數(shù)字圖像水印技術的研究與實現(xiàn)-外文翻譯.

1、 數(shù)字水印 R. Chandramouli &Majid Rabbani1.介紹：因特網(wǎng)的出現(xiàn)在以數(shù)字化形式的內容和傳遞方面產(chǎn)生了很多新的應用。其應用包括電子廣告業(yè)，實時的圖像和音頻的傳遞，數(shù)字倉庫和圖書館和網(wǎng)上出版業(yè)。在這些應用中出現(xiàn)一個重要問題就是保護所有參與者的權利。然而當前一些保護數(shù)字數(shù)據(jù)的版權法律是公認的還不夠完善，這就導致一個新的方向防拷貝和保護體制，在此根底上吸引了越來越多的基于數(shù)字水印技術的興趣。數(shù)字水印是把信息嵌入數(shù)字媒體并能在之后把信息我們稱之為水印提取出來或者探測到以防止復制的過程。數(shù)字水印已成為研究中一個活潑和重要的領域，面對高速開展的數(shù)字化進程，水印技術的開展

2、和商業(yè)化被認為可以從根本上應對這個挑戰(zhàn)。 在這章剩下的局部我們討論的是靜止圖象的水印，當然，水印技術在原那么上同樣適用于音頻和視頻數(shù)據(jù)。數(shù)字水印可以是可見的也可以是不可見的。一個可見的水印一般包含一個易見的消息和公司標識所有權。另一方面一個不可見水印的圖像看起來和原來的很相似，隱形水印的存在只有在運用適宜的水印提取或者檢測算法才能發(fā)現(xiàn)。在這篇章節(jié)我們討論的是不可見水印。不可見水印技術在一般來講，包含了編碼和解碼的過程。一般水印的編碼過程如圖2所示。這兒，提出了水印插入的方法： 1X是原始的圖像，W是被插入的水印信息，K是用戶的密鑰，而E代表插入水印的函數(shù)。這個章節(jié)我們采用對原始圖像X注釋，嵌入

3、過水印的圖像我們稱為X。鑒于水印嵌入的方式和嵌入算法的不同，檢測和提取能采取截然不同的方法。兩者之間的最大區(qū)別是在于是否需要得到原始圖像，在水印提取算法中如果不要求得到原始圖像，我們就稱之為盲水印技術，對盲水印技術來說，水印提取過程如下： 2其中是一個可能被嵌入水印的圖像，K是提取密鑰，D代表水印提取/檢測的函數(shù)，而是提取出來的水印信息，盲水印對不需要原始圖像而破譯水印有很大的吸引力。不可見水印也能被分成強健性或者易損性的水印。穩(wěn)健水印通常被用于證明所有權和被設計成對抗一些普通圖象處理例如：壓縮，裁剪，濾波，幾何變換等和惡意攻擊移除偽造水印。1.1 實用性數(shù)字水印在很多方面都有潛在的實用性，包

4、括：所有權判斷。水印可以被用作所有權的判斷，要判斷一個圖像的所有權，Alice可以產(chǎn)生一個秘密私鑰的水印信號參加原始圖像，她可以使加過水印的圖像公開，之后，當Bob宣稱這幅公開圖像的所有權時，Alice就可以證明在Bob的圖像中她做的水印的存在。由于Alice的原始圖像Bob是沒法獲得的，所以他不能做同樣的事情。為了實現(xiàn)這一方案，圖象處理技術要逃過惡意的移除攻擊。除此以外，水印應該以不能被修改的方式插入，因為Alice可不想對不屬于她的圖像負責。指紋獲取。在網(wǎng)絡上以電子形式分布的多媒體內容的應用中，內容的所有者不想內容未經(jīng)授權的被復制和通信，所以他們通常會在每份數(shù)據(jù)中嵌入一個明顯的水印或者一個

5、指紋印。之后的某一時間，當未經(jīng)授權的復制品被發(fā)現(xiàn)，復制品的來源就能通過指紋印來確定。在這個應用中，水印需要是不可見的，也不能被惡意攻擊修改，移除和破壞掉。此外，與所有權判斷的實用性不同，水印應該對共謀有抵抗性。也就是說一組擁有同樣圖像但包含不同指紋應該不能共謀和證明某一個指紋無效或者創(chuàng)造一個沒有指紋的復制品。復制品預防和控制。水印也能用于復制品的預防和控制。例如，在一個封閉系統(tǒng)中的多媒體內容需要專用硬件拷貝和觀看，一個數(shù)字水印就可以插入以說明允許拷貝的份數(shù)。當一份復制完后，水印能被硬件修改。當允許的數(shù)字變?yōu)?時，硬件就不能再復制數(shù)據(jù)了。這樣一個系統(tǒng)的例子就是數(shù)字多用磁盤DVD。事實上，一個在他

