【文章內(nèi)容簡介】 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、天津大學、北京郵電大學等，它們都是國內(nèi)較早投入水印技術(shù)研究，而且取得較 好成績的單位 。 對于圖像水印技術(shù)的歷史大概可以分為兩個階段： 第一個階段是使用無意義水印，如偽隨機序列或用戶 ID 號作為水印嵌入載體圖像中，如果提取后的 水印序列有若干錯誤，則只能通過統(tǒng)計決策來確定載體中是否含有水??； 第二個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，在水印的檢測過程中，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^視覺、聽覺確認是否含有水印。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)更具有實用意義 。 我國于 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 屆信息隱藏學術(shù)研討會，至 今已成功的舉辦了六屆，很大程度上推進了國內(nèi)水印技術(shù)的研究與發(fā)展。 同時，國家對信息安全產(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)新基金若干重點項目指南》中，明確指出了對于 數(shù)字產(chǎn)品產(chǎn)權(quán)保護 (基于數(shù)字水印、信息隱藏、或者網(wǎng)絡(luò)認證等先進技術(shù) )和 個性 化產(chǎn)品 (證件 )的防偽 (基于水印、編碼等技術(shù) )等多項防盜版和防偽技術(shù)予以重點支持。為推動我國在數(shù)字水印這一國際前沿領(lǐng)域的發(fā)展，促進我國研究人員在此領(lǐng)域的交流與合作， 2020 年 10 月 12 日至 14 日由中國圖象圖形學學會主辦，中科院自動化所協(xié)辦的第十二屆全國圖象圖形學學術(shù)會議在北京西郊賓館召開，會議上再次強調(diào)了數(shù)字水印技術(shù)在數(shù)字產(chǎn)品產(chǎn)權(quán)保護方面的 重要性。 天津工業(yè)大學本科畢業(yè)論文 4 當前研究存在的問題 作為國際學術(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)驗性的。 認清當前 數(shù)字水印 研究存在的問題對于指導(dǎo)水印 算法的快速穩(wěn)步的發(fā)展 有著重要意義。 對于水印系統(tǒng)的性能評價，部分學者已經(jīng)做了一些初步研究，但目前仍缺乏對水印系統(tǒng)性能進行合理評估的通用標準，包括如何客觀地評估各種水印算法的性能，如何通過一套可靠的標準來選擇水印方案，并能綜合評判各種數(shù)字水印算法的優(yōu)劣，如何對數(shù)字水印的魯棒性進行標準化的攻擊測試，以及如何對測試的數(shù)據(jù)結(jié)果進行標準化地分析等。 大多數(shù)水印算法依據(jù)經(jīng)驗值對整幅圖像均用同樣的強度嵌入水印，從而圖像的所有部分嵌入的水印能量均相同。由于沒有 充分考慮到圖像本身的局部特性和人類的視覺特征，容易造成某些分塊因嵌入的水印能量過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小而遠遠未達到圖像失真度的下限。 魯棒性和不可感知性是水印的兩個非常重要特性。從水印技術(shù)被提出以來，對這兩個方面的研究就是水印技術(shù)研究的一個主題 。 設(shè)計一個完整的水印系統(tǒng)時，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到一個平衡，這是一個很難的課題。涉及到魯棒性水印算法的設(shè)計、水印的構(gòu)造和水印能量估計等方面 。 目前，大多數(shù)水印算法利用經(jīng)驗值，而沒有從理論上解決此問題。 研究的若干關(guān)鍵方向 理論研究 理論研究上有以下問題很有價值，值得深入研究： (1) 宿主信號和嵌入位置的選 擇 。 能否從理論上指導(dǎo)宿主信號 （ 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題的研究具有重大意義。 (2) 最大水印嵌 入強度。為了提高水印的抗攻擊能力，希望嵌入的水印強度要盡可能大。 但是 ， 如果水印強度太大，就能在感官上被感覺出來，從而破壞載體的質(zhì)量 （ 或引起信息 竊聽者的注意 ） 。 因此，能否從理論上計算載體可嵌入的且 在感官上不容易察覺的最大水印強度，以 及對嵌入水印后的載體質(zhì)量 降低程度的定量評估等問題的研究很有意義。 (3) 水印安全性。 現(xiàn)有的水印算法有很多，但是并沒有一個統(tǒng)一的標準能夠證明哪些 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)大學本科畢業(yè)論文 5 究也非常有意義 。 (4) 預(yù)處理技術(shù)。對隱藏載體進行濾波、增強、編碼、壓縮、加密、置亂等預(yù)處理和數(shù)字水印嵌入的效果 （ 最大水印嵌入強度、魯棒性等 ） 有很大關(guān)系，目前對此方面的研究還不夠深入 。 (5) 多 重水印技術(shù)。目前還沒有一個水印算法能夠在各種攻擊下具有很強的魯棒性，通過多次嵌入水印的方法可以提高水印系統(tǒng)對抗各種攻擊的能力 。 對多重水印技術(shù)有許多問題值得研究 。 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)中的信息安全問題急待深入研究。 針對不同的應(yīng)用制定相應(yīng)的水印標準，對水印系統(tǒng)的實際應(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準或協(xié)議，如加載或嵌入水印的標準，水印的認證標準等，各種水印算法的評價都應(yīng)該是建立在標準之上 。 標準化工作的基礎(chǔ)是科學的測評體系，如果沒有公認的、符合需求的測評指標，各種技術(shù)方案之間就無從比較優(yōu)劣，更談不上形成統(tǒng)一的技術(shù)標準。然而在數(shù)字水印技術(shù)的研究中，至今沒有一個為大家所接受的、統(tǒng)一的評價體系。水印測試不僅要通過攻擊實驗，而且還要對提交的算法進行技術(shù)上的分析 。 為了建立科學的測評體系，必須有一個兼容各種信息隱藏與攻擊算法的統(tǒng)一的理論框架，并基于這個理論框架構(gòu)建定量測評的理論基礎(chǔ)，確立各種測 評指標及其理論 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)議的標準化還沒有進行。 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)鍵問題是對基于 彩色空間轉(zhuǎn)換、人眼視覺特性[HVS]空域數(shù)字水印的實現(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。