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数字水印技术概论.doc
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1、目录第一章 绪论11. 数字水印提出的背景及国内外发展现状12. 数字水印的重要性23. 数字水印技术的结识23.1 数字水印的相关概念23.2 通用数字水印系统框架33.3 数字水印技术的分类33.4 近年来,数字水印重要典型算法43.5 数字水印的特性4第二章 信息预解决61. Arnold变换原理62. Arnold变换实现实例7第三章 时域解决方法81. 最低有效位算法LSB81.1 LSB算法的实现原理81.2 LSB算法的程序设计与实现91.3 LSB算法的特点102. Patchwork算法103. 脆弱水印113.1 脆弱性水印的思绪与原理113.2 脆弱性水印的算法实现11第
2、四章 变换域121. 变换域水印算法概述122. 基于小波变换的数字水印算法122.1 离散小波变换数学理论122.2 水印的嵌入原理142.3 水印的提取原理172.4 离散小波变换实现实例173. 离散傅立叶变换183.1 嵌入原理183.2 提取算法原理194.离散傅里叶变换和离散小波变换的比较20第五章 其他方法221. 压缩域算法222. NEC算法223. 生理模型算法23第六章 隐写分析技术241. 隐写分析分类241.1 被动袭击241.2 积极袭击242. 隐写分析评价指标243. 隐写分析通用原型系统264. 隐写分析算法264.1 专用隐写分析算法介绍264.2 通用隐写
3、分析算法27总结28参考文献29致 谢30附录311. 第二章相应源码312. 第三章相应源码323. 第四章相应源码33隐蔽通道11. 隐蔽通道的概念12. TCP隐蔽通信22.1 TCP协议的隐藏通道的基本思想23. IGMP中的隐蔽通信34. IP中的隐蔽通信3数字水印技术概论第一章 绪论1. 数字水印提出的背景及国内外发展现状全球迅猛发展的互联网络给世界经济带来了新的商机,数字技术提供了与原作品同样精美的复制品,数字信号解决和网络传输技术可以对数字媒体(数字声音、文本、图像和视频)的原版进行无限制的任意编辑、修改、拷贝和散布,导致数字媒体作品的原创者巨大的经济损失,对数字媒体的安全权限
4、提出了挑战,促使数字媒体的知识产权保护和信息安全问题日益突出,随着数字信息的爆炸式增长,互联网迫切需要一种版权保护的技术,于是一种新的版权保护技术数字水印技术应运而生了。数字水印技术是将一些标记信息直接嵌入数字载体当中,涉及多媒体、文档、软件等,或是间接表达,修改特定区域的结构,且不影响原载体的使用价值,也不容易被探知和再次修改。但可以被生产方辨认和辨认。通过这些隐藏在载体中的信息,可以达成确认内容创建者、购买者、传送隐秘信息或者判断载体是否被篡改等目的。数字水印是信息隐藏技术的一个重要研究方向。数字水印是实现版权保护的有效办法,是信息隐藏技术研究领域的重要分支。随着技术信息交流的加快和水印技
5、术的迅速发展,国内一些研究单位也已逐步从技术跟踪转向进一步系统研究,各大研究所和高校纷纷投入数字水印的研究,其中比较有代表性的有哈尔滨工业大学的孙圣和、牛夏牧、陆哲明等,天津大学的张春田、苏育挺等,北京邮电大学的杨义先、钮心忻等,中国科学院自动化研究所的刘瑞祯、谭铁牛等,他们是国内较早投入水印技术研究且取得较好成绩的科研单位。我国于1999年12月11日,由北京电子技术应用研究所组织,召开了第一届信息隐藏学术研讨会(CIHW),至今已成功的举办了四届,很大限度地推动了国内水印技术的研究与发展。同时,国家对信息安全产业的健康发展也非常的重视,在2023年的科技型中小公司技术创新基金若干重点项目指
