《網(wǎng)絡(luò)信息安全技術(shù)》課件第12章

第12章信息隱藏技術(shù)12.1信息隱藏概述12.2信息隱藏技術(shù)的分類及應(yīng)用領(lǐng)域12.3數(shù)字圖像水印技術(shù)12.4數(shù)字文本水印技術(shù)12.5數(shù)字語音水印技術(shù)12.6數(shù)字視頻水印技術(shù)12.1基本概念12.1.1信息隱藏的基本概念

1．信息隱藏技術(shù)的發(fā)展信息隱藏的發(fā)展歷史可以一直追溯到“匿形術(shù)（Steganography）”的使用?！澳湫涡g(shù)”一詞來源于古希臘文中“隱藏的”和“圖形”兩個詞語的組合?！澳湫涡g(shù)”與“密碼術(shù)（Cryptography）”都是致力于信息保密的技術(shù)，但兩者的設(shè)計思想?yún)s完全不同。“密碼術(shù)”主要通過設(shè)計加密技術(shù)，使非授權(quán)者不可讀取保密信息，但是對于非授權(quán)者來講，雖然他無法獲知保密信息的具體內(nèi)容，卻能意識到保密信息的存在。而“匿形術(shù)”則致力于通過設(shè)計精妙的方法，使得非授權(quán)者根本無從得知保密信息是否存在。

現(xiàn)代信息隱藏技術(shù)發(fā)展主要為了應(yīng)對數(shù)字化信息的大量出現(xiàn)，以及因特網(wǎng)快速發(fā)展條件下信息保護的問題。隨著因特網(wǎng)的日益普及，多媒體等數(shù)字化信息的交流已達(dá)到了前所未有的深度和廣度，其發(fā)布形式也愈加豐富了。人們?nèi)缃窨梢酝ㄟ^因特網(wǎng)發(fā)布自己的作品、重要信息和進行網(wǎng)絡(luò)交易等，但是隨之而出現(xiàn)的版權(quán)和信息安全問題也十分嚴(yán)重：如作品侵權(quán)更加容易，篡改也更加方便。人們越來越認(rèn)識到因特網(wǎng)時代知識產(chǎn)權(quán)保護的重要性，信息隱藏學(xué)就是為達(dá)到信息保護目的而誕生的一門新興交叉學(xué)科。信息隱藏學(xué)作為隱蔽通信和知識產(chǎn)權(quán)保護等的主要技術(shù)手段，正得到廣泛的研究與應(yīng)用。

2．信息可隱藏的原因信息之所以能夠隱藏在多媒體等數(shù)字化數(shù)據(jù)中，主要有兩方面的原因：（1）多媒體等數(shù)字化信息本身存在很大的冗余性，從信息論的角度看，未壓縮的多媒體等信息的編碼效率很低，所以將某些信息嵌入到多媒體等信息中進行秘密傳送是完全可行的，并不會影響多媒體等信息本身的傳送和使用。（2）人眼和人耳本身對某些信息都有一定的掩蔽效應(yīng)，如人眼對灰度的分辨率只有幾十個灰度級，對邊沿附近的信息不敏感等。利用人體感官的這些特點，可以很好地將信息隱藏而不被察覺。3．信息隱藏技術(shù)的概念信息隱藏是與密碼術(shù)、多媒體、計算機網(wǎng)絡(luò)緊密相關(guān)的新興交叉學(xué)科，它采用將秘密消息隱藏在其他消息之中的手段，對非授權(quán)者隱匿秘密消息的存在性和真實內(nèi)容，達(dá)到秘密消息保護的目的。信息隱藏的方法是網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下保護信息機密性和完整性的重要手段。信息隱藏技術(shù)主要包括隱寫術(shù)、數(shù)字水印、可視密碼、潛信道、隱匿協(xié)議等內(nèi)容，在數(shù)字化版權(quán)保護、保密通信等領(lǐng)域具有極其重要的地位。信息隱藏技術(shù)起源于保密通信，但近幾年來，由于互聯(lián)網(wǎng)市場的迫切需求，數(shù)字多媒體水印技術(shù)及其應(yīng)用已成為信息隱藏技術(shù)研究的重點。

信息隱藏技術(shù)中涉及到的主要對象包括待隱藏的信息、信息的載體、帶有秘密信息的載體，具體內(nèi)容如下：（1）信息隱藏技術(shù)中待隱藏的信息稱為秘密信息(SecretMessage)，該信息可以是版權(quán)信息或秘密數(shù)據(jù)，也可以是一個序列號；（2）用來承載秘密信息的公開信息稱為載體信息(CoverMessage)，如視頻、音頻、文本片段；（3）隱藏有秘密信息的公開信息稱為隱蔽載體(StegoCover)，如帶有版權(quán)簽名的視頻、帶有秘密文字的圖片和音頻等。

