武汉理工大学《信息处理课群综合应用设计》课程设计
2 数字水印概述
2.1 数字水印技术的应用领域
随着数字水印技术的发展，数字水印的应用领域也得到了扩展，数字水印的基本应用领域是防伪溯源、版权保护、隐藏标识、认证和安全隐蔽通信。 当数字水印应用于防伪溯源时，包装、票据、证卡、文件印刷打印都是潜在的应用领域。用于版权保护时，潜在的应用市场在于电子商务、在线或离线地分发多媒体内容以及大规模的广播服务。数字水印用于隐藏标识时，可在医学、制图、数字成像、数字图像监控、多媒体索引和基于内容的检索等领域得到应用。数字水印的认证方面主要ID卡、信用卡、ATM卡等上面数字水印的安全不可见通信将在国防和情报部门得到广泛的应用。 多媒体技术的飞速发展和Internet的普及带来了一系列政治、经济、军事和文化问题，产生了许多新的研究热点，以下几个引起普遍关注的问题构成了数字水印的研究背景。 数字作品的知识产权保护
----数字作品（如电脑美术、扫描图像、数字音乐、视频、三维动画）的版权保护是当前的热点问题。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。
----“数字水印”利用数据隐藏原理使版权标志不可见或不可听，既不损害原作品，又达到了版权保护的目的。目前，用于版权保护的数字水印技术已经进入了初步实用化阶段，IBM公司在其“数字图书馆”软件中就提供了数字水印功能，Adobe公司也在其著名的Photoshop软件中集成了Digimarc公司的数字水印插件。然而实事求是地说，目前市场上的数字水印产品在技术上还不成熟，很容易被破坏或破解，距离真正的实用还有很长的路要走。 商务交易中的票据防伪
----随着高质量图像输入输出设备的发展，特别是精度超过 1200dpi的彩色喷墨、激光打印机和高精度彩色复印机的出现，使得货币、支票以及其他票据的伪造变得更加容易。
----另一方面，在从传统商务向电子商务转化的过程中，会出现大量过度性的电
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子文件，如各种纸质票据的扫描图像等。即使在网络安全技术成熟以后，各种电子票据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票据提供不可见的认证标志，从而大大增加了伪造的难度。 证件真伪鉴别
----信息隐藏技术可以应用的范围很广，作为证件来讲，每个人需要不只一个证件，证明个人身份的有：身份证、护照、驾驶证、出入证等；证明某种能力的有：各种学历证书、资格证书等。
国内目前在证件防伪领域面临巨大的商机，由于缺少有效的措施，使得“造假”、“买假”、“用假”成风，已经严重地干扰了正常的经济秩序，对国家的形像也有不良影响。通过水印技术可以确认该证件的真伪，使得该证件无法仿制和复制。 声像数据的隐藏标识和篡改提示
----数据的标识信息往往比数据本身更具有保密价值，如遥感图像的拍摄日期、经/纬度等。没有标识信息的数据有时甚至无法使用，但直接将这些重要信息标记在原始文件上又很危险。数字水印技术提供了一种隐藏标识的方法，标识信息在原始文件上是看不到的，只有通过特殊的阅读程序才可以读取。这种方法已经被国外一些公开的遥感图像数据库所采用。
----此外，数据的篡改提示也是一项很重要的工作。现有的信号拼接和镶嵌技术可以做到“移花接木”而不为人知，因此，如何防范对图像、录音、录像数据的篡改攻击是重要的研究课题。基于数字水印的篡改提示是解决这一问题的理想技术途径，通过隐藏水印的状态可以判断声像信号是否被篡改。 隐蔽通信及其对抗
----数字水印所依赖的信息隐藏技术不仅提供了非密码的安全途径，更引发了信息战尤其是网络情报战的革命，产生了一系列新颖的作战方式，引起了许多国家的重视。
----网络情报战是信息战的重要组成部分，其核心内容是利用公用网络进行保密数据传送。迄今为止，学术界在这方面的研究思路一直未能突破“文件加密”的思维模式，然而，经过加密的文件往往是混乱无序的，容易引起攻击者的注意。网络多媒体技术的广泛应用使得利用公用网络进行保密通信有了新的思路，利用数字化声像信号相对于人的视觉、听觉冗余，可以进行各种时（空）域和变换域
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的信息隐藏，从而实现隐蔽通信。
2.2 数字水印的基本特点
数字水印技术是指用信号处理的方法在声音，图像或视频等数字化的多媒体数据中嵌入某些能证明版权归属或跟踪侵权行为的隐蔽的信息，这些信息通常是不可见的，不能被人的知觉系统觉察或注意到，只有通过专用的监测器或阅读器才能提取。通过这些隐藏在多媒体内容中的信息，可以达到确认内容创建者，购买者或判断内容是否真实完整的目的，水印系统所隐藏的信息总是与被保护的数字对象或它的所有者有关。数字水印是实现版权保护的有效办法，是信息隐藏技术研究领域的重要分支。
数字水印不仅要实现有效的版权保护，而且加入水印后的图像必须与原始图像具有相同的应用价值，也就是说数字产品不会因为加入了水印而变得不可用。不同的应用对数字水印的要求是不尽相同的，一般认为数字水印应该具有如下特点：
(1)稳健性。
