数字水印技术概论

数字水印技术概论

第一章 绪论

1. 数字水印技术产生背景

数字水印技术的基本思想源于古代的密写术。古希腊的斯巴达人曾将军事情报刻在普通的木板上，用石蜡填平，收信的一方只要用火烤热木板，融化石蜡后，就可以看到密信。使用最广泛的密写方法恐怕要算化学密写了，牛奶、白矾、果汁等都曾充当过密写药水的角色。可以说，人类早期使用的保密通信手段大多数属于密写而不是密码。然而，与密码技术相比，密写术始终没有发展成为一门独立的学科，究其原因，主要是因为密写术缺乏必要的理论基础。

如今，数字化技术的发展为古老的密写术注入了新的活力，也带来了新的机会。在研究数字水印的过程中，研究者大量借鉴了密写技术的思想。尤其是近年来信息隐藏技术理论框架研究的兴起，更给密写术成为一门严谨的科学带来了希望。毫无疑问，密写技术将在数字时代得以复兴。

2. 数字水印技术意义

数字水印的基本思想是在原始媒体数据中，如音频、视频、图像等，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来用于各种目的，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。数字水印被视做抵抗多媒体盗版的“最后一道防线”。因此从水印技术自身来说，它具有广泛的应用前景和巨大的经济价值。

目前，为保证数据传输的安全，需要采用数据传输加密技术、数字水印技术、数据完整性鉴别技术；为保证信息存储安全，必须保证数据库安全和终端安全。在信息安全的研究理论体系和应用体系中，密码技术已经历了长期的发展，形成了较完整的密码学理论体系，有一系列公认的、经典的可靠的算法，然而，在现代信息科学技术的条件下的信息隐藏，虽然可以追溯到公元前，但其完备的理论体系还尚未建立。

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3. 数字水印技术的研究现状

从公开发表的文献看，国际上在数字水印方面的研究刚开始不久，但由于有大公司的介入和美国军方及财政部的支持，该技术研究的发展速度非常快。1998年以来，《IEEE图像处理》、《IEEE会报》、《IEEE通信选题》、《IEEE 消费电子学》等许多国际重要期刊都组织了数字水印的技术专刊或专题新闻报道。----在美国，以麻省理工学院媒体实验室为代表的一批研究机构和企业已经申请了数字水印方面的专利。1998年，美国政府报告中出现了第一份有关图像数据隐藏的AD报告。目前，已支持或开展数字水印研究的机构既有政府部门，也有大学和知名企业，它们包括美国财政部、美国版权工作组、美国空军研究院、美国陆军研究实验室、德国国家信息技术研究中心、日本NTT信息与通信系统研究中心、麻省理工学院、伊利诺斯大学、明尼苏达大学、剑桥大学、瑞士洛桑联邦工学院、西班牙Vigo 大学、IBM公司Watson研究中心、微软公司剑桥研究院、朗讯公司贝尔实验室、CA公司、Sony公司、NEC研究所等。

我国学术界对数字水印技术的反应也非常快，已经有相当一批有实力的科研机构投入到这一领域的研究中来。为了促进数字水印及其他信息隐藏技术的研究和应用，1999年12月，我国信息安全领域的何德全院士、周仲义院士、蔡吉人院士与有关应用研究单位联合发起召开了我国第一届信息隐藏学术研讨会。2000年1 月，由国家“863”智能机专家组和中科院自动化所模式识别国家重点实验室组织召开了数字水印学术研讨会，来自国家自然科学基金委员会、国家信息安全测评认证中心、中国科学院、北京邮电大学、国防科技大学、清华大学、北方工业大学、上海交通大学、天津大学、中国科技大学、北京大学、北京理工大学、中山大学、北京电子技术应用研究所等单位的专家学者和研究人员深入讨论了数字水印的关键技术，报告了各自的研究成果。从这次会议反应的情况上看，我国相关学术领域的研究与世界水平相差不远，而且有自己独特的研究思路。

