【正文】 plementarily for the traditional cryptography technology, is getting more and more interest and playing a more and more important role now. My work in this paper is mainly about :(1) a survey of the research and the progress in the domestic and aboard field of digital image watermark has been made on the basis of the large number of collective literature。 本文主要 做了如下 工作 :(1) 收集和整理了大量資料，總結(jié)了近年來國(guó)內(nèi)外在數(shù)字水印領(lǐng)域內(nèi)的研究成果和進(jìn)展 ； (2) 闡述 了 數(shù)字 圖像 水印的基本概念 ， 并 對(duì)水印技術(shù)的各 種 經(jīng)典 算法進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究 ； (3) 提出 了 一種專門用于版權(quán)保護(hù)的數(shù)字圖像水印算法。 它 是 利用人眼視覺冗余， 將數(shù)字、序列號(hào)、文字、圖像標(biāo)志等版權(quán)信息嵌入到 被保護(hù)圖像之中 。 利用數(shù)字圖像水印技術(shù)嵌入的被隱藏信息具有不可見性、魯棒性和安全性等特點(diǎn) ，可以不破壞被保護(hù)圖像的圖像質(zhì)量，同時(shí)使得被保護(hù)圖像在傳播、復(fù)制和非法篡改之后仍然能夠被判斷出其版權(quán)歸屬。在此算法中，以二值 字符（作者簽名信息） 圖像作為水印，具有較強(qiáng)的直觀性 。 (2) a detail introduce to digital image watermark and a systematic research on the various algorithm of digital watermark。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)上也越來越盛行。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)。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。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。 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)?，人們通常將紙幣?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，這就是我們熟悉的 “ 水印 ” 。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)證以及訪問控制等等，就被日益重視及變得迫切需要了。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。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。比如以前的畫家用印章或簽名標(biāo)識(shí)作品的作者，那么今天他可以通過數(shù)字水印將自己的名字添加到作品中來完成著作權(quán)的標(biāo)識(shí)。特別是印章，雖然政府部門對(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 ” 的說法。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入兩次。目前 DVD已經(jīng)火爆國(guó)內(nèi)電子市場(chǎng)，有很多大公司開始研究如何應(yīng)用數(shù)字水印系統(tǒng)改進(jìn) DVD的訪問與復(fù)制控制。 數(shù)字水印技術(shù)還可以應(yīng)用于信息的安全通信。 數(shù)字水印的基本特征 數(shù)字水印須具有以下特性： (1) 不可見性 :就是 不易被察覺，不會(huì)引起原來數(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。 (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。密碼學(xué)是研究如何保護(hù)消息內(nèi)容的，而偽裝術(shù)是專門研究如何隱藏它們的存在性。大約 700年前，在手工造紙技術(shù)中出現(xiàn)了紙張上的水印。尤其是近年來信息隱藏技術(shù)理論框架研究的興起，更給密寫術(shù)成為一門嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)帶來了希望。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。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。同年 12月，由 Fabien A. P. Petit colas等人撰寫的闡述信息隱藏技術(shù)及數(shù)字水印的第一本書， Information Hiding Techniques for Steganography and Digital Watermarking”面世 . 