版权保护的数字图像水印的设计及研究
摘 要自20世纪90年代起，互联网和多媒体技术快速发展，在方便了广大公众的同时，也渐渐暴露出了许多问题，尤为突出的就是数字信息安全面临着巨大挑战。为了应对这种问题，数字水印技术得到了大量科研人员的青睐，逐渐发展成为了版权保护的一种重要手段。它之所以能够有效地进行版权保护，其实质是将版权人的秘密水印信息利用隐藏算法隐藏到数字产品中，而又保证人眼无法识别出来，当出现纠纷时，再将水印提取出来作为证据，以达到版权保护的目的。本文主要研究讨论数字水印技术中的数字图像水印技术的基本原理以及静态图像数字水印算法问题。通过使用一张静态彩色图像作为一载体图像，进行水印的嵌入和提取，再比较原始图像和含水印图像，分析基于不同域的数字水印嵌入技术，并通过一系列外界攻击算法来检测这种水印技术的不可见性和鲁棒性。摘 要 Ⅱ
目 录
学生毕业设计（论文）原创性声明 Ⅰ
Abstract Ⅲ
目录 Ⅳ
第一章 绪论 1
1.1 课题研究背景、目的及意义 1
1.2 国内外研究现状 1
1.2.1空间域水印技术的研究现状 2
1.4.2变换域水印技术的研究现状 3
1.3 数字水印技术的发展前景 4
1.4 数字水印技术的特性及应用 4
1.5 本课题的研究内容 6
第二章 数字图像水印的关键技术 7
2.1 数字图像水印系统的基本框架 7
2.2 数字水印隐藏算法 8
2.2.1 空间域水印算法 9
2.2.2 变换域水印算法 9
2.3 数字水印提取算法 10
2.4 数字水印的攻击算法 11
第三章 数字图像水印设计方法 14
3.1 水印生成设计 14
3.2 水印嵌入设计 15
3.3 图像比较设计 16
3.4 水印提取设计 17
3.5 外界攻击设计 19
3.6 GUI界面设计 22
第四章 结论与展望 25
参考文献 27
致谢 28
附录一 29
附录二
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
36
绪论
课题研究背景、目的及意义
21世纪，数字多媒体技术和网络技术的迅速发展，一方面，它有利于通过我们发布的各种信息，并访问数字信息的因特网的传输，另一方面，现在的网络环境具有开放性的特性，这就方便了犯罪分子利用网络环境不安全做一些违法的事情，例如对数码产品的非法复制或是恶意篡改，这就严重损害了数码产品的创造者和消费者的利益，因此，要解决数字版权保护的问题迫在眉睫。传统的做法是加密的数码产品，这在一定程度上解决了非法复制的数码产品，安全传输等问题。但是加密过程中也有一些缺点，首先加密文件是一个文件，不能直接理解，不利于交流和传播信息，而且它更容易引起攻击者的注意，但经过解密的数码产品将不再受到保护[1]。
所以说，传统的加密方法已经不适合现在这个快速发展的新信息时代，寻找新的方法来解决多媒体信息的安全问题刻不容缓，至于数字水印技术的研究正是在这样一种背景下，被许多科研人员研究发展起来的。它采用数字技术嵌入隐藏在数字图像，音频，视频，文档和其他数字产品的具体信息，在发生版权纠纷时，采用提取技术可以从数字化产品信息进行提取，以证明该产品的创造者所有权通过水印检测和分析的完整性和可靠性，以确定数字产品，从而成为数字信息产品当代知识产权保护和安全的有效手段[2]。
当然，现在有许多数字水印技术的缺陷，第一个，就是解决其鲁棒性的不足的问题，它意味着常规的数字水印算法的信号处理后，仍然能够检测水印的能力，这是还的数字水印技术所必需的最重要的特征之一。强大的数字水印技术主要体现在两个部分，简单的攻击性和鲁棒性几何攻击的鲁棒性。简单的攻击主要添加噪声，滤波（中值滤波，高斯滤波，双边滤波，低通滤波等滤波方式）、压缩，剪切，几何攻击主要平移，旋转，缩放等。虽然，近年来的研究和应用强大的技术方面取得了很大的进步，但是，如何抵御几何攻击仍然面临着数字水印领域的最大的问题，数字水印产品商业化成为扩大规模最大的应用障碍。只有攻击者的目标图像，即使做淡，几乎难以察觉的几何攻击，即使信号仍然是目标图像水印，水印检测工具，但大多数还是无法提取正确的水印信息[3]。
