（通信与信息系统专业论文）盲数字水印算法研究.pdf

盲数字水印算法研究 中文摘要 摘要 随着数字多媒体的广泛应用和网络技术的快速发展 对数字产品版权保护的需求 日益迫切 数字水印技术为数字作品的版权保护提供了一种新的途径 它通过把版权 标识隐藏在数字作品中 并能够从中提取出来以证明作品的真正所有者 从而达到保 护版权的目的 但是 在数字媒体传输过程中会无意或有意受到攻击 对数字水印构 成了很大威胁 为了能有效地保护数字作品 对各种攻击具有较好鲁棒性的数字水印 技术的研究成为商业界和学术界共同关注的热点 本文的工作和贡献主要体现在以下几个方面 首先 系统分析了基于分块奇异值分解的数字水印算法 此算法对抵抗j p e g 压 缩 线性及非线性滤波具有很强的鲁棒性 但缺点非常突出 主要包括高强度水印条 件下出现方块效应 对噪声敏感 对剪切攻击和旋转攻击及高j p e g 压缩鲁棒性差 针对这些突出问题设计了基于平稳小波的数字水印算法 算法中结合人类视觉模型推 导出了含水印图像质量度量p s n r 与平稳小波域中水印嵌入强度的关系式 为实现不 可见性与鲁棒性的均衡和自适应地嵌入最大强度水印提供了依据 并从加强剪切 旋 转攻击的鲁棒性方面考虑 对水印系统加入预处理操作 实验结果显示该算法具有优 良的鲁棒性和安全性 其次 为提高水印纠错性能 将纠错编码与盲水印系统结合提出了基于t u r b o 码的 盲数字水印算法 算法中充分利用了平稳小波冗余特性及空间平移不变性 图像矩阵 最大奇异值抗扰动特性和人类视觉特性 并在平稳小波水印系统基础上对嵌入算法作 了适当改进 实验结果显示 此算法对线性或非线性滤波 j p e g 高压缩率和噪声攻 击具有很好的鲁棒性能 关键字 数字水印 人类视觉模型 奇异值分解 平稳小波 t u r b o 码 作者 宋林峰 指导老师 朱灿焰 盲数字水印算法研究 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t o fn e t w o r k sa n dt h ew i d ea p p l i c a t i o no fd i g i t a l m u l t i m e d i at e c h n o l o g y t h ec o p y r i g h tp r o t e c t i o no fd i g i t a lp r o d u c t sb e c o m e si n c r e a s i n g l y i m p o r t a n t t h ew a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g yp r o v i d e san e wa p p r o a c ho fd i g i t a lc o p y r i g h t p r o t e c t i o n b yh i d i n gt h ec o p y r i g h ti d e n t i f i c a t i o ni np r o d u c t s a n dw a t e r m a r k sc a nb e e x t r a c t e dt op r o v et h et r u eo w n e ro ft h ep r o d u c t w h i c hc a ng e tt h ep u r p o s eo fp r o t e c t i n g t h ec o p y g h t h o w e v e r t h ew a t e r m a r k sm a yb ea t t a c k e da c c i d e n t a l l yo ri n t e n t i o n a l l y w h i c ht h r e a t e nt h es e c u r i t yo fd i g i t a lw a t e r m a r k ss e r i o u s l y i no r d e rt op r o t e c tt h ed i g i t a l p r o d u c te f f e c t i v e l y t h er e s e a r c ho fw a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g yw i t hg o o dr o b u s t n e s sh a s a l r e a d yb e e nf o c u s e di nb o t ha c a d e m i aa n d b u s i n e s sf i e l d t h ew o r ko ft l l i sp a p e rc a l lb ec o n c l u d e di nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s f i r s t l y t h ed i g i t a l w a t e r m a r ka l g o r i t h mb a s e do nt h eb l o c ks i n g u l a rv a l u e d e c o m p o s i t i o