图像数字水印技术的研究与实现毕业设计论文.doc

I 图像数字水印的研究与实现 摘 要 当前快速发展的新的IT技术 电子商务及大量商用多媒体业务 的涌现 使得各种多媒体数据的版权保护技术显得尤为重要 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 防篡国际信息内嵌注释等领域提出了崭新的防范和 保护措施 信息隐藏与数字水印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 作为信息隐藏在计算机多媒体领域的一个重要应用 数字水印技 术使得人们能够在多媒体信息中嵌入不可见的信息 并且在多媒体 信息经过一定程度的处理之后 嵌入的水印信息不会丢失 数字水 印技术为多媒体版权保护提供了一个崭新的方法 近年来在国际上 引起了人们极大的兴趣和注意 得到广泛的研究和应用 论文中介 绍了数字水印技术及其原理 特点以及目前的应用状况等等 并对 数字水印算法模型 分类以及典型算法进行了简要的分析 然后利 用了一种DCT算法实现了数字水印的嵌入和提取 并使用剪切 压缩 添加噪声等几种攻击手段验证了水印的鲁棒性 II 关键词关键词 信息隐藏 数字水印 DCT Image Watermarking Research and Implementation ABSTRACT The current rapid development of new IT technology electronic commerce and the emergence of a large number of commercial multimedia services making all kinds of multimedia data for copyright protection technology is very important In recent years many foreign scholars put forward a series of new information security thinking particularly in intellectual property protection anti seize international information embedded comments raised new areas of prevention and protection measures Information hiding and digital watermarking technology is a new digital media protection it is the specific information such as copyright information secret information etc embedded into the image voice video and text files and other digital media in order to achieve identification annotation and copyright protection purpose the same time this information media of the host not attracted people s attention and has a particular recovery method this information is illegal receiver should not be visible can not be perceived Information hidden in the computer as an important area of multimedia applications digital watermarking technology makes it possible to embed information in the multimedia information is not visible and multimedia information through a certain degree of processed the embedded watermark information is not lost Digital watermarking for multimedia copyright protection provides a new way in recent years has attracted considerable international interest and attention has been widely studied and applied Paper introduces the digital watermarking technology and its principles characteristics and the current application status and so And digital