1、 哈尔滨商业大学 本科 毕业设计（论文） 基于 Curvelet变换的数字水印算法的研究 学 生 姓 名： 指 导 教 师： 专 业 班 级 ： 印刷工程 学 号 ： 学 院： 轻工学院 二 XX 年 六 月 十一 日 哈尔滨商业大学毕业设计（论文） I 摘 要 Curvelet变换是在单尺度脊波分析的基础上构造出来的一种多尺度脊波系统。该变换在很大程度上弥补了小波变换的缺陷，不但具有小波变换多尺度的特点，同时还具有较强的方向辨识能力。而且 Curvelet变换对于具有光滑奇异性曲线的目标函数，提供了稳定的、高效的和近乎最优的表示。相对于小波变换来说， Curvelet变换可以更好的表达图像，
2、使信号能量更集中，为图像处理提供了很多有用的信息。 Curvelet变换在图像处理及信息安全领域表现出了极大的优势，引起了人们的广泛关注。 基于此，本文简要介绍了数字水印技术的基本概况，并在此基础上 对基于 Curvelet变换的水印算法作了详细的介绍。 关键词 ： 数字水印技术； Curvelet变换；变换域算法；空域算法 哈尔滨商业大学毕业设计（论文） II Abstract Curvelet transform is constructed on the basis of a single scale on ridgelet out of a multi-scale ridgelet s
3、ystem.This transformation is largely made up for the defects of wavelet transform, not only has the characteristics of multi-scale wavelet transform, also has a strong ability to identify the direction.And Curvelet transform objective function singularity with a smooth curve, providing a stable, eff
4、icie nt and near-optimal representation.With respect to the wavelet transform is, Curvelet transformation can better express the image, the signal energy is more focused, image processing provides a lot of useful information.Curvelet transform in image processing and information security field showe
5、d a great advantage, attracted wide attention. Based on this, this paper introduces the basic overview of digital watermarking technology, and on this basis, based on Curvelet transform watermarking algorithm introduced in detail. Keywords:Digital watermarking technology;Curvelet transform;Transform
6、 domain algorithm;The airspace algorithm哈尔滨商业大学毕业设计（论文） I 目 录 摘 要 . I Abstract . II 1 绪 论 . 1 1.1研究背景及意义 . 1 1.2 国内外研究现状 . 2 1.3 本文的主要工作与内容安排 . 3 1.4 本章小结 . 4 2 数字水印技术简介 . 5 2.1数字水印技术的基本原理 . 5 2.2数字水印技术的基本模型 . 5 2.2.1水印的生成 . 5 2.2.2 水印嵌入模型 . 6 2.2.3 水印提取模型 . 6 2.2.4 水印检测模型 . 7 2.3 数字水印技术的基本特征 . 7 2.
7、4 数字水印技术的分类 . 8 2.5 数字水印技术的应用 .11 2.6 水印的攻击方法 . 13 2.7 水印的评价指标 . 14 2.8 本章小结 . 15 3 数字水印的典型算法 . 16 3.1 基于空间域的数字水印算法 . 16 3.1.1 最低位有效算法 . 16 3.1.2 Patchwork 算法 . 16 3.1.3 纹理块映射编码法 . 16 3.1.4比较分析 . 17 3.2 基于变换域的数字水印算法 . 17 3.2.1 离散傅立叶变换算法 . 18 3.2.2 离散余弦变换算法 . 18 3.2.3 离散小波域变换算法 . 19 3.2.4 比较分析 . 20 3
8、.3本章小结 . 21 哈尔滨商业大学毕业设计（论文） II 4 一种基于 Curvelet变换的数字水印算法 . 22 4.1 Curvelet变换的发展 . 22 4.1.1傅立叶变换 . 22 4.1.2小波变换 . 23 4.1.3脊波变换 . 23 4.1.4比较分析 . 24 4.2 Curvelet变换原理 . 24 4.2.1 第一代 Curvelet变换 . 24 4.2.2 第二代 Curvelet变换 . 25 4.3 Curvelet变换的系数特点分析 . 26 4.4 Curvelet变换的实现方法 . 26 4.5基于 Curvelet变换的关键技术 . 27 4.
