（信号与信息处理专业论文）倒谱域彩色图像水印算法研究.pdf

论文题目 专业 硕士生 指导教师 倒谱域彩色图像水印算法研究 信号与信息处理 张杨梅 张敏瑞 摘要 签名 放趁龌 签名 数字水印作为保护数字媒体信息安全的有效方法 近年来已引起人们极大的兴趣与 注意 人们同常生活中接触最多的是图像 且彩色图像在人们生活中变得越来越重要 本文重点研究彩色图像水印技术 论文介绍了数字水印技术的起源 应用 图像水印的概念 要求及图像水印算法的 研究现状 阐述了倒谱分析和彩色图像相关基础 探索了适合嵌入水印的彩色分量 重 点研究了作者提出的两种可用于版权保护的倒谱域彩色图像水印 在一维倒谱域图像水印算法的基础上 本文提出了第一种算法 二维倒谱域彩色图 像水印算法 该算法将水印信息嵌入到彩色宿主图像蓝色色差分量c 的二维倒谱系数 中 仿真实验结果表明算法对j p e g 压缩 中值滤波 尺度变换 旋转等常见攻击具有 比一维倒谱算法更强的鲁棒性 为了探讨倒谱分析与其它变换域方法相结合的可能性 本文提出了第二种算法 第 一次将小波变换与倒谱分析结合起来实现水印嵌入 宿主图像的c 分量经小波变换和 二维倒谱变换后 嵌入水印信息 仿真实验表明算法能够有效抵抗多种常见攻击 如 j p e g 压缩 中值滤波 尺度变换 旋转等 关键词 图像 水印 倒谱变换 小波分析 研究类型 理论研究 s u b j e c t o nc o l o ri m a g ew a t e r m a r k i n g a l g o r i t h m si nc e p s t r u m d o m a i n s p e c i a l t y s i g n a l i n f o r m a t i o np r o c e s s i n g n a m e z h a n gy a n g m e i i n s t r u c t o r z h a n gm i n r u i a b s t r a c t s i g n a t u s i g n a t u d i g i t a lw a t e r m a r k i n g a sa ne f f e c t i v em e a n sf o rp r o t e c t i n gd i g i t a lm e d i ai n f o r m a t i o n s e c u r i t y h a sa l r e a d ya r o u s e dp e o p l e se x t e n s i v ei n t e r e s t sa n da t t e n t i o n i no u rd a i l yl i v e s i m a g e sa r eo n eo ft h em e d i u mw em o s tc o n t a c tw i t h a n dc o l o ri m a g e sa r eb e c o m i n gm o r e a n dm o r ei m p o r t a n t s ot h i st h e s i sf o c u s e so nc o l o ri m a g ew a t e r m a r k i n gt e c h n i q u e s f i r s t l y t h eo r i g i n a p p l i c a t i o no fd 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 t h ec o n c e p t s r e q u i r e m e n t sa n dt h ep r e s e n tr e s e a r c hs i t u a t i o no fi m a g ew a t e r m a r k i n ga r ei n t r o d u c e d c e p s t r u ma n a l y s i s c o l o ri m a g e sa n do t h e rr e l a t e dk n o l e d g e sa r ed e s c r i b e di nd e t a i l t h e n t h e a p p r o p r i a t ec o l o rc o m p o n e n tw h i c hf i t st ob ei n s e r t e daw a t e r m a r ki si n v e s t i g a t e d f i n a l l y t w oc o l o ri m a g ew a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m si nc e p s t r u md o m a i nw h i c hc a nb eu s e di nc o p y r i g h t p r o t e c t i o na r ep r o p o s e da n ds t u d i e di nd e p t h t h ef i r s ta l g o r i t h mi sb a s e do n2 dc e p s t r u mt r a n s f o r m a t i o