毕业设计（论文）-基于人类视觉特性和DCT变换的图像数字水印算法.doc

四川师范大学成都学院通信电子线路实训基于人类视觉特性和dct变换的图像数字水印算法1 介绍1.1 主题研究现状及热点问题随着电脑的普及,许多传统媒体内容到数字转换,并将占领很大的市场份额在电子商务、网上销售等mp3,数码电影大力促进、图片，电子书网上销售等，在第二代第三代移动网络的无线领域的发展，移动用户可以方便和快速地基于数字媒体内容的访问互联网，数字媒体内容的，有线或无线网络的应用是信息时代。但是，数字媒体内容的安全问题已经成为瓶颈问题，一旦限制信息的过程。数字水印是1990年代的一项新技术,它通过嵌入水印信息在数字产品确定数码产品的所有权或测试数字内容原始性。它弥补了数据加密和解密技术不能提供进一步的保护，以弥补弱点的数字签名不能一次性大量原始数据的嵌入信息弥补了数字指纹只能给权利的极限破坏信息。一些成立了专门的国际机构,如版权保护技术工作组(cptwg,版权保护技术工作组)自1995年以来致力于dvd视频版权保护研究的基础上,成立安全的数字音乐(sdmi、安全数字音乐活动)从1999年开始研究音频版本的版权保护,数字水印是核心关键技术之一。数字水印是多媒体数据,如图像、音频和视频信号,添加一些数字信息(水印)而不影响原始数据的视觉和声音效果,在这里我们只讨论不可见水印被广泛关注,和数字信息可以部分或全部恢复从混合数据,以达到版权保护等。一般来说,数字水印应该有以下特点:安全,即水印嵌入到主机的数据不能删除,并能提供完整的版权的证据。鲁棒性,即水印图像处理和失真,有意无意,有一定的阻力,和检测能力,水印的人类感觉器官应该意识到,或透明。忠诚后,加入水印,不破坏原来的媒体内容价值。水印算法来保护对象所有者的识别信息，如注册用户的数量，产品标志或有意义的文字，并可在需要时提取,来判断对象是否受到保护,并能传播,监控保护数据的非法拷贝，以确定和控制的事实，这 是 数 字 水 印 技 术 的 发 展 的 根 本 动 力 。虽 然 数 字 水 印 技 术 的 版 权 保 护 的 电 力 的 发 展 是 最 重 要 的 ，事实上,这也是发现,数字水印等也有一些其他身份验证、秘密通信,标志隐含的重要应用。与旧的信息隐藏和数字水印技术,数据加密技术是随着这些技术的发展密切相关,并提供安全、必要手段未来发展的信息技术的集成。对象嵌入水印算法识别信息的保护主人,如注册用户数量、产品标志或有意义的单词,等等,可以在需要时提取,用于区分是否要保护的对象，并且能够监视数据保护，鉴定和非法复制，这实际上是基本动水印技术发展的控制的传播。虽然版权保护的数字水印技术的发展动力是最重要的,事实上,有些人觉得数字水印也等其他识别、秘密通信,比如象征隐含的重要应用。信息隐藏和数 字 水 印 技 术 和 古 代 非 常 接 近 数 据 加 密 技 术 和 这 些 技 术 的 发 展 和 信 息 集 成 技 术的发展为未来提供安全的必要手段。1.2 数字水印的应用从当前数字水印技术的发展,数字水印可分为以下类别： 数字产品知识产权的保护：与各种形式的数字作品(如图像、视频、音频等)已发表与各种形式的网络侵权的网络盗版问题越来越严重,如何有效地保护知识产权和信息安全,一直高度重视。数字水印有能力满足这些要求,因为它把信息在数字产品,它是在数字作品的使用的过程中不会被消除。即使解密,加密,压缩后再da转换和改变文件格式,如加工、设计巧妙的水印仍能继续存在。目前,虽然数字水印技术已经进入了初步实践阶段，但它不是很成熟的技术。 图像内容认证：认证的目的是检测数据的改变，当 数 字 作 品 曾 在 法 庭 ， 新 闻 和 商 业 ，医 疗 上 使 用 ，要 确 定 自 己 的 内 容 已 被 修 改 ，伪 造 或 特 殊 处 理 。 