基于傅立叶变换的数字水印嵌入技术 第2页
第一章 绪论
1.1 论文的背景、目的和意义
随着社会信息化的发展，信息在社会中的地位和作用越来越重要。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。特别是随着计算机网络通讯技术的发展，数据的交换和传输变成了一个相对简单的过程，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。随之而来的副作用是这些数字形式的数据文件或作品使有恶意的个人和团体有可能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，现代盗版者仅需轻点几下鼠标就可以获得与原版一样的复制品，并以此获取暴利；而一些具有特殊意义的信息，如涉及司法诉讼、政府机要等信息，则会遭到恶意攻击和篡改伪造等等。
这一系列数字化技术本身的可复制和广泛传播的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，目前，数字媒体的信息安全、知识产权保护和认证问题变得日益突出，且已成为数字世界中一个非常重要和紧迫的议题。尤其是数字产品在网络中发布、传输存在的安全性问题。
“信息提供者”是数字产品的版权所有者，他们通过网络发布数字产品。“信息消费者”是数字产品的消费者，他们希望通过网络接受到数字产品（因为网络可以减少不必要的成本，如邮费等）。“攻击者”是非法用户、未经授权的供应者和蓄意破坏者的总称，他们未经合法版权所有者的许可，重新发布产品或有意破坏原始作品并重新发布其不可信版本。从而信息消费者难免间接收到盗版的副本。数字产品受到的间接攻击主要来自两个方面：
一、恶意篡改
修改数字产品的内容，使得合法用户接收到的数字产品不真实、不可靠、甚至失去原有的使用价值。
二、侵犯版权
1.非法使用：未经版权所有者的容许非法复制或翻印数字产品。
2.非法转卖：未经版权所有者的容许将数字产品转卖。
3.破坏版权：将数字产品所携带的版权信息消除，使得该产品得不到正当的保护。
以前解决数字产品安全的问题是通过密码学方法完成的，即首先将数字产品加密成密文然后发布，使得网络传输过程中的非法攻击者无法从密文中获得机密信息，从而达到信息安全的目的，但这并不能完全解决问题，一方面加密后的文件因其不可理解性而大大妨碍了信息的传播，另一方面文件解密后内容完全透明，将不再受到保护，无法幸免于盗版和侵权。因而传统的密码学方法已经受到了十分严峻的挑战。
在这种情况下，信息隐藏技术引起了人们的高度重视。信息隐藏是将有用的或重要的信息隐藏于其他信息里面以掩饰其存在。由其发展和演变而来的数字水印技术成为了当前国际学术界研究的一个前沿方向和热点。
在数字产品的网上交易和传输中，有两个关键的技术问题需要解决：一是数字产品的访问控制和安全传输；二是数字产品内容的保护。
访问控制需要解决用户的认证及管理、对多媒体产品数据库的访问控制以及数据的安全传输等问题，该问题可由传统的密码学方法解决。
第二个问题主要分两个部分：一是版权保护，二是内容完整性（真实性）的保护。第二个问题就要用到数字水印技术了，而传统的密码学方法无能为力。
数字水印属于信息隐藏的一种，它是将具有确定性和保密性的信息（水印）嵌入到数字产品（静止图像、语音、文档、视频等）中，使之作为原始数据的一部分而保留在其中，从而实现隐藏传输、存储、标注、身份识别、版权保护等功能。可见，一方面，它可以被用来证明原创作者对其作品的所用权，作为鉴定、起诉非法侵权的证据；另一方面，作者还可以通过对其数字产品中的水印进行探测和分析来实现对作品的动态跟踪，从而保证其作品的完整性，因而数字水印已经成为了知识产权保护和数字产品防伪的有效手段。
数字水印版权保护的基本手段是将版权、产品的标识码以及购买者的信息等（称为水印信号）嵌入到数字产品中。嵌入的水印信号应当不降低原数据的质量、且在感觉上不易察觉（即不可见水印，可见水印由于容易受到攻击，目前已不是研究的主流方向），能够经受一定的攻击而不被清除，需要时可以通过检测（提取）嵌入的水印信息来鉴别数字产品的版权、认证该数据的真伪或辨识该产品的原购买者、进行完整性鉴定等等[1]。
1.2 国内外数字水印研究现状
数字水印技术是近年来发展起来的一项重要应用研究，其学术特点在于它横跨计算机科学、图像信息处理、多媒体技术、模式识别、密码学、数字通讯等众多学科和领域。作为数字化时代的一门新兴技术，它尚未形成一套独立完整的学科理论体系，但其重要的现实作用已经引起国内外众多学者、研究机构和公司的极大兴趣，成为当前信息科学中的一个新颖且具有广阔应用前景的研究热点。
根据数字水印技术作用域的不同，数字水印技术可以分为空间域水印技术和变换域水印技术，我们从两种域空间来说明数字水印技术的国内外研究现状。
