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数字水印技术对于版权保护的应用研究【摘要】在图像版权保护中，数字水印技术的采用占有很大的比重，对这类水印来说，要求算法具有较高的鲁棒性，即在遭受剪切、加扰、随机噪声、失真、滤波、旋转、缩放、JPEG压缩等常见的信号处理攻击和几何攻击时仍能从含水印图像中提取出水印信息。然而，绝大多数水印算法不能抵抗甚至微小的几何攻击，即现有的水印技术抗几何攻击的能力很差。因此，研究既能抵抗信号处理攻击又能抵抗几何攻击的鲁棒数字水印技术仍然是一项富有挑战性的工作。本论文就是针对提高数字水印算法抗信号处理和几何攻击的鲁棒性进行研究，结合零水印的概念和混沌系统，并将图像置乱引入到水印算法中，提出了一种基于混沌阵列的鲁棒零水印算法，对图像版权进行有效的保护。【关键字】数字水印 鲁棒性 混沌 零水印1 引言1.1 选题背景随着当代信息技术和计算机互联网络的迅猛发展，人类进入了以数字信息为特征的信息社会，数字多媒体产品越来越盛行，各种形式的多媒体数字作品(图像、视频、音频等)可以以不同的形式在网络上方便、快捷地发表和传输。多媒体通信逐渐成为人们之间信息交流的重要手段。由于数字图像信息形象、生动，因而被人类广为使用，成为人类表达信息的重要手段之一。但是，它给我们带来便利的同时也带来了安全隐患，例如：有些数字图像可能会涉及到国家或企业机密，有些图像只希望被授权者使用，有些图像又可能会涉及个人隐私等等，如何保护这些图像数据的安全是人们越来越关注的问题；另一方面，由于数字图像易于复制和修改的原因，盗版问题也越来越严重，如何对数字图像的版权进行很好地保护以保证作品作者、所有者以及合法用户的权利，也是人们越来越关注的热点问题。解决数字图像版权问题的主要手段是数字水印技术，因此研究数字水印技术对图像版权的保护具有重要的理论和现实意义。本论文正是基于上述背景，主要研究数字水印技术。1.2 目的与意义近年来，国外许多学者提出了一系列新的信息安全保护思想，特别是在知识产权保护、防篡改及信息内嵌式注释等领域提出了崭新的防范与保护措施。信息隐藏（Information Hiding）与数字水印（Digital Watermark）技术就是一种新的数字媒体保护措施，它是将特定的信息（如版权信息、秘密消息等）嵌入到图像、语音、视频及文本文件等各种数字媒体中，以达到标识、注释及版权保护等目的。同时，这种信息对宿主媒体的影响不足以引起人们的注意且具有特定的恢复方法，此信息对非法接收者应该是不可见、不可察觉的。所以，数字水印技术是目前信息安全技术领域的一个新方向，是一种可以在开放网络环境下保护版权和认证来源及完整性的新型技术。1.3 图像版权保护与数字水印图像版权保护，即所谓的PRM（Picture Rights Management）就是采取信息安全技术手段在内的系统解决方案，在保证合法的、具有权限的用户对数字图像信息正常使用的同时，保护数字图像信息创作者和拥有者的版权，根据版权信息使其获得合法收益，在版权受到侵害时能够鉴别数字图像信息的版权归属及版权信息的真伪，并确定盗版数字作品的来源。现有的图像版权保护技术分为两大类，一是加密法，主要是通过技术手段限制非授权用户的使用和保证授权用户的正常使用。加密技术的特点使得这种方法并不能有效地解决图像版权保护问题。另一种是基于水印的标记法，它是新近提出的一种非常重要的版权保护手段，是信息隐藏技术的一个重要分支。用于版权保护的数字水印一般称为鲁棒水印(Robust watermarking)，利用这种水印技术在多媒体内容的数据中嵌入创建者或所有者的标识信息，或者嵌入购买者的标识（即序列号）。创建者或所有者的信息用于标识数据的版权所有者，而序列号则用于标识违反协议而为盗版提供多媒体数据的用户。在发生版权纠纷时，合法的发行者、运营者通过相应的算法提取出该数字水印，从而验证版权的归属，确定泄漏与泛滥渠道，确保数字产品著作权人的合法利益，避免非法盗版的威胁。用于版权保护的数字水印要具有不可见性、隐藏水印位置的安全性及鲁棒性等特性，必须能够经受各种常用的信号处理操作，包括无意的或恶意的处理，如有损压缩、滤波、平滑、信号裁剪、图像增强、重采样、几何变形等等。