（电路与系统专业论文）鲁棒性水印方法研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除 了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其它机构已经发表或撰写过的 研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明 并表示了谢意。 作者签名：芝叁日期：边翌暨! 璺l 习 论文使用授权声明 本人完全了解复旦大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此 规定。 作者签名 旁之 导师签名趣噍鲣f 日 摘要 摘要 鲁棒性水印主要是为了解决数字版权保护问题，在多媒体数据版权保护的 强大社会需求的驱动下，鲁棒水印技术的研究已经成为目前水印研究的热点之 本文从水印应用的角度出发，对提高水印鲁棒性的算法进行了以下的探索 1 ，提出基于混沌序列的扩频水印算法。基于扩频传输的水印算法被广泛采 用，提高了水印的鲁棒性，扩频系统的诸多优良特性都与扩频码的设计密切相 关，因此具有良好伪随机特性和相关特性的扩频码对于扩频技术的应稻非常重 要。该算法针对现有扩频水印算法中存在的扩频码的长度以及扩频码的分组的 设计受限的问题，应用了混沌序列产生扩频码。 2 在研究独立元分析( i c a ) 仿射不变性的基础上，提出了基于i c a 的多 t 边形曲线水印算法。实现水印鲁棒性通常可采取的重要策略之一就是保证水印 不被常规处理修改或魏微修改。这种策略依赖予找到某种变换域，在此交换域 中，某些数据项不会因处理受到影嘲，这些不受影响的数据也可以称为不变 描述子，实际上可以看作为已知鲁棒性的系数。该算法正是将i c a 的仿射不 变性应用于数字水印当中，提高水印抵抗畸变和噪声的能力。 3 提出小波域的i c a 水印算法。基于缯像特征的数字水印技术被称为第二 代水印技术，其主要思想是将水印嵌入到图像的最显著分量中，即将水印和图 像的特征集捆绑在一起，从而提高水印算法的鲁棒性。本文提出的小波域的i c a 水印算法，正是基于载体图像小波域中频子带h l 和l h 的相同位置上的系数 实际上分别代表着图像上同一像素点水平方向和垂直方向的纹理信息这一“特 征”。该算法在基于小波域的水印算法的基础上，增加了小波域系数中频子带 i c a 预处理环节，并将水印嵌入到i c a 求解得到的独立元上，能够取得比直接 将水印嵌入到小波系数上的算法更好的鲁棒性。 关键字：数字水印、鲁棒性、扩频、混沌序列、独立元分析( i c a ) 、图像特征、 小波域 图书分类号：t n 9 1 1 7 3 a b s t r a c t r o b u s tw a t e n n a r k i n gi sm a i n l yd e s i g n e dt op r o t e c tt h ec o p y f i g h t so fd i g i t a lp r o d u c t s w i 廿lt h eg r e a tm o t i v a t i o nf o rc o p y r 培h tp r o t e c t i o n ，r o b u s tw a t e h n 啦i n gh a sb e c o m e o n eo fm em a j o rr e s e a r c hd i r e c t i o n so fw a t e n i l a r k i n gt e c h n o l o g y f o c u s e do nr o b u s tw a t e r m a r k i n g ，w ed i ds o m er e s e a r c hw o r ki nt h i st h e s i s 1w ep r o p o s e dac h a o s - b a s e ds p r e a ds p e c t n n nw a t e h n a r k i n ga 1 9 0 r j t h n l s p r e a d s p e c 饥蚰w a t e r n l a r k i n g i s w i d e l yd e v e l o p e dt oi m p r o v e 也er o b u s 切旧s so f w a t e m a r k i n g a n dm ep r o p e r t i e so fs p r e a ds p e c 嘶s y s t e mr e l yo nt h e p r o p e n i e so fs p r e a ds p e c t n l ms e q u e n c e s t h u s ，m ea l g o r i t h mw ep m p o s e d m a k e su s e 。fc h a o t i cs e q u e n c e sa sd s c d m ap s e u d o - r a n d o m s e q u e n c e s i n s t e a d 。