数字水印技术及应用研究毕业设计.doc

毕 业 论 文论文题目 数字水印技术及应用研究摘 要随着互联网应用范围的不断扩展，对电子信息产品版权的保护越来越受到严峻的挑战，作为电子信息产品版权保护的有力措施，数字水印技术在这一挑战的推动下取得了长足的进步。数字水印是一种嵌入到图像、视频或者音频数据中的不可见标志，通过对水印信息的检测可达到保护多媒体数据版权的目的。数字水印是嵌在数字产品中的数字信号，水印的存在要以不破坏原数据的欣赏价值、使用价值为原则。数字水印潜在的应用市场很大，例如，电子商务，在线或离线的分发多媒体内容以及大规模的广播服务等。潜在的用户有，电子商务和图像软件的供应商、数字产品（数字图像提供者，摄录机、数字相机）的制造者等。关键词: 数字水印 应用领域 分类II目 录摘 要III1 数字水印概述11.1 概述11.2 数字水印的起源11.3 数字水印的介绍21.4 密码术的局限性21.5 数字水印的主要应用领域31.6 数字水印的分类41.7 数字水印的应用前景51.8 水印研究的展望71.9 研究动态72 数字水印的实现92.1 图象水印的原理92.1.1 水印的基本信息92.1.2 印记92.2 背景102.3 典型数字水印系统模型102.4 水印的具体实现112.4.1 变换域的优点112.4.2 水印的选择122.4.3 实现过程122.4.4 小波变换132.4.5 水印的嵌入方法152.4.6 水印的提取162.5 典型算法172.6 数字水印的实现193 水印安全213.1 水印攻击213.2 水印的抗攻击能力234 总结25参 考 文 献26英 文 摘 要27致 谢28仲恺农业工程学院毕业论文(设计)成绩评定表1 数字水印概述1.1 概述随着数字化存储信息的增长以及新型多媒体器具的发展，数字信息持有者权利的保护问题变得愈来愈急迫。其主要原因是数字文件的复制相当容易，更重要的是复制起来还相当完美，副本与原件是一样的；其次，转变之简易与用途的多样也是令人担优，一旦一幅复制品做好，任何想要它的人马上就可得到，不必受到原作者的允许；再者，数字图像的适应性也是一个极大的弱点，任何恶意的用户（私人性质）可以随意修改图形，从而使许多版权保护的技术失去其作用和使版权保护系统承受极大的挑战，因为该系统要应付各种威胁。本文介绍一种叠加性水印技术，能产生出与原图形在内容上同步的图像（又叫做印记）。这种印记的加密图形与原始图像是同一的，使得有版权者保密内容在个人计算机上检测不到。这种技术允许二名控制者（比如作者的计算机或获得信任的第三方计算机）在知道了作者的密码之后，在一定条件下找出一连串图像中的水印图像，从而检查非法复制品的传播。1 这种方法最有趣的方面是嵌入过程，即加到原始图前对每个像素的加权。这是一种基于人类视觉（知觉模式）的蒙版设想，从这个设想推导出一种揭示它自身真实效率的方法。另外一个有趣的方法是推出了两种用以检测不带原始图像的水印图像的方法，这后面一点对于版权保护的管理来说至关重要。由于水印技术是一项尚在发展的新技术，所以本节仅介绍此技术的基本原理，目的是为读者提供这方面的信息和基本知识。1.2 数字水印的起源历史上，水印是指在指纸上留下轻轻的烙印，这种烙印几乎是看不见的，除非在某种合适的条件下仔细的观察。几个世纪以来，水印被用于证明物质材料的真实性，将相似的思想用于数字财产的保护。数字水印技术主要运用两个相关领域的技术：密码术和隐写术。密码术被定义为密码的研究，如通过转换原始信息到一种不容易被观察者看出来的格式来显示秘密消息的内容；而隐写术是将一个消息隐藏于另一个消息的技术研究，不透露隐藏信息的存在或不让观察者发现消息里包含了一个隐藏信息。从技术角度，数字水印技术使用的思想主要来源于隐写术而不是密码术。经典的隐写术和数字水印之间的主要区别在于：隐写术仅仅是企图在其他内容中隐藏一个消息（可能是一个水印），而是数字水印还要强调阻止攻击者篡改水印。Van Schyndel在IC IP94会议上发表了题材为“A digital watermark”的文章，它是第一篇在主要会议上发表的关于数字水印的文章，阐明了一些关于水印的重要概念，被认为是一篇历史价值的文献。1.3 数字水印的介绍数字水印就是在被保护的数字对象（如静止图像、视频、音频等）中嵌入某些能够证明版权归属或跟踪侵权行为的信息，这些信息可能是作者的序列号、公司标志、有意义的文本等等。与伪装术相反，水印中的隐藏信息能够抵抗各类攻击。即使水印算法是公开的，攻击者要毁掉水印仍十分困难。就是将代表数字媒体著作权人身份的特定信息、用户指定的标志或序列码等，按照某种方式嵌入被保护的信息中，再生产版权纠纷时，通过相应的算法提取出该数字水印，从而验证版权的归属，确保媒体著作权人的合法利益，避免非法盗版的威胁。被保护的信息是一种数字媒体，如软件、图像、音频、视频或一般性的电子文档等。数字水印是嵌在数字产品中的数字信号，水印的存在要以不破坏原数据的欣赏价值、使用价值为原则。2 数字水印技术是信息隐藏技术研究领域的重要分支，它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。