半脆弱水印算法研究

I半脆弱水印算法研究摘要：随着计算机及网络技术的飞速发展，数字图片传播和拷贝变得越来越方便。

对数字图片的信息安全和版权的保护也成为迫切需要解决的实际问题。

数字水印技术是保护知识产权的有效方法。

载有水印的图片的完整性和所有权可通过由图片中提取出的水印证明，由此可防止数字图片被盗版或被篡改。

为了实现数字水印信息的安全性、鲁棒性、不可感知性以及检测的准确性，论文进行了以下工作：(1)通过对水印信息使用Arnold变换进行置乱，实现了水印信息的安全性。

(2)通过修改中高频部分数据的方法嵌入水印，实现了水印信息的鲁棒性和不可感知性。

(3)通过使用两个不相关的伪随机序列嵌入水印，大大提高了检测的准确性。

关键词：数字水印；傅立叶变换；图像处理；信息安全II The Research of Semi-fragile Watermarking AlgorithmAbstract: It is more and more convenient to spread and copy digital images along with the network technology development, and it has become an urgent problem to be solved to protect the copyright and information security of digital images. Digital watermarking technology is an effective method to protect Intellectual Property. Integrity and ownership of the watermarked digital images are proved by the reliable evidences which are extracted from them as watermarks. Piracy and tamper can be avoided by watermark technology. In order to realize safety, robustness, imperceptibility of watermark and accuracy of detection, following works has been done in this paper:(1)Watermark information is processed by Arnold transformation which raises safetyof the watermark.(2)Watermarks are embedded by modifying data in medium and high frequency partsof the image in FFT domain. Robustness and imperceptibility of the watermark is achieved.(3)Two irrelevant pseudo-random sequences which are used to embed watermarksinto images are generated which improves accuracy of detection.Key words：Digital watermarking, Fourier transform, Image processing, Information security西南科技大学本科生毕业论文III目录第一章绪论 (1)1.1 背景、目标和意义 (1)1.2 数字水印技术的国内外研究现状 (4)1.2.1 空间域水印技术 (4)1.2.2 变换域水印技术 (5)第二章数字水印技术概述 (7)2.1 数字水印的定义及属性 (7)2.2 数字水印常见模型 (8)2.2.1 一般数字水印嵌入模型 (8)2.2.2 数字水印提取的理论模型 (9)2.3 数字水印种类 (10)2.3.1 数字水印嵌入位置归类 (10)2.3.2 数字水印检测方式归类 (11)2.3.4 数字水印的鲁棒性归类 (11)2.4 对数字水印的攻击和评价的标准 (12)2.4.1 对数字水印的攻击方式 (12)2.4.2 数字水印评价的标准 (13)2.5 数字水印的典型计算 (13)2.5.1 空间域算法 (13)2.5.2 变换域数字水印算法 (16)第三章基于傅里叶域的半盲水印 (19)3.1 基于Arnold变换的图像置乱算法 (19)3.2 水印算法 (21)3.2.1 算法原理 (21)3.2.2 数字水印嵌入算法 (23)3.2.3 数字水印提取算法 (24)3.3 实验结果及分析 (26)3.3.1 不同嵌入强度下实验结果 (27)致谢 (33)参考文献 (34)附录1 (37)附录2 (41)附录3 (44)附录4 (45)附录5 (46)第一章绪论1.1 背景、目标和意义虽然造纸术和纸币最早出现在中国，但是直到1282年意大利发明了防伪纸币。

纸币中被嵌入了金属丝，以至于纸币嵌入部分薄至透明。

最早水印技术的目的和意义无从考证，也许也是用来辨别真伪，尤其是纸制品。

或许他们仅仅是用来将原产品修饰的更加丰满。

直到18世纪，欧美出现了水印防伪纸币，被用来鉴别货币真伪，并衍生出其他文件的水印。

更早的水印技术可能更加接近于信息加密，譬如1499年出版的书《Hypnerotomacbia Polipbill》，每一章的首字母组合出来便是一句话：Poliam Frater Franciscus Columna Peramavit(Father Francesco Columna loves Polia)。

