吉林大学硕士学位论文
论文分类号 ＴＰ３９１ 单位代码 １０１８３
密 级 内 部 研究生学号 ２００８０３
吉 林 大 学
硕 士 学 位 论 文
数字图像水印评价及空域嵌入算法的研究
The Research For Evaluating and Spatial Domain Embedding
Algorithm Of Digital Image Watermark
作者姓名：齐丽凤
专业：计算机软件与理论
导师姓名：朱晓冬
及职称：副教授
论文起止年月：2001年9月至2003年3月
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第一章绪论
提要
随着网络和多媒体技术的发展，数字水印技术也有了很大的发展，但是对数字水印系统的评价却是一个常被忽略的问题。我们认为对数字水印系统的评价，要针对特定的应用前提，为所有的水印系统设定一个简单统一的评价标准是不合适的。在本文中，我们对水印信息负载、透明性和鲁棒性等方面提出自己的方法。
嵌入水印的系统的最终观测者是人，我们在分析了人眼视觉模型后，根据其视觉特性提出了一个空域可感知噪声矩阵模型（ＪＮＤ）。并在此基础上，提出了一种双重水印空域算法，此算法中嵌入一个鲁棒性水印和一个脆弱性水印，鲁棒水印作为图像版权标志，脆弱水印作为真实性验证手段。 同时我们还提出了另一种基于哈达玛变换和置乱的空域水印算法。实验证明这两个算法都具有良好的鲁棒性。
目 录
第一章 绪论????????????????????????１ １．１ 数字水印发展的背景及研究意义?????????????１ １．２国内外的研究现状????????????????????３ １．３本论文进行的研究工作和成果???????????????５ １．４本论文的组织结构????????????????????６
第二章 数字水印的技术综述?????????????????７ ２．１数字水印的概念?????????????????????７ ２．２数字水印所必须具有的基本特征??????????????７ ２．３数字水印系统的构成???????????????????８ ２．４数字水印的分类?????????????????????９ ２．５不同应用目的水印之间的差别???????????????１１
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２．６数字水印技术的研究层次?????????????????１１ ２．７数字水印的应用前景???????????????????１２ ２．８数字水印的主要算法???????????????????１２ ２．８．１空域算法??????????????????????１２ ２．８．２ 变换域算法????????????????????１３ ２．８．３压缩域算法?????????????????????１４ ２．８．４ ＮＥＣ算法??????????????????????１５ ２．８．５生理模型算法????????????????????１５ 第三章 数字水印评的评价??????????????????１７ ３．１水印的应用???????????????????????１８ ３．２水印的要求及特性????????????????????１９ ３．３评价项目的确定?????????????????????２１ ３．４项目的评价方法?????????????????????２２ ３．５本章总结????????????????????????２７ 第四章 一种类ＪＮＤ的空域计算方法??????????????２８ ４．１人眼视觉特性的引入???????????????????２８ ４．２可感知噪声阈值矩阵ＪＮＤ?????????????????２９ ４．３类ＪＮＤ的空域模型????????????????????３０ ４．３．１类ＪＮＤ的基本思想??????????????????３０ ４．３．２类ＪＮＤ矩阵的计算方法????????????????３１ ４．３．３实验结果??????????????????????３１ 第五章 空域数字图象水印算法的研究与改进??????????３３ ５．１一种基于置乱和哈达玛变换的空域图像水印算法???????３３ ５．１．１水印的选择和产生??????????????????３３ ５．１．２水印嵌入算法????????????????????３３ ５．１．３水印提取算法????????????????????３４
