畢業(yè)設(shè)計（論文）基于curvelet變換的數(shù)字水印算法的研究

1、<p>　　哈爾濱商業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）</p><p>　　基于Curvelet變換的數(shù)字水印算法的研究</p><p>　　學(xué) 生 姓 名： 劉亞鴿 </p><p>　　指 導(dǎo) 教 師： 吳 剛 </p><p>　　專 業(yè) 班 級： 印

2、刷工程一班 </p><p>　　學(xué) 號： 201110830762 </p><p>　　學(xué) 院： 輕工學(xué)院 </p><p>　　二〇一五 年 六 月 十一 日</p><p>　　Undergraduate Graduation Project

3、 (Thesis)</p><p>　　Harbin University of Commerce</p><p>　　Research of digital watermarking algorithm based on Curvelet transform</p><p>　　2015 - 6 - 11 </p><p>　　畢業(yè)設(shè)計（

4、論文）任務(wù)書</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計（論文）審閱評語</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計（論文）審閱評語</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯評語</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　Curvelet變換是在單尺度脊波分析的基礎(chǔ)上構(gòu)造出來的一種多尺度脊波系統(tǒng)。該變

5、換在很大程度上彌補(bǔ)了小波變換的缺陷，不但具有小波變換多尺度的特點，同時還具有較強(qiáng)的方向辨識能力。而且Curvelet變換對于具有光滑奇異性曲線的目標(biāo)函數(shù)，提供了穩(wěn)定的、高效的和近乎最優(yōu)的表示。相對于小波變換來說，Curvelet變換可以更好的表達(dá)圖像，使信號能量更集中，為圖像處理提供了很多有用的信息。Curvelet變換在圖像處理及信息安全領(lǐng)域表現(xiàn)出了極大的優(yōu)勢，引起了人們的廣泛關(guān)注?；诖耍疚暮喴榻B了數(shù)字水印技術(shù)的基本概況，并在此

6、基礎(chǔ)上對基于Curvelet變換的水印算法作了詳細(xì)的介紹。</p><p>　　關(guān)鍵詞：數(shù)字水印技術(shù)；Curvelet變換；變換域算法；空域算法</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Curvelet transform is constructed on the basis of a single scal

7、e on ridgelet out of a multi-scale ridgelet system.This transformation is largely made up for the defects of wavelet transform, not only has the characteristics of multi-scale wavelet transform, also has a strong ability

8、 to identify the direction.And Curvelet transform objective function singularity with a smooth curve, providing a stable, efficient and near-optimal representation.With respect to the wavelet transform is, Curvelet tr<

9、;/p><p>　　Keywords:Digital watermarking technology;Curvelet transform;Transform domain algorithm;The airspace algorithm</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b&

10、gt;</p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　1 緒 論1</b></p><p>　　1.1研究背景及意義1</p><p>　　1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.3 本文的主要工作與內(nèi)容安排3</p><p>

11、　　1.4 本章小結(jié)4</p><p>　　2 數(shù)字水印技術(shù)簡介5</p><p>　　2.1數(shù)字水印技術(shù)的基本原理5</p><p>　　2.2數(shù)字水印技術(shù)的基本模型5</p><p>　　2.2.1水印的生成5</p><p>　　2.2.2 水印嵌入模型6</p><p>　　

12、2.2.3 水印提取模型6</p><p>　　2.2.4 水印檢測模型7</p><p>　　2.3 數(shù)字水印技術(shù)的基本特征7</p><p>　　2.4 數(shù)字水印技術(shù)的分類8</p><p>　　2.5 數(shù)字水印技術(shù)的應(yīng)用11</p><p>　　2.6 水印的攻擊方法13</p><

13、;p>　　2.7 水印的評價指標(biāo)14</p><p>　　2.8 本章小結(jié)15</p><p>　　3 數(shù)字水印的典型算法16</p><p>　　3.1 基于空間域的數(shù)字水印算法16</p><p>　　3.1.1 最低位有效算法16</p><p>　　3.1.2 Patchwork算法16<

14、;/p><p>　　3.1.3 紋理塊映射編碼法16</p><p>　　3.1.4比較分析17</p><p>　　3.2 基于變換域的數(shù)字水印算法17</p><p>　　3.2.1 離散傅立葉變換算法18</p><p>　　3.2.2 離散余弦變換算法18</p><p>　　3.

15、2.3 離散小波域變換算法19</p><p>　　3.2.4 比較分析20</p><p>　　3.3本章小結(jié)21</p><p>　　4 一種基于Curvelet變換的數(shù)字水印算法22</p><p>　　4.1 Curvelet變換的發(fā)展22</p><p>　　4.1.1傅立葉變換22</p&

16、gt;<p>　　4.1.2小波變換23</p><p>　　4.1.3脊波變換23</p><p>　　4.1.4比較分析24</p><p>　　4.2 Curvelet變換原理24</p><p>　　4.2.1 第一代Curvelet變換24</p><p>　　4.2.2 第二代Cur

17、velet變換25</p><p>　　4.3 Curvelet變換的系數(shù)特點分析26</p><p>　　4.4 Curvelet變換的實現(xiàn)方法26</p><p>　　4.5基于Curvelet變換的關(guān)鍵技術(shù)27</p><p>　　4.6 Curvelet變換存在的不足28</p><p>　　4.7

18、本章小結(jié)28</p><p><b>　　結(jié) 論29</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)30</b></p><p><b>　　致 謝33</b></p><p><b>　　1 緒 論</b></p><p&

19、gt;　　1.1研究背景及意義</p><p>　　數(shù)字水印技術(shù)自上世紀(jì)90年代以來開始蓬勃發(fā)展，與其他許多的技術(shù)一樣，數(shù)字水印技術(shù)的出現(xiàn)同樣有著深刻的歷史背景及意義。</p><p>　　二十世紀(jì)中期以來，隨著多媒體技術(shù)和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字音頻、數(shù)字圖像及數(shù)字視頻等數(shù)字化的產(chǎn)品越來越多。同時，由于Internet的便利性和廣泛性，使得數(shù)字化產(chǎn)品能以多媒體的形式在網(wǎng)絡(luò)上廣泛發(fā)布

20、并傳播，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的便捷性及優(yōu)越性給人們帶來了很大的好處[1]。然而，人們在享受網(wǎng)絡(luò)所帶來的便利的同時，媒體信息的網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)字化也給版權(quán)保護(hù)帶來了極大的挑戰(zhàn)。這是由于多媒體產(chǎn)品的數(shù)字化特性使得數(shù)字式產(chǎn)品極易被非法編輯、拷貝、復(fù)制和篡改，人們可以簡單方便的對有版權(quán)的內(nèi)容進(jìn)行無限制的復(fù)制和傳播，數(shù)字式產(chǎn)品的侵權(quán)、非法拷貝及盜版問題日益嚴(yán)峻。因此，如何保護(hù)這些數(shù)字化產(chǎn)品的版權(quán)和內(nèi)容安全成為一個迫在眉睫的問題。針對此類問題，數(shù)字水印技術(shù)以其獨特

21、的信息隱藏優(yōu)勢，首先引起了人們的廣泛關(guān)注。</p><p>　　隨著科技的進(jìn)步，信息技術(shù)在人們的生活中扮演著越來越重要的角色。在我們的生活中，人們對多媒體信息的編輯、存儲、拷貝、傳送極其普遍，只有一些機(jī)密文件才可能會通過加密在進(jìn)行傳送。這種加密技術(shù)雖然提高了信息的安全性，但有時加密保護(hù)的能力是有限的，人們只要獲得密鑰就可以對信息進(jìn)行任意的修改、傳播和使用，一旦信息被破解，就無法起到版權(quán)保護(hù)的作用。水印技術(shù)的出現(xiàn)，

