中山大學博士學位論文 基于自然圖像模型的擴頻水印安全性研究 專業(yè)：通信與信息系統(tǒng) 博士生：張東 指導教師：倪江群教授 摘要 隨著信息技術的發(fā)展和生活水平的提高，人們對于信息的安全問題越發(fā)重 視。作為信息安全領域的主要技術之一，數(shù)字水印技術受到了科研人員的廣泛關 注。傳統(tǒng)上數(shù)字水印的性能受到三個方面的制約：魯棒性、不可見性和水印容量。 近年來，數(shù)字水印的安全性逐步成為水印技術研究的新熱點。 數(shù)字水印的安全性是衡量在水印算法細節(jié)公開的條件下水印密鑰抵抗非授 權攻擊( 估計) 的能力。由于任何水印算法都不能永久保密，水印算法的細節(jié)必 將公開，只能依靠水印密鑰來保證水印系統(tǒng)的安全。密鑰在水印系統(tǒng)中具有重要 的作用。密鑰的安全意味著水印系統(tǒng)的安全。對水印安全性攻擊的目的是為了獲 取關于水印密鑰的知識并最終實現(xiàn)對水印系統(tǒng)的完全破解，因此安全性對于水印 系統(tǒng)尤為重要。水印安全性已經(jīng)和水印不可見性、水印容量及水印魯棒性一起成 為水印性能的四大制約因素。 基于擴頻調(diào)整的水印是最為廣泛應用的技術之一，其安全性受到了學術界的 格外重視。由于擴頻水印安全性與水印載體信號的統(tǒng)計分布有密切聯(lián)系，精確描 述載體信號統(tǒng)計分布對于擴頻水印安全性分析至關重要。原有的擴頻水印安全性 分析使用高斯模型來描述圖像載體小波系數(shù)的統(tǒng)計分布，并不能準確刻畫載體信 號的實際分布特點，得出的分析結(jié)論與實際情況具有很大距離。本文利用自然圖 像模型實現(xiàn)對于圖像載體小波系數(shù)統(tǒng)計分布的精確描述，并據(jù)此實現(xiàn)了對加性擴 頻水印和改進的擴頻水印安全性的準確分析。 中山大學博士學位論文 加性擴頻水印是最為傳統(tǒng)的擴頻水印算法。對加性擴頻水印的安全性分析 中，本文利用高斯尺度混合模型描述自然圖像載體小波系數(shù)的統(tǒng)計分布，通過 f i s h e r 信息來衡量水印通信過程中關于水印密鑰的信息泄露。分析過程中使用攻 擊者對水印密鑰無偏估計可達的最小誤差來表示水印的安全程度。本文實現(xiàn)了對 k m a 和w o a 條件下加性擴頻水印安全性的理論分析和實驗仿真，并證明原有 的基于高斯模型的分析方法高估了加性擴頻水印的安全性能。 改進的擴頻水印算法的嵌入過程與載體信號的特點相關，是一種“有信的 水印嵌入方法。傳統(tǒng)的加性擴頻水印算法可以看作是改進的擴頻水印算法的一種 特例。在對改進的擴頻水印算法安全性的分析中，本文利用高斯尺度混合模型描 述自然圖像小波系數(shù)的統(tǒng)計分布，通過s h a n n o n 互信息來表示水印通信過程中關 于水印密鑰的信息泄露并以此作為水印安全程度的衡量標準，實現(xiàn)了在k m a 和 w o a 條件下對改進的擴頻水印安全性的定量分析和實驗仿真。 由于高斯模型描述的隨機變量在平均功率相同條件下具有最大的不確定性， 使用高斯尺度混合模型可以更加準確地刻畫自然圖像載體分布的特點，基于此模 型的擴頻水印安全性分析較以往工作更為準確和切合實際。本文的工作為進一步 設計新一代魯棒和安全的水印算法提供了依據(jù)。 關鍵詞： 擴頻水印，水印安全性，自然圖像模型，f i s h e r 信息，s h a n n o n 互信息 中山大學博士學位論文 s p r e a d - - s p e c t r u me r m a r k l n gb e c u r l t yl n c o r d o r a t l n g r，l-， s t a t i s t i c so fn a t u r a li m a g e s m a j o r ： n a m e ： c o m m u n i c a t i o n sa n di n f o r m a t i o ns y s t e m s d o n gz h a n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rj i a n g u nn i a b s t r a c t t h ei s s u eo fi n f o r m a t i o ns e c u r i t yh a sa t t r a c t e dp e o p l e sg r e a ta t t e n t i o ns i n c et w o d e c a d e sa g o d i g i t a lw a t e r m a r k i n gi so n eo ft h em a j o ra r e a so fi n f o r m a t i o ns e c u r i t y t r a d i t i o n a l l y , r o b u s t n e s s ，i m p e r c e p t i b i l i t ya n dc a p a c i t yh a v eb e e nc o n s i d e r e da st h e t h r e em a i nc o n s t r a i n si nt h ed e v e l o p m e n to fw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m s i nr e c e n ty e a r s ， s e c u r i t yh a se m e r g e da st h ed o m a i