图像数字水印技术在信息安全中的应用..

华清学院课程设计（论文）课程名称：图像数字水印技术在信息安全中的应用院（系）：信息与控制工程系专业班级：通信1102 姓名：党浩学号： 201106020211 2014年 12 月 17 日西安建筑科技大学华清学院课程设计（论文）任务书专业班级：通信1102班学生姓名：党浩指导教师（签名）：一、课程设计（论文）题目图像水印技术的在信息安全中的应用二、本次课程设计（论文）应达到的目的通过课程设计让学生较深入地理解信息网技术在通信工程专业系列课程中的地位、作用和意义；加深对基本概念和基本原理的理解和应用，并能够用所学知识分析、初步设计和解决与网络应用相关的现实技术问题，在实践中能够举一反三。

三、本次课程设计（论文）任务的主要内容和要求（包括原始数据、技术参数、设计要求等）主要内容：1）掌握图像处理的基本方法和原理2) 掌握水印技术的相关概念及水印技术在信息安全中应用原理；要求：1）掌握图像水印算法；2）写出相应算法的MATLAB程序，并给出仿真结果；四、应收集的资料及主要参考文献：1）《数字图像处理》，王慧琴，北京邮电大学出版社；2）《数字信号处理》，朱光明译，机械工业出版社3）《MATLAB数字信号处理》，王彬，机械工业出版社五、审核批准意见教研室主任（签字）目录摘要 (3)第一章绪论 (4)第二章图像数字水印技术的基本原理及算法 (5)2.1图像数字水印的基本原理 (5)2.1.1水印的生成 (5)2.1.2 水印的嵌入 (5)2.1.3 水印的提取和检测 (6)2.1.4 仿真实验结果 (7)2.1.5 水印的评价标准 (8)2.2图像数字水印具备的特点 (9)2.3图像数字水印算法 (10)第三章MATLAB在图像数字水印技术中的应用 (13)3.1 MATLAB图像处理函数简介 (15)3.2 MATLAB在水印预处理中的应用 (15)3.3 MATLAB在图像数字水印实现中实用、高效的体现 (17)参考文献 (19)内容摘要本文重点研究数字媒体信息隐藏技术的理论与方法,介绍了数字水印的研究背景、基本原理、应用领域以及当前国内外的发展状况。

本论文结合数字水印技术的相关知识,讨论了如下问题:(1)数字水印系统模型。

(2)数字水印的基本要求。

(3)数字水印技术的应用前景。

(4)数字水印的分类,包括各类水印的基本概念,相关算法、性能及发展趋势的分析与讨论。

(5)数字水印的关键技术。

(6)MATLAB在图像数字水印技术中的应用关键词: 数字水印信息隐藏版权保护第一章绪论随着数字媒体技术和Internet技术的快速发展，信息媒体的数字化为信息的存取提供了极大的便利性，同时也显著提高了信息表达的效率和准确性。

Internet 的普及又为数字信息在世界范围内的迅速传递开辟了便捷的途径。

特别是随着计算机网络通讯技术的发达，数据的交换和传输变成了一个相对简单的过程。

现在，数字音频、数字图像和数字视频等各种数字作品在网络上的发布比比皆是。

人们借助于计算机、数字扫描仪、打印机等电子设备可以方便、迅速地将数字信息传输到所期望的地方，数字信息存储与传输技术的不断进步，带动了数字媒体应用的飞快发展。

然而，开放的网络环境和便捷的信息处理技术，也导致信息安全和数字作品版权保护的问题日趋严重，这些数字形式的文件或作品使有恶意的个人和团体在没有得到作品所有者的许可下拷贝和传播有版权的内容，例如，盗版者利用便利的网络信息制造出和原版一样复制品来获取暴利；一些重要的文件信息遭到篡改伪造和恶意攻击等等。

