圖像數(shù)字水印+matlab程序

1、第三章圖像數(shù)字水印的方案3.1 圖像數(shù)字水印的技術(shù)方案在數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)在國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)上傳輸?shù)乃D像一般會(huì)被壓縮，有時(shí)達(dá)到很高的壓縮比。因此，數(shù)字水印算法所面臨的第一個(gè)考驗(yàn)就是壓縮。JPEG和EZW（EmbeddedZero-TreeWavelet）壓縮是最常見(jiàn)的兩種壓縮方法。JPEG是基于離散余弦變換域的壓縮方法，而EZW是基于小波變換域的壓縮方法。前人的研究證明采用與壓縮算法相同的變換域水印方法，對(duì)于壓縮的穩(wěn)健性較強(qiáng)。因此，我研究圖像文件水印算法主要集中在變換域算法及利用人眼視覺(jué)特性上。數(shù)字水印的嵌入要求即要考慮視覺(jué)透明性，又要保證嵌入水印后圖像的穩(wěn)健性，這兩個(gè)方面存在著矛盾。保證視覺(jué)透明性，

2、就要將水印嵌入到人眼不敏感區(qū)，也就是嵌入到圖像的高頻分量中。而多數(shù)圖像處理方法對(duì)于圖像高頻部分的損壞程度較高，如有損壓縮、高頻濾波等。水印很容易在經(jīng)歷圖像處理的過(guò)程中丟失。這樣，則無(wú)法保證圖像數(shù)字水印的穩(wěn)健性。如果要獲得很好的穩(wěn)健性，數(shù)字水印應(yīng)加在人眼敏感的低頻部分，圖像的大部分能量集中在低頻部分，如果對(duì)于低頻部分進(jìn)行處理，水印固然會(huì)失去，而圖像也沒(méi)有了利用價(jià)值，然而，水印的嵌入會(huì)對(duì)圖像的質(zhì)量有非常大的影響，這又無(wú)法保證視覺(jué)透明性。數(shù)字水印算法的實(shí)現(xiàn)基本分為三個(gè)部分：宿主圖像的變換，水印的嵌入和水印的檢測(cè)，分別描述如下。3.2 基于DCTM的圖像數(shù)字水印技術(shù)離散余弦變換（DiscreteCos

3、ineTransform）屬于正交變換圖像編碼方法中的一種。正交變換圖像編碼始于1968年。當(dāng)時(shí)安德魯斯（Andrews）等人發(fā)現(xiàn)大多數(shù)自然圖像的高頻分量相對(duì)幅度較低，可完全舍棄或者只用少數(shù)碼字編碼，提出不對(duì)圖像本身編碼，只對(duì)其二維傅立葉（DFT1系數(shù)進(jìn)行編碼和傳輸。但DFT是一種正交變換，運(yùn)算量很大，常常使實(shí)時(shí)處理發(fā)生困難，第二年他們就用Walsh-Hadamard變換（WHT）取代DFT可以使運(yùn)算量明顯減少，這是因?yàn)閃HT變換只有加減法而無(wú)需乘法。但是更有意義的是離散余弦變換和離散正旋變換的出現(xiàn)，它們具有快速算法，精確度高。其中最重要的是1974年提出的DCT,因?yàn)槠渥儞Q矩陣的基向量很近似

4、于托伯利茲矩陣的特征向量，而托伯利茲矩陣又體現(xiàn)了人類語(yǔ)言及圖像信號(hào)的相關(guān)性。因此，DCT常常被認(rèn)為是語(yǔ)音與圖像信號(hào)變換的準(zhǔn)最佳變換。圖像是二維的，所以在研究時(shí)主要用到二維DCT,以及二維IDCT來(lái)對(duì)圖像進(jìn)行處理。3.2.1 離散余弦變換（DCT的定義數(shù)字圖像X（m,n）是具有M行N列的一個(gè)矩陣。為了同時(shí)減弱或去除圖像數(shù)據(jù)相關(guān)性，可以運(yùn)用二維DCT,將圖像從空間域轉(zhuǎn)換到DCT變換域。根據(jù)定義，二維離散余弦變換（DCT）定義如下：2M1NY(k,l)：c(k)c(l)%X(m,n)cos,：/MNm2n乂(2m1)k二2Mcos(2nF二2Nc(l)式中：m,k=0,1,M1;n,l=0,1,N。

