毕业设计（论文）基于密钥分存的数字水印算法设计.doc

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1、毕业设计（论文） 基于密钥分存的数字水印算法设计 学 院 年级专业 03级电子信息工程 学生姓名 指导教师 专业负责人 答辩日期 2007年6月24日 毕业设计（论文）任务书学院： 信息科学与工程学院 系级教学单位： 电子与通信工程 学号学生姓名专 业班 级电子信息工程1班课题题 目基于密钥分存的数字水印算法设计来 源自选主要内容选择一个密钥分存算法和一种数字水印算法，对采用密钥分存数字水印算法与没有采用密钥分存数字水印算法进行比较。分析密钥分存方法在提高数字水印性能方面的作用基本要求给出基于密钥分存的数字水印算法 给出算法中水印的抗压缩、滤波、噪声攻击的实验结果参考资料1、信息隐藏技术，人民

2、邮电出版社2、计算机密码学，清华大学出版社周 次14周58周912周1316周1718周应完成的内容 阅读资料熟悉内容阅读资料熟悉内容算法设计实验分析总结写毕业论文指导教师： 许成谦系级教学单位审批：摘 要近年来随着计算机技术的飞跃发展和数字媒体存储与传输技术的进步，数字媒体的版权保护正受到日益严重的挑战，在这种情况下，一种新的版权保护、信息隐藏、证件防伪技术数字水印技术蓬勃发展起来。数字水印技术是永久镶嵌在数字媒体中具有可鉴别性的数字信号，并且不影响数字媒体的可用性。该技术是往数字媒体或图象中添加一定量的信息，在对原始数据作微小修改之下使之具有版权保护或者信息隐藏、防伪的功能。首先，本文提出

3、了几种数字水印的算法：包括离散余弦变换、傅立叶变换以及离散小波变换。着重说明了离散余弦变换的具体实现过程，包括水印的嵌入和提取以及抗攻击性的测试过程。然后，提出了一种基于中国剩余定理的数字水印分存算法。即Asmuth-Bloom体系，将密钥分存的思想引入到数字水印中，实现了基于部分内容提取水印的算法，它具有很好的性能：算法隐藏效果好，凭借肉眼无法看出与原图像的差别；恢复水印时不需要原始图像；在图像受到损坏的情况下，仍可以恢复水印信包具有很好的安全性；水印的提取受到口令限制。实验结果表明，基于密钥分存的数字水印方案更加有利于水印抵抗攻击的特性，起到了二次加密的作用。关键词：数字水印；离散余弦变换

4、（DCT）；中国剩余定理；Asmuth-Bloom体系。AbstractWith the development of computer technology and the advancement of digital media storage and transmission, it is a serious challenge to protect the copyright of digital media. As a result, Watermarking, standing for a new technology of copyright protection, inform

5、ation hiding, and forgery prevention is developed quickly.Digital Watermarking is a digital signal which is embed into digital media can be detected correctly without affecting the normal use of the digital media. The digital media is endowed with the function of copyright protection and information

6、 hiding and anti-counterfeiting printing by embedding a little information into it. First, this article proposed several kind of digital watermarks algorithm: Including the separate cosine transformation, Fourier transform as well as the separate wavelet transformation. Has emphasized the separate c

7、osine transformation concrete realization process, inserts and withdraws as well as the anti- aggressive test process including the watermark. Then, proposed one kind saves the algorithm based on the Chinese surplus theorem digital watermark minute. Namely the Asmuth-Bloom system, the thought which

8、saves the key minute introduces in the digital watermark, realized has withdrawn the watermark based on the partial contents the algorithm, it had the very good performance: The algorithm hideaway effect is good, relies on the naked eye to be unable to see with the original map picture difference; R

9、estores when the watermark does not need the primitive picture; Received the damage in the picture in the situation, still was allowed to restore the water official seal package to have the very good security; The watermark withdraws is restricted password. The experimental result indicated, saves t

10、he digital watermark plan based on the key minute to be more advantageous to the watermark resistance attack characteristic, played the role which two time encrypted.Keywords: Digital watermark; separate cosine transformation (DCT); Chinese surplus theorem; Asmuth-Bloom system.目 录摘 要IAbstractII第1章绪论

