基于DCT的数字水印算法 阅读报告
《基于DCT的数字水印研究》
阅读报告
课程名称计算机视觉
姓名廖杰
学号M201372880
专业计算机技术
任课教师王天江
所在学院计算机科学与技术学院
报告提交日期2014-01-13
一．概要
提出了一种基于DCT变换的图像数字水印算法,重点解决了水印嵌入过程中不可见性和鲁棒性折衷问题。首先对原始图像进行分块并对各子块做DCT变换,接着将经过Torus置乱的水印图像嵌入到各子块的中频DCT系数中,通过选择适当的嵌入强度,可以得到较好的不可见性和鲁棒性。
二．概念综述
2.1 数字水印技术
数字水印技术(Digital Watermarking)是一种信息隐藏技术,它的基本思想是在数字图像、音频和视频等数字产品中嵌入秘密信息,以便保护数字产品的版权、证明产品的真实可靠性、跟踪盗版行为或者提供产品的附加信息。其中的秘密信息可以是版权标志、用户序列号或者是产品相关信息。一般,它需要经过适当变换再嵌入到数字产品中,通常称变换后的秘密信息为数字水印(Digital Watermarking)。数字水印的嵌入不应影响原有数据内容的价值和使用,通常是不可见的或不能被人的感知系统察觉,且不会被常规处理操作去除。
2.2 数字水印系统的基本框架
一个典型的水印系统由嵌入器和检测器组成。嵌入器至少具有两个输入量:一个是原始信息,它通过适当变换后作为待嵌入的水印信号;另一个就是要在其中嵌入水印的载体作品。水印嵌入器的输出结果为含水印的载体作品,通常用于传输和转录。之后这件作品或另一件未经过这个嵌入器的作品可作为水印检测器的输出量。大多数检测器试图尽可能地判断出水印存在与否,若存在,则输出为所嵌入的水印信号。下图给出了数字水印处理系统基本框架的详细示意图。它可以定义为九元体(M,X,W,K,G,Em,At,D.Ex),分别定义如下:
1、M代表所有可能原始信息的集合。
2、X代表所要保护的数字产品x(或称为作品)的集合,即内容。
3、W代表所有可能水印信号w的集合。
4、K代表水印密钥k的集合。
5、G代表利用原始信息m、密钥K和原始数字产品x共同生成水印的算法,即
G:M*X*K->W,w=G(m,x,K)
6、Em表示将水印,嵌入数字产品x中的嵌入算法,即
Em:X*W->X, Xw=E(X,W)
这里,X代表原始产品,Xw代表含水印产品。为了提高安全性,有时在嵌入算法中包含嵌入密钥
7、At表示对含水印产品了的攻击算法,即
At:X*K'->Xk
这里,K'表示攻击者伪造的密钥,Xk表示被攻击后的含水印产品
8、D表示水印检测算法,即
9、Ex表示水印提取算法,即
Ex:X*K->W
总思路如下图
2.2Torus图像置乱变换
所谓“置乱”，就是将图像的信息次序打乱，将a像素移动到b像素的位置上，b像素移动到c像素的位置上，使其变换成杂乱无章难以辨认的图像。数字图像置乱加密技术是指发送方借助数学或其他领域的技术，对一幅有意义的数字图像作变换使之变成一幅杂乱无章的图像再用于传输；在图像传输过程中，非法截获者无法从杂乱无章的图像中获得原图像信息，从而达到图像加密的目的；接收方经去乱解密，可恢复原图像。为了确保图像的机密性，置乱过程中一般引入密钥。
Torus 自同构映射给定一幅图像，Torus 自同构映射可以将其彻底的打乱，从而产生一幅完全混乱的图像。实际上，Torus 自同构映射对这些像素进行了如下公式所示的变换：
如此反复重复下去，此过程可归纳为AN(k )：
在上式中，(xn,yn)是二维空间上的一点，是对(x0,y0) 作用自同构映射n 次后的结果。Torus 自同构映射的参数是k、n、N、K。其中K 为自同构映射的最小整周期。文献给出了广义Gray 变换理论周期的计算。计算表明，当k=1，N=64 时，K=64；当k=12，N=32 时K=64，k 的值由使用者任意指定，n 和N 则分别代表了Torus 自同构映射的重复次数和给定图像的像素数（0 下面是对HUST的Torus置乱实例： 2.3 DCT变换 离散余弦变换(Distributed Cosine Transform)简称DCT变换。离散余弦变换是傅立叶变换的一种特殊情况,在傅里叶级数展开式中,如果被展开的函数是实偶函数,那么其傅立叶级数中只包含余弦项,再将其离散化可导出离散余弦变换,因此余弦变换与傅里叶变换一样有明确的物理意义,DCT变换避免了傅里叶变换中的复数运算,它是基于实数的正交变换。DCT变换矩阵的基向量很近似于ToePIitz矩阵(系数矩阵对称且沿着与主对角线平行的任一对角线上的元素都相等)的特征向量,而ToePIitz矩阵又体现了人类语言及图像信号的相关特性,故DCT 常常被认为是对语音和图像信号的准最佳变换,同时DCT算法较易于在数字信号处理器中快速实现,因此它目前在图像编码中占有重要的地位,目前使用的JPEG和MPEG压缩标准都是基于图像的DCT变换。 