基于图像处理的数字水印.docx

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基于图像处理的数字水印

摘要I

ABSTRACTII

1绪论1

1.1研究背景及意义1

1.2研究现状及发展前景2

1.3设计的主要内容3

2水印图像的采集及硬件选择4

2.1水印图像的采集4

2.2水印图像的输出4

2.3水印数据的处理5

2.4水印图像的计算5

2.4.1像素的定义5

2.4.2像素的计算6

2.5本章小结6

3水印图像预处理7

3.1MATLAB简介7

3.1.1MATLAB具有以下六个特点7

3.1.2MATLAB研究数字水印的优点8

3.1.3MATLAB常用工具箱介绍（英汉对照）8

3.2数字水印的研究9

3.2.1数字水印的分类9

3.2.2数字水印的特征10

3.3水印图像的数字化11

3.3.1图像采样11

3.3.2图像量化12

3.3.3图像编码12

3.4水印图像的预处理13

3.4.1灰度级变换13

3.4.2直方图修正14

3.4.3图像的平滑和锐化15

3.4.4图像锐化17

3.4.5图像频域滤波17

4水印技术的算法设计20

4.1数字水印的嵌入20

4.1.1空域算法20

4.1.2变换域算法20

4.2数字水印的提取25

4.3攻击测试27

4.4本章小结28

5性能分析29

5.1数字水印图像的性能评估29

5.2算法的选取29

5.3水印的提取29

5.4本章小结30

总结31

致谢32

参考文献33

附录34

附录1仿真图34

附录2源程序36

基于图像处理的数字水印技术设计与仿真

摘要

论文针对数字图像的水印技术进行了一系列研究，首先通过硬件设备进行信号的采集，得到彩色的模拟信号，以及对采集的信号进行预处理，主要包括滤波、灰度变换、图像锐化等，将模拟信号转化为数字信号，接着对原图像和水印图像进行读取，并且将图像信号转化为灰度图像然后得到二值化图像，通过DCT变换进行水印的嵌入，水印嵌入过程主要有离散傅里叶变换和DCT变换，通过对比选择嵌入效果较好的DCT变换，接着对水印进行提取检测，在提取出水印后利用DCT逆变换恢复出清晰的数字水印，在设计最后利用加噪、剪切、旋转的攻击方法检测水印的鲁棒性。

关键词图像处理/水印技术/DCT变换/攻击测试

Basedonthedesignandsimulationofdigital

watermarkingtechnology

imageprocessing

ABSTRACT

Paperfordigitalimagewatermarkingtechniqueaseriesofstudiesbythefirstsignalacquisitionhardwaretoobtainanalogcolorsignal,andthesignalacquisitionpreprocessing,includingfiltering,gradationconversion,imagesharpening,theanalogsignalintoadigitalsignal,thentheoriginalimageandthewatermarkimageisread,andtheimagesignalisthenconvertedtoagrayscaleimagetoobtainabinaryimage,thewatermarkisembeddedbytheDCTtransform,watermarkembeddingprocessprimarilydiscreteFouriertransformandDCT,preferablybycomparingtheresultstoselecttheembeddedDCT,thenextractionofthewatermarkdetection,theuseoftheextractedwatermarkrestoreaclearinverseDCTdigitalwatermarking,designedFinally,noise,cut,attackmethodstodetectrotationoftherobustnessofthewatermark.

KEYWORDSImageprocessing,Watermarkingtechnology,DCTtransform,Attacktest

1绪论

1.1研究背景及意义

随着网络的迅猛发展，计算机已成为人们工作和生活中不可或缺的工具，他的出现极大促进了信息的交换和使用，也使得图像、音频等数字媒体得到了广泛应用。

但同时也使得多媒体信息的复制、编辑变得很轻松，这就使得接收者对接收到的媒体信息难辨真假。

因此，信息安全问题变得越来越受人们的关注。

对于解决信息安全和版权问题，人们首先想到的解决方案是加密和数字签名等密码学技术，然而这种方案实行起来比较麻烦并且保密性不强。

所以针对当今社会数字媒体信息呈现爆炸式增长，数字化和网络化特征明显，盗版问题变得越来越严重的问题，我们需要找到切实可行的方案。

为了解决这一难题，20世纪90年代初，国际上提出了一种全新且有效的数字信息产品版权保护和数据安全维护技术———数字水印技术（digitalwatermakingtechnique）[1]。