这一系列便于我们使用的数字化特性所带来的负面效应，已成为信息产业健康、持续发展的一大障碍。

对数字化信息产品实施有效的版权保护，成为迫在眉睫的研究课题。

数字水印技术是信息隐藏技术研究领域的重要分支，作为传统加密技术的有效补充，近年来引起人们的高度重视，被认为是解决上述问题的最具潜力的技术之一，已成为信息安全领域的一个研究热点。

在多媒体信息中加入数字水印可以确认版权所有者、认证多媒体信息来源的真实性、识别购买者、提供有关数字内容的其它附加信息、确认所有权认证和跟踪侵权行为等等。

它在篡改鉴定、数据的分级访问、数据跟踪和检测、商业和视频广播、Internet数字媒体的服务付费、电子商务认证鉴定等方面具有十分广阔的应用前景。

第二章 图像数字水印技术的基本原理及算法2.1图像数字水印的基本原理数字水印技术是通过一定的算法将一些标志性信息直接嵌到多媒体内容当中, 但不影响原内容的价值和使用, 并且不能被人的知觉系统觉察或注意到。

水印信息可以是作者的序列号、公司标志、有特殊意义的文本等, 可用来识别文件、图像或音乐制品的来源、版本、原作者、拥有者、发行人、合法使用人对数字产品的拥有权。

与加密技术不同,数字水印技术并不能阻止盗版活动的发生, 但它可以判别对象是否受到保护, 监视被保护数据的传播、真伪鉴别和非法拷贝, 解决版权纠纷并为法庭提供证据。

为了给攻击者增加去除水印的难度, 目前大多数水印制作方案都采用密码学中的加密(包括公开密钥、私有密钥) 体系来加强, 在水印的嵌入、提取时采用一种密钥, 甚至几种密钥联合使用。

2.1.1水印的生成水印可由多种模型构成，如随机数字序列、数字标识、文本以及图像等。

从鲁棒性和安全性考虑，常常需要对水印进行随机化以及加密处理。

设I 为原始图像，W 为水印信号，K 为密钥，那么加密处理后的水印W ~由函数F 定义如下：W ~=F （I ，W ，K ） （2-1）如果水印所有者不希望水印被其他人知道，那么函数F 应该是非可逆的，如经典的DES 加密算法等。

这是将水印技术与加密算法结合起来的一个通用方法，目的是为了提高水印的可靠性、安全性和通用性。

2.1.2 水印的嵌入本文算法利用Watson 提出的小波域人眼视觉系统的可见度阈值（JND ），将宿主图像的小波系数量化为{0,1}序列，将此作为该图像的水印，并以稀疏矩阵的形式存储下来。

为了在不损坏原始图像质量的情况下，把能量尽可能大的水印信息嵌到图像中，使认证水印具有对有损压缩等一般性操作最大的鲁棒性，本算法采用可见度阈值（JND ）作为量化间隔。

水印嵌入过程如图1所示。

算法步骤如下：2.1.3 水印的提取和检测水印提取和检测过程分别如图2-2和2-3所示。

水印的提取和检测可以作用于任何产品，提取和检测可以需要原始产品的参与，也可以不需要原始产品的参与。

若将这一过程定义为解码函数D ，那么输出可以是一个判定水印存在与否的0-1决策，也可以是包含各种信息的数据流，如文本、图像等。

如果己知原始图像I 和有版权疑问的图像W I ˆ，则有： ()I I D W W ,ˆ=∙ （2-5）图2-2 水印提取框图在某些水印系统中，水印可以被精确地抽取出来，这一过程被称作水印提取。

比如在完整性认证应用中，必须能够精确地提取出插入的水印，并且通过水印的完整性来确认多媒体数据的完整性。

如果提取出的水印发生了部分的变化，最好还能水印信号 原始信号 密 匙 水印嵌入算法 嵌入水印后的信带水印信号 原始信号 密 匙 水印嵌入算法 提取的水印信号够通过发生变化的水印的位置来确定原始数据被篡改的位置。

