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1、摘要数字水印技术近年来得到了较大的发展，基于变换域的水印技术是目前研究的热点。数字水印是利用数字作品中普遍存在的冗余数据和随机性，把标识版权的水印信息嵌入到数字作品中，从而可以起到保护数字作品的版权或其完整性的一种技术。一个有效的数字水印系统至少具备以下三个最基本的特性：1.安全性：数据信息隐藏于数据图像中，不是文件头中，文件格式的变换不应导致水印信息的丢失。2.隐蔽性：在数字图像作品中嵌入数字水印不会引起图像明显的降质，即含水印的图像与原始图像对人的感觉器官的刺激应该是无差别或差别很小，主观感觉变化很小。3.鲁棒性：是指在经历有意或无意的信号处理过程后，水印信息仍能保持完整性或仍能被准确鉴别
2、。另外还有通用性、惟一性等特性。数字水印的基本应用领域是版权保护、隐藏标识、认证和安全不可见通信等。 本文提出了一种基于dct域的Matlab水印算法，实验结果表 明这种算法具有较好的性能，实现的水印具有不可见性,而且具有较好的鲁棒性。关键词：数字水印；DCT变换；Matlab程序Abstract Digital watermark technology in recent years have seen great development, based on changing domain watermark technology is being studied. Digital wate
3、rmark is the use of digital works prevailing in the redundant data and random nature of the logo copyright watermark information embedded in the digital works, so as to protect digital copyright or the integrity of a technology. An effective Digital watermark system at least the following three basi
4、c characteristics: 1. Security of data and information hidden in the digital image, not document and the format of the change should not lead to watermark information is missing. 2. hidden in the digital image works that are embedded in Digital watermark there is no image clear of quality, shallow t
5、he image of Original image of the People s receptor of incentives should be no difference or very different, subjective feeling very little has changed. 3. robust, is an experienced intentionally or unintentionally signal processing, watermarks information has been able to maintain integrity or cont
6、inue to be accurate identification. In addition, only a general nature and characteristics. Digital watermark and applied basic areas of copyright protection, hidden identification, authentication and security cannot see communications. This article presents a based on dct domain Matlab watermark al
