（通信與信息系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)論文）基于變換域的數(shù)字圖像水印算法的研究.pdf

哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 隨著數(shù)字網(wǎng)絡(luò)通訊的飛速發(fā)展以及數(shù)字多媒體的廣泛應(yīng)用 數(shù)字水印技 術(shù)己經(jīng)成為數(shù)字版權(quán)保護(hù)領(lǐng)域研究的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題 數(shù)字水印技術(shù)就是將特 定的信息嵌入到數(shù)字媒體中 從而保護(hù)數(shù)字媒體或者特定信息的安全 本文主要研究針對(duì)圖像水印系統(tǒng)的算法研究 主要在以下幾個(gè)方面開(kāi)展 了工作 1 1 采用二值圖像作為水印信號(hào) 利用變換域系數(shù)作為水印的載體 在保證 不降低圖像質(zhì)量的前提下達(dá)到嵌入水印的目的 在恢復(fù)水印的過(guò)程中無(wú) 需原始圖像的參與 相比較那些需要利用原始圖像恢復(fù)數(shù)據(jù)的系統(tǒng) 文 中所提出的方案更具有實(shí)用性 所有的過(guò)程 包括嵌入 攻擊 提取 驗(yàn)證均在m a t l a b 環(huán)境中進(jìn)行模擬 實(shí)驗(yàn)證明經(jīng)過(guò)信號(hào)處理與壓縮后 水印仍然可以被檢測(cè)出來(lái) 2 對(duì)頻率域數(shù)字水印算法進(jìn)行分析 提出了將水印信息嵌入到中頻系數(shù)中 為了得到中頻系數(shù)采用了依據(jù)心理視覺(jué)閩值制作的量化表對(duì)頻率域系數(shù) 進(jìn)行量化 在基于d w t 域數(shù)字水印算法中提出用提升格式實(shí)現(xiàn)小波變 換 并采用d a u b e c h i e s 9 7 函數(shù)作為小波變換基 在d w t 水印系統(tǒng)中 利用小波變換的多分辨率特性提取影響圖像紋理的參數(shù)作為水印的載 體 利用紋理的隱蔽特性 使得系統(tǒng)在保證健壯性的同時(shí)獲得很好的不 可覺(jué)察性 相比較d c t 系統(tǒng) d w t 水印系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)水印的自適應(yīng)嵌 入 d w t 的多分辨率特性可以將人眼視覺(jué)特性與圖像的統(tǒng)計(jì)特性結(jié)合起 來(lái) 為設(shè)計(jì)最優(yōu)的水印系統(tǒng)提供了一種可能 具有更大的發(fā)展空間 3 利用建立的水印模型對(duì)影響水印系統(tǒng)的各種因素 包括水印嵌入的位置 嵌入的強(qiáng)度 水印的結(jié)構(gòu) 水印的容量 人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)性能的影 哈爾濱t 程大學(xué)碩 學(xué)位論文 響進(jìn)行全面的綜合分析 為優(yōu)化系統(tǒng)性能提出一定的可參考的建議 關(guān)鍵詞 數(shù)字水印 離散余弦變換 離散小波變換 提升格式 多分辨率分 析 哈爾濱t 程大學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dg r o w t h o fi n t e r n e t t e c h n o l o g i e s a n de x t e n s i v eu s eo f m u l t i m e d i ad a t a d i g i t a lw a t e r m a r kh a sb e c o m eap o p u l a rt o p i ci nt h ef i e l do f d i g i t a lc o p y r i g h tp r o t e c t i o n d i g i t a lw a t e r m a r ks e r v e sa sp r o t e c t i n gt h es e c u r i t i e s o fd i g i t a lm u l t i m e d i ab ye m b e d d i n gs p e c i a li n f o r m a t i o ni n t oi t t h i sp a p e ri sf o c u s e do ni m a g e sw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m i td e v e l o p e d m a i n l yi nt h ef o l l o wa s p e c t s 1 t h i sp a p e ri sf o c u s e do ni m a g e sw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m s w a t e r m a r kc a s t i n g o p e r a t e s i n f r e q u e n c yd o m a i n e m b e d sp s e u d o r a n d o ms e q u e n c e o fr e a l n u m b e ri ns e l e c t e dc o e f f i c i e n t sw i t h o u ti m a g ed e g r a d a t i o n ab l i n dw a t e r m a r k r e t r i e v a lt e c h n i q u et h a tc a nd e t e c tt h ee m b e d d e dw a t e r m a r kw i t h o u tr e s o r t i n g t h eo r i g i n a li m a g ei sp r o p o s e d s ot h a tt h ep r o p o s e dt e c h n i q u e sr e p r e s e n t sa m a j o ri m p r o v e m e n t st o t h o s e r e l y i n g o nt h e c o m p a r i s o nb e t w e e nt h e w a t e r m a r k e da n do r i g i n a li m a g e w h i c hi sn o tp r a c t i c a lf o rah u g ei m a g e d a t a b a s e a l l p r o c e s s i n c l u d e w a t e r m a r k e m b e d d i n g e x t r a c t i n g a n d v e r i f i c a t i o na t es i m u l a t e di nm a t l a be n v i r o n m e n t s e x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o wt h a tt h ee m b e d d e dw a t e r m a r ki sr o b u s ta g a i n s tv a r i o u ss i g n a lp r o c e s s i n g a n dc o m p r e s s i o na t t a c k