图像数字水印技术的研究与实现毕业设计论文.doc

图像数字水印的研究与实现摘要当前快速发展的新的IT技术、电子商务及大量商用多媒体业务的涌现，使得各种多媒体数据的版权保护技术显得尤为重要。近年来，国外许多学者提出了一系列新的信息安全保护思想，特别是在知识产权保护、防篡国际信息内嵌注释等领域提出了崭新的防范和保护措施。信息隐藏与数字水印技术就是一种新的数字媒体保护措施，它是将特定的信息(如版权信息、秘密消息等)嵌入到图像、语音、视频及文本文件等各种数字媒体中，以达到标识、注释及版权保护等目的，同时，这种信息对宿主媒体的影响不足以引起人们的注意且具有特定的恢复方法，此信息对非法接收者应该是不可见、不可察觉的。作为信息隐藏在计算机多媒体领域的一个重要应用，数字水印技术使得人们能够在多媒体信息中嵌入不可见的信息，并且在多媒体信息经过一定程度的处理之后，嵌入的水印信息不会丢失。数字水印技术为多媒体版权保护提供了一个崭新的方法，近年来在国际上引起了人们极大的兴趣和注意，得到广泛的研究和应用。论文中介绍了数字水印技术及其原理、特点以及目前的应用状况等等。并对数字水印算法模型、分类以及典型算法进行了简要的分析，然后利用了一种DCT算法实现了数字水印的嵌入和提取，并使用剪切、压缩、添加噪声等几种攻击手段验证了水印的鲁棒性。关键词:信息隐藏；数字水印；DCTImage Watermarking Research and ImplementationABSTRACTThe current rapid development of new IT technology, electronic commerce and the emergence of a large number of commercial multimedia services, making all kinds of multimedia data for copyright protection technology is very important. In recent years, many foreign scholars put forward a series of new information security thinking, particularly in intellectual property protection, anti-seize international information embedded comments raised new areas of prevention and protection measures. Information hiding and digital watermarking technology is a new digital media protection, it is the specific information (such as copyright information, secret information, etc.) embedded into the image, voice, video and text files and other digital media in order to achieve identification, annotation and copyright protection purpose, the same time, this information media of the host not attracted peoples attention and has a particular recovery method, this information is illegal receiver should not be visible, can not be perceived.Information hidden in the computer as an important area of multimedia applications, digital