no fe x t e n s i v er e s e a r c ho fw a t e r m a r k i n g w a t e r m a r k i n gs e c u r i t ym e a s u r e st h ep e r f o r m a n c eo fw a t e r m a r k i n gs c h e m et o r e s i s ti n t e n t i o n a le s t i m a t i o n ( a t t a c k i n g ) t os e c r e tk e yc o n d i t i o n e dt h ea l g o r i t h md e t a i l s a r ep u b l i c l yk n o w n s i n c en oa l g o r i t h m sc o u l db ek e ：p ti ns e c r e tf o re v e gs e c r e tk e yi s t h eo n l yf a c t o rt oe n s u r et h es e c u r i t yo fw a t e r m a r k i n g t h es e c u r i t yo fs e c r e tk e yi s a c t u a l l ye q u i v a l e n tt ot h es e c u r i t yo fw a t e r m a r k i n gs y s t e m u n l i k et h ec o n c e p to f r o b u s t n e s sw h i c hd e a l s 謝t hb l i n da t t a c k s ，t h e s e c u r i t y i sm o r ec r i t i c a lt o w a t e r m a r k i n ga si td e a l s 、析t l lt h ei n t e n t i o n a la t t a c k sw h i c ht a r g e tt og e tk n o w l e d g eo f s e c r e tk e y , t h e r e f o r eo f f e r i n gc o m p l e t eb r e a k t h ei s s u eo fs e c u r i t yh a sb e c o m ea f u n d a m e n t a lc o n s t r a i n tt ob er e s p e c t e di no r d e rt og u a r a n t e et h eu s a b i l i t yo fa w a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g y a saw i d e l yu s e dw a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g y , s p r e a d - s p e c t r u m ( s s ) b a s e d w a t e r m a r k i n ga t t r a c t sg r e a tl i t e r a t u r ea t t e n t i o nt oi t ss e c u r i t y s i n c et h ed i s t r i b u t i o no f h o s t i m p a c t s t h e s e c u r i t y o fs s b a s e d w a t e r m a r k i n gi n t i m a t e l y , a l la c c u r a t e v 中山大學博士學位論文 d e s c r i p t i o no fh o s td i s t r i b u t i o ni sc r i t i c a lt oa c h i e v eap e r f e c tr e s u l to fs e c u r i t y a n a l y s i s p r e v i o u s w o r k sa c q u i r e dt h e p e r f o r m a n c e o fs e c u r i t yf o rs s b a s e d w a t e r m a r k i n gw i t ht h ea s s u m p t i o no fg a u s s i a nh o s t a c t u a l l y , t h ed i s t r i b u t i o no f w a v e l e tc o e f f i c i e n t so fn a t u r a li m a g e sc h a r a c t e r i z e sg r e a tn o n - g a u s s i a n w i t ht h eh e l p o fn a t u r a li m a g e ss t a t i s t i c s ，t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y z e st h e s e c u r i t yo fa d d i t i v e s p r e a d s p e c t r u m ( a d d - s s ) w a t e r m a r k i n g a sw e l l a s t h a