幾種水印算法詳解

1、水印算法近年來，數(shù)字水印技術(shù)研究取得了很大的進(jìn)步，下面對(duì)一些典型的算法進(jìn)行 了分析，除特別指明外，這些算法主要針對(duì)圖像數(shù)據(jù)(某些算法也適合視頻和音 頻數(shù)據(jù))?？沼蛩惴ㄔ擃愃惴ㄖ械湫偷乃∷惴ㄊ菍⑿畔⑶度氲诫S機(jī)選擇的圖像點(diǎn)中最不重要 的像素位(LSB:least significant bits)上，這可保證嵌入的水印是不可見的。但是 由于使用了圖像不重要的像素位，算法的魯棒性差，水印信息很容易為濾波、圖 像量化、幾何變形的操作破壞。另外一個(gè)常用方法是利用像素的統(tǒng)計(jì)特征將信息 嵌入像素的亮度值中。Patchwork 算法方法是隨機(jī)選擇N對(duì)像素點(diǎn)(ai，bi)，然后將每個(gè)ai點(diǎn)的亮度值加1 , 每

2、個(gè)bi點(diǎn)的亮度值減1,這樣整個(gè)圖像的平均亮度保持不變。適當(dāng)?shù)卣{(diào)整參數(shù), Patchwork方法對(duì)JPEG壓縮、FIR濾波以及圖像裁剪有一定的抵抗力，但該方 法嵌入的信息量有限。為了嵌入更多的水印信息，可以將圖像分塊，然后對(duì)每一 個(gè)圖像塊進(jìn)行嵌入操作。變換域算法該類算法中，大部分水印算法采用了擴(kuò)展頻譜通信(spread spectrum communication)技術(shù)。算法實(shí)現(xiàn)過程為：先計(jì)算圖像的離散余弦變換(DCT)，然 后將水印疊加到DCT域中幅值最大的前k系數(shù)上(不包括直流分量)，通常為圖 像的低頻分量。若DCT系數(shù)的前k個(gè)最大分量表示為D=，i=1，k，水印 是服從高斯分布的隨機(jī)實(shí)數(shù)序

3、列W =，i=1，k，那么水印的嵌入算法為 di = di(1 + awi)，其中常數(shù)a為尺度因子，控制水印添加的強(qiáng)度。然后用新的系 數(shù)做反變換得到水印圖像I。解碼函數(shù)則分別計(jì)算原始圖像I和水印圖像I*的離 散余弦變換，并提取嵌入的水印W*，再做相關(guān)檢驗(yàn)以確定水印的存在與否。該 方法即使當(dāng)水印圖像經(jīng)過一些通用的幾何變形和信號(hào)處理操作而產(chǎn)生比較明顯 的變形后仍然能夠提取出一個(gè)可信賴的水印拷貝。一個(gè)簡(jiǎn)單改進(jìn)是不將水印嵌入 到DCT域的低頻分量上，而是嵌入到中頻分量上以調(diào)節(jié)水印的頑健性與不可見 性之間的矛盾。另外，還可以將數(shù)字圖像的空間域數(shù)據(jù)通過離散傅里葉變換(DFT) 或離散小波變換（DWT）轉(zhuǎn)化

4、為相應(yīng)的頻域系數(shù)；其次，根據(jù)待隱藏的信息類型， 對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)編碼或變形；再次，根據(jù)隱藏信息量的大小和其相應(yīng)的安全目標(biāo)， 選擇某些類型的頻域系數(shù)序列（如高頻或中頻或低頻）；再次，確定某種規(guī)則或 算法，用待隱藏的信息的相應(yīng)數(shù)據(jù)去修改前面選定的頻域系數(shù)序列；最后，將數(shù) 字圖像的頻域系數(shù)經(jīng)相應(yīng)的反變換轉(zhuǎn)化為空間域數(shù)據(jù)。該類算法的隱藏和提取信 息操作復(fù)雜，隱藏信息量不能很大，但抗攻擊能力強(qiáng)，很適合于數(shù)字作品版權(quán)保 護(hù)的數(shù)字水印技術(shù)中。基于離散余弦變換的數(shù)字水印最早的基于分塊DCT水印技術(shù)出現(xiàn)于E Koch，J Zhao的文獻(xiàn)。針對(duì)靜止 圖像和視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)（JPEG和MPEG），他們的水印方案中圖像也被分