22、彌補(bǔ)了傳統(tǒng)加密技術(shù)的不足，在一定程度上保護(hù)了產(chǎn)品的版權(quán)。</p><p>　　數(shù)字水印技術(shù)是信息隱藏技術(shù)在多媒體領(lǐng)域中的一個重要應(yīng)用，也是信息隱藏技術(shù)研究領(lǐng)域最為重要的一個分支，主要是通過一些隱藏技術(shù)對數(shù)字化的多媒體產(chǎn)品進(jìn)行版權(quán)保護(hù)，是一種較為有效的數(shù)字版權(quán)保護(hù)和數(shù)據(jù)安全維護(hù)技術(shù)。數(shù)字水印通過將信息隱藏技術(shù)與密碼學(xué)[2]相結(jié)合，不僅能保證信息自身的安全，還能讓信息傳遞的過程變得更加安全和便利[3]。其核心內(nèi)容是，

23、在不影響原始數(shù)據(jù)可用性的前提下，將不能被移除的水印信息嵌入到受保護(hù)的原始信號中，同時，水印信息可以正確、完整的被提取或檢測出來，從而達(dá)到解決盜版跟蹤和所有權(quán)糾紛等問題。</p><p>　　數(shù)字水印這門新興技術(shù)自上世紀(jì)90年代以來，取得了很大的進(jìn)展，引起了國內(nèi)外相關(guān)人士的濃厚興趣，它作為一種新型的信息隱藏技術(shù)受到了越來越多的關(guān)注和重視，目前也成為多媒體安全領(lǐng)域的一個研究熱點[4,5]。隨著技術(shù)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、計算機(jī)網(wǎng)

24、絡(luò)技術(shù)的普及，數(shù)字水印技術(shù)逐漸成為版權(quán)保護(hù)的重要手段，它發(fā)揮著越來越重要的作用，具有更加廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。</p><p>　　1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　作為信息隱藏技術(shù)最為重要的一個分支，自20世紀(jì)90年代以來，隨著人們對版權(quán)保護(hù)意識的增強(qiáng)，數(shù)字水印技術(shù)的研究引起了國內(nèi)外研究者的極大興趣，成為國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點。</p><p>　　早

25、期的數(shù)字水印算法主要在空域?qū)崿F(xiàn)，而且大都是針對數(shù)字圖像進(jìn)行研究的，該技術(shù)最早出現(xiàn)于1993 年 A. Z. Tirkel 等人撰寫的“Electronic water mark”一文中[6]。在這篇文章中第一次出現(xiàn)了“water mark”這一術(shù)語，這標(biāo)志著數(shù)字水印這門新興學(xué)科的誕生。后來將兩個詞合二為一，于是“watermark”一詞就出現(xiàn)了，而現(xiàn)在通常都是用“digital watermarking”表示“數(shù)字水印”。1994年，R

26、.G. Schyndel 等人在 IEEE 國際圖像處理會議上發(fā)表了一篇題為“A Digital Watermark”的文章，在這篇文章中首次介紹了“數(shù)字水印”這一重要概念[7]。當(dāng)時，他們對數(shù)字水印的重要性已有了深刻的認(rèn)識，提出了可能的應(yīng)用領(lǐng)域，并針對灰度圖像提出了兩種方案，即在圖像的最低有效位中嵌入水印，該方案簡單高效，但水印的魯棒性較差，使得水印信息無法被正確提取。為了提高數(shù)字水印的魯棒性，1996年Cox等人[8]提出了一種基于

27、擴(kuò)頻通信思想的水印方案，利用離散余弦變換技術(shù)向靜止的圖像中添加標(biāo)記來提高水印的魯棒性。但該方法也存在著一些缺陷，在提取</p><p>　　數(shù)字水印從正式提出到現(xiàn)在的二十多年間已成為學(xué)術(shù)界及一些大公司關(guān)注的焦點。從1994年至今，國內(nèi)外學(xué)術(shù)界就已陸續(xù)發(fā)表關(guān)于數(shù)字水印的文章，且發(fā)表文章的數(shù)量越來越多，幾個影響比較大的國際會議（如IEEE ICPC、IEEE ICASSP、ACM Multimedia等）及一些國際雜

28、志（如Proceedings of IEEE、Signal Processing、IEEE Journal of Selected Areas on Communication、Communications of ACM等）都出版了與數(shù)字水印相關(guān)的文章。國外已有一些著名的大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)，如美國的MIT大學(xué)、Purdue大學(xué)、IBM研究所，英國劍橋大學(xué)，德國的Erlangen Nuremberg大學(xué)及日本的NEC研究所等都已對數(shù)字水印技術(shù)

29、進(jìn)行了研究，并獲得了一定的成果。一些公司還推出了數(shù)字水印方面的軟件產(chǎn)品，最具代表性的有美國的Digimarc公司、Alpha公司、MediaSec公司、Verance公司、Activated Content公司，英國的Signum技術(shù)公司，荷蘭的Philips研發(fā)中心，以色列的Ali</p><p>　　隨著數(shù)字水印技術(shù)的飛速發(fā)展和技術(shù)交流的加快，在我國，數(shù)字水印技術(shù)也得到了很大的重視。1999年召開的六屆“全國

30、信息隱藏及多媒體信息安全學(xué)術(shù)研討會”已出現(xiàn)了數(shù)字水印專題。2000年1月，國家863計劃智能計算機(jī)專家組織召開了“數(shù)字水印技術(shù)學(xué)術(shù)研討會”，來自國家安全測評認(rèn)證中心、中科院以及國內(nèi)各大高校的專家、學(xué)者進(jìn)行了深入的探討，會議取得了圓滿成功。從目前的發(fā)展情況來看，我國在相關(guān)領(lǐng)域的研究與世界水平越來越近，而且還擁有自己與眾不同的研究思路和成果。2001 年3 月，國防科技大學(xué)第一次在數(shù)字水印技術(shù)中應(yīng)用了整數(shù)DCT變換，這種多維整數(shù)DCT 算法

31、的運算效率效率比目前的有效算法高，同時還使用HASH 函數(shù)對圖像的變換系數(shù)的位置進(jìn)行加密，將水印圖像的信息嵌入到IntDCT 系數(shù)的中低頻中，在很大程度上提高了水印的安全性。2003年9月，北京郵電大學(xué)推出了“數(shù)字水印應(yīng)用系統(tǒng)”，該系統(tǒng)利用離散變換和小波理論設(shè)計出了一種新型的水印算法[10]。自從1999年第一屆全國信息隱藏學(xué)術(shù)研討會在北京電子技術(shù)應(yīng)用研究所召開以來，到目前為止，在2013年10月的西安舉辦了第十一屆大會，出現(xiàn)很多優(yōu)秀的

32、文章，并且</p><p>　　到目前為止，數(shù)字水印技術(shù)主要在圖像水印、視頻水印、音頻水印和文本水印等方面應(yīng)用比較廣泛，由于圖像是最基本的多媒體數(shù)據(jù)，且互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展也為圖像水印提供了大量的應(yīng)用需求，所以水印得研究和文章大都集中在對圖像的研究上。近年來關(guān)于音頻水印和視頻水印的研究變得越來越多。數(shù)字水印的研究主要集中在水印模型、魯棒性數(shù)字水印算法和水印系統(tǒng)性能分析等方面。數(shù)字水印的應(yīng)用方向主要包括數(shù)字化版權(quán)保護(hù)、商務(wù)

33、票據(jù)防偽、盜版跟蹤、隱蔽控制、內(nèi)容認(rèn)證和使用控制等方面。</p><p>　　1.3 本文的主要工作與內(nèi)容安排</p><p>　　數(shù)字水印作為一門新興學(xué)科，已成為當(dāng)前研究的熱點。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們已研究出多種數(shù)字水印算法。對此，本文針對數(shù)字水印技術(shù)的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)的分析、研究，并在此基礎(chǔ)上簡要介紹了一種基于Curvelet變換的數(shù)字水印算法。</p><p

