（计算机应用技术专业论文）小波域静止图像水印算法研究.pdf

摘要随着网络技术、多媒体技术的飞速发展和广泛应用，数字多媒体信息得以便利的传播与交易，这同时也带来了数字版权的问题。数字水印技术是近几年在信息安全领域兴起的版权保护的新方法，是一种可以在开放的网络环境下保护版权、认证来源及完整性的新技术。小波分析由于具有多分辨率分析和多尺度分析特性，在图像处理方面得到了广泛应用。小波分析在水印算法中的应用可以更好的平衡水印的鲁棒性和不可见性之间的矛盾。目f j i ，基于小波域的水印算法已经成为研究热点。本文首先介绍了数字水印的发展现状及数字水印的基本概念；引入了小波理论，介绍了多分辨率分析及m a l l a t 算法，分析了图像小波分解与重构的原理。其次，提出了两种基于小波域的水印改进算法。( 1 ) 基于小波系数块能量分析的数字水印改进算法：在小波域对小波系数进行分块，并进一步对各分块能量进行统计分析，选定能量最大块为水印信息嵌入区域；利用l o g i s t i c 映射对水印进行预处理并将处理后的水印归一化为o ，l 序列，作为直接嵌入载体图像的水印信息。算法在一定程度上平衡了鲁棒性和不可见性之间的矛盾，具有较好的鲁棒性，并且抗破译性强。( 2 ) 基于关系的小波域数字水印改进算法：算法基于二代小波提升算法；利用a m o l d 变换对水印信息预处理，对载体图像进行小波分解后，根据小波系数的大小关系自适应的嵌入水印。算法实现简单，运算速度快，为盲水印算法。实验结果表明算法具有很好的鲁棒性和不可见性。最后，总结了本文的工作，指出了下一步的研究方向，并对数字水印的发展作了展望。关键词：数字水印，鲁棒性，小波变换，混沌，块能量，关系r e s e a r c ho fs t a t i ci m a g ew a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mb a s e do n 腑v e l e td o m a i ny a n gf a k e ( c o m p u t e ra p p l i c a t i o na n dt e c h n o l o g y )d i r e c t e db yp r o f z h e n gq i u m e ia b s t r a c tw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n ta n dw i d ea p p l i c a t i o no fn e t w o r ka n dm u l t i m e d i at e c h n o l o g y ，t h et r a n s p o r t a t i o na n dt r a d eo fd i g i t a lm u l t i m e d i ai n f o r m a t i o ni sb e c o m i n gv e r yc o n v e n i e n t ，a n dt h ed i g i t a lc o p y r i g h th a sb e c o m em o r ei m p o r t a n ta tt h es a m et i m e d i g i t a lw a t e r m a r ki san e wr i s i n gm e t h o do fc o p y r i g h tp r o t e c t i o ni nt h ef i e l do fi n f o r m a t i o ns e c u r i t yi nr e c e n ty e a r s ，w h i c hi san e wt e c h n o l o g yt op r o t e c tc o p y r i g h t ，s o u r c eo fa u t h e n t i c a t i o na n di n t e g r i t yu n d e rt h eo p e nn e t w o r ke n v i r o n m e n t b e c a u s eo ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fm u l t i - r e s o l u t i o na n a l y s i sa n dm u l t i s c a l ea n a l y s i s ，w a v e l e ta n a l y s i sh a sb e e nw i d e l yu s e di ni m a g ep r o c e s s i n g w i t ht h ea p p l i c a t i o no fw a v e l e ta n a l y s i si nw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m ，w ec o u l dg e tab e t t e rc o o r d i n a t i o no ft h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e nt