圖像數(shù)字水印技術(shù)在信息安全中的應(yīng)用

1、華清學(xué)院課程設(shè)計(jì)（論文）課程名稱(chēng)：圖像數(shù)字水印技術(shù)在信息安全中的應(yīng)用院 （系）： 信息與控制工程系 專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 通信1102 姓 名： 黨 浩 學(xué) 號(hào)： 201106020211 2014年 12 月 17 日西安建筑科技大學(xué)華清學(xué)院課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 通信1102班 學(xué)生姓名： 黨 浩 指導(dǎo)教師（簽名）： 一、 課程設(shè)計(jì)（論文）題目圖像水印技術(shù)的在信息安全中的應(yīng)用二、本次課程設(shè)計(jì)（論文）應(yīng)達(dá)到的目的通過(guò)課程設(shè)計(jì)讓學(xué)生較深入地理解信息網(wǎng)技術(shù)在通信工程專(zhuān)業(yè)系列課程中的地位、作用和意義；加深對(duì)基本概念和基本原理的理解和應(yīng)用，并能夠用所學(xué)知識(shí)分析、初步設(shè)計(jì)和解決與網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用相關(guān)的現(xiàn)實(shí)技術(shù)

2、問(wèn)題，在實(shí)踐中能夠舉一反三。 三、本次課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)的主要內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)參數(shù)、設(shè)計(jì)要求等） 主要內(nèi)容：1）掌握?qǐng)D像處理的基本方法和原理2) 掌握水印技術(shù)的相關(guān)概念及水印技術(shù)在信息安全中應(yīng)用原理；要求：1） 掌握?qǐng)D像水印算法；2） 寫(xiě)出相應(yīng)算法的MATLAB程序，并給出仿真結(jié)果；四、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻(xiàn)： 1） 數(shù)字圖像處理，王慧琴，北京郵電大學(xué)出版社；2） 數(shù)字信號(hào)處理，朱光明譯，機(jī)械工業(yè)出版社3） MATLAB數(shù)字信號(hào)處理，王彬，機(jī)械工業(yè)出版社五、審核批準(zhǔn)意見(jiàn)教研室主任（簽字） 目 錄摘 要3第一章 緒 論4第二章圖像數(shù)字水印技術(shù)的基本原理及算法52.1圖像數(shù)字水

3、印的基本原理52.1.1水印的生成52.1.2 水印的嵌入52.1.3 水印的提取和檢測(cè)62.1.4 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果7 2.1.5 水印的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn).82.2圖像數(shù)字水印具備的特點(diǎn)92.3圖像數(shù)字水印算法10第三章MATLAB在圖像數(shù)字水印技術(shù)中的應(yīng)用133.1 MATLAB圖像處理函數(shù)簡(jiǎn)介153.2 MATLAB在水印預(yù)處理中的應(yīng)用153.3 MATLAB在圖像數(shù)字水印實(shí)現(xiàn)中實(shí)用、高效的體現(xiàn)17參考文獻(xiàn)19 內(nèi)容摘要 本文重點(diǎn)研究數(shù)字媒體信息隱藏技術(shù)的理論與方法,介紹了數(shù)字水印的研究背景、基本原理、應(yīng)用領(lǐng)域以及當(dāng)前國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r。本論文結(jié)合數(shù)字水印技術(shù)的相關(guān)知識(shí),討論了如下問(wèn)題:(1)數(shù)字水印

4、系統(tǒng)模型。(2)數(shù)字水印的基本要求。(3)數(shù)字水印技術(shù)的應(yīng)用前景。(4)數(shù)字水印的分類(lèi),包括各類(lèi)水印的基本概念,相關(guān)算法、性能及發(fā)展趨勢(shì)的分析與討論。(5)數(shù)字水印的關(guān)鍵技術(shù)。(6)MATLAB在圖像數(shù)字水印技術(shù)中的應(yīng)用關(guān)鍵詞: 數(shù)字水印 信息隱藏 版權(quán)保護(hù) 第一章 緒 論隨著數(shù)字媒體技術(shù)和Internet技術(shù)的快速發(fā)展，信息媒體的數(shù)字化為信息的存取提供了極大的便利性，同時(shí)也顯著提高了信息表達(dá)的效率和準(zhǔn)確性。Internet的普及又為數(shù)字信息在世界范圍內(nèi)的迅速傳遞開(kāi)辟了便捷的途徑。特別是隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的發(fā)達(dá)，數(shù)據(jù)的交換和傳輸變成了一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的過(guò)程?，F(xiàn)在，數(shù)字音頻、數(shù)字圖像和數(shù)字視頻等