在数字图像处理中使用的是二维DCT,对一幅M*N图像S(x,y),它的DCT变换为 反离散余弦变换(IDCT)为: 其中，v=0,1,2,3……N-1，u=0,1,2,3……M-1 若N=8则DCT可表示为: DCT变换采用“块”的形式进行变换,块的大小通常可以根据需要而确定,可以将整幅图像看作一个块进行DCT变换,也可以将图像分割成不同的子块独立进行DCT变换。DCT的正变换将图像分解到不同的空间频率上,不同的频域系数代表该频率成分在原图像中的比重。 下面以Lenna图像为例，利用DCT变化函数得到的DCT系数的性质。只取R层的DCT 稀疏矩阵进行分析。下图显示了变化的结果，其中DCT系数用光谱的形给出，直观的表明了低频和高频系数的分辨规律。 2.4归一化相关系数NC 为定量的评价提取的水印与原始水印之间的相似度,系数NC来评价。即 式中,V表示原来的水印信息向量,Wr表示恢复出来的水引信息向量,Z二表示归一化相关系数,其越接近于1,说明恢复的水印也就越好 2.5人类视觉频域特性 人眼对图像信息的处理并不是逐点来进行的，而是抽取空间、频率或色彩的特征进行神经编码. 人的视觉感知特点与统计意义上的信息分布并不一致,即统计上需要更多信息量才能表述的特征对视觉感知可能并不重要,从感知的角度来讲无须详细表述这部分特征.视觉系统的频率响应函数： 其中ω为视角正对的径向频率,单位为周/ 度(cycle/ degree)，a 、b、c 为决定HVS 曲线形状的常数。HVS 曲线的形状表示式见公式 下图为人类视觉频率响应函数曲线，其中横轴表示径向频率ω的值，纵轴表示视觉系统的相应函数H(ω)的值。 由此曲线可以看出，人眼对8<ω<12之间的区域最敏感，对此区域对应的图像的像素即使作很小的改动，也会引起人眼的注意；然而对0<ω<8和12<ω区域响应较低，其中12<ω<22之间为中频部分，22<ω区域为高频部分。另一方面，根据JPEG有损压缩原理：一般将DCT变换的高频系数变为零，然后再将剩下的DCT系数进行编码，来完成图像的压缩。所以如果在原始图像的高频DCT系数中嵌入水印信息，很可能在进行JPEG有损压缩时擦除水印信息。早期的DCT变换域的水印算法是把水印嵌入到原始图像的低频中，这里采用一种改进方法：把水印嵌入到中频（12<ω<22）分量上以调节水印的稳健性与不可见性之间的矛盾。 三．算法流程 3.1 基本思想 先将原始图像分成8×8 的子块。并分别对每一子块进行离散余弦变换，然后根据人类视觉模型频率响应函数来选取每一水印待嵌入的DCT 变换系数的位置，再利用最小可察觉误差(JND) 来确定在图像的每一子块所能嵌入的数字水印信号的最大强度，把已经过预处理的水印信息自适应地嵌入到原始图像，然后将嵌入水印信息的DCT 系数的子块进行逆DCT 变换，最后合成为嵌入水印图像。提取算法与嵌入算法相似。 设原始图像和待嵌入水印图像分别为I( N1 ×N2 ), W(M1 ×M2 )。为了方便计算，取M1 = N1/ 4, M2 = N2/ 4。 3.2 嵌入算法流程 第一步：用Torus 图像置乱技术将二值水印图像置乱（可逆），然后转换成一维二值序列，记为w(i),i =1,2……M1 ×M2 。 第二步:将原始图像I 分为互不覆盖的8×8的子块fm (i, j ) ，m = N1/8，n = N2/8，i, j = 1,2….8。对每个子块分别进行DCT 变换。 在实际计算中，先将原始图像分成8×8子块，然后将每个8×8的子图像块分别进行DCT变换，并将DCT系数进行Zig-Zag排列，然后根据公式(3-11)、(3-12)将DCT系数变换成相应的ω值来选取每个子块的嵌入区域。在图3-4中，图a)是一个8×8的DCT块经过Zig-Zag 扫描后的排列图，图b)是根据公式将DCT系数变换为相应的径向频率ω的值的排列图。 由图3-4 中的图b)矫正后的视觉响应函数，本章算法嵌入水印的区域选取如图3-5。为了增强算法的稳健性，本算法利用了多重嵌入技术。即pij ,i = 0,L,5用来嵌入一比特的水 印信息，同理p2,p3,p4,i = 0,L,5分iii别用来嵌入一比特的水印信息，具体见3.4 节。所以每个8×8 的子块可以用来隐藏4 比特的水印信息。 第三步：根据人类视觉频域特性结论，适当选取第二步完成后得到的子块系数矩阵中的(64×M1 ×M2 ) N1 ×N2 各中频系数作为嵌入水印的位置（为了增强算法的稳健性，利用了多重嵌入技术，即选择嵌入的区域多于嵌入的水印比特数，在本算法中，每8×8 子块嵌入的水印4 比特，选取的嵌入区域24 个）。 第四步：根据人类视觉掩蔽特征公式求得每块图像里被选定区域的水印嵌入强度Qm (i, j )。 第五步：相应的从二值序列中按顺序取出4 比特水印，运用如下公式嵌入到选定的区域上。其中Qm (i, j ) 为系数Fm (i, j ) 对应的步长或嵌入强度。 第六步：对加入水印后DCT 系数矩阵进行DCT 逆变换，得到嵌入水印后的图像I′。 % watermark W应该为64*64的图像 % 对W进行Torus变换 % 将水印存入w中 %将原图分成8*8的小块,共32*32块分别做dct变换 % 求出每块图像里被选定区域的水印嵌入强度 % 将水印嵌入到选定的区域上每小块嵌入4bit的水印信息 % 得到嵌入水印后的图像 3.3提取算法流程 第一步将加入水印的图像I′分为互不覆盖的8×8 子块Fm’’(i, j )，m = N1 / 8，n = N2 / 8，i, j = 1,2….8，对每个子块分别进行DCT 变换 第二步：同样按照前面的结论选择出子块DCT 系数矩阵中嵌入水印信号的中频系数位置,根据其所对应的嵌入强度利用公式从嵌入位置上得到嵌入的水印分量： 其中w′(i)为水印分量 第三步：当对所有嵌入水印的子块处理完后，所提取出的水印分量可构成一个二值序列，(如果在水印嵌入之前将水印信号置乱过，此时要用置乱逆运算对该序列处理一下) ，将该二值序列转换成二维矩阵，从而得到水印图像W ‘。 3.4 相似度检测 观察者可以通过直接观察，主观的比较检测出的水印图像与原始图像的相似程度。但是，这种比较容易受观察者的经验、实验等条件因素的影响。并且嵌入水印图像经过一些处理、变换或侵权人的恶意破坏后，提取的水印可能不会与原始水印完全相同。这就需要一个判决标准来判定版权信息存在与否，或水印的提取程度。为了更确切的判定水印的提取程度，我们用提取水印与原始水印的相似度。 计算相似性，其中W 为M1 ×M2的原始水印图像，W ′为提取的水印图像，定义相似度如下 四．实验结果4.1 水印Torus置乱 4.2 嵌入水印 4.3提取水印 4.4相似度检测 基于DCT的数字水印算法的研究Research of Digital Watermarking Algorithm Based on Discrete Cosine Transform 摘要 近年来，由于网络的迅猛发展，越来越多的多媒体信息已经走向数字化。人们可以从网上更加方便的取得各类信息，可以更加方便的对别人的作品进行篡改，复制等，由此带来的版权维护问题也日益严重。版权维护也越来越受到人们的关注了，数字水印技术是解决这类问题最有效的手段，所以数字水印技术现在已然成为了研究的热点。 本文是对基于DCT域数字水印算法的研究，简要介绍数字水印的发展，基本原理等，在MATLAB环境中完成两种基于DCT域数字水印算法的设计。第一种是基于DCT图像全局变换的数字水印算法，而第二种则可以认为是第一种算法的改进，是基于DCT域分块水印算法。然后对于水印系统的鲁棒性，进行一些攻击测试，有盐噪声攻击、高斯噪声攻击、旋转攻击、剪切攻击、JPEG有损压缩攻击等，对比分析哪种算法更好。虽然说该课题只不过是对现有的数字水印技术进行了一个比较简单的研究，但是让我们充分认识到了数字水印技术对我们日常生活的重要性。 关键词：数字水印DCT 攻击测试 Abstract In recent years,with the rapid development of the network,more and more multimedia information has been digitized.People can obtain various kinds of information from the Internet more convenient, the work of others will be altered and copied more convenient, copyright protection issues are also increasingly serious. People are more and more concerned about copyright protection, digital watermarking technology is the most effective means to solve these problems, so the digital watermarking technology has become a hot topic now. This article is to study based on DCT-domain digital watermarking algorithm, introduced the development of digital watermarking and the basic principles etc,completed two design schemes based on DCT-domain digital watermarking algorithm in MATLAB environment. The first one is based on digital image watermarking algorithm global transformation of DCT, while the second one can be considered to improve the first algorithm, which is based on DCT-domain block watermarking algorithm. Then for the