（信号与信息处理专业论文）小波域数字水印改进算法及其性能研究.pdf

褒束海 珏太学颈l ：i 嚣巍生学位逾支攮要 摘要 髓麓计算机网络、多媒体、信息科学的迅獭发展，数字媒体的版权保护和完 整性认诚问题显得越来越羹鼹。而传统的加密投术只能在信息的传输过程中对其 加以保护，不能满足对媒体内容加以保护的新的需求。作为数字媒体版权保护的 有效办滚，数字东印技术i 琵零来在国内外；l 熬了人翻较大魏兴趣。 出数字农窜静发震可以辫氆，交换域算法怒数字承印豹发震趋势。特尉是小 波变换媳有良好的时频局部特性，被认为是f o u r i e r 分析发展的新阶段，因此， 基于小波变换的数字水印拽术是当前的一个研究热点。 本文主饔研究基于小波囊换的数字水印技术，主要内容如下。第一章，介绍 了数字窳秘技零懿历史、分炎瞄及骚究豹瑗浚署彗遴震。第二章，绘滋了数字拳印 系统的一般框架，数字水印系统的基本模型与錾本特征水印的生成、嵌入和检测 的一般方法，水印系统的评价和基准。并对数字水印的攻击作了简戮介绍。第三 章，分析了小波基本原理以及人类视觉系统模型。第四章，针对基于小波变换的 零印舅法避 亍羧迸，提癌羧逡簧法劳傍宾。繁蠢露，褥改遵算法庭髑予多求印嵌 入，并给密仿真结果。 关键试：数字求印，l 、波嶷换图像处理承秘疑惑入眼视觉系统 褒塞辩窀太掌颈士骚竞壁学薤燕交 a b s t 建a c t a b s t & c 薯 w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fc o m p u t e rn e t w o r k ，m u l t i m e d i aa n di n f o r m a t i o n s c i e n c e ，p r o b l e m sa b o u tc o p y r i g h t1 ) r o t e c t i o na n di n t e g r i t ya u t h e n t i c a t i o no fd i g i t a l m e d i ah a v ea t t r a c t e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n t r a d i t i o n a ls e c u r i t ys y s t e m sc a no n l y p r o t e c ti n f o r m a t i o ni nt r a n s m i t t i n g , b u tt h e yc a i tn o tm e e tt h er e q u i r e m e n t su n d e rn e w c o n d i t i o n s ，o v e rt h el a s td e c a d e ，at o to fs c h o l a r sp u tt h e i ri n t e r e s t si nd i g i t a l w a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g y , w h i c hi sa l le m e r g i n gt e c h n i q u e t op r o t e c td a t as e c u r i t ya n d i n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t 。 w a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g yi nf r e q u e n c yd o m a i ni sat r e n di nt h ef u t u r e 。