（光学工程专业论文）印刷图像数字水印技术研究.pdf

国防群泽控沭大学姘究生藏学位论文 摘簧 本文蘩子域变羧秘睾魏溺，瓒究印剥篷豫数字永簿j 蒎术，主簧包括敦下内容： ，设谤实验分橱打印扫攒过稷对照像豹澎魄，并攥瓣实验臻聚，分辑已掇熬 的抗打印丧l 描水印算法的稳健性。 2 。捷姑静基予分块离教薄立跨交换的靛抒霹一喜薹描鹫嫁求薛赣法。与现b 箍 逝算法不黼，本文键豳的分头傅立时变换冀法对分块德立n 变换稻螨值谱莱一半 径处的所宥舔数同时进行处理，提商了承印触抗攻击性。 3 。挺也耱分数傅立时交换域实现曲印刷圈像承攀舞法。与常娥褥立时变换 鞴姥，分数阶薄立时瓷换鹣阶数掰棒为新熬澎稍，增瓤了随镄效纂秘萄靠经。秘 修改傅立时幅值谱相比，修改分数傅立叶幅值谱释易g i 起图像的视觉改变，但并 z i 影响图像的使用。 4 分绍7 现甚嘏道靛各静半惫调图像东印葬法，瓣葵串躺溷静黎蟹算法进行 实验验证，并穰据实验结粜，放算法复杂度、抗打印- 扫描稳健性鳟方俪进行比较。 魄较绣粜裘鞲，不同的方法各霄优缺点。 本文礤宠魏霹剥晶数字承鞠技术可蔽翊予固刷髫像鹃爨镄，与葵它虢爨方法 榴院，其有成本低，操作衙革氨萄予察现等优点。 主题词：防伪数警嫩印离数傅立时鼗 典分数傅盛叶变换离散余弦变换 举毽谬髂熬黪藏 第 舞 錾转科学技术大学臻髯生靛学位论文 a 嚣s t r a c t i nt h i sp 印e r ，d 蟮删w e n n a 嫩i 烬毡v 越l a b l e 如r 辨抽t 融i l 艄鬈e s 遮辖s 龆溅e d 1 ti s n c r e l e 酶s 挺进y 峨ec o 娃t 0 撖s 珏s 如l l o w s ： 1 确ed i s l 疵。娃i n l r o d u c e db y 辫虹耐s c 8 np c e s s 协i 撇a g e s sd i s e 璐s e d a c c o r d i n 霉t o t h er e s u l 匕r o b u s t n e s so fa l r e a d y p r o p o s e d m g o s i 8a i l d i y s i 8 e d 2 a n 赫g 。f i 斑m 豫s 挺t a 嫩t o i n t 砖馏np r o 豁i sp 硝p o s e d ，w b i 豳i sb 删o n b o e k d s e f 畦e 笋a 嘲雌越m s 黼n 帮醴9 0 f i 氇mi s 摊r 。b u 辩强箍na l 懈a d yp p o s e d 辩静# t 缸l s 3 a na l g 啦i t h mb 蹦e do 撞胁c t i o n 越f o u f i 雌啪瞄f b 滩( f f t ) i sp r o p o s e d ，w h i c h 妊 a 城l 枷ef o r 蛳瓜e di m 氇g e s t h # f 鞭。棚嚣 s 摊唾n 蕊a sak 。y 趣d 棼l o h ，a n di 挺 c 潮g 朝b ；1 i | y m 盘k e s 也e 赫c 聊t e d i m a 擎s m o 糟d i 接黜 l 协b e o o 弧t e 挂械t e d ， 4 a no v e r 、，i e wo fa l r e a d yp r o p o s e dw a c e m l a 地i n ga l g o r i t l l m sf 缸h a l f t o n ei m a g e s i sg i v e n 。擎。娃f 越g o 遗t 妇搭o n gt | 撼擞8 靶c o 群鑫 e dw i 融e 档氛啦b e f 秘l e 羚s 越to f c o 癌垮甜l s 黻d e 摊强s 翁懿e s 妇d i * 醯e 娥a 埯o f 巍溉囊a sd i 氆删往d 张稿l a 鐾e 黼鑫 疽l s a d v 秘谯辨，删吐蜒g o 巍谯m 拯b c 耐印把dc 懿挑骥氐d c 。砖l n g 稻举a e t i e 鐾 d e n l a n d + k e yw o r d s ：a n t i - u 嫩e r f e i 锨臻w a t 黼k i n 迸s $ 糟姆f o 蝴糕傲m s f o m l ， 最曰e d o n a ：lf o u r i o rt r a n s f o m i ，d ：i s c r e t ec o s i 黼吣f 0 帆h a l f c 0 1 砖，i n f 0 舢a t i o nh i d i n g 国防科学披术大学研究生院学位论文 袭目录 表2 。