數(shù)字水印理論與技術(shù)

前言

隨著信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字多媒體信息的存儲(chǔ)、復(fù)制與傳播變得十分方便。人們可以盡情享受多媒體及數(shù)字傳輸技術(shù)帶來(lái)的愉悅，而且可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)和CDROM方便快捷地獲得多媒體信息，還可得到與原始數(shù)據(jù)完全相同的復(fù)制品。人們可以毫無(wú)限制地任意編輯、修改、復(fù)制和散布數(shù)字音樂(lè)和數(shù)字圖像，但這些數(shù)字媒體原創(chuàng)者的版權(quán)和經(jīng)濟(jì)利益如何得到保護(hù)，數(shù)字媒體是否安全、可信，由此引發(fā)的信息安全問(wèn)題、盜版問(wèn)題和版權(quán)紛爭(zhēng)問(wèn)題已成為日益嚴(yán)重的社會(huì)問(wèn)題。因此，對(duì)多媒體內(nèi)容的版權(quán)保護(hù)與內(nèi)容鑒別已成為亟待解決的問(wèn)題。數(shù)字水印技術(shù)是近年來(lái)興起的前沿研究領(lǐng)域，在多媒體信息的版權(quán)保護(hù)和完整性認(rèn)證方面得到迅猛發(fā)展，已成為多媒體信息安全研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。數(shù)字水印涉及信號(hào)與數(shù)字圖像處理、計(jì)算機(jī)科學(xué)、混沌、密碼學(xué)以及數(shù)據(jù)通信等領(lǐng)域，是一門交叉科學(xué)。雖然目前還沒(méi)有形成完整的理論體系，并存在很多亟待解決的難題，但數(shù)字水印技術(shù)已經(jīng)日新月異地發(fā)展起來(lái)了，已成為版權(quán)保護(hù)的重要工具。介紹數(shù)字水印技術(shù)的最新研究成果，反映當(dāng)今新的研究方向是本書(shū)的主要目標(biāo)。由于數(shù)字水印包含的內(nèi)容十分豐富，很多理論與技術(shù)尚處在不斷發(fā)展中，這使得本書(shū)內(nèi)容的選取十分困難。本書(shū)的著眼點(diǎn)是通過(guò)對(duì)數(shù)字水印各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的介紹，力圖使讀者能夠較全面地了解數(shù)字水印基本理論和基本技術(shù)的最新進(jìn)展，為進(jìn)一步了解和研究數(shù)字水印奠定基礎(chǔ)，同時(shí)又能夠涉及數(shù)字水印研究的一些前沿問(wèn)題，以便為讀者將來(lái)的研究工作提供幫助，并推動(dòng)國(guó)內(nèi)對(duì)數(shù)字水印技術(shù)的深入研究。本書(shū)對(duì)數(shù)字水印常用算法歸納出了較為詳細(xì)的基本計(jì)算步驟，列舉了大量的算法過(guò)程，并結(jié)合相關(guān)的研究成果給出了很多實(shí)例，希望這些內(nèi)容能對(duì)讀者了解和掌握數(shù)字水印技術(shù)有實(shí)質(zhì)性的幫助。本書(shū)共包含6章。第1章介紹了數(shù)字水印的概念和原理，魯棒性透明水印、真實(shí)性透明水印和不透明水印的特性及基本模型、數(shù)字水印攻擊與性能評(píng)估，并介紹了水印信號(hào)的設(shè)計(jì)與產(chǎn)生等基本問(wèn)題。第2章介紹了數(shù)字水印嵌入強(qiáng)度的估計(jì)理論以及基于信道容量理論的水印嵌入規(guī)則的比較分析結(jié)果。第3章介紹了各種DCT變換域上的數(shù)字水印技術(shù)，主要內(nèi)容包括基于自恢復(fù)的雙重水印技術(shù)的基本原理、基本構(gòu)成、基本特點(diǎn)以及算法描述； 與SVD混合的DCT數(shù)字水印技術(shù)、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類和基于遺傳算法特征匹配的DCT數(shù)字水印技術(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)等。第4章介紹DWT變換域上的數(shù)字水印技術(shù)，主要包括基于混沌加密的小波包盲與非盲水印技術(shù)，與SVD混合的DWT數(shù)字水印技術(shù)，基于人類視覺(jué)特性的DWT數(shù)字水印技術(shù)，DWT變換域上的半脆弱水印技術(shù)以及雙重水印技術(shù)的設(shè)計(jì)思想、實(shí)現(xiàn)技術(shù)以及算法描述等。第5章介紹了兩種新穎的空間域盲數(shù)字水印技術(shù)，一種是基于圖像投影序列理論，另一種是基于特征點(diǎn)匹配技術(shù)的，這兩種方法都對(duì)幾何攻擊具有一定的魯棒性。第6章介紹了兩種新的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)上的數(shù)字水印技術(shù)，一種利用了擴(kuò)頻方法，另一種采用了密鑰分存技術(shù)，兩種方法都有令人滿意的性能。

