畢業(yè)設(shè)計---抗幾何攻擊數(shù)字水印算法

1、<p><b>　　畢業(yè)論文</b></p><p>　　抗幾何攻擊數(shù)字水印算法 </p><p>　　Resist geometric attack digital watermarking</p><p>　　algorithm is proposed</p><p>　　畢 業(yè) 論 文 任 務(wù) 書<

2、/p><p>　　院（系）： 計算機(jī)與電子信息學(xué)院 專業(yè)： 電子信息科學(xué)與技術(shù) </p><p>　　一、畢業(yè)論文課題 抗幾何攻擊數(shù)字水印算法 </p><p>　　二、畢業(yè)論文工作自 2010 年 3 月 20 日起至 2010 年 6 月 15 日止</p>&l

3、t;p>　　三、畢業(yè)論文進(jìn)行地點(diǎn) 現(xiàn)代通信技術(shù)重點(diǎn)實驗室 </p><p>　　四、畢業(yè)論文的內(nèi)容要求： </p><p>　　要求實現(xiàn)版權(quán)保護(hù)的圖像水印，具備如下功能： </p><p>　　1

4、、掌握數(shù)字水印技術(shù)的基本概念。 </p><p>　　2、了解現(xiàn)有抗幾何攻擊數(shù)字水印算法的發(fā)展現(xiàn)狀和主流技術(shù)。 </p><p>　　3、設(shè)計一種抗幾何攻擊數(shù)字水印算法。 </p><p>　　4、搭建實驗平臺，實現(xiàn)算法，分析算法性能并與同類算法進(jìn)行

5、比較。</p><p>　　5、系統(tǒng)實現(xiàn)。 </p><p>　　指導(dǎo)教師 </p><p>　　接受論文任務(wù)開始執(zhí)行日期 2010 年 3 月 20 日</p><p>　　學(xué)生簽名

6、 </p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　所謂數(shù)字水印技術(shù)就是將數(shù)字信息如產(chǎn)品序列號、文本內(nèi)容、圖像標(biāo)志等版權(quán)信息嵌入到多媒體數(shù)據(jù)中，以起到版權(quán)保護(hù)、秘密通信、數(shù)據(jù)文件的真?zhèn)舞b別等作用。</p><p>　　論文以靜止數(shù)字圖像為研究對象，設(shè)計了一種基于DT

7、-CWT (Dual Tree Complex Wavelet Transform)的抗幾何攻擊的數(shù)字水印算法。該算法在不需要原始圖像的情況下，通過計算相應(yīng)的特征矩陣對遭受幾何攻擊的圖像進(jìn)行參數(shù)估計。實驗表明，該算法可用于對圖像遭受的對稱縮放、非對稱縮放、旋轉(zhuǎn)等幾何攻擊進(jìn)行校正，確保水印嵌入與檢測的同步。</p><p>　　關(guān)鍵詞：數(shù)字水印；幾何攻擊；雙樹復(fù)小波變換</p><p>&l

8、t;b>　　Abstract</b></p><p>　　Digital watermarking is the technology which embeds copyright information including product ID, text content or image logo into multimedia for copyright protection, secre

9、t communication and discrimination of the data files. Perceptual invisibility, robustness and safeness are the digital watermarking system’s central characteristics.</p><p>　　This paper takes still digital i

10、mage as research object, an image watermarking scheme based on DT-CWT (Dual Tree Complex Wavelet Transform) resisting geometrical attacks is proposed. We make use of eigenmatrix to recover the attacked image by estimatin

11、g the parameter when detecting the watermarks, original image being not needed. Experimental results show that the scheme can well withstand such geometrical attacks as rotation, scaling and geometric synchronization pro

12、blem between the watermark e</p><p>　　Key words：digital watermarking; geometric attacks; dual tree complex wavelet transform</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘要I&

13、lt;/b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p>　　第二章 數(shù)字水印概況2</p><p>　　2.1 數(shù)字水印的特征2</p><p>　　2.2 數(shù)字水印的分類3</p><p>

14、;　　2.3 數(shù)字水印的應(yīng)用4</p><p>　　2.4 數(shù)字水印的典型算法5</p><p>　　2.5 數(shù)字水印的研究歷史與現(xiàn)狀7</p><p>　　第三章 數(shù)字水印技術(shù)9</p><p>　　3.1 數(shù)字水印系統(tǒng)基本模型9</p><p>　　3.2 數(shù)字水印系統(tǒng)的要求10</p>

15、<p>　　3.3 水印系統(tǒng)的評測10</p><p>　　3.4 常見的對水印系統(tǒng)的攻擊11</p><p>　　第四章 抗幾何攻擊數(shù)字水印算法12</p><p>　　4.1 圖像數(shù)字水印的幾何攻擊12</p><p>　　4.2抗幾何攻擊圖像數(shù)字水印算法分析14</p><p>　　4.3雙樹

16、復(fù)小波變換分析16</p><p>　　4.4 基于DT-CWT的幾何校正算法20</p><p>　　4.5實驗結(jié)果21</p><p>　　4.6本章小結(jié)23</p><p>　　第五章 總結(jié)與展望25</p><p><b>　　5.1 總結(jié)25</b></p>&

17、lt;p>　　5.2 未來展望25</p><p><b>　　致謝27</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)28</b></p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　隨著多媒體技術(shù)的發(fā)展，多媒體信息的交流已經(jīng)達(dá)到了前所未有的深度和

18、廣度，越來越多的信息以數(shù)字化的形式存在和傳播。隨之而來的副作用是這些數(shù)字形式的媒體作品版權(quán)受到侵犯，軟件或文檔受到非法拷貝，電子商務(wù)被非法盜用和篡改。少數(shù)人利用數(shù)字作品極易無失真地復(fù)制和傳播、容易修改、容易發(fā)表等特點(diǎn)進(jìn)行違法操作，破壞了信息安全、知識產(chǎn)權(quán)和認(rèn)證等健康持續(xù)地發(fā)展。由此可見，信息安全領(lǐng)域理論和技術(shù)的進(jìn)一步提升已迫在眉睫[1]。</p><p>　　數(shù)據(jù)所有者最早使用的保護(hù)知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)是密碼學(xué)。在發(fā)送

19、之前加密數(shù)據(jù)，僅把密鑰給予那些購買了數(shù)據(jù)的合法副本的用戶。這樣，經(jīng)過互聯(lián)網(wǎng)的分發(fā)，雖然盜版者可以獲得加密后的文件，但沒有正確密鑰，該文件也是無用的。遺憾的是，通過加密并不能幫助銷售者監(jiān)視合法用戶如何處理解密后的內(nèi)容。這樣盜版者可以購買產(chǎn)品，使用密鑰獲得無保護(hù)的數(shù)據(jù)副本，然后繼續(xù)發(fā)行非法副本。換言之，密碼學(xué)只能保護(hù)傳輸中的數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)一旦被解密就不再有保護(hù)作用了。</p><p>　　因此，迫切需要一種新的保密技術(shù)

20、，在內(nèi)容被解密之后仍能夠繼續(xù)保護(hù)內(nèi)容。</p><p>　　在這種情況下，一種專門解決互聯(lián)網(wǎng)上多媒體信息安全的技術(shù)——數(shù)字水印技術(shù)誕生了，數(shù)字水?。╠igital watermarking）技術(shù)是解決數(shù)字圖像、音頻、視頻等數(shù)字媒體版權(quán)保護(hù)的有效手段之一[2-8]。它將水印嵌入到數(shù)字化媒體中，然后通過對它的檢測(提取)來對圖像的使用情況進(jìn)行跟蹤，從而實現(xiàn)隱藏傳輸、存儲、版權(quán)保護(hù)等功能。被嵌入的記號通常是不可見或不可

