双重数字水印的设计与实现(可编辑)(常用版)

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双重数字水印的设计与实现（可编辑）（常用版）(可以直接使用，可编辑完整版资料，欢迎下载）合肥工业大学硕士学位论文双重数字水印的设计与实现姓名:王国明申请学位级别:硕士专业:计算机应用技术指导教师:侯整风20060601双重数字水印的设计与实现摘要数字水印技术是数字产品版权保护领域中的研究热点,是一种全新的保护多媒体信息安全的技术。许多专家对数字水印算法进行了深刻的广泛的研究,并取得了一定的成果。本文首先介绍了信息隐藏和数字水印技术的历史及其产生背景,然后详细地讨论了数字水印技术,主要包括数字水印的概念、原理、分类、应用、系统组成和嵌入算法等。在系统地研究了数字水印技术应用于版权保护和数据认证的基础上,本文提出了一种基于离散余弦变换的双重数字水印算法,该算法具有双密钥数字水印和公开数字水印的双重功能,实现了文本作为嵌入的水印,解决了一般水印信息无意义且提取时需要原始图像的问题,更好地满足数字水印系统的透明性和鲁棒性的要求。双密钥数字水印是一种有意义的盲水印,公开数字水印是基于公钥密码体制实现的、终端用户可以直接提取的水印.能够对数据来源进行有效的认证。本文利用编程工具实现了双重数字水印算法。实验结果表明这种算法能够有效地抵抗压缩、噪音和解释等攻击。最后,对全文进行了总结,并就进一步的研究工作提出了几点想法和打算。关键词:信息隐藏;数字水印;离散余弦变换;水印攻击,..,,,,,,.,.’,,?,.,.’.,...,,:;;;插图清单图一对称密码系统...........?...?.............?...图一公钥密码系统..........................?....?...图一变换图像压缩实验结果.....?.?...............图?信息的隐藏与提取模型....?............?...?..图信息隐藏分类图........?..?......................图一数字水印嵌入过程........?.................图数字水印检测过程..........??..................图?格式图像压缩系统图....?...........?.......图信息隐藏位置与降质??.........?....?.......图?双密钥数字水印嵌入过程..?.............?.......图?双密钥数字水印提取过程...?..................?.图?数字水印嵌入过程....?...?..........?........图?数字水印提取/检测过程?.......?......?.......图?双重水印实验结果..?.....?...?...........?.图?中值滤波实验结果??.?............?........图?中值滤波实验结果.....??...?............?图?加入噪音实验结果?....................?.图?加入噪音实验结果.?...................?.图马赛克攻击实验结果.??.........?.??...?.图水印仲裁过程...?..........?.?...?.独创性声明本人卢明所呈交的学位论文是本人在导师指导进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知,除了文中特别加以标注和致翕十的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写或其他教育机构的学位或证书而使过的研究成果,也不包含为获得金理』些盔堂用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。签字日期:历谣年月绍日学位论文作者签名.乃闳蚋学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解金壁王些塞堂有关保留、使用学位论文的规定,有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅。本人授权?盒壁工些厶堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。保密的学位论文在解密后适用本授权书导师签名;学位论文作者签名%乙乙目咽签字日期:知“年月日签字日期:加辟月日学位论文作者毕业后去向:工作单位:通讯地址:致谢在即将结束研究生学习生活之际,要特别感谢我的导师?侯整风教授对我的毕业论文给予的精心指导,他那严谨的工作作风、渊博的知识、高深的学术水平,将永远激励着我奋发向上。感谢母校?合肥工业大学的领导,感谢计算机与信息学院的领导和全体老师对我的关心和教育。感谓研究生培养处的王老师与何老师对我的帮助和爱护。我还要感谢我的工作单位?安徽理工大学的领导和同事对我学习的支持和鼓励,感谢李敬兆主任在百忙之中指导我的论文,感谢我的家人对我的无私奉献。最后,我忠心祝愿侯老师:身体健康,家庭幸福;工作顺利,桃李满园。作者:王国明年月第一章绪论随着计算机网络技术、数字通信技术、信息编码与压缩技术的快速发展,网上的资源日渐丰富,计算机网络和多媒体信息处理在全球得到了前所未有的应用.人们能够利用网络方便快捷地制作、加工、分发和传送各种多媒体信息,如数字音频和视频、图像、图形和各种文本等方面的作品。然而,计算机网络在给人们带来诸多便利的同时,也带来了许多不利之处。例如:多媒体作品舨权的侵犯、软件及文档资料的非法拷贝、信息的非法截取或查看等等。毫无疑问,这些都给信息安全带来了极大的威胁,因此,要想使计算机网络更好地为人类服务,就必须很好地解决网络的信息安全问题。.研究背景““多媒体信息的数字化为多媒体信息的存取提供了很大的方便,随着的日渐普及,大大地提高了多媒体信息传送的速度,在电子商务和电子政务应用不断普及的今天,网络信息安全问题己成为制约网络进一步发展与应用的主要因素。虽然人类在计算机网络及多媒体通信领域中的研究与应用已取得了很大进展与丰富的成果。然而,随着多媒体信息网上交流日渐蓬勃,在全球一体化的网络环境下,人们对信息安全的要求显得越来越迫切。无论是政府机构、商业公司,还是个人用户都急切希望在信息广泛传播的条件下,自己的秘密信息在网络上能够得到有效的安全保护。随着信息媒体的数字化进程不断深入,信息的存取与数据的传输及交换变成了一个相对简单的过程。人们可以借助扫描仪、数码相机以及调制解调器等设备,将数字信息传播到世界各地。这为电子图书馆、在线服务和电子商务等先进的多媒体信息服务提供了广阔的发展前景,随之而来的负面作用也是显而易见的:通过网络传输数据文件或作品将使怀有恶意的个人或团体可能在没有得到作品所有者的许可下任意篡改或拷贝、散发含有版权的内容,从而使版权所有者蒙受经济上和精神上的损失。因此,如何在现有通信环境下实施有效的版权保护措施,已成为了一个迫在眉睫的现实问题。面对上述挑战,人们首先想到的最常使用的方法是利用密码学原理对要传输的信息进行加密。然恧在信息高度发达的今天,密码学逐濒显出了它的不适应性:①它仅能解决数据从发送者到接收者传输过程中的数据保密,当数据被接收并被解密后就完全失去了保护作用;②加密使信息在恶意攻击者面前呈现出毫无意义的乱码,更容易激起他们的好奇心和欲望去进行非法破解;③密码的强弱取决于其计算的复杂性,使加密过程变得缓慢,消耗大量的时间,所以,过分依赖于加密技术是不经济的,有时甚至会影响信息的有效传播。针对这种需求与应用技术间的矛盾,越来越多的研究机构倾向于发展信息隐藏这一古老的信息安全保护措施。