l 定爨计算结果7 表3 1 稳键性检铡实辍结果1 9 表5 1b a ”r 抖动闽德矩阵2 6 袁5 2s t h e 娃过滤器2 7 表5 3 不嗣半色 韪k 卵方法的阮较结朵3 l 强簖辩学技术大学研究生院攀位论文 强禽录 瀚 1 永郎嵌入过糍。2 翻】2 水印捡授l 过瑷，2 翻1 3 溅伴游镄举捌3 缨2 1 打印一季薯播实验样菇翻稼5 懑2 2 扫撼爝的l e 8 醚。6 燃2 t 3 原始及拯搐舞 ，e m a 匿麴粪穷辫6 爆3 1 露始趔像及箕骥毽滋帮穰位谱1 2 蹲3 2 弼遴镜避行傅黧时燮抉的党旗鬻。1 3 鞠3 。3 分别国蹋豫蠛馥潜秘相髓港夔掬麴凰豫，i 3 燃3 _ 4 对现霄箕法分改进。1 4 翟3 ，5 瀚像蠲整楚璞( 歉入求印) 流凝1 s 葭3 6 燕羧捻涮结鬃。，1 6 翻3 7 打印前图像的捻测结果1 7 辫3 l s 打印蕊翻描躅像的检测结果 ? 黼3 ，9 稳德镌测试搿豫i 8 图4 ，1 圈3 1 a 的一维和= 维分数傅立叶幅值谱2 l 躞4 2 簌始k e n m 暇德蠛谴谱。2 l 黼4 3 修敬爝的福馕谗2 2 嘲4 4 加商水印的l e n n a 幽2 3 搿4 5 抒翻辆撼后鳇撩测结果2 3 瀚4 6 赘甥爝弱图像殷捡溅结巢。2 3 阁4 7 加嗓精的萄豫觳检测结栗2 4 翻4 湛除数不正确醯硷测终果，2 碡 懑4 。9 增擞黯黎分爨瓣方式秘逢妇密麴豫袋捡测续果。2 5 潮s 糕滟镟麓扩散缝壤流程2 7 辫s 0 利朔擗韵法襄半包溺图像中瓣藏信惑示铡。2 8 湖s 4 越枫误差扩数淡示铡3 0 瀚s 5 铡髑搂扳法在半惫满基橼串豫藏信毖示铡。3 0 嚣l l 嚣 独创性声明 本人声鹱爨呈交静学位涎文燕我本人在导烽糖导下透露懿翳究王器及取褥载磅 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包岔其他人已 经发表枣撰写进晦翳楚残暴，龟不惫会鸯获褥匿黪辩学按零太学或其它教霉褪梅酶学 位或证书街能用过的材料。与我一同工作的同志时本研究所做的任何贡献均已在论文 串作了爨确瓣谎明著袁零 毫 意。 学位论文题目： 墅星! l 图篮熬宝杰虫技盎越窥 学位论文终者签名：i 逖麴嚣l 期：侈泌 年 曩甚 学位论文版权使用授权书 本人完奈了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国 防蘸学技寒大学可鞋缳罄势离国家蠢关帮门或撬鞫送交论文螅复印馋釉电子文整，允 许论文被套阅和借阕；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据席进行检索， 可以呆臻影肇、缝印或拇描等复裁每段镖存、汇壤学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题曩i 整捌蓬夔熬塞壅壁筮塞戮巍 学位论文作者签名i 毯函。疆日期：1 力n 卜年| 月甘 作者拯尊教瘴签名：连圭叁 日期：* 。f 年t f 月。匿 隰防科举技术火学磷究生院学位论文 第一牵绪论 计算梳网络技术的发展正在淑燮羞信感存然与健撩的方式。数字纯的进穗越 来越浃，数字他文辎及翱关产熙的应用菠辫懑豢越广。键数字文档完金取代秘剥 品将是个长期的过投。裹价馕文档( 法禧文传、票据、谖 牛) 以及产晶齑糕、 包装等印刷鑫与久粕黪甥震生活帮文亿生活惑惠相关。确僚文档痿惩麓安全戳歉 防止伪造，对于豫障祭掭、 芷件持有者的裔法被盏，戳及维护商品交翁的正常秩 净其有鲞瑟懑义。 1 i 印耩灞防伪技术静骥状及技术滩煮分祈 蔽攘擐蠖分类，曩挝谴实用麴秘刷晶黼糖技术大致分为防镑纸张、防毯瀵墨、 特秘窜尉案激戳及虢穗条澎码簿h l 。遮些技术在一定程震主起到了游侥骢作耀。 律随辫魏技术的避步，造瑕蚋手段势必“穗撵魏耩”。陵镑魏避假嚣个对立瓣 之闽熊技术较薰飘来停惑。 本文蕊乎数字水印原理，探絮篡备抗打即一扫描功能的印劂品防伪新技术。 1 。1 。1 数字承印殿其在印繇龋陵伪中的寂用 数字永印( d 谌蹦w a t e m a r k ) 羧术怒僚息隐藏的个分支。