数字水印技术

1、第第9章章 数字水印技术数字水印技术 ?9.1 数字水印概述数字水印概述 9.2 数字图像水印算法数字图像水印算法 9.3 数字视频水印的嵌入与提取方案数字视频水印的嵌入与提取方案 9.4 数字音频水印算法数字音频水印算法 9.5 MATALAB编程实例编程实例 本章学习目标本章学习目标 ?了解数字水印的基本特征、分类和应用。了解数字水印的基本特征、分类和应用。 掌握水印数字系统的组成，数字水印的嵌入和提取掌握水印数字系统的组成，数字水印的嵌入和提取的基本原理。的基本原理。 掌握最低有效位（掌握最低有效位（LSB）法、基于）法、基于DCT的数字图像的数字图像水印嵌入和提取算法。水印嵌入和提取算

2、法。 了解数字视频水印的嵌入和提取方案。了解数字视频水印的嵌入和提取方案。 了解最低有效位（了解最低有效位（LSB）法、回声隐藏法等数字音）法、回声隐藏法等数字音频水印嵌入和提取算法。频水印嵌入和提取算法。 了解水印的攻击方法和对策。了解水印的攻击方法和对策。 9.1 数字水印概述数字水印概述 ?9.1.1 数字水印技术的产生背景和应用数字水印技术的产生背景和应用 9.1.2 数字水印的基本特征数字水印的基本特征 9.1.3 数字水印系统的组成数字水印系统的组成 9.1.4 数字水印的分类数字水印的分类 9.1.1 数字水印技术的产生背景和应用数字水印技术的产生背景和应用 ?互联网上的数字媒体

3、应用正在呈爆炸式的增长，互联网上的数字媒体应用正在呈爆炸式的增长，越来越多的数字产品以电子版的方式在网上传播。越来越多的数字产品以电子版的方式在网上传播。 ?数字信号处理和网络传输技术可以对数字媒体数字信号处理和网络传输技术可以对数字媒体 ( (数数字音频、图像和视频字音频、图像和视频 ) )的原版进行无限制的拷贝、的原版进行无限制的拷贝、任意编辑、修改、发布，造成数字媒体的知识产权任意编辑、修改、发布，造成数字媒体的知识产权保护和信息安全的问题日益突出。保护和信息安全的问题日益突出。 依靠密码学不能解决的问题依靠密码学不能解决的问题 虽然成熟的密码学是解决当前网络信息安全的主虽然成熟的密码学

4、是解决当前网络信息安全的主要手段，但是传统的加密方法有一个缺点，那就要手段，但是传统的加密方法有一个缺点，那就是它明确地提示攻击者哪些是重要信息，容易引是它明确地提示攻击者哪些是重要信息，容易引起攻击者的好奇和注意，并有被破解的可能性，起攻击者的好奇和注意，并有被破解的可能性，而且一旦加密内容被解密就不再有保护作用了。而且一旦加密内容被解密就不再有保护作用了。另外，攻击者在破译失败的情况下可以将数字媒另外，攻击者在破译失败的情况下可以将数字媒体内容破坏，影响原内容的价值和使用。体内容破坏，影响原内容的价值和使用。 信息隐藏技术信息隐藏技术 ?信息隐藏技术与传统密码学不同，它利用数字信息隐藏技术

5、与传统密码学不同，它利用数字媒体内容普遍存在的冗余性，将秘密信息隐藏在媒体内容普遍存在的冗余性，将秘密信息隐藏在数字媒体产品中而不引起物理外观的显著变化，数字媒体产品中而不引起物理外观的显著变化，使得人们觉察不到它的存在，即使截获者知道秘使得人们觉察不到它的存在，即使截获者知道秘密信息的存在，未经授权也难以将其提取出来，密信息的存在，未经授权也难以将其提取出来，从而保证了秘密信息的机密性和安全性。从而保证了秘密信息的机密性和安全性。 ? 信息隐藏基本思想起源于古代的隐写术信息隐藏基本思想起源于古代的隐写术（ steganography）。）。 信息隐藏与加密技术的区别信息隐藏与加密技术的区别

