數(shù)字圖像處理論文-基于DCT的數(shù)字水印技術(shù)的圖像識別

基于DCT的數(shù)字水印技術(shù)的圖像識別摘要：隨著信息技術(shù)，特別是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展與普及，信息的傳輸、存儲、發(fā)布等過程都面臨著安全問題、版權(quán)保護問題和認證問題等，而數(shù)字水印就是解決這些問題的一種有效的技術(shù)手段。數(shù)字水印技術(shù)近年來得到了較大的發(fā)展，基于變換域的水印技術(shù)是目前研究的熱點。數(shù)字水印是利用數(shù)字作品中普遍存在的冗余數(shù)據(jù)和隨機性，把標識版權(quán)的水印信息嵌入到數(shù)字作品中，從而可以起到保護數(shù)字作品的版權(quán)或其完整性的一種技術(shù)。關(guān)鍵詞：數(shù)字水印；DCT變換；Matlab程序一、數(shù)字水印技術(shù)的概念、特性1.1數(shù)字水印技術(shù)的基本概念數(shù)字水印技術(shù)是指用信號處理的方法，在數(shù)字化多媒體數(shù)據(jù)中嵌人某些能證明版權(quán)歸屬或跟蹤侵權(quán)行為的數(shù)字信息，如作者簽名、日期、公司的商標或隨機序列等，用以證明作者的版權(quán)，并可作為解決版權(quán)沖突、起訴非法侵犯的證據(jù)，從而有效地保護作者的合法利益。1.2數(shù)字水印的特性

1)嵌人有效性。水印作品是輸入到檢測器后能檢測出水印的作品。根據(jù)此定義，水印系統(tǒng)的有效性是指嵌入器的輸出被水印化的概率。

2)不可感知性。不可感知性是針對不可見水印而言的。該特性要求經(jīng)過嵌入算法加入水印處理后的產(chǎn)品，即使采用統(tǒng)計的方法也不能提取或確定水印的存在。3)虛警率。虛警是指在實際不含水印的作品中檢測出水印。虛警率是指在給定的檢測次數(shù)中，虛警發(fā)生的次數(shù)。4)魯棒性。魯棒性是指經(jīng)過常規(guī)信號處理操作后，水印算法仍能檢測到水印的能力。5)安全性。安全性是指所采用水印的嵌入算法依賴于水印嵌入時所使用的密鑰，而不是依賴于對所采用算法的保密。6)易恢復(fù)性。這主要是針對一些實時性要求較強的用途(如視頻水印的驗證等)提出的。只要擁有正確的水印算法和密鑰，就能很容易地從隱藏載體中提取出水印信息，而不必耗費大量時間做水印鑒定。1.3數(shù)字水印的定義和基本特點目前雖有許多文獻討論有關(guān)數(shù)字水印技術(shù)的問題，但數(shù)字水印始終沒有一個明確統(tǒng)一的定義。Cox等把水印定義為“不可感知地在作品中嵌入信息的操作行為”；楊義先等認為“數(shù)字水印是永久鑲嵌在其它數(shù)據(jù)（宿主數(shù)據(jù)）中具有鑒別性的數(shù)字信號或模式，而且并不影響宿主數(shù)據(jù)的可用性”。我個人認為后一種說法更為確切一些，因為可見水印是可以感知到的，但它的存在并不影響宿主數(shù)據(jù)的可用性，嵌入的水印同樣可以起到鑒別的目的。不同的應(yīng)用對數(shù)字水印的要求不盡相同，一般認為數(shù)字水印應(yīng)具有如下特點：(1)不可見性。在宿主數(shù)字媒體中嵌入一定數(shù)量的附加信息后，不能引起明顯的將質(zhì)現(xiàn)象，隱藏的數(shù)據(jù)不易覺察，即無法人為的看見或聽見。(2)穩(wěn)健性。數(shù)字水印必須對施加于宿主媒體的變化或操作具有一定的免疫力，不能因為某種變換操作導(dǎo)致水印信息的丟失，即水印被迫壞，從而失去商用價值。常用的變換操作有：信道噪聲、濾波、有損壓縮、重采樣等。(3)安全性。數(shù)字水印應(yīng)該能夠抵抗各種蓄意的攻擊，同時應(yīng)很難被他人復(fù)制和偽造。