论文综述：基于Curvelet变换的数字水印算法的研究

本科生毕业设计（论文）综述学 院 轻工学院 专 业 印刷工程 导 师 吴刚 学 生 刘亚鸽 学 号 201110830762 2015年 3月 21 日基于Curvelet变换的数字水印算法的研究1 研究背景及意义恩格斯曾指出，社会发展对科学技术的客观需求，比几十所大学更能推动科学的进步与发展。数字水印技术自上世纪90年代以来开始蓬勃发展，与其他许多的技术一样，数字水印技术的出现同样有着深刻的历史背景及意义。二十世纪中期以来，随着多媒体技术和计算机网络技术的飞速发展，数字音频、数字图像及数字视频等数字化的产品越来越多。同时，凭借着Internet的广泛性和便利性，这些数字化的产品以多媒体的形式在网络上广泛发布和传播，计算机和网络的便捷及优越性给人们带来了无穷益处1。然而，人们在享受网络所带来的便利的同时，媒体信息的网络化和数字化也给版权保护带来了极大的挑战。这是由于多媒体产品的数字化特性使得数字式产品极易被非法编辑、拷贝、复制和篡改，人们可以简单方便的对有版权的内容进行无限制的复制和传播，数字式产品的侵权、非法拷贝及盗版问题日益严峻。因此，如何保护这些数字化产品的版权和内容安全成为一个迫在眉睫的问题。针对此类问题，数字水印技术以其独特的信息隐藏优势，首先引起了人们的广泛关注。随着科技的进步，信息技术在人们的生活中扮演着极其重要的角色。在我们的生活中，存储、拷贝、传送多媒体信息极其普遍，仅有些机密文件才可能要通过加密再进行传送。这种加密技术虽然也提高了信息的安全性，但有时加密保护的能力是有限的。人们只要获得密钥就可以对信息进行任意的修改、传播和使用，一旦信息被破解就无法起到版权保护的作用。水印技术的出现，弥补了传统加密技术的不足，在一定程度上保护了产品的版权。数字水印技术是信息隐藏技术在多媒体领域中的一个重要应用，也是信息隐藏技术研究领域最为重要的一个分支，主要是通过一些隐藏技术对数字化的多媒体产品进行版权保护，是一种较为有效的数字产品版权保护和数据安全维护技术。数字水印通过将密码学2和信息隐藏技术相结合，能够保证信息的自身安全，还能让信息传递的过程变得更加便利和安全3。其核心内容是，在不影响原始数据可用性的前提下，将不可移除的水印信息嵌入到受保护的原始信号中，同时，水印信息可以完整地、正确的提取或检测处理，以达到解决所有权纠纷以及盗版跟踪等问题。数字水印这门新兴技术自上世纪90年代飞速发展以来，引起了国内外相关人士的浓厚兴趣，它作为一种新型的信息隐藏技术受到了越来越多的关注和重视，目前也正成为多媒体安全信息领域的一个研究热点4,5。随着经济的发展、计算机网络技术的普及，数字水印技术逐渐成为版权保护的重要手段 ，它发挥着越来越重要的作用，将具有更加广阔的发展空间和应用前景。2 国内外研究现状作为信息隐藏技术最为重要的一个分支，自20世纪90年代以来，随着人们对版权保护意识的增强，数字水印技术的研究引起了国内外研究者的极大兴趣，成为国内外学者的研究热点。早期的数字水印算法主要在空域实现，而且大都是针对数字图像进行研究的，该技术最早出现于1993 年 A. Z. Tirkel 等人撰写的“Electronic water mark”一文中6。在这篇文章中第一次出现了“water mark”这一术语，这标志着数字水印这门新兴学科的诞生。后来将两个词合二为一就成为了“watermark”，而现在通常都使用“digital watermarking”一词来表示“数字水印”。1994年，R.G. Schyndel 等人在 IEEE 国际图像处理会议上发表了一篇题为“A Digital Watermark”的文章，在这篇文章中首次介绍了“数字水印”这一重要概念7。当时，他们已经意识到了数字水印的重要性，并提出了可能的应用，并针对灰度图像提出了两种在图像的最低有效位中添加水印的方案，该方案简单高效，但水印的鲁棒性较差，使得水印信息无法被正确提取。为了提高数字水印的鲁棒性，1996年Cox等人8提出了一种基于扩频通信思想的水印方案，利用离散余弦变换技术向静止的图像中添加标记来提高水印的鲁棒性。