變換域下的數(shù)字圖像水印技術研究電子信息設計說明

1、畢 業(yè) 論 文題 目： 變換域下的數(shù)字圖像水印技術研究 畢業(yè)設計（論文）中文摘要變換域下數(shù)字圖像水印技術研究摘要：科技進步給我們的生活帶來極大便利的同時也帶了以前不曾出現(xiàn)的問題。對數(shù)字產品保護的探求，就一直是大家廣為關注的方向?；谧儞Q域下的數(shù)字圖像水印處理技術就是圖像領域中的一個重要課題。本文主要基于對數(shù)字圖像水印系統(tǒng)在變換域下的實現(xiàn)方案進行深入的研究與分析。研究了在離散余弦變換域下和小波變換域下分別對數(shù)字圖像進行水印信息的置亂、嵌入和提取操作，以與在算法實現(xiàn)后對水印系統(tǒng)進行包括噪聲、濾波、壓縮、剪切和旋轉的水印攻擊測試。在本文最后還分別對基于兩種算法的水印系統(tǒng)進行定量的比較分析。關鍵詞：數(shù)

2、字水印；離散余弦變換；小波變換；圖像置亂；水印攻擊- 41 - / 47畢業(yè)設計（論文）外文摘要Title Research on digital image watermarking technology under the transform domainAbstractWhile we are enjoying the convenience of our life which was brought by the development of science and technologies, it also creats many problems that had never ap

3、peared before. It is been widely discussed that the exploration of the securities of digital products. And it is a important subject that the digital graphic watermark processing technique aimed at the domain of image under the tranform domain. This paper deeply studied and analysed the practical me

4、thods to creat a digital image watermarking system under the transform domain.It mainly studied the operations of correctly watermark embedding and extracting digital image under the discrete consine transform domain and the wavelet transform domain. And it studied attacked watermark tests of water

5、mark system involved in noise,filtering, compression,shear and rotation after the realization of algorithm. Besides,to ensure the security of digital watermark system,it also studied the content of scrambling algorithm,such as Arnold scrambling algorithm.Keywords：Digital watermarking;DCT;DWT;Image s

6、crambling;Watermark attack目錄1 緒論11.1課題的背景和意義11.2數(shù)字水印的起源與研究現(xiàn)狀21.3論文的主要工作和容42 數(shù)字圖像水印技術52.1數(shù)字圖像水印技術的含義與特性52.2數(shù)字圖像水印系統(tǒng)的分類52.3典型數(shù)字圖像水印算法介紹72.3.1空域水印72.3.2變換域水印算法72.3.3其他水印算法82.4水印的置亂方法82.4.1 Arnold置亂算法82.4.2 Arnold逆變換92.5水印攻擊方法92.4.1攻擊方式分類92.4.2攻擊原理分類102.6數(shù)字水印評估的常見標準112.7人類視覺系統(tǒng)HVS113 基于離散余弦變換（DCT）的水印系統(tǒng)算法

7、133.1離散余弦變換的基本原理133.1.1 DCT變換的定義133.1.2 DCT域系數(shù)133.2離散余弦變換算法實現(xiàn)的基本步驟153.2.1水印的置亂加密153.2.2水印的嵌入153.2.3水印的提取163.2.4水印的攻擊測試173.3離散余弦變換算法的實驗結果與分析184 基于小波變換（DWT）的水印系統(tǒng)算法224.1小波變換的基本原理224.1.1小波變換的定義224.1.2圖像小波分解244.2離散小波變換算法實現(xiàn)的基本步驟264.2.1 Arnold置亂加密264.2.2小波基的選取274.2.3嵌入算法274.2.4提取算法284.2.5水印的攻擊測試284.3算法結果與分

8、析285.算法之間的比較分析32總結34致371.緒論進入21世紀以來，我們社會的發(fā)展己經呈現(xiàn)兩個明顯的特征:數(shù)字化和網絡化。數(shù)字化指的是將信息以數(shù)字的形式進行存儲，從而使的信息可以大量存儲、更加輕易地編輯和復制。網絡化指的是信息的傳輸形式，在網絡化的模式下信息的傳輸具有速度更快、分布更廣的優(yōu)點。在信息技術邁入新世紀的同時，研究對信息源的保護和認證也凸顯的日益重要。其中對圖像作品的知識產權的保護和認證就是其中一個重要的研究方向。本課題主要便是研究在變換域下的數(shù)字圖像水印處理技術。1.1 研究的背景和意義我們通過互聯(lián)網這一重要媒介可以去了解和認知世界，感受新時代的多姿多彩。好比在互聯(lián)網上，我們可

9、以隨時的對本身感興趣的圖像進行搜索、下載、瀏覽和觀看。對于我們的日常生活,互聯(lián)網為我們提供了快捷與便利的方式，然而對于侵權和仿冒者同樣可以利用如此便捷的方式對具有信息的圖像數(shù)據(jù)進行非法截獲與破解，再對圖像容加以復制、拷貝、改動和傳播，這樣就會使得圖像的仿冒和侵權變得極其簡單。過去使用傳統(tǒng)方法的安全加密技術來對圖像數(shù)據(jù)進行加密處理，到了今天傳統(tǒng)信息安全加密技術已經越來越顯得無力了。在盜權使用所帶來極高回報的誘惑下，侵權者的盜版方式層出不窮，盜版的方法越來越厲害。針對此種現(xiàn)象，我們只能不斷的革新防偽技術，用以保護圖像所有者的利益。以前的安全加密技術主要是基于發(fā)展多年的密碼學經驗，主要是將需要保護的

