基于小波变换域的图像水印算法

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3.0 陈辉 2024-11-19 4 4 3.48MB 64 页 15积分

摘要

ABSTRACT

第一章绪论.......................................................................................................................... 1

§1.1 课题的研究背景和意义....................................................................................... 1

§1.2 数字水印研究现状............................................................................................... 2

§1.2.1 发展现状和国内外水平............................................................................ 2

§1.2.2 数字水印技术的应用................................................................................ 3

§1.3 本文的工作........................................................................................................... 6

第二章数字水印技术概述.................................................................................................. 8

§2.1 数字水印的基本原理和框架............................................................................... 8

§2.1.1 数字水印概念............................................................................................ 8

§2.1.2 数字水印的基本原理和框架.................................................................... 8

§2.2 数字水印的特性及评估..................................................................................... 10

§2.2.1 数字水印的特性...................................................................................... 10

§2.2.2 数字水印的分类...................................................................................... 11

§2.2.3 数字水印的攻击方式.............................................................................. 12

§2.2.4 数字水印的性能评估.............................................................................. 13

§2.3 数字图象水印算法研究..................................................................................... 15

§2.3.1 空域算法.................................................................................................. 15

§2.3.2 变换域算法.............................................................................................. 16

第三章数字图像的离散小波变换.................................................................................... 18

§3.1 小波分析理论简介............................................................................................. 18

§3.1.1 小波分析理论.......................................................................................... 18

§3.1.2 小波的基本定义...................................................................................... 19

§3.1.3 离散小波变换.......................................................................................... 20

§3.2 多分辨率分析..................................................................................................... 21

§3.3 小波多级分解与小波重构................................................................................. 22

第四章基于小波变换域的水印加密算法........................................................................ 24

§4.1 基于小波变换域的水印算法............................................................................. 24

§4.1.1 数字图像的 Arnold 置乱技术.................................................................24

§4.1.2 水印嵌入算法.......................................................................................... 26

§4.1.3 水印提取算法.......................................................................................... 27

§4.2 实验结果以及分析............................................................................................. 28

§4.2.1 算法结果分析.......................................................................................... 28

§4.2.2 水印攻击实验.......................................................................................... 30

§4.3 本章小结............................................................................................................. 35

第五章基于小波变换域的盲水印算法............................................................................ 36

§5.1 基于 Zigzag 变换的盲水印算法 ........................................................................ 36

§5.1.1 矩阵的 Zigzag 变换 ................................................................................. 36

§5.1.2 水印嵌入算法.......................................................................................... 37

§5.1.3 水印提取算法.......................................................................................... 38

§5.1.4 算法结果分析.......................................................................................... 38

§5.1.5 水印攻击实验.......................................................................................... 40

§5.2 基于 DWT-SVD 的盲水印算法 .........................................................................46

§5.2.1 奇异值分解的定义和性质...................................................................... 46

§5.2.2 水印嵌入算法.......................................................................................... 48

§5.2.3 水印提取算法.......................................................................................... 49

§5.2.4 算法结果分析.......................................................................................... 50

§5.2.5 水印攻击实验.......................................................................................... 52

§5.2.6 算法比较.................................................................................................. 56

§5.3 本章小结............................................................................................................. 57

参考文献.............................................................................................................................. 59

在读期间公开发表的论文和承担科研项目以及取得成果.............................................. 63

致谢.................................................................................................................................... 64

第一章绪论

§1.1 课题的研究背景和意义

数字水印是一种新的信息隐藏技术，是目前信息安全领域发展最快的热点之

一

[1]

