數(shù)字水印讀書筆記

數(shù)字水印讀書筆記數(shù)字水印(Digital Watermark)技術(shù)，是指在數(shù)字化的數(shù)據(jù)內(nèi)容中嵌入不明顯的記號(hào)。被嵌入的記號(hào)通常是不可見或不可察的，但是通過(guò)計(jì)算操作可以檢測(cè)或者被提取。水?。ㄒ欢挝淖?、標(biāo)識(shí)、序列號(hào)等）與原始數(shù)據(jù)(如圖象、音頻、視頻數(shù)據(jù))緊密結(jié)合并隱藏其中，成為源數(shù)據(jù)不可分離的一部分，并可以經(jīng)歷一些不破壞源數(shù)據(jù)使用價(jià)值或商用價(jià)值的操作而存活下來(lái)。隨著數(shù)字技術(shù)和因特網(wǎng)的發(fā)展,圖像、音頻、視頻等形式的多媒體數(shù)字作品紛紛在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布,其版權(quán)保護(hù)與信息完整性保證逐漸成為迫切需要解決的一個(gè)重要問(wèn)題數(shù)字水印(digital watermarking)技術(shù)作為信息隱藏技術(shù)研究領(lǐng)域的重要分支,是實(shí)現(xiàn)多媒體版權(quán)保護(hù)與信息完整性保證的有效方法,目前也正成為信息領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。其基本特點(diǎn)主要有：（1）不可見性(imperceptibility)，(2)魯棒性(robustness)，(3)安全性(security)，(4)可證明性。數(shù)字圖像從不同角度的分類 按作用劃分：魯棒水印和易碎水印 按載體分：圖像水印、視頻水印、音頻水印、文本水印和圖形水印等 按檢測(cè)分：明水印 、盲水印 按內(nèi)容分：水印是可視圖象、水印為隨機(jī)碼 按用途分：版權(quán)保護(hù)水印、篡改提示水印、票據(jù)防偽水印、隱蔽標(biāo)識(shí)水印我們主要區(qū)分下魯棒水印與易碎水印的應(yīng)有特性，（1）易碎水印的特性：水印在通?；蛱囟ㄒ曈X條件下不可見 ;水印能被最普通的圖像處理技術(shù)改變 ;未經(jīng)授權(quán)者很難插入一個(gè)偽造水印 ;經(jīng)授權(quán)者能很快地抽取出水印 ;水印能在圖像剪切操作后仍存在 ;從抽取出來(lái)的水印中能看出哪里被改變（2）魯棒水印的特性：水印在通?；蛱囟ㄒ曈X條件下不可見 ;加水印的圖像經(jīng)過(guò)普通的圖像處理技術(shù)后水印仍然保持在圖像中 ;未經(jīng)授權(quán)者很難檢測(cè)出水印 ;經(jīng)授權(quán)者能很快地抽取出水印 ;加水印的圖像經(jīng)過(guò)印刷或重新掃描后水印仍然能被抽取出來(lái)數(shù)字水印的應(yīng)用1)版權(quán)保護(hù)數(shù)字作品的所有者可用密鑰產(chǎn)生水印,并將其嵌入原始數(shù)據(jù),然后公開發(fā)布其水印版本作品。當(dāng)該作品被盜版或出現(xiàn)版權(quán)糾紛時(shí),所有者即可從被盜版作品中獲取水印信號(hào)作為依據(jù),從而保護(hù)其合法權(quán)益。(2)數(shù)字指紋為避免數(shù)字作品未經(jīng)授權(quán)被拷貝和發(fā)行,版權(quán)所有人可以向分發(fā)給不同用戶的作品中嵌入不同的水印以標(biāo)識(shí)用戶的信息。該水印可根據(jù)用戶的序號(hào)和相關(guān)的信息生成,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(lái)確定它的來(lái)源(3)認(rèn)證和完整性校驗(yàn)。通常采用脆弱水印對(duì)插入了水印的數(shù)字內(nèi)容進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí),須用惟一的與數(shù)據(jù)內(nèi)容相關(guān)的密鑰提取出水印,然后通過(guò)檢驗(yàn)提取出的水印完整性來(lái)檢驗(yàn)數(shù)字內(nèi)容的完整性。