【正文】 南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文水印技術(shù)在電子簽名中的防偽應(yīng)用目 錄1 緒論 1 選題的背景 1 選題的目的 1 選題的意義 2 國內(nèi)外數(shù)字水印研究現(xiàn)狀 2 對(duì)空間域水印技術(shù)的研究 3 對(duì)變換域水印技術(shù)的研究 3 本課題研究內(nèi)容 52 數(shù)字水印技術(shù)理論概述 6 6 6 數(shù)字水印的基本理論框架 6 數(shù)字水印嵌入的理論框架 7 數(shù)字水印提取的理論框架 7 數(shù)字水印的分類 9 數(shù)字水印的魯棒性問題和攻擊行為 10 數(shù)字水印的魯棒性問題 10 數(shù)字水印的攻擊行為 113 圖像預(yù)處理算法實(shí)現(xiàn) 13 引言 13 圖像二值化處理 13 13 圖像平滑處理 14 圖像平滑處理代碼 14 圖像銳化處理 15 圖像銳化處理代碼 15 圖像縮放處理 16 圖像縮放處理代碼 16 圖像灰度化處理 17 174 數(shù)字水印典型算法 19 基于傅里葉變換的數(shù)字水印算法 19 引言 19 基于Arnold變換的圖像置亂算法 19 嵌入算法原理 20 提取算法原理 22 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 24 基于離散余弦變換的數(shù)字水印算法 25 離散余弦變換水印嵌入算法 26 離散余弦變換水印提取算法 27 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 28 基于小波變換的數(shù)字水印算法 30 小波變換水印的嵌入算法 31 小波變換水印的提取算法 31 325 參考文獻(xiàn) 346 致 謝 35附錄A 圖像預(yù)處理代碼 36附錄B 傅里葉變換的數(shù)字水印嵌入提取源碼 38附錄C 離散余弦變換(DCT)的數(shù)字水印嵌入提取源碼 51附錄D 小波變換(DWT)的數(shù)字水印嵌入提取源碼 551 緒論隨著社會(huì)信息化的發(fā)展，信息在社會(huì)中的地位和作用越來越重要。信息媒體的數(shù)字化為信息的存取提供了極大的便利性，同時(shí)也顯著提高了信息表達(dá)的效率和準(zhǔn)確性。特別是隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)的交換和傳輸變成了一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的過程，人們借助于計(jì)算機(jī)、數(shù)字掃描儀、打印機(jī)等電子設(shè)備可以方便、迅速地將數(shù)字信息傳輸?shù)剿谕牡胤?。隨之而來的副作用是這些數(shù)字形式的數(shù)據(jù)文件或作品使有惡意的個(gè)人和團(tuán)體有可能在沒有得到作品所有者的許可下拷貝和傳播有版權(quán)的內(nèi)容，例如，現(xiàn)代盜版者僅需輕點(diǎn)幾下鼠標(biāo)就可以獲得與原版一樣的復(fù)制品，并以此獲取暴利；而一些具有特殊意義的信息，如涉及司法訴訟、政府機(jī)要等信息，則會(huì)遭到惡意攻擊和篡改偽造等等。 選題的背景一系列數(shù)字化技術(shù)本身的可復(fù)制和廣泛傳播的特性所帶來的負(fù)面效應(yīng)，已成為信息產(chǎn)業(yè)健康持續(xù)發(fā)展的一大障礙，目前，數(shù)字媒體的信息安全、知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)和認(rèn)證問題變得日益突出，且已成為數(shù)字世界中一個(gè)非常重要和緊迫的議題。尤其是數(shù)字產(chǎn)品在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)布、傳輸存在的安全性問題。“信息提供者”是數(shù)字產(chǎn)品的版權(quán)所有者，他們通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)布數(shù)字產(chǎn)品?！