畢業(yè)設(shè)計(jì)---基于人眼視覺(jué)特性彩色圖像數(shù)字水印算法（含外文翻譯）

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</b></p><p>　　基于人眼視覺(jué)特性彩色圖像數(shù)字水印算法</p><p>　　姓 名： </p><p>　　院(系)別： 電子與信息工程學(xué)院</p><p>　　專(zhuān) 業(yè)： 通信工程 </p>&l

2、t;p>　　班 級(jí)： 通信083班 </p><p>　　2012年 6 月 9 日</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū) </p><p>　　院長(zhǎng) 教研室主任 指導(dǎo)教師 </p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告

3、表</p><p>　　2012 年 3 月 01 日</p><p>　　xx畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）進(jìn)度檢查記錄</p><p>　　xx本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評(píng)閱表（設(shè)計(jì)類(lèi)）</p><p>　　xx畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）成績(jī)考核表</p><p><b>　　摘 要</b></p>

4、<p>　　數(shù)字水印，作為數(shù)字信息產(chǎn)權(quán)保護(hù)的一種有效手段，其技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前多媒體信息安全研究領(lǐng)域發(fā)展最快的熱點(diǎn)技術(shù)，受到國(guó)際學(xué)術(shù)界和企業(yè)界的高度關(guān)注。 </p><p>　　本文提出了一種以彩色空間轉(zhuǎn)換、人眼視覺(jué)特（HVS）為基礎(chǔ),將二值圖像 （即數(shù)字水?。┣度氲皆疾噬珗D像中的新數(shù)字水印算法。 該算法具有以下特點(diǎn)：（1）充分利用人眼視覺(jué)特性（HVS），實(shí)現(xiàn)了數(shù)字水印圖像的自適應(yīng)嵌入, 增強(qiáng)了算法的

5、透明性和魯棒性；（2）能夠依據(jù)原始彩色載體圖像內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)數(shù)字水印嵌入深度的智能調(diào)節(jié)。同時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明：該自適應(yīng)空域彩色圖像數(shù)字水印算法不僅具有較好的透明性，而且對(duì)諸如疊加噪聲、JPEG 壓縮、平滑濾波、幾何剪切、圖像增強(qiáng)、馬賽克效果等攻擊均具有較好的魯棒性。</p><p>　　關(guān)鍵詞：數(shù)字水?。徊噬臻g轉(zhuǎn)換 ；人眼視覺(jué)特性；二值圖像 ；</p><p><b>　　魯棒性&l

6、t;/b></p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　Digital watermarking technology, as one of the effective means in copyright protection of digital information, has been fastest-gorwing tec

7、hnique in multimedia information security area. It has obtained increasing attention from the international academic circles and enterprise circles.</p><p>　　In this paper, an adaptive spatial domain color i

8、mage watermarking technique, based on human visual system (HVS) and color space transformation, is proposed. In this watermarking algorithm, the digital watermark (two value image) can be embedded adaptively into the col

9、or host image. This algorithm has the following characteristics:(1) In the full use of human visual characteristics ( HVS ) condition, digital watermark image can be adaptive embedding, to improve the algorithm's rob

10、ustness and tra</p><p>　　Key words：Digital watermark; Color space transformation; Human Visual System (HVS); Two Value Image; Robustness </p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第

11、一章 緒 論 1</p><p>　　1.1 課題的研究背景及意義1</p><p>　　1.2 國(guó)內(nèi)外研究狀況2</p><p>　　1.3 當(dāng)前研究存在的問(wèn)題4</p><p>　　1.4 研究的若干關(guān)鍵方向4</p><p>　　1.4.1 理論研究4</p><p>　　

12、1.4.2 應(yīng)用研究5</p><p>　　1.5 本文主要研究的內(nèi)容與結(jié)構(gòu)5</p><p>　　第二章 數(shù)字水印技術(shù)概述7</p><p>　　2.1 數(shù)字水印原理8</p><p>　　2.1.1 數(shù)字水印基本特性8</p><p>　　2.2.2 數(shù)字水印分類(lèi)8</p><p&g

13、t;　　2.2.3 數(shù)字水印系統(tǒng)模型9</p><p>　　2.2.4 數(shù)字水印攻擊方法11</p><p>　　2.2.5 數(shù)字水印性能評(píng)價(jià)12</p><p>　　2.2.6 數(shù)字水印系統(tǒng)應(yīng)用模型13</p><p>　　2.2 典型數(shù)字水印算法分析13</p><p>　　2.2.1 空間域算法14&

14、lt;/p><p>　　2.2.2 變換域算法14</p><p>　　2.3 數(shù)字圖像原理15</p><p>　　2.3.1 數(shù)字圖像表示方法及分類(lèi)16</p><p>　　2.3.2 BMP圖像格式及真彩色圖像特點(diǎn)16</p><p>　　2.4 水印預(yù)處理17</p><p>

15、　　2.5 本章小結(jié)19</p><p>　　第三章 Matlab簡(jiǎn)介20</p><p>　　3.1 Matlab概述20</p><p>　　3.1.1 Matlab產(chǎn)生的歷史背景與發(fā)展20</p><p>　　3.1.2 Matlab的主要功能21</p><p>　　3.1.3 Matlab的語(yǔ)言特點(diǎn)

16、22</p><p>　　3.2 Matlab在數(shù)字水印中的應(yīng)用23</p><p>　　第四章 理論研究24</p><p>　　4.1 人眼視覺(jué)系統(tǒng)（HVS）對(duì)數(shù)字圖像的感知性24</p><p>　　4.1.1靈敏度24</p><p>　　4.1.2掩蔽效應(yīng)25</p><p&g

17、t;　　4.1.3 HVS算法理論25</p><p>　　4.2 特征區(qū)域的選擇26</p><p>　　4.3 自適應(yīng)空域彩色圖像數(shù)字水印嵌入算法26</p><p>　　4.3.1載體圖像的彩色空間變換26</p><p>　　4.3.2彩色分量YCrCb的數(shù)字水印嵌入27</p><p>　　4.3.

18、3 載體圖像的彩色空間逆變換28</p><p>　　4.4 自適應(yīng)空域彩色圖像數(shù)字水印檢測(cè)算法28</p><p>　　第五章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析29</p><p>　　5.1 水印嵌入、提取實(shí)驗(yàn)29</p><p>　　5.2 魯棒性實(shí)驗(yàn)30</p><p>　　5.3 本章小結(jié)33</p>

19、<p><b>　　結(jié) 束 語(yǔ)34</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)35</b></p><p><b>　　附 錄36</b></p><p><b>　　外文資料46</b></p><p><b>　　中

20、文翻譯52</b></p><p><b>　　謝 辭56</b></p><p><b>　　緒 論</b></p><p>　　1.1 課題的研究背景及意義</p><p>　　隨著高科技電子信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，人類(lèi)社會(huì)已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)全新的數(shù)字化信息時(shí)代。計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)的飛

21、速發(fā)展在許多方面改變了人們的生活。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)、多媒體技術(shù)的普及和應(yīng)用，使人們對(duì)信息的需求從過(guò)去的單一文本數(shù)據(jù)逐漸延伸到數(shù)字化文本、圖像、音頻、視頻信號(hào)集成的多媒體信息。數(shù)字化的多媒體信息具有質(zhì)量高、易于存儲(chǔ)、加工和復(fù)制的優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字多媒體信息存儲(chǔ)和傳輸技術(shù)的進(jìn)步，使存儲(chǔ)和傳輸數(shù)字化信息非常方便，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在給人們利用這些資源帶來(lái)便利的同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)信息安全領(lǐng)域也提出了新的問(wèn)題。由此引發(fā)的盜版問(wèn)題和版權(quán)保護(hù)已成為日益嚴(yán)重的社會(huì)

