網絡信息安全技術(第二版)第12章信息隱藏技術課件

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1、單擊此處編輯母版標題樣式,,單擊此處編輯母版文本樣式,,第二級,,第三級,,第四級,,第五級,,,*,第12章 信息隱藏技術,第12章 信息隱藏技術,12.1 信息隱藏概述,,12.2 信息隱藏技術的分類及應用領域,,12.3 數字圖像水印技術,,12.4 數字文本水印技術,,12.5 數字語音水印技術,,12.6 數字視頻水印技術,,,12.1 基 本 概 念,12.1.1　信息隱藏的基本概念,,1．信息隱藏技術的發(fā)展,,信息隱藏的發(fā)展歷史可以一直追溯到“匿形術（Steganography）”的使用?！澳湫涡g”一詞來源于古希臘文中“隱藏的”和“圖形”兩個詞語的組合?！澳湫涡g”與“密碼術

2、（Cryptography）” 都是致力于信息保密的技術，但兩者的設計思想卻完全不同?！懊艽a術”主要通過設計加密技術，使非授權者不可讀取保密信息，但是對于非授權者來講，雖然他無法獲知保密信息的具體內容，卻能意識到保密信息的存在。而“匿形術”則致力于通過設計精妙的方法，使得非授權者根本無從得知保密信息是否存在。,,,現代信息隱藏技術發(fā)展主要為了應對數字化信息的大量出現，以及因特網快速發(fā)展條件下信息保護的問題。隨著因特網的日益普及，多媒體等數字化信息的交流已達到了前所未有的深度和廣度，其發(fā)布形式也愈加豐富了。人們如今可以通過因特網發(fā)布自己的作品、重要信息和進行網絡交易等，但是隨之而出現的版權和信息

3、安全問題也十分嚴重：如作品侵權更加容易，篡改也更加方便。人們越來越認識到因特網時代知識產權保護的重要性，信息隱藏學就是為達到信息保護目的而誕生的一門新興交叉學科。信息隱藏學作為隱蔽通信和知識產權保護等的主要技術手段，正得到廣泛的研究與應用。,,,2．信息可隱藏的原因,,信息之所以能夠隱藏在多媒體等數字化數據中，主要有兩方面的原因：,,（1）多媒體等數字化信息本身存在很大的冗余性，從信息論的角度看，未壓縮的多媒體等信息的編碼效率很低，所以將某些信息嵌入到多媒體等信息中進行秘密傳送是完全可行的，并不會影響多媒體等信息本身的傳送和使用。,,（2）人眼和人耳本身對某些信息都有一定的掩蔽效應，如人眼對灰

4、度的分辨率只有幾十個灰度級，對邊沿附近的信息不敏感等。利用人體感官的這些特點，可以很好地將信息隱藏而不被察覺。,,,信息隱藏技術中涉及到的主要對象包括待隱藏的信息、信息的載體、帶有秘密信息的載體，具體內容如下：,,（1）信息隱藏技術中待隱藏的信息稱為秘密信息(SecretMessage)，該信息可以是版權信息或秘密數據，也可以是一個序列號；,,（2）用來承載秘密信息的公開信息稱為載體信息(CoverMessage)，如視頻、音頻、文本片段；,,（3）隱藏有秘密信息的公開信息稱為隱蔽載體(StegoCover)，如帶有版權簽名的視頻、帶有秘密文字的圖片和音頻等。,,,4．信息隱藏技術的特性,,信

5、息隱藏不同于傳統(tǒng)的加密，因為其目的不在于限制正常的資料存取，而在于保證隱藏數據不被侵犯和發(fā)現。因此，信息隱藏技術必須考慮正常的信息操作所造成的威脅，即要使機密資料不易被正常的數據操作(如通常的信號變換操作或數據壓縮)所破壞。為保證信息隱藏和不影響正常操作的目的，信息隱藏技術需要具備以下特性。,,（1）魯棒性(robustness)：指不因數據文件的某種改動而導致隱藏信息丟失的能力。這里所謂“改動”包括傳輸過程中的信道噪音、濾波操作、重采樣、有損編碼壓縮、D/A或A/D轉換等。,,,（2）不可檢測性(undetectability)：　指隱蔽載體與原始載體具有一致的特性。例如具有一致的統(tǒng)計噪聲

6、分布等，以便使非法攔截者無法判斷是否有隱蔽信息。,,（3）透明性(invisibility)：　利用人類視覺系統(tǒng)或人類聽覺系統(tǒng)屬性，經過一系列隱藏處理，使目標數據沒有明顯的降質現象，且隱藏的數據無法人為地看見或聽見。,,（4）安全性(security)：　指隱藏算法有較強的抗攻擊能力，即它必須能夠承受一定程度的人為攻擊，而使隱藏信息不會被破壞。,,（5）自恢復性：　由于經過一些操作或變換后，可能會使原圖產生較大的破壞，如果只從留下的片段數據仍能恢復隱藏信號，而且恢復過程不需要宿主信號，這就是所謂的自恢復性。,,,1．信息隱藏嵌入過程,,信息隱藏嵌入過程實際上就是一個數字化信號的變換過程，主要步

