基于均值关系的空间域图像水印研究

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　　摘要 :数字水印是信息隐藏技术的一个重要分支,是一种全新的数字产品保护技术。它是将特定的数字信息嵌入到图像、音频、视频或软件等各种数字产品中,以达到信息安全和版权保护等目的。我们简述了当前数字水印技术的原理特点、典型方案和攻击方法,分类讨论了数字水印的应用与研究现状以及发展中存在的问题。将计算软件Matlab 应用于水印技术,文中给出用这一软件完成的基于均值关系的空间域数字水印研究,说明使用Matlab 嵌入水印在图像变换、水印嵌入方法简洁、高效,避免了大量的编程运算。
　　关键词:数字水印,Matlab,图像,鲁棒性 ,均值关系
　　
　　1 引言
　　1.1 问题的提出
　　随着网络通信的普及,许多传统媒体内容都向数字化转变,并且在电子商务中即将占据巨大市场份额,如mp3的网上销售,数字影院的大力推行,网上图片、电子书籍销售等等,在无线领域,随着移动网络由第二代到第三代的演变,移动用户将能方便快速的访问因特网上数字媒体内容,基于有线或无线网络的数字媒体内容的应用即将是信息时代新的传统。但是,数字媒体内容的安全问题成了瓶颈问题,制约着众多商业应用的进程。虽然成熟的密码学是解决当前网络信息安全的主要手段,但是,对于多媒体内容存在两大问题。一是数字媒体内容的超分布(Superdistribution)问题,即内容一旦解密,便可以随意的被拷贝、传播,快速发展的网络为非法传播提供很大便利,给媒体内容制造商造成了巨大损失,从而制约着数字多媒体应用的进行;二是多媒体内容的访问控制问题,因为多媒体内容(如视频流)的加密解密需要巨大的运算负荷,并且难以满足应用的时效性。数字水印作为一项很有潜力的解决手段,最近几年成为了商业界和学术界共同关注的焦点,如拷贝保护技术工作组(CPTWG,Copy Protection Technique Working Group)从1995年开始致力于基于DVD的视频版权保护研究,安全数字音乐创始(SDMI,Secure Digital Music Initiative)从1999年开始研究音频的版权版护,数字水印是其中的核心关键技术。数字水印技术就是在这样的大环境下应运而生的,它弥补了密码技术对多媒体数据保护的不足,成为对多媒体数据进行版权保护和认证的有效手段。该技术与密码技术之不同点在于:前者隐藏“内容”而后者则隐藏信息的“存在性”。具体的说,它利用人类知觉系统(人类视觉系统Human Visual System ,HVS或人类听觉系统Human Audio System ,HAS)的冗余,将与多媒体内容相关或不相关的一些标示信息直接嵌入到多媒体内容当中,然后再通过网络传递,而不影响原内容的价值和使用,并且不被人的知觉系统觉察,当非法拦截者从网络拦截下来伪装后的机密资料,由于其看起来跟其它非机密性的一般资料无异, 因而十分容易逃过非法拦截者的破解,以实现标识、注释以及版权保护等目的.
　　1.1.1信息隐藏技术
　　信息隐藏将在未来网络中保护信息不受破坏方面起到重要作用,信息隐藏是把机密信息隐藏在大量信息中不让对手发觉的一种方法。信息隐藏的方法主要有隐写术、数字水印技术、可视密码、潜信道、隐匿协议等。
　　其中数字水印技术(Digital Watermark):技术是将一些标识信息(即数字水印)直接嵌入数字载体(包括多媒体、文档、软件等)当中,但不影响原载体的使用价值,也不容易被人的知觉系统(如视觉或听觉系统)觉察或注意到。目前主要有两类数字水印,一类是空间数字水印,另一类是频率数字水印。空间数字水印的典型代表是最低有效位(LSB)算法,其原理是通过修改表示数字图像的颜色或颜色分量的位平面,调整数字图像中感知不重要的像素来表达水印的信息,以达到嵌入水印的目的。频率数字水印的典型代表是扩展频谱算法,其原理是通过时频分析,根据扩展频谱特性,在数字图像的频率域上选择那些对视觉最敏感的部分,使修改后的系数隐含数字水印的信息。
　　1.1.2信息隐藏模型
　　信息隐藏(Information Hiding)不同于传统的密码学技术。密码技术主要是研究如何将机密信息进行特殊的编码,以形成不可识别的密码形式(密文)进行传递;而信息隐藏则主要研究如何将某一机密信息隐藏于另一公开的信息中,然后通过公开信息的传输来传递机密信息。对加密通信而言,可能的监测者或非法拦截者可通过截取密文,并对其进行破译,或将密文进行破坏后再发送,从而影响机密信息的安全;但对信息隐藏而言,可能的监测者或非法拦截者则难以从公开信息中判断机密信息是否存在,难以截获机密信息,从而能保证机密信息的安全.
