（信号与信息处理专业论文）基于计算机图形学技术的一种数字水印解决方案.pdf

中文摘要随着电子商务、电子政务渐渐发展到中国，2 0 0 4 年8 月2 8 日，十届全国人大常委会第十一次会议表决通过了中华人民共和国电子签名法。中国首部真正意义上的信息化法律，于2 0 0 5 年4 月1 日起施行，它将对我国电子商务、电子政务的发展起到极其重要的促进作用。电子签名是一种数字加密技术，有着加密技术固有的局限性。对于大量过渡性的电子文件，即使在网络安全技术成熟以后，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电子文件提供不可见的认证标志，从而大大增加了伪造的难度。针对电子票据使用安全的考虑，为解决数字签名等加密技术的不足，本文设计了一种基于计算机图形学的数字水印技术的票据认证方式，重点解决电子票据防伪造、防篡改问题。在水印信号的选取上，使用b 样条自由曲线的矢量信息多边形顶点，且对顶点的二进制坐标序列使用单向函数产生加密密钥。对水印信息经过一系列处理，在小波域嵌入水印。由于三次b 样条曲线的控制点不在曲线上，所以通过水印信息的显示破译嵌入的水印信号难度很大。本文提出了一种新的水印算法，设计了一种电子票据的实例。算法能对篡改的电子票据进行篡改提示，是一种既新颖又实用的数字水印技术。关键词：计算机图形学、b 样条曲线、数字水印、小波变换、混沌序列a 墨s t 氯酋文兰r魄ht h ed e v e l o p i n go ft h ee l e c t r o n i cc o m m e r c e ，t h e10 t hc h i n e s en a t i o n a lp e o p l e sc o n g r e s sp a s s e dt h el a wo nd i g i t a ls i g n n t u r es c h e m eo f t h ep e o p l e sr e p u b l i co f c h i n a t h a ti sar e a ll a wo nd i g i t a lt i m ea n dh a sb e e ne x e c u t e do na p r i l15 i n2 0 0 5 i tw i l lp r o m o t et h ed e v e l o p m e n to ne l e c t r o n i cc o m m e r c e b u tt h ed i g i t a ls i g n a t u r eb e l o n g st oak i n do fe n c r y p t i o nt e c h n o l o g y ,a n dh a ss o m ei n h e r e n tl i m i t a t i o n f o rt o om a n yd i g i t a lf i l e s ，e v e ni ft h en e t w o r ks e c u r i t yt e c h n i q u e sh a db e e nm a t u r e ，i ts t i l ln e e d ss o m em e t h o d sf o ra u t h e n t i c a t i o n t h ed i g i t a lw a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g yc a np r o v i d ea l li n v i s i b l ea u t h e n t i c a t i o nm a r kf o re l e c t r o n i cf i l e s ，a n dh a si n c r e a s e dt h ed i f f i c u l t yt oc o u n t e r f e i t a i m i n ga tt h es e c u r i t yo ne l e c t r o n i cb i l l ，血ea r t i c l ep r o p o s e sa8 。h e m 。f o rw a t e rm a r k i n gb a s e do nc o m p u t e rg r a p h i ct e c h n o l o g y , t od e f e n dt h ee l e c t r o n i cb i l l sf r o mb e i n gt a m p e r e d f i r s t ，s e l e c tt h ef r e ec u r v ep o l y g o na sw a t e r m a r ki n f o r m a t j o n t h e n e n c r y p tt h eb i n a r ys e q u e n c eo ft h ep o l y g o nv e r t e x e sb yh a s hf u n c t i o n a f t e rp r o c e s s i n gt h ew a t e r m a r ki n f o r m a t i o n ，e m l 。