10、圖像文件放在一個具有復雜密碼的外殼程序里從而達到加密保護的效果，對于沒有密鑰的使用者，由于無法打開外殼程序，從而使得圖像文件受到保護1-2。面對當今開放的網絡環(huán)境人們需要的是對圖像信息的實時傳播和實時共享，而傳統(tǒng)的加密需要一套復雜的密碼系統(tǒng)，將圖像文件放入一個外殼程序，再對外殼程序進行加密操作，然而在現(xiàn)實網絡環(huán)境中對圖像數(shù)據(jù)信息進行傳統(tǒng)外殼程序加密處理需要消耗本就有限的資源帶寬，拖慢本就不快的網絡傳播速度，對于實時傳播和實時共享帶來挑戰(zhàn)。即使不考慮傳統(tǒng)加密帶來的硬件和資源帶寬的消耗，面對越來越高明的仿冒和破解技術，傳統(tǒng)圖像信息安全加密技術在當今高性能處理器的時代已經不再具有優(yōu)勢，一般對數(shù)字密鑰

11、的解密對于性能極高的處理器只是稍稍費點時間罷了。所以研究一種不需要增加文件大小的又可以對圖像的知識產權進行有效保護的圖像加密技術具有十分現(xiàn)實的意義3。數(shù)字圖像水印技術就是當前眾多圖像加密技術中的一項十分重要的技術，自從1993年這項技術提出后，就得到了學術界的廣泛關注4。數(shù)字水印技術具有其獨特的加密方法，它通過一定的嵌入算法將具有特殊意義的水印信息隱藏在目標圖像數(shù)據(jù)中，所要求的是嵌入系統(tǒng)中的水印信息不可以將原始圖像的基本外觀和尺寸大小發(fā)生明顯的改變，也就是說是嵌入水印不可以影響原本圖像數(shù)據(jù)的外在市場價值，在水印系統(tǒng)提取水印信息的階段，隱藏其中的水印信息提取后不可以無法識別。因此一個優(yōu)秀的數(shù)字圖

12、像水印系統(tǒng)會具有良好的隱蔽性、魯棒性和非常安全的特點?；跀?shù)字圖像水印技術的技術特點，侵權者在對被水印技術保護的圖像作品進行侵權行為時，會變得異常的不簡單，圖像數(shù)據(jù)進行傳輸通信時也可以變得更加便捷高效，因此在維護、出版音像、數(shù)字網路以與鑒別防偽數(shù)據(jù)等領域都可以得到極好的發(fā)展5?；谶@些原因，對數(shù)字圖像水印技術不斷的深入探索是很有價值的，這便是選擇本課題的原因。1.2 數(shù)字水印的起源與研究現(xiàn)狀在人類歷史漫長的歲月中我們可以發(fā)現(xiàn)很多發(fā)明都有水印技術的影子。古希臘特殊信息刻在木板上，木板上的特殊信息用石蠟填平，這樣看起來寫有特殊信息的木板就猶如普通的木板一般，但將看似普通的木板加熱后覆蓋其上的石蠟被

13、融化，隱藏其中的軍事信息就會顯露出來，這就和現(xiàn)在的防止偽造盜版的水印系統(tǒng)原理類似6。在中國古代傳遞信息的藏頭詩，中世紀歐洲隱藏信息的柵格技術，近代碟戰(zhàn)中出現(xiàn)的類似隱形墨水、文字密碼書信等，都可以隱約看到水印技術的影子。真正類似今天的水印技術可以追述到8世紀末或9世紀初，由中國唐代造紙工匠首創(chuàng)，他們在造紙的竹簾模型上用絲線編織花紋，花紋的處理比竹簾本身突出一些，故成紙時相對應有花紋的部位纖維交織得薄一些，則透光程度高一些，于是就可以得到類似今印的效果7；13世紀意大利工匠在抄紙網上編織出字母、數(shù)字或圖案，使造紙機上的修飾裩（水印裩）留有水印圖案，當壓制濕紙頁時就可以形成水印了8。今天我們使用的人

14、民幣上用來識別真?zhèn)蔚木褪撬〖夹g，在各種防偽標識中也都可以見到水印的出現(xiàn)。但是現(xiàn)代水印技術應用時間并不是很長，1993年，Tirkel等人首次使用“water mark”這個詞發(fā)表了一篇論文，在論文中對現(xiàn)代意義上的數(shù)字水印做了最早的概念性論述，提出將數(shù)字水印運用在保護中的想法。再后來，“water mark”逐漸合并成為了“watermark"9。正式對數(shù)字水印技術進行具體描述是在1994年的IEEE國際圖像處理會議上，Tirkel與 Van Schyndel等人發(fā)表了一篇題為"A digital watermark”的學術論文，從此數(shù)字水印技術日新月異，研究成果和技術文檔

15、不斷涌現(xiàn)。在學術界的有關電氣電信的權威雜志上有關數(shù)字水印技術的論文或專題研究頻繁的出現(xiàn)例如IEEE會報，IEEE通信選題等雜志。在信息安全、密碼學和信息處理領域的國際會議上有關數(shù)字水印技術的討論也不斷的被提與，可見其研究熱度之高10。雖然相對國際上對數(shù)字水印技術研究時間來說，國對數(shù)字水印技術開始研究的時間是稍晚一些的。不過咱們國家對數(shù)字水印技術卻是十分的重視，引入數(shù)字水印概念后國家先后舉辦了5次信息隱藏技術研討會，具體就是討論如何將數(shù)字水印技術運用到社會的各個領域中，造福社會11。并且不僅如此，國家自然科學基金，863、973等項目中數(shù)字水印技術的規(guī)劃赫然在列12。這些都足以體現(xiàn)國家對數(shù)字水印

16、技術研究的重視。如今，隨著技術的交流與不斷公關，國對于數(shù)字水印技術的研究已經逐步與世界水平同步，并且還具有自己的算法理論。自水印技術提出以來這些年由于技術不斷的創(chuàng)新，針對不同應用領域的數(shù)字水印系統(tǒng)不斷的被發(fā)明，許多新數(shù)字水印概念與水印算法亦不斷的涌現(xiàn)，國際上出現(xiàn)了各種各樣的水印方案。在空域，由Trikel等人最先提出的基于最低有效位的數(shù)字水印算法13，Bender等人提出的有關Patchwork方法與用于紋理塊映射的編碼算法。在變換域，COX等人提出了一種基于擴頻通信思想的頻域水印方案14。Barni等人在前人基礎上提出了首先將圖像進行全局DCT變換，然后將水印信息嵌入到中頻系數(shù)的水印算法15

