基于人眼视觉特性彩色图像数字水印算法毕业设计

天津工业大学毕业设计（论文）基于人眼视觉特性彩色图像数字水印算法姓 名： 项文秀 院(系)别： 电子与信息工程学院专 业： 通信工程 班 级： 通信083班 2012年 6 月 9 日天津工业大学毕业设计（论文）任务书 题目基于人眼视觉特性的空域彩色图像数字水印算法学生姓名项文秀学院名称电子与信息工程学院专业班级通信083班课题类型模拟课题课题意义数字水印技术是一门综合性的图像处理技术，通过对该算法的仿真，可以掌握空域数字水印技术的原理，学习数字图像以及数字图像处理方面的相关知识，了解一个算法从设计，实践，到验证的过程。任务与进度要求第1、2 周 选择论文题目；第3、4 周 查阅资料，并由指导教师组织开题； 第5、6 周 查阅相关资料，学习数字水印的相关知识；第 7、 8周 熟悉MATLAB开发环境，学习软件开发语言； 第 9、10周 对算法进行设计，编写算法的程序； 第11、12周 对算法的鲁棒性进行测试，得出实验结果； 第13、14周 对实验结果进行分析，撰写论文。主要参考文献1王向阳，杨红颖，基于内容的空域数字水印算法研究J.计算机科学，2003，30（6）：145-147.2孙悦，孙洪，姚天任，一种空域的数字图像盲水印方案J,华中科技大学报（自然科学版），2002，30（2）：81-84.3HSU, WU.Hidden digital watermarking in images J.IEEE Trans on Image Processing, 1999, 8(1):58-68.起止日期2012.3.01-2012.6.20备注院长 教研室主任 指导教师 毕业设计（论文）开题报告表 2012 年 3 月 01 日姓名项文秀学院电子与信息工程学院专业通信工程班级通信083班题目基于人眼视觉特性的空域彩色图像数字水印算法指导教师潘崧一、 与本课题有关的国内外研究情况、课题研究的主要内容、目的和意义：以彩色空间转换、人眼视觉特性HVS为基础，提出了一种将二值图像嵌入到原始色彩图像中的数字水印算法。该算法具有一下特点：（1）充分利用人眼视觉特性（HVS），实现了数字水印图像的嵌入，增强了算法的透明性和鲁棒性；（2）能够依据原始彩色载体图像内容，实现数字水印嵌入深度的智能调节；同时实验结果也表明：该空域彩色图像数字水印算法不仅具有较好的透明性，而且对诸如叠加噪声、JPEG压缩、平滑滤波、几何剪切等攻击均具有较好的鲁棒性。二、进度及预期结果：起止日期主要内容预期结果第3-4周第5-6周第7-8周第9-10周第11-12周第13-14周由指导教师组织开题,查阅资料;了解人体视觉特性及自适应空域彩色图像数字水印嵌入算法的基本知识学习数字水印的相关知识；熟悉MATLAB开发环境，学习软件开发语言；对算法进行设计，编写算法的程序；对算法的鲁棒性进行测试，得出实验结果；对实验结果进行分析，撰写论文熟悉课题任务及目标基本掌握基本掌握完成程序得出实验结果完成论文完成课题的现有条件PC机（1台）MATLAB软件开发环境（1套）审查意见指导教师： 年 月 日学院意见主管领导： 年 月 日天津工业大学毕业设计（论文）进度检查记录 题目基于人眼视觉特性的空域彩色图像数字水印算法学生姓名项文秀学院名称电子与信息工程学院专业班级通信083班指导教师姓名潘崧指导教师职称讲师日 期指 导 记 录1月广泛查阅数字水印相关资料，开题，填写开题报告，接受学院检查0301-03.14填写任务书，了解人体视觉特性及自适应空域彩色图像数字水印嵌入算法的基本知识。03.15-03.31继续学习相关数字水印知识、人体视觉特性及自适应空域彩色图像数字水印嵌入算法的基本知识。04.01-04.14熟悉MATLAB开发环境，学习软件开发语言；04.15-04.31对算法进行设计，编写算法的程序；05.01-05.15对算法进行设计，编写算法的程序；05.16-05.31对实验结果进行分析，撰写论文并检查论文中格式及内容的各种问题，进行修正。06.01-06.10制作PPT,准备答辩。天津工业大学本科毕业设计（论文）评阅表（设计类）毕业设计题目基于人眼视觉特性的空域彩色图像数字水印算法学生姓名项文秀学生班级通信083班指导教师姓名潘崧评审项目指标满分评分选题能体现本专业培养目标，题目大小、难度适中；学生工作量饱满，能得到较全面训练。10题目与生产、科研等实际问题结合紧密。10课题调研文献检索能独立查阅文献以及从事其它形式的调研，能较好地理解课题任务并提出实施方案；有分析整理各类信息从中获取新知识的能力。15外文应用能正确引用外文文献，翻译准确，文字流畅。5设计说明书（论文）设计图纸（插图）简洁、规范、无差错，设计栏目齐全合理，能正确使用国家标准单位。15设计说明书（论文）结构严谨，表达清楚，文字通顺，用语正确，基本无错别字和病句，书写格式符合规范。15能根据毕业设计目标进行实验设计，对数据的运算及处理正确无差错，对实验结果的分析准确。20设计具有创新性或实用价值。10合计100意见及建议评阅人签名：年 月 日天津工业大学毕业设计（论文）成绩考核表学生姓名项文秀学院名称电子与信息工程学院专业班级通信083班题目基于人眼视觉特性的空域彩色图像数字水印算法1毕业设计（论文）指导教师评语及成绩：成绩： 指导教师签字： 年 月 日2毕业设计（论文）答辩委员会评语及成绩：成绩：答辩主席（或组长）签字： 年 月 日3毕业设计（论文）总成绩：a.