。随着多媒体技术和网络技术的迅速发展与广泛的应用，以IP为基础Internet

网络的联网范围已经迅速遍及全球，成为全球最大的通信网络。在Internet网络中

传输的各种数字化产品、各类电子出版物（图片、音频、视频和文本等）已越来

越普遍，人们可以很方便的利用数字设备，制作、处理和存储图像、语音、视频

和文本等信息媒体。数字信息产品很容易借助Internet、CDROM、DVDROM以及

移动硬盘被复制、处理、传播，随之引发了数字媒体的合法使用和数字产品版权

保护等一系列的问题。目前，随着侵权、盗版活动的日益猖獗，对数字化产业已

构成了巨大威胁，阻碍了数字化产业健康良性的发展。为了减少给社会带来不必

要的经济损失，有效并及时的保护这些知识产权变得尤为重要和紧迫。

国际上提出了一种新的有效的数字产品版权保护和数据安全维护技术——数

字水印(Digital Watermarking)。作为版权保护的一种技术手段，数字水印技术的研

究成果在20世纪90年代中后期大量的涌现出来。它与纸币水印相似，将特定的信

息——数字水印，嵌入到图像、音频、视频等多媒体数字产品中，用以证明原创

作者对其作品的所有权，并作为鉴定起诉非法侵权的证据，同时通过对水印的检

测和分析保证数字化信息的完整性和可靠性，从而成为知识产权保护和数字化信

息产品防伪的有效手段。

数字水印技术是信息安全技术领域的一个新方向，它的学术特点在于它涉及

了不同学科领域的思想和理论，如：信号处理、图像处理、信息论、编码理论、

检测理论、概率论、随机理论、多媒体技术、模式识别、密码学、数字通信等多

学科领域。数字水印技术利用人的视觉听觉特性，将标识作者版权的信息加入到

需要保护的图像、音频和视频中去，人们很难分辨加水印后的数字作品与原始数

字作品的区别。被嵌入的信息通常是不可见或者是不可察觉的，人们只有利用专

有检测器或者计算机软件才能检测或提取。数字水印与原数据紧密结合，成为原

始数据不可分割的一部分。

在国际上，数字水印技术尚未形成完整的理论和体系，同时，它又和具体的

基于小波变换域的图像水印算法

实际应用紧密结合，对研究人员来说是一个富有挑战性的课题。由于当前最新的

静止图像压缩标准——JPEG2000

[2 4]

采用了离散小波(DWT)技术，针对此压缩标准

的数字水印技术是目前水印设计的难点和热点。

总之，面对人类社会的数字化进程，在网络交流日益普及和电子商务与电子

政务逐渐启动的今天，多媒体数字水印技术的研究不但在防止侵权和打击盗版方

面将发挥着重要的作用，而且对于规范世界各国数字化市场，促进人类信息产业

健康持续的发展具有极为重要的意义。

§1.2 数字水印研究现状

§1.2.1 发展现状和国内外水平

1954年，Emil Hembrooke提出专利“Identification of sound and like signals”，

宣告了数字水印技术的诞生。早期关于数字水印的研究只是探索性的，出现的成

果主要是各种水印算法。从20世纪90年代后期开始，对水印的研究更加深入，更

重要的进展可能更多地体现在日益准确的水印模型上。早期的数字水印主要在空

域上实现，而且大都针对图像进行研究。

1993年的DICTA会议上由A.Tirkel

[5]

等发表的论文“Electronic Watermark”，

并在1994年的ICIP会议上发表了该文的修改版“A Digital Watermark”

[6]

，该文采

用基于修改图像LSB位平面的方法，在这个算法中，图像的LSB位平面先被置为0，

然后根据要嵌入的水印改变为1或者不变。这种方法的依据是：不重要比特的调整

对原图像的视觉效果影响较小，这就保证了嵌入的水印是不可见的。但是由于使

用了图像不重要的像素位，算法的鲁棒性差，水印信息很容易为滤波、图像量化、

几何变形等操作所破坏。但这是第一篇在主要会议上发表的关于数字水印的文章，

被认为是一篇具有历史价值的文献。1996年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(Information Hiding International Workshop)，标志着一门

