（应用数学专业论文）数字图象水印算法研究.pdf

摘要 f 数字水印是一种新的数字媒体保护技术 它是将特定的信息 如版权信息 秘 密消息等 嵌入到图象 语音 视频等再种数字媒体中 以达到版权保护等目的 同时 这种信息对宿主媒体的影响不足以引起人们的注意且有特定的恢复方法 此信息对非法接收者应该是不可见的 7 本文主要对数字水印的一般框架 静止图 象d c t 系数的理论容量 图象水印的嵌入和检测 数字媒体防篡改以及数字水印 的攻击等问题进行了研究 提出了两个新的水印算算法 本文主要研究的是静止图象水印 在第一章中介绍了数字水印技术的发展现 状并对前人的工作进行了回顾 在第二章从原理上给出了一个一般的数字水印框 架 包括水印的产生 嵌入和检测 砬 第三章中 给出了水印信道的概念 建立 了水印信道的模型和图象d c t 系数模型 并利用直接扩频把水印嵌入选定的静止 图象的d c t 系数中 对水印信道的容量进行估计 在第四章中提出了一种基于小 波多分辨分析的图象水印算法 该算法充分利用人眼视觉系统特性 保证了水印 的不可见性 而且在检测时不需要原始图象 同时水印的检测仅需涉及到相关的 几个细节子图 减少了计算量 加快了检测速度 在第血章中 提出了一种基于 小波的防篡改脆弱水印算法 它i 以刚于数字媒体的防篡改检测 第六章对数字 水印的一些攻击方法作了一个简要的介绍 并分析了几种常见的水印攻击方法 并对数字水印的发展方向作了一个展望 关键字 数字水印 人眼视觉系统 小波多分辨分析 镍l 殳榆j j 1 4 水印攻击 a b s t r a c t d i g i t a lw a t e r m a r k i n gi s an e wm e a s u r eo f d i g i t a lm e d i ap r o t e c t i o n w h i c ha r e p r o c e s s e so fe m b e d d i n gh i d d e nm e s s a g e sw i t h i nd i g i t a lm e d i as u c ha st e x t i m a g e s v i d e oa n da u d i ot o p r o t e c tc o p y r i g h t t h e h i d d e n m e s s a g e s c o u l db e c o p y r i g h t i n f o r m a t i o no rs e c r e tm e s s a g e s a tt h es a m et i m et h e s em e s s a g e sh a v eav e r yl i t t l e i n f l u e n c eo nh o s tm e d i aa n dh a v es p e c i f i cr e s t o r em e t h o d s t h e s em e s s a g e ss h o u l db e i n v i s i b l et oi l l e g a lr e c e i v e r s t b i sd i s s e r t a t i o nm a i n l yf o c u so ns o m e k e yp r o b l e m s s u c h a st h et h e o r e t i c a l c a p a c i t yo fi m a g ed c q c o e f f i c i e n t s e m b e d d i n ga n dd e t e c t i o no f i m a g ew a t e r m a r k i n g t a m p e r p r o o f i n go fd i g i t a lm e d i a a n dw a t e r m a r ka t t a c k t w on e w w a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m sa r ep r e s e n t e d t h i sd i s s e r t a t i o nm a i n l yf o c u so ns t i l l i m a g ew a t e r m a r k i n g i nc h a p t e r 1 t h e s t a t e so f d i g i t a lw a t e r m a r k i n gt e c h n i q u e s a r ei n t r o d u c e da n dr e v i e wf o r m e r a c h i e v e m e n t i n c h a p t e r2 ag e n e r a ld i g i t a lw a t e r m a r k i n g f r a m ei sp r e s e n t e d i n c l u d i n g t h eg e n e r a t i o n e m b e d d i n ga n dd e t e c t i o no fw a t e r m a r k i nc h a p t e r3 