17、。Huang等人用奇異值分解技術和DCT變換相結合，創(chuàng)造了一種新的算法16。Kaewkamnerd和Kwon等人利用HVS在DCT域確定水印的嵌入位置和強度17。Ruanaidh最先提出將水印嵌入到圖像DFT域的水印方案。Solachidis等人提出了一種基于DFT域的盲水印數(shù)字水印算法系統(tǒng)，它的基本原理是運用了循環(huán)對稱的方式將我們需要的水印信息嵌入到目標載體圖像之中的18。Podilchuk等人在小波變換域進行水印嵌入的方案。Kundur等人提出了基于小波變換的圖像融合水印算法方案。Xia等人提出一種基于小波變換的分層水印處理方案，Zhao等人提出了一種針對靜止圖像的局部小波變換混沌數(shù)字水印

18、算法19。Kang等人提出了一種DWT-DFT分解的數(shù)字水印算法。數(shù)字水印算法發(fā)展到目前為止可以分為兩代，第一代水印算法大多作用在整個圖像中，缺點甚多;第二代水印算法主要基于容特征的方法，局部化了水印的嵌入與提取，第二代水印技術己經越來越受到研究者關注21。1.3 論文的主要工作和容本文的主要工作是先介紹了一些數(shù)字水印技術有關的基本知識，之后對在變換域下的數(shù)字水印技術進行了闡述。主要介紹在離散余弦變換域下和小波變換域下分別對數(shù)字圖像進行水印信息的置亂、嵌入和提取操作，以與在算法實現(xiàn)后對水印系統(tǒng)進行包括噪聲、濾波、壓縮、剪切和旋轉的魯棒性攻擊測試，在文章最后通過對以上兩種算法進行比較，對在變換域

19、下的數(shù)字水印技術進行客觀分析與總結。全文5章節(jié)結構安排如下:第一章緒論，提出本課題研究的背景和意義，敘述數(shù)字水印起源以與現(xiàn)如今研究發(fā)展的狀況。第二章數(shù)字水印的基礎知識，介紹有關數(shù)字水印的起點知識如定義、基本特性、分類、應用領域、以與應用前景等，之后對數(shù)字水印幾種經典算法和常見攻擊方法進行簡要概括。第三章方案論證，對DCT域下的數(shù)字水印技術從概念定義，到嵌入、提取的流程，最后進行攻擊測試進行闡述。第四章方案論證，對DWT域下的數(shù)字水印技術從概念定義，到嵌入、提取的流程，最后進行攻擊測試進行闡述。第五章算法之間的比較，對本文所研究的兩種算法進行定量分析，用圖表進行直觀的比較。第六章總結，通過對兩種

20、算法的PSNR和NC系數(shù)進行比較分析，客觀的對變換域下的數(shù)字水印技術進行總結。2 數(shù)字圖像水印技術數(shù)字圖像水印技術隨著新時代的步伐，已經越來越深入我們的日常生活。我們每天使用的人民幣中的防偽技術，到各種防偽標識，再到平常我們在相片中加入的可看見的水印信息，這些都是數(shù)字圖像水印在日常生活中的技術運用，這門技術與我們的生活密切相關，聯(lián)系頗多。2.1 數(shù)字圖像水印技術的含義與特性數(shù)字圖像水印技術通過特定的嵌入算法將具有特殊含義的水印信息掩藏在原本的目標圖像之中，并且還要求在嵌入的水印信息之后不可以使得目標圖像數(shù)據(jù)的外觀印象和實際大小發(fā)生破壞性的改變，不可以影響原本目標圖像數(shù)據(jù)的現(xiàn)實使用價值，在水印信

21、息提取檢測階段，隱藏的水印信息要可以大體辨認，不可過于失真。欲使數(shù)字圖像水印技術在實際應用中作為一項值得信賴的技術，運用到實際中的數(shù)字圖像水印技術最好必須具有以下技術特性22:（1）隱蔽性:對于隱蔽水印系統(tǒng)，在嵌入水印后，對于數(shù)字圖像數(shù)據(jù)本身影響不可以太大，圖像質量不可以有明顯的下降，最大限度的不被人眼所感知。（2）安全可靠性:嵌入的水印信息與嵌入的水印位置都要進行加密隱藏處理，使得非法侵權攔截者無法獲取相關水印信息。（3）魯棒性:當數(shù)字圖像遭受一些非法操作或人為破壞時，水印必須要還能夠提取并分辨識別出來。（4）水印容量:在保證圖像數(shù)據(jù)質量的前提下，盡量將更多的實用信息嵌入原始圖像數(shù)據(jù)中。（5

22、）低錯誤率:水印檢測時出現(xiàn)檢測錯誤的概率必須相當?shù)停ＷC提取水印的準確率。水印隱蔽性和魯棒性是數(shù)字圖像水印系統(tǒng)的兩個重要屬性，是水印系統(tǒng)性能提升的關鍵因素，同時也是設計水印系統(tǒng)時必需要考慮的因素。確保隱蔽性和魯棒性才能算是一個基本的水印系統(tǒng)。2.2數(shù)字圖像水印系統(tǒng)的分類數(shù)字圖像水印系統(tǒng)按照不同的定義可以劃分為不同的種類：2.2.1按特性劃分按水印的特性可以將數(shù)字圖像水印分為魯棒水印系統(tǒng)和易損水印系統(tǒng)兩大類。（1)魯棒水印系統(tǒng)主要特征是要求具有極強的魯棒性和安全性，比如除了要求在平常的圖像處理形式（例如：濾波、噪聲、旋轉、剪切、壓縮等）中水印系統(tǒng)能正常運行外，還要能抵抗暴力攻擊，使用暴力方法直接

