一、论文信息
论文题目:Secure Spread Spectrum Watermarking for Multimedia
论文作者:Ingemar J.Cox, Joe Kilian, F.Thomson Leighton, Talal Shamoon
作者单位:Ingemar J.Cox, Senior Member, IEEE,
Talal Shamoon, Member, IEEE
发表时间:1997.12.12
发表刊物:《IEEE图像处理事务》第6卷
二、论文内容摘要
本文提出了一种为图像数据添加数字水印的方法。该方法将独立可识别的高斯随机向量 嵌入到数据中的对视觉感知效果影响最为显著的部分，从而使得嵌入的数字水印能够抵抗剪切、缩放、旋转、平移等几何变换和有损压缩、滤波、数模转换、重量化等数字信号处理方法，不受有意或无意的攻击。
三、论文背景介绍
随着数字化媒体（音频、视频和图像）的广泛传播，现代社会迫切需要一个方案来保护版权所有者的版权。传统的加密技术对数据盗版几乎没有什么保护，在这种情况下，发布者依然面临着未经授权的信息复制。而数字水印就旨在补充这个加密过程。它是一个 可见/不可见 的标识码。由于其目的是为了将所有者的版权封装在作品中，数字水印应当具有隐蔽性、健壮性、普遍性和确定性。隐蔽性指的是数字水印应当在视觉上不可感知，从而不影响被保护的作品。健壮性指的是数字水印在信号处理、几何变换、合谋攻击的情况下依然保持可识别。普遍性指的是同样的数字水印添加算法应当同样适用于其它形式的文件而不仅仅是图片。确定性指的是可以根据提取后的水印确定其所有者。
四、论文工作介绍
构建一个强大的水印有两个部分:水印结构和嵌入策略。本文提供了两个关键的建议来使构建的水印更加健壮和安全：水印应该明确地放在数据的感知最重要的组成部分中，并且水印应由从高斯分布中提取的随机数组成。根据作者提出的两个想法，诞生了下列问题，作者在文章中也一一解答。
Q：
如何以保真保存方式将水印插入到频谱的最感知重要区域中。
作者提出了扩频通信的例子，由此推导出即使是在最感知重要区域中，也存在“感知容量”，即嵌入一定量的数据不会影响感知效果。但是，非常小的变化却非常容易受到噪音的影响。
解决方法：
①创建水印，水印由一组实数序列组成，其中xi均为根据正态分布独立选出的。
②从每个文档D中提取出一个序列,然后将水印X 插入其中，以此获得一个调整了的序列V’ ,然后将V’替换原文档中的V，得到新的文档D’。
攻击者可能会改变D’，产生一个新的文档D*。对于给定的D和D*，提取可能损坏的水印X*，并与X进行统计显著性比较。对于X*，我们先从D中提取一个序列，然后从V和V中生成X*。
③当获得V’后指定一个尺度参数α，其中α决定了x改变v的程度：
等式1总是可逆的，而等式2、3仅当vi != 0时可逆。如果给V*，我们就可以因此计算反函数以得出X*。
④选择水印的长度。我们需要选择合理的水印长度以满足保真的条件，毕竟频域中的感知容量是有限的。
⑤评价水印的相似。提取的标记X与原始水印几乎不可能完全相同。即使是重新提交带水印的文件，也会导致X偏离X。通过下列式子来测量X*和X的相似度。
为了判断X和X是否匹配，我们需要设定一个阈值T，来判断sim(X,X)是否大于T。
五、论文实验情况
图像缩放
作者将水印图像的长宽均缩放到原来大小的一半。为了恢复水印，将四分之一大小的图像重新缩放到原来的尺寸，由两张图片对比可知，在缩放过程中丢失了大量的精细细节。之后使用水印检测器对图像进行检测，水印检测器对原始水印图像的响应为32.0，而对重新缩放回原本尺寸的图像版本的响应为13.4。虽然探测器的响应下降了50%以上，但这仍然远远高于随机水平，这表明水印对几何畸变具有很强的鲁棒性。
JPEG编码失真
作者使用了两张JPEG编码的图像版本，其中一张参数为10%质量和0%平滑。水印检测器的响应为22.8，表明该算法对常见的编码失真具有鲁棒性。另一张参数为5%的质量和0%的平滑，图像就更加面目全非了。在这种情况下，水印检测器的响应为13.9，仍然远远高于随机水平。
抖动失真
作者对巴伐利亚夫妇图像的抖动版本进行水印检测。水印检测器的响应为5.2，再次表明该算法对常见的编码失真具有鲁棒性。同时作者也通过从提取的水印中去除任何非零均值来实现更可靠的检测，在这种情况下，检测值是10.5。同样表明该算法的健壮性
打印、复印和扫描
作者首先将带有水印的图片进行打印，然后用UMAX PS-2400X扫描仪在300dpi参数下扫描，最后将扫描尺寸调整到256×256。经过这一系列处理后，图像有了不同程度的失真，从视觉上看也有很大差别。此时，检测器对水印的响应为4.0，仍高于随机水平。相比之下，鲁棒性较弱。
作者对该水印嵌入方法进行了缩放、裁剪、抖动失真、JPEG 有损压缩、多次添加水印、合谋、打印扫描等方式的损坏和攻击。除打印扫描外，其它方式都可由通用的响应算法检测出。
打印扫描攻击的影响最大，但①这一攻击牺牲了较多的图片质量；②更仔细的方法依然可以提取识别水印。
六、论文阅读总结
在本文中，作者提出了一种结构由从一个分布中抽取的随机数字组成的水印，并以一种类似于扩频通信的方式将水印插入在图像光谱最重要的部分之中，以此来满足水印的保真度保护以及水印的鲁棒性。该算法对于绝大部分常规的攻击或者操作都具有很强的健壮性，都能够保持大概率成功的水印检测。对我而言，我认为扩频水印最有趣的地方是，通过以类似扩频通信的方式将水印分散在多频段中，在保证保真度的情况下，降低每一个频段的能量，从而避免了被攻击者找到并破坏，确保了水印受到有意或无意的攻击之后的安全性。