數(shù)據(jù)隱藏的小波分析方法研究【畢業(yè)論文】

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　數(shù)據(jù)隱藏的小波分析方法研究</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級(jí) 數(shù)學(xué)與應(yīng)用數(shù)學(xué)

2、 </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘要</b></p&g

3、t;<p>　　在圖像的儲(chǔ)存?zhèn)鬏斨袌D像壓縮技術(shù)的改良,不僅能夠?qū)崿F(xiàn)高壓縮率和無(wú)失真編碼,同時(shí)可以滿足當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需求.因此為了滿足實(shí)際應(yīng)用,需要進(jìn)一步對(duì)圖像的壓縮處理技術(shù)進(jìn)行深入研究.</p><p>　　本文主要研究的是基于小波變換圖像編碼方法，首先介紹小波分析的基本概念性質(zhì)和發(fā)展歷史.然后介紹圖像編碼理論的基本原理和方法,以及圖像壓縮處理的一些常用的技術(shù)和國(guó)際上的圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn).接下來(lái)重點(diǎn)介紹小波

4、向量量化壓縮,小波系數(shù)零樹(shù)編碼的圖像壓縮編碼處理技術(shù).最后將以上兩種技術(shù)用于優(yōu)化算法的matlab實(shí)現(xiàn).根據(jù)對(duì)壓縮圖像的對(duì)比的結(jié)果中可以分析,證明優(yōu)化算法的合理性和有效性.</p><p>　　關(guān)鍵詞：圖像壓縮 圖像編碼 向量量化壓縮 matlab</p><p>　　Image Compression Based on Wavelet Transform</p>

5、<p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Image compressing technical is very important in image storage and compressing, the improvement of image compressing can satisfy modern demand on network appli

6、cation. In order to satisfy the practical application, we need to do more research on image compressing technology. </p><p>　　In this thesis, we mainly discuss image encoding methods based on wavelet transfo

7、rm. In the first part, we introduce the concept and history of wavelet analysis. Then summarize the principle and main method of image compressing; The following part emphasize on showing the utilize wavelet coefficient

8、zero tree encode compressing method, wavelet vector quantizing compressing method; At last with the tool matlab, we combined the two techniques and proved the rationality and effectiveness of the alg</p><p>

9、　　Keywords: Image compressing；wavelet analysis；vector quantizing compressing；matlab</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要1-I</b></p><p>　　AbstractII</p>

10、<p><b>　　1前言1</b></p><p>　　1.1研究背景與意義1</p><p>　　1.2小波分析圖像壓縮現(xiàn)狀研究2</p><p>　　2小波分析原理4</p><p>　　2.1傅里葉變換4</p><p>　　2.2小波變換5</p&

11、gt;<p>　　2.3多變率分析6</p><p>　　3數(shù)字水印系統(tǒng)8</p><p>　　3.1數(shù)字水印的定義8</p><p>　　3.2數(shù)字水印的特性及分類9</p><p>　　3.3數(shù)字水印的典型算法11</p><p>　　3.4數(shù)字水印的攻擊方法13</p>

12、;<p>　　3.5 數(shù)字水印的性能評(píng)估…………………………………………………………………...14</p><p>　　4矢量地圖數(shù)字水印技術(shù)16</p><p>　　4.1矢量地圖的基本情況16</p><p>　　4.1.1矢量地圖數(shù)字水印技術(shù)的基本特性16</p><p>　　4.1.2矢量地圖數(shù)字水印技術(shù)的評(píng)

13、價(jià)標(biāo)準(zhǔn)17</p><p>　　4.2矢量地圖的幾種水印算法18</p><p>　　4.2.1空域水印算法18</p><p>　　4.2.2頻域水印算法19</p><p>　　4.2.3其他水印算法介紹................................................................

14、.................................20 </p><p>　　5 結(jié)束語(yǔ)...............................21</p><p>　　參考文獻(xiàn)..................................

15、.....................................................................................................23</p><p><b>　　前言</b></p><p>　　1.1 研究背景與意義</p><p>　　小波分析是當(dāng)前數(shù)學(xué)中一個(gè)迅速發(fā)展

16、的新領(lǐng)域,它同時(shí)具有理論深刻和應(yīng)用廣泛的雙重意義. 其起源是在20世紀(jì)初,1910年Haar提出了規(guī)范正交小波基的思想, 構(gòu)造了緊支撐的正交函數(shù)系——Haar函數(shù)系. 直到后來(lái)的80年代人們才真正開(kāi)始研究小波, 1986年, Mallat和Meyer提出了多分辨分析理論(Multi-resolution Analysis, 簡(jiǎn)記MRA), 為小波的構(gòu)造提供了一般的途徑. 多分辨分析的思想是小波分析的核心, 是理論和應(yīng)用的結(jié)晶. <

17、/p><p>　　小波變換的概念是在1974年由法國(guó)的工程師J. Morlet從石油信號(hào)處理的時(shí)候首先提出的, 通過(guò)物理直覺(jué)和實(shí)際的信號(hào)處理經(jīng)驗(yàn)建立了反演公式. 早在七十年代,在小波變換的誕生期間,A. Calderon表示發(fā)現(xiàn)的定理,如空間分解和無(wú)條件基的原子Hardy空間深層研究為小波的誕生提供了了理論上的基礎(chǔ), 并且在1986年著名數(shù)學(xué)家Y. Meyer偶然間發(fā)現(xiàn)了一個(gè)真正的小波基,并與S. Mallat合作建

18、立了構(gòu)造統(tǒng)一方法多尺度分析的小波基. Fourier變換與小波變換相比，是一個(gè)時(shí)間和頻率的局域變換, 因而能有效的從信號(hào)中提取信息, 通過(guò)伸縮和平移等運(yùn)算功能對(duì)函數(shù)或信號(hào)進(jìn)行多尺度細(xì)化分析, 解決了Fourier變換不能解決的許多困難問(wèn)題, 從而小波變換被譽(yù)為“數(shù)學(xué)顯微鏡”, 它是調(diào)和分析發(fā)展史上里程碑式的進(jìn)展.</p><p>　　圖像壓縮在多媒體信息的傳輸和存儲(chǔ)中顯得越來(lái)越重要. 為滿足某些圖像壓縮的圖像質(zhì)量

19、用盡量少的比特?cái)?shù)來(lái)表示原始圖像. 使用圖像壓縮的負(fù)擔(dān), 可以減少圖像儲(chǔ)存、傳輸,使圖像在網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)快速傳輸和實(shí)時(shí)的圖像處理.針對(duì)傳統(tǒng)的圖像編碼方法,根據(jù)信息理論以離散余弦變換(DCT)作為主要技術(shù), 可以較好地去除圖像統(tǒng)計(jì)信息的冗余度.但由于DCT時(shí)頻局域性差異, 變換過(guò)程采用分塊變換技術(shù), 在高壓縮比條件下導(dǎo)致比較明顯的方塊效應(yīng), 嚴(yán)重影響主觀質(zhì)量, 尤其對(duì)要求較高的醫(yī)學(xué)圖像影響. Fourier變換也一直是信號(hào)處理領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的

20、一種分析手段, 基本思想是將信號(hào)分解成一系列不同頻率的連續(xù)正弦波的疊加,它在處理信號(hào)時(shí)具有重要的物理意義. 但Fourier分析是對(duì)信號(hào)的總體統(tǒng)計(jì), 這在非平穩(wěn)信號(hào)分析和適時(shí)信號(hào)處理中是相當(dāng)不夠的, 它對(duì)信號(hào)的局部畸變沒(méi)有標(biāo)定能力和度量能力, 然而這些又恰恰是我們實(shí)際應(yīng)用中所關(guān)心和需要的.而小波變換由于在時(shí)域和頻域兩者特性局域網(wǎng), 彌補(bǔ)了DCT變換圖像信息的不足, 可以把圖像信息定位到任何尺寸精度.以實(shí)現(xiàn)信息的重要性是根據(jù)圖像信息的編碼

21、、傳輸和多分辨率特點(diǎn),便于與人眼視覺(jué)特性</p><p>　　基于小波變換的圖像壓縮是一種變換編碼的方法, 包括一個(gè)位移轉(zhuǎn)化和編碼變換系數(shù)和量化數(shù)據(jù)壓縮. 在小波圖像壓縮中,因?yàn)殡S著小波圖像產(chǎn)生與原圖像特點(diǎn)的不同, 表現(xiàn)在圖像的能量主要集中于低頻部分(亮度圖像), 而水平、垂直和對(duì)角線部分的能量相對(duì)較低. 小波分解方式非常接近于視覺(jué)感知模型, 并有利于不同編碼方法分別進(jìn)行處理, 從而獲得符合要求的高壓縮比圖像.

