【文章內(nèi)容簡介】 信號進行分層處理 ， 分層可以采用兩目前還沒有成熟的技術(shù)或產(chǎn)品問世 ， 隨 著數(shù)字化產(chǎn)品在中國種方法 ， 一種是采用層疊濾波器(stack filter)的閾值分解技術(shù)的普及 ； 另一種是采用比特位分解 ， 例如住此機遇 ,研制出自己的數(shù)字水印產(chǎn)品 ， 并形成一些標準 ， 然后把其中的某些層作為水印嵌入數(shù)字產(chǎn)品中 。 (2)DCT 域系數(shù)裂解的水印嵌入算法 ， 基于 DCT 變換和小波變換域的水印處理技術(shù)是各國爭相研究的熱點 ， 形成標準的可能性最大 。 (3)將水印處理技術(shù)應(yīng)用到其他領(lǐng)域 ， 如軍事和國防方面 ， 或用水印處理技術(shù)來驗證軍事命令、信息的真實可靠性 ， 并探索該領(lǐng) .域的新技術(shù)和新理論 ， 這對于國防現(xiàn)代化建設(shè)和未來的信息 化、網(wǎng)絡(luò)化戰(zhàn)爭的意義重大。 本課題主要討論問題 本文選擇了數(shù)字 圖像 作為水印載體，選擇了由 Arnold 變換 后的圖像 作為嵌入的水印信號，在 DCT 域進行了水印算法的研究。 本文的主要研究內(nèi)容如下： (1) 水印預(yù)處理： 在水印系統(tǒng)中采用了 Arnold 變換對水印進行置亂。 (2) 研究基于 Arnold 變換 的 DCT 域 的靜態(tài)圖像水印技術(shù)，提出一種可行的水印嵌入和提取的算法，并利用 MATLAB 編程仿真，驗證其可行性。 并 對上述水印算法的性能進行評估：嵌入水印圖像對原圖像引起的失真的主 客觀評估；水印受到各種攻擊下的穩(wěn)健性的評估 。 西安文理學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 3 頁 第二章 數(shù)字水印基本原理 信息隱藏 信息隱藏，也稱為信息偽裝（ Steganography） ，該單詞來源于古希臘，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密的文件內(nèi)容之中。密碼學是研究如何保護消息內(nèi)容的，而偽裝術(shù)是專門研究如何隱藏它們的存在性。 數(shù)字水印技術(shù)的基本思想源于古代的偽裝術(shù)（密寫術(shù)）。古希臘的斯巴達人曾將軍事情報刻在普通的木板上，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。使用最廣泛的密寫方法恐怕要算化學密寫了，牛奶、白礬、果汁等都曾充當過密寫藥水的角色。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，人類早期使用的保密通信手段大多數(shù)屬于密寫而不是密碼。但與密碼技術(shù)相比，密寫術(shù)始終沒有發(fā)展成為一門獨立的學科，其中的主要原因是密寫術(shù)缺乏必要的理論基礎(chǔ)。 日常生活中為了鑒別紙幣的真?zhèn)?，人們通常將紙幣對著光源，會發(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”。之所以采用水印技術(shù)是因為水印有其獨特的性質(zhì)：第一水印是一種幾乎不可見的印記，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、護照、發(fā)票等重要印刷品中，長期以來判定印刷品真?zhèn)蔚囊粋€重要手段就是檢驗它是否包含水印。 現(xiàn)今數(shù)字時代的到來，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人的日常生活。如何保護這些與我們息息相關(guān)的數(shù)字產(chǎn)品，如版權(quán)保護、信息安全、數(shù)據(jù)認證以及訪問控制等等，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諸如數(shù)字圖像、數(shù)字音樂 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。 