基于离散小波变换的数字水印算法毕业论文设计40论文41.docx

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基于离散小波变换的数字水印算法毕业论文设计40论文41

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编号

本科生毕业设计（论文）

题目：

基于离散小波变换的数字水印算法

物联网工程学院电子信息工程专业

摘要

随着网络通信的飞速的发展以及多媒体技术的广泛应用，数字产品版权的保护问题变得越来越重要。

数字水印技术已成为解决数字多媒体版权问题的主要工具。

目前基于小波域的算法有很多，有简单的直接在经过小波变换的分量中嵌入水印，有两域结合的水印算法等，其中基于小波变换（DWT）和奇异值分解（SVD）结合的算法可以充分利用DWT的多分辨率特性和SVD所固有的特征．小波变换的多分辨率特性可根据各自的重要程度对图像进行分级处理，奇异值分解的奇异值的稳健性是一种内蕴特性，都增强了水印的不可见性和鲁棒性．

本文分析讨论了数字水印技术的基本原理、典型算法几数字水印攻击方法，研究了一种基于离散小波变换的数字水印算法。

该算法使用推广的Arnold变换对水印进行置乱，提高了水印的安全性；利用人类视觉系统确定水印的嵌入强度，提高了水印的不可感知性；实现了树荫的忙提取，增强了算法的适用性。

本文对所提出的算法进行了仿真实验，并进行了性能分析。

实验结果表明，本文所研究的算法具有良好的鲁棒性，同时也很好地保证了水印的不可感知性。

关键字：

数字水印；离散小波变换；图像置乱；人类视觉特性

ABSTRACT

Withtherapiddevelopmentofnetworkcommunicationandbroadappkicationofmultimediatechniligy,copyrightprotectionofdigitalmedianworkisbecomingmoreandmoreimportant.Digitalwatermarkingisviewedasaneffectivetoolforcopyrightprotectionofmultimediadata.

NowalgorithmsbasedonDWT.ThealgorithmsbasedonDWTandSVDcantakefullaccountofcharacteristicofthemulti-resolutionofDWTandinherentfactorsofSVD.Thecharacteristicofthemulti-resolutionofDWTcanprocessaniamgeatratedaccordingtotheirimportantpoints,andthevaluesofSVDisveryrobust.Allwhichenhancetheinvisibilityandrobustness.

Atfirsttheprinciple,typicalalgorithmsandattackanalysisofdigitalwatermarkisdescribed.Then,awatermarkingalgorithmbasedonDWTisproposed.thewatermarkimageisscrambledbyageneralizedArnoldtransformsoastoimprovethesecurityofthewatermark;thewatermarkisembeddedintothemiddle-frequencysubbandwhichguaranteestherobustnessofthealgorithm;Inordertoimplementtheblindextraction,thispaperimprovesanembeddingalgorithmbasedonHVS,whichenhancestheapplicabilityofthealgorithm.Thispaperteststhealgorithm,andquantityofexperimentdatashowsthatalgorithmbeguaranteedatthesametime.

Keywords:

digitalwatermark；DWT；imagescrambling；HVS

摘要I

ABSTRACTII

目录i

第1章绪论1

1.1选题背景及意义1

1.2数字水印概述1

1.2.1数字水印的基本特征2

1.2.2数字水印的国内外研究现状3

1.3本文的研究内容3

第2章数字图像水印算法与抗攻击性能分析5

2.1数字图像水印系统的基本模型5

2.2水印攻击6

2.3水印的检测与评价6

第3章基于DWT-SVD分解的水印算法的设计9

3.1小波变换的基本理论9

3.1.1小波分析9

3.1.2小波变换对信号的处理10

3.2基于DWT-SVD分解的水印嵌入算法10

3.3基于DWT-SVD分解的水印提取算法13

第4章Matlab仿真结果15

4.1仿真实验15

4.2抗攻击性能分析18

4.3小结24

第5章结论与展望25

5.1结论25

5.2不足之处及未来展望25

参考文献27

致谢28

附录A：

程序代码29

第1章绪论

1.1选题背景及意义

随着多媒体数据在网上交易和传送的日益增多,由于数字信息极易被篡改、复制与散布,如何对数字作品的知识产权进行保护已经成为迫切需要解决的问题。

对数字产品的保护最初是通过加密来完成的,但这种方法至少有两个问题:

首先,加密算法存在被破解的可能性,而且一旦被破解,将没有办法证明产品的所有权。

另外,加密将影响数字产品的传播,限制了数字产品迅速发展的优势。

新近出现的水印技术正好对这方面的问题进行了很好的探索,它是将具有确定性和保密性的信息直接嵌入到原始数据并作为原始数据的一部分而保留在其中,因而即使在解密之后仍可以跟踪数据的复制和传输,对媒体数据进行有效的保护。

作为数字水印嵌入方法,离散小波变换（DWT）越来越受到研究人员的重视,DWT方法的优点是不仅可以将图像分解到频域中,同时还保留了图像在空间上的分布。

这对于加强数字水印以及有损压缩和局部剪裁等的鲁棒性是非常有效的,另一方面小波变换的多分辨率分析和人的视觉特性能较好匹配,因此,从水印可见性的角度讲,DWT也更接近HVS的要求。

数字水印技术可以对多媒体信息进行有效地保护，但由于该技术的研究涉及了图像和信号处理、密码学、现代通信技术、编码理论以及神经审理学等众多领域，是一门多学科交叉的学科，因此给研究工作带来了一定的难度。