4．信息隱藏技術(shù)的特性信息隱藏不同于傳統(tǒng)的加密，因為其目的不在于限制正常的資料存取，而在于保證隱藏數(shù)據(jù)不被侵犯和發(fā)現(xiàn)。因此，信息隱藏技術(shù)必須考慮正常的信息操作所造成的威脅，即要使機密資料不易被正常的數(shù)據(jù)操作(如通常的信號變換操作或數(shù)據(jù)壓縮)所破壞。為保證信息隱藏和不影響正常操作的目的，信息隱藏技術(shù)需要具備以下特性。（1）魯棒性(robustness)：指不因數(shù)據(jù)文件的某種改動而導(dǎo)致隱藏信息丟失的能力。這里所謂“改動”包括傳輸過程中的信道噪音、濾波操作、重采樣、有損編碼壓縮、D/A或A/D轉(zhuǎn)換等。（2）不可檢測性(undetectability)：指隱蔽載體與原始載體具有一致的特性。例如具有一致的統(tǒng)計噪聲分布等，以便使非法攔截者無法判斷是否有隱蔽信息。（3）透明性(invisibility)：利用人類視覺系統(tǒng)或人類聽覺系統(tǒng)屬性，經(jīng)過一系列隱藏處理，使目標(biāo)數(shù)據(jù)沒有明顯的降質(zhì)現(xiàn)象，且隱藏的數(shù)據(jù)無法人為地看見或聽見。（4）安全性(security)：指隱藏算法有較強的抗攻擊能力，即它必須能夠承受一定程度的人為攻擊，而使隱藏信息不會被破壞。（5）自恢復(fù)性：由于經(jīng)過一些操作或變換后，可能會使原圖產(chǎn)生較大的破壞，如果只從留下的片段數(shù)據(jù)仍能恢復(fù)隱藏信號，而且恢復(fù)過程不需要宿主信號，這就是所謂的自恢復(fù)性。12.1.2信息隱藏的基本過程

1．信息隱藏嵌入過程信息隱藏嵌入過程實際上就是一個數(shù)字化信號的變換過程，主要步驟包括：（1）對原始主信號（載體信息）作信號變換；（2）對原始主信號（載體信息）作感知分析；（3）在步驟（2）的基礎(chǔ)上，基于事先給定的關(guān)鍵字，在變換域上將簽字信號（秘密信息）嵌入主信號，得到帶有隱藏信息的主信號（隱蔽載體）。信息隱藏的嵌入過程如圖12.1所示。

1．信息隱藏嵌入過程信息隱藏嵌入過程實際上就是一個數(shù)字化信號的變換過程，主要步驟包括：（1）對原始主信號（載體信息）作信號變換；（2）對原始主信號（載體信息）作感知分析；（3）在步驟（2）的基礎(chǔ)上，基于事先給定的關(guān)鍵字，在變換域上將簽字信號（秘密信息）嵌入主信號，得到帶有隱藏信息的主信號（隱蔽載體）。信息隱藏的嵌入過程如圖12.1所示。圖12.1信息隱藏的嵌入過程2．信息隱藏檢測過程信息隱藏檢測過程是嵌入過程的逆過程，是數(shù)字化信號的反向變換，主要步驟包括：（1）對原始主信號（載體信息）作感知分析；（2）在步驟（1）的基礎(chǔ)上，基于事先給定的關(guān)鍵字，在變換域上將原始主信號和可能帶有隱藏信息的主信號（隱蔽載體）作對比，判斷是否存在簽字信號（秘密信息）。信息隱藏的檢測過程如圖12.2所示。圖12.2信息隱藏的檢測過程12.2信息隱藏技術(shù)的分類及應(yīng)用領(lǐng)域12.2.1信息隱藏的分類信息隱藏技術(shù)有多種分類方法，常用的分類方法是根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域進行分類，另一種比較常用的分類方法是根據(jù)隱藏數(shù)據(jù)的嵌入方法進行分類。信息隱藏技術(shù)按照應(yīng)用領(lǐng)域可以劃分為版權(quán)保護、數(shù)據(jù)篡改驗證以及擴充數(shù)據(jù)的嵌入等，具體內(nèi)容在信息隱藏技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域部分已經(jīng)作了介紹。

信息隱藏技術(shù)按照嵌入方法的不同，可分為空域（SpatialDomain）信息嵌入方法和變換域（TransformationDomain）信息嵌入方法兩類，具體內(nèi)容如下：（1）空域信息嵌入方法。這類方法也被稱做時域信息嵌入方法，主要優(yōu)點是運算相對簡單，信息嵌入速度快，計算量小，對于主信號的幾何變換、數(shù)據(jù)壓縮等基本操作具有一定的抵抗能力，但總體上抗攻擊和抗破壞能力比較脆弱，對于信號濾波、加噪等操作的魯棒性較差。

（2）變換域信息嵌入方法。這類方法也被稱做頻率域、頻域信息嵌入方法，這類技術(shù)主要是通過修改主信號某些指定的頻域系數(shù)來嵌入數(shù)據(jù)的。常用頻率域包括傅立葉變換（FFT）域、離散余弦變換（DCT）域、離散小波變換（DWT）域等。信息隱藏技術(shù)一般選取信號中頻區(qū)域上的系數(shù)來嵌入簽字信號，從而使之既滿足不可感知性，又滿足對諸如失真壓縮等操作的魯棒性。其主要原因在于低頻分量包含了圖像的主要信息（如亮度），低頻區(qū)域系數(shù)的改動可能會影響到主信號的感知效果，而高頻系數(shù)容易被破壞，因此中頻信號更符合信息隱藏技術(shù)的要求。

空域和變換域信息嵌入方法都有各自的應(yīng)用前景，但變換域信息嵌入方法更具優(yōu)點，主要表現(xiàn)在：（1）在變換域中嵌入的信號能量可以分布到空域的所有像素上；（2）在變換域中，人的感知系統(tǒng)的某些掩蓋特性可以更方便地結(jié)合到編碼過程中；（3）變換域方法可以與圖像壓縮、視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)等兼容。12.2.2信息隱藏技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