watermarking algorithm model the typical algorithm for classification and a brief analysis and then use a DCT algorithm of digital watermark embedding and extraction and use the shear compression adding noise means of verification of several attacks on the watermark robust Keywords information hiding watermark DCT 1 毕业设计 论文 原创性声明和使用授权说明毕业设计 论文 原创性声明和使用授权说明 原创性声明原创性声明 本人郑重承诺 所呈交的毕业设计 论文 是我个人在指导教 师的指导下进行的研究工作及取得的成果 尽我所知 除文中特别 加以标注和致谢的地方外 不包含其他人或组织已经发表或公布过 的研究成果 也不包含我为获得 及其它教育机构的学位 或学历而使用过的材料 对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人 或集体 均已在文中作了明确的说明并表示了谢意 作 者 签 名 日 期 指导教师签名 日 期 使用授权说明使用授权说明 本人完全了解 大学关于收集 保存 使用毕业设计 论 文 的规定 即 按照学校要求提交毕业设计 论文 的印刷本和 电子版本 学校有权保存毕业设计 论文 的印刷本和电子版 并 提供目录检索与阅览服务 学校可以采用影印 缩印 数字化或其 它复制手段保存论文 在不以赢利为目的前提下 学校可以公布论 文的部分或全部内容 作者签名 日 期 2 目目 录录 摘摘 要要 I I ABSTRACTABSTRACT IIII 第一章 绪论第一章 绪论 3 3 1 1 数字水印的概念和基本原理 3 1 2 数字水印技术及其发展 4 1 3 数字水印的研究方向和意义 4 1 41 4 数字水印的分类 5 1 5 数字水印的应用 6 第二章第二章 图像数字水印关键技术图像数字水印关键技术 8 8 2 1 图像数字水印的概念及基本特征 8 2 2 图像数字水印的基本原理和系统框架 9 2 2 1 图像数字水印的基本原理 9 2 2 2 图像数字水印算法的基本框架 9 2 2 3 数字图像水印的典型算法 10 2 2 4 空间域数字水印算法 10 2 2 5 变换域数字水印算法 10 2 3 常见图像水印攻击方法 11 2 3 1 去除攻击 Removal Attacks 11 2 3 2 表示攻击 Presentation Attacks 12 2 3 3 解释攻击 Interpretation Attacks 13 2 3 4 合法攻击 Legal Attacks 13 2 4 本章小结 14 第三章第三章 DCTDCT 变换域数字水印嵌入技术变换域数字水印嵌入技术 1515 3 1DCTDCT 水印技术的概述 15 3 2 离散余弦变换在水印中的应用 16 3 2 1 离散余弦变换的特点 17 3 3 实现方案 19 3 3 1 水印的嵌入 19 3 3 2 水印的提取 20 3 3 3 相似度计算 20 3 4 离散余弦变换域的嵌入水印实验 20 3 4 1 JPEG 压缩 24 3 4 2 高斯滤波 Gaussian Filter 26 3 4 3 图像的几何旋转 26 3 4 4 剪切 27 3 4 5 添加噪声 28 3 5 本章小结 28 第四章总结和展望第四章总结和展望 2828 3 参考文献参考文献 3131 致谢致谢 3333 附附 英文原文英文原文 3434 附附 中文翻译中文翻译 4242 4 第一章 绪论 数字水印是通过数字技术在数字产品上实现的 数字水印是 1994 年提出的 一种新型信息防伪技术 其基本思想是在数字图像 音频和视频等多媒体信息 产品中嵌入秘密的信息以保护数字产品的版权或证明产品的真实可靠性等 目 前 数字水印技术已经成为多媒体信息安全研究领域发展最快的热点技术 它 的应用主要涉及数字知识产权保护 电子商务等 其一些典型的数字水印算法 主要针对图像数据 1 1 数字水印的概念和基本原理 数字水印 Digital Watermark 技术是通过一定的算法将一些标志性信息 直接嵌入到多媒体内容当中 但不影响原内容的价值和使用 并且不能被人的 知觉系统觉察或注意到 只有通过专用的检测器或阅读器才能提取 其中的水 印信息可以是作者的序列号 公司标志 有特殊意义的文本等 可用来识别文 件 图像或音乐制品的来源 版本 原作者 拥有者 发行人 合法使用人对 数字产品的拥有权 与加密技术不同 数字水印技术并不能阻止盗版活动的发 生 但它可以判别对象是否受到保护 监视被保护数据的传播 真伪鉴别和非 法拷贝 解决版权纠纷并为法庭提供证据 嵌入数字多媒体作品中的数字水印须具有以下特性 不可见性或隐蔽性 不 易被察觉 不会引起原来数字作品明显的图像质量下降 即看不到数字水印的 存在 鲁棒性 即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 剪裁等处理下 