22、</p><p>　　1.2 小波變換圖像壓縮研究現(xiàn)狀</p><p>　　小波變換圖像壓縮被認(rèn)為是目前最有前途的一個(gè)圖像壓縮編碼算法的小波壓縮編碼的研究, 小波圖像壓縮的研究主要集中在對(duì)小波系數(shù)編碼問(wèn)題. 目前比較典型的可嵌入小波壓縮算法(CREW)并且算法可逆,嵌入式小波零樹(shù)編碼(EZW), 分層小波樹(shù)集合分割算法(SPIHT)和集合分裂嵌入塊編碼(SPECK).</p>

23、<p>　　1992年, Shapiro提出了嵌入式小波零樹(shù)編碼(EZW)方法, 即根據(jù)同一方向、不同分辨率子帶間的相似度, 定義了負(fù)面形象的圖像底片.POS、NEG、IZ和ZTR四種符號(hào)在空間和ZTR遞歸小波樹(shù)編碼, 把小波系數(shù)(小于某一閾值的小波系數(shù))組成 然后用四個(gè)二叉樹(shù)的數(shù)量較少的比特?cái)?shù)來(lái)表示它, 從而大大地提高了圖像壓縮編碼比特率. 此算法采用循序漸進(jìn)的量化和嵌入式編碼方式, 算法復(fù)雜度低.</p>

24、<p>　　1995年, Zandi和Allen等人提出了CREW編碼方法. 這是一個(gè)包含了有損壓縮和無(wú)損靜態(tài)圖象的內(nèi)容體系, 使用了最佳小波濾波器的近似, 即可逆整數(shù)到整數(shù)的變換, 該方法是利用了變換域中空間及頻率信息的基于內(nèi)容. 它強(qiáng)調(diào)了編碼的小波變換在圖象編碼中的重要性循序漸進(jìn). 在一些要求實(shí)現(xiàn)漸進(jìn)下面的條件對(duì)醫(yī)學(xué)圖像傳輸場(chǎng)合, CREW顯得至關(guān)重要.</p><p>　　1996年, 由Said

25、和Pearlman提出的分層小波樹(shù)集合分割算法（SPIHT）是EZW 算法的進(jìn)一步改進(jìn), 它利用空間樹(shù),分層樹(shù)節(jié)點(diǎn)分割的方法,及其后來(lái)的所有等級(jí)相同節(jié)點(diǎn)的收集, 有效地減小了比特編碼符號(hào)集的規(guī)模. 相比之下, 對(duì)EZW規(guī)模.SPIHT算法構(gòu)建了兩種不同類型的空間零樹(shù), 該算法的性能比較EZW有很大的提高.</p><p>　　在SPIHT算法中, 主要利用樹(shù)結(jié)構(gòu)不重要系數(shù),說(shuō) 利用了子帶系數(shù)的相關(guān)性并不重要,但不

26、使用相同的子帶系數(shù)之間的相關(guān)性的不重要. 為此,在1999年Asad和Pearlman提出了SPECK算法, 該算法是近期嵌入式圖象編碼算法分級(jí)性能較好.</p><p>　　1992年, Coifman和Wickerhauser提出了小波包的概念. 這種算法對(duì)具有自適應(yīng)能力的信號(hào)的特性, 它不僅對(duì)低頻部分和高頻部分進(jìn)行分解, 而且進(jìn)行第二次分解. 在1994年, Good-man等人提出了多小波的概念, 彌補(bǔ)了

27、傳統(tǒng)小波變換中不存在同時(shí)滿足正交性、對(duì)稱性 、緊支集的小波基. 同年, Geronimo, Hardin與 Massopust用分形插值方法構(gòu)造了G-H-M多小波, 它既保持了單小波所具有的良好的時(shí)頻局部化特性, 在此基礎(chǔ)上又克服了單小波的缺陷.在1998年,Lebrun和Vett- erli提出改進(jìn)方法關(guān)于多小波的平衡. 經(jīng)過(guò)反復(fù)驗(yàn)證平衡過(guò)濾效果比最初的好, 尤其是多小波,沒(méi)有邊界失真,在一定的壓縮比下可得到非常高的峰值信噪比( PS

28、NR ). 1999年, Hwee等通過(guò)反復(fù)驗(yàn)證把雙正交單小波推廣到雙正交多小波, 構(gòu)造出一族雙正交多小波, 并把它用于圖像壓縮, 壓縮效果明顯優(yōu)于單小波. </p><p>　　近年來(lái), 很多研究者把目光瞄準(zhǔn)小波變換的圖像編碼方法以及其他新興小波變換融合算法. 例如用小波變換替代余弦變換的JEPG2000已于2000年被確定為靜態(tài)圖像的新一代編碼標(biāo)準(zhǔn), 它是小波變換和最完美組合熵變換的轉(zhuǎn)變. 另外與分形壓縮技術(shù)

29、的結(jié)合, 1998年, Davis提出了小波子樹(shù), 其主要觀點(diǎn)是用定量的方法將傳統(tǒng)空域內(nèi)的小波域分型壓縮成小波編碼子樹(shù)的自量化. 2002年, Taekon Kim等人提出零樹(shù)小波分形混合圖像編碼算法, 該算法是分形壓縮技術(shù)和EZW算法的有機(jī)結(jié)合, 相比, 該算法提高了壓縮比. 2007年, Fu-qiang LIU等人提出一種新的小波分形壓縮算法, 此算法在不降低信噪比和復(fù)原圖像質(zhì)量情況下, 提高了壓縮效率和編碼速度. 1999年,

30、Servettto提出了一種小波數(shù)據(jù)形態(tài)的圖像編碼方法即MRWD方法, MRWD利用了數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)和小波系數(shù)的統(tǒng)計(jì)特性, 直接在子帶內(nèi)重要系數(shù)產(chǎn)生形狀不規(guī)則系數(shù)束, 這樣的小波系數(shù)分為4組, 然后再對(duì)幾個(gè)集合組合束進(jìn)行編碼. 2006年J. N. Ellinas和M. S. Sangriotis提出了小波變換和數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)結(jié)合</p><p><b>　　小波分析理論</b></p>

31、<p>　　為了克服傅里葉分析的缺陷所以引進(jìn)小波分析, 它是傳統(tǒng)傅里葉分析的新發(fā)展. 小波分析是當(dāng)前數(shù)學(xué)中一個(gè)迅速發(fā)展的新領(lǐng)域, 它同時(shí)具有應(yīng)用廣泛和理論深刻的雙重意義. 它的起源在上世紀(jì)初, 1910年Haar提出了正交小波基的思想, 并且構(gòu)造了緊支撐的正交函數(shù)系—Haar函數(shù)系.大約在1984年, Grossman和Morlet在進(jìn)行地震信號(hào)分析時(shí)才被真正的提出來(lái)的, 隨后迅速發(fā)展.</p><p&

32、gt;<b>　　傅里葉變換</b></p><p>　　傳統(tǒng)的傅里葉變換是一種純頻域分析, 其變換定義為: 設(shè)是上的實(shí)值或復(fù)值函數(shù), 若, 則有(的總能量有限), 這時(shí)就有:</p><p><b>　　( 1 )</b></p><p><b>　　其中</b></p><p&

33、gt;<b>　　( 2 )</b></p><p>　　稱為的傅里葉變換. </p><p>　　傅里葉變換在實(shí)際應(yīng)用中有明顯的物理意義. (1)式的物理意義是把信號(hào)分解成諧波段的加權(quán)迭加, 這就將原來(lái)對(duì)時(shí)域或空域的信號(hào)的研究轉(zhuǎn)化成對(duì)它的頻譜的研究. 而且由于傅里葉變換及其逆變換的積分號(hào)下的可導(dǎo)性使其具有良好的光滑性, 因此自1882年傅里葉發(fā)表他著名的熱傳導(dǎo)解析理