6、的核心包含數(shù)字水印復制機器是被認為當前的標準。而第二代DVD產(chǎn)品將很好的包括能讀取水印的能力和不管他們存在與否都能起作用。另一個例子是數(shù)碼相機，他可以把信息像水印那樣參加每一個背景或者一系列背景，以更快幫助調查者找到照片的剽竊，還能指出戲劇和電影發(fā)行的弱點。這個技術對付一種很普通的剽竊行為最有用，就如：某人用攝像機拍攝在電影院播放的電影，然后把它復制到光盤或者VHC磁帶上發(fā)行。欺騙和篡改的檢測。當多媒體內容是用做法律目的，醫(yī)學應用，新聞報道和商業(yè)交易時，保證內容是有一個明確的出處和沒有被篡改正非常重要，這就需要參加水印。隨后，當照片被檢查時，水印將用一個唯一密鑰從出處提取出來，數(shù)據(jù)的完整性將被

7、提取出來的水印的完整性證實。水印也能參加一些來自原始圖片的信息使圖片不能被修改和覆蓋。很明顯的，水印的使用的目的是不影響圖像的質量和能抵抗偽造品。強健性對取走水印后內容將變得不可靠和沒有價值不嚴格。身份證平安。在護照和身份證中的信息例如護照號，人的名字等也能包含在身份證上的照片中。提取嵌入的信息，然后跟在本上的信息比擬，就能證實身份證的真實。例如，當身份證被偷，照片被偽造的代替，如果不能從身份證上提取出水印，這個身份證就是無效的。以上都是代表數(shù)字水印在潛在使用的一些例子。此外，還有很多其他應用，管理權利，追蹤文章的使用，把文章和一些特殊播放器捆綁，無線電播送監(jiān)視器等。在以上所寫的多種多樣的應用

8、中可以看出數(shù)字水印技術能滿足很多需要。自具體應用要求改變以來，水印技術應該在他們被使用的整個系統(tǒng)下設計完成。每個應用利用不同的需求，將會要求可見和不可見的不同種類水印方案或者組合。在這章剩下的章節(jié)里，我們描述了不可見水印的一些總原那么和技術，我們的目的是使讀者更好的了解數(shù)字水印的根本原那么，內在交換，優(yōu)點和弱點。我們將會關注我們所討論和舉例的圖像水印。但是，就如我們之前提到的，這個概念在本質上也同樣適用于其它形式的內容，例如視頻和音頻。1.2 信息隱藏和隱寫術的關系除了數(shù)字水印之外，把信息隱藏進數(shù)字內容的根本思想有很廣泛的應用，而不僅僅是版權保護和認證，這些應用中包含的技術被統(tǒng)稱為信息隱藏。例

9、如，元數(shù)據(jù)提供了圖像額外的信息，雖然元數(shù)據(jù)也能被存在數(shù)字圖象的頭文件中，但是這有很多局限性。通常，當一個文件被轉換成另一種格式例如，從TIFF到JPEG或者到BMP，元數(shù)據(jù)就喪失了。同樣的，剪裁或者任何一種圖片形式操作都會破壞元數(shù)據(jù)。最后，當圖像以數(shù)字形式元存在時，數(shù)據(jù)只能附屬于圖像，而當圖像印刷時，元數(shù)據(jù)就喪失。信息隱藏允許元數(shù)據(jù)跟著圖像移動，絲毫不在意文件的形式和圖像的狀態(tài)數(shù)字的或者模擬的。嵌入的元數(shù)據(jù)信息有很多作用，例如，在生意中可以在網(wǎng)站的URL嵌入特有產(chǎn)品的圖片中以為此產(chǎn)品做廣告。用戶拿著雜志照片站在在一個成品低的CMOS照相機面前，這個照相機集成在個人電腦，移動 或掌上電腦上。從低

10、質量的照片中提取的數(shù)據(jù)是被用做瀏覽指定網(wǎng)站的。另一個例子是參加拍攝圖片時所在位置的GPS數(shù)據(jù)大約56比特。這個應用和水印的關鍵差異在于沒有主動的對手。在水印應用方面如版權保護和證明，這些都有一個主動的對手在嘗試去掉，偽造水印和使水印無效。而在信息隱藏中就沒有一個這樣主動的對手，所以就沒有價值同移動隱藏在內容中信息的行為計較。然而，信息隱藏技術需要魯棒行來防止意外的破壞。例如，在圖4所示應用中，盡管經(jīng)歷了打印和掃描過程的破壞，嵌入在文件圖像中的信息還應能被提取出來。但是這些破壞只是處理過程的一局部并且不是由活潑對手引起。另一個和水印相關的主題是隱寫術，是一種秘密通信的科學和藝術。雖然幾十年來，隱