7、驟包括：,,（1）對原始主信號（載體信息）作信號變換；,,（2）對原始主信號（載體信息）作感知分析；,,（3）在步驟（2）的基礎上，基于事先給定的關鍵字，在變換域上將簽字信號（秘密信息）嵌入主信號，得到帶有隱藏信息的主信號（隱蔽載體）。,,信息隱藏的嵌入過程如圖12.1所示。,,,圖12.1　信息隱藏的嵌入過程,,,,圖12.2　信息隱藏的檢測過程,,,,信息隱藏技術按照嵌入方法的不同，可分為空域（SpatialDomain）信息嵌入方法和變換域（TransformationDomain）信息嵌入方法兩類，具體內容如下：,,（1）空域信息嵌入方法。這類方法也被稱做時域信息嵌入方法，主要優(yōu)點是運

8、算相對簡單，信息嵌入速度快，計算量小，對于主信號的幾何變換、數據壓縮等基本操作具有一定的抵抗能力，但總體上抗攻擊和抗破壞能力比較脆弱，對于信號濾波、加噪等操作的魯棒性較差。,,,,（2）變換域信息嵌入方法。這類方法也被稱做頻率域、頻域信息嵌入方法，這類技術主要是通過修改主信號某些指定的頻域系數來嵌入數據的。常用頻率域包括傅立葉變換（FFT）域、離散余弦變換（DCT）域、離散小波變換（DWT）域等。信息隱藏技術一般選取信號中頻區(qū)域上的系數來嵌入簽字信號，從而使之既滿足不可感知性，又滿足對諸如失真壓縮等操作的魯棒性。其主要原因在于低頻分量包含了圖像的主要信息（如亮度），低頻區(qū)域系數的改動可能會影響

9、到主信號的感知效果，而高頻系數容易被破壞，因此中頻信號更符合信息隱藏技術的要求。,,,12.2.2　信息隱藏技術的應用領域,,1．版權保護（CopyrightProtection）,,到目前為止，信息隱藏技術的絕大部分研究成果都集中在版權保護這一領域中，相關成果已經得到了應用。信息隱藏技術在應用于版權保護時，所嵌入的簽字信號通常被稱做“數字水?。―igitalWatermark）”。版權保護所需嵌入的數據量最小，但對簽字信號的安全性和魯棒性要求也最高，甚至是十分苛刻的。為了避免混淆，應用于版權保護的信息隱藏技術一般稱做“魯棒型水印技術”，而所嵌入的簽字信號則相應地稱做“魯棒型水?。≧obust

10、Watermark）”，從而與下文將要提到的“脆弱型水印”區(qū)別開來。一般在版權保護領域所提到的“數字水印”則多指魯棒型水印。,,,魯棒型數字水印用于確認主信號的原作者或版權的合法擁有者，相關技術必須保證對原始版權的準確無誤標識。數字水印時刻面臨著用戶或侵權者無意或惡意的破壞，因此，魯棒型水印技術必須保證對主信號可能發(fā)生的各種失真變換和各種惡意攻擊都具備很高的抵抗能力。與此同時，信息隱藏技術要求保證原始信號的感知效果盡可能不被破壞，因此實際應用中對魯棒型水印的不可見性也有很高的要求。如何設計一套完美的數字水印算法，并伴隨以制訂相應的安全體系結構和標準，從而實現真正實用的版權保護方案，是信息隱藏技

11、術最具挑戰(zhàn)性也極具吸引力的一個課題。目前，一些數字水印方法已經在版權保護中得到應用，但是尚無十分有效的魯棒水印算法。,,,3．擴充數據的嵌入（AugmentationDataEmbedding）,,擴充數據包括對主信號的描述或參考信息、控制信息以及其他媒體信號等等。描述信息可以是特征定位信息、標題或內容注釋信息等，而控制信息的嵌入則可實現對主信號的存取控制和監(jiān)測。擴充數據可以是多種附屬描述信息，例如針對不同所有權級別的用戶存取權限信息，跟蹤某一特定內容對象創(chuàng)建、行為以及被修改歷史的“時間戳（TimeStamp）”信息等。信息隱藏技術使得主信號無需在原信號上附加頭文件或歷史文件情況下附加擴充數據

12、，記錄主信號對象的使用權限描述、歷史使用操作信息等，避免了擴充信息因為附加文件被改動或丟失造成的破壞，節(jié)省了傳輸帶寬和存儲空間。,,,擴充數據還可以實現在給定的主信號中嵌入其他完整而有意義的媒體信號，例如在給定視頻序列中嵌入另一視頻序列等。信息隱藏技術通過擴充數據嵌入為多媒體信息的個性化剪裁提供了可能，可以按照用戶需要提供不同的信息形式和內容，這種應用非常有意義，對用戶極具魅力。例如，在某一頻道內收看電視，可以通過信息隱藏方法在所播放的同一個電視節(jié)目中嵌入更多的鏡頭以及多種語言伴音及字幕，使用戶能夠按照個人的喜好和指定的語言方式播放，這種方法在某種意義上實現了視頻點播（VideoOnDeman

