基于离散余弦变换算法的数字水印研究学士学位论文Word格式.docx
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2图象或内容认证
认证的目的是检测对数据的修改,当数字作品被用于法庭,医学,新闻及商业时,都需要确定他的内容是否被修改,伪造或特殊处理过.
3.标志与注释
在医学,制图,多媒体索引和网络搜索等领域中,可以将一些作品的标题,注释内容以水印形式嵌入该作品作为隐式注释.
4.违反者追踪
数字水印可以用来监视或追踪数字产品的非法拷贝制作和发行，即在每个合法发行的拷贝中加入水印信息，如在电子商务中使用数字水印可以控制用户接受的内容,防止保护内容在解密后脱离用户控制的范围。
5.商务交易中的票据防伪
随着高质量图像输入输出设备的发展，特别是精度超过1200dpi的彩色喷墨、激光打印机和高精度彩色复印机的出现，使得货币、支票以及其他票据的伪造变得更加容易。
另一方面，在从传统商务向电子商务转化的过程中，会出现大量的过度性电子文件，如各种票据的扫描图像等。
即使在网络安全技术成熟以后，各种电子票据也还需要一些非密码的认证方式。
数字水印技术可以为各种票据提供不可见的认证标志，从而增加了伪造的难度
1.3数字水印技术的研究动态
1.3.1研究现状
作为传统加密系统的有效补充办法，从1993年Caronni正式提出数字水印到现在的十几年时间里，无论国内还是国外对数字水印的研究都引起了人们的极大关注。
在国外方面，由于有大公司的介入和美国军方及财政部的支持，虽然在数字水印方面的研究刚起步不久，但该技术研究的发展速度非常快。
1998年以来，《IEEE图像处理》、《IEEE会报》、《IEEE通信选题》、《IEEE消费电子学》等许多国际重要期刊都组织了数字水印的技术专刊或专题新闻报道。
在美国，以麻省理工学院媒体实验室为代表的一批研究机构和企业已经申请了数字水印方面的专利。
1998年，美国政府报告中出现了第一份有关图像数据隐藏的AD报告。
目前，已支持或开展数字水印研究的机构既有政府部门，也有大学和知名企业，它们包括美国财政部、美国版权工作组、美国空军研究院、美国陆军研究实验室、德国国家信息技术研究中心、日本NTT信息与通信系统研究中心、麻省理工学院、伊利诺斯大学、明尼苏达大学、剑桥大学、瑞士洛桑联邦工学院、西班牙Vigo大学、IBM公司Watson研究中心、微软公司剑桥研究院、朗讯公司贝尔实验室、CA公司、Sony公司、NEC研究所以及荷兰菲利浦公司等。
SPIE和IEEE的一些重要国际会议也开辟了相关的专题
国内方面，我国学术界对数字水印技术的反应也非常快，已经有相当一批有实力的科研机构投入到这一领域的研究中来。
为了促进数字水印及其他信息隐藏技术的研究和应用，1999年12月，我国信息安全领域的何德全院士、周仲义院士、蔡吉人院士与有关应用研究单位联合发起召开了我国第一届信息隐藏学术研讨会。
2000年1月，由国家“863”智能机专家组和中科院自动化所模式识别国家重点实验室组织召开了数字水印学术研讨会，来自国家自然科学基金委员会、国家信息安全测评认证中心、中国科学院、北京邮电大学、国防科技大学、清华大学、北方工业大学、上海交通大学、天津大学、中国科技大学、北京大学、北京理工大学、中山大学、北京电子技术应用研究所等单位的专家学者和研究人员深入讨论了数字水印的关键技术，报告了各自的研究成果。
从会议反应的情况上看，我国相关学术领域的研究与世界水平相差不远，而且有自己独特的研究思路。
1.3.2前景及意义