信息隐藏与密码学的最大不同在于它不仅隐藏了信息的内容,而且隐藏了信息的存在,因而在数据安全领域显示出更为优越的特性。作为其重要应用之一的数字水印技术近年来更是得到了突飞猛进的发展。由于其不易觉察性和鲁棒性等特点,它己被公认为是解决当今版权保护问题的一种有效手段,并成为国际学术界研究的一个前沿热门领域。一些未来数字压缩标准例如的制订者己经考虑将数字水印技术纳入到新标准的制订范围之内。可以预见,借鉴相关技术领域积累起来的丰富研究成果例如:压缩编码技术,扩频通信技术,密码学以及对人类感觉生理/心理模型的研究,信息隐藏和数字水印技术必将会成为未来信息安全和知识产权保护的重要手段,对它们的理论研究和应用丌发将具有重大的现实意义。多媒体信息安全是集数学、密码学、信息论、概率论、计算复杂度理论和计算机网络以及其它计算机应用技术于一体的多学科交叉的研究课题。多媒体信息安全技术的研究主要有两种方法:多媒体信息加密和多媒体信息隐藏。多媒体信息加密算法一般是基于文本数据设计的,它把一段有意义的数据流称为明文转换成看起来没有意义的数据称为密文,如和都是著名的数据加密算法。出于将明文数据加密成密文数据,使得在网络传递过程中非法拦截者无法从中获得信息,从而达到保密的目的。对信息隐藏而言,监测者或非法拦截者难以从公开信息中判断是否有机密信息存在,从而保证机密信息的安全。数字图像比声音、文字等蕴涵更多的信息量,因而在多媒体信息中占有举足轻重的地位,数字图像信息安全是多媒体信息安全的重要组成部分。.密码学、信息隐藏和数字水印概述.密码学简介”””密码学是把有意义的信息编码为伪随机性的乱码,以保护信息安全的一门学科,而研究如何破译密码的学科被称为密码分析学。密码学与密码分析学是密码技术中两个既相互促进又相互对立的部分。在密码学中,有一个基本的假设,即秘密必须全部寓于密钥之中,而密码算法是公开的。在密码通信中,要传送的信息称为明文,在信道上传送的加密后的信息称为密文。把信息从明文转换成密文并保持信息的机密性的被称为密钥。从明文得到密文的过程称为加密,从密文中恢复明文的过程称为解密,加密和解密所采用的规则或算法分别称为加密算法和解密算法。而加密算法和解密算法通称为密码算法。古典加密算法主要有:代码加密、替换加密、移位加密、仿密、换位加密和一次一密等等。在现代加密算法中,根据加密和解密是否使用相同的密钥,被分成对称密码体制和非对称密码体制。.对称密码体制对称密码体制是从传统的简单换位加密算法发展而来的,其加密过程如图所示。基本思想是:加密算法在密钥的控制下,把明文转换成对应的密文,然后把密文放到信道上传送。接收方首先从信道上接收密文,然后在密钥的控制下通过解密算法把密文破译成明文。其主要特征是加密和解密采用同一个密钥。主要优点是加解密的速度快,主要缺陷是如何安全地分配密钥,即发送者如何安全地把密钥传送到接收者。接收者发送者信道图卜对称密码系统在世纪年代,随着计算机网络及通信技术的发展,急需要有规范统一的保护信息的加密手段。年,美国国家标准局,即现在的国家标准与技术研究所丌始征集对数据加密标准的建议。数据加密作为分组密码算法是第一个且是最著名的对称加密算法,由公司提出于年采纳为联邦标准,它是密码学历史上的一个里程碑。在此之后,又有很多优等算法。秀的算法问世,例如:、、、和.非对称密码体制。非对称密码体制又称为公开密钥密码体制该体制最初是由和¨在他们的论文“?密码学的新方向”中提出的“?,公钥加密体制如图所示。在公开密钥密码体制中最著名的算法是由、和于年提出的被称为算法,这种方法是基于把一个整数因数分解为几个素数是非常困难的观点之上。下面以与之问的通信为例,说明该算法的基本思想。①选择两个保密的大素数和,并计算::;②通过,一选择一个加密指数与?一互为素数:③通过计算出;④将,设为公钥并给于公开,而将,作为密钥又称私钥秘密保存;⑤将明文利用一‖加密成密文,并将发送给;⑥通过,把密文解密为明文图卜公钥密码系统就目前的研究而言,采用传统密码学理论开发出来的加密和解密系统,对于待加密文件的处理是将其加密成密文再进行传送,使得在网络传递过程中的非法栏截者无法从中获取机密信息,达到保密的目的。传统的加密系统如和等是基于叠代乘积密码实现的。在这些方法中,为保证安全性,一般主要依靠由密钥以非常复杂的方式控制的替换过程,对于数据量极为庞大的多媒体数据流丽言,难以实现快速的加密和解密。由于多媒体信息有其自身的特点,因此必须结合多媒体信息的特点,研究适合多媒体信息的加密技术。..信息隐藏概述信息隐藏与信息加密都是把对信息的保护转化为对密钥的保护,因此信息隐藏技术沿用了传统加密技术的一些基本思想和概念,但两者之间保护信息的手段不同。信息加密是把有意义的信息加密为随机的乱码对信息进行特殊的编码,然后以形成不可识别的密文进行传递,窃听者知道截获的信息是密文,其中应该包含更重要的信息,但“无法破译”。信息隐藏则是把一个秘密信恩隐藏在另~个普通信息载体之中,非法者无法知道这个普通载体中是否隐藏有其它信息,同时他也无法提取其中的隐藏信息,从而达到对信息保护的目的。在网络通信领域,信息隐藏是继数据加密之后又一引起众多研究人员普遍关注的保护信息安全的研究领域”?。信息隐藏就是把一个有意义的机密信息隐藏于另一公开的信息载体之中,然后通过公开信息载体的传输达到传递机密信息的目的。信息载体可以是文字、图像、声音和视频等等。这一技术在古代被称为信息伪装术或称为隐写术。从古希腊的蜡板藏书到德国间谍的密写术等这些都是典型的例子。信息之所以能够隐藏在多媒体数据中,是因为:①多媒体信息本身存在很大的冗余,从信息论的角度看,未压缩的多媒体信息的编码效率很低,所以将某些信息嵌入到多媒体信息的冗余或不重要位置,进行秘密传送是完全可行的,并且不会影响多媒体信息本身的传递和使用。②人眼或人耳本身对某些信息都有一定的掩蔽效应,比如人眼对灰度的分辨率只有几十个狄度级,对边沿附近的信息本身不敏感等;利用人的这些特点,可以很好地隐藏信息而不被觉察。信息隐藏技术主要由两部分组成:①信息嵌入算法,它利用密钥来实现秘密信息的隐藏。②检测/提取算法检测器,它利用密钥从隐蔽载体中检测/恢复出秘密信息。在密钥未知的前提下,第三者很难从隐秘载体中得到或删除、甚至发现秘密信息。数字图像信息隐藏主要研究基于数字图像的信息隐藏技术,它主要针对数字图像的二维空间或基于数字视频的三维空间,将需要保密的信息隐藏于公开的图像之中。它充分利用数字图像本身所具有的迷惑性,来达到伪装保密信息,从而逃避可能的侵犯,以达到秘密信息的安全传递。..数字水印概述”。”数字水印技术是信息隐藏技术的一个重要分支,也是现在研究的热点之一。随着数字技术和因特网的发展,各种形式的多媒体数字作品图像,视频,音频等纷纷以网络形式发表,其版权保护成为一个迫切需要解决的问题。由于数字水印是实现版权保护的有效办法。该技术即是通过在原始数据中嵌入秘密信息一一水印来证实该数据的所有权。这种被嵌入的水印可以是一段文字,标识,序列号等等。水印通常是不可见或不可察的,它与原始数据如图像,音频,视频数据紧密结合并隐藏其中,成为源数据不可分离的一部分,并可以经历一些不破坏源数据使用价值或商用价值的操作而保存下来。多媒体数据的数字化为多媒体信息的存取提供了极大的便利,同时极大地提高了信息表达的效率和准确性。随着网络的日益普及,多媒体信息的交流达到了前所未有的深度和广度,其发布形式愈加丰富。人们可以通过网发布自己的作品、传递重要信息和进行网络贸易等活动。但是其暴露出的问题也十分明显:作品侵权更加容易,篡改更加方便。如何既充分利用网的便利,又能有效地保护知识产权,已受到人们的高度重视。数字水印是实现版权保护的有效办法,已成为多媒体信息安全研究领域的一个热点,也是信息隐藏技术研究领域的重要分支。它通过在原始数据中嵌入秘密信息一水印来证实该数据的所有权。被嵌入的水印可以是一段文字、标识、序列号等。