13、d，VOD）的功能，而其最大的優(yōu)點在于減少了一般VOD服務所需的傳輸帶寬和存儲空間。,,,12.3 數字圖像水印技術,12.3.1 數字水印技術的基本原理,,數字水印技術的基本原理是通過一定的算法將一些標志性信息直接嵌入到多媒體內容中，但不影響原內容的價值和使用， 而且不會被人感知或注意。水印信息可以是作者的序列號、 公司標志、有特殊意義的文本、圖形、圖像標記等。其作用是可用于識別文件、圖像或音樂制品的來源、 版本原作者、 擁有人、發(fā)行人以及合法適用人對數字產品的所有權。 數字水印技術包含嵌入水印和提取水印兩個過程。 下面給出通用意義下的數字水印嵌入和提取過程。,,,圖 12.3 水印嵌

14、入的一般過程,,,,圖12.3中，圖像的預處理包含圖像為了保證水印嵌入算法的高效以及實用而采取的一系列變換，如圖像為了適應人類視覺系統(tǒng)而進行的顏色模型的調整、 時頻域轉換等。圖像恢復則是指在將水印信號嵌入原始圖像以后對原始圖像進行恢復顯示的過程， 使得它轉換到我們通常所看到的時域信號， 或者轉換到計算機所能進行一般處理的顏色模型中來。,,,在圖12.3中最關鍵的部分是水印嵌入，也就是水印嵌入函數,f,的作用。通常在水印嵌入的時候都是將水印信號轉換成二進制碼流嵌入到原始圖像中， 如果二進制碼為0，則對原始圖像相應像素位進行一定處理；如果二進制碼為1，則對原始圖像進行另外的處理，這樣做的目的是方便

15、將來的提取過程。我們用式(11-2)來表示嵌入函數作用。,其中,I,和,W,為經過預處理以后的數據，函數,B,是取水印圖像的一位，,P,1和,P,2是分別對原始圖像的相應像素位進行函數處理。,(12.2),,,,在對水印圖像提取水印信息以前需要先對水印圖像進行必要的預處理。在提取算法上，分為兩種：一種是盲提取，也就是提取水印信息的算法在應用過程中不需要原始圖像的參與；另外一種就是明文水印，也就是在水印信息提取算法中需要原始圖像才能正確地提取出水印信息。目前水印算法研究的重點越來越趨向于盲水印。圖像水印提取的一般過程如圖12.4所示。,,,圖 12.4 水印提取的一般過程,,,,圖像水印技術是目

16、前數字水印技術研究的重點，相關文章非常多，而且也取得了非常多的成就，但大部分水印技術采用的原理基本相同。即在空/時域或頻域中選定一些系數并對其進行微小的隨機變動，改變的系數的數目遠大于待嵌入的數據位數， 這種冗余嵌入有助于提高魯棒性。實際上，許多圖像水印方法是相近的，只是在局部有差別或只是在水印信號設計、嵌入和提取的某個方面域有所差別。下面我們分空域和頻域兩個方面分別加以介紹，給出一些算法。,,,11.3.2 空域的圖像水印技術,,空域算法指的是實現數字水印嵌入和提取的過程全部在空域中完成，不需要進行頻率域的變換。 最早提出的空域算法就是著名的LSB(Least Significant Bi

17、ts)方法，它是將水印信息安排在像素的最低位，也就是最不容易引起圖像有較大視覺變換的位置。 作為幾個比較實用的軟件包之一的Stego就采用了改變圖像最低位信號實現圖像水印的目的。這樣的算法魯棒性不夠強，目前對于這種方法提出了很多改進算法，Lippman曾經提出將水印信號隱藏在原始圖像的色度通道中。Bender曾經提出了兩種方法，一種是基于統(tǒng)計學的“patchwork”方法，另一種是紋理塊編碼方法。,,,空域水印算法以其簡潔、高效的特性而在水印研究領域占有一席之地，在過去的十幾年中，水印的空域算法也層出不窮。 其經典的LSB算法就是將水印信息放置在原始圖像中對于人類視覺最不敏感的地方。在空域

18、中，通常選擇改變原始圖像中像素的最低位來實現水印的嵌入和提取。下面用一個具體的算法來說明。,,,(1) 嵌入過程 把水印信號經過顏色模型轉換后再轉化為二進制數據碼流；原始圖像同樣經過顏色模型轉換后，再將其每個字節(jié)的高7位依次異或；最后再用原始圖像像素字節(jié)位異或結果與二進制數碼流異或后寫入其最低位。如圖11.5所示為基于LSB算法的水印嵌入過程。,,,圖 12.5 基于LSB算法的水印嵌入過程,,,,(2) 提取過程 把待提取的水印圖像（以下稱為水印圖像）經過顏色模型轉換后每個字節(jié)8位依次異或，并保存其結果； 再將其結果每8位組成一個字節(jié)；最后得到的數據經過顏色模型轉換后就得到水印圖像。如圖12

19、.6為基于LSB算法的水印提取過程。,,,圖12.6 基于LSB算法的水印提取過程,,,,例如， 三個像素的原始數據為： ,,（00100111，11101001，11001000），（00100111， 11101000， 11001001）， （11001000， 00100111， 11101001）,,所存的水印數據為： 010001011,,嵌入過程計算：,,,將水印嵌入后， 像素數據變?yōu)椋?,,（00100111， 11101001， 11001001），（00100111， 11101000， 11001000）， （11001001， 00100110， 111010