数字水印技术基本特征主要有： 1鲁棒性：指不因多媒体文件的某种改动而导致隐藏信息丢失的能力。 2不可见性：利用人类视觉系统或听觉系统属性，经过一系列的隐藏处理，使目标数据没有明显的降质现象，而隐藏的数据却无法认为地看见或听见。 3不可检测性：只隐藏载体与原始载体具有一致的特性。 4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，如果只从留下的片断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。1.4 密码术的局限性许多有关数字内容版权需要解决的问题类似于安全通信中密码术所解决的问题。如在分发传播时，需要保证数字内容的完整性才能够检测到数字内容是否被修改。安全通信中，密码术已利用带有密钥的数字签名解决了消息完整性的问题。需要保证数字内容与其创建者、分发商或购买者之间的关联，才能跟踪数字产品的传播。类似于安全通信密码术所解决的不可否认性问题。然而，传统的隐密系统有一个重大缺陷，即不能保证数字内容与秘密信息永久的关联，加密的数字内容一旦被破解，将无密可言。这就达不到版权保护的最终目的。常规上看，密码术在通信中是将信息加密隐藏了，同时也提供了附加信息有效的保证了信息完整性和不可否认性。但密码术不能够将秘密信息嵌入到消息内容当中。所以说单单密码术是不能够保证数字内容被再次非法分发传播和随意篡改。为了保证对数字内容版权的进一步保护，需要扩展密码技术并将附加秘密信息嵌入到数字内容当中。解决该问题的技术称为数字水印技术。数字水印是不可见的或几乎不可察觉的，数字水印技术可应用到数字视频、数字音频和数字图像等多媒体文档中。31.5 数字水印的主要应用领域数字水印潜在的应用市场很大，例如，电子商务，在线或离线的分发多媒体内容以及大规模的广播服务等。潜在的用户有，电子商务和图像软件的供应商、数字产品（数字图像提供者，摄录机、数字相机）的制造者等。1版权保护版权保护是目前水印最主要的应用领域。其目的是嵌入数据的来源信息以及比较有代表性的版权所有者的信息，从而防止其他团体对该数据宣称拥有版权。这样水印就可以用来公正的解决所有权问题，但这种应用要求非常高的鲁棒性。2盗版跟踪为了防止非授权的拷贝制作和发行，出品人可在每个合法拷贝中加入不同的ID或序列号即数字指纹（Fingerprinting）。一旦发现非授权的拷贝，就可根据此拷贝所恢复出来的指纹来确定它的来源。对这种应用领域来说，水印不仅需要很强的鲁棒性，而且还要能抵抗共谋攻击。3图像认证在鉴定应用中，使用水印的目标是对数据的修改进行检测。通常可用易碎水印来实现图像认证。认证水印与其它水印相比，对鲁棒性要求最低。4票据防伪为了在需要时能跟踪伪造票据的打印机，可以在每一个打印机输出图像中嵌入能够识别打印机的序列号，作为伪造跟踪的线索。5标题与注释即将作品的标题、注释等内容（如一幅照片的拍摄时间和地点）以水印形式嵌入作品中，这种隐式注释不需要额外的带宽，且不易丢失。6拷贝保护这种应用的典型例子是DVD系统，在该系统中，数据中的水印含有拷贝信息。一个符合要求的DVD播放器不允许重放或拷贝带“禁止拷贝”水印的数据，而带有“一次拷贝”水印的数据可以被拷贝，但不允许从该拷贝在进一步制作拷贝。1.6 数字水印的分类1.按可见度划分根据水印的可见程度，数字水印可分为：可见水印（Visible watermark）、不可见-易损水印（Invisible-fragile watermark）、不可见-鲁棒水印(Invisible-robust watermark)即人们通常使用的数字水印，它具有在视觉和统计上的不可见性（Unobtrusive）；难以取出的鲁棒性（Robust）。除非对数字水印具体有足够的先验知识，任何企图破坏和消除水印，都将会严重损坏图像质量；既适用静态图像，又适用于音频和视频信息的通用性（Universal）及无二义性（Unambiguous）。42.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脆弱数字水印两类。鲁棒数字水印主要用于在数字作品中标识著作权信息，如作者、作品序号等，它要求嵌入的水印能够经受各种常用的编辑处理；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。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。5.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。但对于无意义水印来说，如果解码后的水印序列有若干码元错误，则只能通过统计决策来确定信号中是否含有水印。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。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。