数字图像水印技术研究
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第一章 绪 论
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第一章 绪 论
§1.1 选题背景和研究意义
近年来，随着因特网的普及和应用，信息社会的全球化进程不断飞速前进，
人们获得和处理信息的方式发生了极大的改变。计算机技术、网络技术和多媒体
技术的出现和革新，拓展了信息共享的时空域，利用手中的数字电子设备人们可
以方便地制作、处理、存储和传播各种形式的多媒体数字信息(图像、视频、音频
等)。通过网络，人们能够得到的数字服务也越来越多，如数字图书馆、数字电视、
数字新闻等。就在人们可以便利地使用多媒体信息和服务的同时，一个不可忽视
的安全问题开始凸现出来——信息的低成本、高速度的被复制和传播同样为盗版
者提供了便利，随之而来的盗版侵权活动也日益猖獗。如何在网络环境中实施有
效的版权保护和信息安全成为数字社会一个紧迫的议题。
成熟的密码学可以解决信息的安全传递和访问控制，传统的信息加密技术首
先是将要保护的多媒体数据文件加密成密文，然后再进行发布，使得数据传输过
程中出现的非法攻击者无法从密文中获得机密信息，从而达到版权保护和信息安
全的目的。但是也存在着一些缺点：1）它限制了数字信息的交流；2）它无法阻
止加密文件被破解后信息的传播以及密码的肆意分发，对加密信息解密后的内容
的保护只能是鞭长莫及；3）它明确提示了攻击者哪些是重要信息，就算在破解失
败的情况下攻击者也有可能对加密文件进行破坏，使合法的接收者也无法阅读信
息内容。
因此，迫切需要一种对密码学进行补充或者替代的技术，国际上提出了一种
新的有效的数字产品版权保护和数据安全维护技术——数字水印(Digital
Watermarking)技术。作为版权保护的一种技术手段，数字水印技术的研究成果在
20世纪90年代中后期大量的涌现出来。它与钞票水印相似，将特定的信息——水
印，嵌入到图像、音频、视频等数字产品中，用以证明原创作者对其作品的所有
权，并作为起诉非法侵权的证据，同时通过对水印的检测和分析保证数字化信息
的完整性和可靠性，从而成为知识产权保护和数字化信息产品防伪的有效手段。
数字水印技术是信息安全技术领域的一个新方向，它的学术特点在于它涉及
了不同学科领域的思想和理论，如：信号处理、图像处理、信息论、编码理论、
检测理论、概率论、随机理论、多媒体技术、模式识别、密码学、数字通信等多
学科领域。在国际上，数字水印技术尚未形成完整的理论和体系，同时，它又和
具体的实际应用紧密结合，对研究人员来说是一个富有挑战性的课题。由于当前
最新的图像压缩标准 JPEG2000 和视频 MPEG7 压缩标准[1~2]都采用了小波变换
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(Wavelet Transform)，在小波变换域研究数字水印技术是目前的热点，小波变换提
供了较为灵活的时频局部化特征，具有在相应频带与空间方向上选择敏感性、线
性运算快、可供选择的小波基众多等优点，使得基于小波域水印的研究具有广泛
的应用前景和重要意义。
§1.2 数字水印技术的发展历史和现状
数字水印是一种新的信息隐藏技术[3]，是目前信息安全领域发展最快的热点之
一。自从1954年Emil Hembrooke提出专利“Identification of sound and like signals”便
宣告了数字水印技术的诞生。第一篇关于图像数字水印的文章“A Digital
Watermark”发表于1994年，正式提出了“数字水印”这一术语。其中阐明了一些
关于水印的重要概念，被认为是一篇具有历史价值的文献。
1996年在英国剑桥牛顿研究所召开了第一届国际信息隐藏学术研讨会
(Information Hiding International Workshop)，标志着一门新兴的交叉学科——信息