s 2 t h i sp a p e ra n a l y z e dt h ef r e q u e n c yd o m a i nw a t e r m a r ka l g o r i t h m e m b e d d e d t h ew a t e r m a r ki n f o r m a t i o ni n t oi n t e r m e d i a t ef r e q u e n c yi nt h ed c tb a s e d w a t e r m a r ka l g o r i t h m t h i sp a p e rc h o s el i f t i n gs c h e m ea n dd a n b e c h i e s 9 7 f u n c t i o nt of i n i s hw a v e l e tt r a n s f o r m i nd w tb a s es y s t e m ac o u p l eo f s i g n i f i c a n tw a v e l e tc o e f f i c i e n t si nd e t a u e ds u b b a n d sa r es e l e c t e dt oe m b e d w a t e r m a r k s b y f i r s tl e v e l d e c o m p o s i n g a b e t t e r i m a g eq u a l i t y i m p e r c e p t i b i l i t y c a n b e g m n e db ye x p l o i t i n g h u m a nv i s u a l s y s t e m c o m p a r e dw i t h d c tb a s e ds y s t e m d w tb a s ew a t e r m a r ks y s t e mi sa n a d a p t i v es y s t e m a st h em u l t i r e s o l u t i o np r o p e r t yo fd w t e n a b l ed w tb a s e d 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 w a t e r m a r ks y s t e mc o m b i n et h es t a t i s t i cc h a r a c t e r i s t i co fi m a g ew i t hh u m a n v i s u a ls y s t e m m a k ei tp o s s i b l et of i n da n b p t i m a ls y s t e m 3 u s i n gp r o p o s e ds y s t e m t e s tt h e p a r a m e t e r sw h i c hw o r ko nt h es y s t e m p e r f o r m a n c e s u c ha se m b e dp o s i t i o n e m b e ds t r e n g t h w a t e r m a r ks t r u c t u r e i m a g ec a p a c i t ya n dh v s e t c k e y w o r d s d i g i t a lw a t e r m a r k d i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m d i s c r e t ew a v e l e t t r a n s f o r m l i f t i n gs c h e m e m u l t i r e s o l u t i o na n a l y s i s 哈爾濱工程大學(xué) 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明 本論文的所有工作 是在導(dǎo)師的指導(dǎo) 下 由作者本人獨(dú)立完成的 有關(guān)觀點(diǎn) 方法 數(shù)據(jù)和文 獻(xiàn)的引用已在文中指出 并與參考文獻(xiàn)相對(duì)應(yīng) 除文中己 注明引用的內(nèi)容外 本論文不包含其他個(gè)人或集體已經(jīng)公 開(kāi)發(fā)表的作品成果 對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和 集體 均已在文中以明確方式標(biāo)名 本人完全意識(shí)到本聲 明的法律結(jié)果由本人承擔(dān) 作者 簽字 銎墊叁 日期 w 廣年 月咖 哈爾濱工程大學(xué)碩上學(xué)位論文 第1 章緒論 1 1 研究背景 隨著數(shù)字技術(shù)和因特網(wǎng)的發(fā)展 各種形式的多媒體數(shù)字作品紛紛以網(wǎng)絡(luò) 形式發(fā)表 然而數(shù)字作品的便利性和不安全性是并存的 它可以低成本 高 速度地被復(fù)制和傳播 這樣就為創(chuàng)造者和使用者都提供了很大的便利 但這 些特性也容易被盜版者所利用 因而 采取多種手段對(duì)數(shù)字作品進(jìn)行保護(hù) 對(duì)侵權(quán)者進(jìn)行懲罰已經(jīng)成為十分迫切的工作 除了與傳統(tǒng)作品版權(quán)保護(hù)相類(lèi) 似的法律和管理手段外 還應(yīng)該針對(duì)數(shù)字作品本身的特點(diǎn)為其提供技術(shù)上的 保護(hù) 數(shù)字水印技術(shù)的研究就是在這種應(yīng)用要求下迅速發(fā)展起來(lái)的 數(shù)字水印是一種有效的數(shù)字產(chǎn)品版權(quán)保護(hù)和數(shù)據(jù)安全維護(hù)技術(shù) 是信息 隱藏領(lǐng)域的一個(gè)重要的分支 它將具有特定意義的標(biāo)記 利用數(shù)字嵌入的方 法隱藏在數(shù)字圖像 聲音 文檔 圖書(shū) 視頻等數(shù)字作品中 用以證明創(chuàng)作 者對(duì)其作品的所有權(quán) 并作為鑒定 起訴非法侵權(quán)的證據(jù) 同時(shí)通過(guò)對(duì)水印 的檢測(cè)和分析來(lái)保證數(shù)字信息的完整可靠性 從而成為知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)和數(shù)字 多媒體防偽的有效手段 在本文中 我們將待嵌入水印的數(shù)字產(chǎn)品稱為掩體 對(duì)象或載體 將嵌入水印后的數(shù)字產(chǎn)品稱為隱藏對(duì)象或含水印載體 數(shù)字水印技術(shù)除應(yīng)具備信息隱藏技術(shù)的一般特點(diǎn)外 還有著其固有的特 點(diǎn)和研究方法 例如 從信息安全的保密角度而言 如果隱藏的信息被破壞 掉 系統(tǒng)可以視為安全的 因?yàn)槊孛苄畔⒉⑽葱孤?