编码信号 块 3 部分在方案中只有 mpeg 2 数据流最后一部分数据被改变其原理是 首先对 dct 编码数据块中每一输入的 huffman 码进行解码和逆量化 以得到当 前数据块的一个 dct 系数其次把相应水印信号块的变换系数与之相加从 而得到水印叠加的 dct 系数再重新进行量化和 huffman 编码最后对新的 huffman 码字的位数 n1与原来的无水印系数的码字 n0进行比较只在 n1不大 于 n0 的时候才能传输水印码字否则传输原码字这就保证了不增加视频数 据流位率该方法有一个问题值得考虑即水印信号的引入是一种引起降质的 误差信号而基于运动补偿的编码方案会将一个误差扩散和累积起来为解决 此问题该算法采取了漂移补偿的方案来抵消因水印信号的引入所引起的视觉 变形 中南民族大学硕士学位论文 13 2 3 4 生理模型算法 人的生理模型 11 包括人类视觉系统 hvs human visual system 和人类听觉 系统 has human audio system 该模型不仅被多媒体数据压缩系统利用同 样可以供数字水印系统利用利用视觉模型的基本思想是利用从视觉模型导出 的 jnd just noticeable difference 描述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能避免破坏视觉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然后再利用其来插入水印这一方法同时具有 好的透明性和强健性 如果按检测是否需要密钥原始图像或原始水印来分类那么也可以分为 公有水印技术私有水印技术和半公有半私有水印技术在这些技术中有些 对于检测既需要图像也需要密钥的叫私有水印技术那些只要密钥而不需要原 始图像的叫公有水印者或者盲水印技术 29 那些需要密钥和原始水印的叫半公 有半私有水印技术 30 通常私有水印技术的鲁棒性在压缩处理中 如 jpeg 和滤 波 是更好的然而私有水印技术在原始图像不可用的情况下是不可行的如 dvd 数据另一方面盲水印技术在原始图像不可用的情况下是可行的但是 通常盲水印技术的鲁棒性比私有水印技术低并且有更高的错误报警率 有许多现有的私有水印技术如 cox 等人 26 使用了扩频技术在 dct 中嵌 入水印 为了改进 cox 的方法 lu 等人 31 使用了 cocktail 水印并且使用了 hvs 来提高其鲁棒性hsu 等人 32 33 靠修改 dct 和 dwt 系数并且使用了一个 标识图来作为嵌入的水印也有一些盲水印技术hartung 34 实用在密钥和图像 之间的相关系数很小的情况下并且他在空域或者压缩域使用了扩频技术 wong 等人 35 扩充了 cocktail 水印技术变成了一个盲的多种目的的水印系统 并且它既是鲁棒性水印又是脆弱水印具有很强的检测恶意攻击的能力 hernandez 等人 36 37 使用 2 d 多通道振幅调制和扩频技术在图像中嵌入一位信 息并且产生了一个最佳的检测方法langelaar 等人 38 在相邻的块之间靠改变 能量来嵌入一位信息wong 等人 39 使用 hash 函数在最小的位来嵌入水印也 有一些是半盲水印技术的它主要集中嵌入一个对于旋转平移缩放不变量 的图作为嵌入的水印如lin 等人 41 在 fourier mellin 变换系数中嵌入水印 solachidis 42 在 dft 域中嵌入一个图形对称的水印licks 38 使用了一个不同种 类的图形对称水印并且要求水印的检测是毫无遗漏的以上这些检测都要求 原始水印 大多数嵌入的仅仅是一个单水印 一些也允许多水印的嵌入 19 33 40 49 cox 19 采取多水印的嵌入但他要求水印是正交的并且他是简单的把几个水 印嵌在一起文献 40 48 嵌入的是正交水印并且扩充到了多水印技术 基于离散余弦变换的图像水印算法 14 2 4 数字水印攻击 internet 和 intranet 以多种新的手段和运做方式为商业科研娱乐带来了 许多机会然而这也使盗版者以更低廉的成本复制及传播未经授权的数字产 品的内容出于对利益的考虑数字产品的版权所有者迫切需要有办法解决知 识产权interactive property rights保护的问题依靠密码学的加密或置乱技 术能保证数字产品内容的安全传送同时可作为存取控制和收费的手段因为 只有用户和版权所有者才有密钥只有他们可以解密或恢复置乱从而得到数字 产品的内容但是仅采用密码技术的重大缺点是所有加密的数字内容在解密 以后就无有效的手段来保证其不被非法拷贝再次传播和盗用为了防止这种 情况发生人们提出了数字水印的概念 目前数字水印技术还没有统一的衡量标准因此水印的攻击也没有统一 的标准 现有的衡量标准 例如 stirmark 只是集成了许多常用的图像处理方法 利用这些方法攻击现有的许多水印算法以后 图像质量仍然可以用于商业用途 而且stirmark 等工具在攻击水印图像时还没有考虑图像本身的统计特性但 是对于专业盗版者来说他们可以根据图像本身特性设计出更好的攻击方法 这些方法比现有的衡量标准中所使用的方法有效的多现有的一些攻击方法 可分为四类鲁棒性攻击表达攻击解释攻击合法攻击 11 1鲁棒性攻击 这类攻击其实就是直接攻击目的在于擦除或除去在标记过的数据中的水 印而不影响图像使用这类攻击修改图像象素的值大体可以再细分为两种类 