（通信与信息系统专业论文）一种新的数字水印阈值化分割嵌入算法.pdf

摘要捅要本文提出一种根据灰度特征对水印图像进行阈值化分割，并进行最佳置乱度置乱后分别嵌入到原始图像小波变换后的低频以及中频系数的数字水印新算法。该算法还根据视觉系统的照度掩蔽及纹理掩蔽等特性实现嵌入强度自适应调节。把水印嵌入小波变换域低频系数或者中频系数各有其优劣，这是因为：小波变换域低频子带具有抗干扰性强和较大的感觉容量的特性，使得水印具有较好的鲁棒性，但是由于人的视觉对低频分量很敏感，从而对低频分量的改变特别容易被察觉，水印的不可见性下降。另一方面，通常图像的绝大部分能量集中在低频范围，嵌入到较高频域段的水印很容易因量化、有损压缩等处理而损失，水印的鲁棒性下降。因此，如何协调好水印技术的不可见性和鲁棒性这对矛盾是数字水印技术的关键问题。由于通过阈值化分割把水印各像素按不同的幅度进行分类以适应低频系数和中频系数对鲁棒性和不可见性的要求，该算法能够很好地解决水印的鲁棒性和不可见性这对矛盾，使得水印的鲁棒性和不可见性达到优化的效果。此外，本文引入置乱度的定义对置乱后的图像作定量分析。通过分析a r n o l d 变换的周期及控制参数，实现对数字图像的最佳置乱。对数字水印信号进行置乱分散了原始水印信号的相关性，在遭到剪切攻击时可以将错误码元尽可能分散，有效地提高了数字水印算法的抗剪切攻击性能。混沌具有随机性、似噪声及对初始条件的极端敏感性等特点，将经过二维混沌映射a r n o l d 变换置乱后的数字水印信号嵌入图像小波域系数，实现了数字水印的隐蔽性、保密性和稳固性，同时有效提高了视觉上抵抗图像剪切攻击的能力。关键词模糊集阈值分割；最佳置乱；h v s 模型；混沌加密；数字水印董当盔兰三兰鎏主兰篁丝苎a b s t r a c tt h i sa r t i c l ep r e s e n t san e wa l g o r i t h mo fd i g i t a lw a t e r m a r k i n gb a s e do nf u z z yt h r e s h o l ds e g m e n t a t i o na n dt h eb e s tp e r m u t a t i o nw h i c ha l s oa d a p t i v e l ya d j u s t st h ei n t e n s i t yo fe m b e dw a t e r m a r k i n gd e t e r m i n e db yt h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h eh u m a nv i s u a ls y s t e m t h e ye a c hh a si t sw e a kp o i n te i t h e rw ee m b e dt h ew a t e r m a r ki n t ot h el o wf r e q u e n c yb a n d so rt h eh i g hf r e q u e n c yb a n d s ，c a u s ei th a sb e t t e rr o b u s t n e s sa n dw o r s ei n v i s i b i l i t yi nt h el o wf r e q u e n c yb a n db yc o n t r a r yt ot h eh i g hf r e q u e n c yb a n d c o n s e q u e n t l y , i ti sak e yq u e s t i o ni nt h ew a t e r m a r kt e c h n o l o g yh o wt ok e e db a l a n c eb e t w e e nt h e o r o b u s m e s sa n di n v i s i b i l i t yo ft h ew a t e r m a r k b a s e do nf u z z yt h r e s h o l ds e g m e n t a t i o nw ed i v i d et h ew a t e r m a r k i n gi n t ot w op a r t i t i o no fd i f f e r e n ti n t e n s i o ni no r d e rt oa d a p tt o t h ei n v i s i b i l i t ya n dr o b u s t n e s sc h a r a c t e r i z e db yt h el o wa n dm e d i u mf r e q u e n c yb a n d s w h a t sm o r e p e r m u t e dm e a s u r ei si n t r o d u c c dt oe v a l u a t et h ep e r m u t a t i o no fa ni m a g eq