【正文】 某種改動(dòng)后，比如在傳輸、壓縮、濾波，圖像的幾何變換如平移、伸縮、旋轉(zhuǎn)、剪裁等處理下，數(shù)字水印不容易被破壞。 數(shù)字水印的概念和基本原理 數(shù)字水?。?Digital Watermark）技術(shù)是通過(guò)一定的算法將一些標(biāo)志性信息直接嵌入到多媒體內(nèi)容當(dāng)中，但不影響原內(nèi)容的價(jià)值和使用，并且不能被人的知覺(jué)系統(tǒng)覺(jué)察或注意到，只有通過(guò)專用的檢測(cè)器或閱讀器才能提取。 致謝 ...........................................錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過(guò)的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過(guò)的材料。論文中介紹了數(shù)字水印技術(shù)及其原理、特點(diǎn)以及目前的應(yīng)用狀況等等。近年來(lái)，國(guó)外許多學(xué)者提出了一系列新的信息安全保護(hù)思想，特別是在知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)、防篡國(guó)際信息內(nèi)嵌注釋等領(lǐng)域提出了嶄新的防范和保護(hù)措施。信息隱藏與數(shù)字水印技術(shù)就是一種新的數(shù)字媒體保護(hù)措施，它是將特定的信息 (如版權(quán)信息、秘密消息等 )嵌入到圖像、語(yǔ)音、視頻及文本文件等各種數(shù)字媒體中，以達(dá)到標(biāo)識(shí)、注釋及版權(quán)保護(hù)等目的，同時(shí)，這種信息對(duì)宿主媒體的影響不足以引起人們的注意且具有特 定的恢復(fù)方法，此信息對(duì)非法接收者應(yīng)該是不可見(jiàn)、不可察覺(jué)的。并對(duì)數(shù)字水印算法模型、分類以及典型算法進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析，然后利用了一種 DCT算法實(shí)現(xiàn)了數(shù)字水印的嵌入和提取，并 使用剪切、壓縮、添加噪聲等幾種攻擊手段驗(yàn)證了水印的魯棒性。對(duì)本研究提供過(guò)幫助和做出過(guò)貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。 附 :英文原文 .................................................. 31 附 :中文翻譯 .................................................. 39 4 第一章． 緒論 數(shù)字水印是通過(guò)數(shù)字技術(shù)在數(shù)字產(chǎn)品上實(shí)現(xiàn)的。其中的水印信息可以是作者的序列號(hào)、公司標(biāo)志、有特殊意義的文本等，可用來(lái)識(shí)別文件、圖像或音樂(lè)制品的來(lái)源、版本、原作 者、擁有者、發(fā)行人、合法使用人對(duì)數(shù)字產(chǎn)品的擁有權(quán)。安全性 加入水印和檢測(cè)水印的 方法對(duì)沒(méi)有授權(quán)的第三方是保密的而且不可輕易被破解，即使被黑客檢測(cè)到了也不能讀出（數(shù)字水印需要加密）。如果是為了隱蔽通信 ,數(shù)據(jù)量顯然是最重要的 ,由于通信方式極為隱蔽 ,遭遇敵方篡改攻擊的可能性很小 ,因而對(duì)魯棒性要求不高。檢測(cè)階段主要是設(shè)計(jì)一個(gè)相應(yīng)于嵌入過(guò)程的檢測(cè)算法。 