11、寫術被當作密碼學的一局部，它的焦點是秘密通信。事實上，對這個問題現(xiàn)在被稱為犯人問題。這兒，Alice和Bob正在籌劃一個逃獄方案，問題是他們之間的所有交流都被典獄長Wendy檢查著，Wendy一發(fā)現(xiàn)他們有什么令人疑心的交流就會在第一時間把他們單獨監(jiān)禁。因此，Alice和Bob必須交換外表上看起來很正常但實際上包含了涉及逃獄方案的隱藏信息。這有兩種通常討論的版本 一種是典獄長是被動的，只看消息。另一種是典獄長是主動的，有修改消息以防止隱藏消息的習慣。很明顯，在這最重要的問題是隱藏的消息的存在必須被隱藏好。然而，在數(shù)字水印中一個好的水印技術是否隱蔽不是很明顯。1.3 水印問題在水印技術研究中的出現(xiàn)

12、的重要方面有：容量：能嵌入一個所給信號最大限度數(shù)據(jù)的量是多少？什么是嵌入和提取信息最適宜的方法？強健：我們嵌入和恢復數(shù)據(jù)，怎么才能在惡意的攻擊和偶然的轉移中使它完整的提取出來？透明：我們怎么把信息嵌入才能不被感知地降低載體的質量？平安：我們怎么能判斷嵌入的信息是否被篡改，偽造和移除？確實，這些問題是過去幾年學習的焦點，也已經(jīng)取得一些非凡的進步。然后，在這個高速開展的研究領域，問題總是比答案多。會這樣的一個重要原因是數(shù)字水印是一個內在的結合多種學科的以多種學科的開展為根底的一個主題。這些領域為數(shù)字水印開展所做出的奉獻至少包括下面幾個方面：信息和通信理論判斷和檢測理論信號處理密碼學和密碼協(xié)議這些領

13、域里的每一個都處理了數(shù)字水印問題的一個特殊方面，一般來說，信息和通信理論方法處理數(shù)據(jù)的嵌入方面。舉例來說，消息理論方法在數(shù)據(jù)的總量計算機中有用，數(shù)據(jù)是能被嵌入一個給予的信號中，這個信號易受各種約束例如嵌入數(shù)據(jù)的峰值功率幅度的平方或者嵌入產(chǎn)生的畸變。主信號可以被當作一個通信的頻道，而各種操作例如壓縮/解壓，過濾等可以被當作是噪聲。用這個框架，好多從經(jīng)典信息論得出的結論可以而且應該可以成功的適用于計算一個信號所嵌入的數(shù)據(jù)的容量。 判斷思想被用做從收件人那邊分析是否有數(shù)據(jù)嵌入程序，對于一個給予的數(shù)據(jù)嵌入程序，我們怎么從易受有意或者無意攻擊的主信號中提取出隱藏的數(shù)據(jù)？數(shù)據(jù)提取程序必須是能保證確定量的可

14、靠性。提取出來的數(shù)據(jù)正好是原始嵌入數(shù)據(jù)的時機有多大？即使數(shù)據(jù)嵌入算法不夠智能和精練，一個好的數(shù)據(jù)析取算法能補償這點。在版權保護的水印應用中，判斷論被用做檢測嵌入數(shù)據(jù)的存在；在媒體橋水印應用方面，判斷論需要提取出嵌入的信息。因此，判斷論在數(shù)字水印的提取和檢測方面充當了一個重要作用。所以，為數(shù)字水印應用開展出一個可靠的，有效率和強健的檢測器非常重要。 各種各樣的信號處理算法被用在數(shù)字水印方面。這些算法都是基于人類視覺系統(tǒng)，信號變化例如：離散余弦變化DTC，噪聲特性，各種信號處理攻擊等。在應用和上下文的根底上，這些方法可以被當作編碼員或者譯碼機或者兩者的工具。使用者可以靈活的混合搭配不同的基于應用和

15、計算約束的技術。雖然一些問題，例如畫面質量，強健，和實時約束可以被接納，但是之前討論過的數(shù)據(jù)水印使用單一算法能否到達令人滿意的特性仍然不太清楚。在很多情況下，這些特性有很多內在的交易，因此，開展信號處理方法去對抗數(shù)據(jù)水印特性競爭間的平衡是必須的。密碼學的問題是很多信息隱藏應用的核心，但不幸的是幾乎沒有人注意?？赡苓@是因為數(shù)字水印的好多工作都是在信號處理和交流公共信息，因此，密碼學專家對秘密通信和共謀抵抗指紋更加關注。它常常被假定使用了簡單的原始密碼學，就如譯成密碼，時間印記，數(shù)字簽名等等，造成了平安的信息隱藏應用。我們相信，這離真理還很遠。事實上，我們相信平安的數(shù)字水印技術的設計要求密碼學，信

