基于matlab的图像水印算法分析.doc

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摘要

摘要

本文对多种数字水印算法进行了研究、对比和改进．首先基于matlab编程进行实际检验，验证算法的可行性，然后从水印的置乱、嵌入和提取三个方面，根据实际检验的参数对这些算法的鲁棒性、抗攻击性和隐蔽性进行了对比分析，同时测量了各水印算法的数据容量，并对部分算法中的瑕疵给出了改进建议．

其中鲁棒性的检验主要是对水印后的图像进行JPEG压缩、旋转、裁剪等操作，然后观察提取出的水印图像是否被破坏，并用实际数据表示破坏程度，进行对比分析．不同水印算法的数据容量的测量主要是通过计算同一原始图像中可以嵌入的水印图像的大小，并测量水印图像的数据量来实现．

关键词数字水印；小波变换；离散余弦变换；奇异值分解；Matlab

-I-

Abstract

Abstract

Inthispaper,avarietyofdigitalwatermarkingalgorithmisstudied,comparedandimproved.Firstly,basedontheMATLABprogrammingoftheactualtest,verifythefeasibilityofthealgorithm.Andthen,fromthescrambling,embeddingandextractingthreeaspects,therobustness,antiattackandconcealmentofthesealgorithmsarecomparedaccordingtotheactualtestparameters.Simultaneousmeasurementofvariouswatermarkingalgorithmdatacapacity,andpartofthealgorithmflawsgivensuggestionsforimprovement.

ThetestofrobustnessismainlyJPEGcompression,rotation,clippingandotheroperationsontheimageafterthewatermark,andobservewhethertheextractedwatermarkimageisbeingdestroyed,andwiththepracticaldata,saidthedamagedegree,carriesonthecontrastanalysis.Themeasurementofthedatacapacityofdifferentwatermarkingalgorithmsismainlythroughcalculatingthesizeofthewatermarkimagewhichcanbeembeddedinthesameoriginalimage,andmeasuringtheamountofthewatermarkimagedatatoachieve.

KeywordsDigitalWatermarking;WaveletTransform;DiscreteCosineTransform;SingularValueDecomposition;Matlab

目录

目录

摘要 I

Abstract II

目录 III

第1章绪论 1

1.1课题研究背景 1

1.2数字水印的应用 2

1.3数字水印研究现状 4

1.3.1发展现状 4

1.3.2算法现状 4

1.4本文主要研究内容 5

第2章离散小波变换和奇异值分解的研究综述 6

2.1引言 6

2.2离散小波变换 6

2.3奇异值分解 7

第3章基于SVD和Radon变换的抗旋转攻击盲水印算法的分析 8

3.1算法主体 8

3.1.1嵌入前的水印图像置乱 8

3.1.2水印嵌入过程 9

3.1.3水印提取 10

3.2算法仿真实验 11

3.3算法性能分析 14

第4章一种用哈达玛矩阵进行置乱变换的盲水印算法的分析 15

4.1算法主体 15

4.1.1嵌入前的水印图像置乱 15

4.1.2水印嵌入过程 16

4.1.3水印提取 16

4.2算法仿真实验 17

4.3算法性能分析 21

第5章一种新的小波域盲水印算法的分析 22

5.1算法主体 22

5.1.1嵌入前的水印图像置乱 22

5.1.2水印嵌入过程 22

5.1.3水印提取 24

5.2算法仿真实验 25

5.3算法性能分析 28

第6章基于子块区域分割和自嵌入技术的全盲多功能图像水印算法的分析 29

6.1算法主体 29

6.1.1水印生成 30

6.1.2水印置乱 30

6.1.3水印嵌入过程 31

6.1.4水印提取 32

6.2算法仿真实验 32

6.3算法性能分析 35

第7章算法参数对比 36

7.1参数对比 36

结论 37

参考文献 39

致谢 40

附录 41

-III-

第1章绪论

第1章绪论

1.1课题研究背景

多媒体存储和传输技术随着数字信息技术的高速发展和计算机通信技术的不断革新而不断进步，这也使得数字化的信息的存储和传输变得更加快速、精确、方便，各种形式的多媒体数字作品特别是图像作品、视频作品、音频作品纷纷在网络上发表．然而数字信息技术精准、大批量的复制功能和互联网强大的信息传递能力帮助人们实现信息共享的同时也带来了各种各样的问题．

由于多媒体数字作品的复制品和原件近乎完全一致，而且复制起来非常容易，因此有的个人或团体在没有得到作品的作者和版权所有者的授权的情况下对有版权的内容进行恶意的复制、传播和修改，甚至非法地将其用于商业用途，使作者及版权所有者的利益受到严重的侵犯，目前这种作品侵权现象正不断加剧．因此，数字化作品的知识产权保护问题引起了计算机科学界的广泛重视，并且已经成为目前的一个研究热点．

以前主要是将多媒体数据文件加密成密文后发布，即通过数据加密技术来实现版权保护，使得密文中有用的数据信息在网络中传递时不能被出现的非法攻击者截获，从而实现版权和信息安全的保护．

