图像数字水印技术在信息安全中的应用

华清学院课程设计(论文)课程名称：图像数字水印技术在信息安全中的应用研究所(系):信息与控制工程系专业课：通信1102姓氏：当浩数量：12014年12月17日Xi建筑科技大学华清学院课程设计(论文)任务书专业课：函授1102班学生姓名：方郝讲师(签名):一、课程设计主题(论文)图像水印技术在信息安全中的应用第二，课程设计(论文)应该达到的目标通过课程设计，学生可以更深入地了解信息网络技术在通信工程专业系列课程中的地位、作用和意义。加深对基本概念和原理的理解和应用，能够运用所学知识分析、初步设计和解决与网络应用相关的实际和技术问题，并在实践中举一反三。三、课程设计(论文)任务的主要内容和要求(包括原始数据、技术参数、设计要求等)主要内容：1)掌握图像处理的基本方法和原理2)掌握水印技术的相关概念以及水印技术在信息安全中的应用原理；要求：1)掌握图像水印算法；2)编写相应算法的MATLAB程序，并给出仿真结果；四、应收集的数据和主要参考资料：1)王数字图像处理，北京邮电大学出版社；2) 数字信号处理，朱光明译，机械工业出版社3) MATLAB数字信号处理，王斌，机械工业出版社V.审批意见教学与研究部主任(签名)内容摘要3第一章绪论4第二章是图像数字水印技术的基本原理和算法52.1图像数字水印的基本原理52.1.1水印生成52.1.2水印嵌入52.1.3水印提取和检测62.1.4模拟结果72.1.5水印评估标准.82.2图像数字水印的特征92.3图像数字水印算法10第三章MATLAB在图像数字水印技术中的应用133.1介绍MATLAB图像处理功能153.2 MATLAB在水印预处理中的应用153.3 MATLAB是实现图像数字水印的一个实用而有效的体现17参考文献19内容摘要本文重点研究了数字媒体信息隐藏技术的理论和方法，介绍了国内外的研究背景、基本原理、应用领域和发展现状。本文基于数字水印技术的相关知识，讨论了：(1)数字水印系统模型的以下问题。(2)数字水印的基本要求。(3)数字水印技术的应用前景。(4)数字水印的分类，包括各种水印的基本概念、相关算法的分析和讨论、性能和发展趋势。(5)数字水印的关键技术。(6)MATLAB在图像数字水印技术中的应用关键词：数字水印信息隐藏版权保护第一章是关于情绪随着数字媒体技术和互联网技术的飞速发展，信息媒体的数字化为信息获取提供了极大的便利，也显著提高了信息表达的效率和准确性。互联网的普及为数字信息在世界范围内的快速传播开辟了一条便捷的途径。特别是随着计算机网络通信技术的发展，数据交换和传输已经成为一个相对简单的过程。目前，数字音频、数字图像、数字视频等数字作品广泛分布在互联网上。在计算机、数字扫描仪、打印机和其他电子设备的帮助下，人们可以方便快捷地将数字信息传输到想要的地方。数字信息存储和传输技术的不断进步推动了数字媒体应用的快速发展。然而，开放的网络环境和便捷的信息处理技术也导致数字作品的信息安全和版权保护问题日益严重。这些文件或作品的数字形式使得恶意个人和团体能够在未经作品所有者许可的情况下复制和传播受版权保护的内容。例如，盗版者利用便利的网络信息复制原件以获取巨额利润。一些重要的文件信息被篡改、伪造和恶意攻击。这一系列方便我们使用的数字功能带来的负面影响已经成为信息产业健康持续发展的主要障碍。数字信息产品的有效版权保护已经成为一个迫切的研究课题。数字水印技术是信息隐藏技术研究的一个重要分支。作为传统加密技术的有效补充，它近年来引起了人们的极大关注。它被认为是解决上述问题最有潜力的技术之一，已经成为信息安全领域的研究热点。