11、11.1课题背景11.2研究现状21.3论文研究方向3第2章数字水印技术52.1数字水印技术52.2数字水印分类72.3数字水印的特性92.4数字水印的应用领域102.5数字水印基本框架11第3章数字水印实现算法133.1典型数字水印算法133.2离散余弦变换143.3基于离散余弦变换的水印的嵌入和提取163.3.1水印的选择173.3.2视觉模型的选择173.3.3中频系数的选择183.3.4水印的嵌入183.3.5水印检测193.4数字水印抗攻击性测试203.4.1均方差 MSE（Mean Square Error）203.4.2信噪比 SNR （SignaltoNoise Ratio）2

12、13.4.3峰值信噪比PSNR（Peak SignaltoNoise Ratio）213.4.4掩膜峰值信噪比MPSNR223.4.5相似性系数NC系数（Normalized Correlation）223.5实验结果及分析23第4章 基于密钥分存的数字水印算法254.1引言254.2密钥分存原理254.2.1Shamir基于拉格朗日差值公式的办法264.2.2基于中国剩余定理的方案264.3 数字水印分存、提取步骤274.3.1 数字水印分存274.3.2数字水印嵌入和提取284.4实验结果28结 论30参考文献31附录132附录235附录338致谢53第1章绪论1.1课题背景近年来计算机技

13、术飞跃发展，互联网络延伸到全球的每一个角落，数字化图像、数字化音乐、数字化视频数字技术已融入我们生活的每一天。随着数字媒体存储与传输技术的进步，携带与分发数字媒体变得愈发容易，尤其是最近几年，伴随着因特网技术的盛行，网络带宽的不断增加，在全球范围内，交换数字媒体已成为广泛的现象，人们对数字媒体的需求正以令人吃惊的速度增长，操作数字媒体的工具亦迅猛增加。所有这些技术进步与巨大的需求使得数字媒体的合法使用成了一个非常严峻的问题，尤其是在目前人们的知识产权意识比较薄弱的情况下，知识产权的保护就更加变得脆弱不堪。保护数字媒体的知识产权，仅仅靠注册其所有权已无法有效保护作者的合法权益。不法分子的随意拷贝

14、、任意发布，甚至以出售盗版来牟取暴利的行为，对作者的权益造成了极大的伤害。数字媒体的版权保护和来源认证成了在开放的网络环境下迫切需要解决的问题之一。对数字媒体的版权保护，人们首先想到了信息安全领域的传统技术密码技术。为了防止数据在传递过程中被别人窃听或修改，对数据进行加密，加密后的数据称为密文，这样即使别人窃取了传输中的数据（密文），由于没有密钥而无法将之还原成明文（未经加密数据），从而保证了数据的安全性，接收方因拥有正确的密匙，可将密文还原成正确的明文。加密技术多种多样，但总体来说可以分为私有密钥加密和公有密钥加密。私有密钥加密系统使用私有密钥进行加密和解密。该密钥必须为发送者和接收者所共享

15、。若甲要向乙发送一个加密邮件，甲用密钥将邮件信息加密，乙收到邮件后，须用同样的密钥将邮件信息解密。该方法的缺点：接收双方必须拥有同样的密钥，这要求要有一种安全的协议来保证密钥传送的可靠。有紧急的加密消息需要发送时，可能因接收方没有密钥而不能完成传送，若要将消息发给许多不同的团体，就需要与各个团体对应，维护许多不同的密钥。造成了密钥维护的负担，增加了不必要的额外工作。公共密钥加密不需要信息的发送者和接收者都知道对方的密钥，就能访问该加密信息。公共密钥加密系统使用公共密钥和私有密钥对来加密和解密信息。其思想是：用公共密钥加密的信息只能用与之对应的私有密钥解开，而用私有密钥加密的信息，任何拥有与之对

16、应的公共密钥的人均可解开。因此，私有密钥总是由个人保管而无须外传，公共密钥则可授权给他人使用而不会破坏安全性，公共密钥和私有密钥之间永远存在着一对一的关系。具体地讲，若信息是用接收方的公共密钥加密的，则只有拥有与该公共密钥对应的私有密钥的人才可解密。若信息是用发送方的私有密钥加密的，则任何拥有发送方公共密钥的接收者都可以对信息进行解密。传统的加密方法对多媒体内容的保护和完整性认证也具有一定的局限性。首先，加密方法只用在通信的信道中，一旦被解密，则信息就完全变成明文。另外，密码学中的完整性认证是通过数字签名方式实现的，它并不是直接嵌到多媒体信息之中，因此无法察觉信息在经过加密系统之后的再次传播与

