一種基于小渡窆捷的自適應(yīng)視頻水印算法研究 摘饕：隨著多蝶體技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)終酶快速發(fā)展，數(shù)字媒體的制作務(wù)傳播變得更加方便和 快捷，同時(shí)盜版和侵權(quán)的問題也日益嚴(yán)燕。數(shù)字水印技術(shù)作為一種數(shù)字媒體版權(quán)保護(hù)的有鼓 方法，近年采；| 起了人豫摶離虔重視。拳文諤紐論述了藪字求# p 棱拳鐫蜇景，原理爭(zhēng)莫壁霧 法，并在這基礎(chǔ)上提出了一種新的基于曼維小波變換的自適應(yīng)視頻水印算法。為了實(shí)現(xiàn)自適 應(yīng)，談箕法利用了人類視覺系統(tǒng)的特牲，在空域申對(duì)稅額萋像分塊做播序，并穰據(jù)排序結(jié)熬， 調(diào)糖水印信息的嵌入策略。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法喪滿足了不可見性的前提下，具有良好的 魯棒性。 美鍵字：數(shù)宰水印，版權(quán)傣護(hù)，稅額水繹，人類視覺系統(tǒng)，蕊 a b s t r a c tt h ed i g i t a lm e d i ah a sb e c o m eam o r ef a s ta n dc o n v e n i e n tw a yf o ri n f o r m a t i o n c o m m u n i c a t i o na l o n gw i t ht h ep o p u l a r i z a t i o no ft n t e r n e ta n dt h ed e v e l o p m e n to fm u l t i m e d i a t e c h n i q u e b u t 搿t h e s a m e t i m e 。t h i s a l s o l e a d s t o s e r i o u s p r o b l e mr e g a r d i n g i p r p r o t e c t i o n a s a n e f f e c t i v em e t h o d 幻p r o v i d ec o p y r i g h tp r o t e c t i o nf o rd i g i t a lm e d i a , d i g i t a lw a t e r m a r k i n g t e c h n o l o g yh a sd r a w ne x t e n s i v ea t t e n t i o n 陋r e c e n ty e a r s f o rt h 話p a p e r , s o m ei m p o r t a n tt o p i c s a b o u t d i g i t a l w a t e r m a r k i n g a r e d i s c u s s e d , w h i c h i n c l u d e n o t o n l y t h e b a c k g o u n d a n d p r i n c i p l e s o f w a t e r m a r k m gb u ta l s os o m ec l a s s i ca l g o r i t h m sa p a r t f r o mt h a t , w ep r o p o s ea na d a p t i x ，ev i d e o w a t e r m a r k i n g b a s e d o n t h r e e - d i m e n s i o n a l w a v e l e t t r a n s f o r m a t i o n | ”o r d e r t or e a h z e a d a p t a b i l i t y , t h ea l g o r i t h ms p l i t st h eo r i g i h a l f r a m e si n t o3 d - b l o c k sa n dl i n e su pt h e s eb l o c k sa c c o r d i n gt oh v s c h a m d e r 拓t l c s ，w a t e r m a r ki n f o r m a t i o nw i t hd i f f e r e n ts t r e n g t hi si n s e r t e di n t ot h e s eb l o c k sb a s e d o nt h ep a r t i c u l a ro r d e rt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h ew a t e r m a r k sa r ei n v i s i b l e a n d r o b u s t a g a i n s t m p e gc o m p r e s s i o n a n d s o m ec o m m o n l y u s e d a t t a c k s k e y w o r d s ：d i g i t a lw a t e r m a r l a n g , c o p y r i g h t p r o t e c t i o n , 1 4 d e ow a t e r m a r k i n g , h v s , a d a p t a b i l i t y 一種基于小波變換的自適壓視頻水印算法研完 第一章引言 在多媒體和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，圖像、文本、音頻和視頻等數(shù)字形式的產(chǎn)品在最 近十年里已經(jīng)得到了廣泛的傳播與運(yùn)用。制造商、銷售商和用戶都可以方便地利用數(shù)字設(shè)備 制作、處理和存儲(chǔ)圖像、音頻、文本和視頻等數(shù)字媒體。與此同時(shí)，數(shù)字媒體又能很容易地 借助i n t e r n e t 或c d - r o m 被復(fù)制、傳播和公開。盜版者正是利用數(shù)字產(chǎn)品易復(fù)制、易傳播 及易處理的性能來侵害制造商和用戶的合法權(quán)利以牟取個(gè)人利益，從而就引發(fā)出了數(shù)字信息 安全問題和數(shù)字產(chǎn)品版權(quán)保護(hù)問題。如何在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中實(shí)施有效的版權(quán)保護(hù)和信息安全手 段，已引起學(xué)術(shù)界、企業(yè)界以及政府部門的廣泛關(guān)注。數(shù)字水印技術(shù)( d i g i t a lw a t e r m a r k i n g t e c h n o l o g y ) 就是一個(gè)新興的能夠有效地保護(hù)數(shù)字產(chǎn)品版權(quán)的技術(shù)。 