1、厦门大学软件学院毕业论文 1 摘要 随着计算机和网络技术的飞速发展，数字文档、图像、音频和视频等多媒体产品得到日益普及和广泛应用。但是，数字化产品在发布和传送过程中容易被侵权、盗版或随意篡改，数字产品的版权保护问题已经成为世界各国期待解决的问题之一。数字水印处理技术作为一种新的可以有效解决数字产品版权保护问题的技术手段，近年来已成为信号与信息处理领域的研究热点。它通过在数字产品中秘密地嵌入不可感知的信息 水印来确定产品的所有权或检验其内容的原始性。 数字水印技术是 1994 年提出的相当新的一种信息伪装技术。它的基本思想是在数字图像、音 频和视频等产品中嵌入秘密的信息以便保护数字产品的版权或证
2、明产品的真实可靠性。数字水印技术一方面弥补了密码技术的缺陷，因为它可以为解密后的数据提供进一步的保护。本文旨在解决数字产品发布过程中防侵权、防盗版和防篡改的技术理论问题，对版权保护和鉴别、保密通信、电子商务和网络化测试等领域有重要学术意义和实用价值。 本课题使用 OpenCV进行图像读写；以 Microsoft Visual C+ 6.0 为开发平台，使用 C+编程语言，在图像信息的变换域上采用能量差技术实现水印信号的嵌入和检测 ,将 bmp 格式的水品嵌入图像 文件，并即时提取嵌入的水印。 关键词 数字水印，能量差，差分能量，离散余弦变换 厦门大学软件学院毕业论文 2 Abstract Wi
3、th the rapid development of computer and network, digital products, such as text, image, audio and video, have been popularized increasingly and applied widely. However, the issue of copyright protection needs to be solved urgently since digital products can be easily copied, pirated or tampered wit
4、h in the transmission process. As a new and effective approach to solve the copyright protection problem, digital watermarking has become a very active research area within the field of signal and information processing. The imperceptible information - watermarking is secretly embedded into digital
5、products which can be used to establish the copyright ownership or verify the originality of the contents. Digital watermarking is really a new information hiding technique, which is first presented in 1994. The basic idea is to embed secret information into the digital products such as image, video
6、 and audio, to protect the copyright of digital products or to verify the products. In the one hand, digital watermarking can make up the shortcomings of cryptography, because it can protect the decrypted data. It is of importance and value to the fields such as copyright protection and authenticati
7、on, secret transmission, electronic business and network testing. This paper uses OpenCV reading and writing image document. Microsoft Visual C+ 6.0 is developing platform, and C+ is programming language. DEW (differential energy watermarking) is core technology, and the watermark embeds BMP formatt