16、息論和信號處理錯綜復雜的混合。剩下的章節(jié)是這么安排的：在第2章我們描述了脆弱和半脆弱水印，第3章處理強健水印，水印的通信和信息理論在第4章討論。2脆弱和半脆弱水印在模擬世界中，通常一個圖像照片是描述事件存在的證據(jù)。數(shù)字圖象的優(yōu)點和他們的易操作性，改變了這個戲劇性的處境。對于一個給予的圖像，不管是數(shù)字或模擬形式，都不能確保它的可靠性。這就需要圖像證明技術。幾十年來證明技術已經(jīng)在密碼學中研究過，他們提供了一個證明消息完整的方法。所以初看起來，圖像證明技術的需要同密碼學開展中的很多有效的證明技術那樣不會造成問題。遺憾的是，這離真相還很遠?？紤]到存在的大量多余圖像數(shù)據(jù)，目前圖像證明技術的要求的是唯一問

17、題是由普通的密碼學證明技術準備的。在下面我們列舉了一些問題。相比于在圖像內容方面的應用，內容的表現(xiàn)形式是可取的，例如，是圖像格式從JPEG向GIF轉變。只要可感知的內容沒變，人們喜歡證明不同表現(xiàn)中差異的成立。通常，證明技術基于密碼學HASH函數(shù)，信息摘要和數(shù)字簽名只能證明表現(xiàn)形式為真。要證明圖像內容為真時，證明者自主的嵌入信息是可取的。這樣做的一個好處是，證明就不要求修改大量圖片內容存在的表現(xiàn)形式如GIF格式。不管怎樣，在我們看來，最重要的優(yōu)點是證明在圖像中嵌入的標簽可以在各種不同形式的數(shù)據(jù)編碼中保存下來，包括在一個完整透明的方式下模擬數(shù)字和數(shù)字模擬轉換。要證明圖像內容為真時，不僅要檢測到內容

18、被修改了，還要檢測到被修改內容確實切位置。對于數(shù)據(jù)高度集中的圖像內容，在硬件和軟件中，任何證明技術在一個實時工具上有效率的計算都應該是可能的。以上問題將會被基于數(shù)字水印的圖像證明技術解決，在證明的應用發(fā)面有兩種水印技術被開發(fā)出來易碎水印技術和穩(wěn)健水印技術。在本節(jié)剩下的內容中，我們通過給出一些有說明性的例子描述普通的類似現(xiàn)象21脆弱水印脆弱水印是用來表示圖像中的任何細小的修改，舉例說明脆弱水印最根本的用法，我們描述最近由Wong和Memon提出的技術。這個技術是在m*l圖像X中插入一個無形的水印W，原始的圖像X被分成k*l的小塊Xr，同樣的，水印也被分割成同樣的小塊Wr。對于每塊圖像Xr都有相應

19、的塊生成，和Xr最大的差異是在中的每個元素的最低有效位都置0。對于每個Xr，用密碼學的哈斯如MD5計算，其中K是用戶的密鑰。哈斯輸出的第一個kl字符，排成一個矩形陣列，和當前的水印塊Wr異或就形成一個新的二元塊Cr，Cr的每個元素都被插入相應元素的最低有效位，產(chǎn)生一個輸出塊。圖像證明是通過提取在每一個水印圖像的塊中的Cr，然后通過和如上方法類似的方法與異或，產(chǎn)生一個提取出來的水印塊。水印過的圖像變化使得相應二元水印領域也產(chǎn)生變化，使技術使圖像未經(jīng)授權的改變局部化。水印算法能被擴展一個公開密鑰的算法，需要把公開算法的私鑰插入水印。然而，提取方法只要求使用者A的公鑰，更明確的說，在算法公開密鑰的版

20、本中，圖像數(shù)據(jù)塊Xr和圖像大小參數(shù)被分開，這就出現(xiàn)了用公鑰提取的算法。提取出來的塊在合并的結果被嵌入塊的最低有效位之前和當前的二元水印塊Wr異或在提取過程中，相同的MSB數(shù)據(jù)和圖像參數(shù)被分散。數(shù)據(jù)塊密文的最低有效位是用公鑰提取，然后和哈斯函數(shù)異或產(chǎn)生一個水印塊。水印的插入和取出是各自獨立的。上面的技術只是脆弱水印技術的一個例子，在文獻中有很多類似的例子。脆弱水印技術中主要希望被解決的問題是：位置：這個技術怎么認出被修改象素的精確位置，在上面描述的技術只能認出被修改的數(shù)據(jù)塊至少12*12。被修改的任何一個比這小的區(qū)域就不能被發(fā)現(xiàn)。透明：水印的插入使圖片質量下降了多少？平安：對于一個不知道插入水印