7、gorithm results table this methodology with a better performance in achieving the watermark is see, and a fairly good robust.Key words: Digital watermarking; DCT transform; Matlab program目录摘要IAbstractII引言1第一章 数字水印基本理论及其在通信工程中的应用3 1.1数字水印的历史及国内外发展现状31.2数字水印的定义和基本特点5 1.3数字水印的一般模型61.4各种数字水印算法7 1.5数字水印技
8、术的一些局限9第二章 可实现数字水印技术的高效实用工具MATLAB172.1 Matlab简介17 2.2 Matlab的应用172.3 Matlab函数介绍18 第三章 离散余弦变换（DCT）算法介绍213.1 离散余弦叶变换的简介213.2 离散余弦变换水印嵌入算法23 3.3 离散余弦变换水印提取算法243.4 离散余弦变换水印算法原理框图243.5分块的离散傅里叶变换26第四章 离散余弦变换（DCT）算法的MATLAB程序及运行结果比较284.1 MATLAB程序284.2 运行结果比较314.3 实验结果总结分析38参考文献39致 谢40引言随着计算机网络通信技术的发展，信息媒体的数
9、字化为信息的存取提供了极大的便利性，同时也显著提高了信息表达的效率和准确性；数据的交换和传输变成了一个相对简单的过程，人们借助于计算机、数字扫描仪、打印机等电子设备可以方便、迅速地将数字信息传输到任何地方。随之而来的副作用是这些数字形式的数据文件或作品使另有意图的个人和团体有可能在没有得到作品所有者的许可下复制和传播有版权的信息，例如，现代盗版者仅需轻点几下鼠标就可以获得与原版一样的复制品，并以此获取暴利；而一些具有特殊意义的信息，如涉及司法诉讼、政府机要等信息，则会遭到恶意攻击和篡改伪造等等。这一系列数字化技术本身的可复制和广泛传播的特性所带来的负面效应，已成为信息产业健康持续发展的一大障碍
10、，目前，数字媒体的信息安全、知识产权保护和认证问题变得日益突出，且已成为数字世界中一个非常重要和紧迫的议题。密码技术是信息安全技术领域的主要传统技术之一，它是基于香农信息论及密码学理论的技术，现有的数字内容的保护多采用加密的方法来完成，即首先将多媒体数据文件加密成密文后发布，使得其在传递过程中出现的非法攻击者无法从密文获取机要信息，从而达到版权保护和信息安全的目的。但这并不能完全解决问题：一方面加密后的文件因其不可理解性而妨碍多媒体信息的传播；另一方面多媒体信息经过加密后容易引起攻击者的好奇和注意，并有被破解的可能性，而且当信息被接收并进行解密后，所有加密的文档就与普通文档一样，将不再受到保护
11、，无法幸免于盗版。换言之，密码学只能保护传输中的内容，而内容一旦解密就不再有保护作用了。因此，迫切需要一种替代技术或是对密码学进行补充的技术，它应该甚至在内容被解密后也能够继续保护内容。这样，人们提出了一种新兴的信息隐藏的概念数字水印(digital watermarking)。数字水印技术是目前信息安全技术领域的一个新方向，是一种可以在开放网络环境下保护版权和认证来源及完整性的新型技术，创作者的创作信息和个人标志通过数字水印系统以人所不可感知的水印形式嵌入在多媒体中，人们无法从表面上感知水印，只有专用的检测器或计算机软件才可以检测出隐藏的数字水印。在多媒体中加入数字水印可以确立版权所有者、认