n a ni m a g ew a t e r m a r ki s e m b e d d e di nt h e2 一dc e p s t r a lc o e f f i c i e n t so fi t sb l u ec h r o m a t i s mc o m p o n e n t c b o ft h ec o l o r h o s ti m a g e s i m u l a t i n gr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ea l g o r i t h mi sr o b u s tt oc o m m o na t t a c k ss u c ha s j p e gc o m p r e s s i o n m e d i a nf i l t e r i n g s c a l i n g r o t a t i o n e t c t h es e c o n da l g o r i t h m f o rt h ef i r s tt i m e e m b e d saw a t e r m a r ki n t oac o l o ri m a g e c o m b i n e i n gw a v e l e ta n a l y s i sw i t hc e p s t r u mt r a n s f o r m t h ec bc o m p o n e n to fah o s ti m a g ei s t r a n s f o r m e dw i t hw a v e l e ta n dc e p s t r u m a n dt h e ne m b e d d e dw i t haw a t e r m a r k s i m u l a t i o n s s h o wt h a tt h i sa l g o r i t h mc a nr e s i s ta t t a c k ss u c ha sj p e gc o m p r e s s i o n m e d i a nf i l t e r i n g s c a l i n g r o t a t i o n e t c e f f e c t i v e l y k e yw o r d s i m a g e w a t e r m a r k c e p s t r u mt r a n s f o r m w a v e l e ta n a l y s i s t h e s i s b a s i cr e s e a r c h 西妻彳爹技太肇 学位论文独创性说明 本人郑重声明 所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究王作 及其取得研究成果 尽我所知 除了文中加以标注和致谢的地方外 论文中不 包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得西安科 技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料 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徽了明确的说甓并表示了谢意 学位论文作者签名 狄物梅日期 p 叼 厶 7 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定 即 研究生在校攻读学位期 闻论文工作的知识产权单位属于西安科技大学 学校有权保留并翻国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版 本人允许论文被查阅和借阅 学校可以 将本学位论文麓全部或部分杰容编入有关数据麾进行检索 可以采雳影留 缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 同时本人保证 毕业后结合学位 论文研究课题褥撰写的文章一律注明作者单位为骶安科技大学 保密论文待解密后适用本声明 学位论文作者签名 堤杨梅 指导教师签名 跏扩年r 月彳e t 1 绪论 1 1 研究意义和背景 1 绪论 近年来 随着信息技术的飞速发展 数字化产品大量涌现 人们可以方便地利用数 字设备制作 处理和存储图像 语音 文本和视频等信息媒体 与此同时 数字网络通 信正在飞速发展 使得信息的发布和传输实现了 数字化 和 网络化 数字化产品 的易复制性虽然给人们的生活带来了极大便利 但其负面效应也在相当程度上成为信息 产业健康持续发展的障碍 这样就引发出数字信息传输的安全问题和数字产品的版权保 护问题 如何在网络环境中实施有效的版权保护与认证 c o p y r i g h tp r o t e c t i o na n d a u t h e n t i c a t i o n 和信息安全 i n f o r m a t i o ns e c u r i t y 手段 已经引起了国际学术界 企业界 以及政府有关部门的广泛关注 其中 如何防止数字产品 如电子出版物 音频 视频 动画 图像产品等 被侵权 盗版和随意篡改 已经成为世界各国亟待解决的热门课题 目前的信息资源系统 如数字图书馆 远程教育系统等 