一般来说，伪币的制造者不可能对票据图像进行过多的修改，所以，诸如尺度变换等信号编辑操作是不用考虑的。但另一方面，人们必须考虑票据破损、图案模糊等情形，而且考虑到快速检测的要求，用于票据防伪的数字水印算法不能太复杂。版权标识水印是目前研究最多的一类数字水印。数字作品既是商品又是知识作品，这种双重性决定了版权标识水印主要强调隐蔽性和鲁棒性，而对数据量的要求相对较小。篡改提示水印是一种脆弱水印，其目的是标识宿主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。7.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/尺度域数字水印分别是DCT变换域、时/频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，各种水印算法的层出不穷，水印的隐藏位置也不再局限于上述四种。应该说，只要构成一种信号变换，就有可能在其变换空间上隐藏水印。1.7 数字水印的应用前景多媒体技术的飞速发展和Internet的普及带来了一系列政治、经济、军事和文化问题，产生了许多新的研究热点，以下几个引起普遍关注的问题构成了数字水印的研究背景。1.数字作品的知识产权保护数字作品（如电脑美术、扫描图像、数字音乐、视频、三维动画）的版权保护是当前的热点问题。由于数字作品的拷贝、修改非常容易，而且可以做到与原作完全相同，所以原创者不得不采用一些严重损害作品质量的办法来加上版权标志，而这种明显可见的标志很容易被篡改。5“数字水印”利用数据隐藏原理使版权标志不可见或不可听，既不损害原作品，又达到了版权保护的目的。目前，用于版权保护的数字水印技术已经进入了初步实用化阶段，IBM公司在其“数字图书馆”软件中就提供了数字水印功能，Adobe公司也在其著名的Photoshop软件中集成了Digimarc公司的数字水印插件。然而实事求是地说，目前市场上的数字水印产品在技术上还不成熟，很容易被破坏或破解，距离真正的实用还有很长的路要走。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 1200dpi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1997年截获的价值4000万美元的假钞中，用高精度彩色打印机制造的小面额假钞就占19，这个数字是1995年的9.05 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。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技术途径，通过隐藏水印的状态可以判断声像信号是否被篡改。4.隐蔽通信及其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，可以进行各种时（空）域和变换域的信息隐藏，从而实现隐蔽通信。1.8 水印研究的展望尽管人们都在努力发展和完善数字水印技术，但水印技术仍然没有完全成熟和广为人们理解，而且还有很多问题没有得到解决。尽管水印技术很难在短期内取得突破，但是，鉴于水印技术的广泛的应用价值，有必要对水印技术作一番深入研究。未来值得关注的研究领域将有以下几个功能：1.基本理论和算法的研究：目前数字水印技术的研究中的模型和基础理论尚处于雏形阶段，还未像密码学那样有一套完备的理论体系。未来需要修改和完善水印的基本理论研究，包括水印结构、水印嵌入对策、水印检测方法、水印性能评估和水印标准化等。2.与密码学相结合：在有关版权的应用中，数字水印必须与像密码之类的其它机制相结合才能提供可靠的保护。与密码技术、公钥密码和私钥密码体系相结合，才能构造综合的数据安全系统。3.与其它领域的先进技术相结合：随着水印研究的不断深入，其他领域的先进思想和技术必然会被引入到水印领域。例如，混沌理论、神经网络理论、模糊集理论和分形理论等。1.9 研究动态从公开发表的文献看，国际上在数字水印方面的研究刚开始不久，但由于有大公司的介入和美国军方及财政部的支持，该技术研究的发展速度非常快。1998年以来，IEEE图像处理、IEEE会报、IEEE通信选题、IEEE 消费电子学等许多国际重要期刊都组织了数字水印的技术专刊或专题新闻报道。在美国，以麻省理工学院媒体实验室为代表的一批研究机构和企业已经申请了数字水印方面的专利。1998年，美国政府报告中出现了第一份有关图像数据隐藏的AD报告。目前，已支持或开展数字水印研究的机构既有政府部门，也有大学和知名企业，它们包括美国财政部、美国版权工作组、美国空军研究院、美国陆军研究实验室、德国国家信息技术研究中心、日本NTT信息与通信系统研究中心、麻省理工学院、伊利诺斯大学、明尼苏达大学、剑桥大学、瑞士洛桑联邦工学院、西班牙Vigo 大学、IBM公司Watson研究中心、微软公司剑桥研究院、朗讯公司贝尔实验室、CA公司、Sony公司、NEC研究所以及荷兰菲利浦公司等。