h er o b u s t n e s sa n di n v i s i b i l i t yo fw a t e r m a r k a tp r e s e n t ，t h ew a t e r m a r ka l g o r i t h mb a s e do nw a v e l e td o m a i na t t r a c t sh i g ha t t e n t i o na n db e c o m e sah o t s p o to fr e s e a r c h i nt h i sp a p e r , w ef i r s t l yi n t r o d u c et h ed e v e l o p m e n ta n db a s i cc o n c e p t so fd i g i t a lw a t e r m a r k ；w ei n t r o d u c et h ew a v e l e tt h e o r y ，m u l t i r e s o l u t i o na n a l y s i s ，m a l l a ta l g o r i t h ma n da n a l y z et h ep r i n c i p l eo fi m a g ew a v e l e td e c o m p o s i n ga n dc o m p o s i n g s e c o n d l yw ep r o p o s et w oi m p r o v e dw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m sb a s e do nw a v e l e td o m a i n ( 1 ) a ni m p r o v e dw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mb a s e do nb l o c ke n e r g ya n a l y s i so ft h ew a v e l e tt r a n s f o r mp a r a m e t e r s ：i nt h ew a v e l e td o m a i n ，w ed i v i d ed e t a i ls u b _ i m a g e si n t os e v e r a lb l o c k s a c c o r d i n gt ot h ef u r t h e rs t a t i s t i c sa n da n a l y s i so f t h eb l o c ke n e r g y ，w es e l e c tt h es l i c ew h i c hh a st h el a r g e s te n e r g yf o rt h er e g i o nw h e r ew a t e r m a r k i n gi n f o r m a t i o ni se m b e d d e d w em a k eu s eo ft h el o g i s t i cm a p p i n gt on o r m a l i z et h e r e s u l ti n t o0 ，1s e q u e n c ea st h ew a t e r m a r k i n gi n f o r m a t i o ne m b e d d e di nt h ev e c t o ri m a g ed i r e c t l y t h i sa l g o r i t h mc o o r d i n a t e st h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e nt h er o b u s t n e s sa n di n v i s i b i l i t yt oac e r t a i ne x t e n t ，a n di th a sb e u e rr o b u s t n e s sa n ds t r o n gr e s i s t a n c et ot h ea t t a c ko fc r y p t a n a l y s i s ( 2 ) a ni m p r o v e dd i g i t a lw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mb a s e du p o nr e l a t i o ni nw a v e l e td o m a i n ：t h i sa l g o r i t h mi sb a s e do nt h es e c o n dg e n e r a t i o nw a v e l e ta l g o r i t h mu p g r a d e f i r s t l yw ep r e t r e a tt h ew a t e r m a r ko nt h er i s eo fa r n o l dt r a n s f o r ma n dd e c