广泛采用对网络资源的访 问控制机制 它通过本地网或广域网控制某些i p 地址或终端的连接 限制某些用户的 访问权限 从而有效地防止非法用户对计算机系统的访训 但是 如果用户以合法账 号得到多媒体信息 再对数据进行非法复制和传播 则安全访问控制机制就无能为力了 密码技术是信息安全技术领域的主要传统技术之一 一般采用将明文加密成密文的 秘密密钥系统或公开密钥系统 其保护方式都是控制文件的存取 即将文件加密成密文 使非法用户不能解读 2 传统的加密方法对多媒体内容的保护和完整性认证具有一定的 局限性 首先 随着计算机处理能力的快速提高 单靠通过密钥长度以增强保密系统的 可靠性已不再是唯一可行的办法了 而且只有被授权持有密钥的人才可获得经过加密后 的信息 这样就无法通过公共系统让更多的人获得他们所需要的信息 其次 加密方法 只用在通信的信道中 一旦被解密 则信息就完全变成明文 一旦信息被非法破密 就 没有任何直接证据来证明信息被非法复制和转发 另外 密码学中的完整性认证是通过 数字签名方式实现的 但这种数字签名在数字图像 视频或音频中的应用既不方便也不 实际 因为在原始数据中需要加入大量的签名 另一方面 多媒体技术已被广泛应用 需要进行加密 认证和版权保护的音像数据也越来越多 因此 为了弥补密码技术的缺陷 人们迫切需要一种替代技术或是对密码学进行补 充的技术 使解密后的内容仍能受到保护 近十几年来国际上提出的数字水印技术就是 这样一种新的有效的数字产品版权保护和数据安全维护的技术 一方面弥补了密码技术 的缺陷 因为它可以为解密后的数据提供进一步的保护 另一方面 也弥补了数字签名 技术的缺陷 因为它可以在原始数据中一次性嵌入大量的秘密信息 作为信息隐藏技术 西安科技大学硕士学位论文 在计算机领域的一项重要应用 数字水印已成为传统加密方法的有效补充手段 是一种 可以在开放的网络环境下保护版权和认证来源及完整性的新技术 近年来已引起了人们 的高度重视 并已成为多媒体信号处理领域的一个研究热点 数字水印技术自1 9 9 3 年 3 j 提出以来 已经引起工业界的浓厚兴趣 并日益成为国际 上非常活跃的研究领域 目前 世界各国的科研机构 大学和商业集团都积极的参与或 投资支持数字水印的研究 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 t t 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 朗讯贝尔实验室等都在进行这方面的研究工作 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己逐步从技术跟踪转向深入系统 研究 我国学术界在信息安全领域的权威何德全院士 周仲义院士 蔡吉人院士等人的 联合发起下 于1 9 9 9 年1 2 月在北京电子技术应用研究所召开了我国第一届信息隐藏学 术研讨会 进一步促进了我国数字水印技术的发展 现在国内已经出现了一些生产水印 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 年在上海创办的一家专门从事数字防伪技术 多媒体信息和网络安全等软硬件研发 公司 上海阿须数码技术有限公司 4 j 这家公司现从事数字认证 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 从1 9 9 4 年至今 仅国内期刊上有关数字水印技术研究的论文就有近3 0 0 0 篇 从1 9 9 9 年至今 已经毕业 的硕博士生中就有至少7 0 0 多人研究数字水印技术 图像是人们日常生活接收信息的一种主要方式 它包含的信息量非常大 因此在信 号处理中图像处理占据了很重要的地位 而数字水印技术最早的文献也是关于图像水印 的 虽然数字水印技术有图像水印 音频水印 视频水印 文本水印等多类 但目前大 多数有关水印的学术文献都是图像水印方面的 因此可以说 图像水印技术的研究具有 极其重要的学术价值及广阔的应用前景 本文选中了这一重要方向 图像水印技术作 为主要研究内容 本课题来源于作者导师的多个省市级科研项目 是这些纵向科研项目的后续研究 并受到博士学位获得者科研启动项目 倒谱域图像水印算法研究 的资助 1 2 数字水印技术的起源与应用 1 2 1 数字水印技术的起源 数字水印技术是从信息隐藏和传统水印技术发展而来的 信息隐藏是传统水印产生 的基础 传统水印又是数字水印产生的基础 信息隐藏 也称为信息伪装 s t e g a n o g r a p h y 意思是将有用或重要的信息隐藏于其他信息罩面以掩饰其存在 描述 2 1 绪论 信息隐藏的最早文献是历史学之父h e r o d o t u s 于公元前4 0 0 多年写的 历史 在这本书 中他介绍了发生在公元前4 4 0 年左右的一个历史故事 h i s t a i e u s 为了通知他的朋友发动 暴动来反抗米提亚人和波斯人 将一个忠实仆人的头发剃掉后在头皮上刺上信息 等到 仆人头发长出来后把他送到朋友那里 他的朋友将这个仆人的头发剃掉就获得了秘密信 息 这只是信息隐藏的一种雏形 后来又出现了隐写术 在二次世界大战中得到了广泛 的应用 使用最广泛的隐写方法恐怕要算化学隐写了 牛奶 白矾 果汁等都曾充当过 隐写药水的角色 最早的水印就是在纸张中的水印 在历史记录里发现的最古老的带水印的纸张出现 