（信号与信息处理专业论文）基于dwt的数字图像水印算法研究与实现.pdf

武汉理l 大学硕士学位论文 摘要 随着信息技术的快速发展 电子商务及大量商用多媒体业务的涌现 傻褥 数字产品的版权保护显得尤为重要 版权保护问题是现在乃至将来相当长 段 时期内的研究热点之一 数字水印技术是 种有效的数字版权保护技术 而基于 彩色图像的数字水印技术是当前数字水印技术的研究热点 本文在研究了基于 d w t 数字图像水印基本算法的基础上 重点研究了基于彩色r g b 图像的水印 算法 在分析研究两种彩色图像中嵌入灰度图像水印基本算法的基础上 研究 设计了 种基于块内分散嵌入的d w t 算法 仿真实验结果表明了该设计算法的 优越性 本论文主要工作如下 1 归纳了信息隐藏及数字水印技术的发展背景和研究现状 并阐述了课题 的目的和意义 给出了数字水印系统的原理及数字水印的分类和典型的算法 分柝了数字水印的基本特征 常见的攻击方法和评估标准 并比较小波变换相 对其他变换域算法的优越性 论述了本文主要采用变换域d w t 算法的原因 2 为了提高水印的安全性 本文在水印信息嵌入之前首先对水印信息利用 a r n o l d 变换和伪随视序列交换双密钥进行加密 增加了东印信息的安全性 3 研究了在灰度图像中嵌入二值图像水印 嵌入的方式为灰度图像三级小 波系数奇偶量化 以保证在水印提取过程中不需要原始图像参与 而且整个提 取算法简单准确 实验结果表明本算法对j p e g 压缩 剪切 加噪 滤波等 般 的冒像处理攻击具有较强的鲁捧性 4 研究了在彩色图像中嵌入灰度图像水印的两种基本算法 即基于关系的 嵌入算法和基于位平面分解的嵌入算法 在此基础上 重点研究设计了基于块 内分散嵌入的d w t 算法 并进行了仿真实现 实验结渠分析表明三种算法所嵌 入水印都具有良好的鲁棒性和不可见性 论文最后对这三种算法进行了攻击实 验比较 仿真结果表明 本文研究设计的算法比前两种具有更强的抗攻击能力 关键词 数字水馨 离教小波变换 r g b 彩色图像 嵌入算法 检测算法 武汉瑾 人学硕七学像论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h ee m e g e n c eo f e l e c t r o n i cc o m m e r c ea n dc o m m e r c i a lm u l t i m e d i a s e r v i c e c o p y r i g h tp r o t e c t i o n t e c h n o l o g yo fm u l t i m e d i ad a t ai s t h eh o t s p o to ft h ec u r r e n tr e s e a r c h d i g i t a l w a t e r m a r k i n gt e c h n i q u ei s a ne f f e c t i v em e t h o dt os o l v et h e p r o b l e mo fd i g i t a l c o p y r i g h tp r o t e c t i o n a n dd i g i t a lw a t e r m a r k i n gt e c h n i q u eb a s e do nc o l o ri m a g ei st h e r e s e a r c hh o t s p o ti nt h i sf i e l d t h i sd i s s e r t a t i o nm a k e sar e s e a r c ho nt h ea l g o r i t h mo f i m a g ew a t e r m a r k i n gb a s e do nd w t d i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o r m t h ee m p h a s e si s i 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 nc o l o ri m a g e t w ok i n d sb a s i ca l g o r i t h m sw a s i m p r o v e dw h i c hg r a yi m a g ew a t e r m a r k i n gw a se m b e di nt oc o l o ri m a g e b a s e do nt h e t w om e t h o d s t h i sd i s s e r t a t i o nm a k e saw i d ea n dd e e pr e s e a r c ho na l li m p r o v e d a l g o r i t h mo fap i e c ed i s p e r s e st oe m b e dw a t e r m a r k i n gi n f o r m a t i o nb a s e do nd w t t h ee x p e d m e n t a lr e s u l t ss