數(shù)字水印技術(shù)的基本思想是在數(shù)字圖像、音頻和視頻等產(chǎn)品中嵌入秘密的信息，以便保 護(hù)數(shù)字產(chǎn)品的版權(quán)或證明產(chǎn)品的真實(shí)可靠性。數(shù)字水印技術(shù)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)信息安全技術(shù)加 密技術(shù)的缺陷，因?yàn)樗梢詾榻饷芎蟮臄?shù)據(jù)提供進(jìn)一步的保護(hù)，而后者在密文數(shù)據(jù)被解密后， 就失去了保護(hù)的作用。而且，數(shù)字水印技術(shù)可以一次性地嵌入大量的秘密信息，能夠有效地 實(shí)現(xiàn)版權(quán)標(biāo)注的功能。因此，數(shù)字水印技術(shù)已經(jīng)成為了當(dāng)前多媒體信息安全研究領(lǐng)域發(fā)展最 快的熱點(diǎn)技術(shù)。 可以說，數(shù)字水印技術(shù)是一門新興的多學(xué)科交叉的應(yīng)用技術(shù)，它涉及不同學(xué)科領(lǐng)域的思 想和理論，如信號(hào)處理、圖像處理、信息論、編碼理論、密碼學(xué)、信號(hào)檢測(cè)理論、概率論 隨機(jī)過程理論、數(shù)字通信、對(duì)策論、計(jì)算機(jī)科學(xué)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、算法設(shè)計(jì)等技術(shù)，還包括公共 策略和法律等問題。目前，國(guó)內(nèi)外許多的大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)都在各自的領(lǐng)域中對(duì)水印技術(shù)進(jìn)行 研究，也誕生了不少有價(jià)值的理論和算法。 但是，就目前掌握的情況來看1 ，國(guó)內(nèi)外( 尤其是國(guó)內(nèi)) 的研究大多集中在靜態(tài)圖像的 水印技術(shù)上，而對(duì)音頻和視頻水印的研究就少了許多。因此，本文的研究對(duì)象主要針對(duì)數(shù)字 水印研究的薄弱環(huán)節(jié)，即視頻水印。文中提出了一種新的基于三維小波變換域的自適應(yīng)視頻 水印算法，通過實(shí)驗(yàn)證明，它可以適用于視頻數(shù)字媒體的版權(quán)保護(hù)上。 本篇論文的主要內(nèi)容如下： 第二章介紹數(shù)字水印技術(shù)的背景知識(shí)。該章涉及到數(shù)字媒體的特點(diǎn)以及傳統(tǒng)加密技術(shù)的 不足，信息隱藏學(xué)的概念和典型方法，并簡(jiǎn)單闡述了水印技術(shù)的發(fā)展歷史。 主要的依據(jù)是對(duì)1 9 9 91 到2 0 0 21 2 期問發(fā)表在國(guó)內(nèi)外主要科技期刊上的論文的收集和統(tǒng)計(jì)。， 4 一種基于小波變換的自適壓視頻水印算法研究 碩士擘位論丈 第三章為數(shù)字水印技術(shù)的綜述。本章首先提出了數(shù)字水印的系統(tǒng)模型和研究方法。然后 對(duì)與水印技術(shù)有密切關(guān)系的幾個(gè)研究領(lǐng)域，如擴(kuò)頻通信、差錯(cuò)編碼理論、數(shù)據(jù)融合以及分形 圖像壓縮等做了介紹，著重突出了它們對(duì)水印技術(shù)的影響。之后，本章又給出了數(shù)字水印技 術(shù)的分類和應(yīng)用領(lǐng)域，以及水印算法的技術(shù)要求。由于水印算法必須要面對(duì)許多有意或無意 的攻擊，要設(shè)計(jì)出可以抵御這些攻擊的算法，就應(yīng)該先了解這些攻擊手段，因此本章還詳細(xì) 地介紹了幾種典型的攻擊方法，如魯棒性攻擊、表達(dá)攻擊和解釋攻擊等。在隨后的部分，丈 章還闡釋了幾種靜態(tài)圖像水印的典型算法，它們對(duì)作者設(shè)計(jì)視頻水印的算法有指導(dǎo)和啟示的 作用。此后，本章又介紹了一種實(shí)用的安全數(shù)字水印體系模型，它參考了已有的網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證和 保護(hù)體系標(biāo)準(zhǔn)，將加密技術(shù)和認(rèn)證體系配合水印算法，形成了安全、完整，可行的數(shù)字產(chǎn)品 版權(quán)保護(hù)機(jī)制，具有現(xiàn)實(shí)意義。最后，本章論述了視頻水印技術(shù)的研究現(xiàn)狀，以及本文算法 所屬的基本類型。 第四章是論文的核心部分。在本章里，作者給出了一種新的視頻水印嵌入和提取算法。 此算法的特點(diǎn)是： 一、嵌入的水印為2 46 “真彩色圖像，信息量大，表現(xiàn)能力強(qiáng)； 二利用了人類視覺系統(tǒng)( h v s ) 的有關(guān)特性，根據(jù)視頻圖像內(nèi)容來自適應(yīng)地選擇水印 信息的嵌入位置和相應(yīng)的嵌入策略： 三、基于局部的三維小坡變換，算法運(yùn)算量較??； 四、提取水印圖像時(shí)，實(shí)現(xiàn)了無需原始視頻數(shù)據(jù)的“盲水印”要求。 由于水印的嵌八和提取過程都在小波變換域中進(jìn)行，因此本章首先介紹了小波變換的原 理以及它在圖像處理方面的應(yīng)用。然后，本章介紹了對(duì)水印圖像的處理過程，包括水印信息 的壓縮，- = - 4 t 4 匕、位分離和置亂技術(shù)等。本章其余部分詳細(xì)地闡述了水印嵌入和提取的過程。 第五章為實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析。由于本文提出的算法主要用于視頻的版權(quán)保護(hù)，所以要求它 具備不可見性和魯棒性。本章主要給出了對(duì)水印算法這兩項(xiàng)指標(biāo)的檢驗(yàn)。另外，通過與非自 適應(yīng)算法的比較，也有力地說明了本文算法的優(yōu)越性。 第六章是本文的結(jié)論，并且提出了今后研究的方向。 一種基于小波變換的自適應(yīng)視頻水印算法研究 碩士擘住論文 第二章數(shù)字水印的背景知識(shí) 數(shù)字化生存( b e i n gd i g i t a l ) 的作者n e g r o p o n t e 在書中寫道：“計(jì)算不再只和計(jì)算機(jī) 有關(guān)，它決定我們的生存”。人類已經(jīng)邁入了信息時(shí)代，數(shù)字化的各類信息，我們可以稱之 為多媒體信息至少正在改變著我們的生活( 如果不說“決定”的話) 。同時(shí)，信息安全也面 臨著前所未有的挑戰(zhàn)，單純依靠原有的技術(shù)已經(jīng)無法滿足新的需要。所以，像數(shù)字水印這樣 的新技術(shù)慢陵地發(fā)展了起來。本章將對(duì)數(shù)字水印技術(shù)的背景知識(shí)作詳細(xì)地介紹，內(nèi)容涉及到 傳統(tǒng)的加密技術(shù)，信息隱藏學(xué)的概念以及水印技術(shù)的歷史淵源。 