基于Patchwork算法的数字水印嵌入技术

基于Patchwork算法的数字水印嵌入技术 本科学生毕业论文 论文题目: 基于Patchwork算法的数字水印嵌入技 术 学 院: 电子工程学院 年 级: 2008级 专 业: 电子信息科学与技术 姓 名: 贾仁旭 学 号: 20086600 指导教师: 王晓飞 2012年4月30日 摘要 当今社会随着数字媒体信息使用的增长,使得人们可以快捷方便地获得数字信息和在线服务。但同时，盗版也变得更加容易，对数字内容的管理和保护成为迫切需要解决的问题。 本文介绍了数字水印技术的发展情况及数字水印的研究的重要性，对数字水印的应用及算法做了简单的介绍。着重介绍了数字水印Patchwork 算法，并且利用Matlab编程实现了这一算法。通过实验验证了嵌入水印后的图像和原始图像几乎毫无差别，水印达到了很好的隐藏效果，充分证实了数字水印的不可感知性。 关键词 信息隐藏;数字水印;空域图像水印技术;Patchwork I Abstract Today's society the use of digital media is growing rapidly, making it quick and easy access to digital information and online services. But at the same time, piracy has become easier, the digital content management and protection of the urgent need to address the problem. This article describes the development of digital watermarking technology and the importance of the study of digital watermarking, digital watermarking applications and algorithms to do a brief introduction. Focuses on digital watermarking Patchwork algorithm, and the use of Matlab programming algorithm. Verified by experiments almost no difference in the watermarked image and original image, a watermark to reach the hidden, fully confirmed by digital watermark imperceptibility. Key words Information hiding; digital watermark; airspace image watermarking technology; Patchwork II 目录 摘要 ...................................................................................................................................... I Abstract ............................................................................................................................... II 第一章 绪论 ........................................................................................................................ 1 1.1 引言 ....................................................................................................................... 1 1.2 数字水印研究的重要意义 .................................................................................... 1 1.3 本课题的主要研究内容及章节安排 ..................................................................... 2 第二章 数字水印技术......................................................................................................... 3 2.1 数字水印技术介绍 ................................................................................................ 3 2.1.1数字水印的基本框架 .................................................................................. 3 2.1.2 数字水印系统的分类及特性 ...................................................................... 8 2.1.3 数字水印的主要应用领域 .......................................................................... 9 2.2 数字图像水印技术 .............................................................................................. 