中国科学 E 辑 信息科学 2006, 36(2): 137~152
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基于小波变换的抵抗几何攻击的 鲁棒视频水印*
赵 耀
(北京交通大学信息科学研究所, 北京 100044)
摘要
如何有效抵抗几何形变的攻击是当今数字水印研究的热点和难点之一. 平均交流能量(average AC energy, AAE). 利用该
提出一种能够有效抵抗几何攻击的鲁棒视频水印方案, 在其嵌入方案中, 提出了 一种针对几何形变的不变量 不变量, 并使用小波变换的空-频特性和人眼视觉特性嵌入有意义水印; 在水印 提取方案中, 提出了最佳白化滤波器, 能够根据视频的统计特性设计白化滤波器 的参数, 有效提高检测性能. 实验结果表明, 该水印方案有效提高了视频的视觉 质量, 同时具有很强的抵抗几何形变攻击的能力, 对于其他攻击, 如时间维上的 低通滤波 关键词 去帧等攻击也具有很强的鲁棒性. 数字水印 几何形变攻击 白化滤波器 小波变换
与相应的模拟数据相比, 数字媒体(数字音频
图像
数字视频)具有几个显
著的优点: 质量高 编辑加工容易 拷贝不失真 传输容易等. 由于这些特点, 最 近几年, 数字媒体技术的开发和应用有了爆炸性的发展. 然而, 数字媒体的无限 次完美复制和通过网络的迅速传播给媒体原始拥有者的权益造成了潜在的威胁: 其艰苦劳动的成果有可能在一夜间被无偿地复制并传播到世界的每一个角落. 这种威胁将极大地打击数字媒体创作者的积极性. 因而数字媒体的版权保护成 为一个迫切需要解决的问题. 数字水印是解决数字版权保护问题的有效办法. 它通过在原始数据中嵌入 秘密信息 字 水印, 来证实该数据的所有权归属 [1]. 水印可以是代表所有权的文 二维图像 印章 随机序列等. 所有人 ID
收稿日期: 2005-01-31; 接受日期: 2005-10-26 * 教育部博士点基金 国家自然科学基金(批准号: 60373028)及教育部新世纪优秀人才支持计划资助项 目
SCIENCE IN CHINA Ser. E Information Sciences
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中国科学 E 辑 信息科学
第 36 卷
数字水印应该具有隐蔽性
鲁棒性
抗攻击性
安全性等特性, 而鲁棒性和
抗攻击性是一个数字水印方案能够保护版权的最基本条件. 自 1994 年 Schyndel 等人发表了第一篇有关数字水印的文章[2], 数字水印的 研究已引起了研究者的广泛关注. 目前大部分的数字水印方案能够抵抗常见的 信号处理, 如滤波 增强 数据压缩等攻击, 但最近的研究表明, 哪怕十分微弱 的几何变换也能摧毁大多数的水印方案, 特别是在盲水印系统中 [3]. 因此, 如何 有效抵抗几何形变的攻击已成为数字水印的研究热点之一. 几何形变的攻击是恶意攻击者利用图像处理手段对加过水印的图像或视频 进行几何形状的修改, 如对图像进行旋转 平移 伸缩等仿射变换或随机几何变 换. 这样攻击后, 当发生版权纠纷需要提取水印时, 攻击后的图像与水印信号之 间失去了同步关系, 使得二者的相关值很低, 从而导致检测失败. 研究者已经提出了许多抵抗几何形变攻击的水印方案, 主要可以分为三类: 一类方案是穷尽搜索法, 即检测器将所有可能的几何形变都尝试一遍, 以求最大 相关值. 这种方法显然十分耗时, 并且容易产生误报等问题[4]. 另一类称之为几何反变换法. 我们知道, 经过几何形变后, 水印信号依然存 在于图像之中, 只不过水印信号与原图像之间的同步发生了变化, 致使检测失败. 由此不难想像, 如果我们能够知道攻击者所进行的几何变换, 那么在水印检测时 就能将攻击后的图像反变换回来, 从而提取出水印. 这类算法按照是否需要原始 图像, 分为半盲相关法和盲相关法. 半盲检测算法在检测水印时借助原始图像, 根据原始图像和攻击后的图像的特征点之间的对应关系来判断所经历的几何变 换 [4]或者用原始图像弥补几何变换(剪切 打印 缩放等)引起的失真 [5,6]. 实际上, 借助 原始图像也未必能解决水印同步问题, 特别是当图像同时旋转和缩放或者经历 扫描过程时[7,8], 再者, 检测的时候如果需要原始图像, 这无疑会增加存储 成本; 盲相关法是抗几何攻击的水印算法的主流, 在抵抗几何攻击检测水印时, 不需要原始图像. 有些研究者提出一种基于模板的同步技术, 针对仿射变换, 通 过在嵌入水印的过程中嵌入的特定的模板, 在检测过程中利用此模板预测遭受 的仿射变换[9]. 这些模板通常由频率峰值组成, 频率峰值的位置组成特殊的形状, 如圆形 方形等, 检测过程中利用模板峰值位置的改变预测仿射变换. 这种方法 的缺点是模板很容易被滤除 [10]; Kutter 提出了一种自参考方法(self-reference)[11], 将同一个水印在图像 4 个不同的位置分别嵌入, 在检测过程中首先计算预测水印 的自相关函数, 由于水印的 4 次嵌入会使结果出现 9 个峰值, 利用峰值位置改变 可以预测仿射变换. 这种水印算法可以较好地抵抗旋转 伸缩 平移和改变长宽 比等全局几何攻击以及打印扫描攻击, 但是不能很好地抵抗滤波和镜像等攻击. 第三类方法称为几何不变量法. 即挖掘原始媒体中不随几何形变的特征或 矩, 并将水印信号调制在这些不变量中. 文献[12]采用 Fourier-Mellin 变换将图像

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