17、内容的改变。这样，数字水印技术作为加密技术的补充，在多媒体信息的版权保护与完整性认证方面得到了迅猛的发展。数字水印是新近提出的一种版权保护手段。它是利用数字作品中普遍存在的冗余数据与随机性把版权信息嵌入在数字作品本身，从而起到保护数字作品版权的一种技术。数字水印可以标识和验证出数字化图像，视频和声频记录的作者、所有者、发行者或授权消费者的信息，还可追溯数字作品的非法分发，是目前进行数字作品版权保护的一种较为有效的技术手段。1.2研究现状自Schyndel在1994 年提出基于LSB 的水印算法以来，数字水印领域涌现出大量的水印嵌入和检测方法。这些方法大致可以分为空间域方法和变换域方法两种。其中

18、，变换域算法需要先对源数据进行一个变换，然后在变换域中完成水印的嵌入和检测，因而往往会需要较大的运算量。但是，由于压缩、滤波等图像处理的过程经常也是在变换域完成，如果处理的过程和水印信号嵌入使用相同的变换域,那么这些处理对数字水印的影响将可以被大大地降低。例如，将图像进行DCT变换后再在变换域嵌入水印，就可以提高水印系统抵抗JPEG压缩处理的能力。因此，选择一个合适的变换操作，然后在该变换域嵌入水印，则可以提高水印嵌入系统的鲁棒性。目前，数字水印的研究从结构层次上可分为基础理论研究、应用基础研究和应用技术研究3个层次：基础理论研究：主要针对感知理论、信息隐藏及其数字水印模型、理论框架等；应用基

19、础研究：主要方向是针对声音、图像和视频等多媒体信号，研究相应的数字水印隐藏算法和检测算法，以及能够抵抗仿射变换、滤波、重采样、色彩抖动和有损压缩的鲁棒的数字水印技术；应用技术研究：以实用化为主要目的，研究各种多媒体格式的数字水印算法。目前，虽有一些研究算法和技术可以抵抗常见的噪声干扰、JPEG 有损压缩等，但对于抵抗剪切、缩放、旋转、最新的JPEG 2000 压缩标准及A/D、D/A变换等处理和攻击却很少，尤其是不能抵抗信号处理和几何变换的联合攻击。在进一步的应用中，迫切需要可以抵抗旋转、缩放和平移的数字水印技术以及不需要原图像的盲检测，需要检测出的水印有数字、二值图、灰度图和彩色图，这些构成

20、了第2代数字水印技术。根据数字水印技术的不可感知性和鲁棒性等特点，数字水印会在更为广阔的领域得到新的应用，如在印刷防伪中的应用。当然，这需要研究更为鲁棒的数字水印技术。在技术上除要满足第1、第2 代数字水印技术的特性外，还需要抵抗A/D和D/A变换、非线性量化、色彩失真、仿射变换和投影变换等攻击，且必须与打印扫描原理或印刷原理及工艺相结合。这在理论上和算法设计上都提出了更富有挑战性的课题。总的说来，水印技术的研究已经取得了相当的成绩，但是在水印技术进一步的研究和应用方面(本文关心的是图片资产版权保护这一特定应用)还有很多的路要走。首先，目前对于显式水印的研究是水印技术一个比较劣势的领域。另外，

21、水印技术的研究应该和相关技术的研究保持紧密的联系，对于图片资产的水印技术而言，应该充分借鉴目前图片处理中用到的技术，例如小波分析的使用等。1.3论文研究方向数字水印技术的发展为解决数字作品的侵权问题提供了一个有效的解决途径。虽然数字水印并不能直接防止数字作品的非法复制，但可以成为指证非法复制的证据。按照水印的嵌入方法可以将水印分为两类：空间域水印和变换域水印。空间域方法通过改变载体信息的空间域特性来隐藏水印;最低有效位方法(LSB)，是其中最具代表性的一种-其原理就是通过修改表示数字图像颜色(或者颜色分量)的较低位平面，一般对于图像来说，最低两比特位的修改不会给人的视觉造成很强的修改感觉。变换

