毕业设计精品]JPEG篡改提示数字水印方案.doc

学士毕业论文题目：JPEG篡改提示数字水印方案作者：完成日期：2003年5月××日培养单位：计算机学院指导教师：教授专业：计算机科学与技术毕业日期：2011年7月JPEG篡改提示数字水印方案第1页目录致谢··················································································3摘要··················································································4第一章数字水印概述·····························································5第一节数字水印的概念和起源············································5第二节数字水印的性能指标···············································6第三节数字水印的分类·····················································7第四节数字水印的应用领域···············································8第五节现有的数字水印算法·············································11第六节数字水印的现状研究和发展前景······························12第七节后面的内容·························································12第二章JPEG文件结构及其解码的实现···································13第一节JPEG文件概述···················································13第二节JPEG文件结构···················································14第三节JPEG编码解码的基本概念···································152.3.1图像的采样·······················································152.3.2DCT变换和IDCT变换········································152.3.3量化································································172.3.4Zig-Zag重排矩阵···············································182.3.5行程压缩存储（RLC）········································192.3.6熵编码·····························································19一、VLI编码和VLC·············································19二、熵编码的中间格式·········································20三、中间格式到熵编码·········································21第四节信息描述部分的识别············································22附JPEG文件分析工具······································24第五节位流文件操作·····················································262.5.1实现位流操作类的必要性·····································262.5.2主要的功能·······················································26第六节自己编写JPEG解码器·········································272.6.1JPEG数据区编码解码的基本流程··························272.6.2算出Huffman编码表··········································272.6.3DU的解码························································28一、熵编码还原为中间格式···································28二、下一步的解码···············································292.6.4图像的解码·······················································30一、MCU的解码·················································30二、JPEG的“MCU”对齐···································302.6.5图像解码的注意事项···········································302.6.6解码器的效果····················································31第三章JPEG篡改提示水印方案及实现···································33第一节已有的基于DCT变换的JPEG水印方案分析············33学士学位论文2第二节本文的JPEG篡改提示水印方案·····························353.2.1采用的算法·······················································353.2.2水印嵌入位置····················································353.2.3控制水印嵌入强度··············································363.2.4水印在载体中的存储管理·····································363.2.5实现JPEG数字水印的几个重要问题······················37第三节本文JPEG篡改提示水印方案的性能分析·················383.3.1水印信息的隐蔽性············································