12、证多媒体来源的真实性、识别购买者、提供关于数字内容的其它附加信息、确认所有权认证和跟踪侵权行为。它在篡改鉴定、数据的分级访问、数据跟踪和检测、商业和视频广播、Internet数字媒体的服务付费、电子商务认证鉴定等方面具有十分广阔的应用前景。自1993年以来，该技术已经引起工业界的浓厚兴趣，并日益成为国际上非常活跃的研究领域。数字水印技术还处于发展之中，数字水印技术未来的通信应用市场将会更加广阔。第一章 数字水印基本理论及其在通信工程中的应用1.1数字水印的历史及国内外发展现状一般认为，数字水印起源于古老的水印技术。这里提到的“水印”技术是指传统水印，即印在传统载体上的水印，如纸币上的水印、邮票
13、股票上的水印等，将它们对着光照我们可以看到其中隐藏的图像。这些传统的“水印”用来证明其内容的合法性。大约700年前，纸水印便在意大利的Fabriano镇出现，这些纸水印是通过在纸模中加细线模板制造出来的。纸在存在细线的区域会略微薄一些，这样也会更透明一些。到了18世纪，在欧洲和美国制造的产品中，纸水印已经变得相当的实用了。水印被用作商标，记录纸张的生产日期，显示原始纸片的尺寸。大约也是这个时期，水印开始用于钱和其它文件的防伪措施。纸水印的存在既不影响美感，也不影响纸张的使用。中国是世界上最早发明造纸术的国家，也是最早使用纸币的国家。宋真宗在位时（公元9981021年），四川民间发明了“交子”。
14、交子正面都有票人的印记，有密码画押，票面金额在使用时填写，可以兑换，也可以流通。可以说交子上的印文既包含水印技术也包含消隐技术。事实上，正是由于纸张水印和消隐技术的特性才真正地启发了在数字环境下水印的首次使用。数字水印的产生最早可追溯到1954年，它的产生源于对数字产品的保护。在1954年，Muzak公司的埃米利.希姆布鲁克(Emil Hembrooke)为带有水印的音乐作品申请了一项专利。在这项专利中，通过间歇性地应用中心频率为1kHz的窄带陷波器，认证码就被插入到音乐中。该频率上能量的缺失表征使用了陷波滤波器，而缺失的持续时间通常被编码为点或长划，此认证码使用了莫尔斯电码。此系统被Muza
15、k公司用到了1984年前后。 从那时起，人们开始发展大量的水印技术并由此展开了各种各样的应用，人们对于嵌入信号的兴趣就这样持续了35年，此期间水印被应用于广告认证和设备控制上。例如，在1979年，Szepanski描述了一种机械探测模式，它可以用在文件上起到防伪效果。九年后Holt等人阐述了一种在音频信号中嵌入认证码的方法。但这时的数字水印只是作为一种版权认证的工具，并没有成为一门科学。直到20世纪90年代初期，数字水印才作为一个研究课题受到了足够的重视。1993年A. Z. Tirkel等所撰写的“Electronic water mark”一文中首次使用了“water mark”这一术语。
16、这一命名标志着数字水印技术作为一门正式研究学科的诞生。后来二词合二为一就成为“watermark”，而现在一般都使用“digital watermarking”一词来表示“数字水印”。现在我们所说的“水印”一般指的都是数字水印。数字水印技术自1993年被提出以来，由于其在信息安全和经济上的重要地位，发展较为迅速，世界各国的科研机构、大学和商业集团都积极的参与或投资支持此方面的研究。如美国财政部、美国版权工作组、美国洛斯阿莫斯国家实验室、美国海陆空研究实验室、欧洲电信联盟、德国国家信息技术研究中心、日本NTT信息与通信系统研究中心、麻省理工学院、南加利福尼亚大学、剑桥大学、瑞士洛桑联邦工学院、微
17、软公司、朗讯贝尔实验室等都在进行这方面的研究工作。IBM公司、日立公司、NEC公司、Pioneer电子公司和Sony公司等五家公司还宣布联合研究基于信息隐藏的电子水印。国际学术界陆续发表了许多关于数字水印技术方面的文章，几个有影响的国际会议（例如IEEE，SPIE等）及一些国际权威学术期刊（例如Signal Processing等）相继出版了有关数字水印技术的专题。1996年5月，国际第一届信息隐藏学术讨论会(International Information Hiding Workshop, IHW)在英国剑桥牛顿研究所召开，至今该研讨会已举办了五届。在1999年第三届信息隐藏国际学术研讨会