e dt h e mi n t ot h ew a v e l e tf i e l d b e c a u s et h ec o n t r o l l i n gp o i n t so fp o l y g o na r en o to nt h ef r e ec u r v e s ，i t sc e r t a i n l yd i f f i c u l tt of i n dt h e mo n l yb yt h ec u r v e s an e wa l g o r i t h mh a sb e e np r o p o s e do nt h i sa r t i c l e ，a n da 1 1e l e c t r o n i cb i l le x a m p l eh a sb e e nd e s i g n e d t h es y s t e mc a nm a r kt h ef i e l d st l a th a v eb e e nt a m p e r e d i ti san o v e la n dp r a c t i c a lw a t e r m a r kt e c h n i q u e k e yw o r d s ：c o m p u t e rg r a p h i c st e c h n i q u e ，b s p l i n ec u r v e ，w a t e r - m a r k w a v e l e tt r a n s f o r m ，c h a o ss e q u e n c e独创性声明本人卢明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘盗盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的唰志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：李啼匆签字日期：一j ，年g 月，尹同学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解盘鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权盘盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部1 或机构送交论文的复印件和磁盘。( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：青嚆 奄导师签名俘吲主签字日期：参一y 年p 月，尹 _ = i签字同期：啪r 年g 月厂日第一章绪论1 1 选题背景第一章绪论2 0 0 5 年6 月，招商银行与t c l 集团在深圳招行总部签署“票据通网上票据”全面业务合作协议，并正式宣布独家率先推出网上票据业务。不久，t c l 通过招商银行“票据通”成功地签发了国内首张电子票据，涉及金额7 0 3 万元，业务关系是t c l集团为出票人，招商银行深圳蔡屋围支行为承兑人，深圳蛇口支行客户晶石电子有限公司为收款人。t c l 集团同时成功地将其持有的银行承兑汇票交给招商银行“票据通”托管。此举标志着银行承兑汇票取得了更好地参与网络经济发展的入场券，正式成为企业商务活动的网上支付工具。图1 1 示出了一个电子票据样本。掐商银行电子鬃据瞧薹蓦赫霉o 一播彗簧鼬蕊零零伍零璧犀撬现日簟o , q o o o o t 3 寻出纂人垒称l 窳凳市霄斟腭能降膏隧盛嗣皎耋稚瞻用谨涨斌出嚣 熙每翰嚣嘲幻穆l 麝瞬l筑终号1 1 2 铭l 吼衙靛纷囊稼表甍辱 符留妲蝣 镪号l 铝沩舞户话陶萄银行深城蛇口妻行l 行吲7 5 5 s 1 2人民币i 7 ，。0 0干 百 十万i 千百十一 i 露奎灏煎角替j 写 臻万鞴f 饿灌1i 0o o oo程冀g 嘲日, 2 。, 0 5 0 s 2 2雇藏蚺铍蚂峰b 孵重慰暴鼍俸群豢芄。辫嘲麓鬃静 嚣，吼最8 t 枣盘- 朝嘲幂毫皇苻垂量赫墟囊 魄席毙群囊馥-衰囊雍再辑例产育耀公鄹衰薨分符营1 2 舔2 5 絮o l 1 9 目枣薏目辄2 5 牟钒舞撑嚣以f 蹙霰据；霉辛嘴愚靛嚣：b 人垒称臀卺日囊臀翥麓饕攀嚣鼹甬漱蹴好莺霪霸爨套獭姆舞隅套。o 辩1 暂鹳、图1 - 1电子票据样本招商银行以其成熟的网上企业银行为平台，将传统的银行承兑汇票业务与先进的网络银行技术相结合，以电子票据这一新型支付结算工具，占领企业集团理财市场。为公司客户在涉及商务链的商流销售票据回笼和物流采购票据支付等方面提供完整的电子化解决方案，支持集团性企业内部跨地区商业票据的就地托管、集中运作、集中支付等统一的网上票据集约化、信息化管理。尤其对集团性企业希望通过实现系统内商业票据的集中管理和使用，来加强和完善集团内部现金管理的要求，提供金融技术支持。第一章绪论招商银行电子票据是指以电子介质为载体，在招商银行网上票据系统产生，并在开通招商银行“企业银行”的客户与相关的招商银行分支机构之间使用的可流通转让的电子银行承兑汇票。招商银行电子票据除只能在招商银行系统内使用外，具备普通银行承兑汇票的切功能。您可以在网上办理电子票据的背书转让、质押融资、贴现、托收等各类银行承兑汇票业务，同时尽享电子票据电子化特性为您带来的业务处理安全、高效、快捷的工作便利。