h o wt h es u p e r i o r i t yo fd e s i g na l g o r i t h m t h em a i nc o n t r i b u t i o n so ft h i sd i s s e r t a t i o na r er e c a p i t u l a t e da sf o l l o w s 1 m u c hm o r ea t t e n t i o nh a sb e e np a i di nt h ed o m e s t i ca n do v e r s e ad e v e l o p m e n t p r o c e s sa n dt r e n d e x i s t i n gp r o b l e m sa n dr e s e a r c hh o t s p o to ft h ei n f o r m a t i o nh i d i n g a n dd i g i t a lw a t e r m a r k i n g o nt h eb a s i so ft h o r o u g hr e s e a r c ho ni n f o r m a t i o nh i d i n g t h e o r ya n di t sr e l a t i n gt e c h n i q u e s t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y z e st h ep r o b l e mi nd i g i t a l w a t e r m a r k i n g d i s c u s s e st h em a i nt o p i ca n dt h es o l u t i o n so ft h i ss u b j e c t a n da l s o e x p l a i n e dt h eb a s i ct h e o r yo fd i g i t a lw a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g yw h i c hi si n c l u d i n g w a t e r m a r k i n gw a v e l e tg e n e r i ce m b e d d i n gm o d e la n dt h et y p i c a la l g o r i t h m t h e n c o m p a r e sd w tt oo t h e rt r a n s f o r md o m a i na l g o r i t h m d i s c u s s e st h em a i nr e a s o nt o c h o o s et h ea l g o r i t h mb a s e do nd w t 2 f o rr i s ew a t e r m a r k i n gs e c u r i t y t h ea l g o r i t h mu n i t e sa r n o l dv a r i e sa n dr a n d o m v a r i e sb e f o r et h ew a t e r m a r k i n ge m b e d d i n g s ot h et o w k e y sm a k et h ew a t e r m a r k i n g s e q u e n c em u c hm o r es t e a d y 3 t h ea l g o r i t h mr e s e a r c h e st h eb i l e v e l i m a g ew a t e r m a r k i n gt oi n s e r ti nt h e i m a g eo fg r a d a t i o n t h ea l g o r i t h mo fi n s e r t i n gi nt h r e el e v e lo fw a v e l e ti so d d e v e n 薹l 武汉理l 久学硕 学位论文 q u a n t i z a t i o n f o rg r a d a t i o n e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e da l g o r i t h m e n s u r e dt h eh i g hq u a l i t yo ft h ei m a g ea n dr o b u s t n e s sa g a i n s ts o m ec o m m o ni m a g e p r o c e s s i n g s u c ha sc u t j p e gc o m p r e s s s t r a i nw a v e n o i s ea t t a c k e t c 4 t h ep a p e rr e s e a r c h e st w ob a s i sa l g o r i t h mt h a tg r a yi m a g ew