5、其中函數(shù)c(k)=Jq2k=01k=1,2,，M-1J1/行k=0=1k=1,2,，N-1二維逆離散余弦變換(IDCT)的定義如下：2MN(2m1)k二(2n1)l二X(m,n)=、c(k)cY(k,l)coscos(.MNKw2M2N式中：m,k=0,1,M1;n,l=0,1,N1。3.2.2 離散余弦變換的特點(diǎn)在基于DCT的變換編碼中，圖像是先經(jīng)分塊（8X8或16X16）后再經(jīng)DCT,這種變換是局部的，只反映了圖像某一部分的信息。當(dāng)然也可以對(duì)整幅圖像的特點(diǎn)，但是運(yùn)算速度比分塊DCT要慢。圖像經(jīng)DCT后，得到的DCT圖像有三個(gè)特點(diǎn)：一是系數(shù)值全部集中到0值附近（從直方圖統(tǒng)計(jì)的意義上），動(dòng)態(tài)范

6、圍很小，這說(shuō)明用較小的量化比特?cái)?shù)即可表示DCT系數(shù)；二是DCT變換后圖像能量集中在圖像的低頻部分，即DCT圖像中不為零的系數(shù)大部分集中在一起（左上角），因此編碼效率很高。三是沒(méi)有保留原圖像塊的精細(xì)結(jié)構(gòu)，從中反映不了原圖像塊的邊緣、輪廓等信息，這一特點(diǎn)是由DCT缺乏時(shí)局域性造成的。如下左圖31是原始圖彳t經(jīng)過(guò)DCT變換后的系數(shù)圖像為圖32。兩條線劃分出圖像的低頻、中頻和高頻分別所在的矩形區(qū)域。可以看出，圖像DCT變換后大部分參數(shù)接近于零，只有左上角的低頻部分有較大的數(shù)值，中頻部分參數(shù)值相對(duì)較小,而大部分圖31:原圖像圖32:變換后的系數(shù)圖像3.2.3 離散余弦變換的數(shù)字水印算法根據(jù)離散余弦變換后

7、的參數(shù)性質(zhì)，本文采用了以ZigZag方式重排變換域系數(shù)的方法，選出中頻分量，用數(shù)字水印序列對(duì)其進(jìn)行非線性調(diào)制。水印檢測(cè)時(shí)，待檢測(cè)圖像仍按比方式選擇變換域系數(shù)，與待水印進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，與閾值比較來(lái)判斷是否所含水印。離散余弦域的數(shù)字水印算法的具體實(shí)現(xiàn)分為三步：宿主圖像的變換，數(shù)字水印的嵌入，數(shù)字水印的檢測(cè)。3.2.3.1 宿主圖像的DC儂換對(duì)于NXN大小的256灰度級(jí)的宿主圖像I進(jìn)彳TNXN二維離散余弦變換(DCT)。以ZigZag方式對(duì)于DCT變換后的圖像頻率系數(shù)重新排列成一維向量Y=yi,y2,nxn.并取出序列中第L+1到L+M的中頻系數(shù)部分彳導(dǎo)到Y(jié)L=Yl+i,YL+2,lYm3.2.3.2

8、 數(shù)字水印的嵌入假設(shè)數(shù)字水印w為一服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的隨機(jī)實(shí)數(shù)序列，用數(shù)字序列表示為W=W1,W2,Wmo用W對(duì)Y序列中第L+1到L+M的中頻系數(shù)部分的值進(jìn)行修改，按以下公式進(jìn)行：y=Vi控制系統(tǒng)(controlsystem)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(neuralnetwork)、圖像處理(imageprocessing)魯棒控制(robustcontrol)、非線性系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)(nonlinearsystemcontroldesign)、系統(tǒng)辨識(shí)(systemidentification)、最優(yōu)化(optimization)、模糊邏輯(fuzzylogic)小波(wavelet)、通信(communicati

