数字图像水印技术研究毕业设计(编辑修改稿)

数字图像水印技术研究毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

数字水印技术 有着非常宽广的应用 ， 当今 比较活跃的 研究 系统有：图书馆电子 资料 水印保护 、票据 水印 防伪、数字 产品 电子交易、身份证防伪 水印 等。 伴 随电子商务政务的逐渐 展开 ， 怎样 综合运用 数字水印技术和密码技术解决电子商务政务中的信息安全问题 亟待解决 [2]。 对于 水印系统的实际应用非常必要 的是根据 不同的应用制定 其 相应的水印标准。 数字水印要得到更广泛的应用 ，那 必须建立一系列的标准， 比 如水印的认证标准 、 嵌入水印的标准等， 每种 水印算法的 评价都应该是建立在 一定的 标准之上。 科学的测评体系 是 标准化工作的基础， 假若 没有 一个公认的、符合需求的 评价标准 ，技术方案之间就 没有办法去 比较优劣 性 ，更谈不上 去 形成 一个 统一的技术 准则。 在数字水印技术的研究中， 迄今为止都 没有一个统一的 被 大家所接受的评价体系。 要建立 一个比较 科学的测评体系， 就 必须 要 有一个兼容各种信息隐藏与攻击算法的统一的理论框架，并 且在这个 框架 的基础上 构建测评的理论基础， 确定 测评 的 指标及 它的 理论值。 水印 的 应用研究还包括 对 水印协议的研究。 水印生成协议、水印嵌入协议 都属于水印协议。 一些具体应用系统的协议 已经在研究中，但 是 水印协议的标准化还没有进行。 2 数字水印技术概述 数字水印的基本特征 对于不同的用途 ， 数字水印的要求 各不一样 [3]。 常常 我们要求数字水印应具有如下基本特征： （ 1）鲁棒性 （ Robustness）：字面意思为 “强健性、坚固性、强壮性 ”。 数字水印具备 这些 的特性 时我们称它具有鲁棒性 ：当被保护的信息经过 如 传输、过滤操作、编码、放大、加入噪声等 操作的 改动后，嵌入的信息应保持 它的 完整性， 一般 不能去除，并 以 一定的正确概率被检测到。 当有敌意的第三方 想要 通过某些处理 来 去除或修改 被 嵌入的信息时，保护信息 就会发生 明显改变，从而达到对信息的保护作用 ，并 提醒合法的所有者或使用者 对其进行保护。 如果 对鲁棒性的要求不同 ， 水印应用 也就会有所不同 ， 正常都 能够抵抗 一般 的图像处理。 对水印要求最强的是 版权保护的鲁棒 性水印， 能够 抵抗恶意 性 攻击， 但不同的是，对 易损 的 水印 和 注释 的 水印 不需要 特别强调对 一些 恶意攻击的 抵御 能力。 （ 2）不可感知性 （ Imperceptibility） ： 不可感知的字面意思为 “很难 觉察，感觉不 到”，是指水印信息在嵌入后，被保护的信息不应该引起原始被保护信息质量的大幅下降和视觉效果的显著变化。 这对于鲁棒和易损的不 可见水印来说是一个最基本的要求。 这种技术在实际操作中实现起来是比较困难的，其实从信息处理的角度看，不可感知性和鲁棒性是一对互相矛盾的特性，如果过多的注重这一方面，就会削弱另一方面的性能。 所以在这两者之间必须进行折中。 虽然这种技术很困难，但是它并不是不可能，因为人类的知觉系统也并不是特别精确，不可感知并不是绝对感觉不到的。 现在，如果需要兼顾这两方面，通常人们是在“相对”不能感知的前提下尽量的去提升水印的鲁棒性。 （ 3）可检测性：作品的作者或公证机构来提取或者检测数字水印。 当作品发生版权问题纠纷时就可以通过对作 品当中存在的水印信息进行提取从而确认作品的归属权。 如果一个水印不能具备陕西理工学院毕业设计 第 5 页 共 34 页 可以检测性，那么这个水印也就失去了它的意义。 （ 4） 安全性：数字水印的信息应 该保证安全性 ， 很难改变 或伪造， 与此同时 ， 还 应当有低误检测率。 如果 原 来的 内容发生变化，水印应当 也 发生 改变 ，从而可以 检验到原来数据的改变。 （ 5）嵌入容量 (embedding capacity)：是指载体在不发生形变的前提下可嵌入的 水印 信息量。 尤其是隐蔽通 信领域的特殊性，对水印的容量希求很大。 数字水印的应用领域 研究 数字水印技术是与数字媒体的 保护版权是密切 相关的， 当今 数字水印技术应用非常广泛，概括起来主要包括 下面 几个方面 [4]： （ 1）跟踪非法传播 这是使用 用户 的信息作为水印嵌入 到 产品中， 嵌入的 这些水印信息就 像 人的指纹或 DNA 基因一样，可以 精确 地区 别 每一个不 一样 的个体， 所以 又叫 “指纹 ”。 拷贝未经授权时，就可 按照 此拷贝恢复出的 信息 来确定它的 具体 来源， 就可以找出违法 传播者。 （ 2）标题与注释 将媒体的相关注释或标题等信息利用水印技术加入其中， 方便 自己或他 人用。 例如 ，在照片中加入拍摄 的 时间、地点、作者等；在音乐中隐藏乐典的简介、作曲、访问链接等。 这种注释不 用 增加额外的带宽 ，并且很 不容易丢失， 所以这 是一种比较理想的 标识方式。 （ 3）内容保护 一些应用中，拥有数字产品内容的人可能会希望要卖的多媒体内容能任意地预览，为了多招来顾客，但是需要注意的是，要防止这些内容不会被其它人用于其它目的。 因此，预览的内容就被自动加上 水印。 数字水印 的 技术 因为 自身的优点 很多，很多的 应用领域 都在 关注，但是 目前 技术 自身 还不能完全满足安全性 和 可用性等要求。 然而 在 现代密码学的研究和 不断 发展 的基础上， 数字水印技术的应用 有了很好的依靠。 现代密码学 所 提供的 特性是 保密 、 认证、不可抵赖 和 完整性， 利用这个 可以设计 比较 安全的数字水印 以便 服务不同的应用 领域 [5]。 数字水印的分类 对 数字水印 的分类有很多种 ， 按照 不同的角度可以 按照下面 进行分类： （ 1） 按 能 见性划分 按水印是否 能 见 划分， 数字水印 被 分为可见水印和不可见水印。 当需要 当场声明 一个 数字产品的版权归属，威慑和约束盗版者，对 于 数字 的 产品进行宣传 是就采用可见水印。 不可见水印 虽然 不能够 阻挡数字产品 非法 的 复制 与盗用 ，但 是 可 以 用 它 来证明所有权， 还可以 作为鉴 别和 起诉非法侵权 行为 的证据。 （ 2） 按水印 是否具有 鲁棒性划分 如果 按 照 水印的鲁棒性 ， 数字水印 将 分为脆弱数字水印和鲁棒数字水印。 对 多媒体的 各种 变换或处理都非常敏感 的是脆弱水印 ；对各种处理操作和攻击均有较强的鲁棒性 的叫做鲁棒水印 ， 一个陕西理工学院毕业设计 第 6 页 共 34 页 好的鲁棒水印算法甚至可以 把水印 从质量已被破坏的数字作品中提取出 来 ； 如果 用于在数字作品中标识著作权信息，如作者、作品序号等 ，就要在用鲁棒水印。 如果是 用于完整性认证和内容保护 就采用脆弱数字水印。 按照 脆弱水印的状态就可以判断数据 是不是 被 改变 ， 从而 实现对多媒体的被破坏情况的定位 或者跟踪。 （ 3） 按水印的内容划分 按内容 划分， 数字水印分为有意义的水印和 没有 意义 的 水印。 有意义 的 水印 指的是 水印本身 就是某个数字图像或 着 编码； 没有 意义 的 水印则只 是对应 一个序列号。 对 有意义 的 水印 来说，优点在于 ，如果由于受到 各种攻击 或其它原因致使水印破损，人们仍可以通过 知觉系统 确认 水印是否存在。 但 如果是 无意义的水 印 ，如果 有 错误，则只能通过统计决策来确定信息中 水印还是否存在。 （ 4） 按水印 要 嵌入的空间划分 按嵌入的空间 来 划分 ， 数字水印 被 分为空域 和 频域水印。 空 间 域水印的嵌入和提取 ，是 通过修改图像 的 像素点强度或 着图像的 灰度值来实 现， 嵌入信息量大 ，但 是很 难抵抗常见图像处理的 各种攻击及 各种 噪声干扰 对它的 影响， 鲁棒性很差。 