“票据通”可以满足集团企业对商业票据集中高效管理的需求，其分布在全国各地的关系企业接收的银行承兑汇票将在“票据通”上统一托管和运作，并将大力推进其上下游商务链企业广泛使用电子票据产品。1 2 票据集中管理模式介绍“票据通”能强有力地支持集团性企业内部跨地区商业票据的就地或集中托管、集中运作、集中支付等统一的网上票据集约化、信息化管理。 a 公司b 登司c 公司2 0 0 0 万5 0 (1 0 万3 0 0 0 万母公司获影瓜1 。it 联应商1 l图l - 2 票据集中管理模式示意图图l 一2 示出了票据集中管理模式示意图。子公司将所收到的银行承兑汇票就近交招商银行网点托管，各地托管的子公司票据共同组成了一个“票据池”。“票据池”实际上是个准现金池，集团母公司不仅可以监控池中汇票的使用情2第一章绪论况，而且可以获得相当于池中票面总金额的支付能力和便利。支付能力的增加意味着流动性的增强，集团母公司可以及时把新增的支付能力纳入到整个集团的资金计划中考虑。在“票据池”容量范围内，集团母公司可通过集中操作池中的票据，灵活选择多种支付方式完成对外支付。1 2 1 集中支付方式之一：现金支付方案对“票据池”中的票据办理贴现或质押贷款来获得现金，用于对外支付，如图l一3 所示。图1 - 3 现金支付方案该方案得优点是：母公司集中办理贴现不仅操作简便，而且往往能获得更优惠的利率，可以加强母公司对集团财权的控制能力。1 2 2 集中支付方式之一；票据支f , - j h - 案通过将“票据池”中的票据质押，由招商银行承兑新的实票或电子票据对外支付，如图1 - - 4 所示。图1 - 4 票据支付方案该方案得优点是：质押手续可由母公司集中办理，操作简便。在将“票据池”中票据质押后，可以以母公司名义( 母公司为出票人) 直接对外支付。母公司还可以作为收款人真正将“票据池”中的票据归集到自己名下，然后根据需要对外支付。第一章绪论1 3 选题目的电子商务是在通信网络上( 特别是i n t e r n e t 或移动通信网络) 所进行的商务活动，这些商务活动包括与购销直接有关的网上广告、网上洽谈、订货、收款、付款、客户服务、货物递交等活动，也包括网上市场调查、财务核算、生产安排等利用计算机网络开发的商业活动。电子商务顺利开展的核心和关键问题是保证网上信息和网上交易的安全性。在电子商务中，有许多电子形式的文件需被确认。现在常采用的方法是数字签名技术。被保护的电子数据通过种标准散列函数产生数字指纹，被加密的数字指纹被添加到被保护的数据后面打包传输，失去了可视性。指纹信息使用的密钥一旦被破译，伪造者可重复使用数字签名多次。在原件作者修改其数字签名之前，会造成相当大的损失。而数字水印技术能在不破坏原件可视性的基础上，隐藏作者的身份认证信息，表明电子文件是经作者认可的、有效的。如电子货币、贸易往来中的合同，与银行、税务部门往来的各种电子形式的票证，一旦遭到篡改，作者的身份认证信息便被破坏，则票证失去其有效眭。目前大部分电子商务系统使用已有的标准加密技术来保证交易过程的安全性，提供数据可靠性认证、数据授权和付款。用这种加密技术，要求内容提供者和消费者都知道他们交易双方是谁，传输的内容是安全的和授权的。另一种称为用户控制技术，就是不仅保证传输过程的安全性，而且控制用户接收的内容的使用。在用户的处理设备设置一种抗篡改及操作控制系统来进行安全处理和内容保护等使用控制，但这种方式也无法用于篡改提示。以上两种应用都是基于加密技术，其缺陷是完全隐藏内容的价值和出版直到用户收到付费的安全密钥，阻止了终端用户对视听条目的感知评价，是一种消极策略。目前大多加密技术是针对电子产品的保护，而对交易凭证等电子中间产品的保护，特别是对于需要填写、涂改和打印的票证的信息安全保护，给基于水印的信息认证系统提出了很大的市场需求。对电子商务中大量需要填写的票据、单证和合同文件等的保护，仅仅使用数字签名这种加密技术对篡改攻击的安全保护明显不足。无论是用于打印的邮寄票据，还是目前在网络上使用的电子票据，都可以使用数字水印技术，作为对填写信息安全性控制的补充。4第一章鳍论目前即使在商务数据库及网络强大的加密系统的保护下，各种票据在使用时仍不褥不设逛一定载安全期隈，用于加爨认涯，当帐务傣塞确认安全鼹，交易才安瑗。丽引入水印系统，则将加密系统无法保护的安全传输过程及填写储息内容迸一步保护起来。由于霈要填写，掰| 三l 加入的承露嚣要具备一定戆鲁棒性，簧求在涂改大堂鬣意鑫仍能保诞精确提取出承印信息。其次需要对填写鬈的票据特征迸一步记录于票据上，使票据被篡改攻击后能椿记出篡改区域，即还要具备一定脆弱性绒敏感性。此外票求赝使用的承印嵌入算浃，可以对载体数据多次嵌入，因为不少票擐在交易相关方多次往来孛需要填写数次。由于用户都翔邋票据是被承印保护的，所锯承印的可察觉与否并不是最薰要的，特别悬当应用于打印票据的场合，必须增加水印嵌入强度，来抵抗打e p 和掴撼识别盼失嶷信噪，所以& 矮可殴看出与藤馋的变化也没鸯关系。但怒，对于不知邋农印嵌入密钳作用鲍用户，水印系统应当麓保证，无法缀过对大量票据的统计分析伪造出水印。而风，还要求水印系统对密钥敏感，变化很小的密钥对水印嵌入和提取露明显不同。本文的水印算法燕在一种电子商务平台上，赞对电子票据的虢篡改需要掰设计的水印防伪验证系统，试图解决目前系统所应用的加密技术所不能解决的防篡改的安全闽题，特另是对于来自使用者内部约篡改和抵赖。