內(nèi)容概要

數(shù)字水印技術(shù)是近些年來(lái)國(guó)際學(xué)術(shù)界興起的一個(gè)前沿研究領(lǐng)域，與信息安全、信息隱藏、數(shù)據(jù)加密等均有密切的關(guān)系。本書(shū)主要內(nèi)容包括數(shù)字水印系統(tǒng)的基本模型及算法分析、用于版權(quán)保護(hù)的魯棒性透明水印、用于真實(shí)性保護(hù)的脆弱性透明水印、數(shù)字水印研究的若干理論問(wèn)題、DCT和DWT變換域上的數(shù)字水印技術(shù)、空間域上的盲數(shù)字水印技術(shù)以及關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)上的數(shù)字水印技術(shù)。本書(shū)也簡(jiǎn)單介紹了不透明水印、水印信號(hào)的設(shè)計(jì)和產(chǎn)生。    本書(shū)取材廣泛，內(nèi)容新穎，有著很強(qiáng)的理論性與系統(tǒng)性，充分反映了近幾年來(lái)數(shù)字水印領(lǐng)域的最新研究成果。    本書(shū)可供從事數(shù)字水印、信息安全、版權(quán)保護(hù)、真?zhèn)舞b別與隱蔽通信、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全和防復(fù)制數(shù)字圖像、模式識(shí)別等領(lǐng)域的科技人員與教學(xué)人員閱讀與參考，也可以作為信息領(lǐng)域和相關(guān)領(lǐng)域高等院校研究生的教科書(shū)或教學(xué)輔導(dǎo)書(shū)。

作者簡(jiǎn)介

金聰，教授，華中師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系軟件教研室教師，碩士生導(dǎo)師。在哈爾濱工業(yè)大學(xué)獲得碩士學(xué)位，在華中科技大學(xué)圖像識(shí)別與人工智能研究所攻讀博士學(xué)位。主要從事圖像通信安全、人工智能與智能系統(tǒng)等方面的教學(xué)與研究。 金聰教授一直在計(jì)算機(jī)科學(xué)系任教，先后為本科生講授過(guò)數(shù)值分析、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、并行算法、算法設(shè)計(jì)與分析、模式識(shí)別、數(shù)字圖像處理、概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)、高級(jí)語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)、數(shù)字壓縮技術(shù)等課程，為碩士生講授過(guò)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、演化計(jì)算、粗集理論與應(yīng)用、智能信息處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論、圖像壓縮與編碼、信息隱藏技術(shù)等課程。所指導(dǎo)的碩士研究生已經(jīng)畢業(yè)10人，在系統(tǒng)分析與集成、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)兩個(gè)專業(yè)招收研究生，主要研究興趣包括信息安全、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、模糊系統(tǒng)等，已獨(dú)立在《計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)》、《計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展》、《自動(dòng)化學(xué)報(bào)》、《Electronic Letters on Computer Vision and ImageAnalysis》、《Image and Vision Computing》等國(guó)內(nèi)外權(quán)威刊物上發(fā)表學(xué)術(shù)論文50多篇，其論文曾獲湖北省及武漢市自然科學(xué)論文獎(jiǎng)多次，已主持科研項(xiàng)目多項(xiàng)。

