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1、信信息息隐隐藏藏技技术术与与应应用用 信息隐藏学时分配（信息隐藏学时分配（36学时学时）n第第1章章2学时学时第第2章章6学时学时n第第3章章6学时学时第第4章章4学时学时n第第5章章4学时学时第第6章章4学时学时n第第7章章2学时学时第第8章章2学时学时n第第9章章2学时学时第第10章章2学时学时n以上为以上为34学时学时复习复习2学时学时第一章第一章信息隐藏技术概论信息隐藏技术概论 n1.1信息隐藏的概念、分类及特点信息隐藏的概念、分类及特点1.1.1什么是信隐什么是信隐藏藏1.1.2信息隐藏的分类信息隐藏的分类1.1.3信息隐藏技术特点信息隐藏技术特点n1.2信息隐藏模型信息隐藏模型n1
2、.3信息隐藏的算法信息隐藏的算法n1.4信息隐藏技术的发展信息隐藏技术的发展n1.5信息隐藏技术的应用领域信息隐藏技术的应用领域1.1信息隐藏的概念、分类及特点信息隐藏的概念、分类及特点1.1.1什么是信息隐藏什么是信息隐藏n信信息息隐隐藏藏是是把把一一个个有有意意义义的的信信息息隐隐藏藏在在另另一一个个称称为为载载体体(Cover)的的信信息息中中得得到到隐隐蔽蔽载载体体(StegoCover)S.如如图图1.1所所示示，非非法法者者不不知知道道这这个个普普通通信信息息中中是是否否隐隐藏藏了了其其它它的的信信息息，而而且且即即使使知知道道也也难难以提取或去除隐藏的信息。以提取或去除隐藏的信息
3、。n所所用用的的载载体体可可以以是是文文字字、图图象象、声声音音及及视视频频等等。为为增增加加攻攻击击的的难难度度，也也可可以以把把加加密密与与信信息息隐隐藏藏技技术术结结合合起起来来，即即先先对对消消息息M加加密密得得到到密密文文消消息息M，再再把把M隐隐藏藏到到载载体体C中中。这这样样攻攻击击者者要要想想获获得得消消息息，就就首首先先要要检检测测到到消消息息的的存存在在，并并知知道道如如何何从从隐隐蔽蔽的的载载体体S中中提提取取M及及如如何何对对M解密以恢复消息解密以恢复消息M.1.1.2信息隐藏的分类信息隐藏的分类 n(1)按按载载体体类类型型分分类类包包括括基基于于文文本本，图图像，声
4、音和视频的信息隐藏技术。像，声音和视频的信息隐藏技术。n(2) (2) 按按密密钥钥分分类类若若嵌嵌入入和和提提取取采采用用相相同同密密钥钥，则则称称其其为为对对称称隐隐藏藏算算法法，否否则则称称为公钥隐藏算法。为公钥隐藏算法。n(3) (3) 按嵌入域分类按嵌入域分类主要可分为空域（或主要可分为空域（或时域）方法及变换域方法。时域）方法及变换域方法。n(4) (4) 按提取的要求分类按提取的要求分类若在提取隐藏信若在提取隐藏信息时不需要利用原始载体息时不需要利用原始载体C，则称为盲隐则称为盲隐藏；否则称为非盲隐藏。藏；否则称为非盲隐藏。n(5) (5) 按按保保护护对对象象分分类类主主要要可
5、可分分为为隐隐写写术术和水印技术。和水印技术。1)隐写术隐写术的目的是在不引起任何怀疑的的目的是在不引起任何怀疑的情况下秘密传送消息，因此它的主要要情况下秘密传送消息，因此它的主要要求是不被检测到和大容量等。求是不被检测到和大容量等。n2) 2) 数字水印是指嵌在数字产品中的数字数字水印是指嵌在数字产品中的数字信号，可以是图像，文字，符号，数字信号，可以是图像，文字，符号，数字等一切可以作为标识和标记的信息，其等一切可以作为标识和标记的信息，其目的是进行版权保护、所有权证明、指目的是进行版权保护、所有权证明、指纹（追踪发布多份拷贝）和完整性保护纹（追踪发布多份拷贝）和完整性保护等。等。n3)数
6、据隐藏和数据嵌入：数据隐藏和数据嵌入：n4)指纹和标签：指纹和标签：1.1.3信息隐藏技术特点信息隐藏技术特点 n(1)透明性透明性n(2)(2)鲁棒性鲁棒性n(3)(3)不可检测性不可检测性n()安全性安全性n()自恢复性自恢复性n( () )对称性对称性 n( () )可纠错性可纠错性1.2信息隐藏模型信息隐藏模型1.3信息隐藏的算法信息隐藏的算法 n(1)空域算法空域算法该类算法中典型的算法是将该类算法中典型的算法是将信息嵌入到随机选择的图像点中最不重信息嵌入到随机选择的图像点中最不重要的像素位要的像素位(LSB)上，这可保证嵌入的水上，这可保证嵌入的水印是不可见的。印是不可见的。LSB
7、算法的主要优点是算法的主要优点是可以实现高容量和较好的不可见性，但可以实现高容量和较好的不可见性，但是该算法的鲁棒性差，容易被第三方发是该算法的鲁棒性差，容易被第三方发现和得到，遭到破坏，对图像的各种操现和得到，遭到破坏，对图像的各种操作如压缩，剪切等都会使算法的可靠性作如压缩，剪切等都会使算法的可靠性受到影响。受到影响。n为了增强算法的性能，提出了各种为了增强算法的性能，提出了各种改进的方法，如利用伪随机序列，改进的方法，如利用伪随机序列，以随机的顺序修改图像的以随机的顺序修改图像的LSB；在在使用密钥的情况下，才能得到正确使用密钥的情况下，才能得到正确的嵌入序列。另外一个常用方法是的嵌入序