1996年5月30日6月1日，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，至今已举办了三届。SPIE和IEEE的一些重要国际会议也开辟了相关的专题。 我国学术界对数字水印技术的反应也非常快，已经有相当一批有实力的科研机构投入到这一领域的研究中来。为了促进数字水印及其他信息隐藏技术的研究和应用，1999年12月，我国信息安全领域的何德全院士、周仲义院士、蔡吉人院士与有关应用研究单位联合发起召开了我国第一届信息隐藏学术研讨会。2000年1 月，由国家“863”智能机专家组和中科院自动化所模式识别国家重点实验室组织召开了数字水印学术研讨会，来自国家自然科学基金委员会、国家信息安全测评认证中心、中国科学院、北京邮电大学、国防科技大学、清华大学、北方工业大学、上海交通大学、天津大学、中国科技大学、北京大学、北京理工大学、中山大学、北京电子技术应用研究所等单位的专家学者和研究人员深入讨论了数字水印的关键技术，报告了各自的研究成果。从这次会议反应的情况上看，我国相关学术领域的研究与世界水平相差不远，而且有自己独特的研究思路。2 数字水印的实现有很多文献中都提到了各种图象水印的嵌入的检测算法Hsu和Wu等人提出了基于离散余弦变换（Discrete Cosine Transform）的图象水印的嵌入，Ruanaidh等人提出了两个离散傅立叶变换(Discrete Fourier Transfrom)域的水印算法，Liu等人还提出了基于DWT域的数字语音信号中加水印的方法等等,这些算法各有优缺点。本章提出的图象水印算法是基于DWT域的图象水印嵌入和提取算法，由于小波变换的优点使得此算法得到的水印有很强的稳健性和层次性的检测。62.1 图象水印的原理2.1.1 水印的基本信息水印的信息即二值图像，看上去就像传统的棋盘（图2.1）。为了今后方便说明，图像是由方形的像素组成，它可以由用户版权秘密钥匙推断出。 图2.1 基本信息所利用的例子2.1.2 印记为了利用视觉特性，基本信息被对应于不同的频率和方向的独立元素所调制；此外，我们可用一个低通滤镜（LP）来滤过初始的棋盘，滤出的信号是带限的。这一点非常重要，因为它允许在一个通道上限制蒙版判据。这种调制的位置是隐蔽的，可以从用户秘密钥匙推断。实际上，这种频率平面图被分为两个区域，每个区域与单个感觉单元相连，并定义了哪些基本信息可调制的耦合（f,）群，只有一对耦合是为每个区域所选择的（因为同一区域的耦合并不能激励独立单元）。从每个调制格栅的合成图像称为印记 S （x,y）： S(x,y)=G(x,y)cos(f xj x+f yj y)图象水印处理一般分为水印嵌入和水印的检测两部分。从图象处理的角度看，嵌入水印可以视为在强背景（原始图象）下迭加一个弱信号（水印），由于人的视觉系统分辨率受到一定的限制，只要迭加信号的幅度低于对比度门限，就无法感觉到信号的存在，对比度门限受视觉系统的空间、时间和频率特性的影响。因此，通过对原始图象做一定的调整，有可能在不改变视觉效果的情况下嵌入一些信息。7另一方面，从数字通信的角度来看，水印编码（嵌入）可理解为在一个宽带信道（原始图象上）用扩频技术传输一个宽带信号（水印），尽管水印信号具有一定能量，但分布到信道中任何一频率上的能量是难以检测的，水印译码（检测）则是一个有噪信道中弱信号的检测问题。2.2 背景随着数字技术和因特网的发展，各种形式的多媒体数字作品（图象、视频、音频等）纷纷以网络形式发表，其版权保护成为一个迫切需要解决的问题。由于数字水印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水印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（如图象、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、安全性和透明性。2.3 典型数字水印系统模型图2.2为水印信号嵌入模型，其功能是完成将水印信号加入原始数据中；图2.3为水印信号恢复模型，其负责从水印数据中提取出水印信号；图2.4是水印信号的检测。 密匙水印信息载体数据水印嵌入算法水印载体数据 图2.2 水印信号嵌入 水印载体数据密匙原始载体数据水印提取算法水印信息 图2.3 水印信号恢复 水印载体数据密匙原始水印原始载体数据水印检测算法水印是否存在 图2.4 水印信号检测2.4 水印的具体实现2.4.1 变换域的优点水印的嵌入对策即嵌入算法有很多，从实现角度看可分为两类：空域方法和变换域的方法，这两中方法分别通过改变主图象某些象素的灰度和改变主图象的某些变换系数来嵌入水印，与空域法相比，变换域法具有以下优点：1 在变换域中嵌入的水印信号能量可以分布到空域的所有象素上，有利于保证水印的不可见性。2 在变换域中，视觉系统的某些特性（如视频特性）可以更方便地结合到水印编码过程中。3 变换域的方法与国际数据压缩标准兼容，从而实现压缩域内的水印编码。因此，变换域的方法应是水印算法未来的趋势主流。