数字水印不容易被破坏 安全性 加入水印和检测水印的方法对没有授权的第三方是保密的而且不可轻易 被破解 即使被黑客检测到了也不能读出 数字水印需要加密 在数字水印技术中 水印的数据量和鲁棒性构成了一对基本矛盾 理想的 水印算法应该既能隐藏大量数据 又可以抗各种信道噪声和信号变形 然而在 实际这两个指标往往不能同时实现 但是实际应用一般只偏重其中的一个方面 如果是为了隐蔽通信 数据量显然是最重要的 由于通信方式极为隐蔽 遭遇敌方 篡改攻击的可能性很小 因而对鲁棒性要求不高 但对保证数据安全来说 情况恰 恰相反 各种保密的数据随时面临着被盗取和篡改的危险 所以鲁棒性是十分重要 的 此时 隐藏数据量的要求居于次要地位 一般数字水印的通用模型包括嵌入和检测 提取两个阶段 数字水印的生 成阶段 嵌入算法的嵌入方案的目标是使数字水印在不可见性和鲁棒性之间找 到一个较好的折中 检测阶段主要是设计一个相应于嵌入过程的检测算法 检 测的结果或是原水印 如字符串或图标等 或是基于统计原理的检验结果以判 断水印存在与否 检测方案的目标是使错判与漏判的概率尽量小 为了给攻击 者增加去除水印的不可预测的难度 目前大多数水印制作方案都在加入 提取 时采用了密钥 只有掌握密钥的人才能读出水印 5 1 2 数字水印技术及其发展 数字水印是目前国内外科学研究的一个前沿热门领域 是国际上最新的一 门信息隐藏技术 印刷打印数字水印是数字水印技术的一个分支 是以印刷品 为载体的防伪及版权保护技术 数字水印技术是通过对媒体数据做微量修改来 嵌入水印信息 从而达到信息隐藏的目的 该过程不影响原来数据的正常使用 不改变原来数据量的大小 不改变媒体的外观 嵌入的水印信息可以通过技术 软件提取或者检测出来 如果水印信息嵌入到印刷品上 则可以通过特殊的机 读设备或软件来检测 提取出水印信息 该技术在军事通信 国家信息安全 数字化网络 多媒体及印刷出版领域都具有十分广阔的应用前景 数字水印技术是目前防伪及信息安全技术领域的一个崭新方向 是一种可 在开放的网络环境下实现信息隐藏与跟踪的新型技术 自 1993 年以来 国内外 开始并尝试一种新的关于信息安全的技术 即将机密资料隐藏到一般的文件中 然后再通过网络来传递 由于非法拦截者从网络上拦截下来的是伪装后的资料 它们看起来与一般非机密资料没有两样 因而十分容易逃过拦截者的破解 其 道理如同生物学上的保护色 巧妙地将自己伪装隐藏于环境中 免于被天敌发 现而遭受攻击 这一点是常规加 解密系统所欠缺的 也是信息伪装最基本的 概念 该技术已引起工业界及军方的浓厚兴趣 并日益成为国际上非常活跃的 研究领域 目前进行数字水印研究的机构既有政府部门 也有大学和知名企业 在国 外 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 我国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 从总体上看 我国相关的研究与世界水平同步 而且有自己独特的研究思路 但这些研究大多处在应用基础理论研究和应用技 术开发阶段 尚无成熟的技术和商业化的产品推向市场 我公司坚持以市场为 导向 以产业化为目的 既重视理论研究 又注重应用开发 在数字水印研究 开发方面已抢占市场先机 在成功开发出音频 视频 图像及文本数字水印技 术平台的基础上 又率先开发出了国内第一个印刷打印数字水印软件并投入了 商业化应用 我公司自主研究 开发 具有独立知识产权的数字水印技术软件 技术含量高 创新性强 其研究成果已达到国内领先 国际先进的水平 1 3 数字水印的研究方向和意义 如何利用水印算法 在网络环境中解决多媒体信息安全问题 成为了当前 一个研究热点 多媒体信息的安全问题是 安全传递 访问控制和版权保护 通过加密解密可以实现前两个目的 但是 解密后的数据可以随意在网络上分 布 传播 在数字内容中嵌入唯一的标志 即数字水印 在出现争端纠纷时 根据提出的水印 可以证明真正的版权拥有者 或者找出非法传播的作俑者 但是 这些应用只是被动的在争端发生时才体现出来 而且由于缺乏相应的法 律支持 这些想法没有真正的实施 因此 有人提出数字水印代理 利用移动 6 代理技术 在网络上自动搜寻非法或未授权的数字媒体内容 但是 其前提是 主机需要安装相应的代理程序 因而带来了新的安全问题 我们提出在网络通 信路上 如在路由器中加入水印检测算法 数字水印代理 在网路上检测非法 传播 从而杜绝网络上数字媒体内容的非法传播 多媒体存储和传输技术的进步使存储和传输数字化信息成为可能 同时 随着计算机通信技术的迅速发展 传播数字多媒体信息也越来越方便快捷 迅 速兴起的 Internet 以电子印刷出版 电子广告 数字仓库和数字图书馆 网络 视频和音频 电子商务等新的服务和运作方式为商业 科研 娱乐等带来了许 多机会 然而 这也使盗版者能以低廉的成本复制及传播未经授权的数字产品 内容 出于对利益的考虑 数字产品的版权所有者迫切需要解决知识产权 intellectual property rights 的保护问题 密码学的加密原理或置乱技术能保证数 字产品内容的安全传送 同时 可作为存取控制或征收费用的手段 因为只有 用户或版权所有者才有密钥 只有他们可以解密或恢复置乱从而得到数字产品 的真实内容 