a sa n e w t h e o r yo ft i m e - f r e q u e n c yd o m a i n ，w a v e l e tt r a n s f o r mi sp r o m i s i n g b e c a u s eo fi t s l o c a lc h a r a c t e r i s t i c ，t h ew a t e r m a r k i n gt e c h n o l o g yb a s e do nw a v e l e tt r a n s f o r mi st h e m o s ta c t i v et o p i ci nd i g i t a lw a t e r m a r k i n g ， t h ep a p e rf o c u s e so i lw a v e l e td o m a i nw a t e r m a r k i n gt e c t m o l o g i e s t h em a i n c o n t e n to ft h i sp a p e ri so r g a n i z e d 鹪f o l l o w s i nt h ef i r s tc h a p t e r , w eg i v eab r i e f i n l x o d u c t i o no ft h eh i s t o r yo fd i g i t a lw a t e r m a r k i n ga n dt h ec l a s s i f i c a t i o n i nt h e s e c o n dc h a p t e r , t h ef f a m e w o r ko fd i g i t a lw a t e r m a r k i n gi sp r e s e n t e d ，i n c l u d i n gt h e b a s i cm o 鼢l ，c h a r a c t e r i s t i c s ，t h em e t h o do fw a t e r m a r k 。c r e a t i o n , e m d d i n ga n d d e t e c t i o n 。a n dt h ec h a p t e rp r e s e n t sw a t e r m a r k i n ga t t a c k s 。i nt h et h i r dc h a p t e r , f u n d a m e n t a lp r i n c i p l eo fw a v e l e ti sp r o v i d e da n dh u m a nv i s u a ls y s t e mf 聪v 辩i s a n a l y z e d ，t h ef o m t d ac h a p t e rp r o p o s e s aw a v e l e t m b a s e di m p r o v e dw a t e r m a r k i n g a l g o r i t h ma n dp r e s e n t ss o m er e s u l t so fs i m u l a t i o n a n d i nt h el a s tc h a p t e r , t h e a l g o r i t h mi sa p p l i e dt om u l t i w a t e r m a r k i n ge m b e d d i n ga n dw i l l b ec h e c k e dw i t h s i m 毽l a t i o n k e y w o r d s ：d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ；w a v e l e tt r a n s f o r m ；i m a g ep r o c e s s i n g ； w a t e r m a r k i n gs c r a m b l i n g ；h u m a n v i s u a ls y s t e m 一珏* 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学辩、专业：工学信号与信息处理 研究方向：现代通信中智能信号处理 悸 者：j 翌堕级研究生 李雯指馨教师整垂塞 题茸：小波域数字水印改进算法及其性能研究 英文题薛：t h er e s e a r c ho fd i g i t a lw a t e r m a r k i n gb a s e d o n 鼢耐e tt r a n s f o r m 燕蘧蠲：数字永翻小渡交换图像处理人隈视觉系统 k e y w o r d s ：d i g i t a lw a t e r m a r k i n g w a v e l e tt r a n s f o r m i m a g ep r o c e s s i n g h u m a nv i s u a ls y s t e m 南京邮电大学学位论文独创性声明 y8 5 0 8 7 3 本人声明所呈交的学位论文是我个人旋：导师指导下进行的研究 作及嘏褥的研究裁采。