西安文理學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 4 頁 數(shù)字水印 所謂數(shù)字水?。?Digital Watermark）技術(shù)是指用信號處理的方法在數(shù)字化的多媒體數(shù)據(jù)中嵌入隱蔽的標記，這種標記通常是不可見的，只有通過專用的檢測器或閱讀器才能提取。 數(shù)字水印中包含音像作品的版本、創(chuàng)作者、擁有者、發(fā)行人等信息，數(shù)據(jù)量并不大，一般控制在 100 位以內(nèi)，與動輒上兆字節(jié)的音樂、影視文件相比猶如藏在草堆中的一根針。 數(shù)字水印技術(shù)利用數(shù)字作品中普遍存在的冗余數(shù)據(jù)與隨機性，向數(shù)字作品中加入不易察覺但可以判定區(qū)分的秘密 信息水 印 (Watermark)，從而起到保護數(shù)字作品版權(quán)或完整性的作用，其作為多媒體領(lǐng)域中知識產(chǎn)權(quán)保護的有效手段，正得到廣泛的研究與應(yīng)用。這種被嵌入的水印可以是一段文字、標識、序列號等。到目前為止，已經(jīng)有許多文獻 【 34】 對水印的嵌入和提取做過研究，數(shù)字水印的算法多種多樣，大致可以分為空域法和頻域法兩種。變換域法可與數(shù)據(jù)壓縮 國際 標準兼容， 從而實現(xiàn)在壓縮域 (pressed domain)內(nèi)的水印編碼，因而應(yīng)用較多。本文結(jié)合上述思想， 提出了基于 Arnold 變換 的圖像數(shù)字水印算法 。 數(shù)字水印的特 征 嵌入數(shù)字作品中的信息必須具有以下基本特性才能稱為數(shù)字水印： 透明性（ invisibility）：利用人類視覺和聽覺的特性，使帶水印的作品欣賞起來無異于原先的作品。 不可檢測性（ undetectability）：水印作品和普通作品在統(tǒng)計噪音分布上不存在區(qū)別，攻擊者無法用統(tǒng)計學方法確定水印的位置。 魯棒性（ robustness）：經(jīng)過一些處理（可能的處理包括： 幾何變形 —— 對圖像進行尺寸縮放、剪裁、扭轉(zhuǎn)等。 有損壓縮 —— 常用的圖形文件格式 JPEG 就屬有損壓縮。它先將圖像用 DCT 函數(shù)轉(zhuǎn)換到頻率 域，然后對其量化，在量化過程中忽略掉一些感知上不重要的成份，以達到壓縮文件尺寸的目的。雖然肉眼看不出來，但經(jīng)過壓縮后的圖像其精度肯定有所降低。 信號處理 —— 如調(diào)整圖像和視頻的對比度、亮度、色度，以及模／數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)／模轉(zhuǎn)換等。），多媒體數(shù)據(jù)發(fā)生一定程度的變化后，版權(quán)所有者仍然可以證明水印的存在。 西安文理學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 5 頁 安全性（ security）：具有較強的抗攻擊能力，能夠承受一定程度的人為攻擊，而暗藏的水印不被破壞。 數(shù)字水印的分類 數(shù)字水印技術(shù)從不同的角度有下面的一些劃分方法。 按特性劃分 按水印的 特性可以將數(shù)字水印分為魯棒數(shù)字水印和脆弱數(shù)字水印 、可見水印和不可見水印 。 1) 魯棒數(shù)字水印 魯棒數(shù)字水印主要用于在數(shù)字作品中標識著作權(quán)信息，它要求嵌入的水印能夠經(jīng)受各種常用的編輯處理。 2) 脆弱數(shù)字水印 脆弱數(shù)字水印主要用于完整性保護，脆弱水印必須對信號的改動很敏感，人們根據(jù)脆弱水印的狀態(tài)就可以判斷數(shù)據(jù)是否被篡改過。 3) 可見水印 可見水印：是可以看得見的水印，就像插入或覆蓋在圖像上的標識。 