21、的人在圖像中插入水印是簡單還是困難？22 半脆弱水印 在之前章節(jié)中描述的方法認證多媒體內容中的數(shù)據(jù)，認證過程并不對這些數(shù)據(jù)和其它流媒體數(shù)據(jù)區(qū)別處理。在多媒體內容中插入簽名的進程把數(shù)據(jù)流當成人能觀察到景象處理。例如，一個水印系統(tǒng)可以維持一個圖片整體的平均色彩，或者在原始數(shù)據(jù)流的最低有效位插入水印和使他們不可感知，或者和圖像內容無關。所有的多媒體內容都有一定數(shù)量的多余的，這就是說數(shù)據(jù)的表現(xiàn)內容可以在不被感知的情況下改變。進一步說，即使是可感知的改變也有可能不影響內容。舉例來說，當處理圖像時，可以使圖像發(fā)光，無損壓縮或者改變比照度。由操作造成的改變是可以感知的，是可取的，但是圖像內容是沒有改變的。在

22、圖像中的物體在相同位置上設置仍是可認出的。證明使用多媒體證件考慮到允許操作，圖像文本關于允許首要的，剩下次要的。任何證明都應該被證實因為它是真正的有用。最近有一些對付圖像內容證明技術的攻擊，不僅是圖像數(shù)據(jù)。一個靠近使用特征點的圖像文本是強健的圖象壓縮。圖像文本的證明方案將會被用成密碼學系統(tǒng)如證明這些特征點的數(shù)字簽名。典型的特征點包括：如地圖，坐標等。問題是用這些方法很難按照一些特征定義圖像內容；如根據(jù)圖的邊緣不夠把圖像內容定義為相同，因為它可能有兩個完全不同的內容一個人的臉被另一個人取代，但是在邊緣局部是一樣的。盡管圖像攻擊和內容壓縮被解決了，圖像內容還是好多極其不清楚的地方，另一個靠近證明圖

23、像文本為真是計算圖像被嵌入和被密鑰提取出來信息的數(shù)量。對于圖像的公共密鑰，私鑰是用戶個人的密鑰，而將來任何一個有用戶公鑰的人都可以核實，如數(shù)字簽名。和被嵌入強健水印技術的圖像相比，圖像摘要要小的多，這點應該被注意到。而且，圖像摘要有原來的特性除非圖像內容改變了從本身計算出來的摘要。顯然的，圖像摘要功能是一個困難的問題，然而，這些功能中的一些在文獻中和圖像證明系統(tǒng)中設計出來。可能最廣泛引用的圖像摘要功能/證明系統(tǒng)是SARI，這是由Lin和Chang提出的。SARI證明系統(tǒng)包含圖像能使JPEG無損壓縮的摘要功能，那樣，散列比特不改變無損壓縮JPEG圖像，但是卻改變了其他相當大的一局部或者進行了惡意

24、操作。SARI的圖像文章組成是基于在兩個挑選出來的圖像塊中DTC系數(shù)的差異。他能證明這個關系是即使在JPEG整個圖像中使用同樣的量子矩陣壓縮后仍然存在。由于圖像摘要是基于這個特性，SATI可以區(qū)分JPEG的壓縮和其他惡意的修改操作。更具體的說，在SARI中，要證明的圖像先被轉換成二維的DCT，DCT塊分成不重復的如下Pp和Pq其中N是輸入圖像DTC塊的總數(shù)。一個任意的映射函數(shù)，Z被定義成滿足如下關系和PpPq=P其中，P是輸入圖像所有DCT塊的套。映射函數(shù)Z是SARI平安的中心，是不公開的。事實上，Z是基于密鑰K的。映像有效的把圖像塊分割成成對的，對于每一對塊，都有一個DCT系數(shù)。然后特征代碼

25、或者散列比特就在這對塊中比擬是否有相同的系數(shù)。如，在一隊塊中，如果DTC系數(shù)在塊Pm中的比在塊Pn中的大，就把散列比特定為1，否那么為0。很顯然，散列比特是給出了所給的塊的DTC系數(shù)間的關系，這些每個塊的散列比特就組成了輸入圖像的摘要。這些摘要可以自主的嵌入圖像或者作為一個附注。證明程序的接收端需要提取嵌入的摘要。收到圖像的摘要是由編碼和同提取和破譯出來的摘要比擬所產(chǎn)生的。由于挑選出來的DCT系數(shù)之間的關系是在JPEG壓縮后仍然存在，這個證明系統(tǒng)就能把JPEG壓縮同其他惡意的攻擊區(qū)分開來。但是，最近說明如果一個系統(tǒng)在所有圖像中使用相同的密鑰K和相同的映射函數(shù)Z來形成數(shù)據(jù)塊隊列，攻擊者有足夠多使