其纂举思想是： 采用内嵌的方法将一宠的信息隐藏到数字图像、声音或其它多媒体数据中，这嫂 多媒体数撂凌经过俺输、压缩葚蘸包括一些怒意的攻击等过程之焉，豫藏在其审 的信息迩艇被提取出来。 数字永印概念蔽初提出耐，翻的是僳护雾媒体数字信息的版权，但其实际虚 掰却不仅隈予魏。翔巢嵌入蓟麓像绒箕铯文档中的承瘁掰经聿印一搦播遗程螽遥能 够被提取密泉，剿完金可用于帮剃赫的防镄。 1 1 ，2 数字永帮韵嵌入和检测 ( i ) 水印袋入 霪稔 把定的信息( 文字、鼗字、撩恋或光意义静随帆搿捌通过承岛嵌入算法 以肉眼不可见豹形式加入猁待印刷的图像中，把所得的加水印的图像打印输出， 即可褥簧发行的印刷品。原理见下醋： 第i 页 溪防辩学技术大学研究生院学位论文 圈号圃司要早 鳞 。l 隶帮嵌入过程 ( 2 ) 承印梭测过糕 嫩邸提取过糕每上述方法襁爱，月扫摇仪姆待梭溅熟麓像x 转换戚数据文捧， 采翔提取舞法胰数摄：兜黪中撬凝爨零邸w ，将w 与w 进行毙鞍，判龋疆像燕霭 热了水印，从蔼判龄该印刷晶的囊伪。冕”f 潮： 强l 。2 承鞠嫒测进狸 ( 3 ) 郾剥黠防镑对数字承睇技术豢受嘉躺爱黎 遭照予讨算辘文耥赫伪的水晦按术与运熙予印剥潞瓣镄鞠承翻披术有诲多菸 圈点，二潜在匿像中嵌入和提取苓_ 瓣觅傣患抟蒙理嫠零指弱均要求永印袋舆镛 “不可见瞧”积“稳健性”。 常黼数字水卸簿法限于处理数字化文件( 鼠处理缔槊仅在计冀机霹幕显示) ， 除遭受赣懑玫走以及电讯线鼹s l 入嗓声等鞠綮乏外，谈数字他文锌( 裁体殷水鳟 圈豫) 不会轻易发生变化n 在唧刷、使用和存放等环节，纸张等载体研能变形；经打印一捆撼过程蘑t 印 匿 图 百 酮 百 圜 悬 鬻一 瓣转科学技术大学研究生髋掣能论文 剩晶主酶图文的死何澎凝教谯调可穗失真。印利黼嵌入数字承印的主婺难点在于： 在载体和图文存在随机变化的条件下，臻求嵌入图像中的数字水印仍然有效 ，t 其孛，蒋学，袭豕短辫对癌元誉攘除。 均方误差帮糍鬣癌纯玛方谟整瓿整髂上疑浃两潮德获度帮赫域系数静麓 刿，羟一他谡麓是本文定义的毅瓣强慷质量寮鹈谬馀搬栎，襄反映扫描豳像期艨 始黧豫瓣澎蕊痰筐鞠颧域臻数懿蔑剿，诗磐络暴楚与簌鬻德瓣撵大小瓣矩阵。 2 。1 ，2 迩搜分攒 经h p # s c l 2 1 8 扫描打印一体枫多次打印巷l 描后，图2 1 所示4 蠛数字图像的 整体程逝效聚瞧现娃下硬类失真： f 1 ) 藏度馕失真 黉2 2 掴攒舞抟l e n n a 器 黼2 3 a 原始l e n n a 闰寅方围 髑2 3 b 扫描艏l 黼n a 酎馘方髑 燕2 1 3 瓤始及辛霉箍籍h n n a 援盼妻穷辫 + 攒礁檬代表蔹瘦，菝度篷蠢0 蔓硝5 ，缴坐标 表豫素数 毙竣图2 1 b 中掰示藤始及翳2 2 中据擦蓐绱毛e 8 黧碍嚣出，拇球- 招攥露瓣 豳像对比艘肖所降低，整体感凳也鞘暗。 癣隘科警技术走学茜车究生虢学位论文 图2 、3 中掰示为琢始强扫描蔚豹l e | 1 | 1 a 鞫及葵赢方鞠。瓷方强怒缘素接获瘦变 化的分布潮( 横坐棒代表款度，获艘假由辽至2 s s ，级嫩标代表像豢数) ，它逝观 遣旋蘸了篱像捩度努毒惜爨。出匿2 ，3 a 及嫠2 。3 b 鬻看凄，打辞扫摇霸鬻像酶畿方 鬻鼠是大体上墨黎始镯豫糨强，凝度分森发圭| 兰了程大交托，像素惫较多缝分布在 中获度蕊域。遮与我们掰祷到韵蔼稼皴体较暗瀚结采一致。 ( 2 ) 凡捉黪变 凡秘礴变主要鼓搦捺道程g | 入。整打露辫檬褒扫攥致平扳主教鬻瓣发生缡辩， 剐凝螽簿判瓣麓像哥饕释摄始圈稼经过藏辚、端藏程剪蛹这系列凡侮窝接爱( 辨 黔趣噪声) 的失宾版零。另强，摺描过程黪不均匀则会 超耀像驰l 均匀几姆变 形。为了蠖翰援蓐魏图像与原莲豫爆爨接近，盛对扫按慈熬熙像嚣经羹三处理( 零 文使用的校燕方法鬼2 2 ) 。 2 。 。3 盘擞分析 获凄馕失冀和儿辩麟变在空域葶鞋变换域鲍厦姨是缘索获度值鞠频域系数魄褒 忧。本文趱均方误蓑、就爨归忧误差及姻讫误差等3 个搬标( 公式2 1 2 ，3 ) 来分析打印+ 扫描过程对像索和频域系数的影响程度，裘2 1 列出的魁对4 幅鹰l 像 的计算结果。 对蕊豫 擘蒜散簿立时变换( 0 f 1 u ) 和离敷求弦变换( 0 c t ) 所褥照躺鞭域系数， 能全面反映图像的频谱分布特镊。出于高、低频分量的频域系数麓别较大，且打 印。扫描对蕊、低频率影响不同，本文分掰计算低、中、黼频的误麓缝巢。根撂战 ( 2 。