10 2.2.1 空域图像水印技术 ................................................................................... 10 2.2.2 DCT域图像水印技术................................................................................ 11 2.2.3 小波域图像水印技术 ............................................................................... 12 2.3 数字水印的应用实例 .......................................................................................... 13 2.3.1 数字签名 ................................................................................................... 13 2.3.2 在电子印章中的应用 ............................................................................... 14 2.3.3 指纹身份认证水印 ................................................................................... 14 第三章 Patchwork数字水印 ............................................................................................. 16 3.1 Patchwork算法的概述 ........................................................................................ 16 3.2 Patchwork算法描述 .................................................................................... 16 第四章 程序设计 .............................................................................................................. 18 4.1 算法的伪C代码描述 ......................................................................................... 18 4.2 试验程序 ............................................................................................................. 20 结论 ................................................................................................................................... 23 参考文献 ............................................................................................................................ 24 致谢 ................................................................................................................................... 25 基于Patchwork算法的数字水印嵌入技术 第一章 绪论 1.1 引言 数字水印技术是新兴的信息隐藏技术。所谓数字水印技术就是将数字、序列号、文字、图像标志等版权信息嵌入到多媒体数据中，以起到版权跟踪及版权保护的作用。除此之外，数字水印还在真伪鉴别、隐蔽通信、标志隐含、电子身份认证等方面具有重要的应用价值。数字水印技术的研究涉及信息学、密码学、数学、计算机科学、模式识别等多种学科领域，使隐蔽的信息更具隐蔽性、安全性，同时还具有对称性和纠错性。对数字水印技术的研究表明，数字水印具有巨大广阔的应用前景，并已引起学术界、工业界和军方的广泛关注。 Patchwork算法是1996年，Bender等人提出了空域图像水印方法中著名的算法。这是一种统计算法，即在一个载体图像中嵌入具有特定统计特性的水印。 “Patchwork”一词原指一种用各种颜色和形状的碎布片拼接而成的布料，它形象地说明了该算法的核心思想，即在图像域上通过大量的模式冗余来实现鲁棒数字水印。Patchwork是将水印信息隐藏在图像数据的亮度统计特性中，给出了一种原始的扩频调制机制。 1.2 数字水印研究的重要意义 当今社会发展已呈现两个明显的特征:数字化与网络化。数字化指的是信息的存储形式，特点是信息存储量大便于编辑和复制;网络化指的是信息的传输形式具有速度快、分布广的优点。过去10年，数字媒体信息的使用和分布增长迅速。人们可以快捷方便地获得数字信息和在线服务。但同时，盗版也变得更加容易，对数字内容的管理和保护成为迫切需要解决的问题。 一个世纪以来，无线电广播、电视、录像等技术的产生，都在一定程度上造成版权保护的困难，但最终都是由于新的版权的产生而重新得到控制。近年来，数字化技术和Internet的飞速发展，在最大限度的方便人类的信息交换的同时，也带来了版权保护的危机。数字化技术精确、廉价、大规模的复制功能和Internet 的全球传播能力给现有的版权制度带来了前所未有的冲击，数字产品版权保护成为困扰世界各国、社会各界的难题。 