但是 仅采用密码技术的一大缺点是所加密的数字内容在解密之 后 就没有有效的手段来保证其不被非法拷贝 再次传播和盗用 为了防止这 种情况的发生 人们提出了数字水印的概念 目前对数字水印 digital watermarking 的普遍定义是指永久镶嵌在其他数据 宿主数据 中具有可鉴别性的 数字信号或模式 而且并不影响宿主数据的可用性 在某种意义上说 水印对局 外人是不可见的 透明的 但算法本身能提供有效的检测手段 数字水印可以标 识作者 所有者 发行者 使用者等 并携带有版权保护信息和认证信息 保 护数字产品的合法拷贝和传播 数字水印可以应用于包括文本 声音 静止图 像及视频等各种多媒体数据中 但是目前与水印相关的研究和文献大多是与静 止图像 视频保护有关的 一些典型的算法和软件也都是针对图像数据设计的 对文本添加水印的方法比较单一 研究进展不大 由于在网络上传播的信息大 部分是文字性内容 如 数字图书馆和档案馆以数字形式保存了大量受版权保 护的文章 杂志及书籍 报刊杂志通过网络发行 可节省很多的人力 物力和 时间 电子商务 政府上网等通过网络传送许多重要文件 如政府通知 法律 文书 银行凭据等 这些数据信息如果被篡改将会产生难以预料的严重后果 因而使得保护数字文本比保护音频 视频或图像之类的多媒体信息更加重要 目前迫切需要解决对文本文档实施保护 追踪文本非法复制 发行 篡改或伪 造等问题的方法 研究如何保证这些文本信息的安全 可以使我们在未来可能 的国际知识产权纷争中取得主动权 这是事关个人 集体甚至国家发展与安危 的大事 对网络时代的版权保护 电子商务及政府工作等具有极其重要的意义 总之 最有生命力的研究课题往往处在多学科交叉的位置上 文本数字水印就 是这样一个涉及多个领域 涵盖多种技术的研究方向 文本数字水印的研究建 立在认知科学 通信原理 密码学等相关学科基础上 涉及多个研究领域 具 有很高的技术含量和理论深度 存在不少具有较高理论难度和实际应用价值的 问题值得去深入探讨 很有发展潜力 是目前极有价值的研究新方向 1 4 数字水印的分类 由于数字水印技术尚处在发展阶段 没有形成一个统一的规范 造成分类 方法繁多 按照不同的分类方法可以分为多种水印模式 它们之间既有区别 又有联系 不同的水印模式或几种混合模式下的水印技术可以应用于不同方面 数字水印技术可以从不同的角度进行划分 下面将最常见的分类如下 7 1 按水印发展来看 可分为第一代水印和第二代水印 Kutter 将空域 频 域和其它变换域水印算法统称为第一代水印 指出第一代水印的缺点在于没有 将水印信号直接嵌入在视觉重要成分中 并首次提出第二代水印的概念 即在 水印处理过程中利用重要的数据特征 如图像的边缘 边角点和纹理区域等 2 按嵌入的水印信号形式来分 可以分为有意义水印和无意义水印 有意 印是指原始水印是某个数字图像或数字音频片断的编码 无意义水印则是由一 个随机序列 伪随机二值序列或混沌序列等一些无实际意义的信号 3 按用途可以分为票据防伪水印 版权保护水印 篡改提示水印和隐蔽标 识水印 票据防伪水印是比较特殊的水印 主要应用在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水印 数字产品作为商品和知识作品强 调了隐蔽性和稳健性 篡改提示水印时一种脆弱水印 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 4 按水印检测过程 可以分为盲水印 半盲水印和非盲水印 非盲水印是 在检测过程中需要原始数据和原始水印的参与 半盲水印是不需要原始数据 但是需要原始水印进行检测 盲水印是不需要原始数据与不要原始水印 只是 需要密钥来检测 5 按鲁棒性来分 可分为易脆水印和鲁棒水印 所谓易脆水印即认证水印 就是在保证数字媒体信息一定视 听觉质量的前提下 将与媒体内容相关或不 相关的标志信息作为水印直接嵌入媒体内容中 当媒体内容需认证时 可将水 印提出鉴定其是否真实完整 鲁棒水印保证了当数字信息收到有意或者无意的 处理或者攻击时 仍能够通过检测提取到确认版权的水印信息 6 从外观上分类 可分为可见水印和不可见水印 可见水印是在载体可以 看见的水印 与可视的纸张水印相似 不可见水印是目前应用比较广泛的水印 它加在图像 音频和视频中 表面是很难察觉的 但当需要验证时 可以从中 提取标记来证明所有者 7 按载体分类 可分为图像水印 视频水印 音频水印和文本水印等 随 着多媒体技术的发展 将出现更多的数字媒体 同时会出现与之相应载体的数 字水印技术 8 从水印的嵌入域来分 可分为空域水印 变换域水印 空域水印是直接 在信号空间上叠加水印信息 而变换域水印是改变某些变换域系数上加载水印 1 5 数字水印的应用 数字水印技术是刚刚兴起的一门数字信息安全的新技术 但是由于它具备 的特殊优势和特性 自它被提出之后 就受到广大专家学者的认可 它的应用 前景和应用领域非常巨大 总的来说 主要应用领域有 1 版权保护 目前版权保护可能是水印最主要的应用领域 数字作品的所 有者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 所有者可利用从盗版作品或水印作 品中获取水印信号作为依据 从而保护所有者的权益 