6、南中,明确指出了对于“数字产品产权保护(基于数字水印、信息隐藏、或者网络认证等先进技术)”和“个性化产品(证件)的防伪(基于水印、编码、或挑战应答等技术)”等多项防盗版和防伪技术予以重点支持。现在国内已经出现了一些生产水印产品的公司,其中比较有代表性的是由中科院自动化研究所的刘瑞祯、谭铁牛等人于2023年在上海创办了的一家专门从事数字水印、多媒体信息和网络安全、防伪技术等软硬件开发的公司上海阿须数码技术有限公司13,公司现从事数字证件、数字印章、PDF文本、分块离散图像、视频、网络安全等多方面数字水印技术的研究,现在这家公司已申请了一项国际和三项国家数字水印技术专利。虽然数字水印在国内的应用还
7、处在初级阶段,但水印公司的创办使得数字水印技术在国内不仅仅只停留在理论研究的层面上,而是从此走上了实用化和商业化的道路,这样会更加推动国内水印技术的蓬勃发展,为国内的信息安全产业提供有效的、安全的保障。2. 数字水印的重要性数字水印在认证中的应用,重要集中在于电子商务和多媒体产品分发至终端用户等领域。数字水印可以加载在ID卡、信用卡和ATM卡上,数字水印信息中有银行的记录、个人情况以及其他银行文档内容。数字水印可以被自动地辨认,上述数字水印信息就可提供认证服务。同时,数字水印可以在法庭辩论中作为证据,这方面的应用也将是非常有市场潜力的。当采用数字水印技术作为稳健隐蔽通道时,数字水印将会在国防和
8、情报部门得到广泛的应用,在这些部门中传统数据隐藏技术或密写术(Steganography)已得到数个世纪的应用,数字水印技术也将会在此领域的应用中占有一席之地。数字水印技术还处在发展中,上述四方面领域也不也许包含其所有应用领域。因此,对于迅速发展中的数字水印技术,我们必须对其也许应用新领域有足够的敏感和意识。随着信息技术的飞速发展,数字产品的大众化及网络的普及,数字产品的版权保护成为急需解决的问题。在此背景下产生的数字水印技术作为一种新的有效版权保护手段,必将具有广阔的应用前景和使用价值。3. 数字水印技术的结识3.1 数字水印的相关概念数字水印(digital watermarking):数
9、字水印重要是向被保护的数字对象嵌入某些能证明版权归属或跟踪侵权行为的信息。数字水印(digital watermark)技术,是指在数字化的数据内容中嵌入不明显的记号。像所有者、商标、数字署名嵌入到载体中,来证明对载体的所有权等。载体信息可以是任何多媒体数据。被嵌入的记号通常是不可见或不可察的,但是通过一些计算操作可以检测或者提取。水印与源数据(如图象、音频、视频数据)紧密结合并隐藏其中,成为源数据不可分离的一部分,并可以经历一些不破坏源数据使用价值或商用价值的操作而存活下来。3.2 通用数字水印系统框架数字水印系统涉及水印的嵌入和检测/提取过程,数字水印系统的一般构成如图3-1(a)、3-1
10、(b)所示:图3-1(a) 嵌入水印图3-2(b) 水印检测3.3 数字水印技术的分类(1) 按作用划分:按作用可划分为鲁棒性水印和脆弱性水印。前者重要应用于数字作品中标志著作版权信息,需要嵌入的水印可以抵抗常见的编辑解决、图象解决和有损压缩,在历经故意或无意袭击后水印不被破坏,仍能检测出来提供认证。后者重要用于完整性保护,判断多媒体信号是否被篡改,对于篡改处能自动标记出来,它需要抵抗常见的有损压缩如JPEG、JPEG2023和噪声等。(2)按载体分:按水印的载体可将水印分为图像水印、视频水印、音频水印、文本水印和图形水印等。图像水印指静止图像中加入水印,用于图像数据库,网上图片发布等。视频水
11、印重要在视频流中加入数字水印,从而控制视频的应用,如DVD的控制存取,数字广播的控制等。(3)按检测分:在检测过程中需原数据的技术称为明水印,其鲁棒性较强,但实用中受到一定的限制。无须原数据的检测技术称为盲水印,此种水印技术应用较广,特别针对无法获得原图象的网络应用,但对水印技术的技术规定较高。(4)按内容分:故意义水印是指水印是可视图象,可为二值图像或灰度图像。(5)按用途分:分为版权保护水印、篡改提醒水印、票据防伪水印、隐蔽标记水印。版权保护水印是在图像加入水印后,图像的拥有者希望别人看到图像水印的标记,并进行商业性的使用,在通过各种故意袭击与无意编辑解决后水印仍然存在,假如水印遭到破坏难