8、ing watermark into the image document and duly abstract the embedded watermark. Key words Digital watermark， differential energy watermarking， DCT 厦门大学软件学院毕业论文 3 目 录 第一章 选题背景 . 7 1.1 数字水印简介 . 7 1.1.1 数字水印的基本特征 . 8 1.1.2 数字水印的基本原理 . 11 1.1.3 数字水印的研究现状 . 11 1.2 图像文件格式介绍 . 12 1.2.1 Bmp 格式概要 . 12 1.2.2
9、存储算法 . 12 1.2.3 Bmp 格式文件的存储形式 . 13 1.3 开发工具 . 13 1.3.1 OpenCV. 13 1.3.2 Microsoft Visual C+ 6.0. 14 第二章 图像文件的数字水印技术介绍 . 17 2.1 空域技术 . 17 2.1.1 LSB 位算法 . 17 2.1.2 空域技术优缺点 . 17 2.2 变换域技术 . 18 2.2.1 基于离散余弦变换 . 18 2.2.2 基于小波变换 . 18 2.2.3 基于付氏变换 . 19 2.2.4 变换域技术的优缺点 . 19 第三章 基于 OpenCV 的能量差数字水印的详细设计 . 20
10、3.1 算法的基本思想 . 20 3.2 水印嵌入过程 . 22 3.3 水印提取过程 . 23 第四章 基于 OpenCV 的能量差数字水印试验 . 25 厦门大学软件学院毕业论文 4 4.1 水印的嵌入 . 25 4.2 水印的提取 . 27 4.3 对水印的鲁棒性进行测试 . 28 第五章 结束语 . 30 致 谢 . 31 参考文献 . 32 厦门大学软件学院毕业论文 5 CONTENTS Chapter 1 SUBJECT BACKGROUND . 7 1.1 The Introduction of Digital Watermark. 7 1.1.1 Digital Waterma
11、rking Technology Features . 8 1.1.2 Digital Watermarking Theory . 11 1.1.3 Digital Watermarking Researching State . 11 1.2 The Introduction Of The Image File Format. 12 1.2.1 Brief Introduction of BMP Format Image Document. 12 1.2.2 Storage Arithmetic . 12 1.2.3 BMP Storage Format. 13 1.3 Develop To
12、ols . 13 1.3.1 OpenCV . 13 1.3.2 Microsoft Visual C+ 6.0. 14 Chapter 2 INTRODUCTION OF DIGITAL WATERMARK IN IMAGE DOCUMENT.17 2.1 The Technology Of Airspace . 17 2.1.1 The Arithmetic Of LSB . 17 2.1.2 The Advantage And Disadvantage Of The Technology Of Airspace. 18 2.2 The Technology Of Transpositio
13、nal Space . 18 2.2.1 Using The Technology Of DCT . 18 2.2.2 Using The Technology Of DWT . 19 2.2.3 Using The Technology Of DFT . 19 2.2.4 The Advantage And Disadvantage Of The Technology Of Transpositional Space . 20 Chapter 3 IMPLEMENTATION OF THE DIFFERENTIAL ENERGY WATERMARK.20 3.1 DEW Algorithm
