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数字图像加密与水印技术 作者: 李永富 指导老师:蔡履中Abstract:This paper introduced a method for digital watermarking based on DCT transformation. The first one is the sequent method. Its basic principle is that the most important part of visual sense is the main ingredients image signal，in which the most energy of the image signal concentrated, so that the image could reserve its main ingredients when the image was distorted. And also if we added some extra information to these ingredients, the visual effects changed a little, so that its possible to embed a watermark there. The second one is the random shifting method, which basic principle is to disarrange the original image with random shifting and embed the watermark in it，and restore the original image with the contrary shifting, so that the watermark can be embedded in the image evenly. Keyword: DCT transformation digital watermarking random shifting摘要: 这篇论文主要介绍了两种基于DCT（离散余弦变换）的数字水印算法。第一种为排序法水印算法，其基本原理是，由于视觉上重要的分量是图像信号的主要成分，图像信号的大部分能量都集中在这些分量上，在图像有一定失真的情况下，仍能保留主要成分，而且在这些分量上加入一定量的额外信息时，并不影响图像的视觉效果，从而为水印嵌入提供了可能性。第二种为随机调换水印算法，其基本原理是，利用随机调换将原始图像打乱，然后嵌入水印，再经一个反调换，恢复原始图像，以便于将水印均匀的嵌入原始图像。关键词:DCT(离散余弦变换) 数字水印 变换域 1. 水印简介1.1水印的发展历史及数字水印的提出传统意义上的水印是指纸水印，最早的纸水印于1282年在意大利出现。早期的水印是通过在纸模中加入细线模板制造出来的。到了18世纪在欧洲和美国的制造产品中，纸水印已经变得相当实用了。水印被用作商标，记录纸张的生产日期，显示原始纸张的尺寸。大约也是在这个时候，水印开始用于纸钞和其他文件的防伪措施。伪币制造者发明了一种技术用来伪造纸币上的防伪水印。魔高一尺，道高一丈。伪造促进了水印技术的发展。英国人威廉康格里夫发明了一种制造有色水印的技术，这种水印极其难以伪造，但是由于制作工艺太复杂未得到实用。另一个英国人威廉亨利史密斯发明了一种更实用的技术取代了精细线模式，该技术用一种浅浮雕制造水印，并把水印嵌到纸模中，由此产生的铸模表面的多变性创造出一种具有不同灰度阴影的漂亮水印，这就是今天纸币水印的基础技术。数字媒体服务和网络传输技术的飞速发展，为多媒体信息交流提供了极大的方便。与此同时，通过网络传输的数字产品很容易被复制、处理、传播和公开，信息的非法窃用和信息安全传输问题已变的越来越严重。传统的加密技术已经不足以解决问题，于是，数字水印应运而生。 1994年在一次国际重要学术会议上由T1rkel等人发表了题目为“A digital watermark”的第一篇有关数字水印的文章，当时他们已经意识到了数字水印的重要性，提出了数字水印的概念及可能的应用，并针对灰度图像提出了两种向图像最低有效位中嵌入水印的算法。T1rkel还是第一个认识到可以将扩频技术应用到数字水印中的人，他提出可以使用扩频技术向静止图像中添加水印。随后几年国际上相继发表了大量的关于数字水印技术的学术文章，内容主要是数字水印的理论研究，包括数字水印的特点和分类、模型、应用、算法等。