靶畔⑾M(fèi)者”是數(shù)字產(chǎn)品的消費(fèi)者，他們希望通過網(wǎng)絡(luò)接受到數(shù)字產(chǎn)品（因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)可以減少不必要的成本，如郵費(fèi)等）。“攻擊者”是非法用戶、未經(jīng)授權(quán)的供應(yīng)者和蓄意破壞者的總稱，他們未經(jīng)合法版權(quán)所有者的許可，重新發(fā)布產(chǎn)品或有意破壞原始作品并重新發(fā)布其不可信版本。從而信息消費(fèi)者難免間接收到盜版的副本。數(shù)字產(chǎn)品受到的間接攻擊主要來自兩個(gè)方面：一、惡意篡改修改數(shù)字產(chǎn)品的內(nèi)容，使得合法用戶接收到的數(shù)字產(chǎn)品不真實(shí)、不可靠、甚至失去原有的使用價(jià)值。二、侵犯版權(quán)：未經(jīng)版權(quán)所有者的容許非法復(fù)制或翻印數(shù)字產(chǎn)品。：未經(jīng)版權(quán)所有者的容許將數(shù)字產(chǎn)品轉(zhuǎn)賣。：將數(shù)字產(chǎn)品所攜帶的版權(quán)信息消除，使得該產(chǎn)品得不到正當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)。 選題的目的以前解決數(shù)字產(chǎn)品安全的問題是通過密碼學(xué)方法完成的，即首先將數(shù)字產(chǎn)品加密成密文然后發(fā)布，使得網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中的非法攻擊者無法從密文中獲得機(jī)密信息，從而達(dá)到信息安全的目的，但這并不能完全解決問題，一方面加密后的文件因其不可理解性而大大妨礙了信息的傳播，另一方面文件解密后內(nèi)容完全透明，將不再受到保護(hù)，無法幸免于盜版和侵權(quán)。因而傳統(tǒng)的密碼學(xué)方法已經(jīng)受到了十分嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。在這種情況下，信息隱藏技術(shù)引起了人們的高度重視。信息隱藏是將有用的或重要的信息隱藏于其他信息里面以掩飾其存在。由其發(fā)展和演變而來的數(shù)字水印技術(shù)成為了當(dāng)前國際學(xué)術(shù)界研究的一個(gè)前沿方向和熱點(diǎn)。在數(shù)字產(chǎn)品的網(wǎng)上交易和傳輸中，有兩個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)問題需要解決：一是數(shù)字產(chǎn)品的訪問控制和安全傳輸；二是數(shù)字產(chǎn)品內(nèi)容的保護(hù)。訪問控制需要解決用戶的認(rèn)證及管理、對(duì)多媒體產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫的訪問控制以及數(shù)據(jù)的安全傳輸?shù)葐栴}，該問題可由傳統(tǒng)的密碼學(xué)方法解決。第二個(gè)問題主要分兩個(gè)部分：一是版權(quán)保護(hù)，二是內(nèi)容完整性（真實(shí)性）的保護(hù)。第二個(gè)問題就要用到數(shù)字水印技術(shù)了，而傳統(tǒng)的密碼學(xué)方法無能為力。 選題的意義數(shù)字水印屬于信息隱藏的一種，它是將具有確定性和保密性的信息（水印）嵌入到數(shù)字產(chǎn)品（靜止圖像、語音、文檔、視頻等）中，使之作為原始數(shù)據(jù)的一部分而保留在其中，從而實(shí)現(xiàn)隱藏傳輸、存儲(chǔ)、標(biāo)注、身份識(shí)別、版權(quán)保護(hù)等功能?？梢姡环矫?，它可以被用來證明原創(chuàng)作者對(duì)其作品的所用權(quán)，作為鑒定、起訴非法侵權(quán)的證據(jù)；另一方面，作者還可以通過對(duì)其數(shù)字產(chǎn)品中的水印進(jìn)行探測(cè)和分析來實(shí)現(xiàn)對(duì)作品的動(dòng)態(tài)跟蹤，從而保證其作品的完整性，因而數(shù)字水印已經(jīng)成為了知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)和數(shù)字產(chǎn)品防偽的有效手段。