可見水印主要應(yīng)用于圖像，比如用來可視地標識那些可在圖像數(shù)據(jù)庫中得到的或在 inter 上得到的圖像的預(yù) 覽來防止這些圖像被用于商業(yè)用途。當然也可用于視頻和音頻，比如電臺播放廣告，廣告商為了維護權(quán)益，會在錄音時錄入某一特殊聲音，從而從播放的廣告中這一聲音出現(xiàn)的次數(shù)來判斷電臺是否執(zhí)行了合同。 4) 不可見水印 不可見水?。阂环N應(yīng)用更加廣泛的水印，表面不可察覺，當發(fā)生版權(quán)糾紛時，所有者可從中提出標記，從而證明物品為某人所有。 不可見水印又可分為：脆弱性水印和穩(wěn)健性水印 。 脆弱性水印或易碎水印 (Fragile watermark):當嵌入水印的載體數(shù)據(jù)被修改時，通過對水印的檢測，可以對載體是否進行了修改或進行了何種修 改進行判定。 易碎水印的特性：水印在通?；蛱囟ǖ母兄獥l件下不可見；水印能被最普通的數(shù)字信號處理技術(shù)改變；未經(jīng)授權(quán)者很難插入一個偽造的水印；授權(quán)者可很容易的提取出水??；從提取出的水印中可以得到載體的那些部分發(fā)生改變。上述屬性在特西安文理學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 6 頁 定的應(yīng)用環(huán)境下不一定都回滿足。 穩(wěn)健性水印 (Robust watermark):是指加入的水印不僅能抵抗非惡意的攻擊，而且要求能抵抗一定失真內(nèi)的惡意攻擊，并且一般的數(shù)據(jù)處理不影響水印的檢測。 穩(wěn)健性水印的特性：水印在通?；蛱囟ǖ臈l件下不可感知；嵌入水印的載體信號經(jīng)過普通的信號處理或惡意 攻擊后，水印仍可保持在信號中；未經(jīng)授權(quán)者很難檢測出水?。皇跈?quán)者很容易檢測出水印。 按水印所附載的媒體劃分 按水印所附載的媒體，數(shù)字水印分為圖像水印、音頻水印、視頻水印、文本水印以及用于三維網(wǎng)格模型的網(wǎng)格水印等。 按檢測過程劃分 按水印的檢測過程將數(shù)字水印分為明文水印和盲水印。 非盲水?。涸跈z測過程中需要原始數(shù)據(jù)和原始水印的參與 。 半盲水?。涸跈z測過程中不需要原始數(shù)據(jù)，但需要原始水印來進行檢測 。 盲水印：檢測只需要密鑰，既不需要原始數(shù)據(jù)，也不需要原始水印。 明文水印在檢測過程中需要 原始數(shù)據(jù)，而盲水印的檢測只需要密鑰 ,不需要原始數(shù)據(jù)。一般明文水印的魯棒性比較強，但其應(yīng)用受到存儲成本的限制，目前學術(shù)界的研究的水印大多數(shù)為半盲水印和盲水印。 按內(nèi)容劃分 按數(shù)字水印的內(nèi)容可以將水印劃分為有意義水印和無意義水印。 1) 有意義水印 有意義水印是指水印本身也是某個數(shù)字圖像（如商標）或數(shù)字音頻片段的編碼。 2) 無意義水印 無意義水印則只對應(yīng)于一個序列號。 有意義水印如由于受到攻擊或其他原因致使解碼后的水印破損，人們?nèi)匀豢梢酝ㄟ^視覺觀察確認是否有水印。但對于無意義水印來說，如果解 碼后的水印序列有若干碼元錯誤，則只能通過統(tǒng)計決策來確定信號中是否含有水印。 西安文理學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 7 頁 按用途劃分 不同的應(yīng)用需求造就了不同的水印技術(shù)。 按水印的用途，我們可以將數(shù)字水印劃分為票據(jù)防偽水印、版權(quán)保護水印、篡改提示水印和隱蔽標識水印 。 1） 票證防偽水印 票證防偽水印是一類比較特殊的水印，主要用于打印票據(jù)和電子票據(jù)、各種證件的防偽。一般來說，偽幣的制造者不可能對票據(jù)圖像進行過多的修改，所以，諸如尺度變換等信號編輯操作是不用考慮的。但另一方面，人們必須考慮票據(jù)破損、圖案模糊等情形，而且考慮到快速檢測的要求，用 于票證防偽的數(shù)字水印算法不能太復(fù)雜。 