（通信与信息系统专业论文）二维cad水印技术的研究.pdf

摘要 目前，产权保护已经成为一个引起广泛关注的焦点，数字水印技术为数字化 产品的版权保护提供了一种有效方法。将数字水印技术运用到二维c a d 图形对 c a d 图形的版权保护方面将会有很重要的意义。当前数字水印技术主要集中在 对图像、音频和视频处理方面，而二维c a d 图形的版权保护方法远远不如数字 图像和其它普通文件成熟。站在版权所有者的立场来看，一种有效的二维c a d 版权保护技术是迫切需要的。由于c a d 的使用领域很广，所以这方面的研究前 景非常大。 将加密和隐藏技术结合运用到数字水印领域已经成为人们越来越关注的新 课题。本文分别把交换技术运用空域算法中，和把置乱技术应用到变换域算法中， 以此来加强水印信息的安全性。 本文首先从二维c a d 水印技术的研究背景和意义开始介绍，其次结合国内 外的研究现状，分析二维工程图数字水印的特点和难点，然后分别从空域和变换 域两种水印嵌入的方式对现有的算法进行归纳和总结，分析它们的优点和不足之 处，提出两种改进方法。 第一种方法，通过更改插入点的比例值来嵌入和提取水印信息的空域算法。 在该算法中，通过调换前后几个字符来对水印信息进行简单加密，用来增强算法 的鲁棒性，并从水印的生成、嵌入和提取三个方面进行分析，最后结合v c 6 0 等编译环境对此算法进行实验验证。 第二种方法，基于图像检索等方法，结合一种基于傅里叶描述子的变换域工 程图水印算法。提出首先从水印信息的获取中进行一定的修改，再通过更改傅里 叶描述子的幅值进行水印的嵌入。在此算法中，引入以二值图像作为水印信息。 通过在v c 6 0 环境下，结合c a d 二次开发工具o b j e c t a r x 2 0 0 0 对算法进行 验证，证明通过提出的第一种方法嵌入的水印信息，在被旋转、平移、伸缩，以 及部分组合攻击之后，仍能够有效检测出水印信息，说明本文提出的算法有较好 的鲁棒性，具有一定的实用性。 本文的创新点和特色之处归纳为以下三个方面： 第一，使用增加比例点和水印信息加密技术实现水印的嵌入。 第二，使用v c6 0 与o b j e c t a r x 2 0 0 0 实现a u t o c a d 2 0 0 0 的二次开发，实 现针对a u t o c a d 的数字水印系统。 第三，使用置乱技术对作为水印信息的二值图像进行预处理，实现增强水印 的强壮性的目的。 关键字：c a d 2 0 0 0 ，版权保护，o b j e c t a r x 2 0 0 0 ，l s b ，傅里叶描述子 i a b s t r a c t n o w a d a y s ，s o m ep r o b l e m ss u c ha si s s u eo fc o p 巾g h t ，w h i c hi sc o n c e m e da l l a r o u n dt h ew o r l d d i g i t a lw a t e r m a r k i n gi sau s e f u lw a yt op r o t e c tc o p y r i g h to fd i g i t a l p r o d u c t s i tw i l lb ev a l u a b l ei fd i g i t a lw a t e r m a r k i n gc a nb ea p p l i e dt ot h e t w o - - d i m e n s i o n a lc a dt h ew a yt op r e v e n t2 d b a s e dm a t e r i a lf r o mi l l e g a lu s ei sn e e d e a g e r l y s t a n d i n go nt h ec o p y r i g h to w n e r ss t a n d p o i n t ，a ne f f e c t i v et w o d i m e n s i o n a l c a dc o p y r i g h tp r o t e c t i o nt e c h n o l o g yi su r g e n t l yn e e d e d a st h eu s eo fc a dw i d e r a n g eo fa r e a s ，s ot h ep r o s p e c t sf o rr e s e a r c hi nt h i sa r e ai sv e r yg r e a t i nt h ef i e l do fd i g i t a lw a t e r m a r k i n g ，h o wt ou s et e c h n o l o g i e so fe n c r y p t i o na n d h i d d e nt o g e t h e r , h a sb e c o m ei n c r e a s i n g l yc o n c e r n e d i nt h i sp a p e r , i no r d e rt oe n h a n c e t h