n s v d i sa n a l y z e dd e t a i l e d l y sa l g o r i t h mh a sr o b u s t n e s si n j p e g c o m p r e s s i o n l i n e ra n dn o n 1 i n e rf i l t e ra t t a c k s h o w e v e r i th a st h ef o l l o w i n gp r o b l e m s s u c ha ss e r i o u sb l o c k i n ge f r e c ta th i g he m b e d d i n gi n t e n s i t ya n dl o wr o b u s t n e s sa tt h en o i s e o rt h ej p e gh i g h c o m p r e s s i o nc o n d i t i o na n ds oo n t os o l v et h e s ep r o b l e m s ad i g i t a l w a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mb a s e do i lt h es t a t i o n a r y w a v e l e ti sp r o p o s e di nt h i st h e s i s c o m b i n i n gt h eh u m a nv i s u a lc h a r a c t e r i s t i c s h v s t h er e l a t i o n b e t w e e np s n ra n d e m b e d d i n gi n t e n s i t yi ns t a t i o n a r yw a v e l e tt r a n s f o n l l s w t d o m a i ni sd e r i v e d t h e nt h e e q u a l i z a t i o nb e t w e e ni n v i s i b i l i t ya n dr o b u s t n e s s a n de m b e d d i n gw a t e r m a r kw i t ht h e m a x i m u mi n t e n s i t ya d a p t i v e l yi sa c h i e v e d a n ds o m ep r e t r e a t m e n ti si n t e g r a t e di n t ot h e w a t e r m a r k i n gs y s t e mt oe n h a n c et h er o b u s t n e s si nc r o p p i n ga n dr o t a t i n g t h es i m u l a t i o n s h o w st h i sa l g o r i t h mh a sg o o dp e r f o r m a n c e s e c o n d l y t oe n h a n c et h ee r r o rc o r r e c t i o n an e w b l i n 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 m b a s e do nt u r b oc o d ei sp r o p o s e d w h i c hi n t e g r a t e st h ee r r o rc o r r e c t i o nc o d i n gw i t hb l i n d w a t e r m a r k i n g n l i sa l g o r i t h mm a k e sf u l l u s eo ft h er e d u n d a n c ya n ds p a c et r a n s l a t i o n i n v a r i a n c eo fs t a t i o n a r yw a v e l e t t h ed i s t u r b a n c er e j e c t i o no ft h em a x i m u ms i n g u l a rv a l u e a n dt h ec h a r a c t e r i s t i co fh u m a nv i s u a ls y s t e m a n dt h ee m b e d d i n ga l g o r i t h mi s a l s o i m p r o v e d t h e s i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v et h a tt h i sw a t e r m a r k i n gs y s t e mh a sg o o d p e r f o r m a n c eo fr o b u s t n e s sa g a i n s ts o m ea t t