鲁棒性水印在经过各种处理后，只要载体信号没有被破坏到不可使用的程度，都应该能够检测出水印信息。即应该使水印既不影响数字作品的正常使用，也能够抵抗各种可能的攻击，实现对数字作品的版权保护功能。总结国内外对数字水印技术的研究来看，数字水印算法的研究还处于初级阶段，仍还有很多方面需要作进一步的研究。因此应用于图像版权保护的数字水印技术，还需要重点研究。鲁棒性是数字水印技术实现图像版权保护应用的关键，尽管当前出现了大量的水印算法，但是这些算法的鲁棒性均仅能抵抗一些简单的攻击，对于几何攻击或较为复杂的组合攻击显得无能为力。故而探讨更加鲁棒的水印算法仍然是当前也是今后水印研究的重点。图像版权保护是数字水印最主要的应用之一。数字作品的所有者可将指定形式的水印嵌入原始数据中，然后对外公开发布嵌入水印后的作品。当其作品被盗版或出现版权纠纷时，所有者即可从该作品中获取水印信号作为依据，来保护其合法权益。图像版权保护水印要求具有较强的鲁棒性，即使在数字作品失真后仍能恢复水印信号。2 数字水印技术概述2.1 数字水印的定义 数字水印（Digital Watermarking）技术是将一些标识信息（即数字水印）直接嵌入数字载体当中（包括多媒体、文档、软件等）或是间接表示（修改特定区域的结构），且不影响原载体的使用价值，也不容易被探知和再次修改。但可以被生产方识别和辨认。通过这些隐藏在载体中的信息，可以达到确认内容创建者、购买者、传送隐秘信息或者判断载体是否被篡改等目的。2.2 数字水印的特点图像的应用决定了水印的功能，而不同的功能则要求相应的水印具备不同的特征。因此，不存在一个特征的集合，使得所有的水印技术都满足这个集合的要求。文献就按照水印的应用目的，分析了各种数字水印对不可见特征的不同程度的要求。为了保证水印的有效性，用于图像版权保护的数字水印必须具备以下特征：2.2.1 不可见性指视觉上的不可见性（对听觉也是同样的要求），即因嵌入水印导致图像的变化对观察者的视觉系统来讲应该是不可察觉的，最理想的情况是水印图像与原始图像在视觉上一模一样，这是绝大多数水印算法所应达到的要求。2.2.2 鲁棒性鲁棒性指在经过常规信号处理后能够检测出水印的能力。针对图像的常规操作包括空间滤波、有损压缩、打印与扫描、几何变形（旋转、平移、缩放及其它）等等。在某些情况下，鲁棒性毫无用处甚至被极力避免，如水印研究的另一个重要分支就是易碎水印，它具有和鲁棒水印相反的特点。例如，用于真伪鉴别的水印就应该是易碎的，即对图像做任何信号处理都会将水印破坏掉。对用于版权保护的数字水印要求有较好的鲁棒性，即要求图像受到有意和无意的攻击后都能检测到水印的存在。2.2.3 可证明性水印应能为受到版权保护的信息产品的归属提供完全和可靠的证据。2.2.4 安全性数字水印中的信息应是安全的，难以被篡改或伪造，同时，有较低的误检测率。2.3 数字水印主要应用领域（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，可以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。（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ID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。（3）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等）以水印形式嵌入该作品中，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，通常可将原始图象分成多个独立块，再将每个块加入不同的水印。同时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。与其他水印不同的是，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）使用控制。