18、上，数字水印成为主旋律，全部33篇文章中有18篇是关于数字水印的研究。1998年的国际图像处理大会（ICIP）上，还开辟了两个关于数字水印的专题讨论。由Martin Kutter创建的WatermarkingWorld已成为一个关于数字水印的著名网上论坛。在20世纪90年代末期一些公司开始正式地销售水印产品。在图像水印方面，美国的Digimarc公司率先推出了第一个商用数字水印软件，而后又以插件形式将该软件集成到Adobe公司的Photoshop和Corel Draw图像处理软件中。该公司还推出了媒体桥（Mediabridge）技术，利用这项技术用户只要将含有Digimarc水印信息的图片放在
19、网络摄像机（web camera）前，媒体桥技术就可以直接将用户带到与图像内容相关联的网络站点。AlpVision公司推出的LavelIt软件，能够在任何扫描的图片中隐藏若干字符，这些字符标记可以作为原始文件出处的证明，也就是说，任何电子图片，无论是用于Word文档、出版物，还是电子邮件或者网页，都可以借助于隐藏的标记知道它的原始出处。AlpVision的SafePaper是专为打印文档设计的安全产品，它将水印信息隐藏到纸的背面，以此来证明该文档的真伪。SafePaper可用于证明一份文件是否为指定的公司或组织所打印，如医疗处方、法律文书、契约等，还可以将一些重要或秘密的信息，如商标、专利、名
20、字、金额等，隐藏到数字水印中。欧洲电子产业界和有关大学协作开发了采用数字水印技术来监视复制音像软件的监视系统，以防止数字广播业者的不正当复制的行为。该开发计划名称为TALISMAN(Tracing Authors Rights by Labeling Image Service and Monitoring Access Networks)。此开发计划作为欧洲电子产业界等组织的欧共体项目于1995年9月开始进行，1998年8月结束，法国、比利时、德国、西班牙、意大利和瑞士等在内的11个通信与广播业者、研究单位和大学参加。随着技术信息交流的加快和水印技术的迅速发展，国内一些研究单位也已逐步从技术
21、跟踪转向深入系统研究，各大研究所和高校纷纷投入数字水印的研究，其中比较有代表性的有哈尔滨工业大学的孙圣和、牛夏牧、陆哲明等，天津大学的张春田、苏育挺等，北京邮电大学的杨义先、钮心忻等，中国科学院自动化研究所的刘瑞祯、谭铁牛等，他们是国内较早投入水印技术研究且取得较好成绩的科研单位。我国于1999年12月11日，由北京电子技术应用研究所组织，召开了第一届信息隐藏学术研讨会(CIHW)，至今已成功的举办了四届，很大程度地推进了国内水印技术的研究与发展。同时，国家对信息安全产业的健康发展也非常的重视，在2003年的科技型中小企业技术创新基金若干重点项目指南中，明确指出了对于“数字产品产权保护（基于数
22、字水印、信息隐藏、或者网络认证等先进技术）”和“个性化产品（证件）的防伪（基于水印、编码、或挑战应答等技术）”等多项防盗版和防伪技术予以重点支持。现在国内已经出现了一些生产水印产品的公司，其中比较有代表性的是由中科院自动化研究所的刘瑞祯、谭铁牛等人于2002年在上海创办了的一家专门从事数字水印、多媒体信息和网络安全、防伪技术等软硬件开发的公司上海阿须数码技术有限公司，公司现从事数字证件、数字印章、PDF文本、分块离散图像、视频、网络安全等多方面数字水印技术的研究，现在这家公司已申请了一项国际和三项国家数字水印技术专利。虽然数字水印在国内的应用还处于初级阶段，但水印公司的创办使得数字水印技术在国
23、内不仅仅只停留在理论研究的层面上，而是从此走上了实用化和商业化的道路，这样会更加推动国内水印技术的蓬勃发展，为国内的信息安全产业提供有效的、安全的保障。1.2数字水印的定义和基本特点目前虽有许多文献讨论有关数字水印技术的问题，但数字水印始终没有一个明确统一的定义。Cox等把水印定义为“不可感知地在作品中嵌入信息的操作行为”；杨义先等认为“数字水印是永久镶嵌在其它数据（宿主数据）中具有鉴别性的数字信号或模式，而且并不影响宿主数据的可用性”。我个人认为后一种说法更为确切一些，因为可见水印是可以感知到的，但它的存在并不影响宿主数据的可用性，嵌入的水印同样可以起到鉴别的目的。不同的应用对数字水印的要求