26、用這種證明系統(tǒng)的圖像就可以隨心所欲的偽造圖像了。雖然壓縮是最普通的圖像操作，但設計成用來證明壓縮的SARI是局限的。一些應用將會要求一些簡單的圖像處理操作如銳化，模糊等。再次，很多技術已經(jīng)被提出，但可能最有名的是Fridrich提出的。這個技術中，N隨機矩陣是有始終不變的以0，1分布的條目使用密鑰產(chǎn)生的，然后，一個低通濾波器在N隨機矩陣中的反復應用。然后通過使DC減去自身得到Pi，其中i=1,2.N。然后圖像塊B，就對這些隨機圖案進行處理，如果數(shù)據(jù)大于0，散列比特產(chǎn)生1，否那么為0。這樣，圖像證明的N比特哈斯產(chǎn)生了。由于圖案Pi沒有意義，這個設計不是依靠塊的價值而是依靠塊自身的多樣的變化。位析

27、取技術的強健性是在一個真實圖像上測試過的，它也顯示了它的可靠性：它能從一個64*64圖像中提取48個正確的比特從50比特中，以上正確率是在如下的操作中實現(xiàn)的：15%品質的JPEG壓縮，在30個灰色水平中添加不變的噪聲，50%比照調節(jié)，25%亮度調節(jié)，8色的濃淡處理，銳化，模糊，馬賽克處理，直方圖平坦化和拉伸，提高邊緣，在0.7-1.5范圍內修正。然而，類似凸飾和幾何變換如旋轉，變換，改變比例的操作將會不能成功提取出正確的比特?？傮w來說，使用視覺散列函數(shù)和用強健水印嵌入散列的圖像內容證明是一個有希望的領域，未來將會看到這方面的很多開展。這是一個很困難的問題，我們疑心是否有一個完全令人滿意的答案。

28、那樣的主要原因圖像內容的定義還不清楚，對圖像的小改動講會導致一個不同的內容。3強健水印同脆弱水印不同，強健水印對有意或無意攻擊或信號處理操作是有彈性的。理想狀態(tài)下，它能抵抗破壞和移除攻擊。強健水印包含了如下特性：感知的透明：強健性一定不能以犧牲可發(fā)覺的降低水印的數(shù)據(jù)為代價。如，一個高能水印能對抗很多信號處理攻擊；但是，即使沒有攻擊，它也能造成水印圖像畫面品質的大量失真。高負載：一個強健水印應該有能力在攻擊面前可靠的攜帶大量信息。對旋轉，裁剪，縮放等幾何操作有彈性。強健性可以對抗由多分水印數(shù)據(jù)創(chuàng)造出來的水印攻擊。計算簡單：當設計強健水印時，對復雜計算的考慮是很重要的。如果一個水印算法很強健但是在

29、編碼和譯碼的過程中計算復雜的話，這個水印在現(xiàn)實生活的用處是有限的。把水印嵌入圖像中可覺察的微小成分中會對水印圖像造成極微小的變形。但是，我們注意到，這種水印技術對有意和無意的攻擊不夠強健。例如，如果水印圖像進行一個有損壓縮，然后壓縮算法把可發(fā)覺的微小成分丟棄了。因此，要是水印強健，盡管我們冒著造成可發(fā)覺變形的危險，它必須被放在一個圖像可感知的重要成分中。這樣就出現(xiàn)了兩個重要問題：1，什么是一個信號可感知的重要成分？2，怎么樣才能使由于強健水印引起的感知降低估計？第一個問題的答案是根據(jù)多媒體音頻，圖象或者視頻的形式?jīng)Q定的。如，一些空間頻率和一些空間特性如插入圖像是可感知的標志。所以，選擇這些成分

30、添加強健水印對一些操作如有損壓縮不利。水印插入可感知的標志成分有很多方法，但是，一定要使承運者的特性和原始特性相一致。在大局部強健水印算法中使用的一個常用技術是改編水印能量去適應承運者的特性。這些通常都是在原始圖像的統(tǒng)計根底上做的，這樣，水印在視覺上就不可發(fā)覺了。在過去的幾年里，很多強健水印開展起來了。有些是在空間域的，有些是在頻域的，有些是添加的水印，有些使用量子化和代替策略，有些是線性的和有些是非線性的。我們選擇詳細描述Kodak的技術是因為它清楚的提出了在強健水印技術中需要的各種要素。Kodak的水印技術空間水印技術的一個例子是基于Kodak提出的相位分散。Kodak方法有幾個理由是值得