指导教师给定成绩b.评阅教师给定成绩c.毕业答辩成绩总成绩(a0.5+b0.2+c0.3)摘 要数字水印，作为数字信息产权保护的一种有效手段，其技术已经成为当前多媒体信息安全研究领域发展最快的热点技术，受到国际学术界和企业界的高度关注。 本文提出了一种以彩色空间转换、人眼视觉特（HVS）为基础,将二值图像 （即数字水印）嵌入到原始彩色图像中的新数字水印算法。 该算法具有以下特点：（1）充分利用人眼视觉特性（HVS），实现了数字水印图像的自适应嵌入, 增强了算法的透明性和鲁棒性；（2）能够依据原始彩色载体图像内容，实现数字水印嵌入深度的智能调节。同时实验结果也表明：该自适应空域彩色图像数字水印算法不仅具有较好的透明性，而且对诸如叠加噪声、JPEG 压缩、平滑滤波、几何剪切、图像增强、马赛克效果等攻击均具有较好的鲁棒性。关键词：数字水印；彩色空间转换 ；人眼视觉特性；二值图像 ；鲁棒性ABSTRACTDigital watermarking technology, as one of the effective means in copyright protection of digital information, has been fastest-gorwing technique in multimedia information security area. It has obtained increasing attention from the international academic circles and enterprise circles.In this paper, an adaptive spatial domain color image watermarking technique, based on human visual system (HVS) and color space transformation, is proposed. In this watermarking algorithm, the digital watermark (two value image) can be embedded adaptively into the color host image. This algorithm has the following characteristics:(1) In the full use of human visual characteristics ( HVS ) condition, digital watermark image can be adaptive embedding, to improve the algorithms robustness and transparency;(2) According to the original color carrier image, digital watermark embedding depth can achieve intelligent regulating effect.At the same time,experimental results show that the proposed watermarking scheme is invisible and robusts against various signal processing operations such as superimposed noise, JPEG compression, smoothing filter, geometry shear, image enhancement, and mosaic.Key words：Digital watermark; Color space transformation; Human Visual System (HVS); Two Value Image; Robustness 目 录第一章 绪 论 11.1 课题的研究背景及意义11.2 国内外研究状况21.3 当前研究存在的问题41.4 研究的若干关键方向41.4.1 理论研究41.4.2 应用研究51.5 本文主要研究的内容与结构5第二章 数字水印技术概述72.1 数字水印原理82.1.1 数字水印基本特性82.2.2 数字水印分类82.2.3 数字水印系统模型92.2.4 数字水印攻击方法112.2.5 数字水印性能评价122.2.6 数字水印系统应用模型132.2 典型数字水印算法分析132.2.1 空间域算法142.2.2 变换域算法142.3 数字图像原理152.3.1 数字图像表示方法及分类162.3.2 BMP图像格式及真彩色图像特点162.4 水印预处理172.5 本章小结19第三章 Matlab简介203.1 Matlab概述203.1.1 Matlab产生的历史背景与发展203.1.2 Matlab的主要功能213.1.3 Matlab的语言特点223.2 Matlab在数字水印中的应用23第四章 理论研究244.1 人眼视觉系统（HVS）对数字图像的感知性244.1.1灵敏度244.1.2掩蔽效应254.1.3 HVS算法理论254.2 特征区域的选择264.3 自适应空域彩色图像数字水印嵌入算法264.3.1载体图像的彩色空间变换264.3.2彩色分量YCrCb的数字水印嵌入274.3.3 载体图像的彩色空间逆变换284.4 自适应空域彩色图像数字水印检测算法28第五章 实验结果与分析295.1 水印嵌入、提取实验295.2 鲁棒性实验305.3 本章小结33结 束 语34参考文献35附 录36外文资料46中文翻译52谢 辞56天津工业大学本科毕业论文第一章 绪 论1.1 课题的研究背景及意义随着高科技电子信息产业的飞速发展，人类社会已经进入了一个全新的数字化信息时代。