o m p o s et h ev e c t o ri m a g eo nt h eu s eo fw a v e l e tt r a n s f o r m ；s e c o n d l y ，a c c o r d i n gt ot h es i z er e l a t i o n s h i po fw a v e l e tt r a n s f o r mp a r a m e t e r sw a t e r m a r k i n gi n f o r m a t i o ni se m b e d d e da d a p t i v e l y t h i si sas i m p l eb l i n dw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m ，a n di th a saf a s t e ro p e r a t i o n a ls p e e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ea l g o r i t h mh a sg o o dr o b u s t n e s sa n di m p e r c i p i e n c e f i n a l l yw er e v i e we n t i r ew o r k s o m e t h i n gn e e dt or e s e a r c hi nt h en e x ts t e pi sp o i n t e do u t a n dw es u g g e s tt h ed i r e c t i o nf o rt h ef u t u r er e s e a r c ho fw a t e r m a r k i n g k e yw o r d s ：d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ，r o b u s t ，w a v e l e tt r a n s f o r m ，c h a o ss y s t e m ，b l o c ke n e r g y ，r e l a t i o n s h i p关于学位论文的独创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的成果，论文中有关资料和数掘是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。学位论文作者签名：拯筮至辈一同期：钐年j 月衫同学位论文使用授权书本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。保密学位论文在解密后的使用授权同上。学位论文作者签名：扭廛羞茎指导教师签名：r 期：如谚年f - 月? 多h同期：厶矽少年，月h中困石油人学( 华东) 顾i ：学位论文第一章绪论弟一早三百t 匕1 1 引言随着信息时代的到来，特别是i n t e r n e t 的普及，数字媒体很容易借助i n t e r n e t 或c d r o m 被复制、处理、传播或公丌，这样就引发出数字信息传输安全问题和数字产品版权保护问题。而传统的加密技术和较新的数字签名、数字标签、数字指纹等技术因诸多不足( 如，加密技术局限于通信和访问控制，其认证需另存信息认证码且不允许被保护内容有丝毫改动等) ，已不能满足当前数字信息安全传输和数字产品版权保护的要求。为解决数字产品的版权保护和信息安全问题，近几年国际上提出了一种新的、有效的数字产品版权保护和数据维护技术一多媒体数字水印技术。1 9 9 3 年由c a r o n n i 最先提出了这一概念，并用于图像数字水印。从1 9 9 4 年丌始，国际学术界陆续发表关于数字水印的文章。与钞票水印相类似，这是一种将特制的不可见标记，利用数字内嵌的方法隐藏在数字图像、声音、文档、图书、视频等数字产品中，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【1 1 。这标志着- - f l 新兴的交叉学科一信息隐藏学在多媒体领域的重要应用，已经受到人们越来越多的重视1 2 j 。数字水印技术是信息隐藏技术研究领域的重要分支，已成为当自订网络信息安全和数字媒体版权保护的研究热点。根据数字水印技术自身的特点，研究具有更好的鲁棒性和不可见性的水印模型意义重大。1 2 本文研究的目的与意义数字水印是一个跨多领域、多学科( 数字信号处理、图像处理、模式识别、数字通信、多媒体技术、密码学、语音处理等) 的技术体系。由于数字水印与具体的应用密切相关，因此每个研究人员介入的角度、采用的研究方法和设计策略也各不相同，但都是围绕着实现数字水印的各种基本特征进行设计，这也决定了数字水印技术研究成果的多样性以及数字水印技术研究的不完善性。同时，水印认证体系的建立、法律保护等问题也是影响数字水印技术迈向实用化的因素。另外，数字水印技术发展到今天，还是没有形成完整的理论体系，因而对相关研究人员来说这是一个挑战性的课题。由于目前国际上的水印技术尚未形成统一的标准，形成一个共同遵循的标准己成为研究水印者的共同目标。