31、注意的。1，它能被用做參加灰度圖像或者二進制數(shù)據(jù)。2，該技術能在沒有分開信號的條件下決定剪裁坐標。此外，用于旋轉和縮放的策略適用于在圖像領域中插入周期性水印的其他水印方法。最后，Kodak算法使用得到了0.98的成績。下面是這個技術的一個概要描述。簡單的說，只考慮了嵌入的二進制數(shù)據(jù)。二進制數(shù)字由正和負增量函數(shù)1和0代表，在消息圖像M中有一個唯一的位置。這些位置被信息樣板T明確的預定義了。一般來說，樣板圖像的尺寸是原始圖像的一局部。然后，一個和消息圖像有相同尺寸的承運圖像是使用密鑰后產(chǎn)生的。承運圖像是在傅立葉領域中個空間頻率分配一個均勻隨機相位所產(chǎn)生的。承運圖像被消息圖像圍繞著，為了產(chǎn)生分散的消

32、息，然后參加原始圖像。因為消息圖像一般比原始圖像小，原始圖像被分成幾個不重疊的緊接著的和消息圖像同樣大小的方塊Xr。消息嵌入過程根據(jù)如下關系創(chuàng)造了水印圖像塊：其中，*代表循環(huán)卷積，選擇一個任意常數(shù)使嵌入消息無形的和普通進程強健。在上式中，很明顯對消息圖像沒有限制，它的象素值可以是二元的也可以是多元的。根底提取進程很簡單，是由被用來嵌入消息的相同的承運圖像構成。提取出來的信息圖像用如下式子：其中N代表循環(huán)的相互關系，承運者之間的相互關系可以有點展開函數(shù)，由于繚繞操作和替換上式為：取出的消息是原始消息和一個由原始消息和承運者異或所產(chǎn)生的低噪聲的線性版本。原始消息可以被任何一種普通的恢復技術如Wie

33、ner過濾器恢復。然而，對于一個理想的承運者，p(x; y)是一個增量函數(shù)，水印取出進程會造成消息圖像和低噪聲的版本。當噪聲成分由于圖像成分在塊與塊之間變動而減少時，塊的總和補充了水印成分。為了創(chuàng)造一個足夠強健的系統(tǒng)，在設計承運者和消息樣板時很多因素都應該被考慮到。一般來說，載體的設計需要考慮到嵌入消息的視覺透明，提取出來的信號質量和圖象處理的強健性。對視覺透明來說，很多載體的能量應該被集中在更高的空間頻率中因為人類視覺系統(tǒng)的比照靈敏度功能CSF在高頻時會下降。要提高提取出來信號的質量，承運者的相關函數(shù)p(x; y)應該離增量函數(shù)越近越好，形成一個平的頻譜。此外，要把承運者的能源分散到所有頻率

34、中以提高對友善和惡意攻擊的強健性。這是因為典型形象的功率譜隨著空間頻率的下降和在高頻承運者能源集中情況下，在形象和嵌入的水印之間將建立小頻率互搭透入，通過簡單的低通濾波器是水印變的易受移除之害。承運者的設計是這些相關之間的平衡。最優(yōu)消息樣板的設計是由2個要求引導的。首先，最大化提取出來的信號的質量，該信號是通過把消息的位置最大的別離來達成的。其次是嵌入的信息一定要能從水印圖像的裁剪版本中恢復出來。考慮到水印圖像被裁剪以致在裁剪的圖像中的水印被原始圖像中的水印置換的情況，顯示出從被裁剪的圖像中提取的消息是從沒被裁剪圖像中提取的循環(huán)轉換版本。由于消息樣板是知道的，轉換的數(shù)量可以被不模糊地決定以保證

35、所有從沒裁剪圖像提取出來的消息循環(huán)的移位是唯一的。這可以通過建立一個有自相關于增量函數(shù)的消息樣板來達成的。雖然實際上，消息樣板的自相關是理想的增量函數(shù)的情況是不可能的，最優(yōu)化技術如模擬可以被用來設計一個有最大化的別離和最小化的消息樣本。對旋轉和縮放的處理是強健數(shù)據(jù)嵌入技術的根本要求。幾乎所有需要印刷和掃描的應用將造成一些程度的變形和轉動。很多依賴于添加標定信號和對轉動和縮放恰當?shù)乃惴ㄘ摀饲度胂到y(tǒng)的信息容量。作為替代，Kodak使用水印圖像的自相關來判斷不要求獨立標定信號的旋轉和縮放參數(shù)。這個方法也能適用于任何嵌入的圖像被字幕替代的嵌入技術。它也能對本地領域執(zhí)行以對低位幾何變形。要知道這個方法

36、怎么應用，就要考慮到一個沒有被旋轉和縮放的水印圖像自相關函數(shù)。在零位移，由于圖像相關和自己有一個頂峰。雖然如此，由于嵌入的消息模式在沒個字幕中被取代，較低重要的相互關系頂點也能被認為在等同于字幕尺寸的水平和垂直的正常排列。旋轉和縮放用我們影響圖像的同樣的方法準確影響了第二頂點的相對位置。適當?shù)靥綔y這些頂點，旋轉和縮放的準確數(shù)量可以被判斷出來。并不令人吃驚的，一個原始圖像的能量比嵌入的信息能量大的多，原始圖像的自相關能偽裝周期性峰值的檢測。低估這個問題，水印圖像需要被提起，優(yōu)先的自相關函數(shù)計算方法。這些預處理的例子包括移走適應技術的占空間的平均數(shù)或者簡單高通濾波器。此外，自相關函數(shù)是高通濾波器以

