基于密钥分存的数字水印算法设计

《基于密钥分存的数字水印算法设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于密钥分存的数字水印算法设计（63页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、（输入章及标题）燕山大学 毕业设计（论文） 基于密钥分存的数字水印算法设计 学 院 里仁学院 年级专业 03级电子信息工程 学生姓名 李何建 指导教师 许成谦 专业负责人 练秋生 答辩日期 2007年6月24日 III燕山大学毕业设计（论文）任务书学院： 信息科学与工程学院 系级教学单位： 电子与通信工程 学号030201070008学生姓名李何建专 业班 级电子信息工程1班课题题 目基于密钥分存的数字水印算法设计来 源自选主要内容选择一个密钥分存算法和一种数字水印算法，对采用密钥分存数字水印算法与没有采用密钥分存数字水印算法进行比较。分析密钥分存方法在提高数字水印性能方面的作用基本要求给出基

2、于密钥分存的数字水印算法 给出算法中水印的抗压缩、滤波、噪声攻击的实验结果参考资料1、信息隐藏技术，人民邮电出版社2、计算机密码学，清华大学出版社周 次14周58周912周1316周1718周应完成的内容 阅读资料熟悉内容阅读资料熟悉内容算法设计实验分析总结写毕业论文指导教师： 许成谦系级教学单位审批： 摘要摘 要近年来随着计算机技术的飞跃发展和数字媒体存储与传输技术的进步，数字媒体的版权保护正受到日益严重的挑战，在这种情况下，一种新的版权保护、信息隐藏、证件防伪技术数字水印技术蓬勃发展起来。数字水印技术是永久镶嵌在数字媒体中具有可鉴别性的数字信号，并且不影响数字媒体的可用性。该技术是往数字媒

3、体或图象中添加一定量的信息，在对原始数据作微小修改之下使之具有版权保护或者信息隐藏、防伪的功能。首先，本文提出了几种数字水印的算法：包括离散余弦变换、傅立叶变换以及离散小波变换。着重说明了离散余弦变换的具体实现过程，包括水印的嵌入和提取以及抗攻击性的测试过程。然后，提出了一种基于中国剩余定理的数字水印分存算法。即Asmuth-Bloom体系，将密钥分存的思想引入到数字水印中，实现了基于部分内容提取水印的算法，它具有很好的性能：算法隐藏效果好，凭借肉眼无法看出与原图像的差别；恢复水印时不需要原始图像；在图像受到损坏的情况下，仍可以恢复水印信包具有很好的安全性；水印的提取受到口令限制。实验结果表明

4、，基于密钥分存的数字水印方案更加有利于水印抵抗攻击的特性，起到了二次加密的作用。关键词：数字水印；离散余弦变换（DCT）；中国剩余定理；Asmuth-Bloom体系。37AbstractWith the development of computer technology and the advancement of digital media storage and transmission, it is a serious challenge to protect the copyright of digital media. As a result, Watermarking, stan

5、ding for a new technology of copyright protection, information hiding, and forgery prevention is developed quickly.Digital Watermarking is a digital signal which is embed into digital media can be detected correctly without affecting the normal use of the digital media. The digital media is endowed

6、with the function of copyright protection and information hiding and anti-counterfeiting printing by embedding a little information into it. First, this article proposed several kind of digital watermarks algorithm: Including the separate cosine transformation, Fourier transform as well as the separ

7、ate wavelet transformation. Has emphasized the separate cosine transformation concrete realization process, inserts and withdraws as well as the anti- aggressive test process including the watermark. Then, proposed one kind saves the algorithm based on the Chinese surplus theorem digital watermark m

8、inute. Namely the Asmuth-Bloom system, the thought which saves the key minute introduces in the digital watermark, realized has withdrawn the watermark based on the partial contents the algorithm, it had the very good performance: The algorithm hideaway effect is good, relies on the naked eye to be

9、unable to see with the original map picture difference; Restores when the watermark does not need the primitive picture; Received the damage in the picture in the situation, still was allowed to restore the water official seal package to have the very good security; The watermark withdraws is restri