fm s e q u e n c e so rg o l ds e q u e n c e s ，w h i c ha c h i e v e sb e t t e rc o r r e l a t i o n p r o p e r t i e so fs p r e a ds p e c t r ms e q u e n c e s 2 w e p r o p o s e da ni c a b a s e dp 0 1 y g o n a lc u r v e sw a t e r m a r k i n ga l g o r i t m o n eo f 协em o s ti m p o r t a l l ts t r n e g i e st oi m p r o v e 血cr o b u s t n e s so fw a t e r m a r k i n gi st o k e e pw a t e 咖a 水衄m o d i 矗e do rs l i g h t l ym o d m e du n d e rm i s c e l l a n e o u sa t t a c k s t h es t r a t e g yr e l i e so nm ee x i s t e n c eo fl 】i l m o d m e do rs l i 曲u ym o d m e dc a r r i e r d a t ao ns p e c i f i ct r a n s f o r md o m a i nu n d e rs p e c i f i ca n a c k s w bc a l lt h ec a h i e rd a t a a si n v a r i a n t d e s c r i p t o ru n d e rs p e c i f i ca t t a c k s o u ri c a b a s e da l g o r i t h mm a k e s g o o du s eo f a m n ei n v a r i a n t d e s c n p t o ro fi c at r a n s f o r mr e p r e s e n t a t i o n 3 w ep r o p o s e da ni c a h e r m a r k i n ga l g o r i t l l mi nt 1 1 ed w td o m a i no fs t i l l i m a g e s t h ew a t e m a r ki se m b e d d e di n t ot h ef e a t u r ev e c t o ro fa no r i g i n a i i m a g e ， w h i c hi sa t t a i n e db yi m p l e m e n t i n gi c ao n t ot h es e l e c t e dd w tc o e f h c i e n t so f t h eo r i g i n a li m a g ei nh la 1 1 dl hs u b d o m a i n s ，c o e 丑丘c i e n t si nh la i l dl h s u b d o m a i n so fo r i g i n a li m a g ec o n t a i nt h eh o r i z o m a la n dv e r t i c a lt e x t u r e i n f b m a t i o no ft 1 1 ei m a g er e s p e c t i v e l y t h u st h ew a t e m l 啦i n gc a s t i n gi si i 工1 a g e c o n t e n td e p e n d e n ta n dt h e ni m p r o v e st h er o b u s t n e s so fw a t e m a r k i n g t h e a l g o r i t l l ma c h i e v eb e t c e rr o b u s 协e s sb ya p p l y i n gi c ao n t ot h ed w tc o e m c i e m s a i l de m b e d d i n g 、抛t e m l a i ki n t om ei n v a r i a n td e s c r i p t or i n s t e a do f 出ed w t c o e 珩c i e n t si t s e l fe x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wm ef e a s i b i l i t yo f t h em e t h o d k e y w o r d s ：d 垮t a lw a c e r n l a r k i n g ，r o b u s t n e s s ，s p r e a ds p e c 协n ，c h a o t i cs e q u e n c e s ， i n d e p e n d e n tc o m p o n e ma n a l y s i s ( i c a ) ，i m a g ef e a n _ l r e ，e l e td o m a i n 2 第一章绪论 第一章绪论 本论文的研究课题属于多媒体信息安全的一个新领域：数字水印研究。