隐藏学正式诞生。至今先后共召开了10次信息隐藏学术会议。几个有影响力的国
际会议(如IEEE ICIP、
IEEE ICASSP、
ACM Multimedia等)以及一些国际权威杂志(如
Proceedings of IEEE 、Signal Processing 、IEEE Journal of Selected Areas on
Communication、Communications of ACM等)相继出版了数字水印的专辑。
当前世界上有几大组织机构：版权保护技术工作组(CPTWG)、数字音视频委
员会(DAVIC)、安全数字音乐指引(SDMI)、唱机工业国际同盟(IFPI)等都在从事水
印技术的研究工作。一些著名的大学、知名公司和研究机构也投入了大量的人力
和财力致力于数字水印技术的研究，并取得了很多研究成果。如美国MIT、英国剑
桥大学、日本NEC研究院和美国IBM研究院、朗讯公司的贝尔实验室。一些公司已
推出了一些数字水印软件产品，如Digimarc Corporation等。在图像水印方面，
Digimarc公司把水印的嵌入和检测同Adobe公司的Photoshop捆绑在一起。
近年来国内已有不少的专门机构也加大了对水印技术的研究力度，相继取得
了一定的成就，并在国内外知名学术刊物上发表了他们的研究成果。我国的科研
人员也十分注重学术交流，中国信息隐藏学术研讨会(China Information Hiding
Workshop)始于1999年，到目前为止也己经举办了7届全国会议，它是我国信息安
全领域中信息隐藏及数字水印技术的专业学术交流活动。国家“863计划”、“973项
目”、国家自然科学基金等都对数字水印的研究有项目资金的支持。现在国内已经
出现了一些生产水印产品的公司，其中比较有代表性的是上海阿须数码技术有限
公司和成都宇飞信息工程有限公司。
虽然数字水印在国内的应用还处于初级阶段，但水印公司的创办使得数字水
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印技术在国内不仅仅只停留在理论研究的层面上，而是从此走上了实用化和商业
化的道路，这样会更加推动国内水印技术的蓬勃发展，为国内的信息安全产业提
供有效的、安全的保障。
§1.3 数字水印研究存在的问题
目前，绝大多数算法是针对静止的黑白图像和灰度图像，涉及彩色图像的较
少，但在实际中接触最多的是彩色图像；大多数研究的水印均由随机序列组成，
对有意义水印的研究不够，但为了达到版权保护的目的，应该嵌入与著作权人相
关的签名等信息，然而这些都是有意义的水印(如文字、图像)；许多数字水印技术
尚未很好地利用人眼的视觉系统的特性，不可见性和鲁棒性之间的矛盾不是处理
得很好；大多数嵌入算法都是研究明文水印，不符合水印发展的实际要求，并且
未对水印进行任何预处理，在安全方面稍弱；一般都是研究如何提高水印在抗几
何攻击方面的能力，但是随着计算机技术的发展和攻击者攻击方法的提高，水印
将来所面对的不仅仅是几何攻击，还会有更多更复杂的攻击手段；现在也有人开
始对嵌入两个水印进行研究，但几乎都是采用同一种嵌入算法，复杂度不高，因
此安全性较低。
尽管在过去的几年中，各种水印算法如雨后春笋般不断涌现，但数字水印技
术仍然是一个未成熟的研究领域，还有许多问题需要解决，其理论基础依然非常
薄弱，大多数水印算法还是经验性的。我们还需要在如下几个方面继续努力：
（1）从理论角度讲，目前数字水印算法研究的基本理论和基本思路，还缺少
非常成功的理论指导。
（2）从算法可应用角度讲，虽然已有商业化的水印系统出现，但是目前针对
各种各样的应用的研究还远未成熟，许多问题如：真伪鉴别、版权证明、网络快
速自动验证以及应用于音频和视频等方面仍然需要比较完美的解决方案。
（3）还没有统一的数字水印算法评价标准。因而无法公正地评价和比较当前
提出的各种水印算法的性能。尽管已有StirMark等测试水印鲁棒性的软件，但要科
学地比较算法的优劣还需要做非常深入的研究。而水印的不可见性只是一个十分
模糊的主观感觉，因此为了衡量算法的性能，有必要建立一种与视觉特性相匹配
