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发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书资料大小：1.5M 资料格式：doc 举报版权申诉

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摘要

ABSTRACT

第1章绪论

1.1 课题的研究背景

随着网络通信的普及，许多传统媒体内容都向数字化转变，并且在电子商务中即将占据巨大市场份额，如MP3

很多年来，各国政府和信息产业部门都非常重视网络信息安全技术的研究和发展。传统的信息安全技术都是以密

令人可喜的是，近年来国际信息技术研究领域出现了一个新的研究方向——信息隐藏技术研究。该技术是将秘密

数字水印技术是指将创作者的创作信息和个人标志通过数字水印系统以人所不可感知的水印形式嵌入在多媒体中，

1.2本文研究的目的及意义

1.3数字水印技术的国内外研究现状

第2章数字水印技术

2.1 数字水印原理

2.1.1 概念

2.1.2 数字水印基本特性

2.1.3 数字水印分类

2.1.4 数字水印的基本原理

2.1.5 数字水印的鲁棒性问题和攻击行为

1.简单攻击简单攻击:也称为波形攻击或噪声攻击，是通过对水印图像进行一些操作以削弱或删除嵌入

2.IBM攻击IBM攻击:是针对可逆、非盲水印算法而进行的攻击。其原理为：设原始图象为I，加

3.StirMark攻击StirMark攻击：是StirMark英国剑桥大学开发的水

印攻击软件，由于它是采用软件方法来实现对水印载体图像进行的各种攻击，从而在水印载体图像中引入了一定的

4.马赛克攻击马赛克攻击：方法是首先把图像分割成为许多个小图像，然后将每个小图像放在HTML

5.串谋攻击串谋攻击：就是利用同一原始多媒体数据集合的不同水印信号版本，来生成一个近似的多媒

2.1.6 水印系统的评估标准

一.主观评价

主观评价是从人类视觉的角度来考虑的。

要进行公平合理的评估和比较，在评估过程中就要考虑水印的可感知性。当使用主观测试包括两个步骤：

第一步：将失真的数据集按照从最好到最坏的次序排列；

第二步：挑选的测试人员对每个数据集进行评定，描述处理对象的可感知性。

这种评定可基于ITU-R Rec.500质量等级级别，表2.1列出了等级级别和相应的可感知性以及质量

等级级别

损害

质量

不可察觉

优

可察觉，不让人厌烦

良

轻微的让人厌烦

中

让人厌烦

差

非常让人厌烦

极差

表2.1从1到5范围的质量等级级别

主观测试对最终的质量评价和测试是有实用价值的，但在研究和开发情况下并不是很有用。

二.客观评价

到目前为止，仍然没有一个良好的客观衡量手段来对数字水印算法做出合理的评估。一种数字水印算法的

1.方差MSE（Mean Square Error）均方差常常使用在统计过程中，是一种非常有

均方差的计算见公式：（针对二维图像）

这里f(x,y)是原始图像的像素值，f′(x,y)是添加水印后图像的像素值，M、N分别是图像的

2.信噪比SNR（Signal-to-Noise Ratio）信噪比顾名思义就是有用的信号在

在计算SNR之前，我们要先计算均方差MSE（Mean Square Error）

信噪比SNR的计算由公式得：

这里Y是添加水印后图像像素值的平均值。

3.峰值信噪比PSNR（Peak Signal-to-Noise Ratio）在具体的实际应用中，一般最

PSNR的值典型范围在20到40分贝（dB）之间，一般以精确到小数点后两位，PSNR实际的值并没有多

不可否认，以上所给出的衡量公式都是客观的，并且简单易行，但这几个衡量公式的缺点也非常明显，由于图像信

4.掩膜峰值信噪比MPSNR（Masked Peak Signal-to-Noise Ra

6.相似性系数NC(Normalized Correlation)数字水印按检测方式可分为基

所谓水印提取法，是指按照嵌入水印时的相反过程从数据中提取出水印信息，真实再现所嵌入的水印。这种方法不

数字水印从待检测图像中提取出来后，对各个观察者而言，所提取出来的水印的逼真度好坏取决于各自主观上的看

M,M是原始水印图像和提取出来的水印图像的宽、高。

相似性计算见公式（NC,Normalized Correction）：

对水印图像进行多种恶意攻击后，通过比较NC稀疏的值，可以得到数字水印算法抗恶意攻击的能力，由NC系数

2.1.7 数字水印系统应用模型

2.2 典型数字水印算法分析

2.2.1 空间域算法

2.2.2 变换域算法

2.3 数字水印应用领域

第3章小波分析理论基础

3.1小波分析的发展历程

3.2小波函数与小波变换

3.3离散小波变换

3.4 多分辨率分析

3.5实验环境：可实现数字水印技术的高效实用工具——Matlab

第4章基于小波变换的数字水印算法

4.1算法描述

4.3实验结果及分析

4.3.1 仿真实验

4.3 本章小结

参考文献

致谢

本文所描述的研究内容包含了本人攻读本科四年期间所学习内容，在这里我首先感谢我的指导老师李丽君老师在我

附录

Arnold变换程序

周扬:基于小波变换的数字水印技术研究基于小波变换的数字水印算法研究摘要随着计算机及网络技术的飞速发展，数字作品传播和拷贝变得越来越方便，同时使得数字作品的信息安全保护和版权保护也成为迫切需要解决的实际问题。数字水印是近年来在信息安全领域兴起的保护知识产权的新方法。它通过在原始数据中嵌入一些重要信息为受到版权保护的媒体数据的完整性和所有权归属提供完全和可靠的证据，以此达到防止数字产品的盗版和篡改目的。本文针对基于小波变换的数字水印技术，提出了一种基于小波域的二值图像水印算法。该算法选择了检测结果直观、有特殊意义的二值图像作为原始水印，并在嵌入之前进行图像置乱预处理，以提高安全性和隐蔽性，兼顾了水印的不可见性和鲁棒性，利用多分辨率分析思想进行水印的嵌入与提取。通过大量的仿真实验，证明本文算法在保证水印不可见性的同时，对常见的图像处理如 JPEG 压缩、噪声、滤波、剪切等，均有较好的鲁棒性。关键词：数字水印，小波变换，鲁棒性，不可见性，JPEG 压缩 - 1 -