其中，Cox等人提出的基于扩频通信的私有水印算法已经成为数字水印技术中一个比较经典的算法。1996年在英国剑桥牛顿研究所召开了第一届国际信息隐藏学术研讨会，标志着信息隐藏学的诞生，而作为信息隐藏学主要分支之一的数字水印技术的研究也得到了迅速的发展。到1999年第三届国际信息隐藏学术研讨会，数字水印成为主旋律，全部33篇文章中有18篇是关于数字水印的研究。目前不论是学术界还是工业界对数字水印技术的研究热情都很高，关于数字水印方面的文章不断增多，有关数字水印和信息隐藏的会议也增长很多，工业界则大幅度提高了对水印研究的资助程度。当前世界上有几大组织机构从事水印技术的研究工作，它们是：版权保护技术工作小组(CPTWG)、数字音视频委员会(DAVIC)、安全数字音乐指引(SDMI、唱机工业国际同盟(IFH)等；世界上几大公司都有从事水印研究开发的小组，如美国IBM和NEC的研究所、PhiliP、Digimarc Signum Technologies等；世界上著名的大学图像研究实验室都有研究水印的小组和项目，如：美国的南加利福尼亚大学、普林斯顿大学等等，加拿大的多伦多大学，欧洲的英国、德国、法国、瑞士的许多大学。一些公司已开发出一些套装软件，如：Fraunhofers syscop、Highwater Fbi、Digimarc Corp、DICEs Argent Digital Watemark等。1.2 数字水印的定义及特征广义的讲,水印即不被感知地在作品中嵌入信息。数字水印（Digital Watermarking）是指将某一信号（一般称之为签字信号，Signature Signal）嵌入到（embedding）另一信号（一般称之为宿主信号，Host Signal，或称之为掩护媒体，cover-media）的过程，掩护媒体经嵌入信息后变成一个伪装媒体（stegano-media）。简单来讲，数字水印即是向数字作品（图像、声音、视频信号等）添加某些特定数字信息以达到作品真伪鉴别、版权保护、拷贝控制等目的，嵌入的水印信息隐藏在宿主文件里，不影响原始文件的可观性和完整性。成功的水印算法应该满足以下要求：1 不可见性。在宿主信号中嵌入一定数量的签字信号之后，不可能引起明显的降低品质的现象，隐藏的数据不易觉察，即人们无法看见这些签字信号。实践中一般采用盲试验的方法，当人们感觉器官不能区分原始宿主信号和嵌入水印之后的宿主信号时，就认为水印是透明的，不可觉察的。2 鲁棒性（robust）。加入水印的图像在传播过程中必然会受到各种有意或无意的干扰，因此，一个数字水印应该能够承受大量的不同的物理和几何失真，包括有意的或无意(如图像压缩，滤波，AD与DA转换，噪声污染，尺寸变化等等)的攻击，即经过上述攻击后，水印算法仍能从水印图像中提取出嵌入的水印或证明水印的存在，若攻击者试图删除水印将导致载体的彻底破坏3 安全性。指隐藏算法有较强的抗攻击能力，即它必须能够承受一定程度的人为攻击，而使隐藏信息不会被破坏。4 有效性。水印提取算法应高效，提取出的水印应能唯一标识版权所有者。1.3 数字水印的分类目前最常用的分类方式为按水印被嵌入方式划分1 空间域数字水印技术通过直接改变图像数据来加入水印，水印一般被嵌入在图像的亮度或色度信号的强度值中。主要包括：UB方法、chwork方法、纹理块映射编码法等。 UB方法：在像素的不重要位嵌入水印信息，利用该算法将特定标记隐藏于数字图像内。纹理块映射编码法：将一个基于纹理的水印嵌入到图像的具有相似纹理的一部分当中。 chwork方法：将图像分成两个子集，一个子集的亮度增加，另一子集的亮度减少同样的量。这个量以不可见为标准。而子集的位置作为密钥，则水印可以很容易地由两个子集间的差别平均而确定。 空间域水印算法具有对宿主图像影响小、运算量小、嵌入信息量大、能够有效地利用人类视觉系统特性等优点。缺陷是对图像尺寸变换不具鲁棒性，为了使其对剪切变换具有鲁棒性，空间域方法不得不重复地将同类信息内嵌到图像的不同区域。空间域方法在追求简捷、高效，但安全性要求不高的场合得到了广泛的应用。2 变换域方法。变换域方法是一种用类似扩频通信的技术来隐藏数据的方法，该方法先对图像作某种正交变换，然后选择一个频域系数的子集进行改变，再进行逆变换得到加水印的图像。通常，集中于频谱的中间范围，以利于在JPEG压缩和其它图像处理技术的不可见性和稳健性之间取得折衷。与空间域方法不同的是变换城中的数字水印在逆变换时会散布在整个图像空间中，故受修剪影响小，稳健性较强。近年出现了多种基于不同变换域的方法。比如把图像进行DCT(离散余弦变换)，然后将一个二进制序列作为水印嵌入DCT频域。 在Ruanaidh提出的水印算法中，水印被嵌入到DCT(付氏变换)的相位中，使其对窜扰有较强的稳健性。 