t h ec o n c l p to f w a t e r m a r k i n gc h a n n e l i sp r e s e n t e d t h em o d e so f w a t e r r n a r k i n gc h a n n e la n di m a g ed c t c o e f f i c i e n t si s p r o p o s e d t h ec a p a c i t y o f w a t e r m a r k i n g c h a n n e li se v a l u a t e d b e m b e d d i n gw a t e r m a r k s t os e l e c t e ds t i l l i m a g ed c tc o e f f i c i e n t s i nd i r e c t s p r e a d s p e c t r u m i nc h a p t e r4 aw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m sb a s e dw a v e l e tm u l t i r e s o l u t i o n i s p r e s e n t e d b yc o n j u n c t i o nw i t hh u m a n v i s u a lm o d e l i tk e e p si n v i s i b i l i t yo fw a t e r m a r k i nh o s ti m a g ea n dn e e dn o to r i g i n a li m a g ed u r i n gd e t e c t i o n t h ew a t e r m a r k i n gd e t e c t i o n i so n l yr e l e v a n tt os o m ed e t a i ls u b i m a g e s i ts i m p l i f i e sa n da c c e l e r a t e st h ea l g o r i t h m i n c h a p t e r5 an o v e lf r a g i l ew a t e r m a r k i n ga p p r o a c ha n d r e l a t e dt a m p e rd e t e c t i o na r e p r o p o s e d t h ew a t e r m a r k a r ee m b e d d e di nt h ed i s c r e t ew a v e l e td o m a i no fai m a g e i ti s a d a p tt ot a m p e rd e t e c t i o no fd i g i t a l m e d i a i nc h a p t e r6t h ec u r r e n tv a r i o u sa t t a c k m e t h o d sa r ei n t r o d u c e da n df u l l ya n a l y z e d s e v e r a ld i r e c t i o n so fd e v e l o p m e n to fd i g i t a l w a t e r m a r k i n g a tn e x ts t a g ea r ep r o p o s e d k e y w o r d s d i g i t a lw a t e r m a r k i n g h u n r a nv i s u a ls y s t e m w a v e l e tm u l t i r e s o l u t i o na n a l y s i s t a m p e r d e t e c t i o n w a t e r m a r ka t t a c k 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 信息媒体的数字化为信息的存取捉f j 0 了极大的便利性 同时也显著的提高了 信息表达的效率和准确度 特别足计算机网络和通信技术的迅速发展 数掘的交 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输到所期望的地方 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和团体有可能在没有得到作品 所有者许可下拷贝和传播有版权的内容 i 2 1 现代盗版者仅需要轻点几下鼠标就可 以获得与原版一样的复制品 并以此歌取暴利 而一些具有特殊意义的信息 如 涉及司法诉讼 政府机要等信息 则会遭到恶意攻击和篡改伪造 因此人们必须 考虑多媒体数字产品在网络系统中的安仝问题 对数字多媒体产品的非法操作和 行为 通常包括下面的三种情况 1 非法访问 即未经允许从柴个刚站中非法复制和翻印数字产品 2 故障篡改 盗版者恶意地修改数字产品以抽取或插入特征并进行重新发 送 重而使原始产品的版权信息丢失 3 版权破坏 