基于Contourlet—SVD的数字图像零水印算法【文献综述】

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电子信息科学与技术

基于Contourlet—SVD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

1.1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。

1.2数字水印技术研究现状

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8×8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（Transformation Domain），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

2.1 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，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。

2.2 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。

2.3 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，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