（電路與系統(tǒng)專業(yè)論文）變換域數(shù)字圖像水印算法研究.pdf

摘要 近年來(lái) 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 對(duì)數(shù)字產(chǎn)品版權(quán)保護(hù)的需求也日益迫切 數(shù)字水印技術(shù)就是在這 樣一個(gè)背景下作為一種多媒體數(shù)據(jù)的版權(quán)保護(hù)和內(nèi)容認(rèn)證的新技術(shù) 得到了廣泛的研究和應(yīng)用 數(shù)字水印技術(shù)通過(guò)在原始數(shù)據(jù)中嵌入特定 的秘密信息 數(shù)字水印來(lái)證實(shí)數(shù)據(jù)的完整性或創(chuàng)作者對(duì)該數(shù)據(jù)的 所有權(quán) 以此來(lái)抵制非法人員對(duì)數(shù)字作品進(jìn)行盜版或惡意篡改等 數(shù) 字圖像水印算法是目前數(shù)字水印技術(shù)研究的一個(gè)重要方面 具有極大 的理論研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用前景 是目前學(xué)術(shù)研究的一個(gè)熱點(diǎn) 數(shù)字圖像 水印算法種類繁多 本文主要研究的是變換域的數(shù)字圖像盲水印算 法 本文首先簡(jiǎn)要的介紹了數(shù)字水印的研究背景 發(fā)展現(xiàn)狀及其主要 應(yīng)用領(lǐng)域 給出了數(shù)字水印技術(shù)的概念與分類 基本框架 技術(shù)特征 常見(jiàn)攻擊方式及性能評(píng)估方案 其次 簡(jiǎn)單介紹了幾種常用的數(shù)字水 印預(yù)處理的圖像置亂方法 并通過(guò)實(shí)驗(yàn)給予驗(yàn)證 接下來(lái)給出了兩種 變換域的數(shù)字圖像盲水印算法 一種是基于混沌置亂的d c t 域灰度 級(jí)數(shù)字圖像盲水印算法 另一種是基于超混沌和人類視覺(jué)系統(tǒng)的小波 域數(shù)字圖像盲水印算法 并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了算法的有效性 同時(shí) 為 了提高水印的保密性和提取出的水印的視覺(jué)效果 算法還利用了混 沌 超混沌對(duì)原始水印信號(hào)進(jìn)行了置亂處理 此外 為了在加強(qiáng)保密 性的同時(shí)兼顧水印的不可覺(jué)察性和魯棒性 在基于小波域的數(shù)字水印 i 算法中還充分考慮了人類視覺(jué)系統(tǒng)的特性 做到了自適應(yīng)的選擇水印 的嵌入位置 最后 對(duì)全文的工作進(jìn)行了全面的總結(jié) 并對(duì)下一步的 研究工作提出了自己的看法 關(guān)鍵詞 數(shù)字水印 離散余弦變換 離散小波變換 圖像置亂 盲提 取 人類視覺(jué)系統(tǒng) a b s t r a c t w i t ht h er a p i dg r o w t ho fi n t e r n e tt e c h n o l o g i e sa 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 t h ee n f o r c e m e n to fm u l t i m e d i ac o p y r i g h tp r o t e c t i o n b e c o m e sa ni m p o r t a n ti s s u e i nt h es i t u a t i o n d i g i t a lw a t e r m a r k i n gi s w i d e l ys t u d i e da n du s e da san e wt e c h n o l o g yf o rc o p y r i g h tp r o t e c t i o na n d c o n t e n ta u t h e n t i c a t i o ni nr e c e n ty e a r s i te m b e d ss o m es e c r e tm e s s a g e s i n t ot h em u l t i m e d i at op r o t e c tt h ep r o p e r t yo ri n t e g r a l i t ys ot h a td i g i t a l p r o d u c e sc a nr e s i s tb e i n gc o p i e d t a m p e r e da n ds oo n d i g i t a li m a g e w a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m i sai m p o r t a n tp a r to ft h ei n v e s t i g a t i o nh o t p o t si n t h ed i g i t a lw a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g y a m o n gt h ev a r i o u sc l a s s i f i c a t i o n so f w a t e r m a r k i n g t r a n s f o r md o m a i ni m a g ew a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g y i s m a i n l ys t u d i e di nt h i sp a p e r f i r s t ar e c a p i t u l a t i v e i n t r o d u c t i o ni sm a d ei nt h i sp a p e r w h i c h i n c l u d e st h eb a s i ct h e o r e t i c k n o w l e d g e o f d i g i t a lw a t e r m a r k i n g t e c h n o l o g ys u c ha sb a c k g r o u n d d e v e l o p m e n ts i t u a t i o n m a i na p p l i c a t i o n f i e l d c o n c e p t s o r t b a s i cp r i n c i p l e c h a r a c t e r i s t i c s c o m m o na t t a c k i n g m e t h o d s a s s e s s m e n tp r o g r a m m ea n ds oo n s e c o n d s e v e r a lc o m m o n a l g o r i t h m sa b o u ti m a g ew a t e r m a r k i n ge n c r y p t i n gi si n t r o d u c e da n d b e e n p r o v e dt h r o u g ht h ee x p e r i m e n t t h e nt w ok i n d so fd i g i t a lw a t e r m a r k i n g a l g o r i t h m a r ep r o p o s e d o n ei sag r a y s c a l eb l i n