【正文】 .............................................................. 25 致謝 .......................................................................................................................................... 26 附錄：程序源 代碼 .................................................................................................................. 27 南湖學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 第一章 數(shù)字水印 概述 隨著信息技術(shù)的發(fā)展和互聯(lián)網(wǎng)的日益普及，人們的生活方式正發(fā)生著巨大的變化。另一方面，人們也可以更加便捷地通過網(wǎng)絡(luò)來獲取自己所需的信息。然而，由于數(shù)字媒體自身的特點(diǎn) (很容易借助互聯(lián)網(wǎng)或 CDROM被復(fù)制、處理、傳播和公開 )，一方面 ，使盜版者可以利用這些性能來侵害制造商和用戶的合法權(quán)益以獲得個(gè)人利益，另一方面，使不法之徒可以出于某種利益考慮對其進(jìn)行惡意修改。加密 (cryptography)技術(shù)是解決此類問題的一種傳統(tǒng)方法，它通過加密密鑰對需要保護(hù)的文字內(nèi)容實(shí)施各種變化，沒有密鑰外人無法理解變化后的內(nèi)容。其次這種方法只能夠保證數(shù)字產(chǎn)品內(nèi)容在傳輸過程 中的安全性，同時(shí)可作為存取控制和征收費(fèi)用的，但是當(dāng)解密后，密碼對其的保護(hù)就喪失作用，沒有有效的方法來保證其不被非法拷貝、再次傳播和盜用。不能夠解決其版權(quán)問題。作為傳統(tǒng)密碼學(xué)技術(shù)的有效補(bǔ)充手段，數(shù)字水印就是在這樣的背景下應(yīng)運(yùn)而生的。 數(shù)字水印 介紹 什么是數(shù)字水印 數(shù)字水印技術(shù)是國際上最新的一門信息隱藏技術(shù)。除此之外，數(shù)字水印還在真?zhèn)舞b別、隱蔽通信、標(biāo)志隱含、電子身份認(rèn)證等方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值。研究預(yù)示著數(shù)字水印具有巨大而廣闊的應(yīng)用前景，并已引起學(xué)術(shù)界、工業(yè)界和軍方的廣泛關(guān)注。之所以采用水印技術(shù)是因?yàn)樗∮衅洫?dú)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。 現(xiàn)今數(shù)字時(shí)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(gè)人的日常生活。借鑒普通水印的含義和功用，人們采用類似的概念保護(hù)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。與普通水印的特性類似，數(shù)字水印在多媒體數(shù)據(jù)中（如數(shù)碼相片）也幾乎是不可見的，也很難被破壞掉。 數(shù)字水印的用途 最早提出數(shù)字水印的概念與方法是為了進(jìn)行多媒體數(shù)據(jù)的版權(quán)保護(hù)。所有活動(dòng)所涉及的多媒體數(shù)據(jù)都蘊(yùn)含了大量價(jià)值不菲的信息。任何人都可以輕而易舉地創(chuàng)建多媒體數(shù)據(jù)的拷貝，與原始數(shù)據(jù) 比較，復(fù)制出的多媒體數(shù)據(jù)不會(huì)有任何質(zhì)量上的損失，即可以完整地 “ 克隆 ” 多媒體數(shù)據(jù)。那么數(shù)字水印則正好是解決這類 “ 版權(quán)問題 ” 的有效手段。同樣，音像公司也可以把公司的名字、標(biāo)志等信息添加到出版的磁帶、 CD碟片中。 除了在版權(quán)保護(hù)方面的應(yīng)用，數(shù)字水印技術(shù)在文檔（印刷品、電子文檔等 ）的真?zhèn)握J(rèn)證上面也有很大的用途，例如對政府部門簽發(fā)的紅頭文件，文件認(rèn)證的傳統(tǒng)方法是鑒別文件的紙張、印章或鋼印是否符合規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，缺點(diǎn)是無論紙張、印章或鋼印都容易被偽造。