向多媒体信息添加数字水印可以确认版权所有者、认证多媒体信息源的真实性、识别购买者、提供关于数字内容的其他附加信息、确认所有权认证、追踪侵权等。它在篡改认证、数据分级访问、数据跟踪和检测、商业和视频广播、互联网数字媒体服务支付、电子商务认证和认证等方面具有非常广阔的应用前景。第二章是图像数字水印技术的基本原理和算法2.1图像数字水印的基本原理数字水印技术通过一定的算法将一些符号信息直接嵌入到多媒体内容中，但不影响原始内容的价值和用途，也不会被人类感知系统感知或注意到。水印信息可以是作者的序列号、公司标志、具有特殊含义的文本等。它可用于识别数字产品的来源、版本、原始作者、所有者、出版商和合法用户的所有权。与加密技术不同，数字水印技术不能防止盗版活动的发生，但可以判断对象是否受到保护，监控受保护数据的传输、真实性鉴定和非法复制，解决版权纠纷，并为法院提供证据。为了使攻击者更难去除水印，目前大多数水印方案使用密码学中的加密(包括公钥和私钥)系统来加强，并且在嵌入和提取水印时使用一个密钥甚至几个密钥。2.1.1水印生成水印可以由各种模型组成，如随机数字序列、数字标识、文本、图像等。考虑到鲁棒性和安全性，通常需要对水印进行随机化和加密。如果我是原始图像，W是水印信号，K是密钥，那么加密的水印由函数F定义如下：=F(1，W，K) (2-1)如果水印所有者不想让其他人知道水印，那么函数F应该是不可逆的，例如经典的DES加密算法。这是一种将水印技术与加密算法相结合的通用方法。目的是提高水印的可靠性、安全性和通用性。2.1.2水印嵌入该算法利用Watson提出的小波域人类视觉系统的可见性阈值(JND)将宿主图像的小波系数量化为0，1序列，并将其作为图像的水印以稀疏矩阵的形式存储。为了在不损害原始图像质量的情况下将能量最大的水印信息嵌入到图像中，并使认证水印对有损压缩等一般操作具有最大的鲁棒性，该算法使用可见性阈值(JND)作为量化间隔。水印嵌入过程如图1所示。算法步骤如下：水印信号水印信号水印嵌入算法原始信号键图2-1水印嵌入框图2.1.3水印提取和检测水印提取和检测过程分别如图2-2和2-3所示。水印提取和检测可以应用于任何产品。提取和检测可能需要原始产品的参与或不参与。如果该过程被定义为解码函数D，则输出可以是0-1判决以确定水印是否存在，或者是包含各种信息的数据流，例如文本、图像等。如果已知原始图像I和有版权疑问的图像，则有：(2-5)水印信号水印嵌入算法提取的水印信号原始信号键图2-2水印提取的框图在一些水印系统中，可以准确地提取水印，这一过程称为水印提取。例如，在完整性认证应用中，必须准确地提取插入的水印，并且必须通过水印的完整性来确认多媒体数据的完整性。如果提取的水印部分改变，最好通过改变的水印位置来确定原始数据的篡改位置。对于强水印，通常不可能准确提取插入的原始水印，因为如果应用程序需要强水印，这意味着应用程序很可能遭受各种恶意攻击。在这些操作之后，提取的水印通常无法识别，然后需要水印检测过程。水印检测框图如图2-3所示。包含水印待检测信号Y判断水印检测原始信号N没有水印键图2-3水印检测的框图从以上讨论可以看出，水印提取的任务是从嵌入的水印数据中提取水印信号，而水印检测的任务是确定特定的水印信号是否存在于特定的数据内容中。此外，水印检测的结果取决于解释值，并且当相关检测的结果超过该阈值时，给出包含指定水印的结论。通常水印检测的第一步是水印提取，然后是水印判决。水印决策的通常做法是相关检测。选择相关性判断标准，并计算提取的水印和指定水印之间的相关性值。如果相关值足够高，则可以基本上断定检测到的数据包含指定的水印。