用于圖像認(rèn)證的半脆弱水印算法研究

1.3 論文的組織
論文全文共分五章:
第一章 緒論。這一章主要介紹本課題的研究意義、現(xiàn)狀和目標(biāo)。

第二章 相關(guān)技術(shù)和設(shè)計環(huán)境概述。這一章主要介紹了數(shù)字水印的基本概念和半脆弱數(shù)字水印的基本概念，并介紹了實現(xiàn)認(rèn)證的半脆弱水印的5種流行的方法。對于各種方法的優(yōu)劣評判，接下來介紹了評價算法的幾個指標(biāo)。最后，介紹了實現(xiàn)仿真的平臺，Matlab6.5。

第三章 圖像認(rèn)證半脆弱水印算法原理與總體設(shè)計。針對圖像認(rèn)證這一目標(biāo)，我們的半脆弱水印有它自己的要求和特點。根據(jù)這些要求我們設(shè)計了算法，這一章給出了算法的框架，并對算法進(jìn)行了模塊劃分，最后給出了程序框圖。

第四章 圖像認(rèn)證半脆弱水印算法的詳細(xì)設(shè)計與實現(xiàn)。這一章詳細(xì)介紹了水印算法的各個步驟的實現(xiàn)，最后對實驗結(jié)果進(jìn)行分析，并評價了本算法。

第五章 總結(jié)與展望。這一章主要是對本次畢業(yè)設(shè)計論文工作的總結(jié)，以及對數(shù)字水印技術(shù)發(fā)展的想法。

第二章 相關(guān)技術(shù)與設(shè)計環(huán)境概述
數(shù)字水印技術(shù)的基本思想源于古代的偽裝術(shù)（密寫術(shù)）。古希臘的斯巴達(dá)人曾將軍事情報刻在普通的木板上，用石蠟填平，收信的一方只要用火烤熱木板，融化石蠟后就可以看到密信。使用最廣泛的密寫方法恐怕要算化學(xué)密寫了，牛奶、白礬、果汁等都曾充當(dāng)過密寫藥水的角色。大約700年前，在手工造紙技術(shù)中出現(xiàn)了紙張上的水印。
可以說，人類早期使用的保密通信手段大多數(shù)屬于密寫而不是密碼。但與密碼技術(shù)相比，密寫術(shù)始終沒有發(fā)展成為一門獨立的學(xué)科，其中的主要原因是密寫術(shù)缺乏必要的理論基礎(chǔ)。

然而今天的數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展為古老的密寫術(shù)注入了新的活力，在研究數(shù)字水印的過程中，研究者大量借鑒了信息偽裝的思想。尤其是近年來信息隱藏技術(shù)理論框架研究的興起，更給密寫術(shù)成為一門嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)帶來了希望。

2.1 數(shù)字水印的概念
2.1.1 數(shù)字水印的基本概念
在數(shù)字水印技術(shù)中，水印的數(shù)據(jù)量和魯棒性構(gòu)成了一對基本矛盾。理想的水印算法應(yīng)該既能隱藏大量數(shù)據(jù)，又可以抗各種信道噪聲和信號變形。然而在實際這兩個指標(biāo)往往不能同時實現(xiàn)，但是實際應(yīng)用一般只偏重其中的一個方面。如果是為了隱蔽通信，數(shù)據(jù)量顯然是最重要的，由于通信方式極為隱蔽，遭遇敵方篡改攻擊的可能性很小，因而對魯棒性要求不高。但對保證數(shù)據(jù)安全來說，情況恰恰相反，各種保密的數(shù)據(jù)隨時面臨著被盜取和篡改的危險，所以魯棒性是十分重要的，此時，隱藏數(shù)據(jù)量的要求居于次要地位。

一般數(shù)字水印的通用模型包括嵌入和檢測、提取兩個階段。數(shù)字水印的生成階段，嵌入算法的嵌入方案的目標(biāo)是使數(shù)字水印在不可見性和魯棒性之間找到一個較好的折中。檢測階段主要是設(shè)計一個相應(yīng)于嵌入過程的檢測算法。檢測的結(jié)果或是原水印（如字符串或圖標(biāo)等），或是基于統(tǒng)計原理的檢驗結(jié)果以判斷水印存在與否。檢測方案的目標(biāo)是使錯判與漏判的概率盡量小。為了給攻擊者增加去除水印的不可預(yù)測的難度，目前大多水印制作方案都在加入、提取時采用了密鑰，只有掌握密鑰的人才能讀出水印。
數(shù)字水印技術(shù)從不同的角度有下面的一些劃分方法。

1. 按特性劃分
按水印的特性可以將數(shù)字水印分為魯棒數(shù)字水印和脆弱數(shù)字水印。魯棒數(shù)字水印主要用于在數(shù)字作品中標(biāo)識著作權(quán)信息，它要求嵌入的水印能夠經(jīng)受各種常用的編輯處理；脆弱數(shù)字水印主要用于完整性保護(hù)，脆弱水印必須對信號的改動很敏感，人們根據(jù)脆弱水印的狀態(tài)就可以判斷數(shù)據(jù)是否被篡改過。