22、問(wèn)題。數(shù)字產(chǎn)品的知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)等方面問(wèn)題的解決就顯得尤為迫切。由此，數(shù)字水印技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并且在數(shù)字產(chǎn)品的知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)方面起到了越來(lái)越重要的作用。 </p><p>　　數(shù)字水印技術(shù)(Digital Watermarking)的基本思想是在原始媒體數(shù)據(jù)中，如音頻、視頻、圖像等，隱藏具有一定意義的附加信息作為標(biāo)記，這些信息與原始數(shù)據(jù)緊密結(jié)合，并隨之一起被傳輸。在接收端，通過(guò)計(jì)算機(jī)水印信號(hào)被提取出來(lái)用于各種目的。由于它

23、在版權(quán)保護(hù)、真?zhèn)舞b別、秘密通信和隱含標(biāo)注等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，因此已經(jīng)成為一個(gè)非常重要的研究領(lǐng)域。數(shù)字水印被視做抵抗多媒體盜版的“最后一道防線”。因此從水印技術(shù)自身來(lái)說(shuō)，它具有廣泛的應(yīng)用前景和巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。</p><p>　　數(shù)字產(chǎn)品的版權(quán)保護(hù)是數(shù)字水印發(fā)展最重要的原動(dòng)力，但隨著數(shù)字水印技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用前景越來(lái)越廣泛。總的來(lái)說(shuō)，數(shù)字水印有以下一些主要的應(yīng)用領(lǐng)域： </p><p>

24、;　　版權(quán)保護(hù)：這是最初提出數(shù)字水印的目的。數(shù)字作品所有者用密鑰產(chǎn)生一個(gè)水印，并將它嵌入到原始數(shù)字作品中，用于保護(hù)其知識(shí)產(chǎn)權(quán)。當(dāng)該數(shù)字作品被盜版或出現(xiàn)版權(quán)糾紛時(shí)，所有者可以通過(guò)提取數(shù)字水印來(lái)維護(hù)自己的利益。這種應(yīng)用要求數(shù)字水印必須有較好的魯棒性、安全性和不可見(jiàn)性。</p><p>　　拷貝控制：是一種防止數(shù)字作品被拷貝的保護(hù)機(jī)制，它不允許未授權(quán)的媒體拷貝，可以用水印來(lái)說(shuō)明數(shù)據(jù)的拷貝狀況。例如在DVD播放系統(tǒng)中，可

25、以向原始視頻信號(hào)中嵌入拷貝控制信息，來(lái)達(dá)到控制使用的目的。</p><p>　　認(rèn)證：當(dāng)數(shù)字作品被用于法庭、醫(yī)學(xué)、新聞和商業(yè)領(lǐng)域時(shí)，需要判定它們的內(nèi)容是否被修改、替換或特殊處理過(guò)。易損水印具有較低的魯捧性，在數(shù)字水印的應(yīng)用中，可以用它來(lái)驗(yàn)證數(shù)字作品內(nèi)容的完整性。</p><p>　　指紋應(yīng)用：為防止未經(jīng)授權(quán)的拷貝被非法銷(xiāo)售，數(shù)字作品的所有者將不同的用戶識(shí)別碼或序列號(hào)作為像指紋一樣的信息，嵌

26、入到合法的作品拷貝中，當(dāng)非法拷貝一經(jīng)發(fā)現(xiàn)，可以通過(guò)提取水印來(lái)確定它的來(lái)源。</p><p>　　隱蔽通信及其對(duì)抗：網(wǎng)絡(luò)情報(bào)戰(zhàn)是信息戰(zhàn)的重要組成部分，其核心內(nèi)容是利用公用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行保密數(shù)據(jù)傳送。在這個(gè)領(lǐng)域傳統(tǒng)方法是采用加密方案，但加密后的文件往往混亂無(wú)序，容易引起攻擊者的注意。數(shù)字水印技術(shù)可以利用數(shù)字化聲像信號(hào)對(duì)于人的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)冗余，進(jìn)行各種時(shí)(空)域和變換域的信號(hào)隱藏，從而實(shí)現(xiàn)隱蔽通信。</p>&l

27、t;p>　　在現(xiàn)實(shí)生活中，這些應(yīng)用為數(shù)字水印的發(fā)展提供了動(dòng)力，當(dāng)然不同的應(yīng)用需求對(duì)數(shù)字水印的特性有不同的要求。</p><p>　　1.2 國(guó)內(nèi)外研究狀況</p><p>　　數(shù)字水印技術(shù)提出雖然時(shí)間不長(zhǎng)，但是由于其在信息安全和經(jīng)濟(jì)上的重要地位，發(fā)展較為迅速，世界各國(guó)的科研機(jī)構(gòu)、大學(xué)和商業(yè)集團(tuán)都積極參與或投資支持此方面的研究。如美國(guó)財(cái)政部、美國(guó)版權(quán)工作組、美國(guó)洛斯阿莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、歐

28、洲電信聯(lián)盟、朗訊貝爾實(shí)驗(yàn)室等都在進(jìn)行這方面的研究工作。</p><p>　　目前數(shù)字水印是國(guó)際學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)之一，從1994年開(kāi)始，國(guó)際學(xué)術(shù)界陸續(xù)發(fā)表了許多關(guān)于數(shù)字水印技術(shù)方面的文章，幾個(gè)有影響的國(guó)際會(huì)議(例如The Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE等)、 一些國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊(例如Signal Processing等)相繼出版了有關(guān)數(shù)

29、字水印技術(shù)的專(zhuān)題。。1996年5月，國(guó)際第一屆信息隱藏學(xué)術(shù)討論大會(huì)在英國(guó)劍橋牛頓研究所召開(kāi)。1998年的國(guó)際圖像處理大會(huì)上，還開(kāi)辟了兩個(gè)關(guān)于數(shù)字水印的專(zhuān)題討論。在1999年第三屆信息隱藏國(guó)際學(xué)術(shù)研討會(huì)上，數(shù)字水印成為主于數(shù)字水印的專(zhuān)題討論。在1999年第三屆信息隱藏國(guó)際學(xué)術(shù)研討會(huì)上，數(shù)字水印成為主旋律，全部33篇文章中有18篇是關(guān)于數(shù)字水印的研究。2005年9月15日至17日，在意大利錫耶納召開(kāi)的第四屆數(shù)字水印國(guó)際研討會(huì)上，清華大學(xué)計(jì)算

30、機(jī)科學(xué)與技術(shù)系智能技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的博士生黃興亮發(fā)表的論文《Robust Detection of Transform Domain Additive Watermarks》得最佳論文獎(jiǎng)。</p><p>　　最早的數(shù)字水印算法是基于空間域的數(shù)字水印算法，空間域方法是使用各種各樣的方法直接修改圖像的像素值，將數(shù)字水印直接加載在載體數(shù)據(jù)上。第一個(gè)數(shù)字水印算法是由R Gvan Schgndel等人提出的，這

31、是一種典型的空間域信息隱藏算法。諸如其后的Patchwork算法和紋理塊映射方法都是由麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室Walter Banderf等人提出。基于空間域的數(shù)字水印算法嵌入的信息量比較大，但因其抗攻擊能力不好，故逐漸被變換域算法所代替。變換域算法就是在載體的顯著區(qū)域嵌入水印。這種區(qū)域的隱藏效果好，比空間域算法能夠更好地抵抗攻擊，而且還保持了對(duì)人類(lèi)感官的不可察覺(jué)性，但變換域能夠嵌入的水印容量相對(duì)較小。目前主要使用的變換域算法有：離散傅立

32、葉變換(Discrete Fourier Transform,DFT)、離散余弦變換(Discrete Cosine Transform,DCT)、離散小波變換(Discrete Wavelet Transform,DWT)。O.Ruanaidh提出了兩種基于離散傅立葉變換域的水印算法。Deepa Kunclur和Dimitrios Hatzinakos對(duì)簽名矩</p><p>　　隨著技術(shù)交流的加快和數(shù)字水印技

33、術(shù)的迅速發(fā)展，國(guó)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(xué)、天津大學(xué)、北京郵電大學(xué)等，它們都是國(guó)內(nèi)較早投入水印技術(shù)研究，而且取得較好成績(jī)的單位。對(duì)于圖像水印技術(shù)的歷史大概可以分為兩個(gè)階段：第一個(gè)階段是使用無(wú)意義水印，如偽隨機(jī)序列或用戶ID號(hào)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(cuò)誤，則只能通過(guò)統(tǒng)計(jì)決策來(lái)確定載體中是否含有水?。坏诙€(gè)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