本文提出的在离散小波变换域的图象水印技术，由于良好的空间频率分解特性（更符合的特点）和即将成为新一代图象压缩标准的极大可能性而且有十分的研究价值。2.4.2 水印的选择所构成水印的序列应该具有不可预测的随机性（Unpredictable randomness）。由于人类视觉系统对纹理具有极高的敏感性，所以水印构成纹理是不允许的，因此，所加入的水印应该与有与躁声相同的特性，目前一般取下述随机序列作为水印加入到图象数据中：1.高斯白噪声：是满足均值为方差为零的正态分布。2.伪随机数：具有类似白噪声的性质，但又具有周期性和规律性，可以认为地加入以产生和复制由于以为寄存器的输出是由初始状态和反馈逻辑直接决定的，而且任取一段输出不可能预测其它的输出，可以选用m一序列或M一序列作为水印信号。3.有特定含义的水印信号：通常是选取具有特定意义的字符串作为水印信号，把每个字符作为产生随机序列的种子，最后对所产生的伪随机序列按一定的操作（异或、与操作等）加入到图象数据中。2.4.3 实现过程具体分三步：1 小波变换2 水印嵌入 其具体图可表现为： 原始对象密 钥水印信息嵌入算法水印对象 图2.5 水印嵌入嵌入过程是将原图和水印经过某些处理后嵌入。这里的密钥是嵌入者为了防止攻击者截获、复制及篡改，对图象的加密。83 水印提取 其具体图可表现为： 水印对象密 钥检测算法有无水印？水印信息原始对象抽取的水印 图2.6 水印提取提取的过程是嵌入的逆过程，先用密钥、原图象、水印图象三者结合，将其水印检测出来。在嵌入与提取中有三个主要理论问题：1.如何选择水印2.在基于人类视觉系统的基础上如何估计水印的嵌入容量 3.如何决定水印的检测模型2.4.4 小波变换在即将到来的图象压缩标准JPEG中，小波正成为一种关键技术，小波变换作为一种变换域信号处理方法，近年来在计算机视觉和图象处理研究领域，引起人们的极大兴趣。小波变换在包括压缩在内的图象处理与图象分析领域正得到越来越广泛的应用。作为一种多分辨率的分析方法，由于小波变换具有很好的时频局部性，特别适合按照人类视觉系统特性设计图象的编码与分层传输。随着小波技术在图象领域的广泛应用，基于小波变换的水印技术也得到越来越多的关注。而小波本身的多分辨率思想对根据健壮性和视觉效应设计一个好的信息在载体的分布方式是很有用的。9本章提出了一种基于离散小波变换的水印方法，通过对图象的一级分解，提取出在细节子带中的重要成分，通过这些成分代表着图象的纹理区域，利用纹理的隐蔽特性 ，使得系统在保证健壮性的同时获得很好的不可觉察性。主要介绍小波变换及其多分辨率分析在图象中的应用。1.小波变换小波变换将图象在独立的频带和不同空间方向上进行分解，它不仅具有良好的空间频率分解特性，而且能更好地与人类视觉系统想结合，是一种很有潜力的方法。图象经过离散小波变换，即分解成4个四分之一大小的子图：水平方向、垂直方向和对角线方向的中高频细节子图和低频逼近子图，每个子图通过间隔抽样滤波得到。后继分解时，逼近子图以完全相同的方式再分解成在下一级分辨率更小的子图。以后类推分解，图象就被分解成不同分辨率级和不同方向上的多个子图，这更加符合人眼的视觉机制。这种锥形结构有如下特点：1. 与人类视觉特性相匹配2. 数据量没有扩展3. 变换域内相关性小。 X3 X3 X2 X2 X2X1 X1X1X3X3 图2.7 3级小波变换分解图在频率域中，高频部分代表图象的边缘及纹理部分，在这些地方嵌入水印，人眼虽不易察觉，但这样的水印容易在图象经过有损压缩等一些图象处理后丢失，另一方面，因为低频部分集中了图象能量，所以在低频部分嵌入水印不易丢失，然而低频部分具有不同的特点，因此可进行折中考虑，也就是首先将经过3级小波变换的图象分成与水印大小相同且互不重叠的图象块，然后将同一水印分别嵌入到每一图象中。由于高频部分所占的图象面积较大，多被分为许多小图象块，因此嵌入的水印就多；而低频部分由于只占图象的较小部分，因此图象块数较少，自然所嵌入的水印就少。这样就实现了在高频部分嵌入较多的水印信息，而在低频部分嵌入较少的水印信息的要求。由于是同一水印反复嵌入到图象的不同部分，因此很大程度上提高了水印的强壮性。2.水印的嵌入与抽取前考虑的几个问题图象小波系数的这种天然的塔式数据结构，为我们嵌入水印提供了一种新的思路。根据人们对人类识觉系统（HVS）的分析研究，噪声对图象质量的影响有如下特点：A 人眼对于在较高分辨率上的噪声的敏感性较低B 人眼对于在45度方向上的噪声的敏感性低因此，可以把一幅图象作为要嵌入在原始图象中的水印信息，当然这幅水印图象要小于原始图象，它经过小波分解后的系数显然也具有上述的塔式结构。设想把水印的小波系数的LL部分，也就是能量大的部分嵌入到原始图象小波系数的HH部分，而把水印的小波系数的HH部分，也就是能量小的部分嵌入到原始图象的LL部分，小波系数其它的HL部分嵌入到原始图象的LH部分，小波系数的LH部分嵌入到原始图象的HL部分。这样就能实现透明地嵌入。