数字水印 (2008 年度畅销榜NO.4492 )

本书是第一本专门讨论数字水印这一热点技术的权威著作。书中全面系统地论述了数字水印的概念、应用、理论、原理，以及水印系统的性能。该书强调水印的基本原理，并以通信理论为基础分析了水印系统的错误率、保真度、品质及一些相关问题，且辅以丰富的实例说明，同时提供了所有实例的源代码。此外该书还考察了版权保护和其他应用，包括广播监视、操作跟踪、认证、拷贝控制和设备控制等，为该技术的进一步研究奠定了坚实的基础。\r\n\r\n 本书可作为通信与信息系统、信号与信息处理以及计算机应用技术专业的研究生教材及参考书，也适合于从事信息安全及知识产权保护工作的学者、技术人员、管理人员及法律工作者阅读。\r\n
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第1章 引言 \r\n\r\n 1. 1 信息隐藏. 隐秘术和水印 \r\n\r\n 1. 2 水印的历史 \r\n\r\n 1. 3 数字水印的重要性 \r\n\r\n 第2章 水印的应用及其特性 \r\n\r\n 2. 1 水印的应用 \r\n\r\n 2. 1. 1 广播监视 \r\n\r\n 2. 1. 2 所有者鉴别 \r\n\r\n 2. 1. 3 所有权验证 \r\n\r\n 2. 1. 4 操作跟踪 \r\n\r\n 2. 1. 5 内容认证 \r\n\r\n 2. 1. 6 拷贝控制 \r\n\r\n 2. 1. 7 设备控制 \r\n\r\n 2. 2 水印的特性 \r\n\r\n 2. 2. 1 嵌入有效性 \r\n\r\n 2. 2. 2 保真度 \r\n\r\n 2. 2. 3 数据有效载荷 \r\n\r\n 2. 2. 4 盲检测或含辅助信息检测 \r\n\r\n 2. 2. 5 虚警率 \r\n\r\n 2. 2. 6 鲁棒性 \r\n\r\n 2. 2. 7 安全性 \r\n\r\n 2. 2. 8 密码和水印密钥 \r\n\r\n 2. 2. 9 修改和多水印 \r\n\r\n 2. 2. 10 成本 \r\n\r\n 2. 3 水印系统评估 \r\n\r\n 2. 3. 1 “最好”的概念 \r\n\r\n 2. 3. 2 基准 \r\n\r\n 2. 3. 3 测试范围 \r\n\r\n 2. 4 小结 \r\n\r\n 第3章 水印模型 \r\n\r\n 3. 1 符号描述 \r\n\r\n 3. 2 通信系统模型 \r\n\r\n 3. 2. 1 通信系统的基本构成 \r\n\r\n 3. 2. 2 传输信道的种类 \r\n\r\n 3. 2. 3 安全传输 \r\n\r\n 3. 3 基于通信模型的水印 \r\n\r\n 3. 3. 1 基本模型 \r\n\r\n 3. 3. 2 水印作为发送端带边信息的通信 \r\n\r\n 3. 3. 3 作为复用通信的水印 \r\n\r\n 3. 4 水印的几何模型 \r\n\r\n 3. 4. 1 媒介空间的分布和区域 \r\n\r\n 3. 4. 2 标志空间 \r\n\r\n 3. 5 水印相关检测建模 \r\n\r\n 3. 5. 1 线性相关 \r\n\r\n 3. 5. 2 归一化相关 \r\n\r\n 3. 5. 3 相关系数 \r\n\r\n 3. 6 小结 \r\n\r\n 第4章 基本的信息编码 \r\n\r\n 4. 1 将信息映射为信息向量 \r\n\r\n 4. 1. 1 直接信息编码 \r\n\r\n 4. 1. 2 多符号信息编码 \r\n\r\n 4. 2 纠错编码 \r\n\r\n 4. 2. 1 简单多符号信息问题 \r\n\r\n 4. 2. 2 纠错编码的原理 \r\n\r\n 4. 2. 3 实例：网格码和维特比译码 \r\n\r\n 4. 3 多符号水印的检测 \r\n\r\n 4. 3. 1 寻找有效信息的检测 \r\n\r\n 4. 3. 2 寻找单符号的检测 \r\n\r\n 4. 3. 3 比较量化向量的检测 \r\n\r\n 4. 4 小结 \r\n\r\n 第5章 带边信息水印 \r\n\r\n 5. 1 含辅助信息的嵌人 \r\n\r\n 5. 1. 1 作为一种优化问题的嵌人 \r\n\r\n 5. 