to f i m p r o v e d s p r e a d - s p e c t r u m ( i s s ) w a t e r m a r k i n g a d d - s sw a t e r m a r k i n gi so n eo ft h ec o n v e n t i o n a ls c h e m e s t h i sd i s s e r t a t i o n m o d e l st h ed i s t r i b u t i o no fw a v e l e tc o e f f i c i e n t so fn a t u r a li m a g e sw i t hg a u s s i a ns c a l e m i x t u r e ( g s m ) a n dm e a s u r e s i n f o r m a t i o nl e a k a g eo fs e c r e tk e y 、析t hf i s h e r i n f o r m a t i o n t h em i n i m u ma c h i e v a b l ee r r o rw i t ha nu n b i a s e de s t i m a t o ri se m p l o y e d a st h em e a s u r e m e n to fw a t e r m a r k i n gs e c u r i t y t h es e c u r i t yp e r f o r m a n c e so fa d d s s b a s e dw a t e r m a r k i n gu n d e rk n o w nm e s s a g ea t t a c k ( k m a ) s i t u a t i o na n d w a t e r m a r k e do n l ya t t a c k ( w o a ) s i t u a t i o nh a v eb e e na n a l y z e d w i t ht h e o r e t i c a l a n a l y s i sa n de m p i r i c a ls i m u l a t i o n ，t h i sd i s s e r t a t i o nr e v e a l st h es e c u r i t yo fa d d - s s w a t e r m a r k i n gw a so v e r e s t i m a t e db yp r e v i o u sw o r k s i s sw a t e r m a r k i n gi m p l e m e n t sa ni n f o r m e de m b e d d i n ga si ta d a p t st h ee m b e d d i n g w i t l lh o s t s a d d s sb a s e dw a t e r m a r k i n gc a nb er e g a r d e da sa s p e c i a lc a s eo fi s s a l g o r i t h m t h i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t sat h e o r e t i c a la n a l y s i so nt h es e c u r i t yo fi s s w a t e r m a r k i n gf r o mt h ev i e w p o i n to fs h a n n o ni n f o r m a t i o nt h e o r y 、加t ht h eh e l po f g s mm o d e lt oc h a r a c t e r i z et h es t a t i s t i c so fn a t u r a li m a g e s b yu s i n gm u t u a l i n f o r m a t i o na sam e a s u r e m e n to fi n f o r m a t i o nl e a k a g eo fs e c r e tk e y , t h i sd i s s e r t a t i o n i m p l e m e n t ss e c u r i t ya n a l y s i so f i s sw a t e r m a r k i n gu n d e rk m aa n dw o as i t u a t i o n s b e c a u s eg a u s s i a nr a n d o mv a r i a b l ee x p r e s s e st h em a x i m u mu n c e r t a i n t yw h e n a v e r a g ep o w e ri sc o n s t r a i n e d ，g s mm o d e lc h a r a c t e r i z e st h es t a t i s t i c so fn a t u r a l i m a g e sm o r ea c c u r a t e l yt h a ng a u s s i a nm o d e ld o e sd u et og r e a tn o n - o a u s s i a no f n a t u r a li m a g e s c o n s e q u e n