2 1 數(shù)字媒體與傳統(tǒng)的加密技術(shù) 這里所稱的數(shù)字媒體可以是文本、圖像、音頻或視頻，它們與模擬媒體相比有著鮮明的 特點(diǎn)。首先數(shù)字媒體的質(zhì)量要比同類的模擬媒體好得多；其次對(duì)數(shù)字媒體的編輯更加容易， 因?yàn)樗请x散的，每一個(gè)離散的值都可以被修改；數(shù)字媒體的復(fù)制十分簡(jiǎn)單而且復(fù)制品幾乎 和“原件”一模一樣；最后，數(shù)字媒體能更好地在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行傳播。 數(shù)字化雖然可以使信息成為了大眾的資源，但對(duì)于數(shù)字媒體的所有者來說，就要面對(duì)更 多的困擾。他們辛辛苦苦的勞動(dòng)果實(shí)也許很快被人當(dāng)作肯德基的快餐一般轉(zhuǎn)手賣給了他人， 而他自己一點(diǎn)回報(bào)也得不到。雖然，他可以求助法律來討回公道，但司法鑒定也無法準(zhǔn)確地 判斷哪個(gè)是原件哪個(gè)是拷貝。數(shù)字媒體的存取方便，篡改也板容易，與存在“笨重”的磁帶、 電影膠片中的模擬媒體數(shù)據(jù)相比，它簡(jiǎn)直可以使那些侵權(quán)者不費(fèi)吹灰之力。所以，如何保護(hù) 數(shù)字媒體的版權(quán)，如何防止其擁有者的合法權(quán)益受到侵害，成為了信息時(shí)代的當(dāng)務(wù)之急。 傳統(tǒng)的對(duì)數(shù)字信息安全的保護(hù)方法就是加密技術(shù)”i 。加密技術(shù)主要研究如何將機(jī)密信息 進(jìn)行特殊的編碼，以形成不可識(shí)別的密碼形式( 密文) 進(jìn)行傳遞。它的關(guān)鍵是密鑰技術(shù)，其 強(qiáng)壯性是依靠不斷增加密鑰的長(zhǎng)度來獲取的。這種加密技術(shù)作為網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)的主流，也存 在著一些不足和局限性。 第一，數(shù)字信息的加密僅發(fā)生在發(fā)送和傳輸環(huán)節(jié)，一旦密文被解密也就失去了保護(hù)的作 用，所以它無法對(duì)數(shù)字產(chǎn)品進(jìn)行進(jìn)一步的跟蹤和監(jiān)督，如果那個(gè)合法用戶( 暫時(shí)還可以這么 稱呼他) 將數(shù)字產(chǎn)品傳播給了非授權(quán)者，加密技術(shù)對(duì)這種情況束手無策；第二，加密后的數(shù) 字信息是無序的不可識(shí)別狀態(tài)，只有那持有密鑰的人才能訪問。而人們有時(shí)所要禁止的并非 是數(shù)字產(chǎn)品的內(nèi)容，而是對(duì)數(shù)字產(chǎn)品的非法使用；第三，加密算法往往是公開的，對(duì)于加密 信息的安全性是通過增加密鑰長(zhǎng)度來實(shí)現(xiàn)的。隨著計(jì)算機(jī)處理能力的不斷提高，這種方法顯 一種基于小渡變換的自適壓視頻水印算法研究 碩士學(xué)位論疋 得越來越不安全了；第四，加密信息容易引起某些人的注意，從而增加了其被攻擊的可能性； 第五，對(duì)于數(shù)字簽名等技術(shù)來說，由于應(yīng)用時(shí)需要在原始數(shù)據(jù)中附加大量的簽名數(shù)據(jù)，所以 時(shí)于數(shù)字圖像音頻和視頻的應(yīng)用既不方便也不實(shí)用。 鑒于加密技術(shù)的種種不足，近年來又一種信息安全技術(shù)信息隱藏學(xué)應(yīng)運(yùn)而生了，它 在信息安全技術(shù)領(lǐng)域越來越顯示出重要的作用。 2 2 信息隱藏學(xué)概述 1 9 9 6 年，在英國(guó)劍橋牛頓研究所召開了第一屆國(guó)際信息隱藏學(xué)術(shù)研討會(huì)，這標(biāo)志著一 門新的交叉學(xué)科一信息隱藏學(xué)的正式誕生( 見文獻(xiàn)【3 】) 。信息隱藏也被稱為“信息隱匿”或“信 息隱形”。到目前為止，信息隱藏還沒有一個(gè)準(zhǔn)確和公認(rèn)的定義。一般認(rèn)為，信息隱藏學(xué)是 與信息安全研究領(lǐng)域與密碼技術(shù)緊密相關(guān)的一個(gè)研究領(lǐng)域。信息隱藏學(xué)和上節(jié)所講的信息加 密技術(shù)都是為了保護(hù)秘密信息的存儲(chǔ)和傳輸，使之免遭其他人的破壞和攻擊，但兩者之間有 著顯著的區(qū)別。 信息隱藏學(xué)主要研究如何將某一秘密信息隱藏于另一公開的信息中，然后通過公開信息 的傳輸來傳遞秘密信息。* - l - 自g 的非法截獲者難以從公開信息中判斷秘密信息是否存在，難以 截獲秘密信息，從而能保證秘密信息的安全。由此可見，信息加密所保護(hù)的是信息的內(nèi)容。 信息隱藏則不同，它的目的是使非法截獲者不知道哪里有秘密，它隱藏了信息的存在形式。 為了更清晰地了解信息隱藏的原理，請(qǐng)看圖2l ，它是一個(gè)信息隱藏的通用模型。 圈2 i 信息隱藏模型 我們稱隱藏的信息為秘密信息( s e c r e tm e s s a g e ) ，它可以是版權(quán)信息或秘密數(shù)據(jù)，也可以 是一個(gè)序列號(hào)；而公開的信息則稱為栽體信息( c o v e r m e s s a g e ) ，如視頻、音頻片段。這種 7 一種基于小波變換的自適應(yīng)視頻水印算法研究 碩士學(xué)位論王 信息隱藏過程一般由密鑰( k e y ) 采控制，通過嵌入算法( e m b e d d i n ga g o ， 1 將秘密信息 隱藏于公開信息中，而隱蔽載體( 隱藏有秘密信息的公開信息) 則通過信道( c o m m u n i c a t i o n c h a n n e l ) 傳遞，然后檢測(cè)器( d e t e c t o r ) 利用密鑰從隱蔽裁體中恢復(fù)檢測(cè)出秘密信息。 信息隱藏技術(shù)主要由下述兩部分組成：( 1 ) 信息嵌入算法，它利用密鑰來實(shí)現(xiàn)秘密信息 的隱藏；( 2 ) 隱蔽信息檢測(cè)，提取算法( 檢測(cè)器) ，它利用密鑰從隱蔽栽體中檢測(cè)，恢復(fù)出秘 密信息。在密鑰未知的前提下，第三者很難從隱蔽載體中得到或刪除，甚至發(fā)現(xiàn)秘密信息。 信息隱藏算法層出不窮，下面介紹幾種典型的方法。 ( 一) 在文本文件中，字與字間、行與行間均有一定的空白間隔，把這些空白間隔精。 改變后可以隱藏某種編碼的標(biāo)記信息以識(shí)別版權(quán)所有者，而文件中的文字內(nèi)容不需作任何改 動(dòng)。 ( 二) 商業(yè)應(yīng)用中的數(shù)據(jù)鎖定。出版商從降低成本的角度出發(fā)，可以把多個(gè)軟件或電子 出版物集成到一張光盤上出售，盤上所有的內(nèi)容均被分別進(jìn)行加密鎖定，不同的用戶買到的 均是相同的光盤，每個(gè)用戶只需付款買他所需內(nèi)容的相應(yīng)密鑰，即可利用該密鑰對(duì)所需內(nèi)容 解除鎖定，而其余不需要的內(nèi)容仍處于鎖定狀態(tài)，用戶是看不到的。