(4)有效性。水印提取算法應(yīng)高效，提取出的水印應(yīng)能唯一標識版權(quán)所有者。(5)抗竄改性。與抗毀壞的魯棒性不同,抗竄改性是指水印一旦嵌入到載體中,攻擊者就很難改變或偽造。魯棒性要求高的應(yīng)用，通常也需要很強的抗竄改性，在版權(quán)保護中,要達到好的抗竄改性是比較困難的。1.4數(shù)字水印技術(shù)的一些局限1.不知道能夠隱藏多少位。盡管非常需要知道指定大小載體信息上可以隱藏多少比特的水印信息，但這個問題還沒有得到圓滿解決。事實上，對給定尺寸的圖像或者給定時間的音頻，可以可靠隱藏信息量的上界，目前還不清楚。對圖像水印，只能說目前使用的算法可以隱藏幾百比特位的水印信息。2.還沒有真正健壯的盲圖像水印算法。對圖像水印魯棒性還是個問題，目前還沒有能夠在經(jīng)過所有普通圖像處理變換后，仍能幸免的盲水印算法。尤其是能夠抵抗幾何處理的攻擊，被認為是很難實現(xiàn)的目標。3.所有者能去除標記。迄今為止提出的所有盲圖像水印，實際上都是可逆的。已知水印的準確內(nèi)容!以及水印的嵌入和檢測算法，則總能在沒有嚴重損壞資料的前提下，使水印不可讀取。目前還不清楚這個缺點在將來還是否存在；同時在設(shè)計版權(quán)保護系統(tǒng)時，必須考慮如下問題：一旦水印內(nèi)容已知，則有可能去除水印或者部分水印。此外，迄今為止提出的水印算法，其可逆性使人們提出極大的疑問，即設(shè)計能夠抗篡改的健壯公開水印技術(shù)是否可能？事實上，如果允許任何人讀取水印，則任何人只要知道水印嵌入算法，就可以消除水印。二．基于DCT的數(shù)字水印技術(shù)的圖像識別2.1.數(shù)字水印的一般模型如圖所示：水印信息水印信息原始圖像含水印信號嵌入過程如上圖所示，頻域法檢測水印的原理是將原始信號與待檢測信號同時進行變換域變換，比較兩者的區(qū)別，進行嵌入水印的逆運算，得出水印信息。如果是可讀的水印，那么就此結(jié)束，如果是不可讀水印，如高斯噪聲，就將得出的水印與已知水印作比較，由相關(guān)性判斷，待檢測信號含不含水印，故水印的檢測有兩個結(jié)束點。2.2可實現(xiàn)數(shù)字水印技術(shù)的高效實用工具——MATLAB（1）Matlab的應(yīng)用：1.數(shù)字水印技術(shù)a.集成了DFT、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，而且使源程序簡潔明了、易于實現(xiàn)。b.強大的數(shù)學(xué)運算功能。能夠方便、高效地實現(xiàn)音頻、視頻中的大量矩陣運算。提供了圖像處理工具箱、小波分析工具箱、數(shù)字信號處理工具箱。c.用來編制跨數(shù)字圖像處理技術(shù)、數(shù)字信號處理等多學(xué)科的數(shù)字水印技術(shù)是非常好的選擇。MATLAB與目前最強大的編程工具——VisualC++具有良好的接口。（2）圖像分析處理Matlab的ImageProcessingToolbox提供了大量用于圖像處理的工具函數(shù)，利用這些函數(shù)，可以分析圖像數(shù)據(jù)，獲取圖像細節(jié)信息，并且設(shè)計相應(yīng)的濾波算法，濾出圖像數(shù)據(jù)所包含的噪聲。當然，濾波器的設(shè)計是通過Matlab產(chǎn)品提供的交互式工具完成的，這些工具還能夠完成選取圖像區(qū)域，測量圖像誤差和獲取、統(tǒng)計像素信息等功能。圖象處理工具箱還提供了Radon變換來重夠圖像，而離散余弦變換可以作為實現(xiàn)新的壓縮算法的核心。工具箱中還包含了邊緣檢測算法，用于表示圖像中具體物體的邊緣等。在圖象處理工具箱還包含了眾多數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)函數(shù)，這些函數(shù)可以用于處理灰度圖像或二值圖像，可以快速實現(xiàn)邊緣檢測、圖像去噪、骨架抽取等算法。