数字图像易损水印技术研究

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摘 要
随着网络技术和多媒体技术的飞速发展，以数字媒介为载体的数字产品极大
地丰富了人们的生活，但同时数字产品被非法复制和篡改伪造也越来越容易。因
此急需一种新的技术来保护用户的隐私和知识产权，以保护数字产品的版权及其
完整性和真实性。而数字水印作为一项很有潜力的解决手段，正得到越来越多的
关注和研究。
本文通过研究和分析数字图像水印技术的相关理论以及小波变换的原理，提
出了两种基于小波变换的水印算法。主要完成的工作如下：
系统介绍了数字图像水印技术的基本理论，并介绍了数字水印的攻击方法及
其抵抗策略。之后详细介绍了数字图像水印的认证技术，并对图像的变换技术做
了详细的介绍。
详细介绍了易损水印的基本理论；介绍了易损水印主要的嵌入算法，并提出
了一种基于混沌和小波的易损水印算法，该算法通过Logistic混沌生成序列与原始
水印异或来对水印进行加密，并利用奇偶量化的方法将水印信息嵌入到载体图像
的小波系数中，实现了水印的盲检测。然后对算法进行了大量的实验仿真，并对
实验结果进行分析，证明该算法符合易损水印的要求。
介绍了半易损水印的基本理论和三种半易损水印的嵌入方法；详细介绍了小
波提升原理，提出了一种基于Arnold 置乱和整数小波的半易损水印算法，该算法
采用 Arnold 置乱技术对原始水印进行置乱，从而增强了水印的安全性，并采用量
化的方法将置乱后的水印嵌入到载体图像中，实现了水印的盲检测。对该算法进
行了大量的实验仿真，并对仿真结果进行了分析，得出该算法符合半易损水印的
要求。
关键词：数字水印 易损 半易损 图像认证 整数小波
ABSTRACT
With the rapid development of the Internet and multimedia technology, digital
media as a carrier of the digital products enrich people’s life. At the same time, illegal
copying and counterfeit of digital products has become increasingly easy. Therefore,
there is urgent need of a new technology to protect user’s privacy and intellectual
property security, and then protect the copyright, integrity and authenticity of the digital
products. The digital watermarking technology as a promising means of settlement is
being more and more attention and research.
In the paper, through the study and analysis of the related theory about the digital
image watermarking technology and the principle of the wavelet transform, two
watermarking algorithm based on wavelet transform are proposed. And the major work
done is as follow:
The paper has systematically introduced the related theories of the digital
watermarking, and studied the method of the attack and resistance about the
watermarking. Then, the certification of the digital watermarking and the transform of
the image are proposed and made a detailed introduction.
After studying the basic theories and main embedding algorithm of the fragile
digital watermarking, a fragile watermarking algorithm based on chaos and wavelet
transform is proposed. The algorithm uses the Logistic chaos to encrypt the watermark,
and uses parity quantification to embed the watermark into the carrier image. A large
number of experiments are made, and the experiment results prove that the algorithm
meets the requirements of the fragile watermarking.
There are introduced the basic theory of the semi-fragile watermarking and three
semi-fragile watermarking embedding methods. A semi-fragile watermarking algorithm
based on Arnold and integer wavelet transform is proposed. The algorithm uses Arnold
to scramble the original watermark to enhance the security of the watermark, and then
uses quantification to embed the watermark into carrier image. A large number of
experiments are made, and the experiment results prove that the algorithm meets the
requirements of the semi-fragile watermarking.