计算机和网络的飞速发展在许多方面改变了人们的生活。计算机网络技术、通信技术、多媒体技术的普及和应用，使人们对信息的需求从过去的单一文本数据逐渐延伸到数字化文本、图像、音频、视频信号集成的多媒体信息。数字化的多媒体信息具有质量高、易于存储、加工和复制的优点。数字多媒体信息存储和传输技术的进步，使存储和传输数字化信息非常方便，计算机网络技术在给人们利用这些资源带来便利的同时，网络信息安全领域也提出了新的问题。由此引发的盗版问题和版权保护已成为日益严重的社会问题。数字产品的知识产权保护等方面问题的解决就显得尤为迫切。由此，数字水印技术应运而生，并且在数字产品的知识产权保护方面起到了越来越重要的作用。 数字水印技术(Digital Watermarking)的基本思想是在原始媒体数据中，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，并随之一起被传输。在接收端，通过计算机水印信号被提取出来用于各种目的。由于它在版权保护、真伪鉴别、秘密通信和隐含标注等领域有着广泛的应用前景，因此已经成为一个非常重要的研究领域。数字水印被视做抵抗多媒体盗版的“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。数字产品的版权保护是数字水印发展最重要的原动力，但随着数字水印技术的发展，其应用前景越来越广泛。总的来说，数字水印有以下一些主要的应用领域： （1） 版权保护：这是最初提出数字水印的目的。数字作品所有者用密钥产生一个水印，并将它嵌入到原始数字作品中，用于保护其知识产权。当该数字作品被盗版或出现版权纠纷时，所有者可以通过提取数字水印来维护自己的利益。这种应用要求数字水印必须有较好的鲁棒性、安全性和不可见性。（2） 拷贝控制：是一种防止数字作品被拷贝的保护机制，它不允许未授权的媒体拷贝，可以用水印来说明数据的拷贝状况。例如在DVD播放系统中，可以向原始视频信号中嵌入拷贝控制信息，来达到控制使用的目的。（3） 认证：当数字作品被用于法庭、医学、新闻和商业领域时，需要判定它们的内容是否被修改、替换或特殊处理过。易损水印具有较低的鲁捧性，在数字水印的应用中，可以用它来验证数字作品内容的完整性。（4） 指纹应用：为防止未经授权的拷贝被非法销售，数字作品的所有者将不同的用户识别码或序列号作为像指纹一样的信息，嵌入到合法的作品拷贝中，当非法拷贝一经发现，可以通过提取水印来确定它的来源。（5） 隐蔽通信及其对抗：网络情报战是信息战的重要组成部分，其核心内容是利用公用网络进行保密数据传送。在这个领域传统方法是采用加密方案，但加密后的文件往往混乱无序，容易引起攻击者的注意。数字水印技术可以利用数字化声像信号对于人的视觉、听觉冗余，进行各种时(空)域和变换域的信号隐藏，从而实现隐蔽通信。在现实生活中，这些应用为数字水印的发展提供了动力，当然不同的应用需求对数字水印的特性有不同的要求。1.2 国内外研究状况数字水印技术提出虽然时间不长，但是由于其在信息安全和经济上的重要地位，发展较为迅速，世界各国的科研机构、大学和商业集团都积极参与或投资支持此方面的研究。如美国财政部、美国版权工作组、美国洛斯阿莫斯国家实验室、欧洲电信联盟、朗讯贝尔实验室等都在进行这方面的研究工作。目前数字水印是国际学术界的研究热点之一，从1994年开始，国际学术界陆续发表了许多关于数字水印技术方面的文章，几个有影响的国际会议(例如The Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE等)、 一些国际权威学术期刊(例如Signal Processing等)相继出版了有关数字水印技术的专题。1996年5月，国际第一届信息隐藏学术讨论大会在英国剑桥牛顿研究所召开。1998年的国际图像处理大会上，还开辟了两个关于数字水印的专题讨论。在1999年第三届信息隐藏国际学术研讨会上，数字水印成为主于数字水印的专题讨论。在1999年第三届信息隐藏国际学术研讨会上，数字水印成为主旋律，全部33篇文章中有18篇是关于数字水印的研究。2005年9月15日至17日，在意大利锡耶纳召开的第四届数字水印国际研讨会上，清华大学计算机科学与技术系智能技术与系统国家重点实验室的博士生黄兴亮发表的论文Robust Detection of Transform Domain Additive Watermarks得最佳论文奖。最早的数字水印算法是基于空间域的数字水印算法，空间域方法是使用各种各样的方法直接修改图像的像素值，将数字水印直接加载在载体数据上。第一个数字水印算法是由R Gvan Schgndel等人提出的，这是一种典型的空间域信息隐藏算法。诸如其后的Patchwork算法和纹理块映射方法都是由麻省理工学院媒体实验室Walter Banderf等人提出。