在大约7 0 0 多年以前 这种纸起源于意大利的f a b r i a n o 该城市当时约有4 0 家造纸厂 生产具有不同式样 质量和价格的纸 造纸厂之间的竞争很激烈 为了能够跟踪纸张的 来源以及对纸张的式样和质量进行鉴定 当时发明并使用了水印技术 这些水印是通过 在纸模中加细线模板制造出来的 纸在存在细线的区域会略薄一些 从而会更透明些 这些标识就是水印 在平常不易看出 只有对着强光才能看清 到了十八世纪 水印被 用作商标 用于钱和其他文件的防伪措施 将近十八世纪末期 水印 这个术语似乎 已经形成 同时伪币制造者开始开发一种技术 来伪造用于纸币防伪的水印 可以说 人类早期使用的保密通信手段大多数属于密写而不是密码 但与密码技术 相比 密写术始终没有发展成为一门独立的学科 其中的主要原因是密写术缺乏必要的 理论基础 世界上最早的电子水印 e l e c t r o n i cw a t e r m a r k i n g 技术可追溯到19 5 4 年 当时 美国 m u z a k 公司的埃米利 希姆布鲁克 e m i lh e m b r o o k e 为带有水印的音乐作品申请了一项 题为 声音和类似信号识别 的专利 这是一种与数字方法类似的技术 该专利描述了 一种将标识码不可感知地嵌入到音乐中而证明所有权的方法 5 j 在这项专利中 通过间 歇性地应用中心频率为l k h z 的窄带陷波器 在音乐中插入了认证码 该频率上能量的 缺失表明使用了陷波滤波器 缺失能量的持续时间表示为点或长划 认证信号使用了莫 尔斯电码 1 9 7 9 年 s z e p a n s k i 描述了一种机械探测模式 它可以用在文件上起到防伪 效果 九年后h o l t 等人阐述了一种在音频信号中嵌入认证码的方法 早期的数字水印技术是针对数字图像进行研究的 关于该技术的论述始见于1 9 9 3 年8 月c a r o n n i 在瑞士发表的一份德文技术报告1 3 j c a r o n n i 在报告中提出了完整地跟踪 图像非法传播的系统 建议用信号调制对图像进行标识并把这一过程命名为标记 t a g g i n g 同年1 2 月 t r i k e l 等人在澳大利亚悉尼召开的一个学术会议上提出了电子水 印 e l e c t r o n i cw a t e r m a r k l 拘说法 6 提出用最低有效位方法将信息嵌入到随机选择的图像 点中最不重要的像素位中 从而保证水印的不可见性 1 9 9 4 年v a ns c h y n d e l 发表了一篇 题为 ad i g i t a lw a t e r m a r k 的文章 7 j 这是第一篇在主要会议上发表的关于数字水印的 文章 其中阐明了一些关于水印的重要概念 它被认为是一篇具有历史价值的文献 其 西安科技大学硕士学位论文 后国际学术界陆续发表有关数字水印的文章 且文章数量呈快速增长趋势 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 e s 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 so n c 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 fa c m 等 相继出版了数字水印的专辑 其中19 9 6 年在英国剑桥牛顿研究所召开了第一届国际信息隐藏学术研讨会 这标志着一门新兴的 交叉学科 包括数字水印在内的信息隐藏学的正式诞生 1 2 2 数字水印技术的应用领域 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 大体来说 数字水印可以分为以下几个应用领域 1 版权保护 为了保护知识产权 数字作品的所有者可用密钥产生一个水印 并将 其嵌入到原始数据中 然后公开他的水印版本作品 当该作品被盗版或出现版权纠纷时 所有者就可以利用从盗版作品或水印产品中获取水印信号作为依据 从而保护所有者的 权益 2 数据认证 认证的目的是检测图像数据的修改 可用易碎水印 f r a g i l ew a t e r m a r k 实现图像认证 为便于检测 易碎水印对某些变换具有较低的稳健性 而对其它变换的 稳健性更低 3 篡改提示 当数字作品被用于法庭 医学 新闻及商业时 常常需要确定其内容 是否经过修改 伪造或特殊处理 为实现该目的 通常将原始图像分成多个独立块 每 个块中加入不同的水印 为确定其完整性 可通过检测每个数据块中的水印信号来确定 作品的完整性 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 4 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i 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 就可 以根据此拷贝所恢复出的指纹来确定它的来源 5 广播监控 所谓广播监控就是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 水印利用自身嵌入在内容之中的特点 无须利用广播信号的某些特殊片段 因而能够完全兼容于所安装的模拟或数字的广播基础设备 6 拷贝控制 所谓拷贝控制就是使用水印来告知录制设备不能录制什么内容 