Key Words: Digital Watermarking, Fragile, Semi-fragile, Image
Authority，Integer Wavelet Transform
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论......................................................1
§1.1 论文选题背景和意义........................................1
§1.2 国内外研究现状............................................2
§1.3 论文的主要工作及结构安排..................................3
第二章 数字图像水印技术...........................................4
§2.1 数字水印概述..............................................4
§2.1.1 数字水印的发展历史....................................4
§2.1.2 数字水印的基本特征....................................4
§2.1.3 数字水印的基本框架....................................5
§2.1.4 数字水印的分类........................................7
§2.1.5 数字水印的主要应用....................................8
§2.2 数字水印的攻击............................................9
§2.3 数字图像水印的认证技术...................................11
§2.3.1 完整(完全)性图像认证.................................12
§2.3.2 内容(鲁棒)性图像认证.................................13
§2.4 图像变换技术.............................................14
§2.4.1 离散傅里叶变换.......................................14
§2.4.2 离散余弦变换.........................................15
§2.4.3 离散小波变换.........................................17
§2.5 本章小结.................................................22
第三章 一种小波域的易损水印算法..................................23
§3.1 引言.....................................................23
§3.2 Logistic 混沌映射理论 ....................................25
§3.3 小波函数及水印嵌入位置的选取.............................27
§3.4 易损水印算法.............................................29
§3.4.1 水印的预处理.........................................29
§3.4.2 水印的嵌入...........................................30
§3.4.3 水印的提取...........................................31
§3.5 算法性能分析.............................................31
§3.5.1 水印算法的性能指标...................................31
§3.5.2 水印算法的嵌入提取实验...............................32
§3.5.3 水印的易损性.........................................35
§3.5.4 水印篡改定位实验.....................................39
§3.6 本章小结.................................................42
第四章 基于置乱和整数小波的半易损水印算法........................43
§4.1 引言.....................................................43
§4.2 Arnold 置乱技术 ..........................................44
§4.3 整数小波理论 .............................................46
§4.3.1 小波提升理论.........................................46
§4.3.2 整型Haar 小波提升....................................47
§4.4 半易损水印算法...........................................49
§4.4.1 水印嵌入位置的选择...................................49
§4.4.2 水印的嵌入算法.......................................49
§4.4.3 水印的提取算法.......................................50
§4.5 算法性能分析实验.........................................51
§4.5.1 水印的嵌入和提取全过程...............................51
§4.5.2 算法的不可见性和有效性...............................53
§4.5.3 一般的信号处理操作实验...............................53
§4.5.4 篡改敏感性和定位能力实验.............................57