這說明傳統(tǒng)方法有著極不完善的地方。以數(shù)字水印作為信息載體，將某些信息添加到紅頭文件中，使得文件不僅有印章或鋼印，而且有難以察覺的數(shù)字水印信息，從而大大增加了文件被偽造的難度。例如護(hù)照持有人的名字在護(hù)照中被明顯印刷出來，也可以在頭像中作為數(shù)字水印被隱藏起來，如果某人想通過更換頭像來偽造一份護(hù)照，那么通過掃描護(hù)照就有可能檢測出隱藏在頭像中的水印信息與打印在護(hù)照上的姓名不符合，從而發(fā)現(xiàn)被偽造的護(hù)照。比如 CD數(shù)據(jù)盤中秘密的數(shù)字水印信息可以有條件的控制什么樣的人可以訪問該 CD盤中的內(nèi)容。比如希望 消費(fèi)者手中的 DVD播放器允許無限制地復(fù)制家庭錄像或過期的電視節(jié)目，家庭錄像中所添加的數(shù)字水印不含任何控制標(biāo)識(shí)，電視節(jié)目里的數(shù)字水印標(biāo)識(shí)為 “ 復(fù)制一次 ” 、 “ 復(fù)制多次 ” ，而商業(yè)的視頻節(jié)目則標(biāo)識(shí)為 “ 不允許復(fù)制 ” ，相關(guān)的播放設(shè)備將對這些數(shù)字水印標(biāo)識(shí)進(jìn)行判別并起相應(yīng)作用。目前全部的解決方案已經(jīng)形成，問題是該解決方案的安全性、有效性、簡潔性還需做進(jìn)一步的考驗(yàn)，暫時(shí)不能提供給 DVD制造商和用戶。由于 人們很難覺察到數(shù)字水印信息在多媒體數(shù)據(jù)中的存在，某些重要信息在傳輸?shù)倪^程中就可以隱藏在普通的多媒體數(shù)據(jù)，從而避開第三方的竊聽和監(jiān)控。這種做法與普通的電話通信、電子郵件通信以及加密通信相比，隱蔽性高，不容易監(jiān)控，而且很難被察覺。 (2) 魯棒性 :即當(dāng)被保護(hù)的信息經(jīng)過某種改動(dòng)后，比如在傳輸、壓縮、濾波，圖像的幾何變換如平移 、 伸縮、旋轉(zhuǎn)、剪裁等處理下，數(shù)字水印不容易被破壞。對于通過改變水印圖像南湖學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 (嵌有水印的圖像 )來消除和破壞水印的企圖，水印應(yīng)該能一直保持存在，直到水印圖像已 嚴(yán)重失真而喪失使用價(jià)值。 (5) 可證明性 :數(shù)字水印所攜帶的信息應(yīng)該能夠被唯一地、確定地鑒別，從而能夠?yàn)榧航?jīng)受到版權(quán)保護(hù)的數(shù)字產(chǎn)品提供完全的和可靠的所有權(quán)歸屬證明的證據(jù)。 數(shù)字水印的發(fā)展史 數(shù)字水印的起源 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(jī)密的文件內(nèi)容之中。 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)）。使用最廣泛的密寫方法恐怕要算化學(xué)密寫了，牛奶、白礬、果汁等都曾充當(dāng)過密寫藥水的角色。 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。 然而今天的數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展為古老的密寫術(shù)注入了新的活力，在研究數(shù)字水印的過程中，研究者大量借鑒了信息偽裝的思想。 數(shù)字水印 技術(shù) 的發(fā)展 及其研究現(xiàn)狀 數(shù)字水印作為信息隱藏的一個(gè)部分 ，其相關(guān)研究可以追溯到 1979年，而數(shù)字水印研究的論述最早見于 Tickle等人在 1993年發(fā)表的“ Electronic Watermark”。94會(huì)議上他們又發(fā)表了題為發(fā)表的“ A Digital Watermark” 的文章，這是第一篇在主要會(huì)議上南湖學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 發(fā)表的關(guān)于數(shù)字水印的文章。這篇文章被認(rèn)為是一篇具有歷史價(jià)值的文 獻(xiàn)。 1996年 Cox等人提出了將水印嵌入視頻和音頻信號(hào)感知上最重要的頻域因子中的水印方案，該方案基于擴(kuò)頻通信的思想，己經(jīng)成為數(shù)字水印技術(shù)中一個(gè)經(jīng)典方案，在本文后面的章節(jié)中會(huì)對其進(jìn)行詳細(xì)介紹。 