在密钥产生和使用上，直接躅票号作为密镪。1 4 文誊组织结构第二章介绍本论义所涉及到的主饔信息处理方法及其基本理论。第三帮介绍水印信母的产生和加密方案。第殛零奔绍载体数据处理及撩密方法。第赢章通过设计个电子票据信患认证系统，介绍本水印糟途。内容包括：票据设计、系统功能设计。详细介绍了电子票据认证流襁。第六索对水印方褰在应用中整体加密手段律了憨络和展望。第二牵基本理论2 鼗线拟合第二意基本理论从曲线设计一般过程来说，应嬲是先构思曲线大致形状，再根据绘制出的曲线终局郄诱整，最终这裂夔线竣诗瓣戆，霹爨谬麴线攘会。联骞方法黎霹以概廷为插值法和逼近法，舆体包括多项溅插值，样条糖值( 即分段插值) ，多边形控制曲线，藏交基函数道避曲线等。而它们构造曲线的共同特点怒用一族简单的曲线魏线瞧缀会表示一令复杂蓬线。最台适设计标志轮廓曲线的怒多边形控制样条插值曲线b - s p l i n e 曲线。多边形掇制适合设计思路实现；样条插值避免了高次多项式不稳定性，又具有局部可修敬缝。b 徉条魏线不象以b e r n s t e i n 基爨数麴遥豹s d z i e r 燕线郡榉，当改变控制多边形一个顶点的位置时，全部曲线都需要重新计算。同时，b 样条曲线还具有以下优点：可以根据曲线不同的分段方式反算出不同的控制多变形，生成不围瓣攘合基线；也可蹉任意壤热控制点数爨，露不提毫熬线除数；铡弱捶入( 重) 顶点调整益线形状等b 样条曲线按其酋末端点是否熬合，区分为闭曲线和开曲线，闭曲线叉区分为周期秘 瘸期嚣秘馈形。周颓阙麴线与菲周期 l l 夔线熬区裂跫：蔻考在蔫寒璇点是妒连续的，而焉者一般是秽连续的。非弼期闭曲线可以认为是开曲线的特例，按歼曲线处理。2 。2 三次均匀器释条曲线秘基函数在使用时，为了减少计算量，希望曲线次数越低越好，但= 次茁线是一条抛貉线，举藐反应夔线戆揍熹；爨瑷一黢笈露三次( 嚣除) 瑟嚣条藏线。其孛均勾b样条的蒸函数比较简单。三次均匀b 样条曲线段的矩阵寝示为# ( ，) ；护写成和式为s鬈巧“k + 2班3( 2 - i )lo0o丢33l3 o4o ，4 ，第二章基本理论3霉( f ) = ( f ) k + ，j = o( 2 - 2 )式中t 为参数，【o ，1 】；巧，k 。+ ：和巧+ ，为特征多边形的顶点，q ，0 ) ，j = o 123为三次均匀b 样条的基函数，其表达式分别为f ( ，) = 扣r ) 3沪护_ 6 ，2 “)防。，1 ( ，) = - 3 t 3 + 3 t 2 + 3 r + 1 )。h ( ，) = 否1r2 3 节点插入算法节点插入算法是b 样条方法的重要技术之一。通过插入节点可以进一步改善b 样条曲线的局部性质，提高b 样条曲线的形状控制的灵活性，可以实现对曲线的分割。这里运用插入算法来使不同图形的特征多边形有相同的顶点数量。例如，插入一个节点：给定一条k 阶n 次( k - l = n ) b 样条曲线p ( f ) = ( f 形+ ( 2 4 )j 卸其中b 样条基，。o ) ( j = o ，l ，胛) 由节点矢量t = k ，t l ，“j 完全决定，而是k 个特征多边形顶点( n + l = k ) 。现在要在定义域某个节点区间k ，+ - j 内插入一个节点t e i t , ，+ 。】c 阮。，o l 】，得到新的节点矢量：r 1 = k ，l ，t ，。，。】重新编号成为：一= k ，：，一，k ，f k 一，r ：栅】( 2 5 )( 2 - 6 )这个新的节点矢量t 1 决定了一组新的b 样条基州，( f ) j = o ，l ，n + l 。原始的b样条曲线就可以用这组新的b 样条基与未知新顶点曙，表示出。7第二章基本理论n + lp ( f ) = _ ( r ) 虻0( 2 7 )j l o1 9 8 0 年，b o e h m 给出了这些未知新顶点的计算公式：ik ：= 吆，j = o ，l ，一，i k + l k ：，= ( 1 一屈) 巧+ ，+ 屈k + ，j = f k + 2 ，一，i 一，( 2 - 8 )ik ：j = 巧t ，- 1 ，j = f 一，+ 1 ，n + l其中层2 “t 一- l t 一, m ，r 表示所插结点t 在原始节点矢量t 中的重复度。若t t t t f + 1 ，则r = o ；若r 为正整数，且r k 一1 ，则有t = f = t l - i = = t l 一，+ l 。当r = o 时，它仅涉及节点序列f h + 2 ，f m - l 和控制顶点序列只m l ，j ，只，生成新顶点只! 。，f ，取代原始顶点k! 。彤图2 - 1 实线框中k 个新顶点取代虚线框中k - 1 个原始顶点只。，只- - 。如图2 - 1 所示，虚线框内k - 2 个老顶点由实线框内卜1 个新顶点所替代，其它原始控制顶点保持不变。图2 2 给出了三次b 样条曲线插入一个节点t 如，t 4 】的图解过程，生成三个新顶点f ，爿，日取代两个原始顶点，其余不变。若0 r k 一1 ，涉及的原始节点仅仅是“+ 2 ，一，- l ，涉及的原始顶点仅仅是e l ，。，只，生成k - r 一1 个新顶点只! 。，p 。i 取代k - r 一2 个原始顶点e 。2 ，p 一，。图2 - 3 给出了三次b 样条曲线插入一个重复度r = 2 的节点的例子，插入节点t = t 3 = t 2 。