dw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m i nd c td o m a i nb a s e do nc h a o sp e r m u t a t i o n t h eo t h e ri s ab li n d w a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mi n d w td o m a i nb a s e do nh y p e rc h a o sa n d h u m a nv i s u a ls y s t e m t oi m p r o v et h es e c u r i t ya n dv i s u a le f f e c t c h a o s a n dh y p e rc h a o si su s e dt os c r a m b l et h ew a t e r m a r k i n gs i g n a l i nt h es a m e t i m e t oi m p r o v et h ei n v i s i b i l i t ya n dr o b u s t n e s s h u m a nv i s u a ls y s t e mi s u s e dt os e l e c tt h ea p p r o p r i a t ep o s i t i o nt oe m b e dt h ew a t e r m a r k i n gs i g n a l a d a p t i v e l y f i n a l l y c o n c l u s i o n sa b o u tt h i sp a p e ra r em a d ea n ds e v e r a l o p i n i o n sa b o u tt h ef u r t h e rr e s e a r c hi sp r o p o s e d k e yw o r d s d i g i t a lw a t e r m a r k i n g d c t d w t i m a g ep e r m u t a t i o n b l i n d e x t r a c t i n g h v s i v 湖南師范大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明 所呈交的學(xué)位論文 是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下 獨(dú) 立進(jìn)行研究工作所取得的成果 除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外 本論 文不含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)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)明 本人 完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān) 學(xué)位論文作者簽名 趑扣 口紗年名月 日 湖南師范大學(xué)學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū) 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留 使用學(xué)位論文的規(guī)定 研究生在校攻讀學(xué)位期間論文工作的知識(shí)產(chǎn)權(quán)單位屬湖南師范大學(xué) 同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版 允許論文被查閱和借閱 本人授權(quán)湖南師范大學(xué)可以將本學(xué)位論文的 全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索 可以采用影印 縮印或掃 描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文 本學(xué)位論文屬于 1 保密口 在 年解密后適用本授權(quán)書(shū) 2 不保密匭 請(qǐng)?jiān)谝陨舷鄳?yīng)方框內(nèi)打 作者簽名 1 起趙 日期 乃口g 年6 月 弓 日 導(dǎo)師簽名 紗攄 日期 銣驢年石月 日 變換域數(shù)字圖像水印算法研究 第1 章緒論 1 1 數(shù)字水印的研究背景 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)字作品如圖 像 文本 視頻 音頻等紛紛以網(wǎng)絡(luò)形式發(fā)表 這從很大程度上改變 了人們的生活面貌 促進(jìn)了社會(huì)的發(fā)展 并為多媒體信息的存儲(chǔ)和傳 播提供了極大的便利 與傳統(tǒng)的模擬作品相比 數(shù)字作品具有很大的 優(yōu)越性 人們可以方便地利用數(shù)字設(shè)備制作 處理和存儲(chǔ)各種形式的 多媒體數(shù)字作品 然而數(shù)字作品的便利性和不安全性是同時(shí)存在的 它可以低成本 高速度地被復(fù)制和傳播 而且某些數(shù)字作品如歌曲 電影等的拷貝過(guò)程完全不損失作品的質(zhì)量 數(shù)字媒體很容易借助 i n t e m e t 或c d r o m 被復(fù)制 處理 傳播和公開(kāi) 數(shù)字作品面臨著 易被非法侵權(quán)盜版和惡意篡改的嚴(yán)峻挑戰(zhàn) 這必將嚴(yán)重阻礙信息產(chǎn)業(yè) 的健康發(fā)展 在數(shù)字產(chǎn)品領(lǐng)域里迫切需要新的技術(shù)出現(xiàn) 以保證數(shù)字 產(chǎn)品的知識(shí)版權(quán)問(wèn)題 因此 如何既充分利用互聯(lián)網(wǎng)的便利 又能實(shí) 施有效的版權(quán)保護(hù)和信息安全手段 就成為一個(gè)迫在眉睫的現(xiàn)實(shí)問(wèn) 題 并引起了國(guó)際學(xué)術(shù)界 企業(yè)界以及政府部門(mén)的廣泛關(guān)注 h 1 其 中 如何防止數(shù)字產(chǎn)品被侵權(quán) 盜版和隨意篡改 已經(jīng)成為世晃各國(guó) 待解決的熱門(mén)話題 5 1 最初 人們首先想到的是采用密碼技術(shù)來(lái)解決這 問(wèn)題 密碼技 術(shù)是信息安全技術(shù)領(lǐng)域的主要傳統(tǒng)技術(shù)之一 現(xiàn)有的數(shù)字內(nèi)容的保護(hù) 碩十學(xué)位論文 多采用加密的方法來(lái)完成 即首先將多媒體數(shù)據(jù)文件進(jìn)行的特殊的編 碼 形成旁人不可識(shí)別的密文后再發(fā)布 使得其在傳遞的過(guò)程中出現(xiàn) 的非法攻擊者無(wú)法從密文中獲取機(jī)密信息 從而達(dá)到版權(quán)保護(hù)和信息 安全的目的 但這并不能完全解決問(wèn)題 一方面加密后的文件因其不 可理解性而妨礙多媒體信息的傳播 另一方面多媒體信息經(jīng)過(guò)加密后 容易引起攻擊者的好奇和注意 隨著電腦軟硬件技術(shù)的迅速發(fā)展以及 基于網(wǎng)絡(luò)的具有并行計(jì)算能力的破解技術(shù)的日漸成熟 加密信息有被 破解的可能性 而且當(dāng)信息被接收并進(jìn)行解密后 所有加密的信息就 完全失去了保護(hù) 無(wú)法得到版權(quán)認(rèn)證 