彩色數(shù)字圖像HVS特性與數(shù)字圖像水印攻擊分類

夏文財

摘 要 數(shù)字作品的擁有者可將產(chǎn)品信息和個人標(biāo)志通過數(shù)字水印系統(tǒng)嵌入到原始數(shù)字作品中，嵌入水印后的數(shù)字作品與原始數(shù)字作品從外觀上觀察不到明顯差異，檢測時必須采用對應(yīng)的水印檢測器或軟件才可發(fā)現(xiàn)嵌入的水印。本文介紹了彩色數(shù)字圖像HVS特性，同時就數(shù)字圖像水印攻擊方法分類進行了簡要分析。

關(guān)鍵詞 彩色空間 數(shù)字水印 HVS

1色彩空間模型

為了能夠準確描述顏色，并將其運用到實際生活中，建立了色彩空間的概念。截至目前，為適應(yīng)各種需求，提出了許多不同顏色空間。其中，RGB顏色空間、YIQ顏色空間、YUV顏色空間、YCbCr顏色空間及LAB顏色空間在實際應(yīng)用較廣泛。

1.1 RGB顏色空間

RGB顏色空間在計算機圖形中使用最為普遍，可用三維笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)來表示。三個坐標(biāo)軸分別對應(yīng)紅色（R）、綠色（G）和藍色（B）三個基色，其它顏色均可以由三基色按不同比例生成。

由于三基色和其它顏色之間的關(guān)系，RGB顏色空間又可以稱為加法合成模型。通過RGB顏色空間可以導(dǎo)出其它顏色空間，它們之間可以進行相互轉(zhuǎn)換。

1.2 YIQ顏色空間

北美及部分亞洲地區(qū)的電視系統(tǒng)均采用的是YIQ顏色空間。其中，Y代表亮度，I和Q代表色調(diào)，I和Q分別描述不同的顏色信息。I主要反映橙、青的顏色信息及飽和度，Q主要反映綠、品紅的顏色信息及飽和度。

1.3 YUV顏色空間

歐洲的電視系統(tǒng)廣泛采用YUV顏色空間，用其作為復(fù)合色彩視頻標(biāo)準的有PAL制式、NTSC制式和SECAM制式。它的亮度信號Y和色度信號U、V是分開的，U和V描述圖像的色彩及飽和度，U是紅色分量與亮度之間的差值，V是藍色分量與亮度之間的差值。

1.4 YCbCr顏色空間

數(shù)字圖像中，使用YCbCr顏色空間的有JPEG圖片。YCbCr顏色空間是由YUV顏色空間縮放和偏移得到的，在數(shù)字圖像和視頻中應(yīng)用比較廣泛。其中，Y表示亮度，Cb和Cr表示色差，由U和V經(jīng)少量調(diào)整得到。

1.5 Lab顏色空間

1976年，國際照明委員會（CIE）提出了Lab顏色空間，它獨立于設(shè)備，可以描述具有正常視力的人能夠觀測到的所有顏色。其中，L表示顏色的亮度，a、b包含了顏色的色度信息，a表示洋紅色至綠色的范圍，b表示黃色至藍色的范圍。Lab顏色空間不僅包含了RGB，CMYK的所有色域，而且還能表現(xiàn)出其它更多色彩，在彩色印刷領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛。

2 人眼視覺系統(tǒng)

近年來，將人眼視覺系統(tǒng)（Human Visual System，HVS）的某些特性與數(shù)字圖像處理有機結(jié)合，促進了數(shù)字圖像處理技術(shù)的發(fā)展。人眼視覺系統(tǒng)是目前世界上最好的圖像處理系統(tǒng)，但并不是最完美的，因為它對圖像的認知是非均勻的和非線性的，并不能感知圖像中的所有變化。如果將水印嵌入方案與人眼視覺系統(tǒng)的一些特點相結(jié)合，可有效提高水印的不可見性。