基于空间域的数字水印算法嵌入的信息量比较大，但因其抗攻击能力不好，故逐渐被变换域算法所代替。变换域算法就是在载体的显著区域嵌入水印。这种区域的隐藏效果好，比空间域算法能够更好地抵抗攻击，而且还保持了对人类感官的不可察觉性，但变换域能够嵌入的水印容量相对较小。目前主要使用的变换域算法有：离散傅立叶变换(Discrete Fourier Transform,DFT)、离散余弦变换(Discrete Cosine Transform,DCT)、离散小波变换(Discrete Wavelet Transform,DWT)。O.Ruanaidh提出了两种基于离散傅立叶变换域的水印算法。Deepa Kunclur和Dimitrios Hatzinakos对签名矩阵作小波变换，然后叠加到原始图像的小波变换系数上。由Ahmed等人发现的离散余弦交换在变换图像编码上具有广泛的应用。事实上，它是静止图像编码标准(Joint Photographic Experts Group,JPEG)和运动图像编码标准(Moving Pictures Experts Group，MPEG)的基础。Cox等人提出了基于图像全局变换的数字水印算法。他们的重要贡献是，明确提出加载在图像视觉敏感部分的数字水印才能有较强的鲁棒性。基于分块的离散余弦变换是常用的变换算法之一，最早的基于分块离散余弦变换的数字水印是隐藏一些二进制信息。C.S.Hsu等人提出了一种基于分块离散余弦变换的数字水印算法，他们选用的水印不再是一个随机数，而是可辩识的图像。验证时，衡量提取出的水印同原水印之间的相似性来判断是否加入了水印。随着技术交流的加快和数字水印技术的迅速发展，国内一些研究所和高校也逐步从技术跟踪转向深入研究。其中比较具有代表性的有哈尔滨工业大学、天津大学、北京邮电大学等，它们都是国内较早投入水印技术研究，而且取得较好成绩的单位。对于图像水印技术的历史大概可以分为两个阶段：第一个阶段是使用无意义水印，如伪随机序列或用户ID号作为水印嵌入载体图像中，如果提取后的水印序列有若干错误，则只能通过统计决策来确定载体中是否含有水印；第二个阶段是采用有意义的图像作为水印嵌入载体图像中，采用有意义的图像作为水印，在水印的检测过程中，如果受到攻击或其它原因致使提取后的水印破损，人们仍然可以通过视觉、听觉确认是否含有水印。梅蕤蕤等提出的一种彩色图像自适应数字水印算法。郑江滨等提出的基于彩色分量DCT域的数字图像水印。凌贺飞等人提出的基于YCbCr颜色空间的二维DCT彩色图像数字水印实用技术。这些都是采用有意义的图像作为水印信息嵌入载体图像，而且载体使用了彩色图像，使得水印技术更具有实用意义。我国于1999年12月11日，由北京电子技术应用研究所组织，召开了第一届信息隐藏学术研讨会，至今已成功的举办了六届，很大程度上推进了国内水印技术的研究与发展。同时，国家对信息安全产业的健康发展也非常重视，在2003年的科技型中小企业技术创新基金若干重点项目指南中，明确指出了对于数字产品产权保护(基于数字水印、信息隐藏、或者网络认证等先进技术)和个性化产品(证件)的防伪(基于水印、编码等技术)等多项防盗版和防伪技术予以重点支持。为推动我国在数字水印这一国际前沿领域的发展，促进我国研究人员在此领域的交流与合作，2005年10月12日至14日由中国图象图形学学会主办，中科院自动化所协办的第十二届全国图象图形学学术会议在北京西郊宾馆召开，会议上再次强调了数字水印技术在数字产品产权保护方面的重要性。1.3 当前研究存在的问题作为国际学术界新兴的研究领域，数字水印在近十几年中己经得到了迅速发展，但仍然发展不成熟，尚有许多问题有待解决，理论基础依旧薄弱，大多数水印算法还是经验性的。认清当前数字水印研究存在的问题对于指导水印算法的快速稳步的发展有着重要意义。对于水印系统的性能评价，部分学者已经做了一些初步研究，但目前仍缺乏对水印系统性能进行合理评估的通用标准，包括如何客观地评估各种水印算法的性能，如何通过一套可靠的标准来选择水印方案，并能综合评判各种数字水印算法的优劣，如何对数字水印的鲁棒性进行标准化的攻击测试，以及如何对测试的数据结果进行标准化地分析等。大多数水印算法依据经验值对整幅图像均用同样的强度嵌入水印，从而图像的所有部分嵌入的水印能量均相同。由于没有充分考虑到图像本身的局部特性和人类的视觉特征，容易造成某些分块因嵌入的水印能量过大而引起了较大的局部失真，而有些分块因嵌入的水印能量过小而远远未达到图像失真度的下限。鲁棒性和不可感知性是水印的两个非常重要特性。从水印技术被提出以来，对这两个方面的研究就是水印技术研究的一个主题。设计一个完整的水印系统时，必须要在水印的鲁棒性、嵌入的水印能量以及不可感知性之间达到一个平衡，这是一个很难的课题。涉及到鲁棒性水印算法的设计、水印的构造和水印能量估计等方面。目前，大多数水印算法利用经验值，而没有从理论上解决此问题。1.4 研究的若干关键方向1.4.1 理论研究理论研究上有以下问题很有价值，值得深入研究：(1) 宿主信号和嵌入位置的选择。能否从理论上指导宿主信号（如掩蔽图像、掩蔽声音）的选择，能否在理论指导下找出水印嵌入的最佳位置等问题的研究具有重大意义。(2) 最大水印嵌入强度。为了提高水印的抗攻击能力，希望嵌入的水印强度要尽可能大。但是，如果水印强度太大，就能在感官上被感觉出来，从而破坏载体的质量（或引起信息窃听者的注意）。