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，是指在數(shù)字化的數(shù)據(jù)內(nèi)容中嵌入不明顯的記號。被嵌入的記號通常是不可見或不可察的，但是通過計算操作可以檢測或者被提取。水印（一段文字、標識、序列號等）與原始數(shù)據(jù)(如圖象、音頻、視頻數(shù)據(jù))緊密結合并隱藏其中，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)使用價值或商用價值的操作而存活下來。隨著數(shù)字技術和因特網(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)絡上發(fā)布,其版權保護與信息完整性保證逐漸成為迫切需要解決的一個重要問題數(shù)字水印(digital watermarking)技術作為信息隱藏技術研究領域的重要分支,是實現(xiàn)多媒體版權保護與信息完整性保證的有效方法,目前也正成為信息領域的一個研究熱點。其基本特點主要有：（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 按檢測分：明水印 、盲水印 按內(nèi)容分：水印是可視圖象、水印為隨機碼 按用途分：版權保護水印、篡改提示水印、票據(jù)防偽水印、隱蔽標識水印我們主要區(qū)分下魯棒水印與易碎水印的應有特性，（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改變 ;未經(jīng)授權者很難插入一個偽造水印 ;經(jīng)授權者能很快地抽取出水印 ;水印能在圖像剪切操作后仍存在 ;從抽取出來的水印中能看出哪里被改變（2）魯棒水印的特性：水印在通常或特定視覺條件下不可見 ;加水印的圖像經(jīng)過普通的圖像處理技術后水印仍然保持在圖像中 ;未經(jīng)授權者很難檢測出水印 ;經(jīng)授權者能很快地抽取出水印 ;加水印的圖像經(jīng)過印刷或重新掃描后水印仍然能被抽取出來數(shù)字水印的應用1)版權保護數(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。當該作品被盜版或出現(xiàn)版權糾紛時,所有者即可從被盜版作品中獲取水印信號作為依據(jù),從而保護其合法權益。(2)數(shù)字指紋為避免數(shù)字作品未經(jīng)授權被拷貝和發(fā)行,版權所有人可以向分發(fā)給不同用戶的作品中嵌入不同的水印以標識用戶的信息。該水印可根據(jù)用戶的序號和相關的信息生成,一旦發(fā)現(xiàn)未經(jīng)授權的拷貝,就可以根據(jù)此拷貝所恢復出的指紋來確定它的來源(3)認證和完整性校驗。通常采用脆弱水印對插入了水印的數(shù)字內(nèi)容進行檢驗時,須用惟一的與數(shù)據(jù)內(nèi)容相關的密鑰提取出水印,然后通過檢驗提取出的水印完整性來檢驗數(shù)字內(nèi)容的完整性。其優(yōu)點在于認證同內(nèi)容密不可分,因此簡化了處理過程。(4)訪問控制利用數(shù)字水印技術可以將訪問控制信息嵌入到媒體中,在使用媒體之前通過檢測嵌入到其中的訪問控制信息,以達到訪問控制的目的,它要求水印具有很高的魯棒性。(5)信息隱藏數(shù)字水印可用于作品的標識、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)字水印技術還可以用于隱蔽通信,這將在國防和情報部門得到廣泛的應用。數(shù)字水印典型算法（1）空域算法1.Schyndel算法Schyndel算法提出了一些關于水印的重要概念和魯棒水印檢測的通用方法,即相關性檢測方法。該算法首先將一個密鑰輸入一個m-序列(maximum-length random sequence)發(fā)生器來產(chǎn)生水印信號,然后排列成二維水印信號,按像素點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)列的關系運算生成的,也可以用線性移位寄存器實現(xiàn)。如果每個向量的長度為n,或移位寄存器的級數(shù)為n,則生成的m-序列長度最大為2n-1。m-序列的自相關函數(shù)和頻譜分布的特點類似于隨機高斯噪聲。檢測時,通過計算m-序列和水印圖像行的相關函數(shù)來判斷是否存在水印.由于Schyndel算法將水印信號安排在了像素點的最低位上,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算法是通過改變圖像數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特性將信息嵌入到像素的亮度值中。