這樣，擁有相同光盤的 不同用戶，由于購(gòu)買了不同的密鑰，便可各取所需地得到光盤上相應(yīng)的內(nèi)容，這為用戶和商 家都提供了極大的便利。 ( 三) 現(xiàn)在的激光打印機(jī)具有很高的解析度，可以控制字符使之發(fā)生微小的位移，人眼 對(duì)宰間距、行間距的微小差別并不十分敏感，而現(xiàn)在的掃描儀能夠成功地檢測(cè)到這一微小的 位移。我們用掃描儀可以高分辨率地獲得印刷品的圖像，并通過適當(dāng)?shù)慕獯a算法找到其中的 隱匿標(biāo)記。 ( 四) 利用a s c i i 字符的顯示特性，用那些在c r t 上不顯示出來的字符作為隱匿信息 嵌入文件中，一般的文字處理器讀不出這些信息，而利用特定的軟件進(jìn)行解碼運(yùn)算可以讀出 隱匿信息。 數(shù)字水印技術(shù)是信息隱藏學(xué)的一個(gè)分支，在版權(quán)保護(hù)方面有著重要的應(yīng)用。與其他的信 息隱藏技術(shù)只關(guān)心被藏信息的隱蔽性( 只要未被泄漏就行) 不同的是，數(shù)字水印與它所保護(hù) 的媒體內(nèi)容或版權(quán)擁有者密切相關(guān)，它不允許嵌入的版權(quán)信息丟失或遭到嚴(yán)重的破壞，所以 其魯棒性的要求更高。下一章將對(duì)數(shù)字水印的基本原理、技術(shù)要求及應(yīng)用等方面做深入地探 討，本章的第三節(jié)先簡(jiǎn)單介紹數(shù)字水印的歷史，從中可以見到，這門至今尚未成熟的技術(shù)卻 凝結(jié)著許多古老的智慧。 8 一種基于小波變換的自適應(yīng)視頰水印算法研究碩士學(xué)位論丈 2 3 歷史 現(xiàn)代的水印技術(shù)是由古老的隱寫術(shù) e g a n o g r a p h y ) 發(fā)展而來的，隱寫術(shù)一詞來源于希臘 語，“s t e g a n o 對(duì)應(yīng)的是“c o v e r e d ，它的英文意思是“c o v e r e dw r i t i n g 。隱寫術(shù)的應(yīng)用實(shí)例 可以追溯到非常久遠(yuǎn)的年代。被人們譽(yù)為歷史學(xué)之父的古希臘歷史學(xué)家希羅多德( h e r o d o t u s ， 4 8 6 - - 4 2 5 ) ，在其著作中講述了這樣一則故事：一個(gè)名叫h i s t a i e u s 的人籌劃著與他的朋友合 伙發(fā)起叛亂，里應(yīng)外合，以便推翻波斯人的統(tǒng)治。他找來一位忠誠(chéng)的奴隸，剃光其頭發(fā)并把 消息文刺在頭皮上，等到頭發(fā)又長(zhǎng)起來了，把這人派出去送“信”，最后叛亂成功了。 歷史上諸如此類的隱寫方法還有多種。偉大的音樂家巴赫( b a c h ) 在自己的樂譜中利 用音符的不同排列方式來隱藏自己的名字。1 7 世紀(jì)，英國(guó)的w i l k i n s ( 1 6 1 4 - - 1 6 7 2 ) 是資料記 載中最早使用隱寫墨水進(jìn)行秘密通信的人，在2 0 世紀(jì)的兩次世界大戰(zhàn)中德國(guó)間諜都使用過 隱寫墨水。早期的隱寫墨水是由易于獲得的有機(jī)物( 例如牛奶果汁或尿) 制成，加熱后顏色 就會(huì)變暗從而顯現(xiàn)出來。后來隨著化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，在第一次世界大戰(zhàn)中人們制造出了復(fù)雜 的化合物做成隱寫墨水和顯影劑。在中國(guó)古代，人們?cè)?jīng)使用挖有若干小孔的紙模板蓋在信 件上，從中取出秘密傳遞的消息，而信件的全文則是為打掩護(hù)用的?，F(xiàn)代又發(fā)明了很多方法 用于信息隱藏：高分辨率縮微膠片擴(kuò)頻通信流星余跡散射通信、語義編碼( s e m a g r a m ) 等。其中，擴(kuò)頻通信和流星余跡散射通信多用于軍事上，使敵人難以檢測(cè)和干擾通信信號(hào)； 語義編碼是指用非文字的東西來表示文字消息的內(nèi)容，例如把手表指針擰到不同的位置可表 示不同的舍義，用圖畫照片等都可以進(jìn)行語義編碼。 這些例子向我們揭示了信息隱藏學(xué)和數(shù)字水印技術(shù)的一個(gè)最基本的目的，就是將秘密的 信息隱藏起來，不引起別人的懷疑和注意。當(dāng)然要做到這一點(diǎn)也并非易事，下面繼續(xù)介紹數(shù) 字水印技術(shù)的基本原理。 0 一種基于小渡變換的自適壓視頻水印算法研究 碩士擘位論丈 第三章數(shù)字水印技術(shù)綜述 3 1 數(shù)字水印的系統(tǒng)模型 數(shù)字水印的系統(tǒng)模型與上一章的信息隱藏模型頗為相似。圖31 是數(shù)字水印的嵌入模型 提取模型和檢測(cè)模型，可以同圖21 對(duì)照來看 ( a ) 數(shù)字水印的嵌八模型 f b ) 數(shù)字水印的提取模型 ( c ) 敷字水印的檢測(cè)模型 圍3 1 0 一神基于小渡變換的自適應(yīng)視頻水印算法研究 碩士學(xué)位論疋 圖31 中，( a ) 為數(shù)字水印信號(hào)的嵌入模型，其功能是完成將數(shù)字水印信號(hào)嵌入原始數(shù) 據(jù)中；( b ) 為數(shù)字水印信號(hào)的提取模型，其負(fù)責(zé)從嵌入水印的數(shù)據(jù)中提取出水印信號(hào)；( c ) 為 數(shù)字水印信號(hào)的檢測(cè)模型，用以判斷某一數(shù)據(jù)中是否有指定的水印信號(hào)。 ( b ) 和( c ) 中的虛框部分表示在提取或檢測(cè)水印信號(hào)時(shí)，原始載體數(shù)據(jù)不是硌要的。 在水印的嵌入過程中加入密鑰，是為了加強(qiáng)水印的安全性，使得未授權(quán)者( 即無正確的 密鑰者) 無法檢測(cè)到水印的存在，更別說去破壞或消除水印了。水印系統(tǒng)使用密鑰，很好地 借鑒了加密技術(shù)，密鑰控制了嵌入過程的關(guān)鍵步驟，如嵌入位置嵌入強(qiáng)度等，這樣即使攻 擊者知道了水印嵌入的算法，如果他沒有獲得密鑰，同樣無法提取、檢測(cè)或破壞水印。本文 將繼續(xù)對(duì)水印中的加密技術(shù)作進(jìn)一步的探討，詳見第四章。 3 2 數(shù)字水印的研究方法 正如第2 - 章所提到的，信息隱藏學(xué)是一門交叉學(xué)科，同樣數(shù)字水印技術(shù)也借鑒了許多其 他領(lǐng)域的研究成果。水印嵌入過程采用密鑰是一個(gè)典型的例子。圖3 2 總結(jié)了與水印技術(shù)有 密切關(guān)系的一些領(lǐng)域，它們雖不能涵蓋全部，但卻具有代表性。 圖3 2 與水印技術(shù)密切相關(guān)的領(lǐng)域 奪信息嚏藏學(xué)一般以為，數(shù)字水印技術(shù)是信息隱藏學(xué)的重要分支( 見第二章) 。