的客观标准。
（4）大量的攻击方法。更多的比数字水印算法提出速度还要快的攻击方法的
出现，抑制了数字水印技术的实际应用。从目前的研究来讲，目前还很难找出一
个鲁棒性水印算法可以鲁棒地抵抗现有的各种攻击。
（5）还没有非常成功的模型能够很好地描述数字水印技术的能量问题。尽管
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现在存在三种思路来研究数字水印技术的能量问题，然而这些方法都有它相对的
局限性。使用PSNR方式来研究数字水印能量问题，由于PSNR本身并不能很好地
描述人体视觉、听觉特性，所以无法很好地研究数字水印能量问题。使用人类视
觉、听觉特性，则存在很难确定好的视觉、听觉模型来描述人类视觉、听觉特性
的问题。用信息论的方法来研究数字水印能量问题，则存在各种攻击信道模型不
确定的问题。而这些攻击信道模型不确定，就根本无法正确地用信息论的方法来
研究能量问题。
如果完美地解决了上述问题，相信数字水印技术的应用前景将会更加广阔。
§1.4 本文的研究内容及章节安排
本文以灰度图像为研究对象，结合人类视觉特性，主要研究了基于小波域的
数字水印算法。并通过大量的抗攻击仿真实验对水印系统进行测评，实验表明本
文研究的水印算法具有较好的鲁棒性，对常见的水印攻击有较好的抵抗性。本文
的章节安排如下：
第一章，首先简单介绍了本文的选题背景和研究意义；然后对数字水印技术
的发展历史和现状进行了介绍，并提出了数字水印研究中存在的问题；最后介绍
了本文的主要研究内容。
第二章，本章主要介绍了数字水印的基本理论，首先对数字水印技术进行了
简单的概述，包括数字水印的基本特征、基本模型、分类、应用领域以及与信息
隐藏的对比；简单介绍了数字水印系统面临的常见攻击；最后介绍了图像水印算
法以及人类视觉系统的特点。
第三章，首先回顾了小波分析的发展历程；详细介绍了小波函数与小波变换(连
续小波变换和离散小波变换)，并介绍了几种常见的小波基函数；最后介绍了多分
辨率分析的概念，并在此基础上讨论了信号和图像的小波分解与重构，可知小波
的多分辨率特性与人眼视觉系统相符合，因此在小波域嵌入水印能够获得较好的
鲁棒性和不可见性。
第四章，为了使水印更好的满足鲁棒性和不可见性，首先研究了水印信息的
选择、水印置乱算法和小波基函数的选取；根据人眼的视觉特性和小波分解后各
频段系数所反映的不同含义，确定水印合适的嵌入位置，设计了水印嵌入与提取
两个算法；最后简单介绍了实验环境，并进行了水印嵌入与提取实验，实验结果
表明水印具有较好的不可见性，提取的水印与原水印具有很高的相似度。
第五章，首先简单介绍了算法性能的评估标准和方法，然后对含水印的载体
图像进行大量鲁棒性评测实验，并给出相应的 PSNR 和NC 系数值。实验结果表明，
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本算法嵌入的数字水印能够成功抵抗裁剪、插值缩放、旋转、JPEG 有损压缩、噪
声、直方图均化、线性滤波、中值滤波和锐化等常见的图像处理操作，具有很强
的鲁棒性。
第六章，对本论文研究工作的总结与展望。
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第二章 数字水印的基本理论
§2.1 数字水印概述
提到“水印”，人们首先想到的可能是钞票里的“水印”头像。数字水印与纸
币中的水印在许多情况下有异曲同工的效果。目前，有形形色色的数字水印。
§2.1.1 数字水印的基本特征
数字水印是永久镶嵌在其他数据（宿主数据或载体数据）中具有可鉴别性的
数字信号或模式，而且并不影响宿主数据的可用性。
一般认为，数字水印具有如下基本特征[4,6]：
（1）安全性。数字水印中的信息应是安全的，难以被篡改或伪造，同时，有
较低的虚警率。安全性强调的是在攻击者知道或部分知道数字水印算法（包括嵌
入和提取算法）的情况下，恶意的进行各种攻击操作，试图实现未经授权的嵌入、