周扬:基于小波变换的数字水印技术研究 Based on the wavelet transform the digital watermark ABSTRACT Along with the computer and network technology rapid development, and dissemination of digital works have become increasingly easy to copy, simultaneously allow digital works to protect the security of information and copyright protection has become an urgent need to address the real In recent years, digital watermarking is in the field of information security emerging intellectual property protection method. It passed in the original data embedded in some important information protected by copyright for the data integrity of media ownership and attribution mention for complete and reliable evidence, thereby to prevent the piracy of digital products and tampering with purpose. issues. In this paper, based on wavelet transform the digital watermarking technology, a wavelet domain based on the binary image watermarking algorithm. The algorithm chosen the test results intuitive, with special significance in the value of the original image as a watermark and embedded in the image scrambling prior to the pretreatment to enhance the safety and concealment; watermark does not take into account the visibility and robustness, Use of multi-resolution analysis of the thinking embedded watermark and extraction. Through the simulation experiments to prove that this algorithm can not watermark visibility at the same time, the common image processing such as JPEG compression, noise, and so on, have a better robustness. Key words: digital watermarking, wavelet transform , Robust, visibility, JPEG compression - 2 -

周扬:基于小波变换的数字水印技术研究第1章绪论 1.1 课题的研究背景随着网络通信的普及，许多传统媒体内容都向数字化转变，并且在电子商务中即将占据巨大市场份额，如MP3的网上销售，数字影院的大力推行，网上图片、电子书籍销售等等。在无线领域，随着移动网络由第二代到第三代的演变，移动用户将能方便快速的访问因特网上数字媒体内容，基于有线或无线网络的数字媒体内容的应用即将是信息时代新的传统。随之而来的副作用是通过网络传输数字媒体内容使有恶意的个人或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，这样媒体的安全受到了威胁，也阻碍许多商业应用的发展，因此如何在网络环境中实施版权保护（Copyright Protection）和信息安全（Information Security）已成为一个迫在眉睫的现实问题。很多年来，各国政府和信息产业部门都非常重视网络信息安全技术的研究和发展。传统的信息安全技术都是以密码学理论为基础，采用密钥或公钥系统，在发送之前对内容进行加密，仅把密码给予那些已购买信息的合法用户。这样，信息在网络上传送时，虽然非法用户可以获得加密后的信息，但没有正确的密钥，该信息就是无用的，更谈不上篡改了，但这对于多媒体内容存在两大问题。一是数字媒体内容的超分布（Superdistribution）问题，即内容一旦解密，便可以随意的被拷贝、传播，快速发展的网络为非法传播提供很大便利，给媒体内容制造商造成了巨大损失，从而制约着数字多媒体应用的进行；二是多媒体内容的访问控制问题，因为多媒体内容（如视频流）的加密解密需要巨大的运算负荷，并且难以满足应用的时效性。令人可喜的是，近年来国际信息技术研究领域出现了一个新的研究方向— —信息隐藏技术研究。该技术是将秘密信息隐藏于普通文件，然后再通过网络传输，用以跟踪侵权行为并提供法律保护的证据。这项技术好比生物学上的保护色，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。该技术的出现，无疑将会给网络化多媒体信息的安全保存和传送开辟一条全新的途径。短短几年 - 3 -