这种应用的一个典型的例子是DVD防拷贝系统，即将水印信息加入DVD数据中，这样DVD播放机即可通过检测DVD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。2. 4数字水印的研究历史版权保护曾经是水印最初的应用目的，同时，版权保护也一夏是数字水印技术的重要应用之一。版权所有人把用于表明所有权的水印信息嵌入到多媒体数据里。一旦发现有非法的拷贝，版权所有人希望可以依靠嵌入的水印信袭歌把非法拷贝者告上法庭。20世纪90年代以来，对数字水印的研究兴趣在不断地增长。1998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;国际光学工程学会(SPIE)。从1999年起，每年召开一次多媒体信息安全与数字水印大会，其会议的论文主要是关于数字水印技术方面的文章。目前，国际上剑桥大学、工MB研究中心、NEC美国研究所、麻省理工学院等都进行了广泛深入的研究;国内清华人学、北京大学、北京邮电大学、中科院自动化所、北方工业大学、浙江大学、国防科技大学等都在对该技术进行深入的研究。数字水印技术按表现形式分为可见水印（perceptible）和不可见水印（mipecrPebtiet），前者如电视屏幕左上角的电视台的台标，后者中，嵌入的水印是无法用肉眼看见，我们所指的数字水印技术，若无特别指明，均指不可见水印技术；按抗攻击能力可分为鲁棒水印(rbousutess)和易损水印(rfgaeli)，前者主要用于版权保护和使用跟踪方面，后者主要用于信息的完整性认证方面;按水印提取时的条件可分为私有水印（private）、半公开水印（semi一public）和公开水印（public），私有水印指提取水印时需要原始载体图像，半公开水印指提取水印时不需要原始载体图象，公开水印指提取水印时不需要原始载体图象并且水印是有意义的信息，如一段文字、一幅图像或商标、一段录音等。Van Schyndel1在ICIP94上发表了题为“A digital watemark”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，其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。此算法首先将一个密钥输入一个m-序列（maximum-length random sequence）发生器来产生水印信号，然后此m-序列被重新排列成二维水印信号，按像素点逐一插入到原始图像像素值的最低位。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，因此是不强壮的。Patcwhork算法中描述的算法基于改变图像数据的统计特性。该算法随机选取的N对像素点通过增加其一个点的亮度值，相应降低另一个点的亮度值，通过这一调整来隐藏信息。为增加水印的鲁棒性，把像素对扩展为小块的像素区域(如8x8)，增加一个区域中的所有像素点的亮度值而相应减少对应区域中所有像素点的亮度值。该算法嵌入码低，对串谋攻击抵抗力弱。黄继武等人在文献2-4中提出一种DCT域数字水印算法：首先把图像分成88的不重叠象素块，经过分块的DTC变换后，得到由DTC系数组成的频率块。随机选取一些频率块，水印信号嵌入到由密钥控制选择的一些DTC系数中。该算法对选定的DTC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，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 hooping)技术，特点是数据改变幅度较小，透明性好，但是其抵抗几何变换等攻击的能力较弱。基于DTF和DWT算法与上述算法具有相似的原理。数字水印最初研究的重点是图像水印，己经取得了不少的研究成果，而且还推出了一些实用的产品，而基于视频产品的水印研究还相对较少。但是随着多媒体技术的发展，视频产品越来越多(例如，DVD，DC，多媒体教材、录像带等)，对于视频产品的版权保护巫需解决，因此国内外越来越多的学者逐渐投入到视频水印的研究当中。