a c k ss u c ha s1 i n e ra n dn o n l i n e rf i l t e r j p e g 1 1 i g h c o m p r e s s i o na n dn o i s e a si l l u s t r a t e di nt h i st h e s i s k e yw o r d s d i g i t a lw a t e r m a r k h u m a nv i s u a l i i s y s t e m s t a t i o n a r yw a v e l e t t u r b oc o d i n g w r i t t e n b y s o n gl i n f e n g s u p e r v i s e db y z h uc a n y a n 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明 所提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 o 除文中已经注明引用的内容外 本论文不含 其他个人或集体己经发表或撰写过的研究成果 也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料 对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人承担本声明的法律 责任 研究生签名 塞斌峰 e l 学位论文使用授权声明 期 妒8 3 苏州大学 中国科学技术信息研究所 国家图书馆 清华大学论文 合作部 中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致 除在保密期内的保密论文 外 允许论文被查阅和借阅 可以公布 包括刊登 论文的全部或部分 内容 论文的公布 包括刊登 授权苏州大学学位办办理 研究生签名 导师签名 日 日 期 弘8 6 2 盲数字水印算法研究 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题来源及意义 计算机网络与多媒体信息处理技术的快速发展 使得文字 图形图像 音视频 等信息可以以数字媒体的方式传播 数字媒体强大的可移植性 高效性 让信息的传 播方式几乎完全改变 网络的进一步发展与完善更为信息交换与资源共享提供了便 利 这些有利的条件使得对数字信息的复制非常容易 因此有恶意的个人或团体有可 能在没有得到作品所有者许可的情况下复制 修改 传播有版权的内容 甚至非法用 作商业用途 严重侵犯了作者及版权所有者的权益 因此 版权保护成为一个迫切需 要解决的问题 传统的版权保护方式主要是采用密码技术保护 但它并不能完全解决版权保护 问题 密码技术将数据加密后以密文的形式进行传送 没有密钥的人难以获取明文信 息 只有少数被授权持有解密密钥的人才可以 但由于数字媒体信息仅在加密状态才 受到保护 一旦被解密 多媒体信息就以明文形式存在 使用者可以对解密后的图像 进行任何形式的处理和传播 此外 由于信息的加密和解密是一种极其复杂的运算过 程 因此密码技术难以满足应用的实时性 最后密码保护方法对数字媒体内容的保护 也无能为力 一方面由于数字媒体内容的真实性认证往往需容忍一定程度的失真 而 密码学中的认证方法则不容许一个比特的改变 另一方面 用于数字媒体认证的认证 信息往往需要直接嵌入数字媒体内容中 不需另外保存认证信息 但密码学中的认证 方法则需另外保存信息认证码 由此可见 传统的加密方法己经无力解决前面所提到 的问题 必须寻求一种新颖的方法来解决数字媒体信息安全的问题 为了解决上述问题 信息隐藏技术应运而生 该技术是近年来国际信息技术领域 中出现的一个新的研究方向 自从学术界于1 9 9 6 年在英国剑桥举行了第一届国际信 息隐藏学术研讨会以来 信息隐藏技术已成为国际信息技术领域中的一个新的研究热 点 数字水印是信息隐藏技术的一种 它的核心是通过在原始数据中嵌入秘密信息一 一水印 来证实该数据的所有权 被嵌入的水印可以是一段文字 标识 序列号 图 像等 水印通常是不可见或者说是不可察觉的 它的存在要以不破坏原数据的欣赏价 盲数字水印算法研究第一章绪论 值 实用价值为原则 它与原始数据紧密的结合为一体并隐藏其中 且可以经受一些 不完全破坏原始数据使用价值或商用价值的操作而存活下来 而且水印信息可以永久 地保存在原始数据当中 任何试图破坏原始数据中的水印的行为 都将大幅度破坏原 始数据 从而保护了作者的合法版权 与加密技术不同的是 数字水印技术虽然不能 阻止盗版活动的发生 但它可以判别对象是否受到保护 真伪鉴别和防止非法拷贝 解决版权纠纷并为法庭提供证据等 数字水印技术可以广泛应用于电子商务 电子报 刊 广播和视频点播等 是目前保护版权的最好技术 1 2 数字水印研究现状 数字水印技术自1 9 9 3 年被提出以来 由于其在信息安全上的重要地位 得到了 国内外学术界的普遍关注 许多国家的科研机构 大学和商业集团等都积极地参与到 数字水印的研究当中 当前的研究过程经过了从空域到变换域 其研究领域也从静态 图像扩展到了视频和音频 v a ns c h y n d e l 的文章 ad i g i t a lw a t e r m a r k 1 