盗版者通过秘密地复制有版权的多媒体数字产品 而未经版 权所有者的许可将其转买而获取暴利 人们常常认为通信安全的实现可以通过加密 c r y p t o g r a p h y 来完成 即首先 将多媒体数据文件加密成密文后发和 使得网络传递过程中出现的非法攻击者无 法从密文获取机要信息 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 一方面加密后的文件因其不可理解性而妨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 而且一旦加密文件经过解密后其内容就完全透明了 密码学一直被认为是在 通信研究应川领域l 主要的f i 息安全r 段 f 受到极人的重 1 1 直到近几年这种1 晰 况有了改变 人们尝试将秘密信息隐减与普通文件散发出去 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 i n f o r m a t i o nh i d i n g 或者更严格地称 为信息伪装 s t e g a n o g r a p h y 1 3 4 1o 单词s t e g a n o g r a p h y 来源于古希腊 意思是将有 用或者重要的信息隐藏于其它信息罩面以掩饰其存在 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 机和因特网的发展 i 数字形式的多媒体产品出于可以方便地完全复制并在网络 环境下广泛散发 大范围的侵权拷贝行为受到了音像 出版 影视和软件等行业 的高度关注 数字水印 d i g i t a lw a t e r m a r k i n g 是目f i 国际学术界研究的一个 前沿热门方向 见如下表1 1 它可为版权保护等问题提供一个潜在的有效的解 决方法1 6 7 i 2 数字酗象水印算法研究 1 年分 1 9 9 21 9 9 31 9 9 41 9 9 51 9 9 61 9 9 71 9 9 8 j l 文献数 2241 32 96 41 0 3 1l 量 表l l 近年出现的有关信息隐城和数字水印的文献 8 1 1 2 数字水印的分类及其基本特征 数字水印是加在数字图象 音频或视频中的信号 这个信i j 使人们能够建立 产品所有权 辩识购买者或提供数字产品的一些额外信息 数二一水印的分类方法 各种各样 从加水印后图象中水印是否可见可分为可见水印和不可见水印两大 类 本文所讨论的是不可见水印 从来源来分 可分为独立于i 铡象的水印和图象 自适应水印 独立于图象的水印可以是随机产生的 也可以是班先给定的 而图 象自适应的水印是利用原始图象的特性生成的水印 从加水印的图象抗滤波或压 缩等能力即鲁棒性柬分 可以分为易碲水印 半易砰水印和鲁样水印 易碎水印 对任何图象变换或处理都非常敏感 半易砰水即足对某些特定的图象处理方法有 鲁棒性而对其他的处理不具备鲁棒性 鲁棒水印对常见的各种罔象处理方法都具 备鲁棒性 从水印检测是否需要原始图象参与来看 可以分为私有水印和公有水 印 私有水印的检测需要原始图象的参与而公有水印的检测不需要原始图象的参 与 数字水印算法也可蚍分为两大类 即可见水印算法和不i r 见水印算法 不 可见数字水印算法可以分为空域和变换域两种 空域水印算法足j i j 各种各样的方 法直接修改图象的象素 如直接修改象素的最低位 该类算法对有损压缩和滤 波有较好的鲁棒性 但是能够嵌入的水印信息不能太多 否则从视觉上可以看出 来 而变换域水印处理是对图象进行各种各样的变换后嵌入水印 如离散余弦变 换 离散傅立叶变换 小波变换 分形变换 线性调频z 变换筹 数字水印技术应用大致可以分为以下几类 n 1 增强版权 i 护的可见水印技术 图象可以通过因特网彳 到所有者关心的 是图象能够被商业性的使用 所有者希望所有者的标记能够在图象中明显 可见 但并不阻止该图象用于其他方面 如学者研究 其基本思想是使 得任何商业性地使用该图象都能看见所有者的标记 从而增强版权和收取 许可税 2 用来表明产品所有权的可见水印处理 图象可以通过凶特网得到 所有 者希望所有权清晰可见 这样可以鼓励顾客惠顾该产品 比起 1 来 2 对税的损失不太关心 3 用于可信赖摄象机的不可见水印技术 图象通过数字相机获取 这里所 有者希望表明所摄的图象是原始的而并没有被编辑过 不可见水印是在摄 第一章绪论 缘时嵌入 4 用于检测数字库中的图象是否被更改的不可见水印技术 图象 如人们 的指纹 已经被扫描并存储到一个数字库咀 所有者希望能够检测到图敏 的任何更改 而不需要原始的被扫描的图象进行任何的对比 这里的基木 思想是所有者能够从图象小抽墩 i 不 可见水印川来检查图蒙是否被更改 在数字库发行到 特刚州尼j 0 需要这种水印处理 然这 硅需要的是易碑 水印 5 用于检测盗用图象的不可见水印投术 数字图象的销售商担心他的图象 被个人购买后将使得该图象能够免费地被他人得到 这样就丧失了所有肴 的许可税 该技术j f 是针对该问题的 6 川来对所有权作证的1 i w 见水印技术 数字图象的销售商呵能怀疑他的 某幅圈象被编辑和未付版税就披公布 这晕 对销售商数字图象罩的水印 进行检测将用来证实公j r 发拈的图象是销售商的所有物 7 用来确定盗用者身份的不可见水印技术 