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第一章绪论
５．１．４水印的鉴别?????????????????????３４ ５．１．５实验结果和分析???????????????????３５ ５．２一种基于ＨＶＳ特性的空域双重水印算法???????????３６ ５．２．１鲁棒水印的嵌入 ??????????????????３６ ５．２．２脆弱水印的嵌入 ??????????????????３７ ５．２．３水印的提取方法???????????????????３８ ５．２．４水印的鉴别?????????????????????３９ ５．２．５实验结果和分析???????????????????３９ ５．２．６本节小论??????????????????????４０ 第六章 数字图像水印实验系统的设计?????????????４１ ６．１实验系统的设计要求???????????????????４１ ６．２实验系统的设计实现???????????????????４１ 第七章 总结与展望?????????????????????４３ 参考文献?????????????????????????４５ 致谢???????????????????????????４９ 附录１??????????????????????????５０ 附录２??????????????????????????５１ 附录３??????????????????????????５２ 附录４??????????????????????????５２
第一章绪论
1.1数字水印发展的背景及研究意义
将保密的私有信息嵌入到表面上看来无关紧要的非保密的掩饰信息之中的
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过程和方法称信息隐藏。随着计算机系统和多媒体的发展，信息隐藏学科成为越来越引人注目的研究领域。在信息隐蔽系统中通常将希望被保密的信息称为嵌入对象(信息)，将用于隐蔽嵌入对象的非保密载体称为掩体对象(信息)。嵌入对象(信息)通过一个加入过程被隐藏在掩体对象(信息)中，从而生成隐藏对象(信息)，这个过程被称为信息的嵌入，嵌入过程中所使用的算法称为嵌入算法。信息嵌入的逆过程，即从隐藏对象中重新获得嵌入对象的过程称为信息的提取，也可称为信息的恢复。
信息隐藏技术和密码技术不同，从体现的形式上看：密码技术是以信息结构的改变引起它的无效或无法理解来保密的；而信息隐藏技术不必改变嵌入信息的结构，但把它藏入掩体信息中。从隐蔽的对象看：密码是隐藏内容；而密写（信息隐藏）术则是隐藏信息的存在性。隐蔽通信的密写术比加密通信的密码术更安全，它隐藏了通信的双方以及通信过程的存在，不易引起怀疑。从对信息保护的有效范围来看，密码技术对内容的保护只局限在加密通信的信道中或其他加密状态下，一旦解密，则毫无保护可言；而信息隐藏技术不影响宿主数据的使用，只是在需要检测隐藏的那一部分数据时才进行检测，在这之后仍不影响其使用和隐蔽信息的作用。另外在对数据失真的允许程度上两者有所不同，加密后的数据不允许有一个比特的改变，否则无法解密，而对多媒体内容的版权保护和真实性认证往往需要容忍一定程度的失真。这两种技术可以有机结合，首先用密码术加密信息，然后利用信息隐藏技术藏入信息；再通过传送使信息被交换。即使分析者将要攻击信息隐藏技术，或从隐藏对象中检测出嵌入信息，她仍然需要解密密钥去破译信息。
随着多媒体技术的广泛应用，需要进行加密,认证和版权保护的声像数据也越来越多，传统密码学中的认证方法对多媒体内容的保护无能为力。例如：多媒体内容的真实性认证往往需要容忍一定程度的失真，认证信息往往需要直接嵌入多媒体内容中，不另外保存认证信息；而传统的密码学认证方法则需另外得到信息的认证码。正是由于传统密码学对多媒体内容保护的局限，使得作为
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第一章绪论
信息隐藏学的一个分支——数字水印技术在近些年发展起来。