这时仅有一个非零的比例因子届。由两个原始顶点昂与丑生成一个新顶点e 1 ，所有原始顶点都保留。2 4 生成三次均匀b 样条曲线的描点程序由四个特征多边形顶点坐标值，经过b 样条8图2 - 2 三次8 样条曲线插入一个节点 叫- t 一。一o = ，2 = )图2 - 3 三次b 样条曲线插入一个二重节点等第二章基本理论插值计算公式2 2 ，得到b 样条曲线段上的点坐标，程序如下所列。变量t 取0和1 时，可相应计算出b 样条曲线段的两个端点坐标，曲线段上其它点的坐标由t 取值为0 到l 之间的小数时，同样由公式2 - 2 计算出坐标。程序中不可能使t 在实数域内取值，所以用参数“l e n ”规定b 样条曲线段的两个端点之间描点的数量，即参数t 的数量。从而通过以下程序进一步计算出曲线段上其它点坐标，程序中t 均匀分布在0 到1 之间，目的是使用有限的点，描绘出拟合曲线。如果要提高显示精度，最笨的方法是增加均匀分布的描点数量，即“l e n ”值。绘制b 样条曲线的程序如下：v o i dg e t b s p o i n t ( d o u b l e * p x ，d o u b l e * p y ，i n tl e n ，i n tx x 4 ，i n ty y 4 )i n ti ：d o u b l ef 4 ，t ，d l e n ，x 4 ，y 4 ；d l e n = d o u b l e ( 1 e n ) ；f o r ( i = o ：i 4 ：i + + ) x i 3 ；d o u b l e ( x x i ) ：y i ；d o u b l e ( y y i ) ；jf o r ( i = o ：i l e n ；i + + ) ft = 1 d l e n ( d o u b l e ) i ：g e t f ( f ，t ) ：p x i = f 0 x o + f 1 木x 1 + f 2 x 2 + f 3 x 3 ：p y i = f 0 + y o + f 1 宰y 1 + f 2 4 y 2 + f 3 y 3 ：)，上述程序中所需的三次b 样条基函数f 的值由以下函数计算出。v o i dg e t f ( d o u b l ef 4 ，d o u b l et ) f o = - t * t * t 6 + t , t 2 一t 2 + 1 6 ：f 1 = t * t * t 2 一t * t+ 2 3 ：f 2 = 一t * t * t 2 + t , t 2 + t 2 + 1 6 ：f 3 = t * t * t f i ：)9第二二章基本理论2 5 散列( h a s h ) 函数散列函数( 又称杂凑函数) 是对不定长的输入产生定长输出的一种特殊函数，设h 是一个h a s h 函数，有h = 日( m )( 2 9 )其中m 是变长的消息，h 是定长的散列值或称为消息摘要( m e s s a g ed i g e s t ) 。这个散列值是消息m 的所有位的函数并提供错误检测能力消息中的任何一位或多位的变化都将导致该散列值的变化。h a s h 函数满足下列条件：1 、h 可以作用于一个任意长度的数据块；2 、h 产生一个固定长度的输出；3 、对任意给定的x ，h ( x ) 计算相对容易，无论是软件还是硬件实现。4 、对任意给定码h ，找到x 满足h ( x ) = h 具有计算不可行性；( 单向性)5 、对任意给定的数据块x ，找到满足h ( y ) = f l ( x ) 的y x 具有计算不可行性。6 、找到任意数据对( x ，y ) ，满足h ( x ) = h ( y ) 是计算不可行的。数字签名中使用的h a s h 函数还分为不带密钥的h a s h 函数和带密钥的h a s h函数族。对于不带密钥的h a s h 函数日( ) 是公开的、固定的、单一的，散列值在信源处被附加在消息上，接收方通过重新计算散列值来保证消息未被篡改。由于函数本身公开，传送过程中对散列值需要另外的安全信道传输。如果没有对散列值的保护，篡改者可以在修改消息的同时修改散列值，从而使散列值的认证功能失效。带密钥k e y 的h a s h 函数巩( ) 是不公开的，通常用来做消息认证码m a c ( m e s s a g ea u t h e n t i c a t i o nc o d e ) 。使用双方共享同一密钥，而这个密钥确定h a s h 函数族的一个h a s h 函数峨( ) ，消息x 和认证标签y 可以在不安全信道传输，双方都能验证是否有y = 峨( x ) 。散列函数又称为：哈希函数、数字指纹( d i g i t a lf i n g e rp r i n t ) ，压缩( c o m p r e s s i o n ) 函数、紧缩( c o n t r a c t i o n ) 函数、数据鉴别码d a c ( d a t aa u t h e n t i c a t i o nc o d e ) 、篡改检验码m d c ( m a n i p u l a t i o nd e t e c t i o nc o d e ) 。h a s h 函数通用结构，由m e r k l e 于1 9 8 9 年提出h a s hf u n c t i o n 模型，几乎被所有h a s h 函数使用。