指经过常规的处理操作后，水印算法仍能从水印作品中检测到水印的能力。这些处理包括常见的图像处理(图像压缩、低通滤波、高通滤波和图像增强等)、几何失真变换(剪切、图像缩放、平移和旋转等)、噪声干扰、打印和扫描等。稳健性对于水印而言极为重要，通常只要求水印在嵌入和检测之间的信号处理操作中存在。对于不同的应用需求，要求有不同程度的稳健性。
(2)不可感知性。
在宿主数据中隐藏的数字水印应该是不能够被感知的。不可感知包含两方面的意思，一个是指视觉上的不可感知性，一个是指统计上的不可感知。感官上的不可感知就是通过人的视觉、听觉无法察觉出宿主数据中因嵌入数字水印而引起的变化，也就是从人类的感官的角度看，嵌入水印的数据与原始数据之间是完全一样，没有区别的。统计上的不可感知性是指，对大量的用同样的方法经水印处理过的数据产品，即使采用统计方法也无法确定水印是否存在。即因嵌入水印导致图像的变化对观察者的视觉系统来讲应该是不可察觉的，最理想的情况是水印图像与原始图像在视觉上一模一样，这是绝大多数水印算法所应达到的要求。
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(3)安全性。
指水印能够抵御未经授权的人的攻击的能力，这些攻击指专门为了阻碍水印发挥作用的处理行为。主要有三大类型的攻击。一类为未经授权的删除，指阻止检测出作品中水印的攻击。另一类为未经授权的嵌入(伪造)，指把不合法的水印嵌入到不应含有该水印的作品中的行为。第三类为未经授权的检测，按照其严重性不同，又可以分为三种程度。第一种最严重，指未经授权者检测并解密出嵌入水印的信息。第二种稍轻，指未经授权者检测出水印并且可以区分不同的水印信息，但是不能解读水印的具体含义。第三种最轻，指未经授权者能够判断水印的存在，但不能解读水印信息，也不能区分嵌入信息。
(4)鲁棒性。
数字水印应该难以被擦出。在不能得到水印的全部信息（如水印数据、嵌入位置、嵌入算法、嵌入密钥等）的情况下，当只知道其中的部分信息的时候，应该无法完全的擦出水印，任何试图完全破坏行为将对载体的质量产生严重的破坏，使得载体无法使用。
(5)有效性。
指嵌入水印后紧接着检测到水印的概率。水印系统的有效性可能低于100%，如果要尽量接近期望的100%的有效性，需要在其它特性方面付出较高的代价。在实际的应用中，为了在其它特性方面获得更好的性能，需要牺牲一些有效性。在某些情况下，水印系统的有效性需要经分析后才能确定。
(6)抗窜改性。
与抗毁坏的鲁棒性不同,抗窜改性是指水印一旦嵌入到载体中,攻击者就很难改变或伪造。鲁棒性要求高的应用，通常也需要很强的抗窜改性，在版权保护中,要达到好的抗窜改性是比较困难的。
2.3 数字水印的分类
数字水印有多种分类方法，出发点不同导致了不同的分类，它们之间既有联按特性划分
按水印的特性可以将数字水印分为鲁棒数字水印和易损数字水印两类。鲁棒水印(Robust Watermarking)主要用于在数字作品中标识著作权信息，利用这种
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水印技术在多媒体内容的数据中嵌入创建者、所有者的标示信息，或者嵌入购买者的标示（即序列号）。在发生版权纠纷时，创建者或所有者的信息用于标示数据的版权所有者，而序列号用于追踪违反协议而为盗版提供多媒体数据的用户。用于版权保护的数字水印要求有很强的鲁棒性和安全性，除了要求在一般图像处理（如：滤波、加噪声、替换、压缩等）中生存外，还需能抵抗一些恶意攻击。
易损水印（Fragile Watermarking），与鲁棒水印的要求相反，易损数字水印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。易损水印应对一般图像处理（如：滤波、加噪声、替换、压缩等）有较强的免疫能力（鲁棒性），同时又要求有较强的敏感性，即：既允许一定程度的失真，又要能将失真情况探测出来。必须对信号的改动很敏感，人们根据易损水印的状态就可以判断数据是否被篡改过。
按水印所附载的媒体，我们可以将数字水印划分为图像水印、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。随着数字技术的发展，会有更多种类的数字媒体出现，同时也会产生相应的水印技术。
按水印的检测过程可以将数字水印划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。一般来说，明文水印的鲁棒性比较强，但其应用受到存储成本的限制。目前学术界研究的数字水印大多数是盲水印。
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（如商标图像）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。有意义水印的优势在于，如果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。
不同的应用需求造就了不同的水印技术。按水印的用途，我们可以将数字水印划分为票证防伪水印、版权保护水印、篡改提示水印和隐蔽标识水印。
票证防伪水印是一类比较特殊的水印，主要用于打印票据和电子票据、各种证件的防伪。一般来说，伪币的制造者不可能对票据图像进行过多的修改，所以，
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