但是 在數(shù)字水印系統(tǒng) 中 隱藏信息的丟失即意味著版權(quán)信息的丟失 從而失去了版權(quán)保護(hù)的功能 這一系統(tǒng)就是失敗的 因此數(shù)字水印技術(shù)必須具有較強(qiáng)的穩(wěn)健性 安全性和 透明性 1 2 數(shù)字水印概述 從狹義上來(lái)講數(shù)字水印技術(shù) 是將一些特定信息 按照某種方式植入宿 主信息中 當(dāng)宿主信息在網(wǎng)絡(luò)傳播或其它狀態(tài)下被非法復(fù)制從而產(chǎn)生版權(quán)糾 紛或信息被非法篡改時(shí) 通過(guò)相應(yīng)的算法提取出該數(shù)字水印 從而驗(yàn)證版權(quán) 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 的歸屬或宿主信息的完整性 確保著作權(quán)人的合法利益或者確保信息的完整 性 宿主信息可以是任何一種數(shù)字媒體 如圖像 聲音 視頻或一般性的電 子文檔等 數(shù)字水印是嵌在數(shù)字產(chǎn)品中的數(shù)字信號(hào) 水印的存在要以不破壞 原數(shù)據(jù)的欣賞價(jià)值 使用價(jià)值為原則 目前數(shù)字水印技術(shù)已經(jīng)不僅儀用于版 權(quán)保護(hù)和完整性驗(yàn)證 它可以按照不同的分類(lèi)方法分為各種水印模式 不同 的水印模式或幾種混合模式下的水印技術(shù)可以應(yīng)用于不同方面 數(shù)字水印技 術(shù)可以從不同的角度進(jìn)行劃分 按水印的嵌入方法可以分為可見(jiàn)水印和不可見(jiàn)水印 可見(jiàn)水印是指被嵌 入水印數(shù)據(jù)在嵌入水印信息以后 水印信息仍能被人眼觀察到 它可以理解 為通常意義上的圖像融合 不可見(jiàn)水印則相反 指的是在嵌入水印后 水印 信息不能夠依靠視覺(jué)直接觀察得到 由于可見(jiàn)水印對(duì)圖像質(zhì)量的影響 以及 其技術(shù)己經(jīng)相當(dāng)成熟 因此在本文中只探討對(duì)于不可見(jiàn)水印的研究 按水印的特性可以將數(shù)字水印技術(shù)分為健壯數(shù)字水印和脆弱數(shù)字水印兩 類(lèi) 健壯數(shù)字水印主要用于在數(shù)字作品中標(biāo)識(shí)著作權(quán)信息 如作者 作品序 號(hào)等 它要求嵌入的水印能夠經(jīng)受各種常用的編輯處理 脆弱數(shù)字水印主要 用于完整性保護(hù) 與健壯水印的要求相反 脆弱水印必須對(duì)信號(hào)的改動(dòng)很敏 感 人們根據(jù)脆弱水印的狀態(tài)就可以判斷數(shù)據(jù)是否被篡改過(guò) 按水印信息附載的媒體可以將數(shù)字水印劃分為圖像水印 音頻水印 視 頻水印 文本水印以及用于三維數(shù)據(jù)模型的三維水印等 隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā) 展 會(huì)有更多種類(lèi)的數(shù)字媒體出現(xiàn) 同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的水印技術(shù) 按水印的檢測(cè)過(guò)程可以將數(shù)字水印劃分為明文水印和盲水印 明文水印 在提取水印過(guò)程中需要原始數(shù)據(jù) 而盲水印的提取過(guò)程只需要嵌入水印后的 數(shù)據(jù) 不需要原始數(shù)據(jù) 一般來(lái)說(shuō) 明文水印的健壯性比較強(qiáng) 其中在中所 提到的算法都屬于明文水印 但其應(yīng)用受到存儲(chǔ)成本的限制 而在本文中提 到了明文水印和盲水印算法 目前學(xué)術(shù)界研究的數(shù)字水印大多數(shù)是盲水印 按數(shù)字水印的內(nèi)容可以將水印劃分為有意義水印和無(wú)意義水印 有意義 水印是指水印本身也是某個(gè)數(shù)字圖像或數(shù)字音頻片段的編碼 無(wú)意義水印則 只對(duì)應(yīng)于一個(gè)序列號(hào) 有意義水印的優(yōu)勢(shì)在于 如果由于受到攻擊或其他原 因致使解碼后的水印破損 人們?nèi)匀豢梢酝ㄟ^(guò)視覺(jué)觀察確認(rèn)是否有水印 但 對(duì)于無(wú)意義水印來(lái)說(shuō) 如果解碼后的水印序列有若干碼元錯(cuò)誤 則只能通過(guò) 哈爾濱t 程大學(xué)碩士學(xué)位論文 統(tǒng)計(jì)決策來(lái)確定信號(hào)中是否含有水印 按數(shù)字水印的隱藏位囂 可以將其劃分為空域數(shù)字水印 頻域數(shù)字水印 生理模型算法等 其中頻域數(shù)字水印算法又分為f f r 域 d c t 域 d w t 域 等算法 數(shù)字水印技術(shù)在9 0 年代被提出以后便得到很多研究者的重視 而其本身 的應(yīng)用領(lǐng)域也十分廣泛 1 1 數(shù)字作品的版權(quán)保護(hù) 數(shù)字作品如電腦美術(shù) 掃描圖像 數(shù)字音樂(lè) 視頻 三維動(dòng)畫(huà)等的版權(quán) 保護(hù)是當(dāng)前的熱點(diǎn)問(wèn)題 出于數(shù)字作品的拷貝 修改非常容易 而且可以做 到與原作品完全相同 這些復(fù)制作品的任意傳播與不正當(dāng)利用嚴(yán)重侵犯了原 創(chuàng)者的合法權(quán)益 而目前原創(chuàng)者用來(lái)保護(hù)其版權(quán)利益的方法無(wú)非是加入可見(jiàn) 標(biāo)志 這也是通常意義上的可見(jiàn)水印 但是這種水印不僅不能避免拷貝者輕 易破壞水印信息 而且加入可見(jiàn)水印信息對(duì)圖像質(zhì)量也有很大影響 近年來(lái) 興起的不可見(jiàn)水印可以有效的解決這個(gè)問(wèn)題 2 1 商務(wù)交易中的票據(jù)防偽 隨著高質(zhì)量圖像輸入輸出設(shè)備的發(fā)展 特別是精度超過(guò)1 2 0 0 d p i 的彩色 噴墨 激光打印機(jī)和高精度彩色復(fù)印機(jī)的出現(xiàn) 使得貨幣 支票以及其他票 據(jù)的偽造變得更加容易 據(jù)美國(guó)官方報(bào)道 僅在1 9 9 7 年截獲的價(jià)值4 0 0 0 萬(wàn) 美元的假鈔中 用高精度彩色打印機(jī)制造的小面額假鈔就占1 9 這個(gè)數(shù)字 是1 9 9 5 年的9 0 5 倍 目前 美國(guó) 日本以及荷蘭都已開(kāi)始研究用于票據(jù)防 偽的數(shù)字水印技術(shù) 另一方面 在從傳統(tǒng)商務(wù)向電子商務(wù)轉(zhuǎn)化的過(guò)程中 會(huì) 出現(xiàn)大量過(guò)渡性的電子文件 如各種紙質(zhì)票據(jù)的掃描圖像等 即使在網(wǎng)絡(luò)安 全技術(shù)成熟以后 各種電子票據(jù)也還需要一些非密碼的認(rèn)證方式 數(shù)字水印 技術(shù)可以為各種票據(jù)提供不可見(jiàn)的認(rèn)證標(biāo)志 從而大大增加了偽造的難度 3 數(shù)據(jù)完整性保護(hù) 數(shù)據(jù)的完整性提示是一個(gè)很重要的工作 現(xiàn)有的信號(hào)拼接和鑲嵌技術(shù)可 以做到 移花接木 而不為人知 因此 如何防范對(duì)圖像 錄音 錄像數(shù)據(jù) 的篡改攻擊是重要的研究課題 基于數(shù)字水印的篡改提示是解決這一問(wèn)題的 理想技術(shù)途徑 通過(guò)隱藏水印的狀態(tài)可以判斷聲像信號(hào)是否被篡改 脆弱水 印可以用來(lái)檢測(cè)數(shù)據(jù)的完整性 它可以確定出數(shù)據(jù)是否被改變而且可以確定 哈爾濱l 群人學(xué)碩士學(xué)位論文 數(shù)據(jù)改變的位置 4 1 隱藏?cái)?shù)據(jù)標(biāo)識(shí) 數(shù)據(jù)的標(biāo)識(shí)信息往往比數(shù)據(jù)本身更具有保密價(jià)值 如遙感圖像的拍攝日 期 經(jīng) 緯度等 