u a n t i t a t i v e l y t h eb e s tp e r m u t a t i o ni sa c h i e v e db yc o n t r o l l i n gt h ep a r a m e t e r so fc h a o t i cm a p p i n g t h ei m a g ew a t e r m a r k i n gi sp e r m u t e dt or e d u c et h er e l a t i v i t yo fo r i g i n a lp i x e l s ，s ot h ec r r o rb i t so ft h ee x t r a c t e dw a t e r m a r k i n ga r ed i s p e r s e da sw e l l t h e r e f o r et h er e s i s t a n c et oc r o pa t t a c ki si m p r o v e ds i g n i f i c a n t l y c h a o t i cs y s t e m sh a v ea t t r a c t e de x t e n s i v ei n t e r e s t si nc r y p t a n a l y s i sa n dc o m m u n i c a t i o n sb e c a u s eo fi t sn o i s e - l i k e ，u n p r e d i c t a b l ey e td e t e r m i n i s t i co r b i t sa n ds e n s i t i v i t yt oi n i t i a lc o n d i t i o na n dp a r a m e t e r si n t oi m a g ep e r m u t a t i o n ,a n dt h e nt h ep e r m u t e dw a t e r m a r k i n gs i g n a li se m b e d d e di n t ow a v e l e tt r a n s f o r me o e f f i c i e n t so f h o s ti m a g e k e y w o r d sf u z z yt h r e s h o l ds e g m e n t a t i o n ；t h eb e s tp e r m u t a t i o n ；h v sm o d e l ；c h a o t i ce n c r y p t i o n ；d i g i t a lw a t e r m a r k i n g燕山大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文一种新的数字水印阈值化分割嵌入算法，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签字履志易眺沙声眇日j 燕山大学硕士学位论文使用授权书一种新的数字水印阈值化分割嵌入算法系本人在燕山大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归燕山大学所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关人员。本人完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权燕山大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。保密口，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密昀。导师签名：钎冲日期：加刀年乡肜。日日期：如矿躬。日第1 章绪论第1 章绪论1 1 数字水印技术的介绍数字水印技术【l 】，作为信息隐藏技术的一种重要应用，为实现有效的信息版权保护手段提供了一条崭新的思想，成为多媒体信息安全研究领域的一个热点问题。多媒体数据的数字化为多媒体信息的存取提供了极大的便利，同时也极大地提高了信息表达的效率和准确性。随着因特网的日益普及，多媒体信息的交流已达到了前所未有的深度和广度，其发布形式也愈加丰富了。人们如今也可以通过因特网发布自己的作品、重要信息和进行网络贸易等，但是随之而出现的问题也十分严重：如作品侵权更加容易，篡改也更加方便。因此如何既充分利用因特网的便利，又能有效地保护知识产权，受到人们的高度重视。可以预见，在不久的将来，网络会引起一场新的革命，信息爆炸性地出现在网络上，有许多目前未能想象的情况都可能会出现。单就目前的情况来看，网络也在发生日新月异的改变。政府和企业都在着力发展一种新兴的商业模式一电子商务，对于许多行业来讲网络发布形式逐渐成为多媒体信息交流的一种重要形式，伴随而来的是多媒体数据的安全问题，即版权保护问题。