（通信与信息系统专业论文）图像隐藏与数字水印算法研究.pdf

两北工业太学硕士学位论文 摘要 摘要 信息隐藏技术是一门多学科交叉的新兴学科，它涉及到了信息论、数字信 号处理、密码学和数字通信。目前信息隐藏技术在图像、视频、文本的隐蔽通信、 复合传输、版权保护等方面已经有了较多的使用。数字水印技术是信息隐藏领域 的个新的研究热点，是一种全新的保护多媒体信息安全的技术，它是通过把特 定的秘密信息以不可感知的形式嵌入到图像、文本、语音、视频等各种数字媒体 中来确认版权所有者，以达到版权保护的目的。一个有效的水印系统必须具备较 强的鲁棒性、安全性和透明性。 本文首先介绍了图像处理的基本方法，然后从信息隐藏和数字水印的概念出 发，详细介绍了水印的产生、嵌入、提取和攻击的方法。同时分析了人类知觉系 统的特性及其对数字永印设计的影响，并综合阐述了各种嵌入域的图像水印算法 及其性能特点。最后针对现在流行的小波理论，提出了一种基于k e n t 映射置 乱小波域盲水印算法，实验表明该算法具有良好的视觉掩蔽特性，对滤波、加噪 声、压缩等图像处理有较好的鲁棒性。 【关键词】信息隐藏数字水印k e n t 整数小波变换人类知觉模型 堕! ! 三些叁兰堡主兰些堡苎 垒! 兰型 a b s t r a c t i n f o r m a t i o nh i d i n gt e c h n o l o g yi sar i s i n gs u b j e c ti n v o l v e dw i t hi n f o r m a t i o n t h e o r y ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，c r y p t o g r a p h y , d i g i t a l c o m m u n i c a t i o n n o w a d a y si n f o r m a t i o nh i d i n gt e c h n o l o g yi sw i d e l yu s e di nm a n yf i e l d s s u c ha s c r y p t i cc o m m u n i c a t i o n ，c o m p l e xt r a n s m i s s i o n ，c o p y r i g h tp r o t e c t i n go fi m a g e v i d e oa n dt e 埘d i g i t a lw a t e r m a r kt e c h n i q u ei so n eo ft h em o s tp o p u l a r r e s e a r c ht o p i c si nt h ef i e l do fi n f o r m a t i o nh i d i n g i t san e wt e c h n i q u ef o r p r o t e c t i n gt h es e c l l r i t y o fm u l t i m e d i ai n f o r m a t i o n ，w h i c he m b e d ss e c r e t m e s s a g e si m p e r c e p t i b l yi n t od i g i t a lm e d i as u c ha si m a g e s ，t e x t ，v i d e oa n d a u d i ot oi d e n t i f yt h ec o p y r i g h to w n e r , s oa st op r o t e c tc o p y r i g h t au t i l i z a b l e d i g i t a lw a t e r m a r ks y s t e ms h o u l do w ng o o dr o b u s t n e s s s e c u r i t y , t r a n s p a r e n c y l nt h i sp a p e r , t h ef u n d a m e n t a lm e t h o d sf o ri m a g ep r o c e s s i n ga r e ；n t r o d u c e da t f i r s t a n dt h e nt h ea l g o r i t h m sa b o u tw a t e r m a r kg e n e r a t i n g ，w a t e r m a n e m b e d d i n g w a t e r m a r k a b s t r a c t i n g a n dw a t e r m a r k a t t a c k i n g a r e r e c o m m e n