簡要介紹了課題的背景和研究意義； 結(jié)合國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，詳細介紹了數(shù)字水印系統(tǒng)當前存在的問題及研究的若干關(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，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。接著詳細介紹圖像數(shù)字水印系統(tǒng)的基礎(chǔ) 原理， 并對典型的圖像水印算法進行了天津工業(yè)大學本科畢業(yè)論文 6 介紹和分析。 第三章， Matlab 簡介。 Matlab 為本課題的軟件開發(fā)環(huán)境，為下一章的實驗順利完成做準備。 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 理論，為下一章實驗分析做準備。 第五章， 實驗結(jié)果與分析。本章是實驗部分，實驗內(nèi)容包括：對本文的算法進行水印嵌入、提取實驗，測試水印的不可見性；對含水印的圖像進行常見的攻擊測試，如剪切、縮放、壓縮等，并對測試結(jié)果進行分析。 天津工業(yè)大學本科畢業(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，這就是我們所熟悉的“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，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、護照、發(fā)票等重要印刷品中，長期以來判定印刷品真?zhèn)蔚囊环N重要手段就是檢驗它是否包含水印。 隨著信息時代的到來，多媒體信息的交流達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，同時也極大地提高了信息表達的效率和準確性。隨著網(wǎng)絡(luò)的日益普及，人們可以通過 Inter 網(wǎng)發(fā)布自己的作品，傳遞重要信息，進行網(wǎng)絡(luò)貿(mào)易等。但是其暴露出的問題也十分明顯：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，又能有效地保護知識產(chǎn)權(quán)，已受到人們的高度重視。 數(shù)字水?。?digital watermarking）是實現(xiàn)版權(quán)保護的有效辦法，已成為多媒體信息安全研究領(lǐng)域的一個熱點，也是信息隱藏技術(shù)研究領(lǐng)域的重要分支。它通過在原始數(shù)據(jù)中嵌入秘密信息 —— 水 ?。?watermark）來證實該數(shù)據(jù)的所有權(quán)。被嵌入的水印可以是一段文字、標識、序列號等。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)使用價值或商用價值的操作而存活下來。 數(shù)字水印技術(shù)除具備信息隱藏技術(shù)的一般特點外，還有著其固有的特點和研究方法。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，因為秘密信息并未泄露；但是，在數(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、數(shù)字水印基本原理，包括特性、分類等，并對典型數(shù)字水印算法進行了介紹、分析。 天津工業(yè)大學本科畢業(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單，但是要達到應(yīng)用的目的，就必須滿足一定的性能指標，其中相對重要的特性包括： （ 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)致宿主信號質(zhì)量變化的程度。鑒于宿主信號 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)量在視覺上發(fā)生明顯地變化； 另一方面，用統(tǒng)計方法是不能恢復(fù)水印。 （ 2） 魯棒性： 指水印在媒體數(shù)據(jù)編輯、處理過程中的生存能力。媒體數(shù)據(jù)的各種操作會導(dǎo)致宿主信號信息損失，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，水印信號可傳遞的信息量。 實際應(yīng)用要求水印可傳送多位信息。但這其實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)的人對水印進行攻擊的能力。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。 （ 5） 錯警率： 指在不含水印的宿主信號中，錯誤地檢測出水印的概率， 其中也包括在含水印的宿主信號中，未檢測出水印的概率。很顯然，只有錯警率足夠 低，系統(tǒng)才能安全可靠地使用 。 設(shè)計水印必須圍繞上述性能指標選擇合適的技術(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)字作品中標識著作權(quán)信息，脆弱數(shù)字水印主要用于完整性保護。 （ 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，會有更多種類的天津工業(yè)大學本科畢業(yè)論文 9 數(shù)字媒體出現(xiàn)，同時也會產(chǎn)生相應(yīng)的水印 技術(shù)。 （ 3） 按檢測過程分類 按水印的檢測過程可以將數(shù)字水印劃分為明文水印和盲水印。明文水印在檢 測過程中需要原 始資料，而盲水印的檢測只需要密鑰，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)保護水印、篡改提示水印和隱蔽標識水印。 （ 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 (空 )域數(shù)字水印、頻域數(shù)字水印、時／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成可察覺水印和不可察 覺水印。 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 在強背景 （ 載體圖像 ） 下疊加一個弱信號（ 水印信號 ） ，只要疊加的水印信號強度低于人類視覺系統(tǒng) （ HVS） 對比門限，人類視覺就無法感覺到信號的存在 。 從數(shù)字通信角度來看，水印的嵌入可理解為在一個寬帶信道 （ 載體圖像 ） 上通過擴頻通信，輸一個窄帶信號 （ 水印信號 ） 。 水印的檢測是 在一個有噪聲信道中 檢測 弱信號的 問題。 數(shù)字水印技術(shù)一般由兩部分組成：