频域 的 方法 则 是水印 被 添加到原始图像的某种变换系数中， 可以 与数据压缩标准，如 JPEG 等兼容。 所以 ，频域水印算法鲁棒性更强。 （ 5） 按用途划分 不同的水印技术 满足 不同的应用需求。 如果 按水印的用途 划分 ，我们将数字水印划分为、版权保护 、 票据防伪、篡改提示和隐藏标识水印。 数字水印技术原理和基本模型 所谓 的 数字水印 ，就 是 要 嵌入在数字产品中的信号，可以是图像、符号、数字等一切可以作为标识的信息。 它存在 的原则 是不破坏原数据的 价值。 数字水印 指的是 利用数字产品信息 的 冗余性，与多媒体内容相关或不相关的一些标识信息 被 直接嵌入多媒体内容中，并能够 及时被 检测或提取出来的技术。 这种技术利用了人的知觉系统（ HVS）的冗余特性 [6]。 如果是 从图像处理的角度 来看 ，嵌入水印信号 的过程 可以 认为是 在 一个 强背景（原始图像）下又叠加一个弱信号（水印）， 前提是 叠加的水印信号强度 必须要 低于 HVS（ Human Vision System）的对比度门限。 因此，通过 调整 原始图像， 就 有可能在不改变视觉效果的情况下嵌入 信 息。 假设 载体图像为 I ， 有 待嵌入 载体的 水印信息为 W ，实际 上要 嵌入的水印信号为 39。 W ,密钥为K ,水印 的 提取 以及 检测函数 为 D ,水印嵌入函数为 F。 这样的 框架大致 可以 分为 下面 三步： 步骤 1：生成 水印信号 ： 按照 不同的 需求 ，有时 候 要对 需要对 水印信息进行预处理，最 后 水印信号形成。 这 样的过程 可以表示为函数 G ：  KWGW ，39。 (21) 步骤 2：嵌入 水印信号： 用一定的算法 把 水印信息加到图像的中，最终生成水印图像 :  KIF WI , 39。 w  (22) 算法应 该 使 得 对原始图像 做 的 改变 最小， 与此 同时 也 要保证鲁棒性 很强。 这一步是 非常重要陕西理工学院毕业设计 第 7 页 共 34 页 的。 步骤 3：水印的提取 以及 检测：从 含 水印图像中 把水印 完全恢复的过程 叫做 水印 图像 的提取 ；判断 一个 图像中特定 的 水印信号的存在性过程 叫做水印的检测。 水印的提取检测可表示为：  KIDW , (23） 或者  KWIDP ,39。 , (24) 其中 P =0/1， 0表示水印不存在， 1表示存在。 实际应用 的水印技术整体设计方案可以用图 、图 来概括描述 [7]。 嵌入水印含水印图像信息预处理水印信息密钥原始数据 图 水印的嵌入 模型 水 印 检 测 算 法 水 印 信 息 含 水 印 信 息 数 据密 钥 k原 始 数 据陕西理工学院毕业设计 第 8 页 共 34 页 图 水印的提取模型 图 为的嵌入 水印信号 模型 [8]，水印信息 是输入信号 ，原始信息，用来增强算法的安全性 是密钥 ，实际应用的系统中至少使用一个密钥， 但是 有的甚至是 用 几个密钥结合来对水印信息加密或控制水印的嵌入位置。 这 样 并不 会影像 水印的本 来 算法。 水印信息可以为任何形式的数据，原始信息可以为音频 、 图像或文本等，相应的水印信息经过嵌入算法的处理就被嵌入到 原始信息当 中去，最后就 得到嵌入水印信息后的信息。 图 为提取水印信息模型， 等待 检测的含水印 的 信息 有 可能受过攻击，在进行 恢复 水印信息时，可以 按照 所采用具体 嵌入的 方法不 一样 ， 选择 应用 和 不应用原始信息 和 水印信息来 恢复 嵌入的水印信息。 恢复的 信号 可与原始的水印信号进行相似度测量来判定水印信息 是不是存在。 典型数字水印算法分析 数字水印技术是一门 相互 交叉 的 学科，特点在于它横跨多科领域，以 多科 领域的思想 、算法 和概念为基础，是真正 的一个 快速发展的技术。 研究者 们研究数字水 都是 各 用 自学科的独特视角， 从而 相继出现了 各种各样的 数字水印算法，数字水印系统的典型算法 如下：。