1绪论
1.1数字水印硏究背景和意义
随着互联网技术的迅速普及和数字多媒体技术的广泛应用，视频、音频和图像等数字多媒体作品大多以数字形式存储和使用。数字多媒体作品易于拷贝、编辑和篡改且随着互联网的广泛传播，引发了大量盗版侵权行为。如今，盗版问题、- 版权问题和相关的经济利益已经成为社会问题并愈演愈烈，亟待解决。盗版和侵权问题在很大程度上影响着音像出版、影视发行等诸多行业的健康发展。保护版权和解决盗版等问题不仅需要立法支持同样需要相关的技术支持。以前对数字多媒体作品的保护主要依靠对用户的访问控制，使外部用户无法接触到被保护的数字多媒体作品，但这种方法无法避免内部人员的恶意泄露行为。另外，需要网络传输时通过加密技术保护数字多媒体作品的隐秘性和完整性，通过数字签名技术可以确定数字多媒体作品的版权归属。但加密技术本身与数字多媒体作品是分离的，是相对独立的，即在加密后可以实现对数据的保护，当需要使用时解密数字产品，此时解密后的数字多媒体信息就袒露在所有人面前，同时数字签名信息随解密过程一同消失。考虑数字多媒体信息的应用特点，可知加密技术不适用于数字多媒体作品在传播应用中进行保护。数字水印技术作为加密技术的补充可以强化对数字多媒体作品的保护。
数字水印技术是一种跨计算机、密码学、信号处理和通信领域的新型技术，是一种新型的版权保护、完整性保护的手段，具有广泛的商业应用前景和价值。从信息论理论可知图像等数字多媒体信息中存在大量冗余。数字水印技术利用数字多媒体信息中的冗余嵌入需要的水印信息，使数字产品以相同的数据量携带更多的信息，这些附加的水印信息可以用来认证和保护数字多媒体作品。随着数字水印技术的发展、深入和对多媒体数字作品保护要求的円益提高，出现了一系列数字水印技术的相关应用。数字水印技术的应用可以划分为以下七个方面：
■认证和完整性检测：、对载体数据篡改操作敏感，轻微的数据篡改引起水印信息破坏的数字水印技术，称为脆弱水印。任何对载体数据的变换和处理都会破坏水印信息，使水印检测器无法检测水印信息的存在或无法提取正确完整的水印信息。通过提取水印信息验证载体数据的完整性、正确性，证明载体信息的完整性，若水印信息遭到破坏则可知载体信息遭到篡改。
■版权保护：在数字作品中嵌入代表作者身份的水印信息如作者姓名、验证信息等，之后公开发布含有水印信息的数字作品。发生版权纠纷时通过提取作品中的水印信息证明数字作品的版权归属。应用于版权保护的水印技术要求具有一定的鲁棒性，即在载体信息受到恶意攻击篡改后仍能够正常的提取数字作品中的水印信息进行版权验证。
■交易跟踪：也可称为指纹跟踪。基于数字作品易于拷贝传播的特点，为避免未经授权的拷贝和使用，可以在数字作品中嵌入授权用户的认证信息和序列号。若发现未经授权使用的数字作品，可以通过提取数字作品中的水印信息得到数字拷贝作品的来源并进行追査。，内容标识:通过在数字作品中嵌入的水印信息，来对数字作品进行信息标识，提供有关数字作品内容的进一歩信息。如在遥感图像中嵌入拍摄时间、坐标，在医学图像中嵌入病人的病历信息、负责医生等。内容标识技术在制图、多媒体索引和基于内容的检索等诸多领域使用。
■广播监控：将水印信息嵌入到广播信号中，以替代动态监控技术。通过水印技术进行广播监控能完好的兼容于已有的模拟或数字广播基础设备。如商家为达到宣传目的希望在广播节目中加入广告并为之付费。提取广播信号中嵌入的水印信息监控广告的播出时间或数量。
■拷贝控制：在数字产品中嵌入标识"禁止拷贝"的水印信息，在录制设备中装有响应的水印检测器。在录制设备的使用过程中若检测到"禁止拷贝"的水印信息则设备自动停止拷贝操作。
■设备控制：相关设备在使用时提取检测数字产品中嵌入的相关水印信息，并依据水印信息做出相应的反应。拷贝控制是设备控制的一个重要部分。常见的设备控制系统有Digimarc公司的"媒体桥"。
上述七种应用是数字水印技术应用的主要方面。数字水印技术仍在高速的发展之中，不断出现新的需求和应用，其前景将更为广泛和丰富。
1.2 数字水印的历史
最早的数字水印.技术思想可以认为是古代的信息隐藏技术。如，藏头诗将需要表达的信息隐藏于表面的内容之中；淀粉和碘酒的密写技术将隐蔽信息以不可见的方式写在纸张之中，并通过相应的化学反应提取显示信息等。
现代的数字水印技术，最早可以追溯到1954年，Hembrooke的音频水印专利，将简单的鉴别信息插入到音频数据中，通过间歇的应用中心值为IkHz窄带带阻滤波器来代表莫斯密电码。之后1979年，Szepansiki提出了一个机器检出模型，这个模型可以应用于文档中由于防伪。Water marker水印的名词是在1993年A.Z.Tirkel发表的文章Electrc^iic water mark[33首次出现的。一般认为这标志着数字水印技术作为一门独立的学科出现。现在使用1>%^&1 Watermarking来表示数字水印，也就是我们所说的水印技术。但是直至90年代初水印技术还是仅限于大学和研究所的实验室中的理论技术。第一次应用水印技术的商业企业，是成立于1995年的Digimarc。许多国家应用其产品防止专业摄影师的作品被盗用。由此数字水印技术进入商业应用，进一歩促进了数字水印技术的发展。NEC、 IBM.飞利浦、索尼等诸多工业研究实验室开始加入到水印技术研究的行列中。
