【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 隨著技術(shù)交流的加快和數(shù)字水印技術(shù)的迅速發(fā)展，國(guó)內(nèi)一些研究所和高校也逐步從技術(shù)跟蹤轉(zhuǎn)向深入研究。其中比較具有代表性的有哈爾濱工業(yè)大學(xué)、天津大學(xué)、北京郵電大學(xué)等，它們都是國(guó)內(nèi)較早投入水印技術(shù)研究，而且取得較 好成績(jī)的單位 。 對(duì)于圖像水印技術(shù)的歷史大概可以分為兩個(gè)階段： 第一個(gè)階段是使用無(wú)意義水印，如偽隨機(jī)序列或用戶 ID 號(hào)作為水印嵌入載體圖像中，如果提取后的 水印序列有若干錯(cuò)誤，則只能通過(guò)統(tǒng)計(jì)決策來(lái)確定載體中是否含有水??； 第二個(gè)階段是采用有意義的圖像作為水印嵌入載體圖像中，采用有意義的圖像作為水印，在水印的檢測(cè)過(guò)程中，如果受到攻擊或其它原因致使提取后的水印破損，人們?nèi)匀豢梢酝ㄟ^(guò)視覺(jué)、聽覺(jué)確認(rèn)是否含有水印。梅蕤蕤等提出的一種彩色圖像自適應(yīng)數(shù)字水印算法。鄭江濱等提出的基于彩色分量 DCT 域的數(shù)字圖像水印。凌賀飛等 人 提出的基于 YCbCr 顏色空間的二維 DCT 彩色圖像數(shù)字水印實(shí)用技術(shù)。 這些 都是采用有意義的圖像作為水印 信息嵌入載體圖像 ，而且載體使用了彩色圖像，使得水印技術(shù)更具有實(shí)用意義 。 我國(guó)于 1999 年 12 月 11 日，由北京電子技術(shù)應(yīng)用研究所組織，召開了第一 屆信息隱藏學(xué)術(shù)研討會(huì)，至 今已成功的舉辦了六屆，很大程度上推進(jìn)了國(guó)內(nèi)水印技術(shù)的研究與發(fā)展。 同時(shí)，國(guó)家對(duì)信息安全產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展也非常重視，在 2020 年的‘ 科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金若干重點(diǎn)項(xiàng)目指南》中，明確指出了對(duì)于 數(shù)字產(chǎn)品產(chǎn)權(quán)保護(hù) (基于數(shù)字水印、信息隱藏、或者網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證等先進(jìn)技術(shù) )和 個(gè)性 化產(chǎn)品 (證件 )的防偽 (基于水印、編碼等技術(shù) )等多項(xiàng)防盜版和防偽技術(shù)予以重點(diǎn)支持。為推動(dòng)我國(guó)在數(shù)字水印這一國(guó)際前沿領(lǐng)域的發(fā)展，促進(jìn)我國(guó)研究人員在此領(lǐng)域的交流與合作， 2020 年 10 月 12 日至 14 日由中國(guó)圖象圖形學(xué)學(xué)會(huì)主辦，中科院自動(dòng)化所協(xié)辦的第十二屆全國(guó)圖象圖形學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議在北京西郊賓館召開，會(huì)議上再次強(qiáng)調(diào)了數(shù)字水印技術(shù)在數(shù)字產(chǎn)品產(chǎn)權(quán)保護(hù)方面的 重要性。 天津工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文 4 當(dāng)前研究存在的問(wèn)題 作為國(guó)際學(xué)術(shù)界新興的研究領(lǐng)域，數(shù)字水印在近十幾年中己經(jīng)得到了迅速發(fā)展，但仍然發(fā) 展 不 成熟，尚有許多問(wèn)題 有待解決 ， 理論基礎(chǔ) 依舊 薄弱，大多數(shù) 水印算法還是經(jīng)驗(yàn)性的。 認(rèn)清當(dāng)前 數(shù)字水印 研究存在的問(wèn)題對(duì)于指導(dǎo)水印 算法的快速穩(wěn)步的發(fā)展 有著重要意義。 