5、各種數(shù)字作品在網(wǎng)絡(luò)上的發(fā)布比比皆是。人們借助于計(jì)算機(jī)、數(shù)字掃描儀、打印機(jī)等電子設(shè)備可以方便、迅速地將數(shù)字信息傳輸?shù)剿谕牡胤剑瑪?shù)字信息存儲(chǔ)與傳輸技術(shù)的不斷進(jìn)步，帶動(dòng)了數(shù)字媒體應(yīng)用的飛快發(fā)展。然而，開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和便捷的信息處理技術(shù)，也導(dǎo)致信息安全和數(shù)字作品版權(quán)保護(hù)的問(wèn)題日趨嚴(yán)重，這些數(shù)字形式的文件或作品使有惡意的個(gè)人和團(tuán)體在沒(méi)有得到作品所有者的許可下拷貝和傳播有版權(quán)的內(nèi)容，例如，盜版者利用便利的網(wǎng)絡(luò)信息制造出和原版一樣復(fù)制品來(lái)獲取暴利；一些重要的文件信息遭到篡改偽造和惡意攻擊等等。這一系列便于我們使用的數(shù)字化特性所帶來(lái)的負(fù)面效應(yīng)，已成為信息產(chǎn)業(yè)健康、持續(xù)發(fā)展的一大障礙。對(duì)數(shù)字化信息產(chǎn)品實(shí)施有

6、效的版權(quán)保護(hù)，成為迫在眉睫的研究課題。數(shù)字水印技術(shù)是信息隱藏技術(shù)研究領(lǐng)域的重要分支，作為傳統(tǒng)加密技術(shù)的有效補(bǔ)充，近年來(lái)引起人們的高度重視，被認(rèn)為是解決上述問(wèn)題的最具潛力的技術(shù)之一，已成為信息安全領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。在多媒體信息中加入數(shù)字水印可以確認(rèn)版權(quán)所有者、認(rèn)證多媒體信息來(lái)源的真實(shí)性、識(shí)別購(gòu)買(mǎi)者、提供有關(guān)數(shù)字內(nèi)容的其它附加信息、確認(rèn)所有權(quán)認(rèn)證和跟蹤侵權(quán)行為等等。它在篡改鑒定、數(shù)據(jù)的分級(jí)訪(fǎng)問(wèn)、數(shù)據(jù)跟蹤和檢測(cè)、商業(yè)和視頻廣播、Internet數(shù)字媒體的服務(wù)付費(fèi)、電子商務(wù)認(rèn)證鑒定等方面具有十分廣闊的應(yīng)用前景。第二章圖像數(shù)字水印技術(shù)的基本原理及算法2.1圖像數(shù)字水印的基本原理數(shù)字水印技術(shù)是通過(guò)一定的

7、算法將一些標(biāo)志性信息直接嵌到多媒體內(nèi)容當(dāng)中, 但不影響原內(nèi)容的價(jià)值和使用, 并且不能被人的知覺(jué)系統(tǒng)覺(jué)察或注意到。水印信息可以是作者的序列號(hào)、公司標(biāo)志、有特殊意義的文本等, 可用來(lái)識(shí)別文件、圖像或音樂(lè)制品的來(lái)源、版本、原作者、擁有者、發(fā)行人、合法使用人對(duì)數(shù)字產(chǎn)品的擁有權(quán)。與加密技術(shù)不同,數(shù)字水印技術(shù)并不能阻止盜版活動(dòng)的發(fā)生, 但它可以判別對(duì)象是否受到保護(hù), 監(jiān)視被保護(hù)數(shù)據(jù)的傳播、真?zhèn)舞b別和非法拷貝, 解決版權(quán)糾紛并為法庭提供證據(jù)。為了給攻擊者增加去除水印的難度, 目前大多數(shù)水印制作方案都采用密碼學(xué)中的加密(包括公開(kāi)密鑰、私有密鑰) 體系來(lái)加強(qiáng), 在水印的嵌入、提取時(shí)采用一種密鑰, 甚至幾種密鑰聯(lián)