34、>　　本文共分為五個章節(jié)，其主要內(nèi)容安排如下：</p><p>　　第一章：緒論。簡要介紹了數(shù)字水印技術(shù)的研究背景及意義，國內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及本文的主要工作和各章節(jié)的內(nèi)容安排。</p><p>　　第二章：數(shù)字水印技術(shù)簡介。首先系統(tǒng)地介紹了數(shù)字水印技術(shù)的基本原理、模型、特征、分類等基本的理論知識；然后根據(jù)近年來數(shù)字水印技術(shù)的不斷發(fā)展，簡要介紹了數(shù)字水印技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域；最后對水印的攻擊方

35、法和評價指標(biāo)作了簡要介紹。</p><p>　　第三章：數(shù)字水印技術(shù)的典型算法。根據(jù)數(shù)字水印嵌入方法的不同提出了兩種典型的數(shù)字水印算法，并對其優(yōu)缺點進(jìn)行比較分析。</p><p>　　第四章：一種基于Curvelet 變換的數(shù)字水印算法。提出了一種基于Curvelet 變換的數(shù)字水印算法，并對該算法的主要內(nèi)容做了詳細(xì)的介紹；系統(tǒng)的講解了Curvelet 變換的發(fā)展歷程，并對Curvelet

36、 變換的系數(shù)特點作了簡單的分析；最后針對Curvelet 變換算法在實現(xiàn)過程中的關(guān)鍵點和不足之處進(jìn)行了簡單的總結(jié)。</p><p>　　第五章：總結(jié)。對全文的研究工作進(jìn)行了總結(jié)。</p><p><b>　　1.4 本章小結(jié)</b></p><p>　　作為本文的第一章，本章對數(shù)字水印技術(shù)的背景和研究意義進(jìn)行了介紹,綜述了數(shù)字水印的國內(nèi)外研究現(xiàn)

37、狀和發(fā)展趨勢。最后概括闡述了本論文所做的主要工作和內(nèi)容安排。</p><p>　　2 數(shù)字水印技術(shù)簡介</p><p>　　2.1數(shù)字水印技術(shù)的基本原理</p><p>　　數(shù)字水印技術(shù)就是將代表數(shù)字媒體著作權(quán)人身份的特定信息、用戶指定的標(biāo)志或序列碼等，按某種方式嵌入到被保護(hù)的信息中，當(dāng)發(fā)生版權(quán)糾紛時，就可以通過相應(yīng)的算法提取該數(shù)字水印信息，從而驗證版權(quán)的歸屬，確保

38、媒體著作權(quán)人的合法利益[14]。任意一種數(shù)字產(chǎn)品（如圖像、音頻、視頻、軟件或普通電子文檔等）都可作為被保護(hù)的信息。數(shù)字水印是一種疊加在數(shù)字產(chǎn)品中的數(shù)字信號，水印的存在要以不破壞原始數(shù)據(jù)的欣賞價值和使用價值為原則。</p><p>　　作為一種新穎的信息處理技術(shù)，數(shù)字水印被定義為以不可感知的方式在被稱為宿主或載體的數(shù)字信號中嵌入信息的過程[15]。一般，水印系統(tǒng)由嵌入器和檢測器組成，如圖2.1所示。</p&g

39、t;<p>　　圖2.1 水印系統(tǒng)組成框圖</p><p>　　如圖2.1所示，水印嵌入器上有兩個輸入系統(tǒng)：一個是嵌入水印的載體作品，另一個是被嵌入到載體中的水印信息。通常，水印信息可以是數(shù)字作品的版權(quán)所有者或任意指定的一個標(biāo)識號；載體作品一般是圖像、音頻、視頻或文檔等多媒體數(shù)據(jù)，也可以是程序代碼一類的軟件。嵌入器上的輸出系統(tǒng)是水印作品，一般會被傳輸、記錄或以不同途徑分發(fā)到需要的地方。檢測時，將嵌入

40、器輸出的水印作品輸入到水印檢測器，由水印檢測器設(shè)法檢測水印是否存在，如果存在，則輸出水印信息。</p><p>　　2.2數(shù)字水印技術(shù)的基本模型</p><p>　　數(shù)字水印技術(shù)大致可分為以下三個部分[16]：水印的生成、嵌入、提取或檢測。</p><p>　　2.2.1水印的生成</p><p>　　為使水印具有較好的穩(wěn)健性和抗攻擊能力，

41、水印算法中，大多都采用偽隨機(jī)序列作為水印。目前一般取下述隨機(jī)序列作為水印[12]：①高斯白噪聲：滿足均值，方差的正態(tài)分布；②偽隨機(jī)序列：其性質(zhì)類似高斯白噪聲，同時又具有規(guī)律性和周期性，可以人為地進(jìn)行復(fù)制，通常利用二值的 m 序列、M 序列或混沌序列等作為水??；③隨機(jī)序列：利用有特定含義的原始水印生成。④采用六邊形水印、圓形或環(huán)形水印和自相似水印等特殊形狀的水印。</p><p>　　圖2.2 水印生成算法框圖&l

42、t;/p><p>　　水印生成算法主要有：偽隨機(jī)、糾錯編碼、混沌、擴(kuò)頻、變換、分解和自適應(yīng)等。</p><p>　　2.2.2 水印嵌入模型</p><p>　　圖2.3為數(shù)字水印的嵌入過程。所謂水印嵌入就是指利用密鑰將水印信號直接放入到最為原始的圖像之中，讓其成為有水印的圖像[17]。其功能是：將水印信號加入到原始數(shù)據(jù)中。根據(jù)所基于的域不同，可將數(shù)字水印嵌入技術(shù)分為：

43、時空域算法、變換域算法和壓縮域算法。</p><p>　　圖2.3 數(shù)字水印嵌入模型</p><p>　　2.2.3 水印提取模型</p><p>　　圖2-4為數(shù)字水印的提取過程。水印提取就是從含有水印的原始載體圖像中提取水印圖像的過程。水印的提取可以需要原始載體圖像的參與，也可以沒有原始載體圖像。</p><p>　　圖2.4 數(shù)字水印提

44、取模型</p><p>　　圖中用虛線標(biāo)記的方框表示在提取水印信息時原始載體圖像并不是必需的，這取決于所采取的水印嵌入算法。在提取水印信息時不需要原始載體圖像參與的方法稱為盲水印法，其實用價值較大。</p><p>　　2.2.4 水印檢測模型</p><p>　　圖2.5為數(shù)字水印的檢測過程。水印的檢測就是把提取出來的水印和原始水印進(jìn)行比較，據(jù)此來判斷某一數(shù)據(jù)中是

45、否含有指定的水印信息。</p><p>　　圖2.5 數(shù)字水印檢測模型</p><p>　　水印框架中最重要的部分是水印的提取或檢測。水印生成算法和嵌入算法,最終要以能否準(zhǔn)確地檢測出水印為基準(zhǔn)。對于有意義水印而言，可以通過提取后直接觀察和驗證水?。欢鴮τ跓o意義水印而言，通常只能檢測水印的存在性。</p><p>　　2.3 數(shù)字水印技術(shù)的基本特征</p>

46、<p>　　數(shù)字水印是目前防偽及信息隱藏領(lǐng)域的重要研究方向，其載體數(shù)據(jù)可以是數(shù)字視頻、數(shù)字音頻、數(shù)字圖像等，一般情況，不同的應(yīng)用載體，對數(shù)字水印技術(shù)的要求有所差異，但總的來說，數(shù)字水印技術(shù)都具有下面幾個方面的特征[18,19]： </p><p>　?。?）安全性：指水印算法具有較強(qiáng)的抗攻擊能力，在不破壞水印的前提下能承受一定程度的人為攻擊。數(shù)字水印的信息應(yīng)該是安全、難以被篡改和偽造的，未授權(quán)的用戶

