基于-小波-變換的數(shù)字水印-matlab的-實現(xiàn)

1、基于小波變換的數(shù)字水印與基于小波變換的數(shù)字水印與 matlab 的實現(xiàn)的實現(xiàn) 摘要摘要：通過對數(shù)字水印的原理和算法的分析，了解信息隱藏的實現(xiàn)手段與效果。 在信息加載和提取過程中，突破傳統(tǒng)的加密技術(shù)，用更具專業(yè)性的檢測手段來保 護(hù)專屬的信息產(chǎn)權(quán)。本文利用了水印良好的魯棒性和不可感知性，致力于對圖像 的處理，通過實驗與測試證實了數(shù)字水印可以達(dá)到理想的效果，并且運用恰當(dāng)?shù)?算法可以更加簡化操作的復(fù)雜性。在此之外，數(shù)字水印還可以應(yīng)用于聲音，視頻 等領(lǐng)域。其技術(shù)手段的實現(xiàn)的更加完善化會帶來其更加廣闊的應(yīng)用前景。 關(guān)鍵字關(guān)鍵字：數(shù)字水印；信息隱藏；MATLAB;水印檢測與提??；JPEG 壓縮； 1 數(shù)字水

2、印技術(shù)簡介數(shù)字水印技術(shù)簡介 1.1 數(shù)字水印的發(fā)展背景數(shù)字水印的發(fā)展背景 隨著數(shù)字技術(shù)和 Internet 網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，各種形式的多媒體數(shù)字作品(圖像、視 頻、音頻等)紛紛以網(wǎng)絡(luò)形式發(fā)表，然而數(shù)字作品的便利性和不安全性是并存的， 它可以低成本、高速度地被復(fù)制和傳播，而這些特性也容易被盜版者所利用。因 而，采用多種手段對數(shù)字作品進(jìn)行保護(hù)、對侵權(quán)者進(jìn)行懲罰己經(jīng)成為十分迫切的 工作。數(shù)字水印技術(shù)的研究就是在這種應(yīng)用要求下迅速發(fā)展起來的。 數(shù)字水印(digital watermarking)技術(shù)也稱為數(shù)字指紋技術(shù)，它將具有特定意義 的水印標(biāo)記不可感知地嵌入到被保護(hù)的數(shù)字產(chǎn)品中，在產(chǎn)生版權(quán)糾紛時，通過相

3、 應(yīng)的算法提取該水印，用以證明作者對該數(shù)字產(chǎn)品的所有權(quán)，并可作為鑒證、起 訴非法侵權(quán)的證據(jù)。數(shù)字水印技術(shù)基本上應(yīng)當(dāng)滿足隱蔽性、安全性、魯棒性和水 印容量等幾個方面的要求。 研究數(shù)字水印技術(shù)的最初目的是用于保護(hù)數(shù)字產(chǎn)品的版權(quán)，但隨著研究的進(jìn)一步深入， 它在信息安全保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，并在廣播檢測、圖像認(rèn)證、盜版跟蹤、數(shù)字簽名、 交易水印、拷貝控制、標(biāo)題與注釋等各個領(lǐng)域產(chǎn)生了許多新的用途。數(shù)字水印從正式提出到 現(xiàn)在雖然時間不長，但它與傳統(tǒng)的密碼學(xué)相比有明顯的優(yōu)越性，為解決版權(quán)保護(hù)和內(nèi)容完整 性認(rèn)證、來源認(rèn)證、篡改認(rèn)證、網(wǎng)上發(fā)行、用戶跟蹤等一系列問題提供了一個嶄新的研究方 向，因此它在數(shù)字產(chǎn)品

4、的知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)、商務(wù)交易中的票據(jù)防偽、聲像數(shù)據(jù)的隱藏標(biāo)識和篡 改提示、隱蔽通信及其對抗等方面具有十分廣闊的應(yīng)用前景。 1.2 數(shù)字水印的特點數(shù)字水印的特點 （1）魯棒性：所謂魯棒性是指在經(jīng)歷多種無意或有意的信號處理過程后， 數(shù)字水印仍能保持完整性或仍能被準(zhǔn)確鑒別?？赡艿男盘柼幚磉^程包括信道噪聲、 濾波、數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換、重采樣、剪切、位移、尺度變化以及有損壓縮編碼 等 （2）隱蔽性：在數(shù)字作品中嵌入數(shù)字水印不會引起明顯的降質(zhì)，且不易被察 覺。 （3）隱藏位置的安全性：水印信息隱藏于數(shù)據(jù)而非文件頭中，文件格式的變 換不應(yīng)導(dǎo)致水印數(shù)據(jù)的丟失。 在數(shù)字水印技術(shù)中，水印的數(shù)據(jù)量和魯棒性構(gòu)成了一對基本矛盾

5、。從主觀上講，理想的 水印算法應(yīng)該既能隱藏大量數(shù)據(jù)，又可以抗各種信道噪聲和信號變形。然而在實際中，這兩 個指標(biāo)往往不能同時實現(xiàn)，不過這并不會影響數(shù)字水印技術(shù)的應(yīng)用，因為實際應(yīng)用一般只偏 重其中的一個方面。如果是為了隱蔽通信，數(shù)據(jù)量顯然是最重要的，由于通信方式極為隱蔽， 遭遇敵方篡改攻擊的可能性很小，因而對魯棒性要求不高。但對保證數(shù)據(jù)安全來說，情況恰 恰相反，此時，隱藏數(shù)據(jù)量的要求居于次要地位，各種保密的數(shù)據(jù)隨時面臨著被盜取和被纂 改的危險，所以魯棒性是十分重要的。 1.3 數(shù)字水印技術(shù)的基本原理數(shù)字水印技術(shù)的基本原理 數(shù)字水印的基本原理是將作為標(biāo)識數(shù)據(jù)的水印信息嵌入到被保護(hù)的宿主數(shù)據(jù) 中，使得