對(duì)于水印系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)，部分學(xué)者已經(jīng)做了一些初步研究，但目前仍缺乏對(duì)水印系統(tǒng)性能進(jìn)行合理評(píng)估的通用標(biāo)準(zhǔn)，包括如何客觀地評(píng)估各種水印算法的性能，如何通過(guò)一套可靠的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)選擇水印方案，并能綜合評(píng)判各種數(shù)字水印算法的優(yōu)劣，如何對(duì)數(shù)字水印的魯棒性進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的攻擊測(cè)試，以及如何對(duì)測(cè)試的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化地分析等。 大多數(shù)水印算法依據(jù)經(jīng)驗(yàn)值對(duì)整幅圖像均用同樣的強(qiáng)度嵌入水印，從而圖像的所有部分嵌入的水印能量均相同。由于沒(méi)有 充分考慮到圖像本身的局部特性和人類的視覺(jué)特征，容易造成某些分塊因嵌入的水印能量過(guò)大而引起了較大的局部失真，而有些分塊因嵌入的水印能量過(guò)小而遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到圖像失真度的下限。 魯棒性和不可感知性是水印的兩個(gè)非常重要特性。從水印技術(shù)被提出以來(lái)，對(duì)這兩個(gè)方面的研究就是水印技術(shù)研究的一個(gè)主題 。 設(shè)計(jì)一個(gè)完整的水印系統(tǒng)時(shí)，必須要在水印的魯棒性、嵌入的水印能量以及不可感知性之間達(dá)到一個(gè)平衡，這是一個(gè)很難的課題。涉及到魯棒性水印算法的設(shè)計(jì)、水印的構(gòu)造和水印能量估計(jì)等方面 。 目前，大多數(shù)水印算法利用經(jīng)驗(yàn)值，而沒(méi)有從理論上解決此問(wèn)題。 研究的若干關(guān)鍵方向 理論研究 理論研究上有以下問(wèn)題很有價(jià)值，值得深入研究： (1) 宿主信號(hào)和嵌入位置的選 擇 。 能否從理論上指導(dǎo)宿主信號(hào) （ 如掩蔽圖像、掩蔽聲音 ） 的選擇， 能否在理論 指導(dǎo) 下 找出水印嵌入的最佳位置等問(wèn)題的研究具有重大意義。 (2) 最大水印嵌 入強(qiáng)度。為了提高水印的抗攻擊能力，希望嵌入的水印強(qiáng)度要盡可能大。 但是 ， 如果水印強(qiáng)度太大，就能在感官上被感覺(jué)出來(lái)，從而破壞載體的質(zhì)量 （ 或引起信息 竊聽者的注意 ） 。 因此，能否從理論上計(jì)算載體可嵌入的且 在感官上不容易察覺(jué)的最大水印強(qiáng)度，以 及對(duì)嵌入水印后的載體質(zhì)量 降低程度的定量評(píng)估等問(wèn)題的研究很有意義。 (3) 水印安全性。 現(xiàn)有的水印算法有很多，但是并沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)能夠證明哪些 水印嵌入算法是安全的，哪些是不安全的，或者哪些是比較安全的。 這方面的理論研天津工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文 5 究也非常有意義 。 (4) 預(yù)處理技術(shù)。對(duì)隱藏載體進(jìn)行濾波、增強(qiáng)、編碼、壓縮、加密、置亂等預(yù)處理和數(shù)字水印嵌入的效果 （ 最大水印嵌入強(qiáng)度、魯棒性等 ） 有很大關(guān)系，目前對(duì)此方面的研究還不夠深入 。 (5) 多 重水印技術(shù)。目前還沒(méi)有一個(gè)水印算法能夠在各種攻擊下具有很強(qiáng)的魯棒性，通過(guò)多次嵌入水印的方法可以提高水印系統(tǒng)對(duì)抗各種攻擊的能力 。 對(duì)多重水印技術(shù)有許多問(wèn)題值得研究 。 應(yīng)用研究 數(shù)字水印技術(shù)的應(yīng)用非常寬廣，目前研究比較活躍的系統(tǒng)有：數(shù)字作品電子交易系統(tǒng)、數(shù)字圖書館電子資源水印保護(hù)系統(tǒng)、票據(jù)防偽水印系統(tǒng)、身份證水印防偽系統(tǒng)等。隨著電子商務(wù)和電子政務(wù)的逐漸開展，如何綜合應(yīng)用數(shù)字水印技術(shù)和密碼技術(shù)解決電子商務(wù) 和電子政務(wù)中的信息安全問(wèn)題急待深入研究。 