原始视频水印是直接对未压缩的视频数据进行处理，与视频编码格式无关。因此可以分为两种情况5：（1）可以直接获得原始视频流数据。此时，可以直接在原始的视频流中完成水印的嵌入或提取，处理比较简单。（2）只能得到编码的视频流数据。此时，需要首先对编码视频进行解码，然后再嵌入或提取水印。在进行水印处理之后，如果有必要再重新压缩，其处理相对复杂。如果存在一些特殊的要求，比如要求嵌入水印前后的编码码流狗长度保持不变，则处理更加困难。数字水印技术己经成为图像工程领域研究的热点之一，尤其是视频水印，逐渐成为数字水印研究的焦点。2.5 数字水印的发展趋势数字水印技术是近几年在学术界兴起的一个前沿研究领域。今后水印技术的研究将侧重于完善数字水印理论，提高数字水印算法的健壮性、安全性，研究其在实际网络中的应用，建立相关标准等。数字水印在理论方面的工作包括建立更好的模型，分析各种媒体中隐藏水印信息的理论容量，分析算法健壮性和抗攻击等性能。许多应用对数字水印的健壮性要求很高。结合人类视觉特点和听觉特点，研究健壮性更好的水印算法仍是数字水印的重点发展方向。从实际应用角度看，数字水印的下列方向应是研究的重点:对于实际网络环境下的数字水印应用，应重点研究水印的网络快速自动验证技术；研究动态水印或具有交互性质的数字水印技术。应该注意到，数字水印要得到更广泛的应用必须建立一系列的标准或协议，如加载或嵌入水印的标准、提取或检测水印的标准及水印认证的标准等都是急需的，因为不同的水印算法没有统一的标准就不利于推广水印的实际应用。数字水印技术发展速度非常快，尤其是在数字作品的版权保护方面，呈现出越来越重要的作用。其主要发展方向体现在以下几方面:（1）通过数字水印技术和密码技术结合使用保护知识产权，正成为一个新的方向。（2）开发基于数字水印技术的数字作品交易系统，提供完整的安全与版权保护机制。（3）结合智能体技术，开发Internet上版权自动追踪软件。（4）建立版权认证中心，提供各种网上服务。（5）开发能适用于多种媒体类型、实现不同水印互操作的水印软件。毫无疑问，数字水印技术将对保护各种形式的数字产品内容起到重要作用。因此，尽管该领域是一个相对年轻的领域，但它已吸引了众多的研究者。我们会看到对数字水印攻击方法和数字水印算法设计的研究将导致更好的水印方案的出现和更成功的数字水印的应用。3 基于混沌阵列的鲁棒零水印算法3.1 引言数字水印技术是除图像加密技术外另一种能有效保护数字图像安全的技术。数字加密技术是对图像进行加密处理，使得非授权用户只能得到杂乱无章的密文图像，不能获知图像的内容信息。数字水印技术是从另一个角度来保护数字图像的信息安全，它在不影响数字图像视觉效果的前提下嵌入一个水印信息，该水印信息可用于版权保护和图像认证等，是保护数字图像安全的另一种有效技术。在图像数字水印技术中，用于版权保护的水印占有很大的比重，对这类水印来说，要求算法具有较高的鲁棒性，即在遭受剪切、加扰、随机噪声、失真、滤波、旋转、缩放、JPEG压缩等常见的信号处理攻击和几何攻击时仍能从含水印图像中提取出水印信息。目前已经出现了很多用于图像版权保护的数字水印算法，它们通常都提出了“鲁棒性”声明，遗憾的是，绝大多数水印算法所强调的鲁棒性只不过是水印对抗一般信号处理（例如压缩、滤波和噪声干扰等）的鲁棒性能。诚然，数字水印技术在应用了嵌入对策、扩频技术、信道编码技术和利用了视觉系统特性提高水印的嵌入强度后，对大多数常规攻击的鲁棒性较好。然而，绝大多数水印算法不能抵抗甚至微小的几何攻击，即现有的水印技术抗几何攻击的能力很差。因此，研究既能抵抗信号处理攻击又能抵抗几何攻击的鲁棒数字水印技术仍然是一项富有挑战性的工作。本章就是针对提高数字水印算法抗信号处理和几何攻击的鲁棒性进行研究，结合零水印的概念和混沌系统，并将图像置乱引入到水印算法中，提出了一种基于混沌阵列的鲁棒零水印算法。3.2 零水印的概念目前提出的图像水印大部分属于这两类：频域水印算法和空域水印算法。这两类算法都是通过对图像的空域信息或频域信息作了一定的修改来嵌入水印信息。