因此，能否从理论上计算载体可嵌入的且在感官上不容易察觉的最大水印强度，以及对嵌入水印后的载体质量降低程度的定量评估等问题的研究很有意义。(3) 水印安全性。现有的水印算法有很多，但是并没有一个统一的标准能够证明哪些水印嵌入算法是安全的，哪些是不安全的，或者哪些是比较安全的。这方面的理论研究也非常有意义。(4) 预处理技术。对隐藏载体进行滤波、增强、编码、压缩、加密、置乱等预处理和数字水印嵌入的效果（最大水印嵌入强度、鲁棒性等）有很大关系，目前对此方面的研究还不够深入。(5) 多重水印技术。目前还没有一个水印算法能够在各种攻击下具有很强的鲁棒性，通过多次嵌入水印的方法可以提高水印系统对抗各种攻击的能力。对多重水印技术有许多问题值得研究。1.4.2 应用研究 数字水印技术的应用非常宽广，目前研究比较活跃的系统有：数字作品电子交易系统、数字图书馆电子资源水印保护系统、票据防伪水印系统、身份证水印防伪系统等。随着电子商务和电子政务的逐渐开展，如何综合应用数字水印技术和密码技术解决电子商务和电子政务中的信息安全问题急待深入研究。针对不同的应用制定相应的水印标准，对水印系统的实际应用非常必要。数字水印要得到更广泛的应用必须建立一系列的标准或协议，如加载或嵌入水印的标准，水印的认证标准等，各种水印算法的评价都应该是建立在标准之上。标准化工作的基础是科学的测评体系，如果没有公认的、符合需求的测评指标，各种技术方案之间就无从比较优劣，更谈不上形成统一的技术标准。然而在数字水印技术的研究中，至今没有一个为大家所接受的、统一的评价体系。水印测试不仅要通过攻击实验，而且还要对提交的算法进行技术上的分析。为了建立科学的测评体系，必须有一个兼容各种信息隐藏与攻击算法的统一的理论框架，并基于这个理论框架构建定量测评的理论基础，确立各种测评指标及其理论值。水印应用的研究还包括水印协议的研究。水印协议又分为水印生成协议、水印嵌入协议等。一些具体应用系统的协议已经在研究中，但水印协议的标准化还没有进行。1.5 本文主要研究的内容与结构本课题研究的数字水印技术原理，关键问题是对基于彩色空间转换、人眼视觉特性HVS空域数字水印的实现及如何提高鲁棒性。本文随后章节组织如下：第一章， 绪论。简要介绍了课题的背景和研究意义；结合国内外的研究现状，详细介绍了数字水印系统当前存在的问题及研究的若干关键方向。第二章， 数字水印技术概述。系统介绍了数字水印技术的基础知识，首先介绍了数字水印原理，包括数字水印的基本特性、分类、攻击类型等。接着详细介绍图像数字水印系统的基础原理，并对典型的图像水印算法进行了介绍和分析。第三章， Matlab简介。Matlab为本课题的软件开发环境，为下一章的实验顺利完成做准备。第四章， 理论研究。主要介绍本课题所采用的水印嵌入、提取以及检验理论，为下一章实验分析做准备。第五章， 实验结果与分析。本章是实验部分，实验内容包括：对本文的算法进行水印嵌入、提取实验，测试水印的不可见性；对含水印的图像进行常见的攻击测试，如剪切、缩放、压缩等，并对测试结果进行分析。58天津工业大学本科毕业论文第二章 数字水印技术概述日常生活中为了鉴别纸币的真伪，人们通常将纸币对着光源，会发现真的纸币中有清晰的图像信息显示出来，这就是我们所熟悉的“水印”。之所以采用水印技术是因为水印有其独特的性质：第一，不可见性，必须放置于特定环境下菜能被看到，不影响物品的使用；第二，复杂性，水印的制作和复制比较复杂，需要特殊的工艺和材料，而且印刷品上的水印很难被去掉。因此水印也常被应用于诸如支票、证书、护照、发票等重要印刷品中，长期以来判定印刷品真伪的一种重要手段就是检验它是否包含水印。随着信息时代的到来，多媒体信息的交流达到了前所未有的深度和广度，其发布形式愈加丰富，数字产品几乎影响到每一个人的日常生活。多媒体数据的数字化为多媒体信息的存取提供了极大的便利，同时也极大地提高了信息表达的效率和准确性。随着网络的日益普及，人们可以通过Internet网发布自己的作品，传递重要信息，进行网络贸易等。但是其暴露出的问题也十分明显：作品侵权更加容易，篡改更加方便。如何既充分利用Internet网的便利，又能有效地保护知识产权，已受到人们的高度重视。数字水印（digital watermarking）是实现版权保护的有效办法，已成为多媒体信息安全研究领域的一个热点，也是信息隐藏技术研究领域的重要分支。它通过在原始数据中嵌入秘密信息水印（watermark）来证实该数据的所有权。被嵌入的水印可以是一段文字、标识、序列号等。水印通常是不可见或不可察，它与原始数据（如图象、音频、视频数据等）紧密结合并隐藏其中，成为源数据不可分离的一部分，并可以经历一些不破坏源数据使用价值或商用价值的操作而存活下来。数字水印技术除具备信息隐藏技术的一般特点外，还有着其固有的特点和研究方法。例如，从信息安全的保密角度而言，隐藏的信息如果被破坏掉，系统可以视为安全的，因为秘密信息并未泄露；但是，在数字水印系统中，隐藏信息的丢失意味着版权信息的丢失，从而失去了版权保护的功能，这一系统就是失败的。因此数字水印技术必须具有较强的安全性、隐蔽性和鲁棒性。本章介绍数字水印的基础知识、数字水印基本原理，包括特性、分类等，并对典型数字水印算法进行了介绍、分析。2.1 数字水印原理2.1.1 数字水印基本特性数字水印的思想虽然简单，但是要达到应用的目的，就必须满足一定的性能指标，其中相对重要的特性包括：（1） 保真性：又常称为不可感知性或透明性。