本 文以数字图像水印的关键问题鲁棒性为研究对象，在总结鲁棒性水印研究 的基础上，结合混沌理论、扩频通信、信号处理、神经网络等多种理论和方法， 对鲁棒性承印中的若干个关键技术进雩亍了研究。主要是立足于数字东印的其体 应用要求，研究进一步提高现有数字水印算法鲁棒性的关键因索和相应方案。 本章将对鲁棒性水印技术迸彳亍概述。详缀介绍鲁棒性水印的特征和基本要求， 鲁棒畦水印的研究动态和典型算法，以及鲁棒性水印的攻击和对策，最后总结 了增强水印鲁棒性的策略。本章的内容为整篇文章的研究提供了理论基础。 1 1 课题的研究意义和目的 随着多媒体技术和互联网技术的发展，网络数字媒体信息的安全与保密问 题昆得愈发重要和突出。数字媒体信息本身的可复青和广泛传播的特性辑带来 的负面效应，己成为信息产业健康持续发展的一大障碍。目前，数字媒体的信 息安全、知识产权保护和认证问题变得同益突出，且已成为数字世界中一个非 常重要和紧迫的议题。在这样的情况下，人们提出了新兴的信息隐藏的概念一 数字水印( d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ) 。数字水印技术作为一种可以在开放网络 环境下保护版权和认证来源及完整性的薪型技术，已得到广泛的研究l l 。 数字水印是一种应用驱动的技术，虽然具有一定的共同特性，如不可见性， 可证明性等等，但是不同的具体应翊对数字水印的要求不尽相同，因此数字水 印具有许多不同的特性。按水印算法的应用目的分类，可分为( 半) 脆弱性水 印和鲁棒性水印两类：脆弱性水印主要应用于多媒体内容完熬性和真实性的保 护( 即可靠性鉴定或窜改检测) ，这类水印强调对水印攻击的敏感性，水印往 往随着对象的修改而破坏，哪怕细小的影响也会影响数字水印的提取和检测； 蒋棒性水印则主要是为了解决数字版权保护问题，如d v d 拷贝保护等。这类水 印将与数据无关的版权信息鲁棒地嵌入原始信息中，目的是使所嵌入的版权信 息能够稳定地存在于经过各静操作后的载体数据中。水印在满足不可见性的情 况下，还需要很强的鲁棒性，常常要求嵌入水印的载体在传输过程中即使发生改 变，也能够从中检测出水印，够抵抗各耪有意或无意的攻击，能够提供可靠 的版权保护证明。 第一章绪论 近年来，鲁棒性水印的研究成为数字水印研究的热点，得到相关领域研究 人员的极大重视，应当说，是数字水印在版权保护方面应用的强大社会需求所 驱动的，相对而言，数字水印在其他方面的应用就显得不那么急迫。对于着眼 于解决数字版权保护问题的鲁棒性水印，不可感知性是前提，鲁棒性是关键的 性能指标。相对而言，对信息隐藏容量的要求可以放松。因为，如果没有足够 的鲁棒性，就无法起到标记版权的目的，而在许多应用场合，能达到标记版权 的水印数据量又不一定需要很大。因此，对于版权保护，数字水印的要求即： 在保证水印不可感知性( 主要是不可见性) 的前提下，实现的水印具有更好的 鲁棒性。目前数字水印在鲁棒性方面的不足是影响数字水印得到应用的主要因 素，也是最终数字水印能否在多媒体版权保护等方面得到应用的关键，因此鲁 棒水印技术的研究无疑具有重要的理论价值和实用价值。 本文主要的研究工作正是针对多媒体数据的版权保护，即鲁棒性水印技术 的研究。到目前为止，能够解决所有的鲁棒性问题的算法还未见诸文献。但是， 在实际的具体应用中，并不要求水印算法刘所有的情况都具有鲁棒性，因此， 针对不同类型的应用，去寻求相应的鲁棒性水印算法和协议是一个很好的研究 的切入点。 1 2 课题研究背景 1 2 1 鲁棒性水印特性及基本要求 般地，鲁棒性水印应具有如下基本特性： ( 1 ) 可证明性：水印应能为受到版权保护的信息产品的归属提供完全可靠 的证据。水印算法能够将所有者的有关信息( 如注册的用户号码、产品标志或 有意义的文字等) 嵌入到被保护的对象中，并在需要的时候将这些信息提取出 来。水印可以用来判别对象是否受到保护，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等。这实际上也是发展水印技术的基本动力。 ( 2 ) 不可感知性：一方面，不可感知性是指视觉或听觉上的，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，这是绝大多数水印算法所应达到的要求。另一方面，鲁棒性水印系统的不 可感知性还应该包括统计意义上的不可检测，如对大量用同样方法和水印处理 过的数字产品使用统计方法也不可提取或确定水印的存在。 ( 3 ) 鲁棒性：稳健性是指水印应该能够承受大量的物理和几何失真，包括 一4 第一带绪论 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。一个鲁棒的水印应做到若攻击 者试图删除水印将会导致水印载体的严重破坏。 ( 4 ) 计算有效性：水印处理应该由软件或硬件有效实现，尤其在某些应用 场合，如视频水印或在网络中监控多媒体数据时，水印的检测应该有足够的速 度，在有些特定情况下，甚至应该达到实时性的要求。