另外 即使加密信息破解失敗 非法攻擊者仍然可能直接將密文破壞 使得即使是合法的接收者也無(wú) 法獲取有用的信息 換言之 密碼學(xué)只能保護(hù)傳輸中的內(nèi)容 而內(nèi)容 一旦解密就不再有保護(hù)作用了 因此 一種替代技術(shù)或是對(duì)密碼學(xué)進(jìn) 行補(bǔ)充的技術(shù)就顯得十分必要 它應(yīng)該 甚至在內(nèi)容被解密后也能夠 繼續(xù)保護(hù)內(nèi)容 數(shù)字水印技術(shù) d i g i t a lw a t e r m a r k i n g 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) 是信息隱藏技術(shù)研究領(lǐng)域的一個(gè)重要分支 數(shù)字水印技術(shù)利 用人類本身的視覺(jué)系統(tǒng)特性 h v s 或聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)特性 h a s 以及數(shù)字多 媒體作品具有很大的冗余性的特點(diǎn) 在不引起人感知的情況下采用數(shù) 字嵌入的方法將水印信息嵌入到多媒體載體中 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)無(wú)需占用額 外帶寬 水印的透明性保證了人們從表面上無(wú)法判斷水印的存在或水 交換域數(shù)字圖像水印算法研究 印嵌入的具體位置 只有通過(guò)專門(mén)的檢測(cè)器才能從掩蔽載體中恢復(fù)或 檢測(cè)到數(shù)字水印信息 而水印的魯棒性使得水印能抵抗各種常見(jiàn)的處 理操作 具有較好的抗攻擊能力 因而能起到版權(quán)認(rèn)證的作用 1 2 數(shù)字水印的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀 數(shù)字水印的提出最早是在2 0 世紀(jì)9 0 年代 但是 通過(guò)向藝術(shù)作 品中嵌入標(biāo)識(shí)碼以證明所有權(quán)的技術(shù)思想?yún)s可以追溯到1 9 5 4 年 1 9 5 4 年 美國(guó)m u z a c 公司的埃米利 希姆布魯克申請(qǐng)的一項(xiàng)關(guān)于將 標(biāo)識(shí)碼透明地嵌入到音樂(lè)作品中以證明其所有權(quán)的專利 i d e n t i f i c a t i o no f s o u n d a n dl i k es i g n a l s 6 1 這是迄今為止所知道的 最早的的電子水印 e l e c t r o n i cw a t e r m a r k i n g 技術(shù) 然而 數(shù)字水印技 術(shù)真正受到實(shí)質(zhì)性的關(guān)注還是在2 0 世紀(jì)9 0 年代以后 早期的數(shù)字水 印技術(shù)都是針對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行研究的 關(guān)于該技術(shù)的論述首見(jiàn)于 t i r k e l 等人在1 9 9 3 年撰寫(xiě)的 e l e c t r o n i cw a t e rm a r k 一文 7 j 該文首 次使用了 w a t e rm a r k 這一術(shù)語(yǔ) 這標(biāo)志著數(shù)字水印技術(shù)作為一門(mén) 正式研究學(xué)科的誕生 后來(lái)二詞合二為一就成為 w a t e r m a r k 而現(xiàn) 在一般都使用 d i g i t a lw a t e r m a r k i n g 一詞來(lái)表示 數(shù)字水印 現(xiàn)在 我們所說(shuō)的 水印 一般都是指 數(shù)字水印 在其隨后發(fā)表的一篇 題為 ad i g i t a lw a t e r m a r k 8 1 的文章中 針對(duì)灰度圖像提出了兩種向 圖像最低有效位 l s b l e a s ts i g n i f i c a n tb i t 中添加水印的方案 折 中最低有效位的方法簡(jiǎn)單易行 但水印穩(wěn)健性差 即使是常見(jiàn)的處理 操作后 水印也無(wú)法正確提取 為了提高水印的穩(wěn)健性 1 9 9 5 年c o x 等人 9 提出了一種基于擴(kuò)頻通信的水印算法 將水印嵌入到圖像感知 碩十學(xué)位論文 上最重要的頻域因子中 算法的魯棒性得到了很大的提高 c o x 的方 案已經(jīng)成為數(shù)字水印中一個(gè)比較經(jīng)典的方案 但其水印的提取必須要 有原始圖像的參與 即它不是盲水印方案 1 9 9 6 年 p i t a s 等人提出 了另一種空域中的數(shù)字水印方案 1 0 1 由于該方案提取水印時(shí)不需要原 始作品的參與 因此成為了盲水印方案的典型 1 9 9 6 年5 月 第一屆信息隱藏國(guó)際學(xué)術(shù)研討會(huì)在英國(guó)劍橋牛頓 研究所召開(kāi) 大大推動(dòng)了數(shù)字水印的研究 許多大學(xué) 科研機(jī)構(gòu)和公 司企業(yè)紛紛開(kāi)展了這方面的研究 越來(lái)越多的數(shù)字水印方案不斷被提 出 同時(shí)對(duì)數(shù)字水印的攻擊方法也不斷被發(fā)現(xiàn) 此后第二屆 第三屆 信息隱藏國(guó)際研討會(huì)又分別與1 9 9 8 年 1 9 9 9 年在波蘭和德國(guó)召開(kāi) 其他一些重要國(guó)際會(huì)議如i e e e 和s p i e 等也都有了關(guān)于信息隱藏和 數(shù)字水印技術(shù)的專題 我國(guó)也先后于1 9 9 9 年和2 0 0 0 年召開(kāi)了我國(guó)第 一屆信息安全隱藏學(xué)術(shù)研究會(huì) c i h w p j 及第一屆數(shù)字水印技術(shù)研討 會(huì) c i h w 研討活動(dòng)至今已成功舉行了五屆全國(guó)會(huì)議 同時(shí) 國(guó)家多 項(xiàng)科研發(fā)展計(jì)劃以及自然科學(xué)基金都為數(shù)字水印的研究項(xiàng)目提供資 金支持 國(guó)家8 6 3 計(jì)劃智能計(jì)算機(jī)專家組會(huì)同中科院自動(dòng)化模式識(shí)別 國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和北京郵電大學(xué)信息安全實(shí)驗(yàn)室還召開(kāi)了專門(mén)的 數(shù) 字水印學(xué)術(shù)研討會(huì) 1 1 1 2 2 0 世紀(jì)9 0 年代末期一些公司開(kāi)始正式地銷(xiāo)售水印產(chǎn)品 在圖像 水印方面 美國(guó)的d i g i m a r c 公司率先推出了第一個(gè)上用數(shù)字水印軟 件 而后又以插件形式將該軟件集成到a d o b e 公司的p h o t o s h o p 和 c o r e ld r a w 圖像處理軟件中 a l p v i s i o n 公司推出的l a v e l l t 軟件可以 變換域數(shù)字圖像水印篩法研究 將若干字符隱藏到任何掃描的圖片中 這些字符標(biāo)記可以作為原始文 件出處的證明 也就是說(shuō) 任何用于w o r d 文檔 出版物 電子郵件 或者網(wǎng)頁(yè)的電子圖片都可以借助于隱藏標(biāo)記知道它的原始出處 a l p v i s i o n 公司同時(shí)還推出了專為打印文檔設(shè)計(jì)的安全產(chǎn)品 s a f e p a p e r 它將水印信息隱藏到紙的背面 以此來(lái)證明該文檔的真?zhèn)?