数字水印技术是一种将特制的、不可见的标记，利用数字内嵌的方法隐藏在数字图像、声音、视频等数字内容中，由此来确定版权拥有者、认证数字内容来源的真实性、识别购买者、提供关于数字内容的其他附件信息、确认所有权认证和跟踪侵权行为。

数字水印技术的使用和推广，能进一步增强信息的可控性。

是一种可以在开放的网络环境下保护版权和认证来源及完整性的新型技术，人们无法从表面上感知水印的存在，只有通过检测器或计算机软件才可以检测出其中所隐藏的数字水印，为数字多媒体的内容保护提供信息。

数字图像作为现实生活中较为普遍的数据形式，应用于数字图像上的水印算法同样也可以在音频、视频等载体上得以应用，具有较高的普遍性。

设计旨在对嵌入数字图像中的水印技术进行研究，采用离散余弦变换的方法，结合量化、滤波、增强等思想，在水印的鲁棒性和不易被人察觉之间取得最佳的平衡，尽可能实现用较低的算法复杂度完成图像版权认证的需求。

1.2研究现状及发展前景

数字水印技术是解决版权保护问题的有效手段，有着良好的应用前景，它已引起国内外一些研究机构和公司的极大关注[2]。

从20世纪90年代初开始，数字隐藏、传统密码学以及数字水印相结合而进行的知识产权保护的研究，已成为一个比较热门的课题。

图像处理即是将图像信号转化成数字信号并利用计算机对其进行处理的过程。

早期的图像处理目的是为了改善图像的质量，图像处理中，输入的是质量低的图像，输出的是改善质量后的图像，常用的图像处理方法有图像增强、复原、编码、压缩等。

首次获得成功应用的是美国喷气推进实验室（JPL），他们对航天探测器探索者7号在1964年发回的几千张月球照片使用了图像处理技术，如几何校正、灰度变换、去除噪声等方法，并考虑了太阳位置和月球环境的影响，由计算机成功地绘出了月球表面地图。

数字水印在技术和经济上的重要性以及其广阔的应用前景，全世界范围内开展此项研究的机构不断增多，主要有美国版权工作组、美国财政部。

微软、IBM、麻省理工学院等众多机构[3]。

随着图像处理技术的深入发展，人们开始研究如何用计算机系统解释图像，以实现类似人类视觉系统理解外部世界的图像处理。

虽然在此研究上已取得了不小的进展，但因为人类对自己的视觉过程还了解甚少，因此计算机视觉领域仍然有待人们进一步探索。

未来数字水印技术的主要发展方向：

1、结合智能体技术，开发基于移动代理的数字水印追踪系统；

2、面向电子商务，提供服务器端的完整性保护和客户端的数据认证；

3、开发基于图像处理数字水印技术的数字作品电子销售系统，提供完整的安全与版权保护机制；

4、建立水印认证中心，提供各种上网服务；

5、为各种付费点播服务，提供基于水印技术的数字水印产品；

6、面向更广泛的数字媒体，如三维动画、数字地图等，开发基于数字水印的安全保护产品；

7、构造综合的数据安全系统，使用各种生物认证技术（如指纹、视网膜），构造专人标识水印等[4]。

在设计中将实现数字水印的嵌入和提取，得到不可见水印，实现图像信息的保密性，有效保护版权，并且对水印进行鲁棒性攻击测试，证明水印的稳定性。

1.3设计的主要内容

数字水印技术是一种信息安全技术，本文的研究内容就是在图像中嵌入水印信息，为数字多媒体信息的防伪、防篡改、认证、数据安全保障和完整性保障等方面提供一种新的解决途径，本文通过对数字水印相关概念及图像处理的知识的学习及研究，概括出以下内容：

该设计主要研究数字水印技术在图像处理方面的应用，通过在图像中嵌入数字水印来对其加以限定，保证图像的确定性，通过水印检测和提取来实现对图像的认证。

第一章，主要介绍数字水印技术目前的研究背景和意义、国内外研究现状和该技术的发展前景以及本设计的研究目的和意义，并对该论文的主要工作进行了介绍。

第二章，为硬件设计部分，本章主要就信号采集所需要的硬件设备进行介绍，主要包括图像输入设备和图像输出设备，并对像素的计算做了介绍。

第三章，为软件设计部分，首先对该设计中所用到的MATLAB软件[5]进行介绍，将本设计分为三部分：

水印嵌入、水印检测以及水印提取。

水印嵌入主要包括对水印信息进行预处理，主要包括水印信息的滤波、锐化，在滤波阶段主要包括中值滤波、高通滤波、灰度变换增强、直方图变换增强等，并对图像进行锐化然后应用嵌入算法将水印信息嵌入进原图像；水印检测体现了水印的鲁棒性，将嵌入在图像中的水印信息显现出来；水印提取则是将图像中的水印信息提取出来。