6、水印在宿主數(shù)據(jù)中不可感知并且足夠安全。通常的水印算法包括三個基 本方面：水印的生成、嵌入和提取，并會涉及到水印的選擇、水印的驗證、基于 視覺特性的水印等幾項關(guān)鍵技術(shù)。 (1)水印的生成 水印信號分為無意義水印信號和有意義水印信號兩種。無意義水印信號的產(chǎn) 生通?；趥坞S機數(shù)發(fā)生器或混沌系統(tǒng)，產(chǎn)生的水印信號往往需要進(jìn)一步的變換 以適應(yīng)水印嵌入算法的需要。有意義水印信號包括二值圖像、灰度圖像和彩色圖 像等。有意義的圖像可以直接作為水印嵌入到載體數(shù)據(jù)中，但是為了增強水印的 安全性，一般需要先對水印進(jìn)行加密預(yù)處理，處理的方法包括使用實隨機序列進(jìn) 行擴頻、對水印信號進(jìn)行位分解、利用圖像的置亂對水印進(jìn)行預(yù)處

7、理等。 數(shù)字水印生成過程的一般流程如圖 1 所示。 載體圖像 原始水印信息 密鑰 水印生成算法生成水印信息 圖 1 數(shù)字水印生成過程一般流程圖 (2)水印的嵌入 水印的嵌入從數(shù)字通信的角度看，可以理解為在一個寬帶的信道上用擴頻通 信技術(shù)一個窄帶信號，會涉及到嵌入的方法、嵌入的位置、嵌入的信息量等問題。 數(shù)字水印嵌入過程的一般流程圖如圖 2 所示。 信息分析 (選擇嵌入點) 原始圖像 水印信息 水印嵌入算法 含水印圖像 圖 2 數(shù)字水印嵌入過程流程圖 (3)水印的提取與檢測 水印的提取與檢測是一個在有噪信道中弱信號的檢測問題，最終目的在于判 斷水印信號是否存在或把水印提取出來。在對提取的水印和原

8、始的水印進(jìn)行判斷 和檢測的過程中，可以通過輸出一個 01 決策來判斷水印有無。水印提取與檢 測過程的一般流程圖如圖 3 所示。 水印化信息 密鑰 原始信息 原始水印信息 水印檢測算法 水印提取算法 提取出水印 判斷水印是否存在 圖 3 數(shù)字水印提取檢測過程一般流程圖 14 數(shù)字水印技術(shù)的劃分?jǐn)?shù)字水印技術(shù)的劃分 (1)按特性劃分 數(shù)字水印的特性可以將數(shù)字水印分為魯棒數(shù)字水印和脆弱數(shù)字水印兩類。 (2)按水印所附載的媒體劃分 按水印所附載的媒體，我們可以將數(shù)字水印劃分為圖像水印、音頻水印、視 頻水印、文本水印以及用于三維網(wǎng)格模型的網(wǎng)格水印等。 。 (3)按檢測過程劃分 按水印的檢測過程可以將數(shù)字水

9、印劃分為明文水印和盲水印。 (4)按內(nèi)容劃分 按數(shù)字水印的內(nèi)容可以將水印劃分為有意義水印和無意義水印。 (5)按用途劃分 不同的應(yīng)用需求造就了不同的水印技術(shù)。按水印的用途，我們可以將數(shù)字水 印劃分為票據(jù)防偽水印、版權(quán)保護(hù)水印、篡改提示水印和隱蔽標(biāo)識水印。 (6)按水印隱藏的位置劃分 按數(shù)字水印的隱藏位置，我們可以將其劃分為時(空)域數(shù)字水印、頻域數(shù)字水 印、時頻域數(shù)字水印和時間尺度域數(shù)字水印。 1.5 數(shù)字水印算法數(shù)字水印算法的的分類分類 數(shù)字水印算法可以分為空間域數(shù)字水印算法和變換域數(shù)字水印算法兩大類。 空間域數(shù)字水印算法就是通過改變某些像素的灰度將要隱藏的信息嵌入到其中， 把數(shù)字水印直接加

10、載到數(shù)據(jù)上。這種方法具有算法簡單、容易實現(xiàn)、信息隱藏量 大和計算速度快等優(yōu)點，并且許多算法在提取水印和驗證水印存在時都不需要原 始圖像，但通常因為抵抗圖像的幾何形變、噪聲和圖像壓縮的能力較差而具有較 差的魯棒性?？臻g域數(shù)字水印的經(jīng)典算法包括： （1）LSB 算法(最低有效位法)， （2）Patchwork 方法； （3）紋理映射編碼方法； （4）文檔結(jié)構(gòu)微調(diào)方法等。 變換域數(shù)字水印算法是當(dāng)前數(shù)字水印技術(shù)領(lǐng)域研究的熱點。它是基于圖像的 變換利用一個信號可以掩蓋另一個較弱的信號這種頻率掩蓋現(xiàn)象在頻域變換中嵌 入水印，這些常見變換包括： （1）離散余弦變換(DCT); （2）小波變換(WT); （3

11、）傅氏變換(Fr 或 FFr); （4）哈達(dá)馬變換等。 1.6 影響水印性能的因素影響水印性能的因素 (1) 嵌入信息的數(shù)量:嵌入的信息量越多，水印的魯棒性就越低 (2) 水印嵌入強度:在水印嵌入強度和水印可感知性之間有一個均衡。高魯棒 性 需要更強的嵌入，這反過來增大了水印的可感知性。 (3)數(shù)據(jù)的大小和種類:通常數(shù)據(jù)的尺寸大小對嵌入水印的魯棒性有直接的影響。 (4)秘密信息(如密鑰):盡管秘密信息的數(shù)量對水印的可感知性，魯棒性沒有直 接的影響，但在系統(tǒng)安全性方面充當(dāng)了重要的角色。密鑰空間要足夠大，從而使 窮舉搜索攻擊不可行?？紤]這些上述因素，評價水印方法必須在各種不同的測試 圖像之中進(jìn)行測