47、無法提取或檢測水印。此外，還應(yīng)具有一定的抗攻擊能力，能抵御可能的篡改攻擊。</p><p>　?。?）魯棒性：也稱為穩(wěn)健性或免疫性，指在經(jīng)過多種有意或無意的信號處理過程后，數(shù)字水印作品仍能保持部分完整性，并能被準(zhǔn)確鑒別?？赡艿男盘柼幚磉^程：傳輸、信道噪聲、濾波、模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換與數(shù)/模（D/A）、重采樣、剪切、位移、尺度變化及有損壓縮編碼等。對于應(yīng)用于不同領(lǐng)域的水印，其魯棒性的要求也不同，一般應(yīng)能對正常的圖像

48、處理進(jìn)行抵抗。用于版權(quán)保護(hù)的水印需要有很強(qiáng)的魯棒性，能抵抗惡意攻擊，而注釋水印、易損水印則不需要對惡意攻擊的抵抗力進(jìn)行特別強(qiáng)調(diào)。</p><p>　　（3）不可感知性：也稱透明性或不可見性，某種程度上，水印載體應(yīng)具有良好的不可感知性。指嵌入水印后，原始被保護(hù)信息的質(zhì)量和視覺效果不會有明顯的下降或變化。它具有兩層含義：①水印本身無法被看見或聽見，②嵌入水印后，水印數(shù)據(jù)與原始數(shù)字作品的數(shù)據(jù)結(jié)合在—起，而被保護(hù)的數(shù)據(jù)不

49、會發(fā)生能感知到的失真。對于易損和魯棒的不可見水印來說，這個要求是最基本的。這種技術(shù)相對來說比較困難，對于信息處理，水印的魯棒性和不可感知性相互矛盾的，對其中一方面注重過多，就會削弱另一方面，因此要在這兩者之間進(jìn)行折中。此技術(shù)雖困難，但有可能實現(xiàn)，因為人類的感覺器官沒有絕對的精密，不可感知并不是絕對感知不到的。目前，當(dāng)要兼顧這兩方面時，通常都是先用要保證“相對”不可感知性，然后在此基礎(chǔ)上盡可能提高水印的魯棒性。</p>&l

50、t;p>　?。?）可檢測性：數(shù)字水印應(yīng)該能被作者或公證機(jī)構(gòu)進(jìn)行提取或檢測。當(dāng)作品發(fā)生版權(quán)糾紛時，可通過提取作品中的水印信息，為宿主數(shù)據(jù)的產(chǎn)品歸屬問題提供完全和可靠的證據(jù)。若沒有可檢測性，水印也會失去意義。</p><p>　　（5）可證明性：水印應(yīng)能為受版權(quán)保護(hù)產(chǎn)品提供可靠的版權(quán)歸屬證明。在實際應(yīng)用中，可能會多次加入水印，那么數(shù)字水印技術(shù)必須能允許多重水印嵌入被保護(hù)的數(shù)據(jù)，而且每個水印都能獨立地被證明出來。

51、 </p><p>　?。?）水印容量：指能夠被嵌入到原始數(shù)字作品中的水印信息量。水印信息量能表示數(shù)字作品所有者或創(chuàng)建者的標(biāo)志信息，或是購買者的序列號，以便能進(jìn)行版權(quán)保護(hù)。嵌入的水印信息量越大，越能夠標(biāo)識數(shù)字內(nèi)容的版權(quán)信息，更加有利于解決版權(quán)糾紛問題，保護(hù)數(shù)字產(chǎn)權(quán)的合法利益。</p><p>　?。?）易嵌入和提取性：在操作時，水印的嵌入和提取應(yīng)該簡單、易行，其復(fù)雜性主要體現(xiàn)在算法上。&l

52、t;/p><p>　　在設(shè)計水印時，必須圍繞上述性能指標(biāo)進(jìn)行恰當(dāng)?shù)倪x擇。有些特性之間是不相容的，如魯棒性和信息容量，應(yīng)根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境適當(dāng)取舍。又如，用于隱蔽通信的水印，水印容量極為重要，由于其隱蔽的通信方式，遭篡改的可能性很小，因而對魯棒性要求不高。而對于安全性要求較高的水印來說，各種保密數(shù)據(jù)隨時可能被盜取和篡改，所以魯棒性十分重要，而對隱藏數(shù)據(jù)量的要求不高。</p><p>　　2.4

53、數(shù)字水印技術(shù)的分類</p><p>　　數(shù)字水印技術(shù)已應(yīng)用于許多領(lǐng)域，其分類方法也有很多種，不同領(lǐng)域的分類方法也不同。其中，較為常見的分類方法有以下幾種：</p><p>　　（1）按照水印的特性，數(shù)字水印可分為：魯棒數(shù)字水印、脆弱數(shù)字水印和半脆弱數(shù)字水印。</p><p>　　魯棒數(shù)字水印使用最多,可抵抗常見的攻擊,如:加噪聲、濾波、壓縮、圖像量化與增強(qiáng)、打印及重

54、掃描、幾何攻擊等。在版權(quán)聲明中經(jīng)常會用到魯棒水印,大都是在數(shù)字作品中嵌入著作權(quán)信息（如作者、作品序號等）。當(dāng)發(fā)生版權(quán)糾紛時，標(biāo)識信息用于保護(hù)數(shù)字作品的版權(quán)所有者。用于版權(quán)保護(hù)的數(shù)字水印要求有很強(qiáng)的魯棒性和安全性。</p><p>　　脆弱數(shù)字水印很容易被破壞,任何對數(shù)字媒體信息的更改都會破壞水印的完整性,導(dǎo)致水印難以檢測和提取,主要用于多媒體內(nèi)容的真實性,完整性檢驗等。這種水印同樣是在內(nèi)容數(shù)據(jù)中嵌入不可見的信息，

55、當(dāng)內(nèi)容發(fā)生改變時，所嵌入的水印會發(fā)生相應(yīng)的改變，從而可以鑒定原始數(shù)據(jù)是否被篡改。脆弱數(shù)字水印對魯棒性要求較低,通常只要求部分魯棒性，即半脆弱數(shù)字水印。</p><p>　　半脆弱數(shù)字水印介于魯棒數(shù)字水印與脆弱數(shù)字水印之間, 指的是對于某些壓縮處理具有一定的魯棒性，而對于其它處理則視為惡意攻擊。半脆弱數(shù)字水印是一種用于鑒定的理想水印。</p><p>　　按照水印載體的類型劃分，數(shù)字水印可分

56、為：圖像數(shù)字水印、視頻數(shù)字水印、音頻數(shù)字水印、文本數(shù)字水印和軟件數(shù)字水印等[20-22]。</p><p>　　圖像數(shù)字水印是將水印信息加入到靜止的圖像中，當(dāng)發(fā)生版權(quán)糾紛時，可通過對嵌入的水印信息的提取或檢測來證實版權(quán)歸屬問題。</p><p>　　視頻水印是利用視頻中存在的大量的數(shù)據(jù)冗余，將水印信息嵌入到視頻載體中，從而既不影響視頻質(zhì)量，又可達(dá)到內(nèi)容完整性認(rèn)證和版權(quán)保護(hù)的目的。</

57、p><p>　　音頻數(shù)字水印利用人類聽覺系統(tǒng)的生理—心理特征，在不影響原始音頻的條件下，向其中嵌入具有特定意義且易提取的水印，以達(dá)到掩蔽通信和版權(quán)保護(hù)的目的。</p><p>　　文本數(shù)字水印通過對字間距、行間距或字符增刪的輕微改變，將水印嵌入到電子出版物中。當(dāng)出現(xiàn)版權(quán)糾紛時，可通過相應(yīng)算法提取水印，從而驗證版權(quán)歸屬問題，確保產(chǎn)品著作人的合法利益。</p><p>　　