其優(yōu)點(diǎn)在于認(rèn)證同內(nèi)容密不可分,因此簡(jiǎn)化了處理過(guò)程。(4)訪問(wèn)控制利用數(shù)字水印技術(shù)可以將訪問(wèn)控制信息嵌入到媒體中,在使用媒體之前通過(guò)檢測(cè)嵌入到其中的訪問(wèn)控制信息,以達(dá)到訪問(wèn)控制的目的,它要求水印具有很高的魯棒性。(5)信息隱藏?cái)?shù)字水印可用于作品的標(biāo)識(shí)、注釋、檢索信息等內(nèi)容的隱藏,這樣不需要額外的帶寬,且不易丟失。另外,數(shù)字水印技術(shù)還可以用于隱蔽通信,這將在國(guó)防和情報(bào)部門得到廣泛的應(yīng)用。數(shù)字水印典型算法（1）空域算法1.Schyndel算法Schyndel算法提出了一些關(guān)于水印的重要概念和魯棒水印檢測(cè)的通用方法,即相關(guān)性檢測(cè)方法。該算法首先將一個(gè)密鑰輸入一個(gè)m-序列(maximum-length random sequence)發(fā)生器來(lái)產(chǎn)生水印信號(hào),然后排列成二維水印信號(hào),按像素點(diǎn)逐一嵌入到原始圖像像素值的最低位上。其中,m-序列是由一些初始向量按照Fibonacci遞歸數(shù)列的關(guān)系運(yùn)算生成的,也可以用線性移位寄存器實(shí)現(xiàn)。如果每個(gè)向量的長(zhǎng)度為n,或移位寄存器的級(jí)數(shù)為n,則生成的m-序列長(zhǎng)度最大為2n-1。m-序列的自相關(guān)函數(shù)和頻譜分布的特點(diǎn)類似于隨機(jī)高斯噪聲。檢測(cè)時(shí),通過(guò)計(jì)算m-序列和水印圖像行的相關(guān)函數(shù)來(lái)判斷是否存在水印.由于Schyndel算法將水印信號(hào)安排在了像素點(diǎn)的最低位上,它是不可見的。但基于同樣的原因,水印信息很容易為濾波、圖像量化、幾何變形的操作破壞,因此是不魯棒的。2.Patchwork算法Patchwork算法是通過(guò)改變圖像數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特性將信息嵌入到像素的亮度值中。Patchwork算法的方法是隨機(jī)選擇N對(duì)像素點(diǎn)(ai,bi),這些隨機(jī)選取的兩個(gè)像素點(diǎn)的差值是以0為中心的高斯分布。然后將點(diǎn)ai的亮度值加1,點(diǎn)bi的亮度值減1,這樣來(lái)改變分布的中心,并且使得整個(gè)圖像的平均亮度保持不變。最后采用統(tǒng)計(jì)的方法來(lái)對(duì)水印進(jìn)行1096計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展2005, 42(7)檢測(cè)。為了抵抗諸如有損壓縮以及濾波的處理,它將像素點(diǎn)對(duì)擴(kuò)展成小塊的像素區(qū)域(patch),增加一個(gè)patch中的所有像素點(diǎn)的亮度值,同時(shí)減少對(duì)應(yīng)另外一個(gè)patch中所有像素點(diǎn)的亮度值。這種算法對(duì)抵御有損壓縮編碼(JPEG)、剪裁攻擊和灰階校正非常有效。但其缺陷在于嵌入的水印信息少,對(duì)仿射變換敏感,對(duì)多拷貝聯(lián)合攻擊抵抗力比較脆弱。（2）頻域算法1.擴(kuò)展頻譜通信技術(shù)擴(kuò)展頻譜通信7(spread spectrum communication)技術(shù)原理為:先計(jì)算圖像的離散余弦變換(DCT),然后將水印疊加到DCT域中幅值最大的前L個(gè)系數(shù)上(不包括直流分量),通常為圖像的低頻分量。若DCT系數(shù)的前L個(gè)最大分量表示為D=di,i=1,L,水印是服從高斯分布的隨機(jī)實(shí)數(shù)序列W=wi, i=1, L,那么水印的嵌入算法為d*i=di+adiwi,其中常數(shù)a為尺度因子,控制水印添加的強(qiáng)度然后用新的系數(shù)做反變換得到水印圖像X*.解碼函數(shù)則分別計(jì)算原始圖像X和水印圖像X*的離散余弦變換,并提取嵌入的水印W*,再做相關(guān)檢驗(yàn),以確定水印的存在與否。