1 基于Patchwork算法的数字水印嵌入技术 数字信息在本质上不同于模拟信息，传统的保护模拟信息的方法对数字信息已不奏效。再加上一些具有通用目的的处理器，如PC机，使那些基于硬件的媒体保护更容易被攻破。而通常采用的加密技术事实上只能在信息从发送者到接受者的传输过程中保护媒体的内容。在信息被接收到以后，利用的过程中，所有的数据对使用者都是透明的，不再受到任何保护。在这一形势下，数字水印作为一种潜在的解决方案，得到了众多学者的青睐。 数字水印的基本思想是在原始数据中，如音频、视频、图像等，隐藏具有一定意义的附加信息作为标记，这些信息与原始数据紧密结合，并随原始数据一起被传输。在接收端，通过计算机水印信号被提取出来用于各种目的，可能的应用包括数字签名、数字指纹、广播监视、内容认证、拷贝控制和秘密通信等。数字水印被称为抵抗多媒体盗版的“最后一道防线”。因此从水印技术自身来说，它具有广泛的应用前景和巨大的经济价值。 1.3 本课题的主要研究内容及章节安排 本课题主要是研究基于Patchwork算法下的数字水印嵌入技术，研究数字水印的基本理论和基本构架，在理解数字水印的基础上研究Patchwork算法的具体嵌入及检测。论文的主要工作及章节安排如下: 第一章主要介绍了论文研究的背景，数字水印研究的重要意义。 第二章主要介绍了数字水印的基本框架、数字水印的分类及特性和数字水印的应用实例。 第三章主要介绍了Patchwork算法的及特点和算法的伪C代码的描述。 第四章是写实验程序的简介及试验程序。 2 基于Patchwork算法的数字水印嵌入技术 第二章 数字水印技术 2.1 数字水印技术介绍 数字水印是一种有效的数字产品版权保护和数据的安全维护的技术，是信息隐藏技术研究领域的重要分支。它是将具有一定特定意义的标记及水印，利用数字嵌入的方法隐藏在数字图像、音频、文档、图书、视频等数字产品中，用以证明创造者对其作品的所有权，并作为鉴定、起诉非法侵权的证据。同时，通过对水印的检测和分析保证数字信息的完整可靠性，从而成为知识产权保护和数字多媒体防伪的有效手段。 2.1.1数字水印的基本框架 从信号处理的角度看，嵌入载体队形的水印信号可以视为是在强背景下叠加的一个弱信号，只要叠加的水印信号强度低于视觉系统(HVS)对比度门限或听觉系统(HAS)对声音的感知门限，HVS或HAS就无法感知到信号的存在。由于HVS或HAS受空间、时间和频率特性的限制，所以，通过对载体做一定的调整，就可能在不引起人感知的情况下嵌入信息。 从数字通信的角度看，水印嵌入可以理解为在一个宽带信道上用扩频通信技术传输一个窄带信号及水印。尽管水印信号具有一定的能量，但分布到信道中任何一频率上的能量难以检测到的。水印的检测则是一个有噪信道中弱信号的检测问题。图2-1为数字水印处理系统基本框架。 密钥 水印提取算法 秘密信息 水印 水印 含水印含水印网络 产品 产品 产品 有或无 水印生成水印嵌入水印攻水印检测 算法 算法 击算法 算法 图2-1 数字水印处理系统基本框架 3 基于Patchwork算法的数字水印嵌入技术 下面是根据Voyatzis和Pitas的思想对数字水印的基本框架进行介绍。 定义水印为如下的信号W dWwkwkUk,,,{()(),} W (2-1) dW这里表示维数为水印信号域，分别表示声音、静止图像和视频中的水印。dd,1,2,3 水印信号可以是二值形式(={0,1}或={-1,1})或高斯噪声形式。有时称为“原UUW始水印”，以便把它和变换域水印形式()(这种形式的水印往往在许多水印嵌入WF 和检测算法中出现)区别开来。 水印处理系统的基本框架可以定义为六元体(),其中: XWKGED,,,,, (1) 代表所要保护的数字产品X的集合。 X (2) 代表所有可能的水印信号的集合。 Ww (3) 是标识码(也称为水印密钥)的集合。 K (4) 表示利用密钥和待嵌入水印的共同生成水印的算法，即 GKX GXKWWGXK:,(,)，,, (2-2) (5) 表示将水印W嵌入数字产品中的嵌入算法，即 EX0 EXWXXEXW:,(,)，,, 0(2-3) X这里，代表原始的数字产品;代表嵌入水印后得到的数组产品。 X0 (6) 表示水印检测算法，即 D DXK:{0,1}，, (2-4) 1,()如果中存在XWH,1DXK(,), ,0,()如果中不存在XWH0, 这里，和代表二值假设，分别表示水印的有无。 HH10 水印的处理系统基本框架必须满足一些特定的挑件，以便形成一套适用于版权保护盒产品内容鉴定的值的信赖的根据，这些基本条件有: (1) 不可感知性。对于不可见水印的处理系统，水印嵌入算法不应该产生可感 XX知的数据修改。即加水印后的产品必须相似于原始产品，即 00 (2) 密钥唯一性。不同密钥应产生不等价水印，即对于任何产品X,X和 4 基于Patchwork算法的数字水印嵌入技术 满足。 WGXKi,,(,),1,2,KKWW,,,ii1212 (3) 水印有效性。在水印处理算法中只采用有效的水印。对于特定的产品X X,当且仅当存在K使得,则称水印是有效的。 WK,GXKW(,), (4) 不可逆性。函数=应该是不可逆的，即不能根据和函数 WWGKGXK(,) 直接满足这个条件。但这在水印出理算法中并不是必要条逆推出来。不满射的函数G 件。在实际应用时，不可逆意味着对于任何水印信号，很难再找到另一个与等价WW的水印信号。 (5) 产品依赖性。在相同的密钥条件下，当水印算子用在不同的产品时，应 G 该产生不同的水印信号。即对于任何特定的密钥K和任何满足K,XXX,,12 ，其中。 KKWW,,,WGXKi,,(,),1,21212ii (6) 多重水印。通常对已有嵌入的水印信号的产品用另一个不同的密钥再做水 印嵌入是可能的。这也是盗版者或侵权者在重销时可能做的工作。但在某些场合，利用 XEXWi,,(,),1,2,,这种特性可以对产品的发布渠道进行跟踪。若那么对于任何ii,1i DXW(,)1,X，原始水印必须在中检测出来，即，这里n是一个足够大的整数使in,ii1 XXXX,，而且。 nn，100 (7) 检测可靠性。肯定检测的输出必须有一个合适的最小的置信度。