a t e r m a r k i n gi s e m b e di nt oc o l o ri m a g e n a m e l y a l la l g o r i t h mb a s e do nt h ep l a c ef i a ts u r f a c eb r e a k s u pa n da na l g o r i t h mb a s e do nr e l a t i o n o nt h i sb a s i si tf o c u s e do nt h er e s e a r c ho ft h e a l g o r i t h m o fap i e c e d i s p e r s e s t oe m b e dw a t e r m a r k i n gi n f o r m a t i o n a l lo f w a t e r m a r k i n gs e q u e n c ei n s e r t si nt h r e el e v e lo fw a v e l e tc o e f f i c i e n tb yt h ec a r r i e r i m a g e a n d t h ee x t r a c ti sb l i n d t h r e e e x p e r i m e n t a lr e s u l t i n d i c a t e st h et h r e e a l g o r i t h m sa r ea l li n v i s i b l ea n dr o b u s tf i n a l l y i tc o m p a r et h ea t t a c ke x p e r i m e n tr e s u l t o ft h et h r e ek i n d so fa l g o r i t h m t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a t t h ed e s i g n a l g o r i t h mh a sb e t t e ra b i l i t yo fa n t ia t t a c k st h a nt h ef o r m e rt w oa l g o r i t h m s 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 d w t r g bi m a g e e m b e d d i n ga l g o r i t h m d e t e c t i n ga l g o r i t h m i i i 此页若属实 请研究生及导师签名 并装订在学位论文的摘要前 独创性声明 本人声明 所呈交的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 据我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果 也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意 研究生 签名 盔兰 日期堕量 丝盈奎鼠 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留 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内容 可以采用影 印 缩印或其他复制手段保存论文 保密的论文在解密后应遵守此规定 研究生 签名 盔塑垫导师 签名 母丛日期趔幽 武汉理l 人学硕十学能论文 第1 章绪论 l 1 研究的目的及意义 2 0 世纪9 0 年代以来 计算机网络技术和多媒体信息处理技术在全世界范围 内得到了迅猛发展 但是这些在给人们带来便利的同时也暴露出越来越严重的 安全问题 如多媒体作品的舨权侵犯 电子商务中蛉j 法盗用和篡改等 毫无 疑问 网络中的信息安全问题是现在乃至将来相当长一段时期内的研究热点之 一 上世纪9 0 年代初 国际信息技术研究领域出现了一个新的研究方向 数 字东印技术 数字水印技术 d i g i t a lw a t e r m a r k i n g 是一种信息隐藏技术 它的基 本思想是在图像 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等 数字水印 属于信息隐藏技术的一种 与钞票水印相类似 它是将具有确 定性和保密性的信息 水印 直接嵌入到数字纯媒体 静止黧像 语音 文档 图书 视频等 中 使之作为原始数据的一部分而保留在其中 因而即使在解 密之后仍可以对数据的复制和传输实施跟踪 从而实现隐藏传输 存储 标注 身份识别 版权保护等功麓 嵌入的水印信息隐藏于宿主文件中 不影响原始 文件的可视性和完整性 只有通过专用的检测器彳 能提取 其中的水印信息可 以是公词标志 作者的序列号 有特殊意义的文本等 可用来识别文件 音像 制品的来源 版本 原作者 搠有者 发行人 合法使用人对数字产品的搁有 权 可晃 一方面 它可以被用来证明原剖作者对其作品的所有权 作为鉴定 起诉非法侵权的证据 另一方面 作者还可以通过对其数字产品中的水印进行探 