由于数字水印( d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ) 是实现版权保护的有效办法，如今已成为多媒体信息安全研究领域的一个热点，也是信息隐藏技术研究领域的重要分支。该技术即是通过在原始数据中嵌入秘密信息一一水印( w a t e r m a r k ) 来证实该数据的所有权。这种被嵌入的水印可以是一段文字、标识、序列号等。水印通常是不可见或不可察的，它与原始数据( 如图像、音频、视频数据) 紧密结合并隐藏其中，成为源数据不可分离的一部分，并可以经历一些不破坏源数据使用价值或商用价值的操作而保存下来。数字水印技术除应具备信息隐藏技术的一般特点外，还有着其固有的特点和研究方法。例如，从信息安全的保密角度而言，隐藏的信息如果被破坏掉，系统燕山大学工学硕士学位论文可以视为安全的，因为秘密信息并未泄露；但是，在数字水印系统中，隐藏信息的丢失即意味着版权信息的丢失，从而失去了版权保护的功能，这一系统就是失败的。因此数字水印技术必须具有较强的鲁棒性和不可见性。1 2 数字水印的研究现状自从v a ns c h y n d e l 在9 4 上发表的题为“ad i g i t a lw a t e r m a r k ”的文章以来，对数字水印的研究兴趣在不断的增长。几个有影响的国际会议( 如i e e ei c i p ，i e e ei c a s s p ，a c mm u l t i m e d i a 等) 以及一些国际权威杂志( 如p r o c e e d i n g so fi e e es i g n a lp r o c e s s i n g ，i e e ej o u r n a lo fs e l e c t e da r e a s0 1 1c o m m u n i c a t i o n ，c o m m u n i c a t i o n so f a c m 等) 相继出版了数字水印的文章。国际上还成立了一些专门的研究机构，如拷贝保护技术工作组( c p t w gc o p yp r o t e c t i o nt e c h n i q u ew o r k i n gg r o u p ) 从1 9 9 5 年开始致力于基于d v d的视频版权保护研究，安全数字音乐创始( s d m i ，s e c u r ed i g i t a lm u s i ci n i t i a t i v e ) 从1 9 9 9 年开始研究音频的版权保护，数字水印就是其中的核心关键技术。在国外，德国人开发出来的数字水印技术已经在比利时开始商业应用，该项技术可以防止在线音乐的非法复制。剑桥大学，i b m 研究中心，n e c美国研究所，麻省理工学院等都对数字水印进行了广泛深入的研究，国际标准组织也对数字水印技术深感兴趣。如欧洲的t a l i s m a n 的目标是建立一个在欧洲范围内对大规模的商业侵权和盗版行为提供一个版权保护机制，为视频产品增加标识和水印的方法。d v d 工业标准将利用水印技术提供复制控制和复制保护机制等等。我国学术界对数字水印技术的研究也方兴未艾，已经有相当一批有实力的科研机构投入剑这一领域的研究中来，有的己经取得了重要研究成果。2 0 0 1 年3 月，国防科技大学首次将整数d c t 变换运用剑数字水印技术上，其多维整数d c t 算法运算效率高于目前的有效算法，并且采用i t a s h 函数对图像的变换系数位置进行加密，水印图像信息嵌入剑d c t 系数的中低频部分，极大的提高了安全性。2 0 0 3 年9 月份，北京邮电大学推出了“数字水印应用系统”，该系统利用小波理论和离散变换设计新型水印算法。2第1 章绪论但是，我国在该领域的研究尚不普及，随着数字化产品在中国的广泛开展，特别是今后几年因特网用户将成倍增长，电子商务会加速发展，在网络上直接销售数字化产品将给厂家带来极大的商机，也是中国产品走向世界的极佳途径，其时如何有效保护产品的产权将成为厂商极为关心的问题。到目前为止，数字水印从研究对象上看主要涉及图像水印视频水印、音频水印、文本水印和三维网格数据水印等几个方面，其中大部分的水印研究和论文都集中在图像研究上，其原因在于图像是最基本的多媒体数据，且互联网的发展为图像水印的应用提供了直接大量的应用需求。相信在不久的未来，随着需求的不断变化，数字水印技术的研究领域将会不断的拓展。主要应用领域有：( 1 ) 版权保护即数字作品的所有者可用密钥产生一个水印，并将其嵌入原始数据，然后公开发布他的水印版本作品。当该作品被盗版或出现版权纠纷时，所有者即可从盗版作品或水印版作品中获取水印信号作为依据，从而保护所有者的权益。对这种应用领域来说，水印技术必须有较好的鲁棒性、安全性、不可见性和水印嵌入不可逆性。( 2 ) 加指纹为避免未经授权的拷贝制作和发行，出品人可以将不同用户的d 或序列号作为不同的水印( 指纹) 嵌入作品的合法拷贝中。一旦发现未经授权的拷贝，可以根据此拷贝中恢复出的指纹来确定它的来源。对这种应用领域来说，水印技术除具有版权保护应用中的特性外，还必须防止串谋攻击( 多拷贝攻击) 等。( 3 ) 标题与注释将作品的标题、注释等内容以水印形式嵌入该作品中。