然而，标准的算法必须有其优越性、通用性和有效性，并要得到世界各国的认同，第一幸绪论所以形成标准是一项艰巨的任务。早期的水印技术在图像的空域进行，但是这种技术缺乏鲁棒性。研究表明，由于人类视觉对于图像的各种成分具有不同的敏感性，为了提高水印的鲁棒性，应把水印加在图像的视觉重要部分，比如低频部分。这一研究结果促进了变换域水印技术的发展。目前的研究绝大部分集中在变换域水印。很多种变换应用在图像的水印算法中，除了要介绍的小波变换外，包括离散傅立叶变换，离散余弦变换，分形变换等。1 9 9 7 年，c o x 等人提出了一种著名的基于d c t 的扩频水印算法，影响了很多研究者。2 0 0 0 年，新一代静止图像压缩编码标准j p e g 2 0 0 0 公布并丌始实行。它放弃了j p e g 所采用的离散余弦变换，而采用离散小波变换，并且考虑了版权保护问题。这些都使小波域水印算法越来越引入瞩目。因此，小波域数字水印的研究非常有意义。本文的研究目的就是要在深入分析用于版权保护的鲁棒水印算法基础上，在小波域( 低频或高频) ，结合入眼视觉特性，将经过混沌、置乱技术处理的水印信息嵌入到合适的位置，得到在鲁棒性和不可见性之间达到最佳平衡的水印方案；并尽可能实现较低的算法复杂度以满足实际应用的要求。1 3 数字水印技术的国内外研究现状i 刍c a r o n n i 提出数字水印的概念以来，国外水印技术专家和研究学者积极进行学术交流与合作，于1 9 9 4 年在一次国际重要学术会议上发表了第一篇有关数字水印的文章“ad i g i t a lw a t e r m a r k ”，之后国际上又相继发表了大量与之相关的学术文章。1 9 9 6 年学术界在英国剑桥召开了第一届国际信息隐藏学术研讨会，本次研讨会的成功举行标志着信息隐藏学的诞生。随后于1 9 9 8 年在美国波特兰召开了第二届会议，1 9 9 9 年在德国得雷斯顿举行了第三届会议，以及在美国皮茨堡进行了第四届会议研讨。国际光学工程学会( s p i e ) 从1 9 9 9 年起，每年也都召开一次多媒体信息安全与数字水印大会，会议的论文主要也都是关于数字水印技术方面的文章。这些会议的举行，为专家和学者们提供了彼此交流机会和平台，使许多有关数字水印技术方面的内容不断创新，从而促进了数字水印技术的发展。当自订世界上有几大组织机构专门从事水印技术的研究工作，它们是：版权保护技术工作小组( c p t w g ) ，数字音视频委员会( o a v i c ) ，安全数字音乐指引( s d m i ) ，唱机工业国际同盟( i f p i ) 等；也有欧美一些政府部门、著名大学和知名企业的研究机构，如美国财政部、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、同本n i t 信息与通信系统研究中心、麻省理工学院、伊利诺斯大学、剑桥大学、瑞士洛桑联2中罔缸油人学( 华东) 硕i ：学位论文邦工学院、朗讯公司贝尔实验室、s o n y 公司、i b m 公司w a t s o n 研究中心，微软公司剑桥，研究院、n e c 研究所等都投入相当大的人力和财力，致力于该项技术的研究，并取得了一些成果。有些公司己经推出了一些数字水印软件产品，如h i g h w a t e rf b i 等。随着技术信息交流的加快和数字水印技术的迅速发展，国内的一些大学、研究机构也已经从技术跟踪转向深入系统研究。由信息科学领域的何德全、周仲义、蔡占人三位院士与有关单位联合发起的信息隐藏学术研讨会( c i h w ) 始于1 9 9 9 年，到目自仃为止己举行了七届全国会议。研讨会的交流内容涵盖了信息隐藏的主要研究领域，包括：信息隐藏理论、模型与方法；匿名通信、阈下通道或潜信道；隐密术、隐密分析与攻击( s t e g a n o g r a p h ya n ds t e g a n a l y s i s ) ；数字水印及其攻击( d i g i m lw a t e r m a r k i n ga n da t t a c k ) ；知识产权的数字水印保护；信息隐藏的安全性问题；信息隐藏与密码学的结合及信息隐藏的其它问题。全国信息隐藏学术研讨会举行情况如表1 1 所示。表1 1 历届全国信息研讨会举行情况表t a b l e1 1t h et a b l eo fs u c c e s s i v ec i h w第一届第一二届第二届第四届第五届第八届第七届c i h w l9 9 9c i h w 2 0 0 0c i h w 2 0 0 1c i h w 2 0 0 2c i h w 2 0 0 4c i h w 2 0 0 6c i h w 2 0 0 7时间1 9 9 92 0 0 0 62 0 0 1 92 0 0 2 82 0 0 4 1 12 0 0 6 82 0 0 7 1 1地北京北京西安人连广州哈尔滨南京点2 0 0 0 年1 月由国家8 6 3 计划智能计算机专家和中科院自动化所模式识别国家重点实验室组织在北京召丌了“数字水印技术学术研讨会”，来自国家自然科学基金委员会、国家信息安全测评中心、中国科学院、北京邮电大学、国防科技大学、清华大学、北方工业大学、上海交通大学、天津大学、中国科技大学、北京大学、北京理工大学、中山大学、北京电子技术应用研究所等单位的专家、学者和研究人员深入讨论了数字水印的关键技术，报告了各自的研究成果。