对于强壮水印，通常不可能精确地提取出插入的原始水印，因为一个应用如果需要强壮水印，说明这个应用很可能遭受到各种恶意的攻击，水印数据历经这些操作后，提取出的水印通常已经面目全非，这时需要一个水印检测过程。

水印检测框图如图2-3所示：图2-3 水印检测框图 从以上论述可以看出，水印提取的任务是从嵌入水印的数据中提取水印信号，而水印检测的任务是判断某一数据内容中是否存在指定的水印信号。

另外，水印检测的结果依赖于一个阐值，当相关性检测的结果超过这个闽值时，给出含有指定水印的结论。

通常水印检测的第一步是水印提取，然后是水印判决。

水印判决的通行做法是相关性检测。

选择一个相关性判决标准，计算提取出的水印与指定的水印的相关值，如果相关值足够高，则可以基本断定被检测数据含有指定的水印。

检测器的输出结果如充分可信则可在法庭上作为版权保护的潜在证据。

2.1.4 仿真实验结果为验证本文所提出的认证方法是否能够满足对一般性操作具有鲁棒性、对篡改操作具有敏感性的要求，我们对标准图像进行了测试。

图像分解层数L=4。

采用峰值信噪比客观评价水印图像的质量。

待检测信号 原始信号 密 匙 水印检测 判断 含水印 无水印Y N2.1.5 水印的评价标准不同的应用对水印的特性要求是不同的。

水印的特性对水印系统的性能提供了准确的评估,如何在多种性能评价标准下选择性能的指标,则是由具体的应用来决定的。

同时,也可以根据应用的需求调整水印系统的特性,使各个特性在调整的过程中获得平衡。

某个特性的改善,通常是通过牺牲其他特性得到的。

水印的特性可以从以下几个方面来研究:1.嵌入水印的有效性:成功地将水印信息嵌入到随机载体的概率。

2.失真率:嵌入水印后宿主与原宿主的差别。

3.盲检测:不需要宿主信息就可以检测出水印信息。

4.带辅助信息检测:需要原始载体有关的信息,才能检测出水印。

5.鲁棒性:水印系统承载常规处理的能力。

6.安全性:水印系统抵抗恶意攻击的能力。

7.密钥:水印信息的加密解密或者通过密钥来控制水印的嵌入和提取。

8.多水印:同一载体中是否可以嵌入多个水印(互不干扰)。

9.水印容量:水印系统可以携带的最大有效载荷数据量。

10.计算量:嵌入算法与提取算法的计算成本。

2.2图像数字水印应具备的特点(1) 不可感知性(unperceptivity) 。

不可感知包含两方面的意思, 一个指视觉上的不可感知性(对听觉也是同样的要求) , 即因嵌入水印导致图像的变化对观察者的视觉系统来讲应该是不可察觉的,最理想的情况是水印图像与原始图像在视觉上一模一样, 这是绝大多数水印算法所应达到的要求; 另一方面水印用统计方法也是不能恢复的, 如对大量的用同样方法和水印处理过的信息产品即使用统计方法也无法提取水印或确定水印的存在。

(2) 鲁棒性( robustness) 。

加入水印的图像在传播过程中必然会受到各种有意或无意的干扰。

一个数字水印应该能够承受大量的、不同的物理和几何失真, 包括有意的如: 恶意攻击、移去水印和使水印无法提取, 无意的如: 图像压缩、滤波、扫描与复印、边缘增强、抖动、APD、DPA 转换等信号处理、噪声污染、尺寸变化等。

(3) 安全性( safty) 。

即使水印算法公开, 它同样能防止未授权团体移去水印或加入一个假的水印。

(4) 透明性(invisibility) 。

利用人类视觉系统或人类听觉系统属性, 经过一系列隐藏处理, 使目标数据没有明显的降质现象, 而隐藏的数据却无法人为地看见或听见。

(5) 可证明性(justification) 。