24、不尽相同，一般认为数字水印应具有如下特点：(1) 不可见性。在宿主数字媒体中嵌入一定数量的附加信息后，不能引起明显的将质现象，隐藏的数据不易觉察，即无法人为的看见或听见。(2) 稳健性。数字水印必须对施加于宿主媒体的变化或操作具有一定的免疫力，不能因为某种变换操作导致水印信息的丢失，即水印被迫坏，从而失去商用价值。常用的变换操作有：信道噪声、滤波、有损压缩、重采样等。(3) 安全性。数字水印应该能够抵抗各种蓄意的攻击，同时应很难被他人复制和伪造。(4) 有效性。水印提取算法应高效，提取出的水印应能唯一标识版权所有者。(5)抗窜改性。 与抗毁坏的鲁棒性不同,抗窜改性是指水印一旦嵌入到载体中,攻击
25、者就很难改变或伪造。鲁棒性要求高的应用，通常也需要很强的抗窜改性，在版权保护中,要达到好的抗窜改性是比较困难的。1.3数字水印的一般模型 数字水印的一般模型如图1-3-1所示：含水印信号号水印信息嵌入过程 原始图象图1-3-1 数字水印嵌入过程频域法加入数字水印的原理是首先将原始信号（语音一维信号、图像二维信号）变换到频域，常用的变换一般有DWT、DCT、DFT、WP和分形。然后，对加入了水印信息的信号进行频域反变换（IDWT、IDCT、DFT、WP），得到含有水印信息的信号。原始信号结束抽取水印抽检过程待检信号水印信息结束有无水印 图1-3-2 数字水印检测/抽取过程如上图1.3.2所示，频
26、域法检测水印的原理是将原始信号与待检测信号同时进行变换域变换，比较两者的区别，进行嵌入水印的逆运算，得出水印信息。如果是可读的水印，那么就此结束，如果是不可读水印，如高斯噪声，就将得出的水印与已知水印作比较，由相关性判断，待检测信号含不含水印，故水印的检测有两个结束点。1.4各种数字水印算法近几年来数字水印技术研究取得了很大的进步，见诸于文献的水印算法很多，这里对一些典型的算法进行了分析。1. 空间域算法数字水印直接加载在原始数据上，还可以细分为如下几种方法：(1) 最低有效位方法(LSB)这是一种典型的空间域数据隐藏算法，L.F.Tumer与R.G.VanSchyadel等先后利用此方法将特
27、定的标记隐藏于数字音频和数字图像内。该方法是利用原始数据的最低几位来隐藏信息(具体取多少位，以人的听觉或视觉系统无法察觉为原则)。LSB方法的优点是有较大的信息隐藏量，但采用此方法实现的数字水印是很脆弱的，无法经受一些无损和有损的信息处理，而且如果确切地知道水印隐藏在几位LSB中，数字水印很容易被擦除或绕过。(2) Patchwork方法及纹理块映射编码方法这两种方法都是Bender等提出的。Patchwork是一种基于统计的数字水印，其嵌入方法是任意选择N对图像点，在增加一点亮度的同时，降低另一点的亮度值。该算法的隐藏性较好，并且对有损的JPEG和滤波!压缩和扭转等操作具有抵抗能力，但仅适用
28、于具有大量任意纹理区域的图像，而且不能完全自动完成。2.变换域算法基于变换域的技术可以嵌入大量比特数据而不会导致可察觉的缺陷，往往采用类似扩频图像的技术来隐藏数字水印信息。这类技术一般基于常用的图像变换，基于局部或是全部的变换，这些变换包括离散余弦变换(DCT)、小波变换(WT)、傅氏变换(FT或FFT)以及哈达马变换(Hadamardtransform)等等。其中基于分块的DCT是最常用的变换之一，现在所采用的静止图像压缩标准JPEG也是基于分块DCT的。最早的基于分块DCT的一种数字水印技术方案是由一个密钥随机地选择图像的一些分块，在频域的中频上稍稍改变一个三元组以隐藏二进制序列信息。选择
29、在中频分量编码是因为在高频编码易于被各种信号处理方法所破坏，而在低频编码则由于人的视觉对低频分量很敏感，对低频分量的改变易于被察觉。该数字水印算法对有损压缩和低通滤波是稳健的。另一种DCT数字水印算法是首先把图像分成88的不重叠像素块，在经过分块DCT变换后，即得到由DCT系数组成的频率块，然后随机选取一些频率块，将水印信号嵌入到由密钥控制选择的一些DCT系数中。该算法是通过对选定的DCT系数进行微小变换以满足特定的关系，以此来表示一个比特的信息。在水印信息提取时，则选取相同的DCT系数，并根据系数之间的关系抽取比特信息。除了上述有代表性的变换域算法外，还有一些变换域数字水印方法，它们当中有相