　　信息隐藏技术主要由下述两部分组成:(1)嵌入算法,它利用密钥来实现秘密信息的隐藏。(2)检测/提取算法(检测器),它利用密钥从隐蔽载体中检测/提取出秘密信息。在密钥未知的前提下,第三者很难从隐秘载体中得到或删除,甚至发现秘密信息
　　1.2信息隐藏技术的特点
　　信息隐藏不同于传统的加密,因为其目的不在于限制正常的资料存取,而在于保证隐藏数据不被发现和侵犯。另外,由于信息隐藏必须考虑隐藏的信息在经历各种环境、操作之后,仍能有效的提取或检测,因此,信息隐藏技术必须考虑正常的信息操作所构成的威胁,使机密资料对正常的数据操作技术具有免疫能力。这种免疫力的关键是要使隐藏信息部分不易被常见的数据操作如信号变换操作或数据压缩等所破坏。
　　根据信息隐藏的目的和技术要求,该技术需要满足一定的特性:
　　(1)鲁棒性(robustness)指不因隐蔽载体的某种改动而导致隐藏其中信息丢失的能力。这里所谓“改动”包括传输过程中的信道噪音、滤波操作、重采样、有损编码压缩、D/A或A/D转换等。
　　(2)不可检测性(undetectability) 指隐蔽载体与原始载体具有一致的特性。如具有一致的统计噪声分布等。使非法拦截者无法判断是否有隐蔽信息。
　　(3) 透明性(invisibility)利用人类视觉系统或人类听觉系统属性,经过一系列隐藏处理,使目标数据没有明显的降质现象,而隐藏的数据却无法人为地看见或听见。
　　(4) 安全性(security) 指隐藏算法有较强的抗攻击能力,即它必须能够承受一定程度的人为攻击,而使隐藏信息不会被破坏。
　　(5 ) 自恢复性由于经过一些操作或变换后,可能会使原图产生较大的破坏,如果只从留下的片段数据,仍能恢复隐藏信号,而且恢复过程不需要宿主信号,这就是所谓的自恢复性。
　　信息隐藏学是一门新兴的交叉学科,在计算机、通讯、保密学等领域有着广阔的应用前景。数字水印技术作为其在多媒体领域的重要应用,已受到人们越来越多的重视。
　　2数字水印技术
　　2.1数字水印定义
　　数字水印技术是一种将特制的不可见的标记,利用数字内嵌的方法隐藏在数字图像、声音、文档、图书、视频等数字产品中,用以证明原始作者对其作品的所有权,并作为鉴定、起诉非法侵权的证据,同时通过对水印的检测和分析,验证数字信息的完整可靠性,从而成为知识产权保护和数字多媒体防伪的有效手段。水印信息根据一定的算法和物主提供的署名信息产生,它的物主身份是确定的。通过对水印信息的检测提取,多媒体数据的版权问题就可以得到解决。数字水印是永久镶嵌在其它数据(宿主数据)中具有可鉴别性的数字信号或模式,而且不影响宿主数据的可用性。数字水印技术是利用人类视觉系统(HVS)的冗余,通过一定的算法在数字信息中加入不可见标记,但不影响数据的合理使用和价值,并且不能被人的知觉系统觉察到,起到证明作品的版权归属的作用。除非对数字水印具有足够的先验知识,任何破坏和消除水印的企图都将严重破坏图像质量。
　　3基于均值关系的空间域图像水印研究
　　数字水印的最主要的三个特性:隐蔽性、鲁棒性、安全性。一个好的数字水印算法必须要达到良好的隐蔽性和鲁棒性的统一,但是由于隐蔽性和鲁棒性要求增加嵌入力度,这样势必会引起载体图像质量的下降,从而容易被发现。所以,如何平衡来自水印嵌入的强度(鲁棒性)和嵌入后图像的质量(图蔽性)成为了数字水印技术的关键。而影响这两个要素的关键技术是水印的实现策略和采用的水印结构。本文所要讨论的基于均值关系的数字水印技术是嵌入水印信号能量使其均分布至空域图像中、易于引入人眼视觉掩盖特性、计算简单且容易实现,有较高的压缩率,又具有良好的可操作性。与其他数字图像处理以及信号处理变换相比。具有压缩比高、误码率小、信息集中能力和算法简单等优点.