3 ) 计辞静归一位误差的结果楚与原图像间样大小的缒阵，表中列出的是它勰 均值m ，及穷差口。为了蹙直观地反映系数变化的程度，袭中还给出了均值m 这一 琐，它袭示像索值或灏域系数的平均德。 袭2 i 定鬃计舞维巢 澄2 。 a b 曲o o n 臻计算结粟 指拣翅方畿跫据一仡均篷m 趋一纯璇簸 谣麓均方误差 筠毽方差嚷 像素灰度僦 8 2 4 。0 3 7 10 0 5 5 41 3 1 9 5 1 80 1 6 7 00 2 3 6 2 d n 低灏 7 3 7 2 l e + 0 0 6o 0 1 3 51 8 4 9 8 e 埔斟0 1 9 40 9 5 9 5 蕊数 中频l ，4 4 蛇删0 7 0 娌2 33 ，4 6 2 1 e + 8 0 3o ，7 9 4 1i 9 3 9 5 黼颇 1 2 5 3 6 e 十0 0 604 2 1 92 0 1 3 2 e 吣0 3o 4 1 3 22 1 1 3 1 d c t 低频 s ? 6 。蝴so 。0 3 8 l3 2 0 9 lo 3 6 7 647 7 4 s 蕊数 中紫 8 2 4 ，0 3 7 lo 0 5 5 41 5 ，4 sl 6 7 8 62 毒3 8 9 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壤船入承窜，黼t 域采印麓强度藏丈予d f t 域静求印强壤+ 贯外，势辑表2 1r 挚夔鼗撂，发现像素荻度攮与泌t 孛频系数攘坶县毒蝴躺 的均方误惹与能量归一化均方误麓。本文暂时无法解释这种现象的起因。 2 1 小缩：拱印l 搐过程薅篓镰造戏靛整体感躐失冀露总缭为菝凄美冀鞘 咒旃琏变嚣弛类型。像素燕窝额域系数的失囊疆是灰度与凡侮畸变失粪的反睃。 袭2 所示的阁像像索值缄频域系数随机变化现魏，加大了正确提取水印的难度。 菇了蠖李薹籀鬟戆鹭像数撼与暴鲶嚣像数握嚣整棱涯，或对拯糖图像进行获疫失囊 疑几坷畸变搜歪。爨外，低频成分受影嚷较小孵现象，为我们在印刷晶鲍低频成 分中加八水印提供了实验依据， 说明：据霹扫攒是个复杂躲避程，虽帮蠢一定的随极性。本文对4 喀意。 懿频率分基不蠲的图缘分别重复打印扫描1 0 次避行实验。幽此得出豹数据未必能 准确反映打印瘴j 描的垒酃统计规律，但确实反跌了一定的观律性。 2 2 对滔稻图像数攒瀚校藏 2 1 的图像扫描实验结果嶷明：打印期描套引起几何畸变，遗种失真不能通 过楚单静届键变换热班校歪。为楚搦接着黪瘸缘与蒙爨尽爨接近，本文采用双线 髅空间变换鲤方法对搦攒蓐的图像进褥校正州。 用g ( x ，) 表示输出图像，( x ，y ) 表示输入圈像，溉线性空问变换韵般袭达 式是 菇9 莨 圈膀辩学技术炎掌珊籁垒魏学位论文 g 仇力= f 和，y ) 盘( 黜+ 劬十j + d ，麟十彦十君掣+ ( 2 4 ) 双线性变换由d 到 八个系数定义e 根据输入四边形的四个顶点成映射成输出 朗逸形的翻个顶点这约藤，可豁褥割两组台商酾个来知数的四个线性方程，从 这些方程解出a 个系数，得到用来摇逑二次线性密阃变换的薄法，用此算弦即可 确定所有落入矩形框内的输出点。因此，可 l 根据待输入图像与输出图像四个顶 患的对藏荧系对失真翻像进行较最。为了方橙瓣个顶患的选鞭，本文农打印之静 在鬻像矫掰翔一矩形撵，穰据矩澎橇的位置，确宠输入胬豫蕊个预蕊的佼重。 2 3 抗打印- 掴接水印算法余缨 根瓣零印霸载方法的不霹，可以分为燮问域水印稠变换域承印谶丈类。抗打 印期描水印算法基本都是在变换域实现的。变换域水印又可分为d c t 域水印冀 法、d f t 域求印算法辅其稳变抉躐算法等三类。本小节介绍几种常硒的永印算法， 井禳据2 韵实验缩襞，分新交挠域算法的稳健牲。 2 3 ，1 粥散余弦变换域水印葬法 由e o x 秘爷入掇趣静扩频道绩永印算法燕寝淡t 域蜜骥靛较经典鹣数字呔球 冀法。该方法不是针辩印刷品淤伪箍提出的，俺对打旃3 一翻箍过程在菜种程度土奢 一定的稳健性。翟雨采孤杰、刘瑞顿翻等入对这种方法进行改进，并采粥c 斑l a b 鬯彩空闷，箍糖了一静羽予郢刷品醛锈的数譬本翱算法。支# 静帮、陆嚣甥捌等聚羽 了一静静对照片麴、媛避酶d c 羊象鼗星耗靛公寄承印算法。上述方法瓣菸司特蠢 跫，懿每个变换蒜数代激二逑翻水印豹一经，分剐修改多个d c t 交换系数，在 蹦像幅篷港中嵌入二避剿鬟到( 水印) 。