它可以作為文件 如醫(yī)療處方 法律文書(shū) 契約等 是否為指定的公 司或組織所打印的證明 同時(shí) 還可以將一些重要或秘密的信息 如 商標(biāo) 專利 名字 金額等隱藏到數(shù)字水印中 歐洲電子產(chǎn)業(yè)界和有 關(guān)大學(xué)協(xié)作開(kāi)發(fā)了采用數(shù)字水印技術(shù)來(lái)監(jiān)視復(fù)制音像軟件的監(jiān)視系 統(tǒng) 以防止數(shù)字廣播業(yè)者的不正當(dāng)復(fù)制的行為 現(xiàn)在 國(guó)內(nèi)也已經(jīng)出 現(xiàn)了一些生產(chǎn)水印產(chǎn)品的公司 其中比較有代表性的是由中科院自動(dòng) 化研究所的劉瑞禎 譚鐵牛等人于2 0 0 2 年在上海創(chuàng)辦的一家專門(mén)從 事數(shù)字水印 多媒體信息和網(wǎng)絡(luò)安全 防偽技術(shù)等軟 硬件開(kāi)發(fā)的公 司 上海阿須數(shù)碼技術(shù)有限公司 該公司從事數(shù)字證件 數(shù)字印章 p d f 文本 分塊離散圖像 視頻 網(wǎng)絡(luò)安全等多方面數(shù)字水印技術(shù)的 研究 現(xiàn)在這家公司已經(jīng)申請(qǐng)了一項(xiàng)國(guó)家和三項(xiàng)國(guó)家數(shù)字水印技術(shù)專 利 雖然數(shù)字水印在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用還處于初級(jí)階段 但水印公司的創(chuàng)辦 使得數(shù)字水印技術(shù)在國(guó)內(nèi)不僅僅停留在理論研究的層面上 而是從此 走向了實(shí)用化和商業(yè)化的道路 這必將推動(dòng)國(guó)內(nèi)水印技術(shù)的蓬勃發(fā) 展 為國(guó)內(nèi)的信息安全產(chǎn)業(yè)提供有效的 安全的保障 1 3 數(shù)字水印技術(shù)的應(yīng)用一 數(shù)字水印技術(shù)從正式提出到現(xiàn)在雖然只有十幾年 但由于其廣闊 碩十學(xué)位論文 的應(yīng)用前景及其在經(jīng)濟(jì) 技術(shù)等方面研究的重要性 得到了國(guó)內(nèi)外學(xué) 術(shù)界 政府和信息產(chǎn)業(yè)部門(mén)的高度重視 而數(shù)字水印相關(guān)的產(chǎn)品雖然 是近幾年才出現(xiàn) 但其應(yīng)用前景和應(yīng)用領(lǐng)域卻是巨大的 總的來(lái)說(shuō) 防止拷貝和數(shù)字作品的版權(quán)保護(hù)是推動(dòng)數(shù)字水印發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力 量 而且隨著研究的深入 數(shù)字水印技術(shù)己開(kāi)始廣泛地滲透到信息安 全的各個(gè)領(lǐng)域 有著廣闊的應(yīng)用前景 目前數(shù)字水印主要的應(yīng)用領(lǐng)域 有 1 3 1 廣播監(jiān)控為了實(shí)現(xiàn)廣播監(jiān)控 可以使用數(shù)字水印技術(shù)對(duì)識(shí)別信息 進(jìn)行編碼 通過(guò)識(shí)別嵌入到作品中的水印信息來(lái)鑒別作品是何時(shí)何地 被廣播的 它利用自身嵌入在內(nèi)容之中的特點(diǎn) 無(wú)須利用廣播信號(hào)的 某些特殊片斷 因而能夠完全兼容于所安裝的模擬或數(shù)字的廣播基礎(chǔ) 設(shè)備 2 所有者識(shí)別文本版權(quán)聲明用于作品所有者識(shí)別具有一定的局限 一方面在拷貝時(shí)這些聲明很容易被去除 另一方面它可能占據(jù)一部分 圖像空間 由于水印既不可見(jiàn) 也與嵌入的作品不可分離 因此比文 本聲明更利于使用在所有者識(shí)別中 它通過(guò)嵌入代表作品版權(quán)所有者 身份的水印來(lái)達(dá)到識(shí)別目的 如果作品的用戶擁有水印檢測(cè)器 他們 就能夠識(shí)別出含水印作品的所有者 即使遭到改動(dòng) 水印也依然能夠 被檢測(cè)到 3 所有權(quán)驗(yàn)證在發(fā)生所有權(quán)糾紛時(shí) 可以使用數(shù)字水印來(lái)提供證 據(jù) 以保護(hù)數(shù)字作品的版權(quán) 而且為了使所有權(quán)驗(yàn)證達(dá)到一定的安全 級(jí)別 可以限制檢測(cè)器的發(fā)放 如果對(duì)手沒(méi)有檢測(cè)器 清除水印是相 變換域數(shù)字圖像水印算法研究 當(dāng)困難的 4 交易跟蹤利用水印來(lái)記錄作品的某個(gè)拷貝所經(jīng)歷的一個(gè)或多個(gè) 交易 作品的所有者或創(chuàng)作者可在不同的拷貝中加入不同的水印 如 果作品被濫用 所有者可以用水印來(lái)鑒別并找出那個(gè)合法獲得內(nèi)容但 非法重新發(fā)生內(nèi)容的人 5 內(nèi)容真?zhèn)舞b別如今以難以察覺(jué)的方式對(duì)數(shù)字作品進(jìn)行篡改已經(jīng) 變得越來(lái)越容易 可以使用水印技術(shù)將簽名信息嵌入到作品中 這種 被嵌入的簽名稱作真?zhèn)舞b別印記 如果對(duì)作品進(jìn)行微小的改動(dòng)就會(huì)造 成真?zhèn)舞b別印記的失效 這類水印通常必須是脆弱的 且可以實(shí)現(xiàn)水 印的盲檢測(cè) 一 6 拷貝控制上述的絕大多數(shù)水印都只能在不合法行為發(fā)生之后起 作用 為了防止受保護(hù)的內(nèi)容進(jìn)行非法拷貝 可以將水印嵌入內(nèi)容之 中并與內(nèi)容同時(shí)播放 當(dāng)具有拷貝控制機(jī)制的設(shè)備通過(guò)自帶的水印檢 測(cè)器檢測(cè)到 禁止拷貝 的水印標(biāo)志時(shí) 將禁止播放或拷貝 7 設(shè)備控制設(shè)備控制是指設(shè)備能夠在檢測(cè)到內(nèi)容中的水印時(shí)作出 反應(yīng) 例如 d i g i m a r c 的 媒體橋 系統(tǒng)可將水印嵌入到經(jīng)印刷 發(fā) 售的圖像中 如果這幅圖像被數(shù)字?jǐn)z影機(jī)重新拍照 那么p c 機(jī)上的 媒體橋 軟件和識(shí)別器便會(huì)設(shè)法打開(kāi)一個(gè)指向相關(guān)網(wǎng)站的鏈接 1 4 本文內(nèi)容安排 本文主要研究的是變換域內(nèi)的數(shù)字圖像水印算法 其中重點(diǎn)研究 d c t 及d w t 域兩種 論文的主要工作和章節(jié)安排如下 第一章簡(jiǎn)要介紹了數(shù)字水印技術(shù)的研究背景 發(fā)展及研究現(xiàn)狀 碩十學(xué)位論文 概述了數(shù)字水印技術(shù)的應(yīng)用 給出了本文的主要研究?jī)?nèi)容及章節(jié)安 排 第二章詳細(xì)闡述了數(shù)字水印技術(shù)的概念與分類 基本框架 技術(shù) 特征 常見(jiàn)攻擊方式以及數(shù)字水印系統(tǒng)的性能評(píng)估方案 第三章介紹了一些常用的水印圖像預(yù)處理的置亂方法 