1、毕业设计文献综述电子信息科学与技术基于CONTOURLETSVD的数字图像零水印算法摘要本文简介了数字水印背景和水印性能，并简要的归纳了水印方面的各种算法重点阐述了零水印的算法。最后，针对数字水印技术的缺陷，对数字水印的未来发展趋势做出了展望。关键字数字水印；空域；零水印；频域一、数字水印技术的背景11数字水印的产生随着信息时代的到来，特别是INTERNET的普及，信息的安全保护问题日益突出。当前的信息安全技术基本上都以密码学理论为基础，无论是采用传统的密钥系统还是公钥系统，其保护方式都是控制文件的存取，即将文件加密成密文，使非法用户不能解读。但随着计算机处理能力的快速提高，这种通过不断增加密
2、钥长度来提高系统密级的方法变得越来越不安全。另一方面，多媒体技术已被广泛应用，需要进行加密、认证和版权保护的声像数据也越来越多。数字化的声像数据从本质上说就是数字信号，如果对这类数据也采用密码加密方式，则其本身的信号属性就被忽略了。最近几年，许多研究人员放弃了传统密码学的技术路线，尝试用各种信号处理方法对声像数据进行隐藏加密，并将该技术用于制作多媒体的“数字水印”。综上所述，数字水印技术是指用信号处理的方法在数字化的多媒体数据中嵌入隐蔽的标记，这种标记通常是不可见的，只有通过专用的检测器或阅读器才能提取。目前，数字水印在音频、视频、图像等的应用迅速得到广泛的研究和发展。12数字水印技术研究现状
3、目前，数字水印技术的研究现状主要分为两大类1空间域数字水印研究。它最初提出的数字水印嵌入方法是在空间域上实现的。该算法是基于图像的88块的空间域分解进行的。不过上述空间域水印的一个缺点是经不住修剪图像编辑中的一种普通处理方法，2频域数字水印研究频域数字水印，指在变换域（TRANSFORMATIONDOMAIN），如傅立叶变换（FFT）域、离散余弦变换（DCT）域、离散小波变换（DWT）域等上实现信息的嵌入。变换域的算法可嵌入大量的比特而不引起可察觉的降质。当选择改变中频或低频分量来加入水印时，鲁棒性可以大大提高。二、数字水印的性能指标21不易察觉性1数字产品引入数字水印后，应不易被接收者察觉，
4、同时又不能影响原作的质量和大小。在早期研究中，往往采用“不可感知性”来描述这一特性，但这仅是一个完美的设想2。如果一个内嵌信号真的做到了不可感知，那么在理论上，基于感知特性的有损压缩算法将很容易消除水印，无法达到标识的目的，而现在用于INTERNET网上的大量图像信息传递格式采用JPEG格式，这就是一种典型的有损压缩编码方式。22鲁棒性3当被保护的信息经过某种改动后，数字水印不容易被破坏4。数字水印必须对各种信号处理过程具有很强的鲁棒性。即能在多种无意或有意的信号处理过程后产生一定的失真的情况下，仍能保持水印完整性和鉴别的准确性5。如对图像进行的通常处理操作带来的信号失真，这包括数/模与模/数
5、转换，再取样、再量化、低通滤波；对图像和视频信号的几何失真，包括剪切、位移、尺度变化等；对图像进行有损压缩编号，如变换编码，矢量量化等，对音频信号的低频放大等等。虽然从理论上6，水印是可以消除的，但必须具备相应的解除信息，成功的数字水印技术在破解信息不完备的情况下，任何试图去除水印的方法均应直接导致原始数据的严重损失。对于数字水印而言，其隐藏信息的鲁棒性在实际应用中是由两部分组成A）在整体数据出现失真后，其内嵌水印仍能存在7。B）在数据失真后，水印探测算法仍能精确地探测出水印的存在。例如8，许多算法插入的水印在几何失真（如尺度变化）后仍能保存，但其相应探测器只有在首先去除失真后才探测水印，如果
