【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 護(hù)制造商的商業(yè)利益。 （ 6）內(nèi)容保護(hù) 在一些特定應(yīng)用中，數(shù)字產(chǎn)品內(nèi)容的所有者可能會(huì)希望要賣(mài)的多媒體內(nèi)容能公開(kāi)自由地預(yù)覽，以盡可能地多招來(lái)潛在的顧客，但也需要防止這些預(yù)覽的內(nèi)容不被其它人用于商業(yè)目的。因此，這些預(yù)覽內(nèi)容被自動(dòng)加上可見(jiàn)的但 難除去的水印。 湖南涉外經(jīng)濟(jì)學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 數(shù)字水印技術(shù)憑借其自身的諸多優(yōu)點(diǎn)引起了眾多應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)注，但是數(shù)字水印技術(shù)本身目前還不能完全滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用在安全性、可用性等方面的要求。然而現(xiàn)代密碼學(xué)的研究和發(fā)展為數(shù)字水印技術(shù)的應(yīng)用提供了良好的基礎(chǔ)。利用現(xiàn)代密碼學(xué)提供的各種保密性、認(rèn)證性、完整性和不可抵賴(lài)性機(jī)制，可以設(shè)計(jì)安全的數(shù)字水印服務(wù)于不同的應(yīng)用。 數(shù)字水印的分類(lèi) 數(shù)字水印的分類(lèi)方法多種多樣，從不同的角度可以如下進(jìn)行分類(lèi)： （ 1） 按水印的可見(jiàn)性劃分 按嵌入水印后數(shù)字產(chǎn)品中水印是否可見(jiàn)可將數(shù)字水印分為可見(jiàn)水印和不可見(jiàn)水印?？梢?jiàn)水印主要用于當(dāng)場(chǎng)聲明 數(shù)字產(chǎn)品的版權(quán)歸屬，對(duì)盜版者起到即時(shí)威懾和約束作用，也可用于在因特網(wǎng)上在線(xiàn)分發(fā)帶有可見(jiàn)水印的數(shù)字產(chǎn)品，對(duì)數(shù)字產(chǎn)品進(jìn)行廣告宣傳。不可見(jiàn)水印不能夠阻止盜版者對(duì)數(shù)字產(chǎn)品的非法復(fù)制，但可用來(lái)證明數(shù)字產(chǎn)品所有權(quán)，以及作為鑒定、起訴非法侵權(quán)的證據(jù)。 （ 2） 按水印的魯棒性劃分 按水印的魯棒性可以將數(shù)字水印分為脆弱數(shù)字水印和魯棒數(shù)字水印兩種。脆弱水印對(duì)多媒體的任何變換或處理都非常敏感；魯棒水印對(duì)常見(jiàn)的各種處理操作和攻擊均有較強(qiáng)的魯棒性，好的魯棒水印算法甚至可以從質(zhì)量已被破壞的數(shù)字作品中提取出水??；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，如作者、作品序號(hào)等。脆弱數(shù)字水印主要用于完整性認(rèn)證和內(nèi)容保護(hù)。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(guò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多媒體的被破壞情況的跟蹤和定位。 （ 3） 按水印所附載的媒體劃分 按水印所附載的載體數(shù)據(jù)，我們可以將數(shù)字水印劃分為圖像水印、音頻水印、視頻水印、文本水印等等。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，會(huì)有更多類(lèi)的數(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)。 （ 4） 按水印的檢測(cè)過(guò)程劃分 按水印的檢測(cè)過(guò)程可以將數(shù)字水印劃分為非盲水?。?Nonblind watermark）、半盲水?。?seminonblind watermark）和盲水?。?Blind watermark）。