　　3.1均值关系算法原理
　　3.1.1水印嵌入思路
　　(1) 将一幅512*512的灰度图像进行8*8大小分块,得到一系列图像块,每个图像包含64像素点(每个像素点的灰度值范围为0―255).
　　(2) 对每个图像块按如下公式计算均值: ( 表示像素灰度值)
　　(3) 将上述图像块按先后顺序分组(两两一组,)
　　(4) 极性判断:按上述公式对起进行赋值判断:为:
　　(5) 水印图像为32*32大小的二值图像,将其将二维数值降为一维数值记为 (k=1,2,3…1024)
　　(6) 像素点与点之间的比较:
　　如果 = ,则不做修改像素点的像素值。
　　若::
　　(a) 当 =0时,那么修改 和 的值,使得 >,修改原则: ,.
　　(b)当 =1时, 那么修改 和 的值,使得 , ,改值原则:, .
　　
　　(7)在嵌入完成后,组合上述图像块为一个含水印的图像。
　　3.1.2水印提取思路
　　 (1)将已经嵌入水印的图像(512*512),对其进行按8*8大小的分块,共计4096块。
　　(2)对每个图像块按如下公式计算均值: ( 表示像素灰度值)
　　
　　(3)将上述图像块按先后顺序分组两两一组( )
　　 (4)极性判断:按上述公式对起进行判断赋值:
　　 (5)将得到的水印序列 进行开维得到二维的水印图像
　　3.1.3水印的攻击
　　为了检验数字水印的最主要的三个特性:隐蔽性、鲁棒性、安全性,接下来运用了Matlab强大的函数图象集合功能对含水印图象进行添加白噪声,高斯低通滤波,JPEG ,图像剪切,旋转的处理后再提取所嵌入的水印的实验,检验鲁棒性。为了证明此方法对水印图像的非偶然性,对多幅图像,做了水印嵌入实验。
　　3.2 Matlab水印嵌入实验
　　3.2.3实验结果统计
　　结论
　　传统的数字产品保护方法主要采用加密的手段,非法用户不能解读。然而,仅采用加密技术有一个重大缺点:即一旦密文被授权用户解密后,非法的复制与传播就变得非常容易了。为了弥补这一缺点,人们提出了数字水印技术。数字水印技术是一种数字产品版权保护技术,它将水印不可感知地嵌入被保护的数字产品(数字图像、音频、视频和文档)中,在产生版权纠纷时,通过相应的算法检测或提取该数字水印,用以证明著者对其数字产品的所有权,并作为鉴定、起诉非法侵权的依据,同时通过对水印的检测和分析来保证数字信息的完整可靠性,从而成为知识产权保护和数字产品防伪的有效手段。数字水印技术目的是鉴别出非法和盗用的数字产品,从而确保数字产品版权所有者的合法利益。因此,数字水印技术一经提出就迅速成为热点研究问题,出现了许多水印方案,也有许多公司已推出了数字水印的产品。
　　本文论述了数字水印的基本概念、数字水印的分类、典型算法及鲁棒水印的攻击。深入研究了基于均值关系的空间域图像数字水印技术,做了大量实验,提出了一种基于均值关系的空间域图像数字水印算法。
　　基于均值关系的空间域图像数字水印算法,将有二值序列水印嵌入高频系数图像中。实验结果证明,该算法对有意义水印可以正确提取,检测到指定水印外,还可以在图像经过JPEG压缩、缩放等攻击后正确。
　　目前 ,相关水印方案较少,但随着多媒体和网络技术的发展,计算机处理图像的能力不断提高,相关领域研究成果的丰富,如:扩频通信技术、压缩编码技术、密码学、对人类视觉生理/心理模型的研究以及分形变换、混沌理论、模型基编码等各种先进的信号处理技术和密码设计思想的引入,数字水印技术将会得到迅速的发展和应用,成为保证信息安全和知识产权的重要手段。
　　
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