針對(duì)不同的應(yīng)用制定相應(yīng)的水印標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)水印系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用非常必要。數(shù)字水印要得到更廣泛的應(yīng)用必須建立一系列的標(biāo)準(zhǔn)或協(xié)議，如加載或嵌入水印的標(biāo)準(zhǔn)，水印的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)等，各種水印算法的評(píng)價(jià)都應(yīng)該是建立在標(biāo)準(zhǔn)之上 。 標(biāo)準(zhǔn)化工作的基礎(chǔ)是科學(xué)的測(cè)評(píng)體系，如果沒(méi)有公認(rèn)的、符合需求的測(cè)評(píng)指標(biāo)，各種技術(shù)方案之間就無(wú)從比較優(yōu)劣，更談不上形成統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。然而在數(shù)字水印技術(shù)的研究中，至今沒(méi)有一個(gè)為大家所接受的、統(tǒng)一的評(píng)價(jià)體系。水印測(cè)試不僅要通過(guò)攻擊實(shí)驗(yàn)，而且還要對(duì)提交的算法進(jìn)行技術(shù)上的分析 。 為了建立科學(xué)的測(cè)評(píng)體系，必須有一個(gè)兼容各種信息隱藏與攻擊算法的統(tǒng)一的理論框架，并基于這個(gè)理論框架構(gòu)建定量測(cè)評(píng)的理論基礎(chǔ)，確立各種測(cè) 評(píng)指標(biāo)及其理論 值。 水印應(yīng)用的研究還包括水印協(xié)議的研究 。水印協(xié)議又分為水印生成協(xié)議、水印嵌入?yún)f(xié)議等。一些具體應(yīng)用 系統(tǒng)的協(xié)議已經(jīng)在研究 中 ，但水印協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化還沒(méi)有進(jìn)行。 本文主要研究的內(nèi)容與結(jié)構(gòu) 本課題研究的數(shù)字水印技術(shù)原理，關(guān)鍵問(wèn)題是對(duì)基于 彩色空間轉(zhuǎn)換、人眼視覺(jué)特性[HVS]空域數(shù)字水印的實(shí)現(xiàn)及如何提高魯棒性。 本文隨后章節(jié)組織如下： 第一章， 緒論。簡(jiǎn)要介紹了課題的背景和研究意義； 結(jié)合國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，詳細(xì)介紹了數(shù)字水印系統(tǒng)當(dāng)前存在的問(wèn)題及研究的若干關(guān)鍵方向。 第二章， 數(shù)字水印技術(shù)概述。系統(tǒng)介紹了數(shù)字水印技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)，首先介紹了數(shù)字水印原理，包括數(shù)字水印的基本特性、分類、攻擊類型等。接著詳細(xì)介紹圖像數(shù)字水印系統(tǒng)的基礎(chǔ) 原理， 并對(duì)典型的圖像水印算法進(jìn)行了天津工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文 6 介紹和分析。 第三章， Matlab 簡(jiǎn)介。 Matlab 為本課題的軟件開發(fā)環(huán)境，為下一章的實(shí)驗(yàn)順利完成做準(zhǔn)備。 第四章， 理論研究 。主要 介紹 本課題 所 采用的水印嵌入、提取以及檢驗(yàn) 理論，為下一章實(shí)驗(yàn)分析做準(zhǔn)備。 第五章， 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析。本章是實(shí)驗(yàn)部分，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括：對(duì)本文的算法進(jìn)行水印嵌入、提取實(shí)驗(yàn)，測(cè)試水印的不可見性；對(duì)含水印的圖像進(jìn)行常見的攻擊測(cè)試，如剪切、縮放、壓縮等，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析。 