数字水印(Digital Watermark)技术是指用信号处理的方法在数字声音，图像或视频等数字化的多媒体数据中嵌入隐蔽的信息，这些信息通常是不可见的，不能被人的知觉系统觉察或注意到，只有通过专用的监测器或阅读器才能提取。通过这些隐藏在多媒体内容中的信息，可以达到确认内容创建者，购买者或判断内容是否真实完整的目的。数字水印技术与信息隐藏学中密写技术并不完全相同，水印技术往往需要增加鲁棒性（健壮性）要求，以对抗各种可能的攻击。水印系统所隐藏的信息总是与被保护的数字对象或它的所有者有关，而密写系统可以隐藏任何信息。但无论怎样讲，数字水印技术是信息隐蔽学的重要分支。
数字水印技术的研究意义在于其应用的现实要求和应用领域的广泛，数字水印技术可应用于以下的领域之中：
隐蔽通信：隐藏通信双方以及通信过程的存在。用加密的方法传递信息会引起注意或法律上的麻烦，这是人们不希望的。而用数字水印的话，消息嵌入在宿主信号中不易被注意。
版权保护：包括确认数据的作者和数据的合法使用者两种。当发生所有权纠纷时，根据提取的水印内容可以确定谁是真正的所有者。而嵌入使用者序列号可以追踪到是谁未经授权复制了数据作非法用途。这种水印应该在受到无意或恶意攻击后，仍然能够保留有嵌入的数据，因而这种水印应是鲁棒水印。嵌入数据使用者的序列号的水印应用称为指纹应用，它使不同使用者有了不同的嵌入了水印的数据版本。
数据认证：确认数据的真实性，完整性，提示被篡改情况。一个典型的应用是可信赖的数码相机［1］。新闻工作者在新闻报道中使用数码相机拍摄图像，然而新闻机构无法确定这一图像是真的还是编辑捏造的。一种解决方法就是使用数字水印。认证水印在数码相机拍摄时即被嵌入到图像中，新闻机构出版时就可以通过检测图像中的水印来确定图像拍摄后是否被修改了。另一个典型的应用是在多媒体内容被装载到数字图书馆中时对它嵌入认证水印。以后通过检
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测水印可以看出多媒体内容有没有被修改或替换。在用于认证对象内容是否被修改的应用中，希望一旦对象内容改变了，被提取出的水印也应相应变化，这种水印是易损水印。
注释：在数据中隐藏大量信息用于解释这些数据。例如，在CT图像中嵌入病人的姓名等基本情况，以防止对错号的现象。又例如在CD音乐中隐藏该乐曲的简介、作曲、定购信息、访问连接等操作代码，在图像中隐藏图像名称和图像内容简介、创作者等。
使用控制：如DVD防拷贝系统，将水印信息嵌入DVD内容数据中，DVD 播放机通过检测DVD数据中水印来判断其合法性和能否拷贝。
1．2 国内外的研究现状
数字水印技术是一个比较新的研究领域，它是一个交叉学科，涉及了信号处理、通信、加密、信息隐藏等学科的理论和技术。
从公开发表的文献看[2]，国际上在数字水印方面的研究开始于1992年，据统计，公开发表的关于数字水印的文章数量在1992年、1993年和1994年分别为2篇、2篇[3,4]和4篇。但从1995年起，已经有相当一部分人员在进行这方面的研究，公开发表的文章数也增至 15篇。由于信息隐藏应用的广泛性和大公司及美国军方的支持，该技术研究的发展速度非常快。许多大学、研究机构和公司纷纷开展了这方面的研究。
1996 年5月30日至6月1日，在英国剑桥牛顿研究所召开了第一届国际信息隐藏学术研讨会，这标志着信息隐藏作为一个新的科学学科的诞生。1998年和1999年在美国波特兰和德国德雷斯顿分别召开了第二届和第三届信息隐藏国际研讨会。会议论文集由Springer出版，分别为LNCSll74、ILNCS1525及LNCS1768。第四届信息隐藏国际研讨会2001年4月在美国匹兹堡举行。此外，SPIE和IEEE的一些重要国际内会议也开辟了相关的专题，这些专题研讨会的召开极大地促进了各研究团体在这一领域内的交流与合作，也吸引了越来越多的
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第一章绪论
人投身信息隐藏技术的研究。
从1996年起，信息隐藏研究得到了迅速的发展，1996年到1998年公开发表的文章数也以29、64、103这样一种几何级数递增。1998年美国版权保护技术组织成立了专门的数据隐藏小组，考虑制订版权保护水印的技术标准，并提出了一些基本要求。1999年12月，Stefan Katzenbeisser和Fabien A.P. Petitcolas 等人出版了信息隐藏领域的第一本专业论著“Infomation hiding techniques for steganography and digital watermarking”，概述了数字水印和隐写术领域近年来的研究成果，是信息隐藏研究领域里比较权威的著作。
