数字水印技术的研究与实现.doc
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数字水印技术的研究与实现.doc
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第一章绪论
1.1数字水印背景简介
1.1.1数字水印的来源
Internet(因特网)让多媒体信息的交流达到了前所未有的深度和广度,其多种多样的发布形式使人们更加准确并有效率的发布自己的重要信息和作品,并进行网络贸易,但随之也产生了一些严重的问题,如信息篡改,作品侵权。
为了有效地保护这类数字安全,一门新兴的交叉学科——信息隐藏学正式诞生。
按照隐藏技术的应用目的和载体对象不同,信息隐藏可分为许多分支领域。
数字水印便是其对以数字形式存储和发布的载体对象进行处理的一大分支。
1.1.2数字水印需求背景
在现实生活中,对于水印技术研究兴趣的突然增长很可能源于人们对版权保护的问题的关注。
近年来,随着计算机多媒体技术的飞速发展,人们可以方便的利用数字设备制作、处理和存储图像、语音、文本和视频等信息媒体。
与此同时,数字网络通信正在飞速发展,使得信息的发布和传输实现了“数字化”和“网络化”。
对于数字媒体而言,Internet成了出色的分发系统,因为它不但便宜,而且不需要仓库存储,又能实时发送。
因此数字媒体很容易借助Internet或CD-ROM被复制、处理、传播和公开。
这样就引发出数字信息传输的安全问题和数字产品的版权保护问题。
如何在网络环境中实施有效的版权保护和信息安全手段,已经引起了国际学术界、企业界以及政府部门的广泛关注。
其中如何防止数字产品(如电子出版物、音频、视频、动画、图像产品等)被侵权、盗版、和随意篡改,已经成为世界各国亟待解决的热门问题。
数字产品的实际发布机制的详细描述是相当复杂的。
论文给出如下简单发布模型:
图1-1数字产品网络发布的基本模型
如上图,非法操作行为包括以下三种,非法访问、故意篡改、版权破坏。
为此产品所有者需要一种技术,可以在数字图像、音频和视频等数字产品中嵌入秘密信息,以便保护数字产品的版权、证明产品的真实可靠性、跟踪盗版行为或者提供产品的附加信息。
其中的秘密信息可以是版权标志、用户序列号或者是产品相关信息。
一般情况下,它需要经过适当变换再嵌入到数字产品中,通常称变换后的秘密信息为数字水印。
1.1.3数字水印基础知识
数字水印技术涉及多个学科知识,其中主要包括图像存储处理原理,密码学技术。
数字图像在计算机里的储存,从结构上讲,分为两种,即位图和矢量图。
在位图中,图像由许多的屏幕小点(我们通常说的像素)组成,这些小点对应显存中的“位”,而就是这些“位”决定了像素的图形属性,如像素的颜色、灰度、明暗对比度等。
当一个像素所占的位数多时,它所能表现的颜色就更多、更丰富,从整体上看,图像的色彩就更艳丽,分辨率就更高。
位图中所分的二位图、八位图等正是指像素所占的位数。
当位图被放大或缩小时,由于像素的数量没有改变,图像的分辨率就会降低,图像的外观自然就大打折扣。
密码学是研究编制密码和破译密码的技术科学。
它包括密码编码学(cryptography)和密码分析学(cryptanalysis)两个相互独立又相互促进的分支。
数字水印中经常会用到一些经典的算法。
至今,最著名也是最成熟的公钥密码算法是由三位数学家Rivest、Shamir和Adleman于1978年提出的RSA算法。
其数学基础是数论的互素数、指数模和模逆元计算。
1.2数字水印的发展和应用
1.2.1数字水印的发展历程
自1993年以来,公开发表的有关信息隐藏和数字水印的文章日渐增多。
VaSchvndGl在ICIP’94会议上发表了题为“Adigitalwatermark”的文章,它是第一篇在主要会议上发表的关于数字水印的文章,其中阐明了一些关于水印的重要概念。
这篇文章被认为是一篇具有历史价值的文献。
1996年在英国剑桥举行的第一届信息隐藏学术研讨会标志着信息隐藏作为一个新的学科的诞生。