天津工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文 7 第二章 數(shù)字水印技術(shù)概述 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(lái)，這就是我們所熟悉的“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，不可見性，必須放置于特定環(huán)境下菜能被看到，不影響物品的使用；第二，復(fù)雜性，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。因此水印也常被應(yīng)用于諸如支票、證書、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)蔚囊环N重要手段就是檢驗(yàn)它是否包含水印。 隨著信息時(shí)代的到來(lái)，多媒體信息的交流達(dá)到了前所未有的深度和廣度，其發(fā)布形式愈加豐富，數(shù)字產(chǎn)品幾乎影響到每一個(gè)人的日常生活。多媒體數(shù)據(jù)的數(shù)字化為 多媒體信息的存取提供了極大的便利，同時(shí)也極大地提高了信息表達(dá)的效率和準(zhǔn)確性。隨著網(wǎng)絡(luò)的日益普及，人們可以通過(guò) Inter 網(wǎng)發(fā)布自己的作品，傳遞重要信息，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)貿(mào)易等。但是其暴露出的問(wèn)題也十分明顯：作品侵權(quán)更加容易，篡改更加方便。如何既充分利用 Inter 網(wǎng)的便利，又能有效地保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)，已受到人們的高度重視。 數(shù)字水?。?digital watermarking）是實(shí)現(xiàn)版權(quán)保護(hù)的有效辦法，已成為多媒體信息安全研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)，也是信息隱藏技術(shù)研究領(lǐng)域的重要分支。它通過(guò)在原始數(shù)據(jù)中嵌入秘密信息 —— 水 ?。?watermark）來(lái)證實(shí)該數(shù)據(jù)的所有權(quán)。被嵌入的水印可以是一段文字、標(biāo)識(shí)、序列號(hào)等。水印通常是不可見或不可察，它與原始數(shù)據(jù)（如圖象、音頻、視頻數(shù)據(jù)等）緊密結(jié)合并隱藏其中，成為源數(shù)據(jù)不可分離的一部分，并可以經(jīng)歷一些不破壞源數(shù)據(jù)使用價(jià)值或商用價(jià)值的操作而存活下來(lái)。 數(shù)字水印技術(shù)除具備信息隱藏技術(shù)的一般特點(diǎn)外，還有著其固有的特點(diǎn)和研究方法。例如，從信息安全的保密角度而言，隱藏的信息如果被破壞掉，系統(tǒng)可以視為安全的，因?yàn)槊孛苄畔⒉⑽葱孤?；但是，在?shù)字水印系統(tǒng)中，隱藏信息的丟失意味著版權(quán)信息的丟失，從而失去了版 權(quán)保護(hù)的功能，這一系統(tǒng)就是失敗的。因此 數(shù)字水印技術(shù)必須具有較強(qiáng)的安全性、隱蔽性和魯棒性 。 本章介紹數(shù)字水印的基礎(chǔ)知識(shí)、數(shù)字水印基本原理，包括特性、分類等，并對(duì)典型數(shù)字水印算法進(jìn)行了介紹、分析。 天津工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文 8 數(shù)字水印原理 數(shù)字水印基本特性 數(shù)字水印的思想雖然簡(jiǎn)單，但是要達(dá)到應(yīng)用的目的，就必須滿足一定的性能指標(biāo)，其中相對(duì)重要的特性包括： （ 1） 保真性：又常稱為不可感知性或透明性。 指 因 水印嵌入導(dǎo)致宿主信號(hào)質(zhì)量變化的程度。鑒于宿主信號(hào) 大 多是 供人們觀賞 的 多媒體數(shù)據(jù) ，水印應(yīng)具有很高的保真性，同時(shí)也 增加了水印自身的安全 性。不可感知性包含兩方面的意思，一方面指視覺(jué)上的不可見性，即嵌入水印后不 能導(dǎo)致圖像質(zhì)量在視覺(jué)上發(fā)生明顯地變化； 另一方面，用統(tǒng)計(jì)方法是不能恢復(fù)水印。 （ 2） 魯棒性： 指水印在媒體數(shù)據(jù)編輯、處理過(guò)程中的生存能力。