34、論以來(lái), 傅里葉分析長(zhǎng)期以來(lái)一直被作為最完善的數(shù)學(xué)理論和最實(shí)用的方法之一.</p><p>　　傳統(tǒng)的傅里葉變換在應(yīng)用中雖然受到眾多工程技術(shù)人員的青睞, 但有著一個(gè)明顯的不足之處, 就是信號(hào)的局部性變化形態(tài)在它的傅里葉變換中得不到充分反映, 為了由傅里葉變換研究一個(gè)模擬信號(hào)的普特性, 必須獲得在時(shí)域中信號(hào)的全部信息, 甚至包括將來(lái)的信息; 另外, 如果一個(gè)信號(hào)在某個(gè)時(shí)刻的一個(gè)小的領(lǐng)域中變化了, 那么整個(gè)譜就受到影

35、響. 因此, 在非平穩(wěn)信號(hào)分析和實(shí)時(shí)信號(hào)處理的許多應(yīng)用中, 只有傅里葉變換公式是非常不夠的.而在實(shí)際中, 我們需要知道的往往是信號(hào)在任一短暫時(shí)間間隔內(nèi)的頻率特性, 為了解決時(shí)域和頻域的局部化矛盾, D. Gabor在1946年引進(jìn)了加窗(windowed)傅里葉變換(或稱Gabor變換). </p><p>　　加窗傅里葉變換的基本思想是: 在基函數(shù)前乘以一個(gè)時(shí)限函數(shù), 這樣就起頻限作用, 其中參數(shù)用于平移窗以便

36、覆蓋整個(gè)時(shí)域. 但是加窗傅里葉變換一旦取定, 窗的寬度就確定了, 即它的局部化是一次性的, 這就使得它對(duì)信號(hào)的突變不敏感, 也使其在諸如語(yǔ)聲合成、圖像邊沿檢測(cè)等實(shí)際應(yīng)用中不能取得理想的效果. </p><p><b>　　小波變換</b></p><p>　　小波變換的概念是由法國(guó)從事石油信號(hào)處理的工程師J. Morlet在1974年首先提出的, 通過(guò)物理的直觀和信號(hào)

37、處理的實(shí)際需要經(jīng)驗(yàn)建立了反演公式. 早在七十年代, A. Calderon表示定理的發(fā)現(xiàn)、 Hardy空間的原子分解和無(wú)條件基的深入研究為小波變換的誕生做了理論上的準(zhǔn)備, 而且J. O. Stromberg還構(gòu)造了歷史上非常類似于現(xiàn)在的小波基; 1986年著名數(shù)學(xué)家Y. Meyer偶然構(gòu)造出一個(gè)真正的小波基, 并與S. Mallat合作建立了構(gòu)造小波基的統(tǒng)一方法多尺度分析.</p><p>　　小波變換是一種多分

38、辨分析方法, 基本思想是以小波函數(shù)為基底對(duì)信號(hào)進(jìn)行分解.</p><p>　　定義1: 如果滿足“容許性”條件:</p><p><b>　　( 3 )</b></p><p>　　那么稱為是一個(gè)“基小波”. 關(guān)于每一個(gè)基小波, 在上的積分小波變換(IWT)定義為</p><p><b>　　( 4 )<

39、/b></p><p><b>　　其中, 而.</b></p><p><b>　　通過(guò)設(shè)定</b></p><p><b>　　( 5 )</b></p><p>　　則(4)式中定義的IWT能夠?qū)憺?lt;/p><p>　　.

40、 ( 6 )</p><p>　　我們不難發(fā)現(xiàn)是由基小波函數(shù)經(jīng)過(guò)伸縮和平移得到的, 因子保證了的能量具有不變性: </p><p><b>　　( 7 )</b></p><p>　　由容許性條件可得. 可見(jiàn)具有一定的震蕩性, 這一震蕩性表明它的某種頻率特性. 而且的震蕩隨的增大而增大, 因此可視為頻率參數(shù), 可視為時(shí)

41、空參數(shù), 所以小波變換同樣可以實(shí)現(xiàn)時(shí)頻的局部化, 并且其時(shí)域局部化格式與頻率高低密切相關(guān), 在大的地方時(shí)域局部化程度越高, 即的寬度縮小為倍, 這一點(diǎn)與傅里葉變換有明顯不同. </p><p>　　可見(jiàn), 小波變換可以更好地分析信號(hào)中的高頻, 短時(shí)成分. 在高頻成分下空間局部化程度相應(yīng)提高, 此為其“顯微”作用; 在低頻成分下, 空間局部化程度相應(yīng)減弱, 此為其“變焦”作用. 因此, 小波分析被形象地稱為“數(shù)學(xué)顯

42、微鏡”.</p><p><b>　　多分辨率分析</b></p><p>　　任何小波, 都產(chǎn)生的一種直接和分解公式:</p><p><b>　　( 8 )</b></p><p>　　對(duì)于每個(gè), 我們考慮的閉子空間</p><p><b>　　( 9 )<

43、;/b></p><p>　　這些子空間具有下述性質(zhì):</p><p><b>　　(1) </b></p><p><b>　　(2) </b></p><p><b>　　(3) </b></p><p><b>　　(4) <

44、/b></p><p><b>　　(5) </b></p><p>　　定義2. 是的一組Riesz基, 必須存在兩個(gè)常數(shù)與, 且 使</p><p><b>　　( 10 )</b></p><p>　　對(duì)于所有平方可和序列</p><p><b>　　(

45、 11 )</b></p><p><b>　　成立.</b></p><p>　　定義3. 一個(gè)函數(shù)被認(rèn)為生成一個(gè)多分辨率分析(MRA), 如果在公式:</p><p><b>　　( 12 )</b></p><p>　　意義上， 生成滿足(1), (2), (3)和(5)的閉子空

46、間的一個(gè)嵌套序列, 使形成的一組Riesz基. 如果生成一個(gè)MRA, 那么稱為是一個(gè)“尺度函數(shù)”.</p><p>　　在上述條件下, 選取適當(dāng)?shù)幕〔ê瘮?shù)和尺度因子, 則可得到信號(hào)子空間的規(guī)范正交基. 為便于處理, 尺度因子一般選用, 定義函數(shù)</p><p><b>　　( 13 )</b></p><p>　　則函數(shù)系是子空間的規(guī)范正交基

47、.</p><p><b>　　數(shù)字水印系統(tǒng)</b></p><p>　　3.1 數(shù)字水印的定義以及框架</p><p>　　數(shù)字水印是永久鑲嵌在其他數(shù)據(jù)原始媒體(Original Media, 簡(jiǎn)稱OM)中具有可鑒別性的數(shù)字信號(hào)或模式, 而且并不影響媒體的可用性, 嵌入水印后的媒體稱為偽裝媒體(Fake Media, 簡(jiǎn)稱FM)或待檢測(cè)媒體.

48、</p><p>　　數(shù)字水印技術(shù)是指將特定的信息，像所有者、商標(biāo)、數(shù)字簽名嵌入到載體中，來(lái)證明對(duì)載體的所有權(quán)等。載體信息可以是任何多媒體數(shù)據(jù)。數(shù)字水印系統(tǒng)包括水印的嵌入和檢測(cè)、提取過(guò)程.</p><p>　　(1) 水印信號(hào)的設(shè)計(jì). 用于水印信息的認(rèn)證的有意義信號(hào),同時(shí)可以認(rèn)證原始信號(hào)通常為無(wú)意義的. 原始水印通常會(huì)先對(duì)其進(jìn)行置亂處理或者預(yù)加密處理, 提升水印的抗攻擊能力.密鑰與原始水印

49、信息是典型水印技術(shù)的基礎(chǔ) </p><p><b>　　(1)</b></p><p>　　是不可逆的. 為了使水印算法更具有抵抗攻擊的能力,在水印技術(shù)上對(duì)于水印信號(hào)的產(chǎn)生運(yùn)用自適應(yīng)理論:</p><p><b>　　(2)</b></p><p>　　是原始媒體, 利用的特性, 假設(shè)用水印技術(shù)對(duì)功

50、率分布和頻率進(jìn)行加密,可以增強(qiáng)水印技術(shù)對(duì)于各種攻擊的抵抗能力, 這樣水印的魯棒性就更強(qiáng). 可為一維, 二維, 甚至是多維的水印信號(hào). </p><p>　　(2 ) 水印嵌入算法的設(shè)計(jì)</p><p>　　在水印嵌入算法中通常嵌入在空時(shí)域,時(shí)域或變換域中的水印信號(hào), 可用函數(shù)表示為:</p><p><b>　　(3)</b></p>