非盲水印在檢測(cè)過(guò)程中需要原始數(shù)據(jù)和原始水印的參與；半盲水印則不需要原始數(shù)據(jù)，但需要原始水印來(lái)進(jìn)行檢測(cè)；盲水印的檢測(cè)只需要密鑰，既不需要原始數(shù)據(jù)，也不需要原始水印。 一般說(shuō)來(lái)，非盲水印的穩(wěn)健性比較強(qiáng)，但其應(yīng)用受到存儲(chǔ)成本的限制。目前研究的數(shù)字水印大多數(shù)是半盲水印或者盲水印。 （ 5） 按水印的內(nèi)容劃分 按數(shù)字水印的內(nèi)容可以將數(shù)字水印分為有意義的水印和無(wú)意義水印。有意義水印是指水印本身也是某個(gè)數(shù)字圖像（如商標(biāo)圖像）或數(shù)字音頻片斷的編碼；無(wú)意義水 印則只對(duì)應(yīng)于一個(gè)序列號(hào)。有意義水印的優(yōu)勢(shì)在于，如果由于受到攻擊或其它原因致使解碼后湖南涉外經(jīng)濟(jì)學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 的水印破損，人們?nèi)匀豢梢酝ㄟ^(guò)視覺(jué)覺(jué)察確認(rèn)是否有水印。但對(duì)無(wú)意義的水印來(lái)說(shuō)，如果解碼后的水印序列有若干碼元錯(cuò)誤，則只能通過(guò)統(tǒng)計(jì)決策來(lái)確定信息中是否含有水印。 （ 6） 按水印嵌入的空間劃分 按水印嵌入的空間劃分可將數(shù)字水印分為空域水印和頻域水印?？臻g域水印的嵌入和提取是通過(guò)修改圖像像素點(diǎn)的強(qiáng)度或灰度值來(lái)實(shí)現(xiàn)的，計(jì)算簡(jiǎn)單，效率較高，但難以抵抗常見(jiàn)圖像處理的攻擊及噪聲干擾的影響，穩(wěn)健性較差。頻域方法是將水印添加到原始圖像的某種變換系數(shù)中 ，更容易與人的感知系統(tǒng)的某些掩蔽特性相結(jié)合，與數(shù)據(jù)壓縮標(biāo)準(zhǔn)，如 JPEG 等兼容。因此，頻域水印算法對(duì)諸如壓縮和某些圖像處理等的攻擊的魯棒性更強(qiáng)。 （ 7） 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(hù)水印、篡改提示水印和隱藏標(biāo)識(shí)水印。票據(jù)防偽水印加在紙質(zhì)票據(jù)的數(shù)字生成過(guò)程中，歷經(jīng)印刷、打印、掃描過(guò)程后能將水印檢測(cè)出來(lái)，需要防止的是復(fù)制后水印將不再存在。隱蔽標(biāo)識(shí)水印是在圖像中加入注釋信息，對(duì)圖像進(jìn)行說(shuō)明和作者介紹等，不占用帶寬，需要隱藏的數(shù)據(jù)量較大。 數(shù)字水印技術(shù)原理和基本模型 所謂數(shù)字水印，是嵌入在數(shù)字產(chǎn)品中的數(shù)字信號(hào)，它可以是圖像、聲音、文字、符號(hào)、數(shù)字等一切可以作為標(biāo)記、標(biāo)識(shí)的信息。它的存在是以不破壞原數(shù)據(jù)的欣賞價(jià)值和使用價(jià)值為原則的。數(shù)字水印是指利用數(shù)字產(chǎn)品的信息冗余性，把與多媒體內(nèi)容相關(guān)或不相關(guān)的一些標(biāo)識(shí)信息直接嵌入多媒體內(nèi)容中，并能夠通過(guò)計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ脵z測(cè)電路及時(shí)地把水印檢測(cè)或提取出來(lái)的技術(shù)。這種技術(shù)充分利用了人的知覺(jué)系統(tǒng)（ HVS）和人類(lèi)聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)（ HAS）的冗余特性。 從圖像處理的角度看，嵌入水印信號(hào)可以視為在強(qiáng)背景（原始圖像）下又疊 加一個(gè)弱信號(hào)（水?。?，只要疊加的水印信號(hào)強(qiáng)度低于 HVS（ Human Vision System）的對(duì)比度門(mén)限， HVS 就無(wú)法覺(jué)察到信號(hào)的存在。