健姻攀拿系数燮化蝎然蛙较大( 且变化 矮囊莛茯较大) ，逮静设分修教攀个系数的方法报蕊萎确赡溅爨水印熬存在。 粱牮痰簿久巢鲻静剡是较竞潜麴一秘方寰，该方蹇憋承印翘入戮迸 牟持肖八 的照片中，邋j 霆对数字照肚边界的砘a d o n 燮按浓校正打印- 招描过稷s 入盼几何 必真。毒以上3 转方法不同，苓葛是改变荤个豫交值，群是袋忍鸯迓废骢d e 譬鬟 数缡韶调整法，其蠢簧好熟稳髅性。 2 3 ，2 离散傅立叶变换域水印弊拣 与d e t 域算法摺地，挑入水印蛉方法是类似的，强雨芟修改的楚n f t 蓉数。 缚氏变换麴旋转不变燃增强了谈变换域东e 器抗打鞠扫掇晌稳健性。 较单程d f t 域嵌入水印的算法魁由v a s 8 i l i o ss 0 1 a c h i d i s l l 0 ：| 等提出的。国内戴跃 伟等绘出了一转用子诋律防伪的鞠豫水e 口算法n ”。该方法搬水印加入到幅值谱篥 半径的濑上，与d 嬲蛾算法臻戳，永印斡擞a 采用她是改变单个鬟数的线性方 法。该方法对几何攻击，如平移、裁剪和旋转等有较好的稳健性。 蓥i o 舞 国防科学技术大学研究生院学位论文 与2 _ 3 】中的理出类似，打印掴描过疆会引起d f t 频域系数的改变，单纯 地改变单个系数不会得到理想的结果。本文对文献【1 1 】的方法加隧改进，在第三章 撼如一种“改变连续系数”的算法。 2 3 3 其袍变换域图像承印算法德夯 a m 幽o n y t s 壬0 等提磁一种基于晗达玛变换( h t ) 的改变单个系数极性( 正负) 的水印方法1 1 。哈达玛变换是一种正交变换。咯逖玛变按用乎数字水印，具有实 时性及容易用硬件实现等试点。但通过比较发现，运用耀同的修改方法嵌入水印， h t 匏d c 蕈和d f t 懿稳键健都羞。通过比较打印毒j 籀前、盛图像的h t 系数，本 文发现：扫描所得图像的h t 系数的正、负与原始图像相比，改变在5 0 左右，即 商一半左右盼系数改变了极性。 强g + 孙re e n 锌擒疆一静在小渡交换域实现豹承并j 算法l ”l ，该方法不是针 对印刷品防伪掇出的，但可以抵抗打印- 扫描攻击。这种方法同样是修改单个频域 系数。 2 。3 小结；毙较戳圭三类葵法霹阻发璐：窀捉黪装嗣特点是整馥精个橡索 值或单个频域系数值。但打印扫描实验结果恩示，扫描厢图像的频域系数变化较 大，量变纯偶然牲也较大，如采筏修改举个系数值，正确摄取采窜霄一悫漪困难。 弱豁，实验缝袋还表鹾，打印一扫接避摆会；l 起强豫的尼秘隧变失真，磐蠡这静失 真难以通过旋转、缩放等简单的仿射变换加以校正。 旁了竟凝“骖改攀个像素篷城攀令菝蠛系数馕”静弼耀性，奉文在第三章设 计一秘基于多 块d f t 瓣印刷巨像农馥技术，链辩打印一扫罐囊系数变让大躲避题， 该方法不褥修改单个系数，而是对幅值谱某一半径处的所有系数同时进行处理。 针瓣几侮噬变失真的甓撼，果罴2 。2 喀| 鳇校歪方法。该穷法骞鼓掇拭攒印扫攒 攻击。在第踺漆中，将该方法修改连续系数的思想扩展捌分数傅立时变换域，间 样取得了较好的效果。 第l l 页 国辫科学技术大学薹巧究生貌学位论文 第三牵一静基于分块离散傅立时变换的印刷图像永印算法 为了撼瘫嵌入印刷隳像蛉隶瑚豹拣订馨。孝曩描性能，本牵提出一耱蒺予势块离 散薅立叶交换麴求学罄陡( 戳下麓称分块傅立辩变换算法) 。该方法壤攒耳的 特性，对分莰禧立时变换矮选定豹忍块密冬耀髓潜紫一事径缝躺所有系数两对进行 处蠼，具意避好的稳健性。 3 。l 离散傅立时交换及其在帮劂圈像防钨中浆寂用 3 。1 。 离靛簿立 燮按瓣定义 设藏始阁像表示为强鸭哟，0 9 m 掰一l ，o s 一l 。剃离散傅燕辞交换定 其中，声= 毽l ，2 ，耐一i ，p = o ， ，2 ，一i a f 弘，v ) 为囊获精鹣频谱。 幅氆谱霹表示为： 4 ( ，v ) ；l f ( 一，v = 0 翼i i ：j 弓j j 丽 相位谱袭示为： 踟。一 翥矧 图3 。l 怒公式 袭示7 冀印，群袭示水印强度，承印嵌入算法封表示为： 嘉岛，f = 磊毒( ，国+ 群懿0 l ，乃，王4 ) 其中， ( 鲳扩) = 警篙繁“1 艘如1 严夕勰2 为根据耱子产生静随机二避髑水印诺号。 谈方法楚典型的修酸苹个繁毅彀丸水茚酩黧法。鬻3 媳两角该方法潮入水印 艏衡像韵律立种幅德谱。 囝3 酶髂敬届t 神撼黪鼹辐氆谮翟3 鹩敬迸缡鞫檬躺樽立时幅毽谱 黼3 。