水印通常是不可见或不可察,它与原始数据如图像、音频、视频数据等紧密结合并隐藏其中,成为源数据不可分离的一部分,并可以经历一些不破坏源数据使用价值或商用价值的操作而存活下来。数字水印技术除具备信息隐藏技术的一般特点外,还有着其固有的特点和研究方法,例如,从信息安全的保密角度而言,隐藏的信息如果被破坏掉,系统可以视是为安全的,因为秘密信息并未泄露;但是,在数字水印系统中,隐藏信息的丢失意味着版权信息的丢失,从而失去了版权保护的功能,这一系统就是失败的。因此数字水印技术必须具有较强的鲁棒性、安全性和透明性。.本文所做的工作本文首先介绍了密码学、数字图像处理以及信息隐藏技术,然后重点分析了数字水印技术的模型、典型算法及其玫击方法。在阅读和研究了有关文献之后发现目前的数字水印技术存在以下不足:①水印的作用是在发现盗版后用于证明版权归属时才能表现出来,而在引用网络上的信息时,无法事先知道是否引用了有版权保护的信息,即终端用户无法提取水印。②水印多为无意义的图像或伪随机序列。③水印的嵌入与提取多为个人行为,水印信息缺乏法律依据,缺乏防伪造能力,不能较好地解决版权纠纷问题。④注重嵌入算法的研究,而忽视了完整的应用系统的开发。⑤注重水印信息检测技术的研究,忽视了盲水印提取算法的研究和开发。针对上述情况,本文提出了一种可行的“双重数字水印算法”,能够较好地解决上述①、②和③方面的问题,对保护网络多媒体信息的版权更加方便有效。双重数字水印算法是在本文提出的“双密钥数字水印算法”和“公开数字水印算法”的基础上实现的。这里的数字水印是有实际意义的文字,且提取时不需要原始图像。其中,双密钥数字水印是有意义的盲水印,它是在合法机制第三可信任方的参与下嵌入和提取的,其密钥是由作者分密钥和第三可信任方分密钥一起生成的;公开数字水印是作品创始人根据非对称密码学原理设计水印嵌入密钥、终端用户可以提取的公开盲水印。本文最后给出了双重数字水印算法实现的详细过程,并进行了抗攻击性实验,实验表明双重数字水印算法在抵抗压缩、噪音和解释攻击等方面具有较强的鲁棒性。论文章节安排第一章简要介绍了信息安全、密码学、信息隐藏和数字水印有关知识、发展情况以及它们之间的联系与区别,归纳了数字水印技术存在的薄弱环节,给出了研究工作概要及本文章节安排。第二章系统地介绍数字图像处理的基础知识,详细论述了信息隐藏和数字水印的发展变化过程、系统模型、分类、特性以及应用领域,系统地论述了数字水印技术的研究现状与进展情况。第三章首先讨论了数字水印的典型算法及其攻击方法,给出了水印技术的研究和发展前景方面的预见。第四章论述了基于离散余弦变换的双重数字水印算法,介绍了双密钥数字水印和公开数字水印算法,并给出了设计思想、设计过程和实验结果。第五章分析了双重数字水印算法的安全性,对双重数字水印算法进行了抗攻击性实验,对其结果进行了分析,指出了双重数字水印在抵抗解释攻击等方面的优点。第六章全文总结。总结本文的主要研究工作,结合数字水印在数字信息中的作用,提出了进一步研究的方向和目标。第二章相关基础知识信息隐藏是一门新兴学科,至今为止被公认的算法都是以图像为载体,只有了解载体本身的特点,才能更好地学习和研究具体的隐藏算法,所以本章从介绍数字图像处理的方法出发,详细论述了信息隐藏与数字水印的有关内容。.数字图像处理“”一幅图像可定义为一个二维函数,,这里的和是空间坐标,在任意一对空间坐标,上的幅值称为该点的强度或灰度”。当、和幅值为有限的、离散的数值时,称该图像为数字图像。数字图像处理是指借用计算机处理数字图像。数字图像是由有限个元素组成的,每一个元素都有一个特定的位置和幅值,这些元素称为图像元素、画面元素或像素。..数字图像基础.概述用,二维函数形式表示图像,在特定的坐标,处,的值是一个正的坐标,其物理意义由图像源决定。灰度级或图像值用来描述单色光强度,它的取值范围从黑到灰最后到白。当一幅图像从物理过程产生时,它的值正比于物理源的辐射能量。函数,可由两个分量来表示:入射到观察场景的光源总量与场景中物体反射光的总量,相应地称为入射分量,和反射分量,,故图像函数可表示为,,,,称单色图像在任意坐标。,。处的强度为图像在那一点的灰度级,可表示为。,。,的取值为≤≤’,称为灰度级范围,通常令该区间为,,其中为黑,一为白,所有中间值是从黑到白的各种耿色调。在数字图像处理中,通常用二维矩阵来表示一幅图像,矩阵的各个元素代表一个像素的色彩信息。作为信息隐藏的载体,涉及到的图像都是数字图像,数字图像以信息量大、处理和传输方便等优点,是人类获取信息来源和利用信息的重要手段。.图像基本类型图像文件可分为位图文件和矢量文件。前者以点阵形式描述,后者以数学方法描述的一种由几何元素组成的图像。位图文件在有足够的文件量时,能够真实地反映图像的层次、色彩,但文件占用存储空、日较大,适合描述照片;矢量图像文件占用存储空间小,能够任意缩放而不改变图像质量,适合描述图形。位图的映射存储模式是将图像的每个像素点转换为一个数据,存放在以字节为单位的一维或二维矩阵中。对于单色图像而占,一个字节可存放个像素点数据:色图像每两个像素点用一个字节存储;色图像每一个像素点用一个字节存储。位图可分为:二值图像、索引图像、灰度图像和图像等等。矢量文件只存储图像内容的轮廓部分,如图形的位置、曲线、颜色的算法,然后再生成,不存储图像每一点的数据,所以矢量图形图像文件的显示速度较慢。二值图像二值图像是指图像像素只有和两个值,也称为二进制图像或黑白图像,表示黑,表示白,可以使用位整数或双精度的数组存储。通常比性能更好,因为数组使用更少的存储空问。索引图像索引图像是一种把像素值直接作为调色板下标的图像。一幅索引图像包含一个数据矩阵和一个调色板矩阵,数据矩阵可以是、或,调色板总是一个的双精度型的矩阵表示颜色数,该矩阵的元素都是,内的浮点数。矩阵的每一行指定一个颜色的红、绿和蓝颜色分量,也可以把像素值直接映射为调色板数值,每一行像素的颜色通过使用的值作为的下标来获取,例女表示的第一行,表示的第。二行灰度图像灰度图像是包含灰度级即亮度的图像。虽然灰度图像从感觉上是黑白图像,但实际上它的像素不是只有和。灰度图像由一个、或类型的数组表示,它是一个数据矩阵,该矩阵的每一个元素对应着图像的一个像素点,元素值代表一定的灰度级,通常代表黑色,、或代表白色。图像图像不使用单独的调色板,每一个像素的颜色由存储在相应位置的红、绿、蓝颜色分量共同决定。图像是位图像,、、分量各占用位,由于这种颜色精度能够很好地再现图像的真实色彩,所以又称为真彩色图像。在中,一幅图像由、或类型的××数组表示,其中和分别表示图像的宽度和高度。在一个双精度数组中,每一个颜色分量都是一个,内的值,其中颜色分量,,的像素为黑色,,,为白色,每一个像素的三个颜色分量都存储在数组的第三维中。数字图像的基本文件格式可分为:文件、文件、文件、文件、文件、文件、文件、文件等等。.空间域图像处理图像处理的目标是使处理过的图像更适合某种特定的应用,空间域是指图像平面本身,这类方法是对图像的像素直接进行处理。空间域处理过程可定义为:,,.其中,是输入图像,,是指处理后的图像,是对函数的一种操作,其操作的输出为,这种操作是定义在,的邻域上,最简单的邻域尺度是×,即单个像素,此时仅仅依赖于,点的值,操作变成为灰度级变换函数,可表示为。邻域定义的一般方法是利用点,事先定义的邻域里的一个值的函数决定在,的值,其公式化的一个主要方法是以利用所谓的模板为基础,模板一般是指滤波器、掩膜或窗口,是一个小的二维矩阵。空间域图像处理包括灰度变换图像反转、对数变换、幂次变换、分段线性变换、直方图处理、图像减去处理、图像平均处理和空间滤波等等。..频率域图像处理频域处理技术是以修改图像的傅氏变换为基础。法国数学家傅里叶生于年,他指出任何周期函数都可以表示为不同频率的正弦和/或余弦和,而每个正弦和/或余弦乘以不同的系数傅里叶级数,与函数的复杂程度无关。