1．版權(quán)保護（CopyrightProtection）到目前為止，信息隱藏技術(shù)的絕大部分研究成果都集中在版權(quán)保護這一領(lǐng)域中，相關(guān)成果已經(jīng)得到了應(yīng)用。信息隱藏技術(shù)在應(yīng)用于版權(quán)保護時，所嵌入的簽字信號通常被稱做“數(shù)字水印（DigitalWatermark）”。版權(quán)保護所需嵌入的數(shù)據(jù)量最小，但對簽字信號的安全性和魯棒性要求也最高，甚至是十分苛刻的。為了避免混淆，應(yīng)用于版權(quán)保護的信息隱藏技術(shù)一般稱做“魯棒型水印技術(shù)”，而所嵌入的簽字信號則相應(yīng)地稱做“魯棒型水?。≧obustWatermark）”，從而與下文將要提到的“脆弱型水印”區(qū)別開來。一般在版權(quán)保護領(lǐng)域所提到的“數(shù)字水印”則多指魯棒型水印。魯棒型數(shù)字水印用于確認(rèn)主信號的原作者或版權(quán)的合法擁有者，相關(guān)技術(shù)必須保證對原始版權(quán)的準(zhǔn)確無誤標(biāo)識。數(shù)字水印時刻面臨著用戶或侵權(quán)者無意或惡意的破壞，因此，魯棒型水印技術(shù)必須保證對主信號可能發(fā)生的各種失真變換和各種惡意攻擊都具備很高的抵抗能力。與此同時，信息隱藏技術(shù)要求保證原始信號的感知效果盡可能不被破壞，因此實際應(yīng)用中對魯棒型水印的不可見性也有很高的要求。如何設(shè)計一套完美的數(shù)字水印算法，并伴隨以制訂相應(yīng)的安全體系結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)，從而實現(xiàn)真正實用的版權(quán)保護方案，是信息隱藏技術(shù)最具挑戰(zhàn)性也極具吸引力的一個課題。目前，一些數(shù)字水印方法已經(jīng)在版權(quán)保護中得到應(yīng)用，但是尚無十分有效的魯棒水印算法。3．?dāng)U充數(shù)據(jù)的嵌入（AugmentationDataEmbedding）擴充數(shù)據(jù)包括對主信號的描述或參考信息、控制信息以及其他媒體信號等等。描述信息可以是特征定位信息、標(biāo)題或內(nèi)容注釋信息等，而控制信息的嵌入則可實現(xiàn)對主信號的存取控制和監(jiān)測。擴充數(shù)據(jù)可以是多種附屬描述信息，例如針對不同所有權(quán)級別的用戶存取權(quán)限信息，跟蹤某一特定內(nèi)容對象創(chuàng)建、行為以及被修改歷史的“時間戳（TimeStamp）”信息等。信息隱藏技術(shù)使得主信號無需在原信號上附加頭文件或歷史文件情況下附加擴充數(shù)據(jù)，記錄主信號對象的使用權(quán)限描述、歷史使用操作信息等，避免了擴充信息因為附加文件被改動或丟失造成的破壞，節(jié)省了傳輸帶寬和存儲空間。

擴充數(shù)據(jù)還可以實現(xiàn)在給定的主信號中嵌入其他完整而有意義的媒體信號，例如在給定視頻序列中嵌入另一視頻序列等。信息隱藏技術(shù)通過擴充數(shù)據(jù)嵌入為多媒體信息的個性化剪裁提供了可能，可以按照用戶需要提供不同的信息形式和內(nèi)容，這種應(yīng)用非常有意義，對用戶極具魅力。例如，在某一頻道內(nèi)收看電視，可以通過信息隱藏方法在所播放的同一個電視節(jié)目中嵌入更多的鏡頭以及多種語言伴音及字幕，使用戶能夠按照個人的喜好和指定的語言方式播放，這種方法在某種意義上實現(xiàn)了視頻點播（VideoOnDemand，VOD）的功能，而其最大的優(yōu)點在于減少了一般VOD服務(wù)所需的傳輸帶寬和存儲空間。12.3數(shù)字圖像水印技術(shù)12.3.1數(shù)字水印技術(shù)的基本原理數(shù)字水印技術(shù)的基本原理是通過一定的算法將一些標(biāo)志性信息直接嵌入到多媒體內(nèi)容中，但不影響原內(nèi)容的價值和使用，而且不會被人感知或注意。水印信息可以是作者的序列號、公司標(biāo)志、有特殊意義的文本、圖形、圖像標(biāo)記等。其作用是可用于識別文件、圖像或音樂制品的來源、版本原作者、擁有人、發(fā)行人以及合法適用人對數(shù)字產(chǎn)品的所有權(quán)。數(shù)字水印技術(shù)包含嵌入水印和提取水印兩個過程。下面給出通用意義下的數(shù)字水印嵌入和提取過程。

1．?dāng)?shù)字水印的嵌入過程首先來看水印的嵌入過程，所謂水印嵌入過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原始圖像下疊加一個水印信號，由于人的視覺系統(tǒng)分辨率受到一定的限制，只要疊加信號的幅度低于對比度門限，就無法感覺到信號的存在，對比度門限受視覺系統(tǒng)的空間、時間和頻率特性的影響。因此，通過對原始圖像做一定的調(diào)整，有可能在不改變視覺效果的情況下嵌入一些信息。設(shè)I為待嵌入水印的數(shù)字圖像，W為水印信號，I′為加入水印信號后的圖像，那么處理后的水印由函數(shù)f定義如下：I′=f(I,W)(12-1)圖12.3水印嵌入的一般過程

圖12.3中，圖像的預(yù)處理包含圖像為了保證水印嵌入算法的高效以及實用而采取的一系列變換，如圖像為了適應(yīng)人類視覺系統(tǒng)而進行的顏色模型的調(diào)整、時頻域轉(zhuǎn)換等。圖像恢復(fù)則是指在將水印信號嵌入原始圖像以后對原始圖像進行恢復(fù)顯示的過程，使得它轉(zhuǎn)換到我們通常所看到的時域信號，或者轉(zhuǎn)換到計算機所能進行一般處理的顏色模型中來。