具体做法如下：1 、把原始消息m 分成一些固定长度的块y i ；1 0第二章基本理论2 、最后一块p a d d i n g 并使其包含消息m 长度；3 、设定初始值c v , ：4 、压缩函数( c k ) = ，( c 巧一l ，k - 1 ) ；5 、最后一个c v ；为h a s h 值。r o nr i v e s t 于1 9 9 0 年提出m d 4 ，1 9 9 2 年，r o nr i v e s t 发展出m d 5 ( r f c1 3 2 1 ) 。m d 5 把数据分成5 1 2 一b i t 块，m i ) 5 的h a s h 值是1 2 8 一b i t 。在最近数年之前，m d 5 是最主要的h a s h 算法。d o b b e r t i n 在1 9 9 6 年找到了两个不同的5 1 2 一b i t 块，它们在m d 5 计算下产生相同的h a s h 值。至今还没有真正找到两个不同的消息，它们的m d 5 的h a s h 值相等。现行美国标准s h a 一1 以m d 5 的前身胁4 为基础。欧洲r i p e项目的结果，r i p 聊d - 1 6 0 的基础是m d 5 。其主要区别如下表。表2 1 数字签名算法比较算法名称比较项八m d 5s h a - 1r i p e m d 一1 6 0摘要长度1 2 8 位1 6 0 位1 6 0 位基本处理单位5 1 2 位5 1 2 位5 1 2 位计算步骤数目6 4 ( 4o f1 6 )8 0 ( 4o f2 0 )1 6 0 ( 5p a i r e do f1 6 )最大消息长度无限2 “一1 位2 “一1 位基本逻辑函数数目445加法常数数目6 449e n d i a n n e s sl i t t l e e n d i a nb i g e n d i a nl i t t l e e n d i a n性能3 2 4m b p s1 4 4 m b p s1 3 6 m b p sh a s h 函数小结：h a s h 函数把变长信息映射到定长信息。h a s h 函数不具备可逆性。h a s h 函数速度较快。h a s h 函数与对称密钥加密算法有某种相似性。对h a s h 函数的密码分析比对称密钥密码更困难。h a s h 函数可用于消息摘要。h a s h 函数可用于数字签名。第二章基本理论2 6 混沌序列混沌序列具有许多优良特性，利用混沌序列来生成基于“内容”的水印序列，是目前水印信息调制的主要方法。混沌现象是在非线性动力系统中出现的确定性的、类似随机的过程，这种过程既非周期又不收敛，并且对初始值有极其敏感的依赖性。混沌系统的类随机特性十分适合于噪声伪装调制。通过混沌系统对初始值的敏感依赖性，可以提供数量众多、非相关、类随机而又确定可再生的信号。一维离散时间非线性动力系统定义为：x k + ，= r ( x k ) ，f 表示当前状态x k 和下一个状态x k + i 的映射关系。从一个初始值而开始，反复应用映射关系f ，就得到一个序列 x k ；k = 0 , 1 ，2 ，3 ，该序列称为该离散时间动力系统的一条轨迹。对x 当f ：x x 满足以下三个条件时系统才是浑沌的。条件一、具有对初始条件的敏感依赖性。条件二、是拓扑传递的。条件三、周期点在x 中稠密。以下例举几个浑沌系统映射：l o g i s t i c 映射x k “= ( 1 一黾)x k + l - l 一碍c h e b y s h e v 映射0 x k 1 且3 5 6 9 9 4 5 6 41 黾 1 且0 a 2( 2 一1 0 )( 2 1 1 )甄。= c o s ( n ( c o s - i ) ) 一l 1 ( 2 - 1 2 )从一些形式简单的混沌序列的统计特性的研究可以看出，尽管混沌动力系统具有确定性，但其遍历统计特性等同于白噪声的统计特性，因而可以应用于包括数字通讯和多媒体数据安全等需要噪声调制的众多领域。其优势可以总结如下：一、形式简单：只需要混沌映射的参数和初始条件就可以方便地生成、复制混沌序列。我们不必浪费空间来存储很长的整个序列。二、初始条件的敏感性：一般不同的初始值，即使相当接近，迭代出来的轨迹都不相同；三、混沌动力系统具有确定性，给定相同的初始值，其相应的轨迹肯定相同。我们可以轻而易举地获得数量极多的非相关混沌序列。而且一般情况下，很1 2第二章基本理论难从一段有限长度的序列来推断出混沌系统的初始条件。从安全的角度，这是非常重要的。从l o g i s t i c 映射或c h e b y s h e v 映射生成混沌序列的方法如下：一、实数值序列，即 x k ；k = o ，1 ，2 ，3 ，是混沌映射的轨迹点所形成的序列。二、二值序列，可以通过定义一个阈值函数r ，到，其中r 可以定义为：( 小f - i 邓 x , 。0二值混沌序列即为 r ( ) ；女= o ，1 ，2 ，3 ) 。由上述的实数值混沌序列得( 2 - 1 3 )三、位序列：同样由实数值混沌序列得到。所不同的是，位序列是通过对 x k ；k = o ，1 ，2 ，3 中的矗改写为l - b i t 的浮点数形式得到的：i 黾i - o 6 l ( x 。) b 2 ( 坼) 岛( 耳) 玩( x k )( 2 一1 4 )其中岛( 黾) 是k 的第f 位。