随着理论研究的不断深入，相关的软件也在不断推出，出现了很多从事数字水印应用的公司，有的还将它们的水印嵌入软件或水印攻击软件发布在互联网上，提供服务或供人们下载。为人们进行研究提供了极大的方便。在实用化方面，以麻省理工学院为代表的一批研究机构和企业已经申请了数字水印方面的专利。目前，已支持或开展数字水印研究的机构既有政府部门，也有知名企业，它们包括美国财政部，美国版权工作组，美国空军研究院，美国陆军研究实验室，德国国家信息技术研究中心，日本NTT信息与通信系统研究中心，麻省理工学院，伊利诺斯大学，明尼苏达大学，剑桥大学，瑞士洛桑联邦工学院，西班牙Vigo大学，IBM公司Watson研究中心，微软公司剑桥研究院，贝尔实验室，CA公司，Sony公司，NEC研究所以及菲利浦公司等。
国内在信息隐藏方面的研究起步稍晚，但已引起了信息安全领域研究人员的普遍关注，1999年12月何德全院士，周仲义院士，蔡吉人院士与有关应用研究单位联合发起召开了我国第一届信息隐藏学术研讨会，会议决定研讨会每年召开一次，以促进国内信息隐藏技术的研究工作。第二届信息隐藏学术研讨会2000年6月在北京召开，会议发表了论文集。第三届信息隐藏学术研讨会2001年9月在西安举行。数字水印的研究人员也于2000 年1月召开了国内第一届数字水印技术研讨会，并建立了数字水印研究主页和邮件列表。2001年1月，由国家“863”智能机专家组和中科院自动化所模式识别国家重点实验室组织召开了数
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字水印学术研讨会。通信学分会和北京电子技术应用研究所联合主办的全国第四届信息隐藏学术研讨会于2002年8月24~26日在大连召开，研讨会期间，与会代表还就信息隐藏学术交流问题进行了认真的讨论，建议全国第五届信息隐藏学术研讨会于2004年ll~l2月期间在广州召开，会议将由中山大学与北京电子技术应用研究所联合承办。目前国内学术界有一批有实力的科研机构已在国内学术界也有一批有实力的科研机构投入到这一领域的研究中来[39]。
1．3 本论文进行的研究工作和成果
目前数字水印技术还没有一个大家所公认的统一评价标准，而水印技术的评价对水印技术的发展来说是至关重要的。本文在对已有的有关水印评价观点进行总结和分析后提出了一种基于应用的数字水印评价标准的观点；并在具体的评价方式上提出了我们的看法。
在数字水印技术中很多方法都引入了人眼感知特性，但目前人眼视觉特性（HVS）模型复杂，表现人眼视觉特性的可感知噪声阈值矩阵JND的计算都是基于频域的较为复杂。我们从应用的简单性上考虑，提出了在空域上实现的类可感知噪声阈值矩阵JND的计算方法，为人眼视觉特性在在数字水印技术中的应用提供了方便。
通过对现有多种空域数字图像水印算法的研究及对这些算法的优缺点的分析，我们提出了一种基于置乱和哈达玛变换的空域图像水印算法。
在上面类可感知噪声阈值矩阵JND的空域计算方法基础上，结合脆弱水印思想我们还提出了一种双重数字图像水印空域嵌入算法。
我们提出的水印算法解决了以往空域水印方法的一些缺点。试验表明，对于一般的攻击处理以及噪声添加、低通滤波、中值滤波等攻击都具有很好的鲁棒性，有较强的应用价值。
1．4 本论文的组织结构
本论文结构如下：
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第一章绪论
第一章介绍了数字图像水印技术的产生背景和研究意义、研究现状以及本论文进行的研究工作和成果。
第二章对数字图像水印技术进行了综述。首先介绍数字图像水印的基本概念、必须具备的特征以及分类；用于不同应用目的的水印的差别；数字水印技术的研究层次和数字水印的应用领域和前景。最后介绍了目前数字图像水印的主要算法。
第三章分析目前数字水印评价的各种方法，根据数字水印的要求和特性，提出了一种基于应用的水印评价思想，并给出具体方法。
第四章首分析了人眼视觉特性模型理论，针对已有的基于频域可感知噪声阈值矩阵JND计算方法较复杂的问题，提出了一种类JND的空域计算模型。