該方法即使當(dāng)水印圖像經(jīng)過(guò)一些通用的幾何變形和信號(hào)處理操作而產(chǎn)生比較明顯的變形后仍然能夠提取出一個(gè)可信賴的水印。2.NEC算法NEC算法7由NEC實(shí)驗(yàn)室的Cox等人提出,在數(shù)字水印算法中占有重要地位。其工作原理是,首先由作者的標(biāo)識(shí)碼和圖像的Hash值等組成密鑰,以該密鑰為種子來(lái)產(chǎn)生偽隨機(jī)序列,該序列具有高斯N(0,1)分布。再對(duì)圖像做DCT變換,用該偽隨機(jī)高斯序列來(lái)調(diào)制(疊加)圖像除直流(DC)分量外的1000個(gè)最大的DCT系數(shù)。該算法具有較強(qiáng)的魯棒性、安全性、透明性等。由于采用特殊的密鑰和不可逆的水印生成方法,因此可以有效防止IBM攻擊。而且該算法還提出了增強(qiáng)水印魯棒性和抗攻擊算法的重要原則,文獻(xiàn)6建議水印信號(hào)應(yīng)該嵌入到圖像頻域中可見性最主要的部分,這樣可以增強(qiáng)抵抗常規(guī)信號(hào)處理和幾何失真,以提高檢測(cè)出水印的概率。另外,待嵌入的水印信號(hào)要由獨(dú)立同分布隨機(jī)實(shí)數(shù)序列構(gòu)成,并且該實(shí)數(shù)序列應(yīng)該具有高斯分布N(0,1)的特征。3.生理模型算法人的生理模型包括人類視覺系統(tǒng)HVS和人類聽覺系統(tǒng)HAS。利用生理模型的基本思想均是利用從視覺或聽覺模型導(dǎo)出的JND(just noticeable dif-ference)描述來(lái)確定在圖像或聲音的各個(gè)部分所能容忍的數(shù)字水印信號(hào)的最大強(qiáng)度,從而能夠避免破壞視覺或者聽覺的質(zhì)量。也就是說(shuō),利用生理模型來(lái)確定與數(shù)據(jù)相關(guān)的調(diào)制掩模,然后再利用其來(lái)嵌入水印。這一方法同時(shí)具有好的透明性和魯棒性。4.壓縮域算法基于JPEG,MPEG標(biāo)準(zhǔn)的壓縮域數(shù)字水印系統(tǒng),其水印檢測(cè)與提取可直接在壓縮域數(shù)據(jù)中進(jìn)行,節(jié)省了完全解碼和重新編碼過(guò)程,因此在數(shù)字電視廣播及VOD中有很大的實(shí)用價(jià)值1722。輸入的MPEG-2數(shù)據(jù)流可以分為數(shù)據(jù)頭信息、運(yùn)動(dòng)向量和DCT編碼信號(hào)塊這3個(gè)部分,常見的方案都主要是對(duì)DCT編碼信號(hào)塊進(jìn)行改變,如H&G算法（3）空域與頻域比較a.空間域方法通過(guò)改變某些像素的灰度，將要隱藏的信息嵌入其中；頻域方法是通過(guò)改變頻域的一些系數(shù)的值為隱藏信息。b.空間域方法算法簡(jiǎn)單、速度快、容易實(shí)現(xiàn)、特別是它幾乎可以無(wú)損地恢復(fù)載體圖象和水印信息，這對(duì)于某些應(yīng)用是必要的；c.頻域方法具有如下優(yōu)點(diǎn)：1.水印的信號(hào)能量可以分布到所有的像素上，有利于保證水印的不可見性。2.在頻域中可以利用人類視覺系統(tǒng)的某些特性，更方便、更有效地進(jìn)行水印的編碼。3.由于頻域變換在變換和反變換過(guò)程中是有損的，同時(shí)運(yùn)算量大，對(duì)一些精確應(yīng)用場(chǎng)合或需要快速應(yīng)用場(chǎng)合不太合適。公開匙數(shù)字水印公鑰的目的是第三方可以驗(yàn)證數(shù)據(jù)的所有者,但是公鑰的使用可以使使用者進(jìn)行如下操作(1)利用公鑰檢測(cè)或恢復(fù)出水印;(2)破壞或刪除水印;(3)用相同的公鑰嵌入不同水印信息。因此,需要一種安全有效的密鑰系統(tǒng),滿足公開鑰水印系統(tǒng)的安全性。公開密鑰水印算法A.水印嵌入的步驟為 :(1)將原圖和水印圖分成大小的塊 ;(2)將原圖塊 的LSB置后與、一起輸入Hash函數(shù)，其輸出為;(3)將 和水印塊 作異或運(yùn)算 ,輸出為;(4)對(duì)采用公開密鑰加密算法加密后嵌入的LSB上，水印的嵌入即為結(jié)束。B.提取水印的過(guò)程為嵌入水印的逆過(guò)程。數(shù)字水印主要發(fā)展方