毕业设计论文水印技术在电子签名中的防伪应用 精品.docx
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1绪论
随着社会信息化的发展，信息在社会中的地位和作用越来越重要。
信息媒体的数字化为信息的存取提供了极大的便利性，同时也显著提高了信息表达的效率和准确性。
特别是随着计算机网络通讯技术的发展，数据的交换和传输变成了一个相对简单的过程，人们借助于计算机、数字扫描仪、打印机等电子设备可以方便、迅速地将数字信息传输到所期望的地方。
随之而来的副作用是这些数字形式的数据文件或作品使有恶意的个人和团体有可能在没有得到作品所有者的许可下拷贝和传播有版权的内容，例如，现代盗版者仅需轻点几下鼠标就可以获得与原版一样的复制品，并以此获取暴利；而一些具有特殊意义的信息，如涉及司法诉讼、政府机要等信息，则会遭到恶意攻击和篡改伪造等等。
1.1选题的背景
一系列数字化技术本身的可复制和广泛传播的特性所带来的负面效应，已成为信息产业健康持续发展的一大障碍，目前，数字媒体的信息安全、知识产权保护和认证问题变得日益突出，且已成为数字世界中一个非常重要和紧迫的议题。
尤其是数字产品在网络中发布、传输存在的安全性问题。
“信息提供者”是数字产品的版权所有者，他们通过网络发布数字产品。
“信息消费者”是数字产品的消费者，他们希望通过网络接受到数字产品（因为网络可以减少不必要的成本，如邮费等）。
“攻击者”是非法用户、XX的供应者和蓄意破坏者的总称，他们未经合法版权所有者的许可，重新发布产品或有意破坏原始作品并重新发布其不可信版本。
从而信息消费者难免间接收到盗版的副本。
数字产品受到的间接攻击主要来自两个方面：
一、恶意篡改
修改数字产品的内容，使得合法用户接收到的数字产品不真实、不可靠、甚至失去原有的使用价值。
二、侵犯版权
1.非法使用：
未经版权所有者的容许非法复制或翻印数字产品。
2.非法转卖：
未经版权所有者的容许将数字产品转卖。
3.破坏版权：
将数字产品所携带的版权信息消除，使得该产品得不到正当的保护。
1.2选题的目的
以前解决数字产品安全的问题是通过密码学方法完成的，即首先将数字产品加密成密文然后发布，使得网络传输过程中的非法攻击者无法从密文中获得机密信息，从而达到信息安全的目的，但这并不能完全解决问题，一方面加密后的文件因其不可理解性而大大妨碍了信息的传播，另一方面文件解密后内容完全透明，将不再受到保护，无法幸免于盗版和侵权。
因而传统的密码学方法已经受到了十分严峻的挑战。
在这种情况下，信息隐藏技术引起了人们的高度重视。
信息隐藏是将有用的或重要的信息隐藏于其他信息里面以掩饰其存在。
由其发展和演变而来的数字水印技术成为了当前国际学术界研究的一个前沿方向和热点。
在数字产品的网上交易和传输中，有两个关键的技术问题需要解决：
一是数字产品的访问控制和安全传输；二是数字产品内容的保护。
访问控制需要解决用户的认证及管理、对多媒体产品数据库的访问控制以及数据的安全传输等问题，该问题可由传统的密码学方法解决。
第二个问题主要分两个部分：
一是版权保护，二是内容完整性（真实性）的保护。
第二个问题就要用到数字水印技术了，而传统的密码学方法无能为力。
1.3选题的意义
数字水印属于信息隐藏的一种，它是将具有确定性和保密性的信息（水印）嵌入到数字产品（静止图像、语音、文档、视频等）中，使之作为原始数据的一部分而保留在其中，从而实现隐藏传输、存储、标注、身份识别、版权保护等功能。
可见，一方面，它可以被用来证明原创作者对其作品的所用权，作为鉴定、起诉非法侵权的证据；另一方面，作者还可以通过对其数字产品中的水印进行探测和分析来实现对作品的动态跟踪，从而保证其作品的完整性，因而数字水印已经成为了知识产权保护和数字产品防伪的有效手段。
数字水印版权保护的基本手段是将版权、产品的标识码以及购买者的信息等（称为水印信号）嵌入到数字产品中。