5 數(shù)字 水印技術(shù)及其發(fā)展 數(shù)字水印是目前國(guó)內(nèi)外科學(xué)研究的一個(gè)前沿?zé)衢T領(lǐng)域，是國(guó)際上最新的一門信息隱藏技術(shù)。嵌入的水印信息可以通過(guò)技術(shù)軟件提取或者檢測(cè)出來(lái)，如果水印信息嵌入到印刷品上，則可以通過(guò)特殊的機(jī)讀設(shè)備或軟件來(lái)檢測(cè)、提取出水印信息。由于非法攔截者從網(wǎng)絡(luò)上攔截下來(lái)的是偽裝后的資料，它們看起來(lái)與一般非機(jī)密資料沒(méi)有兩樣，因而十分容易逃過(guò)攔截者的破解。 目前進(jìn)行數(shù)字水印研究的機(jī)構(gòu)既有政府部門，也有大學(xué)和知名企業(yè)。我公司堅(jiān)持以市場(chǎng)為導(dǎo)向、以產(chǎn)業(yè)化為目的，既重視理論研究，又注重應(yīng)用開(kāi)發(fā)。多媒體信息的安全問(wèn)題是，安全傳遞、訪問(wèn)控制和版權(quán)保護(hù)。因此，有人提出數(shù)字水印代理，利用移動(dòng)代理技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò)上自動(dòng)搜尋非法或未授權(quán)的數(shù)字媒體內(nèi)容，但是，其前提是主機(jī)需要安裝相 6 應(yīng)的代理程序，因而帶來(lái)了新的安全問(wèn)題。出于對(duì)利益的考慮，數(shù)字產(chǎn)品的版權(quán)所有者迫切需要解決知識(shí)產(chǎn)權(quán) (intellectual property rights)的保護(hù)問(wèn)題。目前對(duì)數(shù)字水印 (digital watermarking)的普遍定義是指永久鑲嵌在其他數(shù)據(jù) (宿主數(shù)據(jù) )中具有可鑒別性的數(shù)字信號(hào)或模式 ,而且并不影響宿主數(shù)據(jù)的可用性。由于在網(wǎng)絡(luò)上傳播的信息大部分是文字性內(nèi)容，如：數(shù)字圖書(shū)館和檔案館以數(shù)字形式保存了大量受版權(quán)保護(hù)的文章、雜志及書(shū)籍；報(bào)刊雜志通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)行，可節(jié)省很多的人力、物力和時(shí)間；電子商務(wù)、政府上網(wǎng)等通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送許多重要文件，如政府通知、法律文書(shū)、銀行憑據(jù)等?？傊钣猩Φ难芯空n題往往處在多學(xué)科交叉的位置上，文本數(shù)字水印就是這樣一個(gè)涉及多個(gè)領(lǐng)域、涵蓋多種技術(shù)的研究方向。數(shù)字水印技術(shù)可以從不同的角度進(jìn)行劃分，下面將最常見(jiàn)的分類如下 : (1)按水印發(fā)展來(lái)看，可分為第一代水印和第二代水印。 (2)按嵌入的水印信號(hào)形式來(lái)分，可以分為有意義水印和無(wú)意義水印。版權(quán)保護(hù)水印是目前研究最多的水印，數(shù)字產(chǎn)品作為商品和知識(shí)作品強(qiáng)調(diào)了隱蔽性和穩(wěn)健性。非盲水印是在檢測(cè)過(guò)程中需要原始數(shù)據(jù)和原始水印的參與；半盲水印是不需要原始數(shù)據(jù)，但是需要原始水印進(jìn)行檢測(cè)；盲水印是不需要原始數(shù)據(jù)與不要原始水印，只是需要密鑰來(lái)檢測(cè)。 (6)從外觀上分類，可分為可見(jiàn)水印和不可見(jiàn)水印。隨著多媒體技術(shù)的發(fā)展，將出現(xiàn)更多的數(shù)字媒體，同時(shí)會(huì)出現(xiàn)與之相應(yīng)載體的數(shù)字水印技術(shù)。