20、01）,水印數據的提取過程：,,最后，提取出的水印數據為：010001011,,,,11.3.3 頻域的圖像水印技術,,頻域算法與空域算法不同，指的是在嵌入或者提取水印的過程中，需要進行頻域的變換操作，這樣做的目的是增強水印算法的魯棒性，使得圖像在有損壓縮和濾波后仍能很好地提取出水印信息。NEC實驗室的COX等人提出的基于擴展頻譜的水印算法在數字水印算法中占有重要地位，這一算法提出了魯棒型水印算法的幾個重要原則：首先，水印信號應該嵌入數據中對人的感覺最重要的部分。在頻率域中這個重要部分就是低頻分量，一般的圖像處理技術并不去改變這部分數據。其次水印信號應該由具有高斯分布的隨機實數序列構成。這樣

21、會使水印經受多拷貝聯合攻擊的能力大大增強。NEC的實現思想是：對整幅圖像做DCT（離散余弦變換）變換，選取除DC分量外的1000個最大的DCT系數插入由N(0,1)所產生的一個實數序列水印信號。,,,靜止圖像通用壓縮標準JPEG（Joint Photographic Experts Group，聯合圖像專家小組）的核心部分是DCT變換，它根據人眼的視覺特性把圖像信號從時域空間轉換到頻率域空間。由于低頻信號是圖像的實質而高頻信號則是圖像的細節(jié)信息，因此， 人眼對于細節(jié)信息即高頻信號部分的改變并不是很敏感，JPEG壓縮通過丟棄高頻部分來最大程度的滿足壓縮和人眼視覺的需要。這里針對JPEG壓縮標

22、準提出根據DCT變換系數性質來植入水印的算法。,,,Cox等曾經提出了魯棒型水印算法的重要原則：為了使水印強壯，水印信號應該嵌入原始數據中對人的感覺最重要的部分， 在頻率域空間中，這種重要部分就是低頻分量。因為攻擊者在破壞水印的過程中，將會不可避免地引起圖像質量的嚴重下降， 所以，一般的圖像處理技術也并不去改變這部分數據, 這樣會使水印的魯棒性大大提高。但是此類魯棒算法在實現水印信息嵌入低頻系數的過程中卻破壞了圖像本身的質量。而Turner也在其文章中提到將水印信息添加至圖像中最不重要的位置，顯然這樣的水印算法魯棒性不足，但是卻能夠保證圖像質量最低限度的損失。綜合考慮這兩類算法的優(yōu)缺點，同時為

23、了保證水印算法的魯棒性和在嵌入水印信息后保證圖像的質量不會受到大的損壞的情況下，基于DCT域水印算法將水印信息添加至圖像的中頻系數中。,,,采用中頻系數的頻域DCT變換水印嵌入的過程，主要包括顏色模型轉換、頻域FDCT變換、中頻系數提取、水印信息嵌入、頻域IDCT反變換和顏色模型恢復幾個環(huán)節(jié)，具體嵌入過程如下：,,（1）圖像和水印信息圖像進行顏色模型轉換，從RGB顏色空間到YUV顏色模型空間；然后將經過顏色模型轉換后的圖像分成8×8的塊。,,（2）對每一個8×8圖像塊用濾波矩陣進行濾波實現FDCT（快速離散余弦變換）。離散余弦變換是將信號從空域轉換到頻域的一種方法。,,,（3）提取原始圖像的中

24、頻系數，即將原始圖像的頻域系數經過量化后自適應選取中頻系數作為將來嵌入水印信息的載體位。同時選取水印信息圖像頻域系數的低頻和中頻部分，并將其轉換為二進制碼流，作為嵌入的對象。,,（4）將水印信息嵌入到原始圖像信息中，具體的嵌入過程是，先判斷水印信息二進制碼，如果其值為1，而且待嵌入水印系數比其下一個系數的值小，則交換這兩個系數的值；如果其值為0，而待嵌入水印系數比其下一個系數的值大，則交換這兩個系數。換句話說就是要保證嵌入1時，此系數大于下一個系數值，嵌入0時相反。,,,（5）最后對嵌入水印信息的原始圖像進行反離散余弦變換(IDCT)，再將其從YUV顏色模型空間轉換到RGB顏色空間，最終得到了

25、嵌入水印后的圖像。,,頻域DCT變換中頻系數水印嵌入的具體算法流程如圖12.7所示。,,,圖12.7　嵌入水印過程,,,圖12.8　提取水印過程,,,圖12.9　基于DCT方法提取水印圖,,,(a),,(b),,,,圖12.10　中心裁剪75%后提取水印圖,,,,圖12.11　圖像旋轉后提取水印圖,,,,圖12.12　JPEG壓縮后提取水印圖,,,圖12.13　亮度、對比度調整后提取水印圖,,,,數字水印尚未形成一個完善的技術體系，每個研究人員的介入角度各不相同，所以研究方法和設計策略也各不相同，但都是圍繞著實現數字水印的各種基本特性進行設計的。同時，隨著該技術的推廣和應用的深入，逐步引入了其