2 0 0 5 年1 0 月，全国信息隐藏安全性专题研讨会在郑州举行，来自北京邮电大学的钮心忻教授、大连理工大学的孔祥维教授以及上海大学的王朔中教授分别就信息隐臧及其应用、数字掩密与隐蔽通信、反密写与信息安全作了专题学术讲座。2 0 0 7 年1 1 月在南京理工大学召开的第七届全国信息隐藏学术研讨会( c i h w 2 0 0 7 ) 聚集了国内众多从事多媒体信息安全技术研究的专家、学者和权威人士，就信息隐藏及多媒体信息安全等领域的最新研究成果展开研讨，并特邀信息安全领域的著名专家学者做专题报告。3第一章绪论这些会议的召开，为致力于信息隐藏研究的专家、学者们提供了广阔的交流空间，对推动我国信息隐藏技术的研究与应用起到了积极的促进作用。1 4 数字水印技术的分类与应用领域1 4 1 数字水印的分类随着网络的普及和数字媒体的广泛发布，数字水印技术得到了迅速发展。目前已经提出了众多的数字水印算法，许多公司也推出了数字水印的初步原型系统。水印的分类方法有很多种，分类的出发点不同导致了分类的不同，它们之间既有联系又有区别，最常见分类方法包括以下几类：( 1 ) 按水印特性划分按水印的特性可以将数字水印分为鲁棒数字水印和脆弱数字水印两类。鲁棒数字水印主要用于在数字作品中标识著作权信息，如作者、作品序号等，它要求嵌入的水印能够经受各种常用的编辑处理；脆弱数字水印主要用于完整性保护，与鲁棒水印的要求相反，脆弱水印必须对信号的改动很敏感，人们根据脆弱水印的状态就可以判断数据是否被篡改过。( 2 ) 按水印载体划分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格模型的网格水印等。随着数字技术的发展，会有更多种类的数字媒体出现，同时也会产生相应的水印技术。( 3 ) 按水印检测过程划分按水印的检测过程可以将数字水印划分为非盲水印和盲水印。非盲水印在检测过程中需要原始数据，而盲水印的检测只需要密钥，不需要原始数据也不需要原始水印。一般来说，非盲水印的鲁棒性比较强，但其应用受到存储成本的限制。目前学术界研究的数字水印大多数是盲水印。( 4 ) 按水印内容划分按数字水印的内容可以将水印划分为有意义水印和无意义水印。有意义水印是指水印本身也是某个数字图像( 如商标图像) 或数字音频片段的编码；无意义水印则只对应于一个序列号。有意义水印的优势在于，如果由于受到攻击或其它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。4中图石油人学( 华东) 硕i j 学位论文( 5 ) 按水印用途划分不同的应用需求造就了不同的水印技术。按水印的用途，我们可以将数字水印划分为票据防伪水印、版权保护水印、篡改提示水印和隐蔽标识水印。票据防伪水印是一类比较特殊的水印，主要用于打印票据和电子票据的防伪。一般来说，伪币的制造者不可能对票据图像进行过多的修改，所以，诸如尺度变换等信号编辑操作是不用考虑的。但另一方面，人们必须考虑票据破损、图案模糊等情形，而且考虑到快速检测的要求，用于票据防伪的数字水印算法不能太复杂；版权标识水印是目的研究最多的一类数字水印。数字作品既是商品又是知识作品，这种双重性决定了版权标识水印主要强调隐蔽性和鲁棒性，而对数据量的要求相对较小；篡改提示水印是一种脆弱水印，其目的是标识宿主信号的完整性和真实性；隐蔽标识水印的目的是将保密数据的重要标注隐藏起来，限制非法用户对保密数据的使用。( 6 ) 按水印的嵌入位置划分按数字水印的隐藏位置，我们可以将其划分为时( 空) 域数字水印、频域数字水印、时频域数字水印和时问尺度域数字水印。时( 空) 域数字水印是直接在信号空间上叠加水印信息，而频域数字水印、时频域数字水印和时间尺度域数字水印则分别是在d c t变换域、时频变换域和小波变换域上隐藏水印。随着数字水印技术的发展，各种水印算法层出不穷，水印的隐藏位置也不再局限于上述几种。应该说，只要构成一种信号变换，就有可能在其变换空间上隐藏水印【3 1 。1 4 2 数字水印的应用领域随着信息技术特别是i n t e m e t 网络的迅速发展，信息媒体的数字化愈趋广泛，版权保护等信息安全问题也同趋严重。数字水印技术作为一种新兴的、可靠的数字作品保护机制，近年来得到了迅速的发展，在各行各业应用极为广泛。根据水印技术的功能，可以将数字水印的应用领域【4 1 归纳为以下几类：1 版权保护目f j ，版权保护是数字水印最主要的应用领域。潜在的市场包括电子政务、电子商务、数字作品网络传播以及大规模的广播服务等。其目的是嵌入特殊信息以及能证明版权所有者的信息，防止其他人盗窃版权。当该作品被盗版或出现版权纠纷时，所有者可利用从盗版作品或水印作品中获取水印信号作为依据，证明版权归属，保护自己的合法权益。这要求水印必须有较好的鲁棒性、安全性、不可见性和水印嵌入的不可逆性。5第一章绪论2 广播监控广告商希望自己的广告能按时全部播放，为了实现广播监控，可雇佣监控人员对所播出的内容直接进行人工监视，但这种方法花费昂贵而且容易出错。数字水印技术能将识别信息置于广播信号内进行编码，自动实现广播内容的监控，通过识别嵌入到作品中的水印来鉴别作品是何时何地被广播的。