書(shū)籍目錄

第1章  緒論  1.1  數(shù)字水印研究的重要意義    1.1.1  數(shù)字多媒體信息的發(fā)展對(duì)信息安全帶來(lái)的困擾    1.1.2  數(shù)字水印技術(shù)的發(fā)展是社會(huì)發(fā)展的需要　1.2  數(shù)字水印系統(tǒng)的基本模型及算法分析    1.2.1　數(shù)字水印技術(shù)的特性    1.2.2　數(shù)字水印技術(shù)的分類及其特性　1.3　用于版權(quán)保護(hù)的魯棒性透明水印    1.3.1　魯棒性透明水印的特性    1.3.2　魯棒性透明水印技術(shù)的基本模型    1.3.3　典型算法及分析    1.3.4　魯棒性透明水印小結(jié)　1.4　用于真實(shí)性保護(hù)的脆弱性透明水印    1.4.1　脆弱性透明水印的特性    1.4.2　圖像認(rèn)證方法概述    1.4.3　脆弱性透明水印的典型算法及分析    1.4.4　脆弱水印與魯棒水印的區(qū)別　1.5　不透明水印    1.5.1　空間域不透明水印    1.5.2　變換域不透明水印　1.6　數(shù)字水印攻擊及性能評(píng)估    1.6.1　數(shù)字水印攻擊    1.6.2　數(shù)字水印性能評(píng)估　1.7　水印信號(hào)的設(shè)計(jì)和產(chǎn)生    1.7.1　無(wú)意義水印信號(hào)的設(shè)計(jì)和產(chǎn)生    1.7.2　有意義水印信號(hào)的預(yù)處理　1.8　小結(jié)　1.9　參考文獻(xiàn)第2章  數(shù)字水印研究中的若干問(wèn)題　2.1　數(shù)字水印嵌入強(qiáng)度的估計(jì)方法    2.1.1　概述    2.1.2　模型描述    2.1.3　嵌入強(qiáng)度的最優(yōu)估計(jì)及性能分析    2.1.4　嵌入強(qiáng)度的矩估計(jì)及性能分析    2.1.5　實(shí)驗(yàn)結(jié)果　2.2　數(shù)字水印嵌入規(guī)則的比較研究    2.2.1　概述    2.2.2　水印信道模型描述及其統(tǒng)計(jì)特性    2.2.3　幾個(gè)參數(shù)的確定    2.2.4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果　2.3　小結(jié)　2.4　參考文獻(xiàn)第3章  DCT變換域上的數(shù)字水印技術(shù)　3.1　二維DCT　3.2　基于自恢復(fù)技術(shù)的DCT域雙重水印算法    3.2.1　雙重?cái)?shù)字水印技術(shù)    3.2.2　數(shù)字水印自恢復(fù)技術(shù)的基本原理和特點(diǎn)    3.2.3　數(shù)字水印自恢復(fù)技術(shù)的基本構(gòu)成    3.2.4　糾錯(cuò)碼編碼技術(shù)    3.2.5　基于自恢復(fù)技術(shù)的雙重水印算法框架　　3.2.6　第一重?cái)?shù)字水印算法的構(gòu)成和描述    3.2.7　第二重?cái)?shù)字水印算法的構(gòu)成和描述    3.2.8　數(shù)字水印自恢復(fù)技術(shù)    3.2.9　實(shí)驗(yàn)結(jié)果　3.3　基于DCT?SVD的數(shù)字水印技術(shù)    3.3.1　SVD理論    3.3.2　水印的嵌入    3.3.3　水印的提取    3.3.4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果　3.4　基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類的魯棒數(shù)字水印技術(shù)    3.4.1　概述    3.4.2　紋理特征的選擇    3.4.3　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與訓(xùn)練    3.4.4　BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類方法的實(shí)現(xiàn)    3.4.5　水印的嵌入和檢測(cè)    3.4.6　實(shí)驗(yàn)結(jié)果　3.5　基于遺傳算法的盲數(shù)字水印算法    3.5.1　遺傳算法簡(jiǎn)介    3.5.2　水印算法框架    3.5.3　提取參考點(diǎn)集    3.5.4　計(jì)算特征橢圓    3.5.5　獲取特征橢圓的參考三元組    3.5.6　由遺傳算法實(shí)現(xiàn)點(diǎn)模式匹配    3.5.7　水印的設(shè)計(jì)    3.5.8　實(shí)驗(yàn)結(jié)果    3.5.9　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析　3.6　小結(jié)　3.7　參考文獻(xiàn)第4章  DWT變換域上的數(shù)字水印技術(shù)　4.1　離散DWT、小波包分析理論    離散DWT　4.2　小波包變換    4.2.1　小波包空間頻率分析    4.2.2　小波包定義    4.2.3　圖像小波包分解與重構(gòu)　4.3　基于混沌加密的小波包水印技術(shù)    4.3.1　水印嵌入過(guò)程    4.3.2　水印提取過(guò)程    4.3.3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析　4.4　基于混沌和SVD?DWT混合的數(shù)字水印技術(shù)    4.4.1　水印嵌入過(guò)程    4.4.2　水印提取過(guò)程    4.4.3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析　4.5　基于混沌加密的小波包盲水印技術(shù)    4.5.1　水印嵌入過(guò)程    4.5.2　水印提取過(guò)程    4.5.3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果　4.6　基于人類視覺(jué)系統(tǒng)特性的DWT域水印技術(shù)    4.6.1　人類視覺(jué)系統(tǒng)概述    4.6.2　水印置亂　　4.6.3　基于人類視覺(jué)系統(tǒng)的DWT域水印算法    4.6.4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析  4.7　基于DWT變換域的半脆弱數(shù)字水印技術(shù)    4.7.1　半脆弱水印的基本概念    4.7.2　半脆弱水印的基本框架    4.7.3　半脆弱水印的特點(diǎn)    4.7.4　半脆弱水印的現(xiàn)有技術(shù)    4.7.5　“雞尾酒水印”思想    4.7.6　基于DWT域的半脆弱水印算法    4.7.7　實(shí)驗(yàn)結(jié)果    4.7.8　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析　4.8　基于DWT變換域的雙重?cái)?shù)字水印技術(shù)    4.8.1　水印的嵌入與檢測(cè)原理    4.8.2　仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果    4.8.3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析　4.9　小結(jié)　4.10　參考文獻(xiàn)第5章  空間域上的盲數(shù)字水印技術(shù)　5.1　基于圖像投影序列的盲數(shù)字水印魯棒檢測(cè)技術(shù)    5.1.1　研究背景    5.1.2　理論基礎(chǔ)    5.1.3　水印方法描述    5.1.4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析　5.2　具有抗幾何攻擊能力的盲數(shù)字圖像水印算法    5.2.1　引言    5.2.2　形殊點(diǎn)的定義和性質(zhì)    5.2.3　特征點(diǎn)的提取和匹配    5.2.4　基于模擬退火技術(shù)的匹配算法    5.2.5　水印的設(shè)計(jì)    5.2.6　實(shí)驗(yàn)結(jié)果    5.2.7　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析　5.3　小結(jié)　5.4　參考文獻(xiàn)第6章  關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)上的數(shù)字水印技術(shù)　6.1　關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)    6.1.1　概述    6.1.2　SQL簡(jiǎn)介　6.2　關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)與多媒體數(shù)據(jù)的差異　6.3　數(shù)據(jù)庫(kù)水印分析    6.3.1　數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)水印技術(shù)的要求    6.3.2　水印技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的要求    6.3.3　數(shù)據(jù)庫(kù)水印應(yīng)解決的關(guān)鍵問(wèn)題　6.4　關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)字水印的攻擊　6.5　關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的幾種數(shù)字水印技術(shù)    6.5.1　R.Agrawal的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)水印算法    6.5.2　R.Sion的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)字水印技術(shù)    6.5.3　牛夏牧關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)字水印技術(shù)  6.6　基于擴(kuò)頻技術(shù)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)字水印算法    6.6.1　擴(kuò)頻水印技術(shù)    6.6.2　數(shù)據(jù)庫(kù)水印解決方案　　6.6.3　基于擴(kuò)頻技術(shù)的數(shù)據(jù)庫(kù)水印嵌入算法    6.6.4　基于擴(kuò)頻技術(shù)的數(shù)據(jù)庫(kù)水印的提取算法    6.6.5　仿真實(shí)驗(yàn)分析    6.6.6　實(shí)驗(yàn)結(jié)果　6.7　基于密鑰分存技術(shù)的數(shù)據(jù)庫(kù)水印方案    6.7.1　引言    6.7.2　算法的特色    6.7.3　水印分存體系    6.7.4　仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果　6.8　小結(jié)　6.9　參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：第1章　緒論1.1 數(shù)字水印研究的重要意義1.1.1 數(shù)字多媒體信息的發(fā)展對(duì)信息安全帶來(lái)的困擾中國(guó)古代印刷術(shù)的發(fā)明第一次使文字作品的大規(guī)模復(fù)制成為可能，印刷技術(shù)在世界范圍內(nèi)的廣泛傳播最終導(dǎo)致了現(xiàn)代版權(quán)制度的建立?？v觀版權(quán)制度發(fā)展的歷史可以發(fā)現(xiàn)，版權(quán)制度與傳播技術(shù)之間總是存在著微妙的互動(dòng)關(guān)系。一方面，傳播技術(shù)的革命和傳播方式的進(jìn)步始終是推動(dòng)版權(quán)制度發(fā)展的重要力量；另一方面，版權(quán)制度又對(duì)保護(hù)和促進(jìn)傳播技術(shù)的推廣與發(fā)展起著不可估量的作用。一個(gè)世紀(jì)以來(lái)，無(wú)線電廣播、電視、錄像等新技術(shù)的產(chǎn)生，都曾經(jīng)在一定程度上造成過(guò)版權(quán)保護(hù)的困難，但最終多由于新的版權(quán)制度的產(chǎn)生而重新得到控制嘲。近年來(lái)，數(shù)字化技術(shù)和Internet的飛速發(fā)展，在最大限度地方便人類信息交流的同時(shí)，也帶來(lái)了版權(quán)保護(hù)的危機(jī)。數(shù)字化技術(shù)精確、廉價(jià)、大規(guī)模的復(fù)制功能和Internet的全球傳播能力給現(xiàn)有的版權(quán)制度帶來(lái)了前所未有的沖擊，數(shù)字產(chǎn)品的版權(quán)保護(hù)成為困擾各國(guó)政府、法律界、藝術(shù)界、商界和計(jì)算機(jī)科學(xué)家的難題。1.數(shù)字信息技術(shù)對(duì)已有的信息安全保護(hù)方案不利的幾個(gè)特點(diǎn)數(shù)字產(chǎn)品的版權(quán)保護(hù)問(wèn)題如果解決不好，足以影響多媒體信息產(chǎn)業(yè)的前途。但是，數(shù)字產(chǎn)品作為科學(xué)發(fā)展的最新成果，有著以前的版權(quán)保護(hù)制度不能對(duì)其進(jìn)行很好、有效保護(hù)的諸多特點(diǎn)：（1）低廉的復(fù)制代價(jià)繪畫(huà)、雕塑、書(shū)法等傳統(tǒng)藝術(shù)品的復(fù)制是一項(xiàng)專業(yè)性很強(qiáng)的技術(shù)，以至于一些贗品本身也具有相當(dāng)高的藝術(shù)價(jià)值。但對(duì)于數(shù)字作品來(lái)說(shuō)，即使是大批量復(fù)制，也不過(guò)是舉手之勞。一幅辛辛苦苦創(chuàng)作出來(lái)的計(jì)算機(jī)繪畫(huà)作品，只要成為網(wǎng)頁(yè)的一部分，在短時(shí)間內(nèi)就會(huì)變成成千上萬(wàn)份副本，以至于無(wú)法分清誰(shuí)是創(chuàng)作者，誰(shuí)是復(fù)制者。廉價(jià)的復(fù)制不僅導(dǎo)致了盜版的猖獗，也給追查侵權(quán)行為造成了困難。