es e c u r i t yo ft h ew a t e r m a r ki n f o r m a t i o n ，t w ok i n d so f e n c r y p t i o na r ea p p l i e d i nt h i sp a p e r , f i r s t l yi n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n da n dm e a n i n go ft h i sr e s e a r c h ，a n d a n a l y s i st h ed i f f i c u l t i e sa n di m p o r t a n c e ，a n dt h e ns u m m a r i z e st e c h n o l o g i e sf r o m e x i s t i n gs p a t i a la n dt r a n s f o r md o m a i nw a t e r m a r ke m b e d d i n gs e p a r a t e l y a tl a s t ， p r o p o s e st w ok i n d so fi m p r o v e dm e t h o d s t h ef i r s tm e t h o d ，e m b e d d i n gw a t e r m a r k b yc h a n g i n gt h er a t i oo ft h ei n s e r t i o n p o i n t ，b ye x c h a n g i n gaf e wc h a r a c t e r so ft h ew a t e r m a r ka sas i m p l ee n c r y p t i o n a l g o r i t h m ，w h i c hi su s e dt oe n h a n c et h er o b u s t n e s s ，a n da n a l y s i st h ep r o c e d u r ef r o m t h r e ea s p e c t so ft h ew a t e r m a r kg e n e r a t i o n ，e m b e d d i n ga n de x t r a c t i n g f i n a l l yw i t h v c 6 0e n v i r o n m e n t ，t h ep a p e rm a k e se x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o no ft h i sa l g o r i t h m t h es e c o n dm e t h o d ，b a s e do ni m a g e r e t r i e v a lm e t h o d s ，a n di nc o m b i n a t i o nw i t h f df o u r i e r t h i sp a p e rp r o p o s e st h a tt r a n s f o r md o m a i nw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mf o r e n g i n e e r i n gd r a w i n g st h e o r e t i c a l l y a d v i s e dw a t e r m a r ki n f o r m a t i o nt ob ee m b e d d e d b yc h a n g i n gt h ea m p l i t u d eo ff o u r i e rd e s c r i p t o r s i nt h i sa l g o r i t h m ，t h eb i n a r yi m a g e c a nb eu s e da saw a t e r m a r k t h ei n n o v a t i o nf e a t u r e so ft h i sp a p e rc a nb eg r o u p e di n t ot h ef o l l o w i n gt h r e e a s p e c t s ： f i r s t ，e m b e d d i n gw a t e r m a r kb yi n c r e a s i n gr a t i op o i n t sa n du s i n gw a t e r m a r k e n c r y p t i o nt e c h n o l o g y s e c o n d ，u t i l i z i n gv c 6 0a n do b j e c t a r x 2 0 0 0w h i c hi st h et o o lo fs e c o n d a r y d e v e l o p m e n to f a u