30、当一部分都是上述算法的改进及发展，这其中有代表性的算法是I.Podichuk和ZengWenjun提出的算法。他们的方法是基于静止图像的DCT变换或小波变换，研究视觉模型模块返回数字水印应加载在何处及每处可承受的JND(JustNoticeableDifference，恰好可察觉差别)的量值(加载数字水印的强度上限),这种水印算法是自适应的。3.NEC算法该算法由NEC实验室的Cox等人提出，该算法在数字水印算法中占有重要地位，其实现方法是：首先以密钥为种子来产生伪随机序列，该序列具有高斯N(0,1)分布，密钥一般由作者的标识码和图像的哈希值组成，其次对图像做DCT变换，最后用伪随机高斯序列来
31、调制(叠加)该图像除直流分量外的1000个最大的DCT系数。该算法具有较强的鲁棒性、安全性、透明性等。由于采用特殊的密钥，故可防止IBM攻击，而且该算法还提出了增强水印鲁棒性和抗攻击算法的重要原则，即水印信号应该嵌入源数据中对人感觉最重要的部分，这种水印信号由独立同分布随机实数序列构成，且该实数序列应具有高斯分布N(0,1)的特征。随后Podilchuk等利用人类视觉模型又对该算法进行了改进，从而提高了该算法的鲁棒性!透明性等。4.其他一些水印算法近年来利用混沌映射模型实现数字水印、保密通信等成为混沌应用研究的热点。特别是自从Cox等借用通信技术中的扩频原理将水印信号嵌入到一些DCT变换系数或
32、者多层分解的小波变换系数以来，人们已经提出了一些混沌数字水印方法。水印的嵌入与检测是基于人类视觉系统(HVS)的亮度掩蔽特性和纹理掩蔽特性，折衷水印的不可见性和鲁棒性之间的矛盾.结果表明：该方法嵌入的水印具有不可见性和鲁棒性，并且这种基于密钥的混沌水印方法更好的抗破译性能。目前比较流行的还有一种基于盲水印检测的DWT算法，该算法首先对原始图像进行小波变换，根据人类具有的视觉掩蔽特性对低频分量进行一定的量化，同时可不影响视觉效果，并对作为水印的图像进行压缩和二值化处理，形成一维的二值序列，根据二值序列的值对上述量化后的原始信号的低频分量进行视觉阈值范围内允许的修改，从而实现水印的嵌入。水印提取过
33、程是对含有水印的图像进行小波变换，对低频分量同样进行量化处理，为了增大算法的安全性，可以对水印形成的二值0,1序列在嵌入前进一步进行伪随机序列调制，相应的在水印提取过程需要增加用伪随机序列解调的步骤。这样不知道伪随机序列的攻击者即使推测出水印的嵌入规律，也无法提取水印，大大增加了水印系统的透明性和鲁棒性。1.5数字水印技术的一些局限1.不知道能够隐藏多少位。尽管非常需要知道指定大小载体信息上可以隐藏多少比特的水印信息，但这个问题还没有得到圆满解决。事实上，对给定尺寸的图像或者给定时间的音频，可以可靠隐藏信息量的上界，目前还不清楚。对图像水印，只能说目前使用的算法可以隐藏几百比特位的水印信息。2
34、.还没有真正健壮的盲图像水印算法。对图像水印鲁棒性还是个问题，目前还没有能够在经过所有普通图像处理变换后，仍能幸免的盲水印算法。尤其是能够抵抗几何处理的攻击，被认为是很难实现的目标。3.所有者能去除标记。迄今为止提出的所有盲图像水印，实际上都是可逆的。已知水印的准确内容!以及水印的嵌入和检测算法，则总能在没有严重损坏资料的前提下，使水印不可读取。目前还不清楚这个缺点在将来还是否存在；同时在设计版权保护系统时，必须考虑如下问题：一旦水印内容已知，则有可能去除水印或者部分水印。此外，迄今为止提出的水印算法，其可逆性使人们提出极大的疑问，即设计能够抗篡改的健壮公开水印技术是否可能？事实上，如果允许任
35、何人读取水印，则任何人只要知道水印嵌入算法，就可以消除水印。1.6数字水印在图像通信系统中的应用1.图像通信系统的组成按照所传输图像信号的性质，基本的图像通信系统可分为模拟系统和数字系统。(1) 模拟图像通信系统的组成框图在模拟图像通信系统中，图像信源是以一定的扫描方式产生电信号，模拟调制器通常有模拟调幅、调频、调相等方式，实际的系统通常还有对图像信号的滤波、电平调整等处理电路，以及产生载波的振荡电路和对已调波的放大电路等。一个典型的模拟图像通信系统的组成框图如下图1-6-1：显示器解调器信道调制器信息源噪声 图1-6-1 模拟图像通信系统(2)数字图像通信系统的组成框图在数字图像通信系统中，