58、隨著技術(shù)的發(fā)展，相信更多不同種類的數(shù)字產(chǎn)品也會相繼出現(xiàn)，從而出現(xiàn)相應(yīng)的水印。</p><p>　　按照水印的嵌入位置不同，數(shù)字水印可分為：時（空）域數(shù)字水印和變換域數(shù)字水印。</p><p>　　時（空）域數(shù)字水印是將水印信息直接嵌入到信號空間上。該算法典型的處理方法是將水印信息嵌入到隨機(jī)選擇的圖像點中最不重要的像素位（LSB，Least Significant Bits）上，這樣就能保證

59、嵌入的水印是不可見的[23]。時（空）域數(shù)字水印算法的特點是：不需要對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行變換，計算比較簡單且具有較高的效率，但魯棒性較差。比較典型的時（空）域數(shù)字水印算法有：LSB算法和Patchwork算法等。</p><p>　　變換域數(shù)字水印是將水印信息嵌入到原始媒體的某種變換系數(shù)中。其特點是：需要對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行變換，計算較復(fù)雜，但卻具有較好的魯棒性。常用的變換有：傅立葉變換（DFT）、離散余弦變換（DCT）和小

60、波變換（DWT）等。</p><p>　　按照數(shù)字水印的檢測過程劃分，數(shù)字水印可分為：非盲數(shù)字水印、盲數(shù)字水印和半盲數(shù)字水印。</p><p>　　在提取或檢測水印信息的過程中，非盲數(shù)字水印需要原始載體和原始水印的參與；半盲數(shù)字水印不需要原始載體，但需要原始水?。欢?shù)字水印既不需要原始載體也不需要原始水印的參與，它是從已嵌入水印的載體中提取水印信息，只利用密鑰即可。一般來說，盲數(shù)字水印在

61、實現(xiàn)的過程中比較困難，而非盲數(shù)字水印實現(xiàn)較容易，但也增加了存儲、維護(hù)、泄密的風(fēng)險。相對來說，非盲數(shù)字水印具有較強(qiáng)的魯棒性，但其應(yīng)用被存儲成本所限制。盲數(shù)字水印是目前研究最多的一種，是數(shù)字水印算法的發(fā)展方向。</p><p>　　按照水印內(nèi)容劃分，數(shù)字水印可分為：有意義數(shù)字水印和無意義數(shù)字水印兩種[24]。</p><p>　　有意義數(shù)字水印指的是水印本身也是某個數(shù)字圖像或音頻片段的編碼，它

62、本身帶有信息或版權(quán)證明，可證明擁有者或作者的版權(quán)，可以是數(shù)字音頻片段的編碼或商標(biāo)圖像，也可以是載體圖像的某些特征描述。無意義數(shù)字水印則只對應(yīng)于一個序列號或一段隨機(jī)數(shù)，一般是基于偽隨機(jī)數(shù)發(fā)射器產(chǎn)生的水印信號。</p><p>　　有意義數(shù)字水印和無意義數(shù)字水印在應(yīng)用中存在各自的優(yōu)勢，有意義數(shù)字水印的優(yōu)勢：當(dāng)受到攻擊或其他原因?qū)е绿崛〉乃∑茡p時，仍可通過觀察確定是否有水印。而對無意義數(shù)字水印來說，若提取的水印有若干

63、位錯誤，則只能通過統(tǒng)計決策來確定是否含有水印。無意義數(shù)字水印也具有其獨特的優(yōu)勢，若選擇具有良好相關(guān)特性的為隨機(jī)信號，使用相關(guān)計算，就可以有效地實現(xiàn)水印的自動識別。而有意義數(shù)字水印的確定一般需要人為參與。</p><p>　?。?）水印技術(shù)應(yīng)用于不同的領(lǐng)域。按照水印的用途劃分，數(shù)字水印可分為：票據(jù)防偽數(shù)字水印、版權(quán)保護(hù)數(shù)字水印、篡改提示數(shù)字水印和隱藏標(biāo)識數(shù)字水印。它們都是對某些難以復(fù)制的標(biāo)識信息進(jìn)行隱藏，限制了數(shù)字

64、產(chǎn)品非法操作的可能性。</p><p>　　票據(jù)防偽數(shù)字水印是一類比較特殊的水印，主要用于電子票據(jù)和打印票據(jù)的防偽。</p><p>　　目前，版權(quán)保護(hù)數(shù)字水印是研究最多的一類數(shù)字水印。數(shù)字作品作為商品和知識作品的雙重性決定了版權(quán)保護(hù)數(shù)字水印要求有較高的隱蔽性和魯棒性，而對數(shù)據(jù)量的要求較小。</p><p>　　篡改提示數(shù)字水印是一種脆弱水印，主要是為了對原文件信號

65、的完整性和真實性進(jìn)行標(biāo)識。</p><p>　　隱藏標(biāo)識數(shù)字水印是將保密數(shù)據(jù)的重要標(biāo)注隱藏起來，從而限制非法用戶對保密數(shù)據(jù)的使用。</p><p>　　2.5 數(shù)字水印技術(shù)的應(yīng)用</p><p>　　數(shù)字水印最早應(yīng)用于多媒體版權(quán)保護(hù)，然而隨著數(shù)字水印技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字水印的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，主要應(yīng)用于以下幾個方面[13,25-29]：</p>&l

66、t;p>　?。?）數(shù)字作品的版權(quán)保護(hù)</p><p>　　在網(wǎng)絡(luò)時代，數(shù)字作品的銷售過程給盜版或者篡改提供了可乘之機(jī)，版權(quán)保護(hù)顯得越發(fā)重要。目前，數(shù)字水印技術(shù)中最重要的應(yīng)用就是數(shù)字作品的版權(quán)保護(hù)。由于數(shù)字作品極易被非法編輯、修改、拷貝或復(fù)制等，因此原創(chuàng)者不得不加上會損害作品的版權(quán)標(biāo)志。數(shù)字水印利用其不可感知性，既保證了作品的質(zhì)量，又保護(hù)了數(shù)字作品。其核心思想是：數(shù)字作品的所有者利用密鑰產(chǎn)生一個水印，并將其嵌

67、入原始數(shù)據(jù)（圖像、音頻、視頻等），然后公開發(fā)布嵌入水印的作品。當(dāng)該作品出現(xiàn)版權(quán)糾紛或被盜時，所有者可從水印作品或盜版作品中提取水印信號來保護(hù)所有者的合法權(quán)益。在這里，要求水印必須有較好的安全性、穩(wěn)健性、透明性和水印嵌入的不可逆性。 </p><p><b>　　（2）商務(wù)票據(jù)防偽</b></p><p>　　隨著高質(zhì)量圖像輸入、輸出設(shè)備的發(fā)展，尤其是高精度彩色復(fù)印機(jī)

68、、激光打印機(jī)和彩色噴墨打印機(jī)的相繼出現(xiàn)，操作者可以便利地對數(shù)字信息進(jìn)行剪裁、拼接，色彩、亮度、對比度的調(diào)整以及文字、背景的添加或更改，這使得貨幣、支票以及其它票據(jù)的偽造變得越加容易。目前市場上所使用的各種防偽技術(shù)存在著許多弊端，而基于數(shù)字水印的印刷防偽技術(shù)有別于傳統(tǒng)的印刷防偽技術(shù)，它徹底改變了傳統(tǒng)的印刷防偽技術(shù)，并在印刷防偽中具有獨特的性能。嵌入數(shù)字作品中的水印以其視覺不可見的形式隱藏在印刷品中，為各種票據(jù)提供不可見的認(rèn)證標(biāo)識，只有通過