9、6 Curvelet变换存在的不足 . 28 4.7 本章小结 . 28 结 论 . 29 参考文献 . 30 致 谢 . 33 哈尔滨商业大学毕业设计（论文） 1 1 绪 论 1.1研究背景及意义 数字水印技术自上世纪 90 年代以来开始蓬勃发展，与其他许多的技术一样，数字水印技术的出现同样有着深刻的历史背景及意义。 二十世纪中期以来，随着多媒体技术和计算机网络技术的飞速发展，数字音频、数字图像及数字视频等数字化的产品越来越多。同时，由于 Internet的便利性和广泛性，使得数字化产品能以多媒体的形式在网络上广泛发布并传播，计算机网络的便捷性及优越性给人们带来了很大的好处 1。然而，人们在
10、享受网络所带来的便利的同时，媒体信息的网络化和数字化也给版权保护带来了极大的挑战。这是由于多媒体产品的数字化特性使得数字式产品极易被非法编辑、拷贝、复制和篡改，人们可以简单方便的对有版权的内容进行无限制的复制和传播，数字式产品的侵权、非法拷贝及盗版问题日益严峻。因此，如何保护这些数字化产品的版权和内容安全成为一个迫在眉睫的问题。针对此类问题，数字水印技术以其独 特的信息隐藏优势，首先引起了人们的广泛关注。 随着科技的进步，信息技术在人们的生活中扮演着越来越重要的角色。在我们的生活中，人们对多媒体信息的编辑、存储、拷贝、传送极其普遍，只有一些机密文件才可能会通过加密在进行传送。这种加密技术虽然提
11、高了信息的安全性，但有时加密保护的能力是有限的，人们只要获得密钥就可以对信息进行任意的修改、传播和使用，一旦信息被破解，就无法起到版权保护的作用。水印技术的出现，弥补了传统加密技术的不足，在一定程度上保护了产品的版权。 数字水印技术是信息隐藏技术在多媒体领域中的一个重要应用， 也是信息隐藏技术研究领域最为重要的一个分支，主要是通过一些隐藏技术对数字化的多媒体产品进行版权保护，是一种较为有效的数字版权保护和数据安全维护技术。数字水印通过将信息隐藏技术与密码学 2相结合，不仅能保证信息自身的安全，还能让信息传递的过程变得更加安全和便利 3。其核心内容是，在不影响原始数据可用性的前提下，将不能被移除
12、的水印信息嵌入到受保护的原始信号中，同时，水印信息可以正确、完整的被提取或检测出来，从而达到解决盗版跟踪和所有权纠纷等问题。 数字水印这门新兴技术自上世纪 90 年代以来，取得了很大的进展， 引起了国内外相关人士的浓厚兴趣，它作为一种新型的信息隐藏技术受到了越来越多的关注和重视，目前也成为多媒体安全领域的一个研究热点 4,5。随着技术经济的发展、计算机网络技术的普及，数字水印技术逐渐成为版权保护的重要手段，它发挥着越来越重要的作用，具有更加广阔的发展空间和应用前景。 哈尔滨商业大学毕业设计（论文） 2 1.2 国内外研究现状 作为信息隐藏技术最为重要的一个分支，自 20世纪 90年代以来，随着
13、人们对版权保护意识的增强，数字水印技术的研究引起了国内外研究者的极大兴趣，成为国内外学者的研究热点。 早期的数字水印算法主要在空域实现 ，而且大都是针对数字图像进行研究的，该技术最早出现于 1993 年 A. Z. Tirkel 等人撰写的“ Electronic water mark”一文中 6。在这篇文章中第一次出现了“ water mark”这一术语，这标志着数字水印这门新兴学科的诞生。后来将两个词合二为一，于是“ watermark”一词就出现了，而现在通常都是用“ digital watermarking”表示“数字水印”。 1994年， R.G. Schyndel 等人在 IEEE