23、抹去水印信息的能力。主要用于在數(shù)字圖像作品中實現(xiàn)隱藏信息，確保作者利益。使用魯棒水印系統(tǒng)在目標圖像數(shù)據(jù)中嵌入水印信息，當發(fā)生數(shù)字圖像糾紛時，可以高效率的保護所有者的權益。（2）易損水印系統(tǒng)，在作用上可以說和魯棒水印系統(tǒng)的技術特點完全相反，易損數(shù)字水印系統(tǒng)主要希望在目標圖像數(shù)據(jù)容發(fā)生一定的改變時，嵌入其中的水印信息可以發(fā)生對應的改變，從而在提取時可以鑒定原始目標圖像數(shù)據(jù)是否被惡意篡改使用。易損水印系統(tǒng)在面對平常的圖像處理形式（例如：濾波、旋轉、噪聲、替換、壓縮等）時要有較強的不可丟失性，同時還要求具有對處理操作有較強的敏感性，即隨著原始目標圖像數(shù)據(jù)的改變丟失，提取水印時要將發(fā)生的改變和丟失信息的

24、狀態(tài)表現(xiàn)出來，基于這種對原始信號變動的敏感特點，檢測者只需根據(jù)易損水印的改變狀態(tài)就可以得出原始數(shù)據(jù)是否被惡意修改過23。2.2.2按檢測過程劃分按數(shù)字水印的提取方式可以將數(shù)字圖像水印系統(tǒng)劃分為明文水印系統(tǒng)和盲水印系統(tǒng)。明文水印在提取水印信息的過程中需要用到原始的目標圖像，而盲水印的提取過程只需要提供密鑰，不需要原始圖像。一般來講，明文水印的魯棒性比較強，但是在提取時會用到原始圖像，存儲圖像需要空間，而這就增加了其應用的成本，推廣的力度?；诖四壳按蠖鄶?shù)研究的數(shù)字水印都是盲水印。2.2.3按隱藏位置劃分按數(shù)字水印處理圖像數(shù)據(jù)的位置可以將數(shù)字圖像水印系統(tǒng)劃分為空間域變換下的數(shù)字水印系統(tǒng)和變換域下的

25、數(shù)字水印系統(tǒng)?？臻g域變換下的數(shù)字水印系統(tǒng)是直接在原本處理的數(shù)據(jù)空間上疊加水印信息，變換域數(shù)字水印系統(tǒng)則是在變換域下基于原始數(shù)據(jù)本身的特點進行像素點的替換或修改，用以來添加水印信息。本文主要研究的就是基于變換域下的明文魯棒數(shù)字水印技術研究。2.3典型數(shù)字圖像水印算法介紹在數(shù)字水印系統(tǒng)中有關數(shù)字水印算法的研究成果可謂是琳瑯滿目，在大量瀏覽有關數(shù)字水印算法的參考文獻進行研究閱讀后，不難發(fā)現(xiàn)，當前的數(shù)字水印算法一般都是在最初提出的幾種水印算法的理論基礎上，對算法的思想與技術方案做出的完善或改進，對數(shù)字水印系統(tǒng)能夠繼續(xù)深入研究的關鍵點就在于要能夠非常熟悉傳統(tǒng)的數(shù)字水印算法。下面就對典型的幾類算法進行分析

26、介紹。2.3.1 空域水印算法基于空域的數(shù)字水印算法的主要思想就是將水印信息嵌入到目標圖像所有數(shù)據(jù)中最不重要的像素位上，也就是通常所說的最低有效位（LSB）中。使用這種算法的水印系統(tǒng)嵌入后基本可以保證水印信息的隱蔽性。但是由于嵌入過程發(fā)生在圖像最低有效的像素位上，水印信息非常容易被惡意抹去，算法魯棒性不佳。平常的圖像處理（例如：濾波、旋轉、噪聲、替換、壓縮等）操作就可以將嵌入水印系統(tǒng)中的水印信息破壞掉，在水印系統(tǒng)的提取階段就難以提取出可以較清晰分辨的水印信息。另外一個常用空域水印算法便是利用像素的數(shù)據(jù)統(tǒng)計特征將水印信息根據(jù)圖像像素的亮度值嵌入其中，實現(xiàn)水印的嵌入。2.3.2 變換域水印算法基于

27、變換域的水印系統(tǒng)的算法中，水印算法的基本思維就是采用擴展頻譜通信技術進行水印嵌入。典型算法主要有離散余弦變換算法和離散小波變換算法。（1）離散余弦變換算法離散余弦變換算法又稱之為DCT變換算法，首次提出水印方案是出現(xiàn)于E Koch，J Zhao的文獻，算法核心思維就是基于圖像分塊的DCT變換。水印的具體方案是首先將原始目標圖像分成一個個小的8×8塊，由密鑰隨機的選擇圖像的一些小分塊，在中頻域上稍微變換三元組，從而將二進制水印信息序列進行嵌入。由于高頻部分易于被各種信號處理方法破壞，而低頻部分則由于人的視覺特性，對圖像低頻部分很敏感，一旦改變低頻部分較容易被發(fā)現(xiàn)，為了平衡選擇在中頻部分

28、編碼24。（2）離散小波變換算法小波變換的思想是經由傅立葉變換思想發(fā)展而來，是同時基于空間和頻率的局部變換算法，在頻域和時域同時可以表現(xiàn)出良好的局部化特征。小波變換在圖像處理中的核心思想是將目標圖像經過小波變換后分解成不同空間和若干獨立的頻帶子圖，然后對子圖像進行水印嵌入，再進行小波逆變換重構圖像，從而實現(xiàn)水印系統(tǒng)的功能。圖像經過小波變換后可以分解成四個頻帶子圖：水平方向LH、垂直方向HL和對角線方向HH的中高頻細節(jié)子圖和低頻逼近子圖LL。對低頻部分繼續(xù)分解，就可以繼續(xù)產生三個高頻子帶系列LH2、HL2、HH2和一個低頻帶LL2。然后LL2低頻子圖依舊可以繼續(xù)分解，隨著分辨率不斷的減小，圖像的