测和分析柬实现对作品的动态跟踪 从而保证其作品的完整性 因而数字水印 已经成为了知识产权保护和数字多媒体防伪的有效手段瑟圳 在许多水印应用中 嵌入水印的图像在达到接收端时总要经受一些处理 这些处理可以是有损压缩 信号增强 几何变换 d a 或a 肿转换 水印有可 能有意或无意地受到这种处理的凑 弱 在水印术语中 攻击指的是任何一秘可 能削弱水印的检测或对水印所表达的信息传输的处理 经过这种处理盖的含水 印图像称为受攻击图像 任何水印算法的一个重要方面是它对攻击的稳健性 武汉理 1 人学硕十学位论文 稳健性的定义直观意义下是很清楚的 如果在受到攻击的数据不会变的无法使 用的麓提下 水印不会受到意l 弱的 那么它是稳健的 永印巍l 弱的程度可以由 数据丢失概率 比特错误概率或信道容量来衡量 对于多媒体 受攻击数据的 可使用性可以通过感知品质和失真来标定 因而稳健性的评估可以通过考虑水 印的削弱稠受攻击数据的失真来彳罨到 如果对水印的攻击使得水印受到的削弱 超过可接受的程度 翁同时保持受攻击信号的感知品质 那么攻击就是成功的 然而 数字水印算法的抗攻击能力仍然没能达到人们的预期要求 一般只 能抵抗几种常见的攻击 如有损压缩 信号增强 水印同步攻击被认为是提高 稳健性的关键问题 其典型的攻击是几何变换攻击 它通过图像豹集合操作 如图像缩放 空间位移 旋转 图像裁减 重采样以及 些几何变形等破坏水 印检测与数字水印的同步性 从而使水印检测器检测不到图像中的水印信号 进而达到攻击的目的 是一魏有效的攻击方法 因此 抗各种几何攻击的数字 水印图像检测技术仍然是一项富有挑战性的工作 彩色图像数字水印技术是图像处理的研究热点之一 m a t i a b 图像处理工 具箱将彩色图像当作索引图像或r g b 图像 红 绿 蓝 来处理 而一幅r g b 图像就是彩色像素的一个mx nx 3 数组 其中每一个彩色像素点都是在特定空 间位置的彩色图像相对应的红 绿 蓝三个分量 r g b 也可以看成是一个由三 幅灰度图像形成的 堆 本文手是瞄准数字图像水印技术的研究热点 主要研究基予离散小波变换 d i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o r m d 盯 的图像水印的嵌入和检测算法 在研究灰度 图像水印算法的基础上重点研究彩色r g b 图像的水印算法 1 2 国内外研究现状及发展方向 数字水印技术自1 9 9 3 年被提出以来 由于其在信息安全和经济上的重要地 位 发展较为迅速 世界各国的科研机构 大学和商业集团都积极的参与或投 资支持此方面的研究 如美国财政部 美国版权工作组 美国洛斯阿莫斯国家 实验室 美国海陆空研究实验室 欧洲电信联盟 德国国家信息技术研究中心 日本n 玎信息与通信系统研究中心 麻省理工学院 南加利福尼亚大学 剑桥 大学 瑞士洛桑联邦工学院 微软公司 朗讯贸尔实验室等都在进行这方面的 研究工作 i b m 公司 日立公司 n e c 公司 p i o n e e r 电子公司和s o n y 公司等 2 武汉理l 大学硕七学侥论文 五家公司还蜜奄联合研究基于信息隐藏的电子水印l 弱 国际学术界陆续发表了许多关于数字水印技术方面的文章 几个有影响的 国际会议 如i e e e s p i e 等 及一些国际权威学术期刊 如s i g n a lp r o c e s s i n g 等 相继出版了有关数字水印技术的专题 1 9 9 6 年 国际第一届信息隐藏学术 讨论会1 q i n t e r n a t i o n a li n f o r m a t i o nh i d i n gw o r k s h o p 在荚因剑挢牛顿研究所召 开 至今该研讨会已举办了五届 在1 9 9 9 年第三届信息隐藏国际学术研讨会上 数字水印成为主旋律 全部3 3 篇文章中有1 8 篇是关于数字水印的研究 1 9 9 8 年的国际图像处理大会上 还开辟了两个关于数字水印的专题讨论 由m a r t i n k u t t e r 创建的w a t e r m a r k i n gw o r l d 已成为一个关于数字水印豹著名网上论坛 在2 0 世纪9 0 年代末期 些公司开始正式地销售水印产品 在图像水印方 面 美国的d i g i m a r c 公司1 7 锌i 先推出了第一个商用数字水印软件 而后又以插 件形式将该软件集成到a d o b e 公司的p h o t o s h o p 和c o r e ld r a w 图像处理软件中 该公司还推出了媒体桥 m e d i a b r i d g e 技术 利用这项技术用户只要将含有 d i g i m a r c 水印信息的图片放在网络摄像机 w e bc a m e r a 前 媒体桥技术就可以 直接将用户带到与图像内容相关联的网络站点 a l p v i s i o n 公司泌l 推出的l a v e l l t 软件 能够在任何扫描的图片中隐藏若干字符 这些字符标记可以作为原始文 件出处的证明 也就是说 任何电子图片 无论是用于w o r d 文档 出版物 还 是电子邮件或者网页 都可以借助于隐藏的标记知道它的原始出处 a l p v i s i o n 的s a f e p a p e r 是专为打印文档设计的安全产品 