10、cted password. The experimental result indicated, saves the digital watermark plan based on the key minute to be more advantageous to the watermark resistance attack characteristic, played the role which two time encrypted.Keywords: Digital watermark; separate cosine transformation (DCT); Chinese su

11、rplus theorem; Asmuth-Bloom system.目 录摘 要IAbstractII第1章绪论11.1课题背景11.2研究现状21.3论文研究方向3第2章数字水印技术52.1数字水印技术52.2数字水印分类72.3数字水印的特性92.4数字水印的应用领域102.5数字水印基本框架11第3章数字水印实现算法133.1典型数字水印算法133.2离散余弦变换143.3基于离散余弦变换的水印的嵌入和提取163.3.1水印的选择173.3.2视觉模型的选择173.3.3中频系数的选择183.3.4水印的嵌入183.3.5水印检测193.4数字水印抗攻击性测试203.4.1均方差 MS

12、E（Mean Square Error）203.4.2信噪比 SNR （SignaltoNoise Ratio）213.4.3峰值信噪比PSNR（Peak SignaltoNoise Ratio）213.4.4掩膜峰值信噪比MPSNR223.4.5相似性系数NC系数（Normalized Correlation）223.5实验结果及分析23第4章 基于密钥分存的数字水印算法254.1引言254.2密钥分存原理254.2.1Shamir基于拉格朗日差值公式的办法264.2.2基于中国剩余定理的方案264.3 数字水印分存、提取步骤274.3.1 数字水印分存274.3.2数字水印嵌入和提取284

13、.4实验结果28结 论30参考文献31附录132附录235附录338致谢53第1章 绪论第1章绪论1.1课题背景近年来计算机技术飞跃发展，互联网络延伸到全球的每一个角落，数字化图像、数字化音乐、数字化视频数字技术已融入我们生活的每一天。随着数字媒体存储与传输技术的进步，携带与分发数字媒体变得愈发容易，尤其是最近几年，伴随着因特网技术的盛行，网络带宽的不断增加，在全球范围内，交换数字媒体已成为广泛的现象，人们对数字媒体的需求正以令人吃惊的速度增长，操作数字媒体的工具亦迅猛增加。所有这些技术进步与巨大的需求使得数字媒体的合法使用成了一个非常严峻的问题，尤其是在目前人们的知识产权意识比较薄弱的情况下

14、，知识产权的保护就更加变得脆弱不堪。保护数字媒体的知识产权，仅仅靠注册其所有权已无法有效保护作者的合法权益。不法分子的随意拷贝、任意发布，甚至以出售盗版来牟取暴利的行为，对作者的权益造成了极大的伤害。数字媒体的版权保护和来源认证成了在开放的网络环境下迫切需要解决的问题之一。对数字媒体的版权保护，人们首先想到了信息安全领域的传统技术密码技术。为了防止数据在传递过程中被别人窃听或修改，对数据进行加密，加密后的数据称为密文，这样即使别人窃取了传输中的数据（密文），由于没有密钥而无法将之还原成明文（未经加密数据），从而保证了数据的安全性，接收方因拥有正确的密匙，可将密文还原成正确的明文。加密技术多种多

15、样，但总体来说可以分为私有密钥加密和公有密钥加密。私有密钥加密系统使用私有密钥进行加密和解密。该密钥必须为发送者和接收者所共享。若甲要向乙发送一个加密邮件，甲用密钥将邮件信息加密，乙收到邮件后，须用同样的密钥将邮件信息解密。该方法的缺点：接收双方必须拥有同样的密钥，这要求要有一种安全的协议来保证密钥传送的可靠。有紧急的加密消息需要发送时，可能因接收方没有密钥而不能完成传送，若要将消息发给许多不同的团体，就需要与各个团体对应，维护许多不同的密钥。造成了密钥维护的负担，增加了不必要的额外工作。公共密钥加密不需要信息的发送者和接收者都知道对方的密钥，就能访问该加密信息。公共密钥加密系统使用公共密钥和