29、能量越來越集中25。小波分解的其他高頻便是代表圖像的邊緣和紋理。2.3.3 其他水印算法（1）壓縮域算法基于JPEG和MPEG標準的壓縮域數(shù)字水印系統(tǒng)直接在壓縮域數(shù)據(jù)中進行。這樣便可以直接節(jié)省大量的解碼和編碼過程，因此在實時通信系統(tǒng)中便具有很大的實用價值。（2）NEC算法NEC算法在數(shù)字水印算法中占有重要地位，因為它具有較強的魯棒性、安全性和透明性。算法實現(xiàn)方法便是由作者的信息碼和圖像的哈希值組成水印信息，將水印信息作為種子來產生具有高斯分布的偽隨機序列，然后對目標圖像做DCT變換，利用偽隨機高斯序列調疊加原圖像除直流(DC)分量外的多個最大的DCT系數(shù)，從而實現(xiàn)水印嵌入。該算法由NEC實驗室

30、的Cox等人最先提出。（3）生理模型算法人的生理模型包括人類視覺系統(tǒng)(HVS)和人類聽覺系統(tǒng)(HAS)?；谏砟Ｐ偷姆椒ú粌H被用于多媒體數(shù)據(jù)壓縮，數(shù)字水印系統(tǒng)亦可以利用。視覺模型的基本思想就是利用從生理模型導出的JND值的描述來確定在圖像的各個部分所能容忍的數(shù)字水印信號的最大強度，從而能避免破壞視覺質量、。2.4 水印置亂方法圖像置亂即是通過特定的算法將一幅數(shù)字圖像的各個像素點進行逐一改變，使原始圖像變成一幅看起來是雜亂無章的加密圖像，讓圖像的真實信息無法通過視覺直觀獲取，從而達到為原始圖像加密的效果。在數(shù)字圖像水印嵌入之前對水印信息進行置亂加密，可以達到更加的效果。2.4.1 Arnold

31、置亂算法（1）Arnold置亂的定義Arnold變換矩陣為 (2-1)二維Arnold變換表達式為 （2-2）上面的式中，為圖像矩陣階數(shù)，為原始圖像像素位置，為置亂后圖像像素位置。在數(shù)字圖像中，Arnold變換是將原來點處像素值變換為之后的像素值，由于改變了圖像的像素值，圖像變隨著改變變得模糊，當原始圖像的所有像素點進行移動置換后，就可以產生一幅相對原始圖像極其混亂、面目全非的新圖。每對圖像進行一次Arnold變換，該圖就會進行一次位置的置亂，通常過多次變換后就能達到滿意的效果了。對圖像做次Arnold位置變換的表達式為 （2-3）利用Arnold變換算法對圖像進行置亂，使其變成看似雜亂無章的

32、無法看清容的圖像，從實現(xiàn)對本身圖像容的加密隱藏，不斷的對圖像進行置亂，置亂次數(shù)可以作為加密時產生的密鑰，從而實現(xiàn)完整的對圖像的加密過程。（2）Arnold逆變換通常，不斷的對圖像進行Arnold置亂，隨著置亂次數(shù)的增加，圖像可能被還原，而這個置亂的次數(shù)我們稱之為Arnold置亂周期，Arnold逆變換就是通過計算置亂周期，在復原圖像時可以輕松得到原圖。表1給出了不同圖像大小下對圖像進行Arnold置亂變換周期的。表2-1 Arnold變換周期345678910114310128612305253248641001282564805125024124815096192120384根據(jù)實驗表明Ar

33、nold變換具有周期性，也就是說圖像每變換一個周期置亂的圖像就會復原一次，根據(jù)此種特性我們可以在復原圖像時再進行次Arnold置亂即可復原圖像，即置亂時的次數(shù)。2.5 水印攻擊方法在實際應用中，水印面臨各種主動攻擊。包括一些常用的圖像處理方法。例如濾波、加噪聲、替換、壓縮等。并且各種類型的數(shù)字水印算法都有自己的弱點，總得來說水印是很害怕攻擊的。2.5.1 按照攻擊方法分類按照數(shù)字水印的攻擊方法可將水印分為：魯棒性攻擊和表達攻擊。（1）魯棒性攻擊魯棒攻擊其實就是直接攻擊方法，目的在于惡意去除在原始圖像中的水印信息而不影響到原始圖像的使用，侵權者經常使用這類方法達到盜版的目的，這類攻擊主要靠直接修

34、改圖像像素的值的方法。典型的魯棒性攻擊處理方法包括日常用的一些信號處理方法，例如：壓縮、濾波、旋轉、剪切、縮放、打印和掃描等。當然也包括通過加上噪聲而額意修改圖像，以減弱圖像水印的強度。（2）表達攻擊此類攻擊它并不除去數(shù)字產品容中嵌入的水印信息，而是通過操縱容從而使水印檢測器無法檢測到水印的存在，達到致盲水印檢測器的目的。例如：表達攻擊可簡單地通過嵌入一個沒有對齊的水印圖像來麻痹自動水印檢測器。實際上在表達攻擊中不對任何原始圖像的像素值進行改變，由于普通的水印方案一般要求嵌入了水印的圖像要正確地對齊，但此類攻擊方法便是嵌入一個沒有對齊的水印圖像。那么水印的檢測器就無法進行檢測而失效26。2.4

35、.2按照攻擊原理分類按照數(shù)字水印的攻擊原理可講水印分為下面四類:簡單攻擊、同步攻擊、削去攻擊和混淆攻擊。（1）簡單攻擊簡單攻擊又稱為波形攻擊、噪聲攻擊。對整個水印系統(tǒng)進行操作來減弱嵌入的水印的強度，導致數(shù)字水印提取時由于信息太少，從而發(fā)生錯誤，甚至根本難以提取嵌入的水印信號。常見的操作方法有線性濾波、通用非線性濾波、壓縮、加噪聲等。被簡單攻擊后的水印系統(tǒng)看起來沒什么破壞，但在水印提取和校驗過程時只會得到一個失真變形的水印信號。（2）同步攻擊同步攻擊又稱為禁止提取攻擊。這種攻擊試圖破壞載體數(shù)據(jù)和水印的同步性。被攻擊的水印系統(tǒng)中水印信息仍然存在，并且強度不會變化，但是水印信息會發(fā)生無法挽回的錯位，