22、域方法通过改变数据(主要指图像、音频、视频等变换域的一些系数来隐藏水印，它在图像变换域改变数据，再进行反变换得到嵌入水印后的图像，基于变换域的数字水印算法主要有：离散余弦变换、离散傅立叶变换和离散小波变换等。本文提出了一种基于阿斯木斯-布隆（Asmuth-Blooom）体系的数字水印分存算法，并利用离散余弦变换方法进行了实现。该算法是将秘密分存的思想用于数字水印方面，水印信息经过分存后被分成n份，只有获得其中的至少t(t=n)份信息才可以恢复原始水印，水印提取时不需要原始图像。第2章数字水印技术2.1数字水印技术虽然加密技术层出不穷，但是其加密原理和解密方式基本未变，密码技术所能提供的保护作用

23、是非常有限的、不完全的。因为数据被加密成密文后，其内容就会变的杂乱无章，这将引起公用网络上拦截者的兴趣，并激发他们破解密文的热情，以此来显示自己的才能。计算机技术的飞速发展为他们提供了良好的工具，网络的延伸则给他们创造了宽阔的平台，使得他们破译密码的能力越来越强。常规加密技术的安全性受到了极大挑战，仅通过增加密钥的长度，以此提升加、解密系统的可靠性已不再是行之有效的方法。在这种情况下，几乎所有的数据加密技术都一样处于危机边缘，并且密码一旦被破解，其保护作用也就随着密码的破解而完全消失，任何人都可以毫无障碍的取得和分发机密文件。数字签名虽然能用于保护电子文件的真实性、完整性，防止伪造、抵赖和冒充

24、，但由于数字签名需要专业的机构来维护，同时在数字媒体中对签名的需求量会很大，因而数字签名对多媒体的保护就显得不完全，也不方便。正因为传统加密技术的以上缺点，造成了越来越多的数字媒体的版权被肆意侵犯，知识产权得不到有效的保护。近年来，国际上开始提出并尝试一种新的关于信息安全的概念，即将机密资料隐藏到一般的文件中，然后再通过网络来传递，由于非法拦截者从网络上拦截下来的是伪装后的资料，它们看起来与一般非机密资料没有两样，因而十分容易逃过拦截者的破解。其道理如同生物学上的保护色，巧妙地将自己伪装隐藏于环境中，免于被天敌发现而遭受攻击。这一点是常规加/解密系统所欠缺的，也是信息伪装最基本的原理。所谓信息

25、伪装又称为信息隐藏，即将机密资料秘密地隐藏于另一非机密文件内容中，其形式可为任何一种数字媒体，如图像、声音、视频或一般的文档等等，其首要目标是隐藏性要好，即要使加入隐藏信息的目标媒体产生最小的可见性降质，使人无法看到或听到隐藏的数据，达到令人难以察觉的目的，以此实现机密资料的安全传输。信息隐藏技术极大地缩小了隐藏数据的危险性。首先除非作者本人，别人根本不会知道数据中藏有信息，因此就不会激发其他人的兴趣去破译其中的信息,其次，即使藏身的载体数据被破坏，所导致的结果就是使隐藏于其中的信息亦随着载体数据的被破坏而消失，隐藏于其中的信息也就不会流传开来。信息隐藏与传统的加密技术有着本质上的区别：传统的

26、加密技术是通过限制用户对数据的访问而实现其安全目的，而信息隐藏不限制用户正常地使用数据资料，相反它鼓励正常地使用携带了信息的数据资料。信息隐藏的目的是保证所隐藏的数据不被侵犯和非法重现。另外信息隐藏必须考虑隐藏的信息在经历各种环境、操作之后而免遭破坏的能力。在图像传递过程中，机密资料若是在非法拦截者破解的过程中消失，则机密资料可以说是安全的，倘若机密资料是在正常的处理过程中消失，则机密资料的传递算是失败的、无效的，必须重新传递。一般的多媒体形式的文件，其信息量都非常大，为了节省传递时间，在传递之前都会将传递的信息资料进行压缩处理。因此信息隐藏还必须考虑诸如图像压缩等多种非恶意操作所带来的威胁，