信息隱藏 學(xué)的范圍更廣，應(yīng)用的對(duì)象不僅是數(shù)字媒體，還包括模擬媒體，如可以在文字繪畫中 隱藏信息。信息隱藏學(xué)與數(shù)字水印技術(shù)的根本目的都是將秘密信息藏起來不為人發(fā)現(xiàn)， 但后者對(duì)魯棒性的要求更高。 奪擴(kuò)煩通信水印的關(guān)鍵是魯棒性，影響魯棒性的因素是嵌入對(duì)策和水印結(jié)構(gòu)。對(duì)于水印 一種基于小渡變換的自適應(yīng)視頻水印算法研究 結(jié)構(gòu)，擴(kuò)頻通信的隱蔽性和強(qiáng)大的抗干擾能力正是數(shù)字水印所需要的。利用擴(kuò)額通信的 概念與方法，將水印信號(hào)采用偽隨機(jī)序列進(jìn)行調(diào)制，擴(kuò)展成比原始信息帶寬大得多的寬 帶信號(hào)，提高了水印的魯棒性。擴(kuò)頻通信的多址原理也對(duì)多重水印起一定的作用。本章 的3722 節(jié)將介紹著名的n e c 算法，它就是利用了擴(kuò)頻通信原理的典型算法。 奪 差錯(cuò)嫡碼理論鑒于水印系統(tǒng)與通信傳輸模型的相似性，有些學(xué)者在數(shù)字水印算法中引 入了差錯(cuò)控制編碼技術(shù)。比如，有人在水印嵌入前，先對(duì)它進(jìn)行卷積編碼和交織處理， 以提高其抗誤碼能力。水印提取時(shí)，采用了軟判決維特比譯碼，增強(qiáng)了算法的魯棒性。 應(yīng)該說此種方法在理論上講是合理的，但進(jìn)行差錯(cuò)編碼勢(shì)必會(huì)增加信號(hào)的帶寬，所以也 要考慮到水印不可感知性的要求，在設(shè)計(jì)算法時(shí)應(yīng)慎重取舍。 奪認(rèn)證與加密技術(shù)數(shù)字水印技術(shù)可以借鑒認(rèn)證與加密技術(shù)的原理和方法，從而使水印算 法的安全性更好，對(duì)這一點(diǎn)前文已經(jīng)有所涉及，這里就不再展開。 奪人類感知模型和心理學(xué)人類感知模型和心理學(xué)對(duì)多媒體數(shù)據(jù)的壓縮編碼有指導(dǎo)意義。 同樣，在數(shù)字水印技術(shù)中，也可以充分地利用它們。水印算法的魯椎】生與不可感知性始 終是一對(duì)相互矛盾的特性，魯棒性要求增大信號(hào)的內(nèi)嵌強(qiáng)度，而這將使圖像或者音樂的 質(zhì)量有所下降。為了解決這對(duì)矛盾，研究者借鑒了人類感知模型和心理學(xué)的研究成果， 在視覺或者聽覺上敏感的區(qū)域減少水印的嵌入強(qiáng)度，或者不嵌入水印，而在感覺不敏感 的區(qū)域加大水印的嵌入強(qiáng)度。這樣，在魯棒性與不可感知性之間找到了一個(gè)平衡點(diǎn)。 奪信號(hào)撿鍘擘水印的檢測(cè)過程十分類似信號(hào)檢測(cè)的問題。信號(hào)檢測(cè)學(xué)中的最小風(fēng)險(xiǎn)船娜 判決準(zhǔn)則、n e y m a n - p e a r s o n 準(zhǔn)則以及最小錯(cuò)誤概率準(zhǔn)則都已被用到了水印檢測(cè)算法中。 奪數(shù)據(jù)融合數(shù)據(jù)融合( d a t af i , s w n ) 又稱信息融合，是通過多( 種、類) 傳感器數(shù)據(jù)的 總和( 集成和融合) 以獲得比每個(gè)單一傳感器更多的信息。這里所指的傳感器是廣叉的， 它是指與環(huán)境匹配的各種信息獲取系統(tǒng)。數(shù)字水印技術(shù)和數(shù)據(jù)融合技術(shù)也很相似，例如 水印嵌入的過程可以看作是原始數(shù)據(jù)與水印信息的融合過程，所以許多數(shù)據(jù)融合結(jié)構(gòu)如 圖像的像素級(jí)融合特征性融合高級(jí)決策性融合等都對(duì)數(shù)字水印技術(shù)有啟發(fā)作用。 奪分形圖像璃碼分形圖像編碼是目前較有前途的圖像編碼方法之一。p u a t e d 等人發(fā)明了 基于分形圖像編碼的數(shù)字水印算法，利用了值域子塊的最佳匹配定義域子塊的位置不變 性，根據(jù)最佳匹配定義域子塊所處的尋找區(qū)域來嵌入和提取有意義的水印。本章的第七 節(jié)也會(huì)對(duì)此類算法作進(jìn)一步的分析。 以上列出的各種研究領(lǐng)域都為數(shù)字水印技術(shù)提供了寶貴的指導(dǎo)和啟示。數(shù)字水印技術(shù)之 所以成為了研究的熱點(diǎn)，一個(gè)很大的原因就在于它的“博采眾長(zhǎng)”。學(xué)者們能在各自熟悉的 1 2 一種基于小渡變換的自適應(yīng)視頻水印算法研究 碩士學(xué)位論文 領(lǐng)域相對(duì)比較自由地探討它，研究它。當(dāng)然這也會(huì)大大增加制定公認(rèn)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的難度和時(shí) 間。 3 3 數(shù)字水印技術(shù)的分類 按照不同的角度，數(shù)字水印技術(shù)的分類五花八門，莫衷一是。如按照水印嵌入的載體來 分，數(shù)字水1 ，- i - 分為文本水印、圖像水印、音頻水印、視頻水印和網(wǎng)絡(luò)水印等。按照水印的 內(nèi)容來劃分可分為有意義水印和無意義水印，有意義水印指水印是某個(gè)圖標(biāo)、音頻片斷、作 者名字等有意義的信息，無意義水印是指僅僅為某個(gè)隨機(jī)噪聲的水印。這里僅考慮圖像與視 頻的水印，圖3 3 給出了一個(gè)典型的水印分類結(jié)構(gòu)，從算法的設(shè)計(jì)角度，它具有一定的參考 價(jià)值。 圖3 3 數(shù)字水印技術(shù)分類樹 如上圖所示，第1 種分類是按可感知性來分，不能被人看到的水印稱為“不可見水印”， 能被人感知的水印稱為“可見水印”。本文主要研究不可見水印。第2 種是按水印的特性來 分，脆弱性水印又叫“易損性水印”、“敏感性水印”，它對(duì)數(shù)據(jù)的改動(dòng)十分敏感，通常被用 于完整性保護(hù)。魯棒性水印正好與之相反，要求它能抵擋住各種有意或無意的改動(dòng)。第3 種是按水印的嵌入方式來劃分，空域或稱時(shí)域水印是指直接改變某些像素值來嵌入水印，頻 一種基于小波變換的自適應(yīng)視顫水印算法研究 碩士擘位論叉 域水印或稱“變換域水印”，它通過某些變換系數(shù)被改變以嵌入水印?，F(xiàn)在研究的方向主要 集中在頻域水印上。頻域水印又可以分為明文水印和盲水印兩種，前者指的是在提取或檢測(cè) 水印時(shí)需要原始數(shù)據(jù)參與的水印方法，而后者在提取或檢測(cè)水印時(shí)無需原始數(shù)據(jù)。本文第四 章提出的算法是基于小波變換域并且是魯棒的盲水印。 3 4 數(shù)字水印的應(yīng)用領(lǐng)域 數(shù)字水印算法的設(shè)計(jì)要求沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)者應(yīng)該根據(jù)特定的使用場(chǎng)合來決定算法 方案及技術(shù)要求。