1. 2 检测统计量优化 \r\n\r\n 5. 1. 3 鲁棒性估值优化 \r\n\r\n 5. 2 含辅助信息的编码 \r\n\r\n 5. 2. 1 在脏纸上书写 \r\n\r\n 5. 2. 2 简单信道的脏纸代码 \r\n\r\n 5. 2. 3 复杂信道的脏纸代码 \r\n\r\n 5. 3 结构化的脏纸代码 \r\n\r\n 5. 3. 1 格形码 \r\n\r\n 5. 3. 2 检错码 \r\n\r\n 5. 3. 3 最低有效位水印 \r\n\r\n 5. 4 小结 \r\n\r\n 第6章 错误分析 \r\n\r\n 6. 1 信息错误 \r\n\r\n 6. 2 虚警错误 \r\n\r\n 6. 2. 1 随机水印虚警 \r\n\r\n 6. 2. 2 随机作品虚警 \r\n\r\n 6. 3 漏警错误 \r\n\r\n 6. 4 接收端工作特性曲线 \r\n\r\n 6. 4. 1 虚拟接收端工作特性曲线 \r\n\r\n 6. 4. 2 一个实际系统的直方图 \r\n\r\n 6. 4. 3 单轴或双轴插值 \r\n\r\n 6. 5 白化对错误率的影响 \r\n\r\n 6. 6 归一化相关分析 \r\n\r\n 6. 6. 1 虚警分析 \r\n\r\n 6. 6. 2 漏警分析 \r\n\r\n 6. 7 小结 \r\n\r\n 第7章 基于感知模型的水印 \r\n\r\n 7. 1 评价水印的感知效果 \r\n\r\n 7. 1. 1 保真度与品质 \r\n\r\n 7. 1. 2 人类的评价方法 \r\n\r\n 7. 1. 3 自动评价 \r\n\r\n 7. 2 感知模型的一般形式 \r\n\r\n 7. 2. 1 灵敏度 \r\n\r\n 7. 2. 2 掩蔽 \r\n\r\n 7. 2. 3 合并 \r\n\r\n 7. 3 感知模型的两个实例 \r\n\r\n 7. 3. 1 Watson基于DCT的视觉模型 \r\n\r\n 7. 3. 2 一个音频感知模型 \r\n\r\n 7. 4 感知自适应水印 \r\n\r\n 7. 4. 1 感知成形 \r\n\r\n 7. 4. 2 感知模型的最优应用 \r\n\r\n 7. 5 小结 \r\n\r\n 第8章 鲁棒水印 \r\n\r\n 8. 1 实现方法 \r\n\r\n 8. 1. 1 冗余嵌入 \r\n\r\n 8. 1. 2 扩频编码 \r\n\r\n 8. 1. 3 在感知上的重要系数中嵌人 \r\n\r\n 8. 1. 4 在已知鲁棒性的系数中嵌入 \r\n\r\n 8. 1. 5 检测器失真补偿 \r\n\r\n 8. 1. 6 嵌入器失真预补偿 \r\n\r\n 8. 2 数值度规失真的鲁棒性 \r\n\r\n 8. 2. 1 加性噪声 \r\n\r\n 8. 2. 2 幅度变化 \r\n\r\n 8. 2. 3 线性滤波 \r\n\r\n 8. 2. 4 有损压缩 \r\n\r\n 8. 2. 5 量化 \r\n\r\n 8. 2. 6 线性相关中量化噪声的分析模型 \r\n\r\n 8. 3 时间和几何失真的鲁棒性 \r\n\r\n 8. 3. 1 时间和几何失真 \r\n\r\n 8. 3. 2 穷举搜索 \r\n\r\n 8. 3. 3 盲检测中的同步／定位 \r\n\r\n 8. 3. 4 自相关 \r\n\r\n 8. 3. 5 不变水印 \r\n\r\n 8. 3. 6 绝对同步 \r\n\r\n 8. 4 小结 \r\n\r\n 第9章 水印安全性 \r\n\r\n 9. 1 安全性要求 \r\n\r\n 9. 1. 1 水印操作的约束 \r\n\r\n 9. 1. 2 公有和私有水印 \r\n\r\n 9. 1. 3 攻击分类 \r\n\r\n 9. 1. 4 关于敌手的几点假设 \r\n\r\n 9. 2 水印安全性和密码学 \r\n\r\n 9. 2. 1 水印和密码间的类比 \r\n\r\n 9. 2. 2 防止未经授权的检测 \r\n\r\n 9. 2. 3 防止未经授权的嵌入 \r\n\r\n 9. 2. 4 防止未经授权的去除 \r\n\r\n 9. 3 一些著名的攻击 \r\n\r\n 9. 