需要注意的是，计算有 效性依赖于应用，通常，对于嵌入速度和检测速度的要求是不一样的。另外， 计算机的发展速度迅猛，因此，一些现在认为在计算速度上还不够合理的算法 可能不久的将来就可以合理实现。 目前为止，在许多水印方面的文献中，水印只是对于一些标准通用的图像 信号处理算法及几何变形( 通常是缩放和裁剪) 是鲁棒的，能够解决所有的鲁 棒性问题的算法还未见诸文献。从理论上讲，只要具有足够的知识，任何水印 都可以去掉。但是如果只能得到部分信息，如水印在图像中的精确位置未知， 那么破坏水印将导致图像质量的严重下降。特别的，个实用的鲁棒性水印算 法应该对信号处理、通常的几何变形，以及恶意攻击具有一定的鲁棒性。它们 通常包括： ( 1 ) 抵抗信号处理攻击的鲁棒性性。指水印对抗图像压缩、图像滤波、图 像增强、色彩变换、二次抽样、二次量化、a d 和d a 等。对于常见的图像信 号处理方法，要求水印具有好的鲁棒性。 ( 2 ) 抵抗几何攻击的鲁棒性：可以把图像儿何攻击分为两类，一是图像编 辑和裁剪，比如空间几何裁剪等。二是仿射变换和几何失真，包括尺度拉伸、 平移、旋转、剪切、全局仿射变换、随机局部扭曲以及它们的组合等。仿射变 换和几何失真有可能是水印攻击者的主要处理手法，也可能是载体图像拥有者 或者使用者的无意之中造成的，对抗仿射变换和几何失真是当前图像和视频水 印一个富有挑战性的课题。 ( 3 ) 噪声干扰。包括高斯加性噪声、乘性噪声等。噪声干扰是信号传输过 程中可能引入的，白色高斯加性噪声是最常见的噪声模型。这也是目前水印算 法稳健性能测试的常用指标之一，也是比较容易解决的问题。 ( 4 ) 多重水印。水印攻击者对已嵌入水印的载体图像再次嵌入水印，一是 有可能会破坏先前嵌入的水印，二是会造成版权证明的二义性。鲁棒性水印应 该有抵抗这二种可能性的能力。 第一章绪论 ( 5 ) 其它恶意攻击。水印还可能遭遇各种各样可能的恶意攻击。对承印的 攻击和反攻击策略的研究，将类似于密码分析学与密码学的关系，既对立又互 相促进，促使水印鲁棒性的不断提高。 曩前，衡量图像水印算法鲁棒性的标毽主要是p s n r 值和主观视觉判断。 但是，以p s n r 为代表的客观标准不完全符合人眼视觉系统的特点，而主观标 准无法计算。第一，不同的应用场合对水印抵抗某种攻击翦鲁棒性其育不丽的 要求，因此很难用一个参数来表达。第二，比较水印鲁棒性的前提条件难以定 义。不同的水印强度影响到图像水印的不可见性，因而比较水印鲁棒性存在一 定的困难。 尽管尚未存在真正的标准，还是出现了一些比较好的测试平台，比如 s t i r m a r k 等。通过这些软件，可以对水印图像执行一系列常规信号处理和几何 变换的攻击，人们可以知道所隐藏的水印对抗已知攻击的性能，这在实际应用 中是有价值的。 需要指出的是，鲁棒性水印与安全水印是有区别的。鲁棒水印能经受住传 输过程中的常规信号处理，丽安全水印则用来防止敌手豹任何阻碍水印用途的 攻击( 如未经撰权的嵌入、检测和去处等) 。由于在绝大多数应用中，若所嵌入 的永e f 不可测，鄹永印不能实现其功能，因此鲁棒蛙燕水印具有安全性的一个 必要条件。换句话说，如果使用常规信号处理就能消除水印，那么不能认为该 水印是安全的。 1 2 2 鲁棒性水印的研究动态及典型算法 近年来，鲁棒性水印技术研究一直在发展演变当中，取得了很大进展，出 现了谗多提高承印鲁栲性的算法，这些算法思路币确，符合当今数字水印发展 的潮流。较早的数字水印算法都是空l 、日域上的，空域水印处理使用各种各样的 方法直接修改图像的象素，将数字水印直接加载在数据上，鲁棒性一般都比较 差。后来出现基于变换域的数字水印技术，这类技术一般基于常用的图像变换 ( 基于局部或是全局的变换) ，这些变换包括离散余弦交换( d c n 、离散小波变 换( d w t ) 、傅氏变换( d f t 或f f t ) 、傅立时一梅林( f o 越e m e l l i n ) 变换以 及哈达马变换( h a d a m a r d t r a n s f o r m ) 等，基于变换域的数字水印技术极大地提 赢水印的鲁棒性。9 0 年代中期，通信理论在水印中得到应用，尤其是在扩频通 信理论引入后，水印的鲁棒性大大提高。随后提出结合感知模型、自适应的鲁 棒东印算法，这些算法很好地匹配了入眼视觉系统( h u m a nv i s u a ls y s t e m ，l v s ) 特性，在进一步提高水印系统鲁棒性的同时，顾及了水印的不可见性。1 9 9 8 年， 第一章绪论 k a - 1 k a n h a m 等人发表了基于图像内容的数字水印算法，这些算法与计算机视觉 的发展是密不可分的，基于图像内容( 特征) 的水印被称为第二代水印，也是 立足于提高水印的鲁棒性，是今后数字水印发展的方向之一。最近，有学者提 出矢量量化的方法，预言能取得更鲁棒的算法。也有国内学者提出基于奇异值 分解的鲁棒水印算法，通过理论分析和实验证明具有很好的鲁棒性。另外，传 统的误警概率和误比特率( b i te r r o rr a t e ) 引入到数字水印模型中，有利于衡量 水印算法和具体的应用相结合。