标记和注释：在医学领域，制图，多媒体索引和搜索网络，可能是一些作品的标题，注释的形式嵌入一个水印作品中隐含的注释。 违反者追踪：数字水印可以用来监测非法拷贝或数字产品的生产和销售跟踪，加入水印信息在每一份在数字水印中的法律问题为应用在电子商务可以控制内容用户验收，防止解密后从用户控制保护的内容。 商业交易的安全性：图像输入和输出设备具有高品质，传统的电子商务中在使用的过程中，有许多电子类型文件出现，比如拓印图像。成熟的网络安全手段要求电子账单的验证。数 字 水 印 技 术 能够提供看不到的验证标记,直接加强了仿造的可行性,难度大增。1.3 动态数字水印技术的研究1.3.1 研究现状有效补充传统的加密系统,从1993年caronni正式提出了水印十年到目前为止,国内外对数字水印的研究引起了极大关注。国外大公司的参与,美国军方和财政部的支持,尽管在数字水印研究刚刚开始不久,但是技术研究和发展速度非常快。自1998年以来, ieee图像处理、ieee学报、ieee消费类产品、ieee通信主题等众多权威国际期刊组织对于特别的以及数字水印技术各种新闻报道。1.3.2 前景和意义数字水印技术到目前为止，仅仅只是短暂的几年时光，但由于是作用于开放性的网络多媒体信息的安全问题的应用，比较好的处理了内容的验证、版权所有的保护、验证篡改、网络发行以及源认证。提供了一个可作用于用户追踪以及其他问题的研发的新方向，所以在数字产品产权保护、保护隐私、修改验证、安全和秘密通信等有一个非常有前途的应用前景。在中国，知识产权是一个敏感的话题，只有深入的数字水印技术的研究，我们可能会获得在国际知识产权纠纷的主动权，在未来中国的版权保护水印标准。从研究意义，研究具有重要的学术，经济和军事价值，一方面，它会促进多媒体技术和网络技术，通信技术，信号处理技术等新兴技术的融合，推动进一步繁荣多媒体网络;在另一方面，它会帮助受版权保护的冲突，多媒体信息的版权。在同一时间，这将有利于隐蔽通信技术，信息安全技术的改进。2 数字水印技术理论2.1 数字水印的概念数字水印技术是指信号处理的方法被嵌入在声音，图像或视频等数字多媒体数据，证明了一些隐藏信息或跟踪侵犯版权的所有权，这样的信息通常是不可见的和不可感知人类感知系统或注意的是，仅通过一个专用的显示器或阅读器可以被提取。这些隐藏在多媒体内容信息，可以达到确认内容创建者，购买者决定是否一个真正的，完整的内容或目的。水印系统信息始终隐藏受保护的数字对象或有关它的主人。2.2数字水印的基本原理从视图的影像修改编排方面来说，这允许认为是一个很强的背景卜弱信号来叠加形成的水印信号，需要做到的是信号的叠加的强度低于hvs（人类视觉系统）对比阈值，发射无法感觉到的存在的信号。从数字通信的角度,使用嵌入式理解为窄带传输宽带扩频技术通道(向量)的信号。即使具有一定能量的水印信号，在同一个通道内分布的任何能量，它的频率都是难以检测出来的。水印检测相当于是一个把检测对象当作是一个微弱噪声信号通道。通常情况下，水印可以被定义为以下信号：w =w（k）| w（k）u，ko，1,2，.，m-1其中，w为有时被称为以区分转换过程的原始水印可被嵌入或水印检测处理之后。 m是水印序列的长度，水印的范围代表。水印信号可以是二进制形式（例如：u=（0,1）或u=（ - 1,1），也可以是高斯噪声的形式（如为0，方差的平均值是高斯白噪声n（0，1），或者其本身就是一个图像，所述数字产品的相对振幅的振幅的术语加以保护应小。我们的基本框架可以被定义为一个数字水印系统，所述六元体。其中： x代表的集合被保护的数字产品十，xo是原创数字作品，xw表示水印的数字作品。 