數(shù)字水印報(bào)告

1、信科綜合實(shí)踐報(bào)告題目：數(shù)字水印班級(jí)：信科 07-2 班學(xué)號(hào)： 08073602 姓名： 祖艷玲指導(dǎo)教師：孫統(tǒng)風(fēng)中國(guó)礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院2010-10-9 摘 要通過(guò)在原始數(shù)據(jù)中嵌入秘密信息-水印(watermark)來(lái)證實(shí)數(shù)據(jù)的所有權(quán)。 這種被嵌入的水印可以是一段文字、 標(biāo)識(shí)、序列號(hào)等， 而且這種水印通常是不可見(jiàn)或不可察的，它與原始數(shù)據(jù)(如圖像、音頻、視頻數(shù)據(jù))緊密結(jié)合并隱藏其中，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)值的操作而能保存下來(lái)。數(shù)字水印技術(shù)除了應(yīng)具備信息隱藏技術(shù)的一般特點(diǎn)外，還有著其固有的特點(diǎn)和研究方法。在數(shù)字水印系統(tǒng)中，隱藏信息的丟失，即意味著版權(quán)信息的丟失，從而也就失去了版權(quán)

2、保護(hù)的功能，也就是說(shuō) ，這一系統(tǒng)就是失敗的。由此可見(jiàn) ，數(shù)字水印技術(shù)必須具有較強(qiáng)的魯棒性、安全性和透明性。本文是關(guān)于在 24位宿主圖像(保存格式為： 24 位位圖 )中嵌入 8 位水印圖像（ h*w 最好為： 131*170） （保存格式為 256 色位圖）的文檔說(shuō)明。目 錄第 1 章 課題概述 . 1 1.1 課題背景 . 1 1.2 課題目的與意義 . 1 第 2 章 相關(guān)理論與技術(shù) . 3 2.1 水印的基本原理和算法 . 3 2.2 數(shù)字水印的應(yīng)用 . 5 第 3 章 課題詳細(xì)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) . 6 3.1 數(shù)字水印的工作模型. 6 3.2 算法實(shí)現(xiàn) . 6 3.3 程序運(yùn)行 . 11 結(jié)

3、 論. 12 1 第 1 章 課題概述1.1 課題背景 1994 年在一次國(guó)際重要學(xué)術(shù)會(huì)議上由tirkel等人發(fā)表了題目為“a digital watermark”的第一篇有關(guān)數(shù)字水印的文章，當(dāng)時(shí)他們已經(jīng)意識(shí)到了數(shù)字水印的重要性，提出了數(shù)字水印的概念及可能的應(yīng)用，并針對(duì)灰度圖像提出了兩種向圖像最低有效位中嵌入水印的算法。1996 年在英國(guó)劍橋牛頓研究所召開(kāi)了第一屆國(guó)際信息隱藏學(xué)術(shù)研討會(huì)，標(biāo)志著信息隱藏學(xué)的誕生，而作為信息隱藏學(xué)主要分支之一的數(shù)字水印技術(shù)的研究也得到了迅速的發(fā)展。到1999 年第三屆國(guó)際信息隱藏學(xué)術(shù)研討會(huì)，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。我國(guó)

4、近年來(lái)已有少數(shù)的研究所和大學(xué)開(kāi)展了對(duì)水印技術(shù)的研究工作，如：中科院自動(dòng)化研究所的模式識(shí)別國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、天津大學(xué)圖像信息中心等。數(shù)字水印的研究引起了各種學(xué)科的研究人員的興趣，但受關(guān)注的程度不及國(guó)外，研究的人員不多，研究的領(lǐng)域不廣，從理論和實(shí)際成果兩方面來(lái)看，國(guó)內(nèi)在數(shù)字水印方面的研究工作還處于剛起步階段。我國(guó)已明確表示：所有的知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)和安全認(rèn)證問(wèn)題不可能依靠國(guó)外的力量，必須由我們自主開(kāi)發(fā)解決。因此，無(wú)論從學(xué)術(shù)研究角度，還是從應(yīng)用技術(shù)的角度，開(kāi)展數(shù)字水印的研究都具有十分重要的意義。1.2 課題目的與意義因特網(wǎng)的出現(xiàn)以及計(jì)算機(jī)、掃描儀和打印機(jī)的廣泛使用使得數(shù)字化多媒體數(shù)據(jù)的獲取、交換和傳輸變得異