6、信息隐藏信息隐藏 隐蔽性隐蔽性 保护程度保护程度 不易被发现已经隐藏不易被发现已经隐藏了信息了信息 保护存在于整个生命保护存在于整个生命周期过程周期过程 加密技术加密技术 容易被发现进行了加密容易被发现进行了加密 存储与传输过程保护，存储与传输过程保护，解密后不具有保护作用解密后不具有保护作用 对可用性的对可用性的不影响宿主的可用性不影响宿主的可用性 解密后才可用解密后才可用 影响影响 成熟程度成熟程度 正处于发展完善中正处于发展完善中 相当成熟相当成熟 数字水印定义数字水印定义 ? 数字水印数字水印是永久镶嵌在其他数据是永久镶嵌在其他数据(宿主数据宿主数据)中具有可鉴别性的的数字信号或模式，

7、而且中具有可鉴别性的的数字信号或模式，而且并不影响宿主数据的可用性。并不影响宿主数据的可用性。 ?Digital watermarking is the process of embedding information into a digital signal. The signal may be audio, pictures or video, for example. If the signal is copied, then the information is also carried in the copy. 数字水印图像数字水印图像 数字水印主要应用领域数字水印主要应用领域 ?

8、版权保护版权保护 ?广播监控广播监控 ?防止非法拷贝防止非法拷贝 ?数字指纹数字指纹 ?内容验证内容验证 ?叛逆者追踪叛逆者追踪 ?元数据嵌入元数据嵌入 应用领域应用领域(1) 版权保护版权保护 ? Owner identification Alice Original work Watermark embedder Distributed copy Alice is owner! Watermark detector 应用领域应用领域(1) 版权保护版权保护 ? Proof of ownership Alice Original work Watermark embedder Distrib

9、uted copy Alice is owner! Watermark detector Bob 应用领域应用领域(2) 广播监控广播监控 ? Broadcast monitoring Original content Watermark embedder Broadcasting system Watermark detector Content was broadcast! 应用领域应用领域(3) 防止非法拷贝防止非法拷贝 ? Copy Control Legal copy Compliant player Compliant recorder Playback control Recor

10、d control Illegal copy Non-compliant recorder 应用领域应用领域(4) 数字指纹数字指纹 Digital fingerprints Original image Distributed copies Users 应用领域应用领域(5) 内容验证内容验证 ? Content authentication Watermark embedder Watermark detector 应用领域应用领域(6) 叛逆者追踪叛逆者追踪 2018/11/7 18 9.1.2 数字水印的基本特征数字水印的基本特征 数字水印应具有如下的基本特征数字水印应具有如下的基本特

11、征 : : ?不可感知性不可感知性 ?水印容量水印容量 鲁棒性鲁棒性 可证明性可证明性 安全性安全性 9.1.2 数字水印的基本特征数字水印的基本特征 数字水印应具有如下的基本特征数字水印应具有如下的基本特征 : : ?不可感知性不可感知性 品的感知效果，即感知不到数字水印的存在。品的感知效果，即感知不到数字水印的存在。 对不可感知的数字水印来说，是指加入数字水印后不会改变数字产对不可感知的数字水印来说，是指加入数字水印后不会改变数字产?水印容量水印容量 ?鲁棒性鲁棒性 可证明性可证明性 安全性安全性 9.1.2 数字水印的基本特征数字水印的基本特征 数字水印应具有如下的基本特征数字水印应具有

12、如下的基本特征 : : ?不可感知性不可感知性 水印容量水印容量 也称嵌入率、加载率或者有效载荷，指的是在单位时间内或在一个也称嵌入率、加载率或者有效载荷，指的是在单位时间内或在一个作品中最多可以嵌入水印的比特数。一般要求水印容量尽量大，必作品中最多可以嵌入水印的比特数。一般要求水印容量尽量大，必须足以表示多媒体内容的创建者或所有者的标志信息或购买者的序须足以表示多媒体内容的创建者或所有者的标志信息或购买者的序列号，这样有利于解决版权纠纷。列号，这样有利于解决版权纠纷。 ?鲁棒性鲁棒性 可证明性可证明性 安全性安全性 9.1.2 数字水印的基本特征数字水印的基本特征 数字水印应具有如下的基本特