到1996年时信息隐藏研究（IHW)巳经成为了一个主要的科研课题。随后，. 在1999年光学学报（SPIE)专门设立了一个多媒体内容的数字水印及安全（SWMC)的会议。许多的专家和组织开始将数字水印技术纳入到他们不同的应用标准之中。安全数字音乐计划（SDMI)将数字水印作为他们音乐保护系统的核心组成部分。美国版权保护工作小组（CPTWG)准备将水印技术应用到DVD内容的保护中，以便更好的保护视频内容。国际标准化组织（ISO)计划将水印应用到动态图像专家组（MPEG)标准中。同样，欧盟资助VIVA和Talisman将水印技术应用到光波检测中。
早期的水印技术大多围绕空域研究，大部分是数字图像水印技术。如1993年Cox发表的具有鲁棒性的空域算法和1998年Chen提出的盲水印算法等。随着图像水印技术的发展在音频、视频和文本领域的水印技术也得到进一歩的发展。如1994年Matsui提出的视频信号水印算法，其方法类似图像水印，即将每帧视频作为图像进行水印嵌入；1996年Bender提出的音频信号扩频水印方案和Boney的音频信号扩频水印算法等。
如今数字水印技术已经具备广泛的应用和多种产品。在学术领域每年都会出现高质量的水印研究论文。1996年召开了首届International Information HidingWorkshop (IHW)o在我国于1999年组织并召开了第一家信息隐藏学术研讨会。专业性会议和期刊的出现极大的促进了数字水印技术的理论研究。在水印研究领域比较有影响力的会议有IEEE国际图像处理会议（IEEE ICIP)、 IEEE电路和系统国际学术会议（IEEE ISCAS)和国际计算机新科技与教育学术会议（IEEE ICCSE)等。在水印研究领域比较具有权威的期刊有Springer、 IEEE. Elsevier等，国内期刊有通讯学报等。自2004年以来IEEE中先后有超过900个年度出版社的期刊发表了水印和加密相关的文章。所有这些涌现出来的不同领域的方法都为了同一个目标：尽可能减少数字多媒体内容质量的降低。
2 可逆数字水印技术 11
2.1 可逆数字水印研究背景和意义 11
2.2 可逆数字水印研究发展 11
2.3 可逆数字水印基本理论 13
2.4 可逆数字水印算法性能评价 16
2.5 可逆数字水印分类...............17
2.6 可逆数字水印研究展望...............17
2.7 本章小结...............18
3 基于奇偶性的大容量医学图像可逆水印算法..........19
3.1 Sachnev可逆水印算法...............19
3.2 基于奇偶性的大容量医学图像可逆水印算法........22
3.3 附加信息的处理与水印算法的实现...............26
3.4 结果分析...............28
3.5 本章小节...............30
4 基于排序选择的加密图像可逆水印算法...............31
4.1 排序选择算法...............31
4.2 图像加密解密算法...............32
4.3 水印信息嵌入与提取算法...............33
4.4 含水印图像PSNR估算算法...............34
4.5 基于排序选择的加密图像可逆水印算法..........35
5 工作总结
数字水印是一种新型的版权保护的手段。可逆水印的特点是在提取水印信息后可以完全无损地恢复原始图像，主要应用于对图像质量要就极高的领域，如医学影像，遥感地图和法律证据图像等。医学图像具有与自然图像不同的特点，主要表现在图像精度要求高，相对平滑以及有大量空白区域（无信息的黑色区域）。本文针对医学图像的特点开展可逆水印的研究。主要的工作包括：
1.提出基于奇偶性的大容量医学图像可逆水印算法。该算法充分利用了图像中所有有能力携带水印信息的像素，提高了图像的嵌入率。为保证提取端像素的正确分类和算法的可逆性，该算法利用数据的奇偶性，改进提取端的测试算法，合理应用图像像素的承载能力，提高水印嵌入容量。实验表明，本算法在保证视觉效果的前提下提高了图像的水印嵌入容量。
2.提出基于排序选择的加密图像可逆水印算法。该算法针对加密图像嵌入容量低，准确率低的问题，提出通过排序选择相对平滑区域嵌入水印信息。该算法增加了图像的分块的数量，提升了嵌入容量，通过剔除难以利用的区域的方法提高了水印的嵌入容量和视觉效果。