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上海交通大学硕士学位
论文数字水印技术在
Android 移动终端中的应用 硕 士 研 究 生:周军 学 号:1070342046 导 师:徐友云 副 导 师: 申 请 学 位:工程硕士 学 科:电子与通信工程 所 在 单 位: 答 辩 日 期:20 年 月 授予学位单位:上海交通大学 Dissertation Submitted to Shanghai Jiao Tong University for the Degree of MasterThe Application of Digital Watermarking in the
Android Mobile TerminalCandidate: ZhoujunStudent ID: 1070342046Supervisor: Xu YouYunAssistant Supervisor:Academic Degree Applied for: Master of Engineering Electronic and CommunicationSpeciality: EngineeringAffiliation:Date of Defence:Degree-Conferring-Institution: Shanghai Jiao Tong University 上海交通大学硕士学位
论文 数字水印技术在
Android 移动终端中的应用 摘 要 现今社会,移动互联网技术和无线通信技术日新月异,手机在人们的日常生活中逐渐普及。
特别是近年来,微博等新型社交应用的迅速兴起,人们可以随时随地的将手机里面的图片内容发布到网络上,这就对图片的版本保护提出了新的要求。
与此同时数字水印技术1也是近年来的研究热点之一,将标识信息即数字水印直接嵌入数字载体当中,同时不影响原始载体的使用价值,也不容易被人的视觉和听觉系统觉察和注意到。
通过这些隐藏在载体中的信息,可以用来判断载体是否被篡改。
当版权拥有者的权益被侵犯时,可以通过对隐藏信息的检测2来维护其权益。
目前
Android3是炙手可热的手机智能操作系统,其包含一套开发框架、
Android SDK,包含丰富的工具集(有调试器、库、手机仿真器、文档、示例代码和教程)。
本文以
Android 系统中 JPEG4数字水印的实现为研究对象,主要工作包括。
1. 介绍了数字水印技术的基本框架,定义及分类。
并且对数字水 印的一些重点算法进行介绍;同时介绍了数字图像水印的性能 评估标准和常见的水印攻击方式。
2. 对 JPEG 编码算法和
Android 系统进行介绍,包括 Jpeg 和
Android 的整体框架,以及 JPEG 库在
Android 系统中的调度流程。
3. 结合数字水印技术,根据
Android 系统的特点和应用场景,对比 DCT 数字水印和空域水印在
Android 上实现。
关键词:数字水印,
Android,JPEG,离散余弦变换 I 上海交通大学硕士学位
论文 The Application of Digital Watermarking in the
Android Mobile Terminal ABSTRACT With the development of Internet and wireless communication,themobile phone basically reached the universal state in peoples lives.Especially recent years following the facebook and other SNS peoplecould deliver their photograph in the network. This takes new demands forthe copyright protection. At the same time the digital watermarking was ahot issue. By embedding the digital watermarking to the multimedia thevalue will not be influenced also will not be watched and noticed bypeople. When the copyright infringement occurred the legal right will beprotected by checking the digital watermarking. Now the