13、征数字水印应具有如下的基本特征 : : ?不可感知性不可感知性 水印容量水印容量 ? 鲁棒性（鲁棒性（健壮性或抗攻击性健壮性或抗攻击性） 指嵌入水印的作品在经历了各种信号处理或者各种攻击后，水印系统仍能指嵌入水印的作品在经历了各种信号处理或者各种攻击后，水印系统仍能够检测或提取水印的能力。以图像载体为例，常见的操作包括空间滤波、够检测或提取水印的能力。以图像载体为例，常见的操作包括空间滤波、有损压缩、打印和扫描，以及几何失真（旋转、平移和图像缩放等）。有损压缩、打印和扫描，以及几何失真（旋转、平移和图像缩放等）。 ?可证明性可证明性 安全性安全性 9.1.2 数字水印的基本特征数字水印的基本特

14、征 数字水印应具有如下的基本特征数字水印应具有如下的基本特征 : : ?不可感知性不可感知性 水印容量水印容量 鲁棒性鲁棒性 可证明性可证明性 如经过注册的用户编码、产品的标识或者其他任何有意义的文字等，如经过注册的用户编码、产品的标识或者其他任何有意义的文字等，并且在需要时将其提取出来作为证据。并且在需要时将其提取出来作为证据。 ? 数字水印算法能够正确识别出被嵌入到保护对象中的有关信息，例数字水印算法能够正确识别出被嵌入到保护对象中的有关信息，例?安全性安全性 9.1.2 数字水印的基本特征数字水印的基本特征 数字水印应具有如下的基本特征数字水印应具有如下的基本特征 : : ?不可感知性不

15、可感知性 水印容量水印容量 鲁棒性鲁棒性 ?可证明性可证明性 安全性安全性 数字水印的安全性与密码系统的安全性非常类似，即水印嵌入的算数字水印的安全性与密码系统的安全性非常类似，即水印嵌入的算法是公开的，安全性建立在密钥管理基础上，只有拥有密钥才能提法是公开的，安全性建立在密钥管理基础上，只有拥有密钥才能提取水印。数字水印系统一般使用一个或多个密钥来确保水印安全。取水印。数字水印系统一般使用一个或多个密钥来确保水印安全。 9.1.3 数字水印系统的组成数字水印系统的组成 ?数字水印技术包括水印的嵌入和水印检测数字水印技术包括水印的嵌入和水印检测/提取提取两个过程。两个过程。 嵌入阶段嵌入阶段的

16、设计主要解决的设计主要解决两个问题两个问题：一是：一是数字水数字水印的生成印的生成，可以是一串伪随机数，也可以是与作，可以是一串伪随机数，也可以是与作者有关的字符串、图标等信息经过加密产生；二者有关的字符串、图标等信息经过加密产生；二是是嵌入算法嵌入算法，嵌入方案的目标是使数字水印在不，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可见性和鲁棒性之间找到一个较好的折中 检测阶段检测阶段主要是设计一个相应于嵌入过程的检测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

17、印等），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存在与否。检测方案的目标是使错判与漏判的概率尽量小。率尽量小。 9.1.3 数字水印系统的组成数字水印系统的组成 ? 水印的嵌入水印的嵌入: 使用嵌入算法使用嵌入算法E E把水印信号把水印信号W W嵌入到原始产品嵌入到原始产品I I中中 一 一 9.1.3 数字水印系统的组成数字水印系统的组成 ?水印的检测水印的检测:在水印载体中精确提取水印或通过在水印载体中精确提取水印或通过相关检测判断其是否包含某一水印。相关检测判断其是否包含某一水印。 ?IW?K?WIW?K?W?0 ,1 ?D(I ,K)WW?0D(I