数字图象的销售商可能怀疑弛 的某幅图象被编辑和未付版税就被公析i 销售商在发行他的图象时加入不 可见水印来指明图象销售给谁 抽取出来的水印川来确定购买者的身份 这样就允许销售商终止与购买者之间的生意以避免承担风险 从上面的分类来看 1 和 2 都足可见水印处理技术 3 和 4 都属 于易碎水印处理技术 即如果加水印后的图象的修改和变化可能引起所嵌入水印 的改变或消失 5 7 属二j 二角棒水印处i 吧技术 即加水印图象受到攻击厉还 能抽取出相应的水印 水印就是向被保护的数字对象 如静止图象 视频 音频等 嵌入某些能证 明版权归属或跟踪侵权行为的信息 可以是作者的序列号 公司标志 有意义的 文本等等 与水印相近或关系密切的概念有很多 从目i j i 的文献中看 已经有诸 如f 青息隐减 信息伪装 数 一水印耳 数 指纹 f i n g e r p r i n t i n g 等概念 柜柴柙 意义上 它们是互相重叠i 上l 常常被 f i 加区别的使川 这些概念的i l 二确定义年i 细 微区别可见文献 s 9 1 0 i 下面我们分别介绍可见水印 易碲水印和鲁棒水印的基本特征 1 1 可见水印的应有特性 a 水印在图象中可见 b 水印在图象中不太醒日 c 水印很难被去除 d 水印加在不同的图象中具有一致的视觉突出效果 第 a b c 条特性比较容易满足 第 d 条特性不容易满足 在实验中发现 相同的水印加在不同的图象中具有不同的视觉效果 4 数字i 兰 象水印算法研究 2 易碎水印的应有特 陛 a 水印在通常或者特定的视觉条件下不可见 b 水印能被最普通的图象处理技术改变 c 未经授权者很难插入一个伪造水印 d 经授权者能很快的抽出水印 e 水印能在图象剪切操作后仍然存在 o 从抽出的水印中能看出哪里被改变 在这些特性中 有些特性在特定的应用环境下刁 一定都能满足 3 鲁棒水印的应有特性 a 水印在通常或特定的视觉条件下不可感知 这里不可感知包含两方面的 意思 一个指视觉上的不可见性 即因嵌入水印导致图象的变化对观察者 的视觉系统来讲是不可觉察的 最理想的情况是水印图象与原始图象在视 觉上一模一样 这是绝大多数水印算法应达到的要求 另一方面水印用统 计方法也是不能恢复的 如对大量的用同样方法和水印处理过的信息产品 即使用统计方法也无法提取水印或确定水印的存在 b 加水印的图象经过普通的图象处理技术后水印仍然保持在图象中 即水 印应具稳健性 这个问题对于鲁棒水印而占极为重要 一个数字水印应该 能承受大量的 不同的物理和几何失真 包括有意的 如恶意攻击 或无 意的 如图象压缩 滤波 扫描与复印 噪声污染 尺寸变化等等 显然 在经过这些操作后 稳健的水印算法应仍能从图象中提取出嵌入的水印或 证明水印的存在 如果不掌握水印的所有有关知识 数据产品的版权保护 标志应该很难被伪造 若攻击者试图删除水印将导致多媒体数字产品的彻 底破坏 c 未经授权者很难检测出水印 d 经授权者能很快的抽取出水印 还要强调的一点是水印应具有可证明性 水印应能为受到版权保护的信息产 品的归属提供完全和可靠的证据 水印算法识别被嵌入到保护对象中的所有者的 有关信息 如注册的用户号码 产品标志或有意义的文字等 并能在需要的时候 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1 1 i 1 这实际上是发展水印技术的基本动力 虽然从目前的文献柬看 对其研究相对少一些 就目前已经出现的很多算法而苦 攻击者完全可以破坏掉图象中的水印或复制一个理论上存在的 原始图象 这 导致文件所有者不能令人信服地提供版权归属的有效证据 1 3 1 4 i 因此一个好的水 印算法应该能够提供完全没有争议的版权证明 且为非可逆的 非对称的 第一章 绪论 1 3 前人的研究成果简介 自数字水印的概念被提出以来 一些学者提出了许多水印算法 这罩我们主 要关注数字图象水印 v a ns c h y n d e l 等提出了l s b 法 i l a s t s i g n i f i c a n tb i t 他 们利用此方法将特定的数字标记在图致内 该方法是利用原始数据的最低几位来 隐藏信息 具体取多少位 以人的视觉系统无法察觉为原则 l s b 方法的优点是 有较大的信息隐藏量 但采用此方法实现的水印很脆弱而且水印很容易被擦除或 绕过 b a n d e r t t 6 1 等提出了p a t c h w o r k 方法及纹理块映射编码方法 p a t c h w o r k 方法是 一种基于统计的水印 该算法隐蔽性较好 并且对有损的j p e g 压缩和滤波和扭 转等操作具有抵抗能力 但仅适用于具有大量任意纹区域的图象 而且不能完全 自动完成 由b r a s s i l 等人在文献 1 7 r q 首先提出了三种在通用文档图象 p o s t s c r i p t 隐 藏特定二进制信息的技术 水印信息通过轻微调文档中的结构来完成编码 这包 括垂直移动行距 水平调整字距 调整文字特性f 如字体 基于此方法的水印可 以抵抗一些文档操作 如照相复制和扫描复制 但也很容易被破坏 而且仅适用 于文档图象类 基于变换域的数字水印技术可以嵌入大量比特数据而不会导致可察觉的缺 陷 而且有较好的鲁棒性 这类技术一般基于常用的图象变换 基于局部和全局 的交换 这些变换包括离散余弦变换 d