数字图像水印技术的研究与实现-外文翻译

中北大学xxxx届毕业设计说明书（外文翻译）

第 1 页 共 16 页 数字水印

R. Chandramouli &Majid Rabbani

1.介绍：

因特网的出现在以数字化形式的内容和传递方面产生了很多新的应用。其应用包括电子广告业，实时的图像和音频的传递，数字仓库和图书馆和网上出版业。在这些应用中出现一个重要问题就是保护所有参与者的权利。然而当前一些保护数字数据的版权法律是公认的还不够完善，这就导致一个新的方向－防拷贝和保护体制，在此基础上吸引了越来越多的基于数字水印技术的兴趣。数字水印是把信息嵌入数字媒体并能在之后把信息（我们称之为水印）提取出来或者探测到以防止复制的过程。数字水印已成为研究中一个活跃和重要的领域，面对高速发展的数字化进程，水印技术的发展和商业化被认为可以从根本上应对这个挑战。

在这章剩下的部分我们讨论的是静止图象的水印，当然，水印技术在原则上同样适用于音频和视频数据。数字水印可以是可见的也可以是不可见的。一个可见的水印一般包含一个易见的消息和公司标识所有权。另一方面一个不可见水印的图像看起来和原来的很相似，隐形水印的存在只有在运用合适的水印提取或者检测算法才能发现。在这篇章节我们讨论的是不可见水印。

不可见水印技术在一般来讲，包含了编码和解码的过程。一般水印的编码过程如图2所示。这儿，提出了水印插入的方法：

（1）

X是原始的图像，W是被插入的水印信息，K是用户的密钥，而E代表插入水印的函数。这个章节我们采用对原始图像X注释，嵌入过水印的图像我们称为X′。鉴于水印嵌入的方式和嵌入算法的不同，检测和提取能采取截然不同的方法。两者之间的最大区别是在于是否需要得到原始图像，在水印提取算法中如果不要求得到原始图像，我们就称之为盲水印技术，对盲水印技术来说，水印提取过程如下：

（2）

其中是一个可能被嵌入水印的图像，K′是提取密钥，D代表水印提取/检测的函数，而是提取出来的水印信息，盲水印对不需要原始图像而破译水印有很大的吸引力。 中北大学xxxx届毕业设计说明书（外文翻译）

第 2 页 共 16 页 不可见水印也能被分成强健性或者易损性的水印。稳健水印通常被用于证明所有权和被设计成对抗一些普通图象处理例如：压缩，裁剪，滤波，几何变换等和恶意攻击移除伪造水印。

1.1 实用性

数字水印在很多方面都有潜在的实用性，包括：

所有权判断。水印可以被用作所有权的判断，要判断一个图像的所有权，Alice可以产生一个秘密私钥的水印信号加入原始图像，她可以使加过水印的图像公开，之后，当Bob宣称这幅公开图像的所有权时，Alice就可以证明在Bob的图像中她做的水印的存在。由于Alice的原始图像Bob是没法获得的，所以他不能做同样的事情。为了实现这一计划，图象处理技术要逃过恶意的移除攻击。除此以外，水印应该以不能被修改的方式插入，因为Alice可不想对不属于她的图像负责。

指纹获取。在网络上以电子形式分布的多媒体内容的应用中，内容的所有者不想内容未经授权的被复制和通信，所以他们通常会在每份数据中嵌入一个明显的水印（或者一个指纹印）。之后的某一时间，当未经授权的复制品被发现，复制品的来源就能通过指纹印来确定。在这个应用中，水印需要是不可见的，也不能被恶意攻击修改，移除和破坏掉。此外，与所有权判断的实用性不同，水印应该对共谋有抵抗性。也就是说一组拥有同样图像但包含不同指纹应该不能共谋和证明某一个指纹无效或者创造一个没有指纹的复制品。