它将水印信息隐藏到纸的背丽 以此来证明该文档的真伪 s a f e p a p e r 可用予证明 份文件是否为指定的公司或 组织所打印 如医疗处方 法律文书 契约等 还可以将一些重要或秘密的信 息 如商标 专利 名字 金额等 隐藏到数字水印中 欧洲电子产业界和有 关大学协俸开发 采用数字水印技术来监视复制音像软俘的监视系统 以防止 数字广播业者的不正当复制的行为 该开发计划名称为 t a l i s m a n t r a c i n g a u t h o r s r i g h t sb yl a b e l i n gi m a g es e r v i c ea n dm o n i t o r i n ga c c e s sn e t w o r k s 此 开发计划作为欧洲电子产业界等缀织的欧共体项霞子1 9 9 5 年9 月开始进行 1 9 9 8 年8 胃结束 法国 比利时 德国 殖班牙 意大利和瑞士等在内的l 薹个 通信与广播业者 研究单位和大学参加 随着技术信息交流的加快和水印技术的迅速发展 国内一些研究单位也已 逐步从技术跟踪转向深入系统研究 备大研究所和高校纷纷投入数字水印的研 究 其中比较有代表性的有哈尔滨工业大学的孙圣和 牛夏牧 陆誓明等 天 3 武汉理l 人学硕十学f 7 论文 津大学的张春用 苏育挺等 北京邮电大学的杨义先 钮心忻等 中国科学院 童动化研究所豹刘瑞祯 谭铁牛等 镌绷是圈内较早投入水印技术研究且取得 较好成绩的科研单位 我国于1 9 9 9 年由北京电予技术应用研究所组织 召开了 第一届信息隐藏学术研讨会 至今已成功的举办了四届 很大程度地推进了国 内水印技术的研究与发展 同时 国家对信息安全产韭的健康发展也非常的重 视 在2 0 0 3 年的 科技型中小企业技术创新基金若干重点顽强指南 中 明确 指出了对于 数字产品产权保护 基于数字水印 信息隐藏 或者网络认证等 先进技术 和 个性化产品 证件 的防伪 基于水印 编码 或挑战应答 等技术 等多项防盗版和防伪技术予以重点支持 现在国内已经出现了 些 生产水印产品的公司 其中比较有代表性的是由中科院自动化研究所的刘瑞祯 谭铁牛等人于2 0 0 2 年在上海创办了的一家专门从事数字水印 多媒体信息和网 络安全 防伪技术等软硬件开发的公司 上海阿须数码技术有限公司 公司 现从事数字证件 数字印章 p d f 文本 分块离散图像 视频 网络安全等多 方面数字水印技术的研究 现在这家公司已申请了一项国际和三项国家数字水 印技术专利 9 1 虽然数字水印在国内的应用还处于初级阶段 但水印公司的创办 使得数字水辞技术在因内不仅仅只停留在理论研究的层面上 嚣是从此走主了 实用化和商业化的道路 这样会更加推动国内水印技术的蓬勃发展 为因内的 信息安全产业提供有效的 安全的保障 嚣前 数字水印的研究麸结构层次上可分为基础理论研究 应用基础研究 应用技术研究三个层次 1 基础理论研究主要针对感知理论 信息隐藏及其数字水印模型 理论 框架等 2 应用基础研究的主要方向是针对声音 图像 视频等多媒体信号 研 究相应的数字水印隐藏算法和检测算法 以及能够抵抗仿射变换 滤波 重采 样 色彩抖动 有损压缩的鲁棒的数字水印技术 3 应用技术的研究良实用化为主要目的 研究各种多媒体格式的数字水 印算法 数字水印领域涌现出大量的水印嵌入和检测方法 这些方法大致可以分为 空间域方法和变换域方法两种 其中 变换域冀法需要先对源数据进行一个变 换 然焉在变换域中完成水印的嵌入和检测 因而往往会需要较大的运算量 但是 幽于压缩 滤波等等图象处理的过程经常也是在变换域完成 如果处理 4 武汉理i 人学硕十学位论文 的过程和水印信号嵌入使用相同的变换域 那么这些处理对数字水印的影响将 可以被大大地降低 绷如 将蚕像进行d c r d i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m 变换 后再在变换域嵌入水印 就可以提高水印系统抵抗j p e g 压缩处理的能力 因此 选择一个合适的变换操作 然后在该变换域嵌入水印 则可以提高水印嵌入系 统的鲁棒性 虽有一些研究算法翻技术可以抵抗常见的噪声于扰 j p e g 宥损压 缩等 僵对于抵抗剪切 缩放 旋转 最新鲍j p e g2 0 0 0 压缩标准及a d d a 变换等处理和攻击却很少 尤其是不能抵抗信号处理和几何变换的联合攻击1 1 0 l 在进一步的应用中 迫切需要可以抵抗旋转 缩放 平移的数字水印技术 戳及不需原图像的意捡测 需要检测出的水印有数字 二值圈 灰度图和彩色 图 这些构成了第二代数字水印技术 根据数字水印技术的不可感知性和鲁棒 性等特点 数字水印会在更为广阔的领域得到新的应用 如在印刷防伪中的应 用 当然 这需要研究更为鲁棒的数字水印技术 在技术上除要满足第一 第 二代数字水印技术的特性钤 还需要抵抗a 和科a 变换 非线性量纯 色彩 失真 仿射变换和投影变换等攻击 且必须与打印扫描原理或印刷原理及工艺 相结合 这在理论上和算法设计上都提出了更富有挑战性的课题 总的说来 水印技术的研究殴经取得了相当的成绩 但是在水印技术迸一 步的研究和应用方面还有很多的路要走 首先 目前对鲁棒水印的研究是水印 技术一个比较劣势的领域 另外 水印技术的研究应该和相关技术的研究保持 