在醫(yī)學(xué)圖像中隱藏水印和患者姓名是非常有效的安全保護(hù)方 法 在視頻信息目錄中嵌入一些有關(guān)制作人和內(nèi)容方面的注釋 則搜索引擎 可以通過(guò)這些來(lái)對(duì)電影或者新聞等視頻內(nèi)容進(jìn)行檢索 沒(méi)有標(biāo)識(shí)信息的數(shù)據(jù) 有時(shí)甚至無(wú)法使用 但直接將這些重要信息標(biāo)記在原始文件上又很危險(xiǎn) 數(shù) 字水印技術(shù)提供了一種隱藏標(biāo)識(shí)的方法 標(biāo)識(shí)信息在原始文件上是看不到的 只有通過(guò)特殊的閱讀程序才可以讀取 這種方法已經(jīng)被國(guó)外一些公開(kāi)的遙感 圖像數(shù)據(jù)庫(kù)所采用 5 1 數(shù)據(jù)隱藏 數(shù)字水印所依賴的信息隱藏技術(shù)不僅提供了非密碼的安全途徑 更引發(fā) 了信息戰(zhàn)尤其是網(wǎng)絡(luò)情報(bào)戰(zhàn)的革命 產(chǎn)生了一系列新穎的作戰(zhàn)方式 引起了 許多國(guó)家的重視 網(wǎng)絡(luò)情報(bào)戰(zhàn)是信息戰(zhàn)的重要組成部分 其核心內(nèi)容是利用 公用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行保密數(shù)據(jù)傳送 迄今為止 學(xué)術(shù)界在這方面的研究思路一直未 能突破 文件加密 的思維模式 然而 經(jīng)過(guò)加密的文件往往是混亂無(wú)序的 容易引起攻擊者的注意 網(wǎng)絡(luò)多媒體技術(shù)的廣泛應(yīng)用使得利用公用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行 保密通信有了新的思路 利用數(shù)字化聲像信號(hào)相對(duì)于人的視覺(jué) 聽(tīng)覺(jué)冗余 可以進(jìn)行各種空域和變換域的信息隱藏 從而實(shí)現(xiàn)隱蔽通信 水印技術(shù)還可 以用在發(fā)送秘密的私人信息 因?yàn)檎畬?duì)密碼服務(wù)有一定的限制 則人們可 以在其他的數(shù)據(jù)中隱藏他們的真實(shí)信息 酏內(nèi)容保護(hù) 雖然可見(jiàn)水印在版權(quán)保護(hù) 完整性保護(hù)方面的應(yīng)用不是很廣泛 但是在 某些應(yīng)用中 卻需要用可見(jiàn)水印達(dá)到保護(hù)的目的 例如 多媒體作品的提供 者希望向潛在的購(gòu)買(mǎi)者提供一個(gè)作品的預(yù)覽 為了使預(yù)覽作品失去商業(yè)價(jià)值 常將一個(gè)可見(jiàn)的難以去除的水印疊加在作品之上 法庭認(rèn)證 水印信息的提取可以提供證據(jù)來(lái)證明過(guò)失的承擔(dān)者 例如 在跟蹤非法 拷貝中 對(duì)不同的用戶 在數(shù)據(jù)中隱藏不同的水印信息 這個(gè)信息可以是和 用戶身份相關(guān)的一個(gè)序列號(hào)或者用戶的圖像標(biāo)志 當(dāng)數(shù)據(jù)被非法傳播或盜用 4 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 則可以通過(guò)水印信息使產(chǎn)權(quán)所有者確定是誰(shuí)違反合同給第三方非法的提供數(shù) 據(jù) 8 1 使用控制 可以對(duì)系統(tǒng)所涉及到的圖像或視頻實(shí)施拷貝次數(shù)控制 每進(jìn)行一次拷貝 硬件對(duì)水印修改一次 當(dāng)允許拷貝數(shù)降為o 時(shí) 硬件將不再產(chǎn)生新的拷貝 一個(gè)典型的例子是d v d d i g i t a lv i d e od i s c 系統(tǒng) 另一個(gè)典型例子是 由索尼 和菲利浦公司提出的s c m sf s e r i a lc o p ym a n a g e m e n ts y s t e m 就是在磁帶上加 上一個(gè)布爾型標(biāo)簽 來(lái)控制使用者復(fù)制的次數(shù) 使用者只能復(fù)制一次 不能 多次復(fù)制 從而用這種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)防止批量拷貝 在商業(yè)廣告中加入水印 系統(tǒng)可以自動(dòng)監(jiān)聽(tīng)來(lái)確定是否正常播放了廣告 1 3 數(shù)字水印特征 數(shù)字水印技術(shù)不同于傳統(tǒng)的加密技術(shù) 因?yàn)槠淠康牟辉谟谙拗普５馁Y 料存取 而在于保證數(shù)據(jù)在被非法拷貝后能夠證明其所有者 因此 數(shù)字水 印技術(shù)必須考慮正常的信息操作所造成的威脅 即要數(shù)據(jù)信息對(duì)正常的操作 技術(shù)具有免疫能力 這種免疫力的關(guān)鍵是要使隱藏信息部分不易被 f 常的數(shù) 據(jù)操作所破壞 在本文所研究的數(shù)字水印技術(shù)中 主要研究不可見(jiàn)數(shù)字水印和健壯數(shù)字 水印 此類(lèi)數(shù)字水印的基本特征有 健壯性 t o b u s t n e s s 指不因數(shù)據(jù)文件的某種改動(dòng)而導(dǎo)致水印信息丟失的 能力 這些改變包括常見(jiàn)圖像處理如數(shù)據(jù)壓縮 低通濾波 圖像增強(qiáng) 二次 抽樣 二次量化 a d 和d a 轉(zhuǎn)換等 幾何變換和幾何失真如裁剪 尺度拉 伸 平移 旋轉(zhuǎn) 扭曲等 噪聲干擾 多重水印 m u l t i p l ew a t e r m a r k i n g 的重 疊等 而且要能夠承受一定程度的人為攻擊 而使隱藏信息不會(huì)被破壞 不可檢測(cè)性 u n d e t e c t a b i l i t y 指數(shù)字水印嵌入算法是秘密有效的 不能 使得破壞者輕易檢測(cè)到水印的存在 甚至提取出水印信息 從而達(dá)到破壞水 印信息的目的 透明 眭 i n v i s i b i l i t y 利用人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)或人類(lèi)聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)屬性 經(jīng)過(guò)一系 列隱藏處理 使目標(biāo)數(shù)據(jù)沒(méi)有明顯的降質(zhì)現(xiàn)象 而隱藏的數(shù)據(jù)卻無(wú)法人為地 看見(jiàn)或聽(tīng)見(jiàn) 5 哈爾浜工程人學(xué)碩士學(xué)位論文 自恢復(fù)性f s e l f r e s t o r a t i o n 所謂的自恢復(fù)性是指由于經(jīng)過(guò)一些操作或變 換后 可能會(huì)使原始圖像產(chǎn)生較大的破壞 而只從留下的片段數(shù)據(jù) 仍能恢 復(fù)出水印信號(hào) 而且這種恢復(fù)過(guò)程不需要原始圖像 則稱這樣的數(shù)字水印算 法具有好的自恢復(fù)性 除此之外 數(shù)字水印技術(shù)還必須擁有以下特征才能達(dá)到其保護(hù)版權(quán)的目 的 首先 嵌入水印操作后的圖像要保持其質(zhì)量沒(méi)有下降 也就是說(shuō)嵌入不可 見(jiàn)水印不會(huì)影響到圖像質(zhì)量 其次 在水印提取過(guò)程中要避免使用原始圖像 大量原始圖像的存儲(chǔ)是不經(jīng)濟(jì)的 