14、. 23 3.2 Watermark Embedding. 25 3.3 Watermark Extraction And Detection . 25 Chapter 4 WATERMARKING SYSTEM DEMONSTRATION. 25 4.1 Watermark Embedding. 25 厦门大学软件学院毕业论文 6 4.2 Watermark Extraction And Detection . 27 4.3 Testing of Robustness . 28 Chapter 5 CONCLUDING REMARKS . 30 ACKNOWLEDGEMENT . 31 RE
15、FERENCE. 32 厦门大学软件学院毕业论文 7 第一章 选题背景 1.1 数字水印简介 近年来，计算机和网络的飞速发展在许多方面改变 了人们的生活。人们的很多创作和生产成果都以数字方式进行存储和传输。基于计算机网络的多媒体信息交换，数字产品的使用、传播可使基于计算机网络的多媒体信息交换更为便利。数字文本、图像、音频和视频等多媒体产品因此得到日益普及和广泛应用。数字媒体产品本身具有可以被大批量、无失真地复制，可通过网络高效传输等优点，然而这也带来了版权保护和信息安全的问题。这个问题在很大程度上阻碍了信息数字化发展。世界各国政府、企业和科研部门对此高度重视，其中如何防止数字产品被侵权、盗版和
16、随意篡改，已成为了一项重要的技术课题。 对于这个课题 ，加密传输是最初的设想，即首先将多媒体数据文件加密成密文后发布，使得网络传递过程中出现的非法攻击者无法从密文获得机密信息，从而达到版权保护和信息安全的目的，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妨碍多媒体信息的传播；另一方面多媒体信息经过加密后容易引起攻击者的好奇和注意，并有被破解的可能性，而且一旦加密文件经过破解后其内容就完全透明了。而数字水印处理技术弥补了加密传输不能对解密后的数据提供进一步保护的不足。 这种技术通过在数字产品中嵌入可感知或不可感知的信息来确定产品的所有权或校验其内容的 真实性和完整性。信息之所以能够隐
17、藏在多媒体数据中是因为：一方面多媒体信息本身存在很大的冗余性；另一方面，人眼或人耳本身对某些信息都有一定的掩蔽效应，比如人眼对灰度的分辨率只有几十个灰度级；对边沿附近的信息不敏感等。利用人的这些特点，可以很好地将信息隐藏而不被察。当非法用户截获到含密文件后，他只能解读文件载体的内容，而不会意识到其中含有秘密信息，或即使知道其中含有隐秘信息也不能解读出来。 数字水印可以有不同的分类：根据数字水印的嵌入结果可将其分为可感知的数字水印和不可感知的数字水印；根据数字水印嵌入域的不同 可将其分为空间域字水印和变换域数字水印；根据数字水印的提取过程是否需要原始作品参与将其分为盲提取水印和非盲提取水印（或称
18、为公有数字水印和私有数字水印）；还可以根据数字水印的鲁棒性特征将其分为易碎水印、半易碎水印和鲁棒水印；此外，根据载体的不同还可以将其分为文本水印、图像水印、音频水印和视频水印。 厦门大学软件学院毕业论文 8 1.1.1 数字水印的基本特征 水印就是向被保护的数字对象 (如静止图像、视频、音频等 ) 嵌入某些能证明版权归属或跟踪侵权行为的信息 ,可以是作者的序列号、公司标志、有意义的文本等等。与水印相近或关系密切的概念有很多 ,从目前出现的文献中看 ,已经有诸如信息隐藏、信息伪装、数字水印和数字指纹 (fingerprinting) 等概念。在某种意义上 ,它们是互相重叠而且常常被不加区别地使用
19、。 一般地，数字水印应有如下的几个基本特征： （ 1） 可证明性 水印应能为受到版权保护的信息 产品 的归属提供完全和可靠的证据。水印算法识别被嵌入到保护对象中的所有者的有关信息（如注册的用户号码、 产品 标志或有意义的文字等）并能在需要的时候将其提取出来。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。这实际上是发展水印 技术 的基本动力，虽然从目前的文献来看，对其研究相对少一些。就目前已经出现的很多算法而言，攻击者完全可以破坏掉图像中的水印，或复制出一个理论上存在的 “原始图像 ”，这导致文件所有者不能令人信服地提供版权 归属的有效证据。因此一个好
20、的水印算法应该能够提供完全没有争议的版权证明，在这方面还需要做很多工作。 （ 2） 不可感知性 不可感知包含两方面的意思，一个指视觉上的不可见性，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。 （ 3） 鲁棒性 鲁棒性问题对水印而言极为重要。鲁棒性是一个 技术 术语，简单而言，就是指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