紧密的联系 对于图片资产的水印技术瑟言 应该充分借鉴疆酶图片处理中用 到的技术 例如小波分析的使用等 作为一个新兴而有具有广阔前景的领域 数字水印技术已经取得了巨大的 成就 但是还有大量的问题等待解决 下面的几个方面是水印技术研究亟待解 决豹问题 也将会成为数字水印技术领域可预见的研究熟点陋捋l 1 水印嵌入模型中对于水印的预处理和奠他优化措施 在目前的水印模 型中 算法本身已经取得了大量的成果 但对于应用来说 这些预处理和优化 措施已经成为应用的瓶颈 2 抗几何攻击的鲁棒数字水印技术的提高 几何攻击被认为是鲁棒数字 水印技术走上商用的瓶颈 提高水印技术的鲁棒性已经迫在眉睫了 3 易损水印的深入研究和应用 由于易损水印能够完成认证的功能 这 对于未来的电子政务 电子商务等应用的发展其有举足轻重的作用 4 可信第三方的建立 水印技术需要权威的第三方机构来保存水印 提 5 武汉理 1 人学硕十学何论文 供仲裁等 当前蟊临的是一个飞速进步的时代 i n t e m e t 的蔓延 数字技术的发震 生 物技术的研究等等这 切都将带动整个人类社会的不断前进 这一点在l t 领域 体现得更加明显 最初提出数字水印的目的是为了保护版权 然而随着数字水 印技术的发展 人们发现了更多更广的应用 例如广播监控 所有者鉴别 所 有权验证 操作跟踪 内容认证 拷贝控制和设备控制 数字水印技术还处于 发展之中 上述这些应用也不可能包含其所有可能的应用领域 但可以看出数 字水印技术未来的应用市场将会更加广阔 毕竟 它还是个方兴未艾的领域 在未来的日子墨 水印技术的研究 定会取褥越来越多的成果 这也必将极大 的促进数字技术的进步 进而推动整个社会更大的发展 1 3 本文研究的主要内容 本文在广泛收集和查阅相关资料的基础上 瞄准多媒体数字水印技术的前 沿发展动态 结合在现实中的具体应用 研究了基于d w t 的数字图像数字水印 算法 在研究二值水印算法的基础主 重点研究了基于彩色r g b 的水印算法 将灰度水印图像嵌入到彩色图像中 实验证明算法具有很好的鲁棒性和不可见 性 并具有很好的抗联合攻击的能力 本文共分为六章 具体内容如下 第1 章概述了信息隐藏及数字水印技术的背景和意义 回顾了数字水印技 术的发展历史研究现状 分析了技术中存在的润题和应用前景 第2 章详细阐述了数字水印的基本概念 特征 分类和一般应用模型 分 析了目前常见的数字水印算法以及攻击类型 讨论了现在比较通用的水印系统 的评价标准 第3 章详细讨论了小波变换的基本原理和小波变换在数字图像处理中的应 用 并比较小波变换特别是离散小波变换相对其他变换域算法的优越性 论述 了本文主要采用变换域d w t 算法的原因 第4 章研究了在灰度图像中嵌入二值图像水印 水印信息嵌入之前首先对 水印信息利用a r n o l d 变换和伪随机序列变换双密钥进行加密以提高水印安全 性 嵌入的方式为灰度图像三级小波系数奇偶量化 实验结果表明本算法对j p e g 压缩 剪切 加噪 滤波等一般的图像处理具有缀好的鲁棒性 第 5 章研究了在彩色图像中嵌入灰度图像水印的两种基本算法 即基于关 6 武汉瑗 l 大学硕七学能论文 系的嵌入算法和基于位平面分解的嵌入算法 在此基础上 重点研究设计了基 于块肉分散嵌入的d w t 算法 并进行了蕊真实现 实验结果分折表硬三种算法 所嵌入的水印都具有良好的鲁棒性和不可觅性 论文最后对这三种算法进行了 攻击实验比较 仿真结果表明 本文研究设计的算法比前两种具有更强的抗攻 击能力 第6 章对于本论文掰做的研究工俸进行了总结 并展望了基于变换域d w t 数字水印算法在今后可改进解决的问题 亨 武汉理l 人学硕十学位论文 第2 章信息隐藏及数字水印技术概述 数字水印技术是 种新兴的信息隐藏技术 它是为适应版权信息隐藏与跟 踪需要褥诞生的 该技术鼓励携带水印信息的产品被合法使焉 产品中隐藏的 水印信息提供随时被检测使用的数据 以此保护产品的版权所有者的利益并促 进数字产品的开发与使用 尊重创作与知识版权 数字水印技术作为版权保护 和安全认证的有力工具 己军 起人们广泛的关注 2 1 信息隐藏技术的特点 经过近几年的研究 信息隐藏技术己经取得了很大的发展 并根据其寂用 目的的不同而形成了不同的特征 具体分类如图2 1 所示 1 4 图2 1 信息隐藏技术的主要分支 信息隐藏虽有不同的分支 但每个分支都其有以下共同特征 1 不可感知性 对信息隐藏系统的一个最重要的要求是隐藏信息的不可感 知性 它信息隐藏系统的必要条件 如果在信息嵌入过程使载体引入了人为痕 迹 给图像的质量带来了可视性的下降 就会减少已嵌入信患的图像的徐值 破坏信息隐藏系统的安全性 2 鲁棒性 信息隐藏应该能够抵抗由标准或恶意的数据处理所引入的失真 或者攻毒 但是至今还没有如此完美的方法 因此 一般信息隐藏系统总是面 向具体应用 在鲁棒性和其他要求之间寻找平衡 对数字图像数字水印鲁棒性 8 武汉理1 人学硕十学位论文 的最基本的要求是能够抵抗一些基本的图像处理和操作 从反向来说 研究数 字东留的攻击和及其对策 能够促进数字水印系统朝着更高的鲁棒性方向发展 具备更强的抗攻击能力 3 嵌入容量和强度 在保证不可感知性和载体一定的前提下 希望在载体 中传送更多的信息 这就意味着隐藏信息的数据率要高 另外 也薷望嵌入信 息的强度较高 这可以增强信息隐藏系统的鲁棒性 