基于图像内容的自适应全息水印技术研究

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3.0 刘畅 2024-11-07 16 4 1.17MB 61 页 15积分

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摘要

近年来，随着数字媒体的广泛应用和飞速发展，如何对数字内容进行有效地

版权保护成为了研究的热点之一。数字水印技术作为一门能够实现版权保护、认

证等多重功能的信息隐藏技术，现今已成为学术界和商业研究的重点。为了更好

地平衡水印算法的不可见性和鲁棒性，自适应水印算法已成为了研究的发展趋势。

本文主要针对基于图像内容的自适应水印算法展开研究，在分析已有算法的基础

上，提出了两种针对彩色图像的自适应水印方案。课题的主要内容如下：

1. 研究了彩色图像水印系统的基本构成框架，并对图像水印方案中起到决定

性作用的关键技术进行了阐述，对现有的相关算法及研究成果进行了综述和分析，

避免了重复研究；

2. 提出了一种 DWT 域彩色图像自适应水印嵌入方法，算法考虑了人眼视觉

系统对图像纹理强度、亮度、频带因子等内容的不同敏感性，自适应地进行水印

嵌入强度调节，在水印的不可见性和鲁棒性之间达到了较好的平衡。

3. 对Contourlet 域的人眼视觉掩蔽模型进行了研究，设计了一种基于人眼视

觉系统的 Contourlet 域彩色图像水印嵌入方案。算法通过计算选择水印的嵌入区

域；并通过 Contourlet 域内的噪声敏感度、亮度因子和纹理复杂度等参数自适应

地调整水印的嵌入强度，可以在保证人眼对水印图像不可见的同时，最大强度地

嵌入水印，提高了嵌入水印的能量，有效地增强了水印的鲁棒性。

4. 针对现今自适应水印方案大多使用无意义水印信息的问题，本文使用二值

图像作为水印信息，并使用双相位同轴全息加密方法对水印进行加密，在一定程

度上增强了水印方案的鲁棒性。

5. 针对彩色图像水印方案中往往在嵌入通道选择方面研究不够充足的这一现

状，对于提出的两种水印方案，分别使用

rYC C 和作为中间颜色空间进行比

对研究，研究结果表明通道较为适合进行水印嵌入。

***

La b

关键字：数字水印彩色图像自适应水印全息水印颜色空间

ABSTRACT

The availability of versatile multimedia processing software and the far-reaching

coverage of the interconnected networks have facilitated flawless copying,

manipulations and distribution of the digital multimedia. However, abuses of these

facilities and technologies pose pressing threats to multimedia security management in

general. Digital watermarking, which could be used for a wide range of applications,

has become the focus of academic research.

The main focus of watermark research is to provide good tradeoff between

perceptual quality of the watermarked image and its robustness against different attacks.

For this purpose, adaptive watermarking algorithm has become the trend of the study. In

this paper, two robust adaptive watermarking schemes for color images based on

content are proposed. The main content as follows:

1. Presents a literature review of the existing watermarking techniques, mainly

focuses on adaptive watermarking algorithms;

2. Proposed a DWT domain adaptive watermark embedding method for color

image. The strength of embedding is calculated according to a series combination rule

that take into account contrast sensitivity characteristics of the HVS.HVS gives a direct

way to determine the maximum strength of watermark signal that each portion of an

image can tolerate without affecting the visual quality of the image.

3. Study the masking model of HVS in Contourlet domain, an adaptive watermark

embedding for color image is proposed based on the masking model. Simulation results

of various attacks are also presented to demonstrate the robustness of both the

algorithms. Simulation results verify theoretical observations and demonstrate the

feasibility of the digital watermarking algorithms for use in multimedia standards.

4. Use a binary image as the original watermark pattern. In order to improve the

robustness, use a two-phase coaxial holographic encryption method to encrypt the

watermark.

5. Study the performance of different color spaces in the embedding process. Test

results indicated that component in color space provided the best results

from the point of watermarked image quality and at the same time from the point of

watermark robustness against attacks.