9、on)、統(tǒng)計(jì)(statistics)等工具箱，這些工具箱給各個(gè)領(lǐng)域的研究和工程應(yīng)用提供了有力的工具，借助于這些巨人肩上的工具”，各個(gè)層次的研究人員可直觀、方便地進(jìn)行分析、計(jì)算及設(shè)計(jì)工作，從而大大地節(jié)省了時(shí)間。3.3.2. MATLAB研究數(shù)字水印的優(yōu)點(diǎn)集成了DCT、DWT等函數(shù)有豐富的小波函數(shù)和處理函數(shù)，這不僅方便了研究人員，而且使源程序簡(jiǎn)潔明了、易實(shí)現(xiàn)。強(qiáng)大的數(shù)學(xué)運(yùn)算功能。能夠方便、高效地實(shí)現(xiàn)音頻、視頻中的大量矩陣運(yùn)算。提供了圖像處理工具箱、小波分析工具箱、數(shù)字信號(hào)處理工具箱。用來(lái)編制跨數(shù)字圖像處理技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理等多學(xué)科的數(shù)字水印技術(shù)是非常好的選擇。MATLAB與目前最強(qiáng)大的編程工具一一

10、VisualC+具有良好的接口。3.3.3. MATLAB函數(shù)介紹在介紹函數(shù)之前，我們必須明確一點(diǎn)：作水印程序時(shí)，處理的圖像數(shù)據(jù)是二維信號(hào)，而聲音信號(hào)是一維信號(hào)。這里，我們僅僅簡(jiǎn)單介紹與水印有關(guān)的函數(shù)。數(shù)據(jù)輸入輸出函數(shù)imread()和imwrite():可以讀寫bmp,jpg/jpeg,tif/tiff,png,hdf,pcx,wxd格式文件。讀索引文件時(shí)，還可以得到相應(yīng)的調(diào)色板數(shù)據(jù)。auread()、auwrite()、wavread()和wavwrite():可以方便地讀寫au和wav文件,并可控制其中的位及頻率。圖像顯示imshow()：顯示一幅圖像；imfinfo()：可以得到讀入圖

11、像的信息。如文件的大小、格式、格式版本號(hào)、圖像的高度、寬度、顏色類型(真彩色，灰度圖還是索引圖)等。變換頻函數(shù)對(duì)信號(hào)采用不同的變換，是實(shí)現(xiàn)頻域法水印的至關(guān)重要的一步，MATLAB中對(duì)一維信號(hào)和二維信號(hào)分別提供了各種變換和逆變換函數(shù)。離散余弦變換(DCT)DCT(離散余弦變換)；IDCT(逆向離散余弦變換)；DWT(離散小波變換)IDWT(離散小波變換)；dct(),dct2():分別實(shí)現(xiàn)一維信號(hào)和二維信號(hào)的idct(),idct2():分別實(shí)現(xiàn)一維信號(hào)和二維信號(hào)的離散小波變換(DWT)dwt(),dwt2():分別實(shí)現(xiàn)一維信號(hào)和二維信號(hào)的idwt(),idwt2():分別實(shí)現(xiàn)一維信號(hào)和二維信號(hào)

12、的Wavedec2():多級(jí)二維小波分解函數(shù)；Waveinfo():提供小波包中所有的小波信息；攻擊函數(shù)對(duì)算法進(jìn)行攻擊測(cè)試是對(duì)水印魯棒性檢測(cè)的一種重要手段，一個(gè)好的水印算法必須經(jīng)過(guò)各種攻擊測(cè)試才能對(duì)之做出客觀的評(píng)價(jià)。MATLAB中的許多函數(shù)可以直接用來(lái)做攻擊測(cè)試。旋轉(zhuǎn)：rotate()可以對(duì)圖像進(jìn)行任意角度的旋轉(zhuǎn)；剪裁：imcrop()可以按精確定位的各點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行剪裁；濾波：filter()和filter2()可實(shí)現(xiàn)對(duì)一維信號(hào)和二維信號(hào)的濾波；抖動(dòng)：dither()對(duì)圖像進(jìn)行抖動(dòng)；抖動(dòng)攻擊考驗(yàn)水印魯棒性的一個(gè)很好的攻擊；jpeg壓縮：imwrite()中jpg和quality參數(shù)能對(duì)圖像進(jìn)行可