是第一篇关于数字水印的文章 也阐 明了一些关于水印的重要概念和鲁棒水印检测的通用方法 相关性检测 他提出了 最低有效位算法 l s b 该方法首先用m 序列发生器来产生水印信号 然后此m 序 列被重新排成二维水印信号 然后按像素点逐一插入到原始图像像素值的最低位 以 保证水印的不可见性 对这种水印的检测是通过计算一个互相关函数来进行的 该算 法的优点是简单易行 有较大的信息隐藏量 但该算法实质上相当于在图像中添加一 些高频噪声 对图像的几何变形和常用信号处理如滤波 压缩 加噪等攻击的鲁棒性 j z lo 随着水印技术不断的发展 b m y n d o n c k y 等人提出了一个基于空域分块的方法 通过改变块均值来嵌入水1 2 vd a r m s t a e d t e r 等人提出了一种新的空域水印算法 该算法是基于图像的8 x 8 块的空间域分解进行的 3 这种算法在空间域计算效率较高 能够实现水印嵌入与解码的实时性 同时 该算法的水印检测通过比较各区亮度的中 值来抽取水印 可以独立于原始图像进行 从综合性能分析 空间域数字水印方法应 用领域较窄 对一些攻击的抵抗性较差 而变换域水印处理是对图像进行各种各样的 变换后嵌入水印 基于变换域的算法常见的有 离散傅立叶变换 d f d 州 离散余弦 杰换 d c t t 5 6 奇异值分解 s v d 7 8 1 小波变换 d w t 9 1 等 这些算法主要是将图 盲数字水印算法研究第一章绪论 像变换在各自的变换域中 再改变变换域中的某些系数来嵌入水印 与空间域方法相 比 变换域的方法具有如下优点 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 有利于保证水印的不可见性 2 在变换域中人类视觉系统的某 些特性 如空域掩蔽效应 可以更方便地结合到水印编码过程中 3 变换域的方法可与 国际数据压缩标准兼容 从而实现在压缩域内的水印算法 同时 也对有损压缩和其 他的信号处理具有较强的免疫力 典型的变换域水印算法是由c o x 提出的一种基于d c t 变换的数字水印方法 1 0 1 他的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 可以经受 有损的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 平移及旋转等操作具有较强的稳健性 当然该算法还是有一定 的缺陷的 其中最重要的一点就是所嵌入的水印为随机序列 除了基于d c t 变换的水印算法以外 基于小波变换的水印算法也是另外一个研 究思路 x i a 等人 l l 提出了一种在d w t 域实现水印的方法 其优点是稳健性好和层 次性的检测 黄达人等人 1 2 提出了一个新的嵌入对策 水印首先嵌入小波图像低频系 数 若有剩余 再按小波图像频带重要性的排序嵌入高频带 同时指出 水印嵌入到 小波图像低频系数和高频系数需要用不同的嵌入公式 李华等人 1 3 提出了一种隐藏数 字水印的新方法 该方法所隐藏的不是传统的序列码或比特流 而是将水印作为一幅 二值图像来处理 并结合人眼视觉系统和图像的d w t 多尺度分解来隐藏水印 杨恒 伏等人 1 4 1 给出了基于图像分块的临界噪声阀值矩阵 提出了一种基于d w t 的鲁棒性 公开水印技术的方法则是把信息融合的思想引入到d w t 域水印的实现中 目前 研 究具有良好实时性的盲水印方案是水印研究领域的重点发展方向之一 这是与水印系 统能够走上实际应用的道路相适应的 1 3 算法设计中要解决的问题 与空域水印算法相比 新发展起来的变换域水印算法更受青睐 因为它具有很多 优点 在变换域中嵌入的水印信号能量可以分布到空域的所有像素上 有利于保证水 印的不可见性 可以更方便地将人类视觉系统 i i v s 的某些特性结合到水印算法中 可与国际数据压缩标准兼容 从而实现压缩域内的水印编码等 变化域算法的最大特 点是鲁棒性比空域算法好 尤其对滤波 量化和压缩攻击等 变换域算法中最为典型 盲数字水印算法研究第一章绪论 的是基于扩频的水印算法和基于量化的水印算法 这两类算法各有优缺点 前者对噪 声不敏感 但很难实现盲检测 后者容易实现盲检测 但对噪声非常敏感 因此 在 盲检测的基础上 实现强鲁棒性的盲水印系统成为主要的研究方向之一 本文主要研 究的重点是在盲水印的基础上 增强水印抵抗噪声攻击和j p e g 压缩攻击的鲁棒性 1 4 本文的主要工作和安排 本文研究的对象是静态图像的盲水印算法 主要探讨了数字水印算法的研究现 状 分析了当前的主流研究算法 同时对奇异值分解和平稳小波理论进行了系统介绍 并与人类视觉模型 h v s 1 5 1 叼结合推导出水印嵌入强度的自适应计算方法 从而有效 解决了在最大奇异值上嵌入最大强度水印问题 然后设计并实现了基于平稳小波的数 字水印算法 最后对t u r b o 编译码理论进行了系统介绍 并将其与数字水印技术结合 设计并实现了基于t u r b o 码的数字水印算法 本文的结构安排如下 第一章 绪论 简要介绍了课题的背景 数字水印技术的历史 现状和发展 并 阐明了本文所要研究的内容 第二章 数字水印技术概述 介绍了数字水印技术的概念 框架 基本特点 重 点对现有的图像数字水印算法和攻击技术进行归类和总结 第三章 基于奇异值分解的数字水印算法研究 