第五章在总结已有的几种数字水印空域算法的基础上，对空域嵌入算法进行改进，提出了一种基于置乱和哈达玛变换的空域图像水印算法，另外还讨论了一种基于HVS特性的空域双重水印算法。
第六章给出了我们的数字图像水印实验系统的设计。
第七章是对本文的总结，以及对数字图像水印技术发展的展望。
第二章数字水印的技术综述
2．1数字水印的概念
数字水印(Digital Watermark)技术是指用信号处理的方法在数字声音，图像或视频等数字化的多媒体数据中嵌入隐蔽的信息，这些信息通常是不可见的，
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不能被人的知觉系统觉察或注意到，只有通过专用的监测器或阅读器才能提取。通过这些隐藏在多媒体内容中的信息，可以达到确认内容创建者，购买者或判断内容是否真实完整的目的。
2．2数字水印所必须具有的基本特征
水印要直接嵌入数据中，而不能放在数据文件的头部或尾部等位置。
隐蔽性：数字产品加入数字水印后，应不会引起数字作品的明显质降，并不易被接收者察觉。
安全可靠性：水印体制要商业应用，其算法必须公开。算法的安全性完全取决于密钥，而不是对算法进行保密。所以，密钥空间需足够大，而且分布比较均匀。另外，数字水印应能对抗非法的探测和解码，面对非法的攻击也能以极低的差错率识别作品的所有权，同时数字水印应很难为他人所复制和伪造。
隐藏信息的鲁棒性：即能在多种无意或有意的信号处理过程后，仍能保持水印的完整性和鉴别的准确性。对数字水印来说，其隐藏水印的鲁棒性在实际应用中是由两部分组成：（1）在整体数据出现失真后，其内嵌水印仍能存在；（2）在数据失真后，水印探测算法仍能准确的探测出水印的存在。
提取水印应不需要原始数据，因为很多应用场合无法确定原始数据或根本没有原始数据。但也有一些场合可以利用原始数据，以提高提取水印的准确性。
计算复杂度：不同应用对水印嵌入算法和提取算法的计算复杂度有不同的要求。如：指纹水印要求嵌入算法速度要快，而对检测算法则不需要很快；其它的水印一般对嵌入的速度要求不高，但对检测的速度要求很快。
不同应用对嵌入信息的比率有不同的要求。一般来说，注释水印要求有较高的嵌入比率，鲁棒水印次之，而易损水印在这方面的要求不是重点。易损水印不需要冗余性，所以它通常可以含有大量的数据。而且因为判断数据的失真情况是易损水印的目的，所以易损水印不注重嵌入了多少数据，而注重在安全的前提下尽可能地报告失真情况。易损水印的算法需要有标示能力，即不仅能
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第二章 数字水印的技术综述
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检测到水印，而且对于数据有失真的情况，检测算法要能指明失真的区域，甚至指明频域上的失真情况、分析造成失真的原因等。
2．3 数字水印系统的构成
所有的数字水印系统都是由两个基本部分组成的：水印嵌入系统和水印检测系统。图2.1和图2.2分别表示了一般的水印嵌入和水印检测过程：
图2.1 水印嵌入过程
水印嵌入过程中，首先要生产水印。要嵌入的信息可以是各种性质的，如数字、图像、文本等。密钥是用来增强安全性的，可以防止未经授权者读取信息。宿主信号用来嵌入水印，它一般是图像、视频和音频。水印嵌入过程的输出是嵌入了水印的宿主信号。
图2.2 水印检测过程
水印检测过程的输入是被测试的信号，它可能是没有嵌入水印的，也可能是嵌入了水印后又被攻击的宿主信号。由于不同的水印算法，水印检测的输入还可能是密钥，原始宿主信号等。水印检测过程的输入或是检测出的水印，或是一个关于水印是否存在于被检测的信号的置信度值。
2．4数字水印的分类
密钥
入水印的
密钥
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目前数字水印主要有以下分类[39]:
①按数字水印的特性划分：
鲁棒数字水印(Robust Watermarking)：用于标识信息。应能承受各种处理（滤波，加噪，替换，压缩，恶意攻击）。
脆弱（易损）水印（Fragile Watermrking）：用于完整性保护。人们根据脆弱水印的状态判断数据是否被改过。
②按水印所附载的媒体划分：
图像水印。
音频水印。
视频水印。
文本水印。
用于三维网格模型的网格水印。
③按检测过程划分：