51、;<p>　　其中代表嵌入水印后的信號(hào). </p><p>　　(3) 水印檢測(cè)、提取算法的設(shè)計(jì). 水印的檢測(cè)框圖如圖2.1(b)所示, 從檢測(cè)信號(hào), 或已嵌入水印信號(hào)中提取水印的過(guò)程可用函數(shù)表達(dá)為: </p><p><b>　　(4)</b></p><p>　　其中為原始媒體,為密鑰. 在盲檢測(cè), 即水印的檢測(cè)和提取不需要原

52、始媒體的算法下, 水印提取的數(shù)學(xué)模型也可表達(dá)為: </p><p><b>　　(5)</b></p><p>　　由上可知，嵌入方式的設(shè)計(jì)、分析水印載體媒質(zhì)、信息嵌入點(diǎn)的選擇、嵌入調(diào)制的控制、對(duì)信息的預(yù)處理等環(huán)節(jié)進(jìn)行合理化安排就是數(shù)字水印技術(shù),為了 尋求設(shè)計(jì)問(wèn)題的最優(yōu)化使其滿足滿足安全可靠性、穩(wěn)健性、不可感知性等條件的約束. </p><p>

53、;　　3.2 數(shù)字水印的有關(guān)特性和分類</p><p>　　一般地, 數(shù)字水印應(yīng)有如下的幾個(gè)基本特征:</p><p>　　(1)水印容量: 嵌入的水印信息必須足以表示多媒體內(nèi)容的創(chuàng)建者或所有者的標(biāo)志信息, 或購(gòu)買者的序列號(hào), 這樣有利于解決版權(quán)糾紛, 保護(hù)數(shù)字產(chǎn)權(quán)合法擁有者的利益. 尤其是隱蔽通信領(lǐng)域的特殊性, 對(duì)水印的容量需求很大.</p><p>　　(2)可

54、證明性:水印應(yīng)能為受到版權(quán)保護(hù)的信息產(chǎn)品的歸屬提供完全和可靠的證據(jù).水印算法識(shí)別被嵌入到保護(hù)對(duì)象中的所有者的有關(guān)信息(如注冊(cè)的用戶號(hào)碼、產(chǎn)品標(biāo)志或有意義的文字等)并能在需要的時(shí)候?qū)⑵涮崛〕鰜?lái). 水印可以用來(lái)判別對(duì)象是否受到保護(hù), 并能夠監(jiān)視被保護(hù)數(shù)據(jù)的傳播、真?zhèn)舞b別以及非法拷貝控制等. 這實(shí)際上是發(fā)展水印技術(shù)的基本動(dòng)力, 雖然從目前的文獻(xiàn)來(lái)看, 對(duì)其研究相對(duì)少一些. 就目前已經(jīng)出現(xiàn)的很多算法而言, 攻擊者完全可以破壞掉圖像中的水印, 或

55、復(fù)制出一個(gè)理論上存在的“ 原始圖像 ”, 這導(dǎo)致文件所有者不能令人信服地提供版權(quán)歸屬的有效證據(jù). 因此一個(gè)好的水印算法應(yīng)該能夠提供完全沒(méi)有爭(zhēng)議的版權(quán)證明, 在這方面還需要做很多工作. </p><p>　　(3)魯棒性: 魯棒性問(wèn)題對(duì)水印而言極為重要. 魯棒性是一個(gè)技術(shù)術(shù)語(yǔ), 簡(jiǎn)單而言,就是指一個(gè)數(shù)字水印應(yīng)該能夠承受大量的、不同的物理和幾何失真, 包括有意的(如惡意攻擊)或無(wú)意的(如圖像壓縮、掃描與復(fù)印、噪聲污染

56、、尺寸變化等等). 在經(jīng)過(guò)這些操作后, 魯棒的水印算法應(yīng)仍能從水印圖像中提取出嵌入的水印或證明水印的存在. 如果不掌握水印的所有有關(guān)知識(shí), 數(shù)據(jù)產(chǎn)品的版權(quán)保護(hù)標(biāo)志應(yīng)該很難被偽造. 若攻擊者試圖刪除水印則將導(dǎo)致多媒體產(chǎn)品的徹底破壞. 假設(shè)一個(gè)讀者在網(wǎng)上下載了數(shù)字圖書館發(fā)布的作品, 打印出來(lái)并非法大量散發(fā)以牟取利益, 那么包含水印的作品應(yīng)能在有物理失真的情況下依然提供足夠的版權(quán)證據(jù). </p><p>　　(4)不可

57、感知性: 不可感知包含兩方面的意思, 一個(gè)指視覺(jué)上的不可見(jiàn)性, 即因嵌入水印導(dǎo)致圖像的變化對(duì)觀察者的視覺(jué)系統(tǒng)來(lái)講應(yīng)該是不可察覺(jué)的, 最理想的情況是水印圖像與原始圖像在視覺(jué)上一模一樣, 這是絕大多數(shù)水印算法所應(yīng)達(dá)到的要求; 另一方面水印用統(tǒng)計(jì)方法也是不能恢復(fù)的, 如對(duì)大量的用同樣方法和水印處理過(guò)的信息產(chǎn)品即使用統(tǒng)計(jì)方法也無(wú)法提取水印或確定水印的存在.</p><p>　　數(shù)字水印技術(shù)的分類方法有很多種, 分類的出發(fā)

58、點(diǎn)不同會(huì)導(dǎo)致分類以及特性的不同, 最常見(jiàn)的方法包括以下幾類:</p><p>　　(1) 按水印所附載的媒體劃分</p><p>　　按水印所附載的媒體, 我們可以將數(shù)字水印劃分為圖像水印、音頻水印、視頻水印、文本水印以及用于三維網(wǎng)格模型的網(wǎng)格水印等. 隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展, 會(huì)有更多種類的數(shù)字媒體出現(xiàn), 同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的水印技術(shù). (2) 按檢測(cè)過(guò)程劃分</p><

59、p>　　按水印的檢測(cè)過(guò)程可以將數(shù)字水印劃分為盲水印和明文水印. 而盲水印的檢測(cè)只需要密鑰, 不需要原始數(shù)據(jù),明文水印在檢測(cè)過(guò)程中需要原始數(shù)據(jù). 一般來(lái)說(shuō), 明文水印的魯棒性比較強(qiáng), 但其應(yīng)用受到存儲(chǔ)成本的限制. 目前學(xué)術(shù)界研究的數(shù)字水印大多數(shù)是盲水印.</p><p><b>　　(3)按特性劃分</b></p><p>　　按水印的特性可以將數(shù)字水印分為易損數(shù)

60、字水印和魯棒數(shù)字水印兩類.易損數(shù)字水印主要用于完整性保護(hù), 這種水印同樣是在內(nèi)容數(shù)據(jù)中嵌入不可見(jiàn)的信息. 易損水印應(yīng)對(duì)一般圖像處理(如：濾波、加噪聲、替換、壓縮等)有較強(qiáng)的免疫能力(魯棒性), 同時(shí)又要求有較強(qiáng)的敏感性, 人們根據(jù)易損水印的狀態(tài)就可以判斷數(shù)據(jù)是否被篡改過(guò). 魯棒數(shù)字水印主要用于在數(shù)字作品中標(biāo)識(shí)著作權(quán)信息, 除了要求在一般圖像處理(如: 濾波、加噪聲、替換、壓縮等)中生存外, 還需能抵抗一些惡意攻擊. 易損水印與魯棒水印的

61、要求相反.</p><p>　　(4) 按水印隱藏的位置劃分</p><p>　　按數(shù)字水印的隱藏位置, 我們可以將其劃分為頻域數(shù)字水印、時(shí)(空)域數(shù)字水印. 頻域數(shù)字水印、時(shí)/ 頻域數(shù)字水印和時(shí)間/ 尺度域數(shù)字水印則分別是在DCT變換域、時(shí)/ 頻變換域和小波變換域上隱藏水印時(shí)/ 頻域數(shù)字水印和時(shí)間/ 尺度域數(shù)字水印. 時(shí)(空)域數(shù)字水印是直接在信號(hào)空間上疊加水印信息. 隨著數(shù)字水印技術(shù)的

62、發(fā)展, 各種水印算法層出不窮, 水印的隱藏位置也不再局限于上述四種. 應(yīng)該說(shuō), 只要構(gòu)成一種信號(hào)變換, 就有可能在其變換空間上隱藏水印.</p><p><b>　　(5) 按用途劃分</b></p><p>　　不同的應(yīng)用需求造就了不同的水印技術(shù). 按水印的用途, 我們可以將數(shù)字水印劃分為版權(quán)保護(hù)水印、票證防偽水印、隱蔽標(biāo)識(shí)水印和篡改提示水印. 篡改提示水印是一種脆