34、意義的圖像作為水印，在水印的檢測(cè)過(guò)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^(guò)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)確認(rèn)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(shí)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(shí)用意義。我國(guó)于1999年12月11日，由北京電

35、子技術(shù)應(yīng)用研究所組織，召開(kāi)了第一屆信息隱藏學(xué)術(shù)研討會(huì)，至今已成功的舉辦了六屆，很大程度上推</p><p>　　1.3 當(dāng)前研究存在的問(wèn)題</p><p>　　作為國(guó)際學(xué)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(wèn)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(yàn)性的。認(rèn)清當(dāng)前數(shù)字水印研究存在的問(wèn)題對(duì)于指導(dǎo)水印算法的快速穩(wěn)步的發(fā)展有著重要意義。

36、</p><p>　　對(duì)于水印系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)，部分學(xué)者已經(jīng)做了一些初步研究，但目前仍缺乏對(duì)水印系統(tǒng)性能進(jìn)行合理評(píng)估的通用標(biāo)準(zhǔn)，包括如何客觀地評(píng)估各種水印算法的性能，如何通過(guò)一套可靠的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)選擇水印方案，并能綜合評(píng)判各種數(shù)字水印算法的優(yōu)劣，如何對(duì)數(shù)字水印的魯棒性進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的攻擊測(cè)試，以及如何對(duì)測(cè)試的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化地分析等。</p><p>　　大多數(shù)水印算法依據(jù)經(jīng)驗(yàn)值對(duì)整幅圖像均用同樣的

37、強(qiáng)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(méi)有充分考慮到圖像本身的局部特性和人類(lèi)的視覺(jué)特征，容易造成某些分塊因嵌入的水印能量過(guò)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(guò)小而遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到圖像失真度的下限。</p><p>　　魯棒性和不可感知性是水印的兩個(gè)非常重要特性。從水印技術(shù)被提出以來(lái)，對(duì)這兩個(gè)方面的研究就是水印技術(shù)研究的一個(gè)主題。設(shè)計(jì)一個(gè)完整的水印系統(tǒng)時(shí)，必須要在水印的魯棒性、嵌入的

38、水印能量以及不可感知性之間達(dá)到一個(gè)平衡，這是一個(gè)很難的課題。涉及到魯棒性水印算法的設(shè)計(jì)、水印的構(gòu)造和水印能量估計(jì)等方面。目前，大多數(shù)水印算法利用經(jīng)驗(yàn)值，而沒(méi)有從理論上解決此問(wèn)題。</p><p>　　1.4 研究的若干關(guān)鍵方向</p><p>　　1.4.1 理論研究</p><p>　　理論研究上有以下問(wèn)題很有價(jià)值，值得深入研究：</p><

39、p>　　宿主信號(hào)和嵌入位置的選擇。能否從理論上指導(dǎo)宿主信號(hào)（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(wèn)題的研究具有重大意義。</p><p>　　最大水印嵌入強(qiáng)度。為了提高水印的抗攻擊能力，希望嵌入的水印強(qiáng)度要盡可能大。但是，如果水印強(qiáng)度太大，就能在感官上被感覺(jué)出來(lái)，從而破壞載體的質(zhì)量（或引起信息竊聽(tīng)者的注意）。因此，能否從理論上計(jì)算載體可嵌入的且在感官上不容易察覺(jué)的最大水印強(qiáng)

40、度，以及對(duì)嵌入水印后的載體質(zhì)量降低程度的定量評(píng)估等問(wèn)題的研究很有意義。</p><p>　　水印安全性?，F(xiàn)有的水印算法有很多，但是并沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)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。這方面的理論研究也非常有意義。</p><p>　　預(yù)處理技術(shù)。對(duì)隱藏載體進(jìn)行濾波、增強(qiáng)、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(qiáng)度、魯棒性等）

41、有很大關(guān)系，目前對(duì)此方面的研究還不夠深入。</p><p>　　多重水印技術(shù)。目前還沒(méi)有一個(gè)水印算法能夠在各種攻擊下具有很強(qiáng)的魯棒性，通過(guò)多次嵌入水印的方法可以提高水印系統(tǒng)對(duì)抗各種攻擊的能力。對(duì)多重水印技術(shù)有許多問(wèn)題值得研究。</p><p>　　1.4.2 應(yīng)用研究 </p><p>　　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)、

42、數(shù)字圖書(shū)館電子資源水印保護(hù)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(kāi)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(wèn)題急待深入研究。</p><p>　　針對(duì)不同的應(yīng)用制定相應(yīng)的水印標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)水印系統(tǒng)的實(shí)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(biāo)準(zhǔn)或協(xié)議，如加載或嵌入水印的標(biāo)準(zhǔn)，水印的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)等，各種水印算法的評(píng)價(jià)都應(yīng)該是建立在標(biāo)準(zhǔn)之上。

43、標(biāo)準(zhǔn)化工作的基礎(chǔ)是科學(xué)的測(cè)評(píng)體系，如果沒(méi)有公認(rèn)的、符合需求的測(cè)評(píng)指標(biāo)，各種技術(shù)方案之間就無(wú)從比較優(yōu)劣，更談不上形成統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。然而在數(shù)字水印技術(shù)的研究中，至今沒(méi)有一個(gè)為大家所接受的、統(tǒng)一的評(píng)價(jià)體系。水印測(cè)試不僅要通過(guò)攻擊實(shí)驗(yàn)，而且還要對(duì)提交的算法進(jìn)行技術(shù)上的分析。為了建立科學(xué)的測(cè)評(píng)體系，必須有一個(gè)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(gè)理論框架構(gòu)建定量測(cè)評(píng)的理論基礎(chǔ)，確立各種測(cè)評(píng)指標(biāo)及其理論值。</p>

44、<p>　　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(biāo)準(zhǔn)化還沒(méi)有進(jìn)行。</p><p>　　1.5 本文主要研究的內(nèi)容與結(jié)構(gòu)</p><p>　　本課題研究的數(shù)字水印技術(shù)原理，關(guān)鍵問(wèn)題是對(duì)基于彩色空間轉(zhuǎn)換、人眼視覺(jué)特性[HVS]空域數(shù)字水印的實(shí)現(xiàn)及如何提高魯棒性。</p><

45、;p>　　本文隨后章節(jié)組織如下：</p><p>　　緒論。簡(jiǎn)要介紹了課題的背景和研究意義；結(jié)合國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，詳細(xì)介紹了數(shù)字水印系統(tǒng)當(dāng)前存在的問(wèn)題及研究的若干關(guān)鍵方向。</p><p>　　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(shí)，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(lèi)、攻擊類(lèi)型等。接著詳細(xì)介紹圖像數(shù)字水印系統(tǒng)的基礎(chǔ)原理，并對(duì)典型的圖像水印算法進(jìn)行了介紹和

46、分析。</p><p>　　Matlab簡(jiǎn)介。Matlab為本課題的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，為下一章的實(shí)驗(yàn)順利完成做準(zhǔn)備。</p><p>　　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(yàn)理論，為下一章實(shí)驗(yàn)分析做準(zhǔn)備。</p><p>　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析。本章是實(shí)驗(yàn)部分，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括：對(duì)本文的算法進(jìn)行水印嵌入、提取實(shí)驗(yàn)，測(cè)試水印的不可見(jiàn)性；對(duì)含水印的圖像進(jìn)行常見(jiàn)的攻

47、擊測(cè)試，如剪切、縮放、壓縮等，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析。</p><p><b>　　數(shù)字水印技術(shù)概述</b></p><p>　　日常生活中為了鑒別紙幣的真?zhèn)?，人們通常將紙幣?duì)著光源，會(huì)發(fā)現(xiàn)真的紙幣中有清晰的圖像信息顯示出來(lái)，這就是我們所熟悉的“水印”。之所以采用水印技術(shù)是因?yàn)樗∮衅洫?dú)特的性質(zhì)：第一，不可見(jiàn)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)