watermarking technology makes it possible to embed information in the multimedia information is not visible and multimedia information through a certain degree of processed, the embedded watermark information is not lost. Digital watermarking for multimedia copyright protection provides a new way, in recent years has attracted considerable international interest and attention, has been widely studied and applied. Paper introduces the digital watermarking technology and its principles, characteristics and the current application status, and so. And digital watermarking algorithm model, the typical algorithm for classification and a brief analysis, and then use a DCT algorithm of digital watermark embedding and extraction, and use the shear, compression, adding noise, means of verification of several attacks on the watermark robust.Keywords: information hiding；watermark；DCT45毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 目 录摘要IABSTRACTII第一章绪论31.1数字水印的概念和基本原理31.2数字水印技术及其发展41.3数字水印的研究方向和意义41.4数字水印的分类51.5数字水印的应用6第二章 图像数字水印关键技术82.1 图像数字水印的概念及基本特征82.2 图像数字水印的基本原理和系统框架92.2.1 图像数字水印的基本原理92.2.2 图像数字水印算法的基本框架92.2.3 数字图像水印的典型算法102.2.4 空间域数字水印算法102.2.5 变换域数字水印算法102.3 常见图像水印攻击方法112.3.1 去除攻击(Removal Attacks)112.3.2 表示攻击(Presentation Attacks)122.3.3 解释攻击(Interpretation Attacks)132.3.4 合法攻击(Legal Attacks)132.4 本章小结14第三章 DCT变换域数字水印嵌入技术153.1DCT 水印技术的概述153.2离散余弦变换在水印中的应用163.2.1离散余弦变换的特点173.3实现方案193.3.1水印的嵌入193.3.2水印的提取203.3.3相似度计算203.4离散余弦变换域的嵌入水印实验203.4.1 JPEG压缩243.4.2高斯滤波(Gaussian Filter)263.4.3图像的几何旋转263.4.4剪切273.4.5添加噪声283.5本章小结28第四章总结和展望28参考文献31致谢33附:英文原文34附:中文翻译42第一章绪论数字水印是通过数字技术在数字产品上实现的。数字水印是1994年提出的一种新型信息防伪技术，其基本思想是在数字图像，音频和视频等多媒体信息产品中嵌入秘密的信息以保护数字产品的版权或证明产品的真实可靠性等。目前，数字水印技术已经成为多媒体信息安全研究领域发展最快的热点技术，它的应用主要涉及数字知识产权保护，电子商务等，其一些典型的数字水印算法主要针对图像数据。