36、難以維持正常水印提取過程所需要的同步性要求。同步攻擊通常采用幾何變形的方法，如大小縮放、空間與時間方向的平移、旋轉、剪切等。（3）削去攻擊削去攻擊試圖通過分析水印系統(tǒng)，將水印系統(tǒng)中的載體數(shù)據(jù)和水印信號分開，然后惡意抹去嵌入其中的水印信息，從而達到非法盜用載體數(shù)據(jù)而無需支付任何費用的目的。常見的攻擊方法有聯(lián)合攻擊、濾波、圖像綜合模型壓縮等方法。針對特定水印系統(tǒng)中的水印算法的設計理論，通?？梢詷嬙斐鱿鄬南魅ス魧Σ?7。（4）混淆攻擊混淆攻擊又稱為死鎖攻擊、倒置攻擊。這種攻擊試圖嵌入一個偽源數(shù)據(jù)來混淆含有真正水印的數(shù)字作品的。例如在水印系統(tǒng)中嵌入了一個或者多個偽造的水印信息通過混淆水印檢測器對

37、真正的水印信息的檢測提取，縱然真實的水印信息存在系統(tǒng)中但失去了唯一性，亦不能正確提取28。2.6 數(shù)字水印的評估標準數(shù)字水印主要有以下幾個標準：魯棒性、隱蔽性、安全性和確定性，其中魯棒性和隱蔽性最為重要，衡量這兩個指標，我們一般使用相關系數(shù)和峰值信噪比來定量分析。（1）相關系數(shù)（Correlation Coefficient）。主要定量的分析提取水印信息與嵌入的水印信息之間的相似性，一般用它們的歸一化相關系數(shù)來表征，對于普通的水印系統(tǒng)，一般信號有失真時，值越大越好，但對于特殊的水印系統(tǒng)，例如脆弱水印系統(tǒng)，則希望值越小越好，這樣有助于提高檢測度。采用相關系數(shù)NC評價水印的質量時，根據(jù)前人總結一般

38、當NC值大于等于0.75時水印信息基本可以分辨，判定此時的水印信息提取有效；小于0.5后通過人臉便無法辨認其息。其計算方法如式（2-1）所示： （2-4）其中，表示嵌入的水印信號，表示提取的水印信號，代表水印長度。（2）峰值信噪比（PSNR）。由于水印模型與通信系統(tǒng)有很多相似之處，相對于原始圖像，嵌入的數(shù)字水印信息可以近似的認為是隨機噪聲。噪聲會影響原始圖像的品質，峰值信噪比就是客觀描述影響程度的指標。根據(jù)前人總結用峰值信噪比來分析水印嵌入后對原始圖像造成失真大小時，一般當PSNR超過30dB，原始圖像和重構圖像間的差異不大，人眼基本分辨不出是否嵌入水印。根據(jù)本人實驗圖像PSNR值在20dB以

39、上水印的隱蔽性基本可以得到保障。峰值信噪比的計算方法如式（2-2）所示： （2-5）式中單位是dB,為宿主信號，為水印信號,表示水印信號，表示像素點，為圖像總得像素數(shù)。2.7 人類視覺系統(tǒng)HVS一幅圖像，當人類通過視覺系統(tǒng)去觀察時，會有相應的成像效應，分別是:背景亮度掩蔽、頻率掩蔽和紋理掩蔽效應。我們嵌入水印時可以根據(jù)這三種效應來制定相應的水印嵌入強度，便可以使水印系統(tǒng)更加符合現(xiàn)實需要。這三種效應分別是：（1）當背景亮度高時，人眼對圖像觀察時就對細節(jié)的變換就不會有太大的反映,背景亮度可以將圖像發(fā)生的微小變化進行掩蔽。（2）在實驗中發(fā)現(xiàn)，在變換域下對所有系數(shù)中的高頻系數(shù)或對角線系數(shù)進行小圍修改所

40、得到的圖像，人眼觀察時不會輕易發(fā)現(xiàn)。（3）當背景紋理極其越復雜時，人眼就不能輕易判斷出圖像是否做了修改，在紋理相對復雜的圖像中，嵌入的強度可以相對較高，因為圖像紋理可以掩蔽圖像的改變。在人類視覺系統(tǒng)模型中，研究表明人眼在觀察圖像變化時從模糊圖像變化到清晰圖像再到模糊的過程中，存在能識別出此類變化的最小失真度的點，我們稱這個點叫做臨界差異值（JND）。因此原則上對圖像做出的修改必須要小于JND值29。通過上述對視覺系統(tǒng)特性的了解，針對具體圖像，我們只要分析人類視覺系統(tǒng)模型中的可見閥值，保證嵌入時低于此門限，那么在觀察時是不會輕易發(fā)現(xiàn)圖像修改的痕跡。因此利用人類視覺系統(tǒng)HVS計算出水印嵌入強度隱蔽

41、性能方面可以做出非常出色的數(shù)字水印系統(tǒng)。3.基于離散余弦變換（DCT）的水印系統(tǒng)算法自從E Koch，J Zhao在文獻中提出基于DCT域的數(shù)字水印算法后，便引起了學術界極大的關注30?；贒CT變換域下的數(shù)字水印系統(tǒng)具有良好的隱蔽性和出色的魯棒性，因而在當今數(shù)字圖像變換域的處理中DCT算法占有極大的比重?；贒CT變換的數(shù)字水印即先對載體圖像進行8×8分塊后再進行DCT變換，得到1024個小塊，每個小塊有64個DCT系數(shù)，我們可以將這64個系數(shù)分為低頻、中頻和高頻系數(shù)，然后選擇在中頻系數(shù)中嵌入水印，結合人類的感知習慣，將水印以適當?shù)膹姸惹度胼d體圖像之中，這便是DCT算法的基本思想。