8、列。另外一个常用方法是利用像素的统计特征将信息嵌入像利用像素的统计特征将信息嵌入像素的亮度值中。素的亮度值中。n(2) Patchwork算法算法是随机选择对像素是随机选择对像素点点(ai，bi)，然后将每个然后将每个ai点的亮度值点的亮度值加加1，每个，每个bi点的亮度值减点的亮度值减1，这样整个，这样整个图像的平均亮度保持不变。适当地调整参图像的平均亮度保持不变。适当地调整参数，数，Patchwork方法对方法对JPEG压缩、压缩、FIR滤波以及图像裁剪有一定的抵抗力，但该滤波以及图像裁剪有一定的抵抗力，但该方法嵌入的信息量有限。为了嵌入更多的方法嵌入的信息量有限。为了嵌入更多的水印信息，
9、可以将图像分块，然后对每一水印信息，可以将图像分块，然后对每一个图像块进行嵌入操作。个图像块进行嵌入操作。n(3)频域算法频域算法。该类算法中，大部分该类算法中，大部分算法采用了扩展频谱通信算法采用了扩展频谱通信(spreadspectrumcommunication)技术。技术。算法实现过程为：先计算图像的离算法实现过程为：先计算图像的离散余弦变换散余弦变换(DCT)，然后将水印叠加然后将水印叠加到到DCT域中幅值最大的前系数上域中幅值最大的前系数上(不包括直流分量不包括直流分量)，通常为图像的，通常为图像的低频分量。低频分量。n若若DCT系数的前个最大分量表示为系数的前个最大分量表示为=d
10、i，i=1，水印是服，水印是服从高斯分布的随机实数序列从高斯分布的随机实数序列=wi，i=1，那么水印的嵌入算，那么水印的嵌入算法为法为di=di(1+awi)，其中常数其中常数a为为尺度因子，控制水印添加的强度。然尺度因子，控制水印添加的强度。然后用新的系数做反变换得到水印图像后用新的系数做反变换得到水印图像I。n还可以将数字图象的空间域数据通过离还可以将数字图象的空间域数据通过离散傅里叶变换散傅里叶变换(DFT)或离散小波变换或离散小波变换(DWT)转化为相应的频域系数转化为相应的频域系数n(5)NEC算算法法该该算算法法由由NEC实实验验室室的的Cox等等人人提提出出，该该算算法法在在数
11、数字字水水印印算算法法中中占占有有重重要要地地位位，其其实实现现方方法法是是，首首先先以以密密钥钥为为种种子子来来产产生生伪伪随随机机序序列列，该该序序列列具具有有高高斯斯N(0，1)分分布布，密密钥钥一一般般由由作作者者的的标标识识码码和和图图像像的的哈哈希希值值组组成成，其其次次对对图图像像做做DCT变变换换，最最后后用用伪伪随随机机高高斯斯序序列列来来调调制制(叠叠加加)该该图图像像除除直直流流(DC)分量外的分量外的1000个最大的个最大的DCT系数。系数。n该该算算法法具具有有较较强强的的鲁鲁棒棒性性、安安全全性性、透透明明性性等等。由由于于采采用用特特殊殊的的密密钥钥，因因此此可可
12、防防止止IBM攻攻击击，而而且且该该算算法法还还提提出出了了增增强强水水印印鲁鲁棒棒性性和和抗抗攻攻击击算算法法的的重重要要原原则则，即即水水印印信信号号应应该该嵌嵌入入源源数数据据中中对对人人感感觉觉最最重重要要的的部部分分，这这种种水水印印信信号号由由独独立立同同分分布布随随机机实实数数序序列列构构成成，且且该该实实数数序序列列应应该具有高斯分布该具有高斯分布N(0，1)的特征。的特征。n(6)生理模型算法生理模型算法人的生理模型包括人人的生理模型包括人类视觉系统类视觉系统HVS(HumanVisualSystem)和人类听觉系统和人类听觉系统HAS。该模型该模型不仅被多媒体数据压缩系统利
13、用，同样不仅被多媒体数据压缩系统利用，同样可以供数字水印系统利用。利用视觉模可以供数字水印系统利用。利用视觉模型的基本思想均是利用从视觉模型导出型的基本思想均是利用从视觉模型导出的的JND(JustNoticeableDifference)描述描述n来确定在图像的各个部分所能容忍来确定在图像的各个部分所能容忍的数字水印信号的最大强度，从而的数字水印信号的最大强度，从而能避免破坏视觉质量。也就是说，能避免破坏视觉质量。也就是说，利用视觉模型来确定与图像相关的利用视觉模型来确定与图像相关的调制掩模，然后再利用其来插入水调制掩模，然后再利用其来插入水印。这一方法同时具有好的透明性印。这一方法同时具有
14、好的透明性和强健性。和强健性。1.信息隐藏技术的发展信息隐藏技术的发展n(1)传统的信息隐藏技术传统的信息隐藏技术n(2)数字信息隐藏技术的发展数字信息隐藏技术的发展1.信息隐藏技术的应用领域信息隐藏技术的应用领域 n1) 1) 数据保密数据保密n2 2）数据的不可抵赖性）数据的不可抵赖性n3 3）数字作品的版权保护）数字作品的版权保护n4 4）防伪）防伪n5 5）数据的完整性）数据的完整性第第2章章隐秘技术隐秘技术n2.1替换系统和位平面工具替换系统和位平面工具2.1.1最低比特位替换最低比特位替换2.1.2伪随机置换伪随机置换2.1.3图像降级和隐蔽信道图像降级和隐蔽信道2.2.4二进制图
15、像中的信息隐藏二进制图像中的信息隐藏n2.2变换域技术（变换域技术（DCT域中的隐写术）域中的隐写术）算法算法2.1最低比特位替换的最低比特位替换的嵌入过程嵌入过程fori=1,l(c)doSiciendforfori=1,l(m)do计算存放第计算存放第i个消息位的指针个消息位的指针jiSjicjimiendfor嵌入过程包括选择一个载体元素的子集嵌入过程包括选择一个载体元素的子集j1,ji，然后在子集上执行替换操作然后在子集上执行替换操作cm，即把即把ci的的LSB与与mi进行交换进行交换(mi可以是可以是1或或0)。一个替换系统也可以修改载体的多。一个替换系统也可以修改载体的多个比特，例
