基于二值化圖像構(gòu)造的零水印版權(quán)保護(hù)方案

摘要：利用零水印概念提出一種公鑰體制的圖像內(nèi)容版權(quán)保護(hù)方案。該方案不對(duì)原始圖像數(shù)據(jù)作任何修改，使得傳統(tǒng)意義水印的穩(wěn)健性、安全性和不可感知性之間的矛盾用一種特殊的方法得到了解決。水印實(shí)現(xiàn)完全依賴于對(duì)圖像重要特征的構(gòu)造方法。選擇原始圖像的二值化比特圖作為重要特征，利用邏輯運(yùn)算變換與加密實(shí)現(xiàn)版權(quán)標(biāo)志的存在。其算法簡單、隱藏信息量大、安全性好。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：其穩(wěn)健性非常優(yōu)越，完全能實(shí)現(xiàn)版權(quán)保護(hù)功能。

關(guān)鍵詞：零水印; 幾何攻擊；知識(shí)產(chǎn)權(quán)注冊中心

中圖分類號(hào)：TP301;TP391文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001－3695(2007)08－0239－03

0引言

數(shù)字多媒體信息的廣泛使用和傳播，為人們提供了便利的信息交換環(huán)境。同時(shí)，隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，數(shù)字多媒體產(chǎn)品輕易就可以得到并被非法拷貝或竄改。如何維護(hù)數(shù)字產(chǎn)品作者的權(quán)益，保護(hù)版權(quán)和鑒別作品的完整性，是當(dāng)前信息安全技術(shù)研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)問題。在版權(quán)保護(hù)方面，數(shù)字水印技術(shù)相比傳統(tǒng)加密技術(shù)顯示出更廣的應(yīng)用前景。高穩(wěn)健性的版權(quán)標(biāo)記水印更是各國水印研究學(xué)者們共同關(guān)注的熱點(diǎn)問題。

用于版權(quán)標(biāo)記的穩(wěn)健性水印，指水印在不可感知的前提下被加入到數(shù)字產(chǎn)品中。只要數(shù)字產(chǎn)品的使用價(jià)值未被破壞，版權(quán)標(biāo)記就能被檢測出來，并能作為證明版權(quán)的法律證據(jù)。加入的標(biāo)記可以是一個(gè)隱藏的商標(biāo)、序列號(hào)、作者ID，或者是防止未授權(quán)用戶直接拷貝的方法。一般而言，版權(quán)標(biāo)記水印應(yīng)具有[2]：

a)不可感知性。這里有兩個(gè)層面的含義，首先是人類的感知系統(tǒng)無法識(shí)別因加入水印帶來的質(zhì)量退化；其次是通過統(tǒng)計(jì)分析無法確定水印的存在與否。后者對(duì)于版權(quán)標(biāo)記水印不是首要要求。

b)穩(wěn)健性。一般來說，它主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(a)要求具有抵抗一般信號(hào)處理的穩(wěn)健性。(b)應(yīng)具有幾何變換下的穩(wěn)健性，即在旋轉(zhuǎn)、縮放和剪切等處理下仍能被證明存在。(c)應(yīng)具有抵抗惡意攻擊的穩(wěn)健性。用于版權(quán)保護(hù)的數(shù)字水印對(duì)于攻擊者有明確的目標(biāo)，難以避免侵權(quán)者的惡意攻擊。一般有合謀攻擊和偽造、刪除等操作。

c)法律上可證明性。檢測出的數(shù)字水印所代表的版權(quán)信息能在法律意義上獲得惟一確定的證明。另外，在證明版權(quán)時(shí)，應(yīng)便于公開檢測，一般采用公鑰水印體制。

穩(wěn)健數(shù)字圖像水印算法有很多種，它們既可以按照嵌入域的不同分為空域水印[4，5]和變換域水印[6~8]，又可以按照是否使用HVS視覺掩蔽效應(yīng)[9]來分類。這些算法設(shè)計(jì)過程中無一例外會(huì)遇到穩(wěn)健性和不可感知要求之間的矛盾。使用HVS模型自適應(yīng)調(diào)節(jié)水印強(qiáng)度，會(huì)在一定程度上改善這一矛盾，但如文獻(xiàn)[1]所指出，同時(shí)也會(huì)有增加復(fù)雜度、安全性方面的隱患。針對(duì)這種情況，文獻(xiàn)[1]提出的一種新的水印概念，即零水印，使這個(gè)問題得到了很好的解決。所謂零水印是指利用原始圖像的重要特征來構(gòu)造水印，而不對(duì)原始圖像作任何修改的水印技術(shù)。文獻(xiàn)[1]選取了圖像的DCT系數(shù)、高階累積量等特征來構(gòu)造零水印。本文選取原始圖像的二值圖像作為對(duì)象，并利用公鑰加密體系構(gòu)造零水印，其性能更加優(yōu)越，能抵擋三種穩(wěn)健性攻擊以及它們的組合形式。