t o c a d 2 0 0 0t or e a l i z ed i g i t a lw a t e r m a r k i n gs y s t e mf o ra u t o c a d i i t h i r d ，t a k i n gt h ea d v a n t a g eo ft h et e c h n o l o g yo fi n t e r m i n g l i n gb i n a r yi m a g e a sa b i n a r yw a t e r m a r kp r e p r o c e s s i n g ，i no r d e rt o e n h a n c et h er o b u s t n e s so ft h e w a t e r m a r k k e yw o r d s ：c a d 2 0 0 0 ，c o p y r i g h t ，o b j e c t a r x2 0 0 0 ，l s b ，f o u r i e rd e s c r i p t o r s i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 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 武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同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。 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生。签名，：堙蝴 导师。签名，彳繇蜘期 武汉理i ：大学硕士学位论文 1 1 研究背景 1 1 1 课题来源 第1 章引言 由于多媒体与网络技术的迅速发展，在各行各业中给人们带来了前所未有的 便捷和迅速，人们之间的相互沟通和信息的交流越来越容易。随着i n t e m e t 的普 及，整个世界也变成了地球村，信息的共享基本上是以数字形式来进行传递的， 例如视频，音频和图像图形，其中图形以c a d 为主。c a d 的产品和技术已经被 各行各业如建筑、广告、服装设计等领域所使用。有关二维工程图数字水印技 术研究的文献很少【l 。】。数字信息利于信息的流通、协同工作和相互支持，带来 了极大的方便。但由此也带来了一些问题，最主要的问题就是信息的版权保护， 因为数字的信息非常容易进行复制和删减导致很多版权和非法使用。一些二维 工程图，如机械行业、建筑行业及服装业中的工程图，它们是设计工程师智慧 和汗水的结晶，其版权和静止图像、视频等的版权一样需要得到保护【4 】。通过什 么样的方法才能保护这些数字产品的版权信息，已经成为了国际学术界关注的 问题。 因此数字水印技术运用到c a d 产品上来是目前比较热门的课题。 1 1 2 本课题研究的意义 如今，产权保护问题已经成为一个引起广泛关注的焦点。作为一种新型信息 隐藏技术，数字水印技术为数字化产品的版权保护提供了一种有效方法。该技 术从1 9 9 4 第一篇关于数字水印技术的论文的发表起，开始受到全世界的重视并 迅速发展起来。 当前数字水印技术主要集中在对图像、音频和视频而其中对二维c a d 图形 的版权保护方法远远不如数字图像和普通文件成熟。甚至在对三维网格方面的 研究也比针对二维c a d 的也多。但目前c a d 的主要流通和使用形式还是二维 的c a d 形式为主。处于版权所有者的立场来看，二维c a d 的版权保护方法也 武汉理t 人学硕士学位论文 是迫切需要的。该领域的研究前景也是非常巨大的。同时，由于工程图自身的 特点使得水印嵌入有一定的难度【5 】。工程图与数字图像的区别就是位图和矢量图 的区别【6 1 。数字图像一般为点阵图，表达的信息较具体：工程图表达的信息较抽象 1 7 1 。工程图由一些基本的元素，如点、直线、曲线、圆、圆弧等图形组成，一般 应用在工程设计中。很有必要根据工程图的特点，研究出适合于其特点的数字 水印嵌入及检测算法【引。这些研究现状的出现于二维c a d 图的一些特点有着密 切联系。 本文主要从二维c a d 的特点着手，分别从空域和变换域对工程图水印技术 进行研究，对现有的几种办法进行一些修改，以此来部分解决此方面的版权保 护问题，或提出一些有用的看法。这方面的技术在工程图水印版权方面是迫切 需要的，它可以推进工程图方面的专家更加有信心做出更多更高意义的工程图， 起到一个推动作用。 综上，在今天这种高科技迅猛发展的年代，数字化进程越来越快，信息的传 播也随之提速，二维c a d 的使用领域和传播速度也将会达到空前的程度。而信 息版权作为保护数字信息传递的基础，二维c a d 水印技术的发展无疑是给奋斗 在使用c a d 的各行各业中专业人士一颗定心丸，促进更快更好的发展。所以二 维c a d 水印技术的研究对社会的发展和进步具有重要的意义。 