在圖12.3中最關(guān)鍵的部分是水印嵌入，也就是水印嵌入函數(shù)f的作用。通常在水印嵌入的時候都是將水印信號轉(zhuǎn)換成二進制碼流嵌入到原始圖像中，如果二進制碼為0，則對原始圖像相應(yīng)像素位進行一定處理；如果二進制碼為1，則對原始圖像進行另外的處理，這樣做的目的是方便將來的提取過程。我們用式(11-2)來表示嵌入函數(shù)作用。其中I和W為經(jīng)過預(yù)處理以后的數(shù)據(jù)，函數(shù)B是取水印圖像的一位，P1和P2是分別對原始圖像的相應(yīng)像素位進行函數(shù)處理。(12.2)

2．?dāng)?shù)字水印的提取過程

單純水印嵌入的過程不是一個完整的數(shù)字水印處理過程，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)到保護版權(quán)、保護完整性的目的。下面來看一下水印的提取過程。與嵌入過程相似，水印提取過程也可以用式(11-3)來表示。I=f′(I′,W)其中f′為提取水印函數(shù)。(12.3

在對水印圖像提取水印信息以前需要先對水印圖像進行必要的預(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)用過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地提取出水印信息。目前水印算法研究的重點越來越趨向于盲水印。圖像水印提取的一般過程如圖12.4所示。圖12.4水印提取的一般過程

在圖12.4中最為主要的部分是水印提取函數(shù)，用式(11-4)來表示水印提取函數(shù)。

在檢測水印圖像的過程中，如果像素值符合P1(I)==True條件時，則相應(yīng)的水印信號二進制位為0，如果像素值符合P2(I)==True條件時，相應(yīng)的水印信號二進制位為1。經(jīng)過對二進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)或者圖像是否完整。(12.4)

圖像水印技術(shù)是目前數(shù)字水印技術(shù)研究的重點，相關(guān)文章非常多，而且也取得了非常多的成就，但大部分水印技術(shù)采用的原理基本相同。即在空/時域或頻域中選定一些系數(shù)并對其進行微小的隨機變動，改變的系數(shù)的數(shù)目遠(yuǎn)大于待嵌入的數(shù)據(jù)位數(shù)，這種冗余嵌入有助于提高魯棒性。實際上，許多圖像水印方法是相近的，只是在局部有差別或只是在水印信號設(shè)計、嵌入和提取的某個方面域有所差別。下面我們分空域和頻域兩個方面分別加以介紹，給出一些算法。11.3.2空域的圖像水印技術(shù)空域算法指的是實現(xiàn)數(shù)字水印嵌入和提取的過程全部在空域中完成，不需要進行頻率域的變換。最早提出的空域算法就是著名的LSB(LeastSignificantBits)方法，它是將水印信息安排在像素的最低位，也就是最不容易引起圖像有較大視覺變換的位置。作為幾個比較實用的軟件包之一的Stego就采用了改變圖像最低位信號實現(xiàn)圖像水印的目的。這樣的算法魯棒性不夠強，目前對于這種方法提出了很多改進算法，Lippman曾經(jīng)提出將水印信號隱藏在原始圖像的色度通道中。Bender曾經(jīng)提出了兩種方法，一種是基于統(tǒng)計學(xué)的“

patchwork”方法，另一種是紋理塊編碼方法。

空域水印算法以其簡潔、高效的特性而在水印研究領(lǐng)域占有一席之地，在過去的十幾年中，水印的空域算法也層出不窮。其經(jīng)典的LSB算法就是將水印信息放置在原始圖像中對于人類視覺最不敏感的地方。在空域中，通常選擇改變原始圖像中像素的最低位來實現(xiàn)水印的嵌入和提取。下面用一個具體的算法來說明。(1)嵌入過程把水印信號經(jīng)過顏色模型轉(zhuǎn)換后再轉(zhuǎn)化為二進制數(shù)據(jù)碼流；原始圖像同樣經(jīng)過顏色模型轉(zhuǎn)換后，再將其每個字節(jié)的高7位依次異或；最后再用原始圖像像素字節(jié)位異或結(jié)果與二進制數(shù)碼流異或后寫入其最低位。如圖11.5所示為基于LSB算法的水印嵌入過程。

圖12.5基于LSB算法的水印嵌入過程(2)提取過程把待提取的水印圖像（以下稱為水印圖像）經(jīng)過顏色模型轉(zhuǎn)換后每個字節(jié)8位依次異或，并保存其結(jié)果；再將其結(jié)果每8位組成一個字節(jié)；最后得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過顏色模型轉(zhuǎn)換后就得到水印圖像。如圖12.6為基于LSB算法的水印提取過程。圖12.6基于LSB算法的水印提取過程

例如，三個像素的原始數(shù)據(jù)為：（00100111，11101001，11001000），（00100111，11101000，11001001），（11001000，00100111，11101001）所存的水印數(shù)據(jù)為：010001011

嵌入過程計算：

將水印嵌入后，像素數(shù)據(jù)變?yōu)椋海?0100111，11101001，11001001），（00100111，11101000，11001000），（11001001，00100110，11101001）水印數(shù)據(jù)的提取過程：最后，提取出的水印數(shù)據(jù)為：01000101111.3.3頻域的圖像水印技術(shù)頻域算法與空域算法不同，指的是在嵌入或者提取水印的過程中，需要進行頻域的變換操作，這樣做的目的是增強水印算法的魯棒性，使得圖像在有損壓縮和濾波后仍能很好地提取出水印信息。NEC實驗室的COX等人提出的基于擴展頻譜的水印算法在數(shù)字水印算法中占有重要地位，這一算法提出了魯棒型水印算法的幾個重要原則：首先，水印信號應(yīng)該嵌入數(shù)據(jù)中對人的感覺最重要的部分。在頻率域中這個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)。其次水印信號應(yīng)該由具有高斯分布的隨機實數(shù)序列構(gòu)成。這樣會使水印經(jīng)受多拷貝聯(lián)合攻擊的能力大大增強。NEC的實現(xiàn)思想是：對整幅圖像做DCT（離散余弦變換）變換，選取除DC分量外的1000個最大的DCT系數(shù)插入由N(0,1)所產(chǎn)生的一個實數(shù)序列水印信號。