例如，一幅照片的拍摄时间和地点等。这种隐式注释不需要额外的带宽，且不易丢失。( 4 ) 篡改提示当数字作品被用于法庭、医学、新闻及商业时，常需要确定它们的内容是否被修改、伪造或特殊处理过。为实现该目的，通常可将原始图像分成多个独立块，每个块加入不同的水印。为确定其完整性，通过检测每个数据块中的水印信号，来确定作品的完整性。与其它水印不燕山大学工学硕士学位论文同的是，这类水印必须是脆弱的，并且检测水印信号时，不需要原始数据。( 5 ) 拷贝控制这种应用的一个典型的例子是d v d 防拷贝系统，即将水印信息加入d v d 数据中，这样d v d 播放机即可通过检测d v d 数据中的水印信息而判断其合法性和可拷贝性。从而保护制造商的商业利益。数字水印可以用在控制数字化信息的拷贝控制上。二十世纪9 0 年代中期以后，越来越多的公司和技术人员投入到用于拷贝控制的水印研究领域中。理想情况下，如果每一台记录设备都装有水印检测器，嵌入的水印信息就可以防止有版权信息产品的非法拷贝。水印拷贝控制系统的实现主要有两个问题：一是技术上的，二是实施上的。技术上的问题主要是需要每一台装有水印检测器的设备检测水印信息，这要求有通用的水印嵌入和检测算法，而且就当前水印所采用的技术来说所提供的保护也是有限的，但这种水印保护方法还是比较有效的。例如，对于v h s 磁带系统，每一台录制设备都带防盗版系统m a c r o v i s i o n ，有许多种简单的方法绕过这种不是很有效的防盗版系统，但m a c r o v i s i o n 系统能有效地防止大批量盗版。实施上的问题是要劝说设备制造商在他们生产的每一台录制设备上装有水印检测器，这无疑会增加成本，因此有必要从法律上规定制造商有责任在他们所产生的录制设备中具有水印检测功能，而这显然比单纯地解决技术问题要难。( 6 ) 散播追踪( t r a n s m i s s i o n t r a c i n g ) 散播追踪与控制拷贝不同，它用于追踪拷贝源。数字信息产品制造商在他的每一产品中嵌入唯一水印作为购买者的标识，当数字信息产品制造商发现有非法拷贝时。即可在非法拷贝中提取水印，进而知道这些非法拷贝是用哪个购买者手中的产品复制的。( 7 ) 电视信号监视数字水印可以用在商业电视信号监视中，商业电视台在发送电视信号后，希望监视所发送的电视信号是否被其它的电视台未授权转播，要做到这一点，电视台可以在所发送的电视信号中嵌入水印。这方面的应用是欧洲的v i v a ，该项目开发水印技术，并用此技术构建了一个电视信号监视系统。该系统在视频信号中嵌入水印信息以标识其所有者，并将所有的水印信息存入中央数据库，这个中央数据库可以存储大量的与视频信号相关的有意义的信息。该系统在要监视的区域建监视基站，基站与中央数据库之间通过卫星链路链接，当基站监测到带有水印信息的视频4第1 章绪论后，其标识和时间码信息被迅速传到中央数据库进行处理。( 8 ) 数字信息完整性鉴别数字信息很容易利用计算机或其它设备来篡改，这就要求我们在接收到数字化信息后要鉴别收到的信息是否被别人篡改或伪造过。对于这个问题我们可以利用数字签名技术来解决，但某些数字信息不适合用数字签名，如数字图像信息等。而数字水印技术的易碎水印可较好地解决这一问题。一个很好的例子是在电子商务过程中，对交易过程出现的大量诸如票据等电子文档加入易碎水印，接收方如果收到电子票据后无法检测到水印，则认为此票据是伪造的或有人篡改过，这样就可保证交易的安全。( 9 ) 数字信息标识在非安全应用方面，数字水印主要用于数字信息产品的标识和描述。这里举两个可应用的例子。在医院中将医学图像资料与患者、拍摄条件与时间相对应是非常重要的，目前的数据库系统往往将图像和其描述信息分开保存或者在某些图像格式的文件头( 如t i f f 图像格式)中加入对图像的描述，前者容易引起数据的混乱，后者在需进行图像格式转换时有可能丢失描述信息。在数字图书馆提供基于图像内容的图像检索时，目前的人工智能技术还无法完全模仿人类的思维和行为，检索出的结果往往有很不准确。上面两个例子都可辅以数字水印技术加以解决。对于这两个应用，都可以在图像中嵌入与图像内容有关的信息描述，检索到图像后进行信息提取，根据不同的需要做不同的取舍。( 1 0 ) 秘密通信水印最基本的应用便是在载体中隐藏信息。这有些类似于密码学。秘密学中，信息被加密以使那些没有解密密钥的人无法得到其内容，然而经过加密的文字，看起来很可能是一堆乱码，这样反而会激起截获者破译秘密的决心。而水印技术中，仅有被授权的人才知道秘密信息的存在并可以发现它，除通信双方外任何第三方都不知道秘密通信这个事实的存在，使得加密信息由“看不懂”到“看不见”，而不致成为攻击者的攻击目标。这个特征特别适用于军事上的应用。( 1 1 ) 身份确认水印的另一个目的是对于数字制品的身份确认，在很多应用中，这是至关重要的，特别是在i n t e r n e t 上提供数据传输的安全机制。另外，在那些安全性、完整性和真实性必不可少的产品中，也需要水印。燕山大学工学硕士学位论文这种水印是脆弱的，它可以经受宿主图像的变换如压缩、常见的信号操作，但不能经受修改图像内容的恶意攻击。