16、如，在一个载体元素的两个最个比特，例如，在一个载体元素的两个最低比特位隐藏两比特信息。在提取过程中，低比特位隐藏两比特信息。在提取过程中，抽出被选择载体元素的抽出被选择载体元素的LSB，然后排列起然后排列起来重构秘密信息。来重构秘密信息。算法算法2.2最低比特位的提取过程最低比特位的提取过程fori=1,.,l(m)do计算存放第计算存放第i个消息位的指针个消息位的指针jimiLSB(cji)endfor算法算法2.3随机间隔方法的嵌入过程随机间隔方法的嵌入过程fori=1,.,l(c)dosiciendfor使用种子使用种子k随机生成序列随机生成序列kink1fori=1,.,l(m)dos
17、ncnminn+kiend for算法算法2.4随机间隔方法的提取过程随机间隔方法的提取过程使用种子使用种子k随机生成序列随机生成序列kink1fori=1,.,l(m)domiLSB(cn)nn+kiendfor算法算法2.5使用伪随机置换计算索引使用伪随机置换计算索引jvidivXuimodXv(v+hk1(u)modYu(u+hk2(v)modXv(v+hk3(u)modYjvX+u2.2.3图像降级和隐蔽信道图像降级和隐蔽信道 图像降级图像降级n在在1992年，年，Kurak和和McHugh报道了在高安报道了在高安全级操作系统中的一个安全威胁。这个威胁全级操作系统中的一个安全威胁。这个
18、威胁属于信息伪装技术，它能用于秘密地交换图属于信息伪装技术，它能用于秘密地交换图像，我们称之为图像降级。图像降级是替换像，我们称之为图像降级。图像降级是替换系统中的特殊情况，其中图像既是秘密信息系统中的特殊情况，其中图像既是秘密信息又是载体。给定一个同样尺寸的伪装载体和又是载体。给定一个同样尺寸的伪装载体和秘密图像，秘密图像，发送者把伪装载体图像灰度发送者把伪装载体图像灰度(或彩或彩色色)值的四个最低比特替换成秘密图像的四个值的四个最低比特替换成秘密图像的四个最高比特。最高比特。n接收者从隐藏后的图像中把四个最接收者从隐藏后的图像中把四个最低比特提取出来，从而获得秘密图低比特提取出来，从而获得
19、秘密图像的四个最高比特位。在许多情况像的四个最高比特位。在许多情况下载体的降质视觉上是不易察觉的，下载体的降质视觉上是不易察觉的，并且对传送一个秘密图像的粗略近并且对传送一个秘密图像的粗略近似而言，四比特足够了。似而言，四比特足够了。nCover image secret imagen高高4位位低低4位位高高4位位低低4位位图像降级图像降级n在多级安全操作系统中，主体在多级安全操作系统中，主体(进程、用进程、用户户)和客体和客体(文件、数据库等文件、数据库等)都被指派一都被指派一个特定的安全级别，参见著名的个特定的安全级别，参见著名的Bel-LaPadula模型。主体通常仅允许读取较模型。主体
20、通常仅允许读取较低安全级别的客体低安全级别的客体(“不能向上读不能向上读”)，同时只能向较高安全级别的客体进行写同时只能向较高安全级别的客体进行写操作操作(“不能向下写不能向下写”)。n第一个限制的原因是明显的，而第第一个限制的原因是明显的，而第二个限制的原因则是试图阻止用户二个限制的原因则是试图阻止用户将重要信息变为低安全级别主体可将重要信息变为低安全级别主体可访问的。信息降级，就是通过将机访问的。信息降级，就是通过将机密信息嵌入较低安全级别的客体中，密信息嵌入较低安全级别的客体中，使得机密信息不再机密使得机密信息不再机密(信息降级因信息降级因此得名此得名)，从而破坏了，从而破坏了“不能向下
21、写不能向下写”的原则。的原则。隐蔽信道隐蔽信道n利用计算机系统中的未使用和保留利用计算机系统中的未使用和保留的空间的空间n利用计算机系统中的隐通道利用计算机系统中的隐通道n利用密码协议中的阈下信道利用密码协议中的阈下信道2.2.7二进制图像中的信息隐藏二进制图像中的信息隐藏 Zhao和和Koch提出了一个信息隐藏方案，提出了一个信息隐藏方案，它使用一个特定图像区域中黑像素的个数来编它使用一个特定图像区域中黑像素的个数来编码秘密信息。把一个二值图像分成矩形图像区码秘密信息。把一个二值图像分成矩形图像区域域Bi，分别令分别令P0(Bi)和和P1(Bi)为黑白像素在图为黑白像素在图像块像块Bi中所占
22、的百分比中所占的百分比。n基本做法是基本做法是: :若某块若某块P1(Bi)50%，则嵌入一个则嵌入一个1，若若P0(Bi)50%，则嵌入一个则嵌入一个0。n 为了提高整个系统对传输错误和图像修为了提高整个系统对传输错误和图像修改的健壮性，我们必须调整嵌入处理。如果改的健壮性，我们必须调整嵌入处理。如果在传输过程中一些像素改变了颜色，在传输过程中一些像素改变了颜色，诸如诸如P1(Bi)由由50.6%下降到下降到49.5%，这种情况就会，这种情况就会发生，从而破坏了嵌入信息。发生，从而破坏了嵌入信息。n因此要引入两个阈值因此要引入两个阈值R150%和和R050%以及一个健壮参数以及一个健壮参数
