【正文】 ............................................. 26 附錄：程序源 代碼 .................................................................................................................. 27 南湖學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 第一章 數(shù)字水印 概述 隨著信息技術(shù)的發(fā)展和互聯(lián)網(wǎng)的日益普及，人們的生活方式正發(fā)生著巨大的變化。一方面，信息的所有者可以更加方便地通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)布自己的信息 。另一方面，人們也可以更加便捷地通過(guò)網(wǎng)絡(luò)來(lái)獲取自己所需的信息。作為數(shù)字信息的重要組成部分 — 數(shù)字媒體 (文本、圖像、音頻、視頻等 )現(xiàn)在已經(jīng)變得十分普遍，在網(wǎng)絡(luò)上也越來(lái)越盛行。然而，由于數(shù)字媒體自身的特點(diǎn) (很容易借助互聯(lián)網(wǎng)或 CDROM被復(fù)制、處理、傳播和公開(kāi) )，一方面 ，使盜版者可以利用這些性能來(lái)侵害制造商和用戶的合法權(quán)益以獲得個(gè)人利益，另一方面，使不法之徒可以出于某種利益考慮對(duì)其進(jìn)行惡意修改。 如何在充分利用網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的基礎(chǔ)上維護(hù)數(shù)字產(chǎn)品的版權(quán)歸屬和信息安全成為一個(gè)迫在眉睫、急需解決的問(wèn)題。加密 (cryptography)技術(shù)是解決此類問(wèn)題的一種傳統(tǒng)方法，它通過(guò)加密密鑰對(duì)需要保護(hù)的文字內(nèi)容實(shí)施各種變化，沒(méi)有密鑰外人無(wú)法理解變化后的內(nèi)容。但是加密后得到的密文卻因其非常規(guī)性的表現(xiàn)形式同時(shí)暴露了內(nèi)容的重要性，因此成為攻擊者注意的焦點(diǎn)。其次這種方法只能夠保證數(shù)字產(chǎn)品內(nèi)容在傳輸過(guò)程 中的安全性，同時(shí)可作為存取控制和征收費(fèi)用的，但是當(dāng)解密后，密碼對(duì)其的保護(hù)就喪失作用，沒(méi)有有效的方法來(lái)保證其不被非法拷貝、再次傳播和盜用。最后這種方法只能夠解決數(shù)字信息內(nèi)容的保密。不能夠解決其版權(quán)問(wèn)題。由于加密技術(shù)的種種不足之處，數(shù)字水印(Digital Watermark)技術(shù)作為一種新興技術(shù)，得到了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注，引起了人們的極大興趣。作為傳統(tǒng)密碼學(xué)技術(shù)的有效補(bǔ)充手段，數(shù)字水印就是在這樣的背景下應(yīng)運(yùn)而生的。 本章就數(shù)字水印的基本概念及研究現(xiàn)狀等情況做一下簡(jiǎn)單介紹。 數(shù)字水印 介紹 什么是數(shù)字水印 數(shù)字水印技術(shù)是國(guó)際上最新的一門(mén)信息隱藏技術(shù)。所謂數(shù)字水印技術(shù)就是將數(shù)字、序列號(hào)、文字、圖像標(biāo)志等版權(quán)信息嵌入到多媒體數(shù)據(jù)中，以起到版權(quán)跟蹤及版權(quán)保護(hù)的作用。除此之外，數(shù)字水印還在真?zhèn)舞b別、隱蔽通信、標(biāo)志隱含、電子身份認(rèn)證等方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值。數(shù)字水印技術(shù)的研究涉及信息學(xué)、密碼學(xué)、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、模式識(shí)別等多種學(xué)科的研究領(lǐng)域，使得隱藏的信息更具隱蔽性、安全性，同時(shí)還具有對(duì)稱性和可糾錯(cuò)性。