另外，考虑到数字图象压缩对水印的顽健性的影响，水印信息的小波分解层数要小于原始图象的小波分解的层数，使得在原始图象的小波系数频率最高的层上不嵌入水印信息，以保证水印的抗图象压缩处理的能力。2.4.5 水印的嵌入方法假设X是原始灰度图像，大小为 MM,每个象素用sbit表示 X=x(m,n),0m,nm其中，x(m,n)0,1,2,2s-1是原始图像在（m,n）处的灰度值。假设W是水印图像，大小为NN,每个象素用cbit表示 W=w(m,n),0m,nm其中，w(m,n)0,1,2,2c-1是原始图像在（m,n）处的灰度值。不失一般性，设水印的尺寸小于原始象素的尺寸，并且满足M=2pN(p为正整数)。算法的具体步骤如下：1.将原始图像X经过3级小波变换，得到不同分辨率级下的字节子图Xjk和一个逼近子图X30, Xv表示小波变换后的图像 XvDWT(X)= Xjk,j,k=1,2,3,若k=0,则j32.将所有细节子图分割成2（p+1）-2(j-1)块大小相同，且互不重叠的子图块，并使每一子图块的大小与水印相同Xb=Block(Xv)=Xjk,I,i=1,2,.,2(p+1)-2(j-1)3.将水印中的数据分别与每一个子图依下式进行分块组合，这样，高频部分被反复嵌入水印，而低频部分只用嵌入一次水印 Xibs=Xib+aWd= Xjk,I（m,n）+awd(m,n), 0m,mn 式中，4.将经过运算的子图块进行重新拼接，即得到完整的M*M大小的字图Xbs。最后再进行小波反变化，便可实现静态图象上文字水印的嵌入。 Xs=IDWT（Xbs）=Xs（m，n），0m，0n其公式可简单表示成 F原 = F原+*F水(嵌入因子)2.4.6 水印的提取一、水印的检测水印检测方法通常采用如下假设检测a)利用小波变换把加了水印的图象塔式分解b)通过计算处理每一层取得的有关信息。c)检测得到水印与原水印的相似度其公式：F水=（F原F原）/a嵌入过程如图2.8XDWT分块DWT分块Xs水印抽取平 均原始图像含水印图XsvXbXsb抽取的水印 图2.8 水印的抽取方法二、水印验证水印提取以后还有一个重要的环节，水印验证是数字水印技术中最为重要也是最为复杂的技术。介绍如下：相似度量相关函数法在数字水印验证过程中，最关键的是检测出的水印信号与已知的水印信号的相似性度量（NC）根据抽取的水印图像F(象素点)、与原始水印F的对比，即可判断两者之间的相似程度，但由于这种主观方法往往受观察者经验、环境条件等因素的影响，因此，有必要采取定量的方法来描述这一关系。本文利用下式来计算F与F的相似度。NC=F(m,n)/F2（m,n）（其中m,n是象素点的长和宽）相似度的提出对检测一个水印系统的好坏有一个明确的标准，对后面的水印攻击提供了一个参照。102.5 典型算法近几年来，数字水印技术研究取得了很大的进步，下面将对一些典型的算法进行分析。（1）空间域算法 该类算法包括文本水印算法、Schyndel算法和Patchwork算法等。其中Schyndel算法被认为是一篇具有历史价值的文献，它是第一篇在主要会议上发表的关于数字水印的文章，文中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（相关性检测方法），此算法首先把一个密钥输入一个m-序列（maximum-length random sequence）发生器来产生水印信号，然后此m-序列被重新排列成2维水印信号，并按象素点逐一插入到原始图象象素值的最低位。由于水印信号被安排在了最低位上，它是不可见的，基于同样的原因，它可以轻易地被移去，因此也是不强壮的；Patchwork提出了一种基于改变图象数据统计特性的水印算法，该算法首先随机选取N对象素点，然后通过增加象素对中一个点的亮度值，而相应降低另一个点的亮度值的调整来隐藏信息。为增加其水印的鲁棒性，文中还把象素对扩展为小块的象素区域(如8x8)，通过增加一个区域中的所有象素点的亮度值而相应减少对应区域中所有象素点的亮度值的调整来隐藏信息。但该算法嵌入码低，且对串谋攻击抵抗力弱。（2）变换域算法 1995年提出了一种DCT域数字水印算法，其方法是首先把图象分成8x8的不重叠象素块，在经过分块DCT变换，得到由DCT系数组成的频率块，然后随机选取一些频率块，将水印信号嵌入到由密钥控制选择的一些DCT系数中。该算法是通过对选定的DCT系数进行微小变换以满足特定的关系，来表示一个比特的信息。在水印信号提取时，则选取相同的DCT系数，并根据系数之间的关系抽取比特信息。其思想类似于扩展频谱通讯中的跳频（frequency hopping）技术，特点是数据改变幅度较小，且透明性好，但是其抵抗几何变换等攻击的能力较弱。另外基于DFT和DWT算法与上述算法具有相似的原理。这种以变换域算法为代表的通用算法普遍采用变换技术，以便在频率域实现水印信号叠加，并借鉴扩展频谱通讯等技术对水印信号进行有效的编码，从而提高了透明性和鲁棒性，同时还适当利用滤波技术对水印信号引入的高频噪声进行了消除，从而增加了对低频滤波攻击的抵抗力。