非周期函数也可以用正弦和/或余弦乘以加权函数的积分表示,在这种情况下的公式称为傅里叶变换。用傅里叶级数或傅里叶变换表示的函数特征可以完全通过傅里叶反过程进行重构,且不会丢失任何信息。傅里叶变换包括一维傅里叶变换和二维傅里叶变换。.一维傅里叶变换及其反变换单变量连续函数的傅里叶变换定义为公式:∞.』?““其中√,相反,给定,通过傅里叶反变换可以获得:.一一:~.二维傅里叶变换及兵反变换二维傅里叶变换可定义为:.』一。』一。,?“其反变换可定义为公式:一.”¨“邶’“‘“埘’』一:三』一。一。一维离散傅里叶变换及其反变换在数字图像处理中,尤其是在信息隐藏领域,更为关心的是数字信号散因此,研究者对离散的傅里叶函数更感兴趣。单变量离散函数其中,,,?,的傅里叶变换可表示为:.丽函‖““栩反变换可表示为公式.:∑一.二维离散傅里叶变换及其反变换二维离散傅罩叶变换用公式可表示为轧尸如州劬击咖.圳二维离散傅里叶变换的反变换可表示为:ⅡⅡ,,,?.Ⅵ川“?、一上翟,,、.”一,击∑图像处理技术在实际应用中能够创造出令人满意的效果。常用的处理技术包括空间域和频率域,两者之间最基本的联系是卷积定理,将图像的模板在图像中逐个像素移动,并对每个像素进行指定数量的计算过程就是卷积过程。如果想取得更快地变换效果,可利用快速傅里叶变换来实现。关于离散余弦变换和小波变换在第三章给予阐述。..图像压缩数据压缩是指减少表示给定信息所需的数据量。数据冗余是实现数据压缩的基础和前提。数据冗余包括编码冗余、像素冗余和心理视觉冗余。图像压缩是解决尽量减少表示数字图像所需要的数据量问题,随着计算机网络应用的不断普及和深入,每天都会有大量的信息以数字的形式进行存储、处理和传送,减少数据量的基本原理是除去多余的数据。因此,数据压缩技术显得越来越重要。压缩技术可以分为:信息保持编码和信息有损编码。信息保持编码又称为无损编码或无误差编码,无误差图像压缩的最简单的方法就是减少仅有的编码冗余。编码冗余通常存在于图像灰度级的二进制编码过程中,消除编码冗余的最常用技术归功于霍夫曼,常用的方法由变长编码、??编码、位平面编码和无损预测编码等等。变长编码需要改变编码结构,可把最短的码字预予出现概率最大的灰度级;编码是对信源符号的可变长度序列分配固定长度的码字,且不需要了解有关被编码符号出现的概率;位平面编码是以将一幅多级图像分解为一系列二值图像并通过几种熟悉的二值图像压缩方法,对每幅二值图像进行压缩为基础;无损预测编码是基于通过对每个像素新增的信息进行提取和编码,来消除在空间上较为接近像素之间的冗余,一个像素的新增信息被定义为此像素实际值和预测值之间的差异。有损编码是以在图像重构的准确度上做出让步而换取压缩能力为基础,主要用于广播电视、视频会议和数据等方面,主要由有损预测编码、变换编码、小波编码等等。图是变换域图像压缩的实验结果,压缩比的取值分别为:;::;;:;,:,,,.,,,。“”表示保留,“”表示舍去。原始图像按盎压缩后图像图像细节僳始图像按础幼溺蝤圈像图像细节幽变换图像压缩实验结果从实验结果可以明显看出:基于的压缩技术的压缩比例是非常高的。在一个×的块中,只保留十个像素点时,从视觉上几乎感觉不到图像的降质现象。但只保留六十四个像素点中的三个时,压缩后的图像有明显的降质。.信息隐藏技术..传统的信息隐藏技术数字信息隐藏技术是一门全新的技术,其基本思想来源于古老的隐写术。大约在公元前年人们就已经在应用隐写术传递信息。当时,一位剃头匠将一条机密信息写在一位奴隶的光头上,然后等到奴隶的头发长长之后,将这位奴隶送到另一个部落,从而实现两个部落问的秘密通信。从中国古代的藏头诗,到中世纪欧洲的栅格系统。从古希腊的蜡板藏书到德国间谍的密写术等这些都是典型的例子,类似的信息交换方式在古代有许许多多。..现代数字信息隐藏技术现代数字信息隐藏技术是在网络通信技术、信息安全技术和多媒体技术迅速发展的基础上,结合占代的臆写术逐渐形成的。信息隐藏技术作为网络环境下一种新的信息安全技术受到世人的密切关注。根据和的统计,到年月,国际上共有余篇关于信息隐藏的学术论文,国际上分别于年在英国、年在波兰、年在德国、年在美国、年在荷兰召开了信息隐藏学术研讨会。“。我国于一年分别召开了届信息隐藏学术会议;国家计划智能计算机专家组会同中国科学院自动化研究所模式识别国家重点实验室和北京邮电大学信息安全中心召开了专门的“数字水印学术研讨会”。信息隐藏的各种应用引起不同研究团体的关注和重视,信息隐藏己成为当前信息科学前沿中一个新颖且具有广泛应用前景的研究热点。..信息隐藏的特点、模型、分类及应用领域.信息隐藏的特点信息隐藏不同于传统的加密,因为其目的不在于限制正常的资料存取,而在于保证隐藏数据不被侵犯和发现“?。另外,由于信息隐藏必须考虑隐藏的信息在经历各种环境、操作之后,仍然具有免遭破坏的能力,因此,信息隐藏技术必须考虑正常的信息操作所造成的威胁,使机密资料对正常的数据操作具有免疫能力。根据信息隐藏的目的和技术要求,应具有以下特性;指不因图像文件的某种改动而导致隐藏信息丢①鲁棒性:失的能力。这里所谓“改动”包括传输过程中的信道噪音、滤波操作、重采样、有损编码压缩、/或/转换等。②不可检测性:指隐蔽载体与原始载体具有一致的特性。如具有一致的统计噪声分布等,使非法拦截者无法判断是否隐蔽有信息。③透明性:利用人类视觉系统或人类听觉系统属性,经过一系列隐藏处理,使目标数据没有明显的降质现象,而隐藏的数据却无法人为地看见或听见。④安全性:指隐藏算法有较强的抗攻击能力,即它必须能够承受一定程度的人为攻击,而使隐减信息不会被破坏。⑤自恢复性:是指由于经过一些操作或变换后,可能会使原图产生较大的破坏,如果只从留下的片段数据中,仍能恢复隐藏信号,而且恢复过程不需要宿主信号,这就是所谓的自恢复性。信息隐藏学是一门新兴的交叉学科,在计算机、通讯和保密学等领域有着广阔的应用前景。数字水印技术作为其在多媒体领域的重要应用,已受到人们越来越多的重视。总之,对于不同的需求,信息隐藏系统要具备不同的特性。.信息隐藏的模型在信息隐藏中,常常称待隐藏的信息为秘密信息,它可以是版权信息、作品序列号或其它具有特定意义的数据,如图?所示。在传输过程中被公开的信息称为载体信息,如图像、视频或声音等。控制秘密信息嵌入到载体的被称为密钥,控制信息的嵌入过程称为嵌入算法;其相反过程即把秘密信息从载体中提取出来称为提取算法。信息隐藏过程是:首先对消息进行预处理如加密得到’,然后用一个嵌入算法和密钥,把’隐藏到载体中,从而得到含有隐密信息的载体。信息的提取过程是:利用提取算法和密钥从载体中提取消息’,然后进行解密得到信息。如果,那么称这个隐藏算法为对称隐藏算法,否则称之为非对称隐藏算法。图信息隐藏与提取模型.信息隐藏的分类从不同的角度对信息隐藏技术可进行不同的分类,其中按照保护对象不同可分为隐写术和水印技术。①隐写术是将秘密信息嵌入到看上去普通的信息中进行传递,以防止第三方检测出秘密信息,其目的是在不引起任何怀疑的情况下秘密传递信息。该技术主要研究方向是防检测保护和防修改保护。②数字水印是指嵌在数字产品中的图像、文字、符号和数字等可以作为标识的信息。其目的是进行版权保护、所有权证明等。③数据隐藏和数据嵌入是用在不同的上下文环境中,属于隐写术范畴,或者是介于隐写术和水印之间。④指纹与标签是指特定的水印,数字产品的创作者和购买者的信息作为水印嵌入到产品中,这时的水印能够唯一确定某个产品的拷贝,称这种水印为指纹或者标签。图信息隐藏分类图另外,从其它角度可把信息隐藏划分为四种技术,如图所示。.信息隐藏的应用领域①数据保密:在上传输一些重要数据时,要想防止非授权用户截取并使用,可以利用信息隐藏技术来保护必须在网上交流的信息。②数据的不可抵赖性:在网上传输信息和交易时,可以使用信息隐藏技术中的水印技术,在交易体系中的任何一方,将各自的特征标记以水印的形式加入到要传递的信息中,以达到确认其行为的目的。