媒體數(shù)據(jù)的各種操作會(huì)導(dǎo)致宿主信號(hào)信息損失，從而破壞水印完整性，像壓縮、模糊、剪切、縮放等，也包括一些惡意的攻擊。 （ 3） 信息容量： 指在一定保真度下，水印信號(hào)可傳遞的信息量。 實(shí)際應(yīng)用要求水印可傳送多位信息。但這其實(shí)與保真度又是互相矛盾的 。 （ 4） 安全性：指水印能夠抵御未經(jīng)授權(quán)的人對(duì)水印進(jìn)行攻擊的能力。這些攻擊指專門為了阻礙水 印發(fā)揮作用的處理行為，主要的攻擊類型有三種：一類是 未經(jīng)授權(quán)的刪除， 指阻止檢測(cè)出作品中水印的攻擊；另一類是 未經(jīng)授權(quán)的嵌入（偽造 ），指把不合法的水印嵌入到不應(yīng)含有該水印的作品中的行為；第三類是 未經(jīng)授權(quán)的檢測(cè)。 （ 5） 錯(cuò)警率： 指在不含水印的宿主信號(hào)中，錯(cuò)誤地檢測(cè)出水印的概率， 其中也包括在含水印的宿主信號(hào)中，未檢測(cè)出水印的概率。很顯然，只有錯(cuò)警率足夠 低，系統(tǒng)才能安全可靠地使用 。 設(shè)計(jì)水印必須圍繞上述性能指標(biāo)選擇合適的技術(shù)。有些特性之間是不相容的，如保真性、魯棒性和信息容量三者之間，必須做權(quán)衡的考慮。 數(shù)字水印分類 數(shù) 字水印技術(shù)可以從 各種 不同的角度進(jìn)行分類 。 （ 1） 按特性分類 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)字水印兩類： 魯棒數(shù)字水印主要 用于在數(shù)字作品中標(biāo)識(shí)著作權(quán)信息，脆弱數(shù)字水印主要用于完整性保護(hù)。 （ 2） 按水印所附載的媒體分類 按水印所附載的媒體，數(shù)字水印劃分為圖像水印、音頻水印、視頻水印、文檔水印、軟件水印以及用于三維網(wǎng)格模型的網(wǎng)格水印等。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，會(huì)有更多種類的天津工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文 9 數(shù)字媒體出現(xiàn)，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的水印 技術(shù)。 （ 3） 按檢測(cè)過(guò)程分類 按水印的檢測(cè)過(guò)程可以將數(shù)字水印劃分為明文水印和盲水印。明文水印在檢 測(cè)過(guò)程中需要原 始資料，而盲水印的檢測(cè)只需要密鑰，不需要原始資料。 （ 4） 按內(nèi)容分類 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(wú)意義水?。幸饬x水印是指水印本身也是數(shù)字圖像或數(shù)字音頻。 （ 5） 按用途分類 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，可以將數(shù)字水印 劃分為票據(jù)防偽水印、版權(quán)保護(hù)水印、篡改提示水印和隱蔽標(biāo)識(shí)水印。 （ 6） 水印隱藏的位置分類 按數(shù)字水印的隱藏位置，可以將其劃分為時(shí) (空 )域數(shù)字水印、頻域數(shù)字水印、時(shí)／頻域數(shù)字水印等。 （ 7） 從外觀上分類 水印從外觀上可分為兩類：可見水印和不可見水?。蛘咭部梢哉f(shuō)成可察覺(jué)水印和不可察 覺(jué)水印。 數(shù)字水印系統(tǒng)模型 從圖像處理角度看， 水印的 嵌入可 理解為 在強(qiáng)背景 （ 載體圖像 ） 下疊加一個(gè)弱信號(hào)（ 水印信號(hào) ） ，只要疊加的水印信號(hào)強(qiáng)度低于人類視覺(jué)系統(tǒng) （ HVS） 對(duì)比門限，人類視覺(jué)就無(wú)法感覺(jué)到信號(hào)的存在 。 從數(shù)字通信角度來(lái)看，水印的嵌入可理解為在一個(gè)寬帶信道 （ 載體圖像 ） 上通過(guò)擴(kuò)頻通信，輸一個(gè)窄帶信號(hào) （ 水印信號(hào) ） 。 水印的檢測(cè)是 在一個(gè)有噪聲信道中 檢測(cè) 弱信號(hào)的 問(wèn)題。 數(shù)字水印技術(shù)一般由兩部分組成：