Android is a very popular operating system for smartphones.It is free software. The issue researched the JPEG digital watermarking inthe
Android system the main work including: 1. Describes the digital watermark framework include digital watermark arithmetic and attack technology. 2. The JPEG coding method and
Android system the framework of JPEG and
Android the position of JPEG in the
Android system were introduced. 3. Combining the
Android system analyze the DCT digital watermarking and spatial domain watermarking.KEY WORDS: Digital Watermarking,
Android,JPEG,DCT II 上海交通大学硕士学位
论文 目 录第一章 绪论 1 1.1 选题背景 1 1.2 数字水印介绍 2 1.3 数字水印的应用 2 1.3.1 数字作品的产权保护 3 1.3.2 票据的防伪保护 3 1.3.3 个人证件的真伪鉴别 3 1.3.4 隐藏标识和篡改提示 3 1.3.5 隐藏数据通信 4 1.4 数字水印国内外现状 4 1.5 本文组织结构 5第二章 数字水印基础 6 2.1 数字水印特点 6 2.2 数字水印框架模型 7 2.3 数字水印算法分类 9 2.4 数字水印系统的基本要求 11 2.5 数字水印的攻击技术 11 2.6 数字水印的评测 13 2.6.1 透明性评测 13 2.6.2 鲁棒性检测 14 2.7 本章小结 15第三章 JPEG 编码分析 16 3.1 JPEG 简介 16 3.2 JPEG 编码过程分析 17 3.2.1 色彩空间转换 18 3.2.2 数据分割成 88 的数据块 18 3.2.3 正向离散余弦变换(FDCT) 19 III 上海交通大学硕士学位
论文 3.2.4 根据量化表进行均匀量化 20 3.2.5 直流系数的编码 22 3.2.6 Z 字形编排 22 3.2.7 交流系数的编码 23 3.2.8 Huffman 编码 23 3.3 本章小结 26第四章 ANDRIOD 图形系统 27 4.1
Android 系统介绍 27 4.1.1 上层应用程序 27 4.1.2 应用程序框架 28 4.1.3 组件库 29 4.1.4
Android 虚拟机 30 4.1.5 Linux 内核 30 4.2
Android 图形系统 30 4.2.1 Skia 图形库框架 31 4.2.2 Skia 库使用 32 4.2.3 OpenGL/ES 引擎 33 4.3 本章小结 33第五章 数字水印技术在
ANDROID 中的应用 34 5.1
Android 中 JPEG 文件的打开及保存 34 5.2 DCT 数字水印分析及
Android 中的应用 34 5.2.1
Android 中 libjpeg 编码过程剖析 34 5.2.2 DCT 数字水印系统 36 5.2.3 DCT 水印信号的预处理 37 5.2.4 DCT 数字水印嵌入系数的选取 38 5.2.5 DCT 数字水印嵌入及提取 42 5.2.6 DCT 数字水印验证 43 5.2.7 DCT 数字水印算法在
Android 中的实现 43 5.3 空域数字水印分析及在
