數(shù)字水印報告

1、信科綜合實踐報告題目：數(shù)字水印班級：信科 07-2 班學(xué)號： 08073602 姓名： 祖艷玲指導(dǎo)教師：孫統(tǒng)風(fēng)中國礦業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院2010-10-9 摘 要通過在原始數(shù)據(jù)中嵌入秘密信息-水印(watermark)來證實數(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、序列號等， 而且這種水印通常是不可見或不可察的，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)使用價值或商用價值的操作而能保存下來。數(shù)字水印技術(shù)除了應(yīng)具備信息隱藏技術(shù)的一般特點外，還有著其固有的特點和研究方法。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、保護的功能，也就是說 ，這一系統(tǒng)就是失敗的。由此可見 ，數(shù)字水印技術(shù)必須具有較強的魯棒性、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 課題詳細設(shè)計與實現(xiàn) . 6 3.1 數(shù)字水印的工作模型. 6 3.2 算法實現(xiàn) . 6 3.3 程序運行 . 11 結(jié)

3、 論. 12 1 第 1 章 課題概述1.1 課題背景 1994 年在一次國際重要學(xué)術(shù)會議上由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)時他們已經(jīng)意識到了數(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 年在英國劍橋牛頓研究所召開了第一屆國際信息隱藏學(xué)術(shù)研討會，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 年第三屆國際信息隱藏學(xué)術(shù)研討會，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

4、近年來已有少數(shù)的研究所和大學(xué)開展了對水印技術(shù)的研究工作，如：中科院自動化研究所的模式識別國家重點實驗室、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)注的程度不及國外，研究的人員不多，研究的領(lǐng)域不廣，從理論和實際成果兩方面來看，國內(nèi)在數(shù)字水印方面的研究工作還處于剛起步階段。我國已明確表示：所有的知識產(chǎn)權(quán)保護和安全認(rèn)證問題不可能依靠國外的力量，必須由我們自主開發(fā)解決。因此，無論從學(xué)術(shù)研究角度，還是從應(yīng)用技術(shù)的角度，開展數(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)以及計算機、掃描儀和打印機的廣泛使用使得數(shù)字化多媒體數(shù)據(jù)的獲取、交換和傳輸變得異

5、常簡單。但是通過網(wǎng)絡(luò)傳播數(shù)據(jù)也使有惡意的個人或團體在沒有得到數(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)保護的文檔。數(shù)字水印技術(shù)則為這種問題提供了一個潛在的解決方案。數(shù)字水?。?digital watermarking ）是往多媒體數(shù)據(jù)（如圖像、聲音、視頻信號等）中添加某些數(shù)字信息以達到版權(quán)保護等作用。如果沒有魯棒性（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)量的情況下無法將水印去掉。發(fā)展數(shù)字水印技術(shù)的原動力就是為了提供多媒體數(shù)據(jù)的版權(quán)

6、保護。1.3 報告組織結(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（包括公開密鑰、私有密鑰）體系來加強，在水印的嵌入，提取時采用一種密鑰，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) 與改進算法。由于該算法是通過調(diào)整原始數(shù)據(jù)的最低幾位來隱藏信息，使一般用戶對于隱藏信息，在視覺上很難察覺。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，無法經(jīng)受一些有損的信號處理。bander 等人提出的基于統(tǒng)計的數(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。patchwork 任意選擇n對圖像點，增加其一點的亮度的同時，相應(yīng)降低另一點的亮度值。通過這一調(diào)整過程完成水印的嵌入。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)可以嵌入大量比特數(shù)據(jù)而不會導(dǎo)致可察覺的缺陷，往往采用類似擴頻圖像的技術(shù)來隱藏數(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)方案是由一個密鑰隨機地選擇圖像的一些分塊，在頻域的中頻上稍稍改變一個三元組以隱藏二進制序列信息。選擇在中頻分量編碼是因為在高頻編碼易于被各種信號處理方法所破壞，而在低頻編碼則由于人的視覺對低頻分量很敏感，對低頻分量的改變易于被察覺。該數(shù)字水印算法對有損

