【文章內(nèi)容簡介】 提升的關(guān)鍵 因 素，同 時也是設(shè)計水印系統(tǒng)時必 需要考慮的 因素 。 確保隱蔽性和魯棒性才能算是一個基本的水印系統(tǒng)。 數(shù)字 圖像 水印 系統(tǒng) 的分類 數(shù)字 圖像 水印 系統(tǒng) 按照不同的定義可以劃分為不同的種類： 按特性劃分 按水印的特性可以將數(shù)字 圖像 水印分為魯棒 水印 系統(tǒng) 和易損 水印 系統(tǒng) 兩 大 類。 （ 1)魯棒水印 系統(tǒng) 主要 特征是 要求 具 有 極 強的魯棒性和安全性， 比如 除了要 求在 平常河北工業(yè)大學 城市學院 20xx 屆 本科 畢業(yè)論文 6 的 圖像處理 形式 （ 例 如：濾波、噪聲、 旋轉(zhuǎn)、剪切 、壓縮等）中 水印系統(tǒng)能正常運行外，還 要 能抵抗 暴力 攻擊 ，使用暴力方法直接抹去水印信息的能力 。 主要 用于在數(shù)字圖像 作品中 實現(xiàn)隱 藏版 權(quán)信息 ，確保作者利益。使用魯棒 水印 系統(tǒng) 在 目標 圖像 數(shù)據(jù)中嵌入 水印 信息， 當 發(fā)生 數(shù)字 圖像 版權(quán)糾紛時， 可以高效率的 保護版權(quán)所有者的權(quán)益 。 （ 2） 易損水印 系統(tǒng) ， 在作用上可以說和 魯棒水印 系統(tǒng) 的 技術(shù)特點完全 相反，易損數(shù)字水印 系統(tǒng) 主要 希望在目標圖像數(shù)據(jù) 內(nèi)容發(fā)生 一定的 改變時， 嵌入其中的 水印信息 可以 發(fā)生 對應(yīng) 的改變，從而 在提取時 可以鑒定原始 目標圖像 數(shù)據(jù)是否被 惡意 篡改 使用 。易損水印 系統(tǒng) 在 面 對 平常的 圖像處理 形式 （ 例 如：濾波、 旋轉(zhuǎn)、 噪聲、替換、壓縮等）時要 有較強的 不可丟失性 ，同時 還 要求 具有對處理操作有 較強的敏感性，即 隨著原始目標圖 像數(shù)據(jù)的改變丟失 ， 提取水印時要將發(fā)生的改變和丟失信息的狀態(tài)表現(xiàn) 出來 ，基于這種 對 原始 信號 變 動 的 敏感 特點 ， 檢測者只需根據(jù) 易損水印的 改變 狀態(tài)就可以 得出原始 數(shù)據(jù)是否被 惡意修 改過 [23]。 按檢測過程劃分 按 數(shù)字 水印的 提取方式 可以將數(shù)字 圖像 水印 系統(tǒng) 劃分為明文水印 系統(tǒng) 和盲水印系統(tǒng) 。明文水印在 提取水印信息的 過程中需要 用到 原始 的目標 圖像 ，而盲水印的 提取過程 只需要 提供 密鑰，不需要原始 圖像 。一般來 講 ，明文水印的魯棒性比較強，但 是在提取時會用到原始圖像，存儲圖像需要空間，而這就增加了 其應(yīng)用 的 成本 ，推廣的力度 。 基于此 目前 大多數(shù) 研究的數(shù)字水印 都 是盲水印。 按隱藏位置劃分 按數(shù)字水印 處理圖像數(shù)據(jù)的 位置可以 將數(shù)字 圖像 水印 系統(tǒng) 劃分為 空 間 域 變換下的 數(shù)字水印 系統(tǒng) 和變換域 下的 數(shù)字水印 系統(tǒng) 。 空 間 域 變換下的 數(shù)字水印 系統(tǒng) 是直接在原本 處理 的數(shù)據(jù) 空間上疊加水印信息， 變換域數(shù)字水印 系統(tǒng) 則是 在變換域下基于原始數(shù)據(jù) 本身的 特點進行 像素點的 替換 或修改， 用以 來 添加水印信息 。 本文主要研究的就是基于變換域下的明文魯棒數(shù)字水印技術(shù)研究。 