综上分析，传统数字水印技术确实存在许多不足，与当今社会信息安全越发格格不入，因此开展本课题的设计和研究是即将不得不做的事情，这样做能够尽早的解决外界噪声对于数字水印的干扰，优化技术，使之更好地融入人们的日常生活之中。
鉴于种种，我着重开展了对数字图像水印技术的相关研究。
国内外研究现状
毋庸置疑，解决版权保护问题维护信息安全的有效手段就是现如今正如火如荼发展的数字水印技术，它有着有着广大的市场需求和良好的实用前景，从1990年起，国内外的许多研究机构和企业就看到了数字水印技术的发展潜力，纷纷开始致力于数字水印的研究，并且开始了数字水印和其他科学方法相结合的方式进行知识产权保护的研究，这些方法涉及了众多学科，包括密码学，通信学等其他科学知识。这近30年来，数字水印技术一直都是一个非常火热的课题，国内外研究人员一直孜孜不倦刻苦钻研，为创造出新的水印算法劳心劳力，以下我将用两种域方式展开对当前国内外研究现状的表述：。
1.2.1 空间域水印技术的研究现状
简单来说，这种方法的原理就是直接更改图像的数据，当然不是随便更改，而通常是将数字水印信息嵌入在图像变化比较突出的地方，正是因为这些地方变化较为明显，稍微改动一下人眼不易察觉，在数字水印领域中，空间域水印技术应该算是最早研究的一大方向了，而在空间域水印技术之中，最不显著位LSB(least significant bit)方法又是最为基础的算法之一了。这也是我这次毕业设计所采用的方法，是指将图像分为从上到下的八层，将水印信息放在图像的LSB层上，也就是图像的最底层上，这样做的目的是保证了人眼无法区别隐藏前后的两张图片，实现了水印的不可感知性，但同时，LSB算法的鲁棒性比较差，一般水印攻击就可能将大部分水印去掉，因此无法保证水印信息的完整性和有效性，这也制约了LSB算法扩展到实际现实生活当中去。于是大量的科研人员继续研究基于空间域的数字水印算法，也取得了一些成就，但是因为空间域水印技术本身的局限性所在，虽然改进后的算法，水印的鲁棒性较之LSB算法略强，但整体而言还是不好，在经过非授权人员的恶意攻击后，就无法通过检测器用空间域的提取算法提取出来了[4]。
1.2.2 变换域水印技术的研究现状
首先，与空间域水印技术不同，变换域水印技术的出发点是基于变换域的，即是基于频率域的，因此拿到一图像，是先将图像变换到频率域，然后再进行下面一系列的操作，例外为了保证人眼无法识别，我们可以改变频率洗系数，不同的数值对隐藏后的图像有着一些细微的差别，选取一个恰当的数值实现水印算法的不可见性。几种最常见的变换是离散傅立叶变换(DFT)，它也是变换域水印技术中算是最早诞生的算法之一了，除此之外，还有离散小波变换(DwT)和离散余弦变换(DcT)等[5]。
近几十年来，变换域水印技术也有了很大的变化，产生了许许多多精巧和严谨的算法。例如：扩频方法，块DCT变换基于基于DCT域水印算法，盲水印检测算法等，这些都广泛应用于生产实践中，信息网络分类基于高斯图像水印算法数字图像水印算法年龄已经成为著作权保护的主流方法[6]。
随着数字水印算法研究的越发深入，科研人员和一些技术达人把水印算法与其他学科结合起来共同去探索研究，逐渐提高了水印算法的鲁棒性和健壮性。这些相关学科就诸如通信工程理论、数字信号处理、信号检测与估计、大数据理论、人类感知系统、计算机网络及其相关应用等。对这些学科的理解有助于数字水印算法的研究。根据这些创新性的结合，也的的确确制作出了许多实际应用，典型的就有利用人类感知系统，lewis团队成功实现了基于人类视觉掩盖模型的水印白适应嵌入；此外 Kundur团队结合人类视觉特点，运用利用多尺度融合技术，提出一种静止图像水印技术成功实现水印的嵌入，另外典型的还有Barni团队结合了人类感知系统，具体是人类的视觉系统和听觉系统，实现可水印的无缝嵌入；加之这一切的一切都给现代数字水印技术提供了切实可行的新思路、新方向、新方法，正是这些刻苦钻研的科研人员，才为数字水印技术的发展开拓了道路[7]。
