用于图像认证的半脆弱水印算法研究

1.3 论文的组织
论文全文共分五章:
第一章 绪论。这一章主要介绍本课题的研究意义、现状和目标。

第二章 相关技术和设计环境概述。这一章主要介绍了数字水印的基本概念和半脆弱数字水印的基本概念，并介绍了实现认证的半脆弱水印的5种流行的方法。对于各种方法的优劣评判，接下来介绍了评价算法的几个指标。最后，介绍了实现仿真的平台，Matlab6.5。

第三章图像认证半脆弱水印算法原理与总体设计。针对图像认证这一目标，我们的半脆弱水印有它自己的要求和特点。根据这些要求我们设计了算法，这一章给出了算法的框架，并对算法进行了模块划分，最后给出了程序框图。

第四章图像认证半脆弱水印算法的详细设计与实现。这一章详细介绍了水印算法的各个步骤的实现，最后对实验结果进行分析，并评价了本算法。

第五章 总结与展望。这一章主要是对本次毕业设计论文工作的总结，以及对数字水印技术发展的想法。

第二章 相关技术与设计环境概述
数字水印技术的基本思想源于古代的伪装术（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。大约700年前，在手工造纸技术中出现了纸张上的水印。
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。但与密码技术相比，密写术始终没有发展成为一门独立的学科，其中的主要原因是密写术缺乏必要的理论基础。

然而今天的数字化技术的发展为古老的密写术注入了新的活力，在研究数字水印的过程中，研究者大量借鉴了信息伪装的思想。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。

2.1 数字水印的概念
2.1.1 数字水印的基本概念
在数字水印技术中，水印的数据量和鲁棒性构成了一对基本矛盾。理想的水印算法应该既能隐藏大量数据，又可以抗各种信道噪声和信号变形。然而在实际这两个指标往往不能同时实现，但是实际应用一般只偏重其中的一个方面。如果是为了隐蔽通信，数据量显然是最重要的，由于通信方式极为隐蔽，遭遇敌方篡改攻击的可能性很小，因而对鲁棒性要求不高。但对保证数据安全来说，情况恰恰相反，各种保密的数据随时面临着被盗取和篡改的危险，所以鲁棒性是十分重要的，此时，隐藏数据量的要求居于次要地位。

一般数字水印的通用模型包括嵌入和检测、提取两个阶段。数字水印的生成阶段，嵌入算法的嵌入方案的目标是使数字水印在不可见性和鲁棒性之间找到一个较好的折中。检测阶段主要是设计一个相应于嵌入过程的检测算法。检测的结果或是原水印（如字符串或图标等），或是基于统计原理的检验结果以判断水印存在与否。检测方案的目标是使错判与漏判的概率尽量小。为了给攻击者增加去除水印的不可预测的难度，目前大多水印制作方案都在加入、提取时采用了密钥，只有掌握密钥的人才能读出水印。
数字水印技术从不同的角度有下面的一些划分方法。

1. 按特性划分
按水印的特性可以将数字水印分为鲁棒数字水印和脆弱数字水印。鲁棒数字水印主要用于在数字作品中标识著作权信息，它要求嵌入的水印能够经受各种常用的编辑处理；脆弱数字水印主要用于完整性保护，脆弱水印必须对信号的改动很敏感，人们根据脆弱水印的状态就可以判断数据是否被篡改过。

2. 按水印所附载的媒体划分
按水印所附载的媒体，数字水印分为图像水印、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。

3. 按检测过程划分
按水印的检测过程将数字水印分为明文水印和盲水印。明文水印在检测过程中需要原始数据，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。目前数字水印大多数是盲水印。

4. 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）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。有意义水印如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否含有水印。

5. 按水印隐藏的位置划分
按数字水印的隐藏位置划分为时域数字水印、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。实际上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。

6. 按用途划分
不同的应用需求造就了不同的水印技术。而这又可分为6种不同的水印技术。
（1）数字作品的知识产权保护
版权标识水印是目前研究最多的一类数字水印由于数字作品的拷贝、修改非常容易,而且可以做到与原作完全相同，所以原创者不得不采用一些严重损害作品质量的办法来加上版权标志，而这种明显可见的标志很容易被篡改。数字作品的所有者可用密钥产生一个水印，并将其嵌入原始数据，然后公开发布其水印版本作品。当该作品被盗版或出现版权纠纷时，所有者即可从盗版作品或水印版作品中获取水印信号作为依据，从而保护所有者的权益。
目前用于版权保护的数字水印技术已经进入了初步实用化阶，IBM（International Business Machines Corporation，国际商用机器公司）公司在其”数字图书馆”软件中就提供了数字水印功能，Adobe公司也在其著名的Photoshop软件中集成了Digimarc公司的数字水印插件。

（2）商务交易中的票据防伪
随着高质量图像输入输出设备的发展，特别是高精度彩色喷墨、激光打印机和高精度彩色复印机的出现，使得货币、支票以及其他票据的伪造变得更加容易。
据报道，美国、日本以及荷兰都已开始研究用于票据防伪的数字水印技术。麻省理工学院媒体实验室受美国财政部委托，已经开始研究在彩色打印机、复印机输出的每幅图像中加入唯一的、不可见的数字水印，在需要时可以实时地从扫描票据中判断水印的有无，快速辨识真伪。

此外在电子商务中会出现大量过度性的电子文件，如各种纸质票据的扫描图像等。即使在网络安全技术成熟以后，各种电子票据也还需要一些非密码的认证方式。数字水印技术可以为各种票据提供不可见的认证标志，从而大大增加了伪造的难度。