robustness of the watermarking system, we performed some attack test, salt noise attack, Gaussian noise attack and spin attack, cropping attack, JPEG compression attack, in order to prove which is better. Although the subject is a relatively simple research for the existing digital watermarking technique , but it let us aware of the importance of digital watermarking technology in our daily life. Key words:Digital watermarking DCT Robustness Attack test 数字水印技术综述 （湖北武汉 430070） 摘要：介绍了数字水印技术的基本原理。并对其特点、分类、攻击技术及应用领域进行了阐述。同时对数字水印的各种算法进行了分类研究与深入分析。最后指出数字水印今后的研究方向。 关键词：数字水印；水印原理；水印算法；水印应用 Overview on Overview on Digital Watermarking Technology ( Wuhan, Hubei 430070, China) Abstract：The basic concepts of watermark techniques are first introduced，and then the characteristics、classification、attacking techniques and application and applications first expatiated．For further understanding．the watermark technique from the various aspects aye classified and some conventional watermark techniques and algorithms are analyzed in detail．Finally，research direction of digital watermark technology is pointed out． Key words：digital watermarking；watermarking principle；watermarking algorithms ；watermarking application； 0数字水印 随着Internet与数字媒体技术的飞速发展，信息安全问题日益突出，因此，数字媒体的版权保护与信息完整性保证已逐渐成为人们迫切需要解决的一个重要问题，数字水印技术就是在这种需求下迅速发展起来的。 数字水印是通过一定的算法，在图像、视频、音频等多媒体数据中嵌入一个可以标示其知识产权的水印信息。水印信息可以是文字、商标、印章或序列号等可以识别作品的作者、来源、版本、拥有者、发行人或合法使用人对数字产品的拥有权。水印信息通过特殊的方式，可以从宿主信号中提取出水印或是检测出它的存在性。水印不占用额外的带宽。是原始数据不可分离的一部分，并且它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。 1数字水印的特征 一般认为数字水印应具有以下特征（1）鲁棒性水印信号在经历多种无意或有意的信号处理后，仍能保持其完整性或仍能被准确鉴别的特性。（2）知觉透明性数字水印的嵌入不应引起数字作品的视/听觉质量下降，即不向原始载体数据中引入任何可知觉的附加数据。（3）内嵌信息量(水印的位率) 数字水印应该能够包含相当的数据容量，以满足多样化的要求。（4）安全性水印嵌入过程(嵌入方法和水印结构)应该是秘密的嵌入的数字水印是统计上不可检测的，非授权用户无法检测和破坏水印。对于通过改变水印图像来消除和破坏水印的企图，水印应该能一直保持存在，直到图像已严重失真而丧失使用价值。（5）实现复杂度低数字水印算法应该容易实现。在某些应用场合(如视频水印)，甚至要求水印算法的实现满足实时性要求。（6）可证明性数字水印所携带的信息能够被唯一地、确定地鉴别，从而能够为已经受到版权保护的信息产品提供完全和可靠的所有权归属证明的证据。 2 数字水印的分类 2.1按照嵌入的位置 按照嵌入的位置可分为：(1)空域数字水印：空域数字水印的嵌入是通过直接修改图像的灰度值或是强度值来完成的。(2)变换域数字水印：变换域的数字水印是将图像进行某种变换，通过修改变换域系数来达到嵌入水印的目的。 一．数字水印 数字水印技术 数字水印技术(Digital Watermark):技术是将一些标识信息(即数字水印)直接嵌入数字载体(包括多媒体、文档、软件等)当中，但不影响原载体的使用价值，也不容易被人的知觉系统(如视觉或听觉系统)觉察或注意到。