數(shù)字作品的所有者用密鑰產(chǎn)生一個(gè)水印，并將其嵌入原始數(shù)據(jù)，然后公開(kāi)發(fā)布他的水印版本作品。目 前，美國(guó)、日本以及荷蘭都在研究用于票據(jù)防偽的數(shù)字水印技術(shù)，其中麻省理工學(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)和復(fù)印機(jī)輸出的每幅圖像中加入唯一的、不可見(jiàn)的水印，需要時(shí)可 8 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)偽。可以簡(jiǎn)單的認(rèn)為脆弱水印是一種當(dāng)作品發(fā)生任何形式的改變后變得不可測(cè)的標(biāo)志。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)。 安全的隱秘通信：情報(bào)戰(zhàn)是信息戰(zhàn)的重要組成部分，其核心思想是利用公用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行保密數(shù)據(jù)傳送，目前采用的方式主要是“文件加密”，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。這將有效地減少遭受攻擊的可能性。作為版權(quán)信息嵌入到圖像中的秘密信息即稱為數(shù)字水印，它可以是無(wú)意義的隨機(jī)序列，也可以是文字、圖像、聲音等有意義的信息。一般地，圖像數(shù)字水印具有如下的基本特 性： (1)不可見(jiàn)性。 (2)確定性。也就是說(shuō)嵌入水印和檢測(cè)水印的方法對(duì)沒(méi)有授權(quán)的第三方是保密的而且不可輕易破解。在需要的時(shí)候，水印檢測(cè)算法能夠識(shí)別并提取嵌入在保護(hù)對(duì)象中的所有者的相關(guān)信息。 (5)魯棒性。常見(jiàn)的圖像處理和攻擊有：有損壓縮、濾波、噪聲干擾、邊緣增強(qiáng)、旋轉(zhuǎn)、伸縮、剪切、掃描等操作。 圖像數(shù)字水印的基本原理和系統(tǒng) 框架 圖像數(shù)字水印的基本原理 大多數(shù)圖像數(shù)字水印技術(shù)所遵循的基本原理是利用人類視覺(jué)的感覺(jué)冗余 性，將水印信息嵌入到同樣具有數(shù)據(jù)冗余特性的圖像中去，使得水印在圖像中不被察覺(jué)并且足夠安全。 1. 水印嵌入系統(tǒng) 水印嵌入過(guò)程中，通過(guò)嵌入算法將水印信號(hào)加在原始圖像上，生成含水印的圖像，水印可以是任何形式的數(shù)據(jù)。 水 印 W密 鑰 K嵌 入 算 法 含 水 印 圖 像原 始 圖 像 I 圖 圖像數(shù)字水印嵌入系統(tǒng)框圖 兩種常用的水印嵌入方法 如式（ 22）示： vwi =vi +awi (加法法則 ) vwi =vi(1+awi) (乘法法則 ) 其中， vi ,viw 分別表示原始圖像像素和嵌入水印的圖像像素， wi 為水印信號(hào)分量， 0 ≤ i ≤ n , α 為尺度因子。從 I 39。 =δ (I 39。 ) ≥ T (設(shè) T為閾值 )，則可判定水印存在，否則認(rèn)為水印不存在。變換域算法因具有較強(qiáng)的抵抗信號(hào)處理和惡意攻擊的能力、更便于適應(yīng)人類視覺(jué)系統(tǒng)的特性選擇不同的嵌入頻帶、與某些壓縮標(biāo)準(zhǔn)兼容等優(yōu)點(diǎn)，是目前魯棒水印算法的主流。另外一類重要的空域算法利用了圖像像素的統(tǒng)計(jì)特征，其主要思想是通過(guò)修改原始圖像像素使得原始圖像像素的某體統(tǒng)計(jì)特征發(fā)生變化，檢測(cè)時(shí)只需查看含水印圖像的統(tǒng)計(jì)特征即可，從而達(dá)到盲檢測(cè)的目的。 