目 录
学生毕业设计（论文）原创性声明 Ⅰ
Abstract Ⅲ
目录 Ⅳ
第一章 绪论 1
1.1 课题研究背景、目的及意义 1
1.2 国内外研究现状 1
1.2.1空间域水印技术的研究现状 2
1.4.2变换域水印技术的研究现状 3
1.3 数字水印技术的发展前景 4
1.4 数字水印技术的特性及应用 4
1.5 本课题的研究内容 6
第二章 数字图像水印的关键技术 7
2.1 数字图像水印系统的基本框架 7
2.2 数字水印隐藏算法 8
2.2.1 空间域水印算法 9
2.2.2 变换域水印算法 9
2.3 数字水印提取算法 10
2.4 数字水印的攻击算法 11
第三章 数字图像水印设计方法 14
3.1 水印生成设计 14
3.2 水印嵌入设计 15
3.3 图像比较设计 16
3.4 水印提取设计 17
3.5 外界攻击设计 19
3.6 GUI界面设计 22
第四章 结论与展望 25
参考文献 27
致谢 28
附录一 29
附录二
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
36
绪论
课题研究背景、目的及意义
21世纪，数字多媒体技术和网络技术的迅速发展，一方面，它有利于通过我们发布的各种信息，并访问数字信息的因特网的传输，另一方面，现在的网络环境具有开放性的特性，这就方便了犯罪分子利用网络环境不安全做一些违法的事情，例如对数码产品的非法复制或是恶意篡改，这就严重损害了数码产品的创造者和消费者的利益，因此，要解决数字版权保护的问题迫在眉睫。传统的做法是加密的数码产品，这在一定程度上解决了非法复制的数码产品，安全传输等问题。但是加密过程中也有一些缺点，首先加密文件是一个文件，不能直接理解，不利于交流和传播信息，而且它更容易引起攻击者的注意，但经过解密的数码产品将不再受到保护[1]。
所以说，传统的加密方法已经不适合现在这个快速发展的新信息时代，寻找新的方法来解决多媒体信息的安全问题刻不容缓，至于数字水印技术的研究正是在这样一种背景下，被许多科研人员研究发展起来的。它采用数字技术嵌入隐藏在数字图像，音频，视频，文档和其他数字产品的具体信息，在发生版权纠纷时，采用提取技术可以从数字化产品信息进行提取，以证明该产品的创造者所有权通过水印检测和分析的完整性和可靠性，以确定数字产品，从而成为数字信息产品当代知识产权保护和安全的有效手段[2]。
当然，现在有许多数字水印技术的缺陷，第一个，就是解决其鲁棒性的不足的问题，它意味着常规的数字水印算法的信号处理后，仍然能够检测水印的能力，这是还的数字水印技术所必需的最重要的特征之一。强大的数字水印技术主要体现在两个部分，简单的攻击性和鲁棒性几何攻击的鲁棒性。简单的攻击主要添加噪声，滤波（中值滤波，高斯滤波，双边滤波，低通滤波等滤波方式）、压缩，剪切，几何攻击主要平移，旋转，缩放等。虽然，近年来的研究和应用强大的技术方面取得了很大的进步，但是，如何抵御几何攻击仍然面临着数字水印领域的最大的问题，数字水印产品商业化成为扩大规模最大的应用障碍。只有攻击者的目标图像，即使做淡，几乎难以察觉的几何攻击，即使信号仍然是目标图像水印，水印检测工具，但大多数还是无法提取正确的水印信息[3]。
综上分析，传统数字水印技术确实存在许多不足，与当今社会信息安全越发格格不入，因此开展本课题的设计和研究是即将不得不做的事情，这样做能够尽早的解决外界噪声对于数字水印的干扰，优化技术，使之更好地融入人们的日常生活之中。