1.1数字水印的概念和基本原理数字水印（Digital Watermark）技术是通过一定的算法将一些标志性信息直接嵌入到多媒体内容当中，但不影响原内容的价值和使用，并且不能被人的知觉系统觉察或注意到，只有通过专用的检测器或阅读器才能提取。其中的水印信息可以是作者的序列号、公司标志、有特殊意义的文本等，可用来识别文件、图像或音乐制品的来源、版本、原作者、拥有者、发行人、合法使用人对数字产品的拥有权。与加密技术不同，数字水印技术并不能阻止盗版活动的发生，但它可以判别对象是否受到保护，监视被保护数据的传播、真伪鉴别和非法拷贝、解决版权纠纷并为法庭提供证据。嵌入数字多媒体作品中的数字水印须具有以下特性：不可见性或隐蔽性 不易被察觉，不会引起原来数字作品明显的图像质量下降，即看不到数字水印的存在。鲁棒性 即当被保护的信息经过某种改动后，比如在传输、压缩、滤波，图像的几何变换如平移、伸缩、旋转、剪裁等处理下，数字水印不容易被破坏。安全性 加入水印和检测水印的方法对没有授权的第三方是保密的而且不可轻易被破解，即使被黑客检测到了也不能读出（数字水印需要加密）。在数字水印技术中，水印的数据量和鲁棒性构成了一对基本矛盾。理想的水印算法应该既能隐藏大量数据，又可以抗各种信道噪声和信号变形。然而在实际这两个指标往往不能同时实现，但是实际应用一般只偏重其中的一个方面。如果是为了隐蔽通信,数据量显然是最重要的,由于通信方式极为隐蔽,遭遇敌方篡改攻击的可能性很小,因而对鲁棒性要求不高。但对保证数据安全来说,情况恰恰相反,各种保密的数据随时面临着被盗取和篡改的危险,所以鲁棒性是十分重要的,此时,隐藏数据量的要求居于次要地位。一般数字水印的通用模型包括嵌入和检测、提取两个阶段。数字水印的生成阶段，嵌入算法的嵌入方案的目标是使数字水印在不可见性和鲁棒性之间找到一个较好的折中。检测阶段主要是设计一个相应于嵌入过程的检测算法。检测的结果或是原水印（如字符串或图标等），或是基于统计原理的检验结果以判断水印存在与否。检测方案的目标是使错判与漏判的概率尽量小。为了给攻击者增加去除水印的不可预测的难度，目前大多数水印制作方案都在加入、提取时采用了密钥，只有掌握密钥的人才能读出水印。1.2数字水印技术及其发展数字水印是目前国内外科学研究的一个前沿热门领域，是国际上最新的一门信息隐藏技术。印刷打印数字水印是数字水印技术的一个分支，是以印刷品为载体的防伪及版权保护技术。数字水印技术是通过对媒体数据做微量修改来嵌入水印信息，从而达到信息隐藏的目的。该过程不影响原来数据的正常使用，不改变原来数据量的大小，不改变媒体的外观。嵌入的水印信息可以通过技术软件提取或者检测出来，如果水印信息嵌入到印刷品上，则可以通过特殊的机读设备或软件来检测、提取出水印信息。该技术在军事通信、国家信息安全、数字化网络、多媒体及印刷出版领域都具有十分广阔的应用前景。数字水印技术是目前防伪及信息安全技术领域的一个崭新方向，是一种可在开放的网络环境下实现信息隐藏与跟踪的新型技术。自1993年以来，国内外开始并尝试一种新的关于信息安全的技术，即将机密资料隐藏到一般的文件中，然后再通过网络来传递。由于非法拦截者从网络上拦截下来的是伪装后的资料，它们看起来与一般非机密资料没有两样，因而十分容易逃过拦截者的破解。其道理如同生物学上的保护色，巧妙地将自己伪装隐藏于环境中，免于被天敌发现而遭受攻击。这一点是常规加、解密系统所欠缺的，也是信息伪装最基本的概念。该技术已引起工业界及军方的浓厚兴趣，并日益成为国际上非常活跃的研究领域。目前进行数字水印研究的机构既有政府部门，也有大学和知名企业。在国外，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。我国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。从总体上看，我国相关的研究与世界水平同步，而且有自己独特的研究思路，但这些研究大多处在应用基础理论研究和应用技术开发阶段，尚无成熟的技术和商业化的产品推向市场。