8、合使用。2.1.1水印的生成水印可由多種模型構(gòu)成，如隨機(jī)數(shù)字序列、數(shù)字標(biāo)識(shí)、文本以及圖像等。從魯棒性和安全性考慮，常常需要對(duì)水印進(jìn)行隨機(jī)化以及加密處理。設(shè)I為原始圖像，W為水印信號(hào)，K為密鑰，那么加密處理后的水印由函數(shù)F定義如下：=F（I，W，K） （2-1）如果水印所有者不希望水印被其他人知道，那么函數(shù)F應(yīng)該是非可逆的，如經(jīng)典的DES加密算法等。這是將水印技術(shù)與加密算法結(jié)合起來(lái)的一個(gè)通用方法，目的是為了提高水印的可靠性、安全性和通用性。2.1.2 水印的嵌入本文算法利用Watson提出的小波域人眼視覺(jué)系統(tǒng)的可見(jiàn)度閾值（JND），將宿主圖像的小波系數(shù)量化為0,1序列，將此作為該圖像的水印，并以

9、稀疏矩陣的形式存儲(chǔ)下來(lái)。為了在不損壞原始圖像質(zhì)量的情況下，把能量盡可能大的水印信息嵌到圖像中，使認(rèn)證水印具有對(duì)有損壓縮等一般性操作最大的魯棒性，本算法采用可見(jiàn)度閾值（JND）作為量化間隔。水印嵌入過(guò)程如圖1所示。算法步驟如下：水印信號(hào)嵌入水印后的信號(hào)水印嵌入算法原始信號(hào)密 匙圖2-1 水印嵌入框圖2.1.3 水印的提取和檢測(cè)水印提取和檢測(cè)過(guò)程分別如圖2-2和2-3所示。水印的提取和檢測(cè)可以作用于任何產(chǎn)品，提取和檢測(cè)可以需要原始產(chǎn)品的參與，也可以不需要原始產(chǎn)品的參與。若將這一過(guò)程定義為解碼函數(shù)D，那么輸出可以是一個(gè)判定水印存在與否的0-1決策，也可以是包含各種信息的數(shù)據(jù)流，如文本、圖像等。如果己

10、知原始圖像I和有版權(quán)疑問(wèn)的圖像，則有： （2-5）帶水印信號(hào)水印嵌入算法提取的水印信號(hào)原始信號(hào)密 匙圖2-2 水印提取框圖在某些水印系統(tǒng)中，水印可以被精確地抽取出來(lái)，這一過(guò)程被稱(chēng)作水印提取。比如在完整性認(rèn)證應(yīng)用中，必須能夠精確地提取出插入的水印，并且通過(guò)水印的完整性來(lái)確認(rèn)多媒體數(shù)據(jù)的完整性。如果提取出的水印發(fā)生了部分的變化，最好還能夠通過(guò)發(fā)生變化的水印的位置來(lái)確定原始數(shù)據(jù)被篡改的位置。對(duì)于強(qiáng)壯水印，通常不可能精確地提取出插入的原始水印，因?yàn)橐粋€(gè)應(yīng)用如果需要強(qiáng)壯水印，說(shuō)明這個(gè)應(yīng)用很可能遭受到各種惡意的攻擊，水印數(shù)據(jù)歷經(jīng)這些操作后，提取出的水印通常已經(jīng)面目全非，這時(shí)需要一個(gè)水印檢測(cè)過(guò)程。水印檢測(cè)框