26、他領域的先進技術和算法，從而完備和充實了數據水印技術。例如在數字圖像處理中的小波變換、分形理論，圖像編碼中的各種壓縮算法等等。,,,12.4 數字文本水印技術,12.4.1 數字文本水印技術的一般原理,,現在的印刷品的電子化傳送可以通過在線數據庫、 電子圖書館、CD-ROM等方式，這就使得版權的保護尤為重要。目前數字水印的研究大多數集中在圖像視頻和音頻方面文本數字水印的研究有限。,,,最原始的文檔，包括ASCII文本文件或計算機原碼文件， 是不能被插入水印的，因為這種類型的文檔中不存在可插入標記的可辨認空間（Perceptual Headroom）。 然而， 一些高級形式的文檔通常都是格式化

27、的（如PostScript， PDF， RTF， WORD， WPS），并且對于這些類型的文檔可以將一個水印藏入版面布局信息（如字間距或行間距）或格式化編排中。可以將某種變化定義為1，不變化定義為0，這樣嵌入的數字水印信號就是具有某種分布形式的偽隨機序列。,,,一個英文文本文件一般由單詞、行和段落等有規(guī)律的結構組合而成，對其作一些細微的改動是難以察覺的。這種方式既可以修改文檔的圖像表示， 也可以修改文檔格式文件。后者是一個包含文檔內容及其格式的文件，基于此可以產生出可供閱讀的文字（圖像）。而圖像表示則是將一個文本頁面數字化為二值圖像， 其結果是一個二維數組：,f,(,x,y,)=0或 1,x,

28、=0, 1, ……,,W,;,y,=0, 1, …..,,L,,其中,,f,(,x, y,)表示在坐標(,x, y,)處的像素強度；,W,和,L,的取值取決于掃描解析度， 分別表示一頁的寬度和長度。,(12.5),,,,輪廓是文本圖像的一維投影， 單個文本行的水平輪廓表示為,,其中,,t,和,b,分別是圖像中處于該文本行最上方和最下方的像素行坐標。采用這種方法可以只修改第2、4、6、 …行， 而使第1、 3、 5， …行保持不變。 這種方法能夠抵御在傳輸過程中出現的意外或故意的圖像損壞。,(12.6),,,,數據隱藏需要一個編碼器和一個解碼器。如圖12.14所示， 編碼器的輸入是原始文件，輸

29、出是加了標記的文件。首先對原始文檔進行預處理， 將所得到的圖像頁按照從碼本中選取的碼字進行修改。編碼器的輸出即為修改過的文件并被分送出去。 解碼器輸入修改過的文件，輸出其中所嵌入的數據信息, 圖12.15表示解碼過程。,,,圖 12.14 編碼器的結構,,,,圖 12.15 解碼器的結構,,,,11.4.2 行移編碼,,行移編碼技術既可以用于文本文檔也可以用于文件格式， 它是通過垂直移動文本行的位置來實現的。經驗告訴我們當垂直位移量等于或小于1/300英寸時， 肉眼無法辨認出。給文檔預分配的碼字規(guī)定了文檔中的哪些文本行將被移動。 可以規(guī)定行上移表示“0”，下移表示“1”。當然也可以規(guī)定上

30、移表示“1”， 下移表示“-1”，不動表示0。 該技術采用了差分編碼技術以獲得好的不可檢測性和魯棒性。同每行均可移動的方法相比較，可被隱藏的每個碼字的長度減少了，但這個數字還是相當大的， 足以夠用。 如一頁有40行，則每頁會有2,20,=1 048 576個不同的碼字。,,,根據要嵌入文件中標記的內容， 編碼器將文本行上移或下移。 解碼器測量文檔文件中相鄰行的行間距，這可以用以下方法來實現： 解碼器測量相鄰行的基準線之間的距離或重心之間的距離?；鶞示€是一行中所有字符被放置的邏輯線，而重心則是具體文本行的點陣質量重心。,,,假定第,i,-1行和,i,+1行未被移動而將第,i,行上移或下移，在未改

31、動的文檔文件中相鄰行的基準線之間距為常數，令,S,i-,1,和,S,i,分別是基線,i,-1和,i,之間基線,i,+1和,i,之間的距離，采用的檢測準則算法如,S,i-,1,>,S,i,，則第,i,行下移；,S,i,-1,<,S,i,，則第,i,行下移，其它情況不定。,,同基線調距方法不同的是，重心調距方法不要求間距一致。 重心間距的測量基于原始文檔中的間距與修改后文檔中重心間距的差異。 可以用下列公式來計算中心位置：,（12-7）,,,,其中,,i,=1、2、…、,N,，為當前行號，,N,為一頁中的行數，,t,i,和,b,i,表示第,i,行的頂和底。,N,為計算被選中像素點數目的函數，即,f

32、,(,k, j,)=1,,k,=0, …,,W,; 下一步計算第,i,-1行和,i,行之間、第,i,行和,i,+1行之間的距離，令其為,S,i,-1,和,S,i,。 類似地可以作下面的判斷： ,,如,S,i,-1,-,t,i-,1,>,S,i,-t,i,，則第,i,行上移，否則， 第,i,行下移。 ,,圖12.16表示了采用行移編碼文檔的一部分。,,,圖 12.16 行移編碼,,,,11.4.3 字移編碼,,字移編碼技術通過使文本行內字符發(fā)生平移來嵌入特定標記。 采用這種方式時，相鄰字之間的距離各不相同。經驗告訴我們， 人眼無法辨認1/150英寸以內的單詞的水平位移量。其實在文檔對齊處