27、使机密资料对正常的有损压缩技术等操作具有免疫能力。这种免疫力的关键是要使隐藏资料的信息不易被有损压缩破坏，也不易被常用的信号变换操作破坏。信息隐藏的数据量与隐藏的免疫力互相矛盾，不存在一种完全满足这两种要求的方法。通常只能根据需求的不同有所侧重，采取某种妥协。从这一点来看，实现真正有效的数据隐藏的难度很大，因而十分具有挑战性。数字水印技术正是这样一种信息隐藏技术，但又与之不完全相同。数字水印技术不但可以用于数字媒体的版权保护，而且还可以用于保密通信、商品证件防伪等多种应用领域，实现在开放的网络环境中安全的进行信息传输。数字水印是永久镶嵌在其他数据（宿主数据）中具有可鉴别性的数字信号或模式，而且

28、并不影响宿主数据的可用性。数字水印技术往数字媒体中添加一定量信息，在对原数据作微小修改之下使之具有版权保护或者信息隐藏功能。从嵌入水印的数字媒体中检测或者提取出一定的信息，实现跟踪和鉴别标识作品的所有权、数据的授权使用认证等功能。例如数字水印技术用于数字作品的版权保护时，为保证作品的使用不受版权保护要求的影响，就必须将版权信息或其他标志版权的信息隐形地嵌入到数据中，这是传统数据加密技术无法处理的。同样，根据需要可将这样类似的信息嵌入到数字媒体中，再将其印刷输出，则可形成数字水印防伪标签，由于这样的标签可以防伪造，但不能防复印拷贝，就必须将数字水印技术与其他的防拷贝技术复合，复合后的防伪标签将可

29、以以低成本的优势应用于各种大小商品的防伪。数字水印技术应用的另外一个领域是保密通信，将机密文件信息当成水印，添加到数字媒体中，由于对数字媒体的改动量微乎其微，而且添加水印后不影响数字媒体的使用，因此对破解者来说将很难分辨是否在数字媒体中存在密文信息，而且在水印添加过程中将采用多种处理方式，比如对水印进行伪随机化处理，对嵌入水印的位置进行伪随机化处理等，以保证水印的不可被攻击性，实现信息的安全隐藏和传输。若首先对要添加的机密信息进行加密处理，将使得破解难度更加增大。2.2数字水印分类数字水印的分类方式有多种：一、数字水印按照嵌入方式可分为空域水印和频率域水印。直接在空域中对采样点的幅度值进行改变

30、，嵌入水印信息的称为空域水印；对空域数据进行频率变换，然后对频率域中的系数进行改变并嵌入水印信息，之后进行反变换得到嵌入水印后的空域数据称为频率域水印。二、数字水印按照可见性可分为可见水印和不可见水印。对于可见水印，就如同货币上的有形图案，我们可以通过感觉器官感知；而不可见水印，是指无法直接感知，但又确实存在的东西，我们可以通过特定的方法进行某种处理之后感觉到，如货币上的隐形水印，需借助紫外线的照射才能看见。三、数字水印按照其作用可分为鲁棒水印和脆弱水印。前者主要应用于数字作品中标志著作版权信息，需要嵌入的水印能够抵抗常见的编辑处理和有损压缩；后者主要用于完整性保护，判断信号是否被篡改。四、数

31、字水印按照其载体的不同可分为图像水印、视频水印、音频水印、文本水印等。五、数字水印按照水印的检测方法可分为明水印和盲水印。在检测过程中需要原始数据的水印技术称为明水印，其鲁棒性较强；在检测过程中不需要原始数据的技术称为盲水印。数字水印的分类多种多样，但不管是那种数字水印，通常都具有以下一些特性：不可见性。水印应该是视觉上不可见的，即它的存在不应该使原始图像视觉质量发生变化或影响原始图像的视觉效果。水印在通常的感知条件下不被感觉，原始图像发生的变动和失真低于可感知的门限。稳健性。水印图像经过一些常见的改变后，水印仍具有较好的可检测性。这些改变包括图像处理中的数据压缩、低通滤波、图像增强、二次抽样