w水印信号的采集。 k水印领取钥匙。 g代表使用需要嵌入水印的x以及密码k共同作用水印的计算方法，如示 xkw,w=g(x,k) e用来将水印w插入进数字作品x中的嵌入计算方法，如示e:xowxw,xw=e(xo,w) d就是检测水印的计算方法。d: xk(0,1)d(x,k)=其中，h1和h0分别表示水印的有无。2.3 数字水印的基本特征通常，数字水印应具有以下特征： 坚固性：水印必须很难去掉，任何水印都可以去掉，当然是在理论上。只要有足够的了解对水印的嵌入过程，但 是 如 果 对 水 印 的 嵌 入 只 是 部 分 了 解 的 话 。任何企图破坏或消除水印应导致严重退化的载体不可用。坚固性对于水印来说是非常重要的，嵌入和检测的唯一的存在的信号处理操作之间通常是必需的。对于不同的应用要求，需要不同程度的鲁棒性。 不易觉察：难以觉察包括两方面的意思，一方面是指在视觉上感觉不到的，这是不能导致图像质量的出现而改变显著目视水印。另一方面，统计方法是不能由水印恢复的。 安全:是指水印可以抵抗未经授权人员的能力攻击,它专门防止水印攻击任务处理的行为。有三个主要类型的攻击。一个未经授权的删除,是指为了防止检测水印攻击。另一种类型是未经授权的嵌入式(假的),是指非法水印不应该包含嵌入的水印的行为。第三类是未经许可的检查，根据不同的严重程度，可分为三个层次。最严重的第一个，是指未经授权的人来检测和嵌入的水印信息进行解密。第二个是稍轻，参照检测未经授权的水印和不同的水印信息可以区分的，但不能解释水印的特定含义。第三最轻装置水印的未经授权的存在是可被确定，但其不解释水印嵌入信息的信息不能被区分。2.4数字水印系统的设计在实际应用中，一个完整的系统的设计通常包括水印信息生成水印的嵌入，提取和检测四个部分。 在水印生成：通常根据一个伪随机数发生器或混沌系统，以产生从所述水印的鲁棒性和安全性的考虑水印信号，它通常需要预处理的水印嵌入算法的适应. 水印的嵌入：在确保水印无法被获取的前提下尽可能的感知水印嵌入的最高强度，充分的让鲁棒性有了较大提高。如图2-1所示水印嵌入过程。有三种常用的电子水印的准则。一类为加法准则(xi= xi+a wi)。xi为含水印图像，xi为原始图像，a为水印嵌入强度，wi为水印信号。它的选择必须考虑图像的实际情况和人类的视觉特性。除了标准是嵌入水印的一种常用方法中，水印的嵌入不会考虑到每个像素的原始图像之间的差异，并且因此，一个大的变化，图像质量在视觉上使用这种方法来嵌入水印之后，该水印鲁棒性的影响。另一类为乘法准则(xi= xi(1+a wi)，其中考虑到原始图像的每个像素之间的差，这样，在许多方面优于加成的标准性能标准的乘法。第三类是趋同标准(xi=(1-a)xi+a wi)。水印嵌入框图如下：密钥水印信息原始图像嵌入算法嵌入后的图像图2.4-1 水印嵌入框图 水印提取：嵌入过程的逆过程。测试图像密钥原始图像提取算法水印图2.4-2 水印提取框图 水印检测：判断是否有水印载体处理的水印，水印的检测过程示于图2-3中，虚框表示当水印信号以确定是否存在并不一定是原始图像。密钥原始图像原始水印嵌入水印的图像水印检测算法水印信息图2.4-3 水印检测框图有各种各样的数字水印的分类方法，导致了不同的分类的不同的起点，常见的分类方法有以下几种：按数字水印的透明性质，可分为可见水印和不可见水印两种。人眼能看见的水印就是可见水印。人类视觉系统难以感知的就是不可见水印，也 是 当 前 数 字 水 印 领 域 关 注 比 较 多 的 。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 。