1 1 3 研究目标 根据现有算法，结合c a d 图形本身的特点，做了一些研究，研究目标如下： ( 1 ) 能够在v c 环境下，结合o b j e e t a r x 工具，对c a d 图形进行二次开发， 实现对提出的水印算法进行验证； ( 2 ) 提出的算法在现有基础上有所改进，增强水印的鲁棒性； ( 3 ) 希望提出的算法对c a d 图形的保护能起到一定实际作用。 1 2 二维c a d 水印国内外研究现状 自从1 9 8 8 年美国版权保护技术组织( c p t w g ) 成立了数据隐藏小组( d h s g ) ， 便着手制定版权保护水印的技术标准。虽然至今没有形成数字水印的最终技术 标准，但d h s g 己经明确了用于版权保护的数字水印必须满足的一些基本条件， 包括透明性，必须使用成熟的技术嵌入或检测水印，水印内容的设计必须合理 2 武汉理。l = 大学硕士学位论文 等。至今已经出台了不少数字水印评测体系，如s t i r m a r k 、c e n t i m a r k 、o p t i m a r k 等。 从1 9 9 7 年开始，每年的“信息隐藏国际会议”都将数字水印作为重点进行 讨论。美国的麻省理工学院和p u r d u e 大学、英国的g e o r a g em a s o n 大学、瑞士 洛桑联邦工技院、美国的n e c 研究所、m 研究所都在数字水印研究上有所进 展。有些公司已推出了一些数字水印软件产品，如d i g i m a r c ，m a r e ，s u r e s i g n 等。各研究机构正努力设计出更高效安全、更通用、更强抗攻击能力的数字水 印产品。 在此以表i l 和表1 2 来对现有的研究现状进行分类列举。 表1 1现有c a d 水印空域算法 算法提出者空域算法核心思想 i c h i i k a w 9 1f p s 、p p s坐标构成点、点构成线、线构成面，可以得到面是由顶点的 序列来定义的，那么就可以通过顶点的不同排列方式来表示 水印信息。 i c h i i k a w 【9 】 f p 矿冗，p a c k e t 基于上一算法 r o h b u c h i t l o 】 基于模型属利用多边形图形都具有与之相关联的纹理坐标这一情况，通 性来进行水过修改这些纹理坐标值进行水印信息的嵌入。这种方法对于 印的嵌入 项点很多的图形来说，可以嵌入的信息量是比较大的，保证 水印的鲁捧性。 齐东旭等基于曲面映 将工程图映射到一个具有非常大有限半径的球面上，将二维 射的工程图工程图中的二维点转化成三维点，半径的长度则作为水印。 水印算法 孙伟【1 2 】基于复数系对复数系用于建立工程图几何信息和水印信息之间的数字变 的工程图水换关系进行研究，用复数基表示g a u s s 整数，由此建立了媒 印算法体间的数字变换关系，从而添加水印。 现在从嵌入水印的区域来进行目前研究现状分析。 首先空域水印方面，主要以i c h i i k a w a 提出的通过使用多边形网格的表示冗 余度来进行水印技术的实施的方法【9 l ，该方法主要包括f p s 和p p s 两种算法， 其主要思想是：坐标构成点，点构成线，线构成面，可以得到面是由顶点的序 列来定义的。那么就可以通过顶点的不同排列方式来表示水印信息。在此基础 上i c h i i k a w a 又提出了f p v r 、p a c k e t 等算法。还有r o h b u c h i 提出利用基于模型 武汉理t 大学硕七学位论文 属性来进行水印的嵌入【10 1 ，利用多边形图形都具有与之相关联的纹理坐标这一 情况，通过修改这些纹理坐标值进行水印信息的嵌入。这种方法对于顶点很多 的图形来说，可以嵌入的信息量是比较大的，保证水印的鲁棒性。 表1 2 现有c a d 水印变换域算法 算法提出者变换域算法核心思想 0 s o l a c h i d i s基于傅里叶变对矢量图的顶点坐标进行一维d f t 变换，并将水印嵌入到 v t 2 4 i 换的网格水印d f t 变换的幅值系数中，这种方法实现起来比较简单，但会 算法引起轻微失真，这种方法是针对封闭的多边形的算法。 黄晓生1 1 3 j基于f d 算法的通过从工程图中提取特定顶点构造出复值信号量再进行傅 工程图水印算立叶变换，通过对变换后的频域系数幅值进行调制嵌入，将 法 二值图像作为水印信息。 变换域水印算法相比空域中的算法，拥有很多优点，其强壮性较好，是当前 研究的重点。国外这方面的研究，目前还比较集中于3 d 网格，常用方法是对几 何或者点线信息进行修改。一些成熟的算法不适合于对几何模型要求严格的 c a d 中。在二维c a d 水印研究中，s o l a c h i d i sv 等人在w a t e r m a r k i n g p o l y g o n a l l i n e su s i n gf o u r i e i d e s c r i p t o r s ) ) 文章中对矢量图的顶点坐标进行一维 d f t 变换，并将水印嵌入到d f t 变换的幅值系数中，这种方法实现起来比较简单， 但会引起轻微失真，这种方法是针对封闭的多边形的算法，如果要用于c a d 中， 要做一定的改进。 目前国内在此方面的研究也比较多，齐东旭等人提出了一种基于曲面映射的 工程图水印算法【1 1 1 ，算法将工程图映射到一个具有非常大有限半径的球面上， 将二维工程图中的二维点转化成三维点，半径的长度则作为水印。