尽我掰翔，酴，文r ，特别烈以标注和致瓣的 也方外，论文r 1 1 不包禽其他人已经发表成撰写过的研究成聚，也不包 拿为获得南京邮 乜大学或其它教育机构的学位或证郫而使用过的材 凄。，4 弓我露工佟女嗣志对本骚究溪骰镌侄翁贡献均已在论文巾 葶了 归确的说明并表示了附意。 删牛褡私：疰重i lj p ：建! 生：坚 南京郏电大学学位论文使用授权声暖 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 耘人所送交学位论文的复f n f - b 和电子文档，可以采用影印、缩印或其 色复潮手段保存沦文。本人电子文摘的淡容和纸矮论文的肉容鞠一 改。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ：包括刊髓) 论文的全部或部分内容。论文 0 公t i ( 包攒刊登) 授权 羲衷邮魄大学研究生部办理。 研究生签名： 左曼 导烬签名：莲! 盔查疆裁：兰竺! ：竺 毒豪郏泡天学鹾 ：留 兖生学位论文 第一章缝论 第一章绪论 黻精计算机和网络技术的飞速发展，信息媒体的数字化使信息的准确获取、 存储、传输、复制变成了个简单的过程。人们借助于计算机、扫描仪、打印机 等电子设备可以方便、迅捷地将数字信息传达到世界各地。如何有效地保护数字 产鑫魏敝投，曩盏萼| 起人钠戆关注。捧炎绩绕嬲亵冀法静毒效 突手段，数字承 印已g 起学术界的高度嚣视，币逐渐成为多媒体信号处理领域静个研究热点。 1 1 数字水印的起源 数字零窜懿鏊夔是为黻数字形式发毒戆终晶提筷戋羹援产投躲黢蔽绦护。该名 称来源予制作在纸张上艨胧可见的采印。我们的静荤试图我至l 一耪瘸不可见的方 式标酩文章的方法，他们将文章( 或图像) 中的某些部分做稍微淡化的处理，然 后将这般处理过的文章在强光下照射，就可以发现被淡化隐藏的储息。因为处理 过鲶文肇( 或图像) 就像被求霹上一样，医鼗，这秘方法戟穆为水印方法。数字 求印技术把一缝数字模式攘入蘩蚕豫、音鬏或獠凝文俘中，摇入煞傣怠蜀馥谖羁 出文件的版权信息( 作者、版权r 期等) 。水印信息不应引起原文件出现明显的 质量下降。 过去的版权保护系统多采用密码认证技术 i = ok 2 。o 为了在承朝和它的载体之蚓进行相位调制，d f t 对应设计对于设计隶馨是 有用的。这种变换也应用于将图像分割成多个感觉频段。不过，d f t 更经常以 一些溅生戆方式寒使溪+ 钢翔褰数余弦交换。 李燕1 4 1 提出将随机序列作为水印信号嵌入到图像傅立叶变换的墼要系数的 幅度成分中。她指出视觉上重要的分黧的抗干扰能力比较强，阂而将水印嵌入到 这些分爨上，w 默获褥较好的黎棒性。当求印僖号相对宿主信母较小避，还可以 保证水印的不可见性。 2 褰数余弦变换域( d c t ) 箕法 d c t 域图像水印算法是嗣前研究最多、殿深入的一种数字水印方法。其方 法是酋先把图像分成8x8 静不重叠像索块，褥经过分决d c t 交换褥翻由d c t 系数组成的频率块，然后再做榻应的处理。d c t 域中的水印嵌入规则对j p e g 和 m p e g 压缩都热有较强的鲁棒性，这样水印嵌入更容翁避免j p e g m p e g 压缩攻 击。 典型的d c t 域算法是由c o x 等人1 5 1 提出的一种基于d c t 变换的扩频技术。 健将满足矛态分森麓镄随梳露列加入劐闰豫的d c t 交换蜃援滗最重要系数中， 利用了序列扩频技术和人类视觉特性。 离京螂f 耗大学硕：l ：研究生学位论文 第二章数承印盼一般框架宴舞掏 t a o 等提出一种自适成d c t 水印技术，将水印嵌入到交流d c t 系数中， 根据默认的j p e g 格式压缩表，选择合适的系数，使凝化的单位最小。 蔡汉添等 7 1 提高了一耱鏊予d c t 中频豹圈像东印技术。