18、W,K,W)?1 ?表示检测到的水印其中W表示IW中不存在水印表示IW中存在水印9.1.4 数字水印的分类数字水印的分类 （1 1）按承载数字水印的载体划分：）按承载数字水印的载体划分： 图像水印（图像水印（Image watermarking） ?视频水印视频水印 （Video watermarking） ?音频水印（音频水印（Audio watermarking） ?文档水印（文档水印（Text watermarking） ?软件水印（软件水印（Software watermarking） ? ?9.1.4 数字水印的分类数字水印的分类 （2 2）按感知特性划分：）按感知特性划分： 不可感

19、知水印（不可见水印）：不可感知水印（不可见水印）：人的感观不能感知人的感观不能感知嵌入的水印，不影响作品的质量，具有较高的使用嵌入的水印，不影响作品的质量，具有较高的使用价值价值 ?可感知水印（可见水印）：可感知水印（可见水印）：可觉察数字水印嵌入到可觉察数字水印嵌入到载体后会在媒体中留下明显的印记，主要用于标识载体后会在媒体中留下明显的印记，主要用于标识版权，防止非法使用，虽然降低了资料的商业价值，版权，防止非法使用，虽然降低了资料的商业价值，却不妨碍使用者的使用，如电视台的台标等。却不妨碍使用者的使用，如电视台的台标等。 ?9.1.4 数字水印的分类数字水印的分类 （3 3）按水印的抗攻击

20、能力划分：）按水印的抗攻击能力划分： 鲁棒（鲁棒（Robust）水印：）水印：要求嵌入的水印能够有效抵要求嵌入的水印能够有效抵抗各种有意或无意的攻击，主要用于解决数字版权抗各种有意或无意的攻击，主要用于解决数字版权保护问题。保护问题。 ?脆弱（脆弱（Fragile）水印：）水印：对信号的改动很敏感，对信号的改动很敏感，根据脆弱水印的状态就可以判断数据是否被根据脆弱水印的状态就可以判断数据是否被篡改过，主要用于完整性验证篡改过，主要用于完整性验证 。 ?半脆弱（半脆弱（Semi-Fragile）水印：）水印：结合了鲁棒水印和结合了鲁棒水印和脆弱水印和的特点。和鲁棒水印一样，半脆弱水印脆弱水印和的

21、特点。和鲁棒水印一样，半脆弱水印能够容忍一定程度的信息处理失真（不是恶意的攻能够容忍一定程度的信息处理失真（不是恶意的攻击），例如有损压缩引起的量化噪声；同时又具备击），例如有损压缩引起的量化噪声；同时又具备脆弱水印的特性，能够判断出图像是否被篡改，并脆弱水印的特性，能够判断出图像是否被篡改，并对图像的篡改区域进行定位。对图像的篡改区域进行定位。 ?9.1.4 数字水印的分类数字水印的分类 （4 4）按水印的嵌入域划分：）按水印的嵌入域划分： 时时/空间域水印：空间域水印：通过直接修改媒体数据采样值的通过直接修改媒体数据采样值的强度实现水印嵌入的。强度实现水印嵌入的。 ?变换域（频率域）水印：

22、变换域（频率域）水印：先对原媒体进行某先对原媒体进行某种形式的正交变换，在变换得到的系数上嵌种形式的正交变换，在变换得到的系数上嵌入水印，再经过相应的逆变换得到含水印的入水印，再经过相应的逆变换得到含水印的媒体。常用的变换包括离散傅里叶变换媒体。常用的变换包括离散傅里叶变换（DFT）、离散余弦变换（）、离散余弦变换（DCT）、离散小）、离散小波变换（波变换（DWT）等。）等。 ?9.1.4 数字水印的分类数字水印的分类 （5 5）按数字水印的内容划分：）按数字水印的内容划分： 有意义水印：有意义水印：指水印本身也是某个数字图像（如商指水印本身也是某个数字图像（如商标图像）或数字音视频片段的编码