此外，还有一些基于离散小波变换、以及基于小波分析的多分辨率分解技术的数字水印方案。小波的多分辨率分解算法，是将水印信号和图像进行分解，然后在相应层次上加入水印，最后还原图像。变换域方法具有较好的安全性和不可见性，其算法抗信号处理和恶意攻击的能力强，可与现有的图像压缩方法兼容，从而实现压缩图像的水印嵌入。缺点是嵌入信息量小且运算量大。由于变换域嵌入水印的方法在诸如有损压缩、滤波等攻击方面具有突出的优越性，使得它为诸多的数字水印方案所采用。 变换域方法的优点是：1 变换域中嵌入的水印信号能量可分布到空域的所有象素上，有利于保证水印的不可见性。2 在变换域中可方便地将人类视觉系统的某些特性结合到水印算法中。3 变换域方法可与现有的图像压缩方法兼容。如图示为水印处理系统的典型模型 数 字 水 印嵌 入 算 法 数字水印（X）原始图像（I）密钥（K）嵌入水印后的图像图（1） 数字水印的一般性嵌入框图数 字 水 印检 测 算 法 数字水印（X）水印图像（I）密钥（K）数字水印或有或无图（2） 数字水印检测的一般性框图在图像处理的广泛领域中，离散余弦变换起着非常重要的作用，包括图像的效果增强，图像分析，图像复原和图像压缩等。在图像数据处理中常用的是二维离散余弦变换，它能把空间域的图像转变到空间域上进行研究，从而能很容易地了解到图像的各空间频域成分，进行相应的处理。这篇论文的以下内容主要介绍了两种基于DCT（离散余弦变换）的数字水印技术及其计算机模拟。第一种用排序法将一个水印信号嵌入到原始图像DCT变换域中重要分量的幅度成分中。第二种用随机调换的方法将水印图像均匀的分散到原始图像中。2. 基于DCT变换的水印算法（一）排序法嵌入水印数字水印的嵌入与检测为了保证嵌入水印信号具有良好的鲁棒性，应将图像水印放在视觉上最重要的成分上。由于视觉上重要的分量是图像信号的主要成分，图像信号的大部分能量都集中在这些分量上，在图像有一定失真的情况下，仍能保留主要成分，即视觉上重要的分量的抗干扰能力较强，因此将水印嵌入在这些分量上，可获得良好的鲁棒性。当水印信号相对宿主信号较小时，还可以保证不可见性。本算法将水印信号构成的水印序列放在图像DCT的重要系数的幅度中，增强水印的鲁棒性。1 数字水印的嵌入过程：（1） 对原始图像进行二维DCT变换。DCT变换使得原始图像的各象素分布被打乱从而有利于水印信号的均匀分布。对DCT变换后的图像按象素幅值大小进行排列。（2） 读入水印图像。对水印图像也按象素幅值大小进行排列。（3） 水印嵌入。通常选取幅值较大的n个系数作为重要分量，将变化后的水印信号依次嵌入其中。嵌入公式为： 其中,为DCT变换图像某象素的幅值, 为对应的DCT变换图像该象素嵌入水印信号后的幅值,为水印信号某象素的幅值, a为一个系数, 用以确定嵌入水印信号的量,同时可作为密钥.（4） 进行二维离散余弦反变换，再对变换图像进行逆排序得到嵌入水印的图像。此时，水印信号已经比较均匀的分散到整幅图像当中。2 水印的提取。对原图像和嵌入水印的图像分别进行离散余弦变换。用公式进行提取： 对提取出的水印信号进行排序即提取出水印. 数字水印算法的计算机模拟 1水印的嵌入与提取图1中，我们将原始图像（a）进行二维DCT变换，要嵌入的水印图像如图（c）所示。我们用前面所述的水印嵌入算法将（c）嵌入（a）的DCT变换图像中，再进行逆DCT变换得到嵌入水印后的加密图像（b）。比较（a），（b）两图，可以看出二者精确相同。图（d）为用逆算法从（b）中提取出的水印信号，（c），（d）也精确相同。由此可见水印良好的嵌入了原始图像当中。 图（a） 图（b） 图（c） 图（d）图1 图像加密隐藏和数字水印技术的加密和恢复效果:（a）载体图像(512512)； （b）加密后的传输图像(512512)；（c）要嵌入的保密图像(512512); （e）从(b)中提取的隐秘图像(512512)； 图（a） 图（b） 图（c） 图（d） 图2 换另一幅图片作载体图像时图像加密隐藏和数字水印技术的加密和恢复效果:（a）载体图像(512512)； （b）加密后的传输图像(512512)；（c）要嵌入的保密图像(512512); （e）从(b)中提取的隐秘图像(512512)；图2是与图1类似的另一例子，只是将载体图像做了变化，可见加密及恢复的效果同样是非常好的。为了说明该方法的抗干扰能力, 在图3及图4中我们分别用两幅图片作载体图像考察图像的噪声对隐秘图像恢复的影响。其中每图中，（a）、（c）加密后的载体图像，保密图像;（b）是将（a）加噪声后的图像，（d）是从（b）中恢复的保密图像，可见图像加噪声对保密图像的恢复产生了一定影响，但保密图像中的文字信息仍未丢失。 