12、試。此外，為了得到在統(tǒng)計上有效的結(jié)果，必須使用不同的密鑰 和改變水印的強度來對水印系統(tǒng)進(jìn)行評價。 1.7 數(shù)字水印技術(shù)的攻擊問題數(shù)字水印技術(shù)的攻擊問題 (1) 簡單攻擊 通常是指普通的圖像處理，例如對圖像線性和非線性的濾波、有損壓縮、圖 像增強、量化、加噪等。簡單攻擊不能識別或分離水印，只可以使水印削弱或刪 除。 (2) 同步攻擊 這種攻擊通常指幾何攻擊，如旋轉(zhuǎn)、剪切、平移、二次抽樣、縮放等操作。 這種幾何攻擊實際上并沒有去除圖像中的水印，但它改變了提取水印所必須的位 置信息，使得水印雖然存在，但不能被提取或檢測。 (3)偽造攻擊 這種攻擊指試圖去偽造原始數(shù)據(jù)或偽造水印后的數(shù)據(jù)。 (4)去除水

13、印攻擊 這種攻擊是指通過分析水印后的數(shù)據(jù)，估計出原始數(shù)據(jù)或水印數(shù)據(jù)，從而將 水印從水印后的數(shù)據(jù)中分離出來。通常采用的方法有:共謀攻擊、去噪、特殊的非 線性濾波等。 2 小波變換概述小波變換概述 21小波變換小波變換 “小波”就是小區(qū)域、長度有限、均值為 0 的波形。所謂“小”是指它具有衰減 性；而稱之為“波”則是指它的波動性，其振幅正負(fù)相間的震蕩形式。與 Fourier 變 換相比，小波變換是時間(空間)頻率的局部化分析，它通過伸縮平移運算對信號 (函數(shù))逐步進(jìn)行多尺度細(xì)化，最終達(dá)到高頻處時間細(xì)分，低頻處頻率細(xì)分，能自 動適應(yīng)時頻信號分析的要求，從而可聚焦到信號的任意細(xì)節(jié) 小波變換分成兩大類：

14、離散小波變換 (DWT) 和連續(xù)小波變換 (CWT)。兩者 的主要區(qū)別在于，連續(xù)變換在所有可能的縮放和平移上操作，而離散變換采用所 有縮放和平移值的特定子集。 從圖像處理的角度看，小波變換存在以下幾個優(yōu)點： (1)小波分解可以覆蓋整個頻域(提供了一個數(shù)學(xué)上完備的描述) (2)小波變換通過選取合適的濾波器，可以極大的減小或去除所提取得不同特 征之間的相關(guān)性 (3)小波變換具有“變焦”特性，在低頻段可用高頻率分辨率和低時間分辨率(寬 分析窗口)，在高頻段，可用低頻率分辨率和高時間分辨率(窄分析窗口) (4)小波變換實現(xiàn)上有快速算法(Mallat 小波分解算法) 22 二維小波變換算法討論二維小波變

15、換算法討論 當(dāng)二維空間是可分離的情況下，很容易把一維多分辨率分析推廣到二維。說 得具體點就是，二維小波分解算法是：一幅數(shù)字化的圖像經(jīng)常可以用一個 2 維矩 陣 A 表示（經(jīng)過某種變換） ，然后行進(jìn)行一維小波分解，得到新的矩陣 B，B 由 A 的水平方向低頻，水平方向高頻部分組成，再對列進(jìn)行一位小波分解，得到新的 矩陣 C，C 由 B 的垂直方向低頻，垂直方向高頻部分組成，即 C 由四部分組成： LL（原圖像的水平分量低頻，垂直方向低頻部分） ，HL（原圖像的水平分量高頻， 垂直方向低頻部分） ，LH（原圖像的水平分量低頻，垂直方向高頻部分） ，HH（原 圖像的水平分量高頻，垂直方向高頻部分）

16、。為了形象地描繪二維小波分解后的 分量，可以見下圖： 圖 3-1 圖像二維小波分解后的分量 其中，LL 代表近似部分，HL 代表水平細(xì)節(jié)，LH 代表垂直細(xì)節(jié)，HH 代表對角細(xì)節(jié)。 對于二維小波重構(gòu)，可以按照分解的逆過程來實現(xiàn)：利用一維小波重構(gòu)算法先 對列重構(gòu)，再對行重構(gòu)，就能得到原圖像。 23 常見的小波變換水印算法常見的小波變換水印算法 (1) Barni 算法 LL2HL2 LH2HH2 HL1 LH1HH1 此算法是由 Mauro Barni, Franco Bartolini, Vito Capellini,Alessandro Lippi 和 Alessandro Piva 提出的，

17、算法使用了一般的線性疊加方法。水印長度由原圖像的 大小決定，如果原圖像的大小為 MN，則 Nw=3*M/2*N/ 2，這里 Nw 表示水印 的長度。選用 Daubechies-6 作為小波基，對原圖像進(jìn)行 4 級小波分解。只有第一 分解級的細(xì)節(jié)信號嵌入水印，而分析信號只用于計算視覺遮蔽效果值。 (2) Kundur 算法 此算法是由 Kundur Deepa 和 Hatzinakos Dimitrios 提出的，水印嵌入使用了圖像融合技術(shù)。水 印大小與待嵌圖像的大小相差 2M 比例因子，其大小為 2*Nw2*Mw，嵌入前將水印進(jìn)行一 級小波分解。原圖像進(jìn)行 L 級小波分解，L 的大小被限制小于

18、或等于 M，水印圖案進(jìn)行一級 小波分解。將各級子帶分為互不重疊的大小為 NwMw 的子塊，根據(jù)事先設(shè)定的百分比隨機 選擇某些子塊，被選中子塊內(nèi)對應(yīng)的小波系數(shù)嵌入水印。 24 基于小波變換的數(shù)字水印算法的優(yōu)勢基于小波變換的數(shù)字水印算法的優(yōu)勢 隨著新一代圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn) JPEG2000 的提出，小波變換越來越受到重視。作 為一種全新的時間一尺度分析方法，它在數(shù)字圖像處理領(lǐng)域取得了很好的應(yīng)用效 果，在數(shù)字水印研究領(lǐng)域出現(xiàn)了許多優(yōu)秀的小波變換算法。 小波變換相對于 DFT 和 DCT 有諸如良好的時間頻率局部性、多尺度變換、較小的計算復(fù)雜度 等獨特的優(yōu)點。基于小波變換的數(shù)字水印具有突出的抗濾波和壓縮攻擊