c t 离散小波变换 d w n 傅立叶变换 f t 或f f t 以及哈达马变换 h a d a m a r dt r a n s f o r m 等等 这其中基于分块的d c t 是 虽常用的变换之一 因为现在所采瑁的静止图象压缩标准j p e g 也是基于分块d c t 的 最早的基于分块d c t 水印技术之一见k o e h e z h a oj 的文章m i 他们的水印 方案是一个由密钥随机地选择图象的一些分块 在频率的中频上稍稍改变一个三 元组以隐减二进制序列信息 浚水印算法对有损压缩和低通滤波具有较好的鲁棒 性 c o x 等人在文献 1 9 中提出了基于图象全局变换的水印方法 他们重要的贡 献是明确提出加载在图象的视觉敏感部分的数字水印才能具有较强的鲁棒性 他 们的水印方案是对整个图象进行d c t 然后将水印加载在预先决定的范围内的除 去d c 分量的低频分量上 水印则是由高斯分布的一实数序列组成 水印加载在 d c t 系数上的强度 水印改变d c t 系数的程度大小 j 下比于相应的频率分量的信号 强度 简单情况下可用同一强度加载水印 该算法不仅在视觉上具有水印的不可 察觉性 而且水印的鲁棒性非常好 可经受有损的j p e g 压缩 滤波 d a 及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 操作 对照相复印和扫描处理也具有较强的鲁棒性 6 数字幽象水印算法研究 除了上述有代表性的变换域算法外 还有一些变换域水印方法 他们中有相 当一部分是上述算法的改进及发展 这其中有代表性的算法是p o d i c h u ki 和z e n g w e n j u r l 提出的算法1 2 0 l 他们的方法是基于静止图象的d c t 变换或小波变换 视 觉模型模块的输出返回水印应加载在何处及每处可承受的恰好可察觉差别o u s t n o t i c e a b l ed i f f e r e n c e 量值 加载水印的强度上限 即他们的水印算法是自适应的 自然 他们的水印算法在图象的视觉透明性和鲁棒性要好于c o x 等人提出的算法 1 4 本文的工作和章节安排 在第二章中 给出了数字水印技术的一般框架 包括数字水印的生成 嵌入 和检测 并对数字水印的攻击作了一个一般的介绍 在第三章中 建立了水印信道模型 井利用直接扩频技术把水印嵌在选定的 d c t 系数中 对水印信道的容量进行了估计 在第四章中 提出了一种基于人眼视觉系统和小波多分辨率的数字水印算 法 该算法充分利用了人眼视觉系统特性 保证了水印的不可见性 而且在检测 时不需要原始图象的参与 实验结果表明该算法具有检测速度快 运算量小等特 点 在第五章中 提出了一种基于小波分析的脆弱水印算法 它可以用于数字媒 体的防篡改检测 在第六章中 对数字水印常用的攻击方法作了详细的介绍 并对数字水印的 发展前景作了一个展望 第二章数字水印的一般性框架 第二章数字水印的一般性框架 2 1 水印系统框架 在文献中可以见到各种形式的水印信号 通常 我们可以定义水印为如下的 信号 w w 1 w k u k 矿 2 1 这里 4 表示维数为d 的水印信号域 d 1 2 3 分别表示声音 静止图象和视 频图象 水印信号可以是二值形式p 0 l 或p l l 翻 或者是高斯形式 2 3 有时也称w 为 原始水印 以便把它和变换域水印形式f 往往在许多水 印嵌入和检测算法中出现 区别丌来对待 水印系统的基本框架可以定义为六元体 x k g e d 1 x 代表所有要保护的数字产品x 的集合 2 w 代表所有可能水印信号 的集合 3 眉是标识码 也称为水印密钥 的集合 4 g 表示利用密钥足和待嵌入水印的数字产品x 共同生成水印的算法 即 g x x k 专缈 w a x k 2 2 5 e 表示将水印产品矽嵌入数字产品x 的算法 即 e x x w 寸x x e x o j 2 3 这里爿 代表原始的数字产品 x 代表嵌入水印后得到的数字产品 6 d 表示水印检测算法 即 d x k o l 2 4 毗小 篙鬻器 这里h 和珑代表二值假设 分别表示水印的有无 为了后面描述的方便 在这她先 j l 入i i i 个定义 通常 要在被未知原因有意或无意修改的数字产品中检测水印 因此 引 j 如下定义来表示产品的感知相似性 p e r c e p t u a ls i m i l a r i t y 1 感知相似性 设数字产品x y x 则符号x y 表示x 和 具有相同的 感知形式 而符号x y 表示x 和y 是完全不同的数字产品 或表示y 是相对于x 质量下降的数字产品 通常 感知相似性是以客观标准为基础的 但是主观误差也可以用来确定感 知相似性 检测算法d 区分不同水印的能力通常是有限的 因此 我们可以引进如下的 定义 数字图象水印算法研究 2 水印等价性 若水印 和 满足d m 1 j o x 1 则称水印嵋 和 是等价的 表示为一营 通常水印的等价性是指水印闽的高相关性 显然相同的水印是等价的 反之 不然 即等价的水印可能相差很大 水印系统的一般框图如图2 1 所示 腮r 1 了 水印生成算法 l 水印信号 一 水印嵌入算法 加水印的产品 a 图2 坩倪r 丁 水印生成算法 土 水印信号 上 一 水印检钡 算法 0 或1 b 1 水印系统框图 a 