研究預(yù)示著數(shù)字水印具有巨大而廣闊的應(yīng)用前景，并已引起學(xué)術(shù)界、工業(yè)界和軍方的廣泛關(guān)注。 南湖學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 日常生活中為了鑒別紙幣的真?zhèn)危藗兺ǔ⒓垘艑?duì)著光源，會(huì)發(fā)現(xiàn)真的紙幣中有清晰的圖像信息顯示出來(lái)，這就是我們熟悉的 “ 水印 ” 。之所以采用水印技術(shù)是因?yàn)樗∮衅洫?dú)特的性質(zhì)：第一水印是一種幾乎不可見(jiàn)的印記，必須放置于特定環(huán)境下才能被看到，不影響物品的使用；第二水印的制作和復(fù)制比較復(fù)雜，需要特殊的工藝和材料，而且印刷品上的水印很難被去掉。因此水印常也被應(yīng)用于諸如支票、證書(shū)、護(hù)照、發(fā)票等重要印刷品中，長(zhǎng)期以來(lái)判定印刷品真?zhèn)蔚囊粋€(gè)重要手段就是檢驗(yàn)它是否包含水印。 現(xiàn)今數(shù)字時(shí)代的到來(lái)，多媒體數(shù)字世界豐富多彩， 數(shù)字產(chǎn)品幾乎影響到每一個(gè)人的日常生活。如何保護(hù)這些與我們息息相關(guān)的數(shù)字產(chǎn)品，如版權(quán)保護(hù)、信息安全、數(shù)據(jù)認(rèn)證以及訪問(wèn)控制等等，就被日益重視及變得迫切需要了。借鑒普通水印的含義和功用，人們采用類似的概念保護(hù)諸如數(shù)字圖像、數(shù)字音樂(lè)這樣的多媒體數(shù)據(jù)，因此就產(chǎn)生了“ 數(shù)字水印 ” 的概念。所謂 “ 數(shù)字水印 ” 是往多媒體數(shù)據(jù)中添加的某些數(shù)字信息，比如將在數(shù)碼相片中添加攝制者的信息，在數(shù)字影碟中添加電影公司的信息等等。與普通水印的特性類似，數(shù)字水印在多媒體數(shù)據(jù)中（如數(shù)碼相片）也幾乎是不可見(jiàn)的，也很難被破壞掉。因此數(shù)字水印在今天的計(jì) 算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代大有可為。 數(shù)字水印的用途 最早提出數(shù)字水印的概念與方法是為了進(jìn)行多媒體數(shù)據(jù)的版權(quán)保護(hù)。隨著計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，越來(lái)越多的藝術(shù)作品、發(fā)明或創(chuàng)意都開(kāi)始以多媒體數(shù)據(jù)的形式表達(dá)，比如用數(shù)碼相機(jī)攝影，用數(shù)字影院看電影，用 MP3播放器聽(tīng)音樂(lè)，用計(jì)算機(jī)畫(huà)畫(huà)等等。所有活動(dòng)所涉及的多媒體數(shù)據(jù)都蘊(yùn)含了大量?jī)r(jià)值不菲的信息。與作者創(chuàng)作這些多媒體數(shù)據(jù)所花費(fèi)的艱辛相比，篡改、偽造、復(fù)制和非法發(fā)布原創(chuàng)作品在信息時(shí)代變成了一件輕而易舉的事情。任何人都可以輕而易舉地創(chuàng)建多媒體數(shù)據(jù)的拷貝，與原始數(shù)據(jù) 比較，復(fù)制出的多媒體數(shù)據(jù)不會(huì)有任何質(zhì)量上的損失，即可以完整地 “ 克隆 ” 多媒體數(shù)據(jù)。因此如何保護(hù)這些數(shù)據(jù)上附加的 “ 知識(shí)產(chǎn)權(quán) ” 是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。那么數(shù)字水印則正好是解決這類 “ 版權(quán)問(wèn)題 ” 的有效手段。比如以前的畫(huà)家用印章或簽名標(biāo)識(shí)作品的作者，那么今天他可以通過(guò)數(shù)字水印將自己的名字添加到作品中來(lái)完成著作權(quán)的標(biāo)識(shí)。同樣，音像公司也可以把公司的名字、標(biāo)志等信息添加到出版的磁帶、 CD碟片中。這樣通過(guò)跟蹤多媒體數(shù)據(jù)中的數(shù)字水印信息來(lái)保護(hù)多媒體數(shù)據(jù)的版權(quán)。 