t l y , t h es e c u r i t ya n a l y s i sb a s e do ng s mi sm o r ep r e c i s e t h a nt h a tb a s e do ng a u s s i a nm o d e lf o r s p r e a d - s p e c t r u mw a t e r m a r k i n g t h i s d i s s e r t a t i o ni sb e l i e v e dt op r o v i d eh e l pt od e s i g nt h en e wg e n e r a t i o no fs e c u r ea n d r o b u s tw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m 中山大學博士學位論文 k e y w o r d s s p r e a d - s p e c t r u mw a t e r m a r k i n g ，w a t e r m a r k i n gs e c u r i t y , n a t u r a li m a g e ss t a t i s t i c s ， f i s h e ri n f o r m a t i o n ，s h a n n o nm u t u a li n f o r m a t i o n 中山大學博士學位論文 論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學位論文，是本人在導師的指導下， 獨立進行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容 外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品 成果。對本文的研究作出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以 明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔。 學位論文作者簽名：芩良咭、 日期：2 ( 7 年i 及月5 日 中山大學博士學位論文 學位論文使用授權聲明 本人完全了解中山大學有關保留、使用學位論文的規(guī)定，即： 學校有權保留學位論文并向國家主管部門或其指定機構(gòu)送交論 文的電子版和紙質(zhì)版，有權將學位論文用于非贏利目的的少量復 制并允許論文進入學校圖書館、院系資料室被查閱，有權將學位 論文的內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用復印、縮印或其 他方法保存學位論文。 學位論文作者簽名：3 良墻、 日期：砷7 年i 及月孓日 導師簽名： 彰n 群 e t 期：z 。巧年2 月廠日 中山大學博士學位論文 1 1 數(shù)字水印簡介 第一章緒論 隨著信息技術的飛速發(fā)展，越來越多的家庭擁有計算機、數(shù)碼相機、攝像機 等多媒體設備，人們能夠非常容易地獲取和制作各種多媒體作品。由于計算機和 計算機應用技術的逐漸普及，特別是互聯(lián)網(wǎng)技術已經(jīng)走向千家萬戶，對于文本、 圖像、音頻、視頻等多媒體文件的制作、復制、編輯、傳輸?shù)忍幚硎侄我呀?jīng)變得 越來越簡便。在今天，甚至非專業(yè)人士都可以利用數(shù)碼設備和一些多媒體處理軟 件編輯制作出精美的多媒體作品。 在利用多媒體技術豐富生活的同時，人們對于多媒體作品的安全意識也逐步 提高。因此，人們迫切需要相關的技術來保護多媒體信息的安全，防止多媒體信 息在非授權的情況下被傳輸、復制、編輯或破壞。 傳統(tǒng)上，人們可以使用密碼技術來保護多媒體信息的安全。多媒體作品的所 有者可以利用密碼技術對多媒體信息進行加密，并且將加密信息的密鑰分發(fā)給被 授權的用戶。被授權的用戶可以對接收到的多媒體信息進行正確解密，而未被授 權的接收者盡管也能接收到加了密的多媒體文件，但是因為沒有密鑰，不能進行 正確解密，從而不能得到正確的多媒體信息。但是，利用密碼學的方法只能保護 多媒體信息的內(nèi)容在解密前不被侵犯，而不能保護解密后的多媒體信息。例如已 經(jīng)購買了多媒體作品副本的合法用戶，將多媒體作品解密之后，在未經(jīng)許可的情 況下可能繼續(xù)分發(fā)該多媒體作品。對于這樣的行為，密碼學技術則無能為力。 因此，需要一種技術，能夠作為對密碼學技術的補充，對解密后的多媒體作 品進行保護。這種保護作用不會因多媒體作品的解密而失效，而且其有效性能夠 伴隨多媒體作品而存在。數(shù)字水印技術就是一種能夠起到這種作用的技術。數(shù)字 水印技術可以在不為人們感知的條件下將版權信息隱藏或嵌入多媒體作品內(nèi)部。 除非多媒體作品被破壞至失去意義，即使經(jīng)過對作品的再次加密解密、壓縮、 復制、數(shù)一模轉(zhuǎn)換以及文件格式變換，隱藏的版權信息都能夠隨多媒體作品永遠 存在。 數(shù)字水印技術的特點主要表現(xiàn)在三個重要方面n 1 ：首先，數(shù)字水印是不可感 中山大學博士學位論文 知的，通過數(shù)字水印方法嵌入的信息將不會影響人們對于多媒體作品的感覺；第 二，嵌入的數(shù)字水印與多媒體作品密不可分，即使改變了多媒體作品的存儲格式， 嵌入的數(shù)字水印依然存在；第三，數(shù)字水印將與多媒體載體作品經(jīng)歷相同的變化 和處理過程。 