数字水印技术从正式提出到现在虽然只有短短几年，但由于它是应用于开放性网络上的多媒体信息隐藏技术，为解决版权保护和内容完整性认证、来源认证、篡改认证、网上发行、用户跟踪等一系列问题提供了一个崭新的技术研究方向，因此在数字产品的知识产权保护、隐蔽标识、篡改提示、隐蔽通信和防伪等方面具有十分看好的应用前景。
在我国，知识产权问题是一个敏感话题，只有深入开展数字水印技术的研究，尽快制定我国的版权保护水印标准，才能使我们在未来可能的国际知识产权纠纷中取得主动权。
从研究意义来看，对它的研究具有重要的学术、经济和军事价值一方面，它将促进多媒体技术、网络技术、通信技术、信号处理技术等多门新兴技术的有机结合，促进多媒体网络的进一步繁荣；
另一方面，它将有助于多媒体信息版权保护极其版权冲突问题的解决。
同时，它将促进隐蔽通信技术，信息安全技术的提高。
2数字水印技术理论
2.1数字水印的概念
数字水印技术是指用信号处理的方法在声音，图像或视频等数字化的多媒体数据中嵌入某些能证明版权归属或跟踪侵权行为的隐蔽的信息，这些信息通常是不可见的，不能被人的知觉系统觉察或注意到，只有通过专用的监测器或阅读器才能提取。
通过这些隐藏在多媒体内容中的信息，可以达到确认内容创建者，购买者或判断内容是否真实完整的目的。
水印系统所隐藏的信息总是与被保护的数字对象或它的所有者有关
2.2数字水印的基本原理
从图像处理的角度来看，嵌入水印信号可以视为在强背景卜叠加一个弱信
号，只要叠加的水印信号强度低于人类视觉模型HVS（HumanVisionSystem）的对比度门限,HVS就无法感到信号的存在。
从数字通信的角度看，水印嵌入可理解为在一个宽带信道（载体图像）上用扩频技术传输一个窄带信号（水印信号）。
尽管水印信号具有一定的能量，但分布到信道中任一频率上的能量是难以检测到的。
水印的检测就相当于是一个有噪声信道中弱信号的检测问题。
通常，可以定义水印为如下的信号：
W=｛W（k）|W（k）∈U,k∈o,1,2,…M-1｝
其中，W有时被称为原始水印，以区别与可能在嵌入或检测过程中变换处理以后的水印。
M为水印序列的长度，U代表水印的值域。
水印信号可以是二进制形（如：
U=（0，1）或U=（-1，1）），也可以是高斯噪声形式（如均值为0，方差为1的高斯白噪声N（0,1）），或者其本身也是一幅图像，其幅值相对要保护的数字产品的幅值而言应该是很小的。
我们可以将数字水印系统的基本框架定义为六元体
表示
其中：
1.X表示要被保护的数字产品X的集合。
其中Xo为表示原始数字作品，Xw表示含水印的数字作品。
2.W为水印信号集合。
3.K是水印密钥集合。
4.G表示利用密钥K和待嵌入水印的X共同生成水印的算法，即
G:
X×
K→W,W=G（X,K）
5.E表示将水印W嵌入到数字作品X中的嵌入算法，即
E:
Xo×
W→Xw,Xw=E（Xo,W）
6.D表示水印的检测算法。
D:
X×
K→（0,1）
D（X,K）=
其中，H1和H0分别表示水印的有无。
2.3数字水印的基本特性
一般地，数字水印应具有如下的特征
：
（1）稳健性:
指经过常规的处理操作后，水印算法仍能从水印作品中检测到水印的能力。
这些处理包括常见的图像处理（图像压缩、低通滤波、高通滤波和图像增强等）、几何失真变换（剪切、图像缩放、平移和旋转等）、噪声干扰、打印和扫描等。
稳健性对于水印而言极为重要，通常只要求水印在嵌入和检测之间的信号处理操作中存在。
对于不同的应用需求，要求有不同程度的稳健性。
（2）不可感知性:
不可感知性包含两方面的意思，一方面指视觉上的不可感知性，即嵌入水印后不能导致图像质量在视觉上发生明显地变化。
另一方面，用统计方法是不能恢复水印。
（3）安全性:
指水印能够抵御XX的人的攻击的能力，这些攻击指专门为了阻碍水印发挥作用的处理行为。
主要有三大类型的攻击。
一类为XX的删除，指阻止检测出作品中水印的攻击。
另一类为XX的嵌入（伪造），指把不合法的水印嵌入到不应含有该水印的作品中的行为。
第三类为XX的检测，按照其严重性不同，又可以分为三种程度。
第一种最严重，指XX者检测并解密出嵌入水印的信息。
第二种稍轻，指XX者检测出水印并且可以区分不同的水印信息，但是不能解读水印的具体含义。
第三种最轻，指XX者能够判断水印的存在，但不能解读水印信息，也不能区分嵌入信息。
（4）有效性:
指嵌入水印后紧接着检测到水印的概率。
水印系统的有效性可能低于100%，如果要尽量接近期望的100%的有效性，需要在其它特性方面付出较高的代价。
在实际的应用中，为了在其它特性方面获得更好的性能，需要牺牲一些有效性。
在某些情况下，水印系统的有效性需要经分析后才能确定。
2.4数字水印系统的设计
在实际应用中，一个完整水印系统的设计通常包括水印的生成、嵌入、提取和检测四个部分。
（1）水印生成:
通常基于伪随机数发生器或混沌系统来产生水印信号，从水印的稳健性和安全性考虑，常常需要对水印进行预处理来适应水印嵌入算法
（2）水印嵌入:
尽量保证水印不可感知性的前提下，嵌入最大强度的水印，来提高水印的稳健性。
水印的嵌入过程如图2-1所示。
有三种常用的水印嵌入准则。
一类为加法准则（Xi＇=Xi+aWi）。
｛Xi｝为原始图像，｛Wi｝为水印信号，｛Xi＇｝为含水印图像。
a为水印嵌入强度，它的选择必须考虑图像的实际情况和人类的视觉特性。
加法准则是一种普遍的水印嵌入方式，嵌入水印时没有考虑到原始图像各像素之间的差异，因此，用此方法嵌入水印后图像质量在视觉上变化较大，影响了水印的稳健性。
另一类为乘法准则（Xi＇=Xi（1+aWi）），它考虑到原始图像各像素间的差异，因此，乘法准则的性能在很多方面要优于加法准则。
第三类为融合准则（Xi＇=（1-a）Xi+aWi），近年来，融合准则引起了人们的广泛关注，它综合考虑了原始图像和水印图像，在不影响人的视觉效果的前提下，对原始图像做了一定程度地修改。
水印嵌入框图如下：
图2-1水印嵌入框图
（3）水印提取:
指水印可比较精确地被提取出来的过程，比如在完整性确认的应用中，必须能够精确地提取出嵌入的水印信息，并且可以通过水印的完整性情况来确认多媒体数据的完整性。
水印的提取和检测可以需要原始图像的参与，也可不需要原始图像的参与，如果没有原始图像，则提取和检测将比较困难。
水印的提取过程如图2-2所示，虚框表示提取水印信号时并不一定需要原始图像。
图2-2水印提取框图
（4）水印检测:
判断水印载体中是否存在水印的过程，水印的检测过程如图2-3所示，虚框表示判断水印信号是否存在时并不一定需要原始图像。
图2-3水印检测框图
2.5数字水印的分类
数字水印有多种分类方法，出发点不同导致了不同的分类，它们之间既有联系又有区别。
常见的分类方法有以下几种
:
（1）按水印信号的意义划分:
可将水印分为无意义水印和有意义水印。
无意义水印指嵌入的水印信号没有实际的含义，可以为伪随机实数序列、伪随机二值序列和混沌序列等。
有意义水印指嵌入的水印信号具有一定的意义，能比较直观地表示数字作品的信息，可以为数字图像、数字音频和文字等。
目前有意义水印在实际应用中更加广泛，它能更有效地保护数字作品的版权。
