基于Patchwork算法的数字水印嵌入技术
第一章 绪论
1.1 引言
数字水印技术是新兴的信息隐藏技术。所谓数字水印技术就是将数字、序列号、文字、图像标志等版权信息嵌入到多媒体数据中，以起到版权跟踪及版权保护的作用。除此之外，数字水印还在真伪鉴别、隐蔽通信、标志隐含、电子身份认证等方面具有重要的应用价值。数字水印技术的研究涉及信息学、密码学、数学、计算机科学、模式识别等多种学科领域，使隐蔽的信息更具隐蔽性、安全性，同时还具有对称性和纠错性。对数字水印技术的研究表明，数字水印具有巨大广阔的应用前景，并已引起学术界、工业界和军方的广泛关注。
Patchwork算法是1996年，Bender等人提出了空域图像水印方法中著名的算法。这是一种统计算法，即在一个载体图像中嵌入具有特定统计特性的水印。
“Patchwork”一词原指一种用各种颜色和形状的碎布片拼接而成的布料，它形象地说明了该算法的核心思想，即在图像域上通过大量的模式冗余来实现鲁棒数字水印。Patchwork是将水印信息隐藏在图像数据的亮度统计特性中，给出了一种原始的扩频调制机制。
1.2 数字水印研究的重要意义
当今社会发展已呈现两个明显的特征：数字化与网络化。数字化指的是信息的存储形式，特点是信息存储量大便于编辑和复制；网络化指的是信息的传输形式具有速度快、分布广的优点。过去10年，数字媒体信息的使用和分布增长迅速。人们可以快捷方便地获得数字信息和在线服务。但同时，盗版也变得更加容易，对数字内容的管理和保护成为迫切需要解决的问题。
一个世纪以来，无线电广播、电视、录像等技术的产生，都在一定程度上造成版权保护的困难，但最终都是由于新的版权制度的产生而重新得到控制。近年来，数字化技术和Internet的飞速发展，在最大限度的方便人类的信息交换的同时，也带来了版权保护的危机。数字化技术精确、廉价、大规模的复制功能和Internet 的全球传播能力给现有的版权制度带来了前所未有的冲击，数字产品版权保护成为困扰世界各国、社会各界的难题。
1
基于Patchwork算法的数字水印嵌入技术
数字信息在本质上不同于模拟信息，传统的保护模拟信息的方法对数字信息已不奏效。再加上一些具有通用目的的处理器，如PC机，使那些基于硬件的媒体保护方案更容易被攻破。而通常采用的加密技术事实上只能在信息从发送者到接受者的传输过程中保护媒体的内容。在信息被接收到以后，利用的过程中，所有的数据对使用者都是透明的，不再受到任何保护。在这一形势下，数字水印作为一种潜在的解决方案，得到了众多学者的青睐。
数字水印的基本思想是在原始数据中，如音频、视频、图像等，隐藏具有一定意义的附加信息作为标记，这些信息与原始数据紧密结合，并随原始数据一起被传输。在接收端，通过计算机水印信号被提取出来用于各种目的，可能的应用包括数字签名、数字指纹、广播监视、内容认证、拷贝控制和秘密通信等。数字水印被称为抵抗多媒体盗版的“最后一道防线”。因此从水印技术自身来说，它具有广泛的应用前景和巨大的经济价值。
1.3 本课题的主要研究内容及章节安排
本课题主要是研究基于Patchwork算法下的数字水印嵌入技术，研究数字水印的基本理论和基本构架，在理解数字水印的基础上研究Patchwork算法的具体嵌入及检测。论文的主要工作及章节安排如下：
第一章主要介绍了论文研究的背景，数字水印研究的重要意义。
第二章主要介绍了数字水印的基本框架、数字水印的分类及特性和数字水印的应用实例。
第三章主要介绍了Patchwork算法的及特点和算法的伪C代码的描述。 第四章是写实验程序的简介及试验程序。
2
基于Patchwork算法的数字水印嵌入技术
第二章 数字水印技术
2.1 数字水印技术介绍
数字水印是一种有效的数字产品版权保护和数据的安全维护的技术，是信息隐藏技术研究领域的重要分支。它是将具有一定特定意义的标记及水印，利用数字嵌入的方法隐藏在数字图像、音频、文档、图书、视频等数字产品中，用以证明创造者对其作品的所有权，并作为鉴定、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信息的完整可靠性，从而成为知识产权保护和数字多媒体防伪的有效手段。
2.1.1数字水印的基本框架
从信号处理的角度看，嵌入载体队形的水印信号可以视为是在强背景下叠加的一个弱信号，只要叠加的水印信号强度低于视觉系统（HVS）对比度门限或听觉系统(HAS)对声音的感知门限，HVS或HAS就无法感知到信号的存在。由于HVS或HAS受空间、时间和频率特性的限制，所以，通过对载体做一定的调整，就可能在不引起人感知的情况下嵌入信息。