19、的能力，同時保留了 空域特性，而且一幅圖像小波分解后所得到的子帶和人類的視覺系統(tǒng)(HVS)模型相符合，提高 了算法的魯棒性。 3 在在 MATABL 中中 實現(xiàn)圖像的水印算法實現(xiàn)圖像的水印算法 31 MATABL 的應(yīng)用的應(yīng)用 MATLAB 是由美國 mathworks 公司發(fā)布的主要面對科學(xué)計算、可視化以及交 互式程序設(shè)計的高科技計算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以 及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境 中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一 種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計語言（如 C

20、、Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國際科學(xué)計算軟件的先進(jìn)水平。 MATLAB 可以進(jìn)行矩陣運算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、 連接其他編程語言的程序等，主要應(yīng)用于工程計算、控制設(shè)計、信號處理與通 訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設(shè)計與分析等領(lǐng)域。 MATLAB 初始界面 32 MATLAB 的特點的特點 總的來說，該軟件有三大特點： （1）功能強大。 具有數(shù)值計算和符號計算、計算結(jié)果和編程可視化、數(shù)學(xué)和文字統(tǒng)一處理、 離線和在線計算等功能； （2）界面友善、語言自然。 MATLAB 以復(fù)數(shù)處理作為計算單元，指令表達(dá)與標(biāo)準(zhǔn)教科書的數(shù)學(xué)表達(dá)式相近； 在 MATLAB 中，基本的計

21、算單元是矩陣，復(fù)數(shù)或?qū)崝?shù)則可以理解為 11 的矩陣。 MATLAB 的很多運算都是直接針對矩陣的，所以表示起來也就特別方便 （3.）開放性強。 該公司本身就推出了 30 多個應(yīng)用工具箱，而世界上超過 200 家公司開發(fā)出與 MATLAB 兼容的第三方產(chǎn)品，這些產(chǎn)品向用戶提供更多的工具箱、模塊集、與其 他商業(yè)產(chǎn)品的接口等。 MATLAB 的這些特點使它獲得了對應(yīng)用學(xué)科（特別是邊緣學(xué)科和交*學(xué)科）的 極強適應(yīng)力，并很快成為應(yīng)用學(xué)科計算機輔助分析、設(shè)計、教學(xué)，乃至科技文字 處理不可缺少的基礎(chǔ)軟件。 33 用用 Matlab 研究數(shù)字水印的優(yōu)點研究數(shù)字水印的優(yōu)點 1、豐富的小波函數(shù)和處理函數(shù) MATL

22、AB 集成了 DCT、DWT 等函數(shù)有豐富的小波函數(shù)和處理函數(shù)， 其中有小 波工具箱，里面有許多現(xiàn)成的小波函數(shù)，如， 單尺度小波分解 函數(shù) dwt2； 多尺度二維小波分解函數(shù) wavedec2； 單尺度小波重構(gòu)函數(shù) idwt2； 多尺度二維小波重構(gòu)函數(shù) waverec2； 提取二維小波分解高頻系數(shù)函數(shù) deccoef2； 提取二維小波分解低頻系數(shù)函數(shù) appcoef2； 二維小波消噪函數(shù) wdencmp 等等。 這不僅方便究人員，而且使源程序簡潔明了、易實現(xiàn)。 2、強大的數(shù)學(xué)運算功能。 圖像數(shù)字水印技術(shù)是針對圖像進(jìn)行研究的，MATLAB 強大的數(shù)值運算功能是 其優(yōu)于其他數(shù)學(xué)應(yīng)用軟件的重要原因，

23、其中矩陣運算更是 MATLAB 語言的核心， 且表達(dá)自然，直接，能夠方便、高效地實現(xiàn)大量矩陣運算。 3、提供了圖像處理工具箱、小波分析工具箱、數(shù)字信號處理工具箱。 例如可以調(diào)用 wfilters 來獲得指定小波的分解和綜合濾波器系數(shù)； 同時可很好的應(yīng)用于數(shù)字圖像處理技術(shù)、數(shù)字信號處理等多學(xué)科。 4、MATLAB 與 VisualC+具有良好的接口。 有 matcom 和 com(comppoent object model)等多種接口方法的實現(xiàn)，可以混合編程，在 VC 中調(diào)用 MATLAB 的函數(shù)，將 MATLAB 生成的的文件翻譯成語言，方便更多用戶 理解和使用。 基于小波變換域的數(shù)字水印基

24、于小波變換域的數(shù)字水印的實現(xiàn)的實現(xiàn) 4.1 基于小波變換域的數(shù)字水印的簡述基于小波變換域的數(shù)字水印的簡述 小波分析的基本思想是：從一個具有正則性，局部性和振蕩性的基本小波函數(shù)中 心出發(fā)，經(jīng)伸縮和平移得到一函數(shù)族： （4.1） Rb| 2 1 aabxa 由此得到的函數(shù)族離散化后可構(gòu)成L2(R)空間的規(guī)范正交基并以之去表示或逼近 信號，理論研究表明，從逼近觀點上講，只用很少小波系數(shù)就可以得到許多不同 圖像的精確逼近。因此，小波作為變換基底是很好的選擇。 (1)連續(xù)小波變換(CWT) 具有有限能量的函數(shù) f(t)(即，(f)L2(R)的小波變換定義為以函數(shù)族 （ 4.2） a bt a ba 1

25、, 為積分核的積分變換。 （R 2 f 1 )()(baWfbWLfdt a bt a tfdtttfbaWa ba ） （4.3） 其中，a是尺度參數(shù)，b是定位參數(shù)，(f)稱為小波。上式可描述為一帶通濾 波器輸出。 (2)離散小波變換(DWT) 式 4.1 可通過對其伸縮標(biāo)度因子 a 和平衡因子 b 取樣而離散化。令 其中， 2 0 1aZn,m,R 0 b , 則由式可得 （4.4） 0 m 0 m2 0n ,m nbtaat 4.2基于離散小波變換和人類視覺系統(tǒng)（基于離散小波變換和人類視覺系統(tǒng)（HVS）的水印的實例）的水印的實例 4.2.1離散小波變換 小波變換一般采用二維離散小波變換，