由于數(shù)字水印的以上特點，數(shù)字水印技術被廣泛地應用于媒體所有權的認定 和保護、非法拷貝防護、媒體的真?zhèn)舞b別，保密通信、多語言電影系統(tǒng)和電影分 級以及數(shù)字媒體附件描述和參考信息的攜帶等領域心1 。 有關數(shù)字水印的研究始于2 0 世紀9 0 年代，現(xiàn)在已經(jīng)成為學術界研究的熱點 之一。數(shù)字水印涉及到信號處理、信息論、統(tǒng)計學、計算機科學、密碼學和人類 視聽系統(tǒng)研究等領域，是多學科交叉的新興研究方向。 1 2 數(shù)字水印的應用 數(shù)字水印技術最早是作為版權保護的手段而產(chǎn)生的。隨著研究的不斷深入， 數(shù)字水印技術的應用也越來越廣泛。這些應用主要包括：版權保護、內(nèi)容認證、 廣播監(jiān)視、設備控制、拷貝控制、隱秘通信、數(shù)字指紋等方面。 ( 1 ) 版權保護 傳統(tǒng)的利用文本進行版權聲明和保護的方法具有很多局限性，例如容易被去 除、篡改和偽造【3 1 。利用數(shù)字水印技術實現(xiàn)版權保護，可以使版權信息以不可見 的形式嵌入到原始多媒體作品里。在多媒體作品經(jīng)歷多種操作處理之后，只要多 媒體作品的內(nèi)容不被破壞至失去意義，嵌入的版權信息將仍然存在。這種應用的 條件要求數(shù)字水印能夠抵抗a n 解密、文件拷貝、幾何變換、模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換等 信號處理操作。具有這樣的性能的水印被稱為魯棒水印【4 】。 ( 2 ) 內(nèi)容認證 利用數(shù)字水印技術進行內(nèi)容認證可以判別多媒體作品是否曾經(jīng)被修改5 1 。隨 著計算機技術的迅速提高，人們利用計算機對多媒體作品進行修改變得越來越容 易。例如，人們可以利用a d o b ep h o t o s h o p 軟件對拍攝的數(shù)碼照片進行修改，人 眼卻很難發(fā)現(xiàn)作品被修改的痕跡。與用于版權保護的數(shù)字水印不同，在原始的多 2 中山大學博士學位論文 媒體作品中嵌入的認證水印信息在作品發(fā)生改變時便會丟失。人們可以通過檢測 作品中是否仍然存在水印來判斷該作品是否曾經(jīng)被修改過。具有這樣性能的水印 被稱為“脆弱水印” 6 1 。近年來在新聞界曾發(fā)生了多次記者修改照片報道不實新 聞的事件【7 】，因此利用脆弱水印實現(xiàn)內(nèi)容認證的技術受到廣泛關注。與此相似的 是被稱為“篡改取證，【8 】的技術，即通過分析作品中的水印來判斷原始多媒體作 品曾經(jīng)經(jīng)歷了哪些操作，甚至可以發(fā)現(xiàn)該作品的哪些地方曾被修改，并為檢察機 關的調(diào)查提供證據(jù)。 ( 3 ) 廣播監(jiān)視 用于廣播監(jiān)視的數(shù)字水印技術將水印信息嵌入到將要播出的節(jié)目中，在節(jié)目 的收視端通過檢測水印來判斷該節(jié)目是否已按照協(xié)議完整播出【。例如廣告公司 在廣告中嵌入水印，付費給電視臺用于播出一定次數(shù)的廣告。廣告公司可以通過 統(tǒng)計在電視信號中檢測到水印的次數(shù)來核實電視臺是否正常履行協(xié)議。 ( 4 ) 設備控制和拷貝控制 多媒體作品的播放設備可以根據(jù)在作品中檢測到水印的信息作出相應的動 作。例如使用設備控制技術的d v d 播放機可以根據(jù)檢測d v d 影碟中的水印信 息內(nèi)容，來播放作品的某一部分。在文獻【1 】中，還描述了伴隨電視節(jié)目運動的 玩具，即玩具通過掃描電視節(jié)目中藏有的水印信號，來獲得玩具運動的同步信號， 這樣玩具可以實現(xiàn)與電視信號協(xié)同運動。 用于拷貝控制的水印包含著允許或禁止多媒體作品被拷貝的信息。這種技術 需要相關硬件設備的支持。當設備讀取到多媒體作品中的水印信息為“禁止拷貝 時，便阻止拷貝行為的發(fā)生。當然，通過水印技術實現(xiàn)拷貝控制不僅僅是技術層 面的問題，還涉及到許多商業(yè)和法律方面的問題。 ( 5 ) 隱秘通信 數(shù)字水印技術在不被人感知的情況下將信息嵌入到多媒體作品中，因此可以 將從水印嵌入到檢測的過程看作是以作品為載體來傳遞嵌入信息的隱秘通信過 程。隱秘通信要求能夠在多媒體作品中嵌入盡可能多的信息( 即要求大容量) ， 3 中山大學博士學位論文 而且不能被對手發(fā)現(xiàn)曾經(jīng)實施了信息嵌入。隱秘通信技術在軍事上和安全領域具 有很高的研究價值。 ( 6 ) 數(shù)字指紋 數(shù)字指紋技術使用一定算法，在每個分發(fā)的作品副本中嵌入不同的水印信 息，例如該副本的i d 號。這樣，如果某個合法副本的用戶在未經(jīng)授權的情況下 進行再次拷貝致使作品被濫用，作品的所有者就可以根據(jù)再次拷貝中的水印信 息，例如i d 號，來追究非法拷貝的源頭網(wǎng)。 1 3 數(shù)字水印的模型和特性 數(shù)字水印的應用可以被看作是一種保密通信的過程，并可由圖1 1 所示的模 型n 們來描述。其中，多媒體作品( s ) 被稱為載體信號，其所有者利用密鑰( k ) 將秘密信息( m ) 經(jīng)過一定嵌入算法隱藏入載體信號中，并生成嵌入了水印的 信號( x ) 。嵌入了水印的信號在傳輸中經(jīng)歷攻擊信道( a ) 后被接收者觀測 得到( y ) 。接收者根據(jù)接收到的信號和密鑰( k ) ，利用譯碼器進行譯碼， 可以得到傳輸?shù)拿孛苄畔ⅰ?