我公司坚持以市场为导向、以产业化为目的，既重视理论研究，又注重应用开发。在数字水印研究开发方面已抢占市场先机，在成功开发出音频、视频、图像及文本数字水印技术平台的基础上，又率先开发出了国内第一个印刷打印数字水印软件并投入了商业化应用。我公司自主研究、开发、具有独立知识产权的数字水印技术软件，技术含量高，创新性强,其研究成果已达到国内领先，国际先进的水平。1.3数字水印的研究方向和意义如何利用水印算法，在网络环境中解决多媒体信息安全问题，成为了当前一个研究热点。多媒体信息的安全问题是，安全传递、访问控制和版权保护。通过加密解密可以实现前两个目的，但是，解密后的数据可以随意在网络上分布、传播。在数字内容中嵌入唯一的标志（即数字水印），在出现争端纠纷时，根据提出的水印，可以证明真正的版权拥有者，或者找出非法传播的作俑者。但是，这些应用只是被动的在争端发生时才体现出来，而且由于缺乏相应的法律支持，这些想法没有真正的实施。因此，有人提出数字水印代理，利用移动代理技术，在网络上自动搜寻非法或未授权的数字媒体内容，但是，其前提是主机需要安装相应的代理程序，因而带来了新的安全问题。我们提出在网络通信路上，如在路由器中加入水印检测算法（数字水印代理），在网路上检测非法传播，从而杜绝网络上数字媒体内容的非法传播。多媒体存储和传输技术的进步使存储和传输数字化信息成为可能，同时，随着计算机通信技术的迅速发展，传播数字多媒体信息也越来越方便快捷，迅速兴起的Internet以电子印刷出版、电子广告、数字仓库和数字图书馆、网络视频和音频、电子商务等新的服务和运作方式为商业、科研、娱乐等带来了许多机会。然而，这也使盗版者能以低廉的成本复制及传播未经授权的数字产品内容。出于对利益的考虑，数字产品的版权所有者迫切需要解决知识产权(intellectual property rights)的保护问题。密码学的加密原理或置乱技术能保证数字产品内容的安全传送，同时，可作为存取控制或征收费用的手段，因为只有用户或版权所有者才有密钥，只有他们可以解密或恢复置乱从而得到数字产品的真实内容。但是，仅采用密码技术的一大缺点是所加密的数字内容在解密之后，就没有有效的手段来保证其不被非法拷贝、再次传播和盗用。为了防止这种情况的发生，人们提出了数字水印的概念。目前对数字水印(digital watermarking)的普遍定义是指永久镶嵌在其他数据(宿主数据)中具有可鉴别性的数字信号或模式,而且并不影响宿主数据的可用性。在某种意义上说，水印对局外人是不可见的(透明的),但算法本身能提供有效的检测手段。数字水印可以标识作者、所有者、发行者、使用者等，并携带有版权保护信息和认证信息，保护数字产品的合法拷贝和传播。数字水印可以应用于包括文本、声音、静止图像及视频等各种多媒体数据中，但是目前与水印相关的研究和文献大多是与静止图像、视频保护有关的，一些典型的算法和软件也都是针对图像数据设计的，对文本添加水印的方法比较单一，研究进展不大。由于在网络上传播的信息大部分是文字性内容，如：数字图书馆和档案馆以数字形式保存了大量受版权保护的文章、杂志及书籍；报刊杂志通过网络发行，可节省很多的人力、物力和时间；电子商务、政府上网等通过网络传送许多重要文件，如政府通知、法律文书、银行凭据等。这些数据信息如果被篡改将会产生难以预料的严重后果，因而使得保护数字文本比保护音频、视频或图像之类的多媒体信息更加重要。目前迫切需要解决对文本文档实施保护，追踪文本非法复制、发行、篡改或伪造等问题的方法。研究如何保证这些文本信息的安全，可以使我们在未来可能的国际知识产权纷争中取得主动权，这是事关个人、集体甚至国家发展与安危的大事，对网络时代的版权保护、电子商务及政府工作等具有极其重要的意义。总之，最有生命力的研究课题往往处在多学科交叉的位置上，文本数字水印就是这样一个涉及多个领域、涵盖多种技术的研究方向。文本数字水印的研究建立在认知科学、通信原理、密码学等相关学科基础上，涉及多个研究领域，具有很高的技术含量和理论深度，存在不少具有较高理论难度和实际应用价值的问题值得去深入探讨，很有发展潜力，是目前极有价值的研究新方向。