1構(gòu)造零水印 

1．1二值圖作為重要特征的可行性分析

二值化圖像是只有兩個(gè)灰度級(jí)圖像，它以小的數(shù)據(jù)量表達(dá)了原始圖像的內(nèi)容，因此容易儲(chǔ)存、處理和辨認(rèn)，在形態(tài)學(xué)及圖像識(shí)別處理中占有重要地位。本文以二值圖像為重要特征量來構(gòu)造零水印，是因?yàn)樗趯?duì)圖像處理操作的過程中極具穩(wěn)健性。從圖像形態(tài)學(xué)知識(shí)分析，由于人眼對(duì)二值圖的認(rèn)知能力非常強(qiáng)，只要原始圖像經(jīng)過處理后基本內(nèi)容沒有改變，那么它所對(duì)應(yīng)的二值圖也完全能被人眼所辨識(shí)。本文利用原始圖像的二值化圖像設(shè)計(jì)水印完全符合水印設(shè)計(jì)中對(duì)穩(wěn)健性的要求，以及異或運(yùn)算構(gòu)造水印。這樣二值圖像的穩(wěn)健性將等同水印信號(hào)的穩(wěn)健性。

圖像重要特征的提取，從本質(zhì)上講是一種魯棒哈希變換過程。二值圖作為重要特征相對(duì)于其他方法，一方面具有魯棒哈希[3]的性質(zhì)，即給定兩幅不同內(nèi)容的圖像得出相同二值圖的概率非常小。因?yàn)榕c原始圖像具有相同的尺寸，二值圖以較哈希值大的數(shù)據(jù)量減少了發(fā)生碰撞的概率。一幅尺寸為256×256的原始圖像，它的二值圖有265 536種可能。設(shè)定某一閾值，每一像素點(diǎn)的像素值可能被二值化為同一值的概率為1/2。那么在二值化過程中發(fā)生碰撞的概率為1/265 536，是很小的。為減小碰撞現(xiàn)象的發(fā)生，在選擇分割閾值時(shí)，采取自適應(yīng)動(dòng)態(tài)的閾值很有必要。自適應(yīng)閾值是基于圖像內(nèi)容的，不同的圖像會(huì)有不同的閾值分布特性，從而對(duì)應(yīng)同一像素點(diǎn)兩幅圖像使用的分割閾值不盡相同，發(fā)生碰撞的幾率更小。另一方面，二值圖保持了原始圖像的基本內(nèi)容，同無意義的哈希比特相比具有主觀可識(shí)別的優(yōu)點(diǎn)。

另外，由于使用相對(duì)于傳統(tǒng)意義水印序列一般要長很多的檢測序列，本文二值圖所構(gòu)造的版權(quán)標(biāo)記的相關(guān)檢測值更趨于真實(shí)反映提取標(biāo)記的相關(guān)值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也印證了這一點(diǎn)。

1．2構(gòu)造算法

首先將數(shù)字圖像進(jìn)行二值化處理，其過程一般分為中通濾波（或低通濾波）和灰度分割兩步：a)通過濾波降低像素的雜亂噪聲，如有必要再以線性化來改變像素的灰度值分布圖，并加強(qiáng)明暗對(duì)比；b)進(jìn)行圖像灰度分割（threshold）。一般設(shè)定某一閾值，凡灰度大于它為亮點(diǎn)，小于為暗點(diǎn)。閾值為根據(jù)圖像內(nèi)容自適應(yīng)動(dòng)態(tài)的閾值。

水印信號(hào)W同為二值圖的版權(quán)標(biāo)記。原始圖像為I，其對(duì)應(yīng)的二值圖像為B。對(duì)B和W作異或運(yùn)算，得到一個(gè)異或圖通過偽隨機(jī)密鑰K1（私鑰）加密后送版權(quán)管理中心注冊并分配給版權(quán)標(biāo)記W所代表的版權(quán)所屬。對(duì)于某個(gè)特定的版權(quán)所有者，注冊中心會(huì)為他分配一對(duì)密鑰，分別為私鑰K1和公鑰K2。前者作為版權(quán)所有者加注水印使用，后者作為檢測水印使用，使用公開對(duì)應(yīng)某人的密鑰檢測出水印的存在說明了版權(quán)的歸屬。構(gòu)造過程為

檢測前，對(duì)注冊碼D1恢復(fù)出的異或圖D應(yīng)與待檢二值圖B′保持同步，這種考慮是基于幾何攻擊的。在水印相關(guān)性檢測時(shí)也同樣處理。因此知道圖像I′相對(duì)原圖的幾何變換參數(shù)對(duì)于抵抗幾何攻擊是必要的。