32、、二次量化A/D、D/A 转换等，以及裁剪、尺度拉伸、平移、旋转、扭曲等几何变换。低复杂性。算法实现容易，甚至在某些场合，要求水印算法满足实时性的要求。秘密性。嵌入过程是秘密的，水印在统计上是不可检测的，对于通过改变水印图像来消除和破坏水印的企图，水印应该保持存在直到图像已严重失真而丧失使用价值。安全性。数字水印系统使用一个或多个密钥来确保安全，防止修改和擦除水印。信息被隐藏在多媒体内容中，并不因文件格式转换而丢失，且未经授权者不能检测出水印。正确解决所有权的死锁问题。即水印用来作为所有权的证明时，应能给判断所有权提供唯一性的证据。与数字水印在互联网中的应用相比，数字水印技术应用于印刷或打印具

33、有一些特殊的特点。从技术的角度来讲，设计软件和算法时，需要使水印具有更好的鲁棒性和抗攻击性，抵抗 A/D、D/A 转换，应用于印刷的数字水印好需要满足一些特殊的性质：视觉不可见性。即人眼在视觉上察觉不出有隐藏的水印，同时它不影响原有印刷品的视觉质量。利用软件将数字水印嵌入到数字图像中，在网络上流通时，容易满足视觉不可见性；而用于印刷防伪，此特性表现在采用打印或印刷设备时，在各种分辨率下加入的水印，不能因分辨率的降低或升高而使水印显现。机读性。检测方式为机读方式，既可以采用简便的专用仪器或普通扫描仪加上软件完成水印的检测，也可以根据需要配合数据库的支持和网络进行认证。抵抗非线性的变换。所设计的数

34、字水印算法实现软件必须能抵A/D和 D/A 转换，即通过计算机加入数字水印，并将含有水印的图像进行打印或印刷输出。经过流通后图像经过光电检测输入到计算机内，这其中包括非线性的量化失真和空间混叠。抵抗旋转、缩放和剪切在印刷品产生过程中，要产生缩放等比例变化。在检测过程中，由于印刷品摆放的位置不正，也可能产生旋转和剪切变化。抵抗色彩变换和文件格式变换。在A/D和D/A转化过程中，数字水印算法需抵抗伽玛矫正和色彩失真。打印和印刷的图像在再流通过程中，由于印刷品的老化也会产生色彩失真。文件格式变换也是经常遇到的，如 BMP、TIFF、CYMK等的格式切换。数字水印的不可见性和稳健性，是互相冲突的。要提

35、高数字水印的稳健性就需要加大水印嵌入强度，增加水印嵌入容量，但同时可能导致水印的不可见性降低。事实上，数字水印的一个基本问题就是要在这两者之间达成一个好的平衡。数字水印的早期研究集中于隐形性上，而没有考虑稳健性要求。最近大量工作都集中在设计一个稳健的水印方案。各种视觉模型也被用到，以达到两个基本要求之间的最佳平衡。2.3数字水印的特性数字水印的特性如下：（1）透明性：对于以模拟方式存储和分发的信息(如电视节目)，或是以物理形式存储的信息(如报刊、杂志)，用可见的标志就足以表明其所有权。但在数字方式下，标志信息极易被修改或擦除。因此应根据多媒体信息的类型和几何特性，利用用户提供的密钥将水印隐藏到

36、一系列随机产生的位置中，使人无法察觉。（2）鲁棒性：水印必须对一般的信号处理操作(如滤波、平滑、增强和有失真压缩等)、删除攻击和迷惑攻击等具有鲁棒性。除非对数字水印具有足够的先验知识，任何破坏和消除水印的企图都将严重破坏多媒体信息的质量。（3）不可检测性：包括两方面的含义：水印信息与原始载体数据具有一致的特性，使攻击者无法通过信息分析手段判断多媒体数据中是否存在水印；水印信息本身具有不可统计性，避免攻击者通过统计多个多媒体数据进而分析存在的相似性来进行攻击。（4）安全性：指水印嵌入算法具有较强的抵抗攻击的能力，能够承受一定程度的人为攻击而使水印不会被破坏。（5）自恢复性：经过一些操作或者变换之