1 4 數(shù)字水印技術(shù)研究動(dòng)態(tài) 在2 0 世紀(jì)8 0 年代 索尼和菲利浦公司首次提出了數(shù)字媒體版權(quán)保護(hù)的 方案s c m sf s e r i a lc o p ym a n a g e m e n ts y s t e m 數(shù)字水印技術(shù)也是在繼數(shù)字隱 藏技術(shù)后提出的一種數(shù)字媒體版權(quán)保護(hù)方案 發(fā)展到現(xiàn)在它的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng) 不局限于版權(quán)保護(hù) 而且各國(guó)研究者也在這方面做出了杰出的貢獻(xiàn) 提出并 實(shí)現(xiàn)了一系列有代表性的算法 下面是近幾年出現(xiàn)的關(guān)于媒體數(shù)字水印的一 些典型算法 這些算法可以分為三種類(lèi)型 1 空域算法 空域算法指的是實(shí)現(xiàn)數(shù)字水印嵌入和提取的過(guò)程全部在空間域中完成 不需要進(jìn)行頻率域的變換 最早提出的空域算法就是著名的l s b l c a s t s i g n i f i c a n tb i t s 方法 它是將水印信息安排在象素的最低位 也是最不容易 引起圖像有較大視覺(jué)變換的位置 作為幾個(gè)比較實(shí)用的軟件包之一的s t e g o 就采用了改變圖像最低位信號(hào)實(shí)現(xiàn)圖像水印的目的 這樣的算法不夠健壯 目前對(duì)于這種方法提出了很多改進(jìn)算法 l i p p m a n 曾經(jīng)提出將水印信號(hào)隱藏 在原始圖像的色度通道中 b e n d e r 曾經(jīng)提出了兩種方法 一種是基于統(tǒng)計(jì)學(xué) 的 p a t c h w o r k 方法 另一種是紋理塊編碼方法 在空域水印算法中 值得 一提的是文本水印算法 這種算法主要是輕微改變字符間距 行間距或是增 加 刪除字符特征 如底紋線等方法來(lái)嵌入水印 同樣 這些方法也很脆弱 攻擊者可以通過(guò)調(diào)整行 列間距來(lái)破壞水印 另外的途徑是在符號(hào)級(jí)或語(yǔ)義 級(jí)加入水印 例如 可以用b i g 來(lái)替換文本中的l a r g e 不過(guò)這種方法仍然不 是很有效 6 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 1 頻域算法 頻域算法與空域算法不同 指的是嵌入或者提取水印的過(guò)程中 需要進(jìn) 行頻率域的變換操作 這樣做的目的是增強(qiáng)水印算法的健壯性 使得圖像在 有損壓縮和濾波后仍能很好的提取出水印信息 有人提出一種適用j p e g 有 損壓縮的算法 它采用d c t 來(lái)實(shí)現(xiàn)空間域到頻率域的變換 n e c 實(shí)驗(yàn)室的 c o x 等人提出的基于擴(kuò)展頻譜的水印算法在數(shù)字水印算法中占有重要地位 這一算法提出了強(qiáng)壯水印算法的幾個(gè)重要原則 首先 水印信號(hào)應(yīng)該嵌入數(shù) 據(jù)中對(duì)人的感覺(jué)最重要的部分 在頻率域中這個(gè)重要部分就是低頻分量 一 般的圖像處理技術(shù)并不去改變這部分?jǐn)?shù)據(jù) 水印的健壯性大大提高 其次水 印信號(hào)應(yīng)該由具有高斯分布的獨(dú)立同分布隨機(jī)實(shí)數(shù)序列構(gòu)成 這使得水印經(jīng) 受多拷貝聯(lián)合攻擊的能力大大增強(qiáng) n e c 的實(shí)現(xiàn)思想是 對(duì)整幅圖像做d c t 變換 選取除d c 分量外的1 0 0 0 個(gè)最大的d c t 系數(shù)插入由n o 1 所產(chǎn)生的 一個(gè)實(shí)數(shù)序列水印信號(hào) 3 生理模型算法 近年來(lái)利用人類(lèi)生理模型的特性 包括h v s h u m a nv i s u a ls y s t e m 和h a s h u m a na u d i t o rs y s t e m 來(lái)提高多媒體數(shù)據(jù)壓縮系統(tǒng)質(zhì)量和效率的研究得到了 許多關(guān)注 這些方面的研究結(jié)果同樣可以供數(shù)字水印系統(tǒng)利用 目前 用于版權(quán)保護(hù)的數(shù)字水印技術(shù)正處于研究階段 其中有許多公司 都在致力于這方面的研究 包括d i g i m a r c s i g n u mt e c h n o l o g i e s c e n t r a l r e s e a r c hl a b o r a t o r i e s 和a l p h a t e e 等 i b m 公司在其 數(shù)字圖書(shū)館 軟件 中就提供了數(shù)字水印功能 a d o b e 公司也在其著名的p h o t o s h o p 軟件中集成 了d i g i m a r e 公司的數(shù)字水印插件 麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室受美國(guó)財(cái)政部委 托 己經(jīng)開(kāi)始研究在彩色打印機(jī) 復(fù)印機(jī)輸出的每幅圖像中加入唯一的 不 可見(jiàn)的數(shù)字水印 在需要時(shí)可以實(shí)時(shí)地從掃描票據(jù)中判斷水印的有無(wú) 快速 辨識(shí)真?zhèn)?然而實(shí)事求是的說(shuō) 目前市場(chǎng)上的數(shù)字水印產(chǎn)品在技術(shù)上還不成 熟 很容易被破壞或破解 而且由這幾個(gè)公司開(kāi)發(fā)的應(yīng)用型數(shù)字水印系統(tǒng)都 是比較簡(jiǎn)單 像p h o t o s h o p 中所用到的數(shù)字水印技術(shù)只是實(shí)現(xiàn)了對(duì)于二維圖 像中加入時(shí)間戳信息和作者文本信息的功能 不能實(shí)現(xiàn)加入作者標(biāo)志或者圖 像信息等功能 而且它們所開(kāi)發(fā)的是面向二維圖像的數(shù)字水印 在三維模型 數(shù)字水印方面還是剛剛起步 因此在數(shù)字水印技術(shù)方面還需要繼續(xù)加強(qiáng)研究 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 尤其是針對(duì)專(zhuān)門(mén)領(lǐng)域的特有的數(shù)字水印技術(shù)的研究 1 5 本課題概述和研究總論 隨著數(shù)字化產(chǎn)品的普及 特別是隨著因特網(wǎng)用戶的成倍增長(zhǎng)和網(wǎng)絡(luò)帶寬 的增加 加之電子商務(wù)技術(shù)的成熟 在網(wǎng)絡(luò)上直接銷(xiāo)售數(shù)字化產(chǎn)品是一 個(gè)趨 勢(shì) 數(shù)字產(chǎn)品在網(wǎng)絡(luò)上的自由流通對(duì)版權(quán)保護(hù)提出迫切的要求 也提出了一 個(gè)新的商業(yè)契機(jī) 同時(shí)在軍事和國(guó)防領(lǐng)域方面也有水印技術(shù)的發(fā)展空問(wèn) 例 如利用數(shù)字水印技術(shù)保護(hù)秘密傳遞的軍事信息的完整性 確保信息的真實(shí)可 靠 或者用水印技術(shù)來(lái)驗(yàn)證軍事口令等等 