而對(duì)比度門(mén)限則受視覺(jué)系統(tǒng)的空間、時(shí)間和頻率特性的影響。因此，通過(guò)對(duì)原始圖像作一定的調(diào)整，有可能在不改變視覺(jué)效果的情況下嵌入一些信息。 從數(shù)字通信的角度看，水印嵌入可以理解為在一個(gè)寬帶信道（載體圖像）上用擴(kuò)頻通信技術(shù)傳輸一個(gè)窄帶信號(hào)（水印信號(hào)）。盡管水印信號(hào)具有一定的能量，但分布到信道中任一頻率上的能量是難以檢測(cè)到的。水印的譯碼（檢測(cè)）則是一個(gè)有噪信道中弱信號(hào)的檢測(cè)問(wèn)題。 設(shè)載體圖像為 I，待嵌入的水印信息為 W，實(shí)際嵌入的水印信號(hào)為 w? ,密鑰為 K,水印提取和檢測(cè)函數(shù) D,水印嵌入函數(shù)為 F。這一框架大致分為如下三步： 湖南涉外經(jīng)濟(jì)學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 步驟 1：水印信號(hào)的生成：根據(jù)不同的需要，有時(shí)要對(duì)水印信息進(jìn)行必要的預(yù)處理，如編碼、壓縮、加密等，最終形成水印信號(hào)。這一過(guò)程可以表示為函數(shù) G： ( , )W G w k?? 。 步驟 2：水印信號(hào)的嵌入：采用一定的算法將水印信息加入到圖像的空間域或者變換域中，最終生成水印圖像； ( , , )wI F I W K?? ，算法應(yīng)使對(duì)原始圖像所作的改動(dòng)最小，同時(shí)又要保證盡可能強(qiáng)的魯棒性。這一步是整個(gè)過(guò)程中最重要的。 步驟 3：水印的提取和檢測(cè)：水印的提取是指從水印圖像中完全恢復(fù)出水印信息的過(guò)程；水印的檢測(cè)是判斷圖像中特定水印信號(hào)的存在性的過(guò)程。水印的提取和檢測(cè)可以表示為： W=D（ I， K）或者 ( , , )P D I W K?? ，其中 P=0/1， 0 表示水印不存在， 1 表示存在。 以上的提取和檢測(cè)方案不依賴(lài)于原始圖像，但是也可以類(lèi)似地定義依賴(lài)原始圖像的方案。 實(shí)際應(yīng)用 的水印技術(shù)整體設(shè)計(jì)方案可以用圖 、圖 來(lái)概括描述。 圖 水印的嵌入模型 圖 水印的提取模型 圖 為水印信號(hào)的嵌入模型，輸入信號(hào)為水印信息，原始信息，密鑰用來(lái)增強(qiáng)算法的安全性，為了保證水印的安全性，防止他人在獲知水印算法的情況下來(lái)篡改水印或偽造水印，在實(shí)際應(yīng)用的系統(tǒng)中至少使用一個(gè)密鑰，有的甚至是幾個(gè)密鑰結(jié)合來(lái)對(duì)水印信息加密或控制水印的嵌入位置。但這并不關(guān)系到水印的本質(zhì)算法。水印信息可以為序列號(hào)、圖像、文本等任何形式的數(shù)據(jù)，原始信息可以為音頻、視頻、圖像或文本等，經(jīng)過(guò)嵌入算法的處理， 相應(yīng)的水印信息就被嵌入到載體中去，得到的是嵌入水印信息后的含水印信息。 湖南涉外經(jīng)濟(jì)學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 圖 為水印信息的提取模型，待檢測(cè)的含水印信息可能是受過(guò)有意或無(wú)意攻擊的，在進(jìn)行水印信息的恢復(fù)時(shí)，可以根據(jù)所采用嵌入的具體方法不同，應(yīng)用或不應(yīng)用原始信息或水印信息來(lái)對(duì)嵌入的水印信息進(jìn)行恢復(fù)。其中恢復(fù)的數(shù)據(jù)可與原始的水印信號(hào)進(jìn)行相似度或可信度來(lái)測(cè)量，以此來(lái)判定水印信息的存在與否 [3]。 數(shù)字水印面臨的攻擊 與密碼學(xué)類(lèi)似，數(shù)字水印也是一個(gè)對(duì)抗性的研究領(lǐng)域。正因?yàn)橛兴」舻拇嬖?，才有水印研究的不斷深入。