Android 中的应用 46 5.3.1 空域数字水印 46 5.3.2 空域数字水印算法分析 47 5.3.3
Android 中空域数字水印嵌入和验证过程 48 IV 上海交通大学硕士学位
论文 5.3.4 实验结果分析 49 5.4 本章小结 52第六章 总结与展望 53参 考 文 献 54致 谢 57攻读硕士学位期间已发表或录用的
论文 58 V 上海交通大学硕士学位
论文 第一章 绪论1.1 选题背景 近些年来,多媒体技术和网络技术迅猛发展,信息的发布和传输实现了“数 ,大量的数字多媒体作品出现。
数字信息具有易于复制、传播、字化”和“网络化”高保真等特性,使得其极易被盗版者复制、传播来牟利。
盗版者通过非法访问、故意篡改、侵犯版权等非法操作严重侵害作品创作者、所有者和生产者的利益。
因此多媒体数据也需要进行加密、认证和版权保护。
而如果采用密码加密方式,则其本身的信号属性就被忽略了,使用起来很不方便。
同时,由于网络传播的速度之快,给发现、追踪、截获或者制止盗版行为带来了很多困难。
在这种背景下,数字水印技术应运而生6。
数字水印技术是一门新兴技术,其包含了多种学科知识,涉及到了数学、密码学、信息论、概率论、随机理论、通信理论、计算机网络和其他计算机应用技术等。
数字水印技术与传统的信息隐藏技术不同,其可以通过隐藏秘密信息的方式,保护开发网络环境中数字产品的版权,证明信息的真实可靠和完整性。
数字水印技术与信息伪装技术最大的区别在于攻击者目的不同。
在数字水印系统中,盗版者通过除去水印信息来破坏版权,而信息伪装的攻击者主要是为了揭露信息的内容。
数字水印技术目前已经在多媒体制品得到了广泛研究。
与传统的数字加密技术相比,数字水印技术具有下面的一些优势和特点:1. 水印信号被嵌入到数字信息产品的内容当中,可以通过水印检测器提取出水印信息,从而实现对版权的相应保护:2. 水印信号与数字信息产品紧密结合,所以对数字信息产品进行普通信号处理难以去除或完全破坏其中的水印信号,只要通过水印检测器仍可能检测出水印信号;3. 数字水印的嵌入是不会影响到数字信息产品的价值和质量的,而且不可被感知。
与此同时手机逐渐得到普及,手机的信息安全保护问题愈发突出。
目前对于信息的保护技术,主要以密码学理论为基础,使用密钥或者公钥系统,将文件加密成密文,控制文件的读取,使得非法用法无法读取。
但是这种加密方法有一种弊端,提高系统密级的方法就是不断增加密钥长度,但是目前计算机的处理能力 5运算速度已经很快,破解所需的时间也越来越短,这种方法的弊端也愈发凸显 。
1 上海交通大学硕士学位
论文 所以,本文主要是探讨使用应用数字水印技术来保护手机的信息安全,以及在
Android 系统上的一些实现。
1.2 数字水印介绍 数字水印技术通常指,通过信号处理的手段将不可见的隐藏信息嵌入到多媒体数据中。
这种隐藏的标记需要通过专门的检测器或阅读器提取。
目前的数字水印算法很多,但是都普遍存在一些关键性问题没有解决。
1.数字水印领域的研究体系还不成熟,没有形成完善和成熟的理论体系来指导其研究工作. 2.数字水印评测和评估系统不全面,也不统一。
3.没有一个公用的数字水印算法,这为检测带来一些麻烦,而且水印图像的选取主要是灰度图像和二值图,很少采用彩色图像;水印的意义比较单一,种类不多,信息量也不够大。
同时,水印的盲检测技术的研究不够深入,也为检测带来一些困难。
4.攻击技术的发展对数字水印安全提出了更加高的要求,但是目前相对于攻击手段,数字水印技术发展还比较缓慢。
特别是对于一些复杂的攻击手段,研究还不够深入。
5.数字水印技术还需要与人类视觉系统Human Visual System,HVS7结合研究,如何更加好的利用HVS的特点,还有待研究。
6.目前还需要进一步拓展数字水印的应用领域,以及与密码系统,数字通信相结合的技术研究。
1.3 数字水印的应用 随着信息技术的发展,数字水印价值逐渐体现,应用领域也越来越广。
传统的应用领域包括隐藏标识、版权信息保护、认证安全。
在隐藏标识方面,数字水印可以应用到数字成像、数字图像监控、多媒体索引及内容检索等领域。
在版权信息保护领域,包括目前流行的电子商务、可以通过网络分发多媒体内容以及提供大规模广播服务。
数字水印的认证安全方面的作用,主要包含 ID 卡、信用卡,银行卡等。