5、成8x8 的塊，由一個(gè)密鑰隨機(jī)的選擇圖像的一些分塊，在頻域的中頻上稍微改變一個(gè)三 元組以隱藏二進(jìn)序列信息。選擇在中頻分量編碼是因?yàn)樵诟哳l編碼易于被各種信 號(hào)處理方法破壞，而在低頻編碼則由于人的視覺對(duì)低頻分量很敏感，對(duì)低頻分量 的改變易于被察覺。未經(jīng)授權(quán)者由于不知道水印嵌入的區(qū)域，因此是很難測(cè)出水 印的，此外，該水印算法對(duì)有損壓縮和低通濾波是魯棒的。將圖像分割成8x8 塊，并對(duì)每個(gè)塊做DCT變換，然后隨機(jī)選擇構(gòu)造所有塊的一個(gè)子集，對(duì)子集的 每一個(gè)塊，選擇一組頻率并嵌入二進(jìn)制水印信息。由于頻率組的選擇不是基于最 顯著分量，并且頻率系數(shù)的方差較小，因此該方法對(duì)噪聲、幾何變形以及多文檔 攻擊比較敏感。

6、Cox等人于1995年提出了基于圖像全局變換的水印方法，稱之為擴(kuò)頻法。 這也是目前大部分變換域水印算法中所用到的技術(shù)。它將滿足正態(tài)分布的偽隨機(jī) 序列加入到圖像的DCT變換后視覺最重要系數(shù)中，利用了序列擴(kuò)頻技術(shù)（SS） 和人類視覺特性（HVS）。算法原理為先選定視覺重要系數(shù)，再進(jìn)行修改，最常 用的嵌入規(guī)則如下：其中分別是修改前和修改后的頻域系數(shù)，a是縮放因子，是第i個(gè)信息位水 印一般說來，乘法準(zhǔn)則的抗失真性能要優(yōu)于加法準(zhǔn)則。水印的檢測(cè)是通過計(jì)算 相關(guān)函數(shù)實(shí)現(xiàn)的。從嵌入水印的圖像中提取出是嵌入規(guī)則的逆過程，把提取出來 的水印與原水印作相似性運(yùn)算，與制定的閾值比較，可確定是否存在水印。這是 穩(wěn)健性水

7、印的奠基性算法。Chiou-Ting Hsu等人提出一種基于分塊DCT的水印，他們的水印是可辨識(shí) 的圖像，而不是簡(jiǎn)單的一個(gè)符號(hào)或一個(gè)隨機(jī)數(shù)。通過有選擇地修改圖像的中頻系 數(shù)來嵌入水印。驗(yàn)證時(shí)，衡量提取出的水印同原水印之間的相似性來判斷是否加 入了水印基于離散小波變換的數(shù)字水印與傳統(tǒng)的DCT變換相比，小波變換是一種變分辨率的，將時(shí)域與頻域相聯(lián) 合的分析方法，時(shí)間窗的大小隨頻率自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，更加符合人眼視覺特性。小 波分析在時(shí)、頻域同時(shí)具有良好的局部性，為傳統(tǒng)的時(shí)域分析和頻域分析提供了 良好的結(jié)合6。目前，小波分析已經(jīng)廣泛應(yīng)用于數(shù)字圖像和視頻的壓縮編碼、計(jì)算機(jī)視覺、 紋理特征識(shí)別等領(lǐng)域。由于小波分

8、析在圖像處理上的許多特點(diǎn)可用于信息隱藏的 研究，所以這種分析方法在信息隱藏和數(shù)字水印領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越受到廣大研 究者的重視，目前已經(jīng)有很多比較典型的基于離散小波變換的數(shù)字水印算法。除了上述有代表性的變換域算法外，還有一些變換域水印算法，它們中有相 當(dāng)一部分是上述算法的改進(jìn)及發(fā)展?？偟膩碚f，與空域的方法相比，變換域的方法具有如下優(yōu)點(diǎn)：在變換域中嵌入的水印信號(hào)能量可以分布到空域的所有像素上，有利于 保證水印的不可見性；在變換域，人類視覺系統(tǒng)(HVS)的某些特性(如頻率掩蔽特性)可以更 方便地結(jié)合到水印編碼過程中，因而其隱蔽性更好；變換域的方法可與國(guó)際數(shù)據(jù)壓縮標(biāo)準(zhǔn)兼容，從而易實(shí)現(xiàn)在壓縮域 (com

