用于图像认证的半脆弱水印算法研究

摘要
因特网的出现以及计算机、扫描仪和打印机的广泛使用使得数字化多媒体数据的获取、交换和传输变得异常简单。但是通过网络传播数据也使有恶意的个人或团体在没有得到数据文件所有者许可的情况下能肆意地复制和传播有版权保护的文档。数字水印技术则为这种问题提供了一个潜在的解决方案。

论文研究的方向–半脆弱(Semi-fragile)数字水印,是数字水印（Digital Watermarking）的一个重要分支。论文首先介绍了水印技术的通用概念和方法，然后介绍了半脆弱水印的几种常见算法，在此基础上提出了一种能抗几种典型攻击的半脆弱算法。本算法实现分成四个部分，水印预处理，水印嵌入，水印检测，攻击检测。通过实验可以看出，算法能有效实现图像认证的功能。算法用Matlab6.5实现仿真。
最后，对半脆弱水印技术所存在的问题和未解决的难题进行了思考，并对其之后的发展方向进行了展望。

关键词 版权保护 数字水印 半脆弱 Matlab

ABSTRACT
第一章 绪论
计算机和网络的广泛应用，大大地方便了人们获取信息和交流信息。由于数字化信息以多种形式在网络上迅速便捷地传输，政府、企业及个人都逐渐把网络作为主要的通信手段，大量重要文件和个人信息以数字化形式存储和传输，电子商务则通过网络为我们提供了各种服务，网络与信息安全问题变得越来越重要。

传统的信息加密方法可以加密文本信息，保证其传输的安全，但如果要对图像、视频和声音等多媒体信息进行加密，则基于密码学的传统加密方法就比较困难了，随着计算机处理能力的快速提高，这种通过不断增加密钥长度来提高系统密级的方法变得越来越不可靠。特别是随着网络多媒体技术的发展，信息已经不仅仅局限于文本，许多信息是图形图象和视频格式，需要认证和版权保护的声像数据也越来越多。此外，在军事领域，人们可能需要将一幅作战地图隐藏在一幅艺术作品中。这些应用需求正是数字水印技术要解决的问题。

1.1 课题研究意义
1.1.1 使用数字水印的必要性
数字水印（Digital Watermarking）技术是通过一定的算法将一些标志性信息直接嵌入到多媒体内容当中，但不影响原内容的价值和使用，并且不能被人的知觉系统觉察或注意到，只有通过专用的检测器或阅读器才能提取。其中的水印信息可以是作者的序列号、公司标志、有特殊意义的文本等，可用来识别文件、图像或音乐制品的来源、版本、原作者、拥有者、发行人、合法使用人对数字产品的拥有权。嵌入数字多媒体作品中的数字水印须具有以下特性：

（1）不可见性或隐蔽性：不易被察觉，不会引起原来数字作品明显的图像质量下降，即看不到数字水印的存在；

（2） 鲁棒性：即当被保护的信息经过某种改动后，比如在传输、压缩、滤波，图像的几何变换如平移、伸缩、旋转、剪裁等处理下，数字水印不容易被破坏；

（3）安全性：加入水印和检测水印的方法对没有授权的第三方是保密的而且不可轻易被破解，即使被黑客检测到了也不能读出（数字水印需要加密）。

因特网的出现以及计算机、扫描仪和打印机的广泛使用使得数字化多媒体数据的获取、交换和传输变得异常简单。但是通过网络传播数据也使有恶意的个人或团体在没有得到数据文件所有者许可的情况下能肆意地复制和传播有版权保护的文档。数字水印技术则为这种问题提供了一个潜在的解决方案。数字水印是往多媒体数据（如图像、声音、视频信号等）中添加某些数字信息以达到版权保护等作用。如果没有鲁棒性（Robustness）的要求，水印与信息伪装技术上的处理本质上是完全一致的。典型数字水印系统模型：

图1.1 水印信号嵌入模型

图1.2 水印信号检测模型

图1.1为水印信号嵌入模型，其功能是完成将水印信号加入原始数据中；图1.2为水印信号检测模型，用以判断某一数据中是否含有指定的水印信号〔2〕。
数字水印主要用于：阻止非法复制（间接的）、确定所有权（作者、发行人、分发商、合法的最终用户）、确定作品的真实性和完整性（是否伪造、被篡改）、证实收件人、不可否认的传送、法庭证据的验证、赝品甄别、识别文件来源与版本、Web网络巡逻监视盗贼、广播监控〔1-2〕 。

1.1.2 使用半脆弱数字水印的必要性
数字水印是往多媒体数据（如图像、声音、视频信号等）中添加某些数字信息以达到版权保护等作用。如果没有鲁棒性的要求，水印与信息伪装技术上的处理本质上是完全一致的。在绝大多数情况下我们希望添加的信息是不可察觉的，并且希望攻击者在不破坏数据本身质量的情况下无法将水印去掉。发展数字水印技术的原动力就是为了提供多媒体数据的版权保护。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，如作者、作品序号等，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，与鲁棒水印的要求相反，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。