与此同时,又产生了很多新的研究热点,包括。
2 上海交通大学硕士学位
论文1.3.1 数字作品的产权保护 目前数字作品的使用很广泛,包括图片,音乐,视频等内容。
但是由于计算机的不断普及,拷贝、修改等常规修改已经变的很容易,而且在内容上可以做到与原创完成一致。
因此数字作品的版权保护8的重要性也愈发明显。
这种情况下,很多原创者只能采用了一些破坏性的方法来为自己的作品添加版权标识,但是这种标识,一方面对作品破坏较大,而且也较容易被识别纂改。
这种背景下,可以利用数字水印技术,将标识信息隐藏到作品中,而且不破坏原作质量,也不容易被识别。
1.3.2 票据的防伪保护 各种高精度的彩色打印机和复印机的出现,极大的提升了打印机和复印件的精度,使得各种票据,货币,支票的仿制变为可能。
同时现在电子商务成为一种趋势,出现各种纸质票据的扫描图像。
由于这些内容本身的特殊性,需要有一些非加密方式的保护,而数字水印正好能提供功能,为票据嵌入不可见的信息,增加伪造的风险和难度。
1.3.3 个人证件的真伪鉴别 在现今社会,每个人都拥有很多证件;例如,证明个人身份的包括,身份证,护照。
和技能相关的包括,学历证书,资格证书等。
而目前在国内证件防伪领域起步比较晚,还不成熟。
由于缺少有效的保护措施,伪造成本很低,各种伪造证件风行,已经在一定程度上影响和干扰了正常的社会秩序,影响了诚信体系的完善。
利用数字水印技术来嵌入隐藏信息,可以有效的增加证件安全性,增加伪造成本,有效的阻止证件伪造行为。
1.3.4 隐藏标识和篡改提示 在某些特殊领域,数据载体上的标识信息比数据本身价值更高,例如卫星遥感图像的拍摄时间、地理位置信息等。
而这些标识信息直接决定了数据本身的价值,如果将这些重要信息直接显性的标记到原始数据上,风险很大。
数字水印技术就提供了一种嵌入隐藏标识的方法,可以将标识信息隐藏到原始数据中,读取的时候,再通过专门的检测程序来获取这些隐藏的标识信息。
目前这种方法已经被广泛应用到相关机构和部门。
3 上海交通大学硕士学位
论文 同时,数据篡改的重要性也日益明显。
目前丰富的软件工具,可以很轻易对多媒体信息进行拼接和修改,比如图像 PS 手段。
因此,利用数字水印技术,通过分析嵌入水印的状态,可以较好的对多媒体信息进行保护,避免被篡改攻击。
1.3.5 隐藏数据通信 网络技术的不断革新,引发了以网络为载体的信息战和情报战。
而传统的信息战,都是采用加密的模式,网络传输的数据也明显的混乱无序,比较容易引起对手的警觉。
而数字水印技术的信息隐藏术则提供了新的思路,引发了现代信息战的革命,战争的手法也越发隐蔽;比如利用公用网络,将隐藏数据嵌入到普通的媒体数据里面,对手很难察觉到。
这种方法,已经被很多国家广泛关注,成为现代信息战和情报战中,不可忽视的重要研究方向。
1.4 数字水印国内外现状 从文献记录来看 9,数字水印的发展是从 1993 年开始,当时是将机要文件信息隐藏到普通文件中,然后再通过网络发送出去。
由于传输的是普通文件,即使拦截者获取到数据内容,也很难察觉到机要内容,因而开辟了数字水印的发展。
数字水印技术目前已经成为信息安全技术领域的一个研究热点,因为其可以在开放的网络环境下,方便的进行信息隐藏并对信息进行跟踪,故该技术得到美国军方和财政部的支持,其发展的速度也非常快。
目前全球已经开展数字水印研究的政府部门包括,美国财政部、美国版权工作组、美国空军研究院、美国陆军研究实验室、德国国家信息技术研究中心。
1998 年,更是在美国政府报告中第一次出现了关于图像数据隐藏方面的报告。
与此同时,许多重要的国际期刊杂志都开始 、了一些关于数字水印的技术的专刊或专栏,例如《IEEE 图像处理》《IEEE 通信 、 、选题》《IEEE 消费电子学》《IEEE 会报》等。
很多知名高校和跨国公司也纷纷介入到数字水印的研究当中。
例如在美国,以麻省理工学院为代表的一大批研究机构和公司,已经在数字水印领域取得很大进展,申请了很多关于这方面的专利。
其他大学和公司还包括剑桥大学、西班牙 Vigo 大学、伊利诺斯大学、明尼苏达大学、瑞士洛桑联邦工学院、IBM 公司 Watson 研究中心、日本 NTT 信息与通信系统研究中心、Microsoft 公司、Lucent 公司、CA 公司、Sony 公司、NEC 研究所, Philips 公司等 10 。