9、pressed domain)內(nèi)的水印算法，同時(shí)也能抵抗相應(yīng)的有損壓縮 壓縮域算法基于JPEG、MPEG標(biāo)準(zhǔn)的壓縮域數(shù)字水印系統(tǒng)不僅節(jié)省了大量的完全解碼 和重新編碼過程，而且在數(shù)字電視廣播及VOD(Video on Dema nd)中有很大的實(shí) 用價(jià)值。相應(yīng)地，水印檢測(cè)與提取也可直接在壓縮域數(shù)據(jù)中進(jìn)行。下面介紹一種 針對(duì)MPEG-2壓縮視頻數(shù)據(jù)流的數(shù)字水印方案。雖然MPEG-2數(shù)據(jù)流語法允許 把用戶數(shù)據(jù)加到數(shù)據(jù)流中，但是這種方案并不適合數(shù)字水印技術(shù)，因?yàn)橛脩魯?shù)據(jù) 可以簡(jiǎn)單地從數(shù)據(jù)流中去掉，同時(shí)，在MPEG-2編碼視頻數(shù)據(jù)流中增加用戶數(shù) 據(jù)會(huì)加大位率，使之不適于固定帶寬的應(yīng)用，所以關(guān)鍵是如何把水

10、印信號(hào)加到數(shù) 據(jù)信號(hào)中，即加入到表示視頻幀的數(shù)據(jù)流中。對(duì)于輸入的MPEG-2數(shù)據(jù)流而言， 它可分為數(shù)據(jù)頭信息、運(yùn)動(dòng)向量(用于運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償)和DCT編碼信號(hào)塊3部分，在 方案中只有MPEG-2數(shù)據(jù)流最后一部分?jǐn)?shù)據(jù)被改變，其原理是，首先對(duì)DCT編 碼數(shù)據(jù)塊中每一輸入的Huffman碼進(jìn)行解碼和逆量化，以得到當(dāng)前數(shù)據(jù)塊的一 個(gè)DCT系數(shù);其次，把相應(yīng)水印信號(hào)塊的變換系數(shù)與之相加，從而得到水印疊加 的DCT系數(shù)，再重新進(jìn)行量化和Huffman編碼，最后對(duì)新的Huffman碼字的 位數(shù)n1與原來的無水印系數(shù)的碼字nO進(jìn)行比較，只在n1不大于n0的時(shí)候， 才能傳輸水印碼字，否則傳輸原碼字，這就保證了不增加視頻

11、數(shù)據(jù)流位率。該方 法有一個(gè)問題值得考慮，即水印信號(hào)的引入是一種引起降質(zhì)的誤差信號(hào)，而基于 運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)木幋a方案會(huì)將一個(gè)誤差擴(kuò)散和累積起來，為解決此問題，該算法采取 了漂移補(bǔ)償?shù)姆桨竵淼窒蛩⌒盘?hào)的引入所引起的視覺變形。NEC算法該算法由NEC實(shí)驗(yàn)室的Cox等人提出，該算法在數(shù)字水印算法中占有重要 地位，其實(shí)現(xiàn)方法是，首先以密鑰為種子來產(chǎn)生偽隨機(jī)序列，該序列具有高斯 N(0, 1)分布，密鑰一般由作者的標(biāo)識(shí)碼和圖像的哈希值組成，其次對(duì)圖像做DCT 變換，最后用偽隨機(jī)咼斯序列來調(diào)制(疊加)該圖像除直流(DC)分量外的1000個(gè) 最大的DCT系數(shù)。該算法具有較強(qiáng)的魯棒性、安全性、透明性等。由于采用特 殊的密鑰，因此可防止IBM攻擊，而且該算法還提出了增強(qiáng)水印魯棒性和抗攻 擊算法的重要原則，即水印信號(hào)應(yīng)該嵌入源數(shù)據(jù)中對(duì)人感覺最重要的部分，這種 水印信號(hào)由獨(dú)立同分布隨機(jī)實(shí)數(shù)序列構(gòu)成，且該實(shí)數(shù)序列應(yīng)該具有高斯分布 N(0，1)的特征。生理模型算法人的生理模型包括人類視HVS(HumanVisualSystem)和人類聽覺系統(tǒng) HAS。該模型不僅