如果P是 fa检测的虚警率，则它满足PP,，这里是产品供应者所选择的合适的概率阀值。 Pfathresthres (8) 稳健性。设是原始产品，而X是加水印的产品，并且， MXDXW(,)1,0 是一个多媒体数据处理操作算法。则对于任何满足，而且YXYMX,(),DYW(,)1,对于任何，满足。 ZMX,()DZW(,)0,0 (9) 计算有效性。水印处理算法应该比较容易用软件或硬件实现。尤其需要注 意的是，水印检测算法对某些应用来说要足够快。 以上介绍了通用的水印框架的基本要素和它在通常情况下需要满足的一些基本条件，在实际应用中，一个完整水印系统的设计必然包括水印的生成、嵌入和提取三部分。以下介绍这3部分的内容: 5 基于Patchwork算法的数字水印嵌入技术 1. 水印的生成 水印信号的产生通常是基于伪随机数发生器或混沌系统。产生的水印信号通常W需要进一步变换来适应水印嵌入算法。为了方便分析，往往把算子分解为算法和GR算法两个部分。 T GTR, RKWTWXKW:,:,，，, (2-5) W,W子运算输出原始水印，该原始水印只由密钥产生。当基于伪随机RRK,K 数发生器时，密钥直接映射为伪随机数产生器的种子。当基于混沌系统时，密钥RK 集由许多初始条件的适当变换而产生。这两种方法所产生的密钥集足够大并且满足密钥唯一性条件，而且由产生的水印是有效的水印。此外，是不可逆的。 RR 子算法对原始水印进行修改以后以获得最后的依赖于产品的水印。应满足 WTT ,TWXTWXTWX(,)(,)(,),, 0 (2-6) ,,这里表示原始产品，而表示嵌入水印的产品，并且表示对XXXMXXXM,(),,0 媒体数据处理操作算法。这里必须指出的是，原始水印信号也是可以预先指定的，在嵌入水印之前，对该水印信号能够做出适当的变换或不做变换，密钥是可以在水印嵌入过程中产生的。 2. 水印嵌入 图2-2为水印的嵌入过程。 密 钥 原始掩体对象 原始水印 隐藏对象 水印嵌入算法 含水印信息 图2-2 水印嵌入框图 水印嵌入就是把水印信号嵌入到原始产品中，一般的水印 Wwk,{()}Xxk,{()}00 6 基于Patchwork算法的数字水印嵌入技术 嵌入规则可描述为 xkxkhkwk()()()(),, 0 (2-7)其中为某种叠加操作，也可能包括合适的截断操作或量化操作;称为维d,Hhk,{()}的水印嵌入掩码。最常见的嵌入准则有 xkxkawk()()(),，，加法准则 0(2-8) xkxkawk()()(1()),，，乘法准则 0 (2-9) 3. 水印的提取和检测 水印的提取检测可以作用于任何的产品，提取和检测时可以有原始产品参与，还可以不用原始产品参与。但是将水印技术用于产品的网络发布和传播史，在检测时使用原始产品则是个缺陷。因此，大部分水印的检测无需原始产品参与。 图2-3与图2-4分别为水印提取和检测框图，虚框表示提取和判别水印信号原始产品是否为必须的。 密 钥 原始掩体对象 隐藏对象 水印提取算法 水印信息 图2-3 水印提取框图 密 钥 原始掩体对象 原始水印 隐藏对象 水印检测算法 是否含有水印 图2-4 水印检测框图 在一些水印系统里，水印能够被准去的提取出来，这个过程称为水印的提取。例如 7 基于Patchwork算法的数字水印嵌入技术 在一个完整的确认应用中，必须要精确的提取出嵌入的水印，并能够通过水印完整性确认多媒体数据的完整性。如果提取出来的水印发生部分变化，那么最好还能够通过发生变化的水印的位置确定原始数据被改动的位置。 对主要用做版权保护的稳健水印，它很有可能遭到各种攻击，嵌入水印的数据历经这些操作后，提取出的水印通常已面目全非了。这时，需要一个水印的检测过程。水印检测的第一步，用算子G产生的水印，第二步，是用算子D进行检测。 2.1.2 数字水印系统的分类及特性 根据应用的目的不同，数字水印可分为三类:鲁棒性透明水印、脆弱性透明水印和不透明水印。前两种水印一般是不可感知的，即人眼看不见、人耳听不到;第三种水印则是可以被直接看到或听到的。 鲁棒性透明水印主要用于版权保护，标志数字产品版权和用户授权等信息，从而作为法庭诉讼非法侵权盗版的证据。所以这类数字水印在具有透明性的同时，还应能够对各种一般的信号处理甚至恶意攻击具有较强的鲁棒性。 脆弱性透明水印，也称为脆弱水印，主要用于数字产品的内容及版权等信息的真实性鉴定，防止非法篡改和伪造。脆弱水印应能反应出数字产品发生的轻微变化，因此嵌入的水印必须对数字产品的改动具有极强的敏感性，只有如此才能通过对水印信息的检测来鉴定数字产品真伪及篡改情况。脆弱水印不适合用于数字产品的版权保护，由于其对修改的敏感性使得它常用于图像的认证。 脆弱水印广泛应用于法律、商业、国防和新闻领域。由于数字水印信息的修改已变得非常容易，因此，数字产品的可信性常受到怀疑，而安全的数字产品鉴定技术对证明没有发生篡改是十分有意义的。例如在“可信照相机”中使用脆弱水印技术可以确保通讯社使用的图像不是伪造或编辑过而用来伪造事件的;另外，在商业图像的标记中使用脆弱水印技术，可以使购买者在收到所买的图像时能够确定它是可信的。 数字水印系统包含嵌入器和检测器两部分。嵌入器至少具有两个输入量:一个是秘密信息，他通过适当变换后作为待嵌入的水印信号;另一个就是要在其中嵌入水印的数字产品。水印嵌入器的输出结果为含水印的载体作品，通常用于传输和转录。之后，这件作品或另一件未经这个嵌入器德尔作品可作为水印检测器的输入量。大多数检测器试图尽可能地判断出水印是否存在，若存在则输出为所嵌入的水印信号。 8 基于Patchwork算法的数字水印嵌入技术 2.1.3 数字水印的主要应用领域 数字水印产品虽然只是近几年才出现，但其应用前景和应用领域将是巨大的，总的来说，数字水印技术在数字产品版权保护、票据防伪、数据隐藏、隐蔽通信等方面均有重要应用。具体分析如图2-5。 防止非法复制 电子商务、复制控制等 篡改估计认证 电子商务、多媒体产品出售控制 数字水印 的应用领信息隐藏 多媒体检索、索引、制图等 域 隐蔽通信 在强密码被禁止时进行网际秘密通 信 票据防伪 对货币、有价证券、打印票据等防伪 图2-5 数字水印技术的主要应用领域 (1) 数字作品的知识产权保护 数字作品的版权保护是当前的热点问题。