3. 1 扰乱攻击 \r\n\r\n 9. 3. 2 病态失真 \r\n\r\n 9. 3. 3 拷贝攻击 \r\n\r\n 9. 3. 4 歧义攻击 \r\n\r\n 9. 3. 5 敏感性分析攻击 \r\n\r\n 9. 3. 6 降梯度攻击 \r\n\r\n 9. 4 小结 \r\n\r\n 第10章 内容认证 \r\n\r\n 10. 1 精确认证 \r\n\r\n 10. 1. 1 脆弱水印 \r\n\r\n 10. 1. 2 嵌人签名 \r\n\r\n 10. 1. 3 可擦除水印 \r\n\r\n 10. 2 选择认证 \r\n\r\n 10. 2. 1 合理与不合理失真 \r\n\r\n 10. 2. 2 半脆弱水印 \r\n\r\n 10. 2. 3 嵌入式半脆弱签名 \r\n\r\n 10. 2. 4 监视水印 \r\n\r\n 10. 3 局域化 \r\n\r\n 10. 3. 1 基于块的内容认证 \r\n\r\n 10. 3. 2 基于样本的内容认证 \r\n\r\n 10. 3. 3 局域化带来的安全性风险 \r\n\r\n 10. 4 重建 \r\n\r\n 10. 4. 1 嵌入冗余 \r\n\r\n 10. 4. 2 自嵌入 \r\n\r\n 10. 4. 3 盲重建 \r\n\r\n 10. 5 小结 \r\n\r\n 附录A 背景概念 \r\n\r\n A. 1 信息论 \r\n\r\n A. 1. 1 熵 \r\n\r\n A. 1. 2 互信息 \r\n\r\n A. 1. 3 通信速率 \r\n\r\n A. 1. 4 信道容量 \r\n\r\n A. 2 密码学 \r\n\r\n A. 2. 1 对称密钥加密 \r\n\r\n A. 2. 2 非对称密钥加密 \r\n\r\n A. 2. 3 单向哈希函数 \r\n\r\n A. 2. 4 密码签名 \r\n\r\n 附录B 部分理论研究结果 \r\n\r\n B. 1 传输端具有边信息的信道容量（Gel’fand和Pinsker） \r\n\r\n B. 1. 1 边信息信道的一般形式 \r\n\r\n B. 1. 2 具有边信息信道的容量 \r\n\r\n B. 2 AWGN脏纸信道的容量（Costa） \r\n\r\n B. 3 安全水印的信息论分析（Moulin和O’Sullivan） \r\n\r\n B. 3. 1 作为游戏的水印 \r\n\r\n B. 3. 2 水印的一般容量 \r\n\r\n B. 3. 3 MSE保真度限制的容量 \r\n\r\n B. 4 归一化相关检测器的错误概率（Miller和Bloom） \r\n\r\n B. 5 量化噪声对水印的影响（Eggers和Girod） \r\n\r\n B. 5. 1 背景知识 \r\n\r\n B. 5. 2 基本方法 \r\n\r\n B. 5. 3 概率密度函数 \r\n\r\n B. 5. 4 矩生成函数 \r\n\r\n B. 5. 5 高斯水印与拉普拉斯内容的期望相关 \r\n\r\n 附录C 源代码 \r\n\r\n 附录D 符号和一般变且 \r\n\r\n D. 1 变量命名规则 \r\n\r\n D. 2 运算符 \r\n\r\n D. 3 一般变量 \r\n\r\n D. 4 一般函数 \r\n\r\n 术语解析 \r\n\r\n 参考文献 \r\n
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随着计算机网络和通信技术的飞速发展, 数字媒体（包括数字图像. 数字视频. 数字音频）已得到了广泛的应用, 随之而来的数字媒体的信息安全. 知识产权保护和认证等问题也变得日益突出, 已成为数字世界中一个非常紧迫的重要议题. 传统的加密系统在数据传输过程中可以起到保护作用, 但数据一旦被接收并解密, 其保护作用也随之消失, 同时加密的密文容易引起好事者的兴趣, 激发他们的破译热情. 数字水印（Digital Watermarking）作为传统加密方法的有效补充手段, 是一种可以在开放的网络环境下保护版权和认证来源及完整性的新技术, 近年来已引起了人们的高度重视, 并已成为多媒体信号处理领域的一个研究热点.

