设计-数字水印的鲁棒性分析及设计.docx

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1、数字水印的鲁棒性分析及设计摘要数字水印技术是一种将特制的、不可见的标记，利用数字内嵌的方法隐藏在数字图像、音频、视频等数字内容中的技术，并由此来确定版权拥有者和跟踪侵权行为。本文介绍了数字水印的基本原理，介绍了数字水印嵌入的各种方法。着重介绍了通过空间域和变换域的几种经典方法及其各种常规攻击手段来分析数字水印的鲁棒性的问题，并在最后进行了展望。关键词：数字水印，水印嵌入，鲁棒性，基本原理DigitalwatermarkingrobustnessanalysisanddesignAbstractDigitalwatermarkingisatechnologythatithavespecialan

2、dinvisiblemarkconcealedindigitalimage,audio,videoandotherdigitalcontentwhichusingdigitalembeddedmethod.So,itcanconfirmtheownerofcopyrightandcantracktheinfringingact.Thispaperintroducesthebasicprincipleandtheembeddingmethodsofdigitalwatermarking.ltfocusonsomeclassicmethodsofspatialdomainandtransformd

3、omainandsomecommonattacktoanalyzetherobustnessofdigitalwatermarking.Finally,theframeworkofwatermarkingsystemisdiscussed.Keywords：digitalwatermarking,watermarkembedding,robustness,rationale目录L绪论11.1 背景及目的11.2 国内外研究状况及发展趋势1121空间域的水印嵌入技术的研究现状31.2.2 变换域的水印嵌入技术的研究现状31.2.3 数字水印发展趋势31.3 研究内容及实现过程41.4 本章小结4

4、2 .数字水印理论及应用52.1 数字水印基本情况52.2 数字水印理论62.3 数字水印特性72.4 数字水印种类82.5 数字水印应用范围82.6 本章小结93 .数字水印几种嵌入技术103.1 最低有效位(LeaStSignifiCamBit,LSB)替换103.2 离散余弦变换(discretecosinetransfon,DCT)123.3 本章小结154 .数字水印常规攻击方式及应对164.1 鲁棒性和安全性164.2 有损压缩164.3 剪裁174.4 旋转174.5 其他攻击174.6 本章小结175 .MATLAB软件相关介绍185.1 数字水印MATLAB软件仿真的优点18

5、5.2 MATLAB相关函数介绍195.3 本章小结206 .结尾及展望20附录A参考文献21附录B部分代码23致谢271.绪论1.l背景及目的在互联网日益发展的今天，人们可以越来越方便的在网上发表自己的作品和在互联网上进行钱货交易，这就让越来越多的报刊、图书、绘画作品、照片、音乐、动漫及各种各样的影视作品呈爆发式增长，这种现象表明了多媒体信息的交流已经无处不在了。多媒体数据的数字化为多媒体信息的存取提供了极大的便利，同时也极大地提高了信息服务、表达、传送和获取的效率和准确性。而这些数字内容的迅速普及使得数字内容的安全性成为备受关注的课题，比如：人们采用密码技术来保证数字内容不被非法阅读；采用

6、数字签名技术来确保数字内容不被冒充和篡改；在这种背景下，为了保护数字内容的产权，数字水印技术应运而生。它将具有确定性和保密性的信息直接嵌入到原始数据,并作为原始数据的一部分而保存在其中，因而即使在原始数据解密之后仍可以跟踪数据的复制和传输，对媒体数据进行有效的保护，这种信息通常是不可见的，只有通过专用的浏览器或阅读器才能提取。1.2 国内外研究状况及发展趋势大约700年前，在收购该造纸技术中出现了纸张上的水印。将近18世纪末期，“水印”这个术语似乎已经形成；1954年，出现了第一个与“数字水印”方法类似的技术实例；此后一些水印技术被提出并根据不同的应用而得以发展。但是，直到20世纪90年代初期