但会减弱数字水印的不可 感知性和安全性 所以要均衡考虑这个问题 掩密术对容量的要求较高 否则 隐蔽通信的价值将大大降低 而数字水印则对载体的视觉质量要求较高 在信息隐藏技术的所有分类中 主要的应用是以下2 个方簧 1 数字水印 数字水印技术是指在数字产品中嵌入一些数字信息来证明数 字版权的所有者 内容 版权 认证信息 完熬性等 被嵌入的数字信息可以 是作者的签名 产晶的序列号 公司的名称和标识等信息 这些信息将长期驻 留在数字产品中 在需要的时候通过水印检测算法提取出水印信息 以此来跟 踪盗版和确认盗版行为1 1 5 由于数字水印嵌入算法只对宿主载体做微小的改动 所以数字水印的嵌入不会影响数字产品的使用 2 隐蔽通信 c o v e r tc o m m u n i c a t i o n 信息隐蔽透信可以认为是继 数字水 印 之后引发人们去研究的同类技术的另一个方面的问题 隐蔽通信主要研究 如何利用公网和多媒体数字产品进行信息隐藏从而实现秘密信息的安全传递 对于在本文中重点研究的数字水印技术 下文将会进行详细讨论和研究 2 2 数字水印概述 2 2 i l 数字水印技术 数字水印它是利用数字作品中普遍存在的冗余数据与随机性把版权信息嵌 入在数字作品中 从褥起到保护数字作品版权或完整性的一种技术 与信息隐 藏不同的地方是它对鲁棒性要求较高 对于攻击者 即使知道水印的存在 要 保证原始媒体质量的同时破坏水印也是很困难的 水印在承载媒体中可嵌入的 数据量远小于信息隐藏所能嵌入的信息量 它提供了一种不可感知的修改数字 作品且不必修改作品本身数据格式和数据量大小就可在其中附加安全信怠 水 印 的合理机制 其宿主媒体可以是图像 声音 文本或者视频等各种各样的数 9 武汉理 1 i 人学硕士学位论文 字作品 它将信息秘密隐藏于宿主数字媒体之中 一如作者的数字签名 网期 公司的商标或随机序罗l 等 用以证明作者的版权 并可作为解决舨权冲突 起 诉非法侵权的证据 从信号处理的角度来看 在载体中嵌入数字水印信号可以视为在强背景 原 始载体 下叠加一个弱信号 水印 由于人的视觉系统 h u m a nv i s u a ls y s t e m h v s 听觉系统 h u m a na c o u s t i c a ls y s t e m h a s 的分辨率受到一定的限制 若 叠加的水印信号幅度低于h v s 或h a s 的对比度门限 人的视觉和听觉系统就 感觉不到信号的存在 由于对比度门限值受到空间 时问和频率特性的影响 所以只要嵌入的水印信息不明显地改变载体视觉质量 就可以在不雩 起入感知 的情况下嵌入水印信息 2 2 2 数字水印的特征 数字水印基本特征可归纳如下1 1 6 l 1 不可感知性 不可感知性也称作感知透明性 指嵌入水印之后的图像 在人眼视觉范围内感觉不到变化 要求有很好的不可见性 在大多数水印算法 中 都要求嵌入的水印不影响宿主数据的感知质量 评价不可感知性的标准包 括主观评价标准和客观评价标准 主观评价标准是观察者根据一些事先规定的 评价尺度或自己经验 对测试图像按照视觉效果进行质量判断 并给出质量分 数 对所有观察者给出的分数进行加权平均 所得结果即为图像的主观质量评 价 这种方法只能大致地反映出图像的直观质量 无法定量的描述算法的质量 在实际应用中主观质量评价方法会受到限制 不适合某些应用场合 常用客观 评价标准包括峰值翁嗓院 p e a ks i g n a ln o i s er a t i o p s n r 均方差 m e a ns q u a r e d e r r o r m s e 归一化互相关系数 n o r m a l i z e dc o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t n c 等 2 鲁棒性 鲁棒性是指一个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 噪声污染和尺寸变化等等 当被保护的信息经过某种改动后 比如在传输 压缩 滤波 图像的几何变换如平移 伸缩 旋转和剪裁等处理下 鲁棒性强 的水印算法能从水印图像中提取出嵌入的水印戏证明水印的存在 为了确定图 像中是甭含有水印 可采用归一忧糨关系数n c 对提取出韵承印和原始永印的 相似性进行定量检测 n c 值越大 表示提取出的水印与原始水印的相似程度越 1 0 武汉理l 人学硕十学位论文 高 说明水印的鲁棒性越好 3 安全性 水窜认证系统的安全性依赖于密钥 这要求密钥空闻毖须足 够大 保证难以利用其它相关信息被推导出来 不同密钥产生的水印信号间应 该是不相同的 检测时必须拥有难确的密钥才能正确检测 否则检测失败 从 而增强了水印认证的安全性 如果需要设计一个版权保护系统 需要考虑密钥产 生 密铜分发及密铜管理等问题 因此加大密码保密力度也是认证信患安全和 进行信息保密的主要保障措施 4 可检测性 对于易损水印系统或者半易损水印系统 要求水印的检测 必须是翕检测 否则没有任何意义 对于鲁棒水印 曩爵的水印方案基本上都 是非盲检测水印方案 比如 当前最流行的扩频水印方案 由于盲检测水印方 案公证机构不需要对原始图像注册 因而更具优越性 5 无损性 水印的嵌入不应当损失载体的原有信息 上述数字水印的特征中 鲁梅性 