1.4数字水印的分类由于数字水印技术尚处在发展阶段，没有形成一个统一的规范，造成分类方法繁多，按照不同的分类方法可以分为多种水印模式，它们之间既有区别，又有联系。不同的水印模式或几种混合模式下的水印技术可以应用于不同方面。数字水印技术可以从不同的角度进行划分，下面将最常见的分类如下:(1)按水印发展来看，可分为第一代水印和第二代水印。Kutter 将空域、频域和其它变换域水印算法统称为第一代水印，指出第一代水印的缺点在于没有将水印信号直接嵌入在视觉重要成分中。并首次提出第二代水印的概念，即在水印处理过程中利用重要的数据特征。如图像的边缘、边角点和纹理区域等。(2)按嵌入的水印信号形式来分，可以分为有意义水印和无意义水印。有意印是指原始水印是某个数字图像或数字音频片断的编码；无意义水印则是由一个随机序列、伪随机二值序列或混沌序列等一些无实际意义的信号。(3)按用途可以分为票据防伪水印、版权保护水印、篡改提示水印和隐蔽标识水印。票据防伪水印是比较特殊的水印，主要应用在打印票据和电子票据的防伪。版权保护水印是目前研究最多的水印，数字产品作为商品和知识作品强调了隐蔽性和稳健性。篡改提示水印时一种脆弱水印，其目的是标识载体信号的完整性和真实性。隐蔽标识水印的目的是将保密数据的重要标注隐藏起来，限制非法用户对保密数据的使用。(4)按水印检测过程，可以分为盲水印、半盲水印和非盲水印。非盲水印是在检测过程中需要原始数据和原始水印的参与；半盲水印是不需要原始数据，但是需要原始水印进行检测；盲水印是不需要原始数据与不要原始水印，只是需要密钥来检测。 (5)按鲁棒性来分，可分为易脆水印和鲁棒水印。所谓易脆水印即认证水印就是在保证数字媒体信息一定视、听觉质量的前提下，将与媒体内容相关或不相关的标志信息作为水印直接嵌入媒体内容中，当媒体内容需认证时，可将水印提出鉴定其是否真实完整。鲁棒水印保证了当数字信息收到有意或者无意的处理或者攻击时，仍能够通过检测提取到确认版权的水印信息。(6)从外观上分类，可分为可见水印和不可见水印。可见水印是在载体可以看见的水印，与可视的纸张水印相似。不可见水印是目前应用比较广泛的水印，它加在图像、音频和视频中，表面是很难察觉的，但当需要验证时，可以从中提取标记来证明所有者。(7)按载体分类，可分为图像水印、视频水印、音频水印和文本水印等。随着多媒体技术的发展，将出现更多的数字媒体，同时会出现与之相应载体的数字水印技术。(8)从水印的嵌入域来分，可分为空域水印、变换域水印。空域水印是直接在信号空间上叠加水印信息，而变换域水印是改变某些变换域系数上加载水印。1.5数字水印的应用数字水印技术是刚刚兴起的一门数字信息安全的新技术，但是由于它具备的特殊优势和特性，自它被提出之后，就受到广大专家学者的认可，它的应用前景和应用领域非常巨大，总的来说，主要应用领域有：1、版权保护：目前版权保护可能是水印最主要的应用领域。数字作品的所有者用密钥产生一个水印，并将其嵌入原始数据，然后公开发布他的水印版本作品。当该作品被盗版或出现版权纠纷时，所有者可利用从盗版作品或水印作品中获取水印信号作为依据，从而保护所有者的权益。这要求水印必须具有较好的鲁棒性、安全性、透明性和水印嵌入的不可逆性。2、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，使得纸币、支票以及其它票据的伪造变得更加容易。目前，美国、日本以及荷兰都在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和复印机输出的每幅图像中加入唯一的、不可见的水印，需要时可以实时地从扫描票据中判断水印的有无，快速辨识伪。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过度性的电子文件，如各种纸质票据的扫描图像，网络安全技术成熟以后的各种电子票据等都需要进行非密码认证，数字水印技术可以为各种票据提供不可见的标志，从而大大增加了伪造的难度。3、内容认证：通过使用那些很难被检测到的方法，使得篡改数字作品变得越来越容易。内容认证的目的就是检测对数字作品的修改，可用脆弱水印来实现认证。