圖3 4 給出了數(shù)字水印幾種常見的用途。 圖3 4 水印的幾種常見應(yīng)用 數(shù)字作品的版權(quán)保護(hù) 版權(quán)保護(hù)是數(shù)字水印技術(shù)應(yīng)用的重要方面。隨著數(shù)字技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)的迅速普及，人們獲得 了越來越多的數(shù)字服務(wù)，如數(shù)字電視、電子商務(wù)、遠(yuǎn)程教育、數(shù)字圖書館等等。這些服務(wù)的 供應(yīng)者提供的數(shù)字作品，如果得不到相應(yīng)的版權(quán)保護(hù)，那么供應(yīng)者的商業(yè)利益、社會(huì)聲譽(yù)都 極有可能遭受重大的損失。數(shù)字水印是解決這個(gè)棘手問題的有效手段，嵌入的水印可以是一 段文字、標(biāo)識(shí)，序列號(hào)和商標(biāo)等，這種水印通常是不可見或不可察覺的，且與原始數(shù)據(jù)( 如 圖像、音頻、視頻數(shù)據(jù)等) 緊密結(jié)合，并隱藏其中，已成為源數(shù)據(jù)不可分離的一部分，它可 以經(jīng)歷一些信號(hào)處理非法攻擊而存活下來。它為合法的版權(quán)所有者提供證明信息，以抵制 侵權(quán)行為。 數(shù)據(jù)完整性的驗(yàn)證 數(shù)據(jù)完整性的驗(yàn)證是指要確認(rèn)數(shù)據(jù)在網(wǎng)上傳輸或在存儲(chǔ)過程中沒有被篡改過。當(dāng)數(shù)字作 品被用于法庭、醫(yī)學(xué)、新聞及商業(yè)時(shí)，常需要確認(rèn)它們的內(nèi)容是否被修改、偽造或特殊處理 1 4 一種基于小波變換的自適壓視頻水印算法研究 過。利用脆弱性水印的特性，可以用它采做篡改提示，驗(yàn)證數(shù)字作品的可靠性。 加指紋 為避免未經(jīng)授權(quán)的拷貝制作和發(fā)行，出品人可以將不同用戶的i d 或序列號(hào)作為不同的 水印( 指紋) 嵌入作品的合法拷貝中，一旦發(fā)現(xiàn)未經(jīng)授權(quán)的拷貝，就可以根據(jù)此拷貝所恢復(fù) 出的指紋來確定它的來源。對(duì)這種應(yīng)用領(lǐng)域來說，水印技術(shù)除具有版權(quán)保護(hù)應(yīng)用中的特性外， 還必須具有防止共謀攻擊( 多拷貝攻擊) 等功能。 拷貝保護(hù) 在數(shù)字產(chǎn)品發(fā)行體系中，希望存在這樣的一個(gè)拷貝保護(hù)機(jī)制，即它不允許未經(jīng)授杈的媒 體拷貝。這在開放系統(tǒng)中很難實(shí)現(xiàn)，但在封閉或私有系統(tǒng)中，它是可行的。在這樣的系統(tǒng)中， 可用數(shù)字水印來說明數(shù)據(jù)的拷貝狀況。例如，在d v d 防拷貝系統(tǒng)中，視頻數(shù)據(jù)中含有拷貝 信息，它限定了拷貝次數(shù)，不允許數(shù)據(jù)被無限制地制作拷貝。 加標(biāo)題與注釋 即將數(shù)字作品的標(biāo)題、注釋、作者等內(nèi)容( 如，一幅照片的拍攝時(shí)間、地點(diǎn)攝影師名 字等) 以水印形式嵌入該作品中，這種隱式注釋不需要額外的帶寬，且不易丟失。上海的瑞 金醫(yī)院在管理病人的x 光片時(shí)就采用了數(shù)字水印的方法。 隨著數(shù)字水印技術(shù)的不斷成熟與發(fā)展，它的應(yīng)用領(lǐng)域也會(huì)不斷擴(kuò)展。著名的a d o b e 公 司已經(jīng)在其知名的a c r o b a t r e a d e r 軟件中加入了數(shù)字水印來標(biāo)識(shí)其中的圖像和文本。相信在 不遠(yuǎn)的將來，會(huì)有更多的人致力于挖掘數(shù)字水印技術(shù)潛在的商業(yè)價(jià)值。 3 5 數(shù)字水印的技術(shù)要求 正如上節(jié)所提到的，水印技術(shù)的應(yīng)用很廣?？梢岳斫獾氖?，不同的應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)技術(shù)的要 求也將各不相同。因此，對(duì)所有的水印算法沒有統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，本節(jié)所提及的各種技術(shù)要 求適合于各種不同的水印算法。 不可贏知性 適用于版權(quán)保護(hù)、拷貝保護(hù)等。要求數(shù)字媒體在嵌入水印后不改變其感知效果，即嵌入 的水印在通常的感知條件下不被感覺。如利用人類視覺系統(tǒng)或人類聽覺系統(tǒng)的屬性，經(jīng)過一 系列隱藏處理，使目標(biāo)圖像、視頻和音頻沒有明顯的降質(zhì)現(xiàn)象，而隱藏的數(shù)據(jù)無法人為地看 見或聽見。 在圖像或視頻水印中，不可感知性通常使用“盲撿”的方法來驗(yàn)證。方法是隨機(jī)抽取一 定數(shù)量的樣本圖像，其中加入水印的圖像和未加入水印的圖像各占總數(shù)的5 0 * , ，讓別人通 e 一種基于小波變換的自適應(yīng)視頻水印算法研究 碩士拳位論文 p s n r ( f , w ) = 1 0 1 0 9 l o 。l 私m a 神x 洲v o , , , , , ) 刪f 2 ( h m , n ) 爿 ， p s n r 的單位是d b ，為栽體數(shù)據(jù)，w 為水印信息，0 為嵌入了水印的數(shù)據(jù)。n 璃n ， 為像素坐標(biāo)，n f 為zl 的像素個(gè)數(shù)。使用p s n r ，可能不是十分準(zhǔn)確，但它無疑是檢驗(yàn) 水印不可見性的有效尺度。 奪魯棒性 指不因數(shù)字媒體的某種改動(dòng)而導(dǎo)致水印信息的丟失。所謂的改動(dòng)包括傳輸過程中的信道 噪聲、線性或非線性濾波、重采樣、有損壓縮編碼、數(shù)?；蚰?，數(shù)轉(zhuǎn)換； 奪提取或檢潮水印時(shí)需不需要原始數(shù)據(jù) 這就是3 3 節(jié)所說的“明文水印”與“盲水印”的區(qū)別。一般以為，盲水印方法在提取 或檢測(cè)水印時(shí)無法訪問原始數(shù)據(jù)，會(huì)使水印信息的嵌入量受到限制。而且會(huì)大大提高特別是 提取水印的難度。然而，有些應(yīng)用場(chǎng)合，必須要求“盲水印”的方法，原因是無法獲得原始 數(shù)據(jù)，象視頻水印，將原始數(shù)據(jù)保留下來往往是不現(xiàn)實(shí)的。本文第四章所提出的算法，就是 “盲水印”。 奪自相似性 數(shù)字水印在原圖像遭到較大的破壞后，仍能從原數(shù)據(jù)中恢復(fù)出隱藏的數(shù)字水印，而且在 恢復(fù)中不需原圖像，這需要數(shù)字水印算法本身具有自相似性。 奪碼率的要求 其實(shí)這里考慮的是加入水印數(shù)據(jù)量的問題。