孙伟在他们 的基础上又提出了一种基于复数系的工程图水印算法，对复数系用于建立工程 图几何信息和水印信息之间的数字变换关系进行研究【l2 1 ，用复数基表示g a u s s 整数，由此建立了媒体间的数字变换关系，从而添加水印。文献 1 中则通过修 改二维工程图中各实体顶点间的距离比例来嵌入水印信息，从而提出了一种基 于二维工程图的数字水印比例算法。黄晓生基于f d 算法提出通过从工程图中提 取特定顶点构造出复值信号量再进行傅立叶变换，通过对变换后的频域系数幅值 进行调制嵌入i 】。 4 武汉理t 大学硕十学位论文 本文主要工作以及结构安排 本文根据现有的二维工程图水印技术出发，分析其理论，研究了此方面的研 究背景和意义。介绍研究的现状，从已有的算法进行学习和思考，分析它们的 优点和不足。 研究了基于l s b ( 最低有效位) 算法的工程图水印技术，在这基础上做一定的 改动，提出一种鲁棒性更强的二维工程图数字水印。同时也研究傅里叶描述子 的算法，将之运用于工程图的水印技术中去，对目前的水印信息获取从理论上 做出一定的改进。 本文各章节内容安排如下： 第一章引言。主要介绍本课题的研究目的以及意义，国内外对于本课题的 研究现状，并对本论文的主要工作以及组织结构作了说明。 第二章数字水印技术和二维c a d 水印技术的相关理论与算法研究。叙述了 工程图的特点，数据属性，其中对工程图的运用领域作一些介绍。对本课题着 重研究的二维工程图数字水印技术作了一番概述，分析基本实现步骤，重点介 绍了二维工程图印算法研究进展，最后对工程图水印的攻击以及性能评价作了 说明。 第三章基于l s b 算法二维c a d 水印技术。介绍了l s b 实现的基本原理。 并介绍以此为基础上实现二维工程图水印的相关步骤：水印信息的获取，信息 分组，嵌入点比例划分等，在水印信息加入了转换字符来对信息进行简单加密， 重点研究了水印嵌入和提取过程，并用在v c 6 0 环境下利用c a d 二次开发工具 包o b j e c t a r x 2 0 0 0 进行实验验证。 第四章基于傅里叶描述子的二维c a d 水印技术。介绍傅里叶描述子算法的 基本思想，其使用范围的限定。介绍在此范围内将这种算法运用到工程图水印 的保护中。从理论上分析如何获取水印的信息，以二值图像作为水印信息，研 究如何得n - 值图像，并通过置乱等方法来打乱水印信息，增加水印信息的鲁 棒性。 第五章结论与展望。对全文进行总结，并提出进一步需要开展的工作。 武攫理工人学硕_ ：学位论文 第2 章数字水印技术与二维c a d 数据的相关研究 2 1 数字水印技术 随着网络和多媒体的快速发展，数字化信息的传播和交流越来越容易，在广 告、设计、建筑甚至服装行业等诸多行业中都得到了充分的利用。从而也导致 了很多人在使用数字产品的时候毫无顾忌，导致出现很多非法盗用、拷贝、侵 权等事件。合法的版权所有者急切需要一种能够保护他们产品版权的技术。数 字水印正是在这种环境出现的。 所谓数字水印( d i 咖lw a t e r m a r k i n g y 技术，就是将一些标识信息( 即数字水印) 直接嵌入数字载体( 包括多媒体、文档、软件等) 当中，但不影响原载体的使用价 值也不容易被人的知觉系统( 如视觉或听觉系统) 觉察或注意到。通过这些隐藏 在载体中的信息，可以达到确认内容创建者、购买者、传送隐秘信息或者判断 载体是否被篡改等目的。数字水印是信息稳臧技术的一个重要研究方向。大家 可以联想一下电视台的图标，在不影响电视节目的前提下，证明所属电视台名 称。或者是某个同页中，为了证明版权所有，在网页中也存在一些图标。如图 2 - l 所示： 其中作者名“阿八制作”即为一种普通的水印，用来证明该网页内容的所属 者。 q 图2 - 1网页中的水印圈标 匿 武汉理j = 人学硕士学位论文 数字水印最简单的基本框架如图2 2 所示： 图中w 代表水印信息，通常情况下为一二进制序列，般为可以证明版权的 相关信息；p 代表数字产品，当然也需要将产品变通为计算机能处理的数据。其 嵌入的过程，首先对w 进行一定的处理，然后通过某种方法嵌入到p 中，得到 嵌入了水印的p - - - p + w 。 图2 2水印的嵌入 这种嵌入不是一般的嵌入，必须要满足数字水印一些特点。这些特点主要有 以下几点： 安全性：数字水印的信息应是安全的，难以篡改或伪造，同时，应当有较低 的误检测率，当原内容发生变化时，数字水印应当发生变化，从而可以检测原 始数据的变更，当然数字水印同样对重复添加有有强的抵抗性 隐蔽性：数字水印应该是不可知觉的，或者是不影响被保护数据的正常使用， 使之在一定范围内不会降质； 鲁棒性：是指在经历多种无意或有意的信号处理过程后，数字水印仍能保持 部分完整性并能被准确鉴别。可能的信号处理过程包括信道噪声、滤波、数模 与模数转换、重采样、剪切、位移、尺度变化以及有损压缩编码等。主要用于 版权保护的数字水印易损水印( f r a g i l ew a t e r m a r k i n g ) ，主要用于完整性保护，这 种水印同样是在内容数据中嵌入不可见的信息。当内容发生改变时，这些水印 信息会发生相应的改变，从而可以鉴定原始数据是否被篡改。 