90年代以來，數(shù)字水印的研究受到了更多專家學(xué)者的關(guān)注。而在 1999年召開的第三屆信息隱藏會(huì)議上 33篇論文中有 18篇論述水印技術(shù)，因此此次會(huì)議 被 稱為“抗一般有損壓縮的水印研討會(huì)”。國際光學(xué)工程學(xué)會(huì) (SPIE)從 1999年起，每年召開一次多媒體信息安全與數(shù)字水印大會(huì)，其會(huì)議的論文主要是關(guān)于數(shù)字水印技術(shù)方面的文章。國內(nèi)在信息隱藏方面的研究起步稍晚，但也 已 引起了信息安全領(lǐng)域研究人員的普遍關(guān)注，于 1999年 12月召開了第一屆信息隱藏學(xué)術(shù)研討會(huì)。 經(jīng)過 20多年的研究，水印技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，劍橋大學(xué)、 IBM研究中心、 NEC美國研究所、麻省理工學(xué)院以及 Microsoft, ATamp。國內(nèi)的清 華大學(xué)、北京大學(xué)、北京郵電大學(xué)、中科院自動(dòng)化所、北方工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)、國防工業(yè)大學(xué)等也都開展了深入的研究。 IBM在其數(shù)字圖書館 (digital library)研究計(jì)劃中采用了可見水印技術(shù)，該計(jì)劃的研究成果已為美國國會(huì)圖書館等著名圖書館所采用。與此同時(shí)，一些公司已逐步推出了有關(guān)水印技術(shù)的商用軟件系統(tǒng) (如 DICE的專利技術(shù) 、南湖學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 Digimarc Corporation的 igimarc Tools、 MediaSec的 SysCOP113 Signafy Owner Mark、 Signum Technologies的 Sure Sign、劍橋大學(xué)的 Stir mark等 )，這些程序通常被用作瀏覽器插件和流行的圖像編輯程序如 Adobe Photoshop。 IBM、 Sony、 Hitachi、 NEC和 Pioneer等五家大公司在 1999年 2月聯(lián)合宣布了一個(gè)保護(hù)數(shù)字視頻 和數(shù)字電影的水印標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，標(biāo)志著水印標(biāo)準(zhǔn)化已 逐步邁向正軌。為了促進(jìn)數(shù)字水印及其他信息隱藏技術(shù)的研究和應(yīng)用， 1999年 12 月，我國信息安全領(lǐng)域的何德全院士、周仲義院士、蔡吉人院士與有關(guān)應(yīng)用研究單位聯(lián)合發(fā)起召開了我國第一屆信息隱藏學(xué)術(shù)研討會(huì)。從這次會(huì)議反應(yīng)的情況上看，我國相關(guān)學(xué)術(shù)領(lǐng)域的研究與世界水平相差不遠(yuǎn)，而且有自己獨(dú)特的研究思路。針對不同的原始數(shù)據(jù)，水印的嵌入方案有所不同，然而目前研究最多的是針對靜止圖像的數(shù)字水印技術(shù)，這類水印技術(shù)也被稱 為數(shù)字圖像水印 (Digital Image Watermark)技術(shù)。而這些經(jīng)典算法正是我們進(jìn)行改進(jìn)以使其適用于不同類型的原始數(shù)據(jù)信息以及特征的基礎(chǔ)。 數(shù)字圖像水印的基本概念 數(shù)字圖像水印是嵌入并存在于圖像數(shù)據(jù)中的不可見的識(shí)別碼或標(biāo)記，具有難以去除和破壞等特點(diǎn)，可以用來跟蹤和保護(hù)數(shù)字圖像的版權(quán)以及其他信息。當(dāng)水印方案中選取數(shù)字形式時(shí)，一般以具有偽隨機(jī)性的數(shù)字序列作為水印。當(dāng)水印為圖像形式時(shí)，可以是二值圖像也可以是灰度圖像。相對于序列水印而言，這類圖像水印具有直觀性的特點(diǎn)，更易為人們所接受與認(rèn)同，是水印研究的熱點(diǎn)之一。相應(yīng)的，提取時(shí)必須將所得的數(shù)字仍然通過 ASCII碼譯碼轉(zhuǎn)為文字。 根據(jù)不同的表現(xiàn)形式和性質(zhì)，數(shù)字圖像水印的分類也有很多方式。