（2）按水印的可见性划分:
此类划分主要用于数字图像作品中。
从人类视觉系统来看，按照数字水印在数字图像作品中是否可见分为可见水印和不可见水印。
可见水印指水印在数字图像中可见。
不可见水印指将水印信号嵌入到数字图像、音频或视频中，从表面上很难察觉到这些数字作品的变化，但当发生版权纠纷时，可以从这些数字作品中提取水印，来证明数字作品的版权，它比可见水印应用更加广泛。
（3）按水印的稳健性划分:
按照嵌入的水印能多大程度地经受常见的信号处理等操作可将水印分为易损水印和稳健性水印。
易损水印指当嵌入水印的载体数据被修改后，通过水印检测，可以对载体是否进行了修改或进行了何种修改进行判定。
稳健性水印指嵌入的水印能抵抗一定失真内的恶意攻击，且一般的信号处理不影响水印的检测。
（4）按水印所依附的载体形式划分:
可将水印划分为图像水印、音频水印、视频水印和文本水印等。
（5）按水印隐藏的位置划分:
可将水印划分为空域数字水印和变换域数字水印。
空域数字水印指水印直接嵌入到信号空间上，即通过改变载体空间的某些系数来嵌入水印。
变换域数字水印指改变某些变换域系数来嵌入水印。
（6）按水印检测过程划分:
可将水印分为非盲水印、半盲水印和盲水印。
非盲水印指在检测和提取数字水印的过程中，需要原始数据和原始水印的参与。
半盲水印指不需要原始数据，但需要原始水印来进行检测。
盲水印指在检测和提取数字水印的过程中只需要密钥，既不需要原始数据，也不需要原始水印。
通常，非盲水印的稳健性比较强，但它需要存储原始数据和原始水印，其应用受到了限制，因此，盲水印和半盲水印将成为今后的发展方向。
2．6几种典型的数字水印算法
今天数字水印技术己经涉及到多媒体信息的各个方面，在此，仅就在整个水印技术研究领域中占突出地位的，也是研究最普遍的静止图像水印技术的典型算法做简要概述
（1）空间域算法
空间域方法是指通过改变图像的灰度值来加入数字水印的，大多采用替换法，用秘密消息位替换载体中的数据位，主要有LSB（LeastSignificantBit）方法、Patchwork方法、纹理块映射编码方法等。
LSB方法是由Tirkel等人提出的数字水印算法，是一种典型的空间域信息隐藏算法。
它的主要原理就是利用人眼视觉特性在对于数字图像亮色等级分辨率上的有限性，将水印序列的位来替换象素灰度值的最不重要位或者次不重要位，达到传递秘密信息的目的。
这种方法简单易行，但是抵抗攻击的能力比较差，攻击者简单地利用信号处理技术就能完全破坏消息。
因此现在的数字水印技术己经很少采用LSB算法了。
不过，作为一种大数据量的信息隐藏发放，LSB在隐蔽通信中仍占据相当重要的地位。
是五花八门，无所不用。
Patchwork算法是一种基于统计学上的方法，它是将图像分成两个了集，其中一个子集的亮度增加，另一个子集的亮度减少同样的量，这个量以不可见为标准，整个图像的平均灰度值保持不变，在这个调整的过程中完成水印的嵌入。
子集的位置作为密钥，则水印可以很容易地由两个子集间的差别平均而定。
Patchwork方法的隐蔽性好，对JPEG压缩、FIR滤波以及图像裁剪有一定的抵抗力，但其缺陷是数据量较低，对多拷贝平均攻击的抵抗力较弱。
纹理块映射编码方法是将一个基于纹理的水印嵌入到图像的具有相似纹理的一部分当中，这个方法是基于图像的纹理结构的，因而很难察觉水印。
（2）变换域算法
日前进行水印嵌入的变换域算法主要是在傅立叶变换域（DFT）、离散余弦域（DCT）和小波域（DWT），这类算法的隐藏和提取信息操作复杂，隐藏信息量不能很大，但是抗攻击能力强，很适合于数字作品版权保护的数字水印技术中。