1998年的國(guó)際圖像處理大會(huì)上，還開辟了兩個(gè)關(guān)于數(shù)字水印的專題討論。數(shù)字水印的研究人員也于2021年 1月召開了國(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。隨著對(duì)水印理論和技術(shù)的研究深入化，產(chǎn)業(yè)界對(duì)水印應(yīng)用的重視也在不斷提高。而水印技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化 1作也開始受到重視。 2021 年 1 月，由國(guó)家 “863” 智能機(jī)專家組和中科院自動(dòng)化所模式識(shí)別國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室組織召開了數(shù)字水印學(xué)術(shù)研討會(huì)，來自國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、國(guó)家信息安全測(cè)評(píng)認(rèn)證中心、中國(guó)科學(xué)院、北京郵電大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、清華大學(xué)、北方工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)、 天津大學(xué)、中國(guó)科技大學(xué)、北京大學(xué)、北京理工大學(xué)、中山大學(xué)、北京電子技術(shù)應(yīng)用研究所等單位的專家學(xué)者和研究人員深入討論了數(shù)字水印的關(guān)鍵技術(shù)，報(bào)告了各自的研究成果。此類水印技術(shù)相對(duì)較為簡(jiǎn)單，也較為成熟，形成了比較經(jīng)典的算法。 數(shù)字圖像水印的形式多種多樣，大致可分為數(shù)字、圖像、文字三大類。一般是通過提取出的具有一定分辨率的圖像 作為被保護(hù)數(shù)據(jù)的版權(quán)標(biāo)志，因此通常情況下會(huì)選取數(shù)字產(chǎn)品所有者或發(fā)行商的商標(biāo)圖案作為水印，這類圖案大多具有特定的形狀信息，水印被提取出后只要能夠保留這類信息，即達(dá)到人眼可辨識(shí)的程度，就可以達(dá)到所有權(quán)認(rèn)證的目的。因此與前兩類水印形式相比，這類水印必須嚴(yán)格保證水印在傳輸使用過程中的完整性，一般多用于保密通信之中。最常見的例子是有線電視頻道上所特有的半透明標(biāo)識(shí)，其主要目的在于明確標(biāo)識(shí)版權(quán)，防止非法使用，雖然降低 了資料的商業(yè)價(jià)值，卻無損于所有者的使用。這類水印保證了被保護(hù)圖像的視覺完整性，不損害其畫面質(zhì)量與美觀，在實(shí)際應(yīng)用中具有更大的需求。而易損水印也需要對(duì)圖像操作具有一定的抵抗性，但是與魯棒水印不同的是 :魯棒水印需要盡可能的保留原始水印的信息，而易損水印則只需要一定程度的保留水印的原始信息。而根據(jù)所采用的用戶密鑰的不同又可以分為私鑰 (secretkey)水印和公鑰 (publickey)水印 。根據(jù)這個(gè)流程圖，下文中將對(duì)這三個(gè)部分作 個(gè) 簡(jiǎn)單介紹。因此，水印 的生成是一個(gè)極為重要的步驟。尤其針對(duì)水印為圖像的形式，由于圖像所特有的輪廓特征，使得算法設(shè)計(jì)中為了保持不可見性的要求，可能需要選用比序列和文字形式的水印算法中小的多的強(qiáng)度嵌入水印，這必然會(huì)降低水印的魯棒性。另外，一幅圖像所能容納的水印能量也是有限的，在水印嵌入的算法選擇與設(shè)計(jì)中，是一個(gè)值得注意的問題。當(dāng)水印為序列形式時(shí)，一般通過檢測(cè)提取出的水印與原始水印或者原始圖像的相關(guān)性判定提取出的水印是否為代表版權(quán)標(biāo)記的水印。需要注意的是 :一般會(huì)將提取出的圖像水印做一些圖像處理增強(qiáng)可辨性 。當(dāng)提取時(shí)需要原始圖像時(shí)，即非盲水印方案中，是通過原始圖像與水印化圖像的比較來獲取嵌入的水印 。 南湖學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 典型數(shù)字水印算法 近幾年來 ， 數(shù)字水印技術(shù)研究取得了很大的進(jìn)步 。其中 Schyndel 算法被認(rèn)為是一篇具有歷史價(jià)值的文獻(xiàn)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 相關(guān)性檢測(cè)方法，此算法首先把一個(gè)密鑰輸入一個(gè)m 序列（ maximumlength random sequence） 發(fā)生器來產(chǎn)生水印信號(hào)然后此 m序列被重新排列成 2 維水印信號(hào)并按 像素 點(diǎn)逐一插入到原始圖像 像素 值的最低位由于水印信號(hào)被安排在了最低位上 ， 它是不可見的 ， 基于同樣的原因 ， 它可以輕易地被移去 ， 因此也是不強(qiáng)壯的。 1995 年 Bender 等人提出了圖像水印的 Patchwork 算法 一種基于改變圖像數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)特性的水印算法 。 這個(gè)方法是基于圖像的紋理結(jié)構(gòu)的 ， 因而很難察覺水印。 提取 時(shí)則選取相同的 DCT 系數(shù) ，并根據(jù)系數(shù)之間的關(guān)系抽取比特信息 。 