12、以检测,则版权保护失败。3.4 近年来,数字水印重要典型算法(1)空域算法:该类算法中典型的水印算法是将信息嵌入到随机选择的图像点中最不重要的像素位上,这可保证嵌入的水印是不可见的。 (2)Patchwork算法:方法是随机选择N对像素点 (ai,bi) ,然后将每个ai点的亮度值加 1 ,每个bi点的亮度值减 1,这样整个图像的平均亮度保持不变。(3)变换域算法:该类算法中,大部分水印算法采用了扩展频谱通信技术。(4)压缩域算法:JPEG、MPEG标准的压缩域数字水印系统不仅节省了大量的完全解码和重新编码过程。 (5)NEC算法:其实现方法是,一方面以密钥为种子来产生伪随机序列,该序列具有高
13、斯N(0, 1)分布,密钥一般由作者的标记码和图象的哈希值组成,另一方面对图象做DCT变换,最后用伪随机高斯序列来调制(叠加)该图象除直流(DC)分量外的1000个最大的DCT系数。3.5 数字水印的特性数字水印系统一般要具有一定的特性才干保证数字产品版权保护和完整性鉴定。数字水印系统一般的特性如下所述(1) 透明性(隐藏性):是指运用人类视觉系统或人类听觉系统属性,通过一系列隐藏解决 ,使目的数据没有明显的降质现象,在视觉或听觉上具有不可感知性。(2) 鲁棒性(robustness):指不因图象文献的某种改动而导致隐藏信息丢失的能力,这些改动涉及传输过程中的信道噪声、滤波、增强、有损压缩、几
14、何变换、D/A或A/D转换等。(3) 隐藏位置的安全性:指将水印信息藏于目的数据的内容之中,而非文献头等处,防止因格式变换而遭到破坏。(4) 无歧义性:恢复出的水印或水印判决的结果应当可以拟定地表白所有权,不会发生多重所有权的纠纷。(5) 通用性:好的水印算法合用于多种文献格式和媒体格式。通用性在某种限度上意味着易用性。(6) 不可觉察性(imperceptibility):在数字水印中,很注重高保真度,也就是说嵌入水印的载体与原始载体必须非常接近,水印的嵌入不能引起宿主媒介质量的很大变化(7) 安全性(security):数字水印系统应当对非法提取具有很强的免疫力,对抗未授权的删除、嵌入和检
15、测,从而保护数字产品。一般都使用密码术的经典算法来保证密钥的安全目前重要有两类数字水印,一类是空间域数字水印,另一类是频率数字水印。空间数字水印的典型代表是最低有效位算法,其原理通过修改表达数字图像的颜色或颜色分类的位平面,调整数字图像中感知不重要的像素来表达水印的信息,以达成嵌入水印的目的。频率数字水印的典型代表是扩频算法,其原理是通过时频分析,根据扩展频谱特性,在数字图像的频率域上选择那些对视觉最敏感部分,使修改后的系统隐含数字水印信息。第二章 信息预解决在实际应用中,通常采用先对嵌入的信息先进行加密的解决,考虑到图像自身的一些特点,通常采用对图像进行置乱的方法来达成保密的目的。图像置乱可
16、达成两个目的:第一是进行加密解决,就像不知道加密密钥就无法对加密过的信息进行解密同样;假如不知道置乱所采用的算法,同样难以恢复原始图像的信息。第二个目的是图像被置乱后将是一个无法读取的杂乱信息,可被抽象成一些随机的信息,没有任何明显可以记录的特性和形状,纹理色彩等等,在隐藏到另一图像中时是不会出现容易辨认的形状或交叠现象的,所以可做到图像纹理特性不可察觉。置乱操作作为水印信号的预解决过程,最重要的是取消水印对载体图像空间之上的过多依赖,以抵抗诸如剪切、JPEG压缩之类的袭击。也就是说,防止水印被损坏时产生的错误比特都集中在一起,从而导致检测得到的水印信息明显的降质。在水印预解决过程中,置乱技术
17、重要考虑的是尽量也许的分散错误比特的分布,提高数字水印的视觉效性来增强水印的鲁棒性。常用的图像置乱方法:Hilbert曲线变换、幻方变换和Arnold变换。但此处具体介绍Arnold变换。1. Arnold变换原理假设有单位正方形上的点(x,y),将点(x,y)变到另一点()的变换为: (2-1)此变换成为二维Arnold的变换,简称Arnold变换。将Arnold变换应用到数字图像上,可以通过像素坐标的改变而改变图像上像素点的布局。若把数字图像视为一个矩阵,则通过Arnold变换后的图像将变得混乱不堪,但继续使用Arnold变换话,一定会出现一幅与原图相同的图像,即Arnold变换具有一定的