23、是传输过程中能改是传输过程中能改变颜色的像素百分比。发送者在嵌入处理中变颜色的像素百分比。发送者在嵌入处理中确保确保P1(Bi)R,R+或或nP0(Bi)R ,R。如果为达到目标必须修改太多的像素，如果为达到目标必须修改太多的像素，就把这块标识成无效，即修改就把这块标识成无效，即修改P1(Bi)满足下面两个条件中的任何一个满足下面两个条件中的任何一个： nfori=1,.,l(M)dodoforever随机选取一图像块随机选取一图像块Bj/*检查检查Bj是否有效是否有效*/then将图像块将图像块Bj标记为不可用，即修改该图像块以使标记为不可用，即修改该图像块以使得：得：算法算法2.6（Zha
24、o和和Koch算法）在二进算法）在二进制图像中的数据嵌入过程制图像中的数据嵌入过程 neithercontinueendifbreakenddo/*在在Bj中嵌入秘密消息位中嵌入秘密消息位*/if=1then修改修改Bj以使得以使得else修改修改Bj以使得以使得endifendfor算法算法2.7(Zhao和和Koch)数据提取过程数据提取过程 nfori=1,.,e(M)dodoforever随机选取一图像块随机选取一图像块BjIf则继续则继续breakenddoIfP1(Bj)50%thenm11elsem00endifendforMatsui和Tanaka提出了一个不同的嵌入方案 n若
25、第若第i个秘密消息位个秘密消息位mi是是0，我们令，我们令RL(ai,ai+1)为偶数；否则为偶数；否则RL(ai,ai+1)为奇数，就为奇数，就表示表示mi是是1。n例如，可通过下面的方式进行：如果例如，可通过下面的方式进行：如果mi是是0，而，而RL(ai,ai+1)是奇数，我们就把是奇数，我们就把a ai+1i+1向向左移动一个像素。另一方面，如果左移动一个像素。另一方面，如果mi=1并并且且RL(ai,ai+1)是偶数，我们就把是偶数，我们就把a ai+1i+1向右向右移动一个像素。移动一个像素。examplen 1 0 0 11 0 0 1 a0,3, a1,5,a2a2,4,a a
26、3 3,2,a a4 4,1 a0,3, a1,6,a2a2,4,a a3 3,3 1 0 0 1 1 0 0 12.2变换域技术变换域技术 (DCT域)二维DCT变换（实验P73）nM*N矩阵A的二维DCT变换：DCT逆变换DCT域中的隐写术域中的隐写术 n 一一种种在在频频域域中中流流行行的的对对秘秘密密信信息息进进行行编编码码的的方方法法是是在在一一个个图图像像块块中中调调整整两两个个(或或多多个个)DCT系系数数的的相相对对大大小小。我我们们将将描述一个使用数字图像作为载体的系统。描述一个使用数字图像作为载体的系统。n在编码处理中，发送者将载体图像在编码处理中，发送者将载体图像分成分成
27、88的像素块，每一块只精确的像素块，每一块只精确地编码一个秘密信息位。嵌入过程地编码一个秘密信息位。嵌入过程开始时，首先伪随机地选择一个图开始时，首先伪随机地选择一个图像块像块bi，用它对第用它对第i个消息比特进行个消息比特进行编码。令编码。令Bi=Dbi为为DCT变换后的变换后的图像块。图像块。n 在通信开始前，在通信开始前，发送者和接收者必须对发送者和接收者必须对嵌入过程中使用的两个嵌入过程中使用的两个DCT系数的位置达成系数的位置达成一致，让我们用一致，让我们用(u1,v1)和和(u2,v2)来表示这来表示这两个索引两个索引。这两个系数应该相应于余弦变换。这两个系数应该相应于余弦变换的中
28、频，确保信息保存在信号的重要部位的中频，确保信息保存在信号的重要部位(从从而使嵌入信息不容易因而使嵌入信息不容易因JPEG压缩而完全丢失压缩而完全丢失)。n进一步而言，人们普遍认为中频进一步而言，人们普遍认为中频DCT系数有相似的数量级，我们可以假系数有相似的数量级，我们可以假定嵌入过程不会使载体产生严重降质。定嵌入过程不会使载体产生严重降质。因为构造的系统要在抵抗因为构造的系统要在抵抗JPEG压缩方面压缩方面是健壮的。我们就选择在是健壮的。我们就选择在JPEG压缩算法压缩算法中它们的量化值一样的那些中它们的量化值一样的那些DCT系数。系数。根据表根据表2.1，系数，系数(4,1)和和(3,2
29、)，或者，或者(1,2)和和(3,0)是比较好的。是比较好的。编码方法编码方法n若块若块Bi(u1,v1)Bi(u2,v2)就编码为就编码为“1”，否则编码为，否则编码为“0”。n在编码阶段，如果相对大小与要编码的在编码阶段，如果相对大小与要编码的比特不匹配，就相互交换两个系数。由比特不匹配，就相互交换两个系数。由于于JPEG压缩压缩(在量化阶段在量化阶段)能影响系数的能影响系数的相对大小，算法应通过在两个系数中加相对大小，算法应通过在两个系数中加随机值，以确保对某个随机值，以确保对某个x0， 使得使得| |Bi(u1,v1)-Bi(u2,v2)|x。算法算法2.8DCT隐秘载体编码过程隐秘载