但该方法也存在着一些缺陷，在提取水印时，都需要利用原始载体或原始水印的相关信息，因此它不是盲水印方案。随后，Chen等人9于1998年提出了一类盲水印方案。该方案采用量化器来实现水印信息的嵌入，在容量和鲁棒性等方面都具有较好的性能，并已成为数字水印技术中一个比较典型的方案。数字水印从正式提出到现在的二十多年间已经成了学术界和国内外一些大公司关注的焦点。从1994年开始，国内外学术界就开始陆续的发表有关数字水印的文章，且发表文章的数量呈快速增长趋势，几个有影响的国际会议（如IEEE ICPC、IEEE ICASSP、ACM Multimedia等）以及一些国际权威杂志（如Proceedings of IEEE、Signal Processing、IEEE Journal of Selected Areas on Communication、Communications of ACM等）相继出版了有关数字水印的文章。国外已有一些著名的大学和研究机构，如美国的MIT大学、Purdue大学、IBM研究所，英国的剑桥大学，德国的Erlangen Nuremberg大学以及日本的NEC研究所等都已开展了该项技术的研究，并取得了一定的成果。一些公司相继推出了数字水印的软件产品，最具代表性的有美国的Digimarc公司、Alpha公司、MediaSec公司、Verance公司、Activated Content公司，英国的Signum技术公司，以色列的Aliroo公司，荷兰的Philips公司研发中心和瑞士的Alpvision公司等。除此之外，IBM公司和 Microsoft等都在数字水印的应用方面进行了研究。以上资料证明，在国际上，人们开始更多的关注和使用数字水印技术了。随着技术交流的加快和数字水印技术的迅猛发展，在我国，数字水印技术也得到了很大的重视。从1999年开始的六届“全国信息隐藏及多媒体信息安全学术研讨会”都有数字水印专题。2000年1月，由国家863计划智能计算机专家组织召开了“数字水印技术学术研讨会”，来自国家安全测评认证中心、中科院以及国内各大高校的专家、学者进行了深入的探讨，会议取得了圆满成功。从目前发展情况来看，我国在相关领域的研究与世界水平相差不远，而且有自己与众不同的研究思路和研究成果。2001 年3 月，国防科技大学首次将整数DCT变换运用到数字水印技术上，其多维整数DCT 算法运算效率高于目前的有效算法，并且采用HASH 函数对图像的变换系数位置进行加密，水印图像信息嵌入到IntDCT 系数的中低频部分，极大的提高了安全性。2003年9月份，北京邮电大学推出了“数字水印应用系统”，该系统利用小波理论和离散变换设计新型水印算法10。自从第一届全国信息隐藏学术研讨会于1999年在北京电子技术应用研究所召开之后，时至今日，在2013年10月份的西安举办了第十一届大会，出现很多优秀的文章，并且取得了很多相关的研究成果，得到了人们很大的肯定。总的来说，我国数字水印技术的发展已初具规模，但也存在许多需要解决的实际问题，今后我国在数字水印方面的研究任重而道远。到目前为止，数字水印技术从研究对象上看主要涉及图像水印、音频水印、视频水印和文本水印等方面，其中大部分的水印研究和文章都集中在图像的研究上，其原因在于图像是最基本的多媒体数据，且互联网的发展为图像水印提供了大量的应用需求。近几年关于音频水印和视频水印的研究呈上升趋势。数字水印的基础研究主要集中在数字水印理论模型、鲁棒水印算法和水印系统性能分析等方面。数字水印的主要应用方向包括数字版权保护、商务票据方位、盗版跟踪、隐蔽控制、内容认证和使用控制等方面。3 发展趋势数字水印技术作为一门新兴的学科，理论仍需不断完善，技术也需要不断发展。虽然数字水印技术在发展过程中出现了很多研究成果，但它仍是一个不成熟的研究领域，而且还有很多问题没有得到解决。尽管水印技术很难在短期内取得突破，但是鉴于水印技术广泛的应用价值，我们有必要对数字水印技术进行深入的研究。未来值得关注的研究领域有以下几个方面11-13：（1）基本理论和算法研究。