16、私有密钥对来加密和解密信息。其思想是：用公共密钥加密的信息只能用与之对应的私有密钥解开，而用私有密钥加密的信息，任何拥有与之对应的公共密钥的人均可解开。因此，私有密钥总是由个人保管而无须外传，公共密钥则可授权给他人使用而不会破坏安全性，公共密钥和私有密钥之间永远存在着一对一的关系。具体地讲，若信息是用接收方的公共密钥加密的，则只有拥有与该公共密钥对应的私有密钥的人才可解密。若信息是用发送方的私有密钥加密的，则任何拥有发送方公共密钥的接收者都可以对信息进行解密。传统的加密方法对多媒体内容的保护和完整性认证也具有一定的局限性。首先，加密方法只用在通信的信道中，一旦被解密，则信息就完全变成明文。另外

17、，密码学中的完整性认证是通过数字签名方式实现的，它并不是直接嵌到多媒体信息之中，因此无法察觉信息在经过加密系统之后的再次传播与内容的改变。这样，数字水印技术作为加密技术的补充，在多媒体信息的版权保护与完整性认证方面得到了迅猛的发展。数字水印是新近提出的一种版权保护手段。它是利用数字作品中普遍存在的冗余数据与随机性把版权信息嵌入在数字作品本身，从而起到保护数字作品版权的一种技术。数字水印可以标识和验证出数字化图像，视频和声频记录的作者、所有者、发行者或授权消费者的信息，还可追溯数字作品的非法分发，是目前进行数字作品版权保护的一种较为有效的技术手段。1.2研究现状自Schyndel在1994 年提

18、出基于LSB 的水印算法以来，数字水印领域涌现出大量的水印嵌入和检测方法。这些方法大致可以分为空间域方法和变换域方法两种。其中，变换域算法需要先对源数据进行一个变换，然后在变换域中完成水印的嵌入和检测，因而往往会需要较大的运算量。但是，由于压缩、滤波等图像处理的过程经常也是在变换域完成，如果处理的过程和水印信号嵌入使用相同的变换域,那么这些处理对数字水印的影响将可以被大大地降低。例如，将图像进行DCT变换后再在变换域嵌入水印，就可以提高水印系统抵抗JPEG压缩处理的能力。因此，选择一个合适的变换操作，然后在该变换域嵌入水印，则可以提高水印嵌入系统的鲁棒性。目前，数字水印的研究从结构层次上可分为

19、基础理论研究、应用基础研究和应用技术研究3个层次：基础理论研究：主要针对感知理论、信息隐藏及其数字水印模型、理论框架等；应用基础研究：主要方向是针对声音、图像和视频等多媒体信号，研究相应的数字水印隐藏算法和检测算法，以及能够抵抗仿射变换、滤波、重采样、色彩抖动和有损压缩的鲁棒的数字水印技术；应用技术研究：以实用化为主要目的，研究各种多媒体格式的数字水印算法。目前，虽有一些研究算法和技术可以抵抗常见的噪声干扰、JPEG 有损压缩等，但对于抵抗剪切、缩放、旋转、最新的JPEG 2000 压缩标准及A/D、D/A变换等处理和攻击却很少，尤其是不能抵抗信号处理和几何变换的联合攻击。在进一步的应用中，迫

20、切需要可以抵抗旋转、缩放和平移的数字水印技术以及不需要原图像的盲检测，需要检测出的水印有数字、二值图、灰度图和彩色图，这些构成了第2代数字水印技术。根据数字水印技术的不可感知性和鲁棒性等特点，数字水印会在更为广阔的领域得到新的应用，如在印刷防伪中的应用。当然，这需要研究更为鲁棒的数字水印技术。在技术上除要满足第1、第2 代数字水印技术的特性外，还需要抵抗A/D和D/A变换、非线性量化、色彩失真、仿射变换和投影变换等攻击，且必须与打印扫描原理或印刷原理及工艺相结合。这在理论上和算法设计上都提出了更富有挑战性的课题。总的说来，水印技术的研究已经取得了相当的成绩，但是在水印技术进一步的研究和应用方面