欧洲的v i v a 项目实现了这方面的应用，该项目提供一个水印系统，构建电视信号监视系统，在视频信号中嵌入水印信息以标识其所有者。3 图像内容认证当数字作品被用于军事、法庭、医学、新闻及商业活动时，常常需要确定它们的内容是否被修改、伪造或经过特殊处理。内容认证的目的是检测对图像数据的修改，以及做出了何种修改，更高级的能对所作的修改进行反向的图像恢复。可用易损水印( 脆弱水印或半脆弱水印) 来实现图像认证。为便于检测，易损水印对某些变换( 如压缩) ，具有较低的鲁棒性，而对其它变换的鲁棒性更低。因而在所有的数字水印应用中，认证水印具有最低级别的鲁棒性要求。4 交易跟踪利用水印可以记录作品的某个拷贝所经历的交易过程。作品所有者在不同的拷贝中加入不同的水印，作为作品的合法接受者的记录标志即数字指纹( f i n g e r p r i n t i n g ) 。一旦发现非授权的拷贝，就可根据此拷贝所恢复出来的数字指纹确定该非法拷贝的来源。当向多个用户提供同一数字作品，同时确保数字作品不会被用户非法再分发时，可使用交易跟踪技术。5 标题与注释即将作品的标题、注释等内容以水印形式嵌入到作品中，提供有关数字产品内容的更多信息。例如地图照片的比例、拍摄时i 日j 、地点、编号等信息。这种隐式注释可以节省带宽，不影响作品的作用，而且不易丢失。6 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，特别是精度超过1 2 0 0 d p i 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。目自仃，美国、r 本以及荷兰都己丌始研究用于票掘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，已经丌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从扫描票据中判断水印的有6中罔l j 油人学( 毕东) 硕i ：学位论文无，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，会出现大量过度性电子文件，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。7 设备控制在多媒体发行体系中，人们希望有一种拷贝保护机制，即它不允许未授权的媒体拷贝。可以在数字作品中嵌入多种不同的水印以获得设备的相应响应，实现对设备的控制，例女1 d i g m a r c 的“媒体桥”系统将水印嵌入到图像中，当这幅图像被再次打开时，“媒体桥”软件和识别器便会产生响应做出某种指定动作。1 5 本文的工作及章节安排本文主要研究基于小波域的数字图像水印算法，包括数字水印算法的设计和仿真实现，并通过大量实验数据的对比验证算法性能。本文的章节安排如下：第一章：绪论。概括介绍了数字水印技术，数字水印技术的国内外研究现状、分类及应用等；介绍了本课题研究的目的与意义；给出了本文的工作安排。第二章：数字水印的相关理论。详细论述数字水印的相关理论知识，包括数字水印技术的原理、特性、典型算法，评价指标和在数字水印技术中有重要应用的人类视觉模型。第三章：基于小波分析的数字水印。详细介绍小波分析理论，解释了小波分析在图像处理应用中的特点、优点；介绍目f i i i d , 波域数字水印的研究情况。第四章：基于小波系数块能量分析的数字水印改进算法。在对图像进行小波分析的基础上，进一步对小波系数进行能量分析，在对水印的预处理上引入混沌映射( l o g i s t i c映射) ，提出了一种基于小波系数块能量分析和混沌映射的水印算法。第五章：基于关系的小波域数字水印改进算法。运用小波提升算法对载体图像进行分解，应用广义猫映射对水印二值图像进行置乱，依据水印信息对小波系数的大小关系进行调整，提出了一种基于关系的小波域水印算法。总结：总结本文工作，根掘当日订研究情况，提出下一步可能的研究目标及工作计划。7第二章数水印的相关理论第二章数字水印的相关理论数字水印的思想源于古代的隐写术，是通过一定的算法将一些标志性信息直接嵌入到多媒体内容当中，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。水印信息可以是作者的序列号、公司标志或有特殊意义的文本等，可用来识别文件、图像或音像制品的来源、版本、原作者、拥有者、发行人或合法使用人对数字产品的拥有权。与加密技术不同，数字水印技术并不能阻止盗版活动的发生，但它可以判别对象是否受到保护，监视被保护数据的传播、真伪鉴别、非法拷贝、解决版权纠纷并为法庭提供证据。为了给攻击者增加去除水印的难度，目前大多数水印制作方案都采用密码学中的加密( 包括公开密钥和私有密钥) 体系末加强，在水印的嵌入和提取时采用一种密钥，甚至几种密钥联合使用。2 1 数字水印原理目f j i 大多数水印算法的原理可以概括为：在不易被察觉的自仃提下，将一些微小的伪随机的变化施加到空域或频域内一些选定的位置或系数上。检测时一般是通过相关或类似于相关的计算。从图像处理的角度看，嵌入水印可以视为在强背景( 原始图像) 下迭加一个弱信号( 水印) 。由于人类视觉系统( h u r n a nv i s u a ls y s t e m ，h v s ) 的分辨率受到一定的限制，只要迭加信号的幅度低于h v s 的对比度门限，h v s 就无法感觉到信号的存在，因此通过对原始图像做一定的调整，有可能在不改变视觉效果的情况下嵌入一些水印信息。