編碼器攻擊信道 譯碼器 圖1 - 1 數(shù)字水印通信模型 f i g 1 - 1m o d e lo f d i g i t a lw a t e r m a r k i n gc o m m u n i c a t i o n 在以上數(shù)字水印的通信模型中，載體可以是任意的文本、圖像、音頻、視頻 等多媒體作品。秘密信息的發(fā)送方和接收方共同掌握相同的密鑰。在通信過程中， 嵌入了數(shù)字水印的信號受到的攻擊可以為噪聲、對載體的幾何變換以及任何常規(guī) 的信號處理過程。 4 中山大學博士學位論文 由于自然圖像作品易于獲得，而且以自然圖像為載體得到的研究成果可以方 便地推廣到音頻、視頻等領域，因此本文所述的研究都使用自然圖像作為載體。 為了敘述的方便，在不引起混淆的前提下，本文將嵌入了水印的圖像簡稱為水印 圖像，對數(shù)字水印簡稱為“水印 并不做區(qū)分。 傳統(tǒng)上，數(shù)字水印系統(tǒng)的性能由水印嵌入過程中的有效性、保真度( 不可見 性) 、有效載荷以及檢測過程中涉及的盲檢測、含輔助信息的檢測、檢測器的虛 警行為和魯棒性來衡量。嵌入有效性是指水印嵌入后直接進行檢測時能檢測到 水印的概率。水印系統(tǒng)的保真度反映了嵌入水印后的作品和原始的載體作品在感 覺上相似的程度。水印的有效載荷指的是在一個作品中能夠嵌入秘密信息的比特 數(shù)，有效載荷的性能也常用水印容量來代替。在水印的檢測方，不需要原始的載 體作品的檢測器稱為盲檢測器；反之，需要原始載體作品的檢測器稱為含輔助信 息檢測器。檢測器的虛警行為是指檢測器在不含有水印信息的作品中檢測出水印 的行為。魯棒性是指含水印的作品在經(jīng)歷了常規(guī)的信號處理操作后，檢測器仍能 夠檢測到水印的能力，其中對圖像的常規(guī)信號處理操作包括空間濾波、有損壓縮、 掃描和打印以及進行幾何變換n 1 。傳統(tǒng)上，在所有的水印性能中，最為受到研究 人員關注的是水印的不可見性、水印容量和水印魯棒性。任何成功的數(shù)字水印技 術都需要兼顧這三種性能，它們構(gòu)成了數(shù)字水印研究的基礎。 隨著對數(shù)字水印技術研究的不斷深入，水印系統(tǒng)安全性成為人們更為關注的 話題，并逐漸成為支持數(shù)字水印研究的第四個性能要求。 1 4 常用的數(shù)字水印嵌入方法 根據(jù)水印實現(xiàn)方法的不同，水印技術可以分為空域法和變換域法乜3 。在空域 法實現(xiàn)的水印算法一般通過改變圖像像素的灰度值來實現(xiàn)水印的嵌入；利用變換 域法實現(xiàn)的水印算法首先對圖像進行變換( 例如傅立葉變換、離散余弦變換、小 波變換，等等) ，然后在變換域中嵌入水印信息，再實施逆變換得到嵌入了水印 的圖像。相比之下，通過變換域法實現(xiàn)的水印能夠?qū)⑶度胄畔⒌哪芰可⒉嫉綀D像 載體的每個像素上，易于提高水印的不可見性和魯棒性。而且由于變換域方法與 很多國際通用的圖像壓縮標準相兼容，因此易于實現(xiàn)在壓縮域內(nèi)的水印嵌入乜】。 根據(jù)數(shù)字水印嵌入方法的不同，常用的數(shù)字水印主要可以分為利用載體信號 中山大學博士學位論文 最低有效位( l e a s ts i g n i f i c a n tb i t ，l s b ) 進行嵌入的水印方法、基于擴頻序列 ( s p r e a d s p e c t r u ms e q u e n c e ) 的水印方法和基于量化索引調(diào)制( q u a n t i z a t i o n i n d e xm o d u l a t i o n , q i m ) 的水印方法等。 1 4 1 利用載體l s b 進行嵌入的水印方法 利用載體信號最低有效位進行水印嵌入的方法是將秘密信息的每一位嵌入 到載體信號的l s b 上。如果圖像載體信號的每一個像素的灰度值或者圖像d c t 變換的每個系數(shù)可以用8b i t 表示，即b = b 7 b 6 b 5 b 4 b 3 b 2 b 。b o ) ，則其中6 0 即為該載 體信號的l s b 。嵌入時將秘密信息替換6 0 的值；在檢測時，只要直接提取接收到 信號的l s b 即可。這樣，每個像素點將能夠嵌入l b i t 的秘密信息。如果需要增 加嵌入容量，可以進一步利用到第二個l s b 平面進行嵌入。但是這樣會引入更 大的嵌入失真。為了增強水印的安全性，水印的嵌入者和合法的檢測者可以共同 擁有水印的密鑰，用于確定嵌入水印信息的位置。 基于l s b 嵌入的水印方法非常簡單，而且便于檢測。但是這種方法的魯棒性 不高，例如只要攻擊者對水印圖像像素的l s b 平面進行隨機化，就可使水印失 效n 們?；趌 s b 的嵌入技術常被用做隱寫術的方法n ，以及用于進行內(nèi)容認證 的脆弱水印。 1 4 2 基于擴頻序列的水印方法 ( 1 ) 加性擴頻水印 傳統(tǒng)的擴頻水印嵌入方法可以由圖1 2 表示n 們。其中s 表示圖像載體信號，m 為將要嵌入的秘密信息，k 表示使用的密鑰，y 為嵌入強度，x = s + 7 p ( m ，k ) 是生成的嵌入了水印的圖像。在實現(xiàn)過程中，使用的密鑰就是擴頻序列( 秘密載 波) ，并由水印嵌入者和合法的水印接收者共同掌握。水印的嵌入者使用被傳輸 的秘密信息對擴頻載波進行調(diào)制，通過參數(shù)，來調(diào)節(jié)嵌入水印強度后直接加至載 體信號上生成水印圖像，因此傳統(tǒng)的擴頻水印也被稱為加性擴頻水印。 在水印的檢測方，接收到的是含有噪聲干擾的水印圖像，即y = x + n ，其 6 中山大學博士學位論文 中n 為噪聲。由于合法的接收者擁有水印密鑰( 即秘密載波) ，該接收者可利用 可能的i m l 個模式和接收到的信號做線性相關，取其最大值就可以正確檢測出傳 輸?shù)拿孛苄畔 剖。