d e df o i l o w i n gt h ec o n c e p t so fi n f o r m a t i o nh i d i n ga n dw a t e r m a r k t h e r ei sad i s c u s s i o na b o u th u m a nv i s u a is y s t e m ( h v s ) a n dt h ei n f l u e n c eo f h v so nd e v e l o p i n gd i g i t a lw a t e r m a r k ；m e a n w h i l ew ea n a l y z es o m ed i f f e r e n t a l g o r i t h mo fd i g 晒1w a t e r m a r ka n dt h e i rp e r f o r m a n c e f i n a l l yc o n s i d e r i n gt h e p o p u l a rw a v e l e tt h e o r y , aw a t e r m a r ka l g o r i t h mb a s e do nk e n tm a p p i n ga n d i n t e g e rw a v e l e tt r a n s f o r mi sp r e s e n t e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h e a l g o r i t h mr e s u l t si n ag o o dh v s a n dc a ne f f e c t i v e l yw i t h s t a n ds o m ei m a g e p r o c e s s i n gs u c ha sf t e r i n g a d d i n gn o i s ea n dt m a g ec o m p r e s s = o n k e yw o r d s i n f o r m a t i o nh i d i n g d i g i t a lw a t e r m a r k k e n t i n t e g e rw a v e l e tt r a n s f o r m h u m a nv i s u a ls y s t e m ( h v s ) i i 西北t 业人学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 2 0 世纪9 0 年代以来，网络信息技术在全世界范围内得到了迅猛发展，它极 大地方便了人们之间的通信和交流。借助于计算机，人们可以方便、快速地将数 字信息( 数字音乐、图像、影视等方面的作品) 传到世界各地，而这种复制和传送 几乎可以无损进行。但是，随之而来的副作用是，通过网络传输数据文件或作品， 使得有恶意的个人或团体有可能在没有得到作品所有者的许可下拷贝和传输有 版权的内容，例如：多媒体作品的版权侵犯、软件和文件的非法拷贝、电子商务 中的非法盗用和篡改、网络中信息的非法截取和查看、设置及黑客攻击等等。因 此如何在网络环境中实旖有效的版权保护( c o p y r i g h tp r o t e c t i o n ) 和信息安全 ( i n f o r m a t i o ns e c u r i t y ) 手段成为一个迫在眉睫的现实问题。许多年来，各国政府 和信息产业部门都重视网络信息安全的研究和应用。已有的安全体制主要是建立 在密码技术之上的。密码技术可分为私钥和公钥两种加密体制。后者利用了“计 算安全性”原理，一旦计算机的性能大幅度提高，则会对其构成威胁。而且加密 技术将明文加密成一堆乱码，容易激发拦截者破解机密文件的动机及欲望。 近年来国际信息技术研究领域出现了一个新的研究方向一一信息隐藏 ( i n f o r m a t i o nh i d i n g ) 技术的研究。信息隐藏技术是研究如何将某一信息隐藏于 另一公开的信息中，然后通过公开信息的传输来传递隐藏的信息。由于含有隐藏 信息的媒体发布是公开的，而可能的检测者难以从公开信息中判断隐藏信息是否 存在，更加难以截获隐藏信息，从而保证信息的安全目的。 信息臆藏技术不同于传统的密码学技术。密码技术主要是如何将机密信息 进行特殊的编码，以形成不可识别的密码形式( 密文) 进行传递：而信息隐藏技 术则主要研究如何将某一机密信息秘密隐藏于另一公开信息中，然后通过公开信 息的传输来传递机密信息。对加密通信而言，可能的监测者或非法拦截者可通过 截取密文，对其进行破译，或将密文破坏后再发送，而影响机密信息的安全；但 对信息隐藏而言可能的监测者或非法拦截者难以从公开信息中判断机密信息是 否存在，难以截获机密信息，从而保证机密信息的安全。 