包括基于 混沌的圖像置亂 經(jīng)典的a r n o l d 貓臉變換以及基于幻方變換的圖像 置亂方法等 第四章分析了二維離散余弦變換的物理意義 給出變換公式 簡(jiǎn) 要介紹了灰度圖像的位分解 結(jié)合混沌映射 提出了一種基于混沌置 亂的d c t 域灰度級(jí)盲水印算法 并給出仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果 第五章簡(jiǎn)要介紹了小波理論基礎(chǔ)及人類視覺(jué)系統(tǒng)的基本特性 結(jié)合超混沌置亂的方法 提出了一種基于超混沌和人類視覺(jué)系統(tǒng)的小 波域盲水印算法 并給出了仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果 驗(yàn)證了算法的有效性 第六章對(duì)全文進(jìn)行總結(jié) 并對(duì)下一步的研究工作進(jìn)行展望 變換域數(shù)字圖像水印算法研究 第2 章數(shù)字水印技術(shù) 2 1 數(shù)字水印技術(shù)概念與分類 2 1 1 數(shù)字水印概念 數(shù)字水印技術(shù) d i g i t a lw a t e r m a r k i n g 是一種信息隱藏技術(shù) 它的基 本思想是在數(shù)字圖像 音頻 視頻和文檔等數(shù)字作品中嵌入秘密信息 以便保護(hù)數(shù)字產(chǎn)品的版權(quán) 證明產(chǎn)品的真實(shí)可靠性 跟蹤盜版行為或 者提供產(chǎn)品的附加信息 悼1 7 1 其中的秘密信息可以是版權(quán)標(biāo)志 用戶 序列號(hào)或者是其他產(chǎn)品相關(guān)的信息 含有水印的數(shù)字產(chǎn)品在經(jīng)歷信道 傳輸后 可以通過(guò)對(duì)水印的檢測(cè)與分析來(lái)保證數(shù)字信息的完整可靠 性 或證明作者對(duì)其作品的所有權(quán) 授權(quán)單位或個(gè)人的使用權(quán) 并作 為鑒定 起訴非法侵權(quán)的證據(jù) 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 2 1 2 數(shù)字水印的分類 數(shù)字水印的分類方式有很多種 分類的出發(fā)點(diǎn)不同導(dǎo)致了分類的 不同 最常見(jiàn)的分類方法有以下幾種 1 8 1 9 1 有意義水印和無(wú)意義水印 按水印信號(hào)的意義劃分 可分為無(wú)意義水印和有意義水印 無(wú)意 義水印指嵌入的水印信號(hào)沒(méi)有實(shí)際的含義 可以為偽隨機(jī)實(shí)數(shù)序列 偽隨機(jī)二值序列和混沌序列等 有意義水印是指嵌入的水印信號(hào)具有 一定的意義 能比較直觀的表示數(shù)字作品的信息 可以為數(shù)字圖像或 碩十學(xué)位論文 數(shù)字音頻和文字等 對(duì)于有意義水印 如果由于受到攻擊或其他原因 致使提取的水印破損 人們?nèi)匀豢梢酝ㄟ^(guò)觀察確認(rèn)數(shù)字作品中是否存 在水印 而對(duì)于無(wú)意義水印 如果解碼后的水印序列有若干碼元錯(cuò)誤 則只能通過(guò)統(tǒng)計(jì)決策來(lái)確定信號(hào)中是否含有水印 目前有意義水印在 實(shí)際應(yīng)用中更加廣泛 它能更有效的保護(hù)數(shù)字作品的版權(quán) 2 可見(jiàn)水印和不可見(jiàn)水印 從人類視覺(jué)系統(tǒng)來(lái)看 按照數(shù)字水印在數(shù)字作品中是否可見(jiàn)可以 分為可見(jiàn)水印 v i s i b l ew a t e r m a r k 矛l 不可見(jiàn)水印 i n v i s i b l ew a t e r m a r k 可見(jiàn)水印是指水印在數(shù)字作品中是可以看見(jiàn)的 不可見(jiàn)水印將水印嵌 入到圖像 音頻或視頻中 從表面上是不可察覺(jué)的 但是當(dāng)發(fā)生版權(quán) 糾紛時(shí) 所有者可以從中提取出標(biāo)記來(lái)證明數(shù)字作品的版權(quán) 它是目 前應(yīng)用更為廣泛的水印 3 魯棒水印和脆弱水印 從水印對(duì)抗各種攻擊的穩(wěn)健程度可以劃分為魯棒水印 r o b u s t w a t e r m a r k 和脆弱水e l f r a g i l ew a t e r m a r k 魯棒水印主要應(yīng)用于數(shù)字 產(chǎn)品的版權(quán)保護(hù) 它不僅要具有較強(qiáng)的抵抗常見(jiàn)圖像處理的能力 而 且還要能抵抗一定失真內(nèi)的惡意攻擊 脆弱水印主要應(yīng)用于多媒體數(shù) 據(jù)的完整性認(rèn)證 當(dāng)嵌入水印的載體數(shù)據(jù)被修改后 通過(guò)水印檢測(cè) 可以對(duì)載體是否進(jìn)行了修改或進(jìn)行了何種修改進(jìn)行判定 此類水印的 魯棒性要求應(yīng)該是最低的 4 依水印所依附的載體形式劃分 按水印所附載的媒體可以劃分為圖像水印 音頻水印 視頻水印 變換域數(shù)字幽像水印算法研究 文本水印以及用于三維網(wǎng)格模型的網(wǎng)格水印等等 隨著數(shù)字技術(shù)的不 斷發(fā)展 將會(huì)有更多不同類型的數(shù)字媒體出現(xiàn) 同時(shí)將會(huì)產(chǎn)生更多與 之相對(duì)應(yīng)的載體的數(shù)字水印技術(shù) 以圖像為載體的數(shù)字水印技術(shù)是當(dāng) 前水印技術(shù)研究的重點(diǎn)之一 它的一些研究成果可以運(yùn)用到音頻水印 和視頻水印中 5 空域水印和變換域水印 按水印嵌入的位置可以劃分為空域水印和變換域水印 空域水印 是通過(guò)直接修改數(shù)字圖像的像素值或強(qiáng)度值來(lái)嵌入水印信息 即直接 在信號(hào)空間上疊加水印信息 變換域水印是指先對(duì)宿主圖像進(jìn)行某種 變換 如d f t d c t d w t 等 然后通過(guò)修改變換域系數(shù)來(lái)隱藏水 印信息 變換域算法可嵌入水印數(shù)據(jù)量大 透明性好 安全性高 但 算法復(fù)雜度也高 目前 大多數(shù)水印算法都是將水印嵌入到變換域 而本文研究的也正是變換域內(nèi)的數(shù)字圖像水印技術(shù) 變換域方法有兩 個(gè)優(yōu)點(diǎn) 第一 在變換域中嵌入的水印信息能量可以分布到空域的所 有像素上 從而有利于保證水印的不可見(jiàn)性 第二 在變換域 人類 視覺(jué)系統(tǒng)的一些掩蔽特性可以方便的結(jié)合到水印編碼過(guò)程中 6 非盲水印 半盲水印和盲水印 按水印水印提取時(shí)是否需要原始數(shù)據(jù)可以劃分為非盲水印 n o n b l i n dw a t e r m a r k i n g 半盲水印 s e m i n o n b l i n dw a t e r m a r k i n g 和 盲水f j b l i n dw a t e r m a r k i n g 非盲水印水印是指在水印檢測(cè)過(guò)程中需 要原始數(shù)據(jù)和原始水印的參與 半盲水印指不需要原始數(shù)據(jù) 但需要 原始水印來(lái)進(jìn)行檢測(cè) 盲水印是指在水印檢測(cè)過(guò)程中既不需要原始圖 碩十學(xué)忙論文 像也不需要原始水印 