23、。标图像）或数字音视频片段的编码。 ?无意义水印：无意义水印：无意义水印则只对应于一个序列号。无意义水印则只对应于一个序列号。 ID:20021988-7231 ?9.1.4 数字水印的分类数字水印的分类 （6 6）按水印检测方式划分：）按水印检测方式划分： 非盲（非盲（Non-blind）检测水印：）检测水印：水印的检测和提取水印的检测和提取是在分析原始媒体数据与含水印媒体数据差别的基是在分析原始媒体数据与含水印媒体数据差别的基础上进行的，检测和提取过程必须在原媒体的参与础上进行的，检测和提取过程必须在原媒体的参与下完成。下完成。 ?盲（盲（Blind）检测水印：）检测水印：水印的检测和提取

24、由含水水印的检测和提取由含水印的待测媒体本身确定，而不需要原始媒体的参与。印的待测媒体本身确定，而不需要原始媒体的参与。 ?半盲（半盲（Semi-blind）检测水印：）检测水印：水印的检测无需原水印的检测无需原始媒体数据，但是需要某些与原始媒体数据有关的始媒体数据，但是需要某些与原始媒体数据有关的信息，这些信息可能是原始数据嵌入水印时的某些信息，这些信息可能是原始数据嵌入水印时的某些参量，也可能是表征原始数据某些特征的信息。参量，也可能是表征原始数据某些特征的信息。 ?9.1.4 数字水印的分类数字水印的分类 （7 7）按水印的用途划分：）按水印的用途划分： 版权保护水印：版权保护水印：是目

25、前研究最多的一类数字水印。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。据量的要求相对较小。 ?票证防伪水印：票证防伪水印：是一类比较特殊的水印，主要用于是一类比较特殊的水印，主要用于打印票据和电子票据、各种证件的防伪。打印票据和电子票据、各种证件的防伪。 ?认证水印：认证水印：是一种脆弱水印，其目的是标识载体数是一种脆弱水印，其目的是标识载体数据的完整性和真实性。据的完整性和真实性。 ?隐蔽标识水印：隐蔽标识水印：

26、目的是将保密数据的重要标注隐藏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。起来，限制非法用户对保密数据的使用。 ?第第9章章 数字水印技术数字水印技术 ?9.1 数字水印概述数字水印概述 9.2 数字图像水印算法数字图像水印算法 9.3 数字视频水印的嵌入与提取方案数字视频水印的嵌入与提取方案 9.4 数字音频水印算法数字音频水印算法 9.5 MATALAB编程实例编程实例 9.2 数字图像水印算法数字图像水印算法 ?9.2.1 最低有效位方法最低有效位方法 9.2.2 基于基于DCT域的方法域的方法 9.2.1 最低有效位方法最低有效位方法 最低有效位（最低有效位（Le

27、ast Significant Bit，LSB）方法：）方法：将水印直接嵌入到原始信号表示数据的最不重要将水印直接嵌入到原始信号表示数据的最不重要的位置（最低有效位）中。的位置（最低有效位）中。 9.2.1 最低有效位方法最低有效位方法 Lena原图：原图：8-bit灰度灰度BMP图像图像 位平面位平面 ?9.2.2 基于基于DCT域的方法域的方法 在在DCT变换域嵌入水印变换域嵌入水印 考查考查DCT变换域中什么位置适合嵌入水印？变换域中什么位置适合嵌入水印？ ?从水印不可见性考虑从水印不可见性考虑 ?将水印嵌入将水印嵌入DCT变换域的变换域的AC高频系数高频系数 将水印嵌入将水印嵌入DCT

28、变换域的变换域的DC系数或系数或AC低频系数低频系数 ?从水印鲁棒性考虑从水印鲁棒性考虑 ?第第9章章 数字水印技术数字水印技术 ?9.1 数字水印概述数字水印概述 9.2 数字图像水印算法数字图像水印算法 9.3 数字视频水印的嵌入与提取方案数字视频水印的嵌入与提取方案 9.4 数字音频水印算法数字音频水印算法 9.5 MATALAB编程实例编程实例 9.3 数字视频水印的嵌入与提取方案数字视频水印的嵌入与提取方案 ?9.3.1基于未压缩的原始视频的水印方案基于未压缩的原始视频的水印方案 9.3.2 基于视频编码的水印方案基于视频编码的水印方案 9.3.3 基于压缩视频码流的水印方案基于压缩