可以简单的认为脆弱水印是一种当作品发生任何形式的改变后变得不可测的标志。如果从作品中检测到一个非常脆弱的水印，那么说明作品没有被修改，至少没有被意外地修改。该类水印还可以对数字作品被篡改的地方进行定位，甚至有的算法还能够将被篡改的内容进行部分恢复或全部还原。4、标题与注释：数据的标识信息有时比数据本身更具有价值，如遥感图像的拍摄日期、经纬度等。没有标识信息的数据有时甚至无法使用，但直接将这些重要信息标记在原始文件上又很危险。将作品的标题、注释等内容以水印形式嵌入该作品中，于是标识信息在原始文件上是看不到的，只有通过特殊的阅读程序才可以读取。5、盗版跟踪：数字水印还有一些其他的应用，他们的目的是传输合法接受者的信息而不是数据来源者的信息，主要用于识别数据的单个发行拷贝，这一类应用在发行的每个拷贝中嵌入不同的水印，通常称之为“数字指纹”，对每个拷贝各自嵌入水印的情况，因为他们的发行要面临共谋攻击的危险，所以嵌入的水印应该设计成对共谋攻击而言是安全的，同样，对于某些数字指纹来说，他们要求水印易于提取，且有很低的复杂度。6、拷贝保护：在多媒体发行体系中，希望存在这样的一个拷贝保护机制，即它不允许未经授权的媒体拷贝，在开放系统中很难实现拷贝保护，然而在封闭或私有系统中，拷贝保护是可行的，在这样的系统中，可用水印来说明数据的拷贝情况。7、安全的隐秘通信：情报战是信息战的重要组成部分，其核心思想是利用公用网络进行保密数据传送，目前采用的方式主要是“文件加密”，然而经过加密的文件往往是混乱无序的，容易引起攻击者的注意。网络多媒体技术的广泛应用使得利用公用网络进行保密通信有了新的思路，即利用数字水印技术把需要传递的秘密信息作为水印嵌入到可以公开的数字产品的时(空)域和变换域中，从而实现隐蔽通信。由于嵌入秘密信息的图像在主观视觉上并未发生变化，察觉到秘密信息的存在是不大可能的。从这个意义上讲，传输秘密信息的信道也是秘密的。这将有效地减少遭受攻击的可能性。同时，由于信息的嵌入方法是保密的，如果再结合密码学的方法，即使敌方知道秘密信息的存在，要提取和破译该信息也是十分困难的。第二章 图像数字水印关键技术2.1 图像数字水印的概念及基本特征 图像数字水印技术就是将特定的标记，如作者名、创作时间、所有权等信息，利用数字内嵌的方法嵌入到数字图像中，用以证明创作者对其作品的所有权。同时还可以作为鉴定、起诉非法侵权的证据，通过对水印的检测和分析来保证数字信息的完整性6。作为版权信息嵌入到图像中的秘密信息即称为数字水印，它可以是无意义的随机序列，也可以是文字、图像、声音等有意义的信息。数字水印与原始图像紧密结合并隐藏其中，能经历一些不破坏原始图像的使用价值或商用价值的操作而保存下来。数字水印不影响图像的可用性。它是信息隐藏技术的最重要的一个分支，是解决多媒体数据版权保护问题的有效手段之一。一般地，图像数字水印具有如下的基本特性：(1)不可见性。即水印是不易察觉的。水印技术的首要条件是嵌入水印的图像和原始图像基本上相同，图像的质量不因水印的嵌入有明显的改变。不可见性包含两方面的意思，一个指视觉上的不可见性，即因嵌入水印导致图像的变化对观察者的视觉系统来讲应该是不可察觉的，最理想的情况是含水印图像与原始图像在视觉上一模一样，这是绝大多数水印算法所应达到的要求；另一方面水印用统计方法也是不能恢复的7，如对大量的用同样方法和水印处理过的图像即使用统计方法也无法提取水印或确定水印的存在。(2)确定性。嵌入到图像中的水印应能被唯一确定地检测并提取，从而可靠地判定该作品的真正所有者，而不会出现检测不到嵌有水印的图像中的水印或报告不含有水印的图像中含有水印这样的错误。(3)安全性。图像数字水印的安全性就是指它抵抗蓄意窜改或恶意攻击的能力。也就是说嵌入水印和检测水印的方法对没有授权的第三方是保密的而且不可轻易破解。水印系统对安全性的要求对于不同的应用差别很大。(4)可证明性。水印能够为受到保护的图像的归属提供完全可靠的证明。在需要的时候，水印检测算法能够识别并提取嵌入在保护对象中的所有者的相关信息。水印能够用来判别对象是否受到保护，并能监视被保护对象的传播、真伪鉴别以及非法拷贝控制等。