除以水印的鲁棒性：根据在什么程度上嵌入的水印可以承受共同的信号处理操作可分为脆弱水印和水印的水印的鲁棒性。脆弱水印嵌入水印的载体是指当数据已经由水印检测改性可以被修改，以支持是否或什么修改判断。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 。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 。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 。除以隐藏水印的位置：水印可分为空间和变换域。水印直接嵌入到信号空间是空间水印，也就是，通过改变 某 些 系 数 向 量 空 间 中 嵌 入 的 水 印 。变 换 域 数 字 水 印 是 指 改 变 一 些 变 换 域 系 数 来 嵌 入 水 印 。2.5一些典型的数字水印算法 在空间域算法：该方法通过添加改变数字水印的灰度值指的是图像的空间域，大多使用的另一种方法的，用秘密信息位替换数据位向量，存在的lsb（最低有效位）方法，映射纹理块编码方法和拼凑方法。 变换域算法：最近变换域水印算法在离散余弦变换域（dct）傅立叶变换域（dft）和小波域（dwt）进行，虽然着一种计算方法隐藏信息不是很大以及复杂的隐藏特性和提取信息的大量操作，不过它却拥有强力的抵抗攻击能力，一般数字版权保护都是使用这样的方法。傅立叶变换（dft）是一种高效率的经典数学工具，十分便利于仿射不变水印的实现，同时还能够应用于转化水印的相应信息。然而，dft域的计算方法不太简便，同时不能兼容国际的压缩标准，低下的效率，极大程度的限制它的发展。dct变换域的水印是研究得最多的一个数字水印，它具有较强的鲁棒性，隐蔽性好。其主要思想是，选择叠加在dct域图像上的水印信息的低频系数。被选择时，低频系数，因为人的眼睛聚焦在频带的感觉，攻击过程破坏了水印势必造成图像质量的严重恶化，一般的图像处理不改变这部分数据的。 e.koch和j.zhao先前提出的使用离散余弦变换分解算法来设计一个水印，它们不被装载到整个图像水印，但一些随机选择的图像的区域，以便嵌入一个被改变水印，水印选定的区域由密钥控制。 在文献中的图像全局变换的电子水印方法是由cox等人提出的一种新方法。他们的重要贡献是清楚装入图象的数字水印的视觉敏感部件，以具有更强的鲁棒性。该水印方案是整个图像的dct变换，并在水印中的低频分量加载。它的实现是整个dct变换的第一个两维图像，然后选择除了外部较大1000低频dct系数的直流（dc）分量和一个从属n（0,1）的高斯分布序列调制的水印来改变序列是一个伪随机序列的种子来生成密钥，密钥通常由识别码的哈希值和所述图像相关的信息，所述组合物。通过计算从一个加水印的图像的相关性1000获得的高斯序列中检测到改变了的低频的dct系数，以确定是否存在一个水印。该算法不仅在视觉上不可察觉的水印，而且水印的非常良好的鲁棒性，也可以进行某种程度的有损jpeg压缩，滤波，d / a和a / d变换，信号处理，同时也能够使用诸如裁剪，缩放，平移和旋转操作，复印和扫描的几何变换，这个过程中也有很高的鲁棒性。该算法具有较强的鲁棒性和安全性。因为该算法是由ltec实验室cox等，所谓的nec算法。虽然小波域水印算法也是不寻常的，但小波域具有良好的空间 - 频率分解特性，并且ezw编码在下一代（ezw）压缩标准（jpeg 2000，mpeg4/ 7等）被使用，用来达到国际标准，使其有乐观的发展前途。3 基于dct域的数字水印算法dct域的数字水印算法的主要思想是在dct选择变换域，水印信息低频系数叠加的多少，这是由于低频带是人眼主要集中的地方，水印被攻击着破坏势必造成图像质量严重下降，图 像 处 理 通 常 不 会 改 变 这 部 分 的 数 据 。