图（a） 图(b) 图（c） 图（d） 图3 水印图像中引入噪声对保秘图像恢复的影响（a）嵌入水印后得到的水印图像； （b）在（a）中加入噪声后的水印图像;（c）原始水印； （d）从（b）中恢复的保密图像。 图（a） 图(b) 图（c） 图（d）图4 换图像后水印图像中引入噪声对隐秘图像恢复的影响 （a）嵌入水印后得到的水印图像； （b）在（a）中加入噪声后的水印图像;（c）原始水印； （d）从（b）中恢复的保密图像。为了说明该方法的抗破坏能力, 在图5及图6中我们分别用两幅图片作为载体图像考察了在水印图像中引入剪切对隐秘图像恢复的影响。其中每图中，（a）、（b）是加密后的载体图像，剪切后的图像; （c）是保密图像;（d）是从（b）中恢复的保密图像，可见在水印图像中引入剪切使所恢复的保密图像中也搀入了一定的噪声，但保密图像中的文字信息仍清晰可见。 图 （a） 图（b） 图（c） 图(d)图5 水印图像中引入剪切对隐秘图像恢复的影响（a）嵌入水印后的图像; （b）将（a）剪切后得到的水印图像；（c）原始水印图像； （d）从（b）中恢复的保密图像。 图（a） 图（b） 图（c） 图 (d)图6 水印图像中引入剪切对隐秘图像恢复的影响（a）嵌入水印后的图像;（b）将（a）剪切后得到的水印图像；（c）原始水印图像； （d）从（b）中恢复的保密图像。图3-图6令人信服地表明了该方法具有从部分水印图像或有噪声污染的水印图像中恢复原隐秘图像的能力。尽管水印图像的部分缺失和噪声污染可使得所恢复的隐秘图像中搀杂一些噪声，但是，部分噪声并不妨碍文字的判读。（二）随机调换法嵌入水印 数字水印的嵌入与检测上述方法有一个缺陷，就是水印不是被均匀嵌入，而是被嵌入图像DCT的重要系数的幅度中。这样，如果对图像中的幅值较大的地方加入噪声，就会严重影响水印的提取。因此我们提出改进方案，即将利用随机调换将原始图像打乱，然后嵌入水印，再经一个反调换，恢复原始图像，以便于将水印均匀的嵌入原始图像，从而减小噪声的影响。1 数字水印的嵌入过程：（1） 对原始图像进行二维DCT变换。DCT变换使得原始图像的各象素分布被打乱从而有利于水印信号的均匀分布。对DCT变换后的图像分别按行列进行随机调换。（2） 读入水印图像。（3） 水印嵌入。将水印信号依次嵌入随机调换后的图像中。嵌入公式为： 其中,为DCT变换图像某象素的幅值, 为对应的DCT变换图像该象素嵌入水印信号后的幅值,为水印信号某象素的幅值, a为一个系数, 用以确定嵌入水印信号的量,同时可作为密钥.（4） 进行二维离散余弦反变换，再对变换图像进行逆随机调换得到嵌入水印的图像。2 水印的提取：对原图像和嵌入水印的图像分别进行离散余弦变换。用公式进行提取： 对提取出的水印信号进行排序即提取出水印。 数字水印算法的计算机模拟1 水印的嵌入与提取图（a）为原始图像，图（b）为加入水印信号的加密图像,图（c）为水印图像，图（d）为从图（b）中解出的水印信息。比较(a) (b)可知二者精确相同，由此可见，水印信号良好的嵌入到了原始图像当中。 图(a) 图(b) 图(c) 图(d)图7 图像加密隐藏与数字水印技术的加密与恢复为了说明该方法的抗破坏能力，图8对加密图像进行剪切处理来引入躁声，图(a)为加密图像，图(a)为剪切后的图像，图(c)为水印图像，图(d)为从(b)中恢复到的水印图像。 图(a) 图(b) 图(c) 图(d)图8 加密图像引入剪切后对图像恢复的影响为了说明该方法的抗干扰能力，图9对加密图像加入躁声，图(a)为加密图像，图(b)为加入躁声的图像，图(c)为水印图像，图(d)为从(b)中恢复到的水印。 图(a) 图(b) 图(c) 图(d) 图9 加密图像引入躁声后对水印图像恢复的影响由于图8、图9可知新的加密方法也具有对良好的从部分图像中或从有躁声污染的图像中恢复隐秘图像的能力。并且由于水印信号嵌入的更均匀，更能良好的抵御干扰破坏。 3. 结论 本文提出了两种基于DCT变换的数字水印算法，第一种方法中，水印被嵌入到载体图像DCT的重要幅值中，对于人的视觉系统来说，嵌入信息的幅值对原始图像的幅值影响很小，而且由于该算法的解密为明解密，水印嵌入时可以以很小的量加入，对图像的视觉效果影响很小，特别适合用以版权保护。第二种方法针对第一种方法做了改进，将图像更均匀的嵌入原始图像中，大大提高了水印的鲁棒性。参考文献1 Luzhong Cai, Mingzhao He ,Qing Liu and Xiulun yang,“Digital image encryption and watermarking by phase-shifting interfer