26、即對二維圖像信號在水平和垂直方向 做一維離散小波變換的結(jié)果。從信號處理角度來看，先在水平方向?qū)D像分別進(jìn) 行低通和高通濾波，并作下采樣，再在豎起方向做同樣的操作。 離散小波變換定義為 m,nZ （4.5）4.2.2dtttfDW n ,mn ,m 2 算法描述 這里所討論的水印嵌入策略對信號處理操作（如有所壓縮、濾波）和通用的 幾何變換（如裁剪、放縮、平移和旋轉(zhuǎn)等）是魯棒的，同時其算法需要提供原始 圖像和原始水印。水印本身按照高斯分布（N（0，1）生成的隨機數(shù)序列，由一 系列實數(shù)組成 X =(X1：X2，Xn)，水印的長度為 n. 定義 NN 大小的原始圖像（宿主圖像）為 C,對原始圖像進(jìn)行變

27、化域編碼 （二維離散小波變換 DWT） ，加入水印后利用二維離散小波逆變換（IDWT）生成 加入水印的圖像。 4.2.3 水印嵌入算法 水印嵌入的具體過程如下： 第一步:將原始圖像和水印信息以 Double 類型的形式讀入。 第二步:將原始彩色圖像分解為 3 個基色分量 Cr ,Cg ,Cb ,分別對該三個基色分 量用 Haar 小波基進(jìn)行二級小波分解。 第三步:將數(shù)字水印同樣分解為 Cwr ,Cwg ,Cwb 三個基色分量 ,分別對其進(jìn)行一 級小波分解。 第四步:將數(shù)字水印的三基色分解系數(shù)分別對應(yīng)嵌入到原始彩色圖像的三基色分 解系數(shù)中 ,嵌入公式為 CR(G,B)A2(i,j) = CR(G

28、,B)A2(i,j)+r(g,b)*WR(G,B)A1(i,j) m 00 m 0 anbb aa CR(G,B)H1(i,j) = CR(G,B)H1(i,j)+r(g,b)*WR(G,B)H1(i,j) CR(G,B)V1(i,j) = CR(G,B)V1(i,j)+r(g,b)*WR(G,B)V1(i,j) CR(G,B)D1(i,j) = CR(G,B)D1(i,j)+r(g,b)*WR(G,B)D1(i,j) 其中 , CRA2 ( i , j) 表示嵌入水印前原始圖像的紅色分量經(jīng)小波兩層分解 后對應(yīng)區(qū)域坐標(biāo)( i , j) 處的小波系數(shù) ,WRA1 ( i , j) 表示水印信息的

29、紅色分 量經(jīng)一級小波分解后的低頻區(qū)域中坐標(biāo)( i , j) 處的小波系數(shù) , r 表示紅色分 量加權(quán)系數(shù), CRA2 ( i , j)表示嵌入水印信息后的紅色分量的小波系數(shù),其余類 推。 且 R , G ,B 三種基色分量加權(quán)系數(shù)滿足 r g b =2 1 4 的關(guān)系。 第五步:重構(gòu)并顯示嵌入水印后的圖像。 4.2.4 水印提取算法 本算法的水印提取過程是水印嵌入的逆過程，需要用到原始彩色圖像和加入 了彩色數(shù)字水印的圖像。水印提取算法將原始圖像和數(shù)字水印圖像分別作兩層小 波分解，水印的低頻系數(shù)從原始圖像和數(shù)字水印圖像的第二層分解的低頻系數(shù)中 得到，高頻系數(shù)從原始圖像和數(shù)字水印圖像的第一層分解的

30、高頻系數(shù)中得到。實 現(xiàn)過程中按嵌入時相同的過程將原始圖像的小波系數(shù)相應(yīng)地從水印圖像的小波系 數(shù)中減去。最后，將得到的數(shù)字水印的小波系數(shù)做小波反變換，即獲得提取出的 水印圖像。 4.3 人眼的視覺特性（人眼的視覺特性（HVS）及其在水印技術(shù)）及其在水印技術(shù)中的應(yīng)用中的應(yīng)用 人是圖像欣賞的主體，圖像質(zhì)量的好壞都是由人來進(jìn)行評判的，因此，幾乎 所有的數(shù)字圖像處理技術(shù)都緊緊圍繞著人類的視覺系統(tǒng)(HVS)來進(jìn)行的，如JPEG 圖像壓縮技術(shù)就是根據(jù)人類視覺系統(tǒng)的特性來確定量化步長的。 近十年來，人們對圖像處理技術(shù)有了更深刻的認(rèn)識，尤其是把它與人類視覺 系統(tǒng)的某些特性相結(jié)合，使圖像處理技術(shù)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)

31、展，以人類視覺特 性為核心的JPEG壓縮技術(shù)就是一個很好的例子，它不但使圖像壓縮比得到了大大 的提高，而且使壓縮后的圖像具有很好的視覺效果，現(xiàn)在已經(jīng)有人將人類視覺特 性應(yīng)用到數(shù)字水印技術(shù)中來，使數(shù)字水印技術(shù)的研究取得了可喜的成就。 水印的嵌入過程可看成是在強背景(原始圖像)上疊加一個弱信號(水印)，只 要信號的強度低于HVS 的最小可察覺誤差JND (Just NoticeableDifference), H VS 就感覺不到水印信號的存在，這就為水印的嵌入和檢測工作提供了一個很好 的啟示。HVS 特性和水印技術(shù)的很好結(jié)合使得水印對常見的各種攻擊具有更好的 魯棒性。Christine 和Pod