目前主要有两类数字水印,一类是空间数字水印,另一类是频率数字水印。空间数字水印的典型代表是最低有效位(LSB)算法,其原理是通过修改表示数字图像的颜色或颜色分量的位平面,调整数字图像中感知不重要的像素 来表达水印的信息,以达到嵌入水印的目的。频率数字水印的典型代表是扩展频谱算法,其原理是通过时频分析,根据扩展频谱特性,在数字图像的频 率域上选择那些对视觉最敏感的部分,使修改后的系数隐含数字水印的信息。 可视密码技术 二．可视密码技术:可视密码技术是Naor和Shamir于1994年首次提出 的,其主要特点是恢复秘密图像时不需要任何复杂的密码学计算,而是以人的视觉即可将秘密图像辨别出来。其做法是产生n张不具有任何意义的胶片,任取其中t张胶片叠合在一起即可还原出隐藏在其中的秘密信息。其后,人们又对该方案进行了改进和发展。主要的改进办法办法有：使产生的n张胶片都有一定的意义,这样做更具有迷惑性;改进了相关集合的造方法;将针对黑白图像的可视秘密共享扩展到基于灰度和彩色图像的可视秘密共享。 三． 数字水印（Digital Watermark或称Steganography）技术是指用信号处理的方法在数字化的多媒体数据中嵌入隐蔽的标记，这种标记通常是不可见的，只有通过专用的检测器或阅读器才能提取。数字水印是信息隐藏技术的一个重要研究方向。 数字水印技术源于开放的网络环境下保护多媒体版权的新型技术，它可验证数字产品的 摘要 数字水印（Digital Watermark）技术是指用信号处理的方法在数字化的多媒体数据中嵌入隐蔽的标记，这种标记通常是不可见的，只有通过专用的检测器或阅读器才能提取。数字水印是信息隐藏技术的一个重要研究方向。随着数字水印技术的发展，数字水印的应用领域也得到了扩展，数字水印的基本应用领域是版权保护、隐藏标识、认证和安全不可见通信。 当数字水印应用于版权保护时，潜在的应用市场在于电子商务、在线或离线地分发多媒体内容以及大规模的广播服务。数字水印用于隐藏标识时，可在医学、制图、数字成像、数字图像监控、多媒体索引和基于内容的检索等领域得到应用。数字水印的认证方面主要ID卡、信用卡、ATM卡等上面数字水印的安全不可见通信将在国防和情报部门得到广泛的应用。 本文主要是根据所学的数字图象处理知识，在MATLAB环境下，通过系统编程的方式，建立并实现基于DCT域的数字水印加密系统。该系统主要包含数字水印的嵌入与提取，仿真结果表明，数字水印算法具有有效性、可靠性、抗攻击性、鲁棒性和不可见性，能够为数字媒体信息在防伪、防篡改、认证、保障数据安全和完整性等方面提供有效的技术保障。 关键词：数字水印；MATLAB；DCT 目录 1 课程设计目的 (1) 2 课程设计要求 (2) 3 数字水印技术基本原理 (3) 3.1 数字水印基本框架 (3) 3.2 算法分类 (3) 3.2.1 DCT法 (4) 3.2.2 其他方法 (4) 3.3 实际需要考虑的问题 (4) 3.3.1 不可见性 (4) 3.3.2 鲁棒性 (5) 3.3.3 水印容量 (5) 3.3.4 安全性 (5) 4 基于DCT变换仿真 (6) 4.1 算法原理 (6) 4.1.1 准备工作 (6) 4.1.2 选取8*8变换块 (7) 4.1.3 边界自适应 (7) 4.1.4 DCT变换与嵌入 (7) 4.1.5 恢复空域 (8) 4.2 嵌入算法扩展 (8) 4.2.1 RGB彩色图像三个矩阵的划分 (8) 4.2.2 八色彩色水印 (8) 4.3 水印的提取 (9) 4.4 仿真程序 (9) 5 结果分析 (14) 结束语 (16) 参考文献 (17) 数字水印技术：概念、应用及现状 一、引言 随着信息时代的到来，特别是Internet的普及，信息的安全保护问题日益突出。当前的信息安全技术基本上都以密码学理论为基础，无论采用传统的密钥系统还是公钥系统，其保护方式都是控制文件的存取，即将文件加密成密文，使非法用户不能解读。但随着计算机处理能力的快速提高，这种通过不断增加密钥长度来提高系统秘密级别的方法变得越来越不安全。 另一方面，多媒体技术已被广泛应用，需要进行加密、认证和版权保护的声像数据也越来越多。数字化的声像数据从本质上说就是数字信号，如果对这类数据也采用密码加密方式，则其本身的信号属性就被忽略了。最近几年，许多研究人员放弃了传统密码学的技术路线，尝试用各种信号处理方法对声像数据进行隐藏加密，并将该技术用于制作多媒体的“数字水印”。 二、认识数字水印 数字水印（Digital Watermark）技术是指用信号处理的方法在数字化的多媒体数据中嵌入隐蔽的标记，这种标记通常是不可见的，只有通过专用的检测器或阅读器才能提取。数字水印是信息隐藏技术的一个重要研究方向。 数字水印技术的基本特性: 1. 鲁棒性(robustness)：所谓鲁棒性是指在经历多种无意或有意的信号处理过程后，数字水印仍能保持完整性或仍能被准确鉴别。可能的信号处理过程包括信道噪声、滤波、数/模与模/数转换、重采样、剪切、位移、尺度变化以及有损压缩编码等。 