48、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(shū)、護(hù)照、發(fā)票等重要印刷品中，長(zhǎng)期以來(lái)判定印刷品真?zhèn)蔚囊环N重要手段就是檢驗(yàn)它是否包含水印。</p><p>　　隨著信息時(shí)代的到來(lái)，多媒體信息的交流達(dá)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(gè)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(shí)也極大地

49、提高了信息表達(dá)的效率和準(zhǔn)確性。隨著網(wǎng)絡(luò)的日益普及，人們可以通過(guò)Internet網(wǎng)發(fā)布自己的作品，傳遞重要信息，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)貿(mào)易等。但是其暴露出的問(wèn)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Internet網(wǎng)的便利，又能有效地保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)，已受到人們的高度重視。</p><p>　　數(shù)字水?。╠igital watermarking）是實(shí)現(xiàn)版權(quán)保護(hù)的有效辦法，已成為多媒體信息安全研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)，也

50、是信息隱藏技術(shù)研究領(lǐng)域的重要分支。它通過(guò)在原始數(shù)據(jù)中嵌入秘密信息——水?。╳atermark）來(lái)證實(shí)該數(shù)據(jù)的所有權(quán)。被嵌入的水印可以是一段文字、標(biāo)識(shí)、序列號(hào)等。水印通常是不可見(jiàn)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(jià)值或商用價(jià)值的操作而存活下來(lái)。</p><p>　　數(shù)字水印技術(shù)除具備信息隱藏技術(shù)的一般特點(diǎn)外，還有著其固有的

51、特點(diǎn)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?yàn)槊孛苄畔⒉⑽葱孤叮坏?，在?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(hù)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(qiáng)的安全性、隱蔽性和魯棒性。</p><p>　　本章介紹數(shù)字水印的基礎(chǔ)知識(shí)、數(shù)字水印基本原理，包括特性、分類(lèi)等，并對(duì)典型數(shù)字水印算法進(jìn)行了介紹、分析。</p>

52、;<p>　　2.1 數(shù)字水印原理</p><p>　　2.1.1 數(shù)字水印基本特性</p><p>　　數(shù)字水印的思想雖然簡(jiǎn)單，但是要達(dá)到應(yīng)用的目的，就必須滿足一定的性能指標(biāo)，其中相對(duì)重要的特性包括：</p><p>　　保真性：又常稱(chēng)為不可感知性或透明性。指因水印嵌入導(dǎo)致宿主信號(hào)質(zhì)量變化的程度。鑒于宿主信號(hào)大多是供人們觀賞的多媒體數(shù)據(jù)，水印應(yīng)具有很

53、高的保真性，同時(shí)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(jué)上的不可見(jiàn)性，即嵌入水印后不能導(dǎo)致圖像質(zhì)量在視覺(jué)上發(fā)生明顯地變化；另一方面，用統(tǒng)計(jì)方法是不能恢復(fù)水印。</p><p>　　魯棒性：指水印在媒體數(shù)據(jù)編輯、處理過(guò)程中的生存能力。媒體數(shù)據(jù)的各種操作會(huì)導(dǎo)致宿主信號(hào)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。</p><p>　　

54、信息容量：指在一定保真度下，水印信號(hào)可傳遞的信息量。實(shí)際應(yīng)用要求水印可傳送多位信息。但這其實(shí)與保真度又是互相矛盾的。</p><p>　　安全性：指水印能夠抵御未經(jīng)授權(quán)的人對(duì)水印進(jìn)行攻擊的能力。這些攻擊指專(zhuān)門(mén)為了阻礙水印發(fā)揮作用的處理行為，主要的攻擊類(lèi)型有三種：一類(lèi)是未經(jīng)授權(quán)的刪除，指阻止檢測(cè)出作品中水印的攻擊；另一類(lèi)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(lèi)是未經(jīng)授權(quán)的

55、檢測(cè)。</p><p>　　錯(cuò)警率：指在不含水印的宿主信號(hào)中，錯(cuò)誤地檢測(cè)出水印的概率，其中也包括在含水印的宿主信號(hào)中，未檢測(cè)出水印的概率。很顯然，只有錯(cuò)警率足夠低，系統(tǒng)才能安全可靠地使用。</p><p>　　設(shè)計(jì)水印必須圍繞上述性能指標(biāo)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。</p><p><b>

56、　　數(shù)字水印分類(lèi)</b></p><p>　　數(shù)字水印技術(shù)可以從各種不同的角度進(jìn)行分類(lèi)。</p><p><b>　　按特性分類(lèi)</b></p><p>　　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(lèi)：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，脆弱數(shù)字水印主要用于完整性保護(hù)。</p><p

57、>　　按水印所附載的媒體分類(lèi)</p><p>　　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(huì)有更多種類(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)。</p><p><b>　　按檢測(cè)過(guò)程分類(lèi)</b></p><p>　　按水印的檢測(cè)過(guò)程可以將數(shù)

58、字水印劃分為明文水印和盲水印。明文水印在檢測(cè)過(guò)程中需要原始資料，而盲水印的檢測(cè)只需要密鑰，不需要原始資料。</p><p><b>　　按內(nèi)容分類(lèi)</b></p><p>　　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(wú)意義水印．有意義水印是指水印本身也是數(shù)字圖像或數(shù)字音頻。</p><p><b>　　按用途分類(lèi)</b>

59、;</p><p>　　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(hù)水印、篡改提示水印和隱蔽標(biāo)識(shí)水印。</p><p><b>　　水印隱藏的位置分類(lèi)</b></p><p>　　按數(shù)字水印的隱藏位置，可以將其劃分為時(shí)(空)域數(shù)字水印、頻域數(shù)字水印、時(shí)／頻域數(shù)字水印等。</p>&l

60、t;p><b>　　從外觀上分類(lèi)</b></p><p>　　水印從外觀上可分為兩類(lèi)：可見(jiàn)水印和不可見(jiàn)水?。蛘咭部梢哉f(shuō)成可察覺(jué)水印和不可察覺(jué)水印。</p><p><b>　　數(shù)字水印系統(tǒng)模型</b></p><p>　　從圖像處理角度看，水印的嵌入可理解為在強(qiáng)背景（載體圖像）下疊加一個(gè)弱信號(hào)（水印信號(hào)），只要疊加

61、的水印信號(hào)強(qiáng)度低于人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)（HVS）對(duì)比門(mén)限，人類(lèi)視覺(jué)就無(wú)法感覺(jué)到信號(hào)的存在。從數(shù)字通信角度來(lái)看，水印的嵌入可理解為在一個(gè)寬帶信道（載體圖像）上通過(guò)擴(kuò)頻通信，輸一個(gè)窄帶信號(hào)（水印信號(hào)）。水印的檢測(cè)是在一個(gè)有噪聲信道中檢測(cè)弱信號(hào)的問(wèn)題。</p><p>　　數(shù)字水印技術(shù)一般由兩部分組成：水印嵌入算法，它通過(guò)特定的算法把水印信號(hào)隱藏在載體數(shù)據(jù)中；水印提現(xiàn)檢測(cè)算法，它負(fù)責(zé)從載體數(shù)據(jù)中檢測(cè)并恢復(fù)水印信號(hào)。</p

62、><p><b>　　水印的嵌入</b></p><p>　　設(shè)f為原始數(shù)據(jù)，W為數(shù)字水印，K為密鑰，那么嵌入水印后的數(shù)據(jù)fw可由函數(shù)F定義為：</p><p><b>　　(2-1)</b></p><p>　　數(shù)字水印嵌入模型見(jiàn)圖2-1所示。</p><p>　　圖2-1 數(shù)

63、字水印嵌入模型</p><p>　　Cox等人提出了三種水印嵌入方法，即：</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p><b>　　（2-3）</b></p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　其中λ為嵌入因

64、子，又稱(chēng)強(qiáng)度因子。</p><p>　　為了使水印在不可感知性的前提下，提高水印的魯棒性，就要盡可能提高水印的嵌入強(qiáng)度，水印的嵌入強(qiáng)度必須考慮載體的性質(zhì)和人的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)特性。</p><p><b>　　水印的提取/檢測(cè)</b></p><p>　　水印提取/檢測(cè)是與水印嵌入相反的過(guò)程。如果已知原始載體f，含水印信號(hào)的載體fw，密鑰K，則水印的