( 1 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。据美国官方报道，仅在1 9 9 7 年截获的价值4 0 0 0 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1 9 ，这个数字是1 9 9 5 年的9 0 5 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，会出现大量过度性的电子文件，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。( 1 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途径，通过隐藏水印的状态可以判断声像信号是否被篡改。( 1 4 ) 信息战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6第1 苹绪论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，可以进行各种空域和变换域的信息隐藏，从而实现隐蔽通信。1 3 数字水印的发展前景随着应用的日益深入，数字水印已不再局限于标注版权信息，它在多媒体作品的销售、播放和使用的各个环节中部产生了新的用途。数字印刷的发展是由市场需求和技术、成本等多方面因素决定的。随着市场需求的变化，按需印刷的需求会越来越大，因此数字印刷的前景是广阔的。但是，目前国内限制数字印刷发展的重要原因是成本和市场的承认程度。由于数字印刷的设备和耗材都来自进口，价格较高，投资回收周期较长，运营成本大，相对一般胶印的价格太高，致使不能得到用户的认可。但随着数字印刷的日益普及，设备和耗材的成本下落，同时部分实现国产化，数字水印在我国将有一个美好的前景。数字水印技术是多媒体通信和多媒体信号处理领域中近年来的新兴研究方向，横跨多种学科，未来值得关注的研究方向将有以下方面：1 基本理论和算法研究：目前在信息隐藏技术的研究中的模型和基础理论只处于雏形阶段，尚未构成一个完整的理论体系。未来需要继续修改和完善水印基本理论的研究，包括水印结构、水印嵌入对策、水印检测方法、水印性能评估、水印的标准化、水印攻击研究等。2 稳健性水印：许多应用场合需要稳健性更好的数字水印算法，如在嵌入有意义信息的水印时，因其嵌入数据量较大且不允许大的检测错误概率。特别地，在提高稳健性的同时应当结合h v s 或者h a s 的特点，以便自适应地保持较好的隐形性和较大的信息容量。3 与密码学的结合：数字水印的安全性不能完全依靠保密算法实现( 如密钥问题) ，必须经过公开的研究和攻击测试。水印算法与密码技术，尤其足数字签名技术，公钥密码和私钥密码体系相结合，才能构造综合的数据7燕山大学工学硕士学位论文安全系统以抵抗各种攻击。4 小波域数字水印：离散小波变换( d w t ) 具有良好的空间频率特性，和人眼的某些视觉特性相一致，可以采用图像融合技术将水印分散到载体图像的多个尺度中去，从而得到更强的稳健性。基于以上考虑，再加上j p e g2 0 0 0 标准和m p e g - 4 标准已经采用小波图像压缩技术，从而使得小波域水印引来越来越多的关注。5 抗几何变形水印技术：对于静止图像或者视频帧为载体的数字水印算法，如何在没有原始载体时的情况下抵抗几何变形攻击是一个值得研究的方向和难题。现有的水印算法大多不能抵抗联合进行的多种攻击，因此进一步的研究方向也应包括增强水印抵抗多重攻击的能力。6 与其他领域技术的结合：随着水印技术的深入研究，其它领域的先进技术将会被不断引入，例如分形编码，混沌理论，模糊集理论等。同时，数字水印如图像水印视频水印音频水印等的应用领域也会得到拓展。1 4 本文主要内容及结构安排本文的研究内容主要是提出一种根据灰度特征对水印图像进行阈值化分割，然后进行最佳置乱度置乱，再分别嵌入到原始图像小波变换后的低频以及中频系数，并根据视觉系统的照度掩蔽等特性实现嵌入强度自适应调节的数字水印新算法。由于通过阂值化分割把水印各像素按不同的幅度进行分类以适应低频系数和中频系数对鲁棒性和不可见性的要求，该算法能够很好地解决水印的鲁棒性和不可见性这对矛盾，使得水印的鲁棒性和不可见性达到优化的效果。另外，所引入的最佳置乱度置乱方法对于抵抗剪切攻击等一些局部集中攻击方法有很强的鲁棒性。本文的结构安排如下：第一章绪论，简要介绍了课题的背景、数字水印技术的产生、发展、算法现状和未来展望，并阐明了本文所要研究的内容。第二章数字水印简介，介绍了数字水印技术的相关基础知识。第三章水印的模糊集阈值分割与最佳置乱度置乱，深入探讨了水印阈值化分割的意义和优点，另外还引入了最佳置乱度的概念，阐述了水印置乱的最佳置乱度方法的原理及其重要作用，为以后研究工作打下基础。第四章8第1 章绪论基于最佳置乱度的小波域水印算法，在图像小波域进行水印的最佳置乱度嵌入，并用实验论证了本置乱方法的优良性能。第五章基于阈值化分割与最佳置乱的水印算法，运用最佳置乱度的置乱方法对水印信息进行更好的置乱，保证了水印的秘密性和随机性，使得水印信息均匀的嵌入在宿主图像里，在水印的嵌入方法上采用阈值化分割成两部分分别嵌入宿主图像小波变换域的低频系数和中频系数，大大提高了水印的容量，同时根据人眼视觉系统特性自适应的选取水印的嵌入强度，达到了水印的不可见性和鲁棒性的协调优化效果。