33、理時經常采用調整空格的方法來改變字符間隔（如文本的排序）。因為作了變間隔處理，解碼器需要掌握原始文檔或關于原始文檔字間隔的說明。編碼器首先要觀察文本行是否有足夠的字數用于編碼，過短的行不被采用，然后用差分編碼方法對所選定的行進行編碼。自左邊起第2、4、6、 …等位置上的字被移動， 但行首字和行尾字不移動用來保持整頁中的列向對齊。最后將經字位移處理后的文檔分發(fā)出去。,,,解碼器需要原始文檔的有關信息，不能實現盲檢，只有那些擁有最初文檔的組織或其代理人可以讀到隱藏信息。我們需要知道每個字的起始位置或重心位置。 假設第,i,個字被移動了位置，其自身和相鄰兩字的重心分別為,c,i,-1,，,c,i,和

34、,c,i,+1,，移動后的重心位置分別是,c,i-,1,′，,c,i,′和,c,i-,1,′ ，則計算公式為：,(12.8),,(12.9),,,,然后再用下面的方法來決定第,i,個字是被左移還是右移。,若,,， 則第,i,個字節(jié)被左移。,若,,， 則第,i,個字節(jié)被右移。,圖 12.17 字移編碼,,,,12.4.4　特征編碼,,特征編碼是一種通過改變某個字母的某一特征來插入標記的技術。字母特征改變可能是其高度等屬性特征。同樣，特征編碼也會保留一些字母特征不作改變以幫助解碼。例如，使用字母高度進行特征編碼的文本水印處理中，水印檢測算法會將那些被認為發(fā)生變化的字母與該頁中沒有變化的相同字母的高

35、度進行比較，得到水印結果。,,,11.4.5 編碼方式的綜合運用,,以上方法可以綜合運用，這樣的編碼方式可以增加魯棒性， 在破壞嚴重的情況下，仍可以檢測到水印。 在一個文檔被處理的過程中，水平與豎直方向可能會受到不同程度的破壞。對同一行同時使用行移和字移進行編碼，可以結合控制行與被標記行來估計出水平與豎直輪廓哪一個破壞較小，從而決定進行行移檢測還是字移檢測。,,,11.5.1 最不重要位（LSB）方法,,,最不重要位（LSB）方法是將秘密數據嵌入到載體數據中去的最簡單的一種方法，它是在空域中隱藏數據。任何的秘密數據都可以看作是一串二進制位流，而音頻文件的每一個采樣數據也是用二進制數來表示。這

36、樣，我們可以將部分采樣值的最不重要位用代表秘密數據的二進制位替換掉，達到在音頻信號中編碼加入秘密數據的目的。為了加大對秘密數據攻擊的難度， 可以用一段偽隨機序列來控制嵌入秘密二進制位的位置。下面我們具體講一講水印的嵌入和提取過程：,12.5 數字語音水印技術,,,（1） 以二進制數的形式讀取載體音頻數據， 得到原始信號；,,（2） 將秘密數據轉換為二進制位流的形式， 并計算秘密數據位的總數； ,,（3） 將（2）中得到的數據流作置亂變換， 得到待隱藏的數據流； ,,（4） 將秘密數據位的總數首先嵌入到載體文件中； ,,（5） 將原始數據的最低位用秘密數據位替代； ,,（6） 循環(huán)操作第

37、（5）步， 直至秘密信息全部被嵌入。,,,音頻數字水印的LSB方法水印提取過程主要步驟如下：,,（1）首先提出秘密數據位的總數；,,（2）提取水印信息的數據位；,,（3）循環(huán)操作（2），直至所有的秘密二進制位全部被提取出來；,,（4）根據嵌入過程使用的置亂變換，采取逆變換，得到我們所需要的數據水印信息。,,,為了提高魯棒性，我們也可以將秘密數據位嵌入到載體數據的較高位，但這樣帶來的結果是大大降低了數據隱藏的隱蔽性。當然，在變化域進行數字水印的嵌入能獲得很強的魯棒性。 下面介紹小波變換的方法。,,,12.5.2　小波變換方法,,小波變換是一種新的時頻分析方法，隨著新一代視頻壓縮標準MPEG－4的

38、推出，小波水印技術日益受到重視。小波變換與傳統(tǒng)的頻域方法相比具有很多優(yōu)勢，變換算法在頻域和時域同時具有良好的局部化特征，小波變換支持多分辨率分析與人眼視覺特性相匹配。小波水印可以將水印嵌入中頻的不同子帶中，形成的算法魯棒性強，在經歷各種處理和攻擊后，如加噪、濾波、重采樣、剪切、有損壓縮和幾何變形等，仍可以保持很高的可靠性。,,,在嵌入時對語音信號序列按下式進行Harr小波分解：,,(12.10),,(12.11),,其中，,h,1,=0.7071，0.7071，,h,0,=-0.7071，0.7071。,(12.12),,,,圖 12.18小波域音頻水印的嵌入方案,,,,圖 12.19 小波域