圖1給出了系統(tǒng)方案的說明圖。由分析可以看出，零水印其實(shí)應(yīng)歸為基于圖像內(nèi)容產(chǎn)生的水印。它與原始圖像的內(nèi)容高度相關(guān)，因而將水印的穩(wěn)健性和圖像的內(nèi)容緊密聯(lián)系在一起，也就最好地達(dá)到了穩(wěn)健水印的要求：只要圖像內(nèi)容基本不變，就能檢測出水印的存在。相比文獻(xiàn)[1]的零水印思想，本文在水印的內(nèi)容方面可以自主選?。坏菑哪撤N意義上講它是需要原始圖像的水印方法。因?yàn)镮PR注冊中心的注冊碼是由原始圖像I(xiàn)和原始水印W以及私鑰K1產(chǎn)生。檢測結(jié)果由主觀視覺和客觀相關(guān)性系數(shù)來說明，充分說明了結(jié)果的正確性。

3結(jié)束語

本文選擇原始圖像的二值圖作為重要特征量，與版權(quán)標(biāo)記W利用私鑰構(gòu)成注冊碼，送版權(quán)注冊管理中心(IPR)注冊。通過公鑰和公開檢測算法恢復(fù)版權(quán)標(biāo)記，以達(dá)到版權(quán)保護(hù)的目的。整個(gè)過程沒有對(duì)原始數(shù)據(jù)量作任何修改，因此屬于文獻(xiàn)[1]所提出的零水印方案。但在版權(quán)注冊實(shí)現(xiàn)方面略有改進(jìn)，即水印為有意義的版權(quán)標(biāo)記，更重要的是在穩(wěn)健性方面得到了全面改進(jìn)。由第2章實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比文獻(xiàn)[1]中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以得出如下結(jié)論：a）基于二值圖像的零水印方案具有良好的穩(wěn)健性。既能抵抗單一攻擊（包括幾何和非幾何），也能抵抗各種攻擊的疊加組合。b）相比文獻(xiàn)[1]中構(gòu)造的無意義水印，本方法能按主觀想法隨意實(shí)現(xiàn)水印。c）計(jì)算量小、算法簡單。d）水印容量大。e）安全性。水印的檢測是公開的，非對(duì)應(yīng)公鑰是無法得出水印存在的證據(jù)。由于不知道私鑰，竄改水印的圖謀很難實(shí)現(xiàn)。同時(shí)注冊碼也不會(huì)將非對(duì)應(yīng)版權(quán)保護(hù)的圖像檢測為對(duì)應(yīng)保護(hù)對(duì)象。從而建立起了在版權(quán)標(biāo)記W保護(hù)下的與被保護(hù)對(duì)象I一一對(duì)應(yīng)的注冊碼D1的版權(quán)注冊體系；當(dāng)然同一幅圖像無法重復(fù)注冊，因?yàn)橄茸缘挠脩魰?huì)對(duì)后來者的同一幅圖像聲明版權(quán)。

參考文獻(xiàn)：

［1］溫泉，孫錟鋒，王樹勛.零水印的概念與應(yīng)用［J］. 電子學(xué)報(bào)， 2003，31(2):214－216.

［2］VENKATESAN R， KOON S M， JAKUBOWSKI M H， et al. Robust image hashing[C]//Proc of Int Conf on Image Processing. Canada:[s.n.]，2000:664－666.

［3］SCHYNDEL R G Van， TIRKEL A Z， OSBORNE C F. A digital watermark[C]//IEEE Proc of International Conference on Image Processing. CA:IEEE Press， 1994: 86－90.

［4］NIKOLAIDIS N， PITAS I. Copyright protection of images using robust digital signatures[C]//IEEE Proc of International Conference on Acoustics， Speech， and Signal Processing. Atlanta: IEEE Press， 1996:2168－2171.

［5］ZHAO J， KOCH E. Embedding robust labels into images for copyright protection[C]//Proc of KnowRight’95 Conference on Intellectual Property Rights and New Technologies.Vienna:[s.n.]， 1995: 241－251.

［6］COX I J， KILIAN J， LEIGHTON T， et al. A secure， robust watermark for multimedia[C]//Proc of Info Hiding’96. London:Cambridge University， 1996: 185－206.

［7］BARNI M， BARTOLINI F， CAPPELLINI V， et al. A DWTbased technique for spatialfrequency masking of digital signatures[C]//SPIE Proc of Security and Watermarking of Multimedia Contents. 1999:31－39.

［8］DELAIGLE J F，De VLEESCHOUWER C， MACQ B.Watermarking using a matching model based on the human visual system[C]//Ecole Thematique CNRS GDRPRC ISIS: Information Signal Images. 1997.

［9］HARTUNG F， GIROD B. Fast publickey watermarking of compressed video[C]//International Conference on Image Processing (ICIP’97).Santa Barbara:[s.n.]，1997.

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文”