18、周期性。在数字图像的置乱中,Arnold变换通常改写为: (2-2)其中表达某一个像素点的坐标,而N是图像矩阵的阶数。对于不同矩阵的阶N,Arnold变换有不同的周期,为了尽量减少Arnold变换所带来的花费,应当选择周期较短的项。需要注意的是,Arnold变换具有周期性,即当迭代到某一步时,将重新得到原始图像。Dyson和Falk分析了离散Arnold变换的周期性,给出了对于任意N2,Arnold变换的周期性几T/2,这也许是迄今为止最佳的结果了。表2.1 不同阶数N下Arnold变换的周期N234567891011123431012861230512N1624253240601001201
19、2512825612125024306015060250961922. Arnold变换实现实例这里选用一幅256256像素的256 xuehao.bmp灰度图像,Matlab 程序1 附录1,实验结果如图2-1所示:图2-1 图像的置乱与恢复第三章 时域解决方法初期人们对数字水印的研究基本上都是基于空域的。空域水印算法是通过改变载体图像某些像素点的强度值/灰度值来嵌入水印信息,这些算法相对简朴,实用性较强。由于空域算法比较形象直观,容易理解,且具有对遭受袭击的时间和空间位置的定位能力,因此空域算法重要是脆弱水印或半脆弱水印算法,鲁棒性水印相对较少。1. 最低有效位算法LSB最低有效位算法LS
20、B(Least Significant Bit),其基本思想是用水印信息直接代替数字图像的最低位,水印信息通常是二值比特序列。空域水印算法中比较典型的算法是最低有效位(LSB)。LSB是Least Singificant Bit的缩写,意思是最不重要比特位。LSB数字水印算法按照上文介绍的四种数字水印分类方法分别属于:鲁棒性数字水印、图像数字水印、空域数字水印、不可见数字水印。1.1 LSB算法的实现原理LSB算法运用了数字图像解决中位平面的原理,即改变图像的最低位的信息,对图像信息产生的影响非常小人眼的视觉感知系统往往不能察觉。以一幅256灰度的图像为例,256灰度共需要8个位来表达,但其中
21、每一个位的作用是不同样的(图3-1),越高位对影像的影响越大,反之越低的位影响越小,甚至不能感知。图3-1 不同位平面重要的限度LSB算法实现较为简朴,一方面,需要考虑嵌入的数字水印的数据量,假如嵌入最低的1位,则可以嵌入的信息量是原始图像信息量的18,假如合用最低两位则可以嵌入的信息量是14。但是嵌入的数字水印的信息量越大,同时对图像的视觉效果影响也越大。在这里要嵌入一个二值的图像。然后,适当调整数字水印图像的大小和比特位数,以适应数字水印图像数据量的规定。最后,对原始图像中要使用的最低位置0,再将数字水印数据放人原始图像的最低位即可。1.2 LSB算法的程序设计与实现(1) 这里选用一幅2
22、56256像素的256 lena.bmp灰度图像,数字水印用“荆俊芳”的字样的二值图像。Matlab 程序2.1 附录2图3-2 嵌入数字水印图片前后对比(2) 嵌入数字水印数据数字水印数据为“110”,测试结果如图3-3,程序源码即Matlab 程序2.2 附录2图3-3 嵌入数字水印数据结果1.3 LSB算法的特点LSB算法简朴,实现容易,同时可以保证数字水印的不可见性,由于可以在最低位的每个像素上都插人数字水印信息,因此有较大的信息嵌入量。LSB算法一般嵌入图像的最低一位或者两位,假如嵌入的位数太多,则会被人眼察觉到。但是由于数字水印位于图像的不重要像素位上,因此很容易被图像过滤、量化和
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