由于数字作品的复制、修改非常容易，而且可以做到与原作完全相同，所以有的原创者不得不采用一些可见版权标志，这些标志属于“可见数字水印”类。这种水印的特点是有牢固的附着性、鲁棒性。除非同时破坏原数字产品，否则不会被移去。但缺点是严重损害数字产品的质量。 “数字水印”利用数据隐藏原理使版权标志不可见或不可听，既不损害原作品，又达到了版权保护的目的，已经成为数字水印研究发展的主要方向。 (2) 商务交易中的票据防伪 随着高质量图像输入输出设备的发展，特别是精度超过1200的彩色喷墨、激光打印机和高精度彩色复印机的出现，使货币、支票及其他票据的伪造变得更加容易。 在从传统商务向电子商务转化的过程中，会出现大量过渡性的电子文件，如各种纸质票据的扫描图像等。数字水印技术可以为各种票据提供不可见的认证标志，从而大大增加了伪造的难度。 9 基于Patchwork算法的数字水印嵌入技术 (3) 声像数据的隐藏标志和篡改提示 有些数据的标志信息往往比数据本身更具有保密价值，如遥感图像的拍摄日期经纬度等。没有标志信息的数据有时甚至无法使用，但直接将这些重要信息标记在原始文件上又很危险。数字水印技术提供了一种隐藏标志的方法:标志信息在原始文件上是看不到的，只有通过特殊的阅读程序才可以读取。这种方法已被国外一些公开的遥感图像数据库所采用。 此外，数据的篡改提示也是一项很重要的工作。现有的信号拼接和镶嵌技术可以做到“移花接木”而不为人知。因此，如何防范对象图像、录音、录像数据的篡改攻击时重要的研究课题。基于数字水印的篡改提示是解决这一问题的理想途径，通过隐藏水印的状态可以判断声音信号是否被篡改。 (4) 隐蔽通信及其对抗 数字水印所依赖的信息隐藏技术不仅提供了非秘密的安全途径，更引发了信息战尤其是网络情报战的革命，产生了一系列新颖的作战方式，引起许多国家的重视。 综上所诉，数字水印在以数字化为特征的信息技术变革中具有重要的应用和地位。数字水印的研究正在成为世界各国许多研究机构和人员的重要课题。为了适应这种形式，我国必须在这个领域加快研究步伐，才能在信息时代的角逐中掌握主动权。目前，我国已有大量的研究人员投入到该领域加快研究步伐，并取得了很多重要成果，但与多媒体和网络安全技术的要求相比，还有很多亟待解决的问题需要研究。 2.2 数字图像水印技术 以图像为载体的数字水印技术是当前水印技术研究的重点之一，它吸引了众多研究人员和学者的兴趣。在该领域发表的论文数目要远大于以音频、视频等信号为载体的水印方面的论文。下面我们分别介绍空域、DCT域、DWT域、基于神经网络的图像水印技术，并对脆弱图像数字水印技术也进行简单介绍。 2.2.1 空域图像水印技术 空域图像水印技术是指在图像的空间域中嵌入水印的技术。最简单和有代表性的方案就是用水印信息代替图像的最低有效位(LSB)或者多个位平面的所有比特的算法，这里的水印信息指的是二值比特序列。图像的最低有效位也称为最不显著位，它是指数 10 基于Patchwork算法的数字水印嵌入技术 字图像的像素值用二进制表示时的最低位。1993年，Tirkel等人提出了数字图像水印的一种方法。该方法将m序列的伪随机信号以编码形式的水印嵌入到灰度图像数据的LSB中。为了能得到完整的LSB位平面而不引入噪声，图像通过自适应直方图处理，首先将每个像素值从8b压缩为7b，然后将编码信息作为像素值的第8个比特(像素值的LSB)，即嵌入了水印。这一方法是单个LSB编码方法的扩展，在单个LSB编码方法中，LSB直接被编码信息所代替。 由于LSB位平面携带着水印，因此，在嵌入水印图像没有产生失真的情况下，水印的恢复很简单，只需要提取含水印图像的LSB位平面即可，而且这种方法是盲水印算法。但是，LSB算法最大的缺陷是对信号处理和恶意攻击的稳健性很差，对含水印图像进行简单的滤波、加噪等处理后，就无法进行水印的正确提取。 针对LSB算法表现的缺陷，一些研究人员对空域图像水印技术进行了改进，使算法的稳健性和安全性得到了提高。 Matsui等提出了一种用于图像的水印技术。该方法是建立在对灰度级图像进行预测编码的基础之上。预测编码方法中用预测误差编码代替对单个灰度值编码，得出相邻像素点之间的相关性。按预先确定的顺序扫描数字图像，遍历像素点，用预测编码法{}xi对像素点集进行编码，保留第一个值，后面的值相邻像素点间的差值来代替。他们exj1 引入一张编码表，表中一个可能的差值对应一个位值，二者的关系是保密的。为了dcjj 嵌入一位数据b，要选择一个像素及相应的差值，查询编码表，看对应于的位值xeejjj是否和位b的值相同。如果相同，即代表当前水印位为b，继续进行下一位水印比特cj 的嵌入;如果不同，则在表中选一个与接近的值，使它所对应的位值也符合要求。图ej 像作者通过在编码表中寻找相应位，可以实现对水印的恢复。 1996年，Bender等人提出了空域图像水印方法中著名的Patchwork算法。这是一种统计算法，即在一个载体图像中嵌入具有特定统计特性的水印。与LSB算法不同，Patchwork是将水印信息隐藏在图像数据的亮度统计特性中，给出了一种原始的扩频调制机制。尽管该算法一般只能隐藏1bit信息，但仍然可以在一定程度上对图像数据的版权给予保护。 2.2.2 DCT域图像水印技术 离散预先变换简称DCT。任何连续的实对称函数的傅里叶变换只有余弦项，因 11 基于Patchwork算法的数字水印嵌入技术 此，余弦变换与傅里叶变换一样有明确的物理意义，DCT变换避免了傅里叶变换中的复数运算，他是基于实数的正交变换。DCT变换矩阵的基向量很近似于Toeplitz矩阵的特征向量，而Toeplitz矩阵有体现了人类语言及图像信号的相关特性，故DCT常常被认为是对语音和图像信号的准确变换。 与空域图像水印相比，离散余弦变换(DCT)域图像水印对压缩、滤波和其他一些数字处理算子具有更强的稳健性，同时又与常用的图像压缩JPEG兼容，因而得到了广泛的重视，基于DCT的数字水印技术是目前水印技术中研究得最多、最深入并且也是最成熟的。 较早的DCT水印算法是由Cox等人提出的。Cox算法不是采用分块DCT，而是对整个图像进行DCT，随后使用一个随机向量改变图像中前N个感知上最重要的DCT系数来嵌入水印。通过改变DCT系数的量化方法，并通过校验(按大小排列)来改变其中的部分系数也可以达到嵌入水印信息的目的。 