7、，术语“数字水印”才真正流行起来。随后，数字水印进入了飞速发展时期，其进展体现在基础研究和应用研究领域。国外：先是1993年Tiekel等人首先提出了“电子水印”的概念，他们那时候已经意识到了数字水印很重要，并针对灰度图像提出了2种在图像的最低的有效位加入水印的方案。随后，Chen等于1998年提出了一类盲水印方案，这种方案通过量化器实现水印的信息添加，在鲁棒性和容量等方面全部具有一定的性能，并且已经变成了数字水印中一个比较经典且有代表性的例子。在这种图像水印高速发展的大背景下，音频、视频和文本水印也渐渐的得到迅猛发展。首先是关于音频的水印技术，它的研究最早可以追溯到1996年，Bender提

8、出了最低有效位编码、扩频编码、相应编码和回声编码这四种算法。Boney等人将COX等人研究的一种扩频水印技术使用到音频的信号中，不出意料的得到了和预期一样的试验结果，这也正式让扩频水印技术进入音频的信号领域的一个开端。对文本里添加水印的探索从1994年开始，Bell实验室的Maxenchuk最早提出从数字形式的文档里添加“水印”（当时只是一种特殊的标记），用来保证数字形式的出版物的版权问题。而对视频里添加水印的探索也从1994年开始，当时MatSUi等分享了一种和图像水印相类似的视频添加水印的算法，它将视频的每帧简化然后看成图片来处理。国内：随着技术信息交流的加快和水印技术迅速发展，国内一些研

9、究单位也已经逐步从技术跟踪转向深入系统研究，各大研究所和高校纷纷投入数字水印技术的研究，其中比较有代表性的有哈尔滨工业大学的孙圣和、牛夏牧、陆哲明等，天津大学的张春田、苏育挺等，北京邮电大学的钮心忻、杨义先等，中科院自动化的谭铁牛、刘瑞祯等，这些人所在单位是我国探索水印技术并且己经有了显著成绩的单位。国内在1999.12.11,通过北京的电子技术和应用研究的一个所组织，举行了首届的信息隐藏技术的学术性质的研讨会（CIHW）,至今己经举办了很多届了，极大地推动了我国数字隐藏技术的探讨与发展。在这个时间点上，我国也对信息的安全这个产业的稳健发展非常的看重，早在二零零三年的科技中小企业的技术与创新中

10、基金的若干侧重点内容指南中，明确指出了对于“数字产品产权保护（基于数字水印、信息隐藏、或者网络认证等先进技术）”和，个性化产品（证件）的防伪（基于水印、编码或挑战应答等技术）”等多项防盗版和防伪技术予以重点支持。现在国内已经出现了一些生产水印产品的公司，其中比较有代表性的是由中国科学院自动化研究所的刘瑞祯、谭铁牛等人与2002年在上海创办了一家专门从事数字水印、多媒体信息和网络安全、防伪技术等软硬件开发的公司上海阿须数码技术有限公司，公司现从事数字证件、数字印章、PDF文本、分块离散图像、视频、网络安全等多方面数字水印技术的研究。现在，这个公司已经于几年前申请了国家和国际共4个专利关于数字水印

11、这个领域。尽管数字水印技术在我国的使用还在最基本的阶段，但是这个以水印为技术的公司的成立让数字水印在我国不单单只停在理论探索这个阶段，而是从这个点出发走上了商用化和实用化的路上，这就会使我国水印技术高速发展，为国内保证信息安全性的产业提供安全的、有效的保障。数字水印技术是解决版权保护问题的有效手段，有着良好的应用前景，它已引起国内外一些研究机构和公司的极大关注。下面主要介绍2种域空间数字水印嵌入技术。1.2.1 空间域的水印嵌入技术的研究现状最初的空间域水印嵌入技术研究成果是：直接从图片数据出发，一般是加入一个能够调制的信号或者是在彩色形成的光带和图像的亮度位之间来嵌入水印信息。目前的水印空间