32、ilchuk 等在DCT 域和小波變換域內(nèi)進(jìn)行水印的嵌入和 提取時，利用JND 模型控制了嵌入水印信號的最大強度，最大可能地避免了對圖 像視覺質(zhì)量的破壞，這一方法顯示出了很好的透明性和魯棒性。 4.3 水印實驗結(jié)果水印實驗結(jié)果： 在實驗中，我先是做了水印的嵌入，水印的提取，最后對水印圖像做了三次 破壞，以檢驗破壞后的水印提取結(jié)果。 首先，先任意找到兩幅圖片。一幅作為原始圖像，另一幅作為水印。水印嵌 入算法的功能就是利用離散小波變換算法（DWT）把水印圖像嵌入原始圖像中去， 得到水印圖像。注意：水印的大小是原始圖像的四分之一，既長寬分別是原始圖 像的二分之一。 (1) 水印的嵌入 現(xiàn)在，通過水印

33、嵌入程序（存于 MATBLE 中的 WORK 文件夾） ，把水印嵌入到原 始圖像中去，得到水印圖像?？梢?，水印嵌入到原始圖像中后，所得到的水印圖 像和原始圖像幾乎是一樣的，水印是看不出來的。由此可見，數(shù)字水印有良好的 不可見性。 程序運行結(jié)果為 (圖 4-1、圖 4-2) 圖 4-1 原始圖像和水印 圖 4-2 水印圖像 (2) 水印的提取 水印提取程序為嵌入的逆過程，運用了離散小波逆變換（IDWT） 。調(diào)出水印 提取程序（存于 MATBLE 中的 WORK 文件夾） ，把水印圖像讀取出來。運行程序， 就可把水印圖像中的水印信息提取出來。程序運行結(jié)果為 (圖 4-3 圖 4-4) 圖 4-3

34、原始圖像和水印圖像 圖 4-4 提取的水印 可見，水印圖像中的水印信息能被很好地提取出來。 (3) 水印圖像的攻擊 1對水印圖像進(jìn)行 JPEC 有損壓縮 用 Photoshop 圖像處理軟件對水印圖像進(jìn)行 JPEC 壓縮，得到壓縮后的圖像 (圖 4-9) 圖 4-5 JPEG 有損壓縮后水印圖像 下面用水印檢測程序，檢測壓縮后水印圖像中的水印。程序運行結(jié)果為 (圖 4-6、圖 4-7) 圖 4-6 原始圖像和水印圖像 圖 4-7 壓縮后提取的水印 提取的水印信息，經(jīng)過壓縮有一定程度的失真。 2對水印圖像進(jìn)行局部剪切 用 Photoshop 圖像處理軟件對水印圖像進(jìn)行局部剪切，得到剪切后的圖像(

35、圖 4-8) 圖 4-8 剪切后的水印圖像 下面用水印檢測程序，檢測剪切后的水印圖像中的水印信息，程序運行結(jié)果為 (圖 4-9、圖 4-10) 圖 4-9 原始圖像和水印圖像 圖 4-10 剪切提取的水印 可見，剪切后的水印信息仍能被檢測出來。 3.對水印圖像進(jìn)行減淡處理。 用 Photoshop 圖像處理軟件對水印圖像進(jìn)行減淡處理，得到減淡后的水印圖 像 (圖 4-11) 圖 4-11 減淡后的圖像 下面用水印檢測程序，檢測減淡后的水印圖像的水印信息，程序運行結(jié)果為 (圖 4-12 圖 4-13) 圖 4-12 原始圖像和水印圖像 圖 4-13 減淡后提取的水印 可見，水印信息能被檢測出來。

36、由于水印圖像被減淡了，相應(yīng)地水印信息也 被減淡了。 總結(jié)總結(jié) 系統(tǒng)實驗表明，通過離散小波變換可以實現(xiàn)數(shù)字水印的嵌入，提取與檢 測，同時通過不同的攻擊方法對水印圖像加以處理，測試了在保護(hù)信息產(chǎn)權(quán) 的穩(wěn)定性和可靠性。 在此次的設(shè)計中，我查閱了大量的資料并進(jìn)行收集，嘗試用不同的方法 去實現(xiàn)水印技術(shù)，獨立的進(jìn)行關(guān)于此方面的科學(xué)研究的考究，但是在學(xué)習(xí)和 探索的過程中依然存在以下問題： （1）對具體的水印算法的原理理解不夠，導(dǎo)致在運用的過程中遇到困難。 （2）水印嵌入算法存有一定的缺陷，在嵌入后水印圖像有一定的失真， 而且水印的不可見性也達(dá)不到很高的水準(zhǔn)。 （3）水印的抗攻擊能力較差，在對圖像進(jìn)行減淡處理

37、后，提取的水印有 一定程度的失真。 （4）只用了一種方法去實現(xiàn)水印，未能創(chuàng)新出更好的方法，在此后的研 究中多更多的注重。 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)： 1成禮智，王紅霞， 羅永. 小波的理論與應(yīng)用M . 科學(xué)出版社 2004.10. 2何風(fēng)華 .小波分析在信號消噪中的應(yīng)用J .兵工自動化 2002.6 3 楊義先 . 數(shù)字水印基礎(chǔ)教程M . 北京人民郵電出版社,2007 4劉振華, 尹萍 .息隱藏技術(shù)及其應(yīng)用M .北京科學(xué)出版社,2002. 5李春茹 . 基于小波變換和 HVS 的數(shù)字圖像水印技術(shù)D .西安電子科技大學(xué), 2004. 6孫兆林 . Matlab6 .x 圖像處理M . 北京清華大學(xué)出版社

38、 , 2004. 7袁淵,竇文華 . 一種基于小波變換域的數(shù)字圖像公開水印方案J . 計算機工程與應(yīng)用 , 2004. 8郭磊,郭寶龍 . 小波域數(shù)字圖像水印算法的研究J.計算機工程與應(yīng)用 2002，1 . 9黃華, 齊春,李俊. 一種新的丈本數(shù)字水印標(biāo)記策略和檢測方法M . 西安交通大學(xué) , 2002.6. 10EKoch，JZhao，Tovards Robust and Hidden Image Copyright Labeling，ProcOf1 995 IEEE Workshop Nonlinear Signal and Image Processing，1 995：2022. 11