1998年在美国波特士、1999年在德国德雷斯顿、2001年在美国匹兹经分别召开了第二至第四届研讨会。
第五届会议在荷兰NoordwikerhouI举行。
此外,一些信息安全、密码学和信息处理领域的国际会议也都有关于信息隐藏技术的专题和文章。
一些著名的杂志,如IEEE会报、SPIE等都出版了有关信息隐藏技术的专题。
1999年12月StefanKAtZenbciss和FabienA.P.Peticolas等人出版了该领域的第一本专业论著“Informationhidingtechniquesforsteganographyanddigitalwatermarking”,其中文译本于2001年由人民邮电出版社出版。
NeilF.Johnson等人于2000午l2月出版了“Informationhidingsteganographyandwatermarkingattacksandcountermeasures”一书,IngemarCox等人于2001年10月出版了关于数字水印的专著“Digitalwatermarking”。
1.2.2数字水印技术分类
从含水印图像中的水印是否可见分为可见水印和不可见两大类[2,7],从水印生成是否依赖于原始载体来分,可分为非自适应水印(独立于原始载体的水印)和自适应水印。
独立于原始载体的水印可以是随机产生的、用算法生成、也可以是事先给定的;而自适应水印是考虑原始载体的特性并生成的水印。
从含水印载体的抗攻击能力即鲁棒性来分,可以分为易碎水印、半易碎水印、鲁棒性水印。
从水印检测是否需要原始图像的参与,而分为明检测水印(私有水印)和盲检测水印(公有水印)。
根据水印应用目的的不同,可分为版权保护水印、篡改提示水印(内容认证水印)、版权跟踪水印(数字指纹)、拷贝控制水印、标注水印(用来注释载体的拍摄日期等)和隐藏通信(保密通信)水印等。
相应的,水印算法也可以分为两大类:
可见水印处理算法和不可见水印处理算法。
1.2.3数字水印的现实应用
数字水印的应用极为广泛。
主要有以下7种应用领域:
广播监控、所有者识别、所有权验证、交易跟踪、内容真伪鉴别、拷贝控制以及设备控制。
1)广播监控
通过数字水印技术对识别信息进行编码,替代动态监控技术。
它利用自身嵌入在内容中的特点,无需利用广播信号的某些特殊片段,因而能完全兼容于所安装的模拟或数字的广播基础设施。
2)所有者识别
文本版权声明用于作品所有者识别具有一些局限。
而因为水印的不可见性和同其嵌入的作品不可分离性,故水印比文本声明更有利于使用在所有者识别中。
如果作品的用户拥有水印检测器,他们就能识别出含水印作品的所有者,即使使用能够将文本版权声明除去的方法来改动它,水印也依然能够被检测到。
3)所有权验证
除了对版权所有者信息进行识别,利用水印技术对其进行验证也是令人关注的一项应用。
人们无须通过所嵌入的水印信息直接证明版权,而是设法证明一幅图像从另一幅得来这一事实。
这种系统能够间接证明有争议的这幅图像更有可能为版权所有者所有而不是攻击者所有,因为版权所有者拥有创作出含水印图像的水印图像。
4)交易跟踪
利用水印可以记录作品的某个拷贝所经历的一个或多个交易或者流通过程。
5)内容真伪鉴别
如今以难以察觉的方式对数字作品进行篡改已经变得越来越容易。
消息真伪鉴别问题在密码学中已有比较成熟的研究。
如果极微小改动就能造成真伪鉴别印记失效,这种印记便可称作“脆弱水印”,通过这种办法,可对内容是否被修改进行鉴别。
6)拷贝控制
人们可以将水印嵌入内容中,与内容一同运作。
如果每个录制设备都装有一个水印检测器,设备就能够在输入端检测到“禁止拷贝”水印的时候禁用拷贝操作。
7)设备控制
拷贝控制实际上属于更大范围的一个应用——设备控制的范畴。
设备控制是指设备能够在检测到内容中的水印时作出反应,实现自动化运作。
1.2.4数字水印的发展现状与趋势
数字水印软件的发展速度非常快,起初仅仅作为图像处理软件的插件,而今已经开始向大型商业化软件发展,加上3D打印机的出现,呈现出面向Internet、实体工业、多种技术集成的发展趋势,它的运用和主要发展方向体现在以下几个方面:
1、结合智能体技术,开发水印Agent和自动追踪版权标志。
2、面向电子商务,提供服务器端的完整性保护和客户端的数据认证。
3、建立水印认证中心,提供各种网上服务。
4、开发基于数字水印技术的数字作品电子销售系统,提供完整的安全与版权保护机制。
5、为各种付费点播服务,提供基于流技术的数字水印产品。
6、面向更广泛的数字媒体,如三维动画、数字地图等,开发基于数字水印的安全保护产品,保护3D打印原设计图的版权。
7、与密码技术,尤其是数字签名技术相结合,构造综合的数据安全系统。
8、使用各种生物认证技术(如指纹、视网膜)构造专人标识水印。
数字水印软件作为数据安全领域中的新生事物,具有很高的技术含量和很强
的生命力,同时也孕育着巨大的商机。
我们有理由相信,会有越来越多的有识之士投入到数字水印技术的研究和产业化进程中来[10]。
1.3本论文研究与实现内容
本课题的工作主要是设计并实现一个较为完整的数字水印系统,优化数字水印运作流程,提供不可见的数字水印技术与实现,测试数字水印的鲁棒性。
该系统可以满足针对彩色或者灰度图片进行二值水印的嵌入和提取工作。
系统的主要功能有:
用户身份认证登录,密码安全保护使用公认的RSA加密算法;数字水印的生成,通过对图像的基本操作,自定义水印图片,添加用户私密信息;数字水印的嵌入,通过将原始图像进行分块DCT处理和Zig-Zag排序,然后将数字水印图像替换经DCT矩阵正交化后的DCT系数的指定值,最后经过逆变换生成嵌入后的水印图片;数字水印的提取,对已嵌入水印的图像同样采用分块处理,然后进行DCT操作,最后采用特定算法提取出指定区域的值与整个区域平均值进行比较,最后经替换得出水印的值,并将其还原成水印图片;数字水印的测试,通过计算图片的NC值(归一化相关系数)和PSNR值(峰值信噪比)来进行比较,判断相似度,检测鲁棒性及不可见性。
本文的内容安排如下:
第一章绪论,简介项目背景和发展现状;第二章数字水印基本原理,介绍了数字水印以及其原理和分类;第三章数字水印的关键技术,深入学习和研究了一些数字水印中常用的技术;第四章一种优化的数字水印系统的实现,详细描述了本水印系统的实现原理和过程;第五章总结与展望,总结了本文的工作,同时也指出本系统的不足之处和今后研究的方向。
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第二章数字水印基本原理
2.1概述
对数字水印(DigitalWatermarking)技术来说,载体对象通常是数字产品,是版权保护对象,而所嵌入的信息则是与该产品相关的版权标志、购买者或者其他相关信息。
其是将一些标识信息(即数字水印)直接嵌入数字载体当中(包括多媒体、文档、软件等)或是间接表示(修改特定区域的结构),不影响原载体的使用价值,也不容易被探知和再次修改,但可以被生产方识别和辨认。
通过这些隐藏在载体中的信息,可以达到确认内容创建者、购买者、传送隐秘信息或者判断载体是否被篡改等目的。
2.2数字水印的特点
作为数字水印技术基本上具有下面几个方面的特点:
1、安全性:
表现为水印能够抵抗恶意攻击的能力。
数字水印的信息应是安全的,难以篡改或伪造,同时,应当有较低的误检测率,当原内容发生变化时,数字水印应当发生变化,从而可以检测原始数据的变更;当然数字水印同样对重复添加有较强的抵抗性
2、隐蔽性:
数字水印应是不可知觉的,而且应不影响被保护数据的正常使用;不会降质;
3、鲁棒性:
是指在经过常规信号处理后,数字水印仍能保持部分完整性并能被准确鉴别。
可能的信号处理过程包括信道噪声、滤波、数/模与模/数转换、重采样、剪切、位移、尺度变化以及有损压缩编码等。
主要用于版权保护的数字水印易损水印(FragileWatermarking),这种水印是在内容数据中嵌入不可见的信息。
当内容发生改变时,这些水印信息会相应地发生改变,从而可以鉴定原始数据是否被篡改。
4、
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- 数字 水印 技术 研究 实现