dct变换域系数的统计分布拥有良好的数学模型的水印信息用来估计理论。dct逆变换的数字水印技术将传遍图像空间,空间域水印技术小敏感作物,低通滤波器的基础上高度可靠,隐蔽性和良好的攻击的影响。由于上述优点外，也 是 由 于 国 内 外 研 究 的 一 个 热 门 方 向 。d c t 的 数 字 水 印 算 法 的 图 像 。3.1 dct变换理论基础离散余弦变换（discrete cosine transform）是简化的缩写dct的傅里叶变换，从傅立叶变换的性质的重要方法变换可以知道，当连续的实函数f（x）或f（xy）是偶函数，只计算余弦变换。因此余弦变换如傅立叶变换，其物理意义明确，可以说余弦变换傅里叶变换是一种特殊情况。dct变换避免了傅立叶复杂的操作，是根据实际正交变换。 dct变换非常类似于toeplitz矩阵（对称系数矩阵中的任何并行并沿与一个对角相等的主对角线上的元素）的特征矢量，人类语言和图像信号的相关特性可以由toeplitz矩阵来反映，声音和图像信号的最优转换被认为是dct，而对dct算法更简便快捷的实现的数字信号处理，也导致它在图像编码中占有重要地位，成为国际标准系列图像的编码（mpeg，jpeg，mpeg，h.261等）。基于dct域的数字水印算法，基于所述图像dct被分为两大类的计算方法，一种是直接的dct计算整个图像中，选择适当的频率系数，所述嵌入的水印。另一种是，整个图像首先被分成块，每块单独dct计算，选择在每个块的适当的频率系数，水印信息被嵌入分散选定的dct系数的各块。这种方法被称为分块的dct。块尺寸通常采用gxg像素。因为后者是在jpeg压缩中使用的标准方法，并且分块的dct运算速度比全局的dct运算快得多，迄今大多数dct域水印方式的是利用分块的dct方法。采用dct域水印嵌入域优点是： 图像划分成一个空dct频带，水印可以很容易地嵌入到带。 基于dct变换域的算法可以与人类视觉系统模型可更好地结合，约束图像失真可以容易地加入，以进一步提高算法的性能。 分块的dct被广泛用于压缩方法例如jpeg。预测系数通过该压缩过程被减少，可以嵌入到非水印损耗系数，压缩图象来增强水印的鲁棒性。 您可以嵌入更多的信息。 水印被嵌入到一个特定的频带的dct域的逆变换后，水印分布于整个图像，剪切和其它的图像处理具有一定的坚固性。 最优变换就有dct，二维dct简单来说就是一个可分离变换。但是，dct的算法也有其缺点，采用dct域的作为水印嵌入主要缺点在以下两点： dct空域对敏感的平移和位置交换图像。对于几何攻击的鲁棒性弱。 基于dct变换域算法也具有共同的，在频域算法的缺点：相对计算复杂度。目前已经计算出的dct硬件芯片，因此在很大程度上计算复杂的缺点是可以克服的。二维dct应用于数字图像的处理,针对一幅m*n图像s(x,y),它的dct也将变换 （3-1-1）反离散余弦变换(idct)为: （3-3-2）其中，v=0,1,2,3n-1，u=0,1,2,3m-1dct变换是通过“块”的形式变换,根据需要来确定“块”的大小确定,可以说dct变换通过一个块就能完成这一整幅图像,当然图像分割成不同的子块独立进行dct变换也是可行的。通过dct的正变换能够把影像分解到不同的空间频率中,该频率成分在原图像中的比重不同，其频域系数也不同。下面以lenna图像为例，利用dct变化函数得到的dct系数的性质。只取r层的dct稀疏矩阵进行分析。下图显示了变化的结果，其中dct系数用光谱的形给出，直观的表明了低频和高频系数的分辨规律。