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2.数字水印基本原理及技术

目录

2.1 基本原理与技术 基于相关检测的水印技

基于非相关检测的水印技术

基于HVS的水印能量调制

2.2 信息水印技术 基本思想

鲁棒性度量

带边信息编码与嵌入

2.3 水印攻击

2.4 结论

2.1基本原理与技术－基本模型

水印系统被看成某种传输信道，输入的水印信息在信道里传输，载体作品是信道的一部分。

在首先提出的基本模型中，载体作品被当成纯噪声。

水印编码器 修改 攻击 水印解码器

水印嵌入器

噪声、变形等

水印检测器

输入信息m

oc

wc wncnm

输出信息

水印密钥水印密钥 原始载体

K K

mW

2.1基本原理与技术－基本模型

①标志向量提取

②标志向量修改

③标志向量提取的逆过程

向量提取器 修改 逆提取器原始载体

标志空间内的向量

水印作品oc

oV

mW

水印信息

mV

原始载体

oc

wc

媒体空间内的向量

2.1基本原理与技术－基本模型

①标志向量提取

②水印检测

向量提取器简单的

水印检测器

受攻击后的水印作品

标志空间内的向量

V mW水印信息

媒体空间内的向量

wnc

2.1基本原理与技术－基本原理

原理：水印嵌入过程实际上就是根据水印信息，对载体数据进行微小修改，并且这种修改在人类视觉感知上不能被察觉，即载体数据的修改幅度在一定的能量允许范围内。

运行域：空间域、变换域或压缩域

修改方法：加性噪声、最低有效位(LSB)修改、系数重排、系数移除及对部分载体数据进行扭曲和变形等。

减少失真：借助于人类视觉模型（HVM）来限制修改的幅度。

安全性：主要利用传统加密或混沌加密技术，对水印信号进行随机置乱或者对提取的标志向量进行置乱。

鲁棒性：主要受水印嵌入的深度和嵌入的水印容量影响。

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2.1基本原理与技术－算法分类

基于相关检测的算法

基于相关检测的算法主要是将水印信号（弱信号）视为独立于载体信号（强信号）的噪声，将水印信号加性或者乘性地添加到载体信号中。这类算法是以扩展频谱思想为基础，形式十分多样，可适用于时空域、变换域和压缩域。

非相关检测算法

非相关检测算法主要是利用替换、关系、量化等方法修改载体信号，使得修改后的载体信号本身存在一种标志关系（大小关系、逻辑关系、奇偶关系等），或者载体信号与预设信息（如码书等）有隐含的对应关系。

2.1.1基于相关检测的水印技术－单比特嵌入

),( yxW ：伪随机模式{-1,0,1}

),( yxI ),( yxIw

密钥 K

比例因子

),(),(),( yxWyxIyxIw

2.1.1基于相关检测的水印技术－单比特嵌入

不存在

存在

),(

),(),(),(

yxWT

yxWTR yxWyxIW

),( yxW

}1,1{

如果水印只有{-1,1}组成，且-1的个数等于1的个数，则线性相关可表示为：

),(),(2

1

11),(),(

1 2/

1

2/

11

),(),(

yxIyxI

WIZ

WIZ

yxWyxIZ

R

WW

i

Z

i

Wi

Z

i

Wi

Z

i

WyxWyxI iiiW

2.1.1基于相关检测的水印技术－单比特嵌入

22

1

IW

fp

ZTerfcP

（2.4）

2

)(

2

12

IW

W

fn

ZTerfcP

（2.5）

x

t dtexerfc 2/2

2

1)(

2.1.1基于相关检测的水印技术－影响因素

水印嵌入强度

标志空间大小

水印模式的选择

2.1.1基于相关检测的水印技术－嵌入多位水印的方案

时/空分复用技术

CDMA(码分复用技术)

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2.1.1基于相关检测的水印技术－时/空分复用技术

),( yxW ：伪随机模式{-1,0,1}

),( yxI ),( yxIw

密钥 K

比例因子

I0 I1 I2 I3

I4 I5 I6 I7

I8

b0

b1

b2

b3

b4 b5 b6 b7

b8

b15

b=0

b=1

:-1

: 1

水印序列：b0b1...bl-1

2.1.1基于相关检测的水印技术－ CDMA技术

假定水印序列 ，对每一位水印比特 ，都对应一个不同的相互独立的伪随

机模式 ，如果 ，则取 否则取 ，所有的L个模式 之和就构成了水印 ，即：

121 ,,, li bbbb

ib

iRP 1＝ib iRP＋ iRP－

iRP W

l

i

ii RPbW1

)12(

2.1.1基于相关检测的水印技术－ CDMA技术 2.1.1基于相关检测的水印技术－两种方法比较

位与位之间就干扰

时/空复用 > CDMA

抗裁剪攻击

时/空复用 < CDMA

计算量

时/空复用 > CDMA

2.1.1基于相关检测的水印技术－DCT域水印检测

线性相关检测难以适用于DCT变换域的盲水印检测算法。

符号相关检测更适合DCT变换域的盲水印检测算法。

DCT变换交流系数的统计模型非常接近拉普拉斯分布

在拉普拉斯分布假设下，采用符号相关的水印检测器的效率是线性相关检测器的两倍

2.1.1基于相关检测的水印技术－压缩域水印算法总结

DCT域的方法计算量较小，且与国际数据压缩标准（JPEG，MPEG，H261，H263）兼容，便于在压缩域（Compressed domain）中实现，目前用得最多。

