基于DCT域的数字水印算法研究与应用.doc

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基于DCT域的数字水印算法研究与应用

摘要：

随着计算机和网络技术的普及，数字产品的保密性及版权保护等问题逐渐凸显出来，这使得数字水印技术成为热点问题。

本论文研究的是基于离散余弦变换（DiscreteCosineTransformation）域的数字水印的嵌入与提取问题。

文中首先阐述了DCT域数字水印嵌入与提取的基本思路与方法，然后运用MATLAB软件实现了可见水印与不可见水印的嵌入与提取，并对两种水印分别进行了抗攻击性测试，包括压缩攻击、加噪声攻击、旋转攻击等。

提取结果与测试结果达到了预期的要求。

最后还分别从嵌入方法、输出结果、提取方法等方面比较了可见水印与不可见水印的同异。

关键词：

数字水印离散余弦变换嵌入提取鲁棒性

毕业设计中文摘要

毕业设计英文摘要

TitleDigitalWatermarkingAlgorithmResearchand

ApplicationBasedonTheDCTDomain

Abstract

Withthepopularizationofcomputerandnetworktechnology,digitalproductprivacyandcopyrightprotection,whichmakesgraduallyhighlighteddigitalwatermarkingtechnologytobecomeahotissue.DigitalwatermarkingembeddingandextractingproblembasedontheDCTdomainhasbeenresearchedinthispaper.Firstly,thispaperexpoundsthebasicideaandmethodofdigitalwatermarkandextractionbasedontheDCTdomain.AndthenthevisibleandnotvisiblewatermarkingembeddingandextractingarerealizedbyusingMATLABsoftware.Lastlythetwowatermarksseparatelycarriedontheresistancetoattack,includingcompressiontestattackandnoiseaddingattack,whirlingattack,etc.Expectedresultshavebeenachieved.Finally,thevisibleandnotvisiblewatermarkinghavebeencomparedseparatelyfromembeddingmethod,outputandextractionmethod.

Keywords：

digitalwatermarkDCTdomainwatermarkextractionrobustness

目次

1绪论 1

1.1课题的研究现状及热点问题 1

1.2数字水印的关键技术及应用 2

1.3本文的主要研究内容 5

2数字水印的基本原理 6

2.1DCT域数字水印嵌入原理 6

2.2DCT域数字水印提取原理 6

2.3本章小结 7

3数字水印的嵌入设计 7

3.1DCT域数字水印嵌入流程 7

3.2水印嵌入的结果 8

3.3本章小结 11

4数字水印的提取设计 12

4.1DCT域数字水印提取流程 12

4.2水印提取的结果 13

4.3本章小结 15

5鲁棒性分析 16

5.1抗噪声测试 16

5.2抗压缩测试 20

5.3本章小结 21

结论 22

参考文献 23

致谢 25

附录A 26

附录B 28

河北工业大学城市学院2011届本科毕业设计说明书

1绪论

1.1课题的研究现状及热点问题

随着计算机的普及，许多传统媒体内容都向数字化转变，并且在电子商务中即将占据巨大市场份额，如mp3的网上销售，数字影院的大力推行，网上图片、电子书籍销售等等，在无线领域，随着移动网络由第二代到第三代的演变，移动用户将能方便快速的访问因特网上数字媒体内容，基于有线或无线网络的数字媒体内容的应用即将是信息时代新的传统。

但是，数字媒体内容的安全问题成了瓶颈问题，一度制约着信息化进程。

为了有效地解决信息安全和版权保护等问题,近年来提出了加解密、数字签名、数字指纹、数字水印等多种技术。

其中数字水印是20世纪90年代出现的一门崭新的技术,它通过在数字产品中嵌入水印信息来确定数字产品的所有权或检验数字内容的原始性[1]。

它弥补了加解密技术不能对解密后的数据提供进一步保护的不足,弥补了数字签名不能在原始数据中一次性嵌入大量信息的弱点,弥补了数字指纹仅能给出版权破坏者信息的局限[2]。

国际上一些成立了专门的机构，如拷贝保护技术工作组（CPTWG,CopyProtectionTechniqueWorkingGroup）从1995年开始致力于基于DVD的视频版权保护研究，安全数字音乐创始（SDMI,SecureDigitalMusicInitiative）从1999年开始研究音频的版权版护，数字水印是其中的核心关键技术。

数字水印（DigitalWatermarking）是往多媒体数据，如图像、声音、视频信号等，中添加某些数字信息（水印）而不影响原数据的视听效果，此处我们只讨论人们普遍关心的不可见水印，并且这些数字信息可以部分或全部从混合数据中恢复出来，以达到版权保护等作用。

一般地，数字水印应具有如下的特性：

安全性，即嵌入在宿主数据中的水印是不可删除的，且能够提供完全的版权证据。

鲁棒性，即水印对有意或无意的图像操作与失真具有一定的抵抗力，以及不可觉察性，水印对人的感觉器官应是不可觉察的，或者说是透明的。

保真性，即加入水印后，并不会损害原来的媒体内容价值[3]。

水印算法识别被嵌入到保护对象中的所有者的有关信息，如注册的用户号码、产品标志或有意义的文字等，并能在需要的时候将其提取出来，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，这实际上是发展水印技术的基本动力。