6、失真无法确定或无法消除，探测器就无法正常识别。在数字水印技术中9，水印的数据量和鲁棒性构成了一对基本矛盾。理想的水印算法应该既能隐藏大量数据，又可以抗各种信道噪声和信号变形。然而在实际这两个指标往往不能同时实现，但是实际应用一般只偏重其中的一个方面12。如果是为了隐蔽通信，数据量显然是最重要的，由于通信方式极为隐蔽，遭遇敌方篡改攻击的可能性很小，因而对鲁棒性要求不高。但对保证数据安全来说，情况恰恰相反，各种保密的数据随时面临着被盗取和篡改的危险，所以鲁棒性是十分重要的，此时隐藏数据量的要求居于次要地位。23抗攻击性和安全性10在水印能够承受合法的信号失真的同时，水印还应能抗击试图去除所含水印的
7、破坏处理过程。除此之外，如果许多同样作品的复件存在不同的水印，当水印用作购买者的鉴定（数字指纹技术），就可能遭受许多购买者的合谋攻击。即多个使用者利用各自具有的含水印的合法拷贝，通过平均相同数据等手段，销毁所含水印或形成不同的合法水印诬陷第三方。水印技术必须考虑这些攻击模式，确保水印探测的准确性。三、数字水印典型算法数字水印技术涉及到了多门学科信号处理、数字通信、密码学、模式识别等，研究人员从各个角度对水印嵌入算法进行了研究。以下简要介绍几种典型的算法。1）空域水印嵌入算法11空域水印嵌入算法包括最低有效位算法LSB、PATCHWORK方法、纹理映射编码方法等。其中最低有效位算法LSB是指首先
8、把一个密钥输入一个M序列发生器来产生水印信号，然后将其重新排列成2维水印信号，并按象素点逐一插入到原始图像象素值的最低位12。由于水印信号被安排在了最底位上，是不可见的，基于同样的原因，可以轻易的被移去，所以它的鲁棒性很差。而PATCHWORK方法是一种基于统计的数字水印嵌入方法，是通过增加一个象素点的亮度值，再相应的减少另一个象素点的亮度值来隐藏信息。纹理映射编码方法则是将数字信息隐藏于数字图象的任意纹理部分，该算法对于滤波、压缩和旋转等操作具有抵抗能力。2）变换域水印嵌入算法文献13提出了一种基于可视密码的零水印方案。该方案首先实现了一种轮廓小波变换CWT的多尺度几何分析方法，然后通过在变
9、换域能量最高的中频子带适当选取系数，结合预定义的可视密码码书，将二值水印图像藏匿于两个分享中，从而构造出零水印信号。实验结果表明，该方案不仅能在不改变原始图像的情况下实现版权保护，而且鲁棒性强,能抵抗JPEG压缩、剪切、加噪、锐化及旋转等图像处理攻击。文献14提出了一种实现数字图像的版权保护，基于双树复小波变换的零水印算法。该算法由于不改变图像的任何信息，因此在兼具不可见性和鲁棒性的同时，还可以解决常规的冗余变换域水印算法的能量损失问题。该算法先借用实小波变换的零树结构思想，在变换后图像中选择重要的系数树，并利用主分量分析提取它们的第一主分量，然后经过量化编码构造零水印信息，再到认证中心注册后
10、，即可作为用户的版权标志。实验结果表明，该算法不仅具有很好的鲁棒性，而且可以抵抗滤波、加噪、有损压缩等各种攻击。文献15提出了一种基于仿射变换置乱与小波变换的零水印算法，该算法对嵌入的水印图像进行置乱，选择被嵌入图像的小波变换的低频子图与置乱的水印图像进行运算，对运算结果进行循环移位产生密钥图像。而小波变换的低频子图集中了图像的主要特征，所以该水印算法对各种攻击例如加噪，滤波，JPEG压缩，剪切具有很高的鲁棒性，而且产生的水印为灰度图像而不是二值序列，具有很好的检测精度。仿真实验表明该算法的鲁棒性优于现有算法，而且在抗各种常见攻击方面性能良好。文献16为了提高变换域零水印算法抵抗图像旋转攻击的
11、能力，提出了一种基CONTOURLET变换的抗旋转攻击零水印算法。对于旋转造成的几何攻击，可以通过对数极坐标系将笛卡尔坐标系中的旋转变换转换为循环平移的性质；对于循环平移后的图像，在水印检测时可以使用穷举遍历的方法来检测测试图像是否包含水印信息。实验结果证明，该方法可以获得良好的图像视觉效果，同时对于加噪、滤波、JPEG压缩、剪切攻击也有很好的鲁棒性。文献17提出了一种基于DCT变换的半脆弱水印图像内容认证算法。该算法对原始图像进行分块DCT变换，利用随机函数生成一个0,1方阵，作为密钥。根据该方阵中的0或1决定水印与低频中的某个位置进行异或运算，得到另一密钥。认证时使用这两个密钥来恢复水印信
