毕业论文——抗旋转的鲁棒性数字图像水印研究.doc

1、 本 科 毕 业 论 文 抗旋转的鲁棒性数字图像水印研究 Research of Robust Digital Image Watermarking Against Rotation 姓 名： 学 号： 学 院：软件学院 系：软件工程 专 业：软件工程 年 级： 指导教师： XXXXXXXXXXXXX 二 XX 年 X 月 摘 要 伴随网络和多媒体技术的飞速发展，多媒体数据逐渐成为人们获取信息的重要来源。因 而，如 何保护多媒体信息的安全成为国际上研究的热门课题。数字水印技术正是在这种情况 下应运而生的，它是进行数字媒体版权保护的有效手段之一。它将水印嵌入到数字媒体中， 然后通过检测来确定媒体

2、的版权所有，并可以跟踪数字媒体的使用情况。 自 1993 年来，人们研究了多种水印算法，但数字水印仍然是一个未成熟的领域。一些典型的数字水印算法能抵抗一些简单攻击，如低通滤波、数据压缩、线性滤波和添加噪声的等，但对于缩放、剪切、旋转等几何攻击则效果不佳。抗几何攻击的数字水印是一个极具挑战性的课题，而旋转攻击又是几何攻击中较难的一 种。因此本文提出了一种有效抵抗旋转的数字水印算法。 本文主要工作如下： 研究了目前已有的抗几何攻击的水印算法的思想 不变水印算法和绝对同步算法。 不变水印算法包括 ORuanaidh 等提出的 Fourier-Mellin 算法和基于该算法的改进算 法。绝对同步算法主

3、要是 Pong Dong 等提出的基于图像归一化的算法。 结合现有的抗几何攻击算法的优缺点，提出了一种新的抗旋转的数字水印算法 基 于图像归一化的 DFT 域盲水印算法，首先对图像进行归一化，然后在归一化后的图像中 根据重心选取一个方形区域，将这个区域进行傅里叶变换，修改变换后中频区域的系数 来嵌入水印。将这个利用 matlab 进行仿真，验证算法的有效性。 关键词 ：信息隐藏；数字水印；仿射变换；图像归一化；傅里叶变换 Abstract With the rapid development of networks and multimedia technology, multimedia d

4、ata gradually become an important source of access to information. Therefore, how to protect the security of multimedia information has become a popular subject of study. Digital watermarking technology is created in such circumstances; it is one of the effective means of digital media copyright-pro

5、tected. It will embed a watermark signal in digital media, and then determined by detecting the media Copyright, and can track the use of digital media. Since 1993, people study a variety of watermarking algorithms, but the digital watermarking is still a field of immature. Some typical digital wate

6、rmarking algorithms can resist some simple attacks, such as low-pass filtering, data compression, linear filtering and adding noise and so on, but for scaling, shearing, rotation and other geometric attacks ineffective. Geometric attacks resistant digital watermarking is a challenging task, and the

7、rotation attack is more difficult geometirc attacks. Therefore in this paper, an effective rotation resistant watermarking algorithm is proposed. The major work in this thesis is as follows: Have a study on currently geometric attacks resistant watermarking algorithms,unchanged watermarking algorith

8、m and absolute synchronization wa termarking algorithm. Unchanged watermarking algorithm includes the Fourier-Mellin algorithm proposed by ORuanaidh et al and the improved Fourier-Mellin algorithm. Absolute synchronization method mainly includes the algorithm proposed by Pong Dong et al based on ima

9、ge normalization. Propose a new method based on image normalization and discrete fourier transformation(DFT) to resist the rotation attack. Firstly, normalize the image then choose a square according to the image centroid. After that do discrete fourier transformation. Then embed watermark by modify

10、ing the DFT intermediate frequency coefficient. Then simulate it in matlab and check how it works. Key words: information hiding; digital watermarking; image normalization;DFT transformation. 目录 第一章 绪论 . 1 1.1 数字水印提出的背景 . 1 1.2 数字水印的现状 . 2 1.3 本文主要工作 . 3 1.4 论文结构 . 4 第二章 数字水印基本理论 . 5 2.1 数字水印的基本原理和分

11、类 . 5 2.2 数字水印的特性 . 8 2.3 数字水印的攻击方法 . 9 2.4 本章小结 . 13 第三章 数字水印的典型算法 . 15 3.1 引言 . 15 3.2 时间 /空间域数字水印算法 . 17 3.3 基于扩频的数字水印算法 . 20 3.4 本章小结 . 24 第四章 抗旋转的图像水印算法 . 25 4.1 抗几何攻击数字水印 . 25 4.2 基于图像归一化的 DFT 域幅度值水印 . 39 4.3 算法仿真分析 . 43 4.4 本章小结 . 55 第五章 总结与展望 . 57 5.1 总结 . 57 5.2 展望 . 57 致谢语 . 59 参考文献 . 61 C

12、ontents Chapter 1 Introduction .1 1.1 Background Of Digital Watermarking . 1 1.2 Current Situation . 2 1.3 Contents and Tasks. 3 1.4 Architecture of Thesis . 4 Chaper 2 Basic Principles Of Digital Watermarking .5 2.1 Principles And Category Of Digital Watermarking . 5 2.2 Characteristics Of Digital

13、Watermarking. 8 2.3 Attack Methods Of Digital Watermarking. 9 2.4 Summary . 13 Chapter 3 Classic Algorithms Of Digital Watermarking .15 3.1 Introduction. 15 3.2 Time/Spatial Domain Algorithm Of Digital Watermarking . 17 3.3 Digital Wate rmarking Algorithm Based On Spread Sprectrum . 20 3.4 Summary .