413.3.2水印信息的信息量············································413.3.3水印信息的质量···············································413.2.4水印信息的安全性············································423.2.5水印信息的鲁棒性············································423.2.6实用性分析·····················································42第四章外文资料翻译···························································43原文：TheJPEGStillPictureCompressionStandard·············43节选，(ByGregoryK.Wallace)译文：JPEG静态图像压缩标准（节选）······························59摘要·······································································591、介绍···································································592、背景、需求和选择················································593、(JPEG)建议标准的结构·········································604、基于DCT编码的处理步骤······································604.1、DCT和逆DCT变换·····································614.2、量化·························································634.3、DC编码和“之”字序列·······························634.4、熵编码······················································644.5、压缩效果和图像质量····································645、预测无损编码的处理步骤·······································656、多分量图像·························································656.1、源图像格式················································656.2、编码顺序和交叉存储····································666.3、多表·························································677、基线和其它DCT编码解码器···································687.1、中间格式的熵编码表示·································697.2、变长熵编码················································697.3、基线编码的例子··········································707.4、其它的DCT顺序编码解码器·························728、DCT渐进操作模式················································729、操作的层次模式···················································7210、JPEG建议的其它方式·········································7211、标准化方案························································7212、总结·································································72GregoryK.Wallace传记············································73参考资料··············································································74JPEG篡改提示数字水印方案第3页致谢光阴似箭，日月如梭，大学四年一眨眼就过去了。首先我要感谢计算机学院所有教过我的教授、教师，感谢他们对我的辛勤培养，他们教给了很多专业知识，把我从一个普通的高中生培养为一名合格的计算机专业本科毕业生。借此我向他们表示真挚的谢意。其次我要感谢计算机学院李炳法教授，是他给我展示了数字水印这个领域；他指导我对数字水印进行研究，让我学到了不少以前没有接触过的新的知识，而且大三在数据结构课程上他也给我提供了非常专业的指导。借此我向李教授表示真挚的谢意。最后我要感谢辅导员熊伟老师，大学四年她给了我很多特殊照顾，让我能够有更多的时间、更好地专研专业知识，借此我向熊老师表示真挚的谢意。学士学位论文4摘要数字水印技术是一门较新的技术，在计算机技术广泛普及的时代，它可以广泛地用于各种电子数据的版权保护、篡改提示等，可以在诸如验证电子证据是否遭到篡改等传统手法无能为力的领域大显身手，因而有着十分光明的应用前景。本文首先简要描述了数字水印的一些基本理论，然后详细讨论了JPEG解码流程，最后讨论并具体实现了一套用于JPEG篡改提示的数字水印方案，并对它做了性能分析。在此基础上进一步改进，也可以在JPEG中嵌入其它类型的数字水印。JPEG是目前大量使用的文件格式，Internet上大部分图像都是JPEG的，因此讨论JPEG数字水印有比较大的现实意义。本文专门讨论JPEG解码流程的原因是，数字水印理论是一套宏观的、通用的东西，是不能直接产生应用成果的；数字水印理论必须和JPEG编码解码原理结合起来，把水印理论和JPEG解码流程都搞清楚，才能在JPEG上做出具体的产品，进而用它去检验已有的理论，发现它的不足，提出更为完善的理论，进而做出更好的成果，形成一个良性循环。本文另附光盘一张，内有本人参照JPEG标准编写的JPEG解码器及源代码，JPEG篡改提示数字水印程序及源代码，本文用到的例图，撰写本文时参阅的参考资料，以及本文的电子版。