§4.6 本章小结.................................................60
第五章 结论与展望................................................61
§5.1 结论.....................................................61
§5.2 展望.....................................................62
参考文献.........................................................63
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果...................67
致谢.............................................................68
第一章 绪 论
1
第一章 绪论
§1.1 论文选题背景和意义
21世纪是信息的时代。随着网络技术和多媒体技术的飞速发展，以数字媒介
为载体的数字产品极大地丰富了人们的生活。但同时数字产品被非法复制和篡改
伪造也变得越来越容易。因此，急需一种新的信息隐藏技术来保护用户的隐私和
知识产权，从而更好地保护数字产品的版权及其完整性和真实性。
在传统的加密方法中，主要是依靠密码学技术对数字产品进行加密。但这种
加密技术主要是加密信息的内容，无法保证信息在解密之后不被非法复制和再次
传播。而信息隐藏技术却很好的解决了这个问题。信息隐藏技术于20世纪90年代
中期兴起，它是一种集多种学科和技术于一身的新兴技术。它将秘密信息隐藏到
一个宿主信号中，并要求其不被人的感知系统感知到，也不会影响宿主信号的视
觉效果和使用价值。信息隐藏技术有两个分支：数字水印[1]和隐写术。
其中，数字水印就是一种有效的数字产品版权保护和数据安全维护的技术，
是本文研究的主要内容。由于传统密码学技术的弊端给多媒体产品制造商造成了
巨大的损失，从而制约了数字产品及多媒体产品的应用。而数字水印技术主要通
过将特定的水印信息嵌入到图像、视频、文本或音频等数字产品中，从而来证明
产品的所属权，也可以作为起诉的证据。同时，可以对提取出的水印信息进行检
测和分析，从而来确保数字产品的有效性和完整性。这也就使得数字水印成为知
识产权保护和数字产品防伪的有效手段。数字水印作为一项很有潜力的技术，最
近几年成为了商学界和学术界共同关注的热点。
数字水印技术[2]是一种集多种学科和技术于一身的新型技术。该技术涉及图像
处理、信号处理、密码学、编码检测理论等多种学科理论。目前，按照水印所附
载体的不同，一般可以分为图像水印、音频水印、视频水印、文本水印等。按水
印的抗攻击能力分类，数字水印可以分为鲁棒水印和(半)易损水印。在本文中，主
要研究的是数字图像(半)易损水印[3~5]。对于(半)易损水印，主要是用于图像的版权
认证和内容完整性认证。按水印隐藏位置分类，图像数字水印可分为空域数字水
印和变换域数字水印。空域一般采用最低有效位(LSB)方法，该方法是在图像像素
的最不重要位嵌入水印信息，方法简单，但很容易受到攻击。对于变换域，一般
采用DCT、DWT变换。当前的主要压缩标准JPEG采用DCT变换，而小波变换则是
压缩标准JPEG2000的核心技术。另外根据人类视觉特性，在变换域能更好地调整
数字图像易损水印技术研究
2
水印而不影响载体图像的质量。同时，采用变换域的方法可以提高水印的抗攻击
能力。正是因为变换域的许多优点，变换域方法目前得到了广泛的发展和应用。
也正因为如此，本文的数字图像水印算法都是采用变换域的嵌入方法。
§1.2 国内外研究现状
数字水印技术是一种新兴的信息隐藏技术[6~7]，已成为信息安全领域的研究重
点。自Tirkel等人在1993年创造了新词“water mark”以来，数字水印便受到越来
越多的关注并得到了迅速发展。从1994年开始，国际学术界陆续发表了有关数字
水印的文章。几个有国际影响力的国际会议(如IEEE ICIP、IEEE ICASSP、ACM
Multimedia 等)以及一些国际上的权威杂志(如Proceedings of IEEE 、Signal
Processing、Communications of ACM等)相继出版了有关数字水印技术的专辑。目
前进行数字水印研究的机构既有政府部门，也有大学和知名的企业。如荷兰飞利
浦公司、美国财政部、美国版权工作组、德国国家信息研究中心、麻省理工学院、
剑桥大学以及朗讯公司贝尔实验室等。
在国内，虽然关于信息隐藏技术的研究起步稍晚，但是随着国际间的信息与
技术的交流，国内关于信息隐藏的研究得到了广泛的关注，并取得了快速的发展。
2000年，国家863计划智能计算机专家组织召开了“数字水印技术学术研讨会”，
多家科研机构与高等学府的专家学者和研究人员参加了这次会议。我国的科研人
员也相当重视学术间的交流，中国信息隐藏学术研讨会于1997年始已成功举办了7
届全国会议，它是我国信息安全领域中数字水印技术的专业学术交流活动。
到目前为止，国内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当中，有的也已取得了重要的研究成果。北京市联合
北京华旗数码影像技术有限责任公司等高新技术企业进行科技攻关，在全国率先
建成了数字作品版权登记平台。该平台采用了我国自主知识产权且具有国际领先
水平的数字水印加密和图像自动检索两大核心，使得数字作品在获得版权登记的
同时也获得了先进科技手段的保护。
从总体上看，虽然我国在数字水印技术的研究还处在初级阶段，但我国相关
的研究已于世界同步，而且有自己独特的研究思路。加之我国水印公司既重视理
论研究，又注重应用开发，不断推动着我国数字水印技术的发展，为我国的信息
安全产业提供了安全、有效、合理的保障。
摘要：

摘要随着网络技术和多媒体技术的飞速发展，以数字媒介为载体的数字产品极大地丰富了人们的生活，但同时数字产品被非法复制和篡改伪造也越来越容易。因此急需一种新的技术来保护用户的隐私和知识产权，以保护数字产品的版权及其完整性和真实性。而数字水印作为一项很有潜力的解决手段，正得到越来越多的关注和研究。本文通过研究和分析数字图像水印技术的相关理论以及小波变换的原理，提出了两种基于小波变换的水印算法。主要完成的工作如下：系统介绍了数字图像水印技术的基本理论，并介绍了数字水印的攻击方法及其抵抗策略。之后详细介绍了数字图像水印的认证技术，并对图像的变换技术做了详细的介绍。详细介绍了易损水印的基本理论；介绍了易损...

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