12、嵌入技术大都基于最低位的方法。这种方法是在最低位上嵌入数字水印信息，虽然在嵌入后的图像中人眼观察不到水印，但是其鲁棒性差，简单的几种操作就能去除这里嵌入的大部分水印，如最基本的图像压缩和量化。1.2.2 变换域的水印嵌入技术的研究现状现在变换域水印嵌入技术的研究成果是：从图片出发，先经过一定的数学变换（如离散余弦变换技术）将该图片变换到频率域，然后将变换后的系数改变（通过实验现象来改变），最后进行上述变换的反变换（如逆离散余弦变换技术）即得到添加了数字水印信息的图片。随着该水印算法探索的渐渐深入，对水印稳定性（即鲁棒性）的要求也越来越严格，所以水印技术与其他学科的结合日渐紧密，如通信与信息理论

13、、图像与语音处理、信号检测与估计、电波传播等。变换域数字水印技术是当前数字水印技术的主流。1.2.3 数字水印发展趋势今后数字水印技术的研究将侧重于完善数字水印理论，提高数字水印算法的稳健性、安全性，研究其在实际网路中的应用，建立相关标准等。数字水印技术的研究在互联网稳步发展特别是移动互联网和电子商务迅速崛起的时代有着重大的意义，它可以为这些新兴事物的崛起奠定了坚实的安全性基础。在国内，政府对信息安全产业的发展极为重视。数字水印技术的研究得到了国家自然科学基金和“863”计划的资金援助。我国信息隐藏技术的学术调研会自一九九九年以来到2010年已经举办了五届，强力地推进了数字水印的探索和发展，2

14、009年相关部门更进一步颁布了和电子签名相关法律，这给数字水印的应用和推广提供了重要的法律支持。尽管现在数字水印的发展很迅猛，但是这种发展距离实际的应用，还有很长的一段路要完成。许多探索和项目都还处在试验阶段和起步阶段，已经面向大众的数字产品不能满足社会的需求和使用，这就是这项技术需要走的路，或者说需要完善的地方之一，也是今后数字水印的重中之重。1.3 研究内容及实现过程本文主要是通过空间域和变换域的几种算法及几种常见的攻击方式（jpeg压缩、剪裁、旋转等），通过MATLAB软件仿真来研究数字水印的鲁棒性。从实验结果中分析出上述方法在应对不同常规攻击时的鲁棒性强弱。首先，了解了数字水印的概念、

15、理论、分类、特性和应用范围等相关的水印基础知识，对其有一种最初的认识；其次，学习了水印的2种经典嵌入算法，通过MATLAB平台来实现；然后用常规的攻击方式对已经嵌入水印的图像进行攻击；最后，提取出攻击过后图像中的水印，与原水印进行比对，以此来检验该水印的鲁棒性强弱。1.4 本章小结本章主要介绍了数字水印产生的背景，然后对国内外的研究状况进行了一些介绍，最后介绍了研究的内容及实现过程。从中我们可以看到这样的研究很有意义。未来的数字水印技术需要我们的参与。2 .数字水印理论及应用2.1 数字水印基本情况水印在一般情况下不可见，只有在特定的情况下才能见到（如将纸币放到有光照的地方），并且，水印信息还

16、要与载体相关联。数字水印技术是一种信息隐藏技术，它主要是指在数字音频、视频和图像中嵌入秘密信息，来保护这些产品的产权，跟踪盗版行为、证明产品的真实性和可靠性或提供额外的信息。其中的秘密信息可以是用户序列号码、产品相关信息或者版权的标志。无特殊情况话，它需要经过适当的变换再嵌入到数字产品当中，这种变换过后的秘密信息称为数字水印，在诸多文献中提及了各种形式的水印信号。通常可以定义水印为如下信号：卬=吗|吗O,i二0,12,M-l（2-1）上式中，O代表值域，M为水印序列的长度。其中O可以是二值形式，如O=-l,l,0,1或O=-r,r,或者是高斯白噪声等其他形式。而水印序列不仅可以是一维序列、也能是二维阵列或者三维及以上信号。