指因水印嵌入导致宿主信号质量变化的程度。鉴于宿主信号大多是供人们观赏的多媒体数据，水印应具有很高的保真性，同时也增加了水印自身的安全性。不可感知性包含两方面的意思，一方面指视觉上的不可见性，即嵌入水印后不能导致图像质量在视觉上发生明显地变化；另一方面，用统计方法是不能恢复水印。（2） 鲁棒性：指水印在媒体数据编辑、处理过程中的生存能力。媒体数据的各种操作会导致宿主信号信息损失，从而破坏水印完整性，像压缩、模糊、剪切、缩放等，也包括一些恶意的攻击。（3） 信息容量：指在一定保真度下，水印信号可传递的信息量。实际应用要求水印可传送多位信息。但这其实与保真度又是互相矛盾的。（4） 安全性：指水印能够抵御未经授权的人对水印进行攻击的能力。这些攻击指专门为了阻碍水印发挥作用的处理行为，主要的攻击类型有三种：一类是未经授权的删除，指阻止检测出作品中水印的攻击；另一类是未经授权的嵌入（伪造），指把不合法的水印嵌入到不应含有该水印的作品中的行为；第三类是未经授权的检测。（5） 错警率：指在不含水印的宿主信号中，错误地检测出水印的概率，其中也包括在含水印的宿主信号中，未检测出水印的概率。很显然，只有错警率足够低，系统才能安全可靠地使用。设计水印必须围绕上述性能指标选择合适的技术。有些特性之间是不相容的，如保真性、鲁棒性和信息容量三者之间，必须做权衡的考虑。2.3.2 数字水印分类数字水印技术可以从各种不同的角度进行分类。（1） 按特性分类按水印的特性可以将数字水印分为鲁棒数字水印和脆弱数字水印两类：鲁棒数字水印主要用于在数字作品中标识著作权信息，脆弱数字水印主要用于完整性保护。（2） 按水印所附载的媒体分类按水印所附载的媒体，数字水印划分为图像水印、音频水印、视频水印、文档水印、软件水印以及用于三维网格模型的网格水印等。随着数字技术的发展，会有更多种类的数字媒体出现，同时也会产生相应的水印技术。（3） 按检测过程分类按水印的检测过程可以将数字水印划分为明文水印和盲水印。明文水印在检测过程中需要原始资料，而盲水印的检测只需要密钥，不需要原始资料。（4） 按内容分类按数字水印的内容可以将水印划分为有意义水印和无意义水印有意义水印是指水印本身也是数字图像或数字音频。（5） 按用途分类不同的应用需求造就了不同的水印技术按水印的用途，可以将数字水印划分为票据防伪水印、版权保护水印、篡改提示水印和隐蔽标识水印。（6） 水印隐藏的位置分类按数字水印的隐藏位置，可以将其划分为时(空)域数字水印、频域数字水印、时频域数字水印等。（7） 从外观上分类水印从外观上可分为两类：可见水印和不可见水印或者也可以说成可察觉水印和不可察觉水印。2.3.3 数字水印系统模型从图像处理角度看，水印的嵌入可理解为在强背景（载体图像）下叠加一个弱信号（水印信号），只要叠加的水印信号强度低于人类视觉系统（HVS）对比门限，人类视觉就无法感觉到信号的存在。从数字通信角度来看，水印的嵌入可理解为在一个宽带信道（载体图像）上通过扩频通信，输一个窄带信号（水印信号）。水印的检测是在一个有噪声信道中检测弱信号的问题。数字水印技术一般由两部分组成：水印嵌入算法，它通过特定的算法把水印信号隐藏在载体数据中；水印提现检测算法，它负责从载体数据中检测并恢复水印信号。（1） 水印的嵌入设f为原始数据，W为数字水印，K为密钥，那么嵌入水印后的数据fw可由函数F定义为： (2-1)数字水印嵌入模型见图2-1所示。水印信息原始数据密匙水印嵌入算法水印载体图2-1 数字水印嵌入模型Cox等人提出了三种水印嵌入方法，即： （2-2） （2-3） （2-4） 其中为嵌入因子，又称强度因子。为了使水印在不可感知性的前提下，提高水印的鲁棒性，就要尽可能提高水印的嵌入强度，水印的嵌入强度必须考虑载体的性质和人的视觉、听觉特性。（2） 水印的提取/检测水印提取/检测是与水印嵌入相反的过程。如果已知原始载体f，含水印信号的载体fw，密钥K，则水印的提取/检测过程可表示为： (2-5)其中D为水印提取算法，W为提取的水印数据，fw为含水印的数据，f为原始数据，K为密钥。水印提取，检测模型见图2-2所示：密匙水印载体数据原始数据水印提取算法水印提取或存在与否二值判定图2-2 数字水印的提取/检测模型在一些水印系统中，水印可以被精确检测出来，这一过程称为水印提取，比如在完整性论证应用中，必须能够精确地提取出嵌入的水印，并且通过水印的完整性来确认数字媒体的完整性。对强壮水印，通常不可能精确地提取出嵌入的水印。因为一个应用如果需要强壮水印，则说明这个应用很可能遭受到各种恶意攻击，水印经过这些攻击以后，提取的水印通常已经面目全非，这时需要进行水印判断。可以看出，水印的提取是从嵌入水印的数据中提取水印，而水印检测是判断是否存在指定的水印，检测过程如下： 其中W为提取出的水印，K为密钥，函数C为相关性检测，为阈值。当检测的结果超过阈值时，则认为检测到水印；否则，则认为没有检测到水印。2.3.4 数字水印攻击方法水印攻击方法从不同方面可以分为以下几种类型：鲁棒性攻击、表象性攻击、解释性攻击、合法性攻击。鲁棒性攻击：是指在不损害图像使用价值的前提下减弱、移去或破坏水印。这种攻击一般有两种：信号处理操作和分析算法攻击。信号处理操作：如压缩、线性滤波、图像剪切等，在有些情况下，它们不一定是恶意攻击。