这要求水印必须具有较 好的鲁棒性 安全性 透明性和水印嵌入的不可逆性 2 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 使得纸币 支票 8 以及其它票据的伪造变得更加容易 目前 美国 日本以及荷兰都在研究用于 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 己经开始研究在彩色打印机和复印机输出的每幅图像中加入唯一的 不可见的 水印 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 网络安全技术成熟以后的各种电子票据等都需要进 行非密码认证 数字水印技术可以为各种票据提供不可见的标志 从而大大增 加了伪造的难度 3 内容认证 通过使用那些很难被检测到的方法 使得篡改数字作品变得 越来越容易 内容认证的目的就是检测对数字作品的修改 可用脆弱水印来实 现认证 可以简单的认为脆弱水印是一种当作品发生任何形式的改变后变得不 可测的标志 如果从作品中检测到一个非常脆弱的水印 那么说明作品没有被 修改 至少没有被意外地修改 该类水印还可以对数字作品被篡改的地方进行 定位 甚至有的算法还能够将被篡改的内容进行部分恢复或全部还原 4 标题与注释 数据的标识信息有时比数据本身更具有价值 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 将作品的标题 注释等内容以水印形 式嵌入该作品中 于是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 5 盗版跟踪 数字水印还有一些其他的应用 他们的目的是传输合法接受 者的信息而不是数据来源者的信息 主要用于识别数据的单个发行拷贝 这一 类应用在发行的每个拷贝中嵌入不同的水印 通常称之为 数字指纹 对每个 拷贝各自嵌入水印的情况 因为他们的发行要面临共谋攻击的危险 所以嵌入 的水印应该设计成对共谋攻击而言是安全的 同样 对于某些数字指纹来说 他们要求水印易于提取 且有很低的复杂度 6 拷贝保护 在多媒体发行体系中 希望存在这样的一个拷贝保护机制 即它不允许未经授权的媒体拷贝 在开放系统中很难实现拷贝保护 然而在封 闭或私有系统中 拷贝保护是可行的 在这样的系统中 可用水印来说明数据 的拷贝情况 7 安全的隐秘通信 情报战是信息战的重要组成部分 其核心思想是利用 公用网络进行保密数据传送 目前采用的方式主要是 文件加密 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 即利用数字水印技术把需 要传递的秘密信息作为水印嵌入到可以公开的数字产品的时 空 域和变换域中 从而实现隐蔽通信 由于嵌入秘密信息的图像在主观视觉上并未发生变化 察 觉到秘密信息的存在是不大可能的 从这个意义上讲 传输秘密信息的信道也 是秘密的 这将有效地减少遭受攻击的可能性 同时 由于信息的嵌入方法是 保密的 如果再结合密码学的方法 即使敌方知道秘密信息的存在 要提取和 破译该信息也是十分困难的 9 第二章第二章 图像数字水印关键技术图像数字水印关键技术 2 1 图像数字水印的概念及基本特征 图像数字水印技术就是将特定的标记 如作者名 创作时间 所有权等信 息 利用数字内嵌的方法嵌入到数字图像中 用以证明创作者对其作品的所有 权 同时还可以作为鉴定 起诉非法侵权的证据 通过对水印的检测和分析来 保证数字信息的完整性 6 作为版权信息嵌入到图像中的秘密信息即称为数字 水印 它可以是无意义的随机序列 也可以是文字 图像 声音等有意义的信 息 数字水印与原始图像紧密结合并隐藏其中 能经历一些不破坏原始图像的 使用价值或商用价值的操作而保存下来 数字水印不影响图像的可用性 它是 信息隐藏技术的最重要的一个分支 是解决多媒体数据版权保护问题的有效手 段之一 一般地 图像数字水印具有如下的基本特性 1 不可见性 即水印是不易察觉的 水印技术的首要条件是嵌入水印的图 像和原始图像基本上相同 图像的质量不因水印的嵌入有明显的改变 不可见 性包含两方面的意思 一个指视觉上的不可见性 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 最理想的情况是含水印图像与 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 另一方 面水印用统计方法也是不能恢复的 7 如对大量的用同样方法和水印处理过的 图像即使用统计方法也无法提取水印或确定水印的存在 2 确定性 嵌入到图像中的水印应能被唯一确定地检测并提取 从而可靠 地判定该作品的真正所有者 而不会出现检测不到嵌有水印的图像中的水印或 报告不含有水印的图像中含有水印这样的错误 3 安全性 图像数字水印的安全性就是指它抵抗蓄意窜改或恶意攻击的能 力 也就是说嵌入水印和检测水印的方法对没有授权的第三方是保密的而且不 可轻易破解 水印系统对安全性的要求对于不同的应用差别很大 4 可证明性 水印能够为受到保护的图像的归属提供完全可靠的证明 在 需要的时候 水印检测算法能够识别并提取嵌入在保护对象中的所有者的相关 信息 水印能够用来判别对象是否受到保护 