39、音頻水印的提取方案,,,,12.6 數字視頻水印技術,12.6.1 數字視頻水印技術的一般原理,,視頻水印研究是當前數字水印技術研究方向中的一個熱點和難點，熱點在于大量消費類數字視頻產品的推出，如VCD、 DVD， 使得以數字水印為重要組成部分的數字產品版權保護更加迫切。難點是由于雖然數字水印技術近幾年得到長足發(fā)展， 但方向主要是集中于靜止圖像的水印技術。,,,然而在視頻水印的研究方面，由于包括時間域掩蔽效應等特性在內的更為精確的人眼視覺模型尚未完全建立，使得視頻水印技術相對于圖像水印技術發(fā)展滯后，同時現有的標準視頻編碼格式又造成了水印技術引入上的局限性。另一方面， 由于一些針對視頻水印的

40、特殊攻擊形式 (如幀重組, 幀間組合等)的出現，為視頻水印提出了一些區(qū)別于靜止圖像水印的獨特要求。 主要有以下幾個方面：,,（1）實時處理性 水印嵌入和提取應該具有低復雜度。 ,,（2）隨機檢測性 可以在視頻的任何位置、 在短時間內（不超過幾秒種）檢測出水印。,,,（3） 與視頻編碼標準相結合 相對于其它的多媒體數據， 視頻數據的數據量極大，在存儲、傳輸中通常先要對其進行壓縮， 現在最常用到的標準是一組由國際電信聯盟和國際標準化組織制定并發(fā)布的音、視頻數據的壓縮標準(MPEG-1、MPEG-2、 MPEG-4)。如果我們在壓縮視頻中嵌入水印，很顯然應該與壓縮標準相結合；但如果是在原始視頻中嵌

41、入水印，我們知道水印的嵌入是利用視頻的冗余數據來攜帶信息的，而視頻的編碼技術則是盡可能的除去視頻中的冗余數據，如果不考慮視頻的壓縮編碼標準而盲目地嵌入水印，則嵌入的水印很可能在編碼的過程中丟失。,,,（4） 盲水印方案 若檢測時需要原始信號， 則此水印被稱為非盲水印， 否則稱為盲水?。˙lind Watermark）。 由于視頻數據量巨大， 采用非盲水印技術是不現實的。 因此，除了極少數方案外， 目前主要研究的是盲視頻水印技術。 ,,通過分析現有的數字視頻編解碼系統(tǒng)，可以將目前的視頻水印分類為以下幾類視頻水印的嵌入與提取方案，如圖12.20所示。,,,圖 12.20 視頻水印嵌入和提取方案,

42、,,,視頻水印嵌入方案一：水印直接嵌入在原始視頻流中。 此類方案的優(yōu)點是： 水印嵌入的方法比較多，原則上數字圖像水印方案均可以應用于此。 缺點是： 會增加視頻碼流的數據比特率； 經MPEG-2壓縮后會丟失水??； 降低視頻質量；對于已壓縮的視頻， 需先進行解碼， 然后嵌入水印后， 再重新編碼。,,,視頻水印嵌入方案二：水印嵌入在編碼階段的離散余弦變換（DCT）域中的量化系數中。此類方案的優(yōu)點是：水印僅嵌入在DCT系數中，不會增加視頻流的數據比特率；易設計出抗多種攻擊的水印。缺點是會降低視頻的質量， 因為一般它也有一個解碼、嵌入、再編碼的過程。 ,,視頻水印嵌入方案三：水印直接嵌入在MPEG-2

43、壓縮比特流中。此類方案的優(yōu)點是沒有解碼和再編碼的過程， 因而不會造成視頻質量的下降，同時計算復雜度低。缺點是由于壓縮比特率的限制而限定了嵌入水印的數據量的大小。,,,11.6.2 原始視頻水印,,原始視頻水印是指直接對未壓縮的視頻數據進行處理，與視頻編碼格式無關。因此，可以分為兩種情況：可以直接獲得原始視頻流數據，此時，在原始的視頻流中完成水印的嵌入或提取，這時的處理比較簡單；只能得到編碼的視頻流數據，此時，首先對編碼視頻進行解碼，然后再嵌入或提取水印，在水印處理之后， 如果有必要再重新壓縮， 這時的處理相對復雜。,,,按照水印嵌入和提取之前是否對宿主信號進行某種變換， 原始視頻水印又可分

44、為空域水印和頻域水印兩種方法。前者直接在原始視頻數據中嵌入水印，后者對原始視頻數據進行某種變換， 如DCT， 然后進行水印的嵌入和提取處理。 ,,空域水印是指直接在原始視頻數據中嵌入水印，嵌入的水印信號一般是添加在亮度分量上，有時也有一部分被加入到顏色分量中，或全部加入到顏色分量中。其優(yōu)點是思想簡單、復雜度低，缺點也是明顯的，在魯棒性和不可感知性方面的性能較差?？沼蛩〉囊粋€簡單的實現， 是直接利用各種最低有效位方法，在原始視頻中嵌入水印。,,,直接在原始像素值上進行水印嵌入和提取，主要目的是為了降低水印處理的復雜度，然而隨著處理器速度的不斷提高，在頻域中進行水印嵌入和提取已經成為最為常見的