数字水印是一种有效的数字产品版权保护和数据安全维护技术，是信息隐 藏技术研究的一个重要分支。它将特定意义的标记( 水印) ，利用数字嵌入的方 西北工业人学硕十学位论空 第一章绪论 法隐藏在数字图像、声音、视频等数字产品中，用以证明创作者对其作品的所有 权，并作为鉴定、起诉非法侵权的证据，同时通过对水印的检测和分析来保证数 字信息的完整可靠性，从而成为知识产权保护和数字多媒体防伪的有效手段。数 字水印除应具有信息隐藏技术的一般特点外，还有着其固有的特点和研究方法。 例如，从信息安全的保密角度而言，如果隐藏信息被破坏掉，系统可认为是安全 的，因为秘密信息并没泄露：但是，数字水印系统中，隐藏信息的丢失意味着版 权信息的丢失，从而失去版权保护的功能，这一系统就是失败的。因为数字水印 技术必须具有较强的稳健性、安全性、透明性。 1 2 理论与实际意义 信息隐藏虽然刚刚兴起，但它的潜在应用范围还是很广的，主要有版权保 护、保密通信、数据使用监控等等。 一、 在版权保护方面的意义 随着数字媒体( 数字图象、数字视频、数字音频等) 的广泛应用，版权保护 成为一个迫切需要解决的问题，即如何防止数字媒体被侵权、盗版和随意篡改。 尽管可以用密码技术，包括密钥加密系统( 如r s a 系统) 来识别伪造和篡改的程 度，但也不能完全解决这一问题。因为密码仅能在数据从发送者到接受者之间 的数据传递过程中进行保密，一旦被接收并解密以后，所有加密的文档就会与普 通文档一样，将不荐受到保护，也就无法幸免被盗版。因此一种与数据伪装技术 相结合的新型信息隐藏技术数字水印技术成为版权保护的有效方法。 数字水印与钞票水印相类似，但它是一种将特制的不可见的标记隐藏在数 字产品之中的技术，用以证明原创作者对作品的所有权二并作为起诉非法侵权者 的证据，从而保护了原作者的合法权益。 二、保密通信领域的应用 由于网络逐渐普及，使人们的一切活动都通过各种信息系统紧密联系起来。 信息的安全保密不仅与国家的政治、军事和外交有关，而且与团体、单位和个人 密切相关，大量有关个人的数据( 私人存款、医疗纪录、财产数据等) 都有可能会 通过网络上传输和处理。这些信息一旦上网，很可能被未授权者获取，并对原始 信息进行非法复制、散播或蓄意篡改，这些都很可能会导致严重的后果，因而近 年来无论官方或是民间，对信息的安全存取、保密传输等问题，都给予高度的重 视。传统的保密学着眼于限制资料的存取，而且为达到这一目的，在设计算法时 可以不顾及可能伴随的数据膨胀，特别对于图像信息，传统的保密学尚缺乏足够 的研究，这也许是图像惊人的数据量阻碍它研究的进展。然而近年来计算机处理 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 效率的提高无疑为图像信息的安全处理打开方便之门。把信息隐藏在一张图画 中，这不是新鲜事，古已有之，四千多年前人类创造的象形文字，那便是一种原 始的密写方式。将正常的图像资料加工成堆乱码，使人难以辨别，但一看起来 就会激发非法拦截者破坏机密资料的动机，这是传统方式。而现代，人们开始发 展了一种将加密资料隐藏或嵌入到另一非机密性的文件内容之中，使加入隐藏信 息的目标文件，看起来和其他非机密性的般资料无异，因而十分容易逃过非法 拦截者的破解，其道理如同生物学上的保护色，巧妙地将自己伪装于环境之中， 免于被天敌发现而遭受破坏。 三、其他可能的应用 信息隐藏技术提供了一种在给定宿主数字媒体之中嵌入重要控制、描述或参 考信息的机制，例如图像注释，即对图像加以说明。传统的说明是附加在图像内 容之外或头文件之中的，传输过程中需要附加的信道，并且容易遭受破坏。采用 数据嵌入技术，可以将注释信息隐藏于图像内容之中，减少了附加信道，还可以 防止因图像格式的变化而使注释内容免遭破坏；另一有趣的应用是通过数字水印 技术可以控制数字媒体存取级别，给数字媒体设定不同的存取级别，拥有高级别 存取权限的人将比拥有低级别存取权限的，能获得到更多的数据细节；也可以在 广播视频中嵌入额外的帧或多语种声道，使人们在观看视频的时候能按自己的需 要来选择合适的方式，例如特定的语种等。 1 3 发展现状 信息隐藏与数字水印具有潜在的应用市场，因此对它的研究具有重要的学术 和经济价值。从数字水印的提出到现在，短短的几年时间，其技术已经得到了快 速发展。不少著名大学和研究机构投入相当大的人力和财力，致力于该项技术的 研究，并取得了一定的成果，包括美国的麻省理工学院、p u r d u e 大学、瑞士洛桑 联邦工技院、7 美国的n e c 研究所、美国的i b m 研究所等一些公司已推出了一些 数字水印软件产品，如h i g h w a t e r f b i ，d i g i m a r cc o r p o r a t i o n 、f r a u n h o f e r s s y s c o p 等。各研究机构正努力设计出更高效安全、更通用、更强抗攻击能力的 数字水印产品。