4 辩现宥算法躺馥避 3 2 。2 分块博巍拜黛换求辞算法瓣提出 我们对文献 1 l 】报道靛方法于鐾了多次验蘧，结果均不理想。菱鲻2 1 鞭述t 修改单个拳数的方法缀难正确捻溅爨农露。 本文佟喾对该方法潜雩亍茂遴，军霉势翻修教零个燕教，褥是斟嚣誊修改菜一半 经处的艇鸯暴数( 嶷体步骤见3 3 ) 。处理结果是在螭谯港上出现一圆环( 如图 3 酶) ，该鼹环嚣为整般敕水印。猃测时，捡测噬繇靛蠢谯嫩检测尊令磊数的政变 饕容易缛多。 由于修改后的幅德谱与原来相比发生了明显的变化，密翁引起攻击糟的注意， 国防科学技术人学研究生院学位论文 本文采取先对豳像分缺，选择其中的凡块嵌入7 k 印。由于幅德谱携带姚傣息少， 只鬻合理控制水印强泼，就不会引起逆变换筲图像的视觉变化。 3 3 分浃薄盘砰交换水印冀法的实魏 3 3 1 水印嵌入过程 隶印鲍嵌入露分为醴下几个步骧： 强将藤始图像，( 像豢) 分为魁魁像素魄，j 、块，分s 递褥转f t 。选 取其中的块提取幅值谱，并将低频成分移到幅值谱的中心。其中 o 。f 墨。墨 。 l 拟麒 蹬35 a 原始图像凰3 。s b 分块躞固3 。5 e 选取其中鲍聿块进行处理 强3 5 e 麴密萄豫磊3 5 d 处趣后分壤傅立时变换幅值瀚 爨3 ，5 重像期密处理( 嵌入拳羁】) 瀛稷 ( 2 1 以幅值谱的中心为圆心，对某一半径r 处的所有幅度值同时进行增强处理， 蠖獒吴有楣潮蚋毽a 。即 ( ，n 茹群( 3 ，5 ) 其中，“一m ，拶+ ( ，一m 2 ) 2 = 矗2 ，一( f ，j ) 为图像d f t 厢的幅慎谱，q 则代 裘麴入懿承翻熬强度。4 戆丈枣鞋处遴磊驰鹭僚不会； 莛弱髓瓣撬觉蕴畿燕骧，襄 豹大小则决定了妇入的承印是在低频、中频逐是蕊频区域。 这一步的处理结果是在选定的几块的幅德谱上出现一个以中心为嘲心、半径 为r 蝗匿，该瓣靼为要魏入的拳印。 麓1 5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 ( 3 ) 对处理过戆壤疆诺帮蒙来的相位谱缀合，撬行遂变挨，褥至l 细水窜( 鞠麴 密) 的图像。 图3 5 所示为l e n n a 图像嵌入水印的流程示意图。原始图像( 图3 5 a ) 大小为 2 5 6 x 2 5 6 像素，国稼平分藏1 6 块( 蠡图3 1 5 b ) ，每装大小为甜x 6 4 ，选取其孛豹 4 块进行处理。水印强度q 经多次试验，选定= 1 8 0 0 ，r = 2 5 。如图3 5 d 所示， 在处理后分块傅立叶变换幅值图中，可以明盥地看到4 个亮圆。做逆变换后所得 酬静掘密翻像如图3 ，s e 所示。打印在纸上，凑# i 季不出该热密墅像 图3 5 e ) 与 原图像有麓异。 3 3 2 水印提取过程 检测水印有薅静方法：一耱楚根据透镜的博立叶变换性质，用光学仪器进行 检测。舅一种方法是将图像扫攒捌计算机避j 孑检测。用计算机检测叉可分为两种 方法，一种是分块进行d f t ，直接观察幅值谱，称为直接检测。另一种是对幅值 谱处理后群捡测，本文称为闻接梭测。由于毙学仪器检测时不便于拣弗l 参数的选 取，本文主要使用计算机对魏承印图像进章亍捡测。 3 3 2 1 直接检测 ( 1 ) 扫接待检测黪印刷匿像，簿数字匿像文 牛；，校正匿像款失囊，劳使数字 图像j 与原始图像大小相同( 像素) 。 ( 2 ) 将，1 分为肘m 个小块，对每一块均避行d f t 变换，则加水印的图像幅 售谱会出蠛嚷曼的国环。匿3 6 j 舞示为图3 。5 e 髑h p p s c l 2 l s 一体极打印一扫描最静 检铡结栗，能够检测到四个圆环( 4 个永印标记) 。 黼3 6 直接检测结果 3 3 2 2 河接检测 图36 中虽然能看到水印的存在，但有时不明显，为提高检测效果，我们提出 一种间接、但更直观的检测方法。对幅值谱处理步骤如下； f 1 ) 楚理方法与3 3 | 2 i 鸯攘检测方法糖两：扫撵褥捡铡酌印剩盈豫，褥数 字图像文件，1 ( 像素) ，并校正图像的失真。 第 6 茭 毽盼醛掌技术丈学掰窕生艇学位论文 f 2 ) 将f 分为掰耐钓小块，对每一块均避行d f t 巍抉，将低频成分移到中 心，提取幅值i 簪进行处理。 f 3 ) 戳懈馥谱豹中心为强心，戳r 为半径，糍该半径她的所有值确热求平均。 ， ， ，、 德l 兰兰 行、m 总列的矩蹲妒。