从数字通信的角度看，水印嵌入可以理解为在一个宽带信道上用扩频通信技术传输一个窄带信号及水印。尽管水印信号具有一定的能量，但分布到信道中任何一频率上的能量难以检测到的。水印的检测则是一个有噪信道中弱信号的检测问题。图2-1为数字水印处理系统基本框架。
密钥 秘密信息 水印 含水印产品 产品 网络 含水印产品 水印提取算法 水印 有或无 水印嵌入算法 水印攻击算法 水印检测 算法 水印生成算法
图2-1 数字水印处理系统基本框架
3
基于Patchwork算法的数字水印嵌入技术
下面是根据Voyatzis和Pitas的思想对数字水印的基本框架进行介绍。 定义水印为如下的信号W
?}W?{w(k)w(k)?U,k?Wd （2-1）
d?这里W表示维数为d水印信号域，d?1,2,3分别表示声音、静止图像和视频中的水印。
水印信号可以是二值形式（U={0,1}或U={-1,1}）或高斯噪声形式。有时称W为“原始水印”，以便把它和变换域水印形式F（W）（这种形式的水印往往在许多水印嵌入和检测算法中出现）区别开来。
水印处理系统的基本框架可以定义为六元体（X,W,K,G,E,D）,其中：
（1） X代表所要保护的数字产品X的集合。 （2） W代表所有可能的水印信号w的集合。 （3） K是标识码（也称为水印密钥）的集合。
（4） G表示利用密钥K和待嵌入水印的X共同生成水印的算法，即
G:X?K?W,W?G(X,K)
（5） E表示将水印W嵌入数字产品X0中的嵌入算法，即
（2-2）
E:X?W??X,?X?E(X0,W)
X代表嵌入水印后得到的数组产品。 这里，X0代表原始的数字产品；?（2-3）
（6） D表示水印检测算法，即
D:X?K?{0,1}
（2-4）
?1,如果X中存在W(H1) D(X,K)??0,如果X中不存在W(H)0?这里，H1和H0代表二值假设，分别表示水印的有无。
水印的处理系统基本框架必须满足一些特定的挑件，以便形成一套适用于版权保护盒产品内容鉴定的值的信赖的根据，这些基本条件有：
（1） 不可感知性。对于不可见水印的处理系统，水印嵌入算法不应该产生可感 知的数据修改。即加水印后的产品必须相似于原始产品，即X0??X0
（2） 密钥唯一性。不同密钥应产生不等价水印，即对于任何产品X?X和
4
基于Patchwork算法的数字水印嵌入技术
Wi?G(X,Ki),i?1,2,满足K1?K2?W1?W2。
（3） 水印有效性。在水印处理算法中只采用有效的水印。对于特定的产品X?X 当且仅当存在K?K使得G(X,K)?W,则称水印W是有效的。
（4） 不可逆性。函数W=G(X,K)应该是不可逆的，即K不能根据W和函数G 逆推出来。不满射的函数G直接满足这个条件。但这在水印出理算法中并不是必要条件。在实际应用时，不可逆意味着对于任何水印信号W，很难再找到另一个与W等价的水印信号。
（5） 产品依赖性。在相同的密钥条件下，当水印算子G用在不同的产品时，应 该产生不同的水印信号。即对于任何特定的密钥K?K和任何X1,X2?X满足
K1?K2?W1?W2，其中Wi?G(X,Ki),i?1,2。
（6） 多重水印。通常对已有嵌入的水印信号的产品用另一个不同的密钥再做水 印嵌入是可能的。这也是盗版者或侵权者在重销时可能做的工作。但在某些场合，利用这种特性可以对产品的发布渠道进行跟踪。若?Xi?E(?Xi?1,Wi),i?1,2,?,那么对于任何
i?n，原始水印必须在?Xi中检测出来，即D(?Xi,W1)?1，这里n是一个足够大的整数使
?Xn?X0，而且?Xn?1?X0。
（7） 检测可靠性。肯定检测的输出必须有一个合适的最小的置信度。如果Pfa是 检测的虚警率，则它满足Pfa?P thres是产品供应者所选择的合适的概率阀值。thres，这里PX是加水印的产品，并且D(?（8） 稳健性。设X0是原始产品，而?X,W)?1，M
是一个多媒体数据处理操作算法。则对于任何Y??X,Y?M(?X)满足D(Y,W)?1，而且对于任何Z?M(X0)，满足D(Z,W)?0。
（9） 计算有效性。水印处理算法应该比较容易用软件或硬件实现。尤其需要注 意的是，水印检测算法对某些应用来说要足够快。
以上介绍了通用的水印框架的基本要素和它在通常情况下需要满足的一些基本条件，在实际应用中，一个完整水印系统的设计必然包括水印的生成、嵌入和提取三部分。以下介绍这3部分的内容：
5