介绍了奇异值分解的基本理论知 识 系统分析了一种基于奇异值分解的数字水印算法 第四章 基于平稳小波变换的数字水印算法研究 首先利用混沌序列设计了二值 图像加密方法 并系统介绍了a r n o l d 置乱方法 然后结合人类视觉模型推导出了含 水印图像质量度量p s n r 与平稳小波域中水印嵌入强度的关系式 最后设计了一种基 于平稳小波变换的数字水印算法 第五章 基于t u r b o 码的数字水印算法研究 详细介绍了t u r b o 编译码的理论知识 并改进了水印嵌入算法 在平稳小波水印算法的基础上引入纠错码思想 设计并实现 了一种基于t u r b o 码的数字水印算法 总结与展望 全文工作的回顾及进一步工作的展望 4 盲数字水印算法研究第二章数字水印概述 第二章数字水印概述 数字水印技术是信息隐藏技术的一个重要分支 是目前解决版权保护问题的有效方 法之一 它通过在原始媒体数据中嵌入特定意义的标记信息 水印 来实现版权保护 被嵌入的水印可以是一段文字 标识 序列号等 通常被嵌入的水印信息是不可见或不 可察觉的 它与原始数据紧密结合 成为原始数据不可分割豹一部分 数字水印技术作 为 i j 交叉学科 已经逐渐了形成自己的理论体系并获得应用 本章主要介绍数字水印 技术的基本框架 基本特征 基本攻击方法及评测标准 2 1 数字水印系统模型 数字水印系统主要包括两个基本模块 嵌入水印模块与提取水印模块 图2 1 水印嵌入流程图 水印嵌入的基本模型如图2 1 所示 其输入为水印信息 原始载体信息和一个密 钥 输出则为含有水印的载体信息 在水印嵌入阶段 主要考虑水印嵌入的位置及嵌入方式 以保证不但有足够的鲁 棒性 而且还要保证良好的不可见性 水印的嵌入可以表述为 f i 叻 嵌入函数可以是线性或者非线性处理方法 常用的方法有 七 七 口木w k 线性叠加方式嵌入 岛 七 后 口木w 后 七 乘性叠加方式 七 后 咖 指数方式嵌入 式中 表示原始载体 w 表示水印信息 伽为含水印载体 f 为嵌入函数 a 为 用于调整嵌入水印强度的强度因子 盲数字水印算法研究第二章数字水印概述 图2 2 为水印提取模型 虚线部分表示有的水印系统在提取水印时不需要原始载 体参与 盲水印系统 相反则为非盲水印系统 i 原始载体 t j 图2 2 水印提取流程图 从基本模型上看 一个通用的水印系统框架可定义为一个七元组系统f 1 7 i t l 8 c 丘么 g e 功 其中 1 c 代表所要保护的数字媒体 即原始载体 的集合 2 矽代表所有可能的水印信息集合 我们可以定义水印信息为如下的集合 w w f n u l n e z j 玎属于d 维整数空间中的元素 u 代表幅值空间 如8 b i t 灰度图像 u o 1 2 5 5 3 足代表水印密钥集合 4 么表示嵌入水印后的数字产品所经历的各种可能攻击的集合 5 g 表示由水印信息矿和密钥k 共同参与的水印预处理算法 吩 c w k 唿 为形预处理后的水印 6 e 代表利用水印豫 原始载体c 及密钥k 的嵌入算法 c w e w g c 矽 c w 为含水印载体 7 d 代表c w 被攻击后水印的提取算法 w d 豫 或w d w g c w 为提取 出的水印 2 2 数字水印的基本特性 不同的应用对数字水印的要求不同 一般一个有效的数字水印应具备以下五个要 6 盲数字水印算法研究第二章数字水印概述 求 安全性 可证明性 不可见性 鲁棒性和操作实时性 1 安全性 1 9 f 2 0 水印的安全性包括 1 水印的嵌入过程 嵌入方法和结构 应该 是秘密的 且在统计上是不可检测的 2 数字水印中的信息应是安全的 难以被篡 改或伪造 同时应有较低的提取误码率 数字水印的安全性主要通过密码学中的密码 算法来实现 使用密码算法 可以提供两层保护 第一 未经授权者不能提取出水印 信号 第二 未经授权者即使提取出水印 但在没有密钥的情况下 也不能读出水印 信息 数字水印技术的安全性的要求在很大程度上取决于数字水印技术的最终应用 2 可证明性 2 1 1 水印应能为受到版权保护的信息产品的归属提供安全和可靠的 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 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等 这实际上是发展水印技术的基本动力 就目前已经 出现的很多算法而言 攻击者完全可以破坏掉图像中的水印或复制出一个理论上存在 的 水印 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 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 3 不可见性 1 9 1 数字水印应是不可知觉的 即数字水印的存在不应明显干扰被 保护的数据 不影响被保护数据的正常使用 4 鲁棒性阎 数字水印应该能够承受大量的 不同的物理和几何失真 包括有 意的 如恶意攻击 或无意的 如图像压缩 滤波 扫描与复印 噪声污染 尺寸变化 等等 5 实时操作性 2 3 1 数字水印方案应具有较低的复杂度 能实时地嵌入和提取水 印 2 3 数字水印的分类 数字水印依据所嵌入的数字媒体 音频 视频 图像 不同而各有不同 主要分为 图像水印 音频水印 视频水印 文本水印和网络水印等 