此外還包含一些專用的數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)函數(shù)，例如填充處理、峰值檢測等.2.3離散余弦葉變換的簡介2.3.1二維DCT的實現(xiàn)數(shù)字圖像水印算法選擇二值化灰度圖像作為水印信息，根據(jù)水印圖像的二值性選擇不同的嵌入系數(shù)，并將載體圖像進行8×8的分塊，將數(shù)字水印的灰度值直接植入到載體灰度圖像的DCT變換域中，實現(xiàn)水印的嵌入。具體方法如下：設(shè)I是M×N大小的原始圖像，J是水印圖像大小為P×Q，M和N分別是P和Q的偶數(shù)倍，把水印J加載到圖像I中，算法分以下幾步進行：1.將I分解為(M/8)×(N/8)個8×8大小的方塊B；同時，J也分解為(M/8)×(N/8)個(8P/M)×(8Q/N)大小的方塊V；2.對每一個B進行DFT變換：DB=DFT(B)；3.加載水印對每一個DB和V，s(i)為從DB的中頻選出的加載的位置，1≤i≤(8P/M)×(8Q/N)，t(i)為水印V的位置坐標，1≤i≤(8P/M)×(8Q/N)，DB’(s)=A×V，其中A是加權(quán)系數(shù),用DB’(s)來代替DB，得到加載水印后的圖像DBC；4.對以上得到的每一個DBC進行逆DCT變換：IDBC=IDCT(DBC)并將各方塊IDBC合并為一個整圖I’，即加載了水印的新圖像。2.3.2離散余弦變換水印嵌入算法數(shù)字圖像水印算法選擇二值化灰度圖像作為水印信息，根據(jù)水印圖像的二值性選擇不同的嵌入系數(shù)，并將載體圖像進行8×8的分塊，將數(shù)字水印的灰度值直接植入到載體灰度圖像的DCT變換域中，實現(xiàn)水印的嵌入。具體方法如下：設(shè)I是M×N大小的原始圖像，J是水印圖像大小為P×Q，M和N分別是P和Q的偶數(shù)倍，把水印J加載到圖像I中，算法分以下幾步進行：1.將I分解為(M/8)×(N/8)個8×8大小的方塊B；同時，J也分解為(M/8)×(N/8)個(8P/M)×(8Q/N)大小的方塊V；2.對每一個B進行DCT變換：DB=DCT(B)；3.加載水印對每一個DB和V，s(i)為從DB的中頻選出的加載的位置，1≤i≤(8P/M)×(8Q/N)，t(i)為水印V的位置坐標，1≤i≤(8P/M)×(8Q/N)，DB’(s)=A×V，其中A是加權(quán)系數(shù),用DB’(s)來代替DB，得到加載水印后的圖像DBC；4.對以上得到的每一個DBC進行逆DCT變換：IDBC=IDCT(DBC)并將各方塊IDBC合并為一個整圖I’，即加載了水印的新圖像。2.3.3離散余弦變換水印提取算法設(shè)圖像D為已經(jīng)加載了水印的載體圖像，現(xiàn)要將所加載的水印從D中提取出來,其過程為上述加載水印算法的逆運算：1.將D分解為(M/8)×(N/8)個8×8大小的方塊BD；2.對每一個BD進行二維DFT變換:DBD=DCT(BD)；3.提取數(shù)據(jù)對每一個DBD，按照式V’=1/A×DBD得到V’；4.將上面得到的所有V’合并成一個水印整圖J’。2.3.4實驗步驟1.寫入程序：size=722;block=8;I_w=zeros(size);I=imread('C:\wch\a.jpg');W=imread('C:\wch\b.jpg');subplot(1,3,1),imshow(I);title('原始圖像');subplot(1,3,2),imshow(W);title('水印圖像');forp=1:size/blockforq=1:size/blockx=(p-1)*block+1;y=(q-1)*block+1;block_dct=I(x:x+block-1,y:y+block-1);block_dct=