36、作为信源的输入图像是数字的，然后由信源编码器进行压缩编码，以减少其数据量。信道编码器则是为了提高图像在信道上的传输质量，减小误码率而采取的有冗余的编码。由于数字图像通信系统具有传输质量好、频带利用率高、易于小型化、稳定性好和可靠性强等特点，正在逐步取代模拟图像通信系统。一个典型的数字图像通信系统框图如下图1-6-2：信道信源解码器调制器信道编码器信息源显示器信道解码器解调器信源编码器噪声源 图1-6-2 数字图像通信系统2.基于通信的水印模型从本质上讲，水印的嵌入、传输、检测是一种通信过程。自然的，人们就试图把水印问题当作通信问题的特例来处理。在这里介绍三种模型，它们的区别在于如何模型化载体。
37、在基本模型中，把看作纯粹的噪声；在有边信息的通信模型中，仍然把看作噪声；只是在水印嵌入端，噪声作为边信息存在,在复接通信模型中，不再把看作噪声，而是把它看作通过复接技术传输的另一个消息。 噪声信道解码信道编码+输入信息 输出信息编码密钥 解码密钥图1-6-3 水印模型(1)基本模型 噪声n水印编码水印解码+ 输入输出 m 密钥k 原始载体 密钥k 图1-6-4 基本通信模型上图1-6-4给出了水印信道的基本通信模型。当载体在检测端可以得到时，这种检测算法称为非盲检测；反之，则称为盲检测。在这种模型中，载体作为噪声，被看作信道的一部分。在水印嵌入时，可以分为两个步骤。首先，把消息m映射为模式。在
38、这一步，可使用高斯噪声序列扩频或者CDMA编码扩频来实现。模式的类型和维数可以和相同，也可以不同。这个过程可以由密钥控制完成。其次，把模式叠加到上，产生带水印的数据。在这个过程中，嵌入端没有利用关于的知识，因此，也称为盲嵌入(Blind Embedding)。一般假定将经过某种操作，这个操作对水印信道的影响用加性噪声来模拟。这个操作的类型很广，可以包括:压缩和解压、在模拟信道上广播、图象(或音频)增强等等；其中有些属于正常操作，有些属于恶意攻击。事实上，所有这些类别的操作都依赖于 ，因此，用加性噪声来模型化这个操作只是一种简化。于是，经过叠加噪声就得到信道输出= + n 。如果进行的是非盲检测
39、，那么，检测过程可分为两个步骤。首先从中减去，得到带噪声的模式然后，通过水印解码从中获得输出消息。水印嵌入仅仅是进行叠加(加法)操作，检测时通过减法把从中完全去除，也就是说，与的区别只是由于噪声n的存在。因此，把忽略以后,把水印编码、噪声叠加、水印解码看作水印信道，它和图1-2所示的通信系统完全类似。如果进行的是盲检测，则在检测过程中， 由于未知，使得无法完全去除对水印检测的影响。在这种情况下，直接对进行水印解码得到输出消息。此时，受到的噪声看作由和n构成，于是，仍然可以用图1-2所示的通信系统来类比水印信道。需要注意的是，上图所示的水印系统对于稳健水印更贴切一些。对于数字水印的其他应用(比如
40、，脆弱水印等)来说，它就不具有典型意义了。(2)有边信息的通信模型在图1-6-4所示基本模型中，在嵌入端要求与载体互相独立。事实上，嵌入端是完全知道载体的。如果允许水印编码时利用对的知识，那么，将有利于产生更有效的水印算法。图1-6-5给出了一个允许模式依赖于的水印模型。这个模型和基本模型差别不大，只是把作为水印编码额外的输入。这样，嵌入端就能利用信道的一些信息仅仅是，从而，可能使非盲检测和盲检测达到同样的稳健性。在通信理论中，关于带边信息的通信是Shannon最早提出的，随后，一些学者进一步的研究表明:这种边信息对于某些应用来说是无关紧要的。最近在这方面的研究有如下几个方面:有边信息的嵌入、