2.安全性(security):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，而使隐藏信息不会被破坏。 3.透明性(invisibility):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。 ***典型的数字水印系统模型： 图 1为水印信号嵌入模型，其功能是完成将水印信号加入原始数据中；图 2为水印信号检测模型，用以判断某一数据中是否含有指定的水印信号。 目录 摘要 (Ⅲ) Abstract (Ⅴ) 第1章绪论 (1) 1.1引言 (1) 1.2本文研究的目的及意义 (2) 1.3数字水印技术的国内外研究现状 (2) 第2章数字水印理论基础 (5) 2.1 数字水印的基本概念 (5) 2.2 数字水印的基本特征 (5) 2.3 数字水印的基本原理 (5) 2.4 数字水印的分类 (8) 2.5 数字水印典型算法（针对图像领域） (10) 2.6 数字水印的鲁棒性问题和攻击行为 (12) 2.7 数字水印应用领域 (13) 第3章小波分析理论基础 (17) 3.1小波分析的发展历程 (17) 3.2小波函数与小波变换 (18) 3.3离散小波变换 (20) 3.4 多分辨率分析 (22) 3.5实验环境：可实现数字水印技术的高效实用工具——Matlab (24) 第4章基于小波变换的数字水印算法 (25) 4.1算法描述 (25) 4.2实验结果及分析 (28) 4.3 本章小结 (36) 参考文献 (37) 致谢 (39) 附录 (41) 基于小波变换的数字水印算法研究 摘要 数字水印技术是目前信息安全技术领域的一个新方向，是一个在开放的网络环境下，保护版权和认证来源及完整性的新型技术。 本文针对基于小波变换的数字水印技术，提出了一种基于小波域的二值图像水印算法。该算法选择了检测结果直观、有特殊意义的二值图像作为原始水印，并在嵌入之前进行图像置乱预处理，以提高安全性和隐蔽性，兼顾了水印的不可见性和鲁棒性，利用多分辨率分析思想进行水印的嵌入与提取。通过大量的仿真实验，证明本文算法在保证水印不可见性的同时，对常见的图像处理如JPEG压缩、噪声、滤波、剪切等，均有较好的鲁棒性。 关键词：数字水印，小波变换，鲁棒性，不可见性，JPEG压缩 毕业设计文献综述 电子信息科学与技术 基于变换域的数字水印算法 摘要：数字水印提出的主要目的是为了对数字作品的版权保护。本文介绍了数字水印的背景以及阐述了数字水印技术的基本原理。数字水印主要分为空间域和频域两大类，这里主要分析了目前在频域中比较流行的水印算法。同时，对数字水印发展进行展望。 关键字：数字水印；版权保护；水印算法；频域； 1.背景 随着Internet的迅猛发展，通信技术和计算机网络的普遍运用，使人们可以通过互联网收发信息、上传数字图象、听音乐等等。然而，也正是因为网络的这种便捷性、传播迅速的优点使其很容易被非法拷贝，导致数字产品的版权、完整性、有效性得不到保证，严重损害了创作者的利益。 为了解决上述各类问题，提出了数字水印技术[1]。它是指用信号处理的方法在数字化的多媒体数据中嵌入隐蔽的标记，这种标记通常是不可见的，只有通过专用的检测器或阅读器才能提取。目前，数字水印在音频、视频、图像等的应用迅速得到广泛的研究和发展。 数字水印技术的研究现状主要分为两大类：空间域数字水印和频域数字水印。最初提出的数字水印嵌入方法是在空间域上实现的。1995年，Btuyndoncky等提出了一个基于空域分块的方法，通过改变均值来嵌入水印。1996年，Patchwork等人提出了一种算法（Patchwork算法），该算法随机选取图像的N对像素点，通过增加其中一个点的亮度值而相应降低另一个点的亮度来隐藏信息。1998年，Darmstaedter等人提出了一种新的空域水印算法，该算法是基于图像的8×8块的空间域分解进行的。 频域数字水印按频域法大体分为三类：DFT域、DCT域和DWT域[2-3-4]。 Pun和Ruanaidh利用傅立叶域对全局性的旋转，平移和缩放变换具有不变性的特点，将水印嵌入到傅立叶域来达到对这些攻击的鲁棒性。 1999年，Wu和Hsu等人提出了基于可视化模型的算法，该算法具有很强的鲁棒性。2000年，易开样、黄继武等人还提出了一种DCT域数字水印算法：首先把图像分成8×8的不重叠像素块，经过分块DCT变换后，得到有DCT系数组成的频率块，然后随机选取一些频率块，水印信号嵌入到由密钥控制选择的一些DCT系数中。2004年，王向阳等提出了一种DCT域自适应彩色图像二维数字水印算法，将灰度图像嵌入到原始彩色图像中。其实，很多国内外研究人员提出的其他DCT域 ————————————————————————————————————————————————一种尺度空间特征区域的强鲁棒性水印算法 作者齐向明，徐嫚，李玥，侯明君 机构辽宁工程技术大学软件学院 DOI 10.3969/j.issn.1001-3695.2018.01.0056 基金项目国家自然科学基金资助项目（61401185） 预排期卷《计算机应用研究》2019年第36卷第7期 摘要针对数字水印算法中特征区域选取不足以反映图像重要信息，导致鲁棒性减弱的问题，提出一种尺度空间特征区域的强鲁棒性水印算法。