根据分类方式的不同 我 们可以得到不同类型的水印 1 按特性分类 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 鲁棒性水 印对常见的处理操作有较强的抵抗力 可以从许多质量己被破坏的含水印载体中提取 7 盲数字水印算法研究第二章数字水印概述 出水印 适用于媒体的版权保护及真伪鉴别等 鲁棒数字水印主要用于在数字作品中 标识著作权信息 它要求嵌入的水印能够经受各种常见的处理 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 按水印的主观感觉划分 从数字水印的主观感觉出发 可将数字水印技术分为可见水印和不可见水印 可 见水印在加水印的媒体显著位置有相应的标记可以察觉 用以显式地声明对于媒体的 所有权 不可见水印的嵌入不会影响数字媒体的正常使用 但仍能保证拥有者对于该 媒体的版权所有的声明 3 按水印所附载的媒体划分 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 4 按水印的提取过程划分 根据数字水印检测过程中是否需要原始的载体媒体 可以将数字水印算法分为盲 水印和非盲水印两种 非盲水印在检测过程中需要有原始的未嵌入水印的媒体来参与 检测 通常 载体媒体的所占用得空间比较大的 存储大量的载体媒体来检测水印是 不现实的 所以 现在主要的研究方向在于盲水印的算法设计 5 按水印的意义划分 按数字水印的意义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 6 按用途划分 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 7 按水印嵌入的位置划分 按照水印嵌入位置的不同 我们可以把图像水印分为空域水印和变换域水印两 种 空域水印的嵌入和提取是通过修改图像像素点的灰度值来实现的 这种方法无需 8 盲数字水印算法研究第二章数字水印概述 对原始图像进行变换 计算简单 效率较高 但难以抵抗常见的信号处理攻击及噪声 干扰的影响 稳健性较差 变换域的方法则是通过将水印嵌入到原始载体的变换域系 数中实现的 它需要对原始载体进行变换 计算复杂度较高 但在变换域中人类视觉 系统和听觉系统的某些特性 如频率掩蔽效应 可以更方便地结合到水印编码中 从而 得到高的鲁棒性和不可见性 2 4 数字水印攻击的分类 随着水印技术的发展 水印的各种攻击方法也不断涌现 好的攻击方法可以发 现水印系统的缺陷 从而进一步促进水印系统的完善 面向版权保护的鲁棒水印技术 是一个具有相当难度的研究领域 到目前为止 还没有一个算法能够真正经得住攻击 者的任意进攻 实际上 从水印设计的角度看 一般信号处理与恶意攻击并没有区别 一般信号处理也可以被攻击者利用作为破坏水印的方法 水印攻击可以分为三类 2 4 鲁棒性攻击 同步攻击和解释攻击 分别针对水印系统的某一阶段 1 鲁棒性攻击 这类攻击以减少或去除数字水印的存在为目的 最普通的一种称为简单攻击 2 5 2 6 2 7 1 它试图对整个含水印载体进行操作来削弱水印的强度 导致数字水印提取发 生错误 甚至根本提取不出水印信号 攻击方法包括滤波 压缩 添加噪声 量化等 简单攻击易于实现 有大量的处理工具可供攻击者使用 另一种稳健性攻击是在加有 水印的数据中简单地加入另一个水印 利用第二个水印覆盖的方法来消除第一个水 印 这种操作几乎不会使原始数据产生降质 鲁棒性攻击中常见的一种攻击称为合谋攻击 这种攻击方法利用同一数字产品 的几个带有不同水印信号的版本 采用统计平均等方法生成一个近似的集合 以此来 逼近和恢复原始数据 从而产生出一个检测不出水印信号的数字产品 2 同步攻击 同步攻击 2 6 又称禁止提取攻击 这种攻击通过破坏载体数据和水印的同步性 从而使得无法提取正确的水印 在同步攻击下 被攻击的数字水印作品中水印仍然存 在 而且幅度没有变化 但是水印信号已经错位 不能维持正常水印提取过程所需要 的同步性 几何变换就是其中一种同步攻击方法 主要包括旋转 缩放 平移等 3 解释攻击 9 盲数字水印算法研究第二章数字水印概述 解释攻击 2 8 1 是由i b m 公司的水印研究小组针对可逆水印算法而提出来的一种水 印攻击方案 也称为i b m 攻击 它是试图通过产生一个伪原始载体或伪含水印图像来 混淆含有真正水印的数字作品的攻击方法 例如 攻击者在存在原始水印信息的真正 载体数据中 嵌入一个或者多个伪造的水印信息 从而混淆第一个含有主权信息的水 印 使提取出的水印失去唯一性 解释攻击中 攻击者并没有去除水印而是 弓 入 了他自己的水印 载体作品 或许被改变或许不被改变 例如 攻击者通常可以将水印嵌入过程逆过来运用 即他 的攻击是 减去 一个水印 假设数字作品c o 为原始作品 加一个水印信息彬 得 到勺 c o 彬 攻击者获得劬后计算伪造的原始作品c o t c 一呒 声称q 是他的 原始作品 职是嵌入的水印信息 此时攻击者和作品所有者都可以生成他们用各自 得原始作品和水印产品含水印的作品g 2 5 数字水印的评价标准 对水印的评估 2 9 主要包括以下几个方面 水印稳健性的评估 嵌入水印对于原始 载体引起的失真的主观和客观定量评估 一般而言 在水印的稳健性与不可见性之间 需要进行折衷 因此 为了能够进行公平的基准测试和性能评估 