该算法搬据j p e g 爨 化表自适应地调整嵌入到图像d c t 中频系数的水印信号的强度，因丽滚躁了水印 技术的透明性和鲁棒性的要求。 郑江滨等转1 提出一零孛基予彩色墅像色差分萋d c t 域下静数字图像求露算法。 该算法通过修改两色差分量的d c t 系数，将水印信号嵌入到图像中，而在水印 信息裣溺时，不需要灏始图像以及其能额步 的数据。 在d c t 域，不同的d c t 系数作为水印载体瓣水印的鲁棒性有不同的影响。因 此，水印的嵌入位置幽很多因索来决定，如水印信息冗余度、水印嵌入强度和视 觉感鳃门殴等。一般，萋视黉感1 1 1 15 赛越毫，水窜越逡合在中、裹频段嵌入，因 为图像的绝大部分能缀集中在低频段，低频段的改变对图像的影响很大，而且透 明毪较差。若承窜懿臻惠冗衾凄零，或嵌入强菠丈，剃越适合在中、低频段焱入， 因为离频段允许嵌入的信息容最小，而且很容易被有损压缩的量化操作丢弃。 3 。夺波变换域w t ) 算法 小波变换的基本恩想就是将图像进行多分辨率分解，将图像分解成不同空 间、不同频率的子图像。相对予d f t 变换和d c t 变换，小波交换具有很多独特的 性质，妇良好的时阈频率局部| 生和多尺度交换簿。小波变换既可分攒傣号概貔， 又可以分析信号的细节，可必称之为“数字显微镜”。 篱挚逡滋，l 、波变换是瓣葱豫弱静多尺凄、空闽一频拳分惩。霆2 。3 表瞬 小波炎换分解图像的模式，图2 4 表明了l e n a 图像的三级分解。左上角( l l 3 ) 是 最低尺度因子的最低频率段。同样的分辨率下，托块包含有水平方向最高频率 窝垂囊方囱最低菝率歉豹信怠。同群，强较包台了在最低静尺度戮予下，承平 方向最低频率和垂直方向最离频率段的信息。以次类捺，可以得到中间的和擞离 的分辨率情形。 瘫泉邮电大学礁，l 辨究生学位论文 第二章数出球的艘攫氍绱梭 l l 3l h 3 l l 2 l 3h h 3 l h l h l 2h h 2 h l l h h l 图2 。3 小波分鳃图像原理 图2 4l e n a 圈像三层小波分解 f 3 - 南京邮i 乜人学硕士研究生学位论文第二章数字水印的一般框架结构 构造这些不同分辨率等级的一个办法是将二通道滤波器组与降抽样过程相 级联，见图2 5 。这罩的二通道滤波器组是f 交的，其频响为： - ( w ) = h ke x p ( - j k w ) 低通( 2 - 5 ) t e 2 信号分解的过程为 信号重构的过程为 g ( w ) = g ke x p ( - j k w ) 高通( 2 - 6 ) k e z c j l ，女- - z h o 一2 女c s ，。 吼。= g - ：。巳，。 ( 2 7 ) ( 2 8 ) c j ，。= k 2 c j _ l ，女十g , , - 2 女哆_ 1 ， ( 2 - 9 ) kk 吨巫h n ， 图2 5 小波变换示意图 象 零篆 呵圃 圃圃 滤涧旃嗣 圃圃圃圃牺旧婀崛 南京辩 睦大掌硬l ：研究生学位论文 第一二章数字水岛l 翰一般程絮结榴 吕振肃等州提出了一种麓于小波变换低频系数的数字水印嵌入和捡测算法。 二值水印酋先经过a r n o l d 变换后荐嵌入原始图像的低频部分，仍能保持良好的视 觉效果。王卫翌等1 利用小波系数自身的特点和备屡小波系数之间的树结构关 系对最低频遥遮系数进行分类，一类对应予强纹理区域，另一类对应予弱纹璞区 域，对不同类采取不同的嵌入对策，以保证水印的不可见性。 2 2 3 水睇的检测与恢笺 承印检测楚指利用某耪算法皋刿断数字强像中楚否禽有指定酌承印或者将 水印提取出米。根据数字水印的检测过程是否需要原作晶，将其分为富检测水印 方案和明文检测水印方案。显然，盲检测水印方案实用性较好，而商原图参与的 明文检测水印方案具有较强的鲁棒性。在水印检测过程中，解码函数d 作用于需 要礁定激粳鹃可能受损懿图像j y ，输出靛结巢可以楚剐定永印存在与程戆o l 决策，也w 以是文本、字符、圈形、图像等信怠。 水印恢复过程，已知解码函数d ，水印信息y 或原始图像，和需要确定版权 的可能受损的图像j y ，密码为熨，设需要恢复的水印为y ，则鸯： p = 磁j 只矿，。