采用更精确的噪声模型，尤其是针对量化噪声， 具有很大的现实意义i 因为大量的水印工作需要结合基于量化的有损压缩。 以上提及的鲁棒性水印的研究从不同角度出发，都取得了较好的成果。我 们总结四类典型的鲁棒性水印算法为：变换域算法，扩频算法，基于生理模型 的算法，基于图像内容算法等。其中大部分算法针对的源数据是图像，主要是 因为图像水印工作开展得最为全面彻底，除特别指明，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) 。需要特别说明的是，这些算法之间的 分类并不是绝对独立的，有些还有重合之处，实际上，多数的算法结合它们使 用。比如基于图像内容的算法很多时候都是在变换域上展开的；而人类视觉系 统( h v s ) 的照度掩蔽特性和纹理掩蔽特性必须和诸如小波域等变换域特性相匹 配运用；而扩频算法更是已经广泛地应用于许多变换域水印算法之中。 1 变换域算法 从实现角度看，与变换域算法相对的是空间域算法。空域水印处理使用各 种各样的方法直接修改图像的象素，将数字水印直接加载在数据上。早期有代 表性的算法包括最低有效位方法( 埝b 法) ，p a t c h w o r k 方法及纹理块映射编码方 法，文档结构微调方法等，多数空间域算法因其鲁棒性差己逐渐被人们放弃了。 与空间域的数字水印方法比较，变换域算法将数字图像的空间域数据通过某一 变换转化为相应的频域系数，并根据待隐藏的信息类型，对其进行适当编码或 变形，根据隐藏信息量的大小和其相应的安全目标，选择某些类型的频域系数 序列( 如高频或中频或低频) ，确定某种规则或算法，用待隐藏的信息的相应数 据去修改前面选定的频域系数序列，最后将数字图像的频域系数经相应的反变 换转化为空间域数据。相比较而言，变换域数字水印方法鲁棒性强，具有如下 优点： ( 1 ) 在变换域中嵌入的水印信号能量可以散布到空间域的所有像素上，有 利于提高水印的鲁棒性； ( 2 ) 变换域的种类很多，又有各自的特点，因此变换域算法的灵活性很大： 第一章绪论 ( 3 ) 在变换域，可以结合人眼视觉模型的特性控制水印的嵌入位置和强度 有利于保证水印的不可见性和提高水印的鲁棒性。 基于分块的d c t 是常用的变换之一，最早的基于分块d c t 的水印技术之一 见文献【2j 。他们的数字水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。该数字水印算法对 有损压缩和低通滤波是鲁棒的。c o x 等人 3 】提出了基于图像全局d c t 变换的数字 水印算法。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。此外，b a r n i 、v a 等【4 、h sl l 等【5 】、t a n g 等f 6 】也在d c t 域做了很多有实际意义的工作。 d w t 是一种时间一尺度( 时间一频率) 信号的多分辨率分析方法，在时域、 频域都具有表征信号局部特征的能力。根据人类视觉系统的照度掩蔽特性和纹 理掩蔽特性，将水印嵌入到图像的纹理和边缘等不易觉被察觉。相应于图像的 小波变换域，图像的纹理、边缘等信息主要表现在h h 、h l 和l i 细节子图中一 些有较大值的小波系数上。这样我们可以通过修改这些细节子图上的某些小波 系数来嵌入水印信息。 d e e p ak u n d u r 等人在文献m 剀中提出了一种基于小波变换的私有水印和公 丌水印算法。前者将图像和要嵌入的水印信息分别做小波分解，根据视觉特性 进行数据融合，此方法在提取水印时需要原始图像；后者对小波系数做特殊的 量化后嵌入信息，此方法提取水印不需要原始图像。牛夏牧、陆哲明、孙圣和 在文献l l ”j 巾提出一种基于多分辨率分解的数字水印技术。利用多分辨率分解技 术，相同分辨率层次的灰度级数字水印嵌入到对应的相同分辨率层次的原始静 态图像之中，使水印对原始图像具有自适应性。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问的关系，所以水印的提取过程不需要原始图像。 该方法具有很强的鲁棒性。刘九芬等人在文献 中研究了水印算法中小波基的 选择和正交小波基的性质与稳健性的关系，研究结果表明正交小波基的正则性、 消失矩阶数、支撑长度以及小波图像能量在低频带的集中程度对水印稳健性的 影响极小，同时得到一个有意义的结论：h a a r 小波比较适合于图像水印，这对 于在d w t 域嵌入水印对小波基的选择有重要意义，因为选择不同的小波基对嵌 入水印的性能有很大影响。 离散小波变换不仅可以较好的匹配h v s ( h u m a nv i s u a ls y s t e m ) 的特性， 而且与即将出现的j p e g 2 0 0 0 、m p e ( ；4 压缩标准兼容，利用小波变换产生的水印 具有良好的视觉效果和抵抗多种攻击的能力，因此基于d w t 域的数字水印技术 - 8 是霹前主要的研究方向，正逐濒代替d e 成为变换城数字水印算法的主要工其。 d h 方法是利用图像的d 盯的相位嵌入信息的方法。因为h a y e s 研究证明 一幅图像的d f t 的相位信息比幅值信息更为重要。