數(shù)字水印版權(quán)保護(hù)的基本手段是將版權(quán)、產(chǎn)品的標(biāo)識(shí)碼以及購買者的信息等（稱為水印信號(hào)）嵌入到數(shù)字產(chǎn)品中。嵌入的水印信號(hào)應(yīng)當(dāng)不降低原數(shù)據(jù)的質(zhì)量、且在感覺上不易察覺（即不可見水印，可見水印由于容易受到攻擊，目前已不是研究的主流方向），能夠經(jīng)受一定的攻擊而不被清除，需要時(shí)可以通過檢測(cè)（提?。┣度氲乃⌒畔龛b別數(shù)字產(chǎn)品的版權(quán)、認(rèn)證該數(shù)據(jù)的真?zhèn)位虮孀R(shí)該產(chǎn)品的原購買者、進(jìn)行完整性鑒定等等。 國內(nèi)外數(shù)字水印研究現(xiàn)狀數(shù)字水印技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一項(xiàng)重要應(yīng)用研究，其學(xué)術(shù)特點(diǎn)在于它橫跨計(jì)算機(jī)科學(xué)、圖像信息處理、多媒體技術(shù)、模式識(shí)別、密碼學(xué)、數(shù)字通訊等眾多學(xué)科和領(lǐng)域。作為數(shù)字化時(shí)代的一門新興技術(shù)，它尚未形成一套獨(dú)立完整的學(xué)科理論體系，但其重要的現(xiàn)實(shí)作用已經(jīng)引起國內(nèi)外眾多學(xué)者、研究機(jī)構(gòu)和公司的極大興趣，成為當(dāng)前信息科學(xué)中的一個(gè)新穎且具有廣闊應(yīng)用前景的研究熱點(diǎn)。根據(jù)數(shù)字水印技術(shù)作用域的不同，數(shù)字水印技術(shù)可以分為空間域水印技術(shù)和變換域水印技術(shù)，我們從兩種域空間來說明數(shù)字水印技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。 對(duì)空間域水印技術(shù)的研究空域技術(shù)直接更改圖像的數(shù)據(jù)，通常是在圖像的亮度或彩色光帶或者在兩者之上加一個(gè)調(diào)制信號(hào)來嵌入數(shù)字水印。該技術(shù)屬于早期研究，目前的水印技術(shù)大都是基于最低有效位LSB（Least Significant Bit）方法。該方法把水印信息放在圖像數(shù)據(jù)的最低位上，保證了水印的不可見性，但它的魯棒性差，一般的圖像壓縮和量化就可以把大部分水印去掉。Bender等提出了一種基于圖像統(tǒng)計(jì)特性的水印技術(shù)。它首先隨機(jī)地選取一對(duì)像素值(a,b)，假定它們滿足一定的統(tǒng)計(jì)特性，如高斯分布N(0,1)；然后對(duì)其中一個(gè)像素的灰度值加1，對(duì)另一個(gè)像素的灰度減1。Pitas改進(jìn)了上述算法，將原始圖像分成兩個(gè)集合和，對(duì)于集合中的亮度值由一個(gè)正整數(shù)參數(shù)K控制來進(jìn)行水印的嵌入，即將變成,則嵌入水印后的圖像變成和，然后通過計(jì)算統(tǒng)計(jì)量來進(jìn)行檢測(cè)，將的值和一個(gè)指定的閥值作比較來判斷是否含有水印。該改進(jìn)算法對(duì)JPEG壓縮有一定的抵抗能力。Lee等在空間域上實(shí)現(xiàn)了一種自適應(yīng)水印算法，嵌入水印是二值圖像，在嵌入水印之前，原圖分解為塊，每塊中的像素自適應(yīng)地修改保證好的魯棒性和不可見性，嵌入的位置由密鑰k通過隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器來進(jìn)行選擇。上述的幾種方法在檢測(cè)水印時(shí)都需要原始圖像，水印的魯棒性不好，經(jīng)JPEG壓縮或其他圖像處理后容易被去掉。 對(duì)變換域水印技術(shù)的研究 變換域水印技術(shù)是先將圖像變換到頻率域，改變圖像的頻率域系數(shù)，然后進(jìn)行反變換得到加入水印的圖像。幾種最常見的變換是離散傅立葉變換（DFT），離散余弦變換（DCT），離散小波變換（DWT）等。