11、圖如圖2-3所示：含水印待檢測(cè)信號(hào)Y判斷水印檢測(cè)原始信號(hào)N無(wú)水印密 匙圖2-3 水印檢測(cè)框圖從以上論述可以看出，水印提取的任務(wù)是從嵌入水印的數(shù)據(jù)中提取水印信號(hào)，而水印檢測(cè)的任務(wù)是判斷某一數(shù)據(jù)內(nèi)容中是否存在指定的水印信號(hào)。另外，水印檢測(cè)的結(jié)果依賴(lài)于一個(gè)闡值，當(dāng)相關(guān)性檢測(cè)的結(jié)果超過(guò)這個(gè)閩值時(shí)，給出含有指定水印的結(jié)論。通常水印檢測(cè)的第一步是水印提取，然后是水印判決。水印判決的通行做法是相關(guān)性檢測(cè)。選擇一個(gè)相關(guān)性判決標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算提取出的水印與指定的水印的相關(guān)值，如果相關(guān)值足夠高，則可以基本斷定被檢測(cè)數(shù)據(jù)含有指定的水印。檢測(cè)器的輸出結(jié)果如充分可信則可在法庭上作為版權(quán)保護(hù)的潛在證據(jù)。2.1.4 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

12、 為驗(yàn)證本文所提出的認(rèn)證方法是否能夠滿(mǎn)足對(duì)一般性操作具有魯棒性、對(duì)篡改操作具有敏感性的要求，我們對(duì)標(biāo)準(zhǔn)圖像進(jìn)行了測(cè)試。圖像分解層數(shù)L=4。采用峰值信噪比客觀(guān)評(píng)價(jià)水印圖像的質(zhì)量。2.1.5 水印的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不同的應(yīng)用對(duì)水印的特性要求是不同的。水印的特性對(duì)水印系統(tǒng)的性能提供了準(zhǔn)確的評(píng)估,如何在多種性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)下選擇性能的指標(biāo),則是由具體的應(yīng)用來(lái)決定的。同時(shí),也可以根據(jù)應(yīng)用的需求調(diào)整水印系統(tǒng)的特性,使各個(gè)特性在調(diào)整的過(guò)程中獲得平衡。某個(gè)特性的改善,通常是通過(guò)犧牲其他特性得到的。水印的特性可以從以下幾個(gè)方面來(lái)研究: 1.嵌入水印的有效性:成功地將水印信息嵌入到隨機(jī)載體的概率。 2.失真率:嵌入水印后宿主

13、與原宿主的差別。 3.盲檢測(cè):不需要宿主信息就可以檢測(cè)出水印信息。4.帶輔助信息檢測(cè):需要原始載體有關(guān)的信息,才能檢測(cè)出水印。5.魯棒性:水印系統(tǒng)承載常規(guī)處理的能力。6.安全性:水印系統(tǒng)抵抗惡意攻擊的能力。7.密鑰:水印信息的加密解密或者通過(guò)密鑰來(lái)控制水印的嵌入和提取。8.多水印:同一載體中是否可以嵌入多個(gè)水印(互不干擾)。9.水印容量:水印系統(tǒng)可以攜帶的最大有效載荷數(shù)據(jù)量。10.計(jì)算量:嵌入算法與提取算法的計(jì)算成本。2.2圖像數(shù)字水印應(yīng)具備的特點(diǎn)(1) 不可感知性(unperceptivity) 。不可感知包含兩方面的意思, 一個(gè)指視覺(jué)上的不可感知性(對(duì)聽(tīng)覺(jué)也是同樣的要求) , 即因嵌入水印

14、導(dǎo)致圖像的變化對(duì)觀(guān)察者的視覺(jué)系統(tǒng)來(lái)講應(yīng)該是不可察覺(jué)的,最理想的情況是水印圖像與原始圖像在視覺(jué)上一模一樣, 這是絕大多數(shù)水印算法所應(yīng)達(dá)到的要求; 另一方面水印用統(tǒng)計(jì)方法也是不能恢復(fù)的, 如對(duì)大量的用同樣方法和水印處理過(guò)的信息產(chǎn)品即使用統(tǒng)計(jì)方法也無(wú)法提取水印或確定水印的存在。(2) 魯棒性( robustness) 。加入水印的圖像在傳播過(guò)程中必然會(huì)受到各種有意或無(wú)意的干擾。一個(gè)數(shù)字水印應(yīng)該能夠承受大量的、不同的物理和幾何失真, 包括有意的如: 惡意攻擊、移去水印和使水印無(wú)法提取, 無(wú)意的如: 圖像壓縮、濾波、掃描與復(fù)印、邊緣增強(qiáng)、抖動(dòng)、APD、DPA 轉(zhuǎn)換等信號(hào)處理、噪聲污染、尺寸變化等。(3)

