基于离散余弦变换的数字水印嵌入技术Word下载.docx

1、论文主要研究和总结了基于Arnold 变换的数字图像置乱技术、基于幻方的数字图像置乱 技术等算法原理，分析了数字水印嵌入的各种算法。利用一种基于离散余弦变换的水印算法通过MATLAB 软件来实现了水印的嵌入和提取，最后将得出的试验结果进行性能测试，测试结果表明该算法具有良好的不可见性和鲁棒性。关键字：数字水印，置乱技术，离散余弦变换，图像处理IIIIVDigital Watermarking Embedding TechnologyBased on DCTABSTRACTAlong with the computer and network technology rapid developme

2、nt, and dissemination of digital works have become increasingly easy to copy, simultaneously allow digital works to protect the security of information and copyright protection has become an urgent need to address the real issues. In recent years, digital watermarking is in the field of information

3、security emerging intellectual property protection method. It passed in the original data embedded in some important information protected by copyright for the data integrity of media ownership and attribution mention for complete and reliable evidence, thereby to prevent the piracy of digital produ

4、cts and tampering with purpose.And major research papers based on Arnold summed up the transformation of the digital image scrambling technology, based on the fantasy side of the digital image scrambling technology and algorithm theory, analysis of the digital watermark embedded in the various algor

5、ithms. Based on the use of a discrete cosine transform the watermark by MATLAB software algorithms to achieve a watermark embedding and extraction, will come to the final test results of test results showed that the algorithm is not good visibility and robust.Key Words：Digital watermarking，Scramblin

6、g Technology，DCT ，Image processinV第1章 绪论1.1 设计背景及意义随着信息时代的到来，Internet 热潮席卷全球, 电子商务（EC ）、电子政务等的蓬勃发展，信息安全成为人们日益关注的焦点。传统的加密方法可以解决一定程度上的安全问题，但计算技术的飞速发展提供了强有力的工具，使得密码破译能力越来越强，因此，常规密码的安全性受到了极大挑战。仅通过增加密钥的长度，来增强加解密系统的机密等级已经不再是唯一可行的方法。同时传统的加密方法也无法防止他人对传输的文件进行破坏，无法确定发件人的身份。这些迫切地需求催生了新一代的信息安全技术，近年来，国际上开始提出并尝试一

7、种新的关于信息安全的概念，即将机密资料隐藏到一般的文件中，然后再通过网络来传递。由于非法拦截者从网络上拦截下来的是伪装后的资料，它们看起来与一般非机密资料没有两样，因而十分容易逃过拦截者的破解。这一点是常规加解密系统所欠缺的，也是信息伪装技术最基本的概念。信息伪装又称为信息隐藏，就是将机密资料秘密地隐藏于另一非机密文件内容中。其形式可为任何一种数字媒体，如图像、声音、视频或一般的文档等等。其首要目标是隐藏的技术要好，即要使加入隐藏信息的目标媒体产生最小的可见性降质，使人无法看到和听到隐藏的数据，达到令人难以察觉的目的；而更重要的是绝对不能让机密资料曝光。“数字水印”便是这样的一种技术。通过信息

8、伪装技术，将版权所有者的个人信息隐藏于其本身作品中，以便随时鉴别，则维护作者的合法利益将变得比较容易。同样，将这样的信息隐藏于注册的商标中，也可以防止造假者伪造商标；再与其他的防伪技术相复合，可以防止非法拷贝、复印。将信息隐藏技术与传统的加密技术（ 如 PGP 、数字签名等 相结合来进行各种认证操作。- 1 -随着计算机通信技术的迅速发展，多媒体存储和传输技术的进步使存储和传输数字化信息成为可能，然而，这也使盗版者能以低廉的成本复制及传播XX的数字产品内容，出于对利益的考虑，数字产品的版权所有者迫切需要解决知识产权（Intellectual Property Rights ）的保护问题。密码学