21、覺察的，但是通過一些計算操作可以被檢測或者被提取。水印與源數(shù)據(jù)（ 如圖像、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，并且對于數(shù)據(jù)傳輸和發(fā)布過程中可能發(fā)生的技術(shù)性修改，比如格式轉(zhuǎn)換、壓縮、模數(shù)轉(zhuǎn)換等具有較好的健壯性。水印可以標(biāo)明數(shù)據(jù)的所有者、日期、權(quán)限等信息，就像產(chǎn)品的商標(biāo)一樣。因而，根據(jù)不同的目的，水印包含的信息也不同。目前數(shù)字水印已經(jīng)成為多媒體版權(quán)認(rèn)證和完整性保護(hù)的有效手段。</p><p&g

22、t;　　數(shù)字水印作為一種數(shù)據(jù)認(rèn)證和版權(quán)保護(hù)的手段，隨著大量魯棒性水印算法的提出，面臨的攻擊也與日俱增，對數(shù)字水印的攻擊是水印技術(shù)一個比較大的研究方向，目前的文獻(xiàn)己經(jīng)描述了很多水印攻擊方法。其中幾何攻擊是數(shù)字水印同步攻擊技術(shù)中很重要的一種技術(shù)，它主要破壞水印系統(tǒng)的同步性，使得檢測提取子系統(tǒng)工作失敗。因此，抗幾何攻擊的圖像水印算法，一直是近幾年魯棒性水印技術(shù)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，抵抗常見的幾何攻擊是數(shù)字水印技術(shù)走向?qū)嵱玫谋匾疤帷?lt;/p&

23、gt;<p>　　第二章 數(shù)字水印概況</p><p>　　2.1 數(shù)字水印的特征</p><p>　　一般地，數(shù)字水印應(yīng)具備如下的基本特征[9]：</p><p><b>　　1．不可見性</b></p><p>　　不可見性是水印的本質(zhì)要求之一，包含兩方面的含義：一是指感官上的不可感知；</p&g

24、t;<p>　　二是難以用統(tǒng)計的方法發(fā)現(xiàn)和刪除水印。從人眼觀察的角度看，嵌入的水印不破壞原始</p><p>　　圖像的原有價值且不引起注意，即認(rèn)為該水印不可見。這也是數(shù)字水印算法最基本的要</p><p><b>　　求。</b></p><p><b>　　2．魯棒性</b></p><

25、;p>　　魯棒性一直是數(shù)字水印技術(shù)的研究重點(diǎn)。如果歷經(jīng)諸如仿射變換、噪聲干擾、有損</p><p>　　壓縮、濾波、裁剪等常見的圖像攻擊后，水印仍能保持完整或被準(zhǔn)確鑒別，我們就認(rèn)為</p><p>　　該水印算法魯棒性強(qiáng)。成功的數(shù)字水印技術(shù)就是要保證在解碼信息不完備的情況下，能</p><p>　　夠還原出水印。實際上很難設(shè)計出一種方法對所有可能的圖像處理和攻

26、擊都具有魯棒</p><p>　　性，因此魯棒性的強(qiáng)弱應(yīng)該視不同的應(yīng)用需求而定。</p><p><b>　　3．最大水印嵌入量</b></p><p>　　水印嵌入量是指實際嵌入圖像中的信息量，不同的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)η度肓康男枨笠膊幌?lt;/p><p>　　同。若以人類視覺不可察覺為前提，則決定水印嵌入量的主要因素包括亮度、紋

27、理和復(fù)</p><p>　　雜度等特征。此外，影響嵌入量的另一個關(guān)鍵因素是嵌入方法。將人類視覺特征和圖像</p><p>　　特征相結(jié)合，充分挖掘載體圖像的隱藏潛能，最大程度地嵌入水印是一個好的水印算法</p><p><b>　　追求的目標(biāo)。</b></p><p><b>　　4．安全性</b>

28、</p><p>　　在大多數(shù)應(yīng)用中，希望嵌入的水印具有安全性，以保證數(shù)字水印不會輕易地被第三</p><p>　　方發(fā)現(xiàn)、銷毀、模仿或偽造。安全性不僅意味著水印存在與否用戶是無法察覺或檢測的，</p><p>　　也意味著非法用戶即使知道存在水印，在沒有正確密鑰的情況下水印無法被正確提取。</p><p><b>　　5．可證明性

29、</b></p><p>　　圖像在遭受非法復(fù)制需要求助法律保護(hù)時，數(shù)字水印可以提供安全、可靠且沒有爭</p><p>　　議的版權(quán)證明。即使圖像遭受了一般的攻擊，提取的水印也變化不大，不會影響判別的</p><p><b>　　準(zhǔn)確度。</b></p><p><b>　　6．低復(fù)雜性</b

30、></p><p>　　不同的應(yīng)用場景對水印算法的復(fù)雜度要求不同，原則上算法應(yīng)容易實現(xiàn)。例如，視</p><p>　　頻水印算法需要滿足實時性的要求。</p><p>　　在以上的幾個特點(diǎn)中，不可見性和魯棒性是水印的兩個最重要且互相矛盾的特點(diǎn)，</p><p>　　影響它們的還有一個關(guān)鍵因素，就是水印的嵌入量。其中一個為確定量的時候，另

31、外兩</p><p>　　個成反比關(guān)系。針對不同的應(yīng)用需求綜合考慮這三個因素。例如，針對版權(quán)保護(hù)而言，</p><p>　　水印的不可見性和魯棒性比嵌入量要重要許多。但如果用于隱含標(biāo)注或是隱蔽通信，則</p><p>　　水印地嵌入量是關(guān)注的重點(diǎn)，對魯棒性的需求相對較弱。除了這三點(diǎn)外，其它一些特點(diǎn)</p><p>　　在設(shè)計一個成功的水印算法

32、方面也起著重要的作用。</p><p>　　2.2 數(shù)字水印的分類</p><p>　　數(shù)字水印系統(tǒng)的分類方法有很多種，分類的出發(fā)點(diǎn)不同導(dǎo)致了分類的不同。根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)，可分成以下幾種類別[10]：</p><p><b>　　1．按水印特性劃分</b></p><p>　　按水印特性劃分，可將水印系統(tǒng)劃分為可見水印系統(tǒng)

33、和不可見水印系統(tǒng)?？梢娝?Visible Watermarking)系統(tǒng)中的水印可以直接看到。不可見水印(Invisible Watermarking)系統(tǒng)與可見水印系統(tǒng)相反，水印加在數(shù)字媒體中，表面上是不可察覺的，但是當(dāng)發(fā)生版權(quán)糾紛時，所有者可以從中提取出水印，并以此來證明該作品為其所有。本文所研究的水印就屬于不可見水印。</p><p>　　2．按水印檢測過程劃分</p><p>　

34、　按水印檢測過程劃分可將水印系統(tǒng)劃分為非盲水印(Non-blind Watermarking)系統(tǒng)、半盲水印(Semi-non-blind Watermarking)系統(tǒng)和盲水印(Blind Watermarking)系統(tǒng)。非盲水印系統(tǒng)在檢測過程中需要原始載體數(shù)據(jù)和原始水印的參與，這種水印系統(tǒng)的實用性具有非常大的局限性；半盲水印系統(tǒng)則不需要原始載體數(shù)據(jù)，但需要原始水印來進(jìn)行檢測；盲水印系統(tǒng)的檢測只需密鑰，不需要原始數(shù)據(jù)，也不需要原始水印