水印容量：是指载体在不发生形变的前提下可嵌入的水印信息量。嵌入的水 印信息必须足以表示多媒体内容的创建者或所有者的标志信息，或购买者的序 列号，这样有利于解决版权纠纷，保护数字产权合法拥有者的利益。尤其是在 一些需要大量数据来证明版权归属的领域，对水印的容量要求严格。 武汉理工人学硕士学位论文 从1 9 9 4 年开始，国际学术界陆续发表有关数字水印的文章，且文章数量呈 快速增长趋势，几个有影响的国际会议( 如i e e e1 ( 2 i p ，i e e i c a s s p ，a c m m u l t i m e d i a 等) 以及一些国际权威杂志( 如p r o c e e d i n g so f i e e es i g n a lp r o c e s s i n g ， i e e ej o u m a lo f s e l e c t e da r e a so no m m u n i c a t i o n ，c o m m u n i c a t i o no f a c m 等1 相继 出版了数字水印的专集，涌现出了一大批从事该领域研究的科研人员，一些国 际性的大公司( m s ，n e c ，m m ，i n t e r 等) 、组织和院校m i t 等。目前一个主 要方向是对鲁棒水印算法的攻击和反攻击的研究，数字水印的应用研究成为了 国内外公司和学术界的焦点，大部分的工作致力于寻求同时满足保真度、鲁棒 性和经济约束的平衡点。针对几何和时间上失真的研究，也有稳步进展，虽然 没有突破性的成果，但是应用于实际很有意义，出现了大量不同变换域的实验 结果，如频域变换有d c t ，f f t ，d w t 和f o u r i e r - m e l l i o n ，还有大量的算法在 m p e g 和j p e g 编码中进行，因为这可以节省昂贵的水印解码负荷，有利于大批 量的应用。 1 9 8 8 年美国版权保护技术组织( c p t w g ) 成立了数据隐藏小组( d h s g ) 【14 1 ，着 手制定版权保护水印的技术标准。虽然至今没有形成数字水印的最终技术标准， 但d h s g 已经明确了用于版权保护的数字水印必须满足的一些基本条件，包括 透明性，必须使用成熟的技术嵌入或检测水印，水印内容的设计必须合理等。 至今己经出现了不少水印评测体系，如s t i m r k a r ，c e n t i m k a r ，o p t i m a r k 等( 1 孓1 引。 自古以来，发展的道路总是，技术催生标准转化为标准和技术相互促进【l7 1 。 自1 9 9 7 年后，每年的信息隐藏国际会议( i n t e r n a t i o n a lw o k r s h o po ni n f o r m a t i o n h i d i n g ) 都将数字水印作为重点进行讨论【l8 1 。美国的麻省理工学院和p u r d u e 大学、 英国的g e o r g a em a s n o 大学、瑞士洛桑联邦工技院、美国的n e c 研究所、m m 研究所都在数字水印研究上有所进展【1 9 1 。有些公司已推出了一些数字水印软件 产品，如d i g i m a r c t 2 0 1 ，m a r e ，s u r e s i g n 等。各研究机构正努力设计出更高效安 全、更通用、更强抗攻击能力的数字水印产品。 目前数字水印技术的研究和文献主要集中在静止图像、视频和音频的保护等 方面，有关工程图数字水印的研究文献不是很多【2 。虽然在这个方面的文章渐 渐多了起来，但还是没有具体和真正得到全面适用的方法。毫无疑问，机械行 业、建筑行业及服装业中的工程图是设计工程师聪明智慧和辛劳汗水的结晶， 它们的版权和静止图像、视频、音频等数字产品一样需要得到保护。同时，由 于工程图自身的特点使得水印嵌入有一定的难度。工程图与数字图像的区别就 武汉理- f = 人学硕士学位论文 是位图和矢量图的区别。数字图像一般为点阵图，表达的信息较具体；工程图表 达的信息较抽象。工程图由一些基本的元素，如点、直线、曲线、圆、圆弧等 图形组成，一般应用在工程设计中。很有必要根据工程图的特点，研究出适合 于其特点的数字水印嵌入及检测算法。 传统的c a d 软件在图形交互和分析计算方面己经具有很完善的功能，但在 嵌入水印方面还有待加强。而我国在该领域的研究尚不普及，虽己引起一些大 学、研究机构的关注，但从理论和实际成果两方面来看，国内在数字水印方面 的研究工作还处于刚起步阶段，目前还没有成熟的技术或产品问世，尚无数字 水印或信息隐藏的商业软件。近年来，随着虚拟商场，数字博物馆的发展，图 形数据作为多媒体信息的一种重要表现形式，其相应的数字水印技术也逐渐受 到了重视。 另外，我国学术界对数字水印技术的研究也方兴未艾，已经有相当一批有实 力的科研机构投入到这一领域的研究中来，有的已经取得了重要研究成果。信 息隐藏及数字水印技术作为一个前沿研究领域，它与信息安全、信息隐藏、数 据加密等均有密切的关系。特别是在网络技术和应用迅速发展的今天，数字水 印技术的研究更具现实意义。有些公司已经开发出了一些可用于c a d 的数字水 印软件，如圆周率水印卫士等。 