21、(本文关心的是图片资产版权保护这一特定应用)还有很多的路要走。首先，目前对于显式水印的研究是水印技术一个比较劣势的领域。另外，水印技术的研究应该和相关技术的研究保持紧密的联系，对于图片资产的水印技术而言，应该充分借鉴目前图片处理中用到的技术，例如小波分析的使用等。1.3论文研究方向数字水印技术的发展为解决数字作品的侵权问题提供了一个有效的解决途径。虽然数字水印并不能直接防止数字作品的非法复制，但可以成为指证非法复制的证据。按照水印的嵌入方法可以将水印分为两类：空间域水印和变换域水印。空间域方法通过改变载体信息的空间域特性来隐藏水印;最低有效位方法(LSB)，是其中最具代表性的一种-其原理就是通

22、过修改表示数字图像颜色(或者颜色分量)的较低位平面，一般对于图像来说，最低两比特位的修改不会给人的视觉造成很强的修改感觉。变换域方法通过改变数据(主要指图像、音频、视频等变换域的一些系数来隐藏水印，它在图像变换域改变数据，再进行反变换得到嵌入水印后的图像，基于变换域的数字水印算法主要有：离散余弦变换、离散傅立叶变换和离散小波变换等。本文提出了一种基于阿斯木斯-布隆（Asmuth-Blooom）体系的数字水印分存算法，并利用离散余弦变换方法进行了实现。该算法是将秘密分存的思想用于数字水印方面，水印信息经过分存后被分成n份，只有获得其中的至少t(tT时，就具备了置换的资格。同时注意到由于是置换，存

23、在变换系数被置换后系数符号改变的问题，即当中频系数符号为正时，置换后符号变为负。当系数值较大时这种置换容易造成图像的明显失真。因此较大的中频系数不被置换，需要给出置换系数的上限。置换中频系数而嵌入水印的初步公式为： (3-19)式中：是嵌入水印的DCT系数，是水印W的嵌入强度，是所选中频系数的上限利用上式置换时，嵌入的水印值可能会小于阈值T而大于上限，这样导致检测的水印个数减少。必须对上式做出改进。改进后的公式如下： (3-20) 计算放大倍数时，可以对水印的嵌入公式做如下变换： (3-21)计算峰值信噪比PSNR的公式为： (3-22)为原始图像的最大像素值,MxN为原始图像的尺寸。展开上式

24、右侧 (3-23)为方便计算，令。从而在T确定时，给定PSNR,放大倍数容易求得。对尺寸为512x512的Lena图像，令=7,PSNR=46，得到。3.3.5水印检测水印检测使用相似性公式 (3-23)式中:是矢量和的内积，是被噪声污染的水印系数。 (3-24)式中：R表示检测水印的结果，1表示水印存在，当相似度值s大于阈值C时；0表示水印不存在，当相似度值s小于阈值C时。由于误检率和漏检率两者之间是矛盾的。当要求减小时，会相应地增大。这就需要选择一个阈值C在两者之间获得折衷的方案。由于难以判断对所得图像进行过何种处理，分析的困难很大。因此固定，选择一个阈值C使达到最小。误检率在给定阈值C下

25、的分布公式为 (3-25)为使误检率不高于，只要C=6即可。3.4数字水印抗攻击性测试数字水印研究中常用的测试指标水印算法设计优劣与否，所设计的算法是否能够满足要求等都需要一个客观的标准来进行测量，一种数字水印算法的隐形性如何，受到攻击的稳健性、安全性如何，这种算法是否实用，所有这些问题都需要客观的评价手段，而不能仅仅由人的主观意识来决定，本节中介绍了几种方式、手段来定量描述数字水印算法的隐形性、稳健性。3.4.1均方差 MSE（Mean Square Error）均方差常常使用在统计过程中，是一种非常有用的统计特性指数。通常计算均方差并不是针对所有的样本空间来进行计算，而是从所有样本空间中抽

26、取一定的样本进行计算，并依据样本均方差来估计样本空间的均方差。均方差可以直接反映出所做评估对象的改变，通过均方差可以洞察到评估对象的各种行为特征。因此在工业控制中广泛的采用均方差来进行产品质量的评估和检验的标准。为了衡量原始载体图像在添加水印后图像的视觉质量变化情况，我们就可以采用均方差来对图像质量的变化进行一种估计，给出一种图像质量变化的客观指标。均方差的计算公式：（针对二维图像） (3-26)这里是原始图像的像素值，是添加水印后图像的像素值，M、N分别是图像的宽、高。3.4.2信噪比 SNR （SignaltoNoise Ratio）信噪比顾名思义即有用的信号与在信号处理过程中引入的噪声的