國(guó)內(nèi)目前還沒(méi)有成熟的產(chǎn)品問(wèn)世 但在近兩 三年來(lái)也有一些大學(xué)機(jī)構(gòu) 從事水印算法的研究 針對(duì)信息時(shí)代對(duì)版權(quán)保護(hù)的迫切要求 我們也應(yīng)該加 緊研制自己的水印產(chǎn)品 該課題的選題也是基于此而設(shè)定的 課題的研究對(duì)象是二維靜態(tài)圖像水印系統(tǒng) 主要內(nèi)容如下 1 1 建立了完整的數(shù)字圖像水印系統(tǒng)處理模型 包括水印的嵌入 提取 與 驗(yàn)證過(guò)程 在m a t l a b 環(huán)境中仿真實(shí)現(xiàn) 2 針對(duì)目前在j p e g 和j p e g 2 0 0 0 壓縮標(biāo)準(zhǔn)中所采用的離散余弦變換 d c t 和離散小波變換 d w t 主要研究基于d c t 和d w t 的兩種不同的水印 方案 并對(duì)兩種系統(tǒng)的性能進(jìn)行比較 在d c t 水印方案中 對(duì)圖像的 d c t 頻譜進(jìn)行z 字排序后 提取中頻系數(shù)作為水印的載體 在d w t 水 印系統(tǒng)中 對(duì)圖像進(jìn)行提升格式的二級(jí)子帶分解 改變細(xì)節(jié)子帶中水平 子帶系數(shù)的位置 即影響圖像紋理的參數(shù)作為水印的載體 3 利用建立的水印模型對(duì)影響水印系統(tǒng)的各種因素 包括嵌入位置 嵌入 力度 水印容量 人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng) h v s1 對(duì)系統(tǒng)的影響進(jìn)行比較綜合分析 實(shí)驗(yàn)證明兩種水印系統(tǒng)對(duì)于通常的信號(hào)處理和圖像處理具有較好的魯棒 性 但由于小波變換良好的時(shí)一頻局部特性 使得d w t 系統(tǒng)具有更優(yōu)的性 能 d w t 的多分辨特性能夠?qū)崿F(xiàn)水印的自適應(yīng)嵌入 為處理大批量圖像提供 了方便 具有更較好的推廣應(yīng)用價(jià)值 此外 在目前已有的水印方案中 由于更側(cè)重于系統(tǒng)健壯性的要求 一 般均選擇視覺(jué)最重要部分作為水印的載體 氐頻參數(shù) 而本文的方案基于不 可見(jiàn)性和健壯性的考慮 均保留了低頻參數(shù)不被修改 選擇視覺(jué)次重要部分 哈爾濱工程大學(xué)碩十學(xué)位論文 作為水印的載體 實(shí)驗(yàn)證明 通過(guò)調(diào)整水印的嵌入力度以及增加水印在圖像 中的冗余分布 可以獲得更好的健壯性 9 哈爾濱上程人學(xué)碩士學(xué)位論文 第2 章數(shù)字圖像水印的基礎(chǔ)理論與框架 2 1 水印系統(tǒng)基礎(chǔ)框架 圖像水印系統(tǒng)的基本思想是在一幅宿主圖像 原始圖像 中嵌入一個(gè)秘密 信息 即水印 而且要保證水印是不可覺(jué)察而且安全的 在知道水印嵌入過(guò) 程中所用密鑰的情況下 應(yīng)該可以恢復(fù)嵌入的秘密信息 如圖2 1 所示 所 有的水印系統(tǒng)都應(yīng)包括兩個(gè)基本模塊 1 水印嵌入模塊和水印提取模塊 原始圖像經(jīng)過(guò)一定的調(diào)整后生成水印圖像 然后已經(jīng)嵌入水印的圖像可 以再通過(guò)各種媒介展示給潛在的顧客群 其中圖像可能遭遇各種攻擊 包括 無(wú)意攻擊以及盜版者的惡意攻擊 最后對(duì)于有版權(quán)爭(zhēng)議的圖像可以進(jìn)行驗(yàn)證 以確定版權(quán)的歸屬 水印可以是任何形式的數(shù)據(jù) 高斯噪聲 隨機(jī)序列 二維圖像等等 密鑰可以用來(lái)加強(qiáng)系統(tǒng)的安全性 以避免非授權(quán)方恢復(fù)和修改水印 k e r c k h o f 準(zhǔn)則的一個(gè)直接應(yīng)用為 水印算法應(yīng)該是公開(kāi)的 并且為了防止水 印被偶然地移除 不可以直截了當(dāng)?shù)氐玫酵暾乃?這可以通過(guò)水印信息 在原始圖像中的位鼉來(lái)實(shí)現(xiàn) 在許多方案中 由一個(gè)密鑰控制的偽隨機(jī)數(shù)生 成器決定水印嵌入的位置以及水印本身的結(jié)構(gòu) 因此只有密鑰所有者是唯一 一個(gè)可以獲取水印的人 在嵌入過(guò)程中可以利用h v s 人的視覺(jué)系統(tǒng) 特性 調(diào)整水印嵌入的力度 或者位置 以期在保證水印嵌入不可覺(jué)察的前提下 加入盡可能強(qiáng)的水印信 號(hào)到原始圖像中 以便提高水印的健壯性 1 0 哈爾濱工程人學(xué)碩士學(xué)位論文 圖2 1 水印的基本流程 2 2 水印系統(tǒng)的要求和算法設(shè)計(jì)問(wèn)題 1 不可感知性 對(duì)水印系統(tǒng)的一個(gè)重要的要求就是水印可感知的透明度 要保證在水印 嵌入的過(guò)程中不引入人為修改的痕跡 因?yàn)槿藶楹圹E會(huì)減少或破壞數(shù)據(jù)的商 業(yè)價(jià)值 也就是說(shuō)因嵌入水印而引起的變動(dòng)應(yīng)該低于可見(jiàn)閥度值一可見(jiàn)閥度 值指人眼剛好能發(fā)現(xiàn)的干擾值 低于該閥值的干擾是覺(jué)察不出來(lái)的 由于水 印系統(tǒng)所必需的不可覺(jué)察性 用來(lái)嵌入水印的每個(gè)樣本值只能做微小的修改 因此 設(shè)計(jì)這樣的水印方法是重要的 它利用人眼的視覺(jué)特性 在不超過(guò)可 感知門(mén)限的約束下 使水印的能量取得最大值 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 健壯性 加入水印的圖像在傳輸和發(fā)布過(guò)程應(yīng)該對(duì)可能發(fā)生的技術(shù)性修改具有健 壯性 加入水印的目的就是為了為圖像提供版權(quán)保護(hù) 如果對(duì)圖像稍稍的修 改就會(huì)移除水印 那水印也就失去了本身的意義 健壯性要求對(duì)圖像進(jìn)行一 些常見(jiàn)的信號(hào)處理或者圖像操作后仍然能夠檢測(cè)出水印 比如對(duì)圖像進(jìn)行濾 波 噪聲干擾 邊緣增強(qiáng) 抖動(dòng) 剪切 掃描 有損壓縮 a d d a 轉(zhuǎn)換等 操作 另外 水印技術(shù)還應(yīng)能抵御各種有意的破壞 它們包括移去水印和使 水印無(wú)法提取 根據(jù)水印應(yīng)用目的 它所要求的健壯性會(huì)影響設(shè)計(jì)的過(guò)程 例如如果我們要求能容忍很高的j p e g 壓縮的水印嵌入方法 那么使用變換 域的方法可能比使用時(shí)域的方法更有效 3 冗余性 盡管在允許的范圍內(nèi)所做的感動(dòng)很小 為了保證健壯性 通常將水印信 息冗余的分布在很多的樣本中 從而得到整體的健壯性 這意味著利用一小 部分己嵌入水印的數(shù)據(jù)就可以恢復(fù)出水印 4 檢測(cè)水印是否需要原始圖像 通常在提取水印過(guò)程中使用原始數(shù)據(jù)的方法會(huì)提高水印系統(tǒng)的健壯尤其 是針對(duì)數(shù)據(jù)中的幾何失真而言 因?yàn)樗试S幾何失真中的檢測(cè)和定位 不過(guò) 在很多應(yīng)用中 有可能得不到原始數(shù)據(jù)或者存貯原始數(shù)據(jù) 需要占用很大的 空間 另外 檢測(cè)時(shí)需要原始數(shù)據(jù)也會(huì)給數(shù)據(jù)的安全性帶來(lái)更多的危險(xiǎn) 