37、放大峰值。4通信和信息論方面通信和信息理論局部主要關注對水印系統(tǒng)的分析。他們處理水印編碼，攻擊和解碼的抽象數(shù)學模型。這些模型使水印的學習到達一個高的水平，因此，使用這些技術的結果是有很多各種各樣的應用。一套好的數(shù)據(jù)模型是基于概率和隨機過程思想上的，它允許水印技術的嚴格的學習。然而，一個從事者的普通抱怨說這些流行的數(shù)學思想沒有被完成應用于實踐。因此，我們注意到這點，學習基于通信和信息思想的水印是正在進行的，其中的思想是基于來自操縱水印應用的反應被提出和修改的。在這節(jié)中，我們描述了一些數(shù)字水印方面的通信和信息論思想。我們首先描述了標準通信和當前水印系統(tǒng)的相似點和不同點。一旦確定，它變得更簡單來匹配

38、水印消息的思想和預言水印系統(tǒng)的表現(xiàn)。接下來是討論我們描述的一些適用于水印的信息思想模型。41做交流用的水印標志適應技術的標準通信理論和改良使用模型的算法是很普遍和受歡送的。水印媒體的變形是由可知或者不可知的攻擊或信號處理操作造成的。嵌入的水印最后是由水印譯碼機接收。在譯碼機那邊可以看到兩個模型中最主要的區(qū)別：在通信系統(tǒng)中，編碼是為了保護信息流在傳輸過程中不變形，而在水印中，重點突出的技術是最小化水印內容的可感知度。表1是傳統(tǒng)通信系統(tǒng)和水印系統(tǒng)的比擬總結。從表中我們可以看出數(shù)字通信系統(tǒng)模型和算法的學習直接適用于水印的某些方面。這兩個系統(tǒng)有同樣的約束如能力和可靠性表1通信系統(tǒng)水印系統(tǒng)信息水印通信輸

39、送大量信號如圖像，視頻等由于物理限制在傳輸信號上的約束由于音頻/視覺效果限制在水印上的約束干預大量信號和水印攻擊在發(fā)射機和/或接收端 輔助信息大量信號的知識，在編碼和/或譯碼 水印參數(shù)信道容量水印容量42信息論分析適用于信息存儲和傳輸?shù)男畔⑺枷敕椒▽⒑艹晒?。這兒，信息和通道是可能性的模型，他們的特性是加以分析地研究的。在過去的50年，努力產(chǎn)生了很多關于各種傳播渠道容量的有趣結果。能通過一個傳播通道的信息的最大值，這樣，破解的信息有小幾率是錯誤的也是有可能的。使用通信和水印通道的相似處，使用信息思想分析計算出水印通道所帶信息量的范圍是可能的。在這節(jié)中，提出了如下兩個重要問題：能在主信號中可靠插入

40、的水印信息的長度是多少？我們怎么設計一個水印算法能有效的計算出這個最大值？這些問題的答復要在幾個假設條件下，我們假設水印信號，主信號和隨機水印密鑰的概率模型，然后在水印編碼中參加一個畸變限制。這個限制是用來做模型和控制由水印插入引起的畸變。例如，在圖像或者視頻水印中，畸變量是在人視覺感知標準的根底上的。在應用的根底上，水印插入能使用一個適宜的畸變量和在插入過程中的這個畸變量的值。一個水印攻擊者有一個相同的畸變限制，這樣，攻擊就不會造成一個被完全破壞的水印信號的所有有關局部失效。編碼員，攻擊者和譯碼員知道的消息是在數(shù)學模型連接概率分布的。然后，水印容量是由水印可靠插入的極大比率和任何滿足限制的攻擊規(guī)定的。這個問題可以被配制成公式像一個隨機的游戲其中游戲者是水印編碼員和攻擊者。這個游戲中的普通結果函數(shù)是在隨機變量代表輸入和輸入水印之間的交互信息。我們現(xiàn)在討論之上提到的數(shù)學功能的細節(jié)。使一個水印或者消息W連接到譯碼員。這被參加一個長度為N的序列，代表主信號。讓水印密鑰被編碼者和譯碼者知道。然后，使用W，和的水印信號是由編碼員成功的。例如，轉換根本圖片水印，每個Xi可以代表一個8*8的離散余弦變換系數(shù)塊，可以是擴展頻鋪水印，可以是水印嵌入位置轉換系數(shù)的定位。因此，一個512*512的圖像中N=40