9燕山大学工学硕士学位论文第2 章数字水印基础日常生活中为了鉴别纸币的真伪，人们通常将纸币对着光源，会发现真的纸币中有清晰的图像信息显示出来，这就是我们熟悉的“水印”。之所以采用水印技术是因为水印有其独特的性质：第一种水印是一种几乎不可见的印记，必须放置于特定环境下才能被看到，不影响物品的使用；第二种水印的制作和复制比较复杂，需要特殊的工艺和材料，而且印刷品上的水印很难被去掉。因此水印也常被应用于诸如支票、证书、发票等重要印刷品中，长期以来判定印刷品真伪的一个重要手段就是检验它是否包含水印。所谓数字水印是嵌在数字产品中的数字信号，该信号一般可以是文字、图像、序列号等一些可以作为标记、标识的信息。被嵌入信号通常是不可见或不可察觉的，但通过一些计算操作可以被检测或提取。水印与原始数据紧密结合并隐藏其中，成为源数据不可分离的一部分。水印的存在要以不破坏源数据的使用价值或商用价值为原则。为了能够有效地进行版权保护、所有权认证或授权，数字水印应满足鲁棒性要求。2 1 水印技术的产生背景现今数字时代的到来，多媒体数字世界丰富多彩，数字产品几乎影响到每一个人的日常生活。如何保护这些与我们息息相关的数字产品，如版权保护、信息安全、数据认证以及访问控制等等，就被日益重视及变得迫切需要了。借鉴普通水印的含义和功用，人们采用类似的概念保护诸如数字图像、数字音乐这样的多媒体数据，因此就产生了“数字水印”的概念。所谓“数字水印”是往多媒体数据中添加的某些数字信息，比如将在数码相片中添加摄制者的信息，在数字影碟中添加电影公司的信息等等。与普通水印的特性类似，数字水印在多媒体数据中( 如数码相片) 也几乎是不可见的，也很难被破坏掉。因此数字水印在今天的计算机和互联网时代大有可为。最早提出数字水印的概念与方法是为了进行多媒体数据的版权保护。1 0第2 章数字水印基础随着计算机和互联网的发展，越来越多的艺术作品、发明或创意都开始以多媒体数据的形式表达，比如用数码相机摄影，用数字影院看电影，用m p 3 播放器听音乐，用计算机画画等等。所有活动所涉及的多媒体数据都蕴含了大量价值不菲的信息。与作者创作这些多媒体数据所花费的艰辛相比，篡改、伪造、复制和非法发布原创作品在信息时代变成了一件轻而易举的事情。任何人都可以轻而易举地创建多媒体数据的拷贝，与原始数据比较，复制出的多媒体数据不会有任何质量上的损失，即可以完整地“克隆”多媒体数据。因此如何保护这些数据上附加的“知识产权”是一个亟待解决的问题。那么数字水印则正好是解决这类“版权问题”的有效手段。比如以前的画家用印章或签名标识作品的作者，那么今天他可以通过数字水印将自己的名字添加到作品中来完成著作权的标识。同样，音像公司也可以把公司的名字、标志等信息添加到出版的磁带、c d 碟片中。这样通过跟踪多媒体数据中的数字水印信息来保护多媒体数据的版权。除了在版权保护方面的应用，数字水印技术在文档( 印刷品、电子文档等) 的真伪认证上面也有很大的用途，例如对政府部门签发的红头文件，文件认证的传统方法是鉴别文件的纸张、印章或钢印是否符合规范和标准，缺点是无论纸张、印章或钢印都容易被伪造。特别是印章，虽然政府部门对印章的管理和制作有严格规定，但社会上还是有所谓“一个萝h 刻一个章”的说法。这说明传统方法有着极不完善的地方。使用数字水印技术则可以有效解决这个问题。以数字水印作为信息载体，将某些信息添加到红头文件中，使得文件不仅有印章或钢印，而且有难以察觉的数字水印信息，从而大大增加了文件被伪造的难度。将数字水印信息添加到文档中，也意味着某些信息可以在文档中被写入两次。例如护照持有人的名字在护照中被明显印刷出来，也可以在头像中作为数字水印被隐藏起来，如果某人想通过更换头像来伪造一份护照，那么通过扫描护照就有可能检测出隐藏在头像中的水印信息与打印在护照上的姓名不符合，从而发现被伪造的护照。此外数字水印还用来做多媒体数据的访问控制和复制控制。比如c d数据盘中秘密的数字水印信息可以有条件的控制什么样的人可以访问该c d 盘中的内容。目前d v d 已经火爆国内电子市场，有很多大公司开始研燕山大学工学硕士学位论文究如何应用数字水印系统改进d v d 的访问与复制控制。比如希望消费者手中的d v d 播放器允许无限制地复制家庭录像或过期的电视节目，家庭录像中所添加的数字水印不含任何控制标识，电视节目里的数字水印标识为“复制一次”、“复制多次”，而商业的视频节目则标识为“不允许复制”，相关的播放设备将对这些数字水印标识进行判别并起相应作用。这样就既保证了消费者私下复制、交换节目的自由，又有效控制了商业上的侵权行为。目前全部的解决方案已经形成，问题是该解决方案的安全性、有效性、简洁性还需做进一步的考验，暂时不能提供给d v d 制造商和用户。数字水印技术还可以应用于信息的安全通信。由于人们很难觉察到数字水印信息在多媒体数据中的存在，某些重要信息在传输的过程中就可以隐藏在普通的多媒体数据，从而避开第三方的窃听和监控。