所 以設(shè)計(jì)一個(gè)不需要原始數(shù)據(jù)的水印技術(shù)是一個(gè)明顯的趨勢(shì) 本文設(shè)計(jì)的水印 系統(tǒng)在提取水印的時(shí)候均不需要原始圖像的參與 5 對(duì)給定水印的提取或驗(yàn)證 如果水印信息是特定的信息或者圖案 那么通過(guò)水印提取模塊解調(diào)恢復(fù) 出嵌入的水印就是系統(tǒng)的最終目的 而如果水印信息是預(yù)定義的可容許水印 集合中的一種 譬如由密鑰空問(wèn)中的一個(gè)密鑰控制的偽隨機(jī)生成器生成的高 斯噪聲 則需要將提取的水印與可容許水印集合相比較進(jìn)行驗(yàn)證 這也就是 檢測(cè)器的功能 系統(tǒng)的輸出是 發(fā)現(xiàn)水印 或 沒(méi)有水印 的結(jié)論 在不可感知性和健壯性之間要尋求一個(gè)合理的平衡點(diǎn) 是設(shè)計(jì)一個(gè)優(yōu)秀 的水印系統(tǒng)的關(guān)鍵 也是系統(tǒng)最基本的要求 因?yàn)楦呓研缘南到y(tǒng)需要更強(qiáng) 的嵌入以及更大的冗余度 這反過(guò)來(lái)都會(huì)增加水印的可感知性 哈爾濱t 程大學(xué)碩 學(xué)位論文 2 3 針對(duì)水印系統(tǒng)的攻擊 水印圖像在分布過(guò)程可能會(huì)遇到有意或者無(wú)意的攻擊 一個(gè)成功的水印 系統(tǒng)應(yīng)該在遭受一些處理后仍然能檢測(cè)出水印的存在 或者當(dāng)水印被破壞的 時(shí)候 圖像已經(jīng)產(chǎn)生嚴(yán)重的失真而失去本身的價(jià)值 以下列出一些水印圖像 比較常遇到的攻擊 信號(hào)增強(qiáng) 銳化 改變圖像的對(duì)比度 g a m m a 校正等 加性和乘性噪聲 高斯 均衡 斑點(diǎn) 有損壓縮 j p e g 壓縮 局部或全局仿射變換f 平移 旋轉(zhuǎn) 剪切 縮放 小角度的旋轉(zhuǎn) 通常 合剪切技術(shù) 并不會(huì)使圖像質(zhì)量有所下降 但卻很輕易的使水印檢測(cè)失 敗 結(jié)合j p e g 壓縮的仿射變換 濾波 低通 高通 中值 高斯 均值濾波等 d a 和a d 變換 打印一掃描 s t i r m a r k 攻擊 s t i r m a r k 是一種水印測(cè)試工具 可以產(chǎn)生細(xì)微的隨機(jī)幾 何變形 s t i r m a r k 引入的失真幾乎不被覺(jué)察 它也不能從本質(zhì)上刪除水 印 不過(guò)它能使檢測(cè)器失去同步 阻止檢測(cè)器找到水印 多重水印 統(tǒng)計(jì)平均 馬賽克攻擊 2 4 嵌入策略 為了提高水印系統(tǒng)的健壯性 選擇合理的水印結(jié)構(gòu)和嵌入策略是非常重 要的 通常認(rèn)為應(yīng)將水印嵌入到視覺(jué)重要分量上 因?yàn)橐曈X(jué)重要分量是圖像 信號(hào)的主要成分 攜帶較多的能量 具有更大的視覺(jué)容量 另外 一般針對(duì) 于多媒體的信號(hào)處理技術(shù)大都保留了這些重要分量 同時(shí)需要注意的是 對(duì) 這些視覺(jué)重要分量的修改要低于可見(jiàn)閥度值 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 5 水印的選擇與生成 作為水印信息 不管采取形式 所構(gòu)成水印的序列應(yīng)該具有不可預(yù)測(cè)的 隨機(jī)性 這使得水印經(jīng)受多拷貝聯(lián)合攻擊的能力大大增強(qiáng) 因此 所加入的 水印應(yīng)該是具有與噪聲相同的特性 高斯噪聲 隨機(jī)分布的 0 1 1 1 序列 均可作為水印 為了讓水印攜帶更多的版權(quán)信息 有些系統(tǒng)是以圖像 譬如8 位灰度圖像 甚至彩色圖像 等有意義的信號(hào)為水印信息 也稱為二維水印 因?yàn)檫@些圖像 可以表達(dá)更多的版權(quán)信息 例如產(chǎn)品的l o g o 商標(biāo) 所有者等等 同時(shí)也對(duì) 系統(tǒng)提出了更高的要求 首先由于二維水印的信息數(shù)據(jù)量較大 如一幅3 2 x 3 2 的8 位灰度圖像 共有1 0 2 4 字節(jié) 將其不留痕跡的嵌入到2 5 6 2 5 6 圖像 中是很不容易作到的 一般在采用圖像作為水印的時(shí)候 一般在嵌入過(guò)程之 前會(huì)對(duì)水印信息進(jìn)行處理 去除水印信息的相關(guān)性 也有些方案將二維水印 信息采用編碼的方式轉(zhuǎn)換成一維 0 1 1 序列 因?yàn)楸疚闹赜趯?duì)水印嵌入對(duì)策的研究 因而采用二值圖像作為水印嵌 入到原始圖像當(dāng)中去 2 6 工作域選擇 由于水印在時(shí)域變換方法中對(duì)于攻擊往往很脆弱 不夠健壯 所以我們 常常采用頻域變換法 頻域變換法具有以下優(yōu)勢(shì) 1 從提高魯棒性來(lái)看 應(yīng)該將嵌入到圖像的視覺(jué)上最重要的部分 視 覺(jué)重要分量是圖像信號(hào)的重要組成部分 攜帶了較多的能量 因此 通常的圖像壓縮 信號(hào)處理都保留了這些視覺(jué)重要分量以保證圖像 質(zhì)量沒(méi)有明顯失真 而圖像的低頻 中頻系數(shù)基本代表了圖像的視 覺(jué)重要部分 所以采用變換域的方法 可以很容易的將圖像的視覺(jué) 重要分量標(biāo)記出來(lái) 2 變換域的方法可以與國(guó)際數(shù)據(jù)壓縮標(biāo)準(zhǔn)相兼容 由于壓縮算法大都 在頻域進(jìn)行 比如j p e g 的d c t 小波系數(shù)編碼方法e z w 嵌入式小 波零數(shù)編碼 等 可以考慮壓縮域內(nèi)的水印編碼來(lái)提高系統(tǒng)抵抗壓縮 操作攻擊的能力 1 4 哈爾濱t 程大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 1 在變換域嵌入水印信息可以分布到變換域的所有頻率上 有利于保 證水印的不可視性 4 在變換域 視覺(jué)系統(tǒng)h v s 的某些特性可以更方便地結(jié)合到水印編碼 過(guò)程中 5 有些變換對(duì)某些變化有著固有的魯棒性 比如d f f 具有仿射不變性 對(duì)圖像的空間坐標(biāo)平移不敏感 因而可以利用它來(lái)恢復(fù)經(jīng)過(guò)了仿射 變化的圖像當(dāng)中的水印 又如對(duì)數(shù)極坐標(biāo) l p m 變換 可以對(duì)旋轉(zhuǎn)和 縮放不敏感 因此利用它可以使得對(duì)水印圖像的任何旋轉(zhuǎn)或縮放操 作都不敏感 兩利用小波分析得多分辨特性 使得其對(duì)圖像的剪切 操作不敏感 2 7 嵌入和提取模塊 數(shù)字水印的基本原理是將某些標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)作為水印信息嵌入到宿主數(shù)據(jù) 中 并且保證水印信息在宿主數(shù)據(jù)中不可感知和足夠安全 數(shù)字水印技術(shù)包 含嵌入水印和提取水印兩個(gè)過(guò)程 下面給出通用意義下的數(shù)字水印嵌入和提 取算法 其中水印信息可由多種模型構(gòu)成 如隨機(jī)數(shù)字序列 數(shù)字標(biāo)識(shí) 文 本以及圖像等 首先來(lái)看水印的嵌入過(guò)程 所謂水印嵌入過(guò)程就是將水印信息隱藏到宿 主數(shù)據(jù)中 