dct2(block_dct);if0W(p,q)a=-1;elsea=1;endblock_dct=block_dct*(1+a*0.01);block_dct=idct2(block_dct);I_w(x:x+block-1,y:y+block-1)=block_dct;endendiii=mat2gray(I_w);subplot(1,3,3),imshow(iii);title('嵌入水印后的圖像');2.3.5數(shù)字水印攻擊技術(shù)數(shù)字水印技術(shù)在實際應(yīng)用中必然會遭到各種各樣的攻擊。人們對新技術(shù)的好奇、盜版帶來的巨額利潤都會成為攻擊的動機，即惡意攻擊；而且數(shù)字制品在存儲、分發(fā)、打印、掃描等過程中，也會引入各種失真，即無意攻擊。攻擊的目的在于使相應(yīng)的圖像水印系統(tǒng)的檢測工具無法正確地恢復(fù)水印信號，或不能檢測到水印信號的存在。常用的攻擊方法有四種：(l)簡單攻擊簡單攻擊也稱為波形攻擊或噪聲攻擊即只是通過對水印圖像進行某種操作，削弱或刪除嵌入的水印，而不是試圖識別或分離水印。這些攻擊方法包括線性或非線性濾波、基于波形的圖像壓縮(JPEG、MPEG)、添加噪聲、圖像裁減、圖像量化、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換等。(2)同步攻擊同步攻擊也稱檢測失效攻擊即試圖使水印的相關(guān)檢測失效或使恢復(fù)嵌入的水印成為不可能。這種攻擊一般是通過圖像的集合操作完成的，如圖像放大、空間位移、旋轉(zhuǎn)、圖像裁減、重采樣以及一些幾何變形等。這類攻擊的一個特點是水印實際上還存在于圖像上，但水印檢測函數(shù)已不能提取水印或不能檢測水印的存在。對圖像的“碎片攻擊”就屬于表述性攻擊，其基本思想是將一幅圖像分解成許多“碎片”，然后再將這些“碎片”拼湊成一幅完整的圖像而不影響圖像的使用效果。例如在Web頁中，使用原始圖像和使用“碎片”拼湊起來的圖像相比，用戶視覺效果是一樣的。(3)迷惑攻擊迷惑攻擊即試圖通過偽造原始圖像和原始水印來迷惑版權(quán)保護。例如，在水印圖像上再加第二個水印，使得第一個水印不確定。另一個迷惑攻擊就是將水印倒置而在插入一個新的假水印之前去除原始水印。(4)刪除攻擊刪除攻擊即針對某些水印方法通過分析水印數(shù)據(jù)，估計圖像中的水印，然后將水印從圖像中分離出來并使水印檢測失效。例如合謀攻擊。即在某些水印方案中，如果圖像在不同的密鑰下被加多次水印，就可通過“平均”這些水印圖像，獲得一個合成圖像，與原始圖像很相似但不含任何有用的水印圖像。另外還有倒置攻擊。即如果攻擊者熟悉水印嵌入過程，他就會簡單地檢測出水印并顛倒插入過程而較好地去除水印。為了防止這種特別的攻擊，許多水印方案中都用密鑰來設(shè)計水印嵌入算法，沒有密鑰，就很難了解水印的嵌入。(5)法律攻擊法律性攻擊不同于其他攻擊，因為它不考慮水印系統(tǒng)方案的技術(shù)細節(jié)。法律性攻擊中，攻擊者使用內(nèi)容所有者的名譽、身份或其他非技術(shù)信息等辦法，使得法庭懷疑水印中是否確實包含所有者聲稱的證據(jù)。故法律攻擊不易進行技術(shù)防御。size=512;N=32;K=8;D=zeros(size);E=0.01;I=imread('f:\lena.bmp');subplot(2,2,1);imshow(I);title('原始圖像');I=double(I)/512;%讀入水銀J=imread('f:\1234.bmp');subplot(2,2,2);imshow(J);title('水印圖像');1%對水印縮放J=double(imresize(J,[64,64]));subplot(2,2,3);imshow(J);title('縮放水印圖像');%嵌入水印forp=1:size/Kforq=1:size/Kx=(p-1)*K+