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数字水印论文1DOC
数字水印技术的研究
学生姓名：
李启哲学号：
********
专业年级：
2012电子信息工程2班
摘要
数字水印是一种嵌入到图像、视频或者音频数据中的标志，通过对水印信息的检测可以达到保护多媒体数据版权的目的。
近年来，数字水印技术得到了较大的发展，基于变换域特别是基于DCT的水印技术是目前研究的热点，并且目前DCT编码在JPEG、MPEG、H.26x等编码标准都中有着广泛的应用。
本课题针对基于DCT的视频水印算法进行研究,在简要介绍本课题研究背景与本课题的国内外研究动态的基础上，随后介绍了数字水印技术的应用、特点和攻击方法与视频水印的特点及其国内外发展动态。
本文重点对基于DCT的低频水印算法、基于DCT的中频水印算法和基于DCT的自适应视频水印算法进行了深入分析与研究，使用伪码对这三种算法进行了简单的实现。
对基于DCT的中频水印算法进行了改进，在改进算法中对水印序列进行了扩频，并对DCT变换后中频系数的处理进行了改进。
最后，在MATLAB中对水印的嵌入、水印的检测与水印的剪切攻击进行了实验。
关键词：
DCT；水印；视频；低频；中频
1引言
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表达的效率和准确性。
随着因特网的日益普及，多媒体信息的交流已达到了前所未有的深度和广度，其发布形式也愈加丰富了。
人们如今也可以通过因特网发布自己的作品、重要信息和进行网络贸易等，但是随之而出现的问题也十分严重：
如作品侵权更加容易，篡改也更加方便。
因此如何既充分利用因特网的便利，又能有效地保护知识产权，已受到人们的高度重视。
VanSchyndel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。
它被认为是一篇具有历史价值的文献。
1996-05-30－1996-06-01，在英国剑桥牛顿研究所召开了第一届国际信息隐藏学术研讨会，这标志着一门新兴的交叉学科——信息隐藏学的正式诞生。
如今信息隐藏学作为隐蔽通信和知识产权保护等的主要手段，正得到广泛的研究与应用。
2数字水印的基本原理
2.1信息隐藏
信息隐藏，，也称为信息伪装（Steganography），该单词来源于古希腊，意思是将有用或重要的信息隐藏于其他信息里面以掩饰其存在，就是将秘密信息秘密地隐藏于另一非机密的文件内容之中。
密码学是研究如何保护消息内容的，而伪装术是专门研究如何隐藏它们的存在性。
数字水印技术的基本思想源于古代的伪装术（密写术）。
古希腊的斯巴达人曾将军事情报刻在普通的木板上，用石蜡填平，收信的一方只要用火烤热木板，融化石蜡后就可以看到密信。
使用最广泛的密写方法恐怕要算化学密写了，牛奶、白矾、果汁等都曾充当过密写药水的角色。
大约700年前，在手工造纸技术中出现了纸张上的水印。
可以说，人类早期使用的保密通信手段大多数属于密写而不是密码。
但与密码技术相比，密写术始终没有发展成为一门独立的学科，其中的主要原因是密写术缺乏必要的理论基础。
日常生活中为了鉴别纸币的真伪，人们通常将纸币对着光源，会发现真的纸币中有清晰的图像信息显示出来，这就是我们熟悉的“水印”。
之所以采用水印技术是因为水印有其独特的性质：
第一水印是一种几乎不可见的印记，必须放置于特定环境下才能被看到，不影响物品的使用；第二水印的制作和复制比较复杂，需要特殊的工艺和材料，而且印刷品上的水印很难被去掉。
因此水印常也被应用于诸如支票、证书、护照、发票等重要印刷品中，长期以来判定印刷品真伪的一个重要手段就是检验它是否包含水印。
现今数字时代的到来，多媒体数字世界丰富多彩，数字产品几乎影响到每一个人的日常生活。
如何保护这些与我们息息相关的数字产品，如版权保护、信息安全、数据认证以及访问控制等等，就被日益重视及变得迫切需要了。