最终得到嵌入水印的不可见水印图像和提取出的原始水印图像。

第四章，为性能分析阶段，主要就设计过程中所遇到的问题进行分析和提出解决方法。

最后是对论文的总结与展望。

2水印图像的采集及硬件选择

2.1水印图像的采集

将模拟图像转化为数字图像的输入装置称为数字化器。

数字化输入设备主要有数码视频摄像机、数码照相机以及扫描仪等。

设计用于图像采集的设备为数码照相机。

数码相机是集光学、机械、电子一体化的产品。

它集成了图像信息的转换、存储和传输等部件，具有数字化存取模式，与电脑交互处理和实时拍摄等特点。

光线通过镜头或者镜头组进入相机，通过数码相机成像元件转化为数字信号，数字信号通过影像运算芯片储存在存储设备中。

照相机的存储器作用是保存数字图像数据，可以分为内置存储器和可移动存储器，内置存储器为半导体存储器，安装在相机内部，用于临时存储图像，当向计算机传送图像时须通过串行接口等接口。

数码相机的成像元件是CCD或者CMOS，该成像元件的特点是光线通过时，成像的光线落到分布着大量像素点的感光元件上，之后由连接的芯片，将影像的数据传输至存储卡，也即是通过模/数转换可以将获取的图像以数字信号形式存放起来。

数码相机的工作原理如图2-1所示：

图2-1数码相机原理图

2.2水印图像的输出

图像数字化的逆过程即数字图像的显示，从而将数字图像转化为适合人眼观察的形式。

而输出即是将文字、声音、图像等媒体信息发送给计算机，计算机经过加工、处理后，并将这些处理结果返回给外部世界。

2.3水印数据的处理

计算机系统的信息交换包括两种方式：

串行数据传输方式和并行数据传输方式。

其中串行传输时信号线只有一根或两根，没有串扰，传输频率可以进一步提高，传输速度足以超过并行通信。

传输的距离可以很长，比较适用于长距离而速度要求不高的场合。

并行数据传输则是以计算机的字长，通常是8位、16位、32位为传输单位，每次传输一个字长的数据。

适合于外部设备与CPU之间近距离的信息交换。

在相同的频率下，并行传输是串行的几倍。

但随着传输频率的提高，并行传输中信号线与信号线之间的串扰变得越来越明显，这也就制约了并行传输频率的提高。

其中目前情况下达到100MHZ已经是很难的了。

而本设计的数据传输不需要有太远的距离，但是传输频率需要相对较高，因此选用并行传输方式，以此来保证数据的有效传输。

2.4水印图像的计算

2.4.1像素的定义

像素也即是指图像和元素，是用来计算数码影像的一种单位。

一个像素也通常被视为图像的最小的完整采样，正如在数码影像中看到的连续性的浓淡阶调一样，当若把影像放大数倍，就会发现这些连续色调其实是由许多色彩相近的小方点所组成，也就是构成影像的最小单位像素。

越高位的像素，其拥有的色板也就越丰富，越能表达颜色的真实感。

本设计中数字化图像的彩色采样点也称为像素。

像素可以是长方形的或者方形的。

有一个用于表述像素大小的数称为长宽比。

例如1.25:

1的长宽比表示每个像素的宽是其高度的1.25倍。

计算机显示器上的像素通常是方的，但是用于数字影像的像素有矩形的长宽比，例如那些用于CCIR601数字图像标准的变种PAL和NTSC制式的，以及所对应的宽屏格式。

在彩色图像中，每个像素可以用它的色调，饱和度，和亮度来表示，但是通常用红绿蓝强度来表示。

单色图像的每个像素有自己的辉度[6]。

0通常表示黑，而最大值通常表示白色。

正如在一个8位图像中，符号数是从0到255，最大的无符号数是255，所以这是白色的值。

2.4.2像素的计算

像素是衡量数码相机的最重要指标。

像素指的是数码相机的分辨率。

它是由相机里的光电传感器上的光敏元件数目所决定的，一个光敏元件就对应一个像素。

因此像素越大，意味着光敏元件越多，相应的成本就越大。

一幅图像的总像素即是由其横向像素和纵向像素相乘所得，其中宽度尺寸*分辨率=宽度像素；高度尺寸*分辨率=高度像素。

例如图像横向有4000像素（可以说一行有4000点），纵向有3000像素（也可以说有3000点）。

那么总像素数为4000*3000=12000000个，这是1200万像素，就可以说这个相片的分辨率是1200万的。

下面列举几个像素的计算：

500万像素有效4915200，像素2560X1920

400万像素有效3871488，像素2272X1704

300万像素有效3145728，像素2048X1536

200万像素有效1920000，像素1600X1200

130万像素有效1228800，像素1280X960

080万像素有效786432，像素1024X768

050万像素有效480000，像素800X600

030万像素有效307200，像素640X480

2.5本章小结

本章主要对图像的采集模块进行描述，对图像的采集工具数码相机进行描述和原理介绍，并对经过模/数转换后的数据进行处理，最后介绍了图像的构成单位像素，以及图像像素的计算。

3水印图像预处理

3.1MATLAB简介

MATLAB是matrix&laboratory两个词的组合，意为矩阵工厂（矩阵实验室）。

是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。

它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平[7]。

3.1.1MATLAB具有以下六个特点

1.编程效率高：

用MATLAB编写程序犹如在演算纸上排列出公式与求解问题，MATLAB语言也可通俗地称为演算纸式的科学算法语言。

由于它编写简单，所以编程效率高，易学易懂。

2.用户使用方便：

MATLAB语言把编辑、编译、连接和执行融为一体，其调试程序手段丰富，调试速度快，需要学习时间少。

它能在同一画面上进行灵活操作快速排除输入程序中的书写错误、语法错误以至语意错误，从而加快了用户编写、修改和调试程序的速度，可以说在编程和调试过程中它是一种比VB还要简单的语言。

3．扩充能力强：

高版本的MATLAB语言有丰富的库函数，在进行复杂的数学运算时可以直接调用，而且MATLAB的库函数同用户文件在形成上一样，所以用户文件也可作为MATLAB的库函数来调用[8]。

因而，用户可以根据自己的需要方便地建立和扩充新的库函数，以便提高MATLAB使用效率和扩充它的功能。

4．语句简单，内涵丰富：

MATLAB语言中最基本最重要的成分是函数，其一般形式为（a，6，c…）=fun（d，e，f，…），即一个函数由函数名，输入变量d，e，f，…和输出变量a，b，c….组成，同一函数名F，不同数目的输入变量（包括无输入变量）及不同数目的输出变量，代表着不同的含义。

这不仅使MATLAB的库函数功能更丰富，而大大减少了需要的磁盘空间，使得MATLAB编写的M文件简单、短小而高效。

5．高效方便的矩阵和数组运算：

MATLAB语言像Basic、Fortran和C语言一样规定了矩阵的一系列运算符，它不需定义数组的维数，并给出矩阵函数、特殊矩阵专门的库函数，使之在求解诸如信号处理、建模、系统识别、控制、优化等领域的问题时，显得大为简捷、高效、方便，这是其它高级语言所不能比拟的。

6．方便的绘图功能：

MATLAB的绘图是十分方便的，它有一系列绘图函数（命令），使用时只需调用不同的绘图函数（命令），在图上标出图题、XY轴标注，格绘制也只需调用相应的命令，简单易行。