就目前已经出现的很多算法而言，攻击者完全可以破坏掉图像中的水印，或复制出一个理论上存在的“原始图像”，这导致文件所有者不能令人信服地提供版权归属的有效证据。因此一个好的水印算法应该能够提供完全没有争议的版权证明，在这方面还需要做很多工作。(5)鲁棒性。鲁棒性是数字水印技术最重要的一个特性。由于数字水印完全嵌入图像中，那么对含水印图像所做的变换也会导致其中水印的变化，所以数字水印必须对作用于图像的变换具有抵抗作用。鲁棒水印主要是指在经历多种有意或无意的信号处理后，水印仍能保持完整或仍能被准确鉴别。常见的图像处理和攻击有：有损压缩、滤波、噪声干扰、边缘增强、旋转、伸缩、剪切、扫描等操作。从理论上讲，在具备相应的信息后，水印是可以消除的，而成功的数字水印技术就是要保证在解码信息不完备的情况下，任何试图去除水印的操作均会导致原始图像质量的严重破坏。实际上很难设计出一种方法能够保证对所有可能的图像处理和攻击都具有鲁棒性，因此鲁棒性的强弱应该视不同的应用需求而定。在实际应用中，要求设计的水印方案至少对一些常用的图像处理具有鲁棒性。2.2 图像数字水印的基本原理和系统框架2.2.1 图像数字水印的基本原理大多数图像数字水印技术所遵循的基本原理是利用人类视觉的感觉冗余性，将水印信息嵌入到同样具有数据冗余特性的图像中去，使得水印在图像中不被察觉并且足够安全。一般通过相关或类似于相关的计算进行检测。从图像处理的角度看，嵌入水印可以视为在强背景(原始图像)下叠加一个弱信号(水印)，由于人类视觉系统(Human Visual SystemHVS)的分辨率受到一定的限制，只要叠加信号的幅度低于HVS 的最小可察觉误差，HVS 就无法感觉到信号的存在，因此通过对原始图像做一定的调整，有可能在不改变视觉效果的情况下嵌入一些水印信息。2.2.2 图像数字水印算法的基本框架所有的图像数字水印算法都由两个基本系统：水印嵌入系统和水印恢复系统组成。1. 水印嵌入系统水印嵌入过程中，通过嵌入算法将水印信号加在原始图像上，生成含水印的图像，水印可以是任何形式的数据。大多数水印方案在水印嵌入过程中都使用了密钥，从而加强了整个系统的安全性。水印系统的输出称为含水印图像。设原始图像为 I ，水印为W ，密钥为K ，则水印嵌入可用式(2-1)来述：I w = F (I, W, K ) (2-1) 式中F 表示水印嵌入算法，如图2.1 所示。图 2.1 图像数字水印嵌入系统框图两种常用的水印嵌入方法如式（2-2）示： vwi =vi +awi (加法法则) vwi =vi(1+awi) (乘法法则)其中，vi ,viw 分别表示原始图像像素和嵌入水印的图像像素，wi 为水印信号分量，0 i n , 为尺度因子。在保证不可见的前提下，尽可能提高嵌入水印的强度，的选择必须考虑图像的性质和视觉系统的特性。2. 水印恢复系统水印恢复时，先检测待测试的图像中是否含有水印信号，如果待测图像中含有水印，则从中提取出水印，如图2.2 所示。设待测图像为I ，从I 中提取的水印为W， (.)为检测函数。则：W = (I , I ) (2-3)计算相关系数C (W,W )，如果C (W,W )满足：C (W,W ) T (设T为阈值)，则可判定水印存在，否则认为水印不存在。图 2.2 图像数字水印恢复系统框图2.2.3 数字图像水印的典型算法数字图像水印的算法按照嵌入域的不同主要可分为空域算法、变换域算法。前者使用各种方法直接修改图像的象素值，将数字水印直接加载在数据上；而后者首先对原始图像进行适当变换（既可以对整幅图像变换，也可以将原始图像分块后对某些小块进行变换），然后将水印信息嵌入到变换域选定的系数上，最后通过相应的反变换得到含水印的图像。一般来说，空域算法具有计算简单、信息隐藏量大的特点，但其最大的缺点是缺乏理想的鲁棒性，尽管有些算法提出了改善鲁棒性的一些方法，但空域算法在鲁棒性上一般比变换域的算法差，因此在鲁棒图像水印算法中用的较少。变换域算法因具有较强的抵抗信号处理和恶意攻击的能力、更便于适应人类视觉系统的特性选择不同的嵌入频带、与某些压缩标准兼容等优点，是目前鲁棒水印算法的主流。而结合空域和变换域特性的图像自适应算法则是图像水印技术中一个有前景的研究方向。