13、控jpg壓縮；加各種噪聲：imnoise()可以對(duì)圖像加入各種噪聲，如白噪聲、椒鹽噪聲等，加入噪聲是對(duì)水印魯棒性考驗(yàn)的一種常見(jiàn)的攻擊；放大/縮?。篿mresize()可以以指定的插值方法來(lái)對(duì)圖像進(jìn)行放大和縮小。第四章：圖像數(shù)字水印技術(shù)的實(shí)現(xiàn)4.1基于離散余弦變法(DCT實(shí)現(xiàn)數(shù)字水印技術(shù)打開原始及水印圖像：subplot(2,2,1)I=uigetfile(*.bmp,打開原始彩色圖像文件,);RGB=imread(I);image(RGB);title(原始彩色圖像,);subplot(2,2,2)I=uigetfile(*.bmp,打開水印灰度圖像文件);imshow(I);title(灰度

14、水印圖像,);subplot(2,2,3)H=imread(I);J=dct2(H);imshow(log(abs(J),),colorbar;title(水印圖像經(jīng)DCT變換后能量分布情況,)運(yùn)行結(jié)果：水印全過(guò)程：0%水印加入程序Q=input(請(qǐng)輸入放縮因子的值(建議小于1):Q=)subplot(2,3,1)RGB=imread(浙江臺(tái)州學(xué)院,jpg);imshow(RGB);title(原始圖像);subplot(2,3,2)N=dct2(RGB(:,:,3);imshow(log(abs(N),),colorbar;title(Y分量能量分布,);subplot(2,3,4)I=im

15、read(lena1,bmp);imshow(I);title(灰度水印圖像,);subplot(2,3,5)M=dct2(I);imshow(log(abs(M),),colorbar;title(水印能量分布,);subplot(2,3,6)J=M(1:128,1:128);J(128:364,128:400)=0;J=rot90(J);J=rot90(J);J(365:600,401:750)=0;J=rot90(J);J=rot90(J);N=N+Q*J;K=idct2(N);RGB(:,:,3)=K;imshow(RGB);title(加入水印后圖像,);%水印提取程序subplot

16、(2,3,3)RGB1=imread(浙江臺(tái)州學(xué)院,jpg);N=dct2(RGB(:,:,3);M=dct2(RGB1(:,:,3);M=(N-M)/Q;B=idct2(M(236:365,350:401);Y=mat2gray(B);imshow(Y);title（提取的水印圖像,）運(yùn)行結(jié)果：水印全過(guò)程(經(jīng)剪切檢測(cè)水印)%水印加入程序Q=input(請(qǐng)輸入放縮因子的值(建議小于1):Q=)subplot(3,3,1)RGB=imread(MM,jpg);imshow(RGB);title(原始圖像);subplot(3,3,2)imshow(RGB(:,:,3);title(B分量);su

17、bplot(3,3,3)N=dct2(RGB(:,:,3);imshow(log(abs(N),),colorbar;title(B分量能量分布,);subplot(3,3,4)I=imread(lena1,bmp);imshow(I);title(灰度水印圖像,);subplot(3,3,5)M=dct2(I);imshow(log(abs(M),),colorbar;title(水印能量分布,);subplot(3,3,7)J=M(1:128,1:128);J(128:464,128:364)=0;J=rot90(J);J=rot90(J);J(465:800,365:600)=0;J=r