42、3.1離散余弦變換的基本原理3.1.1DCT變換的定義DCT變換具有很多種類，鑒于一般圖像都是二維圖像而我們研究基于DCT變換域下的數(shù)字水印算法，所以本文主要介紹二維DCT和IDCT變換。設一幅圖像的大小為N×N，它的二維 DCT 變換公式可以如式(3-1)所示： （3-1）同樣，反變換(IDCT)定義如式(3-2)所示：（3-2）其中函數(shù)如式(3-3)所示： （3-3）直流系數(shù)DC如式(3-4)所示：（3-4）3.1.2 DCT域系數(shù)圖3-1是通過對一副512×512像素大小的圖像進行8×8分塊并進行DCT變化后的部分頻率系數(shù)，觀察圖像可以看出每64個系數(shù)的左上

43、角第一個系數(shù)(如圖3-1圓圈部分)遠遠大于其他系數(shù)，因此我們稱其為直流系數(shù)DC，其他63個我們稱其為交流系數(shù)AC。根據(jù)頻域特性我們知道，DC直流系數(shù)所攜帶的能量遠大于交流系數(shù)AC所攜帶的，但是實際實驗表明如果將水印嵌入直流系數(shù)中會帶來塊狀效應，所以為了使圖像不影響使用一般將水印嵌入交流系數(shù)之中。圖3-1 圖像經過DCT變換后的系數(shù)圖3-2 經DCT變換后得到圖像系數(shù)的走勢圖像在經過DCT正變換后，已經打亂并分散為不同的空間頻域，正因為如此在圖3-2中可以看出從左上往右下看去系數(shù)的絕對值大體逐漸變小，以對角線為分割可以將系數(shù)頻域空間劃分為三個區(qū)域，對角線右下區(qū)域為高頻區(qū)，對角線和對角線左上半部分

44、為中頻區(qū)，直流系數(shù)附近的系數(shù)為低頻區(qū)。劃分理由如下：通過對DCT變換公式并且結合觀察圖3-1和圖3-2圖像經過DCT變換后由于函數(shù)與不斷的改變，余弦函數(shù)的頻率會伴隨著值不斷增大而減小，其系數(shù)認為是原始圖像在余弦函數(shù)上的投影，由于頻率變化，系數(shù)就會隨之變化，根據(jù)系數(shù)的大小變化故我們可以將系數(shù)依次劃分為低頻，中頻和高頻區(qū)域。3.2 DCT變換算法實現(xiàn)基本步驟水印信息載體圖像置亂加密提取水印嵌入水印水印復原DCT變換也叫離散余弦變換，是選擇在中頻分量編碼，選擇特殊的區(qū)域的系數(shù)進行嵌入的一種算法。未經授權者由于不知道水印嵌入的區(qū)域，因此是很難提取出水印的。DCT變換由于頻率選擇不是基于最顯著分量所以對

45、有損壓縮和低通濾波是具有很強魯棒性的。但正因此它的頻率系數(shù)的方差較小，對噪聲、幾何變形比較敏感。攻擊圖3-3DCT變換算法3.2.1水印的置亂加密將水印圖像進行置亂處理就是將原本圖像打亂，使原本帶有一定信息的圖像在沒有復原之前無法看懂，無法體現(xiàn)圖像需要表現(xiàn)的價值。圖像置亂的本質就是按一定的規(guī)則移動各個像素點的位置，破壞圖像的基本組成部分。它作為一種加密處理方式，有多種多樣的選擇和參數(shù)的設置都可以是可以自由控制。因此，即使侵權者破解了提取程序，卻無法得到水印信號，提取信息。3.2.2水印的嵌入本算法采用像素大小的灰度圖像作為載體圖像I，將M×M大小的二值圖像作為水印圖像。第一步，將原始

46、載體圖像I分成大小8×8一共是個大小互不重疊的圖像塊，在此基礎上對每一個大小的圖像塊進行DCT變換。第二步，采用兩個8位隨機序列作為水印因子亦可作為嵌入水印的密鑰。第三步，選取8×8總共64個DCT系數(shù)中對角線上得8個中頻系數(shù)進行水印因子的替換嵌入。第四步，按照公式3-5進行DCT系數(shù)嵌入： （3-5）其中是替換后的系數(shù)，替換前的圖像系數(shù)，是嵌入強度因子，是水印因子。第五步，對替換后的系數(shù)進行IDCT變換得到嵌入水印后的圖像；開始確定目標圖像與水印結束對替換后的系數(shù)進行IDCT運算得到嵌入水印后的圖像對目標圖像分塊并DCT運算水印Mark=1NYWi=隨機序列K1Wi=隨機

47、序列K2其中程序流程圖如圖3-4所示；圖3-4水印嵌入的流程圖3.2.3水印的提取第一步，對嵌入水印后的圖像進行8×8分塊并DCT變換，得到64個DCT系數(shù)；第二步，取出64個系數(shù)中對角線上得8個中頻系數(shù)；第三步，將8個系數(shù)分別與水印因子k1和k2進行取余運算，得到返回值；第四步，比較返回值，將水印圖像還原；其中程序流程圖如圖3-5所示；Mark1=1Mark1=0結束得到水印圖像Mark=Mark1P1>P2取出替換的8個系數(shù)，將每個系數(shù)分別對k1和k2取余，得到p1，p2進行DCT變換嵌入水印后的圖像開始NY圖3-5水印提取的流程圖3.2.4水印的攻擊測試（1）添加白噪聲對