私有水印：I’*I*K—>W或I’*I*K*W—>{0，1}。
半私有水印：I’*K*W—>{0，1}。
公开水印：I’*K—>W。
非对称（公钥）水印：任何人都能读取，但不能消除它。
④根据水印检测过程的输出划分：
可读内容的：检测方法能读出水印内容。
可核实水印：要求检测前给出一个测试水印，测试的结果是该水印是否存在于被测试的数据中。
⑤按是否依赖于宿主数据划分：
盲嵌入和提取，
可知性嵌入和提取。
⑥按嵌入方法是否利用人类视觉特性分：
利用人类知觉系统特性的水印。
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第二章数字水印的技术综述
不利用人类知觉系统特性的水印。
⑦按内容划分：
有意义水印：水印本身也是某个数字图像或数字音频片断的编码；若受攻击破损，仍能通过视觉观察是否有水印。
无意义水印：只对应一个序列号，受攻击后若有若干码元错误，只能通过统计决策来决定信号中是否有水印。
⑧按用途划分：
票据防伪水印：主要用于打印票据和电子票据的防伪。不必考虑修改，但必须考虑票据破损，图案模糊等情况，而且考虑到快速检测的要求，水印算法不能太复杂。
版权标识水印：数字作品既是商品又是知识作品，所以版权标识水印主要强调隐蔽性和鲁棒性，而对数据量要求相对较小。
篡改提示水印：一种脆弱水印，其目的是标识宿主信号的完整性和真实性。
隐蔽标识水印：将保密数据的重要标注隐藏起来，限制非法用户对保密数据的使用。
⑨按水印隐藏的位置划分：
时（空）域数字水印：直接在信号空间上叠加水印信息。
频域数字水印：在DCT变换域上叠加水印信息。
时/频域数字水印：在时/频域上叠加水印信息。
小波数字水印：在小波变换域上隐藏水印。
2．5不同应用目的水印之间的差别
由于水印应用目的的不同，易损水印和鲁棒水印存在着很大的差别，主要有以下几点：
易损水印更注重不影响原数据的使用价值：易损水印是用来保护数据的真实性的，所以它比鲁棒水印更注重嵌入水印对原始数据在知觉上的影响程度，
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不仅不易觉察，还应不损坏原始数据真实性及其使用价值。
必须设计不需原始数据即能进行检侧、认证的算法：用于版权保护的鲁棒水印在一些应用背景下，允许使用检测时需要原始数据的水印算法。但对于易损数字水印而言，则必须设计不需原始数据即能进行检测、认证的算法。一方面，易损水印是用来保护多媒体内容真实性的，如果能确知原始数据，就不存在真实性保护问题了；另一方面，一些应用背景下根立没有原始数据，如可信赖的数码相机，为保证照片的真实性，需要在拍摄成像时即自动嵌入水印，否则无法实现真实性的鉴定。
易损水印对误差和溢出敏感：嵌入水印的运算，特别是变换域的水印算法，往往会带来误差，以及变换域水印在逆变换时产生象素值溢出的现象。在鲁棒水印算法中，如果算法鲁棒性较好，一般可忽略这些误差和溢出情况的影响。但对于易损水印，溢出和误差会造成嵌入水印的数据未经改动就不能完全通过认证的现象出现。
攻击上的差别：易损水印要防止的攻击与鲁棒水印完全不同，它不需要抵抗对鲁棒水印的攻击，只需要抵抗“伪认证”攻击。因为对易损水印的攻击一般不是将水印信息去掉或使其不能检测到，而是设法篡改多媒体的内容数据却不损坏水印信息，即使多媒体的内容发生改变，但仍能通过认证。
2．6数字水印技术的研究层次
与其它技术类似，数字水印的研究也可以分为三个研究层次[40]：
基础理论研究：目的是建立数字水印的理论框架，解决水印信息分析，隐蔽性描述等基本理论问题。在信息论中香农的信道公式和保密通信公式一直是通信科学发展的指南针，数字水印在应用中也要解决一些关键的理论问题。数字水印的信量分析要回答这样一个问题：“给定需要保护的数据文件和隐蔽性指标，可以加入多少隐蔽的水印信息？”解决了这一问题，才能科学地设计水印标识的数据格式;并能综合评判各种数字水印算法的优劣。
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第二章数字水印的技术综述
应用基础研究：应用基础研究的主要方向是针对图像，声音，视频等多媒体信号，研究相应的水印隐藏与解码算法，以及能抵抗仿射变换，滤波，重采样，有损压缩等鲁棒数字水印技术。