63、弱水印, 其目的是標(biāo)識(shí)原文件信號(hào)的完整性和真實(shí)性. 隱蔽標(biāo)識(shí)水印的目的是將保密數(shù)據(jù)的重要標(biāo)注隱藏起來(lái), 限制非法用戶對(duì)保密數(shù)據(jù)的使用.票證防偽水印是一類比較特殊的水印, 主要用于打印票據(jù)和電子票據(jù)、各種證件的防偽. 版權(quán)標(biāo)識(shí)水印是目前研究最多的一類數(shù)字水印. 數(shù)字作品既是商品又是知識(shí)作品, 這種雙重性決定了版權(quán)標(biāo)識(shí)水印主要強(qiáng)調(diào)隱蔽性和魯棒性, 而對(duì)數(shù)據(jù)量的要求相對(duì)較小. </p><p><b>　　(

64、6)按內(nèi)容劃分</b></p><p>　　按數(shù)字水印的內(nèi)容可以將水印劃分為無(wú)意義水印和有意義水印,無(wú)意義水印則只對(duì)應(yīng)于一個(gè)序列號(hào);有意義水印是指水印本身也是某個(gè)數(shù)字圖像(如商標(biāo)圖像)或數(shù)字音頻片段的編碼. 有意義水印的優(yōu)勢(shì)在于, 如果由于受到攻擊或其他原因致使解碼后的水印破損, 人們?nèi)匀豢梢酝ㄟ^(guò)視覺(jué)觀察確認(rèn)是否有水印. 但對(duì)于無(wú)意義水印來(lái)說(shuō), 如果解碼后的水印序列有若干碼元錯(cuò)誤, 則只能通過(guò)統(tǒng)計(jì)決策

65、來(lái)確定信號(hào)中是否含有水印.</p><p>　　3.3 數(shù)字水印的典型算法</p><p>　　近年來(lái), 數(shù)字水印技術(shù)研究取得了很大的進(jìn)步, 下面對(duì)一些典型的算法進(jìn)行了分析, 除特別指明外, 這些算法主要針對(duì)圖象數(shù)據(jù)(某些算法也適合視頻和音頻數(shù)據(jù)).</p><p><b>　　(1)壓縮域算法 </b></p><p>

66、;　　基于JPEG、MPEG標(biāo)準(zhǔn)的壓縮域數(shù)字水印系統(tǒng)不僅節(jié)省了大量的完全譯碼和重新編碼的過(guò)程, 而且在數(shù)字電視廣播及Video on Demand中有很大的實(shí)用價(jià)值. 該方法有一個(gè)問(wèn)題值得考慮, 即水印信號(hào)的引入是一種引起降低質(zhì)量的誤差信號(hào), 而基于運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)木幋a方案會(huì)將一個(gè)誤差擴(kuò)散和累積起來(lái), 為解決此問(wèn)題, 該算法采取了漂移補(bǔ)償?shù)姆桨竵?lái)抵消因水印信號(hào)的引入所引起的視覺(jué)變形.</p><p>　　(2）生理模型

67、算法 </p><p>　　人的生理模型包括人類聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)HAS和人類視覺(jué)系統(tǒng)HVS.該模型不僅被多媒體數(shù)據(jù)壓縮系統(tǒng)利用, 同樣可以供數(shù)字水印系統(tǒng)利用. 利用視覺(jué)模的基本思想均是利用從視覺(jué)模型導(dǎo)出的JND描述來(lái)確定在圖象的各個(gè)部分所能容忍的數(shù)字水印信號(hào)的最大強(qiáng)度, 從而能避免破壞視覺(jué)質(zhì)量. 也就是說(shuō), 利用視覺(jué)模型來(lái)確定與圖象相關(guān)的調(diào)制掩模, 然后再利用其來(lái)插入水印. 這一方法同時(shí)具有好的透明性和強(qiáng)健性.</

68、p><p><b>　?。?）空域算法 </b></p><p>　　該類算法是將數(shù)字水印按某種算法直接迭加到圖像的空間域(spatial domain)上. 因此空間域方法的缺點(diǎn)是抵抗圖像的幾何變形、噪聲和圖像的壓縮能力較差, 而且可嵌入的水印容量也受到了限制, 但空間域方法的計(jì)算速度通常比較快, 而且很多算法在提取水印和驗(yàn)證水印的存在時(shí)不需要原始圖像.</p&g

69、t;<p><b>　?。?）NEC算法 </b></p><p>　　該算法由NEC實(shí)驗(yàn)室的Cox等人提出，該算法在數(shù)字水印算法中占有重要地位, 具有較強(qiáng)的透明性、魯棒性、安全性等. 由于采用特殊的密鑰，因此可防止IBM攻擊, 而且該算法還提出了增強(qiáng)水印魯棒性和抗攻擊算法的重要原則, 即水印信號(hào)應(yīng)該嵌入源數(shù)據(jù)中對(duì)人感覺(jué)最重要的部分.</p><p>&

70、lt;b>　　（5）變換域算法</b></p><p>　　該類算法中, 大部分水印算法采用了擴(kuò)展頻譜通信技術(shù). 這類技術(shù)一般基于常用的圖像變換, 或是基于局部、全部的變換, 如余弦變換(DCT)、小波變換(WT)、傅立葉變換(FT)以及自適應(yīng)算法. 該方法即使當(dāng)水印圖像經(jīng)過(guò)一些通用的幾何變形和信號(hào)處理操作而產(chǎn)生比較明顯的變形后仍然能夠提取出一個(gè)可信賴的水印拷貝. 該類算法的隱藏和提取信息操作復(fù)

71、雜, 隱藏信息量不能很大, 但抗攻擊能力強(qiáng), 很適合于數(shù)字作品版權(quán)保護(hù)的數(shù)字水印技術(shù)中.</p><p>　　除了以上幾種比較典型的算法外, 還有很多算法, 比如多重水印算法、s+p水印算法、 可逆嵌入小波壓縮算法(CREW)、零樹(shù)水印算法等等</p><p>　　基于JPEG, MPEG(Motion Picture Experts Group, 簡(jiǎn)稱MPEG)標(biāo)準(zhǔn)的壓縮數(shù)字水印系統(tǒng)不

72、僅節(jié)省了重新編碼和大量的完全解碼過(guò)程, 而且在很多數(shù)字音頻系統(tǒng)中有很大的實(shí)用價(jià)值.相應(yīng)地,直接在壓縮數(shù)據(jù)中進(jìn)行水印檢測(cè)與提取. 黃繼武提出了一種針對(duì)MPEG-2壓縮視頻數(shù)據(jù)流的數(shù)字水印方案. 雖然黃繼武的這種方法允許用戶把數(shù)據(jù)加到數(shù)據(jù)流中,但是這種方案并不適合數(shù)字水印技術(shù),因?yàn)閿?shù)據(jù)流中中可以很簡(jiǎn)單的把用戶的數(shù)據(jù)給排除,同時(shí),在黃繼武的這種方法中數(shù)據(jù)流會(huì)使用戶數(shù)據(jù)會(huì)加大比特率,使之在固定寬帶網(wǎng)絡(luò)中不適用, 所以如何把水印信號(hào)添加加到數(shù)據(jù)信

73、號(hào)中才是這個(gè)方法的關(guān)鍵, 例如加入到表示視頻幀的數(shù)據(jù)流中.對(duì)于輸入的MPEG-2數(shù)據(jù)流而言, 它可分為運(yùn)動(dòng)向量(用于運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償)、DCT編碼信號(hào)和數(shù)據(jù)頭信息三部分,在這種方法下,首先對(duì)DCT編碼數(shù)據(jù)塊中每一輸入Huffilian進(jìn)行逆量化解碼,然后把水印信號(hào)塊的變換系數(shù)與相應(yīng)的數(shù)據(jù)塊中的DCT系數(shù)相加, 從而得到水印疊加的DCT系數(shù),再重新進(jìn)行Huffilian編碼和量化, 最后對(duì)新的Huffilian碼字的位數(shù)與原來(lái)的無(wú)水印系數(shù)的<