變換域數(shù)字水印算法 變換域算法常用的變換域有離散余弦變換（ DCT）、離散小波變換（ DWT）、 12 離散傅立葉變換（ DFT）等。 Cox 等人 [16]首先提出將水印嵌入到圖像感知重要的區(qū)域中，其思想是要破壞水印必然要破壞圖像的重要內(nèi)容，這一思想已被許多算法采用?；?DWT 的水印算法，通常是先將原始圖像進(jìn)行多級(jí)小波分解，然后再通過(guò)修改小波變換系數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)水印的嵌入。文獻(xiàn) [19]的算法將水印嵌入到圖像的 DWT 分解高頻區(qū)域，算法首先利用 Daubechies8 小波濾波器對(duì)圖像進(jìn)行三 級(jí)小波變換 然后選擇所有高頻子帶中大于閾值的系數(shù)作為嵌入位置，按照乘性規(guī)則嵌入水印，所嵌入的水印為與各高頻子帶相匹配的偽隨機(jī)實(shí)數(shù)的 Gaussian 序列，使用相 檢測(cè)方法。到目前為止，還沒(méi)有一個(gè)算法能夠真正經(jīng)得住攻擊者的任意進(jìn)攻。它主要攻擊魯棒性的數(shù)字水印，因而也可稱 13 為魯棒性攻擊。 簡(jiǎn)單攻擊只是通過(guò)對(duì)含有水印的圖像進(jìn)行某種操作來(lái)削弱或刪除嵌入的水印，而不是試圖識(shí)別水印或分離水印。實(shí)際上，相關(guān)檢測(cè)器對(duì)隨機(jī)噪聲這類攻擊是很魯棒的，因?yàn)樵趯?shí)際應(yīng)用中，噪聲并不是嚴(yán)重的問(wèn)題，除非噪聲相對(duì)于圖像來(lái)說(shuō)幅度太大或者噪聲同水印是相關(guān)的。它利用同一原始多媒體數(shù)據(jù)集合的不同水印信號(hào)版本，逼近和恢復(fù)原始數(shù)據(jù)，目的是使監(jiān)測(cè)系統(tǒng)無(wú)法在一近似的數(shù)據(jù)集合中，檢測(cè)出水印信號(hào)的存在，其中最簡(jiǎn)單的一種實(shí)現(xiàn)就是平均法。需要指出的是這里的密鑰同密碼學(xué)中的嚴(yán)格的密鑰概念是不同的，密碼學(xué)中的密鑰在 攻擊者已知加密算法、已知密文和已知明文攻擊下都 是非常難以解出的 水印中的密鑰尚無(wú)如此嚴(yán)格的要求。幾何變形攻擊是一種大面積的攻擊而不是針對(duì)單個(gè)像素的行為，采用的是對(duì)數(shù)據(jù)施加幾何變形方法，例如：縮放、偏移、旋轉(zhuǎn)、扭曲、裁剪、置換、移去或者插入等幾何變換。 馬賽克 攻擊主要用于對(duì)付 Inter 網(wǎng)上的盜版版權(quán)檢測(cè)系統(tǒng)。這個(gè)探測(cè)器自動(dòng)在網(wǎng)上下載圖片，然后根據(jù)水印檢測(cè)有無(wú)侵權(quán)行為。這種攻擊不需要攻擊者了解太多相關(guān)的水印知識(shí)，只需根據(jù)水印檢測(cè)器的輸出結(jié)果不斷的對(duì)圖像做細(xì)微修改，直至水印不能被檢測(cè)到為止。當(dāng)處于兩個(gè)閾值之間時(shí)，監(jiān)測(cè)器輸出為隨機(jī)數(shù)。而對(duì)馬賽克攻擊可以使用與圖像相關(guān)的易損水印，當(dāng)圖像被分割時(shí)，易損水印能報(bào)告圖像的失真情況。攻擊時(shí)，攻擊者首先生成自己的水印 W39。 在解釋攻擊中，圖像像素值或許改變或許不改變。攻擊者希望在法庭上利用此類攻擊，他們的攻擊是在水印方案所提供的技術(shù)或科學(xué)證據(jù)的范圍之外而進(jìn)行的。