5、常簡(jiǎn)單。但是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳播數(shù)據(jù)也使有惡意的個(gè)人或團(tuán)體在沒(méi)有得到數(shù)據(jù)文件所有者許可的情況下能肆意地復(fù)制和傳播有版權(quán)保護(hù)的文檔。數(shù)字水印技術(shù)則為這種問(wèn)題提供了一個(gè)潛在的解決方案。數(shù)字水?。?digital watermarking ）是往多媒體數(shù)據(jù)（如圖像、聲音、視頻信號(hào)等）中添加某些數(shù)字信息以達(dá)到版權(quán)保護(hù)等作用。如果沒(méi)有魯棒性（robustness ）的要求，水印與信息偽裝技術(shù)上的處理本質(zhì)上是完全一致的。在絕大多數(shù)情況下我們希望添加的信息是不可察覺(jué)的2 （imperceptible ） ，并且希望攻擊者在不破壞數(shù)據(jù)本身質(zhì)量的情況下無(wú)法將水印去掉。發(fā)展數(shù)字水印技術(shù)的原動(dòng)力就是為了提供多媒體數(shù)據(jù)的版權(quán)

6、保護(hù)。1.3 報(bào)告組織結(jié)構(gòu)3 第 2 章 相關(guān)理論與技術(shù)2.1 水印的基本原理和算法2.1.1數(shù)字水印的基本原理數(shù)字水印技術(shù)是通過(guò)一定的算法將一些標(biāo)志性信息直接嵌到多媒體內(nèi)容中，目前大多數(shù)水印制作方案都采用密碼學(xué)中的加密（包括公開(kāi)密鑰、私有密鑰）體系來(lái)加強(qiáng)，在水印的嵌入，提取時(shí)采用一種密鑰，甚至幾種密鑰的聯(lián)合使用。2.1.2 數(shù)字水印的實(shí)現(xiàn)算法1) 空間域水印 lfturner 與 rg van schyndel 等人的空間域水印算法是最低有效位算法(lsb) 與改進(jìn)算法。由于該算法是通過(guò)調(diào)整原始數(shù)據(jù)的最低幾位來(lái)隱藏信息，使一般用戶對(duì)于隱藏信息，在視覺(jué)上很難察覺(jué)。雖然其有較大的信息嵌入量，但作

7、為數(shù)字水印算法，因其基本原理限制，所隱藏的數(shù)字水印信息是極為脆弱的，無(wú)法經(jīng)受一些有損的信號(hào)處理。bander 等人提出的基于統(tǒng)計(jì)的數(shù)字水印方案(patchwork)和紋理塊映射編碼方法則是空間域水印技術(shù)的典型設(shè)計(jì)。patchwork 任意選擇n對(duì)圖像點(diǎn)，增加其一點(diǎn)的亮度的同時(shí)，相應(yīng)降低另一點(diǎn)的亮度值。通過(guò)這一調(diào)整過(guò)程完成水印的嵌入。pitas和 kaskalis利用“ patchwork ”算法的基本原理，提出了數(shù)字圖像簽名的思想。這種算法可以有效抵抗二次采樣攻擊與jpeg壓縮。 2) 變換域算法基于變換域的技術(shù)可以嵌入大量比特?cái)?shù)據(jù)而不會(huì)導(dǎo)致可察覺(jué)的缺陷，往往采用類似擴(kuò)頻圖像的技術(shù)來(lái)隱藏?cái)?shù)字水

8、印信息。這類技術(shù)一般基于常用的圖像變換，基于局部或是全部的變換，這些變換包括離散余弦變換(dct)、小波變換 (wt)、傅氏變換 (ft 或 fft)以及哈達(dá)馬變換(hadamard transform)等等。其中基于分塊的dct 是最常用的變換之一，現(xiàn)在所采用的靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)jpeg也是基于分塊dct的。最早的基于分塊dct的一種數(shù)字水印技術(shù)方案是由一個(gè)密鑰隨機(jī)地選擇圖像的一些分塊，在頻域的中頻上稍稍改變一個(gè)三元組以隱藏二進(jìn)制序列信息。選擇在中頻分量編碼是因?yàn)樵诟哳l編碼易于被各種信號(hào)處理方法所破壞，而在低頻編碼則由于人的視覺(jué)對(duì)低頻分量很敏感，對(duì)低頻分量的改變易于被察覺(jué)。該數(shù)字水印算法對(duì)有損