所需序列即为 6 ，( x k ) ；i = o ，1 ，2 ，l ；k = o ，l ，2 ，3 。另一个生成混沌位序列的方法是在进行l 位量化后，不是每一个迭代值仅取一位组成序列，而是把每一比特6 ，【黾) 串接起来，组成一个扩展的位序列 c i + k x l ；j = o ，1 ，2 ，l ；k = o ，1 ，2 ，3 j 其中q m l = 匆心) 。这个方法能够在依次迭代中获得l 位数据输出，扩展了序列的周期，在同等序列长度条件下，所需迭代次数减少l 倍，大大简化了获得混沌位序列所需的计算量。四、四值混沌序列：这种混沌序列的生成与二值混沌序列的生成非常类似。例如，为生成l o g i s t i c 四值混沌序列，我们如果把1 1 ( 以) 的定义区间( _ l ，1 ) 划分为四个子区间，使得x k 落入个子区间的概率相等。 r ( x k ) ；七= o ，1 ，2 ，3 就是所需的混沌序列。最为直观的混沌序列是实数值混沌序列。其它形式的混沌序列都要依赖于它来完成。根据c o x 等的观点，实数值的调制序列在实际的数字水印系统中比二值序列有着更强的抵御多拷贝攻击( c o l l u s i o na t t a c k s ) 的能力。实际上，c o x 的观点并非定论，二值混沌序列与混沌位序列在多媒体数字水印系统中也具有很强的应用前景。它们都保留了混沌序列的优良特性，与其它p n 序列相比，具有易于生成、数量极多以及初始条件敏感的优势。第二章基本理论2 7 程序中使用的小波基程序进行小波变换使用d a u b e c h i e s 系小波函数，d b n 紧支撑正交小波基( n = i ，2 ，1 0 ) ，不同支撑区间长度下的滤波器系数如下。c o n s td o u b l eh c o e f 1 0 2 0 = 7 0 7 1 0 6 7 8 1 1 8 7 ，7 0 7 1 0 6 7 8 1 1 8 7 ， 4 8 2 9 6 2 9 1 3 1 4 5 ，8 3 6 5 1 6 3 0 3 7 3 8 ，2 2 4 1 4 3 8 6 8 0 4 2 ，一t 2 9 4 0 9 5 2 2 5 5 1 ， 3 3 2 6 7 0 5 5 2 9 5 0 ，8 0 6 8 9 1 5 0 9 3 1 1 ，4 5 9 8 7 7 5 0 2 1 1 8 ，一1 3 5 0 1 1 0 2 0 0 1 0 ，一0 8 5 4 4 1 2 7 3 8 8 2 ，0 3 5 2 2 6 2 9 1 8 8 2 ， 2 3 0 3 7 7 8 1 3 3 0 9 ，7 1 4 8 4 6 5 7 0 5 5 3 ，6 3 0 8 8 0 7 6 7 9 3 0 ，一0 2 7 9 8 3 7 6 9 4 1 7 ，一1 8 7 0 3 4 8 11 7 1 9 ，0 3 0 8 4 1 3 8 1 8 3 6 ，0 3 2 8 8 3 0 11 6 6 7 ，一0 1 0 5 9 7 4 0 1 7 8 5 ，；、 1 6 0 1 0 2 3 9 7 9 7 4 ，6 0 3 8 2 9 2 6 9 7 9 7 ，7 2 4 3 0 8 5 2 8 4 3 8 ，1 3 8 4 2 8 1 4 5 9 0 1 ，一2 4 2 2 9 4 8 8 7 0 6 6 ，一0 3 2 2 4 4 8 6 9 5 8 5 ，0 7 7 5 7 1 4 9 3 8 4 0 ，一0 0 6 2 4 1 4 9 0 2 1 3 ，一0 1 2 5 8 0 7 5 1 9 9 9 。0 0 3 3 3 5 7 2 5 2 8 5 ， i i l 5 4 0 7 4 3 3 5 0 ，4 9 4 6 2 3 8 9 0 3 9 8 ，7 5 1 1 3 3 9 0 8 0 2 1 ，3 1 5 2 5 0 3 5 1 7 0 9 ，一2 2 6 2 6 4 6 9 3 9 6 5 ，一1 2 9 7 6 6 8 6 7 5 6 7 ，0 9 7 5 0 1 6 0 5 5 8 7 ，0 2 7 5 2 2 8 6 5 5 3 0 ，一0 3 1 5 8 2 0 3 9 3 1 8 ，0 0 0 5 5 3 8 4 2 2 0 1 ，0 0 4 7 7 7 2 5 7 5 1 1 ，一0 0 1 0 7 7 3 0 1 0 8 5 ， 0 7 7 8 5 2 0 5 4 0 8 5 ，3 9 6 5 3 9 3 1 9 4 8 2 ，7 2 9 1 3 2 0 9 0 8 4 6 ，4 6 9 7 8 2 2 8 7 4 0 5 ，一1 4 3 9 0 6 0 0 3 9 2 9 ，一2 2 4 0 3 6 1 8 4 9 9 4 ，0 7 1 3 0 9 2 1 9 2 6 7 ，0 8 0 6 1 2 6 0 9 1 5 1 ，一0 3 8 0 2 9 9 3 6 9 3 5 ，一0 1 6 5 7 4 5 4 1 6 3 1 ，0 1 2 5 5 0 9 9 8 5 5 6 ，0 0 0 4 2 9 5 7 7 9 7 3 ，一0 0 1 8 0 1 6 4 0 7 0 4 ，0 0 0 3 5 3 7 1 3 8 0 0 ) ， 0 5 4 4 1 5 8 4 2 2 4 3 ，3 1 2 8 7 1 5 9 0 9 1 4 ，6 7 5 