应用研究：以水印的实用化为目的，研究各种标准多媒体文件格式的水印算法。水印应用研究特别要面向Internet上广为使用的各种数据文件，包括JPEG 压缩图像，MPEG2压缩视频，WV,MIDI,MP3音频文件，AVI及三维动画文件，PS和PDF标准文本，voice mail 或video mail等多媒体邮件格式。另外，票据防伪也是数字水印的一个重要应用研究领域。
2．7数字水印的应用前景
在数字作品的知识产权保护方面，秘密的版权声明和水印可被藏入图像作为知识产权的鉴别；在商务交易中可用于票据防伪；在声像数据的隐藏标识和篡改提示方面可作为特征标签，诸如解释，注释，时间标志和其他描述性成分都可藏入图像，象照片中的人名，地图中的位置等。在图像数据库中，隐藏关键字可以方便查找；在视频图像中可隐藏时间标志来与声音同步；图像的浏览次数也可以隐藏，并用于“按次记费”；在隐蔽通信及其对抗方面数字水印的应用前景也极其广阔，在很多情况下，传递密码信息会招惹麻烦，甚至被法律禁止，然而密写不会使通讯内容暴露，所以商业机密，蓝图或其他敏感信息都可以被安全传送而不惊动攻击者和窃听者。
2．8数字水印的主要算法
2．8．1空域算法[4,5,6,7]
该类算法包括LSB算法、Schyndel算法和Patchwork算法等。
LSB算法[4]是将信息嵌入到随机选择的图像点中最不重要的像素位(LSB:least significant bits)上，这可保证嵌入的水印是不可见的。但是由于使用了图像不重要的像素位，算法的鲁棒性差，水印信息很容易为滤波、图像量化、几何变形的操作破坏。另外一个常用方法是利用像素的统计特征将信息嵌入像
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素的亮度值中。S chyndel算法[5]被认为是一篇具有历史价值的文献，它是第一
篇在主要会议上发表的关于数字水印的文章，文中阐明了一些关于水印的重要概念和鲁棒水印检测的通用方法（相关性检测方法），此算法首先把一个密钥输入一个m-序列（maximum-length random sequence）发生器来产生水印信号，然
后此m-序列被重新排列成2维水印信号，并按象素点逐一插入到原始图像象素值的最低位。由于水印信号被安排在了最低位上，它是不可见的，基于同样的原因，它可以轻易地被移去，因此也是不强壮。Patchwork算法[6,7]方法是随机选择Ｎ对像素点 (ai，bi) ，然后将每个ai点的亮度值加 1 ，每个bi点的亮度
值减1，这样整个图像的平均亮度保持不变。适当地调整参数，Patchwork方法对JPEG压缩、FIR滤波以及图像裁剪有一定的抵抗力，但该方法嵌入的信息量有限。为了嵌入更多的水印信息，可以将图像分块，然后对每一个图像块进行嵌入操作。
2．8．2变换域算法[8,9,10]
频率域制作水印的算法是比较坚固的方法，它是利用一个信号可以掩盖另一个较弱的信号这一频率掩盖现象，在频域变换中嵌入水印。已有的频率域算法包括傅里叶变换、离散余弦变换(DCT)[8,9]、Hadamard变换和小波变换[10,27]。
[7] 提出了一种DCT域数字水印算法，其方法是首先把图像分成8x8的不重叠象素块，在经过分块DCT变换，得到由DCT系数组成的频率块，然后随机选取一些频率块，将水印信号嵌入到由密钥控制选择的一些DCT系数中。该算法是通过对选定的DCT系数进行微小变换以满足特定的关系，来表示一个比特的信息。在水印信号提取时，则选取相同的DCT系数，并根据系数之间的关系抽取比特信息。其思想类似于扩展频谱通讯中的跳频（frequency hopping）技术，特点是数据改变幅度较小，且透明性好，但是其抵抗几何变换等攻击的能力较弱。另外基于DFT和DWT算法与上述算法具有相似的原理。
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第二章数字水印的技术综述
频域水印制作中一个比较重要的问题是频率的选择，任何一段频率应该都是可以利用的，但在各频段调制出的水印却有着不同的特性。高频会在有损压缩和尺寸调整中丢失，故做在高频中的水印在低通滤波和几何处理方面显得不够坚固，但对于?校正、对比度/亮度调节等则具有很好的坚固性。水印做在低频不会提高噪声水平，所以水印适于调制在较低的频率中，低频水印所表现出来的特性与高频正好相反，它对低通滤波、有损压缩等具有很强的坚固性，而对?校正、对比度/亮度调节等处理则比较敏感。如果将高、低频率水印的互补优点结合起来，就可以得到坚固性非常高的水印技术。因为频域中的水印在逆变换时会散布在整个图像空间中，故不像空间域水印技术那样易受到修剪处理的影响。最好是用原作品中含有重要信息的那些频率(即感觉最敏感的频率)，这样水印就最不易被去除。