通信理论中调相信号的抗干 扰能力比调幅信号抗干扰的能力强，阉样在图像中利用相位信息嵌入的水印也 比用幅值信息嵌入的水印更稳健，而且根据幅值对r s ，r ( 旋转( r o t a t i o n ) 、 比例缩放( s c a l e ) 、平移( t r a n s l a t i 。n ) ) 操作的不变性，所嵌入的水郛能 抵抗图像的r s t 操作。这是针对几何攻击提出的方法。 d f t 方法的优点在于可以把信号分解为相位信息和幅值信息，具有更丰富 的绱节信息。但是d f t 方法在水印算法中的抗鹾缩的能力还比较弱。目前基于 d f r r 的水印算法也相对较少。 大多数水印算法在对加了水印的对象进行仿射几何变换后，提取水印时存 在许多问题。为了克服这个弱点，工0r l 缘n a i d h 等人【1 2 f 1 3 3 提出了在承印算法中 使用m e 【l i n f ( ) i l r je r 变换。m e l n f 叫r j e r 的变换空间是基于傅立时变换的 转换特性，可以证明通过一个平移只有稆位被改变。因此，如果这个域( 即水 印被嵌入熬空闻) l 鳝l 劁在与傅立时变换的振幅有关的子空阅，那么它对予图像 的空间坐标平移不敏感。使用坐标系的适当调整，旋转和缩放都能变成一种平 移。这梯，这种平移的不变特性能用于构造一种空润，这静空闽对水印图像的 任何旋转或缩放操作都不敏感。这种方法的缺点是使用强不变性变换，而这种 变换是很难实现的，而目前承印信号的工作并不是基于强不变性的，强不变性 对水印应用是不必要的。这种方法的特点是利用坐标之间的变换来实现r s t 不 变的目的。此方法具有很好的抗几何失真的能力，并与扩频方法相结合得到很 好舱抗信号失真的特性。但是该方法需要很大的计算量。 另外，还存利用分彤叫、混沌1 6 17 1 、数学形态学、奇异值分解等方 法来嵌入水印，以及在压缩域嵌入水印的方法。目前有很多人在寻找新的更合 适静变换域，来进行水印的嵌入与检测。 2 ，扩频算法 扩展频谱通信( s p r e a ds p e c 协】mc o m m u n i c a t i o n ) 的原理很早就被提出，但真 正的研究是在5 0 年代中期美国开始，并首先应髑于军事通信。在扩频通信中， 先使用不同的伪随机码把基带信号的频谱进行扩展，得到宽带的低功率谱密度 扩频信号，再发射。在接收端，首先使用与发射端相同的伪随机码进行扩频解 调，把宽带信号恢复为基带信号，然后再从基带信号中解调出信息数据。不同 的通信用户使用不同的伪随机码扩频，同时使用同一频带通信，在接收端，只 第一章绪论 有使用与发送者相同的扩频伪随机码才可能实现扩频解调。这样，不同的用户 就可以在同一频带，同一时间通信，相互间影响极小，具有很强的抗干扰能力 和保密性好的特点。 相比于其它常规通信方式，扩频通信具有很多特点【2 0 ( 1 ) 扩频通信具有较强的抗噪声干扰能力，扩频增益越大，即扩频码越长， 对单频干扰信号的抑制能力越强。 f ( 2 ) 扩频信号功率谱密度低，几乎均匀的分散在很宽的频带内，即降低了 刑其它信号的干扰，同时又使得自身具有隐蔽性，保密性好。 ( 3 ) 易于实现大容量多址通信，通信用户可以使用相同的频率同时通信， 但使用不同的地址码，构成了码分多址系统，能有效地利用信道和设备。 ( 4 ) 扩频技术抗衰落能力强，信息传输可靠性高。由于扩频信号占据很宽 的带宽，当某种原因使得一小部分频谱衰落时，不会使整个信号产生严重畸变， 具有抗频率选择性衰落的能力。 ( 5 ) 适合于变参信道的无线通信，扩频系统易于实现多种形式的分集接收 并提高抗干扰性。 扩频通信的这些特点决定了其在数字水印中的应用。数字水印技术的目的， 是在宿主信中传送水印信息，宿主信号如图像、音频和视频，可看作通信的宽 带信道c ，水印信号如版权者的身份标识，可看作将通过信道c 的窄带信号s ， 各种有意无意的干扰看作噪声n 。利用扩频技术原理，将水印分布在数据空削 域或频率域系数中，加入每个时频域系数的信号能量很小且不可随意检测。然 而，水检测过程知道水印的位置和内容，它能将许多微弱的信号集中起来形成 具有高信噪比的输出值，要破坏水印需要很强的噪声信号加入相应得系数中， 所以，破坏水印的同时也造成原始数据质量严重下降。因此，利用扩频通信的 想实现数字水印技术就是很自然的事情了。 随着研究的深入和数字水印自身的要求，很多具有较强鲁棒性的水印算法 被提出来，其中比较重要的一种是将扩频技术应用于数字水印来提高水印的鲁 棒性，实验表明这些算法使得水印在受到较强干扰后仍可以检测到，因此受到 了广泛的重视。t i t k e l 等人首先注意到扩展谱技术可以应用于数字水印 2 1 ，随 后出现了大量基于扩展谱原理的数字水印方法瞰t 2 3 1 。其中，c o x 【3 等人提出的 基于扩展频谱的水印算法在数字水印算法中占有重要地位。扩频技术在数字水 印上的应用，很好地平衡了水印不可见性和鲁棒性之间的矛盾。扩展频谱通信 第一章绪论 不同于一般常见的窄带通信方式，它是先扩展频谱后，再通过宽带通信，晟后 通过相关处理，恢复成窄带后解调数据，具有伪随机编码调制和信号相关处理 两大特点，有抗干扰、抗噪音、保密性好、高精度测量等等许多优点。c o x 等 人把图像的频谱空间视为通信信道，水印则视为在此信道中传输的信号。