有些水印系統(tǒng)使用的是序列號(hào)、作者姓名等 水印信息，信息量很小。而有些水印系統(tǒng)使用灰度圖像、彩色圖像、音頻或視頻作為水印， 那水印的信息量就很大了。這樣勢(shì)必要提高傳輸碼率。一般要求，水印算法盡可能少或不要 提高原始數(shù)據(jù)的傳輸碼率。 奪安全性 1 6 一種基于小波變換的自適應(yīng)視頻水印算法研究碩士學(xué)位論文 指水印算法有較強(qiáng)的抗攻擊能力，即它必須能夠承受一定程度的人為攻擊，而使水印信 息不遭到破壞。數(shù)字水印系統(tǒng)可以引入一個(gè)或多個(gè)密鑰來確保安全。哪怕是攻擊者知道了水 印嵌入算法過程，如果他沒有密鑰，也同樣無法破壞或刪除水印。第四章中將詳細(xì)介紹水印 的置亂技術(shù)，它是確保安全性的常用手段。 3 6 數(shù)字水印的攻擊方法【3 】【9 1 1 2 4 】 對(duì)水印的攻擊方法大致可分為四類：魯棒性攻擊、表達(dá)攻擊、解釋攻擊和合法攻擊。 魯棒性攻擊 這類攻擊其實(shí)是直接攻擊，目的在于擦除媒體數(shù)據(jù)申的水印而不影響媒體數(shù)據(jù)的使用。 大體上可再細(xì)分為兩種類型：信號(hào)處理攻擊法和分析( 計(jì)算) 攻擊法。 信號(hào)處理攻擊法包括無惡意的常用的一些信號(hào)處理，如壓縮編碼、濾波、縮放、打印及 掃描等。分析( 計(jì)算) 攻擊法包括在水印的插入和檢測(cè)階段采用特殊方法來擦除或減弱媒體 中的水印。 針對(duì)靜止圖像的共謀攻擊是一類典型的分析攻擊法，它使用同一幅圖像嵌入了不同水印 后的不同版本組合而產(chǎn)生一個(gè)新的“嵌入了水印”的圖像，從而減弱水印的強(qiáng)度。 許多水印方案都易于遭到共謀攻擊。為了說明共謀攻擊的危害，在這里舉一個(gè)例子，先 考慮這樣的水印方案：在，j 隨機(jī)地加上由l 或1 構(gòu)成的水印而得到，j 。對(duì)于這種水印方案， 一旦發(fā)現(xiàn)兩個(gè)文檔中有不同的 ，便可得到五的值，從而可以完全消除水印的這個(gè)分量。 如果采用這種水印方案的t 個(gè)文檔，將這t 個(gè)文檔求平均就幾乎可以擦除所有的水印分量而 只剩下2 1 - 部分未擦除。 表達(dá)攻擊 這類攻擊有別于魯棒| 生_ 攻擊之處在于它并不需要除去數(shù)字媒體內(nèi)容中嵌入的水印，它是 通過操縱內(nèi)容從而使水印檢測(cè)器無法檢測(cè)到水印的存在。例如，表達(dá)攻擊可簡(jiǎn)單地通過不對(duì) 齊一個(gè)嵌入了水印的圖像來愚弄自動(dòng)水印檢測(cè)器( 如：基于w e b 的智能代理或w e b c r a w l e r 等) ，實(shí)際上在這種攻擊中并未改變?nèi)魏螆D像像素值。 劍橋大學(xué)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的e p e t i t c o l a 提出的攻擊方法就是一個(gè)很好的表達(dá)攻擊的例子， 該攻擊方法目的是挫敗w e b c r a w l e r o 它將一個(gè)嵌入了水印的圖像切成許多小塊，這些小塊 在w e b 頁上按相應(yīng)的h t m l 標(biāo)記再組裝起來。w e b c r a w l e r 只能去查看每個(gè)圖像小塊，但這 些小塊由于太小而無法容納任何水印數(shù)據(jù)，所以w e b c r a w l e r 無法發(fā)現(xiàn)水印。該攻擊方法實(shí) 】7 一種基于小波變換的自適應(yīng)視頻水印算法研究 碩士學(xué)位論文 際上并未導(dǎo)致任何圖像質(zhì)量的下降，因?yàn)閳D像像素值被完全保留了。 還有一種所謂的“跳躍攻擊”，也屬于表達(dá)攻擊的范疇。跳躍攻擊主要用于對(duì)音頻信號(hào) 數(shù)字水印系統(tǒng)的攻擊。其一般實(shí)現(xiàn)方法是，在音頻信號(hào)上加入一個(gè)跳躍信號(hào)( ，脅e 一，即首先 將信號(hào)數(shù)據(jù)分成5 0 0 個(gè)采樣點(diǎn)為一個(gè)單位的數(shù)據(jù)塊，然后在每一數(shù)據(jù)塊申隨機(jī)復(fù)制或刪除一 個(gè)采樣點(diǎn)，采得到4 9 9 或5 0 1 個(gè)采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)塊，接著再將數(shù)據(jù)塊按原來的順序重新組合起 來。實(shí)驗(yàn)表明，這種改變即使對(duì)古典音樂信號(hào)數(shù)據(jù)也幾乎感覺不到，但是卻可以非常有效地 阻止水印信號(hào)的檢測(cè)定位，以達(dá)到難以提取水印信號(hào)的目的。類似的方法也可以用來攻擊圖 像數(shù)據(jù)的數(shù)字水印系統(tǒng)，其實(shí)現(xiàn)方法也非常簡(jiǎn)單，即只要隨機(jī)地刪除一定數(shù)量的像素列，然 后用另外的像素列補(bǔ)齊即可，該方法雖然簡(jiǎn)單，但是仍然能有效破壞水印信號(hào)存在的檢驗(yàn)。 解釋攻擊 在一些水印方案中，可能存在檢測(cè)出的水印的多個(gè)解釋。例如，一個(gè)攻擊者試圖在同一 個(gè)嵌入了水印的圖像中再次嵌入另一個(gè)水印，落水印有著與所有者嵌入的水印相同的強(qiáng)度。 由于一個(gè)圖像中出y g - f t 6 + g q , ，所以導(dǎo)致了所有權(quán)的爭(zhēng)議。在解釋攻擊中，圖像的像素值 或許被改變或許不被改變。此類攻擊往往要求對(duì)所攻擊的特定的水印算法進(jìn)行深入徹底的分 析。 著名的i b m 攻擊就是解釋攻擊的典型例子。i b m 攻擊利用水印方案的可逆性，其原理 為，設(shè)原始圖像為，加入水印f 的圖像為，4 = ，+ f 以。攻擊時(shí)，攻擊者首先生成自己 的水印f ；然后創(chuàng)建一個(gè)偽造的原圖f f = ， 一f 咋，也即j = j r f + ，；此后，攻擊 者可聲稱他擁有l(wèi) 的版權(quán)，因?yàn)楣粽呖衫闷鋫卧煸瓐D，f 從原圖，中檢測(cè)出其水印 ，咋，但原作者也能利用原圖從偽造原圖，中檢測(cè)出其水印矽j ，這就產(chǎn)生無法分辨與解 釋的情況。而防止這一攻擊的有效方法就是研究不可逆水印嵌入算法，如c o xl ，提出的 n e c 算法。 合法攻擊 這類攻擊同前三類攻擊都不同，前三類可歸類為技術(shù)攻擊，而合法攻擊則完全不同。攻 擊者希望在法庭上利用此類攻擊，它們的攻擊是在水印方案提供的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)或科學(xué)證據(jù)的范 圍之外進(jìn)行的。合法攻擊可能包括現(xiàn)有的及將來的有關(guān)版權(quán)和有關(guān)數(shù)字信息所有權(quán)的法案， 因?yàn)樵诓煌乃痉?quán)中，這些法律有可能有不同的解釋。合法攻擊還可能包括所有者和攻擊 者的信用，攻擊者使法庭懷疑數(shù)字水印方案有效性的能力。