水印嵌入 b 水印捡测 2 2 水印生成 嵌入和检测的一般方法 水印信号的生成通常基于伪随机数发生器或混 l i i 系统 历序列或高斯噪声信 号等不相关信号很容易产生 产生的水印信号w 往往需要做进一步的变换以适应 水印嵌入算法 为了分析方便 我们把算子g 分解为如下两个部分 g f r r 五斗 t 缈 x 置 2 5 第一部分r 输出原始水印 矿 浚原始水印只由密码k 眉产生 当j r 基 j 伪随机数发生器叫 省心k 直接映劓为伪随机发生器的种了1 1 9 2 4 i 当j c 丛j 二混 沌系统时 密码集由许多初始条件的适当变换而生成1 2 5 1 这两种方法所产生的密 码集足够大并且满足密码唯一性条件 即不同的密钥应产生不等价的水印 而且 r 是不可逆的 第二部分r 对原始水印修改以获得最后的依赖于产品的水印 7 最好满足 丁咿 x oj t 妙 x i 甘r 妒 x j 2 6 这星x 是原始的数字产品而并 是加水印后的数字产品 并且 x m l x x m 是一个多 1 8 l 协 操作算予 在这里需要指出的是原始水印信号也可以预先指定 而在嵌入前对该水印信 号作适当的变换或不作变换 密码可以在水印嵌入过程中产生 第二章数字水印的一般性框架 水印嵌入就是把水印信号w w 以 加到原始产品五 x 扯 中 最普通的 嵌入准则如下 1 2 i x t x o 心 k j 法准贝u 2 7 x 址 x 忙 a x 扯h 七 乘法准强u 2 8 在这里 变量x 即可以指采样的幅值 时域 也可以是某种变换域的系数值 变 换域 这里 参数口可能随采样的不同而不同 在时域下的加法准则已经用在很 多算法中 2l 2 4 但是变换域的水印处理算法被证明是非常有用的d f t 的相位1 2 6 j 年口 幅值 2 已经用于水印处理算法中 基于d f t 幅值的水印嵌入对一些基本的几何变 换 1 l j 旋转和缩放 具有鲁棒性 基于离散余弦变换 d c t 的水印嵌入算法i 9 1 对压 缩 滤波和其它一些数字处理算子具有鲁棒性 近来 基于离散小波变换 d w t 的水印嵌入算法已经提出来1 2 8 1 这些算法对于j p e g 和j p e g 2 0 0 0 具有较强的鲁棒 性 除此以外 文献 2 9 1 提出了基于 r x 1 分块的用于数字图象和视频的水印处理技 术 这些算法的原理是对图象的d c t 系数做一定的限制 文献 3 0 1 还提出了基于 线性调频z 变换的数字图象水印技术 综上所述 水印嵌入过程e 可以用一个统一的操作符 来表示 加水印后产 品的数据采样 象素 声音采样 可以用下式来表示 x w 七 犯 oh k w k 2 9 这里 是d 维 声音l 维 静止图象2 维 视频3 维 的水印嵌入掩码 操作符 可能包含一些合适的操作 如截断操作和量化操作 水印检测可以作用于任何产品x 检测的时候最好不需要原始产品的参与 一 些水印处理技术在检测的时候使用了原始产出p 1 但是在检测时使用原始产品足 一个大的缺陷 尤其将水印处理技术用于产品的网络发布和传播时 因此常常考 虑检测时不需要要原始产品的参与 水印检测的第一步是用算予g 产生水印 第二步是算子d 检测 在检测的过程 中 榆测器的结果如充分可信9 1 j 可存法庭e 作为版权保护的潜在证据 那么实际 上要求水印的检测过程和算法完全公 对 j 二假设检验的理论框架 可能的错洪 有如下两类 第一类错误 检测到水印但实际上水印并不存在 该类错误用误识率 p r o b a b l i t y o ff a l s e a l a r m p 自衡量 p m 也称为虚警概率 第二类错误 没有检测到水印而水印实际存在 用拒绝错误率p 来衡量 p 也称为漏警概率 总错误率p p 脚 p 且当p 变小时检测性能变好 但是检测器的可靠 性只与误识率p 有关 肯定检测的输h i 必须有一个合适的最小置信度 即要求p 满足p m p 这里 是产品供应者选择的合适的概率阀值 可以看出上面的 两类错误实际上存在竞争行为 数字图象水印算法研究 在许多情况下 检测由原始水印信号和加水印产 品中抽取出来的水印信号之问 的相关系数决定1 15 1 此外统计检测也可以用在水印检测中 州 2 3 数字水印的鲁棒性与攻击行为 数字水印必须很难 希望不可能 被清除 当然 从理论上讲 只要有足够的知 识 任何水印都可以去掉 但是如果只能得到部分信息 如水印在图象中的精确 位置未知 那么破坏水印将导致图象质量的严重下降 一个实用的水印处理算法 应该对信号处理 通常的几何变形 图象或视频数据 以及恶意攻击具有鲁棒性 它 们通常包括 图象压缩图象压缩算法就是去掉图象信息中的冗余量 在不可见水印系统 中 水印的不可见性要求水印驻留于图象不重要的视觉信息中 通常为图象的 高频分量 而一般图象的主要能量均集中于低频分量上 经过图象压缩后 高频 分量被当作冗余信息清除掉 因此很多文献将水印嵌入图象的最显著的低频分量 中或使用带低通特性的水印 1 9 3 2 虽然这可能会降低图象的质量 目前的一些水 印处理算法对现有的图象压缩标准 如j p e g 具有较好的鲁棒性 但对今后更高压 缩比的压缩算法则不能保证也具有同样好的鲁棒性 滤波 图象中的水印应该具有低通特性 即低通滤波 如均值滤波和中值滤波 应该无法删除掉图象中的水印 事实上当前很多针对水印的攻击行为是用滤波完 