鑒于盲水印方案更適合公開(kāi)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布機(jī)制 具有更強(qiáng)的實(shí)用性 因此目前學(xué)術(shù)界研究的大多數(shù)是盲水印方案 上述幾種數(shù)字水印的分類并不是孤立的 它們之間相互聯(lián)系 僅 僅是在表現(xiàn)形式上有差異而已 2 2 數(shù)字水印系統(tǒng)的基本框架 從信號(hào)處理的角度來(lái)看 水印嵌入載體中可以視為在強(qiáng)背景下疊 加一個(gè)弱信號(hào) 只要疊加的水印信號(hào)強(qiáng)度低于人類視覺(jué)系統(tǒng) h v s 對(duì) 比度門(mén)限或聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng) h a s 對(duì)聲音的感知門(mén)限 那么人就無(wú)法感知 到信號(hào)的存在 由于h v s 和h a s 受空間 時(shí)間和頻率特性的限制 因此通過(guò)對(duì)載體對(duì)象做一定的調(diào)整 就有可能在不引起人感知的情況 下嵌入一些信息 從數(shù)字通信的角度來(lái)看 水印嵌入宿主中可理解為在一個(gè)寬帶信 道 載體對(duì)象 上采用擴(kuò)頻通信技術(shù)傳輸一個(gè)窄帶信號(hào) 水印 盡 管水印信號(hào)具有一定的能量 但分布到信道中任一頻率上的能量是難 以檢測(cè)到的 水印的譯碼 檢測(cè) 則是一個(gè)有噪信道中弱信號(hào)的檢測(cè) 問(wèn)題 這里以數(shù)字水印在多媒體數(shù)字產(chǎn)品的產(chǎn)權(quán)保護(hù)中應(yīng)用為例 介紹 數(shù)字水印的基本框架 數(shù)字水印雖然形式眾多 但我們可將水印信號(hào) 統(tǒng)一表示為 w w 尼 u k w d 2 1 其中肜d 表示維數(shù)為d 的水印域 當(dāng)d l 2 3 時(shí) 分別表示聲音 靜 止圖像和視頻中的水印 水印可以為二值形式或高斯噪聲形式 其幅 變換域數(shù)字圖像水印算法研究 值相對(duì)于要保護(hù)的數(shù)字產(chǎn)品的幅值應(yīng)該是很小的 w 有時(shí)被稱為 原 始水印 用以區(qū)別于變換域水印形式f 渺 通用水印系統(tǒng)框架可以 定義為六元體 x k g e d 其中 1 x 表示需保護(hù)的數(shù)字產(chǎn)品的集合 2 w 表示水印信息的的集合 3 k 是標(biāo)示碼 i d 的集合 也可以稱為水印密鑰 4 g 表示利用密鑰k 與被保護(hù)數(shù)字產(chǎn)品x 生成水印信息w 的算法 即 g xxk w w g x 1 0 2 2 5 e 表示將w 嵌入數(shù)字產(chǎn)品k 中的嵌入算法 即 e x g 專x x w e 肜 2 3 其中 表示原始數(shù)字產(chǎn)品 瓦表示嵌入水印信息后的數(shù)字產(chǎn)品 6 d 代表水印信息檢測(cè)算法 即 d x k 專 o 1 2 4 掣朋 麓啼楸中 沼5 以上就是用于數(shù)字產(chǎn)品保護(hù)的水印系統(tǒng)框架模型 整個(gè)數(shù)字水印 系統(tǒng)由水印信息的生成 嵌入和檢測(cè)等幾個(gè)算法模塊組成 而在實(shí)際 應(yīng)用中 一個(gè)完整的數(shù)字水印處理系統(tǒng)可為水印的生成 嵌入以及提 取三個(gè)部分 2 2 1 數(shù)字水印的生成 數(shù)字水印信號(hào)根據(jù)其內(nèi)容可以分為無(wú)意義的水印信號(hào)和有意義 的水印信號(hào)兩種 無(wú)意義的水印信號(hào)一般都對(duì)應(yīng)于一個(gè)序列號(hào)或一段 碩十學(xué)位論文 隨機(jī)數(shù) 沒(méi)有具體的意義 無(wú)意義水印信號(hào)通常情況下都是使用均值 為0 方差為l 即滿足n 0 1 正態(tài)分布的偽隨機(jī)實(shí)數(shù)序列 根據(jù)個(gè) 人需求 可將產(chǎn)品的序列號(hào) 生產(chǎn)日期或無(wú)任何意義的一個(gè)數(shù)字作為 種子 當(dāng)序列發(fā)生器固定時(shí) 種子 就是產(chǎn)生水印的密鑰 將給 定的 種子 作為偽噪聲發(fā)生器的輸入 就可以產(chǎn)生具有高斯分布的 白噪聲信號(hào) 在進(jìn)行水印提取檢測(cè)時(shí) 只要使用正確的密鑰 就能產(chǎn) 生和嵌入時(shí)相同的偽隨機(jī)實(shí)數(shù)序列 用以檢驗(yàn)待檢測(cè)產(chǎn)品中是否含有 該水印 比較常見(jiàn)的偽隨機(jī)二值序列有 利用線性移位寄存器產(chǎn)生的 m 序列 2 0 1 性能優(yōu)良的l e g e n d r e 序列 2 1 和對(duì)初值極其敏感的混沌序 歹l j 2 2 2 3 而有意義的水印信號(hào)一般是代表一定意義的文本 聲音 圖像或 視頻信號(hào) 對(duì)一個(gè)給定的有意義的水印 在嵌入載體之前絕大多數(shù)算 法要求將其轉(zhuǎn)化為二值序列 這些轉(zhuǎn)化是各式各樣的 使用m 序列 對(duì)水印進(jìn)行擴(kuò)頻 對(duì)水印信號(hào)進(jìn)行位分解 置亂技術(shù)等都可以提高水 印的穩(wěn)健性 這些方法將會(huì)在后面的章節(jié)進(jìn)行介紹 2 2 2 數(shù)字水印的嵌入 數(shù)字水印嵌入算法根據(jù)其所基于的域不同 主要可以分為時(shí) 空 域算法 變換域算法和壓縮域算法三類 水印嵌入過(guò)程如圖2 1 所示 圖2 1 水印嵌入框圖 變換域數(shù)字圖像水印算法研究 水印嵌入就是把水印信號(hào)w w 七 嵌入到原始產(chǎn)品 x o x o 七 中 一般的水印嵌入規(guī)則可描述為 勘 七 x o k 0h k w k 2 6 其中 為某種疊加操作 也可能包括合適的截?cái)嗖僮骰蛄炕僮?h 辦 后 是d 維 聲音l 維 圖像2 維 視頻3 維 的水印嵌入掩 碼 常用的嵌入準(zhǔn)則有如下兩種 1 加法準(zhǔn)則 后 而 尼 a w k 2 7 2 乘法準(zhǔn)則 x w k x o k 1 a w k 2 8 其中 變量x 可以是掩體對(duì)象采樣的幅值 時(shí)域 也可以是某 種變換的系數(shù)值 變換域 參數(shù)a 可能隨采樣數(shù)據(jù)的不同而不同 早期許多水印嵌入算法都采用時(shí)域方法和加法準(zhǔn)則 但是近年來(lái) 變 換域算法得到了更廣泛的研究 而且一般來(lái)說(shuō) 乘性準(zhǔn)則的抗失真性 要更優(yōu)于加法準(zhǔn)則 2 2 3 數(shù)字水印的提取和檢測(cè) 數(shù)字水印提取是指根據(jù)與嵌入過(guò)程相同的密鑰并通過(guò)一定的算 法 一般是嵌入算法的逆過(guò)程 精確地提取出水印標(biāo)志 而數(shù)字水印 檢測(cè)是指根據(jù)檢測(cè)密鑰通過(guò)一定的算法判斷可疑作品中是否含有水 印 圖2 2 和圖2 3 分別是水印提取與水印檢測(cè)的框圖 圖中虛線框 部分表示在水印提取或檢測(cè)過(guò)程中不是必須的 碩十學(xué)位論文 圖2 2 水印提取框圖 圖2 3 水印檢測(cè)框圖 2 3 數(shù)字水印的攻擊 數(shù)字水印的攻擊指的是任何一種可能削弱水印的檢測(cè)或?qū)λ?