典型數(shù)字 圖像 水印算法介紹 在數(shù)字水印系統(tǒng)中有關(guān)數(shù)字水印算法 的 研究成果可謂是琳瑯滿目 ，在 大量瀏覽 有關(guān)數(shù)字水印算 法的參考文獻進行研究閱讀后，不難發(fā)現(xiàn)， 當 前 的數(shù)字水印算法一般都是在最初提出的幾種水印算法的理論基礎(chǔ)上，對 算法 的思想與技術(shù)方案做出的完善或改進，對數(shù)字水印系統(tǒng)能夠 繼續(xù)深入 研究的關(guān)鍵點就在于 要能夠 非常 熟悉傳統(tǒng) 的數(shù)字河北工業(yè)大學 城市學院 20xx 屆 本科 畢業(yè)論文 7 水印 算法。下面就對典型的 幾 類算法 進行分析介紹 。 空域水印算法 基于 空域 的數(shù)字水印算法的 主要思想 就 是將 水印信息嵌入到目標 圖像 所有 數(shù)據(jù)中最不重要的像素位上 ，也就是通常所說的 最低有效位（ LSB）中。 使用這種 算法的水印 系統(tǒng) 嵌入后 基本 可 以保證 水印 信息的隱蔽性。但是由于嵌入 過程發(fā)生在 圖像 最低有效的像素 位上 ， 水印信息非常容易被惡意抹去，算法魯棒性不佳。 平常的 圖像處理（ 例 如：濾波、 旋轉(zhuǎn)、 噪聲、替換、壓縮等） 操作就可以將嵌入 水印 系統(tǒng)中的水印 信息 破壞 掉，在水印系統(tǒng)的 提取 階段就難以提取出可以較清晰分辨的水印信息 。 另外一個常用 空域水印 算 法 便 是利用像素的 數(shù)據(jù) 統(tǒng)計特征將 水印 信息 根據(jù)圖像 像素的亮度值 嵌入 其 中 ，實現(xiàn)水印的嵌入 。 變換域水印算法 基于變換域的水印系統(tǒng)的 算法中，水印算法 的基本思維就是采用 擴展頻譜通信技術(shù) 進行水印嵌入 。典型算法主要有離散余弦變換算法和離散小波變換算法。 （ 1）離散余弦變換算法 離散余弦 變換算法又稱之 為 DCT 變換算法，首次提出 水印 方案是出現(xiàn)于 E Koch，J Zhao 的文獻 ，算法 核心思維就是 基于 圖像 分塊 的 DCT 變換。水印 的具體 方案 是 首先 將 原始目標 圖像 分成 一個個小的 8 8 塊，由 密鑰隨機的選擇圖像的一些 小 分塊，在中頻 域 上稍微 變 換三元組，從而將 二進 制水印 信息序列 進行嵌入 。 由于 高頻 部分 易于被各種信號處理方法破壞 ，而 低頻 部分 則由于人的視覺 特性， 對 圖像低頻部分 很敏感， 一旦改變 低頻 部分較容易被發(fā)現(xiàn)，為了平衡 選擇 在中頻部分編碼 [24]。 （ 2）離散小波變換算法 小波變換 的思想是經(jīng)由 傅立葉變換 思想發(fā)展 而來 ， 是 同時基于 空間和頻率的局部變換 算法 ，在頻域和時域同時 可以表現(xiàn)出 良好的局部化特征。小波變換在圖像處理中的 核心 思想是 將目標 圖像 經(jīng)過小波變換后分解成不同 空間和 若干獨立的頻帶子圖，然后對子圖像 進行水印嵌入，再進行小波逆變換重構(gòu)圖像，從而實現(xiàn)水印系統(tǒng)的功能 。圖像經(jīng)過小波變換后 可以 分解成四個 頻帶 子圖：水平方向 LH、垂直方向 HL 和對角線方向 HH 的中高頻細節(jié)子圖和低頻逼近子圖 LL。 對低頻部分 繼續(xù)分解， 就可以繼續(xù) 產(chǎn)生三個高頻 子 帶系列 LH HL HH2 和一個低頻帶 LL2。然后 LL2 低頻子圖依 舊可以繼續(xù)分解 ， 隨著分辨率不斷的 減小，圖像的 能量 越來越集中 [25]。 