在采用分块DCT的水印算法中，块的大小均选择88。有学者根据高斯网络分类， 器决策选出一些特定的块，然后利用一个线性DCT约束或环形DCT检测对中频段的DCT系数进行变换，以传输水印信息。还可以通过对DCT块进行频率掩蔽以嵌入水印。将输入图像分为若干方块，对这些方块进行计算，由于掩蔽栅格可以提供掩蔽频率附近的信号栅格的可视阀值，对每个DCT块计算它的频率掩蔽。通过对最大长度的伪随机信号进行DCT变换，对可见的掩蔽频率进行放缩和处理，然后将这一水印加入到相应的DCT块中，并通过空间掩蔽来验证水印是否不可见，并控制缩放因子。水印的测试需要原始水印和原始水印和原始图像，并利用假设检验。该方法对JPEG压缩、有色噪声和剪切有很好的稳健性。 2.2.3 小波域图像水印技术 基于小波的多媒体水印技术是近年来一个比较活跃的研究领域，特别是随着JPEG2000将小波变换纳入其中，对该领域的研究更加具有实际意义。小波变换是20世纪80年代后期发展起来的应用数学分支，很快被发过学者Daubechies和Mallat等人引入到信号及图像处理领域。它具有许多良好的特征，这些性质奠定了小波域水印技术的基础。这些特性主要表现在以下几个方面:意识图像边缘和纹理等区域的空间频率位置信息，而这些信息对于保证所嵌入水印的鲁棒性是十分重要的;二是多分辨率特性。小 12 基于Patchwork算法的数字水印嵌入技术 波变换构成了对图像的多尺度视频分解，它将图像分解为低分辨率逼近图像和各层次的水平、垂直、对角线方向的高分辨率的细节成分，小波域的这种对图像的对分辨率表示，对于含有水印图像的渐进传输和可分级解码等具有重要意义。采用该机制进行数字水印检测可以大量节省处理时间，三是小波分解的空间频率特性与HVS某些视觉特性的相似性。该特性是小波变换区别于FFT和DCT的一个重要方面，根据该特性可以影响高强度的水印嵌入到HVS不太敏感的区域，这样在保证不影响如想视觉质量的前提下，可以最大限度地增加嵌入水印的强度;四是小波变换的自适应性。小波变换的滤波器和分解结构可以根据宿主信息特性进行自适应选择——这种小波变换机制被称为小波包变换，小波包变换最近已被应用到数字水印中，取得了很好的效果。 2.3 数字水印的应用实例 随着电子政务、电子商务的迅猛发展，网上办公、网上交易逐年递增，电子文件、电子票据的真实性、完整性、不可否认性、保密性必须得到保证，数字水印技术为其提供了一个有效的技术手段。下面给出当前数字水印技术在电子政务、电子商务中较为实用的几个实例。 2.3.1 数字签名 数字签名是一种对多媒体信息进行论证的有效手段，它是由信息发送者对要传送的信息进行某种处理，用以论证信息的来源并核实信息是否发生了变化的一段字符串。数字签名的基础是密码学。 信息隐藏技术与传统密码学有本质的区别，传统密码学是将明文加密成密文，使信息不可理解，是隐藏了信息的内容;而信息隐藏技术着重隐藏了信息的存在。数字水印技术和数字签名各有优势和不足。数字签名容易受到攻击，而数字水印的安全度不高。如果将数字水印和数字签名有机地结合起来，以之为基础构成一种新的水印方案，其安全性、可信度、求证精度都将会大大地提高，这无疑将是多媒体技术研究发展的一个很有前途的方向。 把数字签名作为水印隐藏在图像中，数字签名方法用DSA(data signature algorithm)，数字水印方法用DCT(discrete cosine transform)。DSA签名基于离散对数问题的数字签名标准，虽说它仅提供数字签名，不提供数据加密功能，但它具有算法简 13 基于Patchwork算法的数字水印嵌入技术 便实用、易实现等优点。而考虑用DCT是实变换，它具有良好的能量压缩能力，而且可以利用人的视觉系统(HVS)在DCT域内的特性。 2.3.2 在电子印章中的应用 电子印章是实现电子公文的一个核心技术，目前常用的电子印章设计方法一般是利用Active X控件嵌入技术，并对此控件图像进行镂空处理，使印章更逼真。同时，每个印章都对应有一个印章识别码使印章唯一可识别，以及设置密码用来防止他人对印章的修改。这种印章在外观表现形式上虽能达到纸上盖章的效果，也具有一定的防修改(利用印章密码这种简单认证)、防伪功能(识别码)，但这些都是为了保护印章本身的，不能对电子公文进行保护。 电子印章应保证信息的完整性和真实性。我国《电子签名法》的颁布为其推广使用提供了法律基础。但是，电子印章只能对电子数据的完整性和真实性进行验证，而不能对电子文件保证真实性和不可篡改性，因此需要对文件的身份进行验证，来证明文件的有效性。电子印章必须与电子文件(全部或部分)建立某种逻辑关联，利用单项散列算法或摘要算法生成待签文件的摘要，用以辨别电子文件签署者的身份，保证文件的完整性，并表示签署者同意电子文件所陈述的内容。可以通过密码验证、签名验证、指纹验证、虹膜验证等方式验证用户身份。电子印章和文件绑定，可验证文件的可靠性，一旦被绑定的区域发生改变(非法篡改或传输错误)，印章将失效。 2.3.3 指纹身份认证水印 生物特征的认证是根据人体特征信息进行的认证技术，包括指纹、掌纹、虹膜、话音、人脸、足纹、DNA等。研究表明，上述的任何一个特征，两个人相同的概率及其微小，可唯一证明个人身份，满足个人身份的确定性和不可否认性。在这些特征中，终生不变，易于获取，应用广泛，全世界各个行业都接受的个人特征应首选指纹。 利用指纹的唯一性和不变性生成数字水印信号，基于人眼视觉系统(HVS)特性，在宿主图像的高频小波子层中嵌入合法用户的指纹特征信息，同时，合理地调整水印嵌入强度，使攻击者难以察觉到指纹信息的存在，指纹身份认证水印综合了水印技术和指纹识别两者的优势。 远程网络环境下，指纹特征的提取和匹配时分离的，指纹特征的信息需要通过公共 14 基于Patchwork算法的数字水印嵌入技术 通信信道传送给远端匹配器，所以很容易受到攻击。直接采用数字水印用于身份认证仍然不足以抵抗此类重放攻击。一旦攻击者通过非法窃取嵌入指纹特征的水印图像，虽然不能得到指纹特征信息，但通过重新发提交水印图像，仍然可以通过身份认证获取对远程系统的访问权。通过采用用户端和服务器端两次“握手”方式来抵抗这种重放攻击，并构造了一个指纹身份认证水印系统。 