分析算法攻击：它是在明确的水印嵌入和检测算法下，去掉和削弱水印的存在，同谋攻击就属于此类。表象性攻击不同于鲁棒性攻击的地方是它不一定非要去掉水印，相反它只是改变数据信号，使得水印被检测不到。旋转和一般的仿射变换也属于表象性攻击。解释性攻击既不试图擦除水印，也不试图使水印检测无效，而是使得检测出的水印存在多个解释。也就是一个攻击者试图在同一个嵌入了水印的载体中再次嵌入另一个水印，该水印有着与原所有者嵌入的水印相同的强度，由于一个载体中出现了两个水印，所以，导致所有权的争议。合法性攻击与前三种攻击完全不同。前三种是技术上的攻击，而合法性攻击涉及到目前和将来的版权法规。合法性攻击可能包括现有的及将来的有关版权和有关数字信息所有权的法案，因为在不同的司法权中，这些法律有可能有不同的解释。2.3.5 数字水印性能评价对图像数字水印系统建立标准统一的评估方法是数字水印研究的重要内容之一。图像水印系统的性能评估主要包括鲁棒性分析和含水印图像的失真度评估两个方面。通常，需要在数字水印的鲁棒性和不可见性之间进行折衷。水印不可感知性评价主要是主观测试方法和客观评价方法，主观测试方法就是观测者直接对含水印载体进行测试，实践表明，经验不同的个体，在对含水印载体的主观测试中做出的结果相差很大。主观测试对最终的质量评价和测试是有实用价值的，但因为存在着个体差异，还需要客观的评价方法。客观评价方法就是使用理论上的评价方法，利用各学科的理论基础对所处理的载体做出定量的评价。含水印的数字作品在日常的使用中可能会发生改变，很多应用要求能够从这些改变的数字作品中正确地提取、检测水印，这就涉及到水印的鲁棒性。鲁棒性与安全性不同，鲁棒性指能经受住常规的信号处理，而安全性则用于防止非授权者任何破坏水印的攻击行为。水印可能经受的常规处理主要发生在水印的嵌入和检测过程之间，它包括：有损压缩、滤波和加噪等。要想获得较好的鲁棒性，常会以牺牲一些计算花费和保真度等为代价。水印的鲁棒性与很多方面有关：水印结构、嵌入强度、重复嵌入、嵌入位置等。目前有关数字水印结构的研究比较少，大部分的研究都运用Cox等人的水印结构理论。Cox指出，符合正态分布的随机序列构成的水印具有最好的鲁棒性，并能获得较低的虚警率和漏警率。水印的嵌入强度是影响数字水印鲁棒性的重要因素，水印嵌入强度越大，则水印的抗攻击能力越强。在信号处理过程中，某种处理可能对一些系数的影响较强，而对一些系数的影响较弱，对另一些甚至毫无影响。采用将水印重复嵌入到不同系数中，即使其中某些系数在信号处理的过程中受到较大影响，导致检测水印失败，但仍然可能在其余的系数中检测到水印信号的存在。对嵌入位置的确定也是影响水印系统性能的因素之一。数字作品的不同系数具有不同特性，选择不同的系数嵌入水印影响水印的性能。密钥不直接影响数字水印的鲁棒性，但对数字水印系统的安全性起了重要的作用，因此可以间接地影响数字水印的鲁棒性。当密钥空间越大，穷举搜索的次数越多，则系统的安全性越强。2.3.6 数字水印系统应用模型数字水印系统最主要的应用是作为版权保护、防伪和认证等方面，这些应用都离不开网络。数字水印应用模型见图2-3所示。图2-3 数字水印应用模型数字水印的应用过程是：供应商在原始产品中嵌入水印，并将含水印的产品通过网络发给用户。含水印产品在网络传输过程中，可能受到盗版者的攻击。盗版者将含水印产品进行处理后，作为自己的产品提供给用户，由此就产生了版权争议。为了证明版权，供应商通过水印的提取、检测，确定了版权归属问题，保护了自己的利益。2.2 典型数字水印算法分析数字水印技术是一门交叉学科，数字水印技术的学科特点在于它横跨图像处理和分析、多媒体技术、数字通信、密码学、计算机网络等多科领域，以这些领域的算法、思想和概念为基础。各个领域的最新进展都可以为其所用，是一个真正快速发展的技术。学者们用各自学科的独特视角来研究数字水印，相继出现了多种数字水印算法，下面介绍数字水印系统的典型算法。2.2.1 空间域算法空间域算法是使用各种各样的方法直接修改图像的像素值，将数字水印直接加载在载体数据上。这种方法嵌入的信息量大，具有较好的抗几何失真能力，最大弱点就在于抗信号失真、图像的几何变形、噪声和图像压缩的能力普遍较差。(1) 最低有效位算法（Least Significant Bits,LSB）LSB算法使用特定的密钥通过m序列发生器产生随机信号，然后按一定的规则排列成二维水印信号，并逐一插入到原始图像相应像素值的最低几位。由于水印信号隐藏在图像点中像素最不重要的最低位，相当于叠加了一个能量微弱的信号，因而在视觉和听觉上很难察觉。LSB水印的检测是通过待测图像与水印图像的相关运算和统计决策实现的。LSB算法虽然可以隐藏较多的信息，但由于使用了图像不重要的像素位，算法的鲁棒性差，水印信息很容易被滤波、图像量化、几何变形的操作破坏，无法满足数字水印的鲁棒性要求，因此现在的数字水印技术中己经很少采用LSB算法了。不过，作为种大数据量的信息隐藏方法，LSB在隐蔽通信中仍占据着相当重要的地位。(2) Patchwork算法和纹理块映射方法Patchwork算法是基于统计理论，将具有特定统计特性的数字水印嵌入到原始数据中。它的方法是随机选择N对像素点（ai,bj），然后将每个ai 点的亮度值加l，每个bj 点的亮度值减l，这样整个图像的亮度保持不变。适当调整参数，它能有效地抵抗剪切、滤波和JPEG压缩等攻击，但对拷贝平均攻击抵抗力较弱，而且该方法嵌入的信息量有限。