彩色數字圖像HVS特性與數字圖像水印攻擊分類

夏文財

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

關鍵詞 彩色空間 數字水印 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系統來表示。三個坐標軸分別對應紅色（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顏色空間可以導出其它顏色空間，它們之間可以進行相互轉換。

1.2 YIQ顏色空間

北美及部分亞洲地區的電視系統均采用的是YIQ顏色空間。其中，Y代表亮度，I和Q代表色調，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

歐洲的電視系統廣泛采用YUV顏色空間，用其作為復合色彩視頻標準的有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，在數字圖像和視頻中應用比較廣泛。其中，Y表示亮度，Cb和Cr表示色差，由U和V經少量調整得到。

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，而且還能表現出其它更多色彩，在彩色印刷領域應用比較廣泛。

2 人眼視覺系統

近年來，將人眼視覺系統（Human Visual System，HVS）的某些特性與數字圖像處理有機結合，促進了數字圖像處理技術的發展。人眼視覺系統是目前世界上最好的圖像處理系統，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的一些特點相結合，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，主要是關于人眼對亮度變化的敏感性。人眼對亮度的響應具有對數非線性性質，與平均亮度小的區域相比較，在平均亮度大的區域中，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域和紋理區域的敏感性有較大區別，紋理密集區域的灰度變化不容易被察覺，而平滑區域的變化則容易被感知。由此可知，圖像的紋理區域越密集，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，應充分考慮人眼視覺系統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，可完善現有的水印系統。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絡中傳輸時，因受到隨機噪聲、JPEG壓縮等操作的影響，易導致水印系統檢測不出水印，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，通過網絡訪問水印的檢測系統，利用系統返回的信息對含水印圖像進行修改，破壞水印，使檢測系統無法檢測出有效的水印。

協議攻擊是使水印檢測的結果錯誤或不明確，從而不能確定版權所有，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不標準或者水印方案不規范時，訪問該水印圖像的人均可聲稱擁有該圖像的所有權。顯然，解釋攻擊對保護數字水印的版權造成了較大影響；拷貝攻擊是根據含水印圖像的特征估計水印，其具有目標數據的局部特性，將估計水印嵌入至所攻擊的目標圖像中，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

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