檢測的過程可表示為南= a r g m a x t ( y , k ) ，其中， 塒e 訂 ， f 。( y ，k ) - - 毋，肌m 。 n = l 圖1 2 加性擴頻水印的嵌入方法 f i g 1 - 2e m b e d d i n go f a d d 。s sb a s e dw a t e r m a r k i n gs c h e m e 加性擴頻水印方法以通信領域中的擴頻通信n 2 1 為理論基礎，其實質(zhì)是在一個 高寬帶的信道( 圖像載體) 中傳輸一個窄帶信號( 水印) 乜1 。由于水印信號分散 到信道任意頻率的能量很小，因此基于擴頻序列的水印方法具有很好的不可見性 和魯棒性。同時，因為算法簡單、實用，加性擴頻水印在理論上和實踐上都有廣 泛的研究和應用價值。 ( 2 ) 改進的擴頻水印 從加性擴頻水印的嵌入方程可以看出，水印的嵌入與載體信號相獨立。因此， 載體信號相當于是通信的秘密信息的干擾，而且與通信中的其它噪聲相比，載體 信號造成的干擾最大。可以想象，如果在不考慮失真約束的條件下，水印圖像中 如果不存在圖像載體的成分，攜帶秘密信息的擴頻載波將僅受到其它通信噪聲的 影響，檢測器的輸出性能將顯著提高。 由于水印算法受到不可感知性的約束，因此嵌入水印造成的失真不能太大， 實用的水印在嵌入時不能完全除去載體信號。文獻 1 3 在水印嵌入時用取值在 0 ，1 區(qū)間衰減因子引入對載體信號的衰減。文獻 1 4 進一步提出改進的擴頻水 7 中山大學博士學位論文 印( i m p r o v e ds p r e a ds p e c t r u mw a t e r m a r k i n g ，i s s 水印) ，根據(jù)載體信號的特點， 僅在擴頻載波方向?qū)d波進行衰減。由于i s s 水印在魯棒性和嵌入率等性能方面 都有明顯提升，而且可以看做是傳統(tǒng)的加性擴頻水印的推廣，i s s 水印日益成為 擴頻水印的主流。 i s s 水印的嵌入方程可以表示為 x = s + p ( s ，m ) k 其中各變量的含義與加性擴頻水印框圖所述相同?？梢钥闯鰅 s s 水印的嵌入過程 與載體信號有關，因此屬于“有信 的嵌入方法。實際中經(jīng)常使用線性模型來實 現(xiàn)i s s 水印嵌入，即將嵌入過程表示為 一+ ( - 1 ) v k - a , 齋k i s s 水印的嵌入方程中，1 ，和九都是取值在 o ，1 區(qū)間的實數(shù)，分別用于控制 嵌入秘密載波的強度和對載體信號的衰減。由于齋慷示載體信號s 在擴頻載 波k 方向的投影，i s s 水印只是在載波方向衰減載體信號。這樣，一方面減小了 載體信號對于擴頻載波( 被秘密信息調(diào)制過的) 的干擾，有助于提高檢測的性能； 另一方面，由于對載體的衰減僅僅發(fā)生在擴頻載波方向，并不改變其它方向的載 體分量，有助于減小載體的失真。當a 的取值為0 時，引入對載體的衰減為0 ， 此時i s s 水印退化為傳統(tǒng)的加性擴頻水印。 i s s 水印實現(xiàn)了水印信號的“有信 嵌入，其實質(zhì)是在失真相同條件下通過 對載體的衰減加強了可嵌入的水印能量，因此提高了水印的魯棒性。在強噪聲攻 擊條件下，i s s 水印具有和q i m 水印相當?shù)男阅堋?1 4 3 基于q i m 的水印方法 基于q i m 的水印方法最早由c h e n 和w o m e l l 于1 9 9 9 年提出n 瓦1 6 1 。這種方法 以c o s t a 的“污紙編碼 n 7 理論為基礎，根據(jù)秘密信息的不同，使用不同的量化 器對載體信號進行量化。q i m 的基本原理如圖1 3 所示n 們。 8 中山大學博士學位論文 m = 1m = 0 k a 一十x l 圖l - 3q i m 的基本原理 f i g 1 - 3f u n d a m e n t a lo fq i m 圖1 3 中兩個量化器的量化格點分別用“o 和“”表示。每個量化器的量 化步長都為。x 為載體信號，m 為嵌入的秘密信息。如果嵌入的秘密信息為“1 ， 則對載體信號使用由“ 表示的量化器進行量化；若嵌入的秘密信息為“0 ， 則使用由“0 ”表示的量化器進行量化。記量化后的信號為s ( x ，m ) 。當嵌入信息 相同，而載體信號不同時，量化后的信號值會在不同的“o ”或不同的“ 之 間變換，而不會由“0 ”變?yōu)椤?。對于相同的載體圖像，如果嵌入不同的秘密 信息，將會使用不同的量化器，量化后的信號將在距離載體“最近 的“0 節(jié) 點或“ 節(jié)點之間選擇?；趒 i m 的水印嵌入方法可以看作是將信源編碼和 信道編碼同時進行的技術n 朝。 水印圖像在傳輸過程中會受到各種干擾或攻擊，在q i m 水印系統(tǒng)的解碼端， 可以利用“最小距離解碼器 來實現(xiàn)對嵌入信息的解碼檢測n 5 1 ，即： f f z ( y ) = a r g m i n l y - s ( y ，m ) 0 其中y 為檢測端接收到的受到噪聲干擾的水印圖像。 基于q i m 的基本原理，文獻 1 6 又提出了基于失真補償?shù)牧炕饕{(diào)制 ( d i s t o r t i o n - c o m p e n s a t e dq i m ) 水印方法。同時，為了提高水印方法的實用性， 在水印嵌入時利用秘密信息生成抖動向量，并根據(jù)抖動向量對基本量化器進行平 移得到與嵌入信息相對應的量化器組，根據(jù)嵌入信息的不同采用不同的量化器實 現(xiàn)對載體信號的量化。 基于q i m 的水印方法具有大容量和方法簡單等優(yōu)點，而且量化器的性能直 接反映了水印的性能。