再次有些變換對(duì)某些變化有著固有的魯棒性 ， 比如 DFT 具有仿射不變性 ， 對(duì)圖像的空間坐標(biāo)平移不敏感 ， 因而可以利用它來恢復(fù)經(jīng)過了仿射變化的圖像當(dāng)中的水印 。 這樣攻擊者在破壞水印的過程中不可避免地會(huì)引起 圖像 質(zhì)量的嚴(yán)重下降 ， 基于同樣的道理 ， 一般的 圖像 處理技術(shù)也并不去改變這部分?jǐn)?shù)據(jù) ， 水印的強(qiáng)壯性大大提高。 擴(kuò)展頻譜通信與一般常見的窄帶通信方式相反 ， 是在擴(kuò)展頻譜后寬帶通訊再作相關(guān)處理 ， 恢復(fù)成窄帶后解調(diào)數(shù)據(jù) ， 具有偽隨機(jī)編碼調(diào)制和信號(hào)相關(guān)處理兩大特點(diǎn) ， 有諸如抗干擾抗噪音 ， 有保密性 、 高精度測(cè)量等等許多優(yōu)點(diǎn)。 該算法具有較強(qiáng)的魯棒性 、 安全性 、 透明性等 。 利用視覺模型， 等人實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于小波分解框架的數(shù)字水印算法，近年來已有越來越多的水印算法開始考慮利用人類視覺系統(tǒng)（ Human Visual System） 的屏蔽特性 ，它們的基本思想均是利用從視覺模型導(dǎo)出的 JND(Just Noticeable Difference)描述來確定在圖像的各個(gè)部分所能容忍的數(shù)字水印信號(hào)的最大強(qiáng)度，從而能避免破壞視覺質(zhì)量，也就是說利用視覺模型來確定與圖像相關(guān)的調(diào)制掩模，然后再利用其來插入水印，這一方法同時(shí)具有好的透明性和強(qiáng)健性 。 MPEG2數(shù)據(jù)流可分為數(shù)據(jù)頭信息、運(yùn)動(dòng)向量 (用于運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償 )和 DCT編碼信號(hào)塊 3部分，該算法只有 DCT編碼信號(hào)塊被改變。如何保護(hù)自己的數(shù)字圖像版權(quán)與切身利益呢？在前人的研究基礎(chǔ)上，本章提出了一種基于 DCT變換域算法的數(shù)字圖像水印，以作者個(gè)性簽名的二值圖像為水印，嵌入到原始圖像中去，實(shí)現(xiàn)圖像版權(quán)保護(hù)功能。在水印嵌入前要對(duì)原始圖像做一下處理，將 256 256 的原始圖像分割成互不重疊的 8 8 像素塊，每一個(gè) 8 8 像素塊作為一個(gè)數(shù)據(jù)單元，可算得，原始圖像共有 1024 個(gè)這樣的數(shù)據(jù)單元。再將水印根據(jù)位置記錄 T f 嵌入到原始圖像的頻域矩陣中，得到新的頻域矩陣 A39。再采用非盲水印提取法，比較水印化圖像與原始圖像，進(jìn)而判斷水印的各個(gè)像素的灰度值（二值），最終提取出水印圖像。本文 采取的是 最優(yōu)的階梯型邊緣檢測(cè)算法 (canny 邊緣檢測(cè) )。 3) 類似與 Marr（ LOG） 邊緣檢測(cè)方法，也屬于先平滑后求導(dǎo)數(shù)的方法。 在每一點(diǎn)上，鄰域的中心 像素 M與沿著梯度線的兩個(gè) 像素 相比。 這里采用 雙閾值算法選取閾值 。 (3) 邊緣算子應(yīng)滿足的準(zhǔn)則 1） 信噪比準(zhǔn)則 ???? ??wwwwdxxfndxxfxG2120 ])([)()(S NR ( f ) （ ） 南湖學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 18 其中， f(x)是邊界 [w w]濾波器的脈 沖響應(yīng)。39。 3） 單邊緣響應(yīng)準(zhǔn)則 要求 f 對(duì)噪聲的響應(yīng)中兩個(gè)相鄰最大值間距離 ),(max fx f 的零交叉點(diǎn)平均距離是xd ，兩者關(guān)系如下： kwxfx d ?? 2)(m ax ； k是小于 1的系數(shù)， xd = 21239。邊緣檢測(cè)算法的優(yōu)劣也可用品質(zhì)因數(shù) ( Figure of Merit)來描述。任何連續(xù)的實(shí)對(duì)稱函數(shù)的付立葉變換中只含余弦項(xiàng)，因此余弦變換與付立葉變換一樣有明確的物理意義。到達(dá)接收端后通過反離散余弦變換回到樣值，雖然會(huì)有一定的失真，但人眼是可以接 受的。譬如當(dāng) U=0， V=0 時(shí) F(0， 0)是原 64個(gè)樣值的平均，相當(dāng)于直流分量， 而能量主要 集中在直流分量上即低頻部分。把它們稱為基本圖像是因?yàn)樵陔x散余弦變換的反變換式中，任何像塊都可以表示成 64 個(gè)系數(shù)的不同大小的組合。而能量主要集中在直流分量上即低頻部分。圖 是原始圖像通過 canny 算子得到的邊緣圖像。比較水印化圖像與原始圖像，可發(fā)現(xiàn)，就人眼觀察，兩者的差別很小，這就證明了本文的水印算法達(dá)到了不可見性的要求。 圖 4. 1 原始圖像 圖 4. 2 邊緣檢測(cè)圖 圖 4. 3 水印化圖像 圖 4. 4 原水印 圖 4. 5 提取出的水印 圖 4. 6 攻擊后的水印化圖像 南湖學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 21 8 8 分 塊 D C T原 始 圖 像邊 緣 檢 測(cè)確 定 水 印 嵌入 區(qū) 域水 印 嵌 入簽 名 水 印8 8 分 塊 I D C T得 到 水 印 化 圖 像采 用 非 盲 水 印 法 提 取 水 印提