作為一個(gè)起點(diǎn)，首先應(yīng)致力于建立一個(gè)綜合全面的法律基礎(chǔ)，以確保正當(dāng)?shù)氖褂盟『屠盟〖夹g(shù)來(lái)提供保護(hù)，同時(shí)，避免合法攻擊導(dǎo)致降低水印應(yīng)有的保護(hù)作用。數(shù)字水印技術(shù)主要應(yīng)用于版權(quán)保護(hù)和網(wǎng)絡(luò)信息安全，是一種容易的、有效的手段，是傳統(tǒng)加密技術(shù)的有效補(bǔ)充。二維有限長(zhǎng)度離散序列 x(i， k)， 0≤i≤N1l，0≤k≤N2l 則 用 :x={xik, 0≤i≤N1l， 0≤k≤N2l }或矩陣 x={xik}N1N2 表示。 JPEG 系統(tǒng)將要壓縮的圖像轉(zhuǎn)化為 brYCC 顏色空間 (每一個(gè)顏色元素表示為一個(gè)亮 度成分 (Y)和兩個(gè)不同色度成分( bC , rC )，并把每一個(gè)顏色平面分成 8 8 的像素塊，然后，對(duì)所有的塊進(jìn)行 DCT 變換。量化后獲得的 DCT 系數(shù)通過(guò)編碼器進(jìn)行壓縮。 DCT變換還可以用來(lái)對(duì)圖像水印信息進(jìn)行處理，是數(shù)碼率壓縮需要常用的一個(gè)變換編碼方法，先將整體圖像分成 N*N像素塊，然后對(duì) N*N像素塊逐一進(jìn)行 DCT變換。一個(gè) 8*8的二維數(shù)據(jù)塊經(jīng) DCT后變 8*8個(gè)變換系數(shù)，當(dāng) U=0， V=0時(shí)， F(0，0)是原 64個(gè)樣值的平均，相當(dāng)于直流分量，隨著 U， V值增加，相應(yīng)系數(shù)分別代表逐步增加的水平空間頻率和垂直空間頻率分量的大小。考慮垂直方向上的變化，就需要一個(gè)二維的基底，該基底要同時(shí)反映水平方向和垂直方向頻率的變化，對(duì)應(yīng)于 8*8的像素塊，它是由 64個(gè)像素值所組成的圖像。經(jīng) DCT變換以后系數(shù)大多數(shù)集中在左上角，通過(guò)“之”字型按二維頻率的高低順序讀出系數(shù)以降低碼率 . 離散余弦變換的特點(diǎn) 二維離散余弦變換目前最常使用的有損數(shù)字圖像壓縮系統(tǒng) JPEG 系統(tǒng)的核 19 心。由于大多數(shù)圖像的高頻分量較小，相應(yīng)于圖像高頻成分的系數(shù)經(jīng)常為零，加上人眼對(duì)高頻成分的失真不太敏感，所以可用更粗的量化。當(dāng)然也可以對(duì)整幅圖像進(jìn)行DCT 變換，這樣變換后的系數(shù)矩陣就體現(xiàn)了整幅圖像的特點(diǎn)，但是運(yùn)算速 度比分塊 DCT 要慢。 圖 是圖 經(jīng)過(guò) DCT 變換后得到的系數(shù)圖像。因此，數(shù)字水印算法面臨的第一個(gè)考驗(yàn)就是壓縮。因此，近年來(lái)的水印算法研究集中在變換域算法及利用人眼視覺(jué)特性上。而多數(shù)圖像處理方法對(duì)于圖像高頻部分的損壞程度較高，如有損壓縮、高頻濾波等。因此在本文中數(shù)字水印的嵌入選在圖像 DCT 變換中重要分量的幅度成分中 (幅值較大的 n個(gè)系數(shù)作為重要分量 )。 Cox 等指出由高斯隨機(jī)序列構(gòu)成的水印信號(hào)具有良好的魯棒性，在許多文獻(xiàn)中也都是將高斯隨機(jī)序列作為水印信號(hào)。 Cox 等認(rèn)為圖像水印應(yīng)該放在視覺(jué)上最重要的分量上。其嵌入公式為 : ` (1 )kv v ax?? 。 相似度計(jì)算 定義被恢復(fù)出的水印信號(hào) W? 和原始水印信號(hào) W 的相似程度為 : 11. . . 200( , ) ( * ) / ( )nni i iiiW W x x x? ????? ?? 根據(jù)相似度的值即可判斷圖像中是否含有水印信號(hào)，從而達(dá)到版權(quán)保護(hù)的