靜止圖像通用壓縮標(biāo)準(zhǔn)JPEG（JointPhotographicExpertsGroup，聯(lián)合圖像專家小組）的核心部分是DCT變換，它根據(jù)人眼的視覺特性把圖像信號從時域空間轉(zhuǎn)換到頻率域空間。由于低頻信號是圖像的實質(zhì)而高頻信號則是圖像的細(xì)節(jié)信息，因此，人眼對于細(xì)節(jié)信息即高頻信號部分的改變并不是很敏感，JPEG壓縮通過丟棄高頻部分來最大程度的滿足壓縮和人眼視覺的需要。這里針對JPEG壓縮標(biāo)準(zhǔn)提出根據(jù)DCT變換系數(shù)性質(zhì)來植入水印的算法。Cox等曾經(jīng)提出了魯棒型水印算法的重要原則：為了使水印強壯，水印信號應(yīng)該嵌入原始數(shù)據(jù)中對人的感覺最重要的部分，在頻率域空間中，這種重要部分就是低頻分量。因為攻擊者在破壞水印的過程中，將會不可避免地引起圖像質(zhì)量的嚴(yán)重下降，所以，一般的圖像處理技術(shù)也并不去改變這部分?jǐn)?shù)據(jù),這樣會使水印的魯棒性大大提高。但是此類魯棒算法在實現(xiàn)水印信息嵌入低頻系數(shù)的過程中卻破壞了圖像本身的質(zhì)量。而Turner也在其文章中提到將水印信息添加至圖像中最不重要的位置，顯然這樣的水印算法魯棒性不足，但是卻能夠保證圖像質(zhì)量最低限度的損失。綜合考慮這兩類算法的優(yōu)缺點，同時為了保證水印算法的魯棒性和在嵌入水印信息后保證圖像的質(zhì)量不會受到大的損壞的情況下，基于DCT域水印算法將水印信息添加至圖像的中頻系數(shù)中。

采用中頻系數(shù)的頻域DCT變換水印嵌入的過程，主要包括顏色模型轉(zhuǎn)換、頻域FDCT變換、中頻系數(shù)提取、水印信息嵌入、頻域IDCT反變換和顏色模型恢復(fù)幾個環(huán)節(jié)，具體嵌入過程如下：（1）圖像和水印信息圖像進行顏色模型轉(zhuǎn)換，從RGB顏色空間到Y(jié)UV顏色模型空間；然后將經(jīng)過顏色模型轉(zhuǎn)換后的圖像分成8×8的塊。（2）對每一個8×8圖像塊用濾波矩陣進行濾波實現(xiàn)FDCT（快速離散余弦變換）。離散余弦變換是將信號從空域轉(zhuǎn)換到頻域的一種方法。

（3）提取原始圖像的中頻系數(shù)，即將原始圖像的頻域系數(shù)經(jīng)過量化后自適應(yīng)選取中頻系數(shù)作為將來嵌入水印信息的載體位。同時選取水印信息圖像頻域系數(shù)的低頻和中頻部分，并將其轉(zhuǎn)換為二進制碼流，作為嵌入的對象。（4）將水印信息嵌入到原始圖像信息中，具體的嵌入過程是，先判斷水印信息二進制碼，如果其值為1，而且待嵌入水印系數(shù)比其下一個系數(shù)的值小，則交換這兩個系數(shù)的值；如果其值為0，而待嵌入水印系數(shù)比其下一個系數(shù)的值大，則交換這兩個系數(shù)。換句話說就是要保證嵌入1時，此系數(shù)大于下一個系數(shù)值，嵌入0時相反。

（5）最后對嵌入水印信息的原始圖像進行反離散余弦變換(IDCT)，再將其從YUV顏色模型空間轉(zhuǎn)換到RGB顏色空間，最終得到了嵌入水印后的圖像。頻域DCT變換中頻系數(shù)水印嵌入的具體算法流程如圖12.7所示。圖12.7嵌入水印過程圖12.8提取水印過程圖12.9基于DCT方法提取水印圖

(a)(b)圖12.10中心裁剪75%后提取水印圖圖12.11圖像旋轉(zhuǎn)后提取水印圖圖12.12

JPEG壓縮后提取水印圖圖12.13亮度、對比度調(diào)整后提取水印圖

數(shù)字水印尚未形成一個完善的技術(shù)體系，每個研究人員的介入角度各不相同，所以研究方法和設(shè)計策略也各不相同，但都是圍繞著實現(xiàn)數(shù)字水印的各種基本特性進行設(shè)計的。同時，隨著該技術(shù)的推廣和應(yīng)用的深入，逐步引入了其他領(lǐng)域的先進技術(shù)和算法，從而完備和充實了數(shù)據(jù)水印技術(shù)。例如在數(shù)字圖像處理中的小波變換、分形理論，圖像編碼中的各種壓縮算法等等。12.4數(shù)字文本水印技術(shù)12.4.1數(shù)字文本水印技術(shù)的一般原理現(xiàn)在的印刷品的電子化傳送可以通過在線數(shù)據(jù)庫、電子圖書館、CD-ROM等方式，這就使得版權(quán)的保護尤為重要。目前數(shù)字水印的研究大多數(shù)集中在圖像視頻和音頻方面文本數(shù)字水印的研究有限。