并能监视被保护对象的传播 真 伪鉴别以及非法拷贝控制等 就目前已经出现的很多算法而言 攻击者完全可 以破坏掉图像中的水印 或复制出一个理论上存在的 原始图像 这导致文件 所有者不能令人信服地提供版权归属的有效证据 因此一个好的水印算法应该 能够提供完全没有争议的版权证明 在这方面还需要做很多工作 5 鲁棒性 鲁棒性是数字水印技术最重要的一个特性 由于数字水印完全 嵌入图像中 那么对含水印图像所做的变换也会导致其中水印的变化 所以数 10 字水印必须对作用于图像的变换具有抵抗作用 鲁棒水印主要是指在经历多种 有意或无意的信号处理后 水印仍能保持完整或仍能被准确鉴别 常见的图像 处理和攻击有 有损压缩 滤波 噪声干扰 边缘增强 旋转 伸缩 剪切 扫描等操作 从理论上讲 在具备相应的信息后 水印是可以消除的 而成功 的数字水印技术就是要保证在解码信息不完备的情况下 任何试图去除水印的 操作均会导致原始图像质量的严重破坏 实际上很难设计出一种方法能够保证 对所有可能的图像处理和攻击都具有鲁棒性 因此鲁棒性的强弱应该视不同的 应用需求而定 在实际应用中 要求设计的水印方案至少对一些常用的图像处 理具有鲁棒性 2 2 图像数字水印的基本原理和系统框架 2 2 1 图像数字水印的基本原理 大多数图像数字水印技术所遵循的基本原理是利用人类视觉的感觉冗余性 将水印信息嵌入到同样具有数据冗余特性的图像中去 使得水印在图像中不被 察觉并且足够安全 一般通过相关或类似于相关的计算进行检测 从图像处理的角度看 嵌入水印可以视为在强背景 原始图像 下叠加一个 弱信号 水印 由于人类视觉系统 Human Visual System HVS 的分辨率受到 一定的限制 只要叠加信号的幅度低于HVS 的最小可察觉误差 HVS 就无法 感觉到信号的存在 因此通过对原始图像做一定的调整 有可能在不改变视觉 效果的情况下嵌入一些水印信息 2 2 2 图像数字水印算法的基本框架 所有的图像数字水印算法都由两个基本系统 水印嵌入系统和水印恢复系 统组成 1 水印嵌入系统 水印嵌入过程中 通过嵌入算法将水印信号加在原始图像上 生成含水印 的图像 水印可以是任何形式的数据 大多数水印方案在水印嵌入过程中都使 用了密钥 从而加强了整个系统的安全性 水印系统的输出称为含水印图像 设原始图像为 I 水印为 W 密钥为 K 则水印嵌入可用式 2 1 来述 I w F I W K 2 1 式中 F 表示水印嵌入算法 如图 2 1 所示 水印W 密钥K 嵌入算法含水印图像原始图像I 图 2 1 图像数字水印嵌入系统框图 两种常用的水印嵌入方法如式 2 2 示 vwi vi awi 加法法则 11 vwi vi 1 awi 乘法法则 其中 vi viw 分别表示原始图像像素和嵌入水印的图像像素 wi 为水印信号 分量 0 i n 为尺度因子 在保证不可见的前提下 尽可能提高嵌入水 印的强度 的选择必须考虑图像的性质和视觉系统的特性 2 水印恢复系统 水印恢复时 先检测待测试的图像中是否含有水印信号 如果待测图像中 含有水印 则从中提取出水印 如图2 2 所示 设待测图像为I 从I 中提取的水印为W 为检测函数 则 W I I 2 3 计算相关系数C W W 如果C W W 满足 C W W T 设T为阈值 则可判定水印存在 否则认为水印不存在 水印W或原始图像I 密钥K 检测 提取 算法水印 相关 系数待测图像 I 图 2 2 图像数字水印恢复系统框图 2 2 3 数字图像水印的典型算法 数字图像水印的算法按照嵌入域的不同主要可分为空域算法 变换域算法 前者使用各种方法直接修改图像的象素值 将数字水印直接加载在数据上 而 后者首先对原始图像进行适当变换 既可以对整幅图像变换 也可以将原始图 像分块后对某些小块进行变换 然后将水印信息嵌入到变换域选定的系数上 最后通过相应的反变换得到含水印的图像 一般来说 空域算法具有计算简单 信息隐藏量大的特点 但其最大的缺点是缺乏理想的鲁棒性 尽管有些算法提 出了改善鲁棒性的一些方法 但空域算法在鲁棒性上一般比变换域的算法差 因此在鲁棒图像水印算法中用的较少 变换域算法因具有较强的抵抗信号处理 和恶意攻击的能力 更便于适应人类视觉系统的特性选择不同的嵌入频带 与 某些压缩标准兼容等优点 是目前鲁棒水印算法的主流 而结合空域和变换域 特性的图像自适应算法则是图像水印技术中一个有前景的研究方向 2 2 4 空间域数字水印算法 典型的空域算法是 LSB 最低有效位 算法 13 它的嵌入是把水印比特 插入原始图像灰度值的最低位 检测是通过计算互相关函数来实现的 LSB 算 法的优点是算法简单易实现 水印嵌入的数据量大 含水印图像不可见好 但 是它致命的弱点是鲁棒性很弱 在对数字图像处理或变换后 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简单 12 的数学变换就以将水印信息破坏掉 另外一类重要的空域算法利用了图像像素 的统计特征 其主要思想是通过修改原始图像像素使得原始图像像素的某体统 计特征发生变化 检测时只需查看含水印图像的统计特征即可 从而达到盲检 测的目的 为了保证安全性 这些统计特征的来源必须受到密钥的控制 常用 的统计量包括 平均值 标准偏差和直方图等 这一类算法的代表是patchwork 