74、;/p><p>　　數(shù)字水印算法與HVS的結(jié)合也是一類常用的視頻水印算法. 人的生理模型包括人類視覺(jué)系統(tǒng)(HVS)和人類聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)(HAS). 該模型不僅被多媒體數(shù)據(jù)壓縮系統(tǒng)利用, 同樣可以讓數(shù)字水印系統(tǒng)利用. 利用視覺(jué)模型, 黃繼武, S. H. Yum實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于分塊DCT框架的數(shù)字水印系統(tǒng), 易開(kāi)祥實(shí)現(xiàn)了一個(gè)空域數(shù)字水印系統(tǒng). 它們的基本思想均是利用從視覺(jué)模型導(dǎo)出的JND(Just Noticeable Dif

75、ference, 簡(jiǎn)稱JND)描述來(lái)確定在圖像的各個(gè)部分所能容忍的數(shù)字水印信號(hào)的最大強(qiáng)度, 從而能避免破壞視覺(jué)質(zhì)量. 也就是說(shuō), 利用視覺(jué)模型來(lái)確定與圖像相關(guān)的調(diào)制掩模, 然后再利用 其來(lái)嵌入水印.這一方法同時(shí)具有好的透明性和穩(wěn)健性. </p><p>　　3.4 數(shù)字水印的攻擊方法</p><p>　　在信息的時(shí)代對(duì)抗性的信息研究的領(lǐng)域總是令人期待,數(shù)字水印技術(shù)就是這樣的一個(gè)技術(shù),由于水

76、印過(guò)程必須考慮水印攻擊和魯棒性要求,因此設(shè)計(jì)一種可以抵抗各種攻擊的水印算法是比較困難的,但這因?yàn)檫@樣，才促進(jìn)了很多人對(duì)水印技術(shù)進(jìn)一步深入研究和探索.水印的攻擊主要包括主動(dòng)攻擊和被動(dòng)攻擊,這一點(diǎn)和密碼攻擊非常的相似.主動(dòng)攻擊的目的是破壞水印或者篡改水印,絕不是把數(shù)字水印破解掉, 這樣嵌入的水印信息合法用戶就讀取不成功. 而被動(dòng)攻擊則試圖破解數(shù)字水印算法.這樣就算是非法用戶也可以很容易的獲得水印信息 由于在現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用當(dāng)中, 想要破解數(shù)字水印

77、算法十分困難, 所以被動(dòng)攻擊基本上不會(huì)出現(xiàn)以目前的技術(shù)數(shù)字水印面臨的是大部分是主動(dòng)主動(dòng)攻擊. 因?yàn)樗〉闹鲃?dòng)攻擊簡(jiǎn)單且傳播的方式容易.是一種主要的攻擊手段. 以下列舉常見(jiàn)的攻擊手段和信號(hào)處理方法: </p><p><b>　　(1) 密碼攻擊</b></p><p>　　密碼攻擊類似于密碼學(xué)中使用的攻擊方法, 通過(guò)搜索來(lái)發(fā)現(xiàn)隱藏的信息. 協(xié)議攻擊的目標(biāo)是水印應(yīng)用的整

78、體框架, Craver等提出了第一個(gè)協(xié)議攻擊, 他們印入了可逆水印的框架, 指出對(duì)于版權(quán)保護(hù)的水印應(yīng)用必須是不可逆的, 否則會(huì)造成版權(quán)歸屬的兩義性. 這個(gè)問(wèn)題的解決方法是用單向函數(shù)生成一個(gè)依賴于原始媒體的水印.</p><p><b>　　(2) 清除攻擊</b></p><p>　　清除攻擊的目的是將水印從媒體中清除出去, 這一類攻擊包括量化、去除噪聲、有損壓縮、重

79、調(diào)制、串謀攻擊等. 其中去除噪聲和有損壓縮的原始思想是利用假設(shè)水印是能被統(tǒng)計(jì)的噪聲, 因此, 攻擊者可以根據(jù)偽裝媒體估計(jì)原始水印無(wú)介質(zhì), 這些攻擊能顯著減少水印信道的容量. 串謀攻擊是指在一些水印應(yīng)用系統(tǒng)中, 同一數(shù)字產(chǎn)品被嵌入不同的水印信號(hào), 這使得攻擊者有可能逼近或恢復(fù)原始數(shù)據(jù)重調(diào)制假設(shè)水印是一個(gè)高頻噪聲, 先用待檢測(cè)媒體減去其中濾波, 然后再通過(guò)高通濾波得到估計(jì)水印. 處理攻擊的有效方法是使掩護(hù)媒體的相關(guān)統(tǒng)計(jì)量與水印信號(hào)的功率譜

80、相匹配., 例如在視頻水印算法中, 每一幀被嵌入了不同的水印信號(hào), 如果攻擊者掌握了足夠多的數(shù)據(jù)集, 可以通過(guò)平均法使得水印系統(tǒng)無(wú)法檢測(cè)出水印信號(hào)的存在.劍橋大學(xué)開(kāi)發(fā)的水印攻擊軟件系統(tǒng)Stir Mark, 采用的方法是對(duì)嵌入水印后的載體進(jìn)行各種攻擊, 從而在水印中引入誤差. 例如對(duì)水印載體數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣攻擊: 首先模擬圖像, 用高質(zhì)量打印機(jī)輸出, 最后再利用高質(zhì)量掃描儀掃描, 在重新獲得圖像的時(shí)候引入誤差破壞原有水印. 這種攻擊方法對(duì)原

81、始載體數(shù)據(jù)影響不大, 對(duì)攻擊者很有意</p><p><b>　?。?) 幾何攻擊</b></p><p>　　水印信號(hào)通過(guò)媒體在時(shí)間上或者空間上的改變使得無(wú)法解碼或檢測(cè),這個(gè)稱為幾何攻擊.在一般攻擊下會(huì)使水印檢測(cè)器失去同步信息或者導(dǎo)致水印檢測(cè)的錯(cuò)誤從受攻擊點(diǎn)開(kāi)始往下傳遞,不可恢復(fù).因此,近年出現(xiàn)針對(duì)同步攻擊的通過(guò)添加同步信息的水印嵌入算法,但會(huì)導(dǎo)致水印容量的減少以及

82、運(yùn)算量的增大.</p><p>　　3.5 數(shù)字水印的性能評(píng)估</p><p>　　對(duì)數(shù)字圖像水印算法的評(píng)估是多方面的, 不僅需要對(duì)魯棒性進(jìn)行評(píng)估, 而且包括對(duì)由于水印處理而引入的畸變進(jìn)行定量的且主觀的評(píng)估. 為了進(jìn)行性能評(píng)估和公平的基準(zhǔn)測(cè)試,評(píng)估時(shí)做到各種數(shù)字圖像水印系統(tǒng)進(jìn)行的測(cè)試和研究是在可以比較的情況下.目前,常對(duì)數(shù)字水印系統(tǒng)作以下幾種性能評(píng)估:</p><p&g

83、t;　　(1) 歸一化相似度</p><p>　　如果嵌入的水印信息是有意義的二值序列0或1則可以通過(guò)檢測(cè)水印和原始水印對(duì)應(yīng)位置兩者之間相似程度可以以像素值的相同與否來(lái)衡量. 所以檢測(cè)水印和原始水印之間的相似程度的高低用歸一化相似度很簡(jiǎn)潔的檢測(cè)出來(lái). </p><p>　　除此之外, 在理論上歸一化相關(guān)系數(shù)作為另一個(gè)評(píng)價(jià)水印抽取算法的客觀標(biāo)準(zhǔn), 設(shè)初始水印為, 抽取水印為, 則有: <

84、;/p><p><b>　　.(3.6)</b></p><p>　　實(shí)際應(yīng)用中, 常根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)合確定一個(gè)臨界閥值, 相似度與臨界閥值兩者的對(duì)比相似程度來(lái)確定媒體或水印的可靠性. </p><p>　　(2) 信噪比和峰值信噪比(PSNG: Peak Signal-to-Noise Ratio)</p><p>　　

85、把嵌入水印信號(hào)看作是加載到載體上的噪聲, 觀察其信噪比和峰值信噪比. 盡管不是很精確, 但這兩個(gè)指標(biāo)可以在一定程度上評(píng)估水印的透明性. 嵌入水印質(zhì)量的客觀評(píng)價(jià)采用峰值信噪比PSNG來(lái)度量, PSNG單位為dB. </p><p>　　PSNG=.(3.7)</p><p>　　4數(shù)字矢量地圖的數(shù)字水印技術(shù)</p><p>　　4.1.1數(shù)字矢量地圖的基本情況<