关于数字水印的文章1992年只有两篇, 到1998年就猛增到103篇, 而近几年数字水印方面研究性文章的数量更是直线上升. 纵观这些文章可以发现, 早期的文章以水印算法的研究为主, 而1999年以来出现的大部分文章则侧重于水印的理论研究, 但可以说是百家争鸣, 尚没有一个被公认的理论. 本书作者Ingemar J. Cox等人是最早从事水印研究的人员, 他们提出的扩频水印至今仍被人们广泛认可. 该书是他们多年研究和实践的结晶, 对数字水印研究中涉及到的关键问题进行了全面. 系统的分析, 为水印理论和技术的研究与开发提出了一个良好的方向. 在此也希望该书的翻译出版对国内同仁的研究工作能有一定帮助.

本书的翻译出版得到了国家高技术发展计划项目（编号：2001AA144160）及信息安全国家重点实验室开放基金的资助, 特此致谢.

全书由王颖和黄志蓓老师主持翻译. 中国科学院研究生院的研究生胡敏. 傅周宇. 高淞唐 . 黄倩. 陈海波等也参加了本书的部分翻译工作, 特此感谢. 同时, 还要特别感谢李象霖教授对全书的审校工作.

由于译者水平有限, 书中难免出现不妥或错误之处, 敬请广大读者批评指正.

Ingemar J.Cox：于牛津大学获博士学位. 1984年至1989年, Cox博士任 Murray Hill AT&T贝尔实验室的技术人员, 当时的研究兴趣是可行走机器人, 1989年他加人新泽西州普林斯顿NEC研究院, 作为计算机科学部的高级研究学者, 在NEC期间, 他的研究兴趣转到了计算机视觉, 在NECI负责创建了计算机视觉研究组, 从事声音与动作一致性及图像数据库恢复的多媒体问题的研究, 以及水印的研究, 1999年他与人合作完成了一篇有关水印的论文, 并获得了IEEE信号处理学会授予的优秀论文奖（在图像和多维信号处理领域）, 1997年至1999年, Cox

博士作为 Signafy有限公司（NEC的子公司）的首席技术长官负责水印的商业化问题,

水印, 正像我们所定义的, 它将诸如图像. 声音剪辑. 视频剪辑或其他媒体作品的信息隐藏于作品本身. 尽管这样的水印已经存在了相当长的时间（即使没有一千年, 至少也有几个世纪）, 但数字水印领域的研究在20世纪叨年代后期才获得了广泛的关注. 虽然已出版了几本数字水印方面的书[104,128,135], 但就我们所知, 这是第一本专门研究数字水印的著作.