而对于数字水印是什么时候开始出现的，很少有人能道清。

1979年，Szpanski发表了一篇描述检测文件是否被篡改的机械方法。

9年以后，Holtet al.描述了如何在音频信号中植入验证码的方法。

而在1988年，Komatsu和Tominaga第一次使用了“数字水印”这个词汇。

直到上世纪90年代，数字水印技术才开始蓬勃发展。

1995年开始，科学家们对数字水印技术的研究结果如春笋般展现。

图1.1 每年在IEEE发表的关于数字水印技术文章数维纳所著的《控制论》中提到：信息只为信息，既非物质，亦非能量。

欧美等发达国家在1969年便已进入信息时代。

我国在15年后，即1984年也进入了信息时代的行列。

我们置身于信息时代，信息作为最重要的部分。

2006年，一本医学杂志提到：信息乃标示了物质、能量、信息及其属性。

而信息有七点特性[1]：1.可识别性。

所有信息在识别过程中，出现直接识别和间接识别是基本的函数映射过程。

2.可存储性。

信息能够通过各种手段进行存储。

可以是永久性，也可以是短暂性脱离人类社会，信息不再存在。

3.可扩充性。

信息随时间或空间变化，本体可进行增减扩充。

4.可压缩性。

压缩可以是时间上抽样，也可以是空间上进行函数映射或者编码。

5.可传递性。

在人类社会中，传递性是信息存在的根本价值，若不能传递，信息则不会被人类总结采用。

6.可转换性。

信息之间通过各种方式进行转换，或者说，我们所抽象的静态信息实际是出于动态平衡的。

7.特定范围有效性。

信息只是在一个环境中有效，在其他环境中不一定有效。

譬如人类社会中的各种信息，对于其他生命社会来讲，可能不会有几分价值。

伴随着MIT三极管的发明，我们进入了数字时代。

数字与信息相结合，在信息时代的信息资源尤显重要。

伴随当前的计算机网络发展，各种多媒体以及信息爆炸媒介，信息已经渗透到每个人的生活中。

我们使用信息为我服务，为我们达成很多目标。

人类社会在信息时代不仅取得辉煌的物质成就，精神成就上在80年代末东欧解体，世界多极化发展，人类社会的思想在信息时代的变化尤其快速。

在2011年中东地区发生的"阿拉伯之春"事件，更是信息时代的必然产物，这是一种趋势。

因此，在这个时代，信息的重要性很大，而正确信息的重要性是重中之重。

伴随着信息时代信息更容易复制，更容易传播，以及技术成分含量过高，难以鉴别真伪。

伪造和篡改是摆在眼前很大的难题，如何能够较简便的方式以及又准确的为信息媒介加密是非常重要的。

有价值的信息生产工作耗费大量精力，并且这些信息产品会带来大量的财富。

信息的安全性是生产者不得不考虑的一个重要项目。

而非法的篡改着妄图通过不劳而获或者其他非正当意图的做出的行为必需将其遏制。

通过一些文献的阅读，可以发现大概有两种渠道是非法者的倾向。

一、恶意篡改将原信息进行局部或整体修改，使其失去原有的价值，甚至完全扭转其价值，以达到其恶意的目的。

二、侵犯版权1.违法擅用：未授权的复制和传播原信息产品。

2.违法倒卖：未经授权的情况下将信息产品转卖其他方。

3.破坏版权：将原信息产品的版权破坏，并植入非法的版权，企图混淆黑白。

安全问题主要通过密码学实现，加密变换是变明文为密文，脱密变换是变密文为明文，即使恶意者拿到密文，但是不知解密方法，依然无法获取信息。

虽然随着科技的发展，密码学已经可以加密语音、图像、数据，但是在解密端将密文转为明文后，信息的保护膜将会失去，无法保障其永久的安全性。

此种情形下，如何将信息隐藏并且达到密码学中的安全性是极其重要的属性。

隐藏信息虽然在目前的AES加密中没有采用，是因为AES作为公开的算法在拥有密钥后，已经很难被黑客攻破，但是隐藏信息在图像领域仍然需要。

数字水印作为由此诞生的技术，已经在国内外学术前沿发展成熟，并且为人类带来大量益处。

数字产品在终端之间的交流以及交流过程中，面对极其棘手的两大问题：1.数字信息的访问控制与传输安全；2.数字信息产品的内容的保护。

在实现访问控制之前需要完成客户控制及管理、关于多媒体数据库管理及数据传输安全，主要涉及原信息的加密，传输过程加密以及接收端解密。

而已经较成熟的密码学可以实现这些目的。

除此之外，还涉及到的问题：一是保护信息生产者产权，二是对内容真实度的保护。

第一个目标可以通过密码学多方面实现，而第二个目标，仅仅依靠传统的密码学很难实现，这时，数字水印技术会更好点，更容易实现。

作为隐藏信息的一种技术，数字水印把确定性和保密性的水印嵌入到数字信息产品(如文档、视频、语音、静止图像等)上，达到原信息与水印信息合为一体的效果，进而能够实现传输隐秘、无修改存储、隐秘标注、识别身份、保护知识版权等功能。

因此，它不仅可以正面信息产品的作者是否原创，作为版权问题上依法鉴定、依法起诉的有效证据；同时，信息产品发布者可以再任意时间人以地域检测原产品的完整性，从而达到对信息产品发布者权利的保护，维护社会秩序。