小波分解的其他 高頻河北工業(yè)大學 城市學院 20xx 屆 本科 畢業(yè)論文 8 便是 代表圖像的邊緣和紋理。 其他水印算法 （ 1）壓縮域算法 基于 JPEG 和 MPEG 標準的壓縮域數(shù)字水印系統(tǒng) 直接在壓縮域數(shù)據(jù)中進行 。這樣便可以直接節(jié)省大量的解碼和編碼過程，因此在實時通信系統(tǒng) 中 便具 有很大的實用價值。 （ 2） NEC 算法 NEC 算法在數(shù)字水印算法中占有重要地位 ，因為它 具有較強的魯棒性、安全性和透明性 。算法 實現(xiàn)方法 便是由 作者的 信息 碼和圖像的哈希值組成 水印信息，將水印信息作 為種子來產(chǎn)生具有高斯分布 的 偽隨機序列， 然后 對 目標 圖像做 DCT 變換 ，利用偽隨機高斯序列調(diào) 疊加 原 圖像除直流 (DC)分量外的 多 個最大的 DCT 系數(shù)，從而實現(xiàn)水印嵌入。 該算法由 NEC 實驗室的 Cox 等人 最先 提出 。 （ 3）生理模型算法 人的生理模型包括人類視覺系統(tǒng) (HVS)和人類聽覺系統(tǒng) (HAS)。 基于生理 模型 的方法 不僅被 用于多媒體數(shù)據(jù)壓縮 ，數(shù)字水印系統(tǒng) 亦可以利用。視覺模型的基本思想就是利用從生理 模型導出的 JND 值的 描述來確定在圖像的各個部分所能容忍的數(shù)字水印信號的最大強度，從而能避免破壞視覺質(zhì)量 、 。 水印置亂方法 圖像置亂 即是通過特定的算法將一幅 數(shù)字圖像 的各個像素點進行逐一 改變，使原始圖像 變成一幅 看起來是雜亂無章的加密圖像，讓圖像的 真實信息無法 通過視覺 直觀獲取，從而達到 為 原始圖像 加 密 的效果。 在數(shù)字圖像水印嵌入之前 對 水印信息進行置亂加密，可以達到更加保密的效果。 Arnold 置亂算法 （ 1） Arnold 置亂的定義 Arnold 變換矩陣為 1112F ??????? (21) 二維 Arnold 變換表達式為 ? ?39。 1 1 m o d39。 1 2xx Nyy? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? （ 22） 河北工業(yè)大學 城市學院 20xx 屆 本科 畢業(yè)論文 9 上面的 式中， ? ?, , 39。, 39。 1 , 2 , , 1 ,x y x y N N??為圖像矩陣階數(shù) ， ? ?,xy 為原始圖像像素位置 ， ? ?39。, 39。xy 為置亂后圖像像素位置。在數(shù)字圖像中， Arnold 變換是將原來點 ? ?,xy處像素值變換 為之 后的 ? ?39。, 39。xy 像素值，由于改變了圖像的像素值，圖像 變 隨著改變變得模糊，當 原始圖像的所有 像素 點 進行移動置換后，就可以產(chǎn)生 一幅相對原始圖像極其 混亂 、面目全非 的新圖。 每 對圖像進行一次 Arnold 變換，該圖 就會 進行一次 位置的置亂，通常過 多次 變換后就 能達到滿意 的 效果 了。 對圖像做 n 次 Arnold 位置變換的表達式為 ? ?39。 1 1 m o d39。 1 2 nxx Nyy? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? （ 23） 利用 Arnold 變換 算法 對圖像 進行 置亂，使其變成 看似雜亂無章的無法看清內(nèi)容的 圖像， 從實現(xiàn)對本身圖像內(nèi)容的加密 隱藏， 不斷的對圖像進行置亂， 置亂次數(shù)可以作 為 加密時產(chǎn)生的密鑰，從而實現(xiàn)完整的對圖像的加密過程 。 （ 2） Arnold 逆變換 通常， 不斷的對圖像進行 Arnold 置亂，隨著置亂次數(shù)的增加，圖像可能被還原，而這個置亂的次數(shù)我們稱之為 Arnold 置亂周期， Arnold 逆變換就是通過計算置亂 周期， 在復原圖像時可以輕松得到原圖。 表 1 給出了不同 圖像大小下對 圖像進 行 Arnold置亂 變換周期的 NT 。 表 21 Arnold 變換周期 N 3 4 5 6 7 8 9 10 11 NT 4 3 10 12 8 6 12 30 5 N 25 32 48 64 100 128 256 480 512 NT 50 24 12 48 150 96 192 120 384 根據(jù)實驗表明 Arnold 變換具有周期性，也就是說圖像每變換一個周期置亂的圖像就會復原一次，根據(jù)此種特性我們可以在復原圖像時再進行 NT key? 次 Arnold 置亂即可復原圖像， key 即置亂時的次數(shù)。 水印攻擊方法 在實際應(yīng)用中 ，水印面臨各種 主動攻擊。 包括一些常用的圖像處理方法。例如 濾河北工業(yè)大學 城市學院 20xx 屆 本科 畢業(yè)論文 10 波、加噪聲、替換、壓縮等 。 并且 各種類型的數(shù)字水印算法都有自己的弱點 ， 總得來說 水印是 很害怕攻擊的 。 按照攻擊方法分類 按照數(shù)字水印的攻擊方法 可 將 水印分為：魯棒性攻擊和表達攻擊。 （ 1）魯棒性攻擊 魯棒 攻擊其實 就 是直接攻擊 方法 ，目的在于 惡意去除 在 原始圖像中的 水印 信息 而不影響到 原始圖 像的使用 ，侵權(quán)者經(jīng)常使用這類方法達到盜版的目的， 這類攻擊 主要靠直接 修改圖像像素的值 的方法。 典型的 魯棒性 攻擊 處理 方 法包括 日 常用的一些信號處理方法，例如：壓縮、濾波 、旋轉(zhuǎn)、剪切 、縮放、 打印和掃描等。 當然也包括通過加上噪聲而額 意修改圖像，以減弱圖像水印的強度 。 （ 2）表達攻擊 此類攻擊 它并不 除去數(shù)字產(chǎn)品內(nèi)容中 嵌入的水印 信息，而是 通過操縱內(nèi)容從而使水印檢測器無法檢測到水印的存在 ，達到致盲水印檢測器的目的 。例如：表達攻擊可簡單地通過嵌入 一個 沒有 對齊的 水印 圖像來麻痹自動水印檢測器。實際上在表達攻擊中不對任何原始圖像的像素值進行 改變， 由于普通的 水印方案 一般 要求嵌入了水印的圖像 要正確地對齊 ， 但 此類 攻擊 方法便是 嵌入一個 沒有 對齊的水印 圖像。 那么水印的檢測 器 就無法進行 檢測 而失效 [26]。 按照攻擊原理分類 按照數(shù)字水印的攻擊原理可講水印分為下面四類 :簡單攻擊 、 同步攻擊 、 削去攻擊和混淆攻擊。 （ 1）簡單攻擊 簡單攻擊又 稱為波形攻擊、噪聲攻擊。 對整個水印 系統(tǒng) 進行操作來減 弱嵌入的水印的 強 度，導致數(shù)字水印提取 時由于信息太少，從而 發(fā)生錯誤，甚至根本 難以提取嵌入的 水印信號。常見的操作 方法有線性濾波、通用非線性濾波、壓縮、加噪聲 等。 被簡單攻擊 后的水印系統(tǒng) 看起來沒什么破壞，但在水印提取和校驗過程時只會 得到一個失真變形的水印信號。 （ 2）同步攻擊 同步攻擊又稱為禁 止提取攻擊。這種攻擊試圖破壞載體數(shù)據(jù)和水印的同步性。被攻擊的水印系統(tǒng) 中水印 信息 仍然存在， 并 且 強度不會變化，但是水印信息會發(fā)生無法挽回的 錯位 ，難以 維持正常水印提取過程所需要的同步 性 要求 。同步攻擊通常采用幾河北工業(yè)大學 城市學院 20xx 屆 本科 畢業(yè)論文 11 何變形的 方法，如 大小 縮放、空間 與時間方向的平移 、旋轉(zhuǎn)、剪切 等。 （ 3）削去攻擊