为定量的评价提取的水印与原始水印之间的相似度,系数nc来评价。即 （3-1-3）式中，z二表示归一化相关系数,其越接近于1说明恢复的水印也就越好，v表示原来的水印信息向量，wr表示恢复出来的水引信息向量。4 人类视觉频域特性人的眼睛对图像信息不是通过点的处理来进行的，但对神经编码，人类视觉感知特性和对统计显着性的信息分布在提取空间，频率或颜色特性是不相同的，即需要更多的上的信息以表达视觉感知的特征量的统计数据可能并不重要，从一个感知点在本节中不具有的视觉系统的频率响应函数的详细特征表示为： （4-1）a 、b、c 代表决定hvs 曲线的形状的常数，当中作为视角正对的径向频率,单位为周/ 度(cycle/ degre数。 hvs 曲线的形状表示式见公式 （4-2）下图为人类视觉频率响应函数曲线，其中横轴表示径向频率的值，纵轴表示视觉系统的相应函数 h()的值。由此曲线可以看出，人眼在812中是最敏感的区域，对应于该图像的该像素，甚至微小的变化的区域中，也可引起人的眼睛的视线；然而，对于08和12区域响应低，其中1222之间为中频部分，22为高频部分区域。另一方面，根据jpeg压缩原理：通常将高频的dct变换系数设置为0，然后将dct系数的其余部分进行编码，以完成图象的压缩。因此，如果在水印信息被嵌入在高频原始图像的dct系数，所以能够消除在jpeg压缩中的水印信息。早期的dct变换域的水印算法被嵌入到原始图像水印低频中，采用一种改进方法：埋设在中间频率的水印（1222）的部件上，以调整之间的水印的鲁棒性和不可见性的矛盾。5 算法流程5.1 基本思想先将原始图像分成 88 的子块。并分别对每一子块进行离散余弦变换，然后根据人类视觉模型频率响应函数来选取每一水印待嵌入的dct 变换系数的位置，再利用最小可察觉误差(jnd) 来确定在图像的每一子块所能嵌入的数字水印信号的最大强度，把已经过预处理的水印信息自适应地嵌入到原始图像，然后将嵌入水印信息的 dct 系数的子块进行逆 dct变换，最后合成为嵌入水印图像。提取算法与嵌入算法相似。设原始图像和待嵌入水印图像分别为 i( n1 n2 ), w(m1 m2 )。为了方便计算，取m1 = n1 / 4, m2 = n2 / 4。5.2嵌入算法流程首先：二值水印图像置乱可通过图像置乱技术进行，该过程可逆，就可变换成一维二值序列，标记为w(i),i =1,2m1 m2 。其次:通过把原始图像 i 分为相互独立的88的子块fm (i, j ) ，m = n1/8， n = n2/8， i, j = 1,2.8。各个子块独立进行 dct 变换操作。现实操作中，先分成88子块的原始图像，通过dct变换变换每个88的子图像块，同时按照zig-zag排列dct系数，之后dct系数变换成对应的值来确定每个子块的嵌入区域需要用公式(3-11)、(3-12)将。如图 3-5。通过使用多重嵌入技术可以增强算法的稳健性。也就是 pij ,i = 0,l,5用来嵌入一比特的水印信息，而 p2,p3,p4,i = 0,l,5也利用同样的原理分别用来嵌入一比特的水印信息。再次：结合人类视觉频域特性，嵌入水印的位置用人为选取第二步完成后得到的子块系数矩阵中的(64m1 m2 ) n1 n2 各中频系数作依据置（多重嵌入技术是用来增强算法的稳健性，也就是嵌入的水印比特数少于选择嵌入的区域，这种算法之中，获取的嵌入区域 24 个，各88 子块嵌入的水印4 比特）。第四步：各个图像里被选定区域的水印嵌入强度qm (i, j ) 需通过人类视觉掩蔽特征公式获得。第五步：选定的区域上使用下面的公式嵌入对应的从二值序列中按顺序取出 4 比特水印。（qm (i, j ) 为系数 fm (i, j ) 对应的步