借鉴普通水印的含义和功用，人们采用类似的概念保护诸如数字图像、数字音乐这样的多媒体数据，因此就产生了“数字水印”的概念。
2.2数字水印
所谓数字水印（DigitalWatermark）技术是指用信号处理的方法在数字化的多媒体数据中嵌入隐蔽的标记，这种标记通常是不可见的，只有通过专用的检测器或阅读器才能提取。
数字水印中包含音像作品的版本、创作者、拥有者、发行人等信息，数据量并不大，一般控制在100位以内，与动辄上兆字节的音乐、影视文件相比犹如藏在草堆中的一根针。
2.2.1数字水印的基本原理
水印的基本原理是嵌入某些标识数据到宿主数据中作为水印，使得水印在宿主数据中不可感知和足够安全。
为了保证由于水印的嵌入而导致的宿主数据失真不被觉察到，必须应用到某种感知准则。
不管是隐性还是显性，但是必须的。
因而作为不可觉察性的要求，宿主数据上的每个采样点的值（空间域或频率域）的改变程度与其自身相比应该相对比较小。
为了保证水印算法的鲁棒性，水印信息在宿主数据上通常有很大的冗余度。
这意味着水印信息可以从其部分数据中恢复出来。
但如果在恢复过程中能提供更多的数据那么恢复的鲁棒性则更强。
正如前面所说，水印算法还要结合加密方法以提供其安全性。
因此我们下面给出一个通用意义下的水印算法。
通用的数字水印算法包含两个基本方面：
水印的嵌入和水印的提取或检测。
水印可由多种模型构成，如随机数字序列、数字标识、文本以及图像等。
从鲁棒性和安全性考虑，常常需要对水印进行随机化以及加密处理。
数字水印技术的基本原理如图2.1所示。
图2.1数字水印技术的基本原理
图
（2）表示了一个通用水印的嵌入过程。
给定一幅图象，一个标志，以及一个密钥（通常是一个随机数发生器的种子），植入过程可以被定义为如下形式的映射：
，并且这适用于所有的水印植入方法。
通用的水印检测过程如图（3）所描述。
它的输出既可以是恢复的标志，也可以是对由中提取出的标志与输入的标志的相似性度量的某种可信度。
2.2.2水印嵌入的主要处理步骤有：
（1）将要嵌入的信息位（bits）用伪随机信号调制成M个实数组成的伪随机序列，呈平均值为0、方差为1的正态分布。
这样就将水印能量分散到一个很大的频率范围，而在每个频率上值很小。
如要在一张256×256的图像上嵌入80位的版权声明，水印长度M可以达到16000。
（2）对图像做离散余弦变换（discretecosinetransformation，简称DCT），得到图像的频率域形式。
兼顾不可见性和鲁棒性，选取中频区域放置水印，因此跳过前L个系数，对从L+1至L+M的系数进行修改。
沿用上面的例子，L可以取25000。
（3）系数修改采用公式：
Dw（L+i）=D（L+i）+kD（L+i）W（i）。
其中，D为图像的DCT系数序列；i=1．．M；k为尺度因子（比如0.2），控制水印嵌入强度。
（4）最后，对频率域系数做逆转换IDCT，得到空间域的水印图像。
图4和5分别是原始图像和嵌入水印后的图像，看起来毫无差别。
图4 原始图像 图5 嵌入水印后的图像
2.3数字水印的特征
嵌入数字作品中的信息必须具有以下基本特性才能称为数字水印：
1、透明性（invisibility）：
利用人类视觉和听觉的特性，使带水印的作品欣赏起来无异于原先的作品。
2、不可检测性（undetectability）：
水印作品和普通作品在统计噪音分布上不存在区别，攻击者无法用统计学方法确定水印的位置。
3、鲁棒性（robustness）：
经过一些处理（可能的处理包括：
1、几何变形——对图像进行尺寸缩放、剪裁、扭转等。
2、有损压缩——常用的图形文件格式JPEG就属有损压缩。
它先将图像用DCT函数转换到频率域，然后对其量化，在量化过程中忽略掉一些感知上不重要的成份，以达到压缩文件尺寸的目的。
虽然肉眼看不出来，但经过压缩后的图像其精度肯定有所降低。