86、;/p><p>　　矢量數(shù)字地圖一般由地理信息、屬性信息和拓?fù)湫畔⒔M成,地理信息主要包括矢量空間的位置信息、定位信息,如點(diǎn)的坐標(biāo);拓?fù)湫畔t是記錄空間實(shí)體間的拓?fù)潢P(guān)系屬性信息.主要描述空間實(shí)體特征,如名稱，類型等.目前研究矢量數(shù)字地圖所用的方法大多數(shù)是將地理信息和拓?fù)湫畔⑾嘟Y(jié)合稱為幾何數(shù)據(jù)信息.信息的分類分層管理是數(shù)字矢量地圖處理數(shù)據(jù)的的技術(shù)之一.在國(guó)內(nèi),一般的將矢量地圖中的各種信息要素分為14種.</p>

87、;<p>　　4.1.2數(shù)字矢量地圖數(shù)字水印技術(shù)的基本特性</p><p>　　根據(jù)矢量地圖的特點(diǎn)，其數(shù)字水印將會(huì)具有如下要求：</p><p>　　不可感知性:數(shù)字水印的嵌入要求不會(huì)引起矢量地圖的數(shù)據(jù)的明顯改變.簡(jiǎn)單的說(shuō)就是要求數(shù)字水印嵌入之后不會(huì)導(dǎo)致地圖的視覺(jué)失真和測(cè)量失真.</p><p>　　不可抵賴性：對(duì)水印信息的解釋具有唯一性，即算法所描述

88、的嵌入和提取過(guò)程無(wú)歧義，對(duì)相同的信息輸入應(yīng)具有水印信息的重要特征.</p><p>　　容量：對(duì)于水印所選擇的嵌入方式要保證載體有足夠的嵌入空間，過(guò)少的嵌入量會(huì)降低水印的安全性能.</p><p>　　魯棒性：當(dāng)矢量地圖遇到幾何變換、數(shù)據(jù)壓縮、儲(chǔ)存格式轉(zhuǎn)換等操作時(shí)，要求水印信息能夠保證完整性和抗攻擊能力.</p><p>　　安全性：主要體現(xiàn)在兩方面，非法用戶不能感

89、知水印信息的存在，合法用戶在未授權(quán)的情況下無(wú)法提取和檢測(cè)到水印.</p><p>　　高精度：矢量地圖在軍事、測(cè)繪、導(dǎo)航等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用,尤其是定位精度，水印的嵌入應(yīng)該保持矢量地圖的精度為前提.</p><p>　　以下是這些特性的說(shuō)明：</p><p>　　4.1.3數(shù)字矢量地圖的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)</p><p>　　1）矢量數(shù)字地圖數(shù)據(jù)在

90、表示時(shí)根據(jù)空間形態(tài)特征大致可以分為點(diǎn)、線、面地圖上的點(diǎn)可以用空間坐標(biāo)對(duì)表示，有一串有序的坐標(biāo)對(duì)組成叫線，而面則是由線組成的閉合多邊形，由一系列有序的、首尾相連的坐標(biāo)對(duì)表示.所有的地圖對(duì)象都是由許多有組織的頂點(diǎn)構(gòu)成.空間數(shù)據(jù)實(shí)際上時(shí)給予某一地理坐標(biāo)系統(tǒng)的頂點(diǎn)坐標(biāo)序列. 由此可見(jiàn)，矢量數(shù)字地圖沒(méi)有固有的數(shù)據(jù)順序，沒(méi)有明確的采樣率概念，數(shù)據(jù)中不但包含幾何信息還有拓?fù)湫畔ⅲ@使水印提取時(shí)的同步問(wèn)題更加復(fù)雜，矢量地圖數(shù)據(jù)量小、精度高，冗余的信息量

91、少.</p><p>　　屬性數(shù)據(jù)描述的是地圖對(duì)象的屬性，不能隨便修改，因此水印只能加在空間數(shù)據(jù)中.而要增強(qiáng)矢量數(shù)字地圖的抗攻擊能力，就必須將水印嵌入在矢量地圖數(shù)據(jù)中比較重要的位置，這種方法的好處是一旦較重要的位置處的數(shù)據(jù)被破壞，數(shù)據(jù)質(zhì)量也會(huì)嚴(yán)重下降.在目前所能見(jiàn)到的算法中，嵌入水印的位置無(wú)論是點(diǎn)、線還是多邊形，最終都是在空間數(shù)據(jù)中，如頂點(diǎn)坐標(biāo).每個(gè)矢量地圖都有一個(gè)精度范圍，它能給出坐標(biāo)所允許變形的最大幅度.坐標(biāo)

92、變形明顯低于寬容度將不會(huì)降低地圖的精度.矢量地圖數(shù)據(jù)的精確度和數(shù)字圖像水印中的視覺(jué)模型相似的作用.</p><p>　　2）矢量地圖數(shù)據(jù)一般由空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)組成. 而空間數(shù)據(jù)又包括關(guān)系數(shù)據(jù)和幾何數(shù)據(jù). 屬性（信息）數(shù)據(jù)是描述空間實(shí)體的屬性特征數(shù)據(jù). 例如,類型、等級(jí)、名稱、狀態(tài)等，其中包括描述空間特征的數(shù)據(jù).描述空間實(shí)體特征數(shù)據(jù)稱為幾何特征數(shù)據(jù)也稱位置數(shù)據(jù)、定位數(shù)據(jù).例如,點(diǎn)的坐標(biāo).描述空間實(shí)體之間關(guān)系的數(shù)據(jù)

93、稱為關(guān)系特征數(shù)據(jù),例如，空間實(shí)體的鄰接、關(guān)聯(lián)、包含等，在矢量地圖數(shù)據(jù)中主要指拓?fù)潢P(guān)系.</p><p>　　4.2 矢量地圖的幾種水印算法</p><p>　　4.2.1空域水印算法</p><p>　　空域數(shù)字水印思想在很早被發(fā)現(xiàn),但是最早公開(kāi)發(fā)表的有關(guān)矢量地圖出版數(shù)字水印的文獻(xiàn)則是在很晚, 它思路是選取節(jié)點(diǎn)矢量地圖坐標(biāo), 依法將水印信息獨(dú)立的按照單位比特地嵌入矢

94、量地圖坐標(biāo)中內(nèi),該操作的研究提供了空域水印理論基礎(chǔ), 但由于矢量地圖大幅擾動(dòng)會(huì)影響矢量地圖的準(zhǔn)確性和抵抗簡(jiǎn)單的幾何攻擊的能力,因此,盡管算法容易實(shí)現(xiàn)且效率高,但同時(shí)在實(shí)現(xiàn)版權(quán)保護(hù)方面這些操作在矢量地圖中不現(xiàn)實(shí),因此Tirkel等人提出將最不重要位( LSB) 替換和位平面工具應(yīng)用于空域水印算法,用以提高空域算法的魯棒性.最低有效位( LSB, Least Significant Bit)是一種典型的空間域數(shù)據(jù)隱藏方法,其理論基礎(chǔ)在于矢量

95、地圖圖像的每個(gè)像素點(diǎn)都由多比特方式構(gòu)成, 根據(jù)矢量地圖能量上貢獻(xiàn)程度的不同的像素, 整個(gè)圖像分為8位平面, 即從最低有效位0到最高有效位7.由于低位能量很少, 改變低位對(duì)圖像的質(zhì)量沒(méi)有太大的影響, 因此Tirkel 建議使用最低有效位隱藏水印信息并得到水印加密算法.,這種算法在一定程度上提高了空域水印對(duì)于剪切、扭曲等幾何攻擊的抵抗能力.隨著理論研究的深入,近年來(lái),空域水印算法的研究主要在兩類方</p><p>　

96、　1）以減少對(duì)矢量地圖精度損傷為目標(biāo)的空域水印.為實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)利用差值擴(kuò)大思想基礎(chǔ)上, 提出一種無(wú)損數(shù)據(jù)隱藏算法.通過(guò)修改地圖中相鄰頂點(diǎn)坐標(biāo)間的差值來(lái)嵌入水印信息, 在坐標(biāo)顯示尤為重要的軍事地圖等中具有較高的嵌入容量.如果對(duì)矢量圖層所含多邊形特征分解, 對(duì)分解后的矢量多邊形進(jìn)行分析.選擇合適的多邊形的線段, 在其頂點(diǎn)處嵌入水印.該方法對(duì)于坐標(biāo)變換、平移、旋轉(zhuǎn)、縮放, 以及圖形剪切均具有較強(qiáng)的魯棒性.此外,還有一種抗矢量數(shù)據(jù)壓縮的空域水印