提取或检测、删除水印等时，依然可以保证水印的正确 。
（2）可证明性。可证明性是指能为受到版权保护的信息产品的归属，提供完
全和可靠的证据。水印算法只能够识别被嵌入到保护对象中的信息，并能在需要
的时候将其提取出来。水印可以用来判别对象是否受到保护，并能够监视被保护
数据的传播、真伪鉴别以及非法拷贝控制等。
（3）不可感知性。不可感知性包含两方面的意思。其一，指视觉、听觉或人
类的其他感官上的不可感知性。例如，对图像水印而言，因嵌入水印导致图像的
变化对观察者的视觉系统来讲应该是不可察觉的；数字水印的存在不应明显干扰
被保护的数据，不影响被保护数据的正常使用。最理想的含图像水印图像应与原
始图像在视觉上一模一样，至少是人眼无法区别的，这是绝大多数图像水印算法
所应达到的要求。其二，要求采用统计方法不能恢复水印，如对大量的用同样方
法和水印处理过的信息产品即使采用统计方法也无法提取水印或确定水印的存
在。
（4）鲁棒性。鲁棒性是指数字水印必须难以被清除。从理论上讲，只要具有
足够的知识，任何水印都可以去掉。但是如果只能得到部分信息，而水印在图像
中的精确位置未知，那么破坏水印将导致图像质量的严重下降。鲁棒性的提高往
往以降低不可感知性和水印容量为代价，实际的水印算法要根据具体鲁棒性和不
可感知，在它们之间取得平衡，嵌入的水印应是在某种感知阈值下的最优方案。
§2.1.2 数字水印的基本模型
无论从嵌入方法还是从外观形式来看，目前数字水印都是千差万别的，因此，
研究水印模型就显得更为重要。
第二章 数字水印的基本理论
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1、数字水印的一般模型[5]
数字水印目前尚未有好的理论模型。所有嵌入水印的方法都由一个水印嵌入
系统和一个水印恢复系统组成。水印信号嵌入模型如图 2-1 所示，其输入是水印信
息、载体数据和一个可选的公钥或私钥。水印系统使用一个或多个密钥来确保安
全，防止修改和擦除水印。水印可以是任何形式的数据，比如随机数字序列、图
像或文本等。
图2-1 水印信号嵌入模型
图2-2 为水印信号恢复模型，其中的虚框部分表示在提取水印信号时，原始载
体数据不是必要的。
图2-2 水印信号恢复模型
2、数字水印的通信模型[5]
数字水印从本质上说是一种通信方式（从水印嵌入器向水印接收器传输信息，
将水印系统看做信道），水印作为传输信号被加入到原始载体作品中，然后“传输”
到接收端的水印检测器。在“传输”过程中，水印随原始载体作品会受到各种信
号处理（例如，对图像线性滤波、有损压缩等），这些处理可看作信道噪声。
下面给出基于通信的水印模型。首先引入一些记号。用
0
c
表示原始作品，嵌
入水印的作品标记为
w
c
，受噪声/攻击影响的作品标记为
n
c
，嵌入了水印并且带噪
声/攻击的作品则标记为
wn
c
。图 2-3 和图 2-4 显示了两个水印模型，它们都是由基
本通信模型框架映射而来的。图 2-3 的系统采用非盲检测器，检测时需要原始作品，
也就是含辅助信息检测器的水印系统；图 2-4 的系统采用盲检测器。
摘要：
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第一章绪论1第一章绪论§1.1选题背景和研究意义近年来，随着因特网的普及和应用，信息社会的全球化进程不断飞速前进，人们获得和处理信息的方式发生了极大的改变。计算机技术、网络技术和多媒体技术的出现和革新，拓展了信息共享的时空域，利用手中的数字电子设备人们可以方便地制作、处理、存储和传播各种形式的多媒体数字信息(图像、视频、音频等)。通过网络，人们能够得到的数字服务也越来越多，如数字图书馆、数字电视、数字新闻等。就在人们可以便利地使用多媒体信息和服务的同时，一个不可忽视的安全问题开始凸现出来——信息的低成本、高速度的被复制和传播同样为盗版者提供了便利，随之而来的盗版侵权活动也日益猖獗。如何在网络环...
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