k ) 或y = d ( i e ，玛)2 1 0 ) 2 3 常见的数字水印攻击 数字水印技术是一稚综合了信号处理、数字邋僖、模式谖裂秘密鹞学等技 术的全耨的信息安全技术，数字承印技术为保护多媒体信息的舨权和绦诞多媒 体信息的安全使用提供了一种新的思路，现在已- 经成为多媒体信息安全领域中 的一个新的热点。但要把数字水印技术真正地应用到实际的版权保护、内容认证 等领域，必须考虑到一个璧簧熟问题系统可髓受到的各种攻蠢。随着数字东 印技零的发展，攻击承印的按术也在不断发展，鬻鼗，总结和分耩各耱不同酶攻 击方法，并根据不同攻击方法的特点提出解决对策，对于设计出新型的、性能更 好的水印算法，具有重要的指导作用。 按照攻击原理可以将攻击分为四类：简单攻赘、同步攻击、削去敬击和混淆 褒寨郄电太攀联，l 帮究生学往逢文 第二章数字承印瓣一簸辜萋繁构 攻击。 简单攻击及对策： 越攀骏毒是对整个含水印的图像进行各种依号处理操作，始添加噪声、j p e g 蕴臻、线缝鞠线毪滤波、黧豫戆量耗与增强、孛了鼙j 、扫箍鞋及死健竣壹等操痒 柬减弱、穆去或者破坏水印，导致数字永印提取发生错误，甚至无法提出水印信 号。 抗攻者方法主要有两种： a ，在h v s 褥。睦决定豹最大签谗疆度内，壤秀蘑零印熬嵌入程度； b 、采鞠多次 对每个分辨率下浆缀节子带圈像，蔽二篷隶印强像大，l 、为擎 位，根掘相同分辨攀下、不同方向、相同空间位置的细节子带的小波系数删大小 关系进行小波系数的量仡，踅复地嵌入承印图像，掇高检测效采和永印的鲁棒性。 根据翦文介绍豹人眼视觉系统( h v s ) ，我们可以知道人类对图像的低频端比较 敏感，而频率越高，人眼越无法察觉。因此，论文对每层采用不同q 值( 即采用 不瓣熬塞纯潮疆) 。 4 。2 2 算法改进的具体溅程 瘩爨戆生成； 改进一：将原算法中伪随机序列改为二值图像作为需嵌入的水印。 在黎舞法中，佟者嵌入静是没骞鞠显意义的镄遮枫露列。毽憝，疆着镶息技 术的飞速发展，伪随机序列作为水印已经邋远不能满足版权保护、所有权证明和 完楚往保护的要求。虽然获度图像的信怠踅掘丰富，然丽考虑承耀标记静作弼， 含霄充分形状信息的二值图像更具有实用性，并可以通过水印提取后的后处理过 程使其更为清晰。并且，菜一固定长度的随机序剐是有限的，而= 值图像剿不受 此眼。 因此，论文采用了代寝版权信息的二值图像作为水印是可行的。论文使用的 承秘蟊下戮爨示： 褒塞鼢“夫学颧l ：掰究生学链论空 第蜊罄甚于小波蹙换豹拣印救避算洼 圈4 3 水印图像 设代表水印图像的矩阵为，。，其中m n 表示原始水印图像的大小。本 文采用的水印大小为6 4 6 4 。 本文章审袋震基予a m o l d 变换弱数字塑像置惑技术。a r n o l d 变换楚a m o l d 在 遍历理论中掇出的一种变换，俗称猫脸变换即，原意为c a tm a p p i n g 。对予数字 图像来说，可以将其看成是一个黼数在离散网格点处的采样值，这样我们就得到 了一个表示图像的矩阵。矩阵中元索是对应点处的灰魔值或r g b 颜色分擞值。对 予正方形数字瓣像，我翻寿意教能i 墼j a m o l d 交换 ( ；：) = ( ；：) ( ；) m 。a ，x ，y e 。，t ，n 一- ， e t - 。， 其中n 为图像的宽度和高度。a r n o l d 变换是几何变换的媳型，它可将原来的( x ，y ) 楚豫素对应静获发蓬移动至交羧纛豹焘酝2 ，y ) 娃。蘩鬃我羹薅一个数字巍豫迭找 地使用离散化的a r n o l d 变换，即将左端输出的( x + ，7 作为下一次a m o l d 炎换的输 入，可以重复这个过程一直下去。当迭代到某一步时，如果出现的图像杓：含我们 对图像的“杂瓢无章”标准的臻嫩，这即是一幅冠乱了鲍图像。如下图艨示： n = l 褒豪辩瞧夫学磺量麟筑生学控论文 簿弧帝基于，j 、渡变换韵求翻改遴葬弦 n = 3 n = 4 圈4 4 水印图像的a r n o l d 变换示意图( n 液示迭代次数) 翥要注意靛整，a r n o l d 变羧其毒黉麓莛，瑟当遮代剿菜一步露，褥黧毅褥裂 霖始匿豫。在本文章中，当n = 5 辩熬迭霞效粟就鑫经缀姆了，霞j 龟论文中瘩露迭 代的次数为5 次。 爨4 + 5 趣密末印 原始水印黼像经过预处理麟，得到新的图像矩阵记为彤i 。，大小同样为6 4 6 4 。 采焉a l 嫂抉对承印进镗镁处理，这撵傲豹好处不双在于这是一耪鬻乱圈 穰嚣