65、提取/檢測(cè)過(guò)程可表示為：</p><p><b>　　(2-5)</b></p><p>　　其中D為水印提取算法，W’為提取的水印數(shù)據(jù)，fw為含水印的數(shù)據(jù)，f為原始數(shù)據(jù)，K為密鑰。</p><p>　　水印提取，檢測(cè)模型見(jiàn)圖2-2所示：</p><p>　　圖2-2 數(shù)字水印的提取/檢測(cè)模型</p>&l

66、t;p>　　在一些水印系統(tǒng)中，水印可以被精確檢測(cè)出來(lái)，這一過(guò)程稱(chēng)為水印提取，比如在完整性論證應(yīng)用中，必須能夠精確地提取出嵌入的水印，并且通過(guò)水印的完整性來(lái)確認(rèn)數(shù)字媒體的完整性。對(duì)強(qiáng)壯水印，通常不可能精確地提取出嵌入的水印。因?yàn)橐粋€(gè)應(yīng)用如果需要強(qiáng)壯水印，則說(shuō)明這個(gè)應(yīng)用很可能遭受到各種惡意攻擊，水印經(jīng)過(guò)這些攻擊以后，提取的水印通常已經(jīng)面目全非，這時(shí)需要進(jìn)行水印判斷。</p><p>　　可以看出，水印的提取是從

67、嵌入水印的數(shù)據(jù)中提取水印，而水印檢測(cè)是判斷是否存在指定的水印，檢測(cè)過(guò)程如下：</p><p>　　其中W’為提取出的水印，K為密鑰，函數(shù)C為相關(guān)性檢測(cè)，δ為閾值。當(dāng)檢測(cè)的結(jié)果超過(guò)閾值時(shí)，則認(rèn)為檢測(cè)到水?。环駝t，則認(rèn)為沒(méi)有檢測(cè)到水印。</p><p><b>　　數(shù)字水印攻擊方法</b></p><p>　　水印攻擊方法從不同方面可以分為以下幾種

68、類(lèi)型：魯棒性攻擊、表象性攻擊、解釋性攻擊、合法性攻擊。</p><p>　　魯棒性攻擊：是指在不損害圖像使用價(jià)值的前提下減弱、移去或破壞水印。這種攻擊一般有兩種：信號(hào)處理操作和分析算法攻擊。</p><p>　　信號(hào)處理操作：如壓縮、線性濾波、圖像剪切等，在有些情況下，它們不一定是惡意攻擊。分析算法攻擊：它是在明確的水印嵌入和檢測(cè)算法下，去掉和削弱水印的存在，同謀攻擊就屬于此類(lèi)。</

69、p><p>　　表象性攻擊不同于魯棒性攻擊的地方是它不一定非要去掉水印，相反它只是改變數(shù)據(jù)信號(hào)，使得水印被檢測(cè)不到。旋轉(zhuǎn)和一般的仿射變換也屬于表象性攻擊。</p><p>　　解釋性攻擊既不試圖擦除水印，也不試圖使水印檢測(cè)無(wú)效，而是使得檢測(cè)出的水印存在多個(gè)解釋。也就是一個(gè)攻擊者試圖在同一個(gè)嵌入了水印的載體中再次嵌入另一個(gè)水印，該水印有著與原所有者嵌入的水印相同的強(qiáng)度，由于一個(gè)載體中出現(xiàn)了兩個(gè)水

70、印，所以，導(dǎo)致所有權(quán)的爭(zhēng)議。</p><p>　　合法性攻擊與前三種攻擊完全不同。前三種是技術(shù)上的攻擊，而合法性攻擊涉及到目前和將來(lái)的版權(quán)法規(guī)。合法性攻擊可能包括現(xiàn)有的及將來(lái)的有關(guān)版權(quán)和有關(guān)數(shù)字信息所有權(quán)的法案，因?yàn)樵诓煌乃痉?quán)中，這些法律有可能有不同的解釋。</p><p><b>　　數(shù)字水印性能評(píng)價(jià)</b></p><p>　　對(duì)圖像數(shù)

71、字水印系統(tǒng)建立標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的評(píng)估方法是數(shù)字水印研究的重要內(nèi)容之一。圖像水印系統(tǒng)的性能評(píng)估主要包括魯棒性分析和含水印圖像的失真度評(píng)估兩個(gè)方面。通常，需要在數(shù)字水印的魯棒性和不可見(jiàn)性之間進(jìn)行折衷。</p><p>　　水印不可感知性評(píng)價(jià)主要是主觀測(cè)試方法和客觀評(píng)價(jià)方法，主觀測(cè)試方法就是觀測(cè)者直接對(duì)含水印載體進(jìn)行測(cè)試，實(shí)踐表明，經(jīng)驗(yàn)不同的個(gè)體，在對(duì)含水印載體的主觀測(cè)試中做出的結(jié)果相差很大。主觀測(cè)試對(duì)最終的質(zhì)量評(píng)價(jià)和測(cè)試是有

72、實(shí)用價(jià)值的，但因?yàn)榇嬖谥鴤€(gè)體差異，還需要客觀的評(píng)價(jià)方法?？陀^評(píng)價(jià)方法就是使用理論上的評(píng)價(jià)方法，利用各學(xué)科的理論基礎(chǔ)對(duì)所處理的載體做出定量的評(píng)價(jià)。</p><p>　　含水印的數(shù)字作品在日常的使用中可能會(huì)發(fā)生改變，很多應(yīng)用要求能夠從這些改變的數(shù)字作品中正確地提取、檢測(cè)水印，這就涉及到水印的魯棒性。魯棒性與安全性不同，魯棒性指能經(jīng)受住常規(guī)的信號(hào)處理，而安全性則用于防止非授權(quán)者任何破壞水印的攻擊行為。水印可能經(jīng)受的常規(guī)

73、處理主要發(fā)生在水印的嵌入和檢測(cè)過(guò)程之間，它包括：有損壓縮、濾波和加噪等。要想獲得較好的魯棒性，常會(huì)以犧牲一些計(jì)算花費(fèi)和保真度等為代價(jià)。</p><p>　　水印的魯棒性與很多方面有關(guān)：水印結(jié)構(gòu)、嵌入強(qiáng)度、重復(fù)嵌入、嵌入位置等。目前有關(guān)數(shù)字水印結(jié)構(gòu)的研究比較少，大部分的研究都運(yùn)用Cox等人的水印結(jié)構(gòu)理論。Cox指出，符合正態(tài)分布的隨機(jī)序列構(gòu)成的水印具有最好的魯棒性，并能獲得較低的虛警率和漏警率。水印的嵌入強(qiáng)度是影響

74、數(shù)字水印魯棒性的重要因素，水印嵌入強(qiáng)度越大，則水印的抗攻擊能力越強(qiáng)。在信號(hào)處理過(guò)程中，某種處理可能對(duì)一些系數(shù)的影響較強(qiáng)，而對(duì)一些系數(shù)的影響較弱，對(duì)另一些甚至毫無(wú)影響。采用將水印重復(fù)嵌入到不同系數(shù)中，即使其中某些系數(shù)在信號(hào)處理的過(guò)程中受到較大影響，導(dǎo)致檢測(cè)水印失敗，但仍然可能在其余的系數(shù)中檢測(cè)到水印信號(hào)的存在。對(duì)嵌入位置的確定也是影響水印系統(tǒng)性能的因素之一。數(shù)字作品的不同系數(shù)具有不同特性，選擇不同的系數(shù)嵌入水印影響水印的性能。密鑰不直接影

75、響數(shù)字水印的魯棒性，但對(duì)數(shù)字水印系統(tǒng)的安全性起了重要的作用，因此可以間接地影響數(shù)字水印的魯棒性。當(dāng)密鑰空間越大，窮舉搜索的次數(shù)越多，則系統(tǒng)的安全性越強(qiáng)。</p><p>　　數(shù)字水印系統(tǒng)應(yīng)用模型</p><p>　　數(shù)字水印系統(tǒng)最主要的應(yīng)用是作為版權(quán)保護(hù)、防偽和認(rèn)證等方面，這些應(yīng)用都離不開(kāi)網(wǎng)絡(luò)。數(shù)字水印應(yīng)用模型見(jiàn)圖2-3所示。</p><p>　　圖2-3 數(shù)字水印