算法 14 2 2 5 变换域数字水印算法 变换域算法常用的变换域有离散余弦变换 DCT 离散小波变换 DWT 离散傅立叶变换 DFT 等 实际上 变换域算法并不限于上述三 种变换 只要能隐藏水印信息 任何变换都是可行的 Koch 等人 15 首先提出 了基于DCT 域的水印算法 通过修改由伪随机选定的中频系数对的差值来嵌入 水印 由于它与JPEG 压缩的特性兼容 且在修改DCT系数的同时考虑到了 JPEG 压缩量化矩阵 因而可以有效地改善水印对有损压缩的鲁棒性 Cox 等 人 16 首先提出将水印嵌入到图像感知重要的区域中 其思想是要破坏水印必 然要破坏图像的重要内容 这一思想已被许多算法采用 为了得到水印的鲁棒 性和不可见性的最佳折衷 人们逐渐认识到利用视觉生理模型的重要性 Watson 感知模型 17 就是一个建立在分块DCT 变换基础上的感知模型 利用 该模型可以估计图像之间的临界可见误差 JND 控制水印嵌入算法的最大 嵌入能量 使之适应于图像的特性 与DCT 相比 DWT 具有以下优点 具备 多分辨率特性 嵌入的水印可以选择在不同的分辨层上得到不同的鲁棒性和视 觉特性 良好的时 频分解特性更符合人类视觉系统的特点 使得水印的嵌入可 以更好地结合HVS 从而改善水印图像的质量或水印的性能 与新一代的压缩 标准兼容 如JPEG2000 和MPEG7 因DWT 在数字水印技术中有着广泛的应 用前景 基于DWT 的水印算法 通常是先将原始图像进行多级小波分解 然 后再通过修改小波变换系数来实现水印的嵌入 水印检测器接收到目标图像后 先进行同样的小波分解 通过相应的检测算法来判断目标图像是否含水印或直 接通过提取算法将水印提取出来 小波域的水印算法根据嵌入位置大体可分为 低频域算法和高频域算法 文献 18 提出一种基于低频子带嵌入的盲水印算法 通过一个不重叠3 1 大小的滑动窗 对小波分解的整个低频系数进行扫描 对 连续的3 个系数进行排序 对最小值 最大值之间的长度进行M 段分割 中间 值根据水印值进行量化 算法的缺点是在JPEG 压缩率较大的情况下检测效果 不太理想 文献 19 的算法将水印嵌入到图像的DWT 分解高频区域 算法首先 利用Daubechies 8 小波滤波器对图像进行三级小波变换然后选择所有高频子带 中大于阈值的系数作为嵌入位置 按照乘性规则嵌入水印 所嵌入的水印为与 各高频子带相匹配的伪随机实数的Gaussian 序列 使用相检测方法 低频域嵌 入算法的优点是鲁棒性强 但容易影响图像的视觉效果 高频域嵌入算法的优 点是有较好的抵抗噪声能力 但抗JPEG 有损缩和低通滤波的性能差 而将高 低频水印算法优点结合起来 可以达到扬长避短 互相补充的目的 本文第五 章就是基于这种思想进行研究的 2 3 常见图像水印攻击方法 攻击指的是任何一种可能削弱水印的检测或扰乱通过水印传递信息的通信 的任何处理 为了破坏图像数字水印的安全性 水印攻击者总是设法消除信息 13 所有者的水印内容的有效性 使相应的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 到目前为止 还没有一个算法能够真 正经得住攻击者的任意进攻 为了更好的检验水印算法的鲁棒性和安全性 分 析算法缺陷和产生原因 以便在新的水印系统的设计中加以改进 有必要对水 印攻击进行分析 采用 Craver 等人的划分 数字水印攻击包括针对鲁棒性的常 规信号处理操作 针对安全性的恶意攻击以及针对水印应用系统和法律问题的 攻击 现有的图像水印系统的攻击方法 主要可分为四大类 2 3 1 去除攻击 Removal Attacks 去除攻击是最常用的攻击方法 它主要攻击鲁棒性的数字水印 因而也可 称为鲁棒性攻击 这类攻击的目的在于擦除或除去标记过的数据中的水印而不 影响图像的使用 它试图削弱载体中的水印强度 或破坏载体中的水印 这类 攻击可以再细分为 简单攻击 也可称为波形攻击或噪声攻击 和删除攻击 简单攻击只是通过对含有水印的图像进行某种操作来削弱或删除嵌入的水 印 而不是试图识别水印或分离水印 它包括无恶意的和常见的一些信号处理 方法 如线性或非线性滤波 基于波形的图像压缩 JPEG JPEG2000 MPEG 添加噪声 Gamma 校正 图像裁剪 图像量化 模拟数字转换 打印和扫描 等 虽然目前出现的水印算法可以分别抵抗一些基本的图像操作 如旋转 裁剪 重采样 尺寸变化和有损压缩等 但对同时施加这些操作或随机几何变换却无 能为力 人们通常有这样的误解 一个幅度很小的水印可以通过加上类似幅度 的噪声来除去 实际上 相关检测器对随机噪声这类攻击是很鲁棒的 因为在 实际应用中 噪声并不是严重的问题 除非噪声相对于图像来说幅度太大或者 噪声同水印是相关的 删除攻击主要针对某些水印算法 通过分析水印数据 估计图像中的水印 然后将水印从图像中分离出来使得水印检测失效 这类攻击往往利用特定的水 印方案中的弱点 此类攻击的一个例子是共谋攻击 它利用同一原始多媒体数 据集合的不同水印信号版本 逼近和恢复原始数据 目的是使监测系统无法在 一近似的数据集合中 检测出水印信号的存在 其中最简单的一种实现就是平 均法 抵抗去除攻击的方法依赖于水印算法的安全性 因此 算法的安全性应 依靠与内容相关或无关的密钥以及算法本身特性 