通过尺度空间特征点检测，提取靠近载体图像 重心且互不重叠的特征区域，合成特征区域矩阵，用变换域水印算法嵌入水印，对可能受到 攻击的含水印图像提取特征区域，合成其特征区域矩阵，用嵌入水印算法逆过程提取水印。 实验表明，该算法不仅对一系列攻击都具有强鲁棒性，且不可见性良好。 关键词数字水印；尺度空间；特征区域；变换域；强鲁棒性 作者简介齐向明（1966-），男，阜新人，副教授，硕导，主要研究方向为图像图形处理?数字水印；徐嫚（1994-），女，硕士研究生，主要研究方向为图像图形处理?数字水印 （1838337985@https://www.wendangku.net/doc/445989757.html,）；李玥（1993-），女，硕士研究生，主要研究方向为图像图形处理 ?数字水印；侯明君（1996-），男，学士，主要研究方向为软件工程． 中图分类号TP391 访问地址https://www.wendangku.net/doc/445989757.html,/article/02-2019-07-056.html 投稿日期2018年1月11日 修回日期2018年3月7日 发布日期2018年4月12日 引用格式齐向明, 徐嫚, 李玥, 侯明君. 一种尺度空间特征区域的强鲁棒性水印算法[J/OL]. 2019, 36(7). [2018-04-12]. https://www.wendangku.net/doc/445989757.html,/article/02-2019-07-056.html. 数字水印作为一门新的学科, 自 1993 年 Tirkel 等人正式提出到现在十几年里, 国内外对数字水印的研究都引起了极大的关注, 从最初的版权保护, 已扩展到多媒体技术, 广播监听, in-ternet 等多个领域。数字水印是永久镶嵌在其他数据( 主要指宿主数据) 中具有可鉴别性的数字信号或数字模式, 其存在不能影响宿主数据的正常使用。为了使数字水印技术达到一定的设计要求, 当前水印数据一般应具备不可感知性(imperceptible) 、鲁棒性(Robust) 、可证明性、自恢复性和安全保密性等特点。在数字水印技术中, 水印的数据量和鲁棒性构成了一对基本矛盾。理想的水印算法应该既能隐藏大量数据, 又可以抗各种信道噪声和信号变形。然而在实际中, 这两个指标往往不能同时实现, 实际应用往往只偏重其中的一个方面。如果是为了隐蔽通信, 数据量显然是最重要的, 由于通信方式极为隐蔽, 遭遇敌方篡改攻击的可能性很小, 因而对鲁棒性要求较为不高。但对保证数据安全来说, 情况恰恰相反, 各种保密的数据随时面临着被盗取和篡改的危险, 对鲁棒性的要求很高, 而对隐藏数据量的要求则居于次要地位。典型的数字水印系统至少包含两个组成部分- - 水印嵌入单元和水印检测与提取单元。将水印信息进行预处理后加入到载体中, 称为嵌入。从水印化数据中提取出水印信息或者检测水印信息的存在性称为水印的提取和检测。数字水印算法主要 是指水印的嵌入算法, 而提取算法往往被看成是嵌入算法的逆变换。 当前典型的嵌入算法主要被分为空间域水印算法和变换域水印算法。DCT 变换域算法是数字水印算法的典型代表, 也是数字水印中较为常用的一种稳健的算法。其算法思想是选择二值化灰度图像作为水印信息, 根据水印图像的二值性来选择不同的嵌入系数, 并将载体图像 ( 原始图像) 进行 8×8 的分块, 再将灰度载体图像( 原始图像) 进行 DCT变换。然后, 将数字水印信息的灰度值直接植入到载体灰度图像的 DCT 变换域中, 实现水印的嵌入。而后, 将嵌入了水印信息灰度图像进行 IDCT( 逆离散的余弦变换) 变换, 得到含有了嵌入水印信息的图像, 嵌入过程完毕。水印的提取、检测过程为嵌入过程的逆过程, 其方法和嵌入方法有所雷同不再进行介绍。 下面以 MATLAB 为工具, 给出一个在频域嵌入和提取黑白二值水印图像的实现过程。(1) 水印图像的预处理: 将水印信息图像进行灰度处理, 然后再将转换后的图像进行二值转换。而这些都是为了提高水印信息的安全性对图像所做的处理。(2) 读取原始公开图像(大小为 256×256) 和黑白水印图像(大小为 32×32, 模式为灰度) 到二维数组 I 和 J。(3) 将原始公开图像I 分割为互不覆盖的图像块, 每块大小为 8×8, 共分为 32×32 块。然后对分割后的每个小块Block- dct(x,y) 进行 DCT 变换, 得到变换后的小块 Block-dct(x, y)。(4) 取黑白水印图像中的一个元素 J(p, q) , 通过嵌入算法嵌入到原始公开图像块的中频系数中。(5) 对嵌入水印信息后的图像块Block- dct (x, y) 进行逆DCT 变换, 得到图像块 Block(x′, y′)。 