從圖像處理的角度看 嵌入水印可以視為在強(qiáng)背景 原始圖像 下 迭加一個(gè)弱信號(hào) 水印信號(hào) 由于人的視覺(jué)系統(tǒng)分辨率受到一定的限制 只 要迭加信號(hào)的幅度低于對(duì)比度門(mén)限 就無(wú)法感覺(jué)到信號(hào)的存在 對(duì)比度門(mén)限 受視覺(jué)系統(tǒng)的空間 時(shí)間和頻率特性的影響 因此 通過(guò)對(duì)原始圖像做一定 的調(diào)整 有可能在不改變視覺(jué)效果的情況下嵌入一些信息 另一方面 從數(shù) 字通信的角度來(lái)看 水印嵌入過(guò)程可理解為在一個(gè)寬帶信道 原始圖像1 上用 擴(kuò)頻通信技術(shù)傳輸一個(gè)寬帶信號(hào) 水印信號(hào) 盡管水印信號(hào)具有一定能量 但分布到信道中任一頻率上的能量是難以檢測(cè)的 水印提取過(guò)程則是一個(gè)有 噪信道中弱信號(hào)的檢測(cè)問(wèn)題 設(shè) 為待嵌入水印的數(shù)字圖像 矽為水印信號(hào) 為加入水印信號(hào)后的圖像 那么處理后的水印由函數(shù)廠定義如下 f q w 2 1 其中的 函數(shù)包含了原始圖像以及水印信號(hào)的預(yù)處理 嵌入水印處理和 哈爾濱上程人學(xué)碩士學(xué)位論文 圖像恢復(fù)處理 如圖2 2 所示為圖像水印嵌入的一般過(guò)程 圖像 圖2 2 水印嵌入的一般過(guò)程 其中圖像的預(yù)處理包含圖像保證水印嵌入算法的高效以及實(shí)用而采取的 一系列變換 如圖像為了適應(yīng)人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)而進(jìn)行的顏色模型的調(diào)整 時(shí)頻 域轉(zhuǎn)換等 圖像恢復(fù)則是指在將水印信號(hào)嵌入原始圖像以后對(duì)原始圖像進(jìn)行 恢復(fù)顯示的過(guò)程 使得它轉(zhuǎn)換到通常所看到的空域信號(hào) 或者轉(zhuǎn)換到計(jì)算機(jī) 所能進(jìn)行一般處理的顏色模型中來(lái) 在圖2 2 中最關(guān)鍵的部分是水印嵌入 也就是水印嵌入函數(shù) 的作用 通常在水印嵌入的時(shí)候都是將水印信號(hào)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制碼流嵌入到原始圖像 中 如果二進(jìn)制碼為0 則對(duì)原始圖像相應(yīng)象素位進(jìn)行一定處理 如果二進(jìn) 制碼為1 則對(duì)原始圖像進(jìn)行另外的處理 這樣做的目的是方便將來(lái)的提取過(guò) 程 可以用式2 2 來(lái)表示嵌入函數(shù)作用 口 1 0 喇p i 2 i 2 2 其中 和形為經(jīng)過(guò)預(yù)處理以后的數(shù)據(jù) 函數(shù)口是取水印圖像的一位 p 1 和p 2 是分別對(duì)原始圖像的相應(yīng)象素位進(jìn)行函數(shù)處理 經(jīng)過(guò)這樣的處理 最終得到的是不完全等同于原始圖像也不同于水印信 息但又同時(shí)包含原始圖像信息和水印信息的一幅新圖像 其在視覺(jué)上與原始 圖像相比幾乎沒(méi)有變換 而在能量上不僅具有原始圖像的能量還具有水印信 息的能量 單純水印嵌入的過(guò)程不是一個(gè)完整的數(shù)字水印處理過(guò)程 只有在嵌入水 印信息后的圖像中提取出預(yù)期的水印信息才能最終達(dá)到保護(hù)版權(quán) 保護(hù)完整 性的目的 下面來(lái)看一下水印的提取過(guò)程 與嵌入過(guò)程雷同 水印提取過(guò)程 哈爾濱上程大學(xué)碩上學(xué)位論文 可以用式2 3 來(lái)表示 1 w f 2 3 1 其中 為提取水印函數(shù) 其它定義跟 2 1 式相同 在對(duì)水印圖像提取水印信息以前需要先對(duì)水印圖像進(jìn)行必要的預(yù)處理 在提取算法上 分為兩種 一種是盲提取 也就是提取水印信息的算法在應(yīng) 用程中不需要原始圖像的參與 另外一種就是明文水印 也就是在水印信息 提取算法中需要原始圖像才能正確的提取出水印信息 目前的水印算法研究 的重點(diǎn)越來(lái)越趨向于盲水印 在本文中所采用的算法有明文水印和盲水印兩 種方式 如圖2 3 所示為圖像水印提取的一般過(guò)程 圖2 3 水印提取的一般過(guò)程 其中的虛線部分體現(xiàn)了明文水印和盲水印的區(qū)別 在這個(gè)框圖中最為主 要的部分是水印提取函數(shù)的選取 用式2 4 來(lái)表示水印提取函數(shù) b o e 一徽 m i 珈 t r u e 窨 2 4 在檢測(cè)水印圖像的過(guò)程中 如果象素值符合e 1 i 一t r u e 條件時(shí) 則相 應(yīng)的水印信號(hào)二進(jìn)制位為0 如果象素值符合p 2 i 一t r u e 條件時(shí) 相應(yīng)的 水印信號(hào)二進(jìn)制位為1 經(jīng)過(guò)對(duì)二進(jìn)制流重新組合后就能恢復(fù)出水印信息 以確證圖像的版權(quán)或者是否完整 2 8 人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng) h v s z 乏圖像的統(tǒng)計(jì)特性對(duì)水印嵌入的影晌 水印系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題是尋找不可覺(jué)察性和魯棒性的平衡點(diǎn) 而人是 1 7 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖像信息的最終的接收者 也是圖像質(zhì)量的最終評(píng)審者 所以對(duì)圖像信息的 處理 應(yīng)該考慮人眼的視覺(jué)特性以及圖像的統(tǒng)計(jì)特性 以期在保證圖像質(zhì)量 的前提下 盡可能的嵌入更多的水印信息 視覺(jué)遮罩 v i s u a lm a s k i n g c j 水印 嵌入非常重要 視覺(jué)遮罩指利用圖像本身的一些特性來(lái)掩蓋圖像被修改的痕 跡 例如給一幅圖像加入噪聲 會(huì)發(fā)現(xiàn)平坦區(qū)域的噪聲比復(fù)雜區(qū)域 紋理區(qū) 的噪聲更明顯 根據(jù)上一節(jié)的嵌入法則 水印嵌入可理解為在強(qiáng)背景下迭加一個(gè)弱信號(hào) 根據(jù)視覺(jué)系統(tǒng) 僅當(dāng)?shù)拥男盘?hào)超過(guò)一定的強(qiáng)度時(shí) 它才可以被檢測(cè)到 迭 加信號(hào)的可見(jiàn)閥度值受到背景亮度 背景紋理復(fù)雜性等影響 以下是一些和 水印嵌入有關(guān)的視覺(jué)特性 1 背景度越亮 可見(jiàn)閥度值越高 照度隱蔽1 2 背景紋理越復(fù)雜 可見(jiàn)閥度值越高 紋理隱蔽 平坦區(qū)域的變化更容 易覺(jué)察 3 圖像的低頻信號(hào)對(duì)于與圖像的輪廓信息 高頻信號(hào)對(duì)應(yīng)與細(xì)節(jié)信息 4 對(duì)于彩色圖像 人眼對(duì)蘭色成分的敏感度較紅 綠色低 因而可將 水印嵌入在彩色圖像的蘭色分量中 或者將r g b 分量轉(zhuǎn)換到y(tǒng) u v 空間 將水印嵌入到y(tǒng) 分量上 2 9 水印驗(yàn)證 鑒于本文中采用的水印信息是二值圖像 在數(shù)字水印驗(yàn)證過(guò)程中