但通常的加密技术并不能很好地解决版权保护问题，仅仅只能预防，这是因为：

（1）无法监控多媒体信息的流动传播情况；

（2）加密大批量的多媒体信息时，资源占用严重，且效率低下．

（3）多媒体信息加密后隐蔽性不高，容易引起攻击者的注意和好奇，激发他们解密的兴趣和欲望．

（4）加密的鲁棒性不高，如果破解失败，攻击者可以将信息破坏，使得合法接收者也无法获得信息的内容；

（5）只有在加密状态下才能保护多媒体信息，解密后发生侵权时，无法提供有效的法律证据；

（6）加密会改变作品的形态，加密后只有少数持有解密密钥的人，才能获得作品数据，作者无法在保护版权的前提下自由地展示作品．

为了使解密后的内容仍能受到保护，人们开始寻求另一种能够弥补密码技术缺陷的技术．数字水印技术是一种密码技术的补充技术，是由信息隐藏技术发展而来，是数字信号处理，图像处理，密码学应用，算法设计等学科的交叉领域，是一门新兴的信息安全技术．这种技术可以为解密后的数据提供进一步的保护，因此能够弥补密码技术的缺陷；另一方面，数字水印技术可以在原始数据中一次性嵌入大量的秘密信息，这也弥补了数字签名技术的缺陷．

数字水印的过程就是将一个有标志性的信息嵌入到需要保护的信息中的过程，这个标志性信息就是水印．只有通过专用的浏览器或阅读器才能提取出嵌入的水印，受到保护的媒体信息的版权归属可以通过这种机制获得判断依据．嵌入的水印具有鲁棒性，即媒体信息中嵌入的水印不会被常规的数据处理操作完全去除．

在信息技术高速发展的当代，数字产品呈现爆炸式的增长速度，在这个前提下，保护数字产品作者的版权，防止数字产品的非法复制、恶意篡改等就变得尤为重要．数字水印技术正是在这样的背景下发展起来的技术．

由于数字水印技术有着广泛的应用前景，大量专家学者在进行这方面的研究，提出的水印算法也多种多样．但这些算法的性能各有优劣，不同的应用环境需要不同特性的水印算法，而且具有同一特性的水印算法亦各有优劣．因此，研究各类算法的特性，以及比较这些算法的优劣，就变得尤为重要．对这些算法进行研究，找出算法的优缺点，明确算法的适用环境，也是水印技术的一个重要研究方向．

1.2数字水印的应用

随着数字水印技术的发展，该技术已经成为信息隐藏技术的一个重要分支，其应用领域也越来越广泛，目前数字水印技术的应用领域主要包括：

1.版权保护

数字作品（如电脑美术、扫描图像、数字音乐、视频、三维动画）的版权保护是当前的热点问题．由于数字作品的拷贝、修改非常容易，而且可以做到与原作完全相同，所以版权所有者不得不加上肉眼可见的版权标志以保护版权，但这种做法严重损害作品的质量且这种标志很容易被篡改．

数字水印技术利用数据隐藏原理隐藏版权标志，能在不损害原作品的前提下保护版权．目前，数字水印技术在版权保护方面的研究已经达到初步实用化标准，但市场上的数字水印产品还是很容易被破坏或破解，这是因为技术的发展还不够成熟，还要走很长的路才能做到真正的实用．

2.数字信息的隐藏标识和篡改提示

数据的标识信息有时比数据本身更具有保密价值，数字水印技术能够隐藏标识，使得原始文件上的标识信息只有使用特殊的阅读程序才能提取，目前国外一些公开的遥感图像数据库已经采用这种方法．现有的信号拼接技术和信息镶嵌技术能够实现无痕拼接，达到肉眼难以分辨的程度，只有通过数据的篡改提示才能识别．因此，数据的篡改提示也是一项很重要的工作，而数字水印技术能够通过辨识隐藏水印的状态判断数字信息是否被篡改．

3.隐蔽通信及其对抗

在网络通信战中攻击者往往会注意到经过加密的混乱无序的文件，因此数字水印的隐蔽性也有了用武之地，利用数字化声像信号相对于人的视觉、听觉冗余来进行各种时空域和变换域的信息隐藏，可以达到隐蔽通信的目的．

4.商务交易中的票据防伪

各种电子票据即使在网络安全技术成熟以后也还需要一些非密码的认证方式，数字水印技术能够通过嵌入隐藏的认证标志增加伪造的难度．

5.证件真伪鉴别

水印技术对于有效辨别证件的真伪很有帮助，特别是能够防止证件的仿制和复制．

1.3数字水印研究现状

1.3.1发展现状

在互联网和信息技术高速发展的今天，水印技术的研究更具有现实意义．但是数字水印技术的研究目前还很不成熟，在版权保护方面只能初步从理论转为应用，而且应用过程中还有大量没有解决的问题．

目前有关数字水印的设计和模拟攻击的理论都很缺乏．因此，在国际学术界的研究方向中，数字水印技术是比较前沿热门的，对该技术的研究还有很长的路要走．水印技术的研究在版权保护和商业应用方面都具有重要的意义和广阔的前景，这一研究方向已经引起了国内外专家和商业团体的广泛关注．

1.3.2算法现状

随着数字水印技术的不断发展，各类文献中提出的水印算法也五花八门，这些算法大都是研究数字水印的产生、嵌入和检测（提取）三个方面．

在生成数字水印时，许多数字水印算法采用如Gaussian序列、二进制序列和均匀分布序列的伪随机序列作为水印信号．在伪随机序列中，Gaussian分布的随机序列与其它分布的等长的随机序列相比具有更大的自相关系数，所