26 攻击者无法得到密钥就 无法擦除印 需要指出的是这里的密钥同密码学中的严格的密钥概念是不同的 密码学中的密钥在攻击者已知加密算法 已知密文和已知明文攻击下都是非常 难以解出的水印中的密钥尚无如此严格的要求 2 3 2 表示攻击 Presentation Attacks 表示攻击又称为同步攻击 Synchronization Attacks 它是试图破坏相关性和 使得水印检测器对水印的恢复变得不可能或不可实现的攻击方法 表示攻击与 去除攻击的不同之处在于 它不需要去除载体中的水印 而是通过各种办法使 得水印检测器无法检测到水印的存在 在表示攻击中 典型方法有三种 几何变形攻击 Geometrical DistortionsAttack 马赛克攻击 Mosaic Attack 和Oracle攻击 几何变形攻击是 一种大面积的攻击而不是针对单个像素的行为 采用的是对数据施加几何变形 方法 例如 缩放 偏移 旋转 扭曲 裁剪 置换 移去或者插入等几何变 换 已有的大多数水印方案都容易受到这些简单行为的攻击 要消除几何攻击 14 的影响 要人为地对照标注图像与原始图像对水印加以恢复 采用几何变形攻 击的一个典型是著名的水印测试工具StirMark 27 该软件可以对图像进行随机 的无法察觉的扭曲 打印 扫描操作时产生的失真与这种扭曲非常相似 因此水 印设计算法中必须考虑这些问题 马赛克攻击主要用于对付Internet 网上的盗版版权检测系统 马赛克攻击 的基本原理是图像越小 所能嵌入的信息越少 小到一定程度 就不能再往其 中嵌入信息了 利用这个原理 马赛克攻击通过将一幅图像分割成足够小的图 像块 将水印检测器屏蔽 一个典型的例子是用这种方法愚弄Internet 上的自 动侵权探测器Webcrawler 这个探测器自动在网上下载图片 然后根据水印检 测有无侵权行为 攻击时需要把图像分割成很多的小图像 使每一小块图像的 尺寸小于Webcrawler要求的尺寸下限 再把小图像排列在一起拼成和原始图像 相同的图像重组在Web网上 防御这种攻击方法 要保证水印嵌入到尺寸足够 小的图像中 使这种攻击没有多大的实际意义 Oracle攻击是在攻击者获得水印检测器并能使用的情况下的一种攻击 例 如攻者获得图像处理软件中的水印插件 电子设备中的某种器件或功能 这种 攻击不需要攻击者了解太多相关的水印知识 只需根据水印检测器的输出结果 不断的对图像做细微修改 直至水印不能被检测到为止 一般认为Oracle攻击 从理论上看是可行的 但是计算复杂度太大 对于二值水印 其复杂度是O 2n 其中n是水印长度 为抵制Oracle攻击 一种可行的方法是设置两个阈值使检测 过程随机化 当处于两个阈值之间时 监测器输出为随机数 另一种方法则是 增加解码过程的计算量 使攻击的复杂度增大 针对几何攻击 可以在嵌入水印的同时嵌入水印参照物 那么在提取过程 中 先根据水印参照物的变化来获得表达攻击的变换步骤 然后应用反转变换 获得水印的完整恢复 近来的水印算法利用仿射变换的移不变性 辅助的定位 模板和水印的自相关函数来增加水印算法的鲁棒性 而对马赛克攻击可以使用 与图像相关的易损水印 当图像被分割时 易损水印能报告图像的失真情况 2 3 3 解释攻击 Interpretation Attacks 解释攻击既不试图擦除水印 也不试图使水印检测无效 而是试图产生假 的原始数据或假的嵌入水印数据来制造混乱 属于协议层的攻击 解释攻击是 由美国IBM公司的水印技术研究小组针对可逆水印算法而提出来的一种水印攻 击方案 所以也称之为IBM水印攻击方案 解释攻击的基本原理是 25 设原始图像为I 加入水印W 后的图像为I0 I W 攻击时 攻击者首先生成自己的水印W 然后逆加载在图像I0 上 利 用图像I0创建一个伪造的原图IA I0 W 此后 攻击者可声称他拥有I0的版权 因为攻击者可利用原图从含水印图像中检测出其水印W 这就产生无法分辨与 解释的情况 而防止这一攻击的有效办法有两种 一种是在图像中嵌入一个时 间标志 时间戳 该时间标志应能够被如公正机构之类的第三个可信的机构所 证明 另一种就是采用不可逆水印嵌入算法 在解释攻击中 图像像素值或许改变或许不改变 这类算法往往要求对所 攻击的特定的水印算法进行深入彻底的分析 也称之为迷惑攻击 即试图通过 伪造原始图像和原始水印来迷惑版权保护系统 这种攻击实际上使数字水印的 版权保护功能受到了挑战 2 3 4 合法攻击 Legal Attacks 15 合法攻击和前面提到的三类攻击都不同 前三类攻击可以称为技术性的攻击 而合法攻击则完全不同 攻击者希望在法庭上利用此类攻击 他们的攻击是在 水印方案所提供的技术或科学证据的范围之外而进行的 合法攻击可能包括现 有的以及将来的有关版权和有关数字图像所有权的法案 因为在不同的司法权 中 这些法律有可能有不同的解释 合法攻击还可能包括所有者和攻击者的信 用 攻击者使法庭怀疑数字水印方案的有效性能力 除了这些之外 可能还和 其他一些因素紧密相关 如 所有者和攻击者的金融实力的对比 专家的证词 双方律师的能力等 理解和研究合法攻击比研究技术上的攻击要困难得多 作 为一个起点 首先应致力于建立一个综合全面的法律基础 以确保正当的使用 水印和利用水印技术来提供保护 同时