12、息。由于该水印方法不改变原图像，因而可应用于画面清晰度要求高的多媒体和认证系统中。文献18提出了一种图象零水印方法。该方法改变了传统的向原始图象中嵌入水印信息来实现版权保护的做法，采用从图象中抽取水印信息的方法来实现这一功能，其核心思想是恰当选取图象小波变换的系数，然后把它作为原始图象的基本信息进行定位和管理，当对待认证图象进行认证时，用同样的方法提取该认证图象的信息，并对这些信息进行分析和检测，从而判定该图象的版权和所有权。通过实验证明，这种方法具有无失真、鲁棒性好、简单易行及可操作性强等优点。最后对该方法进行了推广，使它不但可以从原图象中提取水印，而且可以在图象外部加载水印，该方法既能满足
13、图象认证的需要，又能用来进行数据隐藏。文献19提出了一种新的零水印算法。该算法由于不改变图像的任何信息，因此在兼具不可见性和鲁棒性的同时，还可以解决常规的冗余变换域水印算法的能量损失问题。该算法先借用实小波变换的零树结构思想，在变换后图像中选择重要的系数树，并利用主分量分析提取它们的第一主分量，然后经过量化编码构造零水印信息，再到认证中心注册后，即可作为用户的版权标志。实验结果表明，该算法不仅具有很好的鲁棒性，而且可以抵抗滤波、加噪、有损压缩等各种攻击。文献20提出一种基于混沌理论和奇异值分解的零水印方案；利用了LOGISTIC混沌系统的初值敏感性映射信息隐藏的位置，增强了算法的安全性；采用了
14、奇异值的不变特性构造注册中心的水印，保证了在不改变宿主图像任何信息的同时进行有效地版权保护；将有意义的二值图像作为水印图像，解决了零水印方案水印为无意义二值序列的问题；同时深入分析了水印容量和算法安全性之间的关系通过对标准测试图像、卡通、医学、风景、遥感、诗画等图像进行实验测试以及和其他算法比较表明，该算法简单有效，适用性强，而且对滤波、噪声、JPEG压缩、剪切等攻击表现出了较强的鲁棒性。文献21提出了一种水印算法。该水印在水印嵌入的时候，已有的大多数数字水印方法都是对原始图像数据信息作一定的运算修改，使得鲁棒性和安全性受到限制。而零水印不需要修改原始图像的任何信息，可以有更好的透明性。本文提
15、出了一种基于图像置乱和小波变换的零水印算法首先将水印图像进行置乱，然后利用载体图像一级小波分解后的低频子图和置乱后的水印图像得到提取矩阵，再对提取矩阵进行一定的打乱加密。利用提取矩阵来提取水印，增强了水印的透明性、鲁棒性和安全性。文献22提出一种抗几何攻击的图像零水印方案。该方案不改变原始图像的数据，利用图像几何不变矩构造水印，较好地解决了水印的鲁棒性与不可感知性之间的矛盾。实验证明，水印方案对几何变换及常见的图像处理具有较好的鲁棒性。文献23提出了一种基于DCT变换的半脆弱水印图像内容认证算法。该算法对原始图像进行分块DCT变换，利用随机函数生成一个0,1方阵，作为密钥。根据该方阵中的0或1
16、决定水印与低频中的某个位置进行异或运算，得到另一密钥。认证时使用这两个密钥来恢复水印2425信息。由于该水印方法不改变原图像，因而可应用于画面清晰度要求高的多媒体和认证系统中。总之，频率域制作水印的算法是比较坚固的方法，这类技术主要是通过修改主信号某些指定的频域系数来嵌入数据。它的特点是，对低频区域系数的改动可能会影响到主信号的感知效果，而高频系数容易被破坏。高频会在有损压缩和尺寸调整中丢失，故做在高频中的水印在低通滤波和几何处理方面显得不够坚固，但对于校正、对比度/亮度调节等则具有很好的坚固性。四、数字水印未来发展趋势水中水印虽然广泛的应用到了各个领域中。但是，仍然存在着许多可以研究的领域首