一个 典型的例子是d v d 防拷贝系统 将含有数字水印技术的模块加入到d v d 防拷贝系统 中 利用水印的鲁棒性将拷贝管理系统的数据保护起来 保证进行拷贝控制的数据不会 被轻易除去 以此保护制造商的利益 7 数据隐藏 数字水印不仅用于上述保护目的 还可用于数据隐藏等其它用途 由 于各国政府对对加密业务使用的限制 人们可利用水印技术将私人秘密消息作为水印隐 藏于其它数据中传递 4 1 绪论 1 3 图像水印系统和基本要求 1 3 1 图像水印系统的基本要求 本文主要研究不可见图像水印 下面对不可见图像水印的基本要求做简单介绍 8 1 透明性 i n v i s i b i l i t y 也称不可见性 即水印的存在不应明显干扰被保护的图像数 据 通常需要利用人类视觉系统特性来进行水印处理 从而使含水印图像没有明显的主 观降质现象 而嵌入的水印却无法人为地看见 而对于广告和版权通知应用场合 则通 常会利用可见水印技术来起到广告宣传或警示作用 2 鲁棒性 r o b u s t n e s s 鲁棒性 也称稳健性 是指含水印产品在经过常规信号处 理操作后仍能检测出水印的能力 对图像的常规处理操作包括空间滤波 有损压缩 打 印与拷贝 几何形变 旋转 平移 缩放及其他 等等 3 安全一 生 s e c u r i t y 指水印算法抵抗恶意攻击的能力 即它必须能够承受一定程度 的人为攻击 而使水印信息不会被删除 破坏或窃取 应该保证非授权用户无法检测或 破坏水印 即使在水印算法或相关知识公开的情况下 4 水印容量 w a t e r m a r k i n gc a p a c i t y 水印应该能够包含相当的信息量 以满足多 样化的需要 水印所能嵌入的信息量取决于水印具体的应用 5 盲检测和自恢复性 盲检测是指水印的检测和提取不需要原始图像的参与 而自 恢复性则是指含水印图像经过一些操作或变换后 可能会产生较大的失真或破坏 如果 只从留下的片段数据仍能恢复水印信号 而且恢复过程不需要原始图像参与 这就是所 谓的自恢复性 6 确定性 u n a m b i g u o u s 水印所携带的信息能够被唯一确定地鉴别 一般而言 上述特性要求之间通常是相互竞争和矛盾的 实际应用中不可能使它们 同时达到最佳 只能根据需要在不同特点之间有所取舍或者设定可调范围 1 3 2 图像水印系统的基本模型 数字图像水印的处理主要包含两个基本的方面 水印的嵌入和水印的提取或检测 整个水印系统还应包括外界的攻击过程 数字图像水印系统的嵌入过程如图1 1 所示 其功能是将水印信息嵌入到宿主图像 中 西安科技大学硕士学位论文 水印信息 宿主图像 密钥 含水印图像 图1 1 数字图像水印嵌入过程框图 一般地 水印的嵌入采用以下准则 x f z f a w i 1 1 x f x f 14 口w f 1 2 x f x f e a x u 1 3 其中口是控制水印嵌入强度的参数 参数口的选择必须同时考虑图像的性质和视觉系统 的特性 第一种嵌入算法仅适用于x f 值不是很大的情况 当a x i 值较小时 后两种 嵌入算法的效果基本相同 水印的提取或检测过程如图1 2 所示 其功能是从待检测图像中提取出水印信号 水印在提取和检测时可以需要原始宿主图像的参与 也可以不需要 原始宿主图像 待测图像 密钥 水印 图1 2 数字图像水印检测过程框图 1 4 图像水印分类 数字图像水印的分类方法有很多种 最常见的分类方法包括以下几类网 1 按照数字水印的感知嵌入结果划分 可划分为可见水印和不可见水印 可见水印 v i s i b l ew a t e r m a r k 是可以看见的水印 就像插入或覆盖在图像上的标识 与可视纸张中 的水印相似 可见水印主要用来可视地标识那些可在图像数据库中得到的或在i n t e m e t 上得到的图像的预览来防止这些图像被用于商业用途 不可见水印 i n v i s i b l ew a t e r m a r k 是一种应用更加广泛的水印 它加在图像中 表面 上是不可察觉的 但是当发生版权纠纷时 所有者可以从中提取出标记 从而证明该物 品为某人所有 目前学术界研究的绝大部分都是不可见水印 2 按照数字水印的稳健性划分 分为稳健性水印和脆弱性水印 脆弱性水印又称易 6 1 绪论 碎水印 f r a g i l ew a t e r m a r k 当嵌入水印的载体数据被修改时 通过对水印的检测 可以 判定载体是否被修改或进行了何种修改 稳健性水印 r o b u s tw a t e r m a r k 是指加入的水印不仅能抵抗非恶意的攻击 而且要求 能抵抗一定失真内的恶意攻击 并且一般的数据处理不影响水印的检测 通常稳健性水 印主要用于版权保护 脆弱性水印用于数据的完整性保护 3 按照数字水印隐藏的位置划分 可分为空间域水印和变换域图像水印 空间域水 印指直接在图像信号的空间域中嵌入水印信息 即对像素值进行变换从而隐藏信息 变 换域水印指将水印信息嵌入到数字作品的某一变换域中 常见的变换域水印算法使用下 列变换 离散傅立叶变换 d f t 离散余弦变换 d c t 离散小波变换 d w t 和分形变换 等 4 按照水印提取或检测时是否需要原始图像划分 可分为非盲水印 n o n b l i n d w a t e r m a r k 半盲水印 s e m i b l i n dw a t