傅里叶变换（DFT）是一种经典而有效的数学工具，DFT域的算法有利于实现水印的仿射不变性，而且可以利用变换后的相位信息嵌入水印。
但DFT域的方法计算比较复杂，效率较低，而且与国际压缩标准不兼容，限制了它的应用。
DCT变换域数字水印是目前研究最多的一种数字水印，它具有鲁棒性强、隐蔽性好的特点。
其主要思想是在图像的DCT变换域上选择中低频系数叠加水印信息。
之所以选择中、低频系数，是因为人眼的感觉主要集中在这一频段，攻击者在破坏水印的过程中，不可避免地会引起图像质量的严重下降，一般的图像处理过程也不会改变这部分数据。
E.Koch和J.Zhao较早提出了利用DCT分解来设计水印的算法
，他们不是把水印加载到整幅图像上，而是随机地选取图像的一些区域加以改动以嵌入水印，水印所选择的区域是由密钥来控制的。
Cox等人在文献中提出了基于图像全局变换的水印方法。
他们重要的贡献是明确提出加载在图像的视觉敏感部分的数字水印才能有较强的鲁棒性。
的水印方案是对整个图像进行DCT变换，然后将水印加载在低频分量上。
它的实现方法是首先对整幅图像进行二维DCT变换，然后选取除直流（DC）分量外的1000个较大的低频DCT系数并加以改变，用一个服从N（0，1）分布的高斯序列来调制水印序列，伪随机序列是以密钥为种子来产生的，密钥通常由作者的标识码和图像相关信息的散列值组成。
检测时通过计算高斯序列与从加水印图像中得到的1000个改动过的低频DCT系数的相关性来判断水印是否存在。
该算法不仅在视觉上具有水印的不可察觉性，而且水印的鲁棒性非常好，可经受一定程度的有损JPEG压缩、滤波、D/A及A/D转换等信号处理，也可以经受一般的几何变换如剪切、缩放、平移及旋转等操作，对复印和扫描等处理也具有较强的鲁棒性。
该算法具有较强的鲁棒性和安全性。
由于该算法是由LTEc实验室的Cox等人提出的，因此又称为NEC算法
虽然目前DWT域的水印算法还不多见，但小波域具有良好的空频分解特性，而且嵌入式零树小波编码（EZW）将在新一代的压缩标准（JPEG2000,MPEG4/7等）中被采用，迎合着国际压缩标准，小波域的水印算法具有良好的发展前景。
这种水印算法的优点是水印检测按子带分级扩充水印序列进行，即如果先检测出的水印序列己经满足水印存在的相似函数要求，检测就可以终止，否则继续搜寻下一子带继续扩充水印序列直至相似函数出现一个峰值或使所有子带搜索结束。
该算法的主要优点是在含水印图图像质量破坏不大的情况下，水印检测可以在搜索少数几个子带后终止，提高了水印检测的效率。
由于小波具有良好的时频特性和模拟人类视觉系统的特性，因此这方面的研究文献近几年也比较多。
3MATLAB软件的简单介绍
MATLAB语言是当今国际上科学界（尤其是自动控制领域）最具影响力、也是最有活力的软件。
它起源于矩阵运算，并已经发展成一种高度集成的计算机语言。
它提供了强大的科学运算、灵活的程序设计流程、高质量的图形可视化与界面设计、便捷的与其他程序和语言接口的功能。
MATLAB语言在各国高校与研究单位起着重大的作用。
3.1MATLAB的语言特点
一种语言之所以能如此迅速地普及，显示出如此旺盛的生命力，是由于它有着不同于其他语言的特点，MATLAB最突出的特点就是简洁。
MATLAB用更直观的，符合人们思维习惯的代码，代替了C和FORTRAN语言的冗长代码。
MATLAB给用户带来的是最直观，最简洁的程序开发环境。
以下简单介绍一下MATLAB的主要特点