最原始的文檔，包括ASCII文本文件或計算機原碼文件，是不能被插入水印的，因為這種類型的文檔中不存在可插入標(biāo)記的可辨認(rèn)空間（PerceptualHeadroom）。然而，一些高級形式的文檔通常都是格式化的（如PostScript，PDF，RTF，WORD，WPS），并且對于這些類型的文檔可以將一個水印藏入版面布局信息（如字間距或行間距）或格式化編排中。可以將某種變化定義為1，不變化定義為0，這樣嵌入的數(shù)字水印信號就是具有某種分布形式的偽隨機序列。

一個英文文本文件一般由單詞、行和段落等有規(guī)律的結(jié)構(gòu)組合而成，對其作一些細(xì)微的改動是難以察覺的。這種方式既可以修改文檔的圖像表示，也可以修改文檔格式文件。后者是一個包含文檔內(nèi)容及其格式的文件，基于此可以產(chǎn)生出可供閱讀的文字（圖像）。而圖像表示則是將一個文本頁面數(shù)字化為二值圖像，其結(jié)果是一個二維數(shù)組：f(x,y)=0或1x=0,1,……,W;y=0,1,…..,L

其中,f(x,y)表示在坐標(biāo)(x,y)處的像素強度；W和L的取值取決于掃描解析度，分別表示一頁的寬度和長度。(12.5)輪廓是文本圖像的一維投影，單個文本行的水平輪廓表示為其中,t和b分別是圖像中處于該文本行最上方和最下方的像素行坐標(biāo)。采用這種方法可以只修改第2、4、6、…行，而使第1、3、5，…行保持不變。這種方法能夠抵御在傳輸過程中出現(xiàn)的意外或故意的圖像損壞。(12.6)

數(shù)據(jù)隱藏需要一個編碼器和一個解碼器。如圖12.14所示，編碼器的輸入是原始文件，輸出是加了標(biāo)記的文件。首先對原始文檔進行預(yù)處理，將所得到的圖像頁按照從碼本中選取的碼字進行修改。編碼器的輸出即為修改過的文件并被分送出去。解碼器輸入修改過的文件，輸出其中所嵌入的數(shù)據(jù)信息,圖12.15表示解碼過程。圖12.14編碼器的結(jié)構(gòu)圖12.15解碼器的結(jié)構(gòu)11.4.2行移編碼行移編碼技術(shù)既可以用于文本文檔也可以用于文件格式，它是通過垂直移動文本行的位置來實現(xiàn)的。經(jīng)驗告訴我們當(dāng)垂直位移量等于或小于1/300英寸時，肉眼無法辨認(rèn)出。給文檔預(yù)分配的碼字規(guī)定了文檔中的哪些文本行將被移動?？梢砸?guī)定行上移表示“0”，下移表示“1”。當(dāng)然也可以規(guī)定上移表示“1”，下移表示“-1”，不動表示0。該技術(shù)采用了差分編碼技術(shù)以獲得好的不可檢測性和魯棒性。同每行均可移動的方法相比較，可被隱藏的每個碼字的長度減少了，但這個數(shù)字還是相當(dāng)大的，足以夠用。如一頁有40行，則每頁會有220=1048576個不同的碼字。

根據(jù)要嵌入文件中標(biāo)記的內(nèi)容，編碼器將文本行上移或下移。解碼器測量文檔文件中相鄰行的行間距，這可以用以下方法來實現(xiàn)：解碼器測量相鄰行的基準(zhǔn)線之間的距離或重心之間的距離?；鶞?zhǔn)線是一行中所有字符被放置的邏輯線，而重心則是具體文本行的點陣質(zhì)量重心。

假定第i-1行和i+1行未被移動而將第i行上移或下移，在未改動的文檔文件中相鄰行的基準(zhǔn)線之間距為常數(shù)，令Si-1和Si分別是基線i-1和i之間基線i+1和i之間的距離，采用的檢測準(zhǔn)則算法如Si-1>Si，則第i行下移；Si-1<Si，則第i行下移，其它情況不定。同基線調(diào)距方法不同的是，重心調(diào)距方法不要求間距一致。重心間距的測量基于原始文檔中的間距與修改后文檔中重心間距的差異?？梢杂孟铝泄絹碛嬎阒行奈恢茫海?2-7）其中,i=1、2、…、N，為當(dāng)前行號，N為一頁中的行數(shù)，ti和bi表示第i行的頂和底。N為計算被選中像素點數(shù)目的函數(shù)，即f(k,j)=1,k=0,…,W;下一步計算第i-1行和i行之間、第i行和i+1行之間的距離，令其為Si-1和Si。類似地可以作下面的判斷：如Si-1-ti-1>Si-ti，則第i行上移，否則，第i行下移。圖12.16表示了采用行移編碼文檔的一部分。圖12.16行移編碼11.4.3字移編碼字移編碼技術(shù)通過使文本行內(nèi)字符發(fā)生平移來嵌入特定標(biāo)記。采用這種方式時，相鄰字之間的距離各不相同。經(jīng)驗告訴我們，人眼無法辨認(rèn)1/150英寸以內(nèi)的單詞的水平位移量。其實在文檔對齊處理時經(jīng)常采用調(diào)整空格的方法來改變字符間隔（如文本的排序）。因為作了變間隔處理，解碼器需要掌握原始文檔或關(guān)于原始文檔字間隔的說明。編碼器首先要觀察文本行是否有足夠的字?jǐn)?shù)用于編碼，過短的行不被采用，然后用差分編碼方法對所選定的行進行編碼。自左邊起第2、4、6、…等位置上的字被移動，但行首字和行尾字不移動用來保持整頁中的列向?qū)R。最后將經(jīng)字位移處理后的文檔分發(fā)出去。