6 3 0 7 3 6 2 9 7 ，5 8 5 3 5 4 6 8 3 6 5 4 ，一0 1 5 8 2 9 1 0 5 2 5 6 ，一2 8 4 0 1 5 5 4 2 9 6 2 ，0 0 0 4 7 2 4 8 4 5 7 4 ，1 2 8 7 4 7 4 2 6 6 2 0 ，一0 1 7 3 6 9 3 0 1 0 0 2 ，一0 4 4 0 8 8 2 5 3 9 3 1 ，0 1 3 9 8 1 0 2 7 9 1 7 ，0 0 8 7 4 6 0 9 4 0 4 7 ，一0 0 4 8 7 0 3 5 2 9 9 3 ，一0 0 0 3 9 1 7 4 0 3 7 3 ，0 0 0 6 7 5 4 4 9 4 0 6 ，一0 0 0 11 7 4 7 6 7 8 4 ，1 4第二章基本理论 0 3 8 0 7 7 9 4 7 3 6 4 ，。2 4 3 8 3 4 6 7 4 6 1 3 ，6 0 4 8 2 3 1 2 3 6 9 0 ，6 5 7 2 8 8 0 7 8 0 5 1 ，1 3 3 1 9 7 3 8 5 8 2 5 ，一2 9 3 2 7 3 7 8 3 2 7 9 ，一0 9 6 8 4 0 7 8 3 2 2 3 ，1 4 8 5 4 0 7 4 9 3 3 8 ，0 3 0 7 2 5 6 8 1 4 7 9 ，一0 6 7 6 3 2 8 2 9 0 6 1 ，0 0 0 2 5 0 9 4 7 1 1 5 ，0 2 2 3 6 1 6 6 2 1 2 4 ，一0 0 4 7 2 3 2 0 4 7 5 8 ，一0 0 4 2 8 1 5 0 3 6 8 2 ，0 0 1 8 4 7 6 4 6 8 8 3 ，0 0 0 2 3 0 3 8 5 7 6 4 ，一0 0 0 2 5 1 9 6 3 1 8 9 ，0 0 0 0 3 9 3 4 7 3 2 0 ， 0 2 6 6 7 0 0 5 7 9 0 1 1 8 8 1 7 6 8 0 0 0 7 8 ，5 2 7 2 0 11 8 8 9 3 2 ，6 8 8 4 5 9 0 3 9 4 5 4 ，2 8 1 1 7 2 3 4 3 6 6 1 ，一2 4 9 8 4 6 4 2 4 3 2 7 ，一1 9 5 9 4 6 2 7 4 3 7 7 ，1 2 7 3 6 9 3 4 0 3 3 6 ，0 9 3 0 5 7 3 6 4 6 0 4 ，一0 7 1 3 9 4 1 4 7 1 6 6 ，一0 2 9 4 5 7 5 3 6 8 2 2 ，0 3 3 2 1 2 6 7 4 0 5 9 ，0 0 3 6 0 6 5 5 3 5 6 7 ，一0 1 0 7 3 3 1 7 5 4 8 3 ，0 0 1 3 9 5 3 5 1 7 4 7 ，0 0 1 9 9 2 4 0 5 2 9 5 ，一0 0 0 6 8 5 8 5 6 6 9 5 ，一0 0 0 1 1 6 4 6 6 8 5 5 ，0 0 0 0 9 3 5 8 8 6 7 0 ，一0 0 0 0 1 3 2 6 4 2 0 3 ) ：2 8 水印技术传统水印技术的历史背景悠远，水印的历史和西方中世纪的造纸业同样古老，大约7 0 0 年前，在手工造纸技术中出现了纸张上的水印。在早期的使用中，它用于标志造纸者的商标，其真实性既不影响美感，也不影响使用的效用。后来，水印用于表明纸的构成，甚至用于检验造纸所使用的自然纤维类型。水印的应用如此广泛，以致于被政府用于流通货币、邮票和股票等重要票据上。之所以采用水印技术是因为传统水印技术有其独特的性质：第一水印是一种几乎不可见的印记，必须放置于特定环境下才能被看到，不影响物品的使用；第二水印的制作和复制比较复杂，需要特殊的工艺和材料，而且印刷品上的水印很难被去掉。随着数字技术的不断向传统技术领域渗透，为保护数字产品著作权的真实性，数字水印( 隐藏版权信息) 和数字指模( 隐藏产品序列号) 技术也应运而生。目前，我国工业界印刷数字水印技术已经开始步入产业化进程；广泛应用于电子商务和电子政务中各种电子文件、票证以及电子产品的保护。所谓数字水印技术就是用信号处理的方法在数字化媒体数据中嵌入隐蔽的标记，这种标记通常是不可见的，只有通过专用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、发行人等对该产品的拥有权，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。虽然数字水印最初是以一种新兴的数字产品版权保护技术为世人所关注，但随着研究的深入，其应用正逐步渗透到信息安全的各个领域。发展数字水印技术的原动力是为了提供多媒体数据的版权保护，但人们发现数字水印还具有一些其第二章基本理论他的重要应用，渗入到其他信息隐藏技术领域，如数字文件真伪鉴别( d o c u m e n ta u t h e n t i c a t i o n ) 、隐含标注( h i d d e na n n o t a t i o n ) 和秘密通信( s e c r e t ea n di n v i s i b l ec o m u n i c a t i o n ) ，除此之外还在票据的非密码防伪、数据标识隐藏、电子身份认证及访问控制等方面具有重要的应用价值。通过对水印的检测和分析