摘要 数字水印(Digital Watermarking)技术是我们生活中经常见到的信息隐藏技术。它将一些标识信息(即数字水印)直接嵌入数字载体中，但不影响原载体的使用价值，也不容易被人的知觉系统觉察或注意到。 空间数字水印是信息隐藏技术的一个重要研究方向，另一类是频率数字水印。空间数字水印采用最低有效位(LSB)算法,通过修改表示数字图像的颜色或颜色分量的位平面,调整数字图像中感知不重要的像素来表达水印的信息,以达到嵌入水印的目的。本实验是基于matlab的数字水印设计——基于空域的水印实现。 关键词：信息隐藏技术；空间数字水印； LSB算法；matlab 目录 1 设计任务与目的 (1) 2 MATLAB的简介及应用 (1) 2.1 MATLAB简介 (1) 2.2 MATLAB应用 (1) 3 数字水印技术 (2) 3.1 数字水印技术的发展 (2) 3.2 水印分类 (2) 3.3 数字水印的特点 (3) 3.4 数字水印技术的基本原理 (4) 4 基于LSB的数字水印算法 (5) 4.1 LSB算法原理 (5) 4.2 LSB算法的实现 (6) 4.2.1 水印嵌入算法 (7) 4.2.2 水印提取算法 (9) 5 MATLAB软件仿真 (11) 5.1 仿真结果 (11) 5.1.1 水印嵌入仿真 (11) 5.1.2 水印提取仿真 (12) 5.2 仿真分析 (13) 结论 (14) 参考文献 (15) 基于Matlab的数字水印设计 ——基于空域的水印实现 1 设计任务与目的 (1)通过课程设计把自己在大学中所学的知识应用到实践当中。 (2)在课程设计的过程中掌握程序编译及软件设计的基本方法。 (3)深入了解利用Matlab设计基于Matlab的数字水印设计——基于空域的水印实现。 (4)提高自己对于新知识的学习能力及进行实际操作的能力。 (5)锻炼自己通过网络及各种资料解决实际问题的能力。 2 MATLAB的简介及应用 2.1 MATLAB简介 MATLAB 是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。 MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。 2.2 MATLAB应用 MATLAB 产品族可以用来进行以下各种工作： 1)数值分析 2)数值和符号计算 3)工程与科学绘图 数字水印算法列举 湖南科技大学计算机科学与工程学院 ①基于LSB 的数字水印方案（空间域、不可逆、不可见和盲检测） 嵌入步骤： （1）先把水印信息转化为二进制比特流I。 （2）根据I的长度生成密钥K，并且严格保存。密钥K是对图像载体像素位置的一个映射。 （3）把I中的每一位依次根据密钥K，置换掉原始载体图像中相应位置的像素最后一位。提取步骤： （1）根据严格保存的密钥K遍历嵌入了水印的图像中的相应像素，提取出最后一位。 （2）将提取出来的每一位重新组合成水印信息。 ②基于差分扩展的数字水印方案（变换域、可逆、不可见和盲检测） 嵌入步骤： （1）将图像M分成像素点对（x，y），将水印信息转化为二进制比特流,比特流的每一位用m 表示。 （2）根据水印信息比特流的长度随机生成信息的嵌入位置k作为密钥信息严格保存。（3）对图像M计算均值l和差值h：?????-=+=y x h y x floor l 2(（floor表示向下取整） （4）将水印比特信息m以差值扩展的方法嵌入到差值h中：m h h +?='2（5）将得到的h '代入（3）中，得到新的图像像素对，形成嵌入秘密信息后的图像C。提取步骤： （1）将图像C分成像素点对（x，y），读入密钥信息K。 （2）将图像C依旧按照嵌入步骤中的（3）式计算均值l和差值h。 （3）根据密钥k找到相应位置，提取差值h的最后一位比特信息m，再将差值h进行变换得到1>>='h h 。 （4）将提取到的比特信息m进行组合可以恢复水印信息，将得到的h '代入嵌入步骤的（3）中计算新的图像像素对可以恢复原始图像载体M。 ③基于直方图修改的数字水印算法（空间域、可逆、不可见和盲检测） 嵌入步骤：（1）找到直方图的零点z和峰值点p，将z v p <<的像素值v自加1。 （2）漂移后的直方图v=p处即为嵌入水印的位置，将水印信息转化为二进制流并记为k，按顺序嵌入，即k v v +='；（3）得到的由像素值v '组成的图像就是嵌入秘密信息后的图像。同时p、z以密钥的形式保存。 提取步骤： （1）读取密钥，得到p、z的值。 （2）遍历图像的每个像素，当像素v=p时，提取信息0并保持数据不变；当v=p+1时，提取信息1并将数据减1。 （3）当v基于DCT的数字水印算法的研究
数字水印技术综述
LSB数字水印算法
基于Matlab的数字水印设计——基于DCT域的水印实现
数字水印技术：概念、应用及现状
基于小波变换的数字水印算法研究
基于变换域的数字水印算法【文献综述】
一种尺度空间特征区域的强鲁棒性水印算法
基于MATLAB的数字水印算法实现
基于Matlab的数字水印设计——基于空域的水印实现
数字水印算法介绍