鉴于种种，我着重开展了对数字图像水印技术的相关研究。
国内外研究现状
毋庸置疑，解决版权保护问题维护信息安全的有效手段就是现如今正如火如荼发展的数字水印技术，它有着有着广大的市场需求和良好的实用前景，从1990年起，国内外的许多研究机构和企业就看到了数字水印技术的发展潜力，纷纷开始致力于数字水印的研究，并且开始了数字水印和其他科学方法相结合的方式进行知识产权保护的研究，这些方法涉及了众多学科，包括密码学，通信学等其他科学知识。这近30年来，数字水印技术一直都是一个非常火热的课题，国内外研究人员一直孜孜不倦刻苦钻研，为创造出新的水印算法劳心劳力，以下我将用两种域方式展开对当前国内外研究现状的表述：。
1.2.1 空间域水印技术的研究现状
简单来说，这种方法的原理就是直接更改图像的数据，当然不是随便更改，而通常是将数字水印信息嵌入在图像变化比较突出的地方，正是因为这些地方变化较为明显，稍微改动一下人眼不易察觉，在数字水印领域中，空间域水印技术应该算是最早研究的一大方向了，而在空间域水印技术之中，最不显著位LSB(least significant bit)方法又是最为基础的算法之一了。这也是我这次毕业设计所采用的方法，是指将图像分为从上到下的八层，将水印信息放在图像的LSB层上，也就是图像的最底层上，这样做的目的是保证了人眼无法区别隐藏前后的两张图片，实现了水印的不可感知性，但同时，LSB算法的鲁棒性比较差，一般水印攻击就可能将大部分水印去掉，因此无法保证水印信息的完整性和有效性，这也制约了LSB算法扩展到实际现实生活当中去。于是大量的科研人员继续研究基于空间域的数字水印算法，也取得了一些成就，但是因为空间域水印技术本身的局限性所在，虽然改进后的算法，水印的鲁棒性较之LSB算法略强，但整体而言还是不好，在经过非授权人员的恶意攻击后，就无法通过检测器用空间域的提取算法提取出来了[4]。
1.2.2 变换域水印技术的研究现状
首先，与空间域水印技术不同，变换域水印技术的出发点是基于变换域的，即是基于频率域的，因此拿到一图像，是先将图像变换到频率域，然后再进行下面一系列的操作，例外为了保证人眼无法识别，我们可以改变频率洗系数，不同的数值对隐藏后的图像有着一些细微的差别，选取一个恰当的数值实现水印算法的不可见性。几种最常见的变换是离散傅立叶变换(DFT)，它也是变换域水印技术中算是最早诞生的算法之一了，除此之外，还有离散小波变换(DwT)和离散余弦变换(DcT)等[5]。
近几十年来，变换域水印技术也有了很大的变化，产生了许许多多精巧和严谨的算法。例如：扩频方法，块DCT变换基于基于DCT域水印算法，盲水印检测算法等，这些都广泛应用于生产实践中，信息网络分类基于高斯图像水印算法数字图像水印算法年龄已经成为著作权保护的主流方法[6]。
随着数字水印算法研究的越发深入，科研人员和一些技术达人把水印算法与其他学科结合起来共同去探索研究，逐渐提高了水印算法的鲁棒性和健壮性。这些相关学科就诸如通信工程理论、数字信号处理、信号检测与估计、大数据理论、人类感知系统、计算机网络及其相关应用等。对这些学科的理解有助于数字水印算法的研究。根据这些创新性的结合，也的的确确制作出了许多实际应用，典型的就有利用人类感知系统，lewis团队成功实现了基于人类视觉掩盖模型的水印白适应嵌入；此外 Kundur团队结合人类视觉特点，运用利用多尺度融合技术，提出一种静止图像水印技术成功实现水印的嵌入，另外典型的还有Barni团队结合了人类感知系统，具体是人类的视觉系统和听觉系统，实现可水印的无缝嵌入；加之这一切的一切都给现代数字水印技术提供了切实可行的新思路、新方向、新方法，正是这些刻苦钻研的科研人员，才为数字水印技术的发展开拓了道路[7]。
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