9、的加解密技术是保护数字产品的一种方法，它能够保护数字产品安全传输，并可作为存取控制和征收费用的手段，但它不能保证数字产品解密后的盗版问题，因此，1995年，人们提出了信息伪装技术，其中，数字水印就是近年来比较热门的数字产权保护技术，下面我们主要谈谈数字水印技术的有关问题。综合众多学者的定义和分析已有的数字水印方案，现给出数字水印的定义：数字水印是永久镶嵌在其它数据（宿主数据）中具有可鉴别性的数字信号或模式，而且并不影响宿主数据的可用性。作为数字水印技术基本上应当满足下面几个方面的要求：（1）安全性：数字水印的信息应是安全的，难以篡改或伪造，同时，应当有较低的误检测率，当宿主内容发生变法时，数字

10、水印应当发生变化，从而可以检测原始数据的变更；（2）隐蔽性：数字水印应是不可知觉的，而且应不影响被保护数据的正常使用；（3）稳健性：数字水印必须难以被除去，如果只知道部分数字水印信息，那么试图除去或破坏数字水印将导致严重降质或不可用。同时，数字水印在一般信号处理和几何变换中应具有稳健性；（4）水印容量：嵌入的水印信息必须足以表示多媒体内容的创建者或所有者的标志信息，或购买者的序列号，这样有利于解决版权纠纷，保护数字产权合法拥有者的利益1。1.2 数字水印技术数字水印（Digital Watermark ）技术是指用信号处理的方法在数字化的多媒体数据中嵌入隐蔽的标记，这种标记通常是不可见的，只有

11、通过专用的检测器或阅读器才能提取。数字水印是信息隐藏技术的一个重要研究方向。嵌入数字作品中的信息必须具有以下基本特性才能称为数字水印：1）隐蔽性- 2 -在数字作品中嵌入数字水印不会引起明显的降质，并且不易被察觉。2）隐藏位置的安全性水印信息隐藏于数据而非文件头中，文件格式的变换不应导致水印数据的丢失。3）鲁棒性所谓鲁棒性是指在经历多种无意或有意的信号处理过程后，数字水印仍能保持完整性或仍能被准确鉴别。可能的信号处理过程包括信道噪声、滤波、数/模与模/数转换、重采样、剪切、位移、尺度变化以及有损压缩编码等。在数字水印技术中，水印的数据量和鲁棒性构成了一对基本矛盾。从主观上讲，理想的水印算法应该

12、既能隐藏大量数据，又可以抗各种信道噪声和信号变形。然而在实际中，这两个指标往往不能同时实现，不过这并不会影响数字水印技术的应用，因为实际应用一般只偏重其中的一个方面。如果是为了隐蔽通信，数据量显然是最重要的，由于通信方式极为隐蔽，遭遇敌方篡改攻击的可能性很小，因而对鲁棒性要求不高。但对保证数据安全来说，情况恰恰相反，各种保密的数据随时面临着被盗取和篡改的危险，所以鲁棒性是十分重要的，此时，隐藏数据量的要求居于次要地位。数字水印技术的基本思想源于古代的密写术。古希腊的斯巴达人曾将军事情报刻在普通的木板上，用石蜡填平，收信的一方只要用火烤热木板，融化石蜡后，就可以看到密信。使用最广泛的密写方法恐怕

13、要算化学密写了，牛奶、白矾、果汁等都曾充当过密写药水的角色。可以说，人类早期使用的保密通信手段大多数属于密写而不是密码。然而，与密码技术相比，密写术始终没有发展成为一门独立的学科，究其原因，主要是因为密写术缺乏必要的理论基础。如今，数字化技术的发展为古老的密写术注入了新的活力，也带来了新的机会。在研究数字水印的过程中，研究者大量借鉴了密写技术的思想。尤其是近年来信息隐藏技术理论框- 3 -架研究的兴起，更给密写术成为一门严谨的科学带来了希望。毫无疑问，密写技术将在数字时代得以复兴。1.2.2 数字水印的分类数字水印技术可以从不同的角度进行划分1. 按特性划分按水印的特性可以将数字水印分为鲁棒数