DFT（Discrete Fourier Transform）域的方法有利于实现水印的仿射变换不变性，且可利用相位信息嵌入水印但DFT与国际压缩标准不兼容，因而限制了其应用。

DWT(Discrete Wavelet Transform)域的方法由于小波变换具有良好的空间/频率分解特性，以及其为新一代静止图象压缩标准(JPEG2000)，有十分好的前景。

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2.1.2基于非相关检测的水印技术－替换

其主要思想是用水印信息或水印信息的数值去替换原始载体的数据或特征量，提取时只需直接提取含水印载体对应的数据或特征量即可。

常见的替换方法有：最低有效位替换、基像素/系数替换和基块替换等算法。

替换方法不仅可用在时空域，也可用在变换域和压缩域中

2.1.2基于非相关检测的水印技术－替换—最低有效位（Least Significant Bit, LSB）替换

图 Lena图像的位平面

2.1.2基于非相关检测的水印技术－替换—压缩域视频流最低有效位修改算法

表 来自于MPEG-2视频标准中的表B.14的可嵌比特码字实例

2.1.2基于非相关检测的水印技术－替换—压缩域视频流最低有效位修改算法

图2.9 压缩域视频流最低有效位嵌入算法的一个实例

2.1.2基于非相关检测的水印技术－关系

在水印嵌入过程中，通过修改载体数据使得水印的不同取值反映了不同的关系，如大小关系、逻辑关系和奇偶关系等，从而在检测时根据关系得到相应的水印信息。这种嵌入方式不仅适用于时空域，也适应于变换域和压缩域。

在时空域中，常见的方法就是利用像素间的关系、块内或块间的统计特征量的关系或利用邻域像素与中心像素间的关系来嵌入水印。

压缩域中已采用的关系主要包括：块内[71, 72, 174, 175]，块间[74]、帧内[75]（针对视频）、通道间[176]（针对彩色图像）变换系数之间的关系，各频带能量关系[177]，位置、奇偶关系等。

2.1.2基于非相关检测的水印技术－量化

基本思想是根据水印信息的不同将原始载体数据量化到不同的量化区间，而检测时根据数据所属的量化区间来识别水印信息。

常 见 的 两 种 量 化 方 法 是 ： QIM （ Quantized indexmodulation，量化索引调制）方法和 SCS（ Scalar costascheme）方法。

图2.10 QIM方法的简单特例示意图

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2.1.3基于HVS的水印能量调制

利用HVS嵌入的不可见水印比均匀能量分布嵌入的水印在信号能量上强得多。

利用感知模型调整水印模式的方式有两种：

1.感知受限嵌入：利用感知模型来确定全局嵌入强度 的大小，可以理解成一个对水印信息模式进行全局缩放的过程。

2.感知成形：对能进行较好隐蔽的某些区域的标志进行加强，而对明显被感知的区域的标志进行削弱，对嵌入强度局部化调节的过程。

2.2信息水印技术－模型

水印系统被看成某种传输信道，输入的水印信息在信道里传输，载体作品是信道的一部分。

该模型中，载体作品被当成带边信息。

水印信息编码和嵌入都借助于原始载体信息，这对降低视觉失真影响、提高水印鲁棒性以及水印容量等性能指标有很大帮助。

水印编码器 修改 攻击 水印解码器

水印嵌入器

噪声、变形等

水印检测器

输入信息m

aW

oc

wc wnc nm输出信息

水印密钥水印密钥

原始载体

K K

mW

2.2 信息水印——鲁棒性度量

归一化相关下的鲁棒性度量可以用锥形区域内的一个N 维双曲面表示。 2

2

nc

R

w rw w

r

c wc c

w

2 0.5R 2 2.0R

0.5nc

检测区域

rw

2.2 信息水印——最优嵌入

图2.15 在固定嵌入能量P约束下或得最高鲁棒性的搜索方法

2

1log 1

2

PC

N

tan ( ) / ( )N P N P P Q N

2.2 信息水印——常见方法

因此许多学者提出基于结构化码表的次优的方法，如：标量Costa算法(SCS), 检错码, 抖动量化技术和最近的多路径网格调制技术。

2.2 信息水印——结论

1.带边信息编码指的是：在编码过程中使用边信息，对于要嵌入的信息，可利用边信息在几个可选的码向量中进行选择，嵌入引起作品失真最小的那个码向量。

2.将带边信息编码和带边信息嵌入结合起来，就有可能获得比简单的盲编码和盲嵌入好得多的性能。理想Costa算法证明，可靠嵌入的信息量独立于载体内容。

3.实际中为了得到理想Costa算法的水印容量，带边信息编码则需要一个结构化的脏纸码书，以便适于快速的最近邻搜索。