35、，在實用</p><p>　　性方面的優(yōu)勢非常明顯，一般也稱盲水印的檢測過程為盲檢測或盲提取。</p><p><b>　　3．按水印內(nèi)容劃分</b></p><p>　　按水印內(nèi)容劃分可將水印系統(tǒng)劃分為有意義水印系統(tǒng)和無意義水印系統(tǒng)。有意義水印系統(tǒng)指水印本身也是某個數(shù)字作品的編碼，具有強(qiáng)烈的可識別性。有意義水印系統(tǒng)如果由于受到攻擊或其他原因致

36、使解碼后的水印破損，人們?nèi)匀豢梢酝ㄟ^觀察確認(rèn)是否有水印；無意義水印系統(tǒng)中的水印只對應(yīng)于一個序列號或一段隨機(jī)數(shù)，脫離了水印系統(tǒng)便不再有意義。</p><p>　　4．按水印隱藏的位置劃分</p><p>　　按水印隱藏的位置劃分可將水印系統(tǒng)劃分為時空域水印系統(tǒng)和變換域水印系統(tǒng)(下文在介紹魯棒性水印時將具體涉及到這兩類水印系統(tǒng))。時空域水印系統(tǒng)可直接在載體作品中疊加水印信息，變換域水印系統(tǒng)則可

37、在DCT(Discrete Cosine Transform)域、DFT(Discrete Fourier Transform)域、DWT(Discrete Wavelet Transform)域等變換域上加載水印。</p><p>　　5．按水印技術(shù)的發(fā)展情況劃分</p><p>　　按水印技術(shù)的發(fā)展情況劃分將水印系統(tǒng)分為傳統(tǒng)水印系統(tǒng)和抗幾何攻擊水印系統(tǒng)。傳統(tǒng)水印系統(tǒng)面對各種幾何攻擊顯得

38、無能為力，甚至連最基本的單一幾何形變攻擊也望洋興嘆?；谶@種發(fā)展瓶頸，研究者們開始關(guān)注于專門針對幾何攻擊的數(shù)字水印方案，這樣，抗幾何攻擊的數(shù)字水印技術(shù)便成為了當(dāng)前數(shù)字水印領(lǐng)域的一大研究熱點(diǎn)。</p><p>　　2.3 數(shù)字水印的應(yīng)用</p><p>　　數(shù)字水印作為一種有效的數(shù)字產(chǎn)品所有權(quán)保護(hù)技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用。本文列出了七種已經(jīng)提出的或?qū)嶋H的水印應(yīng)用[11]：廣播監(jiān)視、所有者鑒別、所有

39、權(quán)驗證、操作跟蹤、內(nèi)容認(rèn)證、拷貝控制和設(shè)備控制。</p><p><b>　　1．廣播監(jiān)視</b></p><p>　　所謂廣播監(jiān)視就是通過識別嵌入到作品中的水印來鑒別作品是何時何地被廣播的。常用的途徑之一是把鑒別信號放到廣播信號的獨(dú)立區(qū)域，這部分信號在幀與幀之間發(fā)送，對廣播信號不會有絲毫影響。然后通過檢測鑒別信號來確定特定的廣播是否在特定的頻道和時間播出。</

40、p><p><b>　　2．所有者鑒別</b></p><p>　　因為數(shù)字水印可以不被感知且和包含他們的內(nèi)容密不可分，所以它們比文本更適合于所有者鑒別。如果作品的所有者擁有了水印檢測器，那么他們就能確定帶水印的作品的擁有者，甚至是在使用了可以消除文本版權(quán)標(biāo)志的方法修改了作品后。</p><p><b>　　3．所有權(quán)驗證</b&g

41、t;</p><p>　　水印的誘人之處在于它不僅能夠鑒別版權(quán)所有者，而且能證明實際所有者。當(dāng)發(fā)生版權(quán)糾紛的時候，可以利用水印來提供證據(jù)，證明一幅圖像源自另一幅，有利的保護(hù)了原始作品創(chuàng)作者的合法權(quán)益。</p><p><b>　　4．操作跟蹤</b></p><p>　　在這種應(yīng)用中，水印記錄了帶水印作品在復(fù)制過程中發(fā)生過的一步或更多操作步驟。

42、例如，水印可以記錄誰合法購買了作品副本或是將副本分發(fā)給了誰。作品的所有者</p><p>　　或創(chuàng)作者會在每份副本中放置不同的水印。如果后來作品被濫用，所有者可以查明應(yīng)該由誰負(fù)責(zé)。</p><p><b>　　5．內(nèi)容認(rèn)證</b></p><p>　　通過使用水印直接把簽名嵌入在作品里。這樣嵌入的簽名稱為認(rèn)證標(biāo)志。其中有一種稱為脆弱水印的認(rèn)證標(biāo)

43、志，含有這種水印的作品，即使是經(jīng)過最輕微的修改都會變?yōu)闊o效。</p><p><b>　　6．拷貝控制</b></p><p>　　拷貝控制就是使用水印來告知錄制設(shè)備不能錄制什么內(nèi)容，從而從根本上防止人們制造有版權(quán)內(nèi)容的非法副本。</p><p><b>　　7．設(shè)備控制</b></p><p>　

44、　拷貝控制屬于被稱為設(shè)備控制的一類的應(yīng)用范疇。從使用者的觀點(diǎn)來看，它的許多內(nèi)容異于拷貝控制，因為它是增加內(nèi)容的價值而不是限制其使用。</p><p>　　2.4 數(shù)字水印的典型算法</p><p>　　2.4.1．空間域數(shù)字水印算法</p><p>　　1．最低有效位算法[12] (Least Significant Bits-LSB)</p><

45、;p>　　最早的空間域方法就是基于LSB的方法，即在原始數(shù)據(jù)的最低幾位來隱藏信息(具體取多少位，以人的聽覺或視覺系統(tǒng)無法察覺為原則)。LSB方法的優(yōu)點(diǎn)是簡單易實現(xiàn)，可隱藏的信息量大，但由于使用了圖像不重要的像素位，此方法對信號處理的魯棒性很差。而且，一旦確切地知道水印隱藏在哪幾位中，數(shù)字水印很容易被擦除或繞過。因此，LSB算法多用于脆弱水印。</p><p>　　2．Patchwork算法和紋理塊映射編碼算

46、法</p><p>　　Patchwork算法[13]是隨機(jī)選擇N對像素點(diǎn)，針對每對像素點(diǎn)，將第一個點(diǎn)的亮度值加l，第二個點(diǎn)的亮度值減1，從而保持整個圖像的亮度不變。通過調(diào)整參數(shù)，對FIR濾波、圖像剪切和JPEG壓縮攻擊具有一定的魯棒性。但是該算法不能抵抗仿射變換、多拷貝平均攻擊并且可嵌入的信息量較少。利用紋理間的相似性，在圖像的任意紋理中隱藏水印的方法叫方法紋理塊映射法[13]。該方法除了具有良好的隱蔽性之外，

47、還能抵抗濾波、扭轉(zhuǎn)和壓縮等攻擊。缺點(diǎn)是僅適用于含有大量任意紋理區(qū)域的圖像，且不能完全自動完成，需要人工干預(yù)。</p><p>　　3．文檔結(jié)構(gòu)微調(diào)方法</p><p>　　只適用于文檔圖像類。即通過輕微調(diào)整文檔中的字符間距、行間距等方式嵌入特定的二進(jìn)制水印信息。這種方法可以抵抗照相復(fù)制、掃描復(fù)制等文檔操作，但很容易通過其他方法破壞。</p><p>　　2.4.2．

