用于图像认证的半脆弱水印算法研究

脆弱水印因为在内容认证方面的重要性而受到日益广泛的关注。在恶意篡改和偶然攻击之间必须要有一个确定，所以半脆弱水印要对内容保护的操作要有一定的鲁棒性。一个半脆弱水印要具备以下三个要求：对恶意篡改的高度敏感性和对内容保护操作的鲁棒性、不可见性、安全性。半脆弱水印不但要对恶意的攻击特别敏感，还要对一些常规的图像操作具有一定的鲁棒性，据此区分偶然攻击和恶意篡改。因为JPEG压缩的普遍性，抗JPEG压缩一直是半脆弱水印研究的重点和难点[3-5]。国际上已有这方面的诸多论文问世。

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。