39、LouD-C，LiuJ-L.Fault resilient and compression tolerant digital signature for image authentication 1EEETrans.on ConsumerElectron ics，2000,46(1). 英文摘要英文摘要 Study of digital watermark on wavelet transform and the realization on M atlab Abstract：Based on the principle and digital watermarking algorithm o

40、f hiding information analysis, understand the implementation methods and effects. In the information loading and extraction process, the breakthrough tradition encryption technology, with more professional detection means to protect proprietary information property. This paper used the watermark goo

41、d robustness and not receptivity, dedicated to the image processing, on the outside, digital watermarking also can be used in sound, video, etc. The realization of the technical means more WanShanHua will bring them more broad application prospect. KEY Word：Digital watermarking ；information hidden；

42、watermark extraction and detection ；JPEG compression ；matlab 致謝致謝 感謝在我這美好的大學(xué)生涯里遇見如此優(yōu)秀的導(dǎo)師們，不僅在學(xué)業(yè)上給我 莫大的先導(dǎo)作用，生活中也是給予了關(guān)懷，讓我的大學(xué)生涯充滿了溫馨與快樂。 在做此篇設(shè)計時，我的導(dǎo)師更是對我有很大的幫助作用，耐心的教導(dǎo)我如何去實 現(xiàn)，如何去操作，盡力的在幫助我完善好設(shè)計，讓我在畢業(yè)之際能夠做到更好， 對于她的寬容和理解，我非常感謝，同時感謝參加論文評審和答辯的各位老師， 感謝他們在百忙之中抽出時間對論文進(jìn)行指導(dǎo)和幫助。 附附 錄錄 A: 1.水印嵌入程序：水印嵌入程序： functi

43、on dwtgl clear all; clc; % 保存開始時間 start_time=cputime; figure(1); % 讀出原始圖像 subplot(1,2,1); input=imread(image.bmp); imshow(input); title(原始圖像); % 讀出水印 subplot(1,2,2); water=imread(water2.bmp); imshow(water,); title(水印); % 三色分離 input=double(input); water=double(water); inputr=input(: , : , 1); waterr=

44、water(: , : , 1); inputg=input(: , : , 2); waterg=water(: , : , 2); inputb=double(input(: , : , 3); waterb=double(water(: , : , 3); % 系數(shù)r大，增加魯棒性，r小增加透明性 r=0.06; % 水印R的分解 Cwr,Swr=WAVEDEC2(waterr,1,haar); % 圖像R的分解 Cr,Sr=WAVEDEC2(inputr,2,haar); % 水印的嵌入 % Cr(1: size(Cwr,2)/16)=. % Cr(1:size(Cwr,2)/16)+

45、r*Cwr(1:size(Cwr,2)/16); k=0; while k=size(Cr,2)/size(Cwr,2)-1 Cr(1+size(Cr,2)/4+k*size(Cwr,2)/4:size(Cr,2)/4+. (k+1)*size(Cwr,2)/4)=Cr(1+size(Cr,2)/4+. k*size(Cwr,2)/4:size(Cr,2)/4+(k+1)*size(Cwr,2)/4)+. r*Cwr(1+size(Cwr,2)/4:size(Cwr,2)/2); Cr(1+size(Cr,2)/2+k*size(Cwr,2)/4:size(Cr,2)/2+. (k+1)*si

46、ze(Cwr,2)/4)=Cr(1+size(Cr,2)/2+. k*size(Cwr,2)/4:size(Cr,2)/2+(k+1)*size(Cwr,2)/4)+. r*Cwr(1+size(Cwr,2)/2:3*size(Cwr,2)/4); Cr(1+3*size(Cr,2)/4+k*size(Cwr,2)/4:3*size(Cr,2)/4+. (k+1)*size(Cwr,2)/4)=Cr(1+3*size(Cr,2)/4+. k*size(Cwr,2)/4:3*size(Cr,2)/4+(k+1)*size(Cwr,2)/4)+. r*Cwr(1+3*size(Cwr,2)/4:s

47、ize(Cwr,2); k=k+1; end; Cr(1:size(Cwr,2)/4)=Cr(1:size(Cwr,2)/4)+r*Cwr(1:size(Cwr,2)/4); g=0.03 % 水印G的分解 Cwg,Swg=WAVEDEC2(waterg,1,haar); % 圖像G的分解 Cg,Sg=WAVEDEC2(inputg,2,haar); % 水印的嵌入 % Cg(1:size(Cwg,2)/16)=. % Cg(1:size(Cwg,2)/16)+g*Cwg(1:size(Cwg,2)/16); k=0; while k=size(Cg,2)/size(Cwg,2)-1 Cg(1

48、+size(Cg,2)/4+k*size(Cwg,2)/4:size(Cg,2)/4+. (k+1)*size(Cwg,2)/4)=Cg(1+size(Cg,2)/4+. k*size(Cwg,2)/4:size(Cg,2)/4+(k+1)*size(Cwg,2)/4)+. g*Cwg(1+size(Cwg,2)/4:size(Cwg,2)/2); Cg(1+size(Cg,2)/2+k*size(Cwg,2)/4:size(Cg,2)/2+. (k+1)*size(Cwg,2)/4)=Cg(1+size(Cg,2)/2+. k*size(Cwg,2)/4:size(Cg,2)/2+(k+1)

49、*size(Cwg,2)/4)+. g*Cwg(1+size(Cwg,2)/2:3*size(Cwg,2)/4); Cg(1+3*size(Cg,2)/4+k*size(Cwg,2)/4:3*size(Cg,2)/4+. (k+1)*size(Cwg,2)/4)=Cg(1+3*size(Cg,2)/4+. k*size(Cwg,2)/4:3*size(Cg,2)/4+(k+1)*size(Cwg,2)/4)+. g*Cwg(1+3*size(Cwg,2)/4:size(Cwg,2); k=k+1; end; Cg(1:size(Cwg,2)/4)=Cg(1:size(Cwg,2)/4)+g*C