69、計算機(jī)軟件或特定的檢測設(shè)備才可識別。數(shù)字水印的嵌入和所嵌入的內(nèi)容具有隨機(jī)性，這樣的隨機(jī)性和變化特征使偽造者難以偽造。</p><p><b>　?。?）數(shù)字指紋</b></p><p>　　數(shù)字指紋技術(shù)是近年來發(fā)展起來的新型數(shù)字版權(quán)保護(hù)技術(shù)，版權(quán)擁有者可根據(jù)作品中的數(shù)字指紋來跟蹤產(chǎn)品非法拷貝的源頭，對盜版者進(jìn)行指控，從而達(dá)到版權(quán)保護(hù)的目的。數(shù)字指紋作為一種新型的版權(quán)保

70、護(hù)手段，得到了越來越多的關(guān)注。</p><p>　　數(shù)字指紋是需要向多個用戶提供同一個數(shù)字作品，同時確保數(shù)字作品不會被用戶非法再分發(fā)的技術(shù)。為避免對可公開得到的多媒體內(nèi)容進(jìn)行未經(jīng)授權(quán)的復(fù)制和分發(fā)，作品的所有者可以將不同用戶的ID或序列號作為不同的水印(數(shù)字指紋)嵌入到作品中。當(dāng)發(fā)現(xiàn)未經(jīng)授權(quán)的復(fù)制時，就可以從此復(fù)制中所恢復(fù)出的指紋來追蹤它的來源。在這個應(yīng)用領(lǐng)域中，要求水印技術(shù)不僅具有不可見性，還必須有防止串謀攻擊(

71、多拷貝攻擊)等功能。在此類應(yīng)用中，水印必須是不可見的，且能抵抗惡意的去除、偽造或試圖使水印無效的攻擊。</p><p><b>　?。?）盜版跟蹤</b></p><p>　　數(shù)字水印可以對數(shù)字產(chǎn)品的非法拷貝制作和發(fā)行進(jìn)行追蹤，即在每個合法發(fā)行</p><p>　　的數(shù)字產(chǎn)品中加入水印信息，可有效地阻止對未授權(quán)的媒體進(jìn)行復(fù)制等操作。</p

72、><p>　　盜版跟蹤是在數(shù)字作品中嵌入表示合法接收者的信息。其目的是通過識別作品的單個發(fā)行拷貝，防止未經(jīng)授權(quán)的拷貝、制作和發(fā)行。這一應(yīng)用極易受到共謀攻擊，因此要求水印能有效地抵抗共謀攻擊，同時與用于版權(quán)保護(hù)的水印一樣，要求水印具有很高的魯棒性、安全性和可證明性。</p><p><b>　?。?）篡改提示</b></p><p>　　當(dāng)數(shù)字作品被

73、用于法庭、新聞、醫(yī)學(xué)及商業(yè)時， 常需確定其內(nèi)容是否被偽造、修改或特殊處理過。為實現(xiàn)該目的，通?？蓪⒃紙D像分成許多個獨立的塊，在每個塊中加入不同的水印信息。為確定其是否完整，可以通過檢測每個數(shù)據(jù)塊中的水印信息來確定作品的完整性。與其他水印不同的是，這類水印必須是脆弱的，并且在檢測水印信號時，不需要原始數(shù)據(jù)。</p><p><b>　?。?）隱蔽通信</b></p><p

74、>　　網(wǎng)絡(luò)情報站是信息站的重要組成部分，主要利用公用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行保密數(shù)據(jù)的傳送，加密后的文件大都是是混亂無序的，容易引起攻擊者的注意。數(shù)字水印技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展為隱蔽通信提供了新的形式，它利用數(shù)字化聲像信號相對于人的聽覺、視覺冗余，可對各種時（空）域和變換域的信息進(jìn)行隱藏，從而實現(xiàn)隱蔽通信。在傳遞秘密信息時，可將其嵌入到公開的圖像中。由于嵌入秘密信息的圖像在主觀視覺上并未發(fā)生變化，因此察覺到秘密信息存在的可能性很小?；跀?shù)字水印技術(shù)的隱

75、蔽通信可以用于商業(yè)，但更多的是應(yīng)用于軍事。 </p><p><b>　?。?）標(biāo)題與注釋 </b></p><p>　　數(shù)字作品具有許多屬性信息，例如作品的標(biāo)題、注釋、創(chuàng)作者等。利用數(shù)字水印技術(shù)將這些信息嵌入到作品中，例如：一幅照片的拍攝時間、地點等。這種隱藏式注釋不需要額外的寬帶和存儲，且不易丟失。</p><p>　?。?）認(rèn)證和完整

76、性檢測</p><p>　　認(rèn)證和完整性檢測是為防止數(shù)據(jù)被非法篡改或偽造。在很多應(yīng)用中，有時需要確認(rèn)數(shù)字作品的內(nèi)容是否被改變、修改或造假。對于有些媒體數(shù)據(jù)是不允許被修改的，如：醫(yī)學(xué)照片、交通錄像等。為了檢測其完整性，通常采用脆弱性水印，因為脆弱性水印是指當(dāng)作品發(fā)生任何形式的微小變化后即檢測不到水印。如果在檢測過程中仍能從作品中檢測到脆弱性水印，就可以證明作品沒有被修改過。</p><p>

77、　　在檢測的過程中，用惟一的與數(shù)據(jù)內(nèi)容相關(guān)的密鑰生成并嵌入水印。對嵌入水印的數(shù)字進(jìn)行檢驗時，再利用與數(shù)據(jù)內(nèi)容相關(guān)的密鑰提取出水印，然后通過檢驗提取出的水印完整性來檢驗作品的完整性，如果被修改，則可以確定被修改的位置。其優(yōu)點在于認(rèn)證同內(nèi)容密不可分，簡化了處理過程。</p><p><b>　?。?）使用控制</b></p><p>　　在多媒體發(fā)行體系中建立拷貝保護(hù)體制

78、，不允許未授權(quán)的媒體被拷貝。在密閉或私有系統(tǒng)中，可用水印來說明數(shù)據(jù)的拷貝狀況。利用數(shù)字水印技術(shù)可以將訪問控制信息嵌入到媒體中，在使用媒體之前通過檢測嵌入到其中的訪問控制信息，以達(dá)到訪問控制的目的，它要求水印具有很高的魯棒性。</p><p>　　2.6 水印的攻擊方法</p><p>　　伴隨著數(shù)字水印技術(shù)的迅猛發(fā)展，對水印的攻擊也同時出現(xiàn)。攻擊是指對嵌入的水印進(jìn)行各種操作，以達(dá)到削弱、破

79、壞或移除水印的目的。數(shù)字水印技術(shù)在實際應(yīng)用經(jīng)常會遭到各種各樣的攻擊。目前比較常見的水印攻擊方法可分為以下幾類[13]：</p><p>　?。?）魯棒性攻擊：是指含水印的作品在檢測之前必須經(jīng)歷的或可能經(jīng)歷的常規(guī)信號處理操作，用來試圖減弱載體中的水印強(qiáng)度，或是破壞載體中的水印。魯棒性攻擊包括常見的各種信號處理操作，如圖像壓縮、疊加噪聲、線性或非線性濾波、圖像量化與增強(qiáng)、幾何失真、圖像剪裁、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換、圖像校正等[

80、30]。</p><p>　?。?）同步攻擊：又稱禁止提取或表達(dá)攻擊。這種攻擊方法一部完全去除水印信息為目的，而是對水印信息進(jìn)行變形處理，從而使檢測器不能檢測出水印信息。在同步攻擊下，被攻擊的數(shù)字作品中的水印仍存在，且幅度沒有變化，但水印信號已經(jīng)錯位，不能維持正常水印提取過程中所需要的同步性。比較典型的攻擊方法有：幾何變換、馬賽克、圖像扭曲(Warping Attack)、像素跳動(Jitter)攻擊等。<