1;y=(q-1)*K+1;I_dct=I(x:x+K-1,y:y+K-1);I_dct1=dct2(I_dct);ifJ(p,q)==0alfa=-1;elsealfa=1;endI_dct2=I_dct1+alfa*E;I_dct=idct2(I_dct2);D(x:x+K-1,y:y+K-1)=I_dct;endendsubplot(1,3,3);mshow(D,[]);Title('含水印的圖象');%%%低通濾波攻擊hh=fspecial('gaussian',3,0.2);hh=fspecial('gaussian',3,0.35);hh=fspecial('gaussian',3,0.4);QQ=filter2(hh,D);%提取水印forp=1:size/Kforq=1:size/Kx=(p-1)*K+1;y=(q-1)*K+1;I1=I(x:x+K-1,y:y+K-1);I2=QQ(x:x+K-1,y:y+K-1);I_dct1=dct2(I1);I_dct2=dct2(I2);ifI_dct2>I_dct1W(p,q)=1;60elseW(p,q)=0;endendendfigure,subplot(1,2,1);imshow(R,[]);title('低通濾波攻擊');subplot(1,2,2);imshow(W,[]);title('圖像中提取的水印');%%%%%%前后水印相似比較J=double(J);W=double(W);sumJ=0;sumW=0;forj=1:Nfori=1:NsumJ=sumJ+J(j,i)*W(j,i);sumW=sumW+W(j,i)*W(j,i);endendCH=(sumW-sumJ)/sumJ其它一些攻擊產(chǎn)生的圖像:旋轉(zhuǎn)攻擊剪切攻擊三．實驗結(jié)果總結(jié)分析首先，離散余弦變換在圖像處理中的作用非常重要，在本設(shè)計中，運用離散余弦變換嵌入水印，是嵌入在原圖像的低頻部分。其次，應(yīng)該說嵌入水印的圖像還是比較清晰的，這說明離散余弦變換法還是具有實用價值的。最后，程序使用了最一般的循環(huán)語句，而沒有考慮到代碼的優(yōu)化。在本論文中，程序的執(zhí)行花銷時間很少，但若是圖像比較大的話，是一定要考慮代碼優(yōu)化問題的。特別是for循環(huán)，當采用向量化循環(huán)方法將使運行時間成百上千倍的縮減！另外也沒有考慮預(yù)分配數(shù)組的問題，當加入預(yù)分配數(shù)組后，運行時間也會明顯縮短，而且會使內(nèi)存有較大的連續(xù)空間，而不會使存儲器出碎片。四、數(shù)字水印技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域數(shù)字水印技術(shù)作為一種有效的數(shù)字產(chǎn)品所有權(quán)保護技術(shù)，它有著巨大的應(yīng)用市場。數(shù)字水印技術(shù)主要應(yīng)用于以下5個方面。1)數(shù)字作品的版權(quán)保護。2)電子商務(wù)的發(fā)展。3)商務(wù)交易中的票據(jù)防偽。4)音像數(shù)據(jù)的隱藏標識和篡改保護。

5)數(shù)字指紋。五、數(shù)字水印技術(shù)的發(fā)展前景數(shù)字水印的研究以計算機科學(xué)、密碼學(xué)、通訊理論、算法設(shè)計和信號處理等理論為基礎(chǔ)。圍繞數(shù)字水印技術(shù)需研究解決的關(guān)鍵問題包括：具體應(yīng)用中的水印選擇與宿主容量估計；水印檢測差錯率估計與快速檢測算法；包含人眼視覺系統(tǒng)、人耳聽覺系統(tǒng)特性利用在內(nèi)的水印系統(tǒng)模型等。如下幾方面將可能成為未來數(shù)字水印技術(shù)的主要發(fā)展方向：1)結(jié)合智能體技術(shù)。開發(fā)基于移