30、体编码过程nfori=1,.,l(M)do选取一隐蔽数据块选取一隐蔽数据块biBi=Dbiifm=0thenifBi(u1，v1)Bi（u2，v2）then交换交换Bi(u1，v1)和和Bi（u2，v2）endifelseifBi(u1，v1)Bi（u2，v2）then交换交换Bi(u1，v1)和和Bi（u2，v2）endifendif调调整整两两个个数数据据块块的的值值以以使使得得|Bi(u1，v1)-Bi（u2，v2）|xendfor 由所有的由所有的bi来创立隐蔽图像来创立隐蔽图像算法算法2.9DCT隐秘载体解码过隐秘载体解码过程程nfori=1,.,l(M)do获获取取与与第第i位位相
31、相关关的的隐隐蔽数据块蔽数据块biBi=DbiifBi(u1，v1)Bi（u2，v2）Bthenm=0elsem=1endifendfor实验通知：院4楼 周6上午8：30-n13周n14周n15周n16周n17周n实验报告：实验结果+分析n买实验教材n实验占总评成绩：20-30%nLSBn二值图象nDCTn小波SVDn水印攻击第第3章章数字水印技术数字水印技术n3.1数字水印概述数字水印概述n3.2基本原理、分类及模型基本原理、分类及模型n3.3常用实现方法常用实现方法n3.4数字水印研究现状、发展趋势及应用数字水印研究现状、发展趋势及应用n3.5DCT域图像水印技术域图像水印技术3.5.1
32、DCT域图像水印技术简介域图像水印技术简介3.5.2水印嵌入过程水印嵌入过程3.5.3知觉分析知觉分析3.5.4DCT系数的统计模型系数的统计模型3.5.5水印验证过程水印验证过程 3.5.6水印检测水印检测3.1数字水印概述数字水印概述n数字水印技术，是指在数字化的数数字水印技术，是指在数字化的数据内容中嵌入的记号。被嵌入的记据内容中嵌入的记号。被嵌入的记号通常是不可见或不可察觉的，但号通常是不可见或不可察觉的，但是通过一些计算操作可以被检测或是通过一些计算操作可以被检测或被提取。水印与源数据（如图像、被提取。水印与源数据（如图像、音频、视频数据）紧密结合并隐藏音频、视频数据）紧密结合并隐藏
33、其中，成为不可分离的一部分。其中，成为不可分离的一部分。数字水印与隐写术的区别数字水印与隐写术的区别n隐写术时信息隐藏的一个重要分支，专门研究如何隐藏实际存在的信息；n隐藏信息可以与被保护信息无任何关联n水印相对与隐写术更强调健壮性；n水印并不总需隐藏-可见水印；n隐藏信息与被保护信息间由密切关系不可见数字水印的应用领域n原始数据的真伪鉴别n数据侦测与跟踪n数字产品版权保护数字图像的内嵌水印有下列特点数字图像的内嵌水印有下列特点:n(1)透透明明性性:水水印印后后图图像像不不能能有有视视觉觉质质量量的的下下降降,与原始图像对比与原始图像对比,很难发现二者的差别很难发现二者的差别;n(2)鲁鲁棒
34、棒性性:加加入入图图像像中中的的水水印印必必须须能能够够承承受受施施加加于于图图像像的的变变换换操操作作(如如:加加入入噪噪声声、滤滤波波、有有损损压压缩缩、重重采采样样、D/A或或A/D转转换换等等),不不会会因因变变换换处处理理而而丢丢失失,水水印印信信息息经经检检验验提提取取后应清晰可辨后应清晰可辨;n(3)安全性安全性:数字水印应能抵抗各种数字水印应能抵抗各种蓄意的攻击蓄意的攻击,必须能够唯一地标志原必须能够唯一地标志原始图像的相关信息始图像的相关信息,任何第三方都不任何第三方都不能伪造他人的水印图像。能伪造他人的水印图像。3.2基本原理、分类及模型基本原理、分类及模型 n所有嵌入水印
35、的方法都包含两个基所有嵌入水印的方法都包含两个基本的构造模块：水印嵌入系统和水本的构造模块：水印嵌入系统和水印恢复系统。印恢复系统。私钥系统公钥系统水印系统根据输入输出的种类水印系统根据输入输出的种类及其组合可分为三种：及其组合可分为三种： （1）秘秘密密水水印印（非非盲盲化化水水印印）该该类类系系统统至至少少需需要要原原始始的的数数据据。I型型系系统统从从可可能能失失真真的的输输出出数数据据中中提提取取水水印印W，并并使使用用原原始始数数据据作作为为线线索索来来确确定定水水印印在在输输出出数数据据中中的的位位置置。II型型系系统统也也需需要要所所嵌嵌入入水水印印的的一一个个拷拷贝贝，得得到到
36、输输出出数数据据中中是是否否含含有有水水印印W这这个个问问题题的的“是是”或或“不不是是”的的答答案案。由由于于该该系系统统传传输输的的信信息息很很少少，并并且且需需要要使使用密钥之类的信息。用密钥之类的信息。n（2）半半秘秘密密水水印印（半半盲盲化化水水印印）该该类类系系统统并并不不使使用用原原始始数数据据来来检检测测，但但是是需需要要水印的拷贝。水印的拷贝。n（3）公开水印（盲化或健忘水印）该类）公开水印（盲化或健忘水印）该类系统是目前最具挑战性的问题，因为它系统是目前最具挑战性的问题，因为它既不需要原始的秘密信息，也不需要水既不需要原始的秘密信息，也不需要水印。实际上，这种系统是从已嵌入
37、水印印。实际上，这种系统是从已嵌入水印的数据中提取信息（水印）的数据中提取信息（水印）。从另一角度分类，数字水印基本从另一角度分类，数字水印基本可分为如下几类：可分为如下几类：n（1）按按水水印印的的载载体体分分类类：可可分分为为文文本本水水印印、图图像像水水印印、音音频频水水印印和和视视频频水水印。印。n（2）按按水水印印的的用用途途分分类类：可可分分为为版版权权保护保护可见水印、隐藏标识水印等。可见水印、隐藏标识水印等。n（3）按按健健壮壮性性分分类类：可可分分为为鲁鲁棒棒水水印和易损水印。印和易损水印。n（4）按按嵌嵌入入位位置置分分类类：可可分分为为空空域域/时域水印和变换域水印。时域