76、應(yīng)用模型</p><p>　　數(shù)字水印的應(yīng)用過(guò)程是：供應(yīng)商在原始產(chǎn)品中嵌入水印，并將含水印的產(chǎn)品通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)給用戶。含水印產(chǎn)品在網(wǎng)絡(luò)傳輸過(guò)程中，可能受到盜版者的攻擊。盜版者將含水印產(chǎn)品進(jìn)行處理后，作為自己的產(chǎn)品提供給用戶，由此就產(chǎn)生了版權(quán)爭(zhēng)議。為了證明版權(quán)，供應(yīng)商通過(guò)水印的提取、檢測(cè)，確定了版權(quán)歸屬問(wèn)題，保護(hù)了自己的利益。</p><p>　　2.2 典型數(shù)字水印算法分析</p>

77、<p>　　數(shù)字水印技術(shù)是一門(mén)交叉學(xué)科，數(shù)字水印技術(shù)的學(xué)科特點(diǎn)在于它橫跨圖像處理和分析、多媒體技術(shù)、數(shù)字通信、密碼學(xué)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等多科領(lǐng)域，以這些領(lǐng)域的算法、思想和概念為基礎(chǔ)。各個(gè)領(lǐng)域的最新進(jìn)展都可以為其所用，是一個(gè)真正快速發(fā)展的技術(shù)。學(xué)者們用各自學(xué)科的獨(dú)特視角來(lái)研究數(shù)字水印，相繼出現(xiàn)了多種數(shù)字水印算法，下面介紹數(shù)字水印系統(tǒng)的典型算法。</p><p><b>　　空間域算法</b&

78、gt;</p><p>　　空間域算法是使用各種各樣的方法直接修改圖像的像素值，將數(shù)字水印直接加載在載體數(shù)據(jù)上。這種方法嵌入的信息量大，具有較好的抗幾何失真能力，最大弱點(diǎn)就在于抗信號(hào)失真、圖像的幾何變形、噪聲和圖像壓縮的能力普遍較差。</p><p>　　最低有效位算法（Least Significant Bits,LSB）</p><p>　　LSB算法使用特定的

79、密鑰通過(guò)m序列發(fā)生器產(chǎn)生隨機(jī)信號(hào)，然后按一定的規(guī)則排列成二維水印信號(hào)，并逐一插入到原始圖像相應(yīng)像素值的最低幾位。由于水印信號(hào)隱藏在圖像點(diǎn)中像素最不重要的最低位，相當(dāng)于疊加了一個(gè)能量微弱的信號(hào)，因而在視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)上很難察覺(jué)。LSB水印的檢測(cè)是通過(guò)待測(cè)圖像與水印圖像的相關(guān)運(yùn)算和統(tǒng)計(jì)決策實(shí)現(xiàn)的。LSB算法雖然可以隱藏較多的信息，但由于使用了圖像不重要的像素位，算法的魯棒性差，水印信息很容易被濾波、圖像量化、幾何變形的操作破壞，無(wú)法滿足數(shù)字水印的

80、魯棒性要求，因此現(xiàn)在的數(shù)字水印技術(shù)中己經(jīng)很少采用LSB算法了。不過(guò)，作為～種大數(shù)據(jù)量的信息隱藏方法，LSB在隱蔽通信中仍占據(jù)著相當(dāng)重要的地位。</p><p>　　Patchwork算法和紋理塊映射方法</p><p>　　Patchwork算法是基于統(tǒng)計(jì)理論，將具有特定統(tǒng)計(jì)特性的數(shù)字水印嵌入到原始數(shù)據(jù)中。它的方法是隨機(jī)選擇N對(duì)像素點(diǎn)（ai,bj），然后將每個(gè)ai 點(diǎn)的亮度值加l，每個(gè)bj

81、 點(diǎn)的亮度值減l，這樣整個(gè)圖像的亮度保持不變。適當(dāng)調(diào)整參數(shù)，它能有效地抵抗剪切、濾波和JPEG壓縮等攻擊，但對(duì)拷貝平均攻擊抵抗力較弱，而且該方法嵌入的信息量有限。</p><p>　　紋理塊映射方法是將水印信息隱藏在圖像的隨機(jī)紋理區(qū)域中，利用紋理間的相似性掩蓋水印信息。該算法隱蔽性較好，對(duì)濾波、壓縮和扭轉(zhuǎn)等操作具有抵抗能力，但僅適用于具有大量任意紋理區(qū)域的圖像，而且需要人工干預(yù)。</p><p

82、><b>　　文檔結(jié)構(gòu)微調(diào)法</b></p><p>　　由Brassil等人首先提出了幾種通用在文檔圖像中隱藏特定二進(jìn)制信息的技術(shù)，數(shù)字水印信息通過(guò)微調(diào)整個(gè)文檔中的上、下結(jié)構(gòu)來(lái)完成編碼?；诖朔椒ǖ臄?shù)字水印能夠抵抗一些文檔操作。但是水印很容易被破壞，而且這種方法僅適用于文檔類(lèi)圖像。</p><p>　　空間域算法雖然具有嵌入信息量大的優(yōu)點(diǎn)，但是因?yàn)轸敯粜院懿睿?/p>

83、所以現(xiàn)在數(shù)字水印系統(tǒng)已經(jīng)很少使用了。而下面介紹的變換域算法是目前研究的熱點(diǎn)。</p><p><b>　　變換域算法</b></p><p>　　變換域（頻域）方法是利用某種數(shù)學(xué)變換，將圖像用變換域表示。在變換域上嵌入水印，信號(hào)能量可以擴(kuò)散到空間域的所有像素上，有利于保證水印的不可見(jiàn)性。變換域方法還可以更好的結(jié)合人類(lèi)視覺(jué)系（Human Visual System,HV

84、S）的一些特性，抗攻擊能力較好。現(xiàn)在的研究中大多使用變換域方法。</p><p>　　變換域水印指的就是通過(guò)修改圖像的變換域系數(shù)來(lái)代替直接修改圖像像素本身，這樣，一方面變換域系數(shù)是一個(gè)全局變換產(chǎn)生的量，個(gè)別像素的改變對(duì)其影響不大；另一方面，變換域某個(gè)系數(shù)的改變分布在整個(gè)空間圖像的每個(gè)像素上，使得每個(gè)像素的改變相對(duì)較小，使水印具有更好的不可察覺(jué)性。變換域方法可以有效減少個(gè)別像素受到破壞而導(dǎo)致水印失效，從這一點(diǎn)上來(lái)說(shuō)

85、，變換域水印算法的魯棒性是比較高的。</p><p>　　變換域水印算法并不局限于傅立葉變換DFT、離散余弦變換DCT和離散小波變換DWT,只要某種信號(hào)變換形式能夠較好地隱藏?cái)?shù)字水印信息，就可以運(yùn)用到數(shù)字水印系統(tǒng)中。但就目前應(yīng)用中這三種方法是使用最多的。</p><p><b>　　DFT變換</b></p><p>　　傅立葉變換是一種經(jīng)典而

86、有效的數(shù)學(xué)工具，也是圖像處理中經(jīng)常應(yīng)用的工具。DFT域算法有利于實(shí)現(xiàn)水印的仿射不變性，而且可利用變換后的相位信息嵌入水印。算法是將水印嵌入到DFT系數(shù)的相位信息中，其依據(jù)是Hayes的結(jié)論“從圖像可理解性的角度，相位信息比幅度信息更重要”。</p><p>　　傅立葉變換是復(fù)數(shù)范圍內(nèi)的變換，如果在計(jì)算機(jī)上按照其定義式來(lái)計(jì)算的話，計(jì)算量將非常大。由此提出了快速傅立葉變換算FFT。它與原始算法的計(jì)算量之比為N/log