L***

L a b

Key Word: Digital Watermarking, Color Image, Adaptive Watermark

Hologram Watermark, Color Space

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .................................................................................................................... 1

1.1 研究背景及意义 ................................................................................................... 1

1.2 国内外的研究应用现状 ....................................................................................... 2

1.3 本文的主要研究内容和结构安排 ....................................................................... 4

1.3.1 本文的主要研究内容 .................................................................................... 4

1.3.2 本文的结构安排 ............................................................................................ 5

第二章数字水印系统及其性能分析 ............................................................................ 6

2.1 数字水印技术概述 ............................................................................................... 6

2.1.1 数字水印概念 ................................................................................................ 6

2.1.2 数字水印分类和用途 .................................................................................... 6

2.1.3 数字水印基本特性 ........................................................................................ 8

2.2 图像数字水印系统的关键技术 ......................................................................... 10

2.2.1 图像数字水印系统的基本框架 .................................................................. 10

2.2.2 数字水印生成技术 ...................................................................................... 11

2.2.3 颜色空间选择 .............................................................................................. 12

2.2.4 数字水印嵌入提取技术 .............................................................................. 15

2.3 图像数字水印系统的性能分析 ......................................................................... 19

2.3.1 图像数字水印性能评估基准 ....................................................................... 19

2.3.2 图像数字水印的鲁棒性研究 ....................................................................... 21

2.3.3 其他性能研究 ............................................................................................... 23

2.4 本章小结 ............................................................................................................. 23

第三章一种基于图像内容和全息加密的 DWT 域自适应水印算法 ....................... 24

3.1 基于双随机相位加密的同轴全息水印技术 ..................................................... 24

3.1.1 双随机相位加解密 ...................................................................................... 24

3.1.2 同轴全息图的生成和再现 .......................................................................... 25

3.1.3 仿真实验及结果 .......................................................................................... 25

3.2 一种基于图像内容的 DWT 域自适应水印嵌入算法 ...................................... 26

3.2.1 人眼视觉系统敏感特性 .............................................................................. 26

3.2.2 基于图像内容的 DWT 域水印嵌入位置和强度计算 ............................... 27

3.2.3 水印嵌入算法 .............................................................................................. 30

3.2.4 水印提取算法 .............................................................................................. 31

3.3 仿真实验与性能分析 ......................................................................................... 32

3.3.1 仿真实验 ...................................................................................................... 32

3.3.2 嵌入通道分析 .............................................................................................. 33

3.3.3 抗攻击性分析 .............................................................................................. 34

3.4 本章小结 ............................................................................................................. 38

第四章一种基于 Contourlet 变换的彩色图像全息水印算法 ................................... 39

4.1 Contourlet 变换 .................................................................................................... 39

4.2 一种基于 HVS 和Contourlet 变换的彩色图像全息水印算法 ......................... 41

4.2.1 Contourlet 变换域内的掩盖模型构建 ........................................................ 41

4.2.2 水印嵌入算法 .............................................................................................. 42

4.2.3 水印提取算法 .............................................................................................. 44

4.3 仿真实验与性能分析 .......................................................................................... 45

4.3.1 仿真实验 ...................................................................................................... 45

4.3.2 嵌入通道分析 .............................................................................................. 45

4.3.3 抗攻击性分析 .............................................................................................. 46

4.4 本章小结 ............................................................................................................. 50

第五章结论和展望 ...................................................................................................... 51

5.1 结论 ..................................................................................................................... 51

5.2 展望 ..................................................................................................................... 51

参考文献 ........................................................................................................................ 53

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ............................................ 58

致谢 ................................................................................................................................ 59