18、ot90(J);J=rot90(J);N=N+Q*J;K=idct2(N);RGB(:,:,3)=K;imshow(RGB);title(加入水印后圖像);subplot(3,3,8)I=imcrop(RGB,11598798);imshow(I);subplot(3,3,9)%水印提取程序subplot(3,3,6)RGB1=imread(MM,jpg);J=RGB1(:,:,3);X=J(1:799,1:599);N=dct2(I(:,:,3);M=dct2(X);M=(N-M)/Q;B=idct2(M(337:464,237:364);Y=mat2gray(B);imshow(Y);ti

19、tle(經(jīng)放縮后提取的水印圖像)運(yùn)行結(jié)果：水印全過(guò)程(經(jīng)空域壓縮檢測(cè)水印)程序源代碼%水印加入程序Q=input(請(qǐng)輸入放縮因子的值(建議小于1):Q=)P=input(請(qǐng)輸入您所希望的圖像放縮系數(shù)值(建議取值不要小于0.5):P=)subplot(3,3,1)RGB=imread(浙江臺(tái)州學(xué)院,jpg);imshow(RGB);title(原始圖像);subplot(3,3,2)imshow(RGB(:,:,3);title(B分量);subplot(3,3,3)N=dct2(RGB(:,:,3);imshow(log(abs(N),),colorbar;title(B分量能量分布,);su

20、bplot(3,3,4)I=imread(lena1,bmp);imshow(I);title(灰度水印圖像,);subplot(3,3,5)M=dct2(I);imshow(log(abs(M),),colorbar;title(水印能量分布,);subplot(3,3,7)J=M(1:128,1:128);J(128:364,128:400)=0;J=rot90(J);J=rot90(J);J(365:600,401:750)=0;J=rot90(J);J=rot90(J);N=N+Q*J;K=idct2(N);RGB(:,:,3)=K;imshow(RGB);title(加入水印后圖像,

21、);subplot(3,3,8)I=imresize(RGB,Pnearest);imshow(I);title(壓縮P倍圖像)；subplot(3,3,9)J=imresize(I,1/P,nearest);imshow(J);title(再放大P倍還原圖像,)%水印提取程序subplot(3,3,6)RGB1=imread(浙江臺(tái)州學(xué)院,jpg);N=dct2(J(:,:,3);M=dct2(RGB1(:,:,3);M=(N-M)/Q;B=idct2(M(236:365,350:401);Y=mat2gray(B);imshow(Y);title(,經(jīng)放縮后提取的水印圖像,):運(yùn)行結(jié)果：4

22、.2圖像水印的dwt算法%以下是水印提取算法clearall;clc;%呆存時(shí)間start_time=cputime;figure(1);%讀出原始圖像subplot(1,2,1);input=imread(2.jpg);imshow(input);title(原始圖像)；%讀出水印圖像subplot(1,2,2);watermarked_image=imread(watermarked.bmp);imshow(watermarked_image,口)；title(水印圖像)；%三色分離input=double(input);watermarked_image=double(watermark

23、ed_image);inputr=input(:,:,1);watermarked_imager=watermarked_image(:,:,1);inputg=input(:,:,2);watermarked_imageg=watermarked_image(:,:,2);inputb=input(:,:,3);watermarked_imageb=watermarked_image(:,:,3);%水印圖像R勺分解Cwr,Swr=WAVEDEC2(watermarked_imager,2,haar);洞彳象R的分解Cr,Sr=WAVEDEC2(inputr,2,haar);%水印圖像G勺分

24、解Cwg,Swg=WAVEDEC2(watermarked_imageg,2,haar);洞彳象R的分解Cg,Sg=WAVEDEC2(inputg,2,haar);%水印圖像B的分解Cwb,Swb=WAVEDEC2(watermarked_imageb,2,haar);洞彳象B的分解Cb,Sb=WAVEDEC2(inputb,2,haar);%提取水印小波系數(shù)%提取水印R勺小波系數(shù)r=0.06;fork=0:3whr(k+1,:)=Cwr(1+size(Cwr,2)/4+k*size(Cwr,2)/16:size(Cwr,2)/4+(k+1)*size(Cwr,2)/16)-Cr(1+size