成的 3 3 3 4 1 图象量化和图象增强一些常舰的图象操作 如图象在不同狄度绂上的量化 亮度与对比度的变化 直方图修正和均衡 均不应对水印的提取和检测有严重的 影响 几何失真几何失真包括图象尺寸大小变化 图象旋转 裁剪 删除和增加 图象线条以及反射等等 很多水印算法对这些几何操作都非常脆弱 容易被去掉 3 因此研究水印在图象几何失真的鲁棒性也是人们关注的 虽然目前已经提出的水印算法能够解决上面给出的部分操作 但能够解决所 有的鲁棒性问题的算法还没见诸文献 与鲁棒性问题密切相关的一个方面就是水印的攻击行为 类似于密码设计学 与密码分析学是一对互相矛盾又互相促进的学科 水印的攻击同样也是非常重要 与必要的 虽然目前出现的水印算法可以分别抵抗一些基本的图象操作 如旋转 裁剪 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 水印攻击软件s t i r m a r k 可以产生前面所述的多种水印攻击行为 并 模拟实际的一些图象处理过程 如复印 扫描 a d 变换等 设计者称s t i r m a r k 可以破坏目前绝大多数水印算法嵌入的水印或使之失效p 5 另一方面 由于目前数字水印技术还没有统一的衡量标准 因此对于版权所有 第二二章数字 k 印的一般性框架 者和算法设计者都是无法满足这一现状的 现有的衡量标准 例且1 1s t i r m a r k 等 具在攻击水印图象时还没有考虑图象本身的统计特性 但是对于专业盗版者来说 他们可以根据图象本身的特 陛设计出更好的攻击方法 这些方法要比现有的衡量 标准中所使用的方法有效的多 同时 水印攻击的目的也不仅仅在于破坏 它还 有助于设计出更好的水印算法 鲁棒性是水印技术的一个核心蜘艇 如何设计能抵抗各利一攻击的水印算法仍 然是一个有待解决的问题1 8 数字图象水印算法研究 第三章水印信道容量估计 3 1 问题的提出 数字图象水印就是农匿象中嵌入秘密的水e i l 信息 然蜃得戮媾水印鳃罄象 雹就是说嵌入求印后的鹜象由图象信号翮水印信号两部分组成 反过束看 如聚 将水印看做我们需要在信道中传输的信号 图象信号以及在传输过程中号l 入的外 赛于挠酃看徽噪声 这萋的乡 舞予挠可躐是对永印的各种攻击 图象水印可以糟 作通信理论的一种应用 因此 提出了水印信道的概念 试图运用信息论的基本 簌理亲矮诗每辐溺象中可瑷嵌入貔信息羹 氇就憝承印嵇遭酌理论容量阐题 在前两章的叙述中我们可以肴到 现有的大多数的图象水印算法都利用了各种 变换方法 在这骛窳露算法孛 经愆懿最多豹建d c t 交换帮夸渡变换 这是因为 d c t 变换g l d 波变换在圈魏压缩中使用的最为广泛 例如 i p e g 臁缩中d c t 变换 裁是其孩 豁 s p i h t e z w l 3 6 1 莲缓戮楚疆小波交换为基确静 在激入信息瓣考虑疆 缩的影响就可以火大提高水印的鲁棒性 怛h i 同的压缩方所选取的分解算法不同 d c t 域中瓣采印貔霹鞋较好熬羝抗j p e g 篷缭 辍不逶麓予s p i h t e z w 蓬缩 同样 小澈域中的水印在进行s p i h t e z w 压缩时县有较好的鲁棒性 但j p e g 胍 绞时 鲁耪蛙差 慰予运麓霾象 援凝 寒滋猿嚣裁受复杂了 因为援凝豹主要售惫 是一运动必量 因此很难设计出适 于视频帧的基于d c t 藏小波变换的水印算法 是否可以设诗嫩一秘独立予鹰维篓法叉其舂一定营掩蛙茨承琏l 算法 疆静交 换域中的承印算法趸好 这是大家都感必趣的闷题 文献 3 7 3 8 3 9 中介绍了一 些利用信感论的方法采分辑和诂诗毖藏覆邋约骞蕊翡方法 在交黻 3 7 1 中 s m i t h 等人把图蘩看成魁高斯噪声 其方差就是圈象的平均功率 这样就可以媛接求解 高凝信道的容量 文献 3 8 中 s e r v e t t o 等人裂瘸绘定的久为手找俘为噪零源泉旗 计隐藏信邋的容量 他稍假设在接收端必须拥有鲧始图象 文献 3 9 1 中 h e m a n d e z 等人通过分据他们所建议的信息隐藏算法的性能 缭出了较完整豹模型 毡粕列 剐一组工个正交净硎作为水印 相应地 兆翻象分割成正浃 然后分别给出了图象 未经处理时 各个信道的察量以及对图象作线性滤波处理藤 各令信遭的容量 本章首先给出了永印傣道模型 然后分析了d c t 系数的分布特点并从理论上 估计了水印信道的容量 最后是实验结果 3 2 水印信邀模型 数字零印裁愁通信毽论豹一种瘦弱 犯永碡j 惦号通过信道传绘接受糟 接受 者必须定做于嵌入信号并把它恢复出来 我们把这一信遒祢为水印信道 系统的 程辘酝密予稳应永邸僖遒翡特经 令x 表示原始图象 宿主图象 m 为嵌入信息 为其二迸制形式 y 为含 数字图象水印算法研究 第三章水印信道容量估计 3 1 问题的提出 数字图象水印就是在图象中嵌入秘密的水印信息 然后得到带水印的图象 也就是说嵌入水印后的图象由图象信号和水印信号两部分组成 反过来看 如果 将水印看做我们需要在信道中传输的信号 图象信号以及在传输过程中引入的外 界干扰都看做噪声 这里的外界干扰可以是对水印的各种攻击 图象水印可以看 作通信理论的一种应用 因此 提出了水印信道的概念 试图运用信息论的基本 原理来估计每幅图象中可以嵌入的信息量 也就是水印信道的理论容量问题 在前两章的叙述中我们可以看到 