型信号处理攻击法和分析计算攻击法典型的信号处理攻击法包括无恶 意的和常用的一些信号处理方法例如压缩滤波打印和扫描等对图像 经常采取这些处理以适应不同的要求例如对图像进行压缩以得到更快的网 络传送速度信号处理攻击法包括通过加上噪声而有意修改图像以减弱图像 水印的强度用强度这一术语来衡量嵌入水印信号的幅度相对于所嵌入的数据 幅度类似于通信技术中调制系数这一概念已经有几种公共软件能成功地去 除个别商业软件所嵌入的水印这些软件所进行的攻击所导致的图像质量的下 降是可以接受的证明了将通用的信号处理方法用于水印攻击的可行性 应该指出人们通常有这样的误解一个幅度很小的水印可以通过加上类 似幅度的噪声来除去实际上相关检测器对随机噪声这类攻击是很鲁棒的 因此在实际应用中噪声并不是严重的问题除非噪声相对于图像来说幅度太 大或噪声同水印是相关的 即使是对目前所研制的鲁棒性很好的基于扩频技术的水印 15 也出现了相 应的攻击方法文献 53 中作者发现 33 大小的中值滤波器能很有效地去除 图像中的扩频水印如何抵抗类似于非线性的基于信号处理的攻击方法还是非 中南民族大学硕士学位论文 15 常值得深入研究的问题 分析计算攻击法包括在水印的嵌入和检测阶段采用特殊方法来擦除或 减弱图像中的水印这类攻击往往是利用了特定水印方案中的弱点在许多例 子中它证明了分析研究即已足够不必在真实图像上测试这类攻击文献 20 中提出的共谋攻击collusion attack或多重文档攻击multi document attack 就是这类攻击共谋攻击用同一图像嵌入了不同水印后的不同版本组合而产生 了一个新的嵌入了水印图像从而减弱水印的强度抵抗上述各种直接攻 击的方法在于水印算法是要公开的因此算法的安全性应依靠与内容相关 或无关的密钥及算法本身特性攻击者无法得到密钥就无法擦除水印需要 说明的是这里的密钥同密码学中的严格的密钥概念是不同的密码学中的密钥 在攻击者已知加密算法已知密文和已知明文攻击下都是非常难以解出的水 印中的密钥尚无如此严格的要求 2表达攻击 此类攻击有别于鲁棒性攻击之处在于它并不需要除去数字产品内容中嵌入 的水印这种攻击往往会破坏检测器的同步特性这样即使水印存在也无法检 测到例如表达攻击可简单地通过不对齐一个嵌入了水印的图像来愚弄自动 水印检测器如基于 web 的智能代理或 webcrawler 等实际上在表达攻击 中并未改变任何图像象素值 剑桥大学计算机实验室的 f petitcolas 在文献 48 中提出的攻击方法就是一 个很好的有效的表达攻击的例子该攻击的目的是挫败 webcrawler该方法是 将一个嵌入了水印的图像切成许多小块这些小块在 web 页面按相应的 html 的标记再组装起来webcrawler 只能去查看每个图像小块但这些小块 由于太小而无法容纳任何水印数据所以 webcrawler 无法发现水印该攻击方 法实际上并未导致任何图像质量的下降因为图像象素值被完全保留了此外 对通过 java 小件显示图像的软件也可以进行类似的攻击 更多的关于表达攻击的例子包括旋转放大及通常的仿射变换该类攻击 的主要思想是在检测水印之前水印方案要求嵌入了水印的图像被正确对齐 对一个成功的表达攻击而言它并不需要擦除或除去水印为了战胜表达 攻击水印软件应有同人的交互才能进行成功的检测或者更聪明的检测算 法应设计为容纳通常的表达模型尽管在工程上实现这样的仍是非常困难的事 情 3解释攻击 在一些水印方案中可能存在对检测出的水印的多个解释例如一个攻 击者试图在同一个嵌入了水印的图像中再次嵌入一个水印该水印有着与所有 者嵌入的水印相同的强度由于一个图像中出现了两个水印所以导致了所有 权的争议在解释攻击中图像象素值或许被改变或许不被改变此类攻击往 基于离散余弦变换的图像水印算法 16 往要求对所攻击的特定的水印算法进行深入彻底的分析 文献 55 中提出的攻击实例可视为解释攻击的一个例子该攻击方法对一 类水印技术都有效不失一般性此类水印技术的嵌入过程可用公式表达为 iw i w 公式的意义是一幅图像 i 加载了由足够小的值构成的水印 w 而图像质 量无明显下降得到了嵌入水印的图像是 iw嵌入过程中可以根据现同的规 则插入水印 或者在图像的不同位置空间上和不同频率上有着不同的插入强度 而不仅仅是在图像中插入固定强度的水印假设创造着或所有者 a 将原图像 i 和水印 w 秘密存储起来仅发布嵌入了水印的 iw这样给定可疑图像 i我 们可以从一个可疑的图像中减去 i 而取出水印即 w i i然后对提取出的 水印同原水印 w 作相关以衡量他们之间的差异 p c w ii 其中 c w w 是某个衡量两个水印相似性的度量这种类型的水印方案要求在检测水印 时有原始图像许多现有的水印技术都是这种类型的 解释攻击中攻击者并没有除去水印而是在原始中引入了他自己的水 印从而使水印失去了意义尽管他并没有真正地得到原始图像在这种情况 下攻击者同所有者和创造者一样拥有发布图像的所有权的水印证据 对统计水印技术同样可进行解释攻击尽管在统计水印技术的检测阶段不 需要原图像这种独特的攻击利用了水印方案的可逆性这个特性使攻击者可 以加上或减去水印潜在的补救解决方法包括在嵌入水印过程中加入一个原 图像的单向 hash 函数 使攻击者除去水印而不产生视觉上可察觉的降质是不可 能的可逆性及其应用见文献 50 4合法攻击 这类攻击同前三类