48、變換域數(shù)字水印算法</p><p>　　能量分布集中是變換域的主要特點(diǎn)之一，我們可以利用該特點(diǎn)增強(qiáng)水印的透明性。在變換域中實現(xiàn)的水印算法是目前信息安全領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。</p><p>　　常見的變換包括以下幾種[10]：</p><p>　　1．離散余弦變換(DCT)域水印算法</p><p>　　離散余弦變換(DCT)域水印算法是數(shù)字水印的

49、典型代表，多采用分塊的方式嵌入水印。該方法計算量較小，且與國際數(shù)據(jù)壓縮標(biāo)淮(JPEG，MPEG，H2611263)兼容，便于在壓縮域中實現(xiàn)。</p><p>　　2．離散小波變換(DWT)域水印算法</p><p>　　小波分析是一種時間窗和頻率窗都可以改變的時頻局部化分析方法，稱為“數(shù)學(xué)顯微鏡”?；谛〔ㄗ儞Q的數(shù)字水印可以抵抗低通濾波和壓縮攻擊等常見的攻擊手段。第一代小波的特點(diǎn)是信號的多

50、尺度分解，良好的時間頻率局部性、圖像信號的局部性(局部紋理、亮度等)，而且在小波變換域內(nèi)的圖像處理可以充分利用人眼的視覺系統(tǒng)特性HVS(Human Visual System)。因此，利用小波變換來嵌入水印具有很好的研究和應(yīng)用價值。第二代小波除了繼承第一代小波的優(yōu)點(diǎn)之外還不引入量化誤差，可無失真地重構(gòu)圖像。第二代小波更利于硬件實現(xiàn)，占用內(nèi)存少，可以以整數(shù)變換。第二代小波的出現(xiàn)為數(shù)字水印的研究開拓了更廣闊的空間。</p>&

51、lt;p>　　3．離散傅里葉變換(DFT)域水印算法</p><p>　　Ruanaidh[14]等人最先將水印嵌入在DFT域中并指出相位調(diào)制可能更適合于魯棒水印。首先，改變DFT后的圖像相位比改變振幅對人的心理視覺影響更大。因此，如果在相位中嵌入高冗余度的水印，那么遭受惡意攻擊后的圖像質(zhì)量會急劇下降。其次，通信理論中認(rèn)為相位調(diào)制相比于振幅調(diào)制能更好的抵抗噪聲信號。</p><p>

52、　　4．奇異值分解(SVD)域水印算法</p><p>　　圖像的奇異值分解作為數(shù)值線性代數(shù)的最有用和最有效的工具之一，在統(tǒng)計分析、系統(tǒng)理論與控制、信號與圖像處理中被廣泛應(yīng)用。主要思想是將原始圖像進(jìn)行奇異值分解，然后將水印信息嵌入較大的奇異值中。目前，基于圖像SVD的水印算法已被廣泛研究[15,16]。</p><p>　　2.5 數(shù)字水印的研究歷史與現(xiàn)狀</p><p

53、>　　1993年，Tirkel等人[17]首次提出電子水印的說法(Electronic watermark)的說法。一開始，人們使用在灰度圖像中的最低有效位（(LSB,Least Significant Bit)添加水印的方法。該方法優(yōu)點(diǎn)是簡單易行，但魯棒性較差，甚至無法抗擊中值濾波等常規(guī)圖像處理。</p><p>　　1995年，Cox等人[18]為了提高數(shù)字水印的魯棒性，提出了一種著名的水印嵌入方案，他

54、將擴(kuò)頻通信的思想應(yīng)用到數(shù)字水印系統(tǒng)中，通過DCT嵌入水印，把水印嵌入到圖像感知上最重要的頻域因子中，這符合人的視覺特性（HVS，Human Visual System）。采用這種方法嵌入的水印具有較強(qiáng)的魯棒性，可以抗擊中值濾波、JPEG壓縮、抖動、剪切等攻擊，也因此當(dāng)時提出了許多基于DCT變換的水印算法。但是該方案有一個很大的缺陷就是在提取水印的時候，需要原始圖像，即不是盲水印，這大大降低了其實用價值，因為在很多場合不易得到原始圖像。&

55、lt;/p><p>　　1996年P(guān)itas[19]提出了一個盲水印方案，提取水印時不需要原始圖像的參與，但他這種方法是基于空間域，而不是變換域，所以其魯棒性較差；1997年Voyatzis[20]將混沌的方法引入數(shù)字水印，魯棒性有所提高，但還是基于空間域；1999年Kundur[21]等提出了基于DWT的水印嵌入技術(shù)，通過修改DWT系數(shù)進(jìn)行水印的嵌入。</p><p>　　但是以上方法，對幾

56、何攻擊的魯棒性較差，并且嵌入水印的容量和數(shù)字水印的不可見性有矛盾。</p><p>　　隨著數(shù)字水印技術(shù)的不斷深入發(fā)展，水印技術(shù)不僅局限與上述的數(shù)字圖像，還把水印嵌入在音頻、文本、視頻和三維模型中等。</p><p>　　自從數(shù)字水印概念提出以來，數(shù)字水印在信息安全和經(jīng)濟(jì)上的重要地位日益提高，國內(nèi)外研究發(fā)展較為迅速。世界各國的許多科研機(jī)構(gòu)、大學(xué)和商業(yè)集團(tuán)都積極地參與或投資數(shù)字水印的研究。&

57、lt;/p><p>　　國外著名的研究數(shù)字水印的大學(xué)有：麻省理工學(xué)院、南加利福尼亞大學(xué)、劍橋大學(xué)、洛桑聯(lián)邦工學(xué)院、日內(nèi)瓦大學(xué)。研究數(shù)字水印的公司主要有：微軟公司、朗訊貝爾實驗室、IBM公司、日立公司、NEC等公司；關(guān)于信息隱藏的國際會議：1996年5月,在英國劍橋牛頓研究所召開了第一屆國際信息隱藏學(xué)術(shù)討論會(International Information Hiding Workshop,IHW)；經(jīng)過10年的發(fā)展

58、，2006年7月，第八屆國際信息隱藏會議在美國召開。國際學(xué)術(shù)界陸續(xù)發(fā)表了許多關(guān)于數(shù)字水印技術(shù)方面的文章。</p><p>　　國際上還成立了一些專門的機(jī)構(gòu)，如拷貝保護(hù)技術(shù)工作組（CPTWG,Copy Protection Technique Working Group）從1995年開始致力于基于DVD的視頻版權(quán)保護(hù)研究，安全數(shù)字音樂創(chuàng)始（SDMI,Secure Digital Music Initiative）從

59、1999年開始研究音頻的版權(quán)版</p><p>　　護(hù)，數(shù)字水印是其中的核心關(guān)鍵技術(shù)。</p><p>　　另外國外一些商業(yè)數(shù)字水印軟件也應(yīng)運(yùn)而生。1995年美國的Digimarc公司率先推出了第一個商用數(shù)字水印軟件，并集成到Adobe公司的Photoshop4.0以上版本，這是一個基于Internet的水印認(rèn)證系統(tǒng)，網(wǎng)上注冊后可以實時告訴注冊用戶的版權(quán)保護(hù)的圖像在哪些網(wǎng)站上。該軟件有較好