2） 版權(quán)標識水印 版權(quán)標識水印是目前研究最多的一類數(shù)字水印。數(shù)字作品既是商品又是知識作品，這種雙重性決定了版權(quán)標識水印主要強調(diào)隱蔽性和魯棒性，而對數(shù)據(jù)量的要求相對較小。 3） 篡改提示水印 篡改提示水印是一種脆弱水印，其目的是標識原文件信號的完整性和真實性。 4） 隱蔽標識水印 隱蔽標識水印的目的是將保密數(shù)據(jù)的重要標注隱藏起來，限制非法用戶對保密數(shù)據(jù)的使用。 按水印隱藏的位置劃分 按數(shù)字水印的隱藏位置劃分為時域數(shù)字水印、頻域數(shù)字水印、時 /頻域數(shù)字水印和時間 /尺度域數(shù)字水印。 時域數(shù)字水印是直接在信號空間上疊加水印信息，而頻域數(shù)字水印、時 /頻域數(shù)字水印和時間 /尺度域數(shù)字水印則分別是在 DCT 變換域、時 /頻變換域和小波變換域上隱藏水印。 隨著數(shù)字水印技術(shù)的發(fā)展，各種水印算法層出不窮，水印的隱藏位置也不再局限于上述四種。實際上只要構(gòu)成一種信號變換，就有可能在其變換空間上隱藏水印。 西安文理學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 8 頁 數(shù)字水印基本算法 近年來，數(shù)字水印技術(shù)研究取得了很大的進步，下面對一些典型的算法進行了分析，除特別指明外，這些算法主要針對圖象數(shù)據(jù)。 空域算法 該類算法包括 文本水印算法、 Schyndel 算法和 Patchwork 算法等。其中 Schyndel算法 【 5】 被認為是一篇具有歷史價值的文獻，它是第一篇在主要會議上發(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的通用方法（相關(guān)性檢測方法），此算法首先把一個密鑰輸入一個 m序列（ maximumlength random sequence）發(fā)生器來產(chǎn)生水印信號，然后此 m序列被重新排列成 2 維水印信號，并按象素點逐一插入到原始圖象象素值的最低位。由于水印信號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，因此也是不強壯的； Patchwork算法 【 6,7】 提出了一種基于改變圖象數(shù)據(jù)統(tǒng)計特性的水印算法，該算法首先隨機選取 N對象素點，然后通過增加象素對中一個點的亮度值，而相應(yīng)降低另一個點的亮度值的調(diào)整來隱藏信息。為增加其水印的魯棒性，文中還把象素對擴展為小塊的象素區(qū)域 (如 8x8)，通過增加一個區(qū)域中的所有象素點的亮度值而相應(yīng)減少對應(yīng)區(qū)域中所有象素點的亮度值的調(diào)整來隱藏信息 ， 但該算法嵌入碼低，且對串謀攻擊抵抗力弱。 變換域算法 該類算法 【 8,9】 中，大部分水印算法采用了擴展頻譜 通信 (spread spectrum munication)技術(shù)。 算法實現(xiàn)過程為：先計算圖像的離散余弦變換 (DCT)，然后將水印疊加到 DCT域中幅值最大的前 k 系數(shù)上 (不包括直流分量 )，通常為圖像的低頻分量。若 DCT 系數(shù)的前 k 個最大分量表示為 D={ di }， i=1 ，? ， k，水印是服從高斯分布的隨機實數(shù)序列 W ={ wi }， i=1 ，? ， k，那么水印的嵌入算法為 di = di(1 + awi)，其中常數(shù)a 為尺度因子，控制水印添加的強度。然后用新的系數(shù)做反變換得到水印圖像 I。解碼函數(shù)則分別計 算原始圖像 I 和水印圖像 1I 的離散余弦變換，并提取嵌入的水印 1W ，再做相關(guān)檢驗 ,以確定水印的存在與否。該方法即使當水印圖像經(jīng)過一些通用的幾何變形和信號處理操作而產(chǎn)生比較明顯的變形后仍然能夠提取出一個可信賴的水印拷貝。一個簡單改