38、水印和变换域水印。n（5）按检测分类：可分为盲水印和）按检测分类：可分为盲水印和非盲水印。非盲水印。3.4数字水印研究现状、数字水印研究现状、发展趋势及应用发展趋势及应用 n3.4.1数字水印研究领域现状数字水印研究领域现状 Van Van SchyndelSchyndel在在ICIP94ICIP94会议上发会议上发表了题为表了题为“A digital A digital watermarking”watermarking”的论文标志这一领的论文标志这一领域的开始，与数字水印相关的国际域的开始，与数字水印相关的国际学术会议学术会议信息隐藏学术研讨会分信息隐藏学术研讨会分别于别于19961996
39、年、年、 19981998年、年、19991999年和年和20012001年连续举行了四届年连续举行了四届3.4.2发展趋势发展趋势 n(1) (1) 研研究究分分别别适适合合图图象象、流流媒媒体体和和电电子子文文档档各各种种文文件件格格式式的的实实用用版版权权保护机制；保护机制；n(2) (2) 建立公开水印系统；建立公开水印系统；n(3) (3) 提提出出可可以以把把水水印印作作为为法法律律证证据据的水印系统，解决版权纠纷；的水印系统，解决版权纠纷；n(4) (4) 与与密密码码技技术术相相结结合合，构构造造综综合合的数据安全系统；的数据安全系统；n(5) (5) 建建立立水水印印认认证证
40、中中心心，提提供供各各种种网上服务；网上服务；n(6) (6) 版版权权保保护护标标准准化化工工作作，提提出出满满足数字版权保护要求的标准；足数字版权保护要求的标准；n(7) (7) 开开发发网网上上数数字字媒媒体体交交易易商商务务系系统；统；n(8) (8) 结结合合AgentAgent技技术术，开开发发具具有有自自动动追追踪踪版版权权功功能能的的Agent,Agent,开开发发具具有有盗盗版跟踪功能的版跟踪功能的AgentAgent；n(9) (9) 开发网络付费点播服务。开发网络付费点播服务。3.4.3数字水印的应用数字水印的应用 n（1 1）用于版权保护的水印）用于版权保护的水印n（2
41、）用于盗版跟踪的数字指纹）用于盗版跟踪的数字指纹n（3）用于图像认证的水印）用于图像认证的水印n（4）商务交易中的票据防伪）商务交易中的票据防伪n（5）隐蔽标识）隐蔽标识n（6）隐蔽通信及其对抗）隐蔽通信及其对抗n（7）数字广播电视分级控制）数字广播电视分级控制3.5DCT域图像水印技术域图像水印技术n3.5.1DCT域图像水印技术简介域图像水印技术简介3.5.2水印嵌入过程水印嵌入过程3.5.3知觉分析知觉分析3.5.4DCT系数的统计模型系数的统计模型3.5.5水印验证过程水印验证过程 3.5.6水印检测水印检测n3.5.1DCT域图像水印技术简介域图像水印技术简介 与空域图像水印相比，与
42、空域图像水印相比，DCT域图像域图像水印鲁棒性更强且与常用的图像压缩标水印鲁棒性更强且与常用的图像压缩标准准JPEG兼容，因而得到了广泛的重视。兼容，因而得到了广泛的重视。Koch等人较早研究了等人较早研究了DCT域图像水印方域图像水印方法。在法。在Bors和和Pitas提出的方法中，首先提出的方法中，首先将图像分为将图像分为88的块，根据高斯网络分的块，根据高斯网络分类器决策选出特定的块。然后利用一个类器决策选出特定的块。然后利用一个线性线性DCT约束或环形约束或环形DCT检测域对中频检测域对中频段段DCT系数进行变换，以传输水印信息。系数进行变换，以传输水印信息。第一种方法第一种方法n第一
43、种方法中线性约束定义为第一种方法中线性约束定义为Y=FQY=FQ。 F F是经过修改的是经过修改的DCTDCT系数向量；系数向量； Q Q是由水印提供的权重向量。是由水印提供的权重向量。 根据最小二乘算法改变根据最小二乘算法改变DCTDCT系数。系数。第二种方法n第二种算法中定义了一些包含第二种算法中定义了一些包含DCTDCT频率系频率系数的圆域，然后根据下式对选定的频率数的圆域，然后根据下式对选定的频率进行量化：进行量化：n这里这里Q Q，i=1，2，H是由水印提供的是由水印提供的系数向量集合。在水印的恢复过程中，系数向量集合。在水印的恢复过程中，要对所有的块验证其要对所有的块验证其DCT系
44、数约束和位系数约束和位置约束。置约束。n通过对通过对DCT块进行频率掩蔽，块进行频率掩蔽，Swanson等人也提出了一种等人也提出了一种DCT域的水印技术。域的水印技术。输入图像被分为若干方块，对这些方块输入图像被分为若干方块，对这些方块进行计算，由于掩蔽栅格可提高掩蔽频进行计算，由于掩蔽栅格可提高掩蔽频率附近的信号栅格的可视阈值，对每一率附近的信号栅格的可视阈值，对每一个个DCT块计算它的频率掩蔽块计算它的频率掩蔽。第三种方法n通过对最大长度的伪随机信号进行通过对最大长度的伪随机信号进行DCT变换，对可见的掩蔽进行放缩和处理，变换，对可见的掩蔽进行放缩和处理，然后将这一水印加入到相应的然后将