必须确保各种水印 系统是在可比较的条件下进行的测试和研究 一个好的数字水印算法要求水印是不可见的 即加入水印后的图像与原始图像 没有明显的差别 很显然 为了识别这一点 人眼是最快的评价标准 主观测试对最终的质量评价和测试是有实际价值的 但这种评价标准无法做到 定量的对系统性能进行分析 所以在研究和开发过程中往往采用定量度量的方法进行 客观评价 客观评价 3 0 l 方法是指从图像中提取一些特征参量作为分析研究对象 根据一些 经验数值 对特征参量进行处理和分析 得到结果女h p s n r 峰值信噪比 m s e 均方 差 n c 归一化相似性系数 等图像客观质量评价标准 1 均方差m s e 均方差是一种非常有用的统计特性指数 可以直接反映出所做评估对象的改变 为了衡量原始载体图像在添加水印以后图像的质量变化情况 可以采用均方差来对图 1 0 盲数字水印算法研究第二章数字水印概述 像质量的变化进行评估 作为客观评价的指标 二维图像的均方值计算公式为 m s e 上m x n 蔷 墨力2 伽 力2 鲁等一 2 1 其中伪原始图像 m 为含水印图像 脐口 表示图像的宽和高 2 峰值信噪比p s n r 在图像处理和水印不可见性评价中 用以下公式定义加有水印的图像的p s n r p s n r 1 0 1 9 1 0 而 鉴坠生一 m y 2 1 w x y 2 招 2 2 其中i 为原始图像 伽为含水印图像 胼口 表示图像的宽和高 d 表示信号可 能取的最大值 对于一个8 位图像来说 每个像素值的峰值就是2 5 5 3 归一化相关系数n c 数字水印被提取出来后 单从主观上对其逼真度好坏做出的判断是带有随机性 的 这跟观察者多方面的因素有关 如经验 对图像的敏感性等 因此对于提取出来 的水印和原始水印的相似程度 需要用客观的衡量方式 在数字水印方法中通常使用 归一化互相关系数n c n c 其中职i v 分别为原始水印图像和提取印图像 朋和艨示图像的宽和高 2 6 本章小结 2 3 本章首先详细阐述了数字水印技术的基本原理 数字水印系统模型及其特性 然后讨论了当前数字水印的主要分类和常见的攻击方法 最后介绍了数字水印的评价 标准及其计算方法 l 略 y 嵋 v 八 y一 川 纠 盲数字水印算法研究第三章基于奇异值分解的数字水印算法 第三章基于奇异值分解的数字水印算法 矩阵的奇异值分解具有能力压缩的作用它被广泛应用于图像压缩数字水印人脸 识别图像匹配等大量的数字图像处理和模式识别领域 在图像处理中应用s v d 的主要 理论背景 3 1 是 l 图像奇异值的稳定性非常好 即当图像被施加小的扰动时 图像的奇异值不会 有大的变化 这一点正说明了在奇异值中嵌入水印必然会有不错的鲁棒性 2 奇异值所表现的是图像的内蕴特性而非视觉特性 这一点说明了改变奇异值 不会产生大的视觉变化 这为不可见性提供了保障 经过大量的实验表明 最大奇异 值在经受过一般攻击后变化不大 而水印攻击的过程可以理解为对含水印图像的扰动 过程 因此本章的算法将利用最大奇异值的抗扰动特性嵌入水印 3 1 奇异分解的性质 3 2 1 1 3 3 定理l 奇异值分解若矩阵a r 删 贝i j 存在正交矩阵u u r v i v l 1 7 删 使得u r a v d m g o t 盯 矿 其中p m i n m 刀 因此 a u w v 7 3 1 该式称为么的奇异值分解 其中o i 吒 0 吒 j 1 2 p 为彳的奇异值 是朋7 或 彳的特征做 的平方根 即q 以 若矩酗的s v d 定理1 给出 则忙k r 砰 l f 2 q 由此可知矩阵的f 范数等于 i f f i l 该矩阵所有奇异值的平方和 矩阵的2 算子范数等于该矩阵的最大奇异值 定n 2 奇异值的稳定性 假设彳 b r 删 a b 的奇异值分解分别为 q 吼 1 吃 勺 其中p 2m i n m 靠 则 l q t l f l 彳一召8 3 2 定理2 意味着矩阵彳有微小扰动时 奇异值的变化不大于扰动矩阵的2 算子范数 如果 将矩阵的各种攻击看成是对原始图像矩阵加一个扰动矩阵的话 那么定理2 就告诉我 1 2 盲数字水印算法研究第三章基于奇异值分解的数字水印算法 们奇异值对图像的攻击具有很好的鲁棒形 定理3 奇异值分解的比例不变性 假设4 b r 枞 矩阵4 的奇异值为 q 吒 吒 矩阵口 爿的奇异值为盯 l 仃 2 盯 i 则 口i q 吒 吼 盯 l 仃 2 仃 i 3 3 定理3 说明如果对矩嘞与口x a 的奇异值进行标准化处理 则可以实现奇异值的 比例不变性 定理4 奇异值的旋转不变性 假设a b r 矩嘞的奇异值为 c r i 1 2 p p m i n m 玎 如果p 是正交矩阵 则矩阵以的奇异值与矩阵a 的奇 异值相同 即 i 州r4 i i p a r 一砰巾o 3 4 定理5 表示定理 假定a r 矩惭奇异值为o i 1 2 力 p m i n m 玎 并有q 吒芝 o r q l 0 r a n k a 根据定理1 则易知彳可被表示 成为下式 彳 吼 矿 q 形矽 3 5 式中q l 1 2 咋 v 1 v 2 咋 彬 砒昭 q 吒 q 定理5 表示 任意一个矩阵可以被表示为一系列非零奇异值相对应的特征矢量相乘 的和 矩阵的秩等于非零奇异值的个数 而且一般地考虑到图像矩阵内部像素具有较 强的空间关联性 