27、比值。在图像处理中用SNR作为衡量重建图像质量的尺度。基本原理是将重建图像跟原始图像相比，得到的比值就是SNR，得到的比值越大，就表示重建的图像质量越好，但由于个人主观感觉的因素，事实上并不是得到的SNR值越大，就一定表示重建的图像质量越好。在计算SNR时，我们需要首先计算均方差MSE（Mean Square Error）信噪比的计算公式： (3-27) (3-28) (3-29)这里Y是添加水印后图像像素值的平均值。3.4.3峰值信噪比PSNR（Peak SignaltoNoise Ratio）在具体的实际应用中，一般最后所采用的是峰值信噪比，SNR可以作为衡量重建图像的质量尺度，但计算要稍

28、微难些，因此我们一般采用PSNR作为衡量尺度，针对普通图像格式，其灰度级别是0-255，0代表黑色255代表白色，因此PSNR的计算公式如下：或 (3-30) PSNR的值典型范围在20到40分贝（dB）之间，一般精确到小数点后两位（如 31.25），PSNR实际的值并没有多少意义，但通过比较两幅图像计算而得到的PSNR，就可以给出一个图像质量的尺度。上面两个公式都可以用来计算，因为我们其实只关心结果的相对值，而不是计算结果的绝对值。不可否认，以上所给出的衡量公式都是客观的，并且简单易行，但这几个衡量公式的缺点也非常明显，由于图像信息的最终接受者是人，而这几个衡量公式没有与人类视觉系统的感知特

29、性相结合，所以不能完全真实地反映图像的视觉质量，甚至在一定情况下还会给评测过程带来误导，在这种情况下，有研究人员寻找了新的度量方法。3.4.4掩膜峰值信噪比MPSNR掩膜峰值信噪比综合考虑多种因素对图像的影响，结合人类视觉特性而形成的度量方法，它充分利用人类视觉系统的敏感度对比特性和掩膜现象，将评估方式建立在人类视觉系统的多信道模型基础之上。 (3-31)3.4.5相似性系数NC系数（Normalized Correlation）数字水印按检测方式可分为：基于提取的水印方法、基于检测的水印方法。对基于检测的方法而言，只要知道待检测图像中是否含有指定的水印即完成检测过程。对基于提取的水印方法而言

30、，数字水印被从待检测图像中提取出来后，对各个观察者而言，所提取出来的水印的逼真度好坏取决于各自主观上的看法，这跟观察者多方面的因素有关，如经验，对图像的敏感性等，是很具有随意性的，因此对于提取出来的水印和原始水印，这二者相似到哪一种程度，需要客观的衡量方式，而不能通过主观因素来进 行 评 测 ，在 数 字 水 印 方 法中通常使用NC系数（Normalized Correlation）,即相似性测量，衡量提取出来的水印与原水印的相似性程度。这里用代表原始水印图像，是提取出来的水印图像。 (3-32) (3-33)M1，M2 是原始水印图像和提取出来的水印图像的宽、高相似性计算公式（NC，Nor

31、malizedCorrection） (3-34) 对水印图像进行多种恶意攻击后，通过比较 NC系数的值，可以得到数字水印算法抗恶意攻击的能力，由NC系数值的变化给出一个比较客观的评价准则3.5实验结果及分析本实验采用Lena(512512为测试图像, 以二值图像(6060)为水印. 图3-3中，(a)为Lena原图, (b)为欲嵌入的水印图像, (c)为加水印后的Lena图，其中Lena图加水印后峰值信噪比(PSNR)为38.4155。由此可见,此方法具有较好的不可感知性. (a) Lena原图 (b) 嵌入的水印信息 (c) 加水印的Lena图图3-3 Lena与Peppers1 原图,水印及加水印后的图像图3-4(a)为对图3-3(c)加高斯噪声，其峰值信噪比降为7.1247，图3-4(b)为从图3-4(a)中提取的水印，由此可见，当加噪声后在图像质量严重下降，水印还能提取得出来。 图3-5(a)为对图3-4(a)图像做卷积滤