45、这一水印加入到相应的DCT块中，块中，并通过空间掩蔽来验证水印是否不可见，并通过空间掩蔽来验证水印是否不可见，并控制缩放因子。水印的测试需要原始并控制缩放因子。水印的测试需要原始水印和原始图像，并利用假设检验。作水印和原始图像，并利用假设检验。作者指出该方法对者指出该方法对JPEG格式压缩、有色噪格式压缩、有色噪声和剪切都有很好的鲁棒性。声和剪切都有很好的鲁棒性。n在给定敏感指数的局部感知分类器基础上，在给定敏感指数的局部感知分类器基础上，Tao和和Dickinson提出了一种自适应的提出了一种自适应的DCT域水印技术。域水印技术。将水印嵌入到交流将水印嵌入到交流DCT系数中，根据默认的系数中
46、，根据默认的JPEG格式压缩表，选择合适的系数，使量化的单位最小格式压缩表，选择合适的系数，使量化的单位最小，并按下式对选定的系数作修改：，并按下式对选定的系数作修改：第四种方法n其中其中 是当前块的噪声敏感指数，是当前块的噪声敏感指数，Di是是Xi的的量化单位，量化单位，5k6。需要注意的是水印信号需要注意的是水印信号不是随机产生的。通过利用不是随机产生的。通过利用HVS的掩蔽效应，的掩蔽效应，我们可用不同的方法来确定噪声的灵敏度。我们可用不同的方法来确定噪声的灵敏度。 其中其中Iu,v是原始图像的变换系数，是原始图像的变换系数，wu,v是水印是水印的值，的值，JNDu,v是根据视觉模型计算
47、得到的可感是根据视觉模型计算得到的可感知偏差极值（知偏差极值（JND）。）。n对于对于DCT系数，可以使用系数，可以使用Waston定义的定义的感知模型。该模型利用频率的亮度敏感感知模型。该模型利用频率的亮度敏感性和局部对比度掩蔽，对每个性和局部对比度掩蔽，对每个88DCT块提供了与图像相关的掩蔽阈值。根据块提供了与图像相关的掩蔽阈值。根据原始图像与待测图像间的偏差和水印序原始图像与待测图像间的偏差和水印序列的相关性，可进行水印检测。即将最列的相关性，可进行水印检测。即将最大的相关值与给定阈值相比较，以确定大的相关值与给定阈值相比较，以确定图像中是否包含水印。图像中是否包含水印。n实验证明上述
48、水印方案实验证明上述水印方案对对JPEG格式格式压缩、剪切、放缩、附加噪声及打压缩、剪切、放缩、附加噪声及打印印/复印复印-扫描操作都有非常好的鲁扫描操作都有非常好的鲁棒性。而对含有几何变换的攻击，棒性。而对含有几何变换的攻击，则需在水印检测前对图像进行相应则需在水印检测前对图像进行相应的逆操作。的逆操作。nPiva等人提出了另一种利用等人提出了另一种利用HVS掩蔽特性的基掩蔽特性的基于于DCT的水印方法。该水印由的水印方法。该水印由M个符合正态分个符合正态分布的实数随机序列组成布的实数随机序列组成X=x，x。原始原始图像图像I的的NN个个DCT系数按系数按Z字形扫描重新排字形扫描重新排列为一
49、维向量。从该向量的起始位置列为一维向量。从该向量的起始位置L+1处，处，选择选择M个系数组成的向量个系数组成的向量T=t，t，并并根据下式将水印嵌入到根据下式将水印嵌入到T中：中：第五种方法n其其中中 是是考考虑虑到到HVS特特性性而而引引入入的的加加权权因因子子，可可简简单单的的取取为为像像素素yij处处的的归归一一化化采采样样方方差差，即即以以yij为为中中心心的的一一方方块块的的采采样样方方差差与与所所有有块块方方差差最最大大值值的的比比率率。对对大大多多数数水水印印方方案案，水水印印检检测测是是通通过过比比较较水水印印和和可可能能变变化化的的DCT系系数数间间的的相相关关性性Z和和阈阈
50、值值 进进行的。行的。Z定义为定义为实验结果证明该水印对一些图像处理技术，实验结果证明该水印对一些图像处理技术，如如JPEG格式压缩、中值滤波、多重水印等格式压缩、中值滤波、多重水印等有较强的鲁棒性。有较强的鲁棒性。 3.5.2水印嵌入过程水印嵌入过程 给定一给定一NN的图像，其亮度为的图像，其亮度为xn=xn，n，0nN，0nN。DCT域的水域的水印信号印信号Wk是利用类似于直接扩频调制的是利用类似于直接扩频调制的方式产生的，为与方式产生的，为与JPEG标准相一致，标准相一致，DCT是作用于是作用于88像素块上的。我们用一个编码像素块上的。我们用一个编码器把隐的消息器把隐的消息M映射为一映射
51、为一N维的码字向量维的码字向量b(b,b)，再由扩张过程得到再由扩张过程得到2-D序列序列bk。该扩张过程在该扩张过程在DCT域离散格点集域离散格点集S中中重复码字的每一个元素重复码字的每一个元素b，i1,N，以以使其覆盖整个变换后的图像使其覆盖整个变换后的图像Xk。用一具有密钥用一具有密钥K的伪随机序列发生器产生的伪随机序列发生器产生伪随机信号伪随机信号sk。把把bk与与sk按逐个按逐个像素的方式相乘，扩频后的信号再与一知像素的方式相乘，扩频后的信号再与一知觉掩蔽信号觉掩蔽信号k相乘，其基本目的是为了相乘，其基本目的是为了在保持对图像修改的不可见性的前提下，在保持对图像修改的不可见性的前提下