15、 安全性( safty) 。即使水印算法公開(kāi), 它同樣能防止未授權(quán)團(tuán)體移去水印或加入一個(gè)假的水印。(4) 透明性(invisibility) 。利用人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)或人類(lèi)聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)屬性, 經(jīng)過(guò)一系列隱藏處理, 使目標(biāo)數(shù)據(jù)沒(méi)有明顯的降質(zhì)現(xiàn)象, 而隱藏的數(shù)據(jù)卻無(wú)法人為地看見(jiàn)或聽(tīng)見(jiàn)。(5) 可證明性(justification) 。水印應(yīng)能為受到版權(quán)保護(hù)的信息產(chǎn)品的歸屬提供完全和可靠的證據(jù)。不難分析出, 某些要求之間存在沖突, 比如不可感知性和健壯性、隱藏能力和不可感知性, 增加一方必然會(huì)降低另一方。實(shí)際上, 水印技術(shù)的一個(gè)重要方面是研究如何折衷這些要求。(6) 水印容量(volume) 。嵌入的水印信息

16、必須足以表示多媒體內(nèi)容的創(chuàng)建者或所有者的標(biāo)志信息, 或是購(gòu)買(mǎi)者的序列號(hào)。這樣在發(fā)生版權(quán)糾紛時(shí), 創(chuàng)建者或所有者的信息用于標(biāo)示數(shù)據(jù)的版權(quán)所有者, 而序列號(hào)用于標(biāo)示違反協(xié)議而為盜版提供多媒體數(shù)據(jù)的用戶(hù)。2.3圖像數(shù)字水印算法近年來(lái)，數(shù)字水印技術(shù)取得了很大進(jìn)步，出現(xiàn)了許多優(yōu)秀的算法，包括文本、圖像、圖形、視頻及音頻數(shù)字水印算法。根據(jù)數(shù)字水印的加載方法的不同，可分為2大類(lèi)：空間域水印算法和變換域水印算法。在這些算法中，水印信息一般是一個(gè)隨機(jī)信號(hào)，水印嵌入在時(shí)域或變換域中進(jìn)行，并采用假設(shè)檢驗(yàn)來(lái)測(cè)試被測(cè)圖像是否含有水印信息。下面對(duì)一些典型的算法進(jìn)行分析討論，除特別指明外，這些算法主要針對(duì)圖像數(shù)據(jù)。(1)空

17、域算法：該類(lèi)算法中典型的水印算法是將信息嵌入到隨機(jī)選擇的圖像點(diǎn)中最不重要的像素位 (LSB: least significant bits)上，這可保證嵌入的水印是不可見(jiàn)的。但是由于使用了圖像不重要的像素位，算法的魯棒性差，水印信息很容易為濾波、圖像量化、幾何變形的操作破壞。(2)Patchwork算法:方法是隨機(jī)選擇N對(duì)像素點(diǎn) (ai，bi) ，然后將每個(gè)ai點(diǎn)的亮度值加 1 ，每個(gè)bi點(diǎn)的亮度值減 1，這樣整個(gè)圖像的平均亮度保持不變。適當(dāng)?shù)卣{(diào)整參數(shù)，Patchwork方法對(duì)JPEG壓縮、FIR濾波以及圖像裁剪有一定的抵抗力，但該方法嵌入的信息量有限。為了嵌入更多的水印信息，可以將圖像分塊，

18、然后對(duì)每一個(gè)圖像塊進(jìn)行嵌入操作。(3)變換域算法:該類(lèi)算法中，大部分水印算法采用了擴(kuò)展頻譜通信 (spread spectrum communication)技術(shù)。先計(jì)算圖像的離散余弦變換 (DCT)，然后將水印疊加到DCT域中幅值最大的前k系數(shù)上(不包括直流分量)，通常為圖像的低頻分量。若DCT系數(shù)的前k個(gè)最大分量表示為D= di ，i=1 ， ，k，水印是服從高斯分布的隨機(jī)實(shí)數(shù)序列W = wi ，i=1 ， ，k，那么水印的嵌入算法為di = di(1 + awi)，其中常數(shù)a為尺度因子，控制水印添加的強(qiáng)度。然后用新的系數(shù)做反變換得到水印圖像I。解碼函數(shù)則分別計(jì)算原始圖像I和水印圖像I的離