解碼器需要原始文檔的有關(guān)信息，不能實現(xiàn)盲檢，只有那些擁有最初文檔的組織或其代理人可以讀到隱藏信息。我們需要知道每個字的起始位置或重心位置。假設(shè)第i個字被移動了位置，其自身和相鄰兩字的重心分別為ci-1，ci和ci+1，移動后的重心位置分別是ci-1′，ci′和ci-1′，則計算公式為：(12.8)(12.9)然后再用下面的方法來決定第i個字是被左移還是右移。若，則第i個字節(jié)被左移。若，則第i個字節(jié)被右移。圖12.17字移編碼12.4.4特征編碼特征編碼是一種通過改變某個字母的某一特征來插入標(biāo)記的技術(shù)。字母特征改變可能是其高度等屬性特征。同樣，特征編碼也會保留一些字母特征不作改變以幫助解碼。例如，使用字母高度進行特征編碼的文本水印處理中，水印檢測算法會將那些被認(rèn)為發(fā)生變化的字母與該頁中沒有變化的相同字母的高度進行比較，得到水印結(jié)果。11.4.5編碼方式的綜合運用以上方法可以綜合運用，這樣的編碼方式可以增加魯棒性，在破壞嚴(yán)重的情況下，仍可以檢測到水印。在一個文檔被處理的過程中，水平與豎直方向可能會受到不同程度的破壞。對同一行同時使用行移和字移進行編碼，可以結(jié)合控制行與被標(biāo)記行來估計出水平與豎直輪廓哪一個破壞較小，從而決定進行行移檢測還是字移檢測。11.5.1最不重要位（LSB）方法

最不重要位（LSB）方法是將秘密數(shù)據(jù)嵌入到載體數(shù)據(jù)中去的最簡單的一種方法，它是在空域中隱藏數(shù)據(jù)。任何的秘密數(shù)據(jù)都可以看作是一串二進制位流，而音頻文件的每一個采樣數(shù)據(jù)也是用二進制數(shù)來表示。這樣，我們可以將部分采樣值的最不重要位用代表秘密數(shù)據(jù)的二進制位替換掉，達(dá)到在音頻信號中編碼加入秘密數(shù)據(jù)的目的。為了加大對秘密數(shù)據(jù)攻擊的難度，可以用一段偽隨機序列來控制嵌入秘密二進制位的位置。下面我們具體講一講水印的嵌入和提取過程：12.5數(shù)字語音水印技術(shù)

（1）以二進制數(shù)的形式讀取載體音頻數(shù)據(jù)，得到原始信號；（2）將秘密數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為二進制位流的形式，并計算秘密數(shù)據(jù)位的總數(shù)；（3）將（2）中得到的數(shù)據(jù)流作置亂變換，得到待隱藏的數(shù)據(jù)流；（4）將秘密數(shù)據(jù)位的總數(shù)首先嵌入到載體文件中；（5）將原始數(shù)據(jù)的最低位用秘密數(shù)據(jù)位替代；（6）循環(huán)操作第（5）步，直至秘密信息全部被嵌入。

音頻數(shù)字水印的LSB方法水印提取過程主要步驟如下：（1）首先提出秘密數(shù)據(jù)位的總數(shù)；（2）提取水印信息的數(shù)據(jù)位；（3）循環(huán)操作（2），直至所有的秘密二進制位全部被提取出來；（4）根據(jù)嵌入過程使用的置亂變換，采取逆變換，得到我們所需要的數(shù)據(jù)水印信息。

為了提高魯棒性，我們也可以將秘密數(shù)據(jù)位嵌入到載體數(shù)據(jù)的較高位，但這樣帶來的結(jié)果是大大降低了數(shù)據(jù)隱藏的隱蔽性。當(dāng)然，在變化域進行數(shù)字水印的嵌入能獲得很強的魯棒性。下面介紹小波變換的方法。12.5.2小波變換方法小波變換是一種新的時頻分析方法，隨著新一代視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)MPEG－4的推出，小波水印技術(shù)日益受到重視。小波變換與傳統(tǒng)的頻域方法相比具有很多優(yōu)勢，變換算法在頻域和時域同時具有良好的局部化特征，小波變換支持多分辨率分析與人眼視覺特性相匹配。小波水印可以將水印嵌入中頻的不同子帶中，形成的算法魯棒性強，在經(jīng)歷各種處理和攻擊后，如加噪、濾波、重采樣、剪切、有損壓縮和幾何變形等，仍可以保持很高的可靠性。在嵌入時對語音信號序列按下式進行Harr小波分解：(12.10)(12.11)其中，h1=0.7071，0.7071，h0=-0.7071，0.7071。(12.12)圖12.18小波域音頻水印的嵌入方案圖12.19小波域音頻水印的提取方案12.6數(shù)字視頻水印技術(shù)12.6.1數(shù)字視頻水印技術(shù)的一般原理視頻水印研究是當(dāng)前數(shù)字水印技術(shù)研究方向中的一個熱點和難點，熱點在于大量消費類數(shù)字視頻產(chǎn)品的推出，如VCD、DVD，使得以數(shù)字水印為重要組成部分的數(shù)字產(chǎn)品版權(quán)保護更加迫切。難點是由于雖然數(shù)字水印技術(shù)近幾年得到長足發(fā)展，但方向主要是集中于靜止圖像的水印技術(shù)。然而在視頻水印的研究方面，由于包括時間域掩蔽效應(yīng)等特性在內(nèi)的更為精確的人眼視覺模型尚未完全建立，使得視頻水印技術(shù)相對于圖像水印技術(shù)發(fā)展滯后，同時現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)視頻編碼格式又造成了水印技術(shù)引入上的局限性。另一方面，由于一些針對視頻水印的特殊攻擊形式(如幀重組,幀間組合等)的出現(xiàn)，為視頻水印提出了一些區(qū)別于靜止圖像水印的獨特要求。主要有以下幾個方面：（1）實時處理性水印嵌入和提取應(yīng)該具有低復(fù)雜度。（2）隨機檢測性可以在視頻的任何位置、在短時間內(nèi)（不超過幾秒種）檢測出水印。