尽管版权保护是发展数字水印技术最重要的原动力，事实上人们还发现数字水印还具有其它的一些如真伪鉴别、秘密通信、标志隐含等重要应用。

数字水印技术与古老的信息隐藏和数据加密技术关系非常密切，这些技术的发展以及融合为今后信息技术的发展提供必不可少的安全手段。

1.2数字水印的关键技术及应用

1、从技术上讲，目前的数字水印算法可以分成两类：

空域水印算法和频域（变换域）水印算法。

在检测水印时，也要首先对信号作相应的数学变换，然后通过相关运算检测水印[4][5]。

（1）空域算法将水印信息直接叠加到图像的空间域上的算法叫空域算法。

水印在空域算法中,考虑到人类视觉特性,在载体图像变化较平稳处不隐藏或少隐藏水印信号,而在图像较复杂处隐藏水印信号。

它的优点在于对载体影响很小,计算速度较快,隐藏的信息较多,且适合多种媒体。

缺点是鲁棒性较差,抗几何变形,噪声和有损压缩等常见信号处理能力较差。

但这一特点可用于嵌入脆弱水印。

空域的典型算法为:

最低有效位算法（LSB）水印算法和Patchwork水印算法[6]。

（2）变换域算法等借鉴扩频通信技术[7],把水印扩展到很多频率段上,每个频率段上的水印信息都小到不可检测的程度。

检测时,可以把这些水印信息集中起来,得到一个较高能量的输出；水印信息应嵌入到载体数据中对人的感觉最重要的部分（如频域的低频部分）；水印信号应由具有高斯分布的随机实数序列组成。

在变换域内实现扩频相对容易,而且容易利用人类视觉特性,实现自适应嵌入。

与空域算法相比,变换域水印有如下优点:

a、变换域水印算法通常有很好的鲁棒性；b、变换域上嵌入的水印能量可以分布到空域的所有像素上,有利于水印的隐藏。

因此,变换域算法为目前研究的重点,基于变换域的算法较多[8]。

通常变换有全图DCT,分块DCT。

其它变换域还有DWT、DFT、Fourier-mellin域、Fourier变换域、分形或WP（WaveletPackage）等[9]。

一般来说,人眼对图像的低频区域较敏感,而对图像的高频区域不敏感,这也是图像压缩的基础。

因此,为了获得较高的鲁棒性,应将水印信息嵌入到图像的中低频区域。

在图像的变换域中嵌入水印信息可以有效的利用扩频通信的原理,选择图像低频和中频区域中的一个很有限的水印嵌入系数集嵌入水印信息。

在此过程中,水印信息相当于由一个频率范围远远超过水印频带的宽带信号所限制,这相当于采用了扩频通信的原理,因此水印信息具有很好的鲁棒性。

2、数字水印算法的应用包含两个基本方面：

水印的嵌入和水印的提取和检测。

在设计、采用一个具体的水印算法时,可根据应用目的、图像的使用限制及其他约束条件等情况综合考虑。

常用的有四种：

（1）水印检测要利用未加水印的原图,只有少数人能检测出水印；

（2）水印检测不利用未加水印的原图,任何人通过一定的方式都能检测出水印；

（3）嵌入和检测水印的方案是公开的,这个方案需要一个密钥,以防止盗版者删除水印；

（4）嵌入和检测水印的方案不公开,这些方案是保密的,但能被解开。

[10]

另外，要提高数字水印的鲁棒性，就要了解针对数字水印的攻击。

对数字水印的攻击主要有一下几种：

噪声攻击，滤波攻击，剪切攻击，压缩攻击，旋转攻击及抖动攻击[11][12]。

3、基于DCT变换的数字水印总体思想

（1）DCT变换[13]

a、一维离散余弦变换与反变换的表达式如下：

（其中u=0,1,2…N-1） （公式1）

（其中x=0,1,2…N-1） （公式2）

其中a（u）由下式定义：

（公式3）

注：

x为空域点的顺序，f（x）为图像的空域值，u为变换域点的顺序，C（u）为变换域的值，a（u）为系数，N为采样点数。

b、二维DCT由下式定义：

（其中u,v=0,1…N-1） （公式4）

（其中x,y=0,1…N-1） （公式5）

注：

x、y为空域点坐标位置，f（x,y）为空域点的值，u、v为变换域坐标位置，C（u,v）为变换域值，a（u）、a（v）为系数，N为采样点数。

（2）水印的生成

常用的数字水印一般具有两种形式:

一种是用密钥生成的伪随机序列,具有良好的统计特性；另一种是可识别的有意义的图案或文字。

但后者数据冗余太大,且易被攻击者预测,一般用二值图像,使用灰度图像则数据量太大,需预处理[14]。

下面是一些水印信号生成的方法:

a、伪随机序列的生成以个人信息作为种子,采用一般随机序列产生的方法,来生成伪随机序列。

这样的随机序列有可能被伪造。

而利用混沌电路以初值作为密钥,产生的确定的,类似随机的,非相关的,可再生的混沌序列,既非周期又不收敛,而且对初始值有极敏感的依赖性。

混沌函数还具有伸长和折回的性质,故具有不可预测性。

例如用Logistic方程等产生的序列。

b、水印置乱水印信号在嵌入前采用某种变换,改变每个像素的空间位置,即消除像素的空间相关性。

置乱后的水印能更均匀地分布于载体中,可提高水印的鲁