14、 国际图像处理会议上发表了一篇题为“ A Digital Watermark”的文章，在这篇文章中首次介绍了“数字水印”这一重要概念 7。当时，他们对数字水印的重要性已有了深刻的认识，提出了可能的应用领域，并针对灰度图像提出了两种方案，即在图像的最低有效位中嵌入水印，该方案简单高效，但水印的鲁棒性较差，使得水印信息无法被正确提取。为了提高数字水印的鲁棒性， 1996 年 Cox 等人 8提出了一种基于扩频通信思想的水印方案，利用离散余弦变换技术向静止的图像中添加标记来提高水印的鲁棒性。但该方法也存在着一些缺陷，在提取水印时，都需要利用原始载体或原始水印的相关信息，因此它不 是盲水印方案。之后，
15、在 1998年， Chen等人 9提出了一类盲水印方案。该方案使用量化器嵌入水印，在鲁棒性和容量等方面都具有良好的性能，已成为数字水印技术中比较典型的一个方案。 数字水印从正式提出到现在的二十多年间已成为学术界及一些大公司关注的焦点。从 1994 年至今，国内外学术界就已陆续发表关于数字水印的文章，且发表文章的数量越来越多，几个影响比较大的国际会议（如 IEEE ICPC、 IEEE ICASSP、 ACM Multimedia等）及一些国际杂志（如 Proceedings of IEEE、 Signal Processing、 IEEE Journal of Selected Areas o
16、n Communication、 Communications of ACM等）都出版了与数字水印相关的文章。国外已有一些著名的大学和研究机构，如美国的 MIT 大学、Purdue 大学、 IBM 研究所，英国剑桥大学，德国的 Erlangen Nuremberg 大学及日本的 NEC 研究所等都已对数字水印技术进行了研究，并获得了一定的成果。一些公司还推出了数字水印方面的软件产品，最具代表性的有美国的 Digimarc 公司、 Alpha公司 、 MediaSec公司、 Verance公司、 Activated Content公司，英国的 Signum技术公司，荷兰的 Philips研发中心
17、，以色列的 Aliroo公司以及瑞士的 Alpvision公司等。此外，在数字水印的应用方面， Microsoft 和 IBM等公司对其进行了研究。以上资料证明，在国际上，人们开始更多的关注和使用数字水印技术了。 随着数字水印技术的飞速发展和技术交流的加快，在我国，数字水印技术也得到哈尔滨商业大学毕业设计（论文） 3 了很大的重视。 1999 年召开的六届“全国信息隐藏及多媒体信息安全学术研讨会”已出现了数字水印专题。 2000年 1月，国家 863计划智能计算机专家组织召开了“数字水印技术学术研讨会”，来自国家安全测评认证中心、中科院以及国内各大高校的专家、学者进行了深入的探讨，会议取得了圆
18、满成功。从目前的发展情况来看，我国在相关领域的研究与世界水平越来越近，而且还拥有自己与众不同的研究思路和成果。 2001 年 3 月，国防科技大学第一次在数字水印技术中应用了整数 DCT 变换，这种多维整数 DCT 算法的运算效率效率比目前的有效算法高，同时还使用 HASH 函数对图像的变换系数的位置进行加密，将水印图像的信息嵌入到 IntDCT 系数 的中低频中，在很大程度上提高了水印的安全性。 2003 年 9 月，北京邮电大学推出了“数字水印应用系统”，该系统利用离散变换和小波理论设计出了一种新型的水印算法 10。自从 1999 年第一届全国信息隐藏学术研讨会在北京电子技术应用研究所召开