为了给攻击者增加去除水印的不可预测的难度，目前大多数水印制作方案都在加入、提取时采用了密钥，应做到只有掌握密钥的人才能读出水印。“密钥”这个词是从密码学借用来的，有人认为，水印密钥与密码密钥尚无法相提并论。但应做到，即使知道水印的嵌入算法的全部细节，只是不知道秘密密钥，就不能将水印提出或破坏。
2．8．3压缩域算法[11,12]
基于JPEG、MPEG标准的压缩域数字水印系统不仅节省了大量的完全解码和重新编码过程，而且在数字电视广播及VOD(Video on Demand)中有很大的实用价值。相应地，水印检测与提取也可直接在压缩域数据中进行。目前有一种针对MPEG-2压缩视频数据流的数字水印方案[11]。虽然MPEG-2数据流语法允许把用户数据加到数据流中，但是这种方案并不适合数字水印技术，因为用户数据可以简单地从数据流中去掉，同时，在MPEG-2编码视频数据流中增加用户数据会加大位率，使之不适于固定带宽的应用，所以关键是如何把水印信号加到数据信号中，即加入到表示视频帧的数据流中。对于输入的MPEG-2数
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吉林大学硕士学位论文
据流而言，它可分为数据头信息、运动向量(用于运动补偿)和DCT编码信号块3部分，在方案中只有MPEG-2数据流最后一部分数据被改变，其原理是，首先对DCT编码数据块中每一输入的Huffman码进行解码和逆量化，以得到当前数据块的一个DCT系数;其次，把相应水印信号块的变换系数与之相加，从而得到水印叠加的DCT系数，再重新进行量化和Huffman编码，最后对新的Huffman 码字的位数n1与原来的无水印系数的码字n0进行比较，只在n1不大于n0的时候，才能传输水印码字，否则传输原码字，这就保证了不增加视频数据流位率。该方法有一个问题值得考虑，即水印信号的引入是一种引起降质的误差信号，而基于运动补偿的编码方案会将一个误差扩散和累积起来，为解决此问题，该算法采取了漂移补偿的方案来抵消因水印信号的引入所引起的视觉变形。2．8．4 NEC算法
该算法由NEC实验室的Cox等人提出[13,14]，该算法在数字水印算法中占有重要地位，其实现方法是，首先以密钥为种子来产生伪随机序列，该序列具有高斯N(0，1)分布，密钥一般由作者的标识码和图像的哈希值组成，其次对图像做DCT变换，最后用伪随机高斯序列来调制(叠加)该图像除直流(DC)分量外的1000个最大的DCT系数。该算法具有较强的鲁棒性、安全性、透明性等。由于采用特殊的密钥，因此可防止IBM攻击，而且该算法还提出了增强水印鲁棒性和抗攻击算法的重要原则，即水印信号应该嵌入源数据中对人感觉最重要的部分，这种水印信号由独立同分布随机实数序列构成，且该实数序列应该具有高斯分布N(0，1)的特征。
2．8．5生理模型算法[38，47，48,49,50,51]
人的生理模型包括人类视觉系统HVS(Human Visual System)和人类听觉系统HAS。该模型不仅被多媒体数据压缩系统利用，同样可以供数字水印系统利用。文献[46][47]实现了一个基于分块DCT框架的数字水印系统；文献 [48]
实现了一个基于小波分解框架的数字水印系统；文献[49]实现了一个空域数字水
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第二章数字水印的技术综述
印系统。利用视觉模型的基本思想均是利用从视觉模型导出的可感知噪声矩阵JND (Just Noticeable Difference)描述来确定在图像的各个部分所能容忍的数字水印信号的最大强度，从而能避免破坏视觉质量。也就是说,利用视觉模型来确定与图像相关的调制掩模，然后再利用其来插入水印。这一方法同时具有好的透明性和强健性。
第三章数字水印的评价
现在虽然有很多的水印算法被提出，但是一个重要并且经常被忽视的一个重要方面是建立对水印的评价基准。虽然也有作者在水印加入过程中对水印进
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