r 取鳆l ，2 ，3 ，f m 回。静数代表了j ：i 埘剐， 分黟像豹块数，元素僮则必半经辩处蓐军有蝠艘馑熬平均氆。 4 ) 求酽抟遥 矬导数t 【”l ，魇鳟在离痰群位爨横瓣应躬经黉会密戮骥撼韵漳擅， 鲞蜂蓬黪个数帮整置冬事蓊翔入韵拳印静个数鞠链置一鼗对，即认为该潮橡串& 加水印。绘制扩2 三缝强暴露，霹耀裘检测结果。 图3 。7 为对圈3 ，5 e 溢行捡溅熬缝祭。戮孛霹娃看到4 个镶显懿辉缓。耍争巍 程嫩标舅帮y 代表捌蝴蒺毽矩辫鹃备个元豢肇标，纵坐辕z 表示对寝瓣元素值( 下 网) 。图3 - 8 所示为用h p 粥c1 2 1 8 一 奉机打印，扫描所褥图像的捡泓结果。与蹦 3 ，8 爨示鹣静印裁款捡测续果摺毙，虽然有嗓声懿澎豌，键仍然毙清楚蟪嚣到麴个 躞鼹魏蟪燕。蜂魄经鹫与期求印魄挺鬣一一对斑。虫予趣东印对弱r 稳等，强个 峰值位于梯度矩阵的网一判上。与图3 ，6 中的捻测结果相比，效果要囊观得多。 图3 + 7 打甜前翻像辩稳浏雏巢 鼹3 ，8 拄萍麟扫描图像的捡涮结蒙 对不矧隧镰多谈实验的绪祭蓐图3 浩虽稍宥整异，慑蚜莪正确检测出承印的眷 在。表明率章提出的分块离散傅立叶炎换永印嵌入方法可用于印刷图像的防伪a 3 3 。3 鸯承印相关参数静取值馘辩 本章掇穗的基予分块离散傅立时爱抉的永印算法冬黻露算法最大不同点谯 予：已有方法雾是对单个系数迸哥亍处理( 或馥变系数的相对德) ，而本牵提出的 分圭是簿立时交接算法剿辩大撬系数( 耩德谱半径r 上躺溪程缓) 进行穗两髂鲢壤。 辩 7 曩 露黪辩学技拳犬学研究生陵学位论文 报翳显，在打霭j - 扫描登然引起醋豫失冀韵情搅下，新方法蕻肖更好的稳健性。 新方法涉及到的参数宥：新分阁侮浃的大小村硝，加水印的块数m ，确定水 窜经置时熟半经r 及承鞠强度a ，下褥一一讨论这整参数的敬谧藩燕霉。 图像绥鹩大小掰x 膨：餮豫块掰辍越大，0 i 越的税觉液交越不明髭，覆可分 滋的图像块数彀越少。通过多次实验教蕊，当鞠澈浃大小为6 4 6 4 时，不会 | 越 明鼹款栽觉敬燮。 魏承印瓣缺数m ：m 越太，稔溅络采越虿嚣，挺奁总潮像疑鼗一宠豹清嚣下， 选撵范晷也越小。 半径r r 越小，水印位置越靠近低频区域，r 越大，越纛近蹇频区域。报撂 2 。l 中黪分援抒印拯籀过程对 鬟壤影嫡毁小，承翻嵌入戮低频部分较台逡。毽翳 灏瓣大嚣分裁= 鼗集中在僚攘部分，鼹本文采矮鹣方法楚穆敬大羝豢数， 氛频豹殴 动容易引起视爨变化，因此选择在中频部分加入水印。 承印强度a ：d 韵丈小决定了农印豹强度。a 越大，水印越明链，潮时强豫 u 视擞改变也越明显。逡铎羼l 则是在誉隧；明显浆襁擞改变的蝰援下墩毁犬馕。 在分块傅立叶变换算法中，所分图像块的大小、加水印的图像块数和位置、 水印如入镶鬣r 都将律为嵌入和检测时的密铜，在其中任一密镅不霹翔的情况下， 伪造的图像承印均能梭测出来。 3 。4 实验缝聚及稳髓慷势橱 先了检黢分块搏蠹哮变换算法媳稳艇瞧，爝 辨p s 。1 2 1 8 俸掘瓣麟弊法邈野 襄验验 正。实验中选用的图像为凰2 1 bl e m a 图像、图3 9 锺所示风疑图、图3 + 9 b 骑示青蛙及阁3 - 9 e 所示辑熙，在器参数取馕不燃的情况下，瓣每蠛图蘸熊操终2 s 次。表3 1 为实验结果。为了模拟交际捷翅中霹戆g l 入靛海摄，对热密嚣媳图蠓进 行加噪处理，再重复上酾的实验，缡嫩同样列于裘3 1 中。 蹦3 9 a 圈39 b黼3 9 c 辫3 9 稳键性测试融德 第1 8 页 嘲防科学技术大学研炎生院学位论文 凿像 实验次数打印前正确检掴描图像正确检加噤后正确检 测次数测次数测次数 l e n n a2 52 52 52 5 撼最 2 52 52 52 5 青蛙 2 52 52 52 5 树 2 s2 52 42 4 表3 1 辱；第一翻为在备参数不黼越情况下文骏次数，第二列为嚣球丧l 箍蓊芷 确检验的次数，即图像处理过程没有离开计簿机，第三列为用h p p s c1 2 1 8 一体机 打印再扫擒精正确检测静次数，第圆列为图像艇有“盐擞”噪声君磊打印一扫插正 确检测静次数。 从表3 1 可以看出，对于中高频成分较多的前三幅图像，加噪前后都能完全苴e 确检测出水窜麓存在， i i i 对于诋颓黢分较多的树蕊，在实验次数为2 5 的情况下， 聂璃检测麴敬数为微。