（3）压缩域算法 基于JPEG、MPEG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VOD(Video on Demand)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。1999年提出了一种针对MPEG-2压缩视频数据流的数字水印方案。虽然MPEG-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MPEG-2编码视频数据流中增加用户数据会加大位率，使之不适用固定带宽的应用，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MPEG-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DCT编码信号块3部分，在Hartung方案中只有MPEG-2数据流最后一部分数据被改变，其原理是首先对DCT编码数据块中每一输入的Huffman码进行解码和逆量化，得到当前数据块的一个DCT系数，其次把相应水印信号块的变换系数与之相加，得到水印叠加的DCT系数，再重新进行量化和Huffman编码，最后对新的Huffman码字的位数n1与原来的无水印系数的码字n0进行比较，只在n1不大于n0的时候才传输水印码字，否则传输原码字，这就保证了不增加视频数据流位率。但该方法有一个问题值得考虑，即水印信号的引入是一种引起降质的误差信号，而基于运动补偿的编码方案会将一个误差扩散和累积起来，为解决此问题，该算法采取了漂移补偿的方案来抵消水印信号的引入所引起的视觉变形。（4）NEC算法 该算法由NEC实验室的COX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象的哈希值组成，其次对图象做DCT变换，最后用伪随机高斯序列来调制（叠加）该图象除直流（DC）分量外的1000个最大的DCT系数。该算法具有较强的鲁棒性、安全性、透明性等。由于采用特殊的密钥，因此可防止IBM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；水印信号由独立同分布随机实数序列构成，该实数序列应该具有高斯分布N（0，1）分布的特征。随后Podilchuk等利用人类视觉模型对该算法进行了改进，从而提高了该算法的鲁棒性、透明性等。（5）生理模型算法 人的生理模型包括人类视觉系统HVS（Human Visual System）和人类听觉系统HAS。该模型不仅被多媒体数据压缩系统所利用，同样可以供数字水印系统所利用。利用视觉模型，实现了一个基于分块DCT框架的数字水印系统；实现了一个基于小波分解框架的数字水印系统；实现了一个空域数字水印系统。它们的基本思想均是利用从视觉模型导出的JND(Just Noticeable Difference)描述来确定在图象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象相关的调制掩模，然后再利用其来插入水印。这一方法同时具有好的透明性和强健性。2.6 数字水印的实现数字水印可以分为空间域数字水印和变换域数字水印两大类实现较早的数字水印算法从本质上来说都是空间域上的，通过改变某些象素的灰度将要隐蔽的信息嵌入其中，将数字水印直接加载在数据上。空间域方法具有算法简单、速度快、容易实现的优点。特别是它几乎可以无损的恢复载体图象和水印信息，这对于某些应用是必要的，可以细分为如下几种方法：最低有效位法，该方法就是利用原始数据的最低几位来隐蔽信息的，具体取多少位以人的听觉或视觉系统无法察觉为原则；Patchwork方法及纹理映射编码方法，该方法是通过任意选择N对图象点，增加一点亮度的同时，降低相应另一点的亮度值来加载数字水印；文档结构微调方法，在通用文档图象（postcript）中隐藏特定二进制信息的技术，主要是通过垂直移动行距，水平调整字距，调整文字特性等来完成编码。基于变换域的技术可以嵌入大量比特的数据而不会导致不可察觉的缺陷，往往通过改变频域的一些系数的值，采用类似扩频图象的技术来隐藏数字水印信息。这类技术一般基于常用的图象变换，基于局部或全部的变换，这些变换包括离散余弦变换（DCT）、小波变换（WT）、付氏变换（FT或FFT）以及哈达马变换（Hadamard Traansform）等等。其中基于分块的DCT是最常用的变换之一。频域方法具有如下优点：（1）在频域中嵌入的水印的信号能量可以分布到所有的象素上，有利于保证水印的不可见性；（2）在频域中可以利用人类视觉系统的某些特性，可以更方便、更有效的进行水印的编码。不过，频域变换和反变换过程中是有损的，同时其运算量也很大，对一些精确或快速应用的场合不太适合。目前常用的方法有平面隐藏法和基于DCT或DFT的系数隐藏法。3 水印安全3.1 水印攻击事物的发展总是决定具有的两面性，类似于密码学和密码分析学是一对互相矛盾又互相促进的学科，水印攻击同样也是非常重要和必要的，水印必须嵌入到图像的最显著分量上。