e r m a r k 和盲水印 b l i n dw a t e r m a r k 非盲水印在检 测过程中需要原始数据和原始水印的参与 半盲水印则不需要原始数据 但需要原始水 印来进行检测 盲水印的检测只需要密钥 既不需要原始数据 也不需要原始水印 目 前学术界研究的数字水印大多数是半盲水印或者盲水印 5 按照水印内容划分 可分为有意义水印和无意义水印 有意义水印指水印本身也 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 列号或一段随机数 6 按照水印的用途划分 可分为票据防伪水印 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 版权保护水印是目前研究最多的一类 主要强调隐蔽性和稳健性 对水印数据量的 要求相对较小 篡改提示水印是一种脆弱水印 其目的是标识载体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 1 5 数字图像水印算法研究现状 对图像水印技术的研究根据水印嵌入时对载体图像采取的变换形式可分为空间域 水印技术和变换域水印技术 数字水印研究人员普遍认为变换域水印比空间域水印具有 更好的稳健性 因此近年来提出了大量的变换域数字水印方案 下面对空域图像水印和 变换域图像水印分别作简单介绍 1 5 1 空间域图像水印算法 早期人们对数字水印的研究基本上是基于空间域的 空间域水印处理使用各种各样 的方法直接修改图像的像素 将数字水印直接加载在数据上 这种算法相对简单 实时 7 西安科技大学硕士学位论文 性较强 但在鲁棒性上不如变换域算法 1 最低有效位方法 这是一种典型的空间域数据隐藏方法 r c tv a ns c h y n d e l 等 7 利用此方法将特定的 标记隐藏于数字图像的最低几个比特面中 文献 7 是第一篇在重要国际会议上发表的关 于数字水印的文章 v a ns c h y n d e l 等在文中针对灰度图像提出了两种向图像最低有效位 l s b l e a s ts i g n i f i c a n tb i t 中添加水印的方案 他们利用一个扩展m 序列作为水印并把 它嵌入到图像每行像素的最低有效位 在进行数字图像处理和图像变换后 图像的低位非常容易改变 攻击者只需通过简 单地删除图像低位数据或者对数字图像进行某种简单数学变换就可将空间域l s b 方法 加入的水印信息滤除或破坏掉 因此同变换域的方法相比 这种方法的鲁棒性较差 尽 管如此 由于其实现简单 隐藏量比较大 水印透明性较好 以l s b 思想为原型 又 出现了一些变形的l s b 方法 目前互联网上公开的图像信息隐藏软件大多使用这种方 法 2 文档结构微调法 b r a s s i l 等人在文献 1 0 中提出了三种在通用文档图像 p o s t s c r i p t 中隐藏特定二进制 信息的技术 水印信息通过轻微调整文档的结构来实现编码 包括垂直移动行距 水平 调整字距 调整文字特性 如字体 该方法可以抵抗一些标准的文档操作 如照相复 制和扫描复制 但也极易被经验丰富的攻击者破坏 而且仅适用于文档图像类 3 p a t c h w o r k 方法及纹理块映射编码方法 这两种方法都是b e n d e r 等人提出的 w b e n d e r 等人于1 9 9 5 年提出了一种称为 拼 凑 p a t c h w o r k 的信息隐藏方法 1 1 1 这是一种基于统计的数字水印嵌入方案 该算法的 基本思想是根据密钥随机选择n 对图像点 在增加一点亮度的同时 相应降低另一点的 亮度值 通过这一调整过程完成水印的嵌入 该算法隐蔽性好 对j p e g 压缩 f i r 滤 波和图像裁剪具有一定的抵抗力 但嵌入的信息量有限 尽管如此 在不知道随机数字 水印密钥的情况下 要想移除水印仍然非常困难 除非破坏图像的视觉质量 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 纹理块映射编码方法则是将数字信息隐藏于数字图像的任意纹理部分 该方法对于 滤波 压缩和扭转等操作具有抵抗能力 但仅适于具有大量任意纹理区域的图像 而且 尚不能完全自适应 4 p i t a s 方法 p i t a s 在文献 1 2 中提出了一种基于统计检测理论的空间域水印算法 借助伪随机数 技术把图像划分为2 个相同大小的部分 通过调整能量差来嵌入水印 该算法同时作为 空间域数字水印和公开数字水印的经典实例 是信息隐藏分析者研究较多的一个水印方 案 8 1 绪论 空间域水印算法的最大优点就是具有较好的抗几何失真能力 最大弱点就在于抗信 号失真的能力较差 实际上 在空间域算法中 重要的一大类算法是脆弱水印或半脆弱 水印算法 因为这类算法具有对攻击的空间位置的定位能力 因此 后期人们研究的空 间域算法多用于内容认证或篡改提示 1 5 2 变换域图像水印算法 变换域数字水印算法是在变换域中的某些系数里嵌入水印 一般基于常用的图像变 换 基于局部或是全局的变换 包括离散余弦变换 d c t 离散小波变换 d w t 离散 傅立叶 d f t 等 1 d c t 域数字水印算法 1 9 9 5 年 k o c h 和z h a o 首先利用d c t 分解设计了变换域图像水印算法 l 引 他们不 是把水印加载在整幅图像的d