基于小波变换的数字水印算法研究

I目录摘要..............................................................ⅢAbstract...........................................................Ⅴ第1章绪论.........................................................11.1引言.........................................................11.2本文研究的目的及意义.........................................21.3数字水印技术的国内外研究现状.................................2第2章数字水印理论基础............................................52.1数字水印的基本概念..........................................52.2数字水印的基本特征.........................................52.3数字水印的基本原理.........................................52.4数字水印的分类..............................................82.5数字水印典型算法（针对图像领域）...........................102.6数字水印的鲁棒性问题和攻击行为.............................122.7数字水印应用领域..........................................13第3章小波分析理论基础............................................173.1小波分析的发展历程..........................................173.2小波函数与小波变换..........................................183.3离散小波变换................................................203.4多分辨率分析...............................................223.5实验环境：可实现数字水印技术的高效实用工具——Matlab........24第4章基于小波变换的数字水印算法..................................254.1算法描述....................................................254.2实验结果及分析..............................................284.3本章小结...................................................36参考文献...........................................................37致谢..............................................................39附录..............................................................41IIIII基于小波变换的数字水印算法研究摘要数字水印技术是目前信息安全技术领域的一个新方向，是一个在开放的网络环境下，保护版权和认证来源及完整性的新型技术。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IVVBasedonthewavelettransformthedigitalwatermarkAbstractDigitalwatermarkingtechnologyisthefieldofinformationsecuritytechnologyanewdirection,isanopennetworkenvironment,copyrightprotectionandauthenticationandintegrityofthesourcesofnewtechnology.Inthispaper,basedonwavelettransformthedigitalwatermarkingtechnology,awaveletdomainbasedonthebinaryimagewatermarkingalgorithm.Thealgorithmchosenthetestresultsintuitive,withspecialsignificanceinthevalueoftheoriginalimageasawatermarkandembeddedintheimagescramblingpriortothepretreatmenttoenhancethesafetyandconcealment;watermarkdoesnottakeintoaccountthevisibilityandrobustness,Useofmulti-resolutionanalysisofthethinkingembeddedwatermarkandextraction.Throughthesimulationexperimentstoprovethatthisalgorithmcannotwatermarkvisibilityatthesametime,thecommonimageprocessingsuchasJPEGcompression,noise,andsoon,haveabetterrobustness.Keywords:digitalwatermarking,wavelettransform,Robust,visibility,JPEGcompressionVI-1-第1章绪论1.1引言随着信息技术和计算机网络的飞速发展，数字多媒体信息包括图像、文本音视频、三维模型的存储、复制与传播变得非常方便。我们在通过互联网方便快捷的获取多媒体信息的同时，还可得到与原始数据完全相同的复制品，这就带来了对数字媒体原创者的版权和经济利益如何保护以及数字媒体信息是否安全可信等诸多问题。由此引发的信息安全问题、盗版问题和版权纷争问题已成为日益严重的社会问题。因此，对多媒体内容的版权保护与内容鉴别成为我们所处的这个信息时代所急待解决的问题。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-2-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-3-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“Adigitalwatermark”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