所表達(dá)的信息傳輸?shù)奶幚?在許多水印應(yīng)用中 嵌入水印的圖像在到 達(dá)接收端的過(guò)程中總是會(huì)遇到有意或無(wú)意的攻擊 而水印在受到這些 攻擊操作后被削弱 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)水印被破壞時(shí) 圖像已經(jīng)產(chǎn)生嚴(yán)重的失 真而失去本身的價(jià)值 而水印生命周期中若任何一個(gè)階段被攻擊者破 壞 水印對(duì)信息的保護(hù)都會(huì)被打破 在此 將水印系統(tǒng)的攻擊分為以 下幾類 每一類都針對(duì)水印處理的某一階段阱l 1 信號(hào)去除攻擊 信號(hào)去除攻擊涉及到水印信號(hào)的消除 它包括幾種 最簡(jiǎn)單的就 是 基本攻擊 基本攻擊是通過(guò)簡(jiǎn)單的降低圖像質(zhì)量或采用常規(guī)的 圖像處理手段達(dá)到除去水印 這種攻擊是對(duì)整個(gè)水印數(shù)據(jù)進(jìn)行操作 而不是將水印區(qū)分和隔離出來(lái) 還有一種是在加有水印的圖像中 再 變換域數(shù)字圖像水印算法研究 加入一條水印 這種處理對(duì)于公有水印比私有水印有效 更容易通過(guò) 第二條水印覆蓋的方法來(lái)消除前一條水印 另一種攻擊是共謀攻擊 它采用幾個(gè)帶有不同水印的相同載體拷貝進(jìn)行攻擊 2 表示攻擊 表示攻擊就是采用一種使檢測(cè)器無(wú)法檢驗(yàn)到有效水印的方法 表 示攻擊又可以稱為同步攻擊 它是試圖破壞相關(guān)性和使得水印檢測(cè)器 對(duì)水印的恢復(fù)變得不可能或不可實(shí)現(xiàn)的攻擊方法 其中最典型的就是 幾何攻擊和馬賽克攻擊 大部分水印不能夠經(jīng)受幾何變形的攻擊 因 為對(duì)于所有給定的水印方法 水印檢測(cè)器必須知道水印嵌入的確切位 置 而幾何變形趨向于破壞同步性 使得水印嵌入和檢測(cè)位置偏離不 再相符 3 解釋攻擊 解釋攻擊是通過(guò)試圖產(chǎn)生假的嵌入水印數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行制造混亂的 攻擊方法 例如 通過(guò)加入一個(gè)或幾個(gè)另外的水印而使得最先的原始 水印不能清楚地區(qū)分出來(lái) 以致造成對(duì)水印權(quán)限的懷疑 4 合法性攻擊 合法性攻擊主要是通過(guò)法律上的一些條款上的漏洞達(dá)到攻擊的目 的 在實(shí)際應(yīng)用中 含水印圖像常會(huì)受到有意或無(wú)意的攻擊破壞 因 而就要求水印系統(tǒng)能從遭到破壞的圖像中正確檢測(cè)或提取出水印 這 里的破壞是指圖像未產(chǎn)生過(guò)度的降質(zhì) 否則接收到的圖像就沒(méi)有使用 價(jià)值了 對(duì)蓄意的攻擊 攻擊者的目標(biāo)是對(duì)圖像做最小的變動(dòng)而對(duì)水 印產(chǎn)生最大的影響 因此密鑰就成為水印算法安全的關(guān)鍵所在 碩十學(xué)位論文 常見(jiàn)的數(shù)字圖像水印攻擊手段有以下幾種 加噪 噪聲的疊加主要來(lái)自于a d d a 轉(zhuǎn)換 或由其他變換誤 差引入 攻擊者也可能利用信號(hào)處理引入不被感知的噪聲 噪聲疊加 使虛警率增加 只有提高相關(guān)檢測(cè)器的檢測(cè)門(mén)限才能改善檢測(cè)性能 濾波 濾波對(duì)圖像質(zhì)量不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重破壞 但會(huì)極大的影響一些 水印算法的檢測(cè)性能 例如 由于水印擴(kuò)展會(huì)產(chǎn)生不容忽視的高頻成 分 因此 低通濾波對(duì)擴(kuò)頻水印算法影響較大 剪切 剪切是最常見(jiàn)的估計(jì) 因?yàn)楣粽咄粚?duì)圖像的一部分 感興趣 為了抵抗剪切攻擊 需要將水印擴(kuò)展到整個(gè)圖像中 壓縮 壓縮通常是無(wú)惡意的攻擊 常出現(xiàn)在多媒體應(yīng)用中 實(shí)際 上 當(dāng)前在互聯(lián)網(wǎng)上分布的媒體大多都要經(jīng)過(guò)壓縮處理 如果要求水 印能抵抗壓縮攻擊 通常可取的方法是提高水印嵌入容量 旋轉(zhuǎn)與縮放 多數(shù)水印算法對(duì)這種攻擊都很脆弱 由于嵌入的水 印與本地產(chǎn)生的水印空間模式不同 含水印圖像經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)和縮放處理 后再用相關(guān)檢測(cè)的方法檢測(cè)或提取水印就很難得到正確的結(jié)果 當(dāng) 然 如果能在檢驗(yàn)時(shí)提供原始圖像 那么通過(guò)比較原始圖像和水印圖 像就可估計(jì)出旋轉(zhuǎn)角度和縮放因子 將大大簡(jiǎn)化水印的檢測(cè)過(guò)程 r u a n a i d h 等人提出過(guò)具有旋轉(zhuǎn) 平移及縮放不變性的水印算法 2 5 1 這 種算法利用傅立葉 梅林變換旋轉(zhuǎn) 縮放不變性的特點(diǎn) 但是大大降 低了水印的潛入容量 統(tǒng)計(jì)平均 攻擊者可能會(huì)試圖估計(jì)出水印 然后去除水印 如果 水印不是充分的依賴原始圖像數(shù)據(jù) 那么他們對(duì)多個(gè)含水印圖像進(jìn)行 變換域數(shù)字圖像水印算法研究 簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)平均 就有可能消除水印 因而利用視覺(jué)掩蔽模型產(chǎn)生水 印就是一個(gè)有效抵抗統(tǒng)計(jì)平均的辦法 多水印 攻擊者可能會(huì)對(duì)一個(gè)已含有水印的產(chǎn)品嵌入新的水印 而后宣稱自己是所有者 最簡(jiǎn)單的辦法就是到認(rèn)證機(jī)構(gòu)登記隱藏信 息 其他攻擊 還有一些針對(duì)水印處理的攻擊 例如 通過(guò)過(guò)分?jǐn)_亂 數(shù)據(jù)使水印丟失 從而回避版權(quán)控制機(jī)構(gòu) 或是通過(guò)創(chuàng)建一個(gè)可調(diào)整 數(shù)據(jù)順序的傳輸層來(lái)欺騙w e b 瀏覽器搜尋一定的水印 這種攻擊方 法稱為 m o s a i c 攻擊 2 6 1 2 4 數(shù)字水印的技術(shù)特點(diǎn)及性能評(píng)估 2 4 1 數(shù)字水印的技術(shù)特點(diǎn) 數(shù)字水印技術(shù)是用于版權(quán)保護(hù)的一種直觀而有力的工具 它除了 具備信息隱藏技術(shù)的一般特點(diǎn)外 還有著其自身固有的特點(diǎn)和研究方 法 目前 該技術(shù)形成了幾個(gè)公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn) 1 不可察覺(jué)性 不可察覺(jué)性即水印的透明性 大多數(shù)數(shù)字水印系統(tǒng)都要求帶水印 的圖像保持極高的品質(zhì) 人眼基本上不能辨別它與原始圖像 同時(shí) 由于在數(shù)字方式下 標(biāo)志信息很容易被修改或去除 因此應(yīng)該根據(jù)多 媒體信息的類型和幾何特征 將水印隱藏其中 使非法攔截者無(wú)法察 覺(jué) 二 2 魯棒性 魯棒性即指水印在經(jīng)受一些有意或無(wú)意的攻擊操作后 仍然存在 碩 學(xué)位論文 