15 基于Patchwork算法的数字水印嵌入技术 第三章 Patchwork数字水印 3.1 Patchwork算法的概述 “Patchwork”一词原指一种用各种颜色和形状的碎布片拼接而成的布料，它形象地说明了该算法的核心思想，即在图像域上通过大量的模式冗余来实现鲁棒数字水印。Patchwork算法是一种数据量较小、能见度很低、鲁棒性很强的数字水印算法，其生成的水印能够抗图像剪裁、模糊化和色彩抖动。 以隐藏1bit数据为例，Patchwork算法首先通过伪随机数生成器产生两个随机数序列，分别按图像的尺寸进行缩放，成为随机点坐标序列。然后将其中一个坐标序列对应的像素亮度值降低，同时升高另一坐标序列对应的像素亮度。 由于亮度变化的幅度很小，而且随机散布，并不集中，所以不会明显影响图像质量。所选取的伪随机数生成器的种子就是算法的密钥。 3.2 Patchwork算法方法描述 假设算法针对256级线性量化系统，其初始值为0，所有亮度等级均匀分布，各点相互独立。算法叙述如下。 在图像中随机选出两点A和B。设A的亮度为a，B的亮度为b，令 Sab,, (3-1) 如果大量重复上述过程，则S的期望应为0。但是这并不代表在某一特定条件下S 2究竟取值多少。这是因为在这种处理中，S的方差是相当高的。S的方差则是反应S,s ab的样本围绕其期望值变化的紧密情况。因为,是相互独立的，可以用下式计算。 222,,,,， sab (3-2)对于均匀分布的有 2(2550),2,,,5418.75 a(3-3)12 2从而S的标准差为,,104。在高斯聚类情况下，一次单独的迭代意义不大。但是，s 如果我们执行上述过程多次，则会出现不同的情形。如果将这个过程重复次，令和ab,ii 16 基于Patchwork算法的数字水印嵌入技术 是和S的第次迭代值，定义如下所示 Sab,Siin (1) 一个密钥利用和伪随即数发生器来选择数据对。该密钥和随机数发k(,)abii 生器的模型仅为收发双方拥有，解码器需要按照和编码器相同的顺序和位置来选择数据对; ai,,(2) 将补丁处的亮度值提高，的一般取值为256的1%~5%之间; bi,(3) 将补丁处的亮度值降低同样的值; (4) 重复上述步骤次(的典型值为10000)。 nn 相应的解码过程只需要两步: (1)对编码后的图像，用同样的密钥和伪随机数发生器来选择数据对; k(ai,bi) s'n(2)计算 nn S',(a，,),(b,,),2n,，(a,b) niiii,,(3-4),1,1 ii 当n的值很大时，有 E(S'n),2n, 在不知道密钥k的情况下，随机选取像素对，假设它们是独立同分布的，就有 E(S'n),0这就表明，只有水印嵌入者可以对水印进行正确检测，攻击者无法判定图像中是否含有水印。 17 基于Patchwork算法的数字水印嵌入技术 第四章 程序设计 4.1 算法的伪C代码描述 Patchwork的水印嵌入算法的具体描述如下: 随机选择N对像素点(ai，bi) lum()=像素点亮度值 for (i=1;i<=N:i++) (lum(ai)，lum(bi)) =( lum(ai)+1，lum(bi)-1); 上述算法基于一个基本的假设:给一个值足够大的n值，对于根据伪随机数生成器生成序列选取的图像像素对(ai，bi)，所有像素点ai的亮度平均值与所有像素点bi的亮度平均值非常接近。 当对图像按Patchwork算法嵌入水印后，使得所有像素点ai的亮度平均值增加1，而所有像素点bi的亮度平均值减少1。在水印被嵌入后，这些像素点的亮度变化是能够被准确检测到的。这个假设是必要的且在水印嵌入和检测过程中可得到证实。 水印的检测算法与秘密信息的提取算法不同，不要求原始图像的参与，而仅根据待测图像来鉴别。其思想为:接受者计算n个i值的(lum(ai)-lum(bi))如果这些亮度值之和sum接近于2的整数倍，则此水印可被检测出;但如果这些亮度值的和接近于0，则此水印不能被检测出。根据经验选取一个适当的阀值来决定数值的近似程度。 , 算法的伪C代码描述为: int k; float δ ; for (i=1;i<=N;i++) sum+=( lum(ai)-lum(bi)); sumk,,,2 if ( ) /*此和值足够接近于2k*/ 存在水印; else 不存在水印; 18 基于Patchwork算法的数字水印嵌入技术 用伪随机置换策略选取足够多的像素点，然后取其前一半构成像素集合{},另一ai半构成像素集合{}。标准的Patchwork水印检测算法中，主要的判定式是: bi sumk,,,2 4-1)(该式的实际意义是说两组经过调整的像素平均亮度差值应非常接近于2度。本身应该是个比较小的数，但在理论上不应该小于原始图像未加水印前的平均亮度差值。只有当假定原始图像未加水印前的平均亮度差值为0时，才可以无限的将取小以保证在水印检, 测中不出现将无水印的图像判断为有水印的图像这一错误。但在实际操作中，这样一来的直接结果就是导致了在水印检测中发生将有水印的图像判断为无水印的图像错误的概率大大增加。所以调整判断方法为 quantity ()ab,,iii,1,:,1lum, (4-2)quantity 下表对于未加水印的原始lena图像在不同种子控制下{}与{}的平均亮度差。aibi 可以看到，在未加水印前，图像像素的平均亮度差远小于1度(1度=1\128=0.0078)。在检测中，可以定义判定阀值为0.0020.005。 表3-1 lena图像在不同种子控制下{}与{}的平均亮度差 aibi 种子key1、key2、key3 {ai}与{bi}的平均亮度差 1983 1121 421 0.0016581 2001 3253 11 0.00029515 27 8734 5608 0.00131 110 119 112 0.00074515 806 572 413 0.0021371 任何基于改变图像像素点位置的攻击都会使水印难以被检测出来。旋转、剪切尺度改变将会毁灭水印，任何基于改变像素点值的攻击很可能也会摧毁水印。所以，嵌入Patchwork水印的图像将容易受到各种综合攻击的影响。为了增加水印的鲁棒性，将像素对扩展为小块的像素区域(如8×8图像块)，增加一个区域中的所有像素点的亮度值，相应减少对应区域中所有像素点的亮度值。 