另外，在调用绘图函数时调整自变量可绘出不变颜色的点、线、复线或多重线。

3.1.2MATLAB研究数字水印的优点

1.集成了DCT、DWT等函数有丰富的小波函数和处理函数，使研究变得简单，而且使源程序简单明了、易实现。

2.强大的数学运算功能。

能够方便、高效地实现图像中的大量矩阵运算。

提供了图像处理工具箱、小波分析工具箱、数字信号处理工具箱。

用来编制跨数字图像处理技术、数字信号处理等多学科的数字水印技术是很好的选择。

3.1.3MATLAB常用工具箱介绍（英汉对照）

1.MATLABMainToolbox——MATLAB主工具箱

2.ControlSystemToolbox——控制系统工具箱

3.SystemIdentificationToolbox——系统辨识工具箱

4.FuzzyLogicToolbox——模糊逻辑工具箱

5.Higher-OrderSpectralAnalysisToolbox——高阶谱分析工具箱

6.ImageProcessingToolbox——图象处理工具箱

7.LMIControlToolbox——线性矩阵不等式工具箱

8.ModelpredictiveControlToolbox——模型预测控制工具箱

9.OptimizationToolbox——优化工具箱

10.RobustControlToolbox——鲁棒控制工具箱

11.SignalProcessingToolbox——信号处理工具箱

12.SystemIdentificationToolbox——系统辨识工具箱

13.WaveleToolbox——小波工具箱

3.2数字水印的研究

数字水印（DigitalWatermarking）技术是将一些标识信息（即数字水印）直接嵌入数字载体当中（包括多媒体、文档、软件等）或是间接表示（修改特定区域的结构），且不影响原载体的使用价值，也不容易被探知和再次修改。

但可以被生产方识别和辨认。

通过这些隐藏在载体中的信息，可以达到确认内容创建者、购买者、传送隐秘信息或者判断载体是否被篡改等目的。

数字水印是保护信息安全、实现防伪溯源、版权保护的有效办法，是信息隐藏技术研究领域的重要分支和研究方向。

3.2.1数字水印的分类

1.按水印的特性可以将数字水印分为鲁棒数字水印和易损数字水印两类。

鲁棒数字水印主要用于在数字作品中标识著作权信息，利用这种水印技术在多媒体内容的数据中嵌入创建者、所有者的标示信息，或者嵌入购买者的标示（即序列号）。

易损水印（FragileWatermarking），与鲁棒水印的要求相反，易损数字水印主要用于完整性保护，这种水印同样是在内容数据中嵌入不可见的信息。

当内容发生改变时，这些水印信息会发生相应的改变，从而可以鉴定原始数据是否被篡改。

2.按水印所附载的媒体，我们可以将数字水印划分为图像水印、音频水印、视频水印、文本水印以及用于三维网格模型的网格水印等。

随着数字技术的发展，会有更多种类的数字媒体出现，同时也会产生相应的水印技术。

3.按水印的检测过程可以将数字水印划分为明文水印和盲水印。

明文水印在检测过程中需要原始数据，而盲水印的检测只需要密钥，不需要原始数据。

一般来说，明文水印的鲁棒性比较强，但其应用受到存储成本的限制。

目前学术界研究的数字水印大多数是盲水印。

4.按数字水印的内容可以将水印划分为有意义水印和无意义水印。

有意义水印是指水印本身也是某个数字图像（如商标图像）或数字音频片段的编码；无意义水印则只对应于一个序列号。

5.不同的应用需求造就了不同的水印技术。

按水印的用途，我们可以将数字水印划分为票证防伪水印、版权保护水印、篡改提示水印和隐蔽标识水印。

6.按数字水印的隐藏位置，我们可以将其划分为时（空）域数字水印、频域数字水印、时/频域数字水印和时间/尺度域数字水印。

时（空）域数字水印是直接在信号空间上叠加水印信息，而频域数字水印、时/频域数字水印和时间/尺度域数字水印则分别是在DCT变换域、时/频变换域和小波变换域上隐藏水印[9]。

随着数字水印技术的发展，各种水印算法层出不穷，水印的隐藏位置也不再局限于上述四种。

应该说，只要构成一种信号变换，就有可能在其变换空间上隐藏水印。

3.2.2数字水印的特征

数字水印具有以下特征:

1.安全性

数字水印能保证其中的信息是不容被篡改或伪造的，应该是安全的，当攻击者在窃取数字水印算法的情况下，恶意的进行攻击操作，依然可以保证水印的正确。

并且不会因文件格式转换而丢失，并且XX者不能检测出水印。

2.鲁棒性

鲁棒性亦即稳健性或稳壮性，即指信号经过常规的处理操作如有损压缩、几何失真以及打印和扫描后，所嵌入的水印信息保持一定的完整性，并能被以一定的准确率检测出来。

3.不可感知性

原始数据不应因为数字水印的嵌入而发生可感知的变化，所嵌入的水印不易被人察觉，如果嵌入水印信息后，原始数据发生明显的变化，那么这样的水印嵌入就是无效的。

判断不可感知的标准就是，人能否直观判断出原始信息和嵌入水印后的信息[10]。

4.可证明性

5.安全性

对图像中水印信息的提取应该是安全的，并且只有特定的用户在知道提取算法的情况下按照特定的方式才能对水印信息加以提取，而其他用户在XX的情况下则不能进行此操作。

3.3水

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