如果检测器的输出是完全可信的，它可以用作法庭上版权保护的潜在证据。2.1.4模拟结果为了验证本文提出的认证方法是否能够满足对一般操作的鲁棒性和对篡改操作的敏感性的要求，我们对标准图像进行了测试。图像分解层数L=4。峰值信噪比用于客观评价水印图像的质量。2.1.5水印评估标准不同的应用需要不同的水印特征。水印的特性提供了水印系统性能的精确评估。如何在各种绩效评估标准下选择绩效指标取决于具体的应用。同时，水印系统的特性也可以根据应用需求进行调整，使得每个特性在调整过程中能够得到平衡。一个特性的改善通常是通过牺牲其他特性来实现的。水印的特征可以从以下几个方面来研究：1.嵌入水印的有效性：将水印信息成功嵌入随机载波的概率。2.失真率：嵌入水印后主机和原始主机之间的差异。3.盲检测：可以在没有主机信息的情况下检测水印信息。4.具有辅助信息的检测：需要关于原始载体的信息来检测水印。5.鲁棒性：水印系统承载能力的常规处理。6.安全：水印系统抵抗恶意攻击的能力。7.用密钥：加密和解密水印信息或嵌入和提取水印是由密钥控制的。8.多个水印：是否可以嵌入在同一载波中(没有相互干扰)。9.水印容量：水印系统可以承载的最大有效载荷数据。10.计算量：嵌入算法和提取算法的计算成本。2.2图像数字水印的特征(1)不可接受性。不可感知性包括两种含义。一个是视觉不敏感性(对听觉的要求相同)，即嵌入水印引起的图像变化对于观察者的视觉系统来说是不可察觉的。最理想的情况是水印图像在视觉上与原始图像一致，这是大多数水印算法应该满足的要求。另一方面，水印不能通过统计方法恢复。例如，对于大量由相同方法和水印处理的信息产品，不可能通过统计方法提取水印或确定水印的存在。(2)鲁棒性。水印图像在传播过程中必然会受到各种有意或无意的干扰。数字水印应该能够承受大量不同的物理和几何失真，包括故意攻击，如：恶意攻击、水印移除和水印提取、无意信号处理，如：图像压缩、滤波、扫描和复制、边缘增强、抖动、APD、DPA转换、噪声污染、大小变化等。安全性。即使水印算法被公开，它也可以防止未经授权的团体移除水印或添加假水印。(4)透明度。利用人类视觉系统或听觉系统的属性，经过一系列的隐藏过程，目标数据没有明显的退化现象，而隐藏数据没有人工看或听。(5)理由。水印应为受版权保护的信息产品的所有权提供完整可靠的证据。不难分析某些需求之间的冲突，例如不可感知性和健壮性、隐藏能力和不可感知性。增加一方将不可避免地减少另一方。事实上，水印技术的一个重要方面是研究如何折衷这些要求。(6)水印容量。嵌入的水印信息必须足以指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，当版权纠纷发生时，创作者或所有者的信息被用来识别数据的版权所有者，而序列号被用来识别违反协议并为盗版提供多媒体数据的用户。2.3图像数字水印算法近年来，数字水印技术取得了很大的进步，出现了许多优秀的算法，包括文本、图像、图形、视频和音频数字水印算法。根据数字水印的不同加载方法，可以分为两类：空域水印算法和变换域水印算法。在这些算法中，水印信息通常是随机信号。水印嵌入在时域或变换域，假设检验用于检验被测图像是否包含水印信息。下面分析和讨论一些典型的算法。除非另有说明，这些算法主要针对图像数据。(1)空间算法：这种算法中的典型水印算法将信息嵌入到随机选择的图像点的最不重要的像素位(最低有效位)，这样可以保证嵌入的水印是不可见的。然而，由于使用了图像中不重要的像素位，算法的鲁棒性较差，水印信息容易被滤波、图像量化和几何变形操作破坏。(2)拼接算法：方法是随机选