60、的抗常規(guī)和全局幾何攻擊能力,但抗局部非線性幾何攻擊能力較差，并且隱藏的信息量少，也無法在二值圖像中嵌入水印，當(dāng)我們把水印圖像二值化后，就可以將水印去除。另外2001年在瑞士成立了AlpVision公司推出了LavelIt軟件，能夠在任何掃描的圖片中隱藏若干字符，這些字符標(biāo)記可以作為原始文件出處的證明和文檔的保護(hù)與跟蹤。MediaSec公司的SysCop用水印技術(shù)來保護(hù)多媒體內(nèi)容，欲杜絕非法拷貝、傳播和編輯。</p><

61、;p>　　隨著國際間的信息與技術(shù)交流，國內(nèi)的許多研究所和高校也投入到數(shù)字水印的研究中來。例如哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中山大學(xué)、北京郵電大學(xué)、浙江大學(xué)、中國科學(xué)院自動化研究所等等。他們是國內(nèi)較早投入水印技術(shù)研究的科研單位。</p><p>　　1999年12月11日，我國信息安全領(lǐng)域的何德全院士、周仲義院士與有關(guān)應(yīng)用研究所單位，聯(lián)合在北京開了第一屆信息隱藏學(xué)術(shù)研討會(CIHW)；2001年1月，由國家863計劃智能計

62、算機(jī)專家組織召開了“數(shù)字水印技術(shù)研討會”，來自國家自然科學(xué)基金委員會、國家信息安全測評認(rèn)證中心、中科院自動化所模式識別國家重點(diǎn)試驗室、中科院計算所CAD開發(fā)實驗室、北京大學(xué)、浙江大學(xué)、上海交通大學(xué)、國防科技大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)等多家科研機(jī)構(gòu)和高等學(xué)府的專家學(xué)者和研究人員參加了這次會議，這充分反映了我國對這一領(lǐng)域研究的高度重視和大量投入。2006年8月6日在哈爾濱召開了第六屆全國信息隱藏暨多媒體安全學(xué)術(shù)研討會（CIHW2006），這些學(xué)術(shù)會議的

63、召開很大程度地推進(jìn)了國內(nèi)水印技術(shù)的研究與發(fā)展，關(guān)于數(shù)字水印方面的文章國內(nèi)也非常多，這說明我們的數(shù)字水印研究已經(jīng)開始，并有較好的發(fā)展趨勢。另外國家對信息安全產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展也非常重視，在《2006年國家自然基金項目指南》中，將“數(shù)字媒體內(nèi)容安全關(guān)鍵技術(shù)及</p><p>　　評測方法的研究”，特別是“抗幾何攻擊的安全數(shù)字圖像/音頻/視頻水印、幾何造型數(shù)字水印”，作為重點(diǎn)支持方向之一。在《2007年國家自然科學(xué)基金項目

64、指南》中，把“文本信息隱藏”的研究作為重點(diǎn)支持方向之一。</p><p>　　現(xiàn)在，國內(nèi)也已出現(xiàn)了一些生產(chǎn)水印產(chǎn)品的公司和產(chǎn)品，其中比較有代表性的2002年成立的上海阿須數(shù)碼技術(shù)有限公司，成都宇飛信息工程有限責(zé)任公司；另外2005年7月27日由華旗研究院最新研制的愛國者數(shù)字水印數(shù)碼相機(jī)，可以在相機(jī)拍出的照片存儲到存儲卡之前嵌入水印信息，這樣充分地保護(hù)了最初捕獲到的圖像內(nèi)容。</p><p>

65、;　　雖然近年來國內(nèi)外數(shù)字水印技術(shù)發(fā)展很快，但離實際應(yīng)用還有一段距離。在圖像數(shù)字水印方面，影響其應(yīng)用的主要原因有：魯棒性問題，特別是抗幾何攻擊的能力、抗局部非線性幾何攻擊能力、多水印嵌入的問題、在二值文本圖像中嵌入水印的問題。</p><p>　　第三章 數(shù)字水印技術(shù)</p><p>　　本章主要介紹數(shù)字水印的基本概念，基本模型，水印系統(tǒng)的要求以及相關(guān)的算法設(shè)計問題。同時也說明了水印系統(tǒng)的

66、評測標(biāo)準(zhǔn)和常見的對水印系統(tǒng)的攻擊。</p><p>　　3.1 數(shù)字水印系統(tǒng)基本模型</p><p>　　所謂的數(shù)字水印技術(shù)，就是將數(shù)字、序列號、文字、圖像標(biāo)志等版權(quán)信息嵌入到多媒體數(shù)據(jù)中，以起到版權(quán)保護(hù)、秘密通信、數(shù)據(jù)文件的真?zhèn)舞b別和產(chǎn)品標(biāo)志等作用。顯而易見，圖像數(shù)字水印系統(tǒng)的基本思想是在一幅宿主圖像（原始圖像）中嵌入一個秘密信息（即水印），而且要保證水印是不可覺察而且安全的，在知道水印

67、嵌入過程中所有或部分密鑰的情況下，應(yīng)該可以恢復(fù)或檢測出嵌入的秘密信息。所有的水印系統(tǒng)都應(yīng)該包括兩個基本模塊：水印嵌入模塊和水印檢測（或提?。┠K。</p><p>　　設(shè)X為原始圖像，W為水印信息，使用一個密鑰K，通過某種運(yùn)算在原始圖像X中疊加水印信息W，得到公開的信號S，這個過程可以表示為S=X⊕W，這里⊕表示某種運(yùn)算，可以是簡單的代數(shù)加法或復(fù)雜的非線性運(yùn)算等各種可能的處理。公開的信號S會受到許多有意的或無意的

68、攻擊，這里不妨假設(shè)攻擊所帶來的失真為信號E，則攻擊之后的信號R=S⊕E[22]?？梢姡瑘D像水印系統(tǒng)的基本模型如圖 3-1 所示：</p><p>　　圖 3-1 圖像水印系統(tǒng)一般模型</p><p>　　其中的水印信息可以是任何形式的數(shù)據(jù)：高斯噪聲、隨機(jī)序列、二值圖像、灰度圖像等。</p><p>　　密鑰用來加強(qiáng)系統(tǒng)的安全性，以避免敵手的移除和修改等惡意攻擊。很多

69、的水印系統(tǒng)，都是由一個密鑰控制的偽隨機(jī)數(shù)生成器生成相應(yīng)的隨機(jī)數(shù)來加密水印信息或選擇水印嵌入的位置。只有密鑰的所有者才可以獲取水印信息。</p><p>　　在水印信息嵌入前，也可以利用置亂技術(shù)來分散錯誤比特的分布，提高數(shù)字水印的</p><p>　　視覺效果及抗剪切等能力，從而提高水印系統(tǒng)的魯棒性和安全性。</p><p>　　3.2 數(shù)字水印系統(tǒng)的要求</p

70、><p>　　一般來講，數(shù)字水印系統(tǒng)具有如下幾個基本要求[23]：</p><p><b>　　1．不可感知性</b></p><p>　　對數(shù)字水印系統(tǒng)的一個重要的要求就是水印可感知的透明度（也是我們常說的不可視性），要保證水印嵌入后的作品沒有人為修改的痕跡。</p><p><b>　　2．魯棒性</b&