现有的大多数的图象水印算法都利用了各种 变换方法 在这些水印算法中 使用的最多的是d c t 变换和小波交换 这是因为 d c t 变换车l a j j 波变换在图象压缩中使用的最为广泛 例如j p e g 压缩中d c t 变换 就是其核心 s p i h t e z w t 3 6 j 压缩则是以小波变换为基础的 在嵌入信息时考虑压 缩的影响就可以大大提高水印的鲁棒性 但玎i 同的压缩方所选取的分解算法不同 d c t 域中的水印就可以较好的抵抗j p e g 压缩 但不适用于s p i h t e z w 压缩 同样 小波域中的水印在进行s p i h t e z w 压缩时具有较好的鲁棒性 但j p e g 压 缩时 鲁棒性差 对于运动图象 视频 来说情况就更复杂了 因为视频的主要信息 是一运动矢量 因此很难设计出适合于视频帧的基于d c t 或小波变换的水印算法 是否可以设计出一种独立于压缩算法又具有一定鲁棒性的水印算法 哪种变 换域中的水印算法更好 这是大家都感兴趣的问题 文献1 3 7 3 8 3 9 中介绍了 些利用信息论的方法束分析和估计隐减信道的容量的方法 在文献 3 7 中 s m i t h 等人把图象看成是高斯噪声 其方差就是图象的平均功率 这样就可以直接求解 高斯信道的容量 文献 3 8 中 s e r v e t t o 等人利用给定的人为干扰作为噪声源来估 计隐藏信道的容量 他们假设在接收端必须自u 有原始图象 文献 3 9 1 中 h e m a n d e z 等人通过分析他们所建议的信息隐藏算法的性能 给出了较完整的模型 他们利 川一组工个正交序列作为水印 相应地 把图象分割成上块 然后分别给出了图象 未经处理时 各个信道的容量以及对图象作线性滤波处理后 各个信道的容量 本章首先给出了水印信道模型 然后分析了d c t 系数的分稚特点并从理论上 估计了水印信道的容量 最后是实验结果 3 2 水印信道模型 数字水印就是通信理论的一种应用 把水印信号通过信道传给接受者 接受 者必须定位于嵌入信号并把它恢复出来 我们把这一信道称为水印信道 系统的 性能取决于相应水印信道的特性 令x 表示原始图象 宿主图象 m 为嵌入信息 为其二迸制形式 j 为含 第二章水印信道容母估计 水印的图象 有y w 表示经过处础后的含水印的图象 f c r 其中 c 为各种信号处理运算 例如j p e g 压缩 我们要解决的问题是 在特定 巨缩环 境下 如何确定一幅图象中所能嵌入的最人信息量 同时恢复时必须保证错误概 率较低 我们首先把原始图缘分割成n 个部分x 仙 x l k x a x 1j 1 2 a n x 既可以是d c t 系数也可以足r 特系数集 定义一 l f i 整数刚量p 表示征保持 不可察觉下x p l 所能容忍的最大 转卢 p b p a p 紫 j k 1 2 人n o l l j j l l 入水印信息的图象可以定义为 y n k r p p w p l x p p v a x 1 p w 1j 七 l an 3 1 给定接收到的图象x 可以通过丰 反的运算愀复出嵌入的信号 限f 铲九掣 k 1 2 a n b z 在我们建立的水印信道模型t i 代表原始图象噪声 d 足山图象处王q 蚓 入的处理噪声 如j p e g 压缩 信道总的噪声z d 而在信道中传输 的信号为 则单个水印信逆微掣如图3 i 所示 z l 姓测 当 三巨乒 舻水印存仡否 吒 手 一 卜一 寸 图3 1 单个水印信道模型 3 3 水e i 信道容量 在图3 1 所示的信道中 令w w x 盯 j 表示要传输的消息 z z 盯 j 表示信道中的加性噪声 y i x 仃 i 表示在信道输出端接收到的信号 信道的 输入 与输d l 为离散输入与输 假设图象d c t 系数彼此独立 的系数为独 市同分柑的随机变嚣 可以得f i 媳减f 占道足离散无记忆信道 则有g r 盯 盯 在义献1 3 7 i i 将信道的所冉噪声j i j 个商j 9 f 噪声源末代咎 具山 差为仃 盯j 仃 足图象噪声能量 盯 是处理噪声能尾 f 口 是信息信号能量 e 足加入第i 个象 素的消息信号 删为图象的总象索数 则信息隐藏信道的容量可以出下式表示小 卜扣 焘 擎 实际的图象d c t 系数的分前j 4 i 满足商j 昕分枷 在文献 4 0 r p 提山d c t 系数服 从j 义零均值的高斯分枷 定义如卜 数字图象水印算法研究 阱盟 o c 0 眯划 伍一 舯荆 j 渊 3 s r 为g a m a 函数 v 与盯是正实常数 分别控制概率分布函数的形状和变化 当 v 1 时 广义高斯分布简化为拉普拉斯分析i 当v 2 时候 就是高斯分析j 本章年i j n 典型的频域图象水印算法来估汁水印信道容量 b a m i 等1 4 1 1 提出的方 法 通过改变图象的d c t 系数来完成信息的嵌入 公式如下 y i m h 3 6 其中工 表示原始d c t 系数 y 表示嵌入信息后的系数 小 表示嵌入信息的第i 个 部分 y 是 控制嵌入信息强度的参数 为了便于分析 我们假定m 的耿值为 1 1 计算每个使用信道的容量c 也就是每一d c t 系数的容量 信道可以由 下列参数定义刊哿信道的输入肌和输出y 量化 得到输入空间m 酶 而i 而 输出空间y 抗 只 凡一 其中而 和只