空域技术直接更改图像的数据，通常是在图像的亮度或彩色光带或者在两者之上加一个调制信号来嵌入数字水印。该技术属于早期研究，目前的水印技术大都是基于最低有效位LSB（Least
Significant Bit）方法。该方法把水印信息放在图像数据的最低位上，保证了水印的不可见性，但它的鲁棒性差，一般的图像压缩和量化就可以把大部分水印去掉。
变换域水印技术是先将图像变换到频率域，改变图像的频率域系数，然后进行反变换得到加入水印的图像。几种最常见的变换是离散傅立叶变换（DFT），离散余弦变换（DCT），离散小波变换（DWT）等。
一种基于分块DCT变换的数字图像水印算法，该算法将图像先分成8×8块，并对每一块做DCT，然后选择其中的一部分作为修改的对象。接着在所选块中，根据一定的规则挑选一些位于中频的DCT系数嵌入水印。
一种基于Gaussian网分类器的图像水印算法，修改其中选定的像素点，使得它们的DCT系数满足一定的约束条件，该算法抗JPEG压缩能力非常好。
一种基于DCT域的水印算法，将一串随机序列加到选定的图像的DCT系数中，并在算法中利用了HVS的屏蔽性，从而更好地满足了水印的不可见性，这种算法在提取水印时不需要原始图像。
一种新的盲图像水印检测算法，在DCT域嵌入水印，采用符号相关检测来检测水印。
随着JEPG2000的标准化和DCT到DWT图像压缩方法的转变，基于DWT的水印方案引起了人们越来越多的兴趣。Inoue等人提出了一种基于DWT数字水印方法，该方法通过使用控制量化处理，把信息嵌入到图像信号的低频成分，然后使用量化步长和低频域的均值幅度提取水印，这种方法不需要原始图像。
为了提高水印的鲁棒性，人们研究人的视觉特性，实现水印的自适应嵌入，如Podilchuk等人提出一种基于DWT的自适应水印方法。Barni等人考虑人眼的视觉分布，根据Lewis等人提出的视觉掩盖模型实现水印的自适应嵌入，该方法考虑了视觉对各子带方向的敏感特性，各子带的亮度特性和纹理特性，具有很好的效果。
Kundur等人利用多尺度融合技术，结合人类视觉模型提出一种静止图像水印技术，该方法将Dooley提出的对比敏感特性模型扩展为二维模型，根据此模型计算每个自带的对比敏感系数，从而实现水印的嵌入，在提取水印时需要原始图像。
随着水印算法研究的逐渐深入，对水印的鲁棒性要求也越来越高，因此水印算法的研究也与更多的学科相结合，如通信与信息理论、图像与语音处理、信号检测与估计、数据压缩技术、人类视觉与听觉系统、计算机网络与应用、电波传播等。从国内外对水印的研究来看：变换域的水印技术是当前数字水印技术研究的主流。
1.3 本论文研究内容
本论文主要从理论的角度研究傅立叶域静止图像的数字水印算法，第一章为绪论，介绍了数字水印技术的产生，国内外研究现状及应用情况，阐述了本论文的研究依据及重要意义。
第二章首先叙述了数字图像水印技术的基本概念及一般框架，介绍了数字水印技术的分类以及攻击与评价标准，最后介绍了一些典型的数字水印算法。
第三章介绍了傅立叶变换及其性质。
第四章提出了一种基于傅立叶域相关性检测的半盲水印算法。
第五章对数字水印技术未来的发展做了展望。
第二章 数字水印技术概述
2.1 数字水印定义及基本特点
目前虽有许多文献讨论有关数字水印技术的问题，但数字水印始终没有一个明确统一的定义。Cox把水印定义为“不可感知地在作品中嵌入信息的操作行为”。
一般认为数字水印应具有如下特点：
1.可证明性：水印应能为受到版权保护的信息产品的归属提供完全可靠的证据。水印算法能够将所有者的有关信息（如注册的用户号码、产品标志或有意义的文字等）嵌入到被保护的对象中，并在需要的时候将这些信息提取出来。水印可以用来判别对象是否受到保护，并能够监视被保护数据的传播、真伪鉴别以及非法拷贝控制等。这实际上也是发展水印技术的基本动力。
2.不可感知性：不可感知性是指视觉或听觉上的不可感知性，即指因嵌入水印导致载体数据的变换对于观察者的视觉或听觉系统来讲应该是不可察觉的，最理想的情况是水印与原始载体在视觉上是一模一样的，这是绝大多数水印算法所应达到的要求。
3.鲁棒性：鲁棒性是指水印应该能够承受大量的物理和几何失真，包括有意的（如恶意攻击）或无意的（如图像压缩、滤波、打印、扫描与复印、噪声污染、尺寸变换等等）。显然在经过这些操作后，鲁棒的水印算法应仍能从水印载体中提取出嵌入的水印或证明水印的存在。一个鲁棒的水印应做到若攻击者试图删除水印将会导致水印载体的彻底破坏。
4.安全性：水印的安全性要求未授权者不能发现数字作品中含有水印信息。或者算法安全性仅仅依赖于密钥而不依赖于算法的保密性。因此在没有密钥的情况下，未授权者即使知道含有水印信息和知道水印算法，也不能提取出水印信息或者破坏水印信息。另外算法还应该能够抵抗合谋攻击。
由于水印特性的要求对应用的依赖型很强，恰当的评价准则和具体的应用有关[4]。
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