2. 按水印所附載的媒體劃分
按水印所附載的媒體，數(shù)字水印分為圖像水印、音頻水印、視頻水印、文本水印以及用于三維網(wǎng)格模型的網(wǎng)格水印等。

3. 按檢測過程劃分
按水印的檢測過程將數(shù)字水印分為明文水印和盲水印。明文水印在檢測過程中需要原始數(shù)據(jù)，而盲水印的檢測只需要密鑰,不需要原始數(shù)據(jù)。一般明文水印的魯棒性比較強(qiáng)，但其應(yīng)用受到存儲成本的限制。目前數(shù)字水印大多數(shù)是盲水印。

4. 按內(nèi)容劃分
按數(shù)字水印的內(nèi)容可以將水印劃分為有意義水印和無意義水印。有意義水印是指水印本身也是某個數(shù)字圖像（如商標(biāo)）或數(shù)字音頻片段的編碼；無意義水印則只對應(yīng)于一個序列號。有意義水印如由于受到攻擊或其他原因致使解碼后的水印破損，人們?nèi)匀豢梢酝ㄟ^視覺觀察確認(rèn)是否有水印。但對于無意義水印來說，如果解碼后的水印序列有若干碼元錯誤，則只能通過統(tǒng)計決策來確定信號中是否含有水印。

5. 按水印隱藏的位置劃分
按數(shù)字水印的隱藏位置劃分為時域數(shù)字水印、頻域數(shù)字水印、時/頻域數(shù)字水印和時間/尺度域數(shù)字水印。時域數(shù)字水印是直接在信號空間上疊加水印信息，而頻域數(shù)字水印、時/頻域數(shù)字水印和時間/尺度域數(shù)字水印則分別是在DCT變換域、時/頻變換域和小波變換域上隱藏水印。隨著數(shù)字水印技術(shù)的發(fā)展，各種水印算法層出不窮，水印的隱藏位置也不再局限于上述四種。實際上只要構(gòu)成一種信號變換，就有可能在其變換空間上隱藏水印。

6. 按用途劃分
不同的應(yīng)用需求造就了不同的水印技術(shù)。而這又可分為6種不同的水印技術(shù)。
（1）數(shù)字作品的知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)
版權(quán)標(biāo)識水印是目前研究最多的一類數(shù)字水印由于數(shù)字作品的拷貝、修改非常容易,而且可以做到與原作完全相同，所以原創(chuàng)者不得不采用一些嚴(yán)重?fù)p害作品質(zhì)量的辦法來加上版權(quán)標(biāo)志，而這種明顯可見的標(biāo)志很容易被篡改。數(shù)字作品的所有者可用密鑰產(chǎn)生一個水印，并將其嵌入原始數(shù)據(jù)，然后公開發(fā)布其水印版本作品。當(dāng)該作品被盜版或出現(xiàn)版權(quán)糾紛時，所有者即可從盜版作品或水印版作品中獲取水印信號作為依據(jù)，從而保護(hù)所有者的權(quán)益。
目前用于版權(quán)保護(hù)的數(shù)字水印技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了初步實用化階，IBM（International Business Machines Corporation，國際商用機(jī)器公司）公司在其”數(shù)字圖書館”軟件中就提供了數(shù)字水印功能，Adobe公司也在其著名的Photoshop軟件中集成了Digimarc公司的數(shù)字水印插件。

（2）商務(wù)交易中的票據(jù)防偽
隨著高質(zhì)量圖像輸入輸出設(shè)備的發(fā)展，特別是高精度彩色噴墨、激光打印機(jī)和高精度彩色復(fù)印機(jī)的出現(xiàn)，使得貨幣、支票以及其他票據(jù)的偽造變得更加容易。
據(jù)報道，美國、日本以及荷蘭都已開始研究用于票據(jù)防偽的數(shù)字水印技術(shù)。麻省理工學(xué)院媒體實驗室受美國財政部委托，已經(jīng)開始研究在彩色打印機(jī)、復(fù)印機(jī)輸出的每幅圖像中加入唯一的、不可見的數(shù)字水印，在需要時可以實時地從掃描票據(jù)中判斷水印的有無，快速辨識真?zhèn)巍?P style="PADDING-BOTTOM: 0px; LINE-HEIGHT: 24px; TEXT-INDENT: 2em; MARGIN: 0px 0px 20px; PADDING-LEFT: 0px; PADDING-RIGHT: 0px; COLOR: rgb(0,0,0); FONT-SIZE: 14px; PADDING-TOP: 0px">
此外在電子商務(wù)中會出現(xiàn)大量過度性的電子文件，如各種紙質(zhì)票據(jù)的掃描圖像等。即使在網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)成熟以后，各種電子票據(jù)也還需要一些非密碼的認(rèn)證方式。數(shù)字水印技術(shù)可以為各種票據(jù)提供不可見的認(rèn)證標(biāo)志，從而大大增加了偽造的難度。