19、散余弦變換，并提取嵌入的水印W，再做相關(guān)檢驗(yàn)以確定水印的存在與否。該方法即使當(dāng)水印圖像經(jīng)過(guò)一些通用的幾何變形和信號(hào)處理操作而產(chǎn)生比較明顯的變形后仍然能夠提取出一個(gè)可信賴(lài)的水印拷貝。另外，還可以將數(shù)字圖象的空間域數(shù)據(jù)通過(guò)離散傅里葉變換(DFT)或離散小波變換(DWT)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的頻域系數(shù)；其次，根據(jù)待隱藏的信息類(lèi)型，對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)編碼或變形；再次，根據(jù)隱藏信息量的大小和其相應(yīng)的安全目標(biāo)，選擇某些類(lèi)型的頻域系數(shù)序列（如高頻或中頻或低頻）；再次，確定某種規(guī)則或算法，用待隱藏的信息的相應(yīng)數(shù)據(jù)去修改前面選定的頻域系數(shù)序列；最后，將數(shù)字圖象的頻域系數(shù)經(jīng)相應(yīng)的反變換轉(zhuǎn)化為空間域數(shù)據(jù)。該類(lèi)算法的隱藏和提取信息操

20、作復(fù)雜，隱藏信息量不能很大，但抗攻擊能力強(qiáng)，很適合于數(shù)字作品版權(quán)保護(hù)的數(shù)字水印技術(shù)中。(4)壓縮域算法:JPEG、MPEG標(biāo)準(zhǔn)的壓縮域數(shù)字水印系統(tǒng)不僅節(jié)省了大量的完全解碼和重新編碼過(guò)程，而且在數(shù)字電視廣播及VOD(Video on Demand)中有很大的實(shí)用價(jià)值。相應(yīng)地，水印檢測(cè)與提取也可直接在壓縮域數(shù)據(jù)中進(jìn)行。例如對(duì)于輸入的MPEG-2數(shù)據(jù)流而言，它可分為數(shù)據(jù)頭信息、運(yùn)動(dòng)向量(用于運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償)和DCT編碼信號(hào)塊3部分，在方案中只有MPEG-2數(shù)據(jù)流最后一部分?jǐn)?shù)據(jù)被改變，其原理是，首先對(duì)DCT編碼數(shù)據(jù)塊中每一輸入的Huffman碼進(jìn)行解碼和逆量化，以得到當(dāng)前數(shù)據(jù)塊的一個(gè)DCT系數(shù);其次，把相應(yīng)

21、水印信號(hào)塊的變換系數(shù)與之相加，從而得到水印疊加的DCT系數(shù)，再重新進(jìn)行量化和Huffman編碼，最后對(duì)新的Huffman碼字的位數(shù)n1與原來(lái)的無(wú)水印系數(shù)的碼字 n0進(jìn)行比較，只在n1不大于n0的時(shí)候，才能傳輸水印碼字，否則傳輸原碼字，這就保證了不增加視頻數(shù)據(jù)流位率。即水印信號(hào)的引入是一種引起降質(zhì)的誤差信號(hào)，而基于運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)木幋a方案會(huì)將一個(gè)誤差擴(kuò)散和累積起來(lái)，為解決此問(wèn)題，該算法采取了漂移補(bǔ)償?shù)姆桨竵?lái)抵消因水印信號(hào)的引入所引起的視覺(jué)變形。(5)NEC算法:該算法由NEC實(shí)驗(yàn)室的Cox等人提出，該算法在數(shù)字水印算法中占有重要地位，其實(shí)現(xiàn)方法是，首先以密鑰為種子來(lái)產(chǎn)生偽隨機(jī)序列，該序列具有高斯N(0