3、信号处理——如调整图像和视频的对比度、亮度、色度，以及模／数转换、数／模转换等。
），多媒体数据发生一定程度的变化后，版权所有者仍然可以证明水印的存在。
4、安全性（security）：
具有较强的抗攻击能力，能够承受一定程度的人为攻击，而暗藏的水印不被破坏。
3数字水印的分类
数字水印技术从不同的角度有下面的一些划分方法。
3.1按特性划分
按水印的特性可以将数字水印分为鲁棒数字水印和脆弱数字水印。
3.1.1鲁棒数字水印
鲁棒数字水印主要用于在数字作品中标识著作权信息，它要求嵌入的水印能够经受各种常用的编辑处理。
3.1.2脆弱数字水印
脆弱数字水印主要用于完整性保护，脆弱水印必须对信号的改动很敏感，人们根据脆弱水印的状态就可以判断数据是否被篡改过。
3.1.3可见水印
可见水印：
是可以看得见的水印，就像插入或覆盖在图像上的标识。
可见水印主要应用于图像，比如用来可视地标识那些可在图像数据库中得到的或在internet上得到的图像的预览来防止这些图像被用于商业用途。
当然也可用于视频和音频，比如电台播放广告，广告商为了维护权益，会在录音时录入某一特殊声音，从而从播放的广告中这一声音出现的次数来判断电台是否执行了合同。
3.1.4不可见水印
不可见水印：
一种应用更加广泛的水印，表面不可察觉，当发生版权纠纷时，所有者可从中提出标记，从而证明物品为某人所有。
不可见水印又可分为：
脆弱性水印和稳健性水印
脆弱性水印或易碎水印（Fragilewatermark）:
当嵌入水印的载体数据被修改时，通过对水印的检测，可以对载体是否进行了修改或进行了何种修改进行判定。
易碎水印的特性：
水印在通常或特定的感知条件下不可见；水印能被最普通的数字信号处理技术改变；XX者很难插入一个伪造的水印；授权者可很容易的提取出水印；从提取出的水印中可以得到载体的那些部分发生改变。
上述属性在特定的应用环境下不一定都回满足。
稳健性水印（Robustwatermark）:
是指加入的水印不仅能抵抗非恶意的攻击，而且要求能抵抗一定失真内的恶意攻击，并且一般的数据处理不影响水印的检测。
稳健性水印的特性：
水印在通常或特定的条件下不可感知；嵌入水印的载体信号经过普通的信号处理或恶意攻击后，水印仍可保持在信号中；XX者很难检测出水印；授权者很容易检测出水印。
3．2按水印所附载的媒体划分
按水印所附载的媒体，数字水印分为图像水印、音频水印、视频水印、文本水印以及用于三维网格模型的网格水印等。
3．3按检测过程划分
按水印的检测过程将数字水印分为明文水印和盲水印。
非盲水印：
在检测过程中需要原始数据和原始水印的参与
半盲水印：
在检测过程中不需要原始数据，但需要原始水印来进行检测
盲水印：
检测只需要密钥，既不需要原始数据，也不需要原始水印。
明文水印在检测过程中需要原始数据，而盲水印的检测只需要密钥,不需要原始数据。
一般明文水印的鲁棒性比较强，但其应用受到存储成本的限制，目前学术界的研究的水印大多数为半盲水印和盲水印。
3．4按内容划分
按数字水印的内容可以将水印划分为有意义水印和无意义水印。
3．4．1有意义水印
有意义水印是指水印本身也是某个数字图像（如商标）或数字音频片段的编码。
3．4．2无意义水印
无意义水印则只对应于一个序列号。
有意义水印如由于受到攻击或其他原因致使解码后的水印破损，人们仍然可以通过视觉观察确认是否有水印。
但对于无意义水印来说，如果解码后的水印序列有若干码元错误，则只能通过统计决策来确定信号中是否含有水印。
3．5按用途划分
不同的应用需求造就了不同的水印技术。
按水印的用途，我们可以将数字水印划分为票据防伪水印、版权保护水印、篡改提示水印和隐蔽标识水印。
3．5．1票证防伪水印
票证防伪水印是一类比较特殊的水印，主要用于打印票据和电子票据、各种证件的防伪。
一般来说，伪币的制造者不可能对票据图像进行过多
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