52、，使水印能量尽可能大。使水印能量尽可能大。n基于考虑到人类视觉系统基于考虑到人类视觉系统(HVS)的频率掩的频率掩蔽特性的知觉模型，通过对原始图像的蔽特性的知觉模型，通过对原始图像的知觉分析得到知觉分析得到k。把水印信号把水印信号Wk加加入原始图像入原始图像Xk，就得到嵌入水印的图就得到嵌入水印的图像像Yk=Xk+Wk，整个嵌入过程见整个嵌入过程见图图3.5。n3.5.3知觉分析知觉分析 知觉掩蔽信号知觉掩蔽信号 反映对反映对DCT系数系数Xk允许作的最大的改变。为得到允许作的最大的改变。为得到 ，需要使用需要使用DCT域的心理视觉模型，这里采域的心理视觉模型，这里采用的是用的是Ahumada
53、等人提出的模型的简化。等人提出的模型的简化。不可见性阈值不可见性阈值T(i，j)， i，j0,7，决定对第决定对第(i，j)个个DCT系数的不可见修系数的不可见修改的最大允许幅值，其对数形式为改的最大允许幅值，其对数形式为 n其中其中fi,0和和f0,j分别为分别为DCT基函数的垂直和基函数的垂直和水平空间频率，水平空间频率，Tmin是关于空间频率是关于空间频率fmin的的T(i，j)的最小值，的最小值，r0.7。这一数学这一数学模型不适用于直流模型不适用于直流(DC)系数，因为系数，因为i和和j不不能同时为零。考虑直流系数能同时为零。考虑直流系数X0,0和屏幕平和屏幕平均亮度均亮度 ，可对每
54、块的阈值，可对每块的阈值T(i，j)作如下修正：作如下修正：n其其 中中 f=3.68cycles/degree， T=1.1548，K=1.728。一一旦旦得得到到T(i，j)，就就可可按按下下式式计计算知觉掩蔽信号：算知觉掩蔽信号： 其中其中l l1 1= =k1mod8， l l2 2 =K=K2 2mod8，是是Kronecker函数，标度因子函数，标度因子 1使得我们使得我们可在水印中引入某种程度的保守性以考虑到那可在水印中引入某种程度的保守性以考虑到那些被忽视的效应。上式中的其他因子使得我们些被忽视的效应。上式中的其他因子使得我们可用可用DCT系数而不是亮度表示修正后的阈值系数而不
55、是亮度表示修正后的阈值。 3.5.5水印验证过程水印验证过程n水印验证包括水印检测和水印提取两部水印验证包括水印检测和水印提取两部分，如图分，如图3.6所示。给定图像所示。给定图像zn，对其对其作每个像素块大小为作每个像素块大小为88的的DCT变换得变换得到到Zk。首先用一个水印检测器判定首先用一个水印检测器判定Zk中是否含有水印；如果有的话，再中是否含有水印；如果有的话，再用水印解码器估计消息用水印解码器估计消息M。对每个过程，对每个过程，由由Zk计算一组充分统计。在验证过程计算一组充分统计。在验证过程不利用原始图像，我们把原始图像看作不利用原始图像，我们把原始图像看作加性噪声。加性噪声。n
56、事实上，我们是利用普通图像的事实上，我们是利用普通图像的DCT系系数的统计模型解析得到合适的充分性统数的统计模型解析得到合适的充分性统计。这些模型的参数值事先给定或由计。这些模型的参数值事先给定或由Zk自适应估计。为了能计算充分统计，自适应估计。为了能计算充分统计，还必须知道水印嵌入过程所使用的伪随还必须知道水印嵌入过程所使用的伪随机信号机信号sk和知觉掩蔽信号和知觉掩蔽信号k。由于由于没有原始图像可利用，在验证过程是无没有原始图像可利用，在验证过程是无法精确知道知觉掩蔽信号的，但如果水法精确知道知觉掩蔽信号的，但如果水印引入的知觉失真足够低，那么仍可采印引入的知觉失真足够低，那么仍可采用与水
57、印嵌入过程完全相同的知觉分析用与水印嵌入过程完全相同的知觉分析从从Zk得到知觉掩蔽信号的好的估计。得到知觉掩蔽信号的好的估计。 一旦计算出充分统计，水印检测器比一旦计算出充分统计，水印检测器比较二值假设检验的对数似然函数值较二值假设检验的对数似然函数值和阈值和阈值后作出判定。水印解码的后作出判定。水印解码的充分统计经过一解码器，得到消息充分统计经过一解码器，得到消息M的估计。的估计。3.5.4DCT系数的统计模型系数的统计模型 传统的相关检测器结构只有当原始图像传统的相关检测器结构只有当原始图像(即即加性通道噪声加性通道噪声)可用可用Gaussian随机过程建模随机过程建模时才是最优的。现在我
58、们介绍一种能更好的时才是最优的。现在我们介绍一种能更好的刻划普通图像的刻划普通图像的DCT系数的统计模型。设对系数的统计模型。设对原始图像原始图像xk作作DCT变换后得到二维序列变换后得到二维序列Xk，记为记为直流系数无法精确的用任何封闭形式概直流系数无法精确的用任何封闭形式概率密度函数率密度函数(pdf)表示，这是因为其直方表示，这是因为其直方图的不规则性和高度的图像依赖特征。图的不规则性和高度的图像依赖特征。而交流系数可用零均值广义而交流系数可用零均值广义Gaussian概概率密度函数表示：率密度函数表示：3.5.6 水印检测n数数学学上上，水水印印检检测测问问题题可可看看作作为为二二值值假假设检验：设检验：H1：Yk=Xk+WkH0：Yk=Xk 其中其中Xk为原始图像，为原始图像，Wk是由密是由密钥钥K产生的水印。假设产生的水印。假设H意指意指Yk中包含中包含由密钥由密钥K产生的水印，产生的水印，H意指意指Yk中不包中不包含由密钥含由密钥K产生的水印产生的水印(但也许包含由其但也许包含由其他密钥产生的水印他密钥产生的水印)。在设计检测器时必。在设计检测器时必须考虑码字向量须考虑码字向量b的值的不确定性。最优的值的不确定性。最优ML判定规则为判定规则为