50、wg(1:size(Cwg,2)/4); b=0.12; % 水印B的分解 Cwb,Swb=WAVEDEC2(waterb,1,haar); % 圖像B的分解 Cb,Sb=WAVEDEC2(inputb,2,haar); % 水印的嵌入 % Cb(1:size(Cwb,2)/16)=. % Cb(1:size(Cwb,2)/16)+b*Cwb(1:size(Cwb,2)/16); k=0; while k=size(Cb,2)/size(Cwb,2)-1 Cb(1+size(Cb,2)/4+k*size(Cwb,2)/4:size(Cb,2)/4+. (k+1)*size(Cwb,2)/4)=

51、Cb(1+size(Cb,2)/4+. k*size(Cwb,2)/4:size(Cb,2)/4+(k+1)*size(Cwb,2)/4)+. b*Cwb(1+size(Cwb,2)/4:size(Cwb,2)/2); Cb(1+size(Cb,2)/2+k*size(Cwb,2)/4:size(Cb,2)/2+. (k+1)*size(Cwb,2)/4)=Cb(1+size(Cb,2)/2+. k*size(Cwb,2)/4:size(Cb,2)/2+(k+1)*size(Cwb,2)/4)+. b*Cwb(1+size(Cwb,2)/2:3*size(Cwb,2)/4); Cb(1+3*s

52、ize(Cb,2)/4+k*size(Cwr,2)/4:3*size(Cb,2)/4+. (k+1)*size(Cwr,2)/4)=Cb(1+3*size(Cb,2)/4+. k*size(Cwb,2)/4:3*size(Cb,2)/4+(k+1)*size(Cwb,2)/4)+. b*Cwb(1+3*size(Cwb,2)/4:size(Cwb,2); k=k+1; end; Cb(1:size(Cwb,2)/4)=Cb(1:size(Cwb,2)/4)+b*Cwb(1:size(Cwb,2)/4); % 圖像的重構(gòu) inputr=WAVEREC2(Cr,Sr,haar); inputg=W

53、AVEREC2(Cg,Sg,haar); inputb=WAVEREC2(Cb,Sb,haar); % 三色的疊加 temp=size(inputr); pic=zeros(temp(1),temp(2),3); for i=1:temp(1); for j=1: temp(2); pic(i,j,1)=inputr(i,j); pic(i,j,2)=inputg(i,j); pic(i,j,3)=inputb(i,j); end end output = uint8(round(pic); % 轉(zhuǎn)化為 uint8 watermarked_image_uint8=uint8(output);

54、imwrite(watermarked_image_uint8,watermarked_lena.bmp,bmp); % 顯示時間 elapsed_time=cputime-start_time, %輸出結(jié)果 figure(2); imshow(watermarked_image_uint8); title(水印圖像); 2.水印提取程序：水印提取程序： clear all; clc; % 保存開始時間 start_time=cputime figure(1); % 讀出原始圖像 subplot(1,2,1); input=imread(image.bmp); imshow(input); t

55、itle(原始圖像); % 讀出水印圖像 subplot(1,2,2); watermarked_image=imread(watermarked.bmp); imshow(watermarked_image,); title(水印圖像); % 三色分離 input=double(input); watermarked_image=double(watermarked_image); inputr=input(: , : , 1); watermarked_imager=watermarked_image(: , : , 1); inputg=input(: , : , 2); waterma

56、rked_imageg=watermarked_image(: , : , 2); inputb=input(: , : , 3); watermarked_imageb=watermarked_image(: , : , 3); %- % 水印圖像R的分解 Cwr,Swr=WAVEDEC2(watermarked_imager,2,haar); % 圖像R的分解 Cr,Sr=WAVEDEC2(inputr,2,haar); % 水印圖像G的分解 Cwg,Swg=WAVEDEC2(watermarked_imageg,2,haar); % 圖像G的分解 Cg,Sg=WAVEDEC2(input

57、g,2,haar); %水印圖像B的分解 Cwb,Swb=WAVEDEC2(watermarked_imageb,2,haar); % 圖像B的分解 Cb,Sb=WAVEDEC2(inputb,2,haar); %- % 提取水印的小波系數(shù) r=0.06 for k=0:3 whr(k+1,:)=Cwr(1+size(Cwr,2)/4+k*size(Cwr,2)/16:. size(Cwr,2)/4+(k+1)*size(Cwr,2)/16)-. Cr(1+size(Cr,2)/4+k*size(Cr,2)/16:. size(Cr,2)/4+(k+1)*size(Cr,2)/16); wvr

58、(k+1,:)=Cwr(1+size(Cwr,2)/2+k*size(Cwr,2)/16:. size(Cwr,2)/2+(k+1)*size(Cwr,2)/16)-. Cr(1+size(Cr,2)/2+k*size(Cr,2)/16:. size(Cr,2)/2+(k+1)*size(Cr,2)/16); wdr(k+1,:)=Cwr(1+3*size(Cwr,2)/4+k*size(Cwr,2)/16:. 3*size(Cwr,2)/4+(k+1)*size(Cwr,2)/16)-. Cr(1+3*size(Cr,2)/4+k*size(Cr,2)/16:. 3*size(Cr,2)/4

59、+(k+1)*size(Cr,2)/16); end whr=(whr(1,:)+whr(2,:)+whr(3,:)+whr(4,:)/(4*r); wvr=(wvr(1,:)+wvr(2,:)+wvr(3,:)+wvr(4,:)/(4*r); wdr=(wdr(1,:)+wdr(2,:)+wdr(3,:)+wdr(4,:)/(4*r); war=(Cwr(1:size(Cwr,2)/16)-Cr(1:size(Cr,2)/16)/r; g=0.03 for k=0:3 whg(k+1,:)=Cwg(1+size(Cwg,2)/4+k*size(Cwg,2)/16:. size(Cwg,2)/4+(k+1)*size(Cwg,2)/16)-Cg(1+. size(Cg,2)/4+k*size(Cg,2)/16:. size(Cg,2)/4+(k+1)*size(Cg,2)/16); wvg(k+1,:)=Cwg(1+size(Cwg,2)/2+k*size(Cwg,2)/16:. size(Cwg,2)/2+(k+1)*size(Cwg,2)/16)-Cg(1+. size(Cg,2)/2+k*size(Cg,2)/16:. size(Cg,