81、/p><p>　?。?）分析攻擊：又稱去除攻擊或計算攻擊，這種攻擊方法通常是在水印嵌入和檢測階段進(jìn)行的，采用特殊方法減弱或去除圖像中的水印，使水印檢測失效，從而達(dá)到非法盜用的目的。共謀攻擊是最為典型的一種分析攻擊方法，它通過多個不同的含水印圖像之間的統(tǒng)計信息進(jìn)行攻擊。攻擊者通過對多個含有不同水印信息的相同圖像進(jìn)行拷貝，然后對多個拷貝進(jìn)行平均來去除水印信息。除此之外，敏感性分析和降梯度分析也是比較典型的分析攻擊方法。&

82、lt;/p><p>　?。?）解釋攻擊：也稱為IBM攻擊或混淆攻擊，它攻擊的主要對象是可逆、非盲數(shù)字水印。這種攻擊在面對檢測到的水印證據(jù)時，試圖捏造種種解釋來證明其無效，通常采用偽造水印來達(dá)到攻擊的目的。在解釋攻擊的過程中，水印信息并沒有被擦除掉，而是在嵌有水印信息的圖像中“引入” 了偽造的水印信息，即攻擊者在載體作品中嵌入一個或者多個偽造的水印，從而混清第一個含有主權(quán)信息的真正的水印信息，使從載體作品中提取出來的水

83、印失去唯一性。</p><p>　　通常，防止這一攻擊的方法有兩種[32]：①采用不可逆的嵌入算法：數(shù)字水印必須要滿足不可逆性，從而使攻擊者不能對水印作品進(jìn)行嵌入逆操作；②水印嵌入順序：水印信息本身能判斷水印嵌入的先后順序。</p><p>　?。?）拷貝攻擊：這種攻擊是從合法的含有水印的圖像中估計水印，再將估計的水印嵌入到其他圖像中。通常，拷貝攻擊分兩步進(jìn)行：①估計水印作品中的水印信息：

84、先通過降噪估計原始作品，再用含水印作品減去估計的原始作品得到估計水?。虎谠谄渌麍D像中嵌入估計出的水?。嚎芍苯忧度?，但往往會引起比較明顯的圖像質(zhì)量的下降，因此一般對估計的水印做適當(dāng)?shù)奶幚砗笤偾度耄缃Y(jié)合視覺人眼掩蔽效應(yīng)，以保證不可見性要求。</p><p>　　2.7 水印的評價指標(biāo)</p><p>　　水印技術(shù)在實際應(yīng)用中越來越多，具有重要的意義。因此，對水印系統(tǒng)的評估顯得尤為重要。對水印

85、系統(tǒng)的評價包括對水印的不可見性評價和魯棒性評價。</p><p><b>　　不可見性評價</b></p><p>　　對水印不可見性的評價方法一般有兩種，即主觀測試法和定量法。主觀測試方法雖然比較方便簡單，但不能定量的對系統(tǒng)性能進(jìn)行分析。因此，在對水印系統(tǒng)進(jìn)行不可見評價時，一般采用定量法。</p><p>　　嵌入圖像的PSNR（峰值信噪比）

86、是衡量視覺質(zhì)量的量度方法。通常，采用PSNR來評估水印的不可見性。</p><p>　　峰值信噪比的計算公式為：</p><p>　　() （2-1）</p><p>　　式中，M 和 N 為圖像的寬度和高度； 和為原始圖像與含水印圖像的像素值。</p><p>　　一般，PSNR值越大，表示圖像失真越少，即含

87、水印圖像與原始圖像的差別越小。</p><p><b>　　魯棒性評價</b></p><p>　　對于魯棒性數(shù)字水印的評價一般采用歸一化相關(guān)系數(shù)（NC）進(jìn)行評價。通過計算兩幅圖像的相似程度來進(jìn)行評價。</p><p><b>　　（2-2）</b></p><p>　　式中，M 和 N 為圖像的寬

88、度和高度； 和為原始圖像與含水印圖像的像素值。</p><p>　　一般，NC的值越接近1，兩幅圖像越相似。當(dāng)從含水印圖像中提取出的水印與原始圖像的歸一化相關(guān)系數(shù)大于0.7時，表明水印被提取出來了。</p><p><b>　　2.8 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章首先介紹了數(shù)字水印技術(shù)的基本原理，然后詳細(xì)介紹了數(shù)字水印技術(shù)的基本模

89、型，包括水印的生成、嵌入、提取和檢測模型；之后對數(shù)字水印技術(shù)的基本特征、分類及應(yīng)用等方面進(jìn)行了概述，最后對水印攻擊方法作了簡要的論述，并提出兩種水印的評價標(biāo)準(zhǔn)。 </p><p>　　3 數(shù)字水印的典型算法</p><p>　　近年來數(shù)字水印技術(shù)的研究取得了巨大的進(jìn)步，水印的算法也越來越多。根據(jù)數(shù)字水印信息的嵌入位置不同，水印算法可分為：空間域算法和變換域算法 ?；诖耍疚膶⑨槍σ恍┚哂?/p>

90、代表性的典型水印算法進(jìn)行簡要概述。</p><p>　　3.1 基于空間域的數(shù)字水印算法 </p><p>　　空間域算法是指直接在聲音、圖像或視頻等信號空間上疊加水印信息。較早的數(shù)字水印算法都是空間域上的，空域數(shù)字水印算法操作簡單，可通過改變空間位置中某些像素的值嵌入水印。其中，比較典型的空域水印算法有：最低位有效算法（LSB）、Patchwork算法及紋理塊映射編碼法。

91、 </p><p>　　3.1.1 最低位有效算法</p><p>　　LSB算法是1993 年 A. Z. Tirkel 等人在“Electronic water mark”一文中最早提出的一種典

92、型的空間域信息隱藏算法[6]，它是一種非常有代表性的空域水印算法?；舅枷胧牵簩⑺⌒畔⑶度氲诫S機(jī)選擇的圖像點中最不重要的像素位上，這就能保證嵌入的水印是不可見的。這種算法利用特定的密鑰通過偽隨機(jī)序列發(fā)生器產(chǎn)生隨機(jī)信號，然后按一定規(guī)則將其排列成二維水印信號，并逐個插入到原始圖像相應(yīng)像素值的最低幾位。由于水印信號隱藏在最低位，相當(dāng)于疊加了一個能量十分微弱的信號，因此在聽覺和視覺上很難被察覺[33]。</p><p>

93、;　　3.1.2 Patchwork算法</p><p>　　1996年，W.Bender 和D.Gruhl 等人[34]提出了另一種典型的空域算法——Patchwork 算法。Patchwork 算法是一種基于統(tǒng)計的水印嵌入方法，通過在原始載體信號中改變載體信號某種特定的統(tǒng)計特性來攜帶水印信息。此種算法通過隨機(jī)選擇原始載體圖像中的像素對，在保持總均值不變的情況下，改變像素對的值，即把水印信息依據(jù)像素的統(tǒng)計特征

94、嵌入到每個像素的亮度值中，即隨機(jī)選取 N對像素值，并將像素對中的一個點的亮度值增加，而另一個點的亮度值減少同樣的量，以保持整個圖像的平均灰度值不變。 </p><p>　　3.1.3 紋理塊映射編碼法</p><p>　　紋理塊映射編碼算法也是W.Bender等人提出的。該算法是在載體圖像中隨機(jī)選擇任意紋理部分，隱藏數(shù)字信息。由于紋理區(qū)域之間具有相似性，于是在載體圖像的另一紋理相似部

95、分可以映射出隱藏的水印信息。</p><p>　　以上幾種方法在檢測水印時都需要使用原始圖像，且水印的魯棒性不強(qiáng)。這是因為空域算法的特點是直接對圖像的像素數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，為了保證水印的不可見性，嵌入的水印信息不能太多，這就決定了空域算法的魯棒性不強(qiáng)。這是空域算法的一大缺陷。 </p><p><b>　　3.1.4比較分析</b></p><p>