14、字水印和脆弱数字水印两类。鲁棒数字水印主要用于在数字作品中标识著作权信息，如作者、作品序号等，它要求嵌入的水印能够经受各种常用的编辑处理；脆弱数字水印主要用于完整性保护，与鲁棒水印的要求相反，脆弱水印必须对信号的改动很敏感，人们根据脆弱水印的状态就可以判断数据是否被篡改过.2. 按水印所附载的媒体划分按水印所附载的媒体，我们可以将数字水印划分为图像水印、音频水印、视频水印、文本水印以及用于三维网格模型的网格水印等。随着数字技术的发展，会有更多种类的数字媒体出现，同时也会产生相应的水印技术。3. 按检测过程划分按水印的检测过程可以将数字水印划分为明文水印和盲水印。明文水印在检测过程中需要原始数据

15、，而盲水印的检测只需要密钥，不需要原始数据。一般来说，明文水印的鲁棒性比较强，但其应用受到存储成本的限制。目前学术界研究的数字水印大多数是盲水印。4. 按内容划分按数字水印的内容可以将水印划分为有意义水印和无意义水印。有意义水印是指水印本身也是某个数字图像（如商标图像）或数字音频片段的编码；无意义水印则只对应于一个序列号。有意义水印的优势在于，如果由于受到攻击或其他原因致使解码后的水印破损，人们仍然可以通过视觉观察确认是否有水印。但对于无意义水印来说，如果解码后的水印序列有若干码元错误，则只能通过统计决策来确定信号中是否含有水印。- 4 -5、按用途划分不同的应用需求造就了不同的水印技术。按水

16、印的用途，我们可以将数字水印划分为票据防伪水印、版权保护水印、篡改提示水印和隐蔽标识水印。票据防伪水印是一类比较特殊的水印，主要用于打印票据和电子票据的防伪7。一般来说，伪币的制造者不可能对票据图像进行过多的修改，所以，诸如尺度变换等信号编辑操作是不用考虑的。但另一方面人们必须考虑票据破损、图案模糊等情形，而且考虑到快速检测的要求，用于票据防伪的数字水印算法不能太复杂。版权标识水印是目前研究最多的一类数字水印。数字作品既是商品又是知识作品，这种双重性决定了版权标识水印主要强调隐蔽性和鲁棒性，而对数据量的要求相对较小。篡改提示水印是一种脆弱水印，其目的是标识宿主信号的完整性和真实性。隐蔽标识水印

17、的目的是将保密数据的重要标注隐藏起来，限制非法用户对保密数据的使用。6. 按水印隐藏的位置划分按数字水印的隐藏位置，我们可以将其划分为时（空）域数字水印、频域数字水印、时/频域数字水印和时间/尺度域数字水印。时（空）域数字水印是直接在信号空间上叠加水印信息，而频域数字水印、时/频域数字水印和时间/尺度域数字水印则分别是在DCT 变换域、时/频变换域和小波变换域上隐藏水印8。随着数字水印技术的发展，各种水印算法层出不穷，水印的隐藏位置也不再局限于上述四种。应该说，只要构成一种信号变换，就有可能在其变换空间上隐藏水印。1.2.3 数字水印的嵌入、水印提取和检测数字水印技术是通过一定的算法将一些标志

18、性信息直接嵌到多媒体内容中，目前大多数水印制作方案都采用密码学中的加密（包括公开密钥、私有密钥）体系来加强，在水印的嵌入，提取时采用一种密钥，甚至几种密钥的联合使用。水印的嵌入和提取方法如图1、图2- 5 -所示： 图1 .1 数字水印嵌入过程图1.2 数字水印检测/抽取过程 数字水印可以分为空间域数字水印和变换域数字水印两大类实现较早的数字水印算法从本质上来说都是空间域上的，通过改变某些象素的灰度将要隐蔽的信息嵌入其中，将数字水印直接加载在数据上。空间域方法具有算法简单、速度快、容易实现的优点。特别是它几乎可以无损的恢复载体图像和水印信息，这对于某些应用是必要的，可以细分为如下几种方法：（1

19、）最低有效位法，该方法就是利用原始数据的最低几位来隐蔽信息的，具体取多少位以人的听觉或视觉系统无法察觉为原则。（2）Patchwork 方法及纹理映射编码方法，该方法是通过任意选择N 对图像点，增加一点亮度的同时，降低相应另一点的亮度值来加载数字水印。（3）文档结构微调方法，在通用文档图像中隐藏特定二进制信息的技术，主要是通过垂直移动行距，水平调整字距，调整文字特性等来完成编码10。基于变换域的技术可以嵌入大量比特的数据而不会导致不可察觉的缺陷，往往通过改变频域的一些系数的值，采用类似扩频图像的技术来隐藏数字水印信息。这类技术一般基于常用的图像变换，基于局部或全部的变换，这些变换包括离散余弦变