周扬:基于小波变换的数字水印技术研究里，信息隐藏作为热门课题，得到了快速发展。数字贝保护技术工作组（CPTWG,Copy Protection Technique Working Group）从1995年开始致力于基于DVD的视频版权保护研究，安全数字音乐创始（SDMI,Secure Digital Music Initiative）从1999年开始研究音频的版权保护，数字水印是其中的核心关键技术。数字水印技术是指将创作者的创作信息和个人标志通过数字水印系统以人所不可感知的水印形式嵌入在多媒体中，人们无法从表面上感知水印，只有专用的检测器或计算机软件才可以检测出隐藏的数字水印，从而用以证明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信息的完整可靠性，从而成为知识产权保护和数字多媒体防伪的有效手段。通常，水印会永久地驻留在图像中，在必要的时候通过专门的检测算法检测水印，以确认所有权和跟踪侵权行为。密码技术是信息安全技术领域的主要传统技术之一，一般采用将明文加密成密文的秘密密钥系统或公开密钥系统，其保护方式都是控制文件的存取，即将文件加密成密文，使非法用户不能解读。但是传统的加密方法对多媒体内容的保护和完整性认证具有一定的局限性。首先，随着计算机处理能力的快速提高，这种通过不断增加密钥长度来提高系统密级的方法变得越来越不安全；其次，加密方法只用在通信信道中，一旦被解密，信息就完全变成明文；另外，密码学中的完整性认证是通过数字签名方式实现的，它并不是直接嵌入到多媒体信息当中，因此无法察觉信息在经过加密系统之后的再次传播与内容的改变。针对上述传统安全技术的缺陷，许多研究人员开始尝试用各种信号处理方法对多媒体数据进行隐藏加密，并将该技术用于制作多媒体的数字水印。数字水印技术正好弥补了加密技术和数字签名技术的不足，将具有确定性和保密性的信息直接嵌入到原始数据并作为原始数据的一部分而保留在其中，因而即使在解密之后仍可以跟踪数据的复制和传输，对多媒体数据进行有效的保护。数字水印技术是近几年来国际学术界兴起的一个前沿研究领域，是信息隐藏技术研究领域的重要分支，如今已成为多媒体信息安全研究领域的一个热点。它将具有特定意义的、与载体内容相关或不相关的标记(水印)，利用数字嵌入的方法，隐藏在载体，即数字图像、声音、文档、图书、视频等数字产品中，用以证 - 4 -