71、gt;</p><p>　　嵌入了水印的圖像在傳輸和發(fā)布過程應(yīng)該對可能發(fā)生的技術(shù)性修改具有魯棒性。魯棒性要求對圖像進(jìn)行一些常見的信號處理或者圖像操作后仍然能夠檢測出水印，比如對圖像進(jìn)行濾波、噪聲干擾、邊緣增強(qiáng)、抖動、剪切、掃描、有損壓縮、A/D、D/A 轉(zhuǎn)換等操作。另外，水印技術(shù)還應(yīng)能抵御各種有意的破壞，它們包括移去水印和使水印無法提取。</p><p><b>　　3．冗余性&

72、lt;/b></p><p>　　盡管在允許的范圍內(nèi)所做的改動很小，為了保證健壯性，通常將水印信息冗余的分布在很多的樣本中，從而得到整體的健壯性，這意味著利用一小部分已嵌入水印的數(shù)據(jù)就可以恢復(fù)出水印。</p><p>　　4．對給定水印的提取或驗證</p><p>　　如果水印信息是特定的信息或者圖案，那么通過水印提取模塊恢復(fù)出嵌入的水印就是系統(tǒng)的最終目的。而

73、如果水印信息是預(yù)定義的可容許水印集合中的一種，譬如由密鑰空間中的一個密鑰控制的偽隨機(jī)生成器生成的高斯噪聲，則需要將提取的水印與可容許水印集合相比較進(jìn)行驗證，這也就是檢測器的功能，系統(tǒng)的輸出是“發(fā)現(xiàn)水印”或“沒有水印”的結(jié)論。</p><p>　　3.3 水印系統(tǒng)的評測</p><p>　　水印的魯棒性取決于以下幾個方面：</p><p><b>　　1．嵌

74、入信息的數(shù)量</b></p><p>　　因為它直接影響水印的魯棒性，所以是一個重要的參數(shù)。嵌入的信息越多水印的魯棒性就越低。</p><p><b>　　2．水印嵌入強(qiáng)度</b></p><p>　　在水印嵌入強(qiáng)度（對應(yīng)于水印的魯棒性）和水印不可視性之間有一個均衡。高魯棒性需要更強(qiáng)的嵌入，這反過來增大了水印的可視性。</p&

75、gt;<p>　　3．?dāng)?shù)據(jù)的大小和種類</p><p>　　通常，數(shù)據(jù)的尺寸大小和類型對嵌入水印的魯棒性有直接的影響。</p><p>　　對水印不可視性的評估可以通過主觀測試或者質(zhì)量度量來衡量。主觀測試主要就是通過人眼觀察，看圖像是否與原始圖像相似。主觀測試對最終的質(zhì)量評價和測試是有一定價值的，但在研究和開發(fā)情況下并不實用。在這種情況下，量化失真的度量也就更加有效，并且也使

76、不同方法間的比較趨于合理，因為其結(jié)果不依賴于主觀評定。一般采用的度量標(biāo)準(zhǔn)是信噪比（SNR）和峰值信噪比（PSNR）。</p><p>　　3.4 常見的對水印系統(tǒng)的攻擊</p><p>　　水印圖像在發(fā)布過程中可能會遇到有意或者無意的攻擊，一個成功的水印系統(tǒng)應(yīng)該在遭受一些處理后仍然能檢測出水印的存在，或者當(dāng)水印被破壞的時候，圖像已經(jīng)產(chǎn)生嚴(yán)重的失真而失去本身的價值。以下列出一些水印圖像比較常

77、遇到的攻擊：</p><p>　　●魯棒性攻擊：包括如壓縮（JPEG 壓縮等）、濾波（低通、高通、中值、高斯、均值濾波等）、疊加噪聲、圖像量化與增強(qiáng)、圖像剪裁（并不會使圖像質(zhì)量有所下降，但卻很輕易的使水印檢測失敗）、幾何失真、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換、圖像校正等。 </p><p>　　●IBM 攻擊：又稱為解釋攻擊，是針對可逆、非盲水印算法而進(jìn)行的攻擊。</p><p>

78、;　　●馬賽克攻擊：馬賽克攻擊方法首先把圖像分割成為許多個小圖像，然后將每個小圖像放在HTML頁面上拼湊成一個完整的圖像。一般的Web瀏覽器都可以在組織這些圖像時在圖像中間不留任何縫隙，并且使這些圖像的整體效果看起來和原圖一樣，從而使得探測器無法從中檢測到侵權(quán)行為。</p><p><b>　　●串謀攻擊。</b></p><p>　　●Oracle攻擊：Oracle

79、攻擊利用公開了的水印解碼器。 </p><p>　　第四章 抗幾何攻擊數(shù)字水印算法</p><p>　　抗幾何攻擊的圖像水印算法，一直是近幾年魯棒性水印技術(shù)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，而總結(jié)和分析現(xiàn)有的各種不同的抗幾何攻擊圖像水印算法，并對其做出分析評價，對設(shè)計出新型、性能更好的水印算法具有重要的指導(dǎo)作用。下面我們將分門別類地對現(xiàn)有水印攻擊技術(shù)進(jìn)行綜述性介紹，其中，我們將重點(diǎn)研究基于特征矩陣校正的抗

80、圖像幾何攻擊技術(shù)。</p><p>　　4.1 圖像數(shù)字水印的幾何攻擊</p><p><b>　　1．幾何攻擊的概念</b></p><p>　　幾何攻擊又稱同步攻擊，屬于檢測失效攻擊類，其本質(zhì)是破壞水印嵌入和提取之間的同步性，使得水印在空間位置上的相關(guān)性受到破壞，從而給水印檢測帶來困難，甚至是無法檢測到水印信息。</p>&l

81、t;p>　　靜態(tài)圖像的幾何攻擊通常采用幾何變換來實現(xiàn)，如對圖像進(jìn)行平移、縮放、旋轉(zhuǎn)、剪切、行列的移除、輕微的隨即扭曲、像素置換、二次抽樣化、像素或者像素簇的插入或抽取以及上述方法的組合等。</p><p>　　最基本的幾何攻擊有RST(旋轉(zhuǎn)、縮放和平移)、縱橫比改變，它們屬于仿射變換(全局變換)，變換時每個象素可以用同一個公式表示。公式如下：</p><p><b>　　設(shè)

82、：仿射變換從點(diǎn)到</b></p><p>　　式中 ;; 為平移部分，參數(shù)為為線性部分，參數(shù)為</p><p>　　當(dāng)確定了dx,dy,a,b,c,d.六個參數(shù)后，這個全局變換就確定了。如果水印圖像遭到了這種幾何攻擊，經(jīng)過反變換就可以回到幾何變換前的圖像，常用的抵抗幾何攻擊的算法有如下幾種[24]。</p><p><b>　　(1)平移&l

83、t;/b></p><p>　　圖像平移是指將對象沿直線路徑從一個坐標(biāo)位置移到另一個坐標(biāo)位置的重定位,即</p><p>　　通過給原始坐標(biāo)位置加上平移距離和來平移二維點(diǎn),從而實現(xiàn)到新位置的移動，如圖4-1所示。</p><p>　　圖4-1 圖像的平移</p><p>　　平移變換可以用式(4-2)表示：</p><

84、;p><b>　　(2)縮放</b></p><p>　　縮放變換改變對象的尺寸。對于多邊形縮放，可以通過將每個頂點(diǎn)的坐標(biāo)乘以縮放系數(shù)和，從而產(chǎn)生變換的坐標(biāo)，如圖4-2。</p><p>　　圖4-2 圖像的縮放</p><p>　　縮放變換可以用式(4-3)進(jìn)行表示：</p><p><b>　　(3)