87、2N。當(dāng)N比較大時(shí)，計(jì)算量的節(jié)省將相當(dāng)可觀。</p><p><b>　　DCT變換</b></p><p>　　離散余弦變換是數(shù)碼率壓縮需要常用的一個(gè)變換編碼方法。與DFT不同的是，DCT變換是實(shí)數(shù)范圍內(nèi)的，任何連續(xù)的實(shí)對(duì)稱(chēng)函數(shù)的傅立葉變換中只含余弦項(xiàng)，因此可以用快速傅立葉變換算法實(shí)現(xiàn)快速離散余弦變換。</p><p>　　由于大多數(shù)圖像的高

88、頻分量較小，相應(yīng)于圖像高頻分量的系數(shù)經(jīng)常為零，加上人類(lèi)視覺(jué)對(duì)高頻成分的失真不太敏感，所以可用更粗的量化。因此，傳送變換系數(shù)的數(shù)碼率要大大小于傳送圖像像素所用的數(shù)碼率。到達(dá)接收端以后通過(guò)反離散余弦變換回到圖像空間，雖然會(huì)有一定的失真，但人類(lèi)視覺(jué)是可以接受的。</p><p><b>　　DWT變換</b></p><p>　　由于MPEG-4及JPEG-2000縮標(biāo)準(zhǔn)的

89、公布，基于小波域的水印算法也越來(lái)越多。小波變換一般是采用多級(jí)分解方法，對(duì)圖像進(jìn)行小波分解。圖像經(jīng)過(guò)小波分解后得到四個(gè)部分，左上為低頻近似部分，右上為水平方向細(xì)節(jié)部分，左下為垂直方向細(xì)節(jié)部分，右下為對(duì)角線方向細(xì)節(jié)部分。X.G.Xia等人提出的塔式水印，他們對(duì)宿主圖像作多層小波變換，并在每一層小波變換系數(shù)上加入水印。Wang等人提出基于小波變換的盲水印算法，搜索圖像中感知性強(qiáng)的系數(shù)所對(duì)應(yīng)的小波系數(shù)嵌入水印。</p><p

90、>　　2.3 數(shù)字圖像原理</p><p>　　數(shù)字圖像是本文要處理的對(duì)象，以下介紹了數(shù)字圖像表示方法及分類(lèi)，詳細(xì)介紹了BMP圖像格式及彩色圖像的特點(diǎn)。</p><p>　　2.3.1 數(shù)字圖像表示方法及分類(lèi)</p><p>　　圖像可以用二維函數(shù)f(x,y)來(lái)表示：(x,y)是平面兩個(gè)軸的坐標(biāo)，f(x,y)表示點(diǎn)的亮度值(灰度值)。如果是彩色圖像，各點(diǎn)值反

91、映的是色彩變化。對(duì)模擬圖像，因?yàn)楸硎緢D像的函數(shù)是連續(xù)的，計(jì)算機(jī)無(wú)法輸入和處理。因此，對(duì)模擬圖像要進(jìn)行取樣、量化、得到離散值，以便用計(jì)算機(jī)可以接受的編碼方式來(lái)表示。計(jì)算機(jī)中的數(shù)字圖像是用二維矩陣的形式給出的。常見(jiàn)的圖像有各種不同的格式，圖像的表示是定義這幅圖像數(shù)據(jù)的一種特定的體現(xiàn)方式或一種特定的數(shù)據(jù)格式，如BMP、JPEG、GIF（Graphics Interchange Format）、TIFF（Tagged Image Format

92、File）等。不同的圖像格式其存儲(chǔ)方式也不同?？梢园磮D像函數(shù)f(x,y)的值大致分為如下四類(lèi)：</p><p><b>　　索引圖像</b></p><p>　　索引圖像包括圖像矩陣和顏色圖數(shù)組。圖像矩陣中存儲(chǔ)的并不是像素值，而是對(duì)應(yīng)該像素在顏色圖數(shù)組中的序號(hào)。顏色圖數(shù)組就是通常所說(shuō)的調(diào)色板，它是一個(gè)色彩映射矩陣，矩陣的每一行都代表一種顏色，與真彩色相同，通過(guò)3個(gè)分別

93、代表紅、綠、藍(lán)顏色強(qiáng)度的數(shù)，形成一種特定的顏色。</p><p><b>　　灰度圖像</b></p><p>　　灰度圖像就是只有強(qiáng)度信息，而沒(méi)有顏色信息的圖像，此種數(shù)字圖像矩陣中的元素稱(chēng)為像素，像素的幅值對(duì)應(yīng)于該像素的灰度級(jí)。灰度圖像可看作一種特殊的索引圖像，它的調(diào)色板中紅、綠、藍(lán)的強(qiáng)度一樣。</p><p><b>　　真彩圖像

94、</b></p><p>　　真彩色圖像的數(shù)據(jù)矩陣中存儲(chǔ)是該像素的顏色值(Red Green Blue，RGB)，一個(gè)像素用3個(gè)字節(jié)來(lái)表示，分別代表合成該像素中紅色、綠色、藍(lán)色所占的分量?？梢杂靡粋€(gè)三維矩陣來(lái)表示真彩色圖像。在實(shí)際應(yīng)用中，真彩色圖像還可以用亮度和色度組成的色彩系統(tǒng)來(lái)表示，如HSI(Hue Saturation Intensity，HSI)等。</p><p>

95、<b>　　二值圖像</b></p><p>　　二值圖像可以看成—個(gè)僅包括黑與白的特殊的灰度圖像，只有兩個(gè)灰度級(jí)O和1。其每一個(gè)像素用一位來(lái)表示。二值圖像因其本身的固有特性不同，也可以用一些特有的表示方法。如采用稀疏矩陣、對(duì)角矩陣等存儲(chǔ)。</p><p>　　采用矩陣方式存儲(chǔ)數(shù)字圖像，有其固有的特點(diǎn)：數(shù)字圖像是二維信息，信息量較大；數(shù)字圖像占用較寬的頻帶；數(shù)字圖像中

96、各個(gè)像素間的相關(guān)性較大；數(shù)字圖像信息與人的視覺(jué)系統(tǒng)有良好的匹配。</p><p>　　實(shí)際的圖像信號(hào)像素點(diǎn)間一般都具有相關(guān)性，相鄰行之間，相鄰列之間的相關(guān)性最強(qiáng)。變換域的圖像分析方法就是將通常在時(shí)空域描述的信號(hào)變換到另外一些正交矢量空間中進(jìn)行描述，可以很好的消除像素點(diǎn)間的相關(guān)性，使信號(hào)更加集中，便于分析。</p><p>　　2.3.2 BMP圖像格式及真彩色圖像特點(diǎn)</p>

97、<p>　　BMP格式是Windows環(huán)境中的一種標(biāo)準(zhǔn)，全稱(chēng)是Microsoft設(shè)備獨(dú)立位圖(Device Independent Bitmap ,DIB)。BMP圖像文件也稱(chēng)為位圖文件，包括3部分：位圖文件頭(也稱(chēng)為表頭)，位圖信息(常稱(chēng)調(diào)色板)，位圖陣列(即圖像數(shù)據(jù))．一個(gè)位圖文件只能存放一幅圖像。</p><p>　　位圖文件頭長(zhǎng)度固定為54個(gè)字節(jié)，它給出圖像文件的類(lèi)型、大小和位圖陣列的起始位

98、置等信息。位圖信息給出圖像的長(zhǎng)、寬、每個(gè)像素的位數(shù)（可以是l，4，8，24，分別對(duì)應(yīng)單色、16色、256色和真彩色的情況）、壓縮方法、目標(biāo)設(shè)備的水平和垂直分辨率等信息。位圖陣列給出原始圖像里每個(gè)像素的值，它的存儲(chǔ)格式可以有壓縮（僅適用于16色和256色圖像）和非壓縮兩種。</p><p>　　在本文中只處理24位格式。24位BMP圖像又常稱(chēng)為真彩色圖像，它能給出自然界的所有顏色。真彩色圖像文件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：從第5