例如，q i m 水印系統(tǒng)中使用的量化器的數(shù)目決定了水印 的嵌入率；量化器量化節(jié)點的分布形狀和量化步長直接影響到水印的失真性能； 相鄰量化器重建節(jié)點之間的距離則決定了水印系統(tǒng)的魯棒性。因此，基于q i m 9 中山大學博士學位論文 的水印系統(tǒng)能在率失真和魯棒性之間取得更好的折中，并且被證明在加性高斯白 噪聲信道和均方誤差約束的攻擊信道中是容量最優(yōu)的n 6 1 。 1 5 數(shù)字水印密鑰 密鑰被廣泛使用在數(shù)字水印算法中。數(shù)字水印的密鑰常被用于產(chǎn)生嵌入函數(shù) 的某些參數(shù)n 引，例如水印的嵌入?yún)^(qū)域，嵌入方向，量化抖動參數(shù)等等。 文獻 1 9 提出在基于l s b 的水印算法中利用m 序列作為水印密鑰。水印 嵌入方先將秘密信息用不同的m 序列來表示，然后將m 序列或其補( c o m p l e m e n t ) 嵌入到圖像載體的l s b 平面上。水印的檢測方只需直接提取水印圖像的l s b 平 面，并將其與所掌握的密鑰( m 序列) 進行比較即可得到嵌入的秘密信息。由于 m 序列具有平衡性、偽隨機性和類似于高斯分布的自相關性，使得該方法生成的 水印具有更好的安全性和視覺質(zhì)量，并且易于解碼和檢測。 c o x 等人乜婦在使用偽隨機序列的基礎上，提出利用高斯隨機矢量來生成獨立 同分布的水印載波( 密鑰) 能夠更好地抵抗共謀攻擊( c o l l u s i o na t t a c k ) 。為了保 證檢測方在水印圖像經(jīng)歷了有損壓縮、一般的圖像處理、幾何變換和數(shù)模一模 數(shù)轉(zhuǎn)換后仍然能夠檢測出水印，文獻 2 1 提出將水印嵌入到載體的感知重要區(qū) 域，例如圖像d c t 系數(shù)的低頻區(qū)域( 除去直流分量) ，并使用感知模板來控制水 印的嵌入強度以保證水印的不可見性。該方法顯著提高了水印的魯棒性和抵抗共 謀攻擊的能力。 為了提高水印系統(tǒng)的安全性，f r i d r i c h 乜2 1 提出利用水印密鑰來生成變換基函 數(shù)，在變換域嵌入水印。該密鑰由水印嵌入方和合法的檢測方共同掌握。嵌入時 由密鑰作為種子生成在【o ，1 】區(qū)間均勻分布的偽隨機序列，該序列經(jīng)過低通濾波器 平滑之后進行g r a m s c h m i d t 正交化瞳扣，其結(jié)果與圖像載體進行內(nèi)積后用于嵌入 水印。該算法的實質(zhì)是由密鑰來確定對于具體圖像的變換基函數(shù)。由于不知道水 印密鑰，攻擊者難以找到嵌入水印的變換域( 或嵌入方向) ，從而難以展開對水 印系統(tǒng)的攻擊。該算法能夠有效抵抗對水印的敏感性攻擊n 鍆。 在基于量化索引調(diào)制的水印方法中，密鑰被用于產(chǎn)生秘密的碼本并對圖像載 體進行量化，水印就是對載體量化前后的變化量。為了提高基于量化的水印安全 性，e g g e r s 等人乜4 3 在d c d mq i m ( 失真補償一抖動調(diào)制的量化索引調(diào)制) 水印 1 0 中山大學博士學位論文 算法的基礎上，提出使用密鑰來產(chǎn)生一個額外的隨機抖動量，并附加在由嵌入信 息決定的抖動量上，以此生成一系列量化器組。攻擊者由于沒有掌握密鑰，因此 不能得到水印嵌入時使用的碼本。在提高水印安全性的同時，由密鑰決定的隨機 抖動量的引入并不影響水印通信的其它重要性能。 在研究利用邊信息( s i d ei n f o r m a t i o n ) 的擴頻水印時，f u r o n 提出了j a n i s ( j u s ta n o t h e rn o r d e rs i d e i n f o r m e ds c h e m e ) 髓5 1 的方法。該方法中使用密鑰來 確定一系列檢測函數(shù)，在固定檢測函數(shù)的條件下對水印的嵌入進行優(yōu)化。由于充 分利用了水印圖像的高階統(tǒng)計特性，j a n i s 方法取得了很好的檢測性能。 總得來說，在利用密鑰的數(shù)字水印方法中，密鑰o 被水印嵌入方和合法的檢 測方共同掌握。水印密鑰經(jīng)過一個映射函數(shù)廠( ) 的作用生成秘密的嵌入?yún)?shù) s ( e ) ，并應用于水印的嵌入和檢測。合法的檢測者能夠利用密鑰實現(xiàn)對秘密信 息的檢測，而非法的檢測者由于沒有密鑰的信息，只能夠?qū)⒐舻哪芰科骄胤?散到水印圖像上，針對于嵌入了水印區(qū)域的攻擊能量就相對減小。所以，使用密 鑰的數(shù)字水印方法首先防止了秘密信息受到非法的嵌入和檢測；同時也提高了被 保護內(nèi)容抵抗魯棒攻擊的能力 1 8 o 因此，目前常用的水印系統(tǒng)都廣泛使用密鑰。 1 6 數(shù)字水印安全性 著名的“囚徒問題川矧提出了許多與信息安全相關的問題，數(shù)字水印的安全 性就是其中之一。數(shù)字水印技術面臨著多種層次、多種目的的攻擊。對于水印安 全性的攻擊是以獲取水印密鑰知識為目的的攻擊。由于對水印密鑰的正確估計意 味著對水印系統(tǒng)的完全破解，水印密鑰的安全就意味著水印系統(tǒng)的安全。水印安 全性對于水印系統(tǒng)至關重要。 1 6 1 “囚徒問題 在著名的“囚徒問題 腳1 中，a l i c e 和b o b 是監(jiān)獄中的兩個囚徒，e v e 是監(jiān) 獄的看守。a l i c e 和b o b 被允許在e v e 的監(jiān)視下進行通信。a l i c e 和b o b 希望通 過表