周扬:基于小波变换的数字水印技术研究明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来保证数字信息的完整性和可靠性，从而成为知识产权保护和数字多媒体防伪的有效手段。数字水印的研究涉及信息论、编码理论、通信原理、信号处理、信息安全等多学科多门类。近年来数字水印技术在数字信息的版权保护与完整性认证方面得到了迅猛发展，具有良好的应用前景。 1.2 本文研究的目的及意义在数字化媒体中进行数据隐藏是一个崭新的研究领域，尚未形成完整的理论和体系，因而对研究人员来说仍是一个挑战性的课题，同时它又是一种与具体应用结合比较紧密的实用技术。该课题研究的目的是深入探讨在数字图像中进行数据隐藏的理论以及相关的人眼视觉系统特性，针对图像多媒体研究相应的水印嵌入、检测算法和攻击水印算法，建立一套比较完善的数字水印的基本理论，采用基 DWT 在数字水印鲁棒和不可见性之间取得平衡并尽可能实现较低的复杂度以满足实用性的要求。数字水印技术作为一个跨多领域、多学科(数字信号处理、图像处理、模式识别、数字通信、多媒体技术、密码学、语音处理等)的技术体系，由于它与具体的应用密切相关，因此每个研究人员介入的角度、采用的研究方法和设计策略也各不相同，但都是围绕着实现数字水印的各种基本特征进行设计，这也决定了数字水印技术研究成果的多样性以及数字水印技术研究的不完善性，仍有许多技术问题需要解决。同时，水印认证体系的建立、法律保护等问题也是影响数字水印技术迈向实用化的因素。另外，数字水印技术发展到今天，还是没有形成完整的理论体系，因而对相关研究人员来说这是一个挑战性的课题。由于目前国际上的水印技术尚未形成统一的标准，形成一个共同遵循的标准己成为研究水印者的共同目标。然而，标准的算法必须有其优越性、通用性和有效性，并要得到世界各国的认同，所以形成标准是一项艰巨的任务。由于小波变换的优点，使小波变换域研究水印处理技术是目前的热点，并且在该领域形成水印算法标准的可能性最大，因此本论文研究基于小波变换域的数字水印算法设计与仿真实现具有重要意义。 1.3 数字水印技术的国内外研究现状 - 5 -

周扬:基于小波变换的数字水印技术研究随着计算机和网络的飞速发展，数字作品得以有效的存储和发布，同时数字作品又极易被非法拷贝、伪造或篡改，使得很多版权所有者不愿利用网络公开其作品，从而阻碍其自身发展。从技术上看，数字作品版权信息的嵌入和检测问题，是数字作品版权保护的两个关键问题，它综合了传统密码学的认证和鉴别的优点，又加入了稳健性要求。版权保护信息必须与被保护的数据紧密结合，同时版权保护信息的鉴别过程必须具有抗各种干扰的能力，比如噪声、压缩等。数字水印技术作为解决网络上数字作品版权管理问题的核心技术，同时又能隐秘的传递信息，鉴于其广阔的应用前景和经济、社会效益，全球各国政府部门和研究机构纷纷投入到数字水印技术的研究中，推动了数字水印技术的发展 121 。数字水印技术的出现是 Schyndel 在 ICIP'94 会议上发表的一篇题为 “ A digital watermark”的文章开始的。这是第一篇发表于重要会议的关于数，水印技术的文章开始的。随着网络的普及，数字水印技术迅速成为研究热点，很多数字水印算法和实现方案也随之出现。据统计，公开发表的关于数字水印的文章数量在 1992 年、 1993 年、 1994 年和 1995 年分别为 2 篇、 2 篇、 4 篇和 13 篇， 1996 年第一届信息隐藏国际学术研讨会后，发表的文章数量剧增， 1998 年发表的文章数量达到了 103 篇， 1999 年达 200 多篇， 2000 年和 2001 年分别达 250 多篇．另外，许多信息安全、密码学和信号处理领域的国际会议和学术期刊如 IEEE , ACM 等都有关于数字水印技术方面的专题。国外研究机构有诸如美国财政部、美国版权工作组、美国洛斯阿莫思国家实验室、美国海陆空军研究实验室、欧洲电信联盟、德国国家信息技术研究中心、日本 NIT 信息与通信系统研究中心、麻省理工学院的媒体实验室、瑞士日内瓦大学、多伦多大学、普林斯顿大学、剑桥大学、普度大学等，同时 IBM 、日立、 NEC 、 Pioneer 和 Sony 五家公司还宣布联合研究并推广数字水印技术，取得了大量研究成果。此外欧洲、北美以及其他的一些关于图像、多媒体研究方面的国际会议都有专门的数字水印讨论组。IEEE 也曾推出两个关于数字水印的专集，分别为：:1998 年 5 月的“IEEE Journal on Selected Areas of Communication Vol.16” 和 1999 年 7 月的 “Proceedings of the IEEE Vol.87”IEEE 的 Signal Processing 在 2001 年 6 月出版了一卷水印专集，卷名为“Special Section on Information Theoretic Aspects of Digital Watermarking” - 6 -