c t 变换系数中 而是随机地选取图像的一些区域进行变 换 然后加以改动用以嵌入水印 最早的基于分块d c t 的水印技术由k o c h 和z h a o 于1 9 9 5 年提出 l 训 该算法首先 将图像分割成8 8 小块并计算每一个小块的离散余弦变换 然后从预定义的1 2 个系数 对中随机地选择一个中频系数对 最后通过修改所选择的中频系数对嵌入比特信息 两 个中频系数的差值可以是正数也可以是负数 这决定于所嵌入的比特值是 0 还是 1 为了符合j p e g 压缩标准 在修改d c t 系数时同样考虑了j p e g 量化矩阵 c o x 等人提出了基于图像全局变换的数字水印算法 l5 1 明确提出加载在图像的视觉 敏感部分的数字水印才能有较强的稳健性 他们的水印方案是先对整个图像进行d c t 然后将水印加载到d c t 域中幅值最大的前k 个系数上 除去直流分量 通常为图像的 低频分量 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 可经 受有损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 b a m i 等提出一种利用h v s 掩蔽特性的基于d c t 的水印算法 1 6 1 在水印嵌入阶段 对n x n 的图像进行n x n 的d c t 变换 对d c t 系数作z i g z a g 扫描重新排列为一维向 量 留下向量中开始的l 个系数不作修改 对第l 个系数后面的m 个系数进行修改以 嵌入水印 此外 h s u s w a n s o n 以及w o l f g a n g 等也分别在d c t 域提出了很多有实际意义的 方法 1 7 9 1 2 d w t 域数字水印算法 最早的几篇关于d w t 域水印算法的文献是文献 2 0 和文献 2 1 d e e p ak u n d u r 等在 文献 2 2 中提出了一种基于小波变换的私有水印和公开水印算法 前者将图像和要嵌入 的水印信息分别做小波分解 根据视觉特性进行数据融合 此方法在提取水印时需要原 9 西安科技大学硕士学位论文 始图像 后者对小波系数做特殊的量化后嵌入信息 此方法提取水印不需要原始图像 文献 2 3 提出了一种基于小波变换且具有图像自适应性的数字水印算法 该算法通过小 波变换将图像分解成不同空间与频率的系数 这些系数之间存在一种树结构关系 利用 树结构关系对最低频系数进行分类 对不同类采用不同的嵌入对策 将水印信号嵌入在 最低层逼近系数中 牛夏牧等在文献 2 4 中提出了一种基于多分辨率分解的数字水印技 术 该方法利用静态图像的压缩编码技术 将彩色数字水印编码为一系列二值i d 数字 基于原始图像的d c t 系数之间的关系实现水印的嵌入 该方法具有很强的稳健性 且 水印提取过程不需要原始图像 3 d f t 域数字水印算法 文献 2 5 证明了d f t 系数中的相位分量比幅度分量更重要 采用修改相位的方式嵌 入水印主要基于以下一些观点 首先 在d f t 相位中嵌入水印将对篡改相当鲁棒 因 为水印的核心信息通常以较高的冗余程度进行编码 其次 根据传输理论 众所周知的 角度调制比幅度调制拥有更优越的噪声免疫力 最后 实验发现 基于相位调制的水印 算法对图像对比度变化比较鲁棒 基于上述理由 r u a n a i d h 等人首先提出了在d f t 域 内通过相位调制嵌入水印的算法 2 州 他们还利用d f t 的性质实现了水印的平移 旋转 和尺度拉伸不变性 这对于图像在传输过程中产生几何失真的情况是十分重要的 4 倒谱域数字水印算法 倒谱是一种同态映射 在语音处理问题中获得了广泛应用 倒谱分析在语音识别中 是一种最有效的特征提取方法 其次还可用于语音信号的基音检测 低比特率编码的语 音分析 综合系统 但是倒谱变换 c e p s t r u mt r a n s f o r l r l c t 用于数字水印算法的研究文 献不多 目前作者所能查到的国内外有关倒谱域水印算法的文献只有 2 7 4 3 且很多都 是关于音频水印算法的研究 2 7 2 8 3 2 3 9 4 l 4 3 2 0 0 0 年 s a n g k w a n gl e e 等 2 8 1 和x i nl i t 2 7 1 几乎同时发表了最早的倒谱域数字音频水印算法 2 年后 c t h s i e h 等人提出了基于 时间能量特征的音频水印算法 4 3 1 2 0 0 3 年h k o d a 等 2 9 1 在会议上提出了一种基于倒谱 分析和相关技术的g h o s t 水印方法 这是一篇关于图像水印算法的文献 文中对水印信 号的嵌入与提取做了详尽介绍 但对算法的抗攻击性能没有进行实验 文献 3 0 1 提出将 倒谱分析非线性方法用于图像水印技术 可在一维 二维复倒谱域中对数字图像信号嵌 入图像水印 作者结合一维倒谱特性提出了一维倒谱变换图像数字水印算法 该算法充 分利用倒谱系数选择不受频带限制的特点 增加了水印信号的嵌入量 提高了算法的稳 健性 5 其他变换域数字水印算法 除了d c t d w t d f t c t 这几种变换外 人们常用的三种变换为 f o u r i e r m e l l i n 变换 离散分数傅立叶变换 d f r f t 和哈德码变换 h t l 有些文献还采用了k l t 