22、， 1)分布，密鑰一般由作者的標(biāo)識(shí)碼和圖象的哈希值組成，其次對(duì)圖象做DCT變換，最后用偽隨機(jī)高斯序列來(lái)調(diào)制(疊加)該圖象除直流(DC)分量外的1000個(gè)最大的DCT系數(shù)。該算法具有較強(qiáng)的魯棒性、安全性、透明性等。由于采用特殊的密鑰，因此可防止IBM攻擊，而且該算法還提出了增強(qiáng)水印魯棒性和抗攻擊算法的重要原則，即水印信號(hào)應(yīng)該嵌入源數(shù)據(jù)中對(duì)人感覺(jué)最重要的部分，這種水印信號(hào)由獨(dú)立同分布隨機(jī)實(shí)數(shù)序列構(gòu)成，且該實(shí)數(shù)序列應(yīng)該具有高斯分布N (0，1)的特征。第三章MATLAB在圖像數(shù)字水印技術(shù)中的應(yīng)用3.1 MATLAB圖像處理函數(shù)簡(jiǎn)介由于著重討論圖像數(shù)字水印,所以以表格形式只給出二維信號(hào)(語(yǔ)音為一維信號(hào)

23、、圖像為二維信號(hào))處理函數(shù),見(jiàn)表1至表4。表1圖像顯示和輸入輸出函數(shù)函數(shù) 功能Imread 從圖形文件中讀取圖像Imshow 顯示圖像Imwrite 將圖像寫(xiě)入圖形文件中Truesize 調(diào)整圖像顯示尺寸Imfinfo 返回圖形文件信息Subimage 在一幅圖中顯示多幅圖像Load 將*.mat的圖像文件調(diào)入到內(nèi)存Save 保存工作區(qū)中的變量到3 . mat格式的圖像文件中表2圖像變換函數(shù)函數(shù) 功能Fft2 計(jì)算二維快速傅里葉變換Ifft2 計(jì)算二維傅里葉變換的反變換Dct2 進(jìn)行二維離散余弦變換Idct2 計(jì)算二維離散反余弦變換Dwt2 一層二維離散小波變換Idwt2 一層二維離散小波反變

24、換Wavedec2 多層二維小波分解Waverec2 多層二維小波重構(gòu)Detcoef2 提取二維小波分解高頻系數(shù)Appcoef2 提取二維小波分解低頻系數(shù)Upwlev2 二維小波分解的單層重構(gòu)Wrcoef2 二維小波分解系數(shù)單層重構(gòu)Upcoef2 二維小波分解的直接重構(gòu)Radon 計(jì)算圖像在指定角度的radon變換表3圖像類(lèi)型轉(zhuǎn)換和顏色空間轉(zhuǎn)換函數(shù) 功能Gray2ind 將灰度圖像轉(zhuǎn)換為索引圖像Ind2gray 將索引圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像Rgb2gray 轉(zhuǎn)換RGB圖像或顏色映像表為灰度圖像Im2bw 將圖像轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制圖像Mat2gray 將矩陣轉(zhuǎn)換為灰度圖像Im2unit16 轉(zhuǎn)換圖像陣列為

25、16位無(wú)符號(hào)整型Im2double 轉(zhuǎn)換圖像矩陣為雙精度型im2uint8 轉(zhuǎn)換圖像陣列為8 位無(wú)符號(hào)整型Isbw 判斷是否為二進(jìn)制圖像Isgray 判斷是否為灰度圖像Isind 判斷是否為索引圖像Isgrb 判斷是否為RGB圖像Rgb2hsv 轉(zhuǎn)換RGB值為HSV顏色空間Hsv2rgb 轉(zhuǎn)換HSV值為RGB顏色空間Rgb2ycbcr 轉(zhuǎn)換RGB的值為YcbCr顏色空間Ycbcr2rgb 轉(zhuǎn)化YcbCr值為RGB顏色空間rgb2ntsc 轉(zhuǎn)換RGB的值為NTSC顏色空間nts表4攻擊測(cè)試函數(shù)函數(shù) 功能Imcrop 剪切圖像Imrotate 旋轉(zhuǎn)圖像Imresize 改變圖像大小Histeq 實(shí)