(3) 纹理块映射方法是将水印信息隐藏在图像的随机纹理区域中，利用纹理间的相似性掩盖水印信息。该算法隐蔽性较好，对滤波、压缩和扭转等操作具有抵抗能力，但仅适用于具有大量任意纹理区域的图像，而且需要人工干预。(4) 文档结构微调法由Brassil等人首先提出了几种通用在文档图像中隐藏特定二进制信息的技术，数字水印信息通过微调整个文档中的上、下结构来完成编码。基于此方法的数字水印能够抵抗一些文档操作。但是水印很容易被破坏，而且这种方法仅适用于文档类图像。空间域算法虽然具有嵌入信息量大的优点，但是因为鲁棒性很差，所以现在数字水印系统已经很少使用了。而下面介绍的变换域算法是目前研究的热点。2.2.2 变换域算法变换域（频域）方法是利用某种数学变换，将图像用变换域表示。在变换域上嵌入水印，信号能量可以扩散到空间域的所有像素上，有利于保证水印的不可见性。变换域方法还可以更好的结合人类视觉系（Human Visual System,HVS）的一些特性，抗攻击能力较好。现在的研究中大多使用变换域方法。变换域水印指的就是通过修改图像的变换域系数来代替直接修改图像像素本身，这样，一方面变换域系数是一个全局变换产生的量，个别像素的改变对其影响不大；另一方面，变换域某个系数的改变分布在整个空间图像的每个像素上，使得每个像素的改变相对较小，使水印具有更好的不可察觉性。变换域方法可以有效减少个别像素受到破坏而导致水印失效，从这一点上来说，变换域水印算法的鲁棒性是比较高的。变换域水印算法并不局限于傅立叶变换DFT、离散余弦变换DCT和离散小波变换DWT,只要某种信号变换形式能够较好地隐藏数字水印信息，就可以运用到数字水印系统中。但就目前应用中这三种方法是使用最多的。（1） DFT变换傅立叶变换是一种经典而有效的数学工具，也是图像处理中经常应用的工具。DFT域算法有利于实现水印的仿射不变性，而且可利用变换后的相位信息嵌入水印。算法是将水印嵌入到DFT系数的相位信息中，其依据是Hayes的结论“从图像可理解性的角度，相位信息比幅度信息更重要”。傅立叶变换是复数范围内的变换，如果在计算机上按照其定义式来计算的话，计算量将非常大。由此提出了快速傅立叶变换算FFT。它与原始算法的计算量之比为N/log2N。当N比较大时，计算量的节省将相当可观。（2） DCT变换离散余弦变换是数码率压缩需要常用的一个变换编码方法。与DFT不同的是，DCT变换是实数范围内的，任何连续的实对称函数的傅立叶变换中只含余弦项，因此可以用快速傅立叶变换算法实现快速离散余弦变换。由于大多数图像的高频分量较小，相应于图像高频分量的系数经常为零，加上人类视觉对高频成分的失真不太敏感，所以可用更粗的量化。因此，传送变换系数的数码率要大大小于传送图像像素所用的数码率。到达接收端以后通过反离散余弦变换回到图像空间，虽然会有一定的失真，但人类视觉是可以接受的。（3） DWT变换由于MPEG-4及JPEG-2000缩标准的公布，基于小波域的水印算法也越来越多。小波变换一般是采用多级分解方法，对图像进行小波分解。图像经过小波分解后得到四个部分，左上为低频近似部分，右上为水平方向细节部分，左下为垂直方向细节部分，右下为对角线方向细节部分。X.G.Xia等人提出的塔式水印，他们对宿主图像作多层小波变换，并在每一层小波变换系数上加入水印。Wang等人提出基于小波变换的盲水印算法，搜索图像中感知性强的系数所对应的小波系数嵌入水印。2.3 数字图像原理数字图像是本文要处理的对象，以下介绍了数字图像表示方法及分类，详细介绍了BMP图像格式及彩色图像的特点。2.32.3.1 数字图像表示方法及分类图像可以用二维函数f(x,y)来表示：(x,y)是平面两个轴的坐标，f(x,y)表示点的亮度值(灰度值)。如果是彩色图像，各点值反映的是色彩变化。对模拟图像，因为表示图像的函数是连续的，计算机无法输入和处理。因此，对模拟图像要进行取样、量化、得到离散值，以便用计算机可以接受的编码方式来表示。计算机中的数字图像是用二维矩阵的形式给出的。常见的图像有各种不同的格式，图像的表示是定义这幅图像数据的一种特定的体现方式或一种特定的数据格式，如BMP、JPEG、GIF（Graphics Interchange Format）、TIFF（Tagged Image Format File）等。不同的图像格式其存储方式也不同。可以按图像函数f(x,y)的值大致分为如下四类：（1） 索引图像索引图像包括图像矩阵和颜色图数组。图像矩阵中存储的并不是像素值，而是对应该像素在颜色图数组中的序号。颜色图数组就是通常所说的调色板，它是一个色彩映射矩阵，矩阵的每一行都代表一种颜色，与真彩色相同，通过3个分别代表红、绿、蓝颜色强度的数，形成一种特定的颜色。（2） 灰度图像灰度图像就是只有强度信息，而没有颜色信息的图像，此种数字图像矩阵中的元素称为像素，像素的幅值对应于该像素的灰度级。灰度图像可看作一种特殊的索引图像，它的调色板中红、绿、蓝的强度一样。（3） 真彩图像真彩色图像的数据矩阵中存储是该像素的颜色值(Red Green Blue，RGB)，一个像素用3个字节来表示，分别代表合成该像素中红色、绿色、蓝色所占的分量。可以用一个三维矩阵来表示真彩色图像。在实际应用中，真彩色图像还可以用亮度和色度组成的色彩系统来表示，如HSI(Hue Saturation Intensity，HSI)等。（4） 二值图像二值图像