为了避免被觉察到修改6,7,8，很多水印算法考虑到了HVS（人类视觉系统）的特性，采用一些特殊技术来掩盖对数字产品的修改。但是，不论采用多么精妙的算法，总是要修改原始图像的一定信息，因此就存在被检测到并被有效攻击的可能性。针对这种情况，人们提出了零水印的概念。零水印算法，即不修改原图像来构造水印，利用被保护图像的重要特征来构造水印信息，很好地避开了不可感知性与鲁棒性之间的矛盾，有效地提高了水印的鲁棒性9,10,11。用于图像版权保护的零水印与非零水印的思想是一致的，即，通过从被怀疑为侵权的图像中提取可标志个人身份的水印信息来起诉侵权者，进而保护自己的版权。用于版权保护的数字图像水印应该满足不可见性、鲁棒性、可证明性和安全性这几个条件，文10指出，零水印技术能够满足不可见性、鲁棒性、可证明性和安全性这几个条件，所以零水印技术是可以用于图像版权保护的。3.3 选用的混沌系统 混沌具有以下基本性质：（l）混沌对初值具有极端的敏感性，无论两个点x，y离得多么近，在混沌映射厂作用下，两者的轨道都可能分开；（2）混沌映射具有遍历性，也就是说任一点的邻域在混沌映射准用下将“扩散”到整个度量空间；（3）混沌尽管具有类似随机信号的性质，但它是确定性的运动，其运动的轨迹决定于初值和混沌控制参数。混沌系统本身是非线性确定性系统，某些确定而简单的动力学系统产生的混沌信号能表现出非常复杂的伪随机性（这符合密码设计应遵循的混乱规则），它们难以预测、任何微小的初始偏差都会随时间而被指数式放大（这符合密码设计应遵循的扩散规则），因此，关于初始状态的少量参数就可以产生满足密码学基本特性的混沌密码序列，具有自然的伪随机性，并且混沌迭代效率较高，因而适合用于进行图像保密通信。混沌系统的初值敏感性，遍历性等特点，也适合用到数字水印技术中。3.4 水印嵌入和提取算法为了抵抗对图像的剪切攻击，在算法中引入了图像置乱操作，因为在经过置乱的图像中“嵌入”，水印后再进行逆置乱操作，可以将水印信息较均匀地“嵌入”到整个图像中，这样，如果图像遭受了剪切攻击，只会丢失部分水印信息，仍然能从剩余的图像中提取出部分水印信息，可以较好地抵抗剪切攻击。算法的基本思想是：首先构造一个和图像大小相同的混沌阵列，并利用一定的置乱算法对图像进行置乱（本章采用第二章中提出的图像加密算法进行图像置乱，只是在置乱时不对像素值进行加密，只是对位置进行置乱），然后利用混沌阵列来在置乱后的图像中寻找嵌入位置，得到该位置的像素值的最高有效位，再通过该最高有效位和待嵌入的水印信息的比较结果来在混沌阵列中设置标志，构造出最终的水印阵列。以灰度图像为例，设我们要在图像I中用密钥K嵌入水印M，其中K=x0。以灰度图像为例来说明来描述算法。为描述算法的方便约定几个符号：记图像为I，嵌入密钥K，K=x0。x0拟嵌入的水印为M，V(i，j)为混沌阵列中第i行、第j列，值为0或1，J(i，j)为图像中第i行、第j列点的像素值的最高位，值为0或1。4参考文献1VanShcyndel，R.，Tikrel，A.，and Osbonre，C.A digiatl watemrark.In Porceedings of ICIP(Austin，Tex，Nov.)IEEE Press，1994，PP.86-902黄继武，SHI YunQ.一种自适应图象水印算法J.自动化学报，1999，25(4):477一482.3黄继武，SHI YunQ，姚若河.基于块分类的自适应图象水印算法J.中国图象图形学报，1999，4(8):640-643.4易开祥，石教英.一种自适应二维数字水印算法，全国第二届信息隐学术研讨会论文集，pp:108一122，北京，2000.65邹潇湘，彭聪，李锦涛等.视频水印技术研究J.工程图学学报，2002，3(3):169-1796Mohamed A Suhail，Mohammad S Obaidat.Digital Watermarking-Based DCT and JPEG Model.IEEE transaetion on instrumentation and measurement，2003，52(5):1640-1647.7M Swanson，BZhu，ATewfik