37、后，可能会使原始载体数据产生较大的破坏，如果从留下的片断数据能够恢复信号，就是所谓的自恢复性。2.4数字水印的应用领域多媒体技术的飞速发展和Internet 的普及带来了一系列政治、经济、军事和文化问题，产生了许多新的研究热点，以下几个引起普遍关注的问题构成了数字水印的研究背景。（1）数字作品的知识产权保护数字作品(如电脑美术、扫描图像、数字音乐、视频和三维动画) 的版权保护是当前的热点问题。由于数字作品的拷贝或修改非常容易，而且可以做到与原作完全相同，所以原创者不得不采用一些严重损害作品质量的办法来加上版权标志，而这种明显可见的标志很容易被篡改。数字水印利用数据隐藏原理使版权标志不可见或不可

38、听，既不损害原作品，又达到了版权保护的目的。目前，用于版权保护的数字水印技术已经进入了初步实用化阶段，IBM 公司在其“数字图书馆”软件中就提供了数字水印功能，Adobe 公司也在其著名的Photoshop软件中集成了Digimarc公司的数字水印插件。然而实事求是地说，目前市场上的数字水印产品在技术上还不成熟，很容易被破坏或破解，距离真正的实用还有很长的路要走。（2）商务交易中的票据防伪随着高质量图像输入输出设备的发展，特别是精度超过1200 dpi 的彩色喷墨、激光打印机和高精度彩色复印机的出现，使得货币、支票以及其它票据的伪造变得更加容易。据美国官方报道，仅在1997 年截获的价值400

39、0 万美元的假钞中，用高精度彩色打印机制造的小面额假钞就占19 %，这个数字是1995 年的9.05 倍。目前，美国、日本以及荷兰都已开始研究用于票据防伪的数字水印技术。其中麻省理工学院媒体实验室受美国财政部委托，已经开始研究在彩色打印机、复印机输出的每幅图像中加入惟一的不可见的数字水印，在需要时可以实时地从扫描票据中判断水印的有无，快速辨识真伪。另一方面，在从传统商务向电子商务转化的过程中，会出现大量过度性的电子文件，如各种纸质票据的扫描图像等。即使在网络安全技术成熟以后，各种电子票据也还需要一些非密码的认证方式。数字水印技术可以为各种票据提供不可见的证标志，从而大大增加了伪造的难度。（3）

40、声像数据的隐藏标识和篡改提示数据的标识信息往往比数据本身更具有保密价值，如遥感图像的拍摄日期、经纬度等。没有标识信息的数据有时甚至无法使用，但直接将这些重要信息标记在原始文件上又很危险。数字水印技术提供了一种隐藏标识的方法，标识信息在原始文件上是看不到的，只有通过特殊的阅读程序才可以读取。这种方法已经被国外一些公开的遥感图像数据库所采用。此外，数据的篡改提示也是一项很重要的工作。现有的信号拼接和镶嵌技术可以做到“移花接木”而不为人知，因此，如何防范对图像、录音和录像数据的篡改攻击是重要的研究课题。基于数字水印的篡改提示是解决这一问题的理想技术途径，通过隐藏水印的状态可以判断声像信号是否被篡改。

41、（4）隐蔽通信及其对抗数字水印所依赖的信息隐藏技术不仅提供了非密码的安全途径，更引发了信息战,尤其是网络情报战的革命，产生了一系列新颖的作战方式，引起了许多国家的重视。网络情报战是信息战的重要组成部分，其核心内容是利用公用网络进行保密数据传送。迄今为止，学术界在这方面的研究思路一直未能突破“文件加密”的思维模式，然而，经过加密的文件往往是混乱无序的，容易引起攻击者的注意。网络多媒体技术的广泛应用使得利用公用网络进行保密通信有了新的思路，利用数字化声像信号相对于人的视/听觉冗余，可以进行各种时（空）域和变换域的信息隐藏，从而实现隐蔽通信.2.5数字水印基本框架一般来说，对图像添加水印分为两部分来