Patchwork算法的方法是隨機選擇N對像素點(ai,bi),這些隨機選取的兩個像素點的差值是以0為中心的高斯分布。然后將點ai的亮度值加1,點bi的亮度值減1,這樣來改變分布的中心,并且使得整個圖像的平均亮度保持不變。最后采用統(tǒng)計的方法來對水印進行1096計算機研究與發(fā)展2005, 42(7)檢測。為了抵抗諸如有損壓縮以及濾波的處理,它將像素點對擴展成小塊的像素區(qū)域(patch),增加一個patch中的所有像素點的亮度值,同時減少對應另外一個patch中所有像素點的亮度值。這種算法對抵御有損壓縮編碼(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,對仿射變換敏感,對多拷貝聯(lián)合攻擊抵抗力比較脆弱。（2）頻域算法1.擴展頻譜通信技術擴展頻譜通信7(spread spectrum communication)技術原理為:先計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個最大分量表示為D=di,i=1,L,水印是服從高斯分布的隨機實數(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*,再做相關檢驗,以確定水印的存在與否。該方法即使當水印圖像經(jīng)過一些通用的幾何變形和信號處理操作而產(chǎn)生比較明顯的變形后仍然能夠提取出一個可信賴的水印。2.NEC算法NEC算法7由NEC實驗室的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,首先由作者的標識碼和圖像的Hash值等組成密鑰,以該密鑰為種子來產(chǎn)生偽隨機序列,該序列具有高斯N(0,1)分布。再對圖像做DCT變換,用該偽隨機高斯序列來調(diào)制(疊加)圖像除直流(DC)分量外的1000個最大的DCT系數(shù)。該算法具有較強的魯棒性、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水印魯棒性和抗攻擊算法的重要原則,文獻6建議水印信號應該嵌入到圖像頻域中可見性最主要的部分,這樣可以增強抵抗常規(guī)信號處理和幾何失真,以提高檢測出水印的概率。另外,待嵌入的水印信號要由獨立同分布隨機實數(shù)序列構成,并且該實數(shù)序列應該具有高斯分布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出的JND(just noticeable dif-ference)描述來確定在圖像或聲音的各個部分所能容忍的數(shù)字水印信號的最大強度,從而能夠避免破壞視覺或者聽覺的質(zhì)量。也就是說,利用生理模型來確定與數(shù)據(jù)相關的調(diào)制掩模,然后再利用其來嵌入水印。這一方法同時具有好的透明性和魯棒性。4.壓縮域算法基于JPEG,MPEG標準的壓縮域數(shù)字水印系統(tǒng),其水印檢測與提取可直接在壓縮域數(shù)據(jù)中進行,節(jié)省了完全解碼和重新編碼過程,因此在數(shù)字電視廣播及VOD中有很大的實用價值1722。輸入的MPEG-2數(shù)據(jù)流可以分為數(shù)據(jù)頭信息、運動向量和DCT編碼信號塊這3個部分,常見的方案都主要是對DCT編碼信號塊進行改變,如H&G算法（3）空域與頻域比較a.空間域方法通過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.空間域方法算法簡單、速度快、容易實現(xiàn)、特別是它幾乎可以無損地恢復載體圖象和水印信息，這對于某些應用是必要的；c.頻域方法具有如下優(yōu)點：1.水印的信號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、更有效地進行水印的編碼。3.由于頻域變換在變換和反變換過程中是有損的，同時運算量大，對一些精確應用場合或需要快速應用場合不太合適。公開匙數(shù)字水印公鑰的目的是第三方可以驗證數(shù)據(jù)的所有者,但是公鑰的使用可以使使用者進行如下操作(1)利用公鑰檢測或恢復出水印;(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 作異或運算 ,輸出為;(4)對采用公開密鑰加密算法加密后嵌入的LSB上，水印的嵌入即為結束。B.提取水印的過程為嵌入水印的逆過程。數(shù)字水印主要發(fā)展方