41、有边信息的编码(如:Dirty Paper Code等)。 噪声n水印编码+水印检测m 密钥k 原始载体 密钥k 图1-6-5有边信息的通信模型(3)复接通信模型图1-6-6给出了水印信道的另一个模型。在这里，载体不再是信道的一部分，而是需要通过信号和水印信息m一起传输的第二个信息。这两个信息的接收端分别为:水印检测器和人的感官。水印嵌入器把m和结合起来，形成信号。这个过程类似于一般通信中的复接过程(比如:时分复用、频分复用等)，二者间的区别是:在通信复用中，复接技术是固定的，而且，消息序列是通过一个参数(比如:时间、频率)来分割的；在数字水印中，这种复接是通过不同的技术(水印检测和人眼感官)
42、实现的。当通过有噪信道到达接收端时，它可以供人的感官欣赏，也可以作为水印检测器的输入。此时，以佣应该满足如下条件:对于人的感官来说，应该与接近；对于水印检测器来说，从中检测出的消息与原始水印m尽可能的接近。事实上,这个模型也在一定程度上限制了攻击的手段和强度。因为太大的攻击强度将导致的品质急剧下降，使得不能满足人的感官对多媒体的要求。比如，在高斯噪声攻击强度太大时，图象的质量就很差了，这样的图象就不能供人的感官欣赏。复接通信模型更强调的是水印和载体的对等性(Symmetry)，即它们是同等重要的。这种对等性在数字水印中的一个体现就是对“信噪比”的两种解释:在讲到保真度时，“信号”指载体，“噪声
43、”指水印；在讲到有效性和稳健性时，“信号”指水印，“噪声”指载体。这样的模型说明，在解决水印稳健性时，同时需要考虑载体保真度问题。这促使水印算法在提高稳健性时，还要考虑PSNR值、SNR值以及HVS/HAS(Human Vision System/Human Auditory System)模型。 噪声n人的感觉感知媒体+水印嵌入水印检测输出信息m 密钥K 密钥K图1-6-6 复接通信模型3. 通信理论在数字水印中的应用现状从通信理论的角度研究数字水印，一般可以导出具体的水印嵌入、检测算法，稳健性一般用相关系数或者误码率来度量。通信理论在数字水印中的应用包括:均匀量化和矢量量化、调制、信道编码
44、、信源编码、调制和编码的权衡、扩频、加密解密等。均匀量化和矢量量化一般用于设计水印的嵌入方式，即如何依据以0,1或者-1,+1形式存在的信息比特来修改指定的载体数据(或特征)。均匀量化在数字水印中的典型应用是基于量化的水印算法，这样的算法对抗JPEG压缩和高斯噪声都有不错的效果。基于量化的算法一般都是在载体的变换域进行数据嵌入的，因为变换域的低频、中频系数都比较大，可以修改的余地也比较大。矢量量化一般用于图象水印、音频水印等。调制水印中的应用有相位调制、幅度调制，即分别改变载体的相位信息和幅度信息。幅度调制一般是通过直接修改载体特征值的大小来实现的。幅度调制的典型应用是把水印(或水印的模板)嵌
45、入离散傅立叶变换(DFT)的幅值。相位调制用于音频水印和图象水印等，有的算法通过改变载体DIST域系数的正负来实现相位调制。信道编码是指为了提高通信性能而设计信号变换，以使传输信号更好地抵抗各种信道损伤的影响，例如噪声、干扰以及衰落等。它在数字水印中的应用有：线性分组码(BCH码、重复码、R S码、汉明码等)、卷积码T urbo码、LDPC码、交织码等。信道编码的基本思路是在信息比特中加入冗余比特，通过仔细设计的冗余比特，就可以纠正误码，实现纠错功能。交织码的主要功能是把信道中的突发错误转化为随机错误。因为信道编码在通信领域中非常有效，人们直接了当地在数字水印中引入信道编码，而只有少数文献研究
46、水印信道的特殊性，试图给出应用信道编码的条件。信源编码在数字水印中的应用主要是分布式信源编码。这种编码主要是用来解决传感器网络、分布式数据库和交互式通信系统中的问题。在这些应用中，虽然各个信源的位置不同，但是它们传给解码器的是高度相关的信息，而解码器的任务就是把这些信息中共同的东西提取出来。在数字水印中，把水印和水印信道的输出看作两个分布式信源、把水印检测器看作解码器，就可以在水印中利用从分布式信源编码研究中得到的分析和结论了，从而在一定程度上改善了水印的稳健性。调制和编码的权衡在数字水印中的应用有：TCM码，T urbo-TCM码等。在通信领域，网格编码调制(Trellis-Coded Modulation, TCM)自从1984年以来就越来越受到重视，它可以在不扩展带宽的情况下提