42、进行：数字水印的嵌入数字水印的提取。一、数字水印的嵌入。该过程的一般表示过程如图2-1所示：图像S，水印W和密钥Password （通常作为伪随机发生器的种子），嵌入过程相当于一种映射：SWPSw。 图2-1 嵌入数字水印基本框架二、数字水印的提取。该过程的一般表示过程如图2-2所示：提取过程中要么完全提取出嵌入其中的数字水印，要么给出其含有所嵌入水印的可能性有多大。图像Sw，水印W和密钥Password（通常作为伪随机发生器的种子），提取过程相当于一种映射：SwWP（有无水印判断Wr）。图2-2 提取数字水印基本框架第3章数字水印实现算法3.1典型数字水印算法近年来，数字水印技术研究取得了很

43、大的进步，下面对一些典型的算法进行了分析，除特别指明外，这些算法主要针对图像数据(某些算法也适合视频和音频数据)。（1）空域算法该类算法中典型的水印算法是将信息嵌入到随机选择的图像点中最不重要的像素位(least significant bits，LSB) 上，这可保证嵌入的水印是不可见的。但是由于使用了图像不重要的像素位，算法的鲁棒性差，水印信息很容易为滤波、图像量化和几何变形等操作破坏。另外一个常用方法是利用像素的统计特征将信息嵌入像素的亮度值中。Patchwork算法方法是随机选择N对像素点()，然后将每个点的亮度值加1，每个点的亮度值减1，这样整个图像的平均亮度保持不变。适当地调整参数

44、Patchwork 方法对JPEG 压缩、FIR 滤波以及图像裁剪有一定的抵抗力，但该方法嵌入的信息量有限。为了嵌入更多的水印信息，可以将图像分块，然后对每一个图像块进行嵌入操作。（2）频域算法该类算法中，大部分水印算法采用了扩展频谱通信(spread spectrum communication)技术。算法实现过程为：先计算图像的离散余弦变换(DCT)，然后将水印叠加到DCT 域中幅值最大的前系数上(不包括直流分量)，通常为图像的低频分量。若DCT 系数的前k个最大分量表示为，水印是服从高斯分布的随机实数序列,那么水印的嵌入算法为，其中常数a为尺度因子，控制水印添加的强度。然后用新的系数做反

45、变换得到水印图像I。解码函数则分别计算原始图像I 和水印图像I*的离散余弦变换，并提取嵌入的水印W*，再做相关检验以确定水印的存在与否。该方法即使当水印图像经过一些通用的几何变形和信号处理操作而产生比较明显的变形后仍然能够提取出一个可信赖的水印拷贝。一个简单改进是不将水印嵌入到DCT 域的低频分量上，而是嵌入到中频分量上以调节水印的顽健性与不可见性之间的矛盾。另外，还可以将数字图像的空间域数据通过离散傅里叶变换(DFT)或离散小波变换(DWT)转化为相应的频域系数；其次，根据待隐藏的信息类型，对其进行适当编码或变形；再次，根据隐藏信息量的大小和其相应的安全目标，选择某些类型的频域系数序列(如高

46、频或中频或低频)；再次，确定某种规则或算法，用待隐藏的信息的相应数据去修改前面选定的频域系数序列；最后，将数字图像的频域系数经相应的反变换转化为空间域数据。该类算法的隐藏和提取信息操作复杂，隐藏信息量不能很大，但抗攻击能力强，很适合于数字作品版权保护的数字水印技术中。本文将要用到的水印算法是离散余弦变换（DCT）,下节将要详细阐述离散余弦变换的具体算法。3.2离散余弦变换离散傅立叶变换虽然具有很多优点，得到了广泛的应用，但其缺点也很明显，如傅立叶变换需要计算的是复数而不是实数，计算量大，耗费时间多。如果采用离散余弦变换即可避免复数运算，减少计算量和时间耗费。一维离散余弦正变换的定义如下： (3-1) (3-2)其中为第u个余弦变换系数，为广义频率变量，=1,2,3N-1, 为时域中N点序列， x=1,2,3N-1一维离散余弦反变换定义如下： (3-3)对于二维离散余弦变换，定义的表达式如下： (3-4) (3-5) (3-6) (3-7)其中为空间域中二维向量，=1，2，3N-1, 为变换系数矩阵，=1，2，N-1二维离散余弦反变换由下式表示：(3-8)在实际的应用中，我们一般不从离散余弦变换的定义出发而进行计算，因为那样的计算量是相当大的，在实际中我们采用一种快速算法。首先，我们将 f (x)进行延拓： (3-9)按照一