29、视频码流的水印方案 9.3 数字视频水印的嵌入与提取方案数字视频水印的嵌入与提取方案 1. 1. 视频水印的特点视频水印的特点 ?每一帧是静止图像，但与图像又有很大不同每一帧是静止图像，但与图像又有很大不同 视频信息量大，提取水印时需要实现盲检测视频信息量大，提取水印时需要实现盲检测 虽然视频容量大，但视频水印经常有实时要求，虽然视频容量大，但视频水印经常有实时要求，要达到算法的实时性，必须降低算法复杂度要达到算法的实时性，必须降低算法复杂度 攻击特殊：如帧平均、帧剪切、帧重组、丢帧、攻击特殊：如帧平均、帧剪切、帧重组、丢帧、帧率改变等帧率改变等 要与视频编码标准相结合要与视频编码标准相结合

30、9.3 数字视频水印的嵌入与提取方案数字视频水印的嵌入与提取方案 2. 2. 视频水印方案的分类视频水印方案的分类 ?按照水印嵌入的策略分类 ?基于未压缩的原始视频：基于未压缩的原始视频：移植静止图像的水印技术，移植静止图像的水印技术，结合视频帧结构特点，形成适用于视频的水印方案结合视频帧结构特点，形成适用于视频的水印方案 基于视频编码：基于视频编码：通过修改变换域系数，能得到较好的通过修改变换域系数，能得到较好的视频质量和较强的水印抗攻击能力，同时不会增加数视频质量和较强的水印抗攻击能力，同时不会增加数据比特率据比特率 基于压缩视频码流：基于压缩视频码流：最大优点就是不需要完全解码和最大优点

31、就是不需要完全解码和再编码，提高了水印嵌入和提取的效率，但是能够嵌再编码，提高了水印嵌入和提取的效率，但是能够嵌入的水印容量受到较大的限制，而且水印的嵌入有可入的水印容量受到较大的限制，而且水印的嵌入有可能对视觉产生影响能对视觉产生影响 9.3 数字视频水印的嵌入与提取方案数字视频水印的嵌入与提取方案 ?方案一、基于未压缩的原始视频的水印方案方案一、基于未压缩的原始视频的水印方案 ?优点： ?水印嵌入方法多，原则上图像水印方案均可应用于此，水印嵌入方法多，原则上图像水印方案均可应用于此，算法成熟，有稳健性水印、脆弱性水印等，可用于多算法成熟，有稳健性水印、脆弱性水印等，可用于多种目的。种目的。

32、 ?缺点： ?经过视频编码处理后，会造成部分水印信息丢失，经过视频编码处理后，会造成部分水印信息丢失，给水印的提取和检测带来不便；会增加数据比特率；给水印的提取和检测带来不便；会增加数据比特率； 对于已压缩的视频，需先解码，嵌入水印后，再重对于已压缩的视频，需先解码，嵌入水印后，再重新编码，运算量大、效率低，防攻击能力差。新编码，运算量大、效率低，防攻击能力差。 9.3 数字视频水印的嵌入与提取方案数字视频水印的嵌入与提取方案 ?视频水印嵌入策略视频水印嵌入策略 原始视原始视频码流频码流 MPEG-2 编码器编码器 压缩码流压缩码流 MPEG-2 解码器解码器 重建视重建视频码流频码流 水印嵌入水印嵌入 方案一方案一 水印嵌入水印嵌入 方案二方案二 水印嵌入水印嵌入 方案三方案三 9.3 数字视频水印的嵌入与提取方案数字视频水印的嵌入与提取方案 ?方案二、基于视频编码的水印方案方案二、基于视频编码的水印方案 ?通过修改编码阶段的通过修改编码阶段的DCT域中的量化系数，并且域中的量化系数，并且结合人类视觉特性嵌入水印。结合人类视觉特性嵌入水印。 优点： ?水印仅嵌入水印仅嵌入DCTDCT系数中，不会增加数据比特率；系数中，不