14、 24 Chapter 4 Rotation Resistant Watermarking Algorithm .25 4.1 Geometrical Resistant Watermarking Algorithm. 25 4.2 DFT Domain Digital Wate rmarking Based On Image Normalization . 39 4.3 Algorithm Simutation and Analysis . 43 4.4 Summary . 55 Chapter 5 Conclusions and Future Work .57 5.1 Conclusion

15、. 57 5.2 Further Work . 57 Acknowledgements.59 References .61 第一章 绪论 第一章 绪论 数字水印的基本思想是在原始媒体数据中，隐藏具有一定意义的附加信息作为标记，这 些信息与原始数据紧密结合，并随之一起被传输。在接收端，通过计算机水印信号被提取出 用于各种目的，可能的应用包括数字签名、数字指纹、广播监视、内容认证、拷贝控制和秘 密通信等。数字水印被视为抵抗多媒体盗版的 “最后一道防线 ”。因此从水印技术自身来说， 它具有很广泛的应用前景和巨大的经济价值。 对抗各种攻击的鲁棒性一直是水印研究者关注的一个焦点，其中几何攻击是实际应用中

16、 经常出现的一 种攻击方式，而常规的水印算法对几何攻击常常无能为力，因此对抗几何攻击 的鲁棒性数字水印被认为是极具挑战性的课题，而旋转攻击又是几何攻击中较难的一种。鉴 于此，本文在学习了当前主流的抗几何攻击的水印算法后，提出了一种有效抵抗旋转攻击的 数字水印算法。 1.1 数字水印提出的背景 数字技术使多媒体信息（图像，文本，音频和视频等）的存储、复制与传播变得非常方 便。人们不但可以通过互联网和 CD-ROM 方便快捷地获得多媒体信息，还可以得到与原始数 据完全相同的复制品，而对模拟信息的每一次拷贝都会 存在不同程度上的失真。由此引发的 盗版问题和版权纷争也成为日益严重的社会问题。信息安全成

17、为越来越重要的课题。为此 2006 年 3 月 27 日联合国大会通过决定，确定每年的 5 月 17 日为 “世界信息社会日 ”。 现在版权保护系统多采用密码认证技术如 DVD 光盘的安全密码。然而，遗憾的是，仅 采用密码技术并不能完全解决版权保护问题，密码技术仅能在数据从发送者到接收者的传输 过程中进行数据的加密保护，它并不能帮助销售者监视合法用户如何处理解密后的内容。这 样，盗版者可以购买产品，使用密钥获取无保护 的内容副本，然后继续发行非法副本。换言 之，密码技术只能保护传输中的内容，内容一旦被解密就不再有保护作用了。 上世纪九十年代中期，国际上开始提出并尝试一种新的关于信息安全的概念，

18、开发设计 出一种不同于传统密码学的技术，即将机密资料信息秘密的隐藏于普通的文件中，然后再通 过网络传递散发出去。这样非法拦截者从网络上拦截下来的伪装后的机密资料，并不像传统 加密过的文件那样是一堆乱码，而是看起来和其他非机密性的一般资料无异，因而十分容易 欺骗非法拦截者。而道理如同生物学上的保护色，巧妙地将自己伪装隐藏于 环境中，免于被 1 抗旋转的鲁棒性数字图像水印研究 天敌发现而遭受攻击。这一点是传统加密系统所欠缺的，也是信息隐藏的基本思想。所谓信 息隐藏 (Information Hiding)或更严格的称为信息伪装 (Steganographay)1,意思就是将秘密信息 秘密的隐藏于另

19、一非机密的文件内容之中。 随着相关技术的发展，信息隐藏已经逐渐称为一门独立的学科，其研究范围也不断扩大。 目前，信息隐藏技术研究的领域包括信息隐藏、信息的产权认证、信息访问的合法认定 等。根据主要应用、特点及要求把 信息隐藏技术分为四类，即数字水印、信息伪装、潜信道 和叠像术，见图 1-1。 信息隐藏 数字水印 潜信道 叠像术 信息伪装 易损水印 稳健水印 语义伪装 技术伪装 可见水印 不可感知水印 图 1-1：信息隐藏技术分类 数字水印 (Digital Watermarking)是信息隐藏技术的一个分支，其目的不是为了保密通信， 而是为了标明载体本身的一些信息，具体说就是向被保护的数字对象

20、（如静止图像、视频、 音频的信号、文件等）中嵌入某些能证明保 全归属或跟踪侵权行为的信息，可以使多媒体信 息的创造者、序列号、公司标志、版权信息、使用权限等等。水印信息要求具有抵抗攻击的 稳健性。就是说即使攻击者知道隐藏信息的存在，并且水印算法的原理公开，要求对攻击者 来说，要求对攻击者来说，要毁掉嵌入的水印信息仍是十分困难的（在理想情况下是不可能 的）。 1.2 数字水印的现状 1993 年 A.Z.Tirkel3等人所撰写的 “Electronic watermark”一文中首次使用了 “watermark” 这一术语。这一命名标志着数字水印技术 作为一门正式研究科学的诞生。当时，他们意识到 2