20、换（DCT ）、小波变换（WT ）、付氏变换（FT 或FFT ）以及哈达马变换（Hadamard Transform）等等。其中基于分块的DCT 是最常用的变换之一。频域方法具有如下优点：（1）在频域中嵌入的水印的信号能量可以分布- 6 -到所有的象素上，有利于保证水印的不可见性；（2）在频域中可以利用人类视觉系统的某些特性，可以更方便、更有效的进行水印的编码。不过，频域变换和反变换过程中是有损的，同时其运算量也很大，对一些精确或快速应用的场合不太适合。目前常用的方法有平面隐藏法和基于DCT 或DFT 的系数隐藏法。另外，还可以将数字图像的空间域数据通过离散傅里叶变换（DFT 或离散小波变换（

21、DWT转化为相应的频域系数；其次，根据待隐藏的信息类型，对其进行适当编码或变形；再次，根据隐藏信息量的大小和其相应的安全目标，选择某些类型的频域系数序列（如高频或中频或低频）；再次，确定某种规则或算法，用待隐藏的信息的相应数据去修改前面选定的频域系数序列；最后，将数字图像的频域系数经相应的反变换转化为空间域数据。该类算法的隐藏和提取信息操作复杂，隐藏信息量不能很大，但抗攻击能力强，很适合于数字作品版权保护的数字水印技术中。1.3 数字水印的应用和发展internet 和intranet 以多种新的手段和运做方式为商业、科研、娱乐带来了许多机会，然而这也是盗版者以更低廉的成本复制及传播XX的数字

22、产品的内容，出于对利益的考虑，数字产品的版权所有者迫切需要有办法解决知识产品（intellectual property rights ）保护的问题，依靠密码学的加密或置乱技术能保证数字产品内容的安全传送，同时，可作为存取控制和收费的手段。因为，只有拥护和版权所有者才有密钥，只有他们可以解密或恢复置乱从而得到数字产品的内容。但是，仅采用密码技术的重大缺点是所有加密的数字内容在解密以后就无有效的手段来保证其不被非法拷贝、再次传播和盗用，为了防止这种情况的发生，人们提出了数字水印的概念。数字水印作为版权保护的有效手段之一，目前已成为研究的热点。随着对其研究的深入，各种算法不断提出，类似于密码设计学

23、和密码分析学是一对相互促进的学科，数字水印技术的研究一般也主要集中在两个方面：水印算法设计和水印算法攻击，两方面的研究是相互依- 7 -存，相互促进的，好的攻击方案能促进人们设计更好的水印算法，而好的水印算法的出现，也促使人们考虑对它的攻击以验证安全性和鲁棒性。目前数字水印技术还没有统一的衡量标准，因此，水印的攻击也没有统一的标准，现有的衡量标准，例如：stirmark 只是集成了许多常用的图像处理方法，利用这些功击现有的许多水印算法以后，图像质量仍然可以用于商业用途。而且，stirmark 等工具在攻击水印图像时还没有考虑图像本身的攻击特性，但是对于专业盗版者来说，他们可以根据图像本身特性设

24、计出更出的攻击方法，这些方法比现有的衡量标准中所使用的方法有效的多。尽管数字水印技术还面临许多问题，比如，许多水印算法无法抵抗攻击，必须配合其它技术手段才能达到应用目的，而且水印技术缺少相关的标准和协议，这些都妨碍了数字水印的进一步推广应用，但我们相信如果没有恰当地提出潜在的攻击范围内的问题及论点，数字水印技术也决不会迅速跨越实验阶段而得到使用，水印技术现在得到了一定范围内的应用是同水印攻击研究分不开的。综合数字水印算法设计和算法攻击的现状和发展趋势，除了需要继续研究具有很好的鲁棒性和安全性的水印算法外，从实际应用的观点看，我们认为数字水印的下列方向是研究的重点，根据不同的数字产品内容分等级插入水印，即对较重要的内容和对安全