2.2.4 空间域数字水印算法 典型的空域算法是 LSB（最低有效位）算法13，它的嵌入是把水印比特插入原始图像灰度值的最低位，检测是通过计算互相关函数来实现的。LSB 算法的优点是算法简单易实现；水印嵌入的数据量大；含水印图像不可见好，但是它致命的弱点是鲁棒性很弱，在对数字图像处理或变换后，图像的低位非常容易改变，攻击者只需通过简单地删除图像低位数据或者对数字图像进行简单的数学变换就以将水印信息破坏掉。另外一类重要的空域算法利用了图像像素的统计特征，其主要思想是通过修改原始图像像素使得原始图像像素的某体统计特征发生变化，检测时只需查看含水印图像的统计特征即可，从而达到盲检测的目的。为了保证安全性，这些统计特征的来源必须受到密钥的控制。常用的统计量包括：平均值、标准偏差和直方图等。这一类算法的代表是patchwork 算法14。2.2.5 变换域数字水印算法 变换域算法常用的变换域有离散余弦变换（DCT）、离散小波变换（DWT）、离散傅立叶变换（DFT）等。实际上，变换域算法并不限于上述三种变换，只要能隐藏水印信息，任何变换都是可行的。Koch 等人15首先提出了基于DCT 域的水印算法，通过修改由伪随机选定的中频系数对的差值来嵌入水印。由于它与JPEG 压缩的特性兼容，且在修改DCT系数的同时考虑到了JPEG 压缩量化矩阵，因而可以有效地改善水印对有损压缩的鲁棒性。Cox 等人16首先提出将水印嵌入到图像感知重要的区域中，其思想是要破坏水印必然要破坏图像的重要内容，这一思想已被许多算法采用。为了得到水印的鲁棒性和不可见性的最佳折衷，人们逐渐认识到利用视觉生理模型的重要性。Watson 感知模型17就是一个建立在分块DCT 变换基础上的感知模型，利用该模型可以估计图像之间的临界可见误差（JND），控制水印嵌入算法的最大嵌入能量，使之适应于图像的特性。与DCT 相比，DWT 具有以下优点：具备多分辨率特性，嵌入的水印可以选择在不同的分辨层上得到不同的鲁棒性和视觉特性；良好的时-频分解特性更符合人类视觉系统的特点，使得水印的嵌入可以更好地结合HVS，从而改善水印图像的质量或水印的性能；与新一代的压缩标准兼容，如JPEG2000 和MPEG7，因DWT 在数字水印技术中有着广泛的应用前景。基于DWT 的水印算法，通常是先将原始图像进行多级小波分解，然后再通过修改小波变换系数来实现水印的嵌入。水印检测器接收到目标图像后，先进行同样的小波分解，通过相应的检测算法来判断目标图像是否含水印或直接通过提取算法将水印提取出来。小波域的水印算法根据嵌入位置大体可分为低频域算法和高频域算法。文献18提出一种基于低频子带嵌入的盲水印算法，通过一个不重叠31 大小的滑动窗，对小波分解的整个低频系数进行扫描，对连续的3 个系数进行排序，对最小值、最大值之间的长度进行M 段分割，中间值根据水印值进行量化，算法的缺点是在JPEG 压缩率较大的情况下检测效果不太理想。文献19的算法将水印嵌入到图像的DWT 分解高频区域，算法首先利用Daubechies-8 小波滤波器对图像进行三级小波变换然后选择所有高频子带中大于阈值的系数作为嵌入位置，按照乘性规则嵌入水印，所嵌入的水印为与各高频子带相匹配的伪随机实数的Gaussian 序列，使用相检测方法。低频域嵌入算法的优点是鲁棒性强，但容易影响图像的视觉效果；高频域嵌入算法的优点是有较好的抵抗噪声能力，但抗JPEG 有损缩和低通滤波的性能差，而将高低频水印算法优点结合起来，可以达到扬长避短、互相补充的目的，本文第五章就是基于这种思想进行研究的。2.3 常见图像水印攻击方法 攻击指的是任何一种可能削弱水印的检测或扰乱通过水印传递信息的通信的任何处理。为了破坏图像数字水印的安全性，水印攻击者总是设法消除信息所有者的水印内容的有效性，使相应的水印系统的检测工具无法正确地恢复水印信号，或不能检测到水印信号的存在。到目前为止，还没有一个算法能够真正经得住攻击者的任意进攻。为了更好的检验水印算法的鲁棒性和安全性，分析算法缺陷和产生原因，以便在新的水印系统的设计中加以改进，有必要对水印攻击进行分析。采用Cr