国内在数字水印方面的研究也逐渐起步,已经有很多研究机构及大学开展了这方面的研究。
1999 年底,第一届全国信息隐藏学术研讨会CIHW 11在北京电 4 上海交通大学硕士学位
论文子技术应用研究所举行。
各种关于数字水印的重要学术期刊和杂志不断出现,也发表众多
论文,还提出了一些水印算法。
同时,我国政府也十分重视信息安全产业的发展,明确的指出了,对于数字产品产权保护,防盗版和防伪技术的研究,要给予重点支持。
一些重大的国家级科研项目,包括国家自然科学基金,“863”,“973”计划等,也都对数字水印研究给予了资金上扶持。
但相对于外国同行,我国在这一领域的起步较晚,投入的资源也仍然不多,还有很多工作需要进一步完善。
在数字水印的应用方面,普及面还不如国外。
因此,我们需要不断进行数字水印的研究,拓展在多媒体领域的应用。
通过使用数字水印技术来保护数字化产品的合法权益,推动其健康快速的发展。
数字水印技术是一门涉及面广,需要运用到很多其他学科的领域。
包括图像处理,密码学,数字通信,信号处理,生物学,信息论等。
目前数字水印的理论还不完善和成熟,没有形成一套统一的理论基础及检测标准。
因此,还有很多工作需要继续研究和发展。
1.5 本文组织结构 第一章介绍了数字水印的背景,基本概念以及目前的现状,再对本文的组织结构进行了说明。
第二章详细的讲述了数字水印的框架以及主要的算法,然后介绍了数字水印的系统要求,以及可能遇到的攻击和可以使用的检测手段。
第三章讲解了 JPEG12图像算法的整个编码过程,包括其中重要步骤的详细介绍。
第四章首先对
Android 整个系统进行了介绍,然后重点针对
Android 系统中的图像处理部分进行了较为详细的描述。
第五章分析了 DCT 数字水印和 LSB 13 数字水印的特点,以及两种算法在
Android 上实现情况及对比。
第六章作为结束语,总结了本
论文成果及对手机系统上数字水印技术的展望。
5 上海交通大学硕士学位
论文 第二章 数字水印基础2.1 数字水印特点 数字水印技术可以水印信息嵌入到需要保护的数字产品中,在遇到版权纠纷时,通过提取出数字水印来验证版权的归属或者认证内容的真实性,可以达到保护版权所有者合法权益的目的。
另外,对于不同的数字产品拷贝也可以向其中嵌入不同的数字水印信息,这样既可以确认合法使用该数字产品的身份,又可以通过数字水印信息,追查到非法使用者的拷贝的源头。
数字水印已经被应用到数字化产品的各个领域,包括软件、多媒体文件或电子文档等。
数字水印需要将水印信息嵌入到原始数据中,因此要确保嵌入的水印不破坏原有数据的欣赏和使用价值,且被嵌入的数字水印信息必须是不可察觉的,只有通过一些特定的提取算法才能检测和提取。
数字水印信息成为原始信息不可分割的一部分,达到隐藏的效果。
从信号处理的角度分析数字水印,本质上是通过对数字产品进行微小的改动,嵌入水印信息,同时确保被改动的区域对原始数据不会造成较大的影响。
嵌入到数字作品中的信息必须具有以下基本特性才能称之为数字水印: 1.水印信息不能破坏原始数据的质量,或称不可感知性14 (Imperceptibility)和透明性(Transparency)。
水印系统的一个最重要的要求就是水印具有可感知的透明度,嵌入的水印在视觉效果和统计值上都是不可见的,即它必须确保嵌入的水印不能造成可见的人为加工过的痕迹,或是降低原数据的质量。
2.具有一定的稳定性,是指经过诸如信道噪声、低通滤波、A/D与D/A转换、重新采样、位移、剪切以及尺度变化或者压缩编码等信号处理手段之后,水印信息仍能被较好的完整保留且可以被准确鉴别。
3.嵌入的水印必须具有可证明性,数字水印的价值是能为原始数据产品的归属问题提供完全且可靠的保证。
水印信息嵌入到原始数据以后,在需要时可被提取出来,判断数据是否受到破坏,并能跟踪被保护数据的传播以及非法复制,进行真伪辨别。
判断水印算法好坏的一个标准,就是其是否可以提供没有争议的版权证明。
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论文2.2 数字水印框架模型 数字水印框架15(图 2-1)包括数字水印嵌入系统和数字水印检.