1）语言简洁紧凑，使用方便灵活，库函数极其丰富。
MATLAB程序书写形式自由，利用起丰富的库函数避开繁杂的子程序编程任务，压缩了一切不必要的编程工作。
由于库函数都由本领域的专家编写，用户不必担心函数的可靠性。
可以说，用MATLAB进行科技开发是站在专家的肩膀上。
2）运算符丰富。
由于MATLAB是用C语言编写的，MATLAB提供了和C语言几乎一样多的运算符，灵活使用MATLAB的运算符将使程序变得极为简短。
数据和函数的图形可视手段包括：
线的勾画、色图使用、浓谈处理、视角选择、透视和裁剪。
MATLAB有比较完备的图形标识指令，它们可标注：
图名、轴名、解释文字和绘画图例。
3）MATLAB既具有结构化的控制语句（如for循环，while循环，break语句和if语句），又有面向对象编程的特性。
4）程序限制不严格，程序设计自由度大。
例如，在MATLAB里，用户无需对矩阵预定义就可使用。
5）程序的可移植性很好，基本上不做修改就可以在各种型号的计算机和操作系统上运行。
6）MATLAB的图形功能强大。
在FORTRAN和C语言里，绘图都很不容易，但在MATLAB里，数据的可视化非常简单。
MATLAB还具有较强的编辑图形界面的能力。
7）MATLAB的缺点是，它和其他高级程序相比，程序的执行速度较慢。
由于MATLAB的程序不用编译等预处理，也不生成可执行文件，程序为解释执行，所以速度较慢。
8）功能强大的工具箱是MATLAB的另一特色。
Matlab的推出得到了各个领域专家、学者的广泛关注，其强大的扩展功能为各个领域的应用提供了基础。
由各个专家学者相继推出了MATLAB工具箱，其中的信号处理（signalprocessing）、控制系统（controlsystem）、神经网络（neuralnetwork）、图像处理（imageprocessing）、鲁棒控制（robustcontrol）、非线性系统控制设计（nonlinearsystemcontroldesign）、系统辨识（systemidentification）、最优化（optimization）、模糊逻辑（fuzzylogic）、小波（wavelet）、通信（communication）、统计（statistics）等工具箱，这些工具箱给各个领域的研究和工程应用提供了有力的工具，借助于这些“巨人肩上的工具”，各个层次的研究人员可直观、方便地进行分析、计算及设计工作，从而大大地节省了时间。
9）源程序的开放性。
开放性也许是MATLAB最受人们欢迎的特点。
除内部函数以外，所有MATLAB的核心文件和工具箱文件都是可读可改的源文件，用户可通过对源文件的修改以及加入自己的文件构成新的工具箱。
3.2MATLAB函数介绍
由于作水印程序时，处理的图像数据是二维信号，而声音信号是一维信号。
因此这里我们仅仅简单介绍与水印有关的函数。
1数据输入输出函数
imread（）和imwrite（）：
可以读写bmp,jpg/jpeg,tif/tiff,png,hdf,pcx,wxd格式文件。
读索引文件时，还可以得到相应的调色板数据。
2图像显示
imshow（）：
显示一幅图像；
imfinfo（）：
可以得到读入图像的信息。
如文件的大小、格式、格式版本号、图像的高度、宽度、颜色类型（真彩色，灰度图还是索引图）等。
3变换域函数
对信号采用不同的变换，是实现频域法水印的至关
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