2 2 数字水印的特性及分类2 2 1 数字水印的特性数字水印( d i g i t a lw a t e r m a r k ) 技术，是指在数字化的数据内容中嵌入不明显的记号。被嵌入的记号通常是不可见或不可察的，但是通过一些计算操作可以被检测或者被提取。水印与源数据( 如图像、音频、视频数据)紧密结合并隐藏其中，成为源数据不可分离的一部分，并可以经历一些不破坏源数据使用价值或商用价值的操作而存活下来，数字水印技术有其独特的技术要求，一般认为具有版权保护功能的数字水印具有如下特征：( 1 ) 鲁棒性指不因图像文件的某种改动而导致隐藏信息丢失的能力。这里所谓“改动”包括传输过程中的信道噪音、滤波操作、重采样、有损编码压缩、d a 或d 转换等。( 2 ) 不可检测性指隐蔽载体与原始载体具有一致的特性。如具有一致的统计噪声分布等，以便使非法拦截者无法判断是否有隐蔽信息。( 3 ) 不可见性利用人类视觉系统或人类听觉系统属性，经过一系列隐藏处理，使目标数据没有明显的降质现象，而隐藏的数据却无法人为地看见或听见。第2 章数字水印基础( 4 ) 安全性指隐藏算法有较强的抗攻击能力，即它必须能够承受一定程度的人为攻击，而使隐藏信息不会被破坏。( 5 ) 自恢复性由于经过一些操作或变换后，可能会使原图产生较大的破坏，如果只从留下的片段数据，仍能恢复隐藏信号，而且恢复过程不需要宿主信号，这就是所谓的自恢复性。2 2 2 数字水印的分类( 1 ) 按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易损数字水印两类。鲁棒数字水印主要用于在数字作品中标识著作权信息，利用这种水印技术在多媒体内容的数据中嵌入创建者、所有者的标示信息，或者嵌入购买者的标示( 即序列号) 。在发生版权纠纷时，创建者或所有者的信息用于标示数据的版权所有者，而序列号用于追踪违反协议而为盗版提供多媒体数据的用户。用于版权保护的数字水印要求有很强的鲁棒性和安全性，除了要求在一般图像处理( 如：滤波、加噪声、替换、压缩等)中生存外，还要能抵抗一些恶意攻击。易损水印( f r a g i l ew a t e r m a r k i n g ) ，与鲁棒水印的要求相反，易损数字水印主要用于完整性保护，这种水印同样是在内容数据中嵌入不可见的信息。当内容发生改变时，这些水印信息会发生相应的改变，从而可以鉴定原始数据是否被篡改。易损水印应对一般图像处理( 如：滤波、加噪声、替换、压缩等) 有较强的免疫能力( 鲁棒性) ，同时又要求有较强的敏感性，即：既允许一定程度的失真，又要能将失真情况探测出来。必须对信号的改动很敏感，人们根据易损水印的状态就可以判断数据是否被篡改过。( 2 ) 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。( 3 ) 按检测过程划分按水印的检测过程可以将数字水印划分为明文水印和盲水印。明文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。一般来说，明文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。燕山大学工学硕士学位论文“) 按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他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。( 5 ) 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证防伪水印、版权保护水印、篡改提示水印和隐蔽标识水印。票证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、各种证件的防伪。版权标识水印是目前研究最多的一类数字水印。篡改提示水印是一种脆弱水印，其目的是标识原文件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 ) 按水印隐藏的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间尺度域数字水印。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。2 3 数字水印典型算法近年来，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) 。( 1 ) 空域算法该类算法中典型的水印算法是将信息嵌入到随机选择的图像点中最不重要的像素位( l s b ：l e a s ts i g n i f i c a n tb i t s ) 上，这可保证嵌入的水印是不可见的。( 2 ) p a t c h w o r k 算法方法是随机选择n 对像素点( a ，b ) ，然后将每个a 点的亮度值加1 ，每个b 点的亮度值减l ，这样整个图像的平均亮度保持不变。适当地调整参数，p a t c h w o r k 方法对j p e g 压缩、f i r 滤波以及图1 4第2 章数字水印基础像裁剪有一定的抵抗力，但该方法嵌入的信息量有限。