③数字作品的版权保护:数字作品的所有者可用密钥产生一组信息水印,并将其嵌入到原始数据中,然后公开发布他的含有水印的版权作品。当该作品被盗版或出现版权纠纷时,所有者可从盗版作品中获取水印信号作为依据,从而保护所有者的权益。④防伪:为避免未经授权者的拷贝、制作和发行等行为,出品人可以将不同用户的或序列号作为不同的水印指纹嵌入到作品的合法拷贝中。一旦发现未经授权的拷贝,可以根据此拷贝中恢复出的指纹确定它的来源。对这种应用领域来说,水印技术除具有版权保护应用中的特性外,还必须防止串谋攻击多拷贝攻击等功能。⑤数据的完整性:当数字作品被用于法庭、医学、新闻及商业方面时,常需要确定它们的内容是否被修改、伪造或特殊处理过。为实现该目的,通常可将原始图像分成多个独立块,每个块中加入不同的水印。为确定其完整性,通过检测每个数据块中的水印信号,来确定作品的完整性。与其它水印不同的是这类水印必须是脆弱的,并且检测水印信号时,不需要原始数据。.数字水印..数字水印的定义与特性目前虽有许多文献讨论有关数字水印技术,但数字水印始终没有一个明确统一的定义。等人把水印定义为“不可感知的在作品中嵌入信息的操作行为”。?;汪小帆等人认为“数字水印是永久镶嵌在其它数据宿主数据中具有鉴别性的数字信号或模式,而且并不影响宿主数据的可用性”““。数字水印技术通过将数字、序列号、文字、图像标志等信息嵌入到媒体中,在嵌入的过程中对载体的影响应尽量小,当嵌入水印后的媒体受到攻击后仍然可以恢复水印或检测到水印。不同的应用对数字水印的要求不尽相同,一般认为数字水印应具有如下特点:①可证明性:水印应能为版权保护的产品归属提供完全可靠的证据。水印算法能够将所有者的有关信息如注册的用户号码、产品标志或有意义的文字等嵌入到被保护的对象中,并在需要的时候将这些信息提取出来。水印可以用来判别对象是否受到保护,并能够监视被保护数据的传播、真伪鉴别以及非法拷贝控制等。这是水印技术产生和发展的原动力。此特性又被称为可提取性。②透明性不可感知性:透明性是指视觉或听觉上的不可感知性,即指因嵌入水印导致载体数据的变换对于观察者的视觉或听觉系统来讲应该是不可察觉的,最理想的情况是水印与原始载体在视觉上是一模一样的,这是绝大多数水印算法应达到的要求,但事实上任何一种算法对原作品都有不同程度的降质,只是在一定的范围内人很难觉察出来。③鲁棒性稳健性:鲁棒性是指水印应该能够承受对图像进行的大量的物理或几何变换操作,包括有意的如恶意攻击或无意的如图像压缩、滤波、打印、扫描与复印、噪声污染、尺寸变换、/或/转换等等。显然在经过这些操作后,稳健的水印算法应仍能从水印载体中提取出嵌入的水印或证明水印的存在。一个鲁棒的水印应做到若攻击者试图删除水印将会导致水印载体的彻底破坏。④安全性:要想使水印能够抵抗各种蓄意攻击,必须能够唯一地标识原始图像的有关信息,任何第三方都不能私自伪造他人的水印。..数字水印的应用领域最初提出数字水印的目的是为了保护版权,然而随着数字水印技术的发展,人们发现了更多更广的应用,有许多是当初人们所没有预料到的。下面列出了八种已提出的或实际的水印应用:广播监控、所有者鉴别、所有权验证、操作跟踪、内容认证、拷贝控制和设备控制。①广播监控:在数字广播和数字影视作品中,利用水印对各级用户分发不同的内容,通过识别嵌入到作品中的水印来鉴别作品是何时何地被广播的。②版权保护:嵌入代表作品版权所有者身份的水印,在发生所有权纠纷时,用水印来提供证据,解决作品所有权纠纷问题。对这种应用领域来说,水印技术必须有较好的鲁棒性、安全性、透明性和水印嵌入不可逆性③盗版跟踪:在发行的每个合法的作品中嵌入不同的水印称指纹,用水印来鉴别合法获得的内容但是非法重新发送内容的人。④内容认证:将签名信息嵌入到图像中,以待日后检查内容是否被篡改,这就是“脆弱性水印”,它对于特定应用有弱的健壮性,而对其他修改却是破坏性的,用这种水印可以鉴定作品是否被修改。⑤拷贝控制:使用水印来告知录制设备不能录制什么内容。这种应用的一个典型的例子是防拷贝系统,即将水印信息加入到数据中,这样播放机即可通过检测数据中的水印信息,来判断其合法性和可拷贝性。从而保护制造商的商业利益。⑥设备控制:使用水印来控制设备,比如公司的系统。⑦商务交易中的票据防伪:目前,美国、日本及荷兰等国都己开始研究用于票据防伪的数字水印技术。其中麻省理工学院媒体实验室受美国财政部委托,已开始研究在彩色打印机、复印机输出的每幅图像中加入唯一的不可见的数字水印,用于快速辨别真假。数字水印技术可以为各种票据提供不可见的认证标志,大大增加了伪造的难度,为电子商务交易中票据防伪提供了新的方式。⑧标题与注释:将作品的标题、注释等内容以水印的形式嵌入到作品中。例如,一幅照片的拍摄时间和地点等。这种隐藏注释不需要额外的带宽,且不易丢失。数字水印技术在匿名通信、数字现金以及移动通信等领域有着广泛的应用。随着电信业和电子商务的快速发展,数字水印技术将发挥越来越重要的作用。数字水印技术还处于发展之中,上述几方面也不可能包含其所有可能的应用领域,但可以看出数字水印技术未来的应用市场将会更加广阔,毕竟它还是个方兴未艾的领域。”..数字水印的分类。从不同的角度,数字水印有不同的分类方法。.按特性划分按水印的特性可以将数字水印分为鲁棒性数字水印和脆弱性数字水印。鲁棒性数字水印主要用于在数字作品中标识著作权等信息,它要求嵌入的水印能够经受各种常用的编辑处理;脆弱性数字水印主要用于完整性保护,脆弱性水印必须对信号的改动很敏感,人们根据脆弱性水印的状态就可以判断数据是否被篡改过。.按水印载体划分按水印所附载的媒体不同数字水印可分为图像水印、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等。.按检测过程划分按水印的检测过程将数字水印分为非盲水印明文水印祁盲水印。非盲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。一般非盲水印的鲁棒性比较强,但其应用受到存储成本的限制。.按内容划分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、数字音频片段的编码或一段有实际意义的文字等等;无意义水印则指一个不代表实际意义的序列号等。有意义水印在受到攻击或其他原因致使解码后的水印破损时,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。.按水印隐藏的位置划分按数字水印的隐藏位置划分为时域数字水印、频域数字水印、时/频域数字水印和时间/尺度域数字水印。时域数字水印是直接在信号空间上叠加水印信息,而频域数字水印、时/频域数字水印和时间/尺度域数字水印则分别是在变换域、时/频变换域和小波变换域上隐藏水印。随着数字水印技术的发展,各种水印算法层出不穷,水印的隐藏位置也不再局限于上述四种。实际上只要构成一种信号变换,就有可能在其变换空间上隐藏水印。.按健壮性分类按健壮性可把水印划分为鲁棒性水印和易损性水印。鲁棒性水印是指受到攻击时仍能被提取或检测到的水印。易损性水印是指受到攻击时很容易被破坏的水印,但在某些领域有着广泛的应用。易损水印主要用于完整性保护,与稳健水印的要求相反,易损水印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。稳健水印主要用于在数字作品中标识著作权信息如作者、作品序号等,它要求嵌入的水印能够经受各种常用的编辑处理。..数字水印的发展及研究现状.水印的产生与发展过程大约年前,纸水印就在意大利的镇出现了。?,到了世纪,在欧洲和美国制造的产品中,纸水印已经变得相当的实用了。水印被用作商标、记录纸张的生产日期、显示原始纸片的尺寸等重要信息。