另外，為了?shí)現(xiàn)數(shù)字水印的標(biāo)準(zhǔn)化，必須對(duì)各種水印算法進(jìn)行安全性測(cè)試。水印測(cè)試者既要熟悉水印算法也要熟悉水印攻擊算法，而且還要從水印算法的理論入手進(jìn)行水印信息量和魯棒性的定量分析。水印攻擊分為主動(dòng)攻擊和被動(dòng)攻擊。主動(dòng)攻擊的目的是篡改或破壞水印，使合法用戶(hù)也不能讀取水印信息，而被動(dòng)攻擊則試圖破解水印算法。常見(jiàn)的攻擊方法有： （ 1）簡(jiǎn)單攻擊：簡(jiǎn)單攻擊是指對(duì)含水印圖像進(jìn)行各種信號(hào)處理操作，試圖削弱或刪除嵌入的水印信息，而不 是識(shí)別或分離水印。這類(lèi)操作有：圖像壓縮、圖像量化與圖像增強(qiáng)、圖像栽剪、線(xiàn)性或非線(xiàn)性濾波、疊加噪聲、幾何失真、 A/D 轉(zhuǎn)換以及圖像的校正等。 （ 2）迷惑攻擊：迷惑攻擊試圖通過(guò)偽造原始圖像和原始水印來(lái)迷惑版權(quán)歸屬，是針對(duì)可逆、非盲水印而進(jìn)行的攻擊。防止這一攻擊的有效辦法就是研究不可逆水印嵌入算法。 （ 3） StirMark 攻擊： StirMark 是一種通用工具，專(zhuān)門(mén)用來(lái)對(duì)水印算法及其它隱秘術(shù)進(jìn)行魯棒性測(cè)試。它模擬重采樣過(guò)程：對(duì)圖像進(jìn)行微小的幾何變形（拉伸、剪切、移位、旋轉(zhuǎn)等），然后利用雙線(xiàn)性或 Nyquist 插值進(jìn)行重 采樣，并且模擬 A/D 轉(zhuǎn)換引入微小的平滑分布的誤差。雖然很多水印算法對(duì)某種圖像操作具有一定的魯棒性，但對(duì)于各種方法的聯(lián)合使用常常無(wú)能為力，因此 StriMark 是一種很好的測(cè)試工具。 （ 4）抖動(dòng)攻擊：此方法采用在信號(hào)加入抖動(dòng)的方法，如將圖像分為若干部分，在每一部分內(nèi)隨機(jī)地復(fù)制或刪除某些采樣。這種方法主要針對(duì)利用密鑰定位水印嵌入位置的水印算法。 （ 5）馬賽克攻擊：由于通常的水印算法都要求原始圖像的大小不小于某個(gè)值，因此，攻擊者將水印圖像分割為若干很小的圖像，再在瀏覽器中將這些子圖像依次拼接起來(lái)，與含水印圖像有相同的視覺(jué)效果。 （ 6）多文檔攻擊：此方法利用原始圖像數(shù)據(jù)的不同水印的版本，生成近似的圖像數(shù)據(jù)（如平均法），以此來(lái)逼近和恢復(fù)原始圖像，同時(shí)使檢測(cè)系統(tǒng)無(wú)法從中恢復(fù)出水印信號(hào)。 （ 7）跳躍攻擊：跳躍攻擊方要用于音頻信號(hào)數(shù)字水印系統(tǒng)的攻擊，其一般實(shí)現(xiàn)方法是在音頻信號(hào)上加入、減去一個(gè)跳躍信號(hào)后，再將數(shù)據(jù)塊按原來(lái)順序重新組合起來(lái)。湖南涉外經(jīng)濟(jì)學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 實(shí)驗(yàn)表明，在古典音樂(lè)信號(hào)中幾 乎感覺(jué)不到這種改變，但是卻可以非常有效地阻止水印信號(hào)的檢測(cè)定位，達(dá)到難以提取水印信號(hào)的目的。 （ 8）協(xié)議攻擊：這種攻擊不同于以上幾種攻擊手段，它不針對(duì)具體的水印嵌入算法，不破壞水印本身，而是根據(jù)數(shù)字水印不同的應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)數(shù)字水印的基本框架進(jìn)行攻擊。這種攻擊手段雖然不破壞數(shù)字水印本身的存在性，但卻可以破壞數(shù)字水印與某些權(quán)利、義務(wù)之間的關(guān)系，它是一種針對(duì)應(yīng)用協(xié)議的攻擊。 這里對(duì)數(shù)字水印面臨的攻擊進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹和分類(lèi)。研究對(duì)數(shù)字水印系統(tǒng)的攻擊將有助于我們?cè)O(shè)計(jì)更加安全可靠的水印系統(tǒng) [5]。 