从1 9 9 3 年t i r k e l 发表了一篇名为”e l e c t r o n i cw a t e r m a r k 以后， 数字水印技术越来越受到人们的重视。国际学术界陆续发表了有关数字水印的文 章，且文章数量呈快速增长趋势，几个有影响的国际会议( 如i e e ei c i p , i e e e i c a s s p , a c mm u l t i m e d i a 等) 以及一些国际权威杂志( 如p r o c e e d i n g so fi e e e ， s i g n a lp r o c e e d i n g ，i e e e j o u r n a lo fs e l e c t e da r e a so nc o m m u n i c a t i o n ， c o m m u n i c a t i o n so f a c m 等) 相继出版了数字水印的专辑。过去的几年，国际上先 西北工业大学硕十学位论文第一章绪论 后召开了五次信息隐藏会议。除了大学和研究机构对水印研究，一些国际标准项 目也有计划发展实用的数字水印技术。如欧洲的t a l i s m a n 的目标是建立一个 在欧洲范围内对大规模的商业侵权和盗版行为提供一个版权保护机制。 t a l i s m a n 希望能够为视频产品以增加标识和水印的方法提供保护手段。 o c t a l l s 则是t a l i s m a n 和o k a p i 的后续项目，其主要的目的是将有条件的 访问机制和版权保护机制整合起来。国际标准组织也对数字水印技术深感兴趣。 即将发布的数字视频压缩标准m p e g 一4 ( i s o i e c1 4 4 9 6 ) ，提供了个框架一一允 许结合简单的加密方法。d v d 工业标准将利用水印技术提供复制控制和复制保 护机制，如“复制一次”或“不允许复制”等等。 1 4 本文的内容安排 本文全面阐述了信息隐藏与数字水印技术的基本概念、技术特点、种类、 应用范围、算法的一般模型及其性能评价指标。详细介绍了几种水印产生，水印 嵌入的典型算法，并在v i s u a lc h7 0 开发平台下实现了各种算法，在此基础 上对各种算法的性能特点进行了比较和评价。 第二章主要讨论了信息隐藏与数字水印的基本概念、分类、技术特点、水 印系统的一般模型、系统性能评价指标以及应用领域。 第三章讨论了数字图像处理的一般方法，包括空域图像处理和变换域图像 处理。变换域图像处理又分为d c t 域和小波域。图像处理是图像隐藏和数字图 像水印的技术基础，因此本章重点讨论了d c t 变换和小波变换的基本原来以及 他们在图像处理中的应用。在本章最后还讨论了与图像处理紧密相关的人眼视觉 特性( h v s ) 及其在图像处理中的应用。 第四章讨论了数字水印系统各个环节的一些关键技术和常用的水印系统攻 击方法与对策。典型的数字水印系统包括水印生成、水印嵌入、水印提取。本章 介绍了一些典型的算法，并通过c + + 实现了各种算法，在此基础上分析了各种算 法的性能特点。 第五章针对现在流行的小波理论，综合分析已有的算法，提出了一种基于 k e n t 映射置乱小波域盲水印算法。首先通过k e n t 映射对二值水印图像进行混 沌置乱，然后将置乱后的数据按照一定的规则嵌入到小波系数中。该算法隐含的 使用了人类视觉特性，实验表明具有良好的视觉掩蔽性，对滤波、加噪声、压缩 等图像处理有较好的鲁棒性。 最后对全文作了总结。 4 西北工业太学硕士学位论文第二章图像隐藏与数字水印的基本概念 第二章图像隐藏与数字水印的基本概念 2 1 信息隐藏的概念及其模型 信息隐藏( i n f o r m a t i o nh i d i n g ) 是与密码学、加密术有一定联系而又有很 大不同的- f 3 新兴学科。密码技术主要是研究如何将机密信息进行特殊的编码， 以形成不可识别的密码形式( 密文) 进行传递；而信息隐藏则主要研究如何将 某机密信息秘密隐藏于另一公开的信息中，然后通过公开信息的传输来传递 机密信息。对加密通信而言，可能的监测者或非法拦截者可通过截取密文，并 对其进行破译，或将密文进行破坏后再发送，从而影响机密信息的安全；但对 信息隐藏而言，可能的监测者或非法拦截者则难以从公开信息中判断机密信息 是否存在，难以截获机密信息，从而能保证机密信息的安全。现代信息隐藏技 术的研究，是建立在信息理论、统计理论、认识心理学和现代信息技术手段的 基础上。而现代电子加密技术和数字技术的发展，又为信息隐藏提供了更为先 进、高效的技术和手段。数字信息隐藏的最大特征，就是由公开信息作掩护， 第三方很难感觉到秘密信息的存在。信息隐藏学是一门新兴的交叉学科，在计 算机、通讯、保密学等领域有着广阔的应用前景。数字水印技术作为其在多媒 体领域的重要应用，已受到人们越来越多的重视。 信息隐藏的基本模型如图( 图2 1 ) 所示。