嵌入的水印信号应当不降低原数据的质量、且在感觉上不易察觉（即不可见水印，可见水印由于容易受到攻击，目前已不是研究的主流方向），能够经受一定的攻击而不被清除，需要时可以通过检测（提取）嵌入的水印信息来鉴别数字产品的版权、认证该数据的真伪或辨识该产品的原购买者、进行完整性鉴定等等。
1.4国内外数字水印研究现状
数字水印技术是近年来发展起来的一项重要应用研究，其学术特点在于它横跨计算机科学、图像信息处理、多媒体技术、模式识别、密码学、数字通讯等众多学科和领域。
作为数字化时代的一门新兴技术，它尚未形成一套独立完整的学科理论体系，但其重要的现实作用已经引起国内外众多学者、研究机构和公司的极大兴趣，成为当前信息科学中的一个新颖且具有广阔应用前景的研究热点。
根据数字水印技术作用域的不同，数字水印技术可以分为空间域水印技术和变换域水印技术，我们从两种域空间来说明数字水印技术的国内外研究现状。
1.4.1对空间域水印技术的研究
空域技术直接更改图像的数据，通常是在图像的亮度或彩色光带或者在两者之上加一个调制信号来嵌入数字水印。
该技术属于早期研究，目前的水印技术大都是基于最低有效位LSB（LeastSignificantBit）方法。
该方法把水印信息放在图像数据的最低位上，保证了水印的不可见性，但它的鲁棒性差，一般的图像压缩和量化就可以把大部分水印去掉。
Bender等提出了一种基于图像统计特性的水印技术。
它首先随机地选取一对像素值（a,b），假定它们满足一定的统计特性，如高斯分布N（0,1）；然后对其中一个像素的灰度值加1，对另一个像素的灰度减1。
Pitas改进了上述算法，将原始图像分成两个集合
和
，对于集合
中的亮度值由一个正整数参数K控制来进行水印的嵌入，即将
变成
则嵌入水印后的图像变成
和
，然后通过计算统计量
来进行检测，将
的值和一个指定的阀值作比较来判断是否含有水印。
该改进算法对JPEG压缩有一定的抵抗能力。
Lee等在空间域上实现了一种自适应水印算法，嵌入水印是二值图像，在嵌入水印之前，原图分解为
块，每块中的像素自适应地修改保证好的鲁棒性和不可见性，嵌入的位置由密钥k通过随机数产生器来进行选择。
上述的几种方法在检测水印时都需要原始图像，水印的鲁棒性不好，经JPEG压缩或其他图像处理后容易被去掉。
1.4.2对变换域水印技术的研究
变换域水印技术是先将图像变换到频率域，改变图像的频率域系数，然后进行反变换得到加入水印的图像。
几种最常见的变换是离散傅立叶变换（DFT），离散余弦变换（DCT），离散小波变换（DWT）等。
Cox等人在1995年提出了扩展频谱方法，该方法利用通信理论上的频谱扩展思想，将数字水印在图像的频谱上扩展达到不可见性和鲁棒性的目的。
由于它是在数字图像感知比较重要的频谱部分嵌入水印，所以它在抵抗有损压缩及其他图像处理操作能力有很大提高，但它的缺点是提取水印时必须利用原始图像。
Koch等人提出了一种基于分块DCT变换的数字图像水印算法，该算法将图像先分成8×8块，并对每一块做DCT，然后选择其中的一部分作为修改的对象。
接着在所选块中，根据一定的规则挑选一些位于中频的DCT系数嵌入水印。
Bors给出了一种基于Gaussian网分类器的图像水印算法，然后修改其中选定的像素点，使得它们的DCT系数满足一定的约束条件，该算法抗JPEG压缩能力非常好。
Piva等人提出了一种基于DCT域的水印算法，他们将一串随机序列加到选定的图像的DCT系数中，并在算法中利用了HVS的屏蔽性，从而更好地满足了水印的不可见性，这种算法在提取水印时不需要原始图像。
伯晓晨等人提出一种新的盲图像水印检测算法，在DCT域嵌入水印，采用符号相关检测来检测水印。
随着JEPG2000的标准化和DCT到DWT图像压缩方法的转变，基于DWT的水印方案引起了人们越来越多的兴趣。
Inoue等人提出了一种基于DWT数字水印方法，该方法通过使用控制量化处理，把信息嵌入到图像信号的低频成分，然后使用量化步长和低频域的均值幅度提取水印，这种方法不需要原始图像。