目前我国对数字水印技术的反应也非常快，已经有相当一批有实力的科研机 构投入到这一领域的研究中来。从总体上看，我国相关的研究与世界水平同步， 而且有自己独特的研究思路，但这些研究大多处在应用基础理论研究和应用技 术开发阶段，尤其是将其应用到图形隐藏中，尚无成熟的技术和商业化的产品。 2 2 二维c a d 简介 2 2 1 二维c a d 数据的表示 2 0 世纪5 0 年代在美国诞生第一台计算机绘图系统，开始出现具有简单绘图 输出功能的被动式的计算机辅助设计技术。6 0 年代初期出现了c a d 的曲面片技 术，中期推出商品化的计算机绘图设备。7 0 年代，完整的c a d 系统开始形成， 后期出现了能产生逼真图形的光栅扫描显示器，推出了手动游标、图形输入板 等多种形式的图形输入设备，促进了c a d 技术的发展。8 0 年代，随着强有力的 超大规模集成电路制成的微处理器和存储器件的出现，工程工作站问世，c a d 9 武汉理一i ：人学硕士学位论文 技术在中小型企业逐步普及。8 0 年代中期以来，c a d 技术向标准化、集成化、 智能化方向发展。一些标准的图形接口软件和图形功能相继推出，为c a d 技术 的推广、软件的移植和数据共享起了重要的促进作用；系统构造由过去的单一 功能变成综合功能，出现了计算机辅助设计与辅助制造联成一体的计算机集成 制造系统：固化技术、网络技术、多处理机和并行处理技术在c a d 中的应用， 极大地提高了c a d 系统的性能；人工智能和专家系统技术引入c a d ，出现了智 能c a d 技术，使c a d 系统的问题求解能力大为增强，设计过程更趋自动化。 现在，c a d 已在电子电气、科学研究、机械设计、软件开发、机器人、服装业、 出版业、工厂自动化、土木建筑、地质、计算机艺术等各个领域得到广泛应用。 目前较流行的两大类c a d 传播格式为d w g 与d x f 。 d w g 是a u t o c a d 的图形文件，是二维图面档案。它可以和多种文件格式进 行转化，如d w f 等文件。它的数据结构属于a u t o d e s k 公司的商业秘密，一些处 理c a d 图形的专业人士往往希望能直接对d w g 文件进行读写操作，这种方法实 现起来比较复杂。d w g 文件时二进制格式，可以通过a u t o c a d 内的转换器专为 d x f 文本文件，这样可以很方便的实现数据的读写。可以通过a b v i e w e r 、a u t o c a d 等软件直接打开d w g 文件。 d x f 文件是a u t o c a d ( d r a w i n gi n t e r c h a n g ef o r m a t 或者d r a w i n ge x c h a n g e f o r m a t ) 绘图交换文件，以d x f 作为文件的扩展名，可以容纳所以得图形信息， 是a u t o d e s k 公司开发的用于a u t o c a d 与其它软件之间进行c a d 数据交换的 c a d 数据文件格式，是一种基于矢量的a s c i i 文本格式。d x f 文件是由很多的 ”代码”和”值”组成的”数据对呻句造而成，这里的代码称为”组码”( g r o u pc o d e ) ，指 定其后的值的类型和用途。每个组码和值必须为单独的一行的。 d x f 文件被组织成为多个”段”( s e c t i o n ) ，每个段以组码”0 ”和字符串 ”s e c t i o n ”开头，紧接着是组码”2 ”和表示段名的字符串( 如h e a d e r ) 。段的中 间，可以使用组码和值定义段中的元素。段的结尾使用组码”0 ”和字符串 ”e n d s e c ”来定义。a s c i i 格式的d x f 可以用文本编辑器进行查看。在结构上 有四段，分别为：标题h e a d e r 、表t a b l e s 、图块b l o c k s 、实体e n t i t i e s ， 并以e n do ff i l e 结尾。 各段具有信息如下所示： h e a d e r 部分图的总体信息。每个参数都有一个变量名和相应的值。 t a b l e s 部分这部分包括命名条目的定义。 l o 武汉理工人学硕士学位论文 b l o c k s 部分这部分包括b l o c kd e f i n i t i o n 实体用于定义每个 b l o c k 的组成。 e n t i t i e s 部分这部分是绘图实体，包括b l o c kr e f e r e n c e s 在内。 在a u t o c a d 中可以通过以下步骤得到d x f 文件： ( 1 ) 通过a t u o c a d 软件打开d w g 图形文件： ( 2 ) 点击文件，选择另存为，打开对话框； ( 3 ) 将保存文件类型选择a u t o c a d2 0 0 0d x f ，即以d x f 作为后缀名来保存 图形数据。 将得到的d x f 文件，通过t x t 的形式打开，即可看到其具体内容。 2 2 2 二维c a d 图形数据的特点【2 2 - 2 4 】 c a d 图形的表示方式与一般的图像的不同，决定了它有着自身独特的特点， 这些特点主要体现在计算机中的存储形式。