85、旋轉(zhuǎn)</b></p><p>　　圖像旋轉(zhuǎn)是指將對象沿平面內(nèi)的圓弧路徑重定位。需要指定旋轉(zhuǎn)角度和對象旋轉(zhuǎn)的基準(zhǔn)點(diǎn)，可以描述為通過基準(zhǔn)點(diǎn)，圍繞垂直于平面的旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，如圖4-3。</p><p>　　相對于原點(diǎn)旋轉(zhuǎn)度可以用式(4-4)進(jìn)行表示：</p><p>　　圖4-3 圖像的旋轉(zhuǎn)</p><p><b>　　(4

86、)裁剪</b></p><p>　　圖像裁剪攻擊主要是破壞圖像本身的完整性，裁去圖像一部分內(nèi)容或僅保留圖像一部分，從而導(dǎo)致水印檢測失敗。</p><p><b>　　(5)其它攻擊</b></p><p>　　行列的移除直接從圖像中刪除一行或一列，從而在不破壞圖像質(zhì)量的條件下對水印系統(tǒng)進(jìn)行攻擊。這種攻擊對于某些域水印算法有致命的打擊

87、。</p><p>　　輕微的隨機(jī)扭曲：圖像被少量的拉伸、剪切和移動，然后對圖像利用雙線性或Nyquist插值進(jìn)行重采樣。</p><p>　　其它復(fù)雜攻擊如像素置換、二次抽樣化、像素或者像素簇的減少或增加等，對圖像的視覺影響很小，但是抵抗起來更加困難。</p><p>　　更復(fù)雜的則是基于抖動的攻擊，將數(shù)據(jù)集切割成幾小塊,然后隨機(jī)移動或復(fù)制小塊，再將小塊粘貼回去。

88、若以一種很巧妙的方式進(jìn)行上述過程,，這種改換只帶來很小的甚至沒有知覺的降質(zhì)，但是被證明對許多水印算法都十分有效[25]。</p><p>　　2．幾何攻擊對數(shù)字水印算法的影響</p><p>　　對于給定的水印算法，水印檢測器必需知道水印嵌入的確切位置。而水印圖像在經(jīng)過幾何攻擊之后，水印信息位置隨著像素的移動而發(fā)生變化，如果依然按照嵌入策略直接對攻擊后的水印圖像來提取水印，則必然導(dǎo)致檢測失

89、敗。</p><p>　　現(xiàn)在大部分圖像水印算法普遍使用DFT、DCT、DWT來提高水印算法的性能，其中DCT、DWT不具有幾何不變性，DFT雖具有一定的幾何不變性，但其本身并不足以實現(xiàn)水印算法的抗幾何攻擊。在幾何失真后，原有位置系數(shù)的值都將發(fā)生較大的變化，盡管水印信息從一定意義上講仍然可能存在于圖像媒體中，但其在整個圖像中的位置己經(jīng)與嵌入時完全不同，因此，幾何攻擊破壞了水印信息的同步。如果水印算法中沒有設(shè)計抵御

90、幾何攻擊的措施，水印的檢測尤其是一些盲水印算法將是十分困難的。</p><p>　　4.2抗幾何攻擊圖像數(shù)字水印算法分析</p><p>　　從以上的分析可以發(fā)現(xiàn)，在沒有原始圖像或其它參考信息存在的情況下，幾何攻擊將會導(dǎo)致水印檢測徹底失敗。為了抵抗幾何攻擊，就需要在水印圖像被攻擊之后能夠?qū)崿F(xiàn)水印嵌入的重定位。</p><p>　　1．基于圖像校準(zhǔn)的方法</p&

91、gt;<p>　　該類方法，借助于原始圖像或未受攻擊的水印圖像，采用圖像校準(zhǔn)(Image Registration)技術(shù)[26]估計出水印圖像的幾何變形及參數(shù)，然后對攻擊后的圖像進(jìn)行相反的幾何變換(即圖像校正) ，然后再進(jìn)行水印檢測，該過程如圖4-4所示。</p><p>　　圖4-4 基于幾何校正的水印檢測</p><p>　　圖像校準(zhǔn)算法可分為基于區(qū)域的、基于圖像特征的以

92、及基于Fourier變換的等。基于區(qū)域的校準(zhǔn)法直接利用圖像的像素信息，抗噪聲能力差，對旋轉(zhuǎn)攻擊處理比較困難，并且計算量大，校準(zhǔn)效率低。在基于圖像幾何特征的校準(zhǔn)法中，算法的穩(wěn)定性主要依賴于特征空間的選取(點(diǎn)特征、線特征、區(qū)域特征等)、相似性度量、搜索空間、搜索策略等。從實際情況來看，圖像幾何特征的數(shù)量與位置的精確性定位通常受限制，因為圖像中的幾何基本體經(jīng)常由于過于簡單而導(dǎo)致圖像幾何特征稀少和不精確?；贔ourier變換法利用Fourie

93、r變換的性質(zhì)校準(zhǔn)平移和旋轉(zhuǎn)，但對縮放校準(zhǔn)比較困難，旋轉(zhuǎn)校準(zhǔn)需要進(jìn)行二維搜索。</p><p>　　這些非盲檢測水印算法在檢測水印時需要原始載體，使得其應(yīng)用受到較大限制。況且，許多應(yīng)用場合無法確定原始載體，如視頻監(jiān)控或者跟蹤。此外，視頻水印應(yīng)用中，由于要處理的數(shù)據(jù)量很大，使用原始視頻也是行不通的。因此，不需要原始數(shù)據(jù)的盲檢測技術(shù)具有更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。</p><p>　　2．基于窮舉搜索的方

94、法</p><p>　　對于時間或空間上的幾何失真，檢測水印的簡單方法是窮舉搜索。在定義各個失真參數(shù)可能值的范圍和搜索分辨率之后，檢查參數(shù)的每個組合。失真參數(shù)值的每個組合都代表了一種假定的失真，這是在嵌入水印后可能施加于作品之上的失真。搜索涉及到補(bǔ)償每個假定的失真，并對每個可能的參考模板使用水印檢測器。換句話說，在檢測之前我們可以對參考模板施加假定的失真。</p><p>　　但是，窮舉搜

95、索會出現(xiàn)兩個主要問題，都是與大量的水印檢測器應(yīng)用有關(guān)。首先也</p><p>　　是最明顯關(guān)注的是計算花費(fèi)，需要計算的次數(shù)隨搜索空間的增大而增加；第二個重要問題是對虛警率的影響，這是由一個水印檢測器的多重應(yīng)用引起的，虛警率會隨著搜索空間的增大而增大。對每個未加水印的作品，我們在檢測器中測試了N種失真版本。如果在這些版本中至少有一個發(fā)現(xiàn)了水印，那么檢測器將產(chǎn)生虛警。假定表示作品的任何單個版本的隨機(jī)作品虛警率為Pfp

96、，N個版本中至少有一個會導(dǎo)致虛警的概率達(dá)到N×Pfp。當(dāng)N很大時，這將是不可接受的。</p><p>　　3．基于幾何不變量的水印算法</p><p>　　這類算法的基本思想是從原始圖像中找到具有幾何不變量用來隱藏水印。由于具有幾何不變性，在水印圖像遭受幾何攻擊后，這些量并沒有變化，因而隱藏于其中的水印信息得以保存。該類算法的優(yōu)點(diǎn)是不用估計并恢復(fù)幾何攻擊。根據(jù)幾何不變量的獲取不同