一般的，我们把图像的最显著分量（即代表图像的主要特征）看成是图像特征集或者特征向量。尽管目前大多数水印算法是将水印嵌入到图像的最显著分量上，但是水印和图像是相互独立的。因而这些水印算法从原理上讲在安全性和鲁棒性上就有一定的缺陷，因为一个攻击者可以在不损害质量的情况下将水印去掉。所谓水印攻击分析，就是对现有的数字水印系统进行攻击，以检验其鲁棒性，通过分析其弱点所在及其易受攻击的原因，以便在以后数字水印系统的设计中加以改进。攻击的目的在于使相应的数字水印系统的检测工具无法正确地恢复水印信号，或不能检测到水印信号的存在。这和传统密码学中的加密算法设计和密码分析是相对应的。下面我们对一些典型的攻击方法进行分析：1.移去攻击移去攻击的目的是从宿主图像中完全去除加载的水印，这类攻击方法一般把水印信号看作是具有一定统计特性的噪声，并且一般要估计出原始图像数据。Langbar等人建议的方法被看作是此类攻击种较有效的方法，他们建议对含有水印图像作中值滤波、高通滤波及非线性切割等有序处理。Vobshymovskj 等人提出了一种算法，它是基于水印估计最大后验概率（MAP:MaxmumaPosterori）及再调制手段，从而得到直接于检测器所能检测到的噪声分布。2.几何攻击与移去攻击相比，几何攻击的目的不是移去水印，而是在空间或时间上改变含有水印图像数据。这种攻击算法往往会破坏检测器的同步性，这样即使水印存在也无法检测到。目前用得最多的两种攻击工具是Strimark和Unzign,Stimark除了可以对图像作全局几何变换外，还引入了局部的扭曲，到目前为止，似乎还没有一种水印算法能够抵抗它的攻击；Unzign引入图像的局部像素抖动，这种攻击方法对于空域水印的攻击非常有效。3.密码攻击密码攻击有些类似于密码学中的密码破译，但又有其自身的特性。由于许多水印算法都利用了密钥作为水印信号产生的前提，若密钥长度不够长，则利用穷搜索算法就可以找到正确的密钥，从而破坏水印；另一种攻击成为Oracle攻击，它可以在检测时产生一副不含水印的图像；统计平均攻击，它利用不同的密钥及所对应的不同水印建立一个数据集合，计算出其平均值作为攻击数据，如果这个集合足够大，则会导致水印无法被检测到，共谋攻击，针对指纹水印的攻击方法，攻击者通过同一数据源的嵌入不同水印版本，经过平均等运算得到一个新的版本，使得水印无法被检测到。4.协议攻击协议攻击的目的不是破坏水印信号，也不是通过全局或局部数据处理使得水印信号无法被检测，而是设法将一副图像中的水印“拷贝”到另一幅图像中，从而使版权保护中表示身份的水印失信，Craver等人首先提出协议攻击的概念，他们引入可逆水印的概念并指出对于版权保护来说，其水印必须是不可逆的，也就是说，对于非可逆水印来说应该是不可能从含有非可逆水印图像中恢复出来的。5. IBM攻击这是针对可逆、非盲（non-oblivious）水印算法而进行的攻击。其原理为设原始图象为I，加入水印WA的图象为IA=I+WA。攻击者首先生成自己的水印WF，然后创建一个伪造的原图IF=IA-WF，也即IA=IF+WF。此后，攻击者可声称他拥有IA的版权。因为攻击者可利用其伪造原图IF从原图I中检测出其水印WF；但原作者也能利用原图从伪造原图IF中检测出其水印WA。这就产生无法分辨与解释的情况。防止这一攻击的有效办法就是研究不可逆水印嵌入算法，如哈希过程。6.StirMark攻击Stirmark是英国剑桥大学开发的水印攻击软件，它采用软件方法，实现对水印载体图象进行的各种攻击，从而在水印载体图象中引入一定的误差，我们可以以水印检测器能否从遭受攻击的水印载体中提取/检测出水印信息来评定水印算法抗攻击的能力。如StirMark可对水印载体进行重采样攻击，它可模拟首先把图象用高质量打印机输出，然后再利用高质量扫描仪扫描重新得到其图象这一过程中引入的误差。另外，StirMark还可对水印载体图象进行几何失真攻击，即它可以以几乎注意不到的轻微程度对图象进行拉伸、剪切、旋转等几何操作。StirMark还通过一个传递函数的应用，模拟非线性的A/D转换器的缺陷所带来的误差，这通常见于扫描仪或显示设备。7.马赛克攻击其攻击方法是首先把图象分割成为许多个小图象，然后将每个小图象放在HTML页面上拼凑成一个完整的图象。一般的Web浏览器都可以在组织这些图象时在图象中间不留任何缝隙，并且使其看起来这些图象的整体效果和原图一模一样，从而使得探测器无法从中检测到侵权行为。这种攻击方法主要用于对付在Internet网上开发的自动侵权探测器，该探测器包括一个数字水印系统和一个所谓的Web爬行者。但这一攻击方法的弱点在于，一旦当数字水印系统要求的图象最小尺寸较小时，则需要分割成非常多的小图象，这样将使生成页面的工作会非常繁琐。8.串谋攻击所谓串谋攻击就是利用同一原始多媒体数据集合的不同水印信号版本，来生成一个近似的多媒体数据集合，以此来逼近和恢复原始数据，其目的是使检测系统无法在这一近似的数据集合中检测出水印信号的存在，其最简单的一种实现就是平均法。9.跳跃攻击跳跃攻击主要用于对音频信号数字水印系统的攻击，其一般实现方法是在音频信号上