9、壓縮和低通濾波是穩(wěn)健的。4 另一種 dct數(shù)字水印算法是首先把圖像分成88 的不重疊像塊，在經(jīng)過(guò)分塊dct變換后，即得到由dct系數(shù)組成的頻率塊，然后隨機(jī)選取一些頻率塊，將水印信號(hào)嵌入到由密鑰控制選擇的一些 dct系數(shù)中。該算法是通過(guò)對(duì)選定的dct系數(shù)進(jìn)行微小變換以滿足特定的關(guān)系，以此來(lái)表示一個(gè)比特的信息。在水印信息提取時(shí)，則選取相同的dct系數(shù)，并根據(jù)系數(shù)之間的關(guān)系抽取比特信息。除了上述有代表性的變換域算法外，還有一些變換域數(shù)字水印方法，它們當(dāng)中有相當(dāng)一部分都是上述算法的改進(jìn)及發(fā)展，這其中有代表性的算法是i podichuk 和 zeng wen-jun提出的算法。他們的方法是基于靜止圖像的

10、dct變換或小波變換，研究視覺(jué)模型模塊返回?cái)?shù)字水印應(yīng)加載在何處及每處可承受的jnd(just noticeable difference恰好可察覺(jué)差別) 的量值 ( 加載數(shù)字水印的強(qiáng)度上限) ，這種水印算法是自適應(yīng)的。 3) 壓縮域算法基于 jpeg 、mpeg 標(biāo)準(zhǔn)的壓縮域數(shù)字水印系統(tǒng)不僅節(jié)省了大量的完全解碼和重新編碼過(guò)程，而且在數(shù)字電視廣播及vod(video oil demand)中有很大的實(shí)用價(jià)值。相反地，水印檢測(cè)與提取也可直接在壓縮域數(shù)據(jù)中進(jìn)行。 hartung提出了一種針對(duì)mpeg-2 壓縮視頻數(shù)據(jù)流的數(shù)字水印案。在 hartung 方案中，只有 mpeg-2數(shù)據(jù)流最后一部分?jǐn)?shù)據(jù)被

11、改變，其原理是，首先對(duì)dct編碼數(shù)據(jù)塊中每一輸入的huffman 碼進(jìn)行解碼和逆量化，以得到當(dāng)前數(shù)據(jù)塊的一個(gè)dct系數(shù)；其次，把相應(yīng)水印信號(hào)塊的變換系數(shù)與之相加，從而得到水印疊加的dct系數(shù)，再重新進(jìn)行量化和huffman 編碼，最后對(duì)新的huffman 碼字的位數(shù) n， 與原來(lái)的無(wú)水印系數(shù)的碼字n0 進(jìn)行比較 , 只在 n1不大于 n0的時(shí)候 , 才能傳輸水印碼字,否則傳輸原碼字，這就保證了不增加視頻數(shù)據(jù)流位率。 4) nec算法該算法由nec實(shí)驗(yàn)室的cox 等人提出，該算法在數(shù)字水印算法中占有重要地位，其實(shí)現(xiàn)方法是，首先以密鑰為種子來(lái)產(chǎn)生偽隨機(jī)序列，該序列具有高斯n(0,1) 分布， 密鑰

12、一般由作者的標(biāo)識(shí)碼和圖像的哈希值組成，其次對(duì)圖像做dct變換，最后用偽隨機(jī)高斯序列來(lái)調(diào)制( 疊加 ) 該圖像除直流分量外的1000 個(gè)最大的 dct系數(shù)。該算法具有較強(qiáng)的魯棒性、安全性、透明性等。 5) 生理模型算法人的生理模型包括人類視覺(jué)系統(tǒng)hvs和人類聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)has 。該模型不僅被多媒體數(shù)據(jù)壓縮系統(tǒng)利用，同樣可以供數(shù)字水印系統(tǒng)利用。它們的基本思想均是利用從視覺(jué)模型導(dǎo)出的jnd描述來(lái)確定在圖像的各個(gè)部分所能容忍的數(shù)字水印信號(hào)的最大強(qiáng)度，從而能避免破壞視覺(jué)質(zhì)量，也就是說(shuō)，利用視覺(jué)模型來(lái)確定與圖像相關(guān)的調(diào)制掩模，然后再利用其來(lái)插人水印。這一方法同時(shí)具有5 好的透明性和魯棒性。2.2 數(shù)字水印的應(yīng)