不可感知性和安全性怒最基本的特征 2 2 3 数字水印的分类 随着数字水印技术的应用领域的不断拓展 越来越多的行业根据各融的需 求研究这一技术 得到了各种不同的数字水印系统 从不同的角度看主要有以 下几种划分方法l j 1 按鲁棒性来分 可分为易脆永印 半易脆水印和鲁棒性水印 易损水印很容易被破坏 要求具有很高的图像变化敏感性 极其细小的图 像变动也会影响数字水印的提取和检测 故可利用此类水印进行图像篡改的提 示和图像数据完整镶的检测 其主要用于信息的完整性谈证和内容保护等方 面 但对鲁棒的数字水印而言 则要求水印嵌入载体之后 不会因载体经过一 些信号处理而丢失 此类水印对常见图像的处理操作有较强的抵抗力 适用于 媒体的舨权保护及真伪鉴别等 2 按水印隐藏的位置划分为时域数字水印 频域数字水印和时间 尺度域 数字水印 时域数字水印是直接在信号空间上叠加水印信息 面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三 武汉理1 7 人学硕十学能论文 种 实际上只要构成 种信号变换 就有可能在其变换空问上隐藏水印 相比较与时域数字水翻 变换域数字求馨算法具有以下几个主要优点 在频率域中嵌入的水印信号 其能量可以分布到空间域的所有像素上 有利于保证不可见性 在频率域 h v s 的某些特性 妇视觉掩蔽特性 频率掩蔽特性 可以更方 便地结合到水印编码过程中 有幂 j 子鲁棒性的提蒿 变换域的方法可与国际数据压缩标准兼容 对有损压缩和其他的信号处 理具有较强的免疫力 3 按永印的检测过程是否需要原始图像可将水印分为瞬文水印和盲水印 为了不影响载体信息的使用质量 盲水印将是今后的主要发展方向 在提取或检测水印的过程中如果需要原始图像数据来提墩水印信号 则称 为非盲水印 否则称为盲水印 般情况下 非盲水翠比盲水印更安全 但其 应用受到存储成本的限制 所以露翦学术界研究的数字水印大多数是畜水印 是水印算法发展的方向 4 从外观感觉上分类 可分为可见水印和不可见水印 可冤本印 轿s 两l ed i 季t a lw a t e r m a r k i n g 嚣的主要在于明确标识版权 防止 非法的使用 虽然降低了资料的商业价值 却无损于所有者的使用 不可见水 印 i n v i s i b l ed i g i t a lw a t e r m a r k i n g 在视觉上是不可见的 严格说是无法察觉 目 的是为了将来作为起诉j 法使用者的证据 从褥保护原创者翱所有者的版权 以上提到的变换域数字水印基本上是不可见数字水印 另外 还有其他 些分类方法 按水印所附载的媒体划分图像水印 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 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 按含水印图像在检测端完全 还原为原始图像可以分为可逆水印和不可逆水印 按水印的用途 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 2 2 4 数字水印系统模型 纵观目前所有的水印方案 可以发现水印系统一般由两部分组成 即水印嵌 入系统和永印检测系统 它可以定义为夕 元体 矩 x 驴 趸 g e m e x d 东 印嵌入和检测系统分别如图2 1 和图2 2 所示 l s l 而作为水印信息的重要组成部 武汉理l 人学硕十学能论文 分 密钥 则是每个设计方案的 个重要特色所在 水印信号 w 图2 1 水印信号的嵌入模型 印提取 篦法 e x 水印 产晶 x 水印检测 算法 d 东印蠢 或无 图2 2 水印信号的提取模型 图2 1 为水印信号的嵌入模型 其功能是完成将水印信号加入原始数据中 图2 2 为水印信号提墩模型 完成从水印数据中提取出东印信号 水窜信号的检 测用以判断某一数据中是否含有指定的水印信号 水印提取能够显示出作晶的 版权 而水印检测则只需要判断水印信号中是否嵌入某一水印 比如扩频水印 采用的相关检测方法 如果相关值大子某一阙值 则认为东印信号孛存在水印 下面图中分别给出了水印的嵌入与检测过程 1 m 代表所有可能原始信息的集合 2 g 表示利用原始信息m 密钥k 和原始数字产品z 共同生成水印的预处 理算法 3 k 代表水印密钥k 的集合 4 代表所有由原始信息的集合m 和水印预处理算法g 生成的水印信号 w 的集合 w 一6 m k 2 1 5 爿代表所要保护的数字产品的集合 6 e m 表示将水睇 嵌入数字产品x 中的嵌入算法 为了提高安全性 有 时在嵌入算法中也包含嵌入密钥1 1 铷捌 x 一e m x 形 2 2 7 歇表示水印提取算法 将水印信号w 麸含水印的数字产品盖 中完整的 提取出 1 3 武汉理1 入学硕十学能论文 w e x x 2 3 8 移表示水印检测算法 判断含水印的数字产品x 中是否有水印信号w f 0 烈 卜茁 w i f w i sn o t 川i nx 2 4 堪唧弧汛x1 2 3 数字水印的典型算法及攻击类型 2 3 1 数字水e 雾的典型算法分类 目前数字水印主要有空间域和变换域两类算法 1 空间域算法 最低有效位方法 l e a s ts i g n i f i c a n tb i t 1 2 1 将水印信息嵌