从数字通信的角度看，水印编码( 嵌入) 可理解为在一个宽带信道( 原始图像) 上用扩频通信技术传输一个窄带信号( 水印) ，包含的水印信号具有一定的能量，但分布到信道中任一频率上的能量很小，是难以检测的。2 1 1 数字水印技术的概念数字水印技术【5 8 l ( d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ) 是- - 种信息隐藏技术，它的基本思想是在数字图像、音频和视频等数字产品中嵌入秘密信息，以便保护数字产品的版权、证明产品的真实可靠性、跟踪盗版行为或者提供产品的附加信息。其中的秘密信息可以是版权标志、用户序列号或者是产品相关信息。一般地，它需要经过适当变换再嵌入到数字新产品中，通常称变换后的秘密信息为数字水印( d i g i t a lw a t e r m a r k ) ，在诸多文献中论及了各种形式的水印信号。通常，可以定义水印为如下的信号：8中罔。油人学( f i 匕东) 颂l j 学位论文w = ww 0 ，i = 1 , 2 ，七，m 一1 ( 2 - 1 )式中，肘为水印序列的长度，d 代表值域。实际上，水印不仅可以为一维序列，也可以是二维序列，甚至是三维或者高维信号，这通常要根据载体对象的维数来确定，如音频对应一维，静止图像对应二维，动态图像对应三维。人们通常用上式表示水印信号，对于高维情况，相当于将高维信号按一定顺序展丌成一维形式。水印信号的值域可以是二值形式，如0 = - ( 0 ，1 ) ，0 = - ( 一l ，1 ) 或0 = - 2 0 h z ) 时衰减下来；对空间域高频亮度信号和所有范围的色差信号的敏感度在时问轴变化频率大于1 0 h z 时衰减得很快。( 3 ) 分辨力当空间平面上的两个黑点相互靠拢到一定程度时，离丌黑点一定距离的观察者就无法区分它们，这意味着人眼分辨景物细节的能力是有限的，这个极限就是分辨力。人眼的分辨力有以下特点：1 5第一：章数水印的相火理论由于人眼的视锥细胞在黄斑区分布最密，因此视网膜在中央凹部分的分辨力最高。当照度太低时，只有视杆细胞起作用，分辨力很低，且不容易辨出颜色。当照度太强时，分辨力不增加，反而下降。当背景亮度太强时，由于神经细胞的周罔抑制作用，人眼分辨力降低，而且对物体的分辨力与背景照度的对数成反比。当视觉目标运动速度加快时，分辨力下降。人眼对彩色细节的分辨力比对亮度细节的分辨力要差，若以能够分辨的黑白亮度信号的细节为1 ，则黑红为0 9 ，绿红为0 4 ，绿蓝为0 1 9 。( 4 ) 视觉懒惰许多实验表明，亮度感觉不会随着光刺激的消失而消失，而是以接近指数的规律逐渐减少，这种现象称为视觉暂留，是现代电影、电视的理论基础。视觉惰性与画面所含的频率成分有关，通过研究含有不同频率成分的图像信息的视觉惰性的规律性变化，就可以针对不同的应用设计不同的帧速率，可保持较好的质量而不引起闪烁。( 5 ) 马赫( m a c h ) 效应m a c h 效应是指当亮度发生跃变时会有一种边缘增强的感觉，视觉上会感到边缘的亮侧更亮，暗侧更暗。这是由于视觉系统中神经细胞的侧抑制现象造成的。m a c h 效应会导致所谓的局部闽值效应，即在边缘的亮侧，临近边缘的像素的误差感知阈值约比离边缘远的像素的阈值高3 4 倍。同样在边缘的暗侧这个关系也成立。因此我们认为边缘“掩盖 了临近的像素，对靠近边缘的像素编码误差可以较大。需要强调的是这种掩盖是非常局部的( 典型的视角仅57 ) ，而且与眼球的无意识运动有关，当稳定( 眼球无运动) 观察时，视觉阈值的边缘掩盖效应会大大减小。2 5 2 人类视觉模型的在数字水印中的应用水印的编码过程可看作在强背景( 原始图像) 上叠加一个弱信号( 水印) 。只要信号低于h v s 的对比度门限，h v s 就无法感觉到信号的存在，根据h v s 特性，该门限受背景亮度和背景纹理复杂度的影响。根据视觉掩蔽特性，具有不同局部性质的区域在保证不可见性的前提下，可允许迭加的信号不同。h v s 主要具有的两个特性：人眼对不同狄度具有不同的敏感性，通常对中等灰度最为敏感，向低灰度和高灰度两个方向非线形下降；其次就是人眼对图像平滑区的噪声敏感，对边缘和纹理区的噪声不敏感。由此可见，人眼的视觉特性为研究数字水印技术提供了一个很重要的理论依据，即数字水印应该尽量1 6中罔石油人学( 华东) 硕l ：学位论文加在数字图像信号的纹理或边缘部分，而不该过多地嵌入图像的平滑部分，这样，水印有利于做到不可见性。要充分利用人类视觉特性，不单是从信息论的角度去考虑问题，还要从视觉系统的角度考虑，尽量保持与视觉有关的信息，使得水印方法与人类视觉特性相匹配，设计出鲁棒性高的水印。数字水印技术中使用的视觉特性体现在如下几个方面：( 1 ) 亮度特性：在实际观察景物时，人眼得到的亮度感觉并不完全由景物的亮度决定。它在很大范围内是与亮度的对数成线性比例关系，即著名的韦伯定理。( 2 ) 灰度特性：人眼对不同灰度具有不同的敏感性，其中对中等灰度区最为敏感；而对高灰度区、低狄度区敏感度降低【2 3 ，2 4 1 。( 3 ) 频域特性：人眼对于图像上不同空间频率成分具有不同灵敏度。