扩频 体现在把水印信号扩展到很多频率段上，以使每一频率段上的能量都小到不可 检测的程度。由于在水印验证的过程中，验证人知道水印的位置与内容，他可 以把这些微弱信号集中起来得到一个有较高信噪比的单一输出。但要想破坏水 印，攻击人必须在所有频段上加入幅度较大的噪声，这无疑提高了水印的安全 性。 3 生理模型算法 人的生理模型包括人类视觉系统h v s ( h 眦a n s u a ls y s t e m ) 和人类听觉系 统h a s 。这类模型不仅被多媒体数据压缩系统所利用，同样可以供数字水印系 统所利用。 人眼的结构和照相机很相似，瞳j l 的直径可以在2 8 m m 间调节，从而控制 进入人眼的光通量，起到照相机中光圈的作用。瞳孔后的扁球形弹性透明体， 称为品状体，相当于照相机中的透镜光信号通过瞳孔后，在睫状肌的作用下， 品状体进行焦距调节，最终在视网膜上成像。通过对人眼视觉感知情况的研究， 可以发现一般人眼的视网膜会将图像信启、进行分解，并散布到从人眼到大脑皮 层的一系列频带上。并且这些频带只能被具有相同特性的图像成分所激活，这 使得对于不同频带进行的处理彼此间相互独立【2 钔。这个处理过程非常复杂，为 了描述人类视觉系统，人类视觉的研究者们提出了很多数学模型。例如描述人 类对颜色和亮度敏感度的数学模型，描述人类对空间频率敏感度的对比度方程 ( c s f ) ，以及可见度反差门限值( j d n ) 等。 结合数字水印技术，水印嵌入可视为在强背景下迭加一个弱信号。根据视 觉系统特性，仅当迭加的信号超过一定的强度时，它才可以被视觉系统检测到。 信号的可见性门限受到背景照度、背景的纹理复杂性、背景和信号的空间频率 所影响： ( 1 ) 背景亮度越大( d c 系数越大) 嵌入信号的可见性检测门限就越高， 即d c 系数( 代表图像块的平均亮度) 的感知容量越大。 ( 2 ) 背景纹理越复杂，可见性门限越高( 纹理掩蔽) 。 ( 3 ) 空间频率对可见性门限的影响由对比度敏感性函数( c s f ) 所描述，称 为频率掩蔽价( 矗e q u e n c ym a s k i n g ) 。 麓章绪论 现有大多数基予人类视觉系统( h v s ) 模型的水印处理大都是仅在亮度通道 进行的，它们在设计水印时也只是在亮度通道上做了一然工作。 另外，h v s 还有三个特性。( 1 ) 人眼对不同的灰度具有不同的敏感性。通 常对中等灰度最为敏感，向低灰度和赢灰度两个方向非线性下降；( 2 ) 对黟像 平滑区的噪声敏感，对纹理区的噪声不敏感；( 3 ) 边缘信息对人眼非常重要， 必须保证边缘的质量不受大的损害。 利用视觉模型，黄继武 2 5 】等实现了一个基于分块d c t 框架的数字水印系 统：韦志辉仁【2 q 等实现了一个基于小波分解框架的数字水印系统。它们的基本 思想均是利用从视觉模型导崮的雕d ( j u s tn o t i c e a b l ed i 彘f e n c e ) 播述来确定 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圈像相关的调制掩模，然后再利罔其 柬插入水印，这一方法同时具有好的透明性和强健性。大多数水印方文献中提 出的掩蔽码模型有纹理、亮度和频率。o s b e r g e r 吲已经提出了几种更为重簧的 霞素来信算失真矩簿( 作为代表性的是由压缩算法产生的失真) ，如颜色、图形 的区域等对视觉的影响效果。 4 基于图像内容( 特征) 的算法 图像水印技术根据嵌入的方式可以分为：空间域技术和变换域技术。目前， 变换域方法的应用正变得日益普遍，因为变换域方法通常都具有更好的鲁捧性， 对通常的图像压缩、图像滤波以及噪声均有一定的抵抗力。很多水印算法首先 从琢始图像的变换域系数中提取一个子嶷，然后将水印嵌入其中。为了保证水 印算法的鲁棒性，水印应该嵌入到图像的最显著分量中，或者说水印应该和图 像的特征集捆绑在一起，即选择被嵌入的系数集合通常也可以被看成为图像的 特征向量集1 3 。网前的大多数水印算法中，水印的选择一般均与图像内容无关， 这实际上对算法的安全性和鲁棒性是不利的。因为对于鲁棒性水印技术而言， 嵌入水印的载体图像往往会遭受各种攻击行为。如果嵌入的水印与图像无关， 攻击者往往可以很容易地在不破坏图像基本质量的情况下而去掉水印。 任何个鲁棒性水印方案都必须根据具体应用的需要，平衡水印的不可见 性、鲁棒性； 目水印容量三个方面的要求。许多基于图像内容，结合人眼视觉模 型，自适应地确定水印嵌入区域、水印嵌入强度以及水印嵌入长度的水印算法 被提出，成为研究热点f 2 8 ，2 9 3 0 ，孔，翊。总的来说，基于图像内容的水印算法有以下 三点含义： ( 1 ) 水印的嵌入位置应该基于载体图像内容。例如，可以根据载钵图像内 容，选择相对稳定的特征点( 如图像边缘中的角点，包括叉点，y 型点和t 型 点) 定位水印的嵌入位置： ( 2 ) 水印的嵌入强度应该基于载体图像内容。可以结合人眼视觉模型，随 着图像特征的变化，自适应地调节水印嵌入强度。 ( 3 ) 水印的选择应当基于载体图像内容。根据图像的内容( 特征) 生成水 印，载体图像不同，则生成的水印不同。