顧名思義，前者不需要計(jì)算機(jī)進(jìn)行操作，通過人眼即可看到水印存在，就像插入或者覆蓋的標(biāo)識(shí)，一般為半透明的圖標(biāo)或者是墻紙形式，可用于保護(hù)圖像、視頻和文本文件。 IBM南湖學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 水印也是此類水印的典型代表。在需要水印進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)，必須通過計(jì)算機(jī)操作將水印提取出來。狹義上的數(shù)字水印即為不可見水印。由于現(xiàn)有的圖像處理軟件的普及，越來越多的普通人可以方便熟練的對圖像進(jìn)行各種處理以滿足自己的要求，因此魯棒水印對于圖像的版權(quán)保護(hù)具有現(xiàn)實(shí)的意義。此類水印所注重的是能夠反應(yīng)失真程度的能力，因此它需要保留操 作所引起的水印信息損失的“痕跡”，即能夠檢測出水印化圖像的信號(hào)變化。 就數(shù)字水印的方案設(shè)計(jì)不同，數(shù)字圖像水印還可以根據(jù)檢測時(shí)是否需要原始數(shù)據(jù)分為非盲水印和盲 (blind)水印 (又被稱為私有 (private) 水印和公開 (public or oblivious)水印 )，不需要原始數(shù)據(jù)的即被稱為盲水印，反之，則為非盲水印。前者在水印的嵌入和檢測過程中采用同一密鑰，因此需要在發(fā)送和接收雙方中間有一個(gè)安全通信通道以確保密鑰的安全傳送。 數(shù)字圖像水印技術(shù)的結(jié)構(gòu)框架 數(shù)字圖像水印技術(shù)發(fā)展近二十年，對于其理論和算法研究逐漸深入，雖然對其定義并沒有一個(gè)統(tǒng)一的概述，但是對數(shù)字圖像水印技術(shù)的結(jié)構(gòu)框架卻有一個(gè)通用的模型，其示意圖如 圖 ： 南湖學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 圖 數(shù)字水印技術(shù)結(jié)構(gòu)框圖 由結(jié)構(gòu)框架可知，數(shù)字圖像水印技術(shù)大致分為三個(gè)部分 :水印的生成、水印的嵌入和水印的提取。 數(shù)字圖像水印的生成 水印的構(gòu)成一般包括兩部分 :一是水印所含的具體信息，如版權(quán)所有者、使用者等信息，二是序列、圖像等標(biāo)識(shí)水印。針對不同的使用環(huán)境，選用的數(shù)字圖像水印各不相同。當(dāng)選用的水印為序列形式時(shí)，編碼方式是水印系統(tǒng)能夠正確跟蹤到非法再分發(fā)數(shù)據(jù)拷貝的原始購買者的必要條件，因此編碼的碼距、碼字矩陣的秩、碼字的個(gè)數(shù)以及抗聯(lián)合攻擊能力等方面的問題都需要被一一考慮周全 .當(dāng)選用的水印是圖像形式時(shí)，可以采用二值圖像也可以采用灰度圖像，雖然灰度圖像的信息更加豐富，然而考慮其標(biāo)記的作用，含有充分形狀信息的二值圖像更具有實(shí)用性，并可以通過水印提取后的后處理過程使其更為清晰，因此，在方案設(shè)計(jì)中，可以選用二值圖像簡化算法。 從圖 1可以看出，密鑰可以在水印生成這一步驟中引入。而在生成階段利用密鑰和置亂技術(shù)將具有明顯輪廓的圖像打亂重新排列成類似于隨南湖學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 機(jī)噪聲的圖像嵌入到原始圖像之中，則可以提高了不可見性的能力的同時(shí)增強(qiáng)了算法的安全性。這就需要嵌入?yún)^(qū)間的選取恰當(dāng)合適，嵌入強(qiáng)度的確定也是至關(guān)重要的，這兩個(gè)選取必須使得在滿足不可見性的條件下以最大的能量嵌入水印，使其具有最大的魯棒性。 從上圖 還可以看出，嵌入過程中也可以引入密鑰機(jī)制，密鑰的引入，是水印方案安全性的有力保證。 數(shù)字圖像水印的提取 具體說來 ，水印的提取分為兩類 :檢測和提取。當(dāng)計(jì)算的相關(guān)性值大于某一 閾 值時(shí)，就判定含有既定水印 。而當(dāng)水印為圖像或者文字形式時(shí)，根據(jù)提取出具有一定分辨率的圖像或者是確切的數(shù)字序列，直接通過人眼即可判定識(shí)別，具有直觀性。而對于文字水印 ，則在提取過程中可以利用糾錯(cuò)碼技術(shù)進(jìn)行補(bǔ)充，以加強(qiáng)準(zhǔn)確性，然后再用 ASCII碼譯碼成相應(yīng)的文字。根據(jù)水印提取時(shí)是否需要原始圖像，提取的算法