19、以来，到目前为止，在 2013年 10月的西安举办了第十一届大会，出现很多优秀的文章，并且取得了很多相关的研究成果，得到了人们很大的肯定。总的来说，我国数字水印技术已初步发展起来，并具有一定的规模，但也存在许多需要解决的实际问题，今后我国在数字水印方面的研究任重而道远。 到目前为止 ，数字水印技术主要在图像水印、视频水印、音频水印和文本水印等方面应用比较广泛，由于图像是最基本的多媒体数据，且互联网的发展也为图像水印提供了大量的应用需求，所以水印得研究和文章大都集中在对图像的研究上。近年来关于音频水印和视频水印的研究变得越来越多。数字水印的研究主要集中在水印模型、鲁棒性数字水印算法和水印系统性能
20、分析等方面。数字水印的应用方向主要包括数字化版权保护、商务票据防伪、盗版跟踪、隐蔽控制、内容认证和使用控制等方面。 1.3 本文的主要工作与内容安排 数字水印作为一门新兴学科，已成为当前研究的热点 。随着科学技术的不断发展，人们已研究出多种数字水印算法。对此，本文针对数字水印技术的相关内容进行详细的分析、研究，并在此基础上简要介绍了一种基于 Curvelet变换的数字水印算法。 本文共分为五个章节，其主要内容安排如下： 第一章：绪论。简要介绍了数字水印技术的研究背景及意义，国内外研究现状以及本文的主要工作和各章节的内容安排。 第二章：数字水印技术简介。首先系统地介绍了数字水印技术的基本原理、模
21、型、特征、分类等基本的理论知识；然后根据近年来数字水印技术的不断发展，简要介绍了数字水印技术的应用领域；最后对水 印的攻击方法和评价指标作了简要介绍。 第三章：数字水印技术的典型算法。根据数字水印嵌入方法的不同提出了两种典哈尔滨商业大学毕业设计（论文） 4 型的数字水印算法，并对其优缺点进行比较分析。 第四章：一种基于 Curvelet 变换的数字水印算法。提出了一种基于 Curvelet 变换的数字水印算法，并对该算法的主要内容做了详细的介绍；系统的讲解了 Curvelet 变换的发展历程，并对 Curvelet 变换的系数特点作了简单的分析；最后针对 Curvelet 变换算法在实现过程中
22、的关键点和不足之处进行了简单的总结。 第五章：总结。对全文的研究工作进行 了总结。 1.4 本章小结 作为本文的第一章，本章对数字水印技术的背景和研究意义进行了介绍 ,综述了数字水印的国内外研究现状和发展趋势。最后概括阐述了本论文所做的主要工作和内容安排。 哈尔滨商业大学毕业设计（论文） 5 2 数字水印技术简介 2.1数字水印技术的基本原理 数字水印技术就是将代表数字媒体著作权人身份的特定信息、用户指定的标志或序列码等，按某种方式嵌入到被保护的信息中，当发生版权纠纷时，就可以通过相应的算法提取该数字水印信息，从而验证版权的归属，确保媒体著作权人的合法利益 14。任意一 种数字产品（如图像、音
23、频、视频、软件或普通电子文档等）都可作为被保护的信息。数字水印是一种叠加在数字产品中的数字信号，水印的存在要以不破坏原始数据的欣赏价值和使用价值为原则。 作为一种新颖的信息处理技术，数字水印被定义为以不可感知的方式在被称为宿主或载体的数字信号中嵌入信息的过程 15。一般，水印系统由嵌入器和检测器组成，如图 2.1所示。 图 2.1 水印系统组成框图 如图 2.1所示，水印嵌入器上有两个输入系统：一个是嵌入水印的载体作品，另一个是被嵌入到载体中的水印信息。通常，水印信息可以是数字 作品的版权所有者或任意指定的一个标识号；载体作品一般是图像、音频、视频或文档等多媒体数据，也可以是程序代码一类的软件。嵌入器上的输出系统是水印作品，一般会被传输、记录或以不同途径分发到需要的地方。检测时，将嵌入器输出的水印作品输入到水印检测器，由水印检测器设法检测水印是否存在，如果存在，则输出水印信息。 2.2数字水印技术的基本模型 数字水印技术大致可分为以下三个部分 16：水印的生成、嵌入、提取或检测。 2.2.1水印的生成 为使水印具有较好的稳健性和抗攻击能力，水印算法中，大多都采用伪随机序列