Cox 等人在1995年提出了擴(kuò)展頻譜方法，該方法利用通信理論上的頻譜擴(kuò)展思想，將數(shù)字水印在圖像的頻譜上擴(kuò)展達(dá)到不可見性和魯棒性的目的。由于它是在數(shù)字圖像感知比較重要的頻譜部分嵌入水印，所以它在抵抗有損壓縮及其他圖像處理操作能力有很大提高，但它的缺點(diǎn)是提取水印時(shí)必須利用原始圖像。Koch等人提出了一種基于分塊DCT變換的數(shù)字圖像水印算法，該算法將圖像先分成88塊，并對(duì)每一塊做DCT，然后選擇其中的一部分作為修改的對(duì)象。接著在所選塊中，根據(jù)一定的規(guī)則挑選一些位于中頻的DCT系數(shù)嵌入水印。Bors給出了一種基于Gaussian 網(wǎng)分類器的圖像水印算法，然后修改其中選定的像素點(diǎn)，使得它們的DCT系數(shù)滿足一定的約束條件，該算法抗JPEG壓縮能力非常好。Piva 等人提出了一種基于DCT域的水印算法，他們將一串隨機(jī)序列加到選定的圖像的DCT系數(shù)中，并在算法中利用了HVS的屏蔽性，從而更好地滿足了水印的不可見性，這種算法在提取水印時(shí)不需要原始圖像。伯曉晨等人提出一種新的盲圖像水印檢測(cè)算法，在DCT域嵌入水印，采用符號(hào)相關(guān)檢測(cè)來檢測(cè)水印。隨著JEPG2000的標(biāo)準(zhǔn)化和DCT到DWT圖像壓縮方法的轉(zhuǎn)變，基于DWT的水印方案引起了人們?cè)絹碓蕉嗟呐d趣。Inoue 等人提出了一種基于DWT數(shù)字水印方法，該方法通過使用控制量化處理，把信息嵌入到圖像信號(hào)的低頻成分， 然后使用量化步長和低頻域的均值幅度提取水印，這種方法不需要原始圖像。Chae等人在DWT系數(shù)上實(shí)現(xiàn)一種位擴(kuò)展嵌入水印的方法，該方法把信息大部分嵌入在低頻DWT子帶，嵌入時(shí)水印的每位線性擴(kuò)展為24位，同時(shí)原始圖像系數(shù)也擴(kuò)展為24 位，根據(jù)一定的規(guī)則實(shí)現(xiàn)每個(gè)對(duì)應(yīng)8位之間的嵌入；而檢測(cè)時(shí)做相反的過程提取水印，該方法具有一定的魯棒性，但提取水印時(shí)需要原始圖像。為了提高水印的魯棒性，人們研究人的視覺特性，實(shí)現(xiàn)水印的自適應(yīng)嵌入， 如Podilchuk 等人提出一種基于DWT的自適應(yīng)水印方法。Barni等人考慮人眼的視覺分布，根據(jù)Lewis等人提出的視覺掩蓋模型實(shí)現(xiàn)水印的自適應(yīng)嵌入，該方法考慮了視覺對(duì)各子帶方向的敏感特性，各子帶的亮度特性和紋理特性，具有很好的效果。Kundur等人利用多尺度融合技術(shù)，結(jié)合人類視覺模型提出一種靜止圖像水印技術(shù)，該方法將Dooley提出的對(duì)比敏感特性模型擴(kuò)展為二維模型，根據(jù)此模型計(jì)算每個(gè)自帶的對(duì)比敏感系數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)水印的嵌入，在提取水印時(shí)需要原始圖像。隨著水印算法研究的逐漸深入，對(duì)水印的魯棒性要求也越來越高，因此水印算法的研究也與更多的學(xué)科相結(jié)合，如通信與信息理論、圖像與語音處理、信號(hào)檢測(cè)與估計(jì)、數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)、人類視覺與聽覺系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與應(yīng)用、電波傳播等。從國內(nèi)外對(duì)水印的研究來看：變換域的水印技術(shù)是當(dāng)前數(shù)字水印技術(shù)研究的主流。 本課題研究內(nèi)容 本文首先具體分析了圖像預(yù)處理過程及其實(shí)現(xiàn)離散傅立葉變換（DFT），離散余弦變換（DCT），離散小波變換（DWT）三種方式實(shí)現(xiàn)對(duì)水印嵌入并提取的過程，具體內(nèi)容如下：（1） 圖像預(yù)處理： 常用的圖像預(yù)處理手段包括圖像大小的修改、圖像濃度的擴(kuò)展，圖像由彩色差到灰度的轉(zhuǎn)變、圖像二值化、圖像的銳化處理及圖像平滑處理等方法。