（3）與視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合相對于其它的多媒體數(shù)據(jù)，視頻數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量極大，在存儲、傳輸中通常先要對其進行壓縮，現(xiàn)在最常用到的標(biāo)準(zhǔn)是一組由國際電信聯(lián)盟和國際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定并發(fā)布的音、視頻數(shù)據(jù)的壓縮標(biāo)準(zhǔn)(MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4)。如果我們在壓縮視頻中嵌入水印，很顯然應(yīng)該與壓縮標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合；但如果是在原始視頻中嵌入水印，我們知道水印的嵌入是利用視頻的冗余數(shù)據(jù)來攜帶信息的，而視頻的編碼技術(shù)則是盡可能的除去視頻中的冗余數(shù)據(jù)，如果不考慮視頻的壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)而盲目地嵌入水印，則嵌入的水印很可能在編碼的過程中丟失。

（4）盲水印方案若檢測時需要原始信號，則此水印被稱為非盲水印，否則稱為盲水印（BlindWatermark）。由于視頻數(shù)據(jù)量巨大，采用非盲水印技術(shù)是不現(xiàn)實的。因此，除了極少數(shù)方案外，目前主要研究的是盲視頻水印技術(shù)。通過分析現(xiàn)有的數(shù)字視頻編解碼系統(tǒng)，可以將目前的視頻水印分類為以下幾類視頻水印的嵌入與提取方案，如圖12.20所示。圖12.20視頻水印嵌入和提取方案

視頻水印嵌入方案一：水印直接嵌入在原始視頻流中。此類方案的優(yōu)點是：水印嵌入的方法比較多，原則上數(shù)字圖像水印方案均可以應(yīng)用于此。缺點是：會增加視頻碼流的數(shù)據(jù)比特率；經(jīng)MPEG-2壓縮后會丟失水印；降低視頻質(zhì)量；對于已壓縮的視頻，需先進行解碼，然后嵌入水印后，再重新編碼。

視頻水印嵌入方案二：水印嵌入在編碼階段的離散余弦變換（DCT）域中的量化系數(shù)中。此類方案的優(yōu)點是：水印僅嵌入在DCT系數(shù)中，不會增加視頻流的數(shù)據(jù)比特率；易設(shè)計出抗多種攻擊的水印。缺點是會降低視頻的質(zhì)量，因為一般它也有一個解碼、嵌入、再編碼的過程。視頻水印嵌入方案三：水印直接嵌入在MPEG-2壓縮比特流中。此類方案的優(yōu)點是沒有解碼和再編碼的過程，因而不會造成視頻質(zhì)量的下降，同時計算復(fù)雜度低。缺點是由于壓縮比特率的限制而限定了嵌入水印的數(shù)據(jù)量的大小。11.6.2原始視頻水印原始視頻水印是指直接對未壓縮的視頻數(shù)據(jù)進行處理，與視頻編碼格式無關(guān)。因此，可以分為兩種情況：可以直接獲得原始視頻流數(shù)據(jù)，此時，在原始的視頻流中完成水印的嵌入或提取，這時的處理比較簡單；只能得到編碼的視頻流數(shù)據(jù)，此時，首先對編碼視頻進行解碼，然后再嵌入或提取水印，在水印處理之后，如果有必要再重新壓縮，這時的處理相對復(fù)雜。

按照水印嵌入和提取之前是否對宿主信號進行某種變換，原始視頻水印又可分為空域水印和頻域水印兩種方法。前者直接在原始視頻數(shù)據(jù)中嵌入水印，后者對原始視頻數(shù)據(jù)進行某種變換，如DCT，然后進行水印的嵌入和提取處理?？沼蛩∈侵钢苯釉谠家曨l數(shù)據(jù)中嵌入水印，嵌入的水印信號一般是添加在亮度分量上，有時也有一部分被加入到顏色分量中，或全部加入到顏色分量中。其優(yōu)點是思想簡單、復(fù)雜度低，缺點也是明顯的，在魯棒性和不可感知性方面的性能較差?？沼蛩〉囊粋€簡單的實現(xiàn)，是直接利用各種最低有效位方法，在原始視頻中嵌入水印。

直接在原始像素值上進行水印嵌入和提取，主要目的是為了降低水印處理的復(fù)雜度，然而隨著處理器速度的不斷提高，在頻域中進行水印嵌入和提取已經(jīng)成為最為常見的方法。

Swanson等提出采用三維小波變換的水印方案。小波變換是用多個分辨率表示信號的一個有力工具。小波分解的多分辨率特性在空域、頻域提供了信號的局部特定信息，可以用于信號的分析和處理。利用小波技術(shù)的數(shù)字水印方案，是近幾年來的一個研究熱點。Swanson將視頻序列看成三維信號，并將視頻序列分為場景，這樣水印處理就能夠考慮時域冗余。視頻序列中視覺上類似的區(qū)域，即來自同一個場景的幀，必須嵌入一個一致的水印。小波變換的多分辨率特性，使得水印存在于多個時域分級。水印嵌入時，利