目的

出版本书的目的是为引导水印技术的研究和开发提出一个框架, 本书并不想作为水印研究领域的全面综述性文献, 而是要体现我们关于这方面研究的独到见解. 书中分析了一些文献中的特殊例子, 以使所讨论的概念更加清楚（不应认为从参考书目中省略就表示省略的作品质量较低）.

很多关于数宇水印的文献都研究了其在图像. 音频. 视频方面的应用, 且这些应用领域的研究也比较深人. 但仍比较片面, 因为每一种媒体均有自身的特点, 研究者很少能涵盖全部三种媒体, 当然我们也不例外, 我们的研究兴趣始终在图像和视频方面. 然而对于静止图像. 音频和视频, 基本理论都是一样的, 所以我们努力保持了所讨论的这些原理的通用性.

本书所讨论的水印原理都通过若于实例算法和实验（源代码见附录C）来说明, 所有这些实例均基于静止图像, 主要原因是考虑到图像不像音频和视频, 可以很容易地在书中表现出来.

实例的算法都很简单. 一般这些例子本身不可用于实际应用, 每一种算法都是对某一特定概念的清晰解释, 实验则是旨在检验这些概念对性能的影响.

书中存在一些重复之处, 这主要是因为考虑到有些读者可能不是从头到尾一页一页地读本书, 而是只浏览感兴趣的主题, 读个别章节, 所以如果有些问题与几个地方都有关, 就简单地重复几次. 希望这样做不会使本书冗长乏味, 而是更有助于像我们一样读技术类图书的那些人阅读.

内容与结构

第1章和第2章是介绍性材料. 第1章介绍了水印的历史, 同时也讨论了水印与信息隐藏. 隐秘术等相关领域的区别. 第2章介绍了数字水印的各种应用及水印在其中的作用, 这一章的后半部分就这些应用对水印各种相互矛盾的要求进行了详细讨论.

本书从第3章开始讨论技术性内容, 给出了几种水印系统的模型框架, 另外, 我们还介绍. 测试并分析了一些简单的图像水印算法, 以说明所讨论的概念. 在第4章中, 通过利用常规的信息编码技术扩展了这些算法, 以承载更大的数据率. 尽管一般情况下这些技术常用于水印系统中, 但最近的一些研究表明, 若在编码过程中利用边信息可获得更多的性能, 这部分讨论可参阅第5章.

第6章分析了水印系统中可能发生的信息错误. 虚警和漏警, 同时介绍了白化技术.

接下来的三章讨论了一些在设计水印系统时会遇到的一般性间题, 如保真度. 鲁棒性和安全性, 并提出了克服这些问题的技术. 第7章讨论了人的感知建模问题及这些模型在水印系统中的应用, 尽管这一章介绍了音频和静止图像的简单感知模型, 但这一章的焦点不是感知模型, 而是如何利用感知模型来改善已加水印内容的保真度.

第8章介绍了使水印能够存在于诸如滤波. 几何或时间变换及有损压缩等几种退化处理中的技术.

第9章描述了分析水印系统安全性问题的框架, 并介绍了水印会遭受的几种恶意攻击和相应的对策.

最后, 第10章是关于利用水印来证明嵌入水印内容的完整性的, 这主要涉及脆弱水印范畴, 即如果加有水印的作品发生了任何一点降质, 水印将不存在或失效.