19 基于Patchwork算法的数字水印嵌入技术 4.2 试验程序 Patchwork算法的基本原理在上一节已经介绍过了，下面就是基于Patchwork算法 的数字水印嵌入及检测的程序。 1.patchwork水印的嵌入 %original为原始图像 %goalfile为保存的结果 %key1、key2、key3为序列密钥 %scale为调整亮度的度数，默认为1 function [psnr,w]=patchwork(original,goalfile,key1,key2,key3,scale) %默认的对亮度的调整为1度 if nargin==5 ascale=1; else ascale=scale; end %读取图像信息，并提取亮度分量 image=imread(original); image=double(image)/256; YUV=rgb2ycbcr(image); bright=YUV(:,:,1); %定义两组像素点的个数 [m,n]=size(bright); quantity=floor(m*n/8); %调用伪随机置换函数，确定信息隐藏位 [row,col]=hashreplacement(bright,2*quantity,key1,key2,key3); %调整亮度 degree=ascale/128; for i=1:quantity bright(row(i),col(i))=bright(row(i),col(i))+degree; 20 基于Patchwork算法的数字水印嵌入技术 bright(row(2*i),col(2*i))=bright(row(2*i),col(2*i))-degree; end %重构图像并写回保存 YUV(:,:,1)=bright; result=ycbcr2rgb(YUV); imwrite(result,goalfile,'lena.bmp',16); subplot(121),imshow(image),title('原始图像'); subplot(122),imshow(result); title(['1',int2str(ascale),'嵌入patchwork水印的效果']); (a)原始图像 (b)取操作尺度为1下嵌入 patchwork水印的效果 图4-1 水印算法的结果 实验结论:以上程序方案为Patchwork算法的水印嵌入，在MATLAB软件的运行得出以下图像。如图4-1所示水印算法的应用与产生的图像，图4-1(a)为256256的的“lena”，图，图4-1(b)为取操作尺度为1下嵌入patchwork水印效果的lena图，从视觉上看，嵌入水印后的图像和原始图像几乎毫无差别，说明水印达到了很好的隐藏效果，充分证实了数字水印的不可感知性。 2.水印的检测 function[result,empvlua]=patchwork=(text,key1,key2,key3,threshold); image=imread(text); image=double(image)/65535; YUV=rgb2ycbcr(image); bright=YUV(:,:,1); 21 基于Patchwork算法的数字水印嵌入技术 %求两组像素点的个数 [m,n]=size(bright); quantity=floor(m*n)/8; %调用伪随机间隔函数，确定信息隐藏位 %function[row,col]=hashreplacement(matrix,quantity,key1,key2,key3) [row,col]=hashreplacement(bright,2*quantity,key1,key2,key3); %求sum值 sum=0; for i=1:quantity sum=sum+birght(row(i),col(i))-bright(row(2*i),col(2*j)); end %与阀值进行比较 cmpavalue=abs(sum/quantity)-1/128; if cmpvalue>threshold result=1; disp(’ 图像含有水印信息’); else result=0; disp(’图像不含有水印信息’); end 实验结论:利用伪随机间隔函数确定信息的隐藏位，然后求出sum值。再利用公式 4-2来判断图像中是否嵌入了水印信息。如果输出结果为1，及大于阀值,证明图像含有 水印信息。如果输出结果为0，则小于阀值,证明图像不含有水印信息。 22 基于Patchwork算法的数字水印嵌入技术 结论 数字水印技术的发展具有广泛的应用前景和巨大的经济价值。目前，国际上出现许多数字水印方案，许多公司也相继推出数字水印的产品。对于水印的嵌入方法也有很多。而Patchwork水印算法的特点是对水印的嵌入和提取简单、快速，嵌入的水印信息量大，得到了越来越多的应用。 本文首先讨论了数字水印的研究的背景及研究的重要意义，介绍了数字水印的基本框架、数字水印的分类及特性和数字水印的应用实例。主要介绍了空域水印技术中的Patchwork算法，得出了数字水印隐藏与检测的程序设计。这种算法有着提取简单、快速，嵌入的水印信息量大的特点。通过在MATLAB软件上实验并得出结论。 实验结果表明嵌入水印后载体图像跟原始图像基本上无明显的差异，即该水印图像的透明性好，且嵌入水印后的图像即在受到攻击的前提下，从中提取出的水印图像依然非常清晰。证实了数字水印的不可见性以及鲁棒性。通过检测得出图像是否嵌入了水印的结论，同时原始图像不随水印的嵌入而改变，证实了数字水印技术的安全性。 作为一个技术体系，数字水印尚不完善，每个研究人员的介入角度不同，所以研究方法和设计策略也各不相同，但都是围绕着实现数字水印的各种 特性进行设计。同时随着该技术的推广和应用的不断深入，一些其他领域的先进技术和算法也将被引入，从而完备和充实数字水印技术。 23 基于Patchwork算法的数字水印嵌入技术 参考文献 [1] 汪晓帆,戴跃伟,毛耀斌.信息隐藏术——方法与应用.北京:机械工业出版社,2001.许国平.数字水理 论与应用技术[D].济南:山东大学,2005. 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