JPEG篡改提示数字水印方案第5页第一章数字水印概述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，许多信息是图形图像和视频格式，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。数字水印技术近几年才发展起来信息隐藏学的一个分支。随着国内信息化程度的提高和电子商务逐渐走向实用，数字水印技术将会拥有更加广阔的应用前景，本文简要介绍数字水印的概念、主要的应用领域和核心技术。第一节数字水印的概念和起源数字水印（DigitalWatermark）技术，是指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。与加密技术不同，数字水印技术并不能阻止盗版活动的发生，但它可以判别对象是否受到保护，监视被保护数据的传播、真伪鉴别和非法拷贝、解决版权纠纷并为法庭提供证据。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。学士学位论文6第二节数字水印的性能指标对数字水印性能，通常有如下的衡量指标：1.2.1不易察觉性数字产品引入数字水印后，应不易被接收者察觉，同时又不能影响原作的质量和大小。在早期研究中，往往采用"不可感知性"来描述这一特性，但这仅是一个完美的设想。如果一个内嵌信号真的做到了不可感知，那么在理论上，基于感知特性的有损压缩算法将很容易消除水印，无法达到标识的目的，而现在用于Internet网上的大量图像信息传递格式采用JPEG格式，这就是一种典型的有损压缩编码方式。1.2.2鲁棒性当被保护的信息经过某种改动后，数字水印不容易被破坏。数字水印必须对各种信号处理过程具有很强的鲁棒性。即能在多种无意或有意的信号处理过程后产生一定的失真的情况下，仍能保持水印完整性和鉴别的准确性。如对图像进行的通常处理操作带来的信号失真，这包括数/模与模/数转换，再取样、再量化、低通滤波；对图像和视频信号的几何失真，包括剪切、位移、尺度变化等；对图像进行有损压缩编号，如变换编码，矢量量化等，对音频信号的低频放大等等。虽然从理论上，水印是可以消除的，但必须具备相应的解除信息，成功的数字水印技术在破解信息不完备的情况下，任何试图去除水印的方法均应直接导致原始数据的严重损失。对于数字水印而言，其隐藏信息的鲁棒性在实际应用中是由两部分组成：a）在整体数据出现失真后，其内嵌水印仍能存在。b）在数据失真后，水印探测算法仍能精确地探测出水印的存在。例如，许多算法插入的水印在几何失真（如尺度变化）后仍能保存，但其相应探测器只有在首先去除失真后才探测水印，如果失真无法确定或无法消除，探测器就无法正常识别。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。1.2.3抗攻击性和安全性在水印能够承受合法的信号失真的同时，水印还应能抗击试图去除所含水印的破坏处理过程。除此之外，如果许多同样作品的复件存在不同的水印，当水印用作购买者的鉴定（数字指纹技术），就可能遭受许多购买者的合谋攻击。即多个使用者利用各自具有的含水印的合法拷贝，通过平均相同数据等手段，销毁所含水印或形成不同的合法水印诬陷第三方。水印技术必须考虑这些攻击模式，确保水印探测的准确性。JPEG篡改提示数字水印方案第7页数字水印应能对抗非法的探测和解码，面对非法攻击也能以极低差错率识别作品的所有权。同时数字水印应很难为他人所复制和伪造。为了给攻击者增加去除水印的不可预测的难度，目前大多数水印制作方案都在加入、提取时采用了密钥，应做到只有掌握密钥的人才能读出水印。"密钥"这个词是从密码学借用来的，有人认为，水印密钥与密码密钥尚无法相提并论。但应做到，即使知道水印的嵌入算法的全部细节，只是不知道秘密密钥，就不能将水印提出或破坏。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，目前大多数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。第三节数字水印的分类数字水印技术从不同的角度有下面的一些划分方法。1.3.1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。1.3.2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。1.3.3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。1.3.4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。学士学位论文81.3.5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。早期的数字水印算法利用的是空间信息。以图像为例，有几种不同的方法，可以嵌入在一幅图像的亮度、色彩、或轮廓、结构中。普通水印制作方法利用的是亮度，因为它包含了一幅彩色图像的最重要的信息。做空间域水印还可以用色彩分离的办法，水印只存在于色谱的一个颜色中，这样水印看起来很淡，正常情况下很难发现。一种比较坚固的水印技术可以与在纸张上制作水印的方法类比，这种技术可以将水印符号叠加到图像上，而后调节图像上因叠加了水印而发生了变化的那些像素的亮度，根据亮度值的大小，水印可以做成可见的或不可见的。图像空间域水印的一个缺点是经不住修剪(图像编辑中的一种普通处理方法)，但如果将水印信息做的很小，利用前面所提到的"草堆里找针"的方法，可以解决这个问题。一个数字产品好比是一个草堆，它里面不是只有一根针，而是很多针，每一根针都是水印的一个拷贝，这样就能经得住图像修剪处理，除非修剪到图像失去任何欣赏价值。盗贼如不想被抓住，就必须从草堆中把所有的针都找出来并除去，这样他们就将面临这样的选择：要么耗其余生寻找所有的针，要么干脆烧掉草堆以确保毁掉所有的针。频域数字水印，指在变换域（TransformationDomain），如傅立叶变换（FFT）域、离散余弦变换（DCT）域、离散小波变换（DWT）域等上实现信息的嵌入。频率域制作水印的算法是比较坚固的方法，这类技术主要是通过修改主信号某些指定的频域系数来嵌入数据。它的特点是，对低频区域系数的改动可能会影响到主信号的感知效果，而高频系数容易被破坏。高频会在有损压缩和尺寸调整中丢失，故做在高频中的水印在低通滤波和几何处理方面显得不够坚固，但对于校正、对比度/亮度调节等则具有很好的坚固性。水印做在低频不会提高噪声水平，所以水印适于调制在较低的频率中，低频水印所表现出来的特性与高频正好相反，它对低通滤波、有损压缩等具有很强的坚固性，而对校正、对比度/亮度调节等处理则比较敏感。如果将高、低频率水印的互补优点结合起来，就可以得到坚固性非常高的水印技术。因为频域中的水印在逆变换时会散布在整个图像空间中，故不像空间域水印技术那样易受到修剪处理的影响。最好是用原作品中含有重要信息的那些频率(即感觉最敏感的频率)，这样水印就最不易被去除。第四节数字水印的应用领域1.4.1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