数字水印技术的基本理论和算法研究一直都是研究的重点，但目前数字水印技术的研究中模型和理论只处于发展阶段，尚未构成一个完整的理论体系。未来需要继续修改和完善水印基本理论的研究，包括水印结构、水印嵌入对策、水印检测方法、水印性能评估、水印的标准化、水印攻击方法及其对策等。（2）鲁棒性高的水印算法的研究。很多应用对数字水印的鲁棒性要求都很高，因此，在保持较好的不可见性以及较大的信息容量条件下，研究鲁棒性高的水印算法，是数字水印的重要发展方向之一。 （3）水印系统模型的研究。在过去的水印研究中，基于统计特征的数字水印易受非线性变换的影响，为了提高水印检测中的纠错能力，可利用现代通信原理将水印的嵌入等价为一个通信模型，采用信道编码的方法来降低嵌入水印的检测误码率。各种攻击具有不同的特性，所引起的水印检测误码率也不同。如何根据不同攻击的特性，将其等效为通信理论中的问题，并应用相应的通信技术提高水印检测时的正确率，是未来研究的一个重要课题。 （4）水印系统抗攻击建模。虽然并非所有的水印都有安全性要求，尤其是对于那些没有敌手攻击的应用，而且大部分的商业应用也只有很低的安全性要求。但设计既能允许公开检测器检测水印又能防止敌手去除水印的水印系统依然是一个重要的研究课题。众多研究者都在努力，希望设计出一个安全、通用的水印系统，但现有的水印系统还是很容易受到攻击。能否实现这样的系统，仍是未来的一个重要研究课题。 （5）数字水印应用技术。随着水印技术的深入研究，数字水印将会不断的被运用于其它先进的技术领域。同时，数字水印在图像水印、视频水印、音频水印等的应用领域也会得到拓展。因此，研究数字水印在实际应用中的模式、方法和领域，也是数字水印的一项重要研究内容。参考文献1 刘文霞.数字水印算法研究D.延安大学,2009,6.2 张焕国,郝彦军,王丽娜. 数字水印、密码学比较研究J.计算机工程与应用,2003,9:64-65.3 陆欢,蒋兴浩,孙锬锋,等. 可逆数字水印算法综述J. 信息安全与通信保密,2012,3:82-83.4 G.Voyatzis,I.Pitas.The use of watermarks in the protection of digital multimedia products.Proceedings of the IEEE,1999,87(7):1197-1207.5 Christine I. Podilchuk, Edward J. Delp. Digital watermarking: Algorithms and applications. Signal Processing Magazine,2001,14(4):33-46.6 AZ Tirkel,GA Rankin,RM Van Schyndel,WJ Ho,NR A Mee,CF Osborn.Electronic Watermark.Digital Image Computing,Technology and Applications DICTA 93. Sidney:Maqarie University,1993: 666673.7 RG Schyndel, AZ Tirkel, CF Osborne. A digital watermark. Frist IEEE International Image Processing Conference.Austin:University of Texas, 1994,2:8690. 8 I J Cox, J Kilian, T Shamoon. Secure Spread Spectrum Watermarking for Image,Audio and Video. IEEE Transactions on Image Processing, 1997,6( 12): 16731687.9 B Chen, G W Wornell.Provably Robust Digital Watermarking.In:Proc.of the SPIE:Multimedia Systems and