13、用隨著數(shù)字水印技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字水印的應(yīng)用領(lǐng)域也得到了擴(kuò)展，數(shù)字水印的基本應(yīng)用領(lǐng)域是版權(quán)保護(hù)、隱藏標(biāo)識(shí)、認(rèn)證和安全不可見(jiàn)通信。當(dāng)數(shù)字水印應(yīng)用于版權(quán)保護(hù)時(shí)，潛在的應(yīng)用市場(chǎng)在于電子商務(wù)、在線或離線地分發(fā)多媒體內(nèi)容以及大規(guī)模的廣播服務(wù)。數(shù)字水印用于隱藏標(biāo)識(shí)時(shí)，可在醫(yī)學(xué)、制圖、數(shù)字成像、數(shù)字圖像監(jiān)控、多媒體索引和基于內(nèi)容的檢索等領(lǐng)域得到應(yīng)用。數(shù)字水印的認(rèn)證方面主要id 卡、信用卡、atm卡等上面數(shù)字水印的安全不可見(jiàn)通信將在國(guó)防和情報(bào)部門得到廣泛的應(yīng)用。2.3 數(shù)字水印的發(fā)展數(shù)字水印正處在迅速發(fā)展的過(guò)程中，掌握其發(fā)展方向?qū)χ笇?dǎo)數(shù)字水印的研究有著重要的意義，我們認(rèn)為今后數(shù)字水印的技術(shù)研究將側(cè)重于完善數(shù)字水印

14、理論、提高數(shù)字水印算法的穩(wěn)健性、安全性、研究其在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用及建立相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)等方面。在網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)迅速發(fā)展的今天，數(shù)字水印技術(shù)的研究具有明顯的意義，數(shù)字水印技術(shù)將對(duì)保護(hù)各種形式的數(shù)字產(chǎn)品起到重要的作用，但必須認(rèn)識(shí)到數(shù)字水印技術(shù)并非萬(wàn)能的，必須配合密碼學(xué)技術(shù)及認(rèn)證技術(shù)、數(shù)字簽名或者數(shù)字信封等技術(shù)一起使用。一個(gè)實(shí)用的數(shù)字水印方案必須有這些技術(shù)的配合才能抵抗各種攻擊，構(gòu)成完整的數(shù)字產(chǎn)品版權(quán)保護(hù)解決方案。6 第 3 章 課題詳細(xì)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)3.1 數(shù)字水印的工作模型通用的水印技術(shù)包含兩個(gè)方面：水印的嵌入和水印的提取或檢測(cè)，如圖1 和圖 2 所示。圖1 水印信號(hào)嵌入圖 2 水印信號(hào)提取或檢測(cè)對(duì)于水印嵌入

15、和提取技術(shù)，縱觀相關(guān)的報(bào)道和文獻(xiàn)。從整體框架構(gòu)思到具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，可以說(shuō)是百花齊放，設(shè)計(jì)思想往往取決于研究人員的研究背景和不同的入手角度。3.2 算法實(shí)現(xiàn)7 嵌入水印流程圖：首先打開(kāi)水印的宿主圖像，再打開(kāi)需要嵌入的圖像，判斷水印是否受限制，如果可以嵌入水印 ， 則 定 義 一 個(gè) 水 印 信 息 的 副 本 ，m_waterembed 是水印嵌入后的位圖數(shù)據(jù)全局變 量 ， 將 原 來(lái) 的 圖 象 的 數(shù) 據(jù) 復(fù) 制 到m_waterembed 里，將水印信息的數(shù)據(jù)復(fù)制到一維數(shù)組m_copymater 水印信息的數(shù)據(jù)副本里，記錄嵌入的點(diǎn)數(shù)，將象素打印出來(lái)。算法流程圖：提取水印流程圖：首先選擇已嵌入

16、水印的圖像，將象素打印出來(lái)，獲得最后一次水印的信息位圖的寬高信息。8 3.3 程序運(yùn)行開(kāi)發(fā)環(huán)境 microsoft visual c+ 6.0 程序功能在程序中打開(kāi)宿主圖像24 位( 保存格式為：24 位位圖 ), 水印圖像8 位（ h*w最好為： 131*170 ） （保存格式為256 色位圖）。使用的時(shí)候在“嵌入水印”、 “保存水印圖像”后，不能關(guān)掉使用軟件，接著“打開(kāi)水印過(guò)圖像”、 “提取水印”就可以實(shí)現(xiàn)。運(yùn)行界面 : 9 結(jié) 論數(shù)字水印是近幾年來(lái)出現(xiàn)的數(shù)字產(chǎn)品版權(quán)保護(hù)技術(shù)，是當(dāng)前國(guó)際學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)。該文論述了如下幾個(gè)問(wèn)題：1) 數(shù)字水印的提出及研究現(xiàn)狀；2) 水印的相關(guān)技術(shù)和理論。3）水印的詳細(xì)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)盡管人們都在努力發(fā)展和完善數(shù)字水印技術(shù)，但水印技術(shù)仍然沒(méi)有完全成熟和廣為人們理解，而且還有很多問(wèn)題沒(méi)有得到解決。盡管水印技術(shù)很難在短