26、現(xiàn)對(duì)輸入圖像的直方圖均衡化Imadjust 調(diào)整圖像灰度值或顏色映像表Imnoise 給圖像加入噪聲Imresize 改變圖像大小Dither 通過(guò)抖動(dòng)增加外觀(guān)顏色分辨率Corr2 計(jì)算兩個(gè)矩陣的二維相關(guān)系數(shù)Similar 計(jì)算兩個(gè)矢量的相似度3.2 MATLAB在水印預(yù)處理中的應(yīng)用置亂技術(shù)是一種圖像加密技術(shù),它利用數(shù)字圖像具有的數(shù)字陣列的特點(diǎn),攪亂圖像中像素的位置或顏色使之變成一幅雜亂無(wú)章的圖像 1 ,從而達(dá)到無(wú)法辨認(rèn)出原圖像的目的,可用于數(shù)字圖像水印的預(yù)處理和后處理過(guò)程。對(duì)水印進(jìn)行置亂變換可以提高水印信息的安全性,增強(qiáng)水印的魯棒性。置亂過(guò)程不僅可以在數(shù)字圖像的空間域上進(jìn)行,還可以在其頻率域

27、上進(jìn)行 2 。常見(jiàn)置亂方法有Arnold變換、幻方變換、Hilbert曲線(xiàn)、Conway 游戲、廣義Gray碼變換、仿射變換、正交拉丁方變換等 3 。置亂技術(shù)具有以下特點(diǎn):置亂技術(shù)一般來(lái)說(shuō)具有周期性;置亂變換之后的圖像大小不發(fā)生改變,直方圖不變,只是打亂圖像各像素的次序; 置亂技術(shù)是可逆變換 4 ,水印在提取后需要進(jìn)行置亂變換的逆變換。對(duì)水印進(jìn)行置亂處理的優(yōu)點(diǎn)如下。1)采用置亂技術(shù)的合法使用者可以自由控制算法的選擇、參數(shù)的選擇以及使用隨機(jī)數(shù)技術(shù),從而使非法使用者難以破譯圖像內(nèi)容,即可以提高水印信息的安全性 5 。2)置亂技術(shù)可以分散錯(cuò)誤比特的分布,提高數(shù)字水印的視覺(jué)效果,從而增強(qiáng)其魯棒性 6

28、。以Arnold變換為例,可用下面給出的Matlab程序計(jì)算出任意大小的圖像恢復(fù)至原圖時(shí)所需的迭代周期。如大小為128 ×128的圖像迭代96次后將回到原圖。function Period =ArnoldPeriod (N)% 求周期,N為待求圖像的像素尺寸if ( N < 2 ) Period = 0;% 如果N < 2,即只有一個(gè)像素的情況下,周期為0 return;endn = 1; x = 1; y = 1; %初始位置%通過(guò)循環(huán)尋找周期while (n = 0) xn = x + y; yn = x + 23y;%Arnold變換公式if (mod (xn,N)

29、 = 1 & mod (yn,N) = 1)%再次的回到原來(lái)的位置,完成一次的周期Period = n;return;endx =mod (xn,N) ;y =mod ( yn,N) ;n = n + 1;end原圖像青椒 置亂變換2次 置亂變換40次圖1Arnold變換實(shí)現(xiàn)效果圖3.3 MATLAB在圖像數(shù)字水印實(shí)現(xiàn)中實(shí)用、高效的體現(xiàn)水印嵌入程序應(yīng)用實(shí)例k = 2; file_name = lena. bmp; cover_object = double ( imread ( file_name) ) ;Mc = size ( cover_object, 1) ; Nc = size

30、 ( cover_object, 2) ; file_name = copyright. bmp; message = double ( imread ( file_name) ) ; Mm = size (message, 1) ; Nm = size (message, 2) ;message_vector = round ( reshape (message,Mm3 Nm, 1) . /256) ; rand ( state, 16) ; cA1, cH1, cV1, cD1 = dwt2 ( cover _ object, haar) ;for ( kk = 1: length (me

31、ssage_vector) )pn_sequence_h = round (23 ( rand (Mc /2,Nc /2) - 0. 5) ) ; pn_se2quence_v = round (23 ( rand (Mc /2,Nc /2) - 0. 5) ) ;if (message ( kk) = = 0 ) cH1 = cH1 + k 3 pn _ sequence _ h;cV1 = cV1 + k3 pn_sequence_v;endendwatermarked_image = idwt2 (cA1, cH1, cV1, cD1, haar, Mc,Nc );watermarked_image _ uint8 = uint8 (watermarked _ image);imwrite (watermarked_image_uint8,