变换 矢量变换 g a b o r 变换 f r e s n e l 变换 z e m i k e 变换 四元傅立叶变换等其他变换 1 0 1 绪论 在对含水印图像进行仿射变换后 大多数水印算法在提取水印时存在许多问题 为 了克服这个弱点 r u a n a i d h 等人首先提出了能够抵抗平移 旋转和尺度变化的数字水印 处理技术 4 5 1 首先 计算图像的傅立叶变换 然后 把由d f t 系数幅度组成的二维 图像从笛卡尔坐标系映射到对数一极坐标系 接着 计算对数一极坐标系下的离散傅立叶 变换 最后 利用简单的加性嵌入规则在得到的系数中嵌入二维扩频序列水印 该算法 对旋转 尺度变化 平移 剪切和j p e g 压缩都具有较好的稳健性 但是 该方法所基 于的强不变性变换是很难实现的 而目前强不变性对水印应用是不必要的 而且该方法 需要很大的计算量 文献 4 6 中首先提出了一种基于整幅图像d f r f t 的非白适应嵌入技术 该技术对整 幅二维图像x 进行角度为 互 f 的二维d f r f t 并且以递减顺序对变换系数x 进行排 序 前三个系数不嵌入水印 在接下来的m 个变换系数中嵌入水印 由于离散分数傅 立叶变换在时频平面上的旋转特性 使得这种水印技术兼顾了空间域及变换域水印技术 的优点 哈德码变换的突出特点是速度快 容易用硬件实现 它在数字水印中的应用主要考 虑其实时性的优点 文献 4 7 提出了一种替换部分分块h t 系数的数字水印嵌入技术 该算法能够将水印图像直接嵌入到卫星图像中 它对6 0 7 0 的s t i r m a r k 攻击鲁棒 变换域图像水印算法的鲁棒性较好 为使水印有较好的不可感知性 就要以计算复 杂度和一定的鲁棒性为代价 在频域中嵌入水印信号时 嵌入位置不但决定着水印算法 的透明性 还决定着水印信号的提取和恢复 同时 水印的嵌入容量因频带的选择受到 极大的影响 倒谱域图像水印算法的提出较晚 但水印嵌入位置不受频带限制的优点为 水印技术开拓了一片新的发展天地 将成为人们研究的热点 1 6 本文研究内容和章节安排 本课题的主要工作是研究二维倒谱变换在彩色数字图像水印技术中的应用 通过对 数字图像水印和倒谱分析理论的研究 提出二维倒谱变换在数字图像水印技术中应用的 新算法 并通过仿真实验证明所提算法的有效性 全文共有五章 第一章为绪论 介绍了本文研究的背景和意义 回顾了数字水印技 术的历史起源 详细介绍了图像水印技术的基本要求 基本模型及其分类 并概述了数 字图像水印算法的研究现状 第二章是全文所需基础知识的介绍 重点介绍了一维 二 维信号的倒谱表示及其性质 概述了图像的色彩模型 同时对本文算法中需要嵌入水印 的分量进行了选择 并以仿真实验验证之 并对本文所用的工具软件和相关计算公式进 行了简要介绍 第三章研究作者提出的可用于多媒体数据版权保护的二维倒谱域彩色 图像水印算法 第四章研究作者提出的基于小波分析的二维倒谱域彩色图像水印算法 第五章总结全文 指出了作者有待进一步研究的工作 西安科技大学硕士学位论文 2 倒谱分析与彩色图像相关基础 1 9 6 3 年 b o g e r t h e a l y 和t u k e y 在其发表的一篇题为 对于回波时间序列的倒谱 率分析 倒谱 伪自协方差 互倒谱和倒相位分裂 的文章中提到 地震记录信号的对 数功率谱由于回波信号引起了可加性周期性分量 开创性的引进了倒谱分析方法 c e p s t r u ma n a l y s i s 并引出了倒谱的最初定义 时间序列对数功率谱的傅立叶变换称之 为 倒谱 记为f r 即 2 f 0 il gf 缈 ie o r d c o 2 1 本章主要介绍全文所需的倒谱分析与彩色图像方面的相关基础知识 首先阐述了一 维 二维信号的倒谱表示及性质 之后简要介绍了图像的色彩模型 通过大量实验分析 对算法中需要嵌入水印信息的分量进行了选择 最后给出了本文所用的测试软件 s t i r m a r k 和计算公式 2 1 倒谱分析简介 2 1 1 一维复倒谱 信号h n 的复倒谱 聊 定义 4 8 1 h n 的z 变换的对数的逆z 变换 即 所 z 1 l o gz l 办 疗 2 2 复倒谱的计算也可由傅立叶变换代替z 变换得到 聊 巧叫 1 0 9h c o i 唬 国 2 3 式中 日 国 ih c o i e x p j o h c o 是信号h n 的傅立叶变换 z 彳1 分别表示一 维z 变换和逆z 变换 鼻 e 1 分别表示一维傅立叶变换和逆变换 这里的对数都 是复对数 通常用自然对数 底为p 由于统 a r g h c o 2 x k c o 其中一万 a r g h c o 7 是相位的主值 j i 缈 是整 数 因而要保证复倒谱存在 要求ih c o i 必须是连续的 因此j j 彩 应该取适当的整数 值使相位主值a r g h c o 不存在模糊度 若只考虑h z 的模 而忽略它的相位 则得到倒频谱 c e p s t r u m 或实倒谱 简称 为倒谱 的定义 c 行 z 1 l o gz j 1 2 2 i z 1 1 0 91 日 z i 2 4 从z 变换的性质可推得复倒谱与实倒谱之间的关系 倒谱为复倒谱的偶部 即 c 脚 聊 一m 2 2 5 实倒谱计算容易 但不可逆 复倒谱计算复杂但却是可逆的 2 倒谱分析与彩色图像相关基础 一维复倒谱具有以下性质 4 8 性质1 复倒谱c