实验表明，人眼对于中频响应较高，而对高低频响应较低。( 4 ) 相位特性：人眼对相角的变化要比对模的变化敏感。( 5 ) 方向特性：人眼对斜的方向性要比水平和垂直敏感度低。( 6 ) 视觉掩盖效应一空域特性：可见度阈值是能够正好被察觉的干扰值，低于该阈值的干扰值是察觉不出来的，对于边缘的可见度阈值要比远离边缘的高，即边缘掩盖了边缘邻近像素的干扰，称为视觉屏蔽效应。它表明边缘区域可以容忍较大的干扰。利用视觉模型的基本思想均是利用从视觉模型导出的j n d ( j u s tn o t i c e a b l ed i f f e r e n c e ) 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，然后再利用其来嵌入水印。这一方法可同时具有良好的透明性和鲁棒性。在数字水印技术中引入人眼视觉模型，可以使水印在保证不可见性的同时获得更好的鲁棒性能。2 6 本章小结本章详细论述了数字水印技术的系统理论。主要介绍了数字水印技术的原理模型、数字水印的特性等；并对各种典型算法作了介绍和深入分析；引入了目自i 比较通用的数字水印技术的评价指标。本章最后介绍了在数字水印领域有着重要意义的人类视觉模型。1 7第三章綦十小波分析的数。一水印第三章基于小波分析的数字水印3 1 小波变换原理小波变换是相对较新的概念，2 0 世纪8 0 年代自i 后才提出小波变换的概念。小波变换的思想来源于伸缩与平移方法。小波分析方法的提出，最早应属1 9 1 0 年h a a r 提出的规范币交基，这是最早的小波基，但当时并没有出现“小波”这个词。小波概念的真正出现应该是1 9 8 4 年。珐国地球物理学家j m o r l e t 在分析地震数据时提出将地震波按一个确定函数的伸缩、平移系展丌。随后，他与a g r o s s m a n 共同研究，发展了连续小波变换的几何体系。1 9 8 5 年，法国的大数学家m e y e r 首先提出了光滑的小波正交基，对小波理论做出了贡献。1 9 8 6 年，m e y e r 及其学生l e m a r i e 提出了多尺度分析的思想。1 9 8 7年m a l l a t 将计算机视觉领域内的多尺度分析思想引入到小波分析中，提出了多分辩分析的概念，统一了在此之前的所有正交小波基的构造，并提出了相应的分解与重构快速算法。1 9 8 8 年，年轻的女数学家d a u b e c h i e s 提出了具有紧支集的光滑正交小波基一d a u b e c h i e s 基，为小波的应用研究增添了催化剂，同年，d a u b e c h i e s 在美国主办的小波专题讨论会上进行了十次演讲，引起了广大数学家、物理学家甚至某些企业家的重视，由此将小波的理论和实际应用推向了一个高潮。小波理论迅速成为国际学术界的研究热点。小波分析现己广泛应用于许多学科领域，特别在图像数据压缩、图像处理应用等诸多方面中显示出它独特的魅力。小波分析是一种时一频局部化分析方法，能以有效信号表征方式处理图像中的非平稳信息，为多分辨率和子带分解技术提供了一个统一的理论框架。3 1 1 连续小波变换连续小波变换( c o n t i n u o u sw a v e l e tt r a n s f o r m ，c w t ) 又称积分小波变换。小波函数定义为：设l 2 ) 表示平方可积线性空间，沙o ) l 2 ) ，其傅立叶变换甲0 ) 满足条件【咝岛缈 。( 3 4 )其中矿( 譬) 是少( 字) 的复共轭。可以证明，式( 3 4 ) 定义的连续小波变换有如下的反演公式，即反变换几) 一1 。e a 2j o 灿出( 3 - 5 )式中c 妒：r 。学缈p 6 ，虬。o ) 由式( 3 - 3 ) 表示。连续小波变换有如下重要性质【2 8 】：( 1 ) 线性：包含多个分量的信号的小波变换等于各个分量的小波变换之和。( 2 ) 平移不变性：若厂( ，) 的小波变换为髟a ，6 ) ，则时移函数( ，一t 1 ) l 拘d 、波变换为1 9第三章幕十小波分析的数水印形，g ，b t 1 ) 。( 3 ) 伸缩共变性：若厂o ) 的小波变换为，0 ，b ) ，则厂如，) 的小波变换为 肜，似口，聊6 ) 。3 1 2 离散小波变换对连续小波离散化可以通过尺度参数a 和位移参数b 的离散化取样来实现。为了能对信号有全面、完整的表示，选择瘌6 的取样问隔时，必须使小波函数的时一频窗【1 1 能覆盖整个相平面。可以证明，如果对a 按指数取样，对b 按均匀取样，依下式对a ，b 离散化：口= 口i ：= o ，专1 ：= ! ：2 ：专3 ：i 。： ：。 o ( 3 - 7 )b = a 0 7 k ，k = o ，l ，2 ，3 ，4 ，i则由此得到的离散化小波函数 f ，o ) = 口乒g ；，一七l ，尼z( 3 8 )可满足关于小波函数时一频窗覆盖整个时频相平面的要求，用其表示信号不会损失信息，可以保持信号小波表示的完备性。以式( 3 8 ) 中的小波函数作为基函数，所做的小波变换就是离散小波变换( d i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o r m ，d w t ) f 2 5 ，2 6 ，”1 。可做如下定义：设沙o ) 取) ， o ，“(