复制品预防和控制。水印也能用于复制品的预防和控制。例如，在一个封闭系统中的多媒体内容需要专用硬件拷贝和观看，一个数字水印就可以插入以说明允许拷贝的份数。当一份复制完后，水印能被硬件修改。当允许的数字变为0时，硬件就不能再复制数据了。这样一个系统的例子就是数字多用磁盘（DVD）。事实上，一个在他的核心包含数字水印复制机器是被认为当前的标准。而第二代DVD产品将很好的包括能读取水印的能力和不管他们存在与否都能起作用。

另一个例子是数码相机，他可以把信息像水印那样加入每一个背景或者一系列背景，以更快帮助调查者找到照片的剽窃，还能指出戏剧和电影发行的弱点。这个技术对付一种很普通的剽窃行为最有用，就如：某人用摄像机拍摄在电影院播放的电影，然后把它复制到光盘或者VHC磁带上发行。

欺骗和篡改的检测。当多媒体内容是用做法律目的，医学应用，新闻报道和商业交易中北大学xxxx届毕业设计说明书（外文翻译）

第 3 页 共 16 页 时，保证内容是有一个明确的出处和没有被篡改过非常重要，这就需要加入水印。随后，当照片被检查时，水印将用一个唯一密钥从出处提取出来，数据的完整性将被提取出来的水印的完整性证实。水印也能加入一些来自原始图片的信息使图片不能被修改和覆盖。很明显的，水印的使用的目的是不影响图像的质量和能抵抗伪造品。强健性对取走水印后内容将变得不可靠和没有价值不严格。

身份证安全。在护照和身份证中的信息（例如护照号，人的名字等）也能包含在身份证上的照片中。提取嵌入的信息，然后跟在本上的信息比较，就能证实身份证的真实。例如，当身份证被偷，照片被伪造的代替，如果不能从身份证上提取出水印，这个身份证就是无效的。

以上都是代表数字水印在潜在使用的一些例子。此外，还有很多其他应用，管理权利，追踪文章的使用，把文章和一些特殊播放器捆绑，无线电广播监视器等。在以上所写的多种多样的应用中可以看出数字水印技术能满足很多需要。自具体应用要求改变以来，水印技术应该在他们被使用的整个系统下设计完成。每个应用利用不同的需求，将会要求可见和不可见的不同种类水印计划或者组合。在这章剩下的章节里，我们描述了不可见水印的一些总原则和技术，我们的目的是使读者更好的了解数字水印的基本原则，内在交换，优点和弱点。我们将会关注我们所讨论和举例的图像水印。但是，就如我们之前提到的，这个概念在本质上也同样适用于其它形式的内容，例如视频和音频。

1.2 信息隐藏和隐写术的关系

除了数字水印之外，把信息隐藏进数字内容的基本思想有很广泛的应用，而不仅仅是版权保护和认证，这些应用中包含的技术被统称为信息隐藏。例如，元数据提供了图像额外的信息，虽然元数据也能被存在数字图象的头文件中，但是这有很多局限性。通常，当一个文件被转换成另一种格式（例如，从TIFF到JPEG或者到BMP），元数据就丢失了。同样的，剪裁或者任何一种图片形式操作都会破坏元数据。最后，当图像以数字形式元存在时，数据只能附属于图像，而当图像印刷时，元数据就丢失。信息隐藏允许元数据跟着图像移动，丝毫不在意文件的形式和图像的状态（数字的或者模拟的）。嵌入的元数据信息有很多作用，例如，在生意中可以在网站的URL嵌入特有产品的图片中以为此产品做广告。用户拿着杂志照片站在在一个成品低的CMOS照相机面前，这个照相机集成在个人电脑，移动电话或掌上电脑上。从低质量的照片中北大学xxxx届毕业设计说明书（外文翻译）

第 4 页 共 16 页 中提取的数据是被用做浏览指定网站的。另一个例子是加入拍摄图片时所在位置的GPS数据（大约56比特）。这个应用和水印的关键差别在于没有主动的对手。在水印应用方面如版权保护和证明，这些都有一个主动的对手在尝试去掉，伪造水印和使水印无效。而在信息隐藏中就没有一个这样主动的对手，所以就没有价值同移动隐藏在内容中信息的行为计较。然而，信息隐藏技术需要鲁棒行来防止意外的破坏。例如，在图4所示应用中，尽管经历了打印和扫描过程的破坏，嵌入在文件图像中的信息还应能被提取出来。但是这些破坏只是处理过程的一部分并且不是由活跃对手引起。