目前，已支持或开展数字水印研究的机构既有政府部门，也有大学和知名企业，它们包括美国财政部、美国版权工作组、美国空军研究院、美国陆军研究实验室、德国国家信息技术研究中心、日本NTT信息与通信系统研究中心、麻省理工学院、伊利诺斯大学、明尼苏达大学、剑桥大学、瑞士洛桑联邦工学院、西班牙 Vigo大学、IBM公司Watson研究中心、微软公司剑桥研究院、朗讯公司贝尔实验室、 CA公司、Sony公司、NEC研究所以及荷兰菲利浦公司等。

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第二章 预处理

通常采用先对嵌入的信息先进行加密的处理，考虑到图像自身的一些特点，通常采用对图像进行置乱的方法来达到保密的目的。

图像置乱可达到两个目的：第一是进行加密处理，就像不知道加密密钥就无法对加密过的信息进行解密一样；如果不知道置乱所采用的算法，同样难以恢复原始图像的信息。第二个目的是图像被置乱后将是一个无法读取的杂乱信息，可被抽象成一些随机的信息，没有任何明显可以统计的特征和形状，纹理色彩等等，在隐藏到另一图像中时是不会出现容易识别的形状或交叠现象的，所以可做到图像纹理特征不可察觉。

置乱操作作为水印信号的预处理过程，最重要的是取消水印对载体图像空间之上的过多依赖，以抵抗诸如剪切、JPEG压缩之类的攻击。也就是说，防止水印被损坏时产生的错误比特都集中在一起，从而造成检测得到的水印信息明显的降质。在水印预处理过程中，置乱技术主要考虑的是尽量可能的分散错误比特的分布，提高数字水印的视觉效性来增强水印的鲁棒性。

常用的图像置乱方法：Hilbert曲线变换、幻方变换和Arnold变换。在此处具体介绍Arnold变换。

function index=arnold(row,col,s,number) %This function is to permutate matrix %row and col are the coordinates of matrix %s is the size of matrix

%number is the number of permutation permutate=[1 1;1 2];

index=mod((permutate*[row-1;col-1]),s); for i=1:number-1

index=mod((permutate*index),s); end

备注：上面的代码是“猫脸变换”的。要使得程序完全实现，将这个程序做成M代码，和“加密图中可逆数据隐藏”的代码放在同一个文件夹即可。改变“加密图中可逆数据隐藏”的代码中的size、N（N代表置乱周期）、N1（N1+N2=N）的值即可完全

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实现张新鹏教授的算法。代码中的size是与分块大小对应的，也就是说size为下图的矩阵大小，N是下图的置乱周期。

表2.1 不同阶数N下Amold变换的周期

矩阵大小N 置乱周期mN 矩阵大小N 置乱周期mN 16 24 25 32 40 60 100 120 125 128 256 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 3 4 3 10 12 8 6 12 30 5 12 12 12 50 24 30 60 150 60 250 96 192 Arnold变换实现具体代码如下： message=imread('tupian.bmp'); temp=message; [m,n]=size(message); figure subplot(2,2,1); imshow(temp); title('原图');

for i=1:40 %图像为256X256,周期为192，置换次数设置为40 for x=1:m for y=1:n

tempimge=temp(x,y); ax=mod(x+y,m)+1; ay=mod(x+2*y,n)+1; outimge(ax,ay)=tempimge; end end

temp=outimge;

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subplot(2,2,2); imshow(outimge); title('置乱');

imwrite(outimge,'xintu.bmp'); end

for i=1:152 %Amold变换具有周期性，所以还原次数为192-40=152 for x=1:m for y=1:n

tempimge=temp(x,y); ax=mod(x+y,m)+1; ay=mod(x+2*y,n)+1; outimge(ax,ay)=tempimge; end end

temp=outimge; subplot(2,2,3); imshow(outimge); title('恢复');

imwrite(outimge,'tupian1.bmp'); end

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/3sb5.html