为了嵌入更多的水印信息，可以将图像分块，然后对每一个图像块进行嵌入操作。( 3 ) 变换域算法该类算法中，大部分水印算法采用了扩展频谱通信( s p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o n ) 技术。算法实现过程为：先计算图像的离散余弦变换( d c t ) ，然后将水印叠加到d c t 域中幅值最大的前k 系数上( 不包括直流分量) ，通常为图像的低频分量。若d c t 系数的前k 个最大分量表示为d = d i ) ，i = l ，k ，水印是服从高斯分布的随机实数序列w= w i j ，i 1 ，k ，那么水印的嵌入算法为d i = d i ( 1 + a w l ) ，其中常数a 为尺度因子，控制水印添加的强度。然后用新的系数做反变换得到水印图像i 。解码函数则分别计算原始图像i 和水印图像的离散余弦变换，并提取嵌入的水印，再做相关检验以确定水印的存在与否。一个简单改进是不将水印嵌入到d c t 域的低频分量上，而是嵌入到中频分量上以调节水印的鲁棒性与不可见性之间的矛盾。另外，还可以将数字图像的空间域数据通过离散傅里叶变换f t ) 或离散小波变换( d w t ) 转化为相应的频域系数；其次，根据待隐藏的信息类型，对其进行适当编码或变形；再次，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) ；再次，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。( 4 ) 压缩域算法基于j p e g 、m p e g 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v o d ( v i d e oo nd e m a n d ) 中有很大的实用价值。相应地，水印检测与提取也可直接在压缩域数据中进行。虽然m p e g 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m p e g - 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m p e g 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d c t 编码信燕山大学工学硕士学位论文号块3 部分，在方案中只有m p e g - 2 数据流最后一部分数据被改变，其原理是，首先对d c t 编码数据块中每一输入的h u f f m a n 码进行解码和逆量化，以得到当前数据块的一个d c t 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d c t 系数，再重新进行量化和h u f f m a a编码，最后对新的h u f f m a n 码字的位数喝与原来的无水印系数的码字进行比较，只在喝不大于的时候，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。( 5 ) n e e 算法该算法由n e c 实验室的c o x 等人提出，该算法在数字水印算法中占有重要地位，其实现方法是，首先以密钥为种子来产生伪随机序列，该序列具有高斯n ( 0 ，1 ) 分布，密钥一般由作者的标识码和图像的哈希值组成，其次对图像做d c t 变换，最后用伪随机高斯序列来调制( 叠加) 该图像除直流( d c ) 分量外的1 0 0 0 个最大的d c t 系数。该算法具有较强的鲁棒性、安全性、不可见性等。由于采用特殊的密钥，因此可防止i b m攻击，而且该算法还提出了增强水印鲁棒性和抗攻击算法的重要原则，即水印信号应该嵌入源数据中对人感觉最重要的部分，这种水印信号由独立同分布随机实数序列构成，且该实数序列应该具有高斯分布n ( 0 ，1 ) 的特征。( 6 ) 生理模型算法人的生理模型包括人类视觉系统h v s ( h u m a nv i s u a ls y s t e m ) 和人类听觉系统h a s 。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均是利用从视觉模型导出的j n d o 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，然后再利用其来插入水印。这一方法同时具有好的不可见性和鲁棒性。2 4 数字水印攻击攻击分析的目的就是在于找出现有系统的弱点及其易受攻击的原因，然后加以改进，这就像传统密码学所经历的加密解密的否定之否定的螺旋提高过程一样。我们必须能够清醒地认识到进攻者存在的大量进攻机会，以避免盲目地满足而使数字水印技术永远停留在实验室里，不能得到广泛1 6第2 章数字水印基础的应用或不能取得商用价值，下面给出几种典型的攻击方式【2 】。( 1 ) 鲁棒性攻击鲁棒性攻击是指在不损坏图像使用价值的前提下减弱、移去或破坏水印，它包括常见的各种信号处理操作，如图像压缩、线形或非线形滤波、叠加噪声、图像量化与增强、图像裁剪等。目前水印技术研究