尽管目前国内外数字水印技术的研究者正在努力建立一个相对完善的、能够提供普遍指导意义的理论基础，但就目前状况而言，这项工作还远远没有达到令人满意的地步。

无论是在国内还是在国外，数字水印技术的研究都还不成熟，从理论导刊应用都还处于发展的初级阶段，还有很多问题有待于解决。

因此，不论从理论角度还是从应用角度来看，开展数字水印技术的研究，不仅具有重要的学术意义，还有机器重要的经济意义。

1.2数字水印概述

Cox等把水印定义为“不可感知地在作品中嵌入信息的操作行为”[2]；杨义先等认为“数字水印是永久镶嵌在宿主数据中的具有可鉴别性的数字信号或模式，并且不会影响宿主数据的可用性”[3]．大部分学者认为所谓数字水印技术，就是将数字水印嵌于一个宿主载体中，不被觉察到或者不易被注意到，而且同时不影响宿主载体的视觉效果和使用价值，宿主载体可以是图像、声音、文字、符号和数字等一切可以作为标记和标识的信息．数字水印技术实际是利用数字产品的信息冗余性，把与多媒体内容相关或不相关的一些标识信

息直接或间接嵌入多媒体内容中，通过对水印的检测和分析保证数字信息的完整可靠性，从而成为知识产权和数字多媒体防伪的有效手段．

1.2.1数字水印的基本特征

不同的用途，对于数字水印的要求各不相同，通常我们要求数字水印应具有如下基本特征[45]：

（1）安全性

数字水印能抵抗各种蓄意的攻击，主要是指水印不容易被复制和伪造的能力，以及不易被非法检测的能力．必须能够唯一地标志原始图像的相关信息，任何第三方都不能伪造他人的水印图像．

（2）不可感知性

在宿主数据中隐藏的数字水印应该是不能被感知的，即加入水印后宿主数据不能有视觉质量的下降，与原始数据对比，很难发现二者的差别．不可感知包括两方面的含义，一个是指感官上的不可感知，一个指的是统计上的不可感知．感官上的不可感知就是指从人类的感官角度看，嵌入水印的数据与原始数据之间完全一样，通过人的视觉、听觉无法觉察宿主数据中因嵌入数字水印而引起的变化．统计上的不可感知性是指，对大量的用同样的方法经过水印处理过的数据产品，即使采用统计方法也没有办法确定水印是否存在．

（3）可证明性

数字水印能够为宿主数据的产品归属问题提供完全和可靠的证据．数字水印可以是已经注册的用户号码．产品标志或者有意义的文字等，它们被嵌入到宿主数据中，需要时可以将它们提取出来，判断数据是否受到保护，并能够监视被保护数据的传播以及非法复制，进行真伪鉴别等．一个好的水印算法应该能够提供没有争议的版权证明．

（4）水印容量

水印容量又称为数据有效载荷，是指在单位时间内或在一个作品中，在某些场景下有效编码的比特数．大多数的算法水印容量都比较小，大的水印容量加大了算法设计的难度．为抵抗各种变换，水印通常需要在数字媒体中按照一定的排列方式反复加入多次，当水印信息本身较大时，会导致重复次数减少，同时就会导致检测结果的不可靠．

（5）鲁棒性

数字水印应该很难被去除．在不能得到水印的全部信息（如水印数据、嵌入算法、嵌入位置、嵌入密钥等）的情况下，只知道部分信息，应该没有办法完全去除水印，任何试图完全破坏水印的操作将对载体的质量产生严重破坏，使得载体数据无法使用．一个好的水印算法应该对信号处理、通常的几何变形，以及恶意攻击具有鲁棒性．衡量一个水印算法的鲁棒性，通常使用下面这样一些处理．

①滤波、平滑处理．水印应该具有低通特性，低通滤波和平滑处理应该无法删除水印．

②数据压缩处理．图像、声音、视频等信号的压缩算法是去掉这些信号中的不重要部分．通常水印的不可感知性就是将水印嵌入在宿主数据对感知不敏感的部位，而这些不敏感的部位经常是被压缩算法所去掉的部分．所以，一个好的水印算法应该将水印嵌入在宿

主数据的最重要部分，使得任何压缩处理都无法将其去除．当然这样做可能会降低宿主数据的质量，但是只要适当选取嵌入水印的强度，就可以使得水印对宿主数据质量的影响尽可能的小，不至于引起察觉．

③几何失真．目前的大部分水印算法对几何失真处理都非常脆弱，水印很容易被擦除．几何失真包括图像尺寸大小的变化、图像旋转、裁剪、删除或添加等．

④量化与增强．水印应该能够抵抗对宿主数据信号的AD、DA转换、重采样等处理，以及一些常规的图像操作，如图像在不同灰度级上的量化，亮度与对比度的变化、图像增强等，都不应该对水印产生严重的影响．

1.2.2数字水印的国内外研究现状

在国外，自从1994年的IEEE国际图像处理会议上，R.G.sehyndel等人第一次明确提出了“数字水印”的概念以来，数字水印技术有着突飞猛进的发展，1992年的关于水印文章只有两篇，到1998年就猛增到103篇．并且越来越多有影响的国际会议（如IEEEICIP、IEEEICASSP、ACMMultimedia等）以及一些国