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《數(shù)字水印理論與技術(shù)》共包含6章。第1章介紹了數(shù)字水印的概念和原理，魯棒性透明水印、真實(shí)性透明水印和不透明水印的特性及基本模型、數(shù)字水印攻擊與性能評(píng)估，并介紹了水印信號(hào)的設(shè)計(jì)與產(chǎn)生等基本問(wèn)題。第2章介紹了數(shù)字水印嵌入強(qiáng)度的估計(jì)理論以及基于信道容量理論的水印嵌入規(guī)則的比較分析結(jié)果。第3章介紹了各種DCT變換域上的數(shù)字水印技術(shù)，主要內(nèi)容包括基于自恢復(fù)的雙重水印技術(shù)的基本原理、基本構(gòu)成、基本特點(diǎn)以及算法描述； 與SVD混合的DCT數(shù)字水印技術(shù)、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類和基于遺傳算法特征匹配的DCT數(shù)字水印技術(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)等。第4章介紹DWT變換域上的數(shù)字水印技術(shù)，主要包括基于混沌加密的小波包盲與非盲水印技術(shù)，與SVD混合的DWT數(shù)字水印技術(shù)，基于人類視覺(jué)特性的DWT數(shù)字水印技術(shù)，DWT變換域上的半脆弱水印技術(shù)以及雙重水印技術(shù)的設(shè)計(jì)思想、實(shí)現(xiàn)技術(shù)以及算法描述等。第5章介紹了兩種新穎的空間域盲數(shù)字水印技術(shù)，一種是基于圖像投影序列理論，另一種是基于特征點(diǎn)匹配技術(shù)的，這兩種方法都對(duì)幾何攻擊具有一定的魯棒性。第6章介紹了兩種新的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)上的數(shù)字水印技術(shù)，一種利用了擴(kuò)頻方法，另一種采用了密鑰分存技術(shù)，兩種方法都有令人滿意的性能。

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