待隐藏的信息也就是秘密信息 ( s e c r e tm e s s a g e ) ，它可以是版权信息或秘密数据，也可以是一个序列号；而 公开信息称为载体信息( c o v e rm e s s a g e ) ，如视频、音频片段。信息隐藏过程 一般由密钥( k e y ) 来控制，通过嵌入算法( e m b e d d i n ga l g o r i t h m ) 将秘密信息隐藏 于公开信息中，而隐蔽载体( 隐藏有秘密信息的公开信息) 则通过信道 ( c o m m u n i c a t i o nc h a n n e l ) 传递，然后检测器( d e t e c t o r ) 利用密钥从隐蔽载体 中恢复，检测出秘密信息。 厂磊 l 塑 图2 1 信息隐藏模型 蓄亩 r l 西北丁业大学硕士学位论文 第一二章图像隐藏与数字水印的基本概念 信息隐藏技术主要由下述两部分组成：( 1 ) 信息嵌入算法，它利用密钥来 实现秘密信息的隐藏。( 2 ) 隐蔽信息检n 提取算法( 检测器) ，它利用密钥从 隐蔽载体中检测，恢复出秘密信息。在密钥未知的前提下，第三者很难从隐秘载 体中得到或删除，甚至发现秘密信息。 2 2 信息隐藏特点 信息隐藏不同于传统的加密，因为其目的不在于限制正常的资料存取，而 在于保证隐藏数据不被侵犯和发现。另外，由于信息隐藏必须考虑隐藏的信息 在经历各种环境、操作之后，仍需具有免遭破坏的能力，因此，信息隐藏技术 必须考虑正常的信息操作所造成的威胁，使机密资料对正常的数据操作技术具 有免疫能力。这种免疫力的关键是要使隐藏信息部分不易被正常的数据操作如 通常的信号变换操作或数据压缩所破坏。 根据信息隐藏的目的和技术要求，该技术存在以下特性： ( 1 ) 鲁棒性( r o b u s t n e s s )指不因图像文件的某种改动而导致隐藏信息丢 失的能力。这里所谓“改动”包括传输过程中的信道噪音、滤波操作、重采样、 有损编码压缩、d a 或a d 转换等。 ( 2 ) 不可检测性( u n d e t e c t a b i l i t y )指隐蔽载体与原始载体具有一致的 特性。如具有一致的统计噪声分布等。使非法拦截者无法判断是否有隐蔽信息。 ( 3 ) 透明性( i n v i s i b i l i t y ) 利用人类视觉系统或人类听觉系统属性，经 过一系列隐藏处理，使目标数据没有明显的降质现象，丽隐藏的数据却无法人 为地看见或听见。 ( 4 ) 安全性( s e c u r i t y ) 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。 ( 5 ) 自恢复性由于经过一些操作或变换后，可能会使原图产生较大的破 坏，如果只从留下的片段数据，仍能恢复隐藏信号，而且恢复过程不需要宿主 信号，这就是所谓的自恢复性。 2 3 信息隐藏的分类 信息隐藏在多媒体领域主要分为两类：隐写术( s t e g a n o g r a p h y ) 和数字水 印( d i g i m lw a t e r m a r k ) 。隐写术又称信息伪装，它研究如何隐密的传输大量的 信息，很少考虑稳健性的问题。在可见性上，只要求载体对象与所隐藏的信息 不相似即可。隐写术应用于许多方丽，如将秘密信息嵌入图像中通过网络来传 西北r 业大学硕士学位论文第二章图像隐藏与数字水印的基本概念 递，并且不会被绝大多数人察觉。数字水印技术是指用信号处理的方法在数字 化的多媒体数据中嵌入隐蔽的标记，这种标记通常是不可见的，只有通过专用 的检测器或阅读器才能提取。数字水印是信息隐藏技术的一个重要研究方向。 图2 2 信息隐藏技术的分类 2 4 数字水印技术及其特点 随着数字技术和因特网的发展，各种形式的多媒体数字作品( 图像、视频、 音频等) 纷纷以网络形式发表，其版权保护成为一个迫切需要解决的问题。由 于数字水印是实现版权保护的有效办法，如今已成为多媒体信息安全研究领域 的一个热点，也是信息隐藏技术研究领域的重要分支。该技术即是通过在原始 数据中嵌入秘密信息水印( w a t e r m a r k ) 来证实该数据的所有权。这种被嵌 入的水印可以是一段文字、标识、序列号等。水印通常是不可见或不可察的， 它与原始数据( 如图像、音频、视频数据) 紧密结合并隐藏其中，成为源数据 不可分离的一部分，并可以经历一些不破坏源数据使用价值或商用价值的操作 而保存下来。 数字水印技术除应具备信息隐藏技术的一般特点外，还有着其固有的特点 和研究方法。例如，从信息安全的保密角度而言，隐藏的信息如果被破坏掉， 系统可以视为安全的，因为秘密信息并未泄露；但是，在数字水印系统中，隐 藏信息的丢失即意味着版权信息的丢失，从而失去了版权保护的功能，这一系 统就是失败的。因此数字水印技术必须具有较强的鲁棒性、安全性和透明性。 西北工业大学硕上学位论文 第一二章图像隐藏与数字水印的基奉概念 2 5 典型数字水印系统模型 图2 3 为水印信号嵌入模型，其功能是完成将