湖南涉外經(jīng)濟(jì)學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 第三章 小波分析理論 小波分析理論基礎(chǔ) 長(zhǎng)期以來(lái)，傅里葉變換一直是信號(hào)處理領(lǐng)域中最完美，應(yīng)用最廣泛的一種分析手段。但傅里葉變換只是一種純頻域的分析方法，在時(shí)域上無(wú)任何定位能力，即無(wú)法提供任何局部時(shí)間段上的頻率信息。為了繼承傅里葉分析（余弦變換和正弦變換都可以視為傅里葉變換的特例）的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又克服它的缺點(diǎn)，人們一直在尋找新的方法。 小波分析的出現(xiàn)是傅里葉分析發(fā)展史上里程碑式的進(jìn)展。小波分析是一種時(shí)間窗和頻率窗都可以改變的時(shí)頻局部化分析方法，被稱(chēng)為 “數(shù)字顯微鏡 ”。有些人認(rèn)為小波可以作為表示函數(shù)的一種新的基底。還有些人認(rèn)為 小波可以作為時(shí)間 頻率分析的一種新技術(shù)。而另外有些人則把小波看作是一個(gè)新的數(shù)學(xué)學(xué)科。所有這些看法都正確的，因?yàn)?“小波 ”具有非常豐富的數(shù)學(xué)內(nèi)容，并且是對(duì)應(yīng)用有巨大潛力的多方面適用工具?？傊〔ㄗ儞Q作為一種數(shù)學(xué)理論和方法在科學(xué)技術(shù)界引起了越來(lái)越多的關(guān)注和重視。可以預(yù)料，在今后數(shù)年中，它將成為科技工作者經(jīng)常使用的又一銳利的科學(xué)工具，會(huì)促進(jìn)科技及工程應(yīng)用領(lǐng)域的快速發(fā)展。 離散傅立葉變換的局限性 傳統(tǒng)的離散傅里葉變換是通過(guò)尋找信號(hào)的幅度和相位頻譜 ,用它的頻率分量對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析。不能將平穩(wěn)信號(hào)（特性不隨 時(shí)間變化的信號(hào)）和非平穩(wěn)信號(hào)（特性隨時(shí)間變化的信號(hào)）進(jìn)行區(qū)分是它的一個(gè)缺點(diǎn)。信號(hào)對(duì)于窗口內(nèi)的平穩(wěn)信號(hào)， DFT 能提供其頻率分量的精確圖像。對(duì)于非平穩(wěn)信號(hào)， DFT 可以指出包含哪些頻率分量，但不能指出它們?cè)谑裁磿r(shí)候出現(xiàn)。在空間域上沒(méi)有任何分辨，解決這一問(wèn)題的辦法是縮短觀(guān)察窗口，較短的窗口意味著好的時(shí)間分辨率，因?yàn)樗峁┓浅＞植康募?xì)節(jié)，但是頻率分辨很差，這是因?yàn)橛^(guān)測(cè)信號(hào)的時(shí)間太短。因此，好的時(shí)間分辨率和好的頻率不可能同時(shí)達(dá)到。 實(shí)際問(wèn)題往往有時(shí)要求空間域上的分辨與頻域上的分辨能夠互轉(zhuǎn)化，小波變換的方法正是為適應(yīng)這種 要求而生成的，它不僅繼承了短時(shí)傅立葉變換的空間分辨特性，同時(shí)也引進(jìn)了頻域的分辨，而且可以通過(guò)對(duì)頻率和空間按照特殊的方法抽樣，得到離散小波變換。離散短時(shí)傅里葉變換對(duì)不同的頻率成分在空間域上的抽樣間隔是相等的，與此同時(shí)，離散小波變換對(duì)不同的頻率成分在空間域上的抽樣間隔是可調(diào)的，對(duì)高頻成分采用逐漸精細(xì)的空間域抽樣步長(zhǎng)，從而可以聚焦到研究對(duì)象的任意細(xì)節(jié)，從這個(gè)意義上來(lái)講，它被譽(yù)為數(shù)學(xué)顯微鏡。因此，小波變換方法是一種有效的信號(hào)時(shí)頻分析方法 [4]。 小波定義 小波分析方法是一種窗口大小（即窗口面積）固定但其形狀可以改變，時(shí)間窗和頻率窗都可改變的時(shí)頻局部化分析方法。即在低頻部分具有較高的頻率分辨率和較低的時(shí)湖南涉外經(jīng)濟(jì)學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）