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)過分塊dct變換后，即得到由dct系數(shù)組成的頻率塊，然后隨機選取一些頻率塊，將水印信號嵌入到由密鑰控制選擇的一些 dct系數(shù)中。該算法是通過對選定的dct系數(shù)進行微小變換以滿足特定的關(guān)系，以此來表示一個比特的信息。在水印信息提取時，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，研究視覺模型模塊返回數(shù)字水印應(yīng)加載在何處及每處可承受的jnd(just noticeable difference恰好可察覺差別) 的量值 ( 加載數(shù)字水印的強度上限) ，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程，而且在數(shù)字電視廣播及vod(video oil demand)中有很大的實用價值。相反地，水印檢測與提取也可直接在壓縮域數(shù)據(jù)中進行。 hartung提出了一種針對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dct編碼數(shù)據(jù)塊中每一輸入的huffman 碼進行解碼和逆量化，以得到當(dāng)前數(shù)據(jù)塊的一個dct系數(shù)；其次，把相應(yīng)水印信號塊的變換系數(shù)與之相加，從而得到水印疊加的dct系數(shù)，再重新進行量化和huffman 編碼，最后對新的huffman 碼字的位數(shù) n， 與原來的無水印系數(shù)的碼字n0 進行比較 , 只在 n1不大于 n0的時候 , 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實驗室的cox 等人提出，該算法在數(shù)字水印算法中占有重要地位，其實現(xiàn)方法是，首先以密鑰為種子來產(chǎn)生偽隨機序列，該序列具有高斯n(0,1) 分布， 密鑰

12、一般由作者的標(biāo)識碼和圖像的哈希值組成，其次對圖像做dct變換，最后用偽隨機高斯序列來調(diào)制( 疊加 ) 該圖像除直流分量外的1000 個最大的 dct系數(shù)。該算法具有較強的魯棒性、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系統(tǒng)hvs和人類聽覺系統(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模型導(dǎo)出的jnd描述來確定在圖像的各個部分所能容忍的數(shù)字水印信號的最大強度，從而能避免破壞視覺質(zhì)量，也就是說，利用視覺模型來確定與圖像相關(guān)的調(diào)制掩模，然后再利用其來插人水印。這一方法同時具有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)域也得到了擴展，數(shù)字水印的基本應(yīng)用領(lǐng)域是版權(quán)保護、隱藏標(biāo)識、認(rèn)證和安全不可見通信。當(dāng)數(shù)字水印應(yīng)用于版權(quán)保護時，潛在的應(yīng)用市場在于電子商務(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)識時，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通信將在國防和情報部門得到廣泛的應(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)將對保護各種形式的數(shù)字產(chǎn)品起到重要的作用，但必須認(rèn)識到數(shù)字水印技術(shù)并非萬能的，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。一個實用的數(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)保護解決方案。6 第 3 章 課題詳細設(shè)計與實現(xiàn)3.1 數(shù)字水印的工作模型通用的水印技術(shù)包含兩個方面：水印的嵌入和水印的提取或檢測，如圖1 和圖 2 所示。圖1 水印信號嵌入圖 2 水印信號提取或檢測對于水印嵌入

15、和提取技術(shù)，縱觀相關(guān)的報道和文獻。從整體框架構(gòu)思到具體實現(xiàn)細節(jié)，可以說是百花齊放，設(shè)計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 算法實現(xiàn)7 嵌入水印流程圖：首先打開水印的宿主圖像，再打開需要嵌入的圖像，判斷水印是否受限制，如果可以嵌入水印 ， 則 定 義 一 個 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 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，記錄嵌入的點數(shù)，將象素打印出來。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，獲得最后一次水印的信息位圖的寬高信息。8 3.3 程序運行開發(fā)環(huán)境 microsoft visual c+ 6.0 程序功能在程序中打開宿主圖像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“打開水印過圖像”、 “提取水印”就可以實現(xiàn)。運行界面 : 9 結(jié) 論數(shù)字水印是近幾年來出現(xiàn)的數(shù)字產(chǎn)品版權(quán)保護技術(shù)，是當(dāng)前國際學(xué)術(shù)界的研究熱點。該文論述了如下幾個問題：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）水印的詳細設(shè)計與實現(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)仍然沒有完全成熟和廣為人們理解，而且還有很多問題沒有得到解決。盡管水印技術(shù)很難在短