突箕摄嚣，疫是在鬣凝壤分较多瓣豳像中女承露瓣，东印 强度a 的取值不能太大，从而导致检测结果不如中高频成分较多图像好。虽然如 毙，该方法的稳毽经还楚撮努静。 3 5 本章小结 本章提穗一种萋于分浃离敖傅立时变换的抗打印一季l 描阐像水印算法，与已有 瓣其它算法撩毙，蚕是掺改单骧熬频域系数，嚣是对分块德立辞交换攥整诿蘩 半径处的所有系数同时进彳亍处理，增强了水印抗打印- 扫描的稳健性。为了模拟实 鼯使爱辩印涮窝像胃筢$ i 起懿泻臻，j c 于扫描嚣静图像邃杼加臻测试，潮襻取褥了 较好蛇效聚。 由于分块傅立叶变换算法魁在对原图像分块的基础上实现的，该方法抗剪切 激采不是摄盎孑。 本章提出瓣分块博立砖变换箕法中，分块方法是将骚媲凰缘j ( n 像索) 平分为m m 像素的小块，为了增强抗攻击性，可采用隧机巍原图像中选择时m 像素块。随撰选择像素莰方法的稳健牲毒镑述一步验谖。努强，孝章提爨懿算法 程原图像中船豹水印是茏意义的标识，为了在燃稼中隐藏蠢意义魏傣息，可采鲻 把水印圆环分段，以不同的段来表示不同的信息位。 嚣1 9 囊 嘲防科学投术大学研究生院学位论文 第四牵基于分数傅壹卧变换麴靼剔图像水印技术 与其它饿交变换相比，分数傅立叶变换的阶数可作为新的密钥，增热了防伪 的可靠性。分数傅立时变换域实现的数字水印冀法虽有报道 1 “，但均不是针对印 涮晶提出髓，也没有分耩虢打球一捐描浆稳毽往。率章剥蠲分数傅立时燮换的祷瞧， 将第三章中的思想扩展到分数傅立时域，提出一种基于分数傅立叶变换的印刷图 像承印算法。h pp s c1 2 i 8 一体帆打印n 扫描缩聚表明，该方法不但髓抵抗一般的打 球+ 李霉播玫蠢，耋扫攒霭豫被剪韬l 罐戒翻入凝声辩同榉能够捡蕊l 永窜麓存在。 浚方法完全可用于印刷图像防伪。 4 1 分数傅焱时交换及其实瑷 4 。 分数傅立叶变换的定义与性质 扶线谴积分的角爱给幽的分数阶f o 曲e r 交换姻定义如下f 1 ； 厶( “) = l 巧( 地“) ，( “) 出( 4 1 ) 其中，0 ) 为艨函数，五( w ) 为， ) 的分数傅立叶谱，p 为变换阶激，可为 任意实数。巧( 1 ) = 以e x p 弦( 矿c 。t 口2 m c a + c o t 口) f ，称为分数傅立j 咔 变换的棱函数，友：尊= j 磊函，g = 要，p # 2 ”，”是熬鼗。根据定义可冤，彳( 钎) 4 就是，( ”) 的普通傅立时变换，也就楚说，常规傅立时变换魑分数傅立叶变换骱数 为l 时的特勰壤况。 对于二缆图像信号，可先将二维僖息转化为一维倍号，然后再做变换。当然， 也可直接做二= 维变换。 分数除傅立叶变换的一个十分羹臻鲍性质燕阶数可加性，用下式袭示为 f “ f n 【，司z f “ f “ ，强= f “+ “ ，】( 4 + 因此，p 。阶分数傅立叶变换豹一n 阶变换就悬原函数。 4 1 。2 分羧建立盼变换黪实现 分数博立叶变换的数值计算蠢抉速傅立叶燮抉等多霉串方法，本文使用静是莲 于实现分数傅立叶交换的基本光学单元的数值算法1 “。它蒯用分数傅藏叶变换描 述光波在光学系统中的姥镶过程，邋避嚣次蘸灌尔变换靼次凸遴镜蝴健调制律 媵，实现任濑阶数分数博立时变换。与酱遴傅立叶变换类儆，分数傅立时谱间群 珂分为幅值谱和相位谱，且与幅值谱相比，相位谱同样携带了更多的原蠲像信息。 如果采用修改蟠僵谨的方式在图像中加入水印，则不易b l 起原匿像视觉变他。与 辫防辩学技零大学研究生靛学位论文 第三章中魏方法类舷，本章提出的方法同样怒遇进修改幅锺谱实蕊的。 燃4 1 a 维憾蠛谱睡4 ，l b = 攮蝠擅谨 辫4 f 熙3 + 1 8 鳇维和= 缝分数搏立叶鹾德谱 4 匿4 1 a 中，横坐标表示像素序母，纵搬标袭录频避暴数馥( 下鼹) 另外，本文使用的分数傅立叶变换的实现算法，既w 以先把闰像转化为一缎 储号，然嚣儆变换，瞧爵潋对_ ：= 缭胬像宣援变换。通过多浚实验发域，与修茂= 维傅立” 稍值谱相比，撩敬一维稍谴谱不容器# l 起图像改变，困戤，零章提出鳓 算法通过修改一维傅立叶幅值谱辩乏实现。圈4 1 所示分别为圈3 1 a 的一维和二维 分数簿立时瞬菹谱。 4 0 薅糖算法熬安凝 与拥位谱稻眈，分数簿立叶变换的幅馕谶携带了较少魏信息，修波幅值谶不 容易引起黼像的视觉燮纯，本文掇躜的算法帮是遇过修媛幅值谱实璐的。先将_ ：= 维的图像信息转化为一维的信母，然后进行分数傅立叶变换，提取幅值谱进行处