大约在同一时期,水印开始用于钱和其它文件的防伪措施。纸水印的存在既不影响流通票据的美感,也不影响流通票据的使用,同时又能帮助辨别真假、防止伪造,因此,倍受世人欢迎。中国是世界上最早发明造纸术的国家,也是最早使用纸币的国家。宋真宗在位时公元?年,四川民间发明了“交子””“,人们在交子正面印上持票人的印记和密码画押,票面金额在使用时填写,可以兑换,也可以流通。可以说交子上的印文既是水印技术也是信息隐藏技术的体现和应用。.数字水印的产生与发展事实上,正是由于纸张水印和消隐技术的特性才真正地启发了人们在数字环境下使用水印。数字水印的产生最早可追溯到年,它是在数字产品版权几乎无法保护的背景下,受古老水印的启发被提出的。在年,公司的埃米利.希姆布鲁克为带有水印的音乐作品申请了一项专利。在这项专利中。通过间歇性地应用中心频率为的窄带陷波器,认证码就被插入到音乐中。该频率上能量的缺失表征使用了陷波滤波器,而缺失的持续时间通常被编码为点或长划线,此认证码使用了莫尔斯电码。此系统被公司用到了年左右”“。年美国专利局这样描述了该项发明:此发明使对音乐作品进行确认成为可能,从而制定出了一个防止盗版的有效途径,这也可以比作纸币中的水印。从那时起,人们开始发展大量的水印技术并由此展开了各种各样的应用。人们对于嵌入信号的兴趣就这样持续了年,此期间水印被应用于广告认证和设备控制上。例如,在年,描述了一种机械探测模式,它可以用在文件上起到防伪效果。九年后等人。”阐述了一种在音频信号中嵌入认证码的方法。但这时的数字水印只是作为一种版权认证的工具,并没有成为一门科学。直到世纪年代初期,数字水印才作为一个研究课题受到了足够的重视。年..等所撰写的“”“一文中首次使用了“”这一术语。这一命名标志着数字水印技术作为一门正式研究学科诞生了。后来二词合二为一就成为“”,丽现在一般都使用“”~词来表示“数字水印”。数字水印技术自年被正式提出以来,由于其在信息安全和经济上的重要地位,发展较为迅速,世界各国的科研机构、大学和商业集团都积极的参与或投资支持此方面的研究工作。如美国财政部、美国版权工作组、美国洛斯阿莫斯国家实验室、美国海陆空研究实验室、欧洲电信联盟、德国国家信息技术研究中心、日本信息与通信系统研究中心、麻省理工学院、南加利福尼亚大学、剑桥大学、瑞士洛桑联邦工学院、微软公司、朗讯贝尔实验室等都在进行这方面的研究工作。公司、同立公司、公司、电子公司和公司等五家公司还宣布联合研究基于信息隐藏的电子水印。国际学术 数字化游戏学习的研究摘要随着现代信息和多媒体技术的日新月异,数字游戏(DigitalGame)得到了前所未有的发展和普及。无论从社会、经济和文化的角度来看,数字游戏在现代人的生活中都扮演着越来越重要的角色,正在逐渐成为现代社会生活重要的组成部分。数字游戏作为一种新型娱乐形式正在逐渐超越各类传统娱乐,成为传媒界关注的新宠儿。与在经济领域的快速发展相对应的,数字游戏正对全球的文化,尤其是青年人的文化产生着巨大的影响。面对数字游戏的快速发展,和她给青少年带来的一系列负面的影响,一些数字游戏的支持者试图从全新的角度看待数字游戏,他们认为游戏产业的蓬勃发展证明了游戏本身具有的极大魅力,正是这种魅力使游戏对青少年产生巨大的吸引力。因此从上个世纪80年代初,对游戏持有乐观态度的教师和学者逐渐开始关注并昀终惊异于游戏的这种力量,他们意识到与其跟数字游戏普及化的浪潮相抗衡,还不如仔细思考如果能够将数字游戏这种新的具有强大力量的媒体应用于学习过程来进行数字化游戏学习(DigitalGame-BasedLearning),目的是研究如何能使学习也变得跟游戏一样有趣、有吸引力并且有效。本文就是在这样的背景下,对国外数字化游戏学习的研究现状,存在的问题和未来的发展进行介绍、归纳和分析,并试图为我国的数字化游戏学习的研究和实践提供有益的借鉴。全文共分为五个部分:第一部分是绪论,主要介绍研究的缘起,国内外研究现状,研究方法和研究目的。第二部分主要介绍相关概念,数字游戏的国际影响力,数字游戏的吸引力以及关于数字游戏的负面影响的研究与思考。第三部分主要从三个方面研究数字化游戏学习的理论基础,包括相关的游戏理论、学习理论,并探讨数字游戏能促进哪些学习。第四部分介绍数字化游戏学习在实践中的应用方式,重点介绍如何利用商业游戏进行数字化学习,以及数字化游戏学习的未来发展。第五部分主要是结合我国的实际情况,通过对数字化游戏学习理论和实践的探讨,得出对我国数字化游戏学习发展的启示。关键词:数字化游戏学习、数字游戏ABSTRACTAstherapiddevelopmentofmoderninformationandmulti-mediatechnology,digitalgamehasgotmuchmoredevelopmentandpopularizationthanbeforeConsideringsocial,economicalandculturalfield,digitalgameisplayingmoreandmoreimportantroleinthelifeofmodernpeople,andbecomingimportantpartofmodernsociety.Asanewtypeentertainmentform,digitalgamehasexceededanytraditionalentertainmentforms.Besides,digitalgamebringsgreatinfluencetoglobalculture,especiallythecultureofyouthaswell.Facingtherapiddevelopmentofdigitalgameandthenegativeeffecttoyoungpeople,someproponentsofdigitalgametrytolookonitinabran-newpointofviewthatthevigorousdevelopmentofdigitalgamemarketprovesthegreatcharmofgames,whichbringshugeattractiontoyoungpeople.Therefore,atthebeginningof1980s,theproponentsbegantopayattentiontodigitalgameandweresurprisedtothegreatpowerofgames.Theyrealizedthatitwasmuchbettertousethepowerofgametopromotelearningthantorejectthepopularityofdigitalgames.DigitalGame-BasedLearningcanchangethewayoflearningandmakeslearninginteresting,attractiveandeffectiveAccordingtothiscontext,thisarticleintroduces,concludesandanalyzestheactualityoftheresearch,subsistentproblemandthefuturedevelopmentofdigitalgamebasedlearning.ThisarticlealsotriestoprovidemeaningfulrevelationtotheresearchandpracticeofDigitalGame-BasedLearninginChina.Therearefivepartsofthisarticle:Thefirstpartgivesthereasonofthestudy,theactualityoftheresearchinandabroad,andthepurposeandmethodofthisstudyThesecondpartintroducessomeconcepts,theinternationalforceofdigitalgame,theattractionofdigitalgame,andthenegativeeffecttoyoungpeopleandthesocietyThethirdpartanalyzesthetheoryfoundationofDigitalGame-BasedLearning,includinggametheory,learningtheoryandwhichkindsoflearningdigitalgamescansupportTheforthpartintroducesthepracticalimplicationmethodsofDigitalGame-BasedLearning,especiallyhowtousecommercialgamesinclass,andthefuturedevelopmentofitaswellThelastparttriestogivesomeinspiretoourcountryonhowtopromotetheresearchintheoryandpracticeKeyWords:DigitalGame-basedLearning,DigitalGame目录绪论1第一节研究缘起1第二节研究现状2第三节研究方法和目的4第一章数字化游戏学习研究产生的背景5第一节游戏、数字游戏和数字化游戏学习5第二节数字游戏的国际影响8第三节数字游戏的吸引力10第四节数字游戏的负面影响12第二章数字化游戏学习的理论基础14第一节游戏理论??数字游戏为何促进学习14第二节学习理论??数字游戏怎样促进学习18第三节数字化游戏学习??数字游戏促进哪些学习25第三章数字化游戏学习的实践应用及未来发展29第一节数字化游戏在实践中的应用方式29第二节利用商业游戏进行数字化游戏学习的实践探讨32第三节数字化游戏学习的未来发展39第四章数字化游戏学习研究与应用对我国的启示40第一节社会舆论对我国数字化游戏学习的导向作用41第二节理论研究对我国数字化游戏学习的指导作用42第三节游戏厂商对我国数字化游戏学习的推动作用43第四节一线教师对我国数字化游戏学习的实践作用44参考文献46后记49绪论第一节研究缘起自人类社会进入21世纪以来,数字化媒体和网络技术的日新月异为现代人的生活带来了无限可能,人与技术的关系变得前所未有的密切。在这样的数字化时代背景下,将教育与数字化技术相融合的要求也越来越迫切。如何将教育和数字游戏相融合,成为近几年国内外学者开始关注的新课题。这一课题的提出主要基于两个必然的原因:一方面将学习与游戏相融合向来是很多学者倡导的理念。游戏能为学习者提供自然的学习环境,激发学习者的兴趣,使学习者在不知不觉中掌握所学的知识。随着数字化游戏的产生与蓬勃发展,这一理念必然将游戏的范围扩展到数字化游戏领域。正如克劳福德(Crawford)指出的那样:“所有的游1戏在某种意义上都是一种教育活动”。数字化游戏的优越性更是以往任何游戏所无法比拟的,它具有仿真性、互动性、趣味性和安全性,能为学习带来无限可能。另一方面随着近些年数字化游戏的兴起,各类电脑游戏和网络游戏大行其道,使越来越多的青少年由于沉溺其中而荒废了学业。电脑游戏在教师和家长心中已成为洪水猛兽,对孩子只有毒害没有益处。在这样的情形下,如何将游戏与教育妥善融合,使游戏发挥其应有的教育作用,成为很多学者致力于研究的课题。数字化游戏学习(DigitalGame-BasedLearning)理论抛弃了以往将数字游戏仅仅作为教育媒体的概念,转而探索如何将数字游戏转变成为虚拟的、生动的、交互的和仿真的学习环境。数字游戏本身就具备了发生学习活动必备的基本要素,而数字游戏的昀大特点就是能为学习者带来前所未有的乐趣。21世纪的学习革命正在试图冲破它一贯受到的束缚。学习正在向着以学习者为中心和带来乐趣的方向发生变革。为学生带来乐趣,为教师带来乐趣,为家长带来乐趣,为监督者和管理者带来乐趣等等。马克?普兰斯基(MarcPrensky)在介绍他的新书《数字化游戏学习》(DigitalGame-BasedLearning)时说,“过去几百年来挡在学习与乐趣、工作与游戏之间的隔墙正在颤颤发抖,并行将崩塌。正像政治世界中的柏2林墙一样,虽然苟延残喘了一段时间,但它昀终还是被自由的巨浪冲毁了”。他坚信学习将必然向数字化游戏的方向靠拢,事实也证明了他的想法??在美国,数字化游戏学习虽然一度不被看好,但如今已在学校、企业、政府机构甚至军队中获得了令人惊讶和持续的成功。从学龄儿童娱教到商业虚拟练习,数字化游戏学习已在各个领域相继出现:1Crawford,C.Theartofcomputergamedesign.[J]////0>.2MarcPrensky,TheDigitalGame-BasedLearning[M]McGraw-HillEducation.2001.p21-1-学前儿童通过电脑游戏学习字母表和阅读;小学生在游戏站(Playstations)学习小学课程,成绩提高了30%-40%;在电脑上下象棋成为中学课程的一部分;打字游戏软件跻身游戏软件销售榜首;高中生通过在线游戏学习选举政治学;商人通过电脑游戏提高经营技能;政策制定者通过玩虚拟城市游戏来理解怎样的城市系统才更加健康;工程师通过面向用户的视频游戏学习新的CAD(计算机辅助设计)技术;1新兵在虚拟视频游戏中进行模拟实战演练;以上事实说明,数字游戏已开始进入各类教育领域,无论是孩童还是成年人都能利用数字游戏进行有趣而有效的学习。数字化游戏学习能为学习者和教育者带来前所未有的教育体验,也能提供更多的教育机会,不失为解决教育与数字游戏融合问题的一种新方式,非常值得我们研究和借鉴。可惜的是,我国在数字化游戏学习方面的研究寥寥可数,还没有针对这一领域的专门系统的探究,可参考的文献资料也非常有限。国外数字化游戏学习的蓬勃发展和我国在这方面研究的滞后,使我看到了研究这一问题的必要性和紧迫性。因此,我想以这一问题作为我的毕业论文研究的方向,希望通过对数字化游戏学习进行系统全面的总结与分析,得出其在理论与实践两方面的发展脉络和特点,从而对我国教育与数字游戏的融合研究提供有益的借鉴。第二节研究现状一、国外研究现状国外对于数字化游戏学习的研究开始较早,很早就已经把数字游戏应用于教学和培训,并且取得了良好的学习效果。目前国外的数字化游戏学习已经成为各种层次教育和培训中的一种必要手段,不但在学校中应用,而且大量的企业职工培训也应用了数字化游戏学习的方式。国外很多的公司和机构都在致力于数字化游戏学习的研究和开发,成果颇丰。在游戏产品方面,近年来具有代表性的游戏主要有法国游戏商Cryo公司和法国Canal+环广播公司多媒体分部联合制作的《凡尔赛:宫廷疑云》Versailles1685:AGameofIntrigue和《埃及:法老王之墓》Egypt1156BC:TombofthePharaoh;由英国的ImmersiveEducationLtd.和剑桥大学联合推出的角色扮演游戏Kar2ouche在英国中小学中广泛应用;美国的GAME2TRAIN公司开发的TheBattleoftheBrains、TheMonkeyWrenchConspiracy、1.MarcPrensky,TheDigitalGame-BasedLearning[M]McGraw-HillEducation.2001.p56-2-KnowledgeTournament等;麻省理工学院和微软公司2002年提出的“Gamesto-teach”项目,共建立了10种游戏模型。