第一章绪论

1.1 研究背景及意义

现今，随着科学技术的不断发展，科技创新为文化创新带来了全新的手段、

为文化事业的发展提供着源源不断的新动力，数字图像、音频、视频等数字出版

作品逐渐成为主流文化传播方式，为人们的生活和学习带来极大方便。与此同时，

数字作品极易被侵权，高精密打印、扫描设备的出现更是使得对数字内容进行复

侵犯成为了一个难题。现实中，盗版者对数字多媒体产品的非法操作行为通常分

或者翻印数字产品；第二，故意篡改，即恶意修改数字产品以抽取或插入特征并

进行重新发送，从而使原始版权信息丢失；第三，破坏版权，即通过合法途径获

权保护技术（Digital Rights Management，DRM）成为了现今数字出版领域的关注

重点。DRM 技术是一种综合性的技术或技术集合，它以很多常见的技术作为基础，

通过对基础技术的合理组合和应用，构成有效的 DRM 技术体系，实现对数字内容

的版权保护。DRM 系统中通常采用用户身份鉴定、数字内容加密、发放许可证、

复本数控制、权利控制等方法实现对数字内容的保护，防止数字内容的非法复制，

或者使复制很困难、复制代价很高，最终用户必须得到授权后才能使用数字内容，

即用户对数字内容的使用是在 DRM 系统指定的约束条件下进行的。

另一方面，完整的数字作品版权保护方案应当贯穿数字作品从生产到分发、

从销售到使用的整个作品流通过程，进而涉及整个作品内容价值链。如果一幅作

品在不携带任何作品所有者版权信息的情况下，被不法分子破解而后进行复制、

转载，明显会对作品所有者的权利造成侵害。这就使得信息隐藏技术，特别是数

字水印技术（Digital Watermarking）成为了 DRM 系统中不可缺少的一部分。

数字水印的概念最早于 1993 年由 Andrew Tirkel 和Charles Osborne 提出[1]，经

过几十年的研究与应用探索，现今的数字水印技术通常是指在数字作品的创作过

程中将代表版权者信息和作品标识等版权信息通过某种算法、以人眼不可见的形

式嵌入到数字作品中，数字水印的存在不会影响原始作品的视觉质量；在产生版

权纠纷时，可通过一定的算法将数字产品中带有的版权信息全部或部分的提取出

来，通过提取出来的版权信息进行数字作品归属权判断，从而达到版权认证的效

果；在现今较为先进的数字水印产品中，数字作品包含的水印信息中除了版权商

信息外还包含购买该产品的客户信息，在版权商发现盗版现象时，通过数字水印

基于图像内容的自适应全息水印技术研究

技术一方面可以验证自身对该数字产品的产权，另一方面可通过水印中包含的客

户信息，可对盗版的产生渠道进行追溯，这样就达到了版权追踪的效果。

数字水印技术可以贯穿数字作品生产、销售各个环节，从图 1-1 可以看出数字

水印的生命周期与数字作品的生命周期一致，是数字作品 DRM 系统中不可或缺的

一部分，具有成熟的商业应用需求和价值前景。同时，数字水印技术作为一门多

学科交叉技术，数字水印研究涉及了诸如信号处理、信息论、编码理论、密码学、

检测理论、随机理论、通信理论、对策论、计算机科学及网络技术、算法设计等

不同学科领域的思想和理论，是当前信息安全领域的热点之一，具有较强的学术

研究价值。



图 1-1 数字水印的生命周期示意图

1.2 国内外的研究应用现状

自1993 年“Water Mark”这一术语被提出以来，数字水印技术得到了学术界

的高度关注，在 1999 年的第三届国际信息隐藏学术研讨会中，会议发表的 33 篇

文章中 18 篇都是关于数字水印研究的，这无疑显示出水印技术已经成为了信息隐

藏学研究的主旋律。随着学术界对于数字水印的研究热情逐渐升温、相关的国际

会议逐渐增加，工业领域也认识到了数字水印的经济价值。近 30 年来，在大型商

业公司和国家军方及财政部的支持下，水印技术已经取得了较为喜人的研究结果。

每年研究领域内都会召开多个数字水印相关的国际会议，最具有代表性的是国际

光学工程师协会 SPIE 和图像科学与技术协会 IS&T 每年组织召开的“多媒体内容

安全和水印技术讨论会”（Security Steganorgraphy and Watermarking of Multimedia

Contents ）和“国际数字水印讨论会议”（International Workshop on Digital

Watermarking，IWDW）；同时，包括 IEEE Transactions on Signal Processing，IEEE

Trans on Image Processing，IEEE Transactions on Forensic and Information Security 在