于多媒體數(shù)據(jù)中并可以被恢復(fù)或檢測(cè)出來(lái) 3 容量 一般要求水印算法能嵌入一定的水印信息量 容量太少水印魯棒 性不強(qiáng) 不足以確定產(chǎn)品的唯一性 而容量太大透明性不好 容易破 壞產(chǎn)品的品質(zhì) 通常要求根據(jù)不同的應(yīng)用需求選擇合適的水印容量 4 安全性 嵌入的水印信息必須只有授權(quán)的機(jī)構(gòu)才能檢測(cè)出來(lái) 非法用戶不 能判斷水印是否存在 或者即使檢測(cè)出水印 也不能獲取或去除水印 信息 5 盲檢測(cè)性 水印在檢測(cè)和解碼過(guò)程中不需要未加水印的原始載體圖像的具 體信息 2 4 2 數(shù)字水印的性能評(píng)估 水印的透明性和魯棒性是數(shù)字水印技術(shù)最基本的兩大特性 它們 之間存在著一個(gè)折衷的問(wèn)題 理想的水印算法應(yīng)該既能不被感知地隱 藏大量數(shù)據(jù) 又可以有效抵抗通信過(guò)程中遭遇的各種攻擊 在實(shí)際應(yīng) 用中 這兩個(gè)指標(biāo)往往不能同時(shí)滿足 應(yīng)該根據(jù)實(shí)際需要側(cè)重其一 通常采取的原則是在保證視覺(jué)質(zhì)量的前提下 以最大強(qiáng)度嵌入水印 此外 水印的魯棒性還受到嵌入的信息量 水印嵌入強(qiáng)度 圖像的尺 寸和特性 密鑰等諸多參數(shù)的影響 對(duì)水印的性能評(píng)估主要包括水印魯棒性的評(píng)估以及嵌入水印對(duì) 圖像引起的失真的評(píng)估 即水印透明性的評(píng)估 數(shù)字水印技術(shù)目前尚 變換域數(shù)字l 割像水印算法研究 無(wú)通用的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)水印系統(tǒng)的性能進(jìn)行評(píng)價(jià) 通常的做法是首先對(duì)嵌入 水印的圖像進(jìn)行一系列的攻擊 然后從被攻擊的圖像中提取水印 并 判斷水印提取的成功與否 目前人們對(duì)與數(shù)字水印的透明性的評(píng)價(jià)主 要使用兩種方法 1 主觀測(cè)試方法 s u b i e c t i v et e s t 評(píng)價(jià)一幅作品的好壞 最直接的方法就是采用主觀打分 這種測(cè) 試可以分兩步 第一步把產(chǎn)生失真的數(shù)據(jù)集按照由好到壞的次序分為 幾個(gè)等級(jí) 第二步測(cè)試者根據(jù)每個(gè)數(shù)據(jù)集的失真程度進(jìn)行打分并描述 水印的可見(jiàn)性 這種打分可以基于i t u rr e c 5 0 0 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)q 此 值由下式計(jì)算 氣 o 贏 q 9 其中 e 是計(jì)算得到的失真量 n 是標(biāo)準(zhǔn)化常數(shù) 表2 1 給出了 i t u rr e c 5 0 0 質(zhì)量等級(jí)評(píng)判的分?jǐn)?shù)和相應(yīng)的視覺(jué)可察覺(jué)性指標(biāo)以及 圖像質(zhì)量 實(shí)驗(yàn)表明 這種測(cè)試方法對(duì)最終的圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)和測(cè)試十 分有用 但不利于學(xué)術(shù)上研究成果之間的相互比較 因此 在實(shí)際研 究和開(kāi)發(fā)過(guò)程中多采定量度量的方法 表2 1i t u rr e c 5 0 0 從1 到5 范圍的質(zhì)量等級(jí)級(jí)別 2 定量方法 q u a n t i t a t i v em e t r i c 碩十學(xué)位論文 失真定量測(cè)試是一種客觀的方法 它不依賴于主觀評(píng)價(jià) 可以方 便的用于對(duì)個(gè)中方法進(jìn)行公正的比較 基于像素的圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)度量 方法屬于量化失真度量 q u a n t i t a t i v ed i s t o r t i o nm e t r i c 用它得到的 結(jié)果不依賴于主觀評(píng)估 允許在不同方法之間進(jìn)行公平的比較 在圖 像 視頻編碼和壓縮域領(lǐng)域使用最多的度量指標(biāo)是信噪比s n r s i g n a l t on o i s er a t i o n 和峰值信噪比p s n r p e a ks i g n a lt on o i s er a t i o n 為 了適應(yīng)不同的評(píng)價(jià)需要 我們給出幾種參數(shù)的定義方法 1 歸一化相關(guān)系數(shù)n c n o r m a l i z e dc r o s s c o r r e l a t i o n 原始水印形和提取出的水印形 之間的相似度可以通過(guò)相關(guān)性檢 驗(yàn)來(lái)衡量 當(dāng)水印為序列時(shí) 將形和肜 看作一維向量 通過(guò)計(jì)算一 維相關(guān)系數(shù)c o r r c o e f w w 則歸一化的相關(guān)系數(shù)n c 的計(jì)算公式如 下 n c 蘭墜 n w w n 形彬 盧l 2 1 0 當(dāng)水印為圖形時(shí) 可以將形和緲 看作二維向量 通過(guò)計(jì)算二維 相關(guān)系數(shù)c o r r 2 w w 則歸一化相關(guān)系數(shù)n c 的計(jì)算公式如下 n c 蘭墜 4 w w 形 1 i 2 1 1 同時(shí) 得到歸一化相關(guān)系數(shù)n c 后 也可以衡量水印的誤差百分 比 用尺來(lái)表示 則計(jì)算公式如下 變換域數(shù)字圖像水印算法研究 r 1 一 c 2 12 2 峰值信噪比p s n r p e a ks i g n a lt on o i s er a t i o n 一 1 0 1 0 9 0 警 協(xié) 由式 2 1 1 中可以看出較高的峰值信噪比對(duì)應(yīng)較高的圖像間相 似程度 也即表示嵌入水印后的圖像具有較高的不可感知性 其中 m s e m e a ns q u a r ee r r o r 為均方誤差 也可以用來(lái)度量圖像的客觀保 真度 與p s n r 相反 m s e 越小表示圖像的近似程度越高 計(jì)算公 式如下 m s e 麗1 萎 一一吃 療 2 2 1 4 3 比特錯(cuò)誤率 對(duì)于特定信息的字符碼串 通?？梢杂帽忍劐e(cuò)誤率來(lái)度量 這和 通信中的誤碼率概念比較相似 其計(jì)算公式為 f j w f b e r 旦上l 一1 一 2 1 5 w i i 1j 1 以上的度量方法雖然是客觀的 但并不能完全反映人類感覺(jué)系統(tǒng) 對(duì)數(shù)字作品的評(píng)價(jià) 有些時(shí)候可能會(huì)與人類感覺(jué)產(chǎn)生不一致 本文中 使用的度量方法主要是歸一化相關(guān)系數(shù)n c 和峰值信噪比p s n r 兩 種 碩十學(xué)位論文 第3 章數(shù)字圖像置亂技術(shù) 數(shù)字圖像作為一種直觀的信息表達(dá)方式 具有很大的迷惑性 如 果我們把數(shù)字圖像做一些 擾亂 得到一幅完全雜亂無(wú)章 面目全 非的圖像 那么即使非法截獲者得到它 如果不知道如何恢復(fù) 對(duì)它