除了這些之外，可能還和其他一 1 8 一種基于小波變換的自適壓視頻水印算法研究 些因素密切相關(guān)，如：所有者和攻擊者的金融實(shí)力的對(duì)比專家的證詞、雙方律師的能力等。 理解和研究合法攻擊要比理解和研究技術(shù)上的攻擊困難得多。作為一個(gè)起點(diǎn)，我們首先 應(yīng)致力于建立一個(gè)綜合全面的法律基礎(chǔ)設(shè)施，以確保正當(dāng)?shù)氖褂盟『屠盟〖夹g(shù)提供的 保護(hù)，同時(shí)，避免合法攻擊導(dǎo)致降低水印應(yīng)有的保護(hù)作用。合法攻擊是難以預(yù)料的，但是一 個(gè)真正優(yōu)秀的水印方案必須具有這樣的優(yōu)點(diǎn)：攻擊者使法庭懷疑數(shù)字水印方案有效性的能力 降至最低。 深八研究上述四類攻擊手段是有意義的，因?yàn)檫@樣做會(huì)使我們清晰地意識(shí)到，數(shù)字水印 技術(shù)依然存在著不少缺陷和局限性，同時(shí)又為我們提供了研究的方向與目的。當(dāng)然，要求某 一水印系統(tǒng)能抵擋住所有的攻擊是不現(xiàn)實(shí)的，我們應(yīng)該從具體應(yīng)用的要求出發(fā)，來尋找重點(diǎn) 克服一種或幾種攻擊的算法。 3 7 靜止圖像水印的典型算法分析 從數(shù)字水印研究的現(xiàn)狀來看，絕大部分人的注意力都放在了靜止圖像水印上，而相比之 下，對(duì)于音頻水印、視頻水印的研究就不是很多了。本節(jié)將介紹幾種典型的靜止圖像水印算 法，從中可以反映出水印算法的基本思路和方法，這對(duì)視頻水印等其他數(shù)字媒體的水印算法 有指導(dǎo)和啟發(fā)的作用。 根據(jù)實(shí)現(xiàn)的過程，靜止圖像水印算法主要可分為兩類：空域算法和變換域算法。下面分 別作介紹。 3 7 1 空域算法 空域算法通過直接改變宿主圖像某些像素值來嵌入水印。這類算法包括文本水印算法、 s c h y n d e l 算法和p a t c h w o r k 算法等。其中s c h y n d e l 在i c i p 9 4 會(huì)議上發(fā)表的題為d i g i t a l w a t e r m a r k 的文章被認(rèn)為是一篇具有歷史意義的文獻(xiàn)，它是第一篇在主要會(huì)議上發(fā)表的關(guān) 于數(shù)字水印的文章，文章闡明了一些關(guān)于水印的重要概念和魯棒水印檢測(cè)的通用方法( 相關(guān) 性檢測(cè)法) ，該文提出的s c h y n d e l 算法首先把一個(gè)密鑰輸入到一個(gè)m 序列發(fā)生器來產(chǎn)生水印 信號(hào)，然后此m 序列被重新排列成2 維水印信號(hào)，并按像素點(diǎn)逐一插入到原始圖像像素的 最低有效位( l e a s t s t g n i f i c a n t b i t s 一礎(chǔ)) 。該方法的主要缺點(diǎn)是： 克j p e g 壓縮的魯棒性不好， 易受攻擊。p a t c h w o r k 提出了一種基于改變圖像數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)特性的水印算法，該算法首先隨機(jī) 選取對(duì)像素點(diǎn)，然后通過增加像素對(duì)中的一個(gè)點(diǎn)的亮度值，而相應(yīng)降低另一個(gè)點(diǎn)亮度值 的方法來隱藏信息，為增加其水印的魯棒性，他還把像素對(duì)擴(kuò)展為小塊的像素區(qū)域( 如 8 x 8 ) ，再通過增加一個(gè)區(qū)域中的所有像素點(diǎn)的亮度值，而相應(yīng)減少對(duì)應(yīng)區(qū)域中所有像素點(diǎn) 1 9 一種基于小波變換的自適應(yīng)視頻水印算法研究 的亮度值的方法來隱藏信息，但該方法嵌八的水印碼率低，且對(duì)表達(dá)攻擊( 具體地說是串謀 攻擊) 的抵抗力弱。 除了上述兩種方法之外，8 似) m 如n c 妙等人提出了一個(gè)基于空域分塊的方法，通過改變 塊均值來嵌入水印。n i k o l a m i 等人根據(jù)一個(gè)二進(jìn)制偽隨機(jī)序列，把圖像中的所有像素分為兩 個(gè)子集，改變其中一個(gè)子集的像素來嵌入水印?？沼蛏系乃∷惴m然比較簡(jiǎn)單，但是魯棒 性較差，易于受到攻擊，現(xiàn)在已經(jīng)研究的不多。 3 7 2 變換域算法 變換域上的水印算法對(duì)有損壓縮和其他信號(hào)處理具有較強(qiáng)的抵抗力，因此比空域算法更 具優(yōu)勢(shì)，目前已占據(jù)了主導(dǎo)地位。下面先介紹一下數(shù)字水印常用的變換域，它們是算法的基 礎(chǔ)。 3 7 2 1 數(shù)字水印常用的變換域 離散傅立葉變換( 肼7 1 ) 域 一般將圖像看作二維信號(hào)，用g ( i ， ) 表示，圖像大小為n x n 。則它的二維離散傅立葉 變換( d f t ) 為 g ( 腳，療) = 專n 善- i n 薈- 1 9 ( 觸p 1 2 ( ”專砉 ( ，z ) 逆d f t ( 反變換) 為 g ( i , k ) ：專n - i n - 1 g 2 州瓣 ( 3 3 ) y 卅= 0 _ = 0 離散余弦變換( d c 7 1 ) 域 二維離散余弦變換( d c 7 1 ) 定義如下 g(厶七)c。s1xtz；t+；?i、_lmik=oc 。s 【! 叢! ! ： 筍l ( s 。) 。( 朋，甩) = 口( 珊( 櫛) g ( 厶七) c 鵂 c 刪【型等坐l ( 3 4 j 。0 t 逆變換為 g(i，膏)=薹芝口(，珂)口(n)g。(t，一)c【!叢!：壽塑lc。sxt。；z：t+t、)nin=o 1 ( 35 ) ，膏) = 口( 小( n ) g 。( 小，一) c 【蘭! 號(hào)吾坐竺l c o s ，、， ( 35 ) _ = 0 t 其中系數(shù)為 一種基于小渡變換的自適壓視頻水印算法研究 碩士章位論疋 n ( o ) = 且咖，= 席一m 離散小波變換( d 胛) 域 二維的離散小波變換將在下一章詳細(xì)介紹，可參閱41 節(jié)。 i 戶 分形( 晴p 加c 脅，) 域 分形域指的是分形圖像壓縮中定義域塊的集合。具體的分形圖像壓縮算法可參看文獻(xiàn) 【1 8 】，這里僅作簡(jiǎn)要介紹。 j a c q u i n 的分形圖像壓縮方案的編碼步驟如圖所示： 圖像的分形蝙碼過程 圖像的分割： 將圖像分成大小不 同的子塊，一般大 的子塊為定義域塊 ( d ：) ，小的子塊 為值域塊( r ) 。 尋找合適的局 部選代函數(shù)系統(tǒng) ( i f s ) ：等價(jià)于尋找 合適的仿射變換l ， 和最佳定義域塊d j ， 使r i ”j ( d i ) 圖3 5 j a c q u i n 的分形編碼過程 分形變換參數(shù)的 犏碼：找到最佳仿射變 換i t j 和定義域塊q ， 只需存儲(chǔ)定義域塊的序 號(hào)、變換參數(shù)，就完成 了編碼工程 解碼過程十分簡(jiǎn)單，只需要