在该项目的研究中,他们提出了“现代教学法+艺术化游戏环境下一代教育媒体”的理念;加拿大的InlightEntertainment公司专门为儿童教育设计开发游戏,他们的游戏计划InlightEntertainment??“用娱乐开启智慧”包括多个寓教于乐的游戏,如“WenniethePooh”、“MickeyEarlyLearning”、“怪物公司”、“SpyKids3D”等等;韩国KidnKid近期开发完成英语教育在线游戏“BUBBLESHOOTER”,兼具教育与娱乐的用1途。在理论方面,国外的相关研究起步也比较早。很多学者都相继对数字游戏和数字化游戏学习进行了比较深入的研究,并发表了大量的论文和著作。如马克?普兰斯基在2001年发表的《数字化游戏学习》(DigitalGame-BasedLearning),詹姆斯?波罗?吉(JamesPaulGee)于2003年发表的《关于学习和文化,视频游戏能教给我们什么?》(WhatVideoGamesHavetoTeachUsaboutLearningandLiteracy),克拉克?阿德里(ClarkAldrich)在2004年发表的《虚拟化与未来学习:数字化学习的新(革命性的)手段》(SimulationsandtheFutureofLearning:AnInnovativeandPerhapsRevolutionaryApproachtoe-Learning),史蒂文?詹森(StevenJohnson)于2005年发表的《今日的流行文化如何让我们更聪明》(HowToday’sPopularCultureIsActuallyMakingUsSmarter),以及普兰斯基的新书《妈妈,别打扰我!我在学习:电脑和视频游戏如何帮助你的孩子在21世纪获得成功,你又能做什么?》(“Don’tBotherMe,Mom,I’mLearning!”:HowComputerandVideoGamesArePreparingYourKidsfor21stCenturySuccessandHowYouCanHelp!)等。这些研究从不同的理论角度比较阐述了数字化游戏学习的理念和特点。二、国内研究现状国内对于数字化游戏学习的研究开始较晚,从事数字化游戏学习研究的组织也不多,不过目前对于游戏化学习的研究已开始逐步得到重视。从整体看这方面的理论和实践研究仍处于探索阶段。在实践方面国内早就有了一些先行者。比如台湾的《大唐诗录》为游戏者提供了“读万卷唐诗,行万里险路”的游戏历程,游戏中全部真人配音,朗诵到位,画面具有中国特色,操作简便,寓教于乐,非常适合各个年龄层次的玩家。科利华公司在2000年推出的《学生智慧世界》是全球第一个学习型教育网站,通过同伴在一起竞争答题达到学习之目的。北京威孚公司从国外引进的数字化游戏学习1田爱奎,杨瑛霞,夏天,张际平.数字化游戏学习的发展及展望[J].电化教育研究.2006年第一期-3-制作软件“游戏工厂”,是国内第一个数字化学习游戏制作平台。随着网络的发展和普及,出现了一些专门的教育游戏网站。这些网站提供Flash技术制作的小型教学游戏,如童趣网、娃娃呀呀、游戏学堂、奥卓尔的游戏化学习世界等,为我国数字化游戏学习提供了大量的资源。但是从游戏开发的类型来看,国内游戏的种类比较单一,形势比较简单,主要有用于课堂知识点教学的Flash游戏、用于课程学习的网络游戏、角色扮演型的教育游戏,缺乏大制作、多情节、多任务的大型游戏。我国有关数字化游戏学习的理论研究目前还处在萌芽阶段。虽然有一些学者将教育游戏作为娱教Edutainment的一个研究领域进行了一些初期的研究,但是从整体上来看,有关数字游戏的理论和实践还没有自成体系,无法找到自身的发展之路。因此,我们更有必要及时研究和吸收国外数字化游戏学习领域的昀新研究成果,以期为我国的游戏化学习的发展找出一条新路。第三节研究方法和目的一、研究方法本文主要采用文献研究法和比较分析法作为主要的研究方法。1.文献研究法。本论文参阅了大量的文献资料,主要为国外相关问题的第一手文献资料,包括专著、论文、媒体新闻和互联网资料。通过对大量文献的梳理和分析,得出国外数字化游戏学习理论和实践方面的发展脉络。2.比较分析法。本文也采用了比较分析的方法,通过对我国与国外相似领域的发展现状和特点之间差异的分析,得出对我国数字化游戏学习发展的启示。二、研究目的本文的研究目的主要是通过搜集、整理、翻译和分析国外数字化游戏学习的相关研究,得出国外数字化游戏学习在理论研究和实践应用方面的发展、现状和未来发展的情况,梳理出数字化游戏学习的理论基础,总结出数字化游戏学习在实践应用方面的总体概况和未来发展趋势,并从中得出对我国数字化游戏学习发展的启示。-4-第一章数字化游戏学习研究产生的背景第一节游戏、数字游戏和数字化游戏学习一、游戏在人类社会中的地位游戏是人类社会的一种文化,游戏能够促进人的成长。“只有当人在充分意1义上是人的时候,他才会游戏;只有当人游戏的时候,他才是完整的人”。人类游戏的历史与人类的历史同样久远,甚至还要长于人类的历史。哺乳动物几乎都有游戏活动,说明游戏是高级生命的特有形式,能够促进生物的成长和进化。荷兰现代文学史家胡伊青加甚至认为:“文明是在游戏中并作为游戏而产生和发展2起来的”。因此,游戏构成一种文化秩序,人类社会中存在多种多样的游戏形式。从某种程度上来说,人类社会就是建构在许许多多的游戏形式当中的。因此,游戏也总是承载着某种特定的文化和意识形态的功能,承担着对我们日常生活的重新建构。根据布莱恩?萨顿?史密斯(BrianSuttonSmith)的理论,人类社会中的游戏有七种不同的类型:游戏作为手段:游戏的目的是学习有益的知识;游戏决定命运:赌博和投机主义;游戏成为力量:赢家和输家;游戏决定身份:游戏用于决定身份和权力;游戏激发想象力:即兴创作和想象;游戏作为个体活动:单人游戏;3游戏作为娱乐:体验的内在价值成为游戏的首要关注点。从史密斯的观点来看,游戏可以是消遣,可以是艺术,可以是政治,甚至可以决定命运。游戏存在于人类社会的各种活动中,人类用各种各样的游戏充实生活。游戏是人类命运的一部分,人类离不开游戏。二、数字游戏的兴起和繁荣数字游戏(DigitalGame)是一个概念综合体,并不是指某种专门类型的游戏。它包括了电子游戏、电脑游戏、视频游戏、街机游戏、游戏、网络游戏等各1席勒.《美育书简》[M]中国文联出版公司1984年版.p52引自于田爱奎《支持自主学习的数字化教学游戏研究》华东师范大学博士论文库。3RichardVanEck,BuildingArtificiallyIntelligentLearningGames.[J]////.0Madison/Van%2520Eck-Intelligent%2520Learning%2520Games.pdf+Building+Artificially+Intelligent+Learning+Games&hlzh-CN&ctclnk&cd1&glcn&st_usgALhdy2_o0nsQGe7DuKC3RqkidKlG75UCRg-5-种依托信息技术开发的,在数字化设备上运行的数字化软件系统。在数字游戏发展的不同历史时期,它曾经有着不同的名字。现在国内外研究者通常用数字游戏这个概念来指代所有这些类型的游戏。数字游戏的昀初形式??视频游戏??产生于上个世纪60年代并逐步兴盛,引出了数字游戏半个多世纪以来的蓬勃发展。视频游戏的出现为人们提供了新的娱乐方式。昀早的电脑游戏是1952年由A?S?道格拉斯(//.glas)设计开发的“Tic-Tac-Toe”,当时的显示器还只是阴极射线管显像屏。1958年威廉?海金博塞姆(WilliamHiginbotham)设计了一款游戏,名为“两个人的网球”(TennisForTwo)。该游戏以示波镜为屏幕,以侧面视角模拟网球的比赛。直到1962年,第一个以计算机作为操作平台的游戏“Spac