48、圖像進行添加噪聲是對水印算法的一種常見的攻擊,所謂白噪聲是指功率譜密度在整個頻域均勻分布且所有頻率具有一樣能量密度的隨機噪聲,實驗中對離散余弦算法水印系統(tǒng)進行添加水印圖像大小的隨機序列高斯白噪聲作為攻擊手段,用以檢測水印的抗噪聲性能。（2）高斯低通濾波廣義的來說向圖像中加入水印信息就可以看成是向圖像中添加噪聲, 因此濾波操作會對水印造成很大威脅,實驗采用8×8的檢驗矩陣和標準差為0.5的高斯低通濾波器，對離散余弦算法水印系統(tǒng)進行濾波處理。（3）JPEG壓縮圖像壓縮算法是的目的就是把圖像中多余的數(shù)據(jù)或者說是不重要的數(shù)據(jù)進行剔除,一般來說經過壓縮后的圖像,圖像中的高頻分量作為多余信息舍棄

49、,實驗中我采用JPEG壓縮方式，壓縮率為80%來檢驗離散余弦算法水印系統(tǒng)的抗有損壓縮的能力。（4）圖像裁剪剪切操作就是將原始圖像去除一部分，由于部分圖像信息的丟失,嵌入其中的水印信息也會有相應的信息丟失，因此對水印系統(tǒng)也存在威脅。本實驗裁剪掉了圖像上部64×512像素大小的區(qū)域，來檢測離散余弦算法水印系統(tǒng)對裁剪的抵抗性能。（5）旋轉對圖像進行旋轉從數(shù)學角度觀點來看圖像，實際就是圖像部像素點的位置信息發(fā)生大規(guī)模改變，而水印信息嵌入是對稱性的因此在提取時會發(fā)生無法找到目標信息的現(xiàn)象。本實驗采用imrotate函數(shù)對圖像進行30°的旋轉，對離散余弦算法水印系統(tǒng)進行抵抗旋轉操作的測

50、試。3.3 離散余弦變換算法結果與分析（1）對水印的嵌入（2）嵌入水印后的圖像（1）載體圖像圖3-6水印的嵌入結果結果分析如下：根據(jù)實驗結果做出分析經過離散余弦算法水印系統(tǒng)的圖像與原始載體圖像通過人眼觀察沒有發(fā)生明顯的失真和顯而易見的改變說明此水印系統(tǒng)不攻擊的情況下嵌入效果良好，具有很好的隱蔽性能。（2）水印的提?。?）提取的水印圖像（2）與原水印比較圖3-7水印的提取結果結果分析如下：根據(jù)實驗結果做出分析經過離散余弦算法水印系統(tǒng)的水印和原嵌入水印進行人眼比較，水印基本被還原，所以本水印系統(tǒng)的嵌入是穩(wěn)定的提取是可行的。（3）對水印的攻擊測試1）加入白噪聲（3）與原水印比較（2）加入白噪聲后提取

51、的水印圖像（1）加入白噪聲的圖像圖3-8白噪聲攻擊結果結果分析如下：根據(jù)實驗結果做出分析經過噪聲攻擊后的圖像其圖像質量有所降低，從離散余弦算法水印系統(tǒng)中提取的水印與原始水印相比沒有人眼可見的變化，說明該算法對于噪聲攻擊適應性比較強。2）高斯低通濾波（3）與原水印比較（1）高斯低通濾波后圖像（2）高斯低通濾波后提取的水印圖3-9高斯低通濾波的結果結果分析如下：根據(jù)實驗結果做出分析嵌入水印后的圖像經過高斯低通濾波后，圖像沒有明顯變化，經過離散余弦算法水印系統(tǒng)的水印出現(xiàn)大圍的模糊現(xiàn)象，但依舊可以看出水印的原始信息，說明該系統(tǒng)對低通濾波抵抗性能一般，存在威脅。3）經過JPEG壓縮（3）與原水印比較（2

52、）經過JPEG壓縮后提取的水?。?）經過JPEG壓縮的圖片圖3-10 JPEG壓縮后的處理結果結果分析如下：根據(jù)實驗結果做出分析由于JPEG壓縮采取的是對圖像高頻分量進行處理，而本算法采用中頻嵌入，所以我們可以發(fā)現(xiàn)經過壓縮攻擊后的圖像以與經過離散余弦算法水印系統(tǒng)提取出來的水印,從視覺上能清楚的辨別水印信息?？梢钥闯?本算法對于基于JPEG壓縮攻擊有著異常強大的抵抗性能。4）圖像剪切（3）2與原水印比較（2）經過裁剪后提取的水印圖像（1）經過裁剪后的圖像圖3-11圖像剪切后的結果結果分析如下：根據(jù)實驗結果做出分析經過裁剪后圖像尺寸明顯變小，會丟失一部分圖像信息，但是經過離散余弦算法水印系統(tǒng)提取的

53、水印依然可以清晰的辨認出水印信息，說明該系統(tǒng)對裁剪攻擊具有很好的魯棒性。5）旋轉（3）與原水印比較（2）經過旋轉30度后提取的水印圖像（1）經過旋轉30度后的圖像圖3-12旋轉后的結果結果分析如下：根據(jù)實驗結果做出分析圖像經過旋轉30度后圖像位置發(fā)生明顯的改變，而經過離散余弦算法水印系統(tǒng)提取出來的水印，已完無法辨認原水印信息，水印圖像失真明顯，故此算法對于圖像的旋轉操作基本沒有抵抗能力。4.基于小波變換（DWT）的水印系統(tǒng)算法自1986年由Y.MeyeL ,SMattat與I.Daubechies等人提出小波分析以后，小波分析便在各種領域得到廣泛的運用。小波變換的思想來源于傅里葉變換的思想，即局部化變化思想。由于小波變換是時間窗和頻率窗都可改變的時頻局部化分析方法，因此小波變換在高頻部分具有較高的時間分辨率和較低的頻率分辨率，在低頻部分具有較低的時間分辨率和較高的頻率分辨率，將小波變換融入到數(shù)字水印系統(tǒng)中就可以廣泛使適應基于低頻和高頻的攻擊，魯棒性較好31。4.