另一个和水印相关的主题是隐写术，是一种秘密通信的科学和艺术。虽然几十年来，隐写术被当作密码学的一部分，它的焦点是秘密通信。事实上，对这个问题现在被称为犯人问题。这儿，Alice和Bob正在策划一个逃狱计划，问题是他们之间的所有交流都被典狱长Wendy检查着，Wendy一发现他们有什么令人怀疑的交流就会在第一时间把他们单独监禁。因此，Alice和Bob必须交换表面上看起来很正常但实际上包含了涉及逃狱计划的隐藏信息。这有两种通常讨论的版本—— 一种是典狱长是被动的，只看消息。另一种是典狱长是主动的，有修改消息以防止隐藏消息的习惯。很明显，在这最重要的问题是隐藏的消息的存在必须被隐藏好。然而，在数字水印中一个好的水印技术是否隐蔽不是很明显。

1.3 水印问题

在水印技术研究中的出现的重要方面有：

容量：能嵌入一个所给信号最大限度数据的量是多少？什么是嵌入和提取信息最合适的方法？

强健：我们嵌入和恢复数据，怎么才能在恶意的攻击和偶然的转移中使它完整的提取出来？

透明：我们怎么把信息嵌入才能不被感知地降低载体的质量？

安全：我们怎么能判断嵌入的信息是否被篡改，伪造和移除？

确实，这些问题是过去几年学习的焦点，也已经取得一些非凡的进步。然后，在这个高速发展的研究领域，问题总是比答案多。会这样的一个重要原因是数字水印是一个内在的结合多种学科的以多种学科的发展为基础的一个主题。这些领域为数字水印发展所做出的贡献至少包括下面几个方面：

信息和通信理论 中北大学xxxx届毕业设计说明书（外文翻译）

第 5 页 共 16 页 判断和检测理论

信号处理

密码学和密码协议

这些领域里的每一个都处理了数字水印问题的一个特殊方面，一般来说，信息和通信理论方法处理数据的嵌入方面。举例来说，消息理论方法在数据的总量计算机中有用，数据是能被嵌入一个给予的信号中，这个信号易受各种约束例如嵌入数据的峰值功率（幅度的平方）或者嵌入产生的畸变。主信号可以被当作一个通信的频道，而各种操作例如压缩/解压，过滤等可以被当作是噪声。用这个框架，好多从经典信息论得出的结论可以而且应该可以成功的适用于计算一个信号所嵌入的数据的容量。

判断思想被用做从收件人那边分析是否有数据嵌入程序，对于一个给予的数据嵌入程序，我们怎么从易受有意或者无意攻击的主信号中提取出隐藏的数据？数据提取程序必须是能保证确定量的可靠性。提取出来的数据正好是原始嵌入数据的机会有多大？即使数据嵌入算法不够智能和精练，一个好的数据析取算法能补偿这点。在版权保护的水印应用中，判断论被用做检测嵌入数据的存在；在媒体桥水印应用方面，判断论需要提取出嵌入的信息。因此，判断论在数字水印的提取和检测方面充当了一个重要作用。所以，为数字水印应用发展出一个可靠的，有效率和强健的检测器非常重要。

各种各样的信号处理算法被用在数字水印方面。这些算法都是基于人类视觉系统，信号变化（例如：离散余弦变化（DTC）），噪声特性，各种信号处理攻击等。在应用和上下文的基础上，这些方法可以被当作编码员或者译码机或者两者的工具。使用者可以灵活的混合搭配不同的基于应用和计算约束的技术。虽然一些问题，例如画面质量，强健，和实时约束可以被接纳，但是之前讨论过的数据水印使用单一算法能否达到令人满意的特性仍然不太清楚。在很多情况下，这些特性有很多内在的交易，因此，发展信号处理方法去对抗数据水印特性竞争间的平衡是必须的。