Chae等人在DWT系数上实现一种位扩展嵌入水印的方法，该方法把信息大部分嵌入在低频DWT子带，嵌入时水印的每位线性扩展为24位，同时原始图像系数也扩展为24位，根据一定的规则实现每个对应8位之间的嵌入；而检测时做相反的过程提取水印，该方法具有一定的鲁棒性，但提取水印时需要原始图像。
为了提高水印的鲁棒性，人们研究人的视觉特性，实现水印的自适应嵌入，如Podilchuk等人提出一种基于DWT的自适应水印方法。
Barni等人考虑人眼的视觉分布，根据Lewis等人提出的视觉掩盖模型实现水印的自适应嵌入，该方法考虑了视觉对各子带方向的敏感特性，各子带的亮度特性和纹理特性，具有很好的效果。
Kundur等人利用多尺度融合技术，结合人类视觉模型提出一种静止图像水印技术，该方法将Dooley提出的对比敏感特性模型扩展为二维模型，根据此模型计算每个自带的对比敏感系数，从而实现水印的嵌入，在提取水印时需要原始图像。
随着水印算法研究的逐渐深入，对水印的鲁棒性要求也越来越高，因此水印算法的研究也与更多的学科相结合，如通信与信息理论、图像与语音处理、信号检测与估计、数据压缩技术、人类视觉与听觉系统、计算机网络与应用、电波传播等。
从国内外对水印的研究来看：
变换域的水印技术是当前数字水印技术研究的主流。
1.5本课题研究内容
本文首先具体分析了图像预处理过程及其实现离散傅立叶变换（DFT），离散余弦变换（DCT），离散小波变换（DWT）三种方式实现对水印嵌入并提取的过程，具体内容如下：
（1）图像预处理：
常用的图像预处理手段包括图像大小的修改、图像浓度的扩展，图像由彩色差到灰度的转变、图像二值化、图像的锐化处理及图像平滑处理等方法。
一般来说任何图像我们不是拿来就是能用的，很多的图像都要经过预处理的从而使图像更适合我们的要求，然后再进行水印的嵌入。
（2）离散傅立叶变换（DFT）：
嵌入时首先通过对原始图像（DFT）然后将水印图像嵌入到经过变换后的图像中，再经过反傅里叶变换从而得到嵌入水印后的图像；提取时把嵌入水印的图像进行傅里叶变换，从而得到水印图像。
（3）离散余弦变换（DCT）：
嵌入时首先把图像分成无重叠像素块，再经过分块DCT变换，得到DCT系数组成的频率块，然后将水印图像放入DCT的频率块，完成水印的嵌入，从而得到嵌入水印的图像；提取时对嵌入水印图像进行DCT变换，从而得到水印图像。
（4）离散小波变换（DWT）：
嵌入时首先对原始图像进行一级小波变换得到原始图像的小波系数列，再对水印图像进行一级小波变换，得到水印图像小波系数列，然后采用乘性将水印图像小波系数列插回原始图像的系数列中去，对得到的新的系数列进行逆小波变换得到嵌入水印后的图像；提取时对嵌入水印图像做相应的三级变换，然后利用逆小波变换进行重构得到了水印图像。
2数字水印技术理论概述
2.1数字水印的基本概念
数字水印（DigitalWatermark）技术是将与多媒体内容相关或不相关的一些标示信息直接嵌入多媒体内容当中，但不影响原内容的使用价值，并不容易被人的知觉系统觉察或注意到。
通过这些隐藏在多媒体内容中的信息，可以确认内容创建者、购买者，或者验证内容是否真实完整。
与水印相近或关系密切的概念有很多，从目前出现的文献中看，已经有诸如信息隐藏（InformationHiding）、信息伪装（Steganography）、数字水印（DigitalWatermarking）和数字指纹（Fingerprinting）等概念。
2.2数字水印的基本特征
（1）安全性：
数字水印的信息应是安全的，难以篡改或伪造，同时，应当有较低的误检测率，当原内容发生变化时，数字水印应当发生变化，从而可以检测原始数据的变更；当然数字水印同样对重复添加有有强的抵抗性。
（2）隐蔽性：
数字水印应是不可知觉的，而且应不影响被保护数据的正常使用，不会降质。
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