45、方法。,,Swanson等提出采用三維小波變換的水印方案。小波變換是用多個分辨率表示信號的一個有力工具。小波分解的多分辨率特性在空域、頻域提供了信號的局部特定信息，可以用于信號的分析和處理。利用小波技術的數字水印方案，是近幾年來的一個研究熱點。Swanson將視頻序列看成三維信號，并將視頻序列分為場景， 這樣水印處理就能夠考慮時域冗余。,,,視頻序列中視覺上類似的區(qū)域，即來自同一個場景的幀，必須嵌入一個一致的水印。小波變換的多分辨率特性，使得水印存在于多個時域分級。水印嵌入時，利用基于人類視覺系統(tǒng)的掩蓋模型來保證嵌入到每個視頻幀的水印是不可感知的和魯棒的。 先對視頻序列一個場景中的,k,個幀進

46、行三維小波變換，將變換系數分為8×8的塊,B,ij,，對每一塊,B,ij,，通過其離散余弦變換（DCT）得到頻率掩蓋矩陣，進而得到水印矩陣,W,ij,，并根據空域掩蓋矩陣,S,ij,，在該塊中添加水印,W,ij,，所有塊添加水印之后，進行逆變換則得到添加了水印的信號。,,,水印檢測有兩種方案，第一種檢測方案需要原始宿主信號， 是一種非盲水印方案, 將待檢測幀減取原始幀，并計算與水印信號,W,之間的相關值， 可以確定視頻序列中是否添加了水印。 第二種檢測方案不需要原始宿主信號，是盲水印方案，將待檢測幀減去最低空域小波幀，然后計算與,W,之間的相關值，來確定是否添加了水印。,,,12.6.3 壓縮

47、視頻水印,,在視頻中嵌入水印一般考慮MPEG編碼標準。 在MPEG標準中， 有三種圖像類型：內部編碼幀（I幀）、前向預測幀（P幀）和雙向預測幀（B幀）。I幀的編碼類似于JPEG，利用幀內相鄰像素間的空域冗余來壓縮信息；P幀編碼時要用到先前的幀， 當前的幀又可以作為后面的預測幀的參考幀；B幀的數據壓縮效果最顯著，它在預測時需要先前和后續(xù)的信息，且自身不能作為其它幀的預測參考幀。P幀和B幀都利用了相鄰幀間的時域冗余來壓縮信息，同時預測誤差信號還可以進一步的去除空域冗余。 去除空域冗余主要用到了DCT、量化和熵編碼等技術；去除時域冗余用到了運動補償、 運動表示和運動估計等技術。,,,Hartung

48、和Girod提出了用于MPEG格式壓縮視頻的數據嵌入法。其嵌入過程分為以下7個步驟。 ,,（1）進行DCT計算，將DCT系數按Z字型重掃描為1×64的矢量。令,W,0,為直流量（DC）系數，,W,63,為最高頻率的分量系數（AC）。 ,,（2）令V,n,、V,n,′分別為加入水印前后的信號且V,0,′,,=V,0,＋,W,0,。,,（3）在位流中尋找鄰近的變長編碼器（VLC），求出碼字、 位置和以VLC編碼字表示的交直流分量Vm決定的運行指標對（rm，lm）。,,,（4）令V,m,′=V,m,＋,Wm,表示新DCT系數，確保采用V,0,′之后不會增加位速率。 ,,（5）令,R、R,′分

49、別為傳送（rm， lm）、（rm，lm′）的二進制位數。 ,,（6）若,R≥R,′，則傳送,R,′；否則傳送（rm，lm）。 ,,（7）重復（3）~（6），直到遇到數據塊結尾碼。,,,Hartung與Girod研究了這一算法的魯棒性。他們指出，其算法對壓縮、 濾波、 輕度旋轉具有魯棒性。對程度更重的旋轉， 需要采用適當的檢測及校正機制。去除或插入數據會導致收發(fā)雙方丟失同步信息，因此還要有同步信息丟失檢測及實現再次同步的機制。,,,數字水印技術從正式提出到現在短短的幾年，已有不少著名大學和研究機構投入相當大的人力和財力，致力于該項技術的研究， 并取得了一定的成果(包括美國的麻省理工學院、Pu

50、rdue大學、英國的Georage Mason大學、 瑞士洛桑聯邦工技院、 NEC研究所、IBM研究所等)。 一些公司也已推出了數字水印的產品，如HIGHWATER FBI、Digimarc Corporation、 Fraunhofer's SYSCOP等。 各研究機構正努力設計出更高效、 更通用、 魯棒性更強的數字水印產品。,,,數字水印技術和Web應用相結合，是今后該技術在信息領域的主要發(fā)展方向。在諸如電子商務、網絡多媒體服務、遠程診斷、教學等所有涉及版權或信息安全的領域，數字水印及其相關技術均能發(fā)揮重要作用?？梢灶A見，隨著計算機、 網絡及信息科學、 密碼學等學科的不斷發(fā)展，安全可靠的數字水印技術將在很多領域得到更加廣泛的應用。,,,