数字图像一般用点阵形式来表示， 而c a d 图形则是用曲线方程来构建。两者之间有着本质的不同。 对于通常使用的c a d 图形来说，其特点有以下几点： ( 1 ) 二维c a d 图形中冗余的信息量，也就是冗余度小。主要原因是因为c a d 图形采用参数化得矢量方式表示，所以图形的总体数据量要比图像少的多。 ( 2 ) 没有明确使用的采样手段将之从空域转换至频域。二维c a d 图形数据 不能像音频、视频和图像那样有方便的频域转换方法。 ( 4 ) 数据存储无顺序可言。图像以扫描线顺序排列，音频和视频安装时间顺 利来排列，相反c a d 图形数据没有固定数据顺序。 ( 5 ) c a d 图形数据中信息之间具有相互联系性，也就是格式很严格，稍微的 修改可能会引起数据的毁坏。 以上这些特点使得对于c a d 图形进行水印的信息量和嵌入、提取方面很有 限制，与普通的其它文件相比较有着很大困难。 2 3 二维c a d 数字水印技术的理论与算法 2 3 1二维c a d 数字水印技术算法 可以这么说，所谓水印技术就是利用载体的冗余度来进行水印信息的嵌入， 武汉理下人学硕士学位论文 再通过嵌入方法的逆处理进行水印信息的提取，从而得到水印信息，而水印信 息通常是可以用来证明版权归属的。二维c a d 图形由于其自身的特点，冗余度 很小，嵌入的水印信息不宜过大，因此导致这方面水印技术的不好展开。现有 针对图像的数字水印算法无法直接移用。 现在分别从水印信息的生成、嵌入、提取和检测进行分析。 2 3 1 1 水印生成 一般说来水印就具有一定意义的二进制码流，而这里所谓有意义并不是单纯 的通过这些信息可以马上得到什么实际上面视觉或者听觉的效果。有些得到水 印信息是一堆杂乱无章的数据，初一看可能毫无意义。那么这是为什么呢，其 中有一个重要的原因或者说是技术，就是置乱。这种技术将原本有序的数据排 列以一种可逆的方式进行混乱。从而初步得到的水印就是置乱过的数据，需要 通过置乱的逆过程使之还原。 根据目前水印信息得到可以分以下几个方面来进行分类。 ( 1 ) 直接嵌入的水印信息 这种水印是在嵌入之间没有经过任何预处理，一般用于比较显现的水印技术 中，如电视台台标、钱币防伪水印等。嵌入强度大的情况下，通过一定的技术， 不需要提取就直接看到。如果嵌入强度较好，需要提取后直接看到。 ( 2 ) 有修改的水印信息 这种技术用的比较多，在水印未嵌入之前对它做一些预处理。这种过程就与 信息加密类似。哪怕水印信息被人窃取到，但如果不知道加密的步骤也无法知 道水印信息代表什么意思，得到的只是没有含义的数据。只有知道密钥的人才 能知道水印的真正意义。这种方法目前比较流行，它将加密和水印技术结合起 来，可以充分保护水印信息的安全性。 这种水印与密码学联系比较紧，例如有一段字符串”ia mj e r r y , 可以通过每个 字母都加一位变成”jb nh f s s z ”，那么得到的信息如果不知道变换的方式，就不能 得到其真正的含义。 上面提到的两种水印，从目前研究的方式来，如果水印嵌入算法安全性较高 则可以采用第一种水印信息，反之则可以采用第二种水印信息。也就是说，各 有各的优点和不足，在选择的时候要根据具体的算法和需求来进行选择。 2 3 1 2 水印的嵌入 1 2 武汉理t 大学硕士学位论文 水印的嵌入是水印算法的核心。一般通过对载体的一些属性、参数系数进行 与水印信息相关的修正。要明确一点，水印的嵌入其实并不是去都要求把水印 的全部信息嵌入到载体中去，而有些是指通过水印信息特点或者特征，对载体 的部分信息进行变化。而这些变化后的载体，就成为已经嵌入过水印的载体。 水印的嵌入从嵌入的区域也就是从水印隐藏的位置，可以分为两大类：空域 中嵌入和变换域中嵌入。 空域指的是空间坐标内。例如将空间中的直线进行缩放、插入一个点。这些 修改要满足不易察觉的条件。空域的嵌入直观，容易理解。但这样可能会出现， 水印信息比较集中于某些空间地方。如果非法使用者刚好将这些空间裁剪掉， 水印信息也就失去原有的意义。 变换域后总嵌入指的是在d c t 变换域、时频变换域和小波变换域上隐藏水 印。可以通过频谱来对数据信号进行描述。低频分量代表了信号的平滑部分， 是主体信息；高频分量表示信号的抖动部分，是边缘信息，信号的分析和处理 非常直观方便。如果通过对频率方面进行水印信息的潜入这，每个频率分量内 只含有微小能量的水印，既保证了不可见性，可以避免空域中容易因为剪切而 损失大部分的水印信息。 以上两大类水印信息嵌入的方式，在目前的研究中各有中点。空域中嵌入水 印信息用于一些对局部要求较重要的方面，可以将大部分的水印隐藏于载体信 息集中的地方，从而可以保证水印信息与最重要的载体信息在一起；变换域中 隐藏信息，是目前该行业中处于热门的研究，相对来说，它不容易被理解，实 现起来也比较困难，但如果有好的算法也是很值得使用的，它可以保证水印信 息安全性，保证其鲁棒性。 2 3 1 3 水印的提取与检测 水印的提取是水印嵌入的反过程，一般来说针对不同的嵌入算法，可以通过 它的逆变换来实现。这里也可分为两大类：盲水印和非盲水印。 非盲水印也就是明文水印指的是在对水印信息进行提取和检测时，不需要原 有的没有嵌