周扬:基于小波变换的数字水印技术研究在实际应用方面,美国的 Digimarc 公司于 1995 年就推出了拥有专利权的水印制作技术,是当时世界上唯一一家拥有这一技术的公司,其水印技术以插件的形式在 Pbotoshop5.0 和 CorelDraw7.0 中得到应用,IBM 的“数字图书馆软件也提供了数字水印功能。在 1997 年，一个名为 VIVA 的欧洲工程开始发展广播监测系统。MusiCode 系统提供了音频信号的广播监测，VEIL-II 和 MediaTrax 提供了视频信号的广播监测。美国、日本以及荷兰开始研究用于票据防伪的数字水印技术。麻省理工学院媒体实验室受美国财政部委托，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，在需要时可以实时扫描票据，判断水印的有无，快速辨识真伪。各项研究取得了丰硕的成果，但是，目前市场上的数字水印产品在技术上还很不成熟，距离真正的推广使用还有很大的距离。在国外数字水印技术研究快速发展的同时，我国政府和研究机构也加大了重视力度，数字水印技术在我国信息安全领域的地位和作用不断上升，更多的专家学者投入到这一研究领域当中。1999 年 12 月，由北京电子技术应用研究所组织，何德全、周仲义、蔡吉人院士与有关研究单位联合发起召开了我国第一届信息隐藏学术研讨会，此后 2000 年、2001 年、2002 年、2004 年召开了 4 届全国信息隐藏学术研讨会。2000 年 1 月，国家 863 计划智能计算机专家组、中国科学院自动化研究所和北京邮电大学信息安全中心成功地举办了数字水印技术研讨会。同时，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提供专项资金支持。国内从事信息隐藏技术研究的科研院所主要有：北京邮电大学信息安全中心、中国科学院软件研究所、中国科学院自动化研究所、中科院信息安全国家重点实验室、清华大学、浙江大学、西安电子科技大学、北方工业大学、北京理工大学、北京电子技术应用研究所、中山大学、哈尔滨工业大学等单位。从目前的研究发展来看，我国数字水印学术领域的研究正在蓬勃开展，而且形成了自己独特的研究思路，相信随着国内信息化程度的提高、电子政务的推广和电子商务的普及，作为数字作品版权管理核心技术的数字水印技术将会拥有更加广阔的应用前景和发展空间。 - 7 -

周扬:基于小波变换的数字水印技术研究第2章数字水印技术 2.1 数字水印原理 2.1.1 概念数字水印（Digital Watermarking）是往多媒体数据（如图像、声音、视频信号等）中添加某些数字信息（水印）而不影响原数据的视听效果，并且这些数字信息可以部分或全部从混合数据中恢复出来，以达到版权保护等作用。这里水印的嵌入载体可以是图像、声音、视频信号，还可以是文本格式，本文讨论的对象是数字图像。水印信息也可以是各种媒体，本文选用了图像，不过通过适当的调整就可以适应其他类型水印信息的嵌入。 2.1.2 数字水印基本特性嵌入数字多媒体中的信息必须具有以下基本特性才可以称得上是数字水印: 1.不可感知性:指向数字作品中嵌入的数字水印，是利用人类视觉或听觉系统的特征，经过一系列隐藏处理，隐藏对象必须没有明显的降质现象, 而嵌入的水印不会引起人的感知。 2.安全性:数字水印系统使用一个或多个密钥来确保安全，防止修改和擦除水印。信息被隐藏在多媒体内容中，并不因文件格式转换而丢失，且未经授权者不能检测出水印。 3.鲁棒性:所谓鲁棒性是指在经历多种无意或有意的信号处理过程后，数字水印仍能保持完整性或仍能被准确鉴别。可能的信号处理过程包括信道噪声、滤波、数/模与模/数转换、重采样、剪切、位移、尺度变化以及有损压缩编码等。 4.可证明性:水印应能为受到版权保护的信息产品的归属提供完全可靠的证据。水印算法能够将所有者的有关信息（如注册的用户号码、产品标志或有意义的文字等）嵌入到被保护的对象中，并在需要的时候将这些信息提取出来。水印可以用来判别对象是否受到保护，并能够监视被保护数据的传播、真伪鉴别以及非法拷贝控制等。这实际上也是发展水印技术的基本动力。 5.不可检测性:指嵌入水印后的数据与原始载体数据具有一致的特性。如具有一致的统计噪声发布等，以便使攻击者无法判断其中是否有隐藏信息。 - 8 -

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