21、）或无意的（如图像 压 缩 、扫描与复印、噪声污染、尺寸变化等等）。在经过这些操作后，鲁棒的水印算法应仍能从水印图像中提取出嵌入的水印或证明水印的存在。如果不掌握水印的所有有关知识，数据 产品 的版权保护标志应该很难被伪造。若攻击者试图删除水印则将导致多 媒体 产品 的彻底破坏。假设一个读者在网上 下载 了数字图书馆发布的作品，打印出来并非法大量散发以牟取厦门大学软件学院毕业论文 9 利益，那么包含水印的作品应能在有物理失真的情况下依然提供足够的版权证据。 水印嵌入算法的研究非常活跃，层出不穷。总体上可以分成两类，一类是空间域算法，另一种是变换域算法。空间域算法的典型代表 Schyndel 提
22、出的将水印信息叠加或替换载体信号的LSB 位算法。变换域算法的典型代表是由 Cox 等人提出的离散余弦 变换法。也有很多学者研究了小波变换、分形和混沌等理论在水印嵌入方面的应用。衡量水印嵌入算法优劣的因素主要有：保真性、鲁棒性、安全性、计算复杂性等。所谓保真性也称为不可见性，是指嵌入水印后的媒体在视觉或听觉上不能明显感觉出来有什么区别。所谓鲁棒性也称为稳健性，是指水印系统能抵抗各种信号处理和攻击的能力。所谓安全性，是指水印不易被复制、伪造、非法检测和移去的能力。所谓低复杂性，是指水印的嵌入和提取算法复杂度低，便于推广应用。 1.1.1.1 数字水印的类别 按特性划分 按水印的特性可以将数字水印
23、分为鲁棒数字水印 和易损数字水印两类。鲁棒数字水印主要用于在数字作品中标识著作权信息，利用这种水印技术在多媒体内容的数据中嵌入创建者、所有者的标示信息，或者嵌入购买者的标示（即序列号）。在发生版权纠纷时，创建者或所有者的信息用于标示数据的版权所有者，而序列号用于追踪违反协议而为盗版提供多媒体数据的用户。用于版权保护的数字水印要求有很强的鲁棒性和安全性，除了要求在一般图象处理（如：滤波、加噪声、替换、压缩等）中生存外，还需能抵抗一些恶意攻击。 易损水印（ Fragile Watermarking），与鲁棒水印的要求相反，易损数 字水印主要用于完整性保护，这种水印同样是在内容数据中嵌入不可见的信息
24、。当内容发生改变时，这些水印信息会发生相应的改变，从而可以鉴定原始数据是否被篡改。易损水印应对一般图象处理（如：滤波、加噪声、替换、压缩等）有较强的免疫能力（鲁棒性），同时又要求有较强的敏感性，即：既允许一定程度的失真，又要能将失真情况探测出来。必须对信号的改动很敏感，人们根据易损水印的状态就可以判断数据是否被篡改过。 按水印所附载的媒体划分 按水印所附载的媒体，我们可以将数字水印划分为图像水印、音频水印、视频水印、文本水印以及用于三维 网格模型的网格水印等。随着数字技术的发展，会有更多种类的数字媒体出现，同时也会产生相应的水印技术。 按检测过程划分 按水印的检测过程可以将数字水印划分为明文水
25、印和盲水印。明文水印在检测过程中需厦门大学软件学院毕业论文 10 要原始数据，而盲水印的检测只需要密钥，不需要原始数据。一般来说，明文水印的鲁棒性比较强，但其应用受到存储成本的限制。目前学术界研究的数字水印大多数是盲水印。 按内容划分 按数字水印的内容可以将水印划分为有意义水印和无意义水印。有意义水印是指水印本身也是某个数字图像（如商标图像）或数字音频片段的编码；无意义水印则 只对应于一个序列号。有意义水印的优势在于，如果由于受到攻击或其他原因致使解码后的水印破损，人们仍然可以通过视觉观察确认是否有水印。但对于无意义水印来说，如果解码后的水印序列有若干码元错误，则只能通过统计决策来确定信号中是
26、否含有水印。 按用途划分 不同的应用需求造就了不同的水印技术。按水印的用途，我们可以将数字水印划分为票证防伪水印、版权保护水印、篡改提示水印和隐蔽标识水印。 票证防伪水印是一类比较特殊的水印，主要用于打印票据和电子票据、各种证件的防伪。一般来说，伪币的制造者不可能对票据图像进行过多的修 改，所以，诸如尺度变换等信号编辑操作是不用考虑的。但另一方面，人们必须考虑票据破损、图案模糊等情形，而且考虑到快速检测的要求，用于票证防伪的数字水印算法不能太复杂。 版权标识水印是目前研究最多的一类数字水印。数字作品既是商品又是知识作品，这种双重性决定了版权标识水印主要强调隐蔽性和鲁棒性，而对数据量的要求相对较
27、小。 篡改提示水印是一种脆弱水印，其目的是标识原文件信号的完整性和真实性。 隐蔽标识水印的目的是将保密数据的重要标注隐藏起来，限制非法用户对保密数据的使用。 按水印隐藏的位置划分 按数字水印 的隐藏位置，我们可以将其划分为时（空）域数字水印、频域数字水印、时 /频域数字水印和时间 /尺度域数字水印。 时（空）域数字水印是直接在信号空间上叠加水印信息，而频域数字水印、时 /频域数字水印和时间 /尺度域数字水印则分别是在 DCT 变换域、时 / 频变换域和小波变换域上隐藏水印。 随着数字水印技术的发展，各种水印算法层出不穷，水印的隐藏位置也不再局限于上述四种。应该说，只要构成一种信号变换，就有可能在其变换空间上隐藏水印。