新兴的交叉学科——信息隐藏学正式诞生。

1998年在美国波特兰(Portland)、1999年在德国德累斯顿(Dresden)、2001年在

美国匹兹堡(Pittsburgh)、2002年在荷兰诺威克豪特(Noordwijkethout)、2004年在加

拿大多伦多(Toronto)、2005年在西班牙巴塞罗纳(Barcelona )、2006年在美国维吉尼

亚(Virginia)先后8次召开了信息隐藏学术会议。数字水印从正式提出到现在的十几

年间，已经成为了学术界和国内外一些大公司关注的焦点。从1994年开始，国际

学术界陆续发表有关数字水印的文章，且文章数量呈快速增长趋势，几个有影响

第一章绪论

的国际会议（如IEEE ICIP、IEEE ICASSP、ACM Multimedia等）以及一些国际权

威杂志（如Proceedings of IEEE、IEEE Journal of Selected Areas on Communication、

Communication of ACM等）相继出版了数字水印的专辑。如：1998年5月的“IEEE

Journal on Selected Areas of Communication vol.16”、1999年7月的“Proceedings of

IEEE vol.87”以及2001年6月的“Special Section On Information Theoretic Aspects of

Digital Watermarking”。

当前世界上有几大组织机构：版权保护技术工作组(CPTWG)、数字音视频委

员会(DAVIC)、安全数字音乐指引(SDMI)、唱机工业国际同盟(IFPI)等都在从事水

印技术的研究工作。美国的MIT、英国剑桥大学、日本NEC研究院和美国IBM研究

院、朗讯公司的贝尔实验室等一些著名的大学和知名公司也投入了大量的人力和

财力致力于数字水印技术的研究，并取得了很多研究成果。其中美国的Digimarc

公司于1995年就推出了有专利权的水印制作技术，是当时世界上唯一一家拥有该

项技术的公司。

随着国际上对数字水印的研究，我国在该领域的研究这些年也从跟踪逐步转

向自主研究，许多大学和研究所等科研机构纷纷致力于数字水印技术的研究，相

继取得了一定的成就，并在国内外知名学术刊物上发表了一些相应的研究成果。

我国于1999年12月11日由北京电子技术应用研究所组织，召开了第一届信息隐藏

学术研讨会(CIHW——China Information Hiding Workshop)，至今信息隐藏学术研

讨会己成功的举办了8届，此外在2000年还专门召开了数字水印技术的研讨会，很

大程度地推进了国内数字水印技术的研究与发展。国家“863计划”、“973项目”、

国家自然科学基金等都对数字水印的研究有项目资金的支持。

到目前为止，数字水印从研究上看主要集中在变换域内，比如离散余弦变换

以及小波变换，研究对象也集中在视频水印、音频水印以及图像水印，其中大部

分的水印研究和论文都集中在图像研究上，其原因在于图像是最基本的多媒体数

据，且互联网的发展为图像水印提供了直接大量的应用需求。

§1.2.2 数字水印技术的应用

多媒体技术的飞速发展和因特网的普及带来了一系列政治、经济、军事和文

化问题，产生了许多新的研究热点。随着对水印技术研究的不断深入，数字水印

的应用领域也在快速扩展，从最初的图像水印、音频水印发展到软件水印、视频

水印、文档水印；从最初的版权保护应用发展到票据防伪、内容认证等多方面的

应用，数字水印有着广阔的应用前景。目前数字水印的应用主要有以下几个方面：

基于小波变换域的图像水印算法

(1) 版权保护

目前版权保护是水印最主要的应用领域。在网络时代，数字作品的销售过程

给盗版或者篡改提供了可乘之机，版权保护越显重要。数字媒体包括音像制品、

数字广播、DVD和MP3等的版权保护是当前的热点问题。由于数字作品有易修改、

易复制的特点，而且可以做到与原作品完全相同，所以原创者不得不采用一些严

重损害作品质量的办法来加上版权标志，而这种明显可见的标志很容易被篡改。

数字水印技术将一段特殊的信息以不可见方式嵌入到文本、图像、视频、音

频等多媒体数据中，然后公开发布作者的水印版本作品。这种特殊的信息即数字

水印永久地和多媒体数据结合在一起，密不可分。当该作品被盗版或出现版权纠

纷时，所有者即可从盗版作品或水印版作品中获取水印信号作为依据，这样就可

以公正地解决所有权问题，从而防止其它人对该数据拥有版权，保护所有者的权

益。

(2) 票据防伪

随着高质量图像输入输出设备的发展，特别是高精度彩色喷墨打印机、激光

打印机和高精度彩色复印机的出现，使得货币、支票以及票据的伪造变得更加容

易。目前，美国、日本以及荷兰都已开始研究用于票据防伪的数字水印技术。其

中麻省理工学院媒体实验室受美国财政部委托，己经开始研究在彩色打印机、复

印机输出的每幅图像中加入唯一的、不可见的数字水印，在需要时可以实时地从

扫描票据中判断水印的有无，快速辨识真伪。

此外在从传统商务向电子商务转化的过程中，会出现大量过渡性的电子文件，

如各种纸质票据的扫描图像等。即使在网络安全技术成熟以后，各种票据也还需

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，

从而大大增加了伪造的难度。数字水印技术为商务交易中票据防伪提供了新的思

路。

(3) 内容认证

内容认证就是将签名信息嵌入到内容中以待日后检验内容是否被篡改。当数

字作品被用于交通、法庭、医学、新闻及商业时，如以数字形式记录的事故现场

照片、犯罪现场记录、医学诊断照片等，由于这些数据本身具有容易修改的特点，

常常需要确定它们的内容是否被修改、伪造或经过特殊处理。这些应用中，一些

用来认证的数据被预先嵌入多媒体中，方便以后用来检测是否介质受到了更改。

这些被嵌入的数据通常是一些与介质内容或作者身份相关的信息，通过验证提取

数据的完整性来检测介质被篡改的情况。

(4) 广播监控

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目录摘要ABSTRACT第一章绪论..........................................................................................................................1§1.1课题的研究背景和意义.......................................................................................1§1.2数字水印研究现状.................................................

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