97、算法, 即在嵌入水印信息之前對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行道格拉斯克法壓縮, 然后在特征點(diǎn)中嵌入水印信息.</p><p>　　2）以提高抗攻擊能力及魯棒性為主的空域水印算法.在此基礎(chǔ)上, 提出網(wǎng)格劃分思想, 通過(guò)雙重網(wǎng)格將水印信息分散隱藏到頂點(diǎn)坐標(biāo)最低有效位上, 以此抵抗常規(guī)的地圖剪切攻擊和頂點(diǎn)編輯攻擊; 根據(jù)網(wǎng)格劃分思想,提出一種基于四叉樹(shù)劃分的矢量地圖空域水印算法, 在保證任意矩形網(wǎng)格所包含頂點(diǎn)數(shù)均相等的前提下, 把地圖劃分為

98、多個(gè)矩形子塊, 并在不同子塊中重復(fù)嵌入水印信息, 以此提高水印算法在全局范圍內(nèi)的魯棒性; 與此同時(shí),雙重嵌入的矢量地圖水印算法在四叉樹(shù)劃分算法進(jìn)行了擴(kuò)展,該算法是按地圖對(duì)象特征把矢量地圖分為兩層, 采用不同算法調(diào)制水印信息在不同的圖層中嵌入到各頂點(diǎn),分別計(jì)算兩個(gè)圖層中代表水印信息的位移總量, 在閾值的控制下,選擇有效的頂點(diǎn)并且計(jì)算矢量地圖坐標(biāo)的平均值, 即得到水印信息位置坐標(biāo).該水印算法特別對(duì)隨機(jī)噪聲、扭曲變形和各種剪切攻擊具有很強(qiáng)的魯

99、棒性.隨著矢量地圖數(shù)字水印的逐步應(yīng)用, 提高抗數(shù)據(jù)壓縮性能以及精度無(wú)損的空域水印將成為研究重點(diǎn).</p><p>　　4.2.2頻域水印法</p><p>　　與空域水印方法相比, 矢量地圖頻域水印算法的安全性更高、魯棒性更強(qiáng)、可研究的空間和內(nèi)容相對(duì)比較更大.頻域水印算法主要包括離散余弦變換( DCT )、離散小波變換( DWT) 水印算法和離散傅立葉變換( DFT ).</p>

100、;<p>　　離散余弦變換( DCT) 相當(dāng)于只使用實(shí)數(shù)的DTF 變換,是數(shù)字圖像處理以及信號(hào)處理常用的一種正交變換, 具有壓縮比高、誤碼率小、信息集中能力強(qiáng)和計(jì)算復(fù)雜性綜合效果較好等優(yōu)點(diǎn)。目前普遍采用 的DCT 變換, 變換公式如下:</p><p><b>　　（1）</b></p><p><b>　?。?）</b></

101、p><p>　　式( 2）中代表圖像像素矩陣 點(diǎn)處的像素值, 代表DCT 變換系數(shù)矩陣 點(diǎn)處的值, 系數(shù) 如下: （3）</p><p>　　同DFT 一樣, 水印信息將嵌入到調(diào)整后的分量系數(shù)中。Cox 等提出用小波變換的方法描述圖像信號(hào), 并將圖像信號(hào)分解成一組多尺度子帶圖像, 即{ LL, LH, HL, HH } ,</p><p>　　小波分析的

102、多分辨率特點(diǎn), 使其具有對(duì)信號(hào)的自適應(yīng)性, 經(jīng)過(guò)小波變換后能量主要集中在低頻LL 子帶, 具有較高的頻率分辨率; 高頻子帶主要是垂直LH 、水平HL 及對(duì)角線HH的邊緣信息, 含有的能量較低, 具有較高的時(shí)間分辨率.</p><p>　　小波分解的空間頻率特性是小波變換區(qū)別于DFT 和DCT 的一個(gè)重要方面.根據(jù)該特性可以將高強(qiáng)度的水印嵌入到H VS 不太敏感的區(qū)域, 這樣在保證不影響圖像視覺(jué)質(zhì)量的前提下可以最大

103、限度地增加嵌入水印的強(qiáng)度.圖3 為4級(jí)小波分析示意圖.</p><p>　　離散傅立葉變換( DFT) 是連續(xù)傅里葉變換在時(shí)域和頻域上都離散的形式, 將時(shí)域信號(hào)的采樣變換為在離散時(shí)間傅里葉變換( DT FT) 頻域的采樣.</p><p>　　同樣離散傅里葉變換DFT的水印算法思路是: 通過(guò)對(duì)矢量地圖結(jié)點(diǎn)信息的提取, 形成一個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)序列 , 表示為一個(gè)復(fù)數(shù)序列 ,如式(4):</p

104、><p><b>　　（4）</b></p><p>　　式中, N為序列中所有頂點(diǎn)的個(gè)數(shù)。通過(guò)離散傅立葉變換產(chǎn)生頻域序列 , 如式( 5) :</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　逆離散傅立葉變換如式( 6) :</p><p><b>　

105、　( 6）</b></p><p>　　調(diào)整頻域系數(shù)嵌入水印信息.</p><p>　　4.2.3其他幾種水印算法</p><p>　　以上兩種方法以外還有很多的水印算法，比較常見(jiàn)的是多重水印算法，零水印算法，還有一種基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)特征的水印算法等等.</p><p><b>　　5總結(jié)</b></p&g

106、t;<p>　　隨著矢量地圖數(shù)字水印由理論研究到系統(tǒng)應(yīng)用的逐漸轉(zhuǎn)變, 考慮到未來(lái)的研究重點(diǎn)或?qū)⒅饕杏谝韵聨讉€(gè)方面:</p><p><b>　　1.精度無(wú)損</b></p><p>　　高精度是矢量地圖得到廣泛應(yīng)用的技術(shù)基礎(chǔ), 水印向矢量地圖內(nèi)容的嵌入不可避免地對(duì)地圖精度產(chǎn)生影響, 使得地圖應(yīng)用效果降低.已提出的無(wú)損數(shù)字水印 也僅是采取縮小調(diào)整幅度的

107、方式來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)損效果.地圖精度零損失的解決思想是將水印標(biāo)識(shí)嵌入矢量地圖的屬性空間.</p><p>　　2. 數(shù)據(jù)壓縮攻擊算法</p><p>　　目前, 對(duì)于水印的數(shù)據(jù)壓縮魯棒性能測(cè)試, 多選擇已有的矢量地圖數(shù)據(jù)壓縮算法, 但這些算法更注重于地圖數(shù)據(jù)壓縮的實(shí)效性, 缺少有針對(duì)性的水印攻擊內(nèi)容, 不能準(zhǔn)確有效地評(píng)價(jià)水印性能.因此, 有必要針對(duì)空域、頻域等多類水印算法,提出一些用于測(cè)試水印性能

108、的數(shù)據(jù)壓縮攻擊算法.</p><p>　　4. 水印版權(quán)注冊(cè)及認(rèn)證</p><p>　　水印為矢量地圖版權(quán)認(rèn)證及內(nèi)容完整性保護(hù)提供了技術(shù)支持, 但只有公認(rèn)、權(quán)威的水印認(rèn)證模式, 才能使水印為版權(quán)擁有者提供服務(wù).基于第三方認(rèn)證模式將成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn), 即版權(quán)申明方將矢量地圖內(nèi)容及必要的水印信息提交給第三方認(rèn)證, 由第三方對(duì)其進(jìn)行審核和說(shuō)明.一旦發(fā)生版權(quán)糾紛, 第三方只需根據(jù)數(shù)字產(chǎn)品, 查

109、詢其版權(quán)注冊(cè)信息即可做出判定, 該模式非常適用于網(wǎng)絡(luò)數(shù)字產(chǎn)品的傳播、復(fù)制及發(fā)放.</p><p><b>　　5. 性能整體評(píng)價(jià)</b></p><p>　　一直以來(lái)對(duì)數(shù)字水印性能的評(píng)價(jià), 主要包括魯棒性、不可見(jiàn)性、水印容量等指標(biāo).在面向?qū)嵱眯缘脑u(píng)價(jià)過(guò)程中, 考慮到的因素有多種, 如安全性、可行性等。為此, 需要提出一種整體評(píng)價(jià)方案, 賦予指標(biāo)不同的權(quán)重, 對(duì)每種指標(biāo)