96、;　　針對以上三種算法，對其優(yōu)缺點進(jìn)行比較分析，如表3.1所示。</p><p>　　表3.1 比較分析空間域水印算法的優(yōu)缺點</p><p>　　3.2 基于變換域的數(shù)字水印算法</p><p>　　變換域數(shù)字水印算法也被稱為頻率域水印算法，是指將水印信息嵌入到原始載體的變換域系數(shù)中。這種算法大部分都采用了擴(kuò)展頻譜通信技術(shù)，在圖像從時域到頻域的變換過程中，對水印信

97、息進(jìn)行一定的頻域調(diào)制，使其能夠很好的隱藏在圖像重要的能量部分，同時又不引起圖像質(zhì)量的明顯下降。數(shù)字圖像在變換域上的能量分布集中，有利于保證水印的不可見性，因此基于變換域的水印算法是目前應(yīng)用最廣泛的方法。</p><p>　　與空域水印算法相比，變換域水印算法具有以下幾個優(yōu)點[12]：（1）變換域算法能夠嵌入大量水印信息；（2）在變換域中所嵌入的水印信號的能量可分布到載體圖像的所有像素上，利于保證水印信息的不可見性

98、；（3）變換域水印算法能夠更充分地利用人類視覺的特性（HVS），大大提高了數(shù)字水印的穩(wěn)健性；（4）能與國際數(shù)據(jù)壓縮標(biāo)準(zhǔn)兼容，從而可以實現(xiàn)在壓縮域內(nèi)的水印算法。</p><p>　　目前，比較常見的變換域水印算法有：離散傅里葉變換（DFT）、余弦變換（DCT）、離散小波域變換（DWT）等。</p><p>　　3.2.1 離散傅立葉變換算法</p><p>　　為了

99、快速有效地對圖像進(jìn)行處理和分析，常常需要將原定義在空間的圖像以某種形式轉(zhuǎn)換到另外一些空間，并利用在這些空間的特有性質(zhì)方便地進(jìn)行一定的加工，最后再轉(zhuǎn)換回空間域以得到所需的效果。</p><p>　　傅里葉變換是線性系統(tǒng)分析的一個有利工具，是研究信號的頻譜方法，它將時域和頻域連接到一起，使得圖像從空域變換到頻域，對圖像處理問題有很大的幫助。離散傅里葉變換算法是將圖像進(jìn)行傅立葉變換后，然后將水印信息嵌入其中。一般，在離

100、散傅里葉變換域的振幅和相位上嵌入水印信息。相對于振幅信息而言，圖像經(jīng)傅立葉變換后的相位信息比較有價值。因為在數(shù)據(jù)傳輸過程中，調(diào)相信號相對調(diào)幅信號而言，有更高的準(zhǔn)確性。因此在相位信息中嵌入水印，具有更強(qiáng)的穩(wěn)健性，且能經(jīng)受多種幾何處理，具有較強(qiáng)的魯棒性。同時，又由于受振幅的影響圖像質(zhì)量變化比較大，而且人眼對于圖像亮度的變化比較敏感，所以在DFT域的振幅中嵌入水印的算法魯棒性不高，因此基于離散傅立葉變換的數(shù)字水印算法大都利用圖像DFT的相位嵌

101、入水印信息。DFT是復(fù)數(shù)變換，其變換的虛部和實部分別表示水印信號的相位和幅度信息，當(dāng)相位和幅度滿足一定的條件時，數(shù)字水印信息既可以嵌入到載體信號的幅度上，也可以隱藏在相位中。</p><p>　　基于離散傅里葉變換（DFT）域的水印算法原理比較簡單，有著其他頻率域算法不可替代的優(yōu)點。該算法能夠把圖像信息分解為幅值信息和相位信息，這樣的分解能夠使圖像表現(xiàn)出更多的細(xì)節(jié)。其研究方向主要分為兩大類[35]：一類DFT域水

102、印算法是把水印信息嵌入到變換域的頻譜中；另一類是基于DFT域的縮放、旋轉(zhuǎn)和平移的幾何操作，將載體圖像進(jìn)行傅里葉變換實現(xiàn)水印的嵌入來抵抗幾何攻擊。但是水印嵌入后會引起較大的失真，并且算法的復(fù)雜度較高，實現(xiàn)起來難度比較大。DFT域水印算法是把水印信息嵌入到變換域的頻譜中?；陔x散傅里葉變換域的水印算法在載體圖像中可添加水印信息的容量比較大，有比較好的抵抗幾何攻擊能力，但是對剪切、JPEG壓縮的抵抗能力不高。</p><p

103、>　　3.2.2 離散余弦變換算法</p><p>　　離散余弦變換（DCT）是目前研究最多的一種基于實數(shù)的正交線性變換，被廣泛應(yīng)用于信號處理和圖像壓縮中，具有很強(qiáng)的能量集中特性。其基本思想是：通過改變離散余弦變換域的頻域特征系數(shù)，來嵌入水印，為了提高計算效率一般是先將載體圖像分塊再進(jìn)行變換。早期的 DCT 域數(shù)字水印算法，就是對圖像進(jìn)行分塊，然后在圖像的DCT變換域的中、低頻分量上嵌入水印信息。這樣選擇

104、的優(yōu)勢在于，在高頻分量中嵌入水印信息比在中頻分量中嵌入水印信息更容易受到各種信號處理方法的攻擊。同時由于人眼視覺系統(tǒng)對低頻分量比較敏感，如果改變低頻分量會很容易被察覺出來。該算法對于低通濾波以及有損壓縮具有一定的穩(wěn)健性。 </p><p>　　基于離散余弦變換域算法不僅穩(wěn)健性非常好，而且在視覺上具備數(shù)字水印的不可察覺性，能夠經(jīng)受多種信號處理，對一般的幾何攻擊也具有較強(qiáng)的魯棒性。并且，DCT 算法的計算量小，能量集

105、中性強(qiáng)，且與國際圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)（如JPEG）兼容，易于在壓縮域中實現(xiàn)，因此是目前研究和應(yīng)用最多的一種數(shù)字水印算法。</p><p>　　基于 DCT 變換的水印算法研究較多，發(fā)展也比較完善。Cox 算法[8]是典型的離散余弦變換水印算法，該算法首先計算圖像的 DCT 變換系數(shù)，然后選擇在那些視覺重要部分的系數(shù)中嵌入水印信息。它在嵌入水印的過程中利用了人類視覺特性（HVS）和序列的擴(kuò)頻技術(shù)（SS）。該算法是基于圖像全

106、局變換的水印算法，其原理是：先選定視覺重要系數(shù)，然后再進(jìn)行修改。其中，比較常用的嵌入規(guī)則有：加法準(zhǔn)則和乘法準(zhǔn)則。一般，對于圖像的 抗失真性能，乘法準(zhǔn)則比加法準(zhǔn)則要好，通過計算相關(guān)函數(shù)即可實現(xiàn)對水印信息的檢測。從已嵌入水印的圖像中提取水印是水印嵌入的逆過程，將提取出的水印與原水印進(jìn)行相似性運算，然后與制定的臨界值進(jìn)行比較，即可確定水印是否存在。該算法是將水印信息嵌入到人類視覺比較容易覺察的位置，從很大程度上提高了水印的魯棒性。 </

107、p><p>　　3.2.3 離散小波域變換算法</p><p>　　小波變換（DWT）是在傅里葉變換的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它能夠很好的解決時間-頻率的局部化問題，是一種時間-頻率多分辨率的數(shù)字水印算法。該算法通過平移和縮放等運算，可實現(xiàn)對水印信號進(jìn)行不同程度的分析，因此從信號中能有效地提取出水印信息。最早提出將水印嵌入到 DWT 域中的是Kunder 等人[36]。他們通過對原始載體圖像和原始

108、水印信號做 DWT 變換，把原始水印的特定子帶經(jīng)縮放后嵌入到相應(yīng)的原始載體圖像的子帶上，然后再對其進(jìn)行 DWT 逆變換，最終生成含水印的載體圖像。