99、5個(gè)字節(jié)開(kāi)始，是該文件的圖像數(shù)據(jù)部分，數(shù)據(jù)的排列順序以圖像的左下角為起點(diǎn)，從左到右、從下到上，每連續(xù)3個(gè)字節(jié)便描述圖像一個(gè)像素點(diǎn)的顏色信息，這三個(gè)字節(jié)分別代表藍(lán)、綠、紅三基色在此像素中的亮度，每個(gè)顏色的取值范圍都是O-255，若連續(xù)三個(gè)字節(jié)為：00H，00H，F(xiàn)FH，則表示該像素的顏色為純紅色。相對(duì)于灰度圖像每個(gè)像素用一個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)，彩色圖像包含了更多的信息。</p><p><b>　　2.4 水印預(yù)處

100、理</b></p><p>　　數(shù)字水印系統(tǒng)的魯棒性主要是指嵌入的水印數(shù)據(jù)能夠最大限度地抵抗有意和無(wú)意攻擊，如果數(shù)據(jù)充分混亂，也就是說(shuō)這些數(shù)據(jù)之問(wèn)完全沒(méi)有內(nèi)在聯(lián)系，而使攻擊者無(wú)法識(shí)別出哪些是嵌入的數(shù)據(jù)哪些是原始數(shù)據(jù)，則使得攻擊無(wú)法完成．圖像的像素間總是存在一定的相關(guān)性，使數(shù)據(jù)混亂也就是打亂這些相關(guān)性，這就是預(yù)處理的意義。</p><p>　　2.4.1 預(yù)處理算法</p&

101、gt;<p>　　圖像置亂：大多數(shù)情況下圖像區(qū)域是一個(gè)矩形，則被離散化的數(shù)字圖像對(duì)應(yīng)于元素之間有相關(guān)性的一類(lèi)特殊矩陣．因此，可以利用矩陣的初等變換來(lái)擾亂數(shù)字圖像的原有特征，使其轉(zhuǎn)換成另一幅完全雜亂無(wú)章的圖像，并通過(guò)一定變換次數(shù)又可以恢復(fù)原始圖像。圖像置亂技術(shù)就是這樣一種變換，根據(jù)這種特性，將其應(yīng)用在數(shù)字水印的預(yù)處理和后處理階段，可以提高水印信息的安全性，增強(qiáng)水印抵抗惡意攻擊的能力．在這方面有許多有效方法，如Hilbert變

102、換、幻方、仿射變換、Amold變換和生命游戲等。</p><p>　　加密：實(shí)際應(yīng)用中，若待嵌入的水印信號(hào)能直觀地表征數(shù)字作品的版權(quán)信息，那么，攻擊者一旦獲得了水印數(shù)據(jù)，就可以直接了解數(shù)字水印的實(shí)際內(nèi)容。這對(duì)于水印系統(tǒng)來(lái)說(shuō)不安全，為了增強(qiáng)安全性，可以選擇使用加密算法，在水印嵌入之前，對(duì)待嵌入的水印數(shù)據(jù)作加密變換，使它變換為沒(méi)有任何意義的且具有良好隨機(jī)性的偽隨機(jī)序列，再將它嵌入到載體圖像中。從含水印的圖像中提取出水

103、印數(shù)據(jù)后，作相應(yīng)解密變換，即可獲得水印信息。由于攻擊者不知道相應(yīng)的密碼算法和密鑰，即便獲得了水印，也不了解水印的實(shí)際內(nèi)容。因此，將密碼技術(shù)與數(shù)字水印技術(shù)結(jié)合可以更進(jìn)一步提高水印系統(tǒng)的魯棒性和安全性。</p><p>　　擴(kuò)頻：擴(kuò)頻技術(shù)是一種信息處理技術(shù)，擴(kuò)頻技術(shù)的基本原理是指用偽隨機(jī)序列作為擴(kuò)頻碼對(duì)被傳輸?shù)男盘?hào)進(jìn)行頻譜擴(kuò)展，使之占有的信道帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳輸信息所必需的帶寬。在接收端利用相同的擴(kuò)頻碼進(jìn)行解擴(kuò)以恢復(fù)原始

104、數(shù)據(jù)．?dāng)U頻碼是類(lèi)似白噪聲的偽隨機(jī)序列，易于從其他信號(hào)或干擾中分離出來(lái)，具有很高抗干擾能力。擴(kuò)頻信號(hào)的功率相當(dāng)均勻地被分布到很寬頻率范圍，以至于被傳輸信號(hào)的功率密度很低，難以被檢測(cè)到。而且擴(kuò)頻系統(tǒng)具有良好的碼分多址通信能力，不同的用戶可以使用不同的碼，其他人則無(wú)法竊聽(tīng)到他們的通信，具有較高保密性。擴(kuò)頻系統(tǒng)的這些特性非常適合用于數(shù)字水印系統(tǒng)中。可以利用擴(kuò)頻將水印信息以很小的能量分布到大量的頻域系數(shù)中，由于水印信號(hào)的能量很小，因此不易被察覺(jué)。

105、另外，水印被分散到大量的頻域系數(shù)中，使得水印對(duì)許多常規(guī)的信號(hào)處理具有魯棒性。檢測(cè)水印時(shí)，只要知道水印的嵌入位置和內(nèi)容，就能將許多微弱的信號(hào)集中起來(lái)形成水印信息。水印的位置不明顯且水印的值具有隨機(jī)性，在頻域區(qū)域選擇適當(dāng)?shù)那闆r下，如果想破壞水印信息，則需要將很強(qiáng)的噪聲信號(hào)加入到所有的頻域系數(shù)中，使得有意、無(wú)意破壞水印的同時(shí)也破壞了原始數(shù)據(jù)．這樣會(huì)嚴(yán)重影響原始數(shù)據(jù)質(zhì)量</p><p>　　糾錯(cuò)編碼：含水印的載體在信道中

106、傳輸時(shí)，可能會(huì)受到各種攻擊的影響，那么提取的水印信號(hào)不可避免地會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤，可以適當(dāng)?shù)匾爰m錯(cuò)編碼機(jī)制，在水印信號(hào)被嵌入之前，對(duì)其進(jìn)行糾錯(cuò)編碼，以便提取時(shí)能夠糾正傳輸中發(fā)生的錯(cuò)誤，提高數(shù)字水印的魯棒性。目前出現(xiàn)了多種糾錯(cuò)編碼，不同的編碼適用于不同的錯(cuò)誤類(lèi)型。最早使用的也是最簡(jiǎn)單的漢明碼能較好地處理隨機(jī)錯(cuò)誤，修正單個(gè)比特錯(cuò)誤。目前Turbo碼是性能較好的糾錯(cuò)編碼，一些研究人員己經(jīng)使用了這種糾錯(cuò)編碼對(duì)水印信息進(jìn)行處理。</p>

107、<p>　　在數(shù)字水印系統(tǒng)中通常在水印嵌入前都要進(jìn)行預(yù)處理，它不僅在系統(tǒng)魯棒性方面發(fā)揮著重要的作用，而且在數(shù)字水印系統(tǒng)安全性方面也具有很重要的意義，它增加了攻擊者在窮舉猜測(cè)攻擊中的難度。</p><p>　　2.4.2 Amold變換</p><p>　　預(yù)處理有很多種方法，在本文中使用的是置亂技術(shù)。它使得合法使用者可以自由控制算法的選擇、參數(shù)的選擇，這就給攻擊者帶來(lái)了非法破譯

108、的難度，主要表現(xiàn)在統(tǒng)計(jì)、分析各種可能組合的巨大計(jì)算量上。</p><p>　　近年來(lái)，許多基于幾何變換的置亂技術(shù)被提出來(lái)或被應(yīng)用，Amold變換是其中的一種。20世紀(jì)90年代末，齊東旭等人對(duì)Amold變換及其在圖像信息隱蔽和圖像置亂技術(shù)中的應(yīng)用作了大量的工作。例如齊東旭、鄒建成等人給出了矩陣變換模周期存在的條件。Amold變換算法簡(jiǎn)單、運(yùn)行速度快，本文的預(yù)處理使用Amold變換。</p><p