17、先，对图像水印，鲁棒性还是个问题。目前还没有能够在经过所有普通图像处理变换后，仍能幸免的盲水印算法。尤其是能够抵抗几何处理的攻击,被认为是很难实现的目标。其次，对第二代水印技术的研究。第一代水印主要是基于像素处理的水印方法。而第二代水印是基于图像重要数据特征的水印方案，也就是引入了零水印的概念。它的优点是不仅能够抵抗JPEG压缩、重采样、加噪、滤波、剪切等各种图像攻击。而且鲁棒性大大增强了。参考文献1曾凡娟,周安民基于CONTOURLET变换和奇异值分解的图像零水印算法J计算机应用,2008,288203320382马金福,薛弘晔基于FOURIER2MELLIN变换的图像配准算法及性能研究J计
18、算机与数字工程,2008,1131341393叶登攀基于二值化图像构造的零水印版权保护方案J计算机应用研究,2007,2932402444俞登峰,李学斌一种基于小波变换的有意义图像水印算法J佳木斯大学学报,2009,3010256625705WEILUROBUSTWATERMARKINGBASEDONDWTANDNONNEGATIVEMATRIXFACTORIZATIONJCOMPUTERSANDELECTRICALENGINEERING,2009,2931831886SHINFENG,DIMPROVINGTHEROBUSTNESSOFDCTBASEDIMAGEWATERMARKINGAGAI
19、NSTJPEGCOMPRESSIONJCOMPUTERSTANDARDSINTERFACES,2009,293102510297王成儒，李段利用小波零树结构和PCA构造图像零水印J光电工程,2005,32476808王晅，何冰，王楠抗旋转攻击的小波域零水印算法J计算机工程,2009,3541671729郭尊光,樊孝仁基于提升小波的零水印算法J运城学院学报,2009,272313510李春霞,孙枫小波域内图象零水印技术的研究J中国图象图形学报,2003,8666566911牛万红,潘晨一种基于NMF的零水印算法J济南大学学报,2009,23327127512沈东升,朱元辉一种基于小波变换的图像零
20、水印方案J漳州师范学院学报,2004,174455013金炜,励金祥，尹曹谦一种基于可视密码的轮廓小波图像零水印方案J光电子激光,2009,20565465614李段,赵洋一种基于小波变换的有意义图像水印算法J中国图象图形学报,2005,29572572915何冰,王晅基于图像置乱和小波变换的零水印算法J计算机工程与设计,2009,30114514916赵雪青,张小景基于CONTOURLET变换的抗旋转攻击零水印算法J计算机应用,2005,29352552917李振鹏,赵洋基于DCT变换的零水印图像内容认证J学术技术,2009,29382582918杨树国,李春霞，孙枫等小波域内图象零水印技术
21、的研究J中国图象图形学报,2003,28666566919李段,徐刚一种DTCWT域内的图像零水印算法J中国图象图形学报,2006,11572592920宋伟，侯建军，李赵红等一种基于LOGISTIC混沌系统和奇异值分解的零水印算法J物理学报,2009,5874450445421赵杰,何冰，王楠一种基于小波变换的零水印算法J计算机工程与科学,2009,315353922翟勇涛,彭代渊一种抗几何攻击的图像零水印方案J信息技术,2007,113333723张红梅,侯整风基于DCT变换的零水印图像内容认证J学术技术,2005,11362562924PIERREMOULINTHEROLEOFINFORMATIONTHEORYINWATERMARKINGANDITSAPPLICATIONTOIMAGEWATERMARKINGJSIGNALPROCESSING,2001,1531121123925AMORNRAKSAT,JANTHAWONGWILAIKENHANCEDIMAGESWATERMARKINGBASEDONAMPLITUDEMODULATIONJIMAGEVISON,2006,241111119