除了在版權(quán)保護(hù)方面的應(yīng)用，數(shù)字水印技術(shù)在文檔（印刷品、電子文檔等 ）的真?zhèn)握J(rèn)證上面也有很大的用途，例如對(duì)政府部門(mén)簽發(fā)的紅頭文件，文件認(rèn)證的傳統(tǒng)方法是鑒別文件的紙張、印章或鋼印是否符合規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，缺點(diǎn)是無(wú)論紙張、印章或鋼印都容易被偽造。特別是印章，雖然政府部門(mén)對(duì)印章的管理和制作有嚴(yán)格規(guī)定，但社會(huì)上還是有所謂 “ 一個(gè)蘿卜刻一個(gè)章 ” 的說(shuō)法。這說(shuō)明傳統(tǒng)方法有著極不完善的地方。使用數(shù)字水南湖學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 印技術(shù)則可以有效解決這個(gè)問(wèn)題。以數(shù)字水印作為信息載體，將某些信息添加到紅頭文件中，使得文件不僅有印章或鋼印，而且有難以察覺(jué)的數(shù)字水印信息，從而大大增加了文件被偽造的難度。將數(shù)字水印信息添加到文檔中，也 意味著某些信息可以在文檔中被寫(xiě)入兩次。例如護(hù)照持有人的名字在護(hù)照中被明顯印刷出來(lái)，也可以在頭像中作為數(shù)字水印被隱藏起來(lái)，如果某人想通過(guò)更換頭像來(lái)偽造一份護(hù)照，那么通過(guò)掃描護(hù)照就有可能檢測(cè)出隱藏在頭像中的水印信息與打印在護(hù)照上的姓名不符合，從而發(fā)現(xiàn)被偽造的護(hù)照。 此外數(shù)字水印還用來(lái)做多媒體數(shù)據(jù)的訪問(wèn)控制和復(fù)制控制。比如 CD數(shù)據(jù)盤(pán)中秘密的數(shù)字水印信息可以有條件的控制什么樣的人可以訪問(wèn)該 CD盤(pán)中的內(nèi)容。目前 DVD已經(jīng)火爆國(guó)內(nèi)電子市場(chǎng)，有很多大公司開(kāi)始研究如何應(yīng)用數(shù)字水印系統(tǒng)改進(jìn) DVD的訪問(wèn)與復(fù)制控制。比如希望 消費(fèi)者手中的 DVD播放器允許無(wú)限制地復(fù)制家庭錄像或過(guò)期的電視節(jié)目，家庭錄像中所添加的數(shù)字水印不含任何控制標(biāo)識(shí)，電視節(jié)目里的數(shù)字水印標(biāo)識(shí)為 “ 復(fù)制一次 ” 、 “ 復(fù)制多次 ” ，而商業(yè)的視頻節(jié)目則標(biāo)識(shí)為 “ 不允許復(fù)制 ” ，相關(guān)的播放設(shè)備將對(duì)這些數(shù)字水印標(biāo)識(shí)進(jìn)行判別并起相應(yīng)作用。這樣就既保證了消費(fèi)者私下復(fù)制、交換節(jié)目的自由，又有效控制了商業(yè)上的侵權(quán)行為。目前全部的解決方案已經(jīng)形成，問(wèn)題是該解決方案的安全性、有效性、簡(jiǎn)潔性還需做進(jìn)一步的考驗(yàn)，暫時(shí)不能提供給 DVD制造商和用戶。 數(shù)字水印技術(shù)還可以應(yīng)用于信息的安全通信。由于 人們很難覺(jué)察到數(shù)字水印信息在多媒體數(shù)據(jù)中的存在，某些重要信息在傳輸?shù)倪^(guò)程中就可以隱藏在普通的多媒體數(shù)據(jù)，從而避開(kāi)第三方的竊聽(tīng)和監(jiān)控。國(guó)外報(bào)紙報(bào)道恐怖分子頭目本 拉登就利用公開(kāi)發(fā)布的數(shù)字水印技術(shù)，將給基地組織的指令通過(guò)數(shù)字水印隱藏在普通數(shù)碼相片中，然后發(fā)布到一些網(wǎng)站的 BBS上，基地組織成員根據(jù)約定好的規(guī)則將數(shù)碼相片中的數(shù)字水印信息提取出來(lái)。這種做法與普通的電話通信、電子郵件通信以及加密通信相比，隱蔽性高，不容易監(jiān)控，而且很難被察覺(jué)。 數(shù)字水印的基本特征 數(shù)字水印須具有以下特性： (1) 不可見(jiàn)性 :就是 不易被察覺(jué)，不會(huì)引起原來(lái)數(shù)字作品明顯的圖像質(zhì)量下降，即看不到數(shù)字水印的存在。 (2) 魯棒性 :即當(dāng)被保護(hù)的信息經(jīng)過(guò)某種改動(dòng)后，比如在傳輸、壓縮、濾波，圖像的幾何變換如平移 、 伸縮、旋轉(zhuǎn)、剪裁等處理下，數(shù)字水印不容易被破壞。 (3) 安全性 :水印的嵌入過(guò)程 （ 嵌入方法和水印結(jié)構(gòu) )應(yīng)該是秘密的，嵌入的數(shù)字水印應(yīng)該是統(tǒng)計(jì)上不可檢測(cè)的，非授權(quán)用戶無(wú)法檢測(cè)和破壞水印。對(duì)于通過(guò)改變水印圖像南湖學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 (嵌有水印的圖像 )來(lái)消除和破壞水印的企圖，水印應(yīng)該能一直保持存在，直到水印圖像已 嚴(yán)重失真而喪失使用價(jià)值。 (4) 低 復(fù)雜性 :數(shù)字水印的嵌入和提取算法應(yīng)該比較容易實(shí)現(xiàn)，計(jì)算復(fù)雜度較低，在某些應(yīng)用場(chǎng)合 (如視頻水印 )下，甚至要求水印算法的實(shí)現(xiàn)滿足實(shí)時(shí)要求。 (5) 可證明性 :數(shù)字水印所攜帶的信息應(yīng)該能夠被唯一地、確定地鑒別，從而能夠?yàn)榧航?jīng)受到版權(quán)保護(hù)的數(shù)字產(chǎn)品提供完全的和可靠的所有權(quán)歸屬證明的證據(jù)。數(shù)字水印算法應(yīng)該能夠正確識(shí)別出被嵌入到保護(hù)對(duì)象中的有關(guān)信息，例如經(jīng)過(guò)注冊(cè)的用戶的編碼、產(chǎn)品的標(biāo)識(shí)或者其它任何有意義的文字圖像等，并且能在需要時(shí)將其提取出來(lái)作為證據(jù)。 數(shù)字水印的發(fā)展史 數(shù)字水印的起源 信息隱藏，也稱為信息偽裝（ Steganography），該單詞來(lái)源于古希臘，意思是將有用或重要的信息隱藏于其他信息里面以掩飾其存在，就是將秘密信息秘密地隱藏于另一非機(jī)密的文件內(nèi)容之中。密碼學(xué)是研究如何保護(hù)消息內(nèi)容的，而偽裝術(shù)是專門(mén)研究如何隱藏它們的存在性。 數(shù)字水印技術(shù)的基本思想源于古代的偽裝術(shù)（密寫(xiě)術(shù)）。古希臘的斯巴達(dá)人曾將軍事情報(bào)刻在普通的木板上，用石蠟填平，收信的一方只要用火烤熱木板，融化石蠟后就可以看到密信。使用最廣泛的密寫(xiě)方法恐怕要算化學(xué)密寫(xiě)了，牛奶、白礬、果汁等都曾充當(dāng)過(guò)密寫(xiě)藥水的角色。大約 700年前，在手工造紙技術(shù)中出現(xiàn)了紙張上的水印。 可以說(shuō)，人類早期使用的保密通信手段大多數(shù)屬于密寫(xiě)而不是密碼。但與密碼技術(shù)相比，密寫(xiě)術(shù)始終沒(méi)有發(fā)展成為一門(mén)獨(dú)立的學(xué)科，其中的主要原因是密寫(xiě)術(shù)缺乏必要的理論基礎(chǔ)。 然而今天的數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展為古老的密寫(xiě)術(shù)注入了新的活力，在研究數(shù)字水印的過(guò)程中，研究者大量借鑒了信息偽裝的思想。尤其是近年來(lái)信息隱藏技術(shù)理論框架研究的興起，更給密寫(xiě)術(shù)成為一門(mén)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)帶來(lái)了希望。 數(shù)字水印 技術(shù) 的發(fā)展 及其研究現(xiàn)狀 數(shù)字水印作為信息隱藏的一個(gè)部分 ，其相關(guān)研究可以追溯到 1979年，而數(shù)字水印研究的論述最早見(jiàn)于 Tickle等人在 1993年發(fā)表的“ Electronic Watermark”。在 ICIP39。94會(huì)議上他們又發(fā)表了題為發(fā)表的“ A Digital Watermark” 的文章，這是第一篇在主要會(huì)議上南湖學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 發(fā)表的關(guān)于數(shù)字水印的文章。