一方面，水印的生成依赖于载体图像， 满足了对数字水印可证明性的要求，可以有效抵抗混淆攻击；另一方面，由于 不同的载体图像嵌入了不同的水印信息，攻击者无法通过对比众多嵌入水印的 图像进行分析并提取水印。因此大大增强了抵抗删除攻击的能力。 文献引”提出了一种基于图像内容的水印模型( c b w m ：c o n t e n t _ b a s e d w a t e h n a r k i n gm o d e l ) ，其基本原理是先根据图像的特征向量生成水印向量，且 两者相互正交，再将水印加性嵌入到图像特征向量上。文中给出了基于d c t 的 c b w m 全局水印算法，相对于c o x 方法有了很大提高，但是不能很好抵抗图像 剪切和图像旋转等攻击。文献刚基于c b w m 模型进行了改进，提出基于图像 内容的局部化水印算法，是在空间域上寻找特征点，并根据特征点对应得子区 域的小波变换域的低频空间中嵌入水印，且水印的监测不需要任何关于原始图 像的信息，实现了数字水印的局部化，在的基础上提高了鲁棒性。文献 3 2 1 考 虑基于图像内容嵌入有实际意义的水印( 如文本、图片、公司标志或用户自定 义的数字序列) 。文中先使用混沌映射将二进制商标的像素在空间域中进行随机 置乱，然后将置乱的信息分块嵌入在图像的d c t 变换系数中。为了使水印的分 御集中在图像显著的边缘特征中，提出了基于图像内容的模糊熵测度算法，水 印嵌入强度随着图像特征变化而白适应地变换。 1 2 3 增强水印鲁棒性的策略 在1 2 2 章节里面，我们已经阐述过鲁棒性水印的典型算法，这些算法帮 助从不同的角度考虑提高水印的鲁棒性。本节将简要地总结常用的增强水印鲁 棒性的策略，这些策略提供的是通用的方法，而非具体的某一类算法。其中有 些策略是为了使水印对各种可能的攻击都具有鲁棒性，而有些是针对特定类型 的失真。但总体而言，增强水印鲁棒性有两种策略：一是在水印算法设计阶段， 考虑将水印嵌入不会因可能遭受的图像处理而改变( 或细微改变) 的区域( 通 常是某变换域) ；二是在水印算法设计阶段，考虑允许水印因失真而被修改的算 法，但可在检测器或嵌入器中抵消这种修改。 第一紊绪论 实际上，水印系统通常会采孀多弹策略来增强鲁棒性，比如水e p 系统可以 在嵌入阶段使用冗余嵌入策略来对付噪声、滤波等失真，在检测阶段使用失真 补偿来消除几何失真的影晌。 ( 1 ) 冗余嵌入：前面已经提到冗余嵌入是对抗简单测豫攻击的有效策略， 它也是对抗各种失真的个通用策略。将水印冗余地嵌入到几个系数中，就算 其中一些系数被损坏了，仍然可以检测到其余系数中的水印。冗余嵌入的忍想 可以扩展为通过不同的嵌入方法将同一水印多次嵌入，其中各种嵌入方法对应 各种失真类型，由于载体不可能经受所有类型的失真，因此在检测阶段至少会 有一个承印存在。 ( 2 ) 扩频编码：扩频编码也是对抗各季中失真| ：! | 勺一个通用策略，可以将其视 为冗余嵌入思想在频域上的扩展。一方面，扩频水印可大幅度降低信噪比进而 提高了水印的不可见性；另一方面，水印被分散到大量频率上还能馈水印对许 多常规信号失真其有鲁棒性。因此它提供了对抗滤波、加性噪声和剪切等攻击 的一一般鲁棒性。静面章节已经对扩额编码在水印申瞻应用有较为清颤躺描述， 这里不再加以阐述。 ( 3 ) 在感知重要的系数上或己知鲁棒性的系数上嵌入信息：载体图像的频 率范围内，一些系数对失真很敏感，大多数的图像处理会破坏隧像变换域静高 频分量( 比如有损压缩) 。因此，经过某些处理后，高频分量中的信息很可能己 经被破坏，如果检测阶段仍使用这些不可靠系数中的信息，很可能会造成整个 系统的不稳定。在实际应用中，尽量把水印嵌入剿可靠的系数上，判断系数可 靠性的一个标准是看它是否是感知重要的。正常的压缩、传播和显示技术都会 专门考虑如何保持载体感知重要的熟分不被破坏，所以在感知重要的系数上嵌 入水印，只要图像质量不发生严重失真，就不影响水印的检测。在感知重要的 系数上嵌入的主要问题是，它违反了水印不可见性的原刘，要使水印不可见， 应将其嵌入到感知不重要的系数中。因此，不可见性和鲁棒性构成了对矛盾。 需要在平衡两者之间的关系。许多水印技术都在图像的中频部分嵌入承印，这 样既满足了鲁棒牲要求，又可以使水印不被察觉。 在感知重要的系数上嵌入水印时，我们试图使水印能承受各种处理。然而， 在应用中，很难预测所有可能发生的处理，比较实际的做法是只考虑那些可能 发生的特定处理，直接给出对付这种处理的方法。这秘策略依赖于找到某种变 换域，在此变换域中，某些数据项不会因处理受到影响( 或影响很小) ，这些不 受影嫡的数据也可以称为不变描述子，实际上可以看作已知鲁棒性的系数。 例如，如果我们更关心的是水印承受几何平移的能力，则可以将水印加在傅立 第一章绪论 叶变换的幅值上，因为空域的平移只会影响其傅立叶变换后的相位。将水印加 在幅值上必然能保证水印不受几何平移的影响。在大多数的实际应用中，可以 比较可能发生的处理前后载体图像的系数变化，找到相对鲁棒性较高的系数， 嵌入水印后，还要将这些系数的位置信息随含水印图像传送到检测器端。在要 求盲检测的系统中，这种方法不是很合适。 ( 4 ) 检测器失真补偿：如果检测器可以确定一个特定的处理已被用于一个 作品( 从它嵌入水印时起) ，那么检测器可以通过逆处理来弥补失真。很多图