大量研究表明：對于圖像而言，人眼視覺系統(tǒng)的掩蔽特性主要有四個方面，即頻域、亮度、顏色感知及圖像類特性。

其中，亮度是最基本的特性，主要是關(guān)于人眼對亮度變化的敏感性。人眼對亮度的響應(yīng)具有對數(shù)非線性性質(zhì)，與平均亮度小的區(qū)域相比較，在平均亮度大的區(qū)域中，人眼對灰度誤差的敏感性相對較小。因此，如果選擇在圖像的高亮度區(qū)域嵌入水印，可提高水印的不可見性和水印容量。對于頻域特性而言，在圖像的頻域中，通常人眼對高頻的分辨率小于對低頻的分辨率，人眼對特別高的頻率不敏感。對圖像類特性而言，人眼對圖像的平滑區(qū)域和紋理區(qū)域的敏感性有較大區(qū)別，紋理密集區(qū)域的灰度變化不容易被察覺，而平滑區(qū)域的變化則容易被感知。由此可知，圖像的紋理區(qū)域越密集，則嵌入的信息越多。對于各種不同的顏色，HVS的敏感性也不同。人眼能夠感受到的光波是波長在400nm～760nm之間的電磁波，波長不同，感受到的顏色就不一樣，人眼對不同波長的光的敏感性也有差異。對于彩色圖像而言，其每一個像素都是由紅、綠、藍三種基色按照不同的比例合成。在彩色圖像中嵌入水印時，應(yīng)充分考慮人眼視覺系統(tǒng)對于不同顏色的敏感性，選擇合適的顏色分量和嵌入位置。從亮度方程可知，人眼對于綠色分量最為敏感，紅色分量次之，而對于藍色分量最不敏感。

3水印攻擊分類

水印攻擊類別繁多，通過對水印攻擊的分析和研究，可完善現(xiàn)有的水印系統(tǒng)。通過參閱大量文獻，歸納出水印攻擊方法分類。

按攻擊目的可將技術(shù)攻擊劃分為無意和有意攻擊。其中，無意攻擊主要是指含水印圖像在網(wǎng)絡(luò)中傳輸時，因受到隨機噪聲、JPEG壓縮等操作的影響，易導(dǎo)致水印系統(tǒng)檢測不出水印，它不是針對含水印圖像進行的攻擊；有意攻擊是事先有預(yù)謀地對水印的攻擊，其目的是破壞、偽造或提取水印。

有意攻擊主要包括密碼攻擊、協(xié)議攻擊及魯棒性攻擊。其中，密碼攻擊一是窮舉攻擊，通過窮舉法搜索水印的密鑰，以達到攻擊的目的；二是Oracle攻擊，通過網(wǎng)絡(luò)訪問水印的檢測系統(tǒng)，利用系統(tǒng)返回的信息對含水印圖像進行修改，破壞水印，使檢測系統(tǒng)無法檢測出有效的水印。

協(xié)議攻擊是使水印檢測的結(jié)果錯誤或不明確，從而不能確定版權(quán)所有，其中包括解釋攻擊、拷貝攻擊和合謀攻擊。解釋攻擊是指在水印技術(shù)不標(biāo)準或者水印方案不規(guī)范時，訪問該水印圖像的人均可聲稱擁有該圖像的所有權(quán)。顯然，解釋攻擊對保護數(shù)字水印的版權(quán)造成了較大影響；拷貝攻擊是根據(jù)含水印圖像的特征估計水印，其具有目標(biāo)數(shù)據(jù)的局部特性，將估計水印嵌入至所攻擊的目標(biāo)圖像中，可滿足不可感知性，在未知水印算法和水印密鑰時該攻擊也能進行；合謀攻擊是指在擁有多個含水印圖像的情況下，攻擊者通過分析含水印圖像，即使不知道水印算法，也可達到去除水印或破壞水印的目的，使水印嵌入者也檢測不出水印。

參考文獻

[1] 方赫. 基于數(shù)字水印技術(shù)的電子發(fā)票交易平臺設(shè)計與實現(xiàn)[D].西南交通大學(xué)，2016.

[2] 解青坤，姜艷茹，張文飛，王靜，屈恩世.基于數(shù)字水印和迭代算法的信息加密技術(shù)[J].光學(xué)學(xué)報，2016，（06）：84-91.

[3] 劉愛利，丁滸，田丹，王麗，王少峰. 基于坡度和坡向分析的DCT域DEM數(shù)字水印算法[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報（信息科學(xué)版），2016，（07）：903-910.