文中闡明了一些關(guān)于水印的重要概念和魯棒水印檢測(cè)的通用方法一一相關(guān)性檢測(cè)方法，當(dāng)時(shí)他們已經(jīng)意識(shí)到數(shù)字水印的重要性，并且提出了可能的應(yīng)用，包括圖像標(biāo)記、增強(qiáng)版權(quán)保護(hù)、防止偽造及控制存取圖像數(shù)據(jù)等。這篇文章被認(rèn)為是一篇具有歷史價(jià)值的文 獻(xiàn)。此外 Tickle還是第一個(gè)認(rèn)識(shí)到可以將擴(kuò)頻技術(shù)應(yīng)用 到數(shù)字水印中的人，他提出可以使用擴(kuò)頻技術(shù)向靜止圖像中添加水印。 1996年 Cox等人提出了將水印嵌入視頻和音頻信號(hào)感知上最重要的頻域因子中的水印方案，該方案基于擴(kuò)頻通信的思想，己經(jīng)成為數(shù)字水印技術(shù)中一個(gè)經(jīng)典方案，在本文后面的章節(jié)中會(huì)對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)介紹。同年， Pitas等人提出一種名為 patchwork的水印方案，利用統(tǒng)計(jì)信息在沒(méi)有原始數(shù)據(jù)的條件下成功提取出水印，該方案成為公開(kāi)水印方案的典型代表，此后有很多研究人員在這一方案基礎(chǔ)上進(jìn)行了攻擊和改進(jìn)算法的研究，在 后面的章節(jié)中也會(huì)對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。 90年代以來(lái)，數(shù)字水印的研究受到了更多專家學(xué)者的關(guān)注。 1996年在英國(guó)劍橋牛頓研究所召開(kāi)了第一屆信息隱藏學(xué)術(shù)研討會(huì)，這標(biāo)志著一門(mén)新興的交叉學(xué)科一一信息隱藏學(xué)的正式誕生。而在 1999年召開(kāi)的第三屆信息隱藏會(huì)議上 33篇論文中有 18篇論述水印技術(shù)，因此此次會(huì)議 被 稱為“抗一般有損壓縮的水印研討會(huì)”。同年 12月，由 Fabien A. P. Petit colas等人撰寫(xiě)的闡述信息隱藏技術(shù)及數(shù)字水印的第一本書(shū)， Information Hiding Techniques for Steganography and Digital Watermarking”面世 . 1998年的國(guó)際圖像處理大會(huì)上，還開(kāi)辟了兩個(gè)關(guān)于數(shù)字水印的專題討論。國(guó)際光學(xué)工程學(xué)會(huì) (SPIE)從 1999年起，每年召開(kāi)一次多媒體信息安全與數(shù)字水印大會(huì)，其會(huì)議的論文主要是關(guān)于數(shù)字水印技術(shù)方面的文章。 90年代期間出現(xiàn)的信息隱藏和數(shù)字水印的文獻(xiàn)數(shù)量以幾何級(jí)數(shù)遞增，從1992年的 2篇迅速發(fā)展到 1998年的 103篇，數(shù)字水印已經(jīng)成為國(guó)際學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)方向之一。國(guó)內(nèi)在信息隱藏方面的研究起步稍晚，但也 已 引起了信息安全領(lǐng)域研究人員的普遍關(guān)注，于 1999年 12月召開(kāi)了第一屆信息隱藏學(xué)術(shù)研討會(huì)。數(shù)字水印的研究人員也于2021年 1月召開(kāi)了國(guó)內(nèi)第一屆數(shù)字水印技術(shù)研討會(huì)，此次會(huì)議由國(guó)家“ 863計(jì)劃”智能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)專家組主辦、模式識(shí)別國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等單位承辦，建立了數(shù)字水印研究主頁(yè)和郵件列表，對(duì)國(guó)內(nèi)信息隱藏研究工作者的交流起到了很好的促進(jìn)作用。 經(jīng)過(guò) 20多年的研究，水印技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，劍橋大學(xué)、 I