一般來說任何圖像我們不是拿來就是能用的，很多的圖像都要經(jīng)過預(yù)處理的從而使圖像更適合我們的要求，然后再進(jìn)行水印的嵌入。（2） 離散傅立葉變換（DFT）： 嵌入時(shí)首先通過對(duì)原始圖像（DFT）然后將水印圖像嵌入到經(jīng)過變換后的圖像中，再經(jīng)過反傅里葉變換從而得到嵌入水印后的圖像；提取時(shí)把嵌入水印的圖像進(jìn)行傅里葉變換，從而得到水印圖像。（3） 離散余弦變換（DCT）： 嵌入時(shí)首先把圖像分成無重疊像素塊，再經(jīng)過分塊DCT變換，得到DCT系數(shù)組成的頻率塊，然后將水印圖像放入DCT的頻率塊，完成水印的嵌入，從而得到嵌入水印的圖像；提取時(shí)對(duì)嵌入水印圖像進(jìn)行DCT變換，從而得到水印圖像。（4） 離散小波變換（DWT）： 嵌入時(shí)首先對(duì)原始圖像進(jìn)行一級(jí)小波變換得到原始圖像的小波系數(shù)列，再對(duì)水印圖像進(jìn)行一級(jí)小波變換，得到水印圖像小波系數(shù)列，然后采用乘性將水印圖像小波系數(shù)列插回原始圖像的系數(shù)列中去，對(duì)得到的新的系數(shù)列進(jìn)行逆小波變換得到嵌入水印后的圖像；提取時(shí)對(duì)嵌入水印圖像做相應(yīng)的三級(jí)變換，然后利用逆小波變換進(jìn)行重構(gòu)得到了水印圖像。2 數(shù)字水印技術(shù)理論概述 數(shù)字水印（Digital Watermark）技術(shù)是將與多媒體內(nèi)容相關(guān)或不相關(guān)的一些標(biāo)示信息直接嵌入多媒體內(nèi)容當(dāng)中，但不影響原內(nèi)容的使用價(jià)值，并不容易被人的知覺系統(tǒng)覺察或注意到。通過這些隱藏在多媒體內(nèi)容中的信息，可以確認(rèn)內(nèi)容創(chuàng)建者、購買者，或者驗(yàn)證內(nèi)容是否真實(shí)完整。與水印相近或關(guān)系密切的概念有很多，從目前出現(xiàn)的文獻(xiàn)中看，已經(jīng)有諸如信息隱藏 （Information Hiding ）、信息偽裝（Steganography ）、數(shù)字水?。―igital Watermarking ）和數(shù)字指紋（Fingerprinting ）等概念。（1）安全性：數(shù)字水印的信息應(yīng)是安全的，難以篡改或偽造，同時(shí)，應(yīng)當(dāng)有較低的誤檢測(cè)率，當(dāng)原內(nèi)容發(fā)生變化時(shí)，數(shù)字水印應(yīng)當(dāng)發(fā)生變化，從而可以檢測(cè)原始數(shù)據(jù)的變更；當(dāng)然數(shù)字水印同樣對(duì)重復(fù)添加有有強(qiáng)的抵抗性。（2）隱蔽性：數(shù)字水印應(yīng)是不可知覺的，而且應(yīng)不影響被保護(hù)數(shù)據(jù)的正常使用，不會(huì)降質(zhì)。（3）魯棒性： 是指在經(jīng)歷多種無意或有意的信號(hào)處理過程后，數(shù)字水印仍能保持部分完整性并能被準(zhǔn)確鑒別?？赡艿男盘?hào)處理過程包括信道噪聲、濾波、數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換、重采樣、剪切、位移、尺度變化以及有損壓縮編碼等。主要用于版權(quán)保護(hù)的數(shù)字水印屬于魯棒性數(shù)字水?。≧obust Watermarking），而易損水?。‵ragile Watermarking）， 主要用于完整性保護(hù)，這種水印同樣是在內(nèi)容數(shù)據(jù)中嵌入不可見的信息。當(dāng)內(nèi)容發(fā)生改變時(shí)， 這些水印信息會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變，從而可以鑒定原始數(shù)據(jù)是否被篡改。（4）水印容量：嵌入的水印信息必須足以表示多媒體內(nèi)容的創(chuàng)建者或所有者的標(biāo)志信息，或購買者的序列號(hào)，這樣有利于解決版權(quán)糾紛，保護(hù)數(shù)字產(chǎn)權(quán)合法擁