内的国际知名期刊都会对数字水印的最新研究进展进行报道。现今，诸如美国麻

省理工学院、英国剑桥大学、哥伦比亚大学 ADVENT 实验室、美国 NEC 研究所、

第一章绪论

普林斯顿大学等研究机构和商业集团已经成功申请了多项数字水印相关的专利。

在理论研究不断深入的同时，用于商业运作的数字水印软件产品也应运而生。1995

年，美国 Digimarc 公司率先推出了世界上第一款商用数字水印软件，该软件后来

被集成到 Adobe 公司的 Photoshop4.0 和CorelDraw 以上版本当中。另一家比较著

名的水印研究公司为瑞士 Alp Vision 公司，该公司的主要研究方向为如何对印刷品

标识防伪和文档安全进行保护，其早期研发的 Photocheck 和Labellt 软件将人眼视

觉不可见理论和数字水印技术结合，实现了在纸质介质印刷品中含有的照片和图

片中嵌入不可见水印，并可通过检测器读取水印信息。英国的 Signum 公司的

Ve r i D a t a 系列软件同样是比较优秀的产品，可将不可见水印嵌入到印刷品中。

在国外数字水印技术研究蓬勃发展的同时，国内的相关研究也快速地发展起

来。1999 年，由北京电子技术应用研究所组织召开了我国信息安全领域的第一届

信息隐藏学术研讨会（CIHW），至今已成功的举办了四届；2000 年，国家“863”

智能专家组和中科院自动化研究所则联合组织召开了数字水印学术研讨会，标志

了我国进入水印技术的研究与发展兴盛期。期间较具有代表性的研究单位有：中

科院自动化研究所的模式识别国家重点实验室、清华大学、天津大学图像信息中

心、东北大学软件中心、北方工业大学等。较有代表性的研究学者有哈尔滨工业

大学的牛夏牧、陆哲明博士；辽宁师范大学王向阳教授；北京邮电大学的杨义先、

钮心忻教授；中国科学院自动化研究所的刘瑞祯、谭铁牛教授等。

国家对数字水印的研究也给予了高度重视，2003 年的《科技型中小企业技术

创新基金若干重点项目指南》中，明确指出了对于“数字产品产权保护（基于数字

水印、信息隐藏、或者网络认证等先进技术）”和“个性化产品（证件）的防伪（基

于水印、编码、或挑战应答等技术）”等多项防盗版和防伪技术予以重点支持[2]。

目前，国内已有几家数字水印公司开发出了具有商业实用价值的数字水印产品，

其中比较有代表性的是由中科院自动化研究所的刘瑞祯、谭铁牛等人于 2002 年在

上海创办的专门从事数字水印、多媒体信息和网络安全、防伪技术等软硬件开发

的上海阿须数码技术有限公司[3]，在图像水印方面已研发出了具有自主知识产权的

图像数字水印软件 Assure Image Mark 2.0；四川省成都市宇飞信息公司则推出的

“宇飞数字水印印刷应用技术”、“电子印章技术”等水印相关软件；方正技术研

究院正在进行电子图书的数字版权保护技术的研究和开发工作，并在电子图书的

版权保护方面取得了一定进展；北京彩虹天地信息技术有限公司提出了 RG-DRM

的数字版权保护解决方案。这些商业用软件的诞生，代表了中国的水印研究已经

成功地由科技研究进入到实际应用阶段。

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摘要：

摘要近年来，随着数字媒体的广泛应用和飞速发展，如何对数字内容进行有效地版权保护成为了研究的热点之一。数字水印技术作为一门能够实现版权保护、认证等多重功能的信息隐藏技术，现今已成为学术界和商业研究的重点。为了更好地平衡水印算法的不可见性和鲁棒性，自适应水印算法已成为了研究的发展趋势。本文主要针对基于图像内容的自适应水印算法展开研究，在分析已有算法的基础上，提出了两种针对彩色图像的自适应水印方案。课题的主要内容如下：1.研究了彩色图像水印系统的基本构成框架，并对图像水印方案中起到决定性作用的关键技术进行了阐述，对现有的相关算法及研究成果进行了综述和分析，避免了重复研究；2.提出了一种DWT域彩色图...

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