因此当图像矩阵被奇异值分解后会出现小的奇异值为零或接近于零 的情况 这样我们可以舍去那些等于零的奇异值 也可以完整几乎无损地表示原图 定理6 误差定理 假设彳 刀 矩陬的奇异值为q 吒 吒 q o 2 仃口 其中p m i n m 2 如果用前j 个奇异值及对应的特征矢量去表示彳 根据定理1 可知 其误差平方和为 占2 j 喜呒坼 r 一喜o i v i r i l 4 兰 c s u y 肚 耋砰 3 6 盲数字水印算法研究第三章基于奇异值分解的数字水印算法 定理6 表示若只用若干大的奇异值则可以在平方误差允许的范围内表示原始矩 阵 这样我们把图像小的奇异值系数舍去 图像也不会有太大的失真 3 2 基于分块奇异值分解水印算法 结合j p e g 分块水印算法 3 5 7 1 思想 由于传统的8 x 8 分块在处理方阵时具有一定的 局限性 而奇异值分解则可以对任意长方阵进行分解 给水印的嵌入带来了便利 在 上面的分析中我们知道奇异值分解在图像处理中有以下两个主要特性 1 图像奇异值的稳定性非常好即当图像被施a n j 的扰动时图像的奇异值不会有 大的变化 如果我们把各种各样的攻击看作小扰动的话 这一点正说明了在奇异值中 嵌入水印必然会有不错的鲁棒性 2 奇异值所表现的是图像的内蕴特性而非视觉特性这一点说明了改变奇异值不 会产生大的视觉变化 这为不可见性提供了保障 现在的问题是到底水印应该加入在 哪些奇异值上面 下面先看一个实验 我们对一个标准的l e n a 图像进行8 x8 分块奇异值分解得到奇异值矩阵 由奇异值 矩阵属性得知q 呸 吒 然后分别用单个奇异值进行图像恢复 研究单个奇异值 对图象的影响程度 图3 1 用最大奇异值q 恢复得到 图3 2 用奇异值 恢复得到 图 3 3 图3 4 分别用吒 吼奇异值恢复得到 显然用最大奇异值o 1 恢复得到的图像已 经很接近原图 也就是说0 1 聚积了块图像的绝大多数能量 用c r 2 和吒恢复得到的图 像为原始图像的细节 由于c r 4 及其比它小的奇异值都就近于零 且恢复得到的图像 的像素值也都接近于0 因此从图像处理的角度分析说明 在最大奇异值上比在其他 奇异值添加水印的鲁棒性要强 图3 1 用0 1 恢复的图像图3 2 用c r 2 恢复的图像 1 4 盲数字水印算法研究第三章基于奇异值分解的数字水印算法 1 圆圈嬲图3 4 用吼恢复的图像 经过大量的试验表明 最大奇异值在经过一般攻击后变化不大 基于此种原理 本文的算法将水印嵌入在最大奇异值上 算法描述 一幅灰度图像i r m 可以理解为非负矩阵 根据奇异值分解定理 3 2 1 图像矩阵 可以分解为i u x s x v 式中u 为m x m 的酉矩阵 矿为n x n 的酉矩阵 s 为m x n 的对角矩阵 s 的对角线元素q 为矩阵 的奇异值 且满足各奇异值q 0 2 盯 水印的嵌入过程 1 设灰度载体图像 大小为m x n 按大小为p x q 进行分块 则此灰度图象所 能嵌入的最大水印容量为l 坳j l 肋j 比特 木j 表示取整 2 对每一子块进行奇异值分解 并取得最大奇异值矩阵 3 设 为数字水印二值图像 为分块的最大奇异值 s 为量化步长 依据以 下方式对 进行修改 r r r m o ds j r 二s 4 r 一丢j 一 一一百1s m o d s 寻5 一 m o d 5 二s 4 j 一 一号s m o d s 丢s 彬 1 m d 舵1 4 s p 觇 彬 1 m d j 丢s 其中 m o d 表示取模运算 4 用修改过的奇异值r 替换 后得到含水印信息的奇异值矩阵 并进行分块的 盲数字水印算法研究第三章基于奇异值分解的数字水印算法 奇异值分解逆变换 即石 u x s y r 得到含水印的图像易 水印提取过程 1 设被攻击后含图像 大小为mx n 按大小为p g 进行分块 2 对各个分块进行奇异值分解 得到最大奇异值仰 3 依据以下规则对哳进行戈i 分 映射出水印像素矩阵 1 r w m o d j 主 o r w m o d 5 中值滤波攻击后含水印图像 图3 7 滤波攻击后含水印图像 蘼天 电子 l 苏大 电子j a 高斯低通滤波攻击后提取水印 b 中值滤波攻击后提取水印 图3 8 滤波攻击后提取 盲数字水印算法研究第三章基于奇异值分解的数字水印算法 表3 1 滤波攻击下的含水印图像p s n r 和提取水印的归一化相关系数n c 值 滤波方式高斯低通滤波 中值滤渡一 p s n r d b 3 9 9 44 2 9 9 n c1 0 01 0 0 2 剪切攻击 对水印进行任意矩形剪切后 被攻击的含水印图像和提取的水印图像见图3 9 该测试攻击说明 水印像素位置与载体图像像素位置关系密切 对含水印图像的剪切 导致水印信息的直接丢失 并严重破坏了水印图像的可读性 a 剪切后含水印图像 b 剪切后提取水印 图3 9 剪切攻击后含水印图像与提取水印 3 j p e g 压缩攻击 对图像施加j e p g 有损压缩的攻击后 表3 2 反映了在各种不同质量因子的压缩下 含水印图像的p s n r 值和提取水印的归一化相关系数n c 值 图3 1 0 则是在对应不同q f 下提取得到的水印图片 当q f 3 0 的条件下含水印图像质量明显有很大的退化 但是该 算法依然能以n c 0 9 7 的相似度提取出来 但当q f 4 6 其中 变换结果 口 6 称为小波变换系数