25、(Cr,2)/4+k*size(Cr,2)/16:.size(Cr,2)/4+(k+1)*size(Cr,2)/16);wvr(k+1,:)=Cwr(1+size(Cwr,2)/2+k*size(Cwr,2)/16:size(Cwr,2)/2+(k+1)*size(Cwr,2)/16)-Cr(1+size(Cr,2)/2+k*size(Cr,2)/16:.size(Cr,2)/2+(k+1)*size(Cr,2)/16);wdr(k+1,:)=Cwr(1+3*size(Cwr,2)/4+k*size(Cwr,2)/16:3*size(Cwr,2)/4+(k+1)*size(Cwr,2)/16)

26、-Cr(1+3*size(Cr,2)/4+k*size(Cr,2)/16:3*size(Cr,2)/4+(k+1)*size(Cr,2)/16);endwhr=(whr(1,:)+whr(2,:)+whr(3,:)+whr(4,:)/(4*r);wvr=(wvr(1,:)+wvr(2,:)+wvr(3,:)+wvr(4,:)/(4*r);wdr=(wdr(1,:)+wdr(2,:)+wdr(3,:)+wdr(4,:)/(4*r);war=(Cwr(1:size(Cwr,2)/16)-Cr(1:size(Cr,2)/16)/r;%提取水印小波系數(shù)%提取水印G勺小波系數(shù)g=0.03；fork=0:

27、3whg(k+1,:)=Cwg(1+size(Cwg,2)/4+k*size(Cwg,2)/16:size(Cwg,2)/4+(k+1)*size(Cwg,2)/16)-Cg(1+size(Cg,2)/4+k*size(Cg,2)/16:size(Cg,2)/4+(k+1)*size(Cg,2)/16);wvg(k+1,:)=Cwg(1+size(Cwg,2)/2+k*size(Cwg,2)/16:size(Cwg,2)/2+(k+1)*size(Cwg,2)/16)-Cg(1+size(Cg,2)/2+k*size(Cg,2)/16:.size(Cg,2)/2+(k+1)*size(Cg,2

28、)/16);wdg(k+1,:)=Cwg(1+3*size(Cwg,2)/4+k*size(Cwg,2)/16:3*size(Cwg,2)/4+(k+1)*size(Cwg,2)/16)-Cg(1+3*size(Cg,2)/4+k*size(Cg,2)/16:3*size(Cg,2)/4+(k+1)*size(Cg,2)/16);endwhg=(whg(1,:)+whg(2,:)+whg(3,:)+whg(4,:)/(4*g);wvg=(wvg(1,:)+wvg(2,:)+wvg(3,:)+wvg(4,:)/(4*g);wdg=(wdg(1,:)+wdg(2,:)+wdg(3,:)+wdg(4

29、)/(4*g);wag=(Cwg(1:size(Cwg,2)/16)-Cg(1:size(Cg,2)/16)/g;%提取水印小波系數(shù)%提取水印B的小波系數(shù)b=0.12;fork=0:3whb(k+1,:)=Cwb(1+size(Cwb,2)/4+k*size(Cwb,2)/16:size(Cwb,2)/4+(k+1)*size(Cwb,2)/16)-Cb(1+size(Cb,2)/4+k*size(Cb,2)/16:size(Cb,2)/4+(k+1)*size(Cb,2)/16);wvb(k+1,:)=Cwb(1+size(Cwb,2)/2+k*size(Cwb,2)/16:size(Cwb

30、,2)/2+(k+1)*size(Cwb,2)/16)-Cb(1+size(Cb,2)/2+k*size(Cb,2)/16:size(Cb,2)/2+(k+1)*size(Cb,2)/16);wdb(k+1,:)=Cwb(1+3*size(Cwb,2)/4+k*size(Cwb,2)/16:3*size(Cwb,2)/4+(k+1)*size(Cwb,2)/16)-Cb(1+3*size(Cb,2)/4+k*size(Cb,2)/16:3*size(Cb,2)/4+(k+1)*size(Cb,2)/16);endwhb=(whb(1,:)+whb(2,:)+whb(3,:)+whb(4,:)/