97、，算法又可劃分為基于幾何不變域的(Invariant Domain) 和基于幾何不變矩的( Invariant Moment) 水印算法。</p><p>　　4．基于同步模板的方法</p><p>　　利用模板的數(shù)字水印技術(shù)是一種能夠抵抗幾何攻擊的重要技術(shù)。模板本身并不攜帶信息，只是一種幾何同步的恢復(fù)手段。利用模板的水印方法，其水印提取包括兩個階段：首先利用模板來識別圖像可能經(jīng)歷的各種變

98、換；然后對圖像進(jìn)行逆變換并提取其中的水印，具體過程如圖4-6所示。這種方法除了嵌入水印信號之外，還需要嵌入同步模板，因此會減少圖像的保真度和水印容量。并且，系統(tǒng)的魯棒性依賴于幾何失真的糾正(同步模板的檢測) 和水印檢測方法的魯棒性[27]。</p><p>　　圖4-6 基于同步模版方法的示意圖</p><p>　　4.3雙樹復(fù)小波變換分析</p><p><

99、b>　　1．實數(shù)小波變換</b></p><p>　　自出現(xiàn)20多年來，小波理論日臻完善，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，深受科學(xué)家和工程師重視。從分析過程來看，DWT首先將輸入信號分解為高頻和低頻分量(通過高通濾波和低</p><p>　　通濾波)，再經(jīng)過二抽取即得到小波分解系數(shù)(以下簡稱小波系數(shù))，特別設(shè)計的分解和重構(gòu)濾波器組H0(ω)，H1(ω)，能夠保證信號完美重構(gòu)(PR, P

100、erfect Reconstruction)。但是，DWT的二抽取過程卻帶來了一些缺陷，嚴(yán)重影響了小波域信號處理效果。例如圖4-7中[28]，</p><p>　　圖4-7 一階DWT(正交小波)：分解和重建</p><p>　　式中 和分別表示原信號和低頻分量的離散時間Fourier變換(Discrete Time Fourier Transform，DTFT)，“”表示二抽取。顯然，

101、 </p><p>　　該式表明二抽取過程引起了較大混疊，帶來畸變，嚴(yán)重影響小波系數(shù)表征原信號特征的能力。混疊帶來的缺陷主要表現(xiàn)在兩個方面[29]：</p><p><b>　　(1)平移敏感性</b></p><p>　　平移敏感性是指輸入信號一個很小的平移會使小波系數(shù)產(chǎn)生非常明顯的變化。雖然小波濾波器組能夠保證信號完美重構(gòu)，或者說低通和高通

102、分量的總能量對于信號平移能夠保持不變，但是低通和高通分量卻不能單獨(dú)保持平移不變。如圖4-8中，三個完全相同的單位脈沖處于不同位置，其一階DWT的低通小波系數(shù)就不相同了。這一缺陷可能使DWT在提取信號(圖像)特征時，丟失一些重要信息，產(chǎn)生錯誤的結(jié)果。</p><p>　　圖4-8 DWT的平移敏感性</p><p>　　圖4-9 DWT缺乏方向選擇性</p><p>

103、　　(2)缺乏方向選擇性</p><p>　　DWT在圖像處理時多采用可分離方式：在行和列兩方向分別先后進(jìn)行濾波和二抽取，由此產(chǎn)生四個子圖像：LL,LH,HL和HH子圖像。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是算法簡潔，結(jié)構(gòu)清晰；缺點(diǎn)是LH,HL和HH子圖像分別突出了某些方向的信息，弱化了其它方向的信息，也不利于提取完整的圖像信息。如圖4-9中，(a)是一個完整的圓，其一階二維DWT的三個子圖像(c),(d),(e)在不同方向均出現(xiàn)缺

104、口。這一缺陷同樣會使DWT在提取信號(圖像)特征時，丟失一些重要信息。</p><p><b>　　2．雙樹復(fù)小波變換</b></p><p>　　為了克服DWT的這些缺陷，Kingsbury等人提出了DT-CWT(Dual Tree Complex Wavelet Transform)[29,30]。DT-CWT采用了二叉樹結(jié)構(gòu)的兩路DWT，一棵樹生成變換的實部，另

105、一棵樹生成虛部。Kingsbury的思路是：對于第一層分解，如果兩樹濾波器之間的延遲恰是一個采樣間隔，那么就可以確保第二棵樹中第一層的二抽取正好采樣到第一棵樹中因二抽取所丟掉的采樣值(這樣就等價于沒進(jìn)行二抽取，而且非常易于實現(xiàn)，如在第二棵樹前加一個采樣周期延遲即可)；對于以后的各層分解，為了保證兩樹在該層和所有前層上產(chǎn)生的延遲差的總和相對于原始輸入為一個采樣周期，兩樹對應(yīng)濾波器的相頻響應(yīng)之間應(yīng)有半個采樣周期的群延遲，且兩濾波器的幅頻響應(yīng)

106、相等。為了保證線性相位而采用雙正交小波變換，Kingsbury要求一樹的濾波器為奇數(shù)長，另一樹的濾波器為偶數(shù)長。如果在每樹的不同層次間交替采用奇偶濾波器，那么這兩樹就會呈現(xiàn)好的對稱性。</p><p>　　此后，Kingsbury又提出了Q-Shift雙樹復(fù)小波變換，以更巧妙的方法實現(xiàn)兩樹對應(yīng)濾波器之間的半采樣周期延遲。但是DT-CWT是冗余的，對于一維信號，產(chǎn)生了2:1的冗余度，對于n維信號，將產(chǎn)生2n:1的冗

107、余度。</p><p>　　DT-CWT具有與經(jīng)典的Gabor小波變換相似的特性，但它的冗余度遠(yuǎn)小于Gabor小波變換的冗余度，二維DT-CWT的冗余度為4，因此，DT-CWT運(yùn)算復(fù)雜度比Gabor小波變換低得多。</p><p>　　一維DT-CWT是將一對濾波器組同時作用在輸入數(shù)據(jù)上，它包含兩個平行的一維DWT樹(樹A,B)，設(shè)、和、分別是樹A和樹B的低通/高通濾波器，產(chǎn)生復(fù)數(shù)小波變換

108、的實部和虛部系數(shù)，則一維雙樹復(fù)小波：</p><p>　　式中 和分別是樹A和樹B對應(yīng)的小波。</p><p>　　設(shè)、分別表示、的離散傅里葉變換，兩個低通/高通濾波器組需要滿足以下條件：</p><p>　　(1)完全重構(gòu)條件：</p><p>　　(2)是的近似希爾伯特變換，因此、需要滿足下列條件：</p><p&g

109、t;　　即是的近似半抽樣延遲。</p><p>　　以上兩個條件使DT-CWT 既能夠?qū)D像進(jìn)行完全重構(gòu)，又具有近似的平移不變性。</p><p>　　圖4-10所示是兩維離散小波基，有三個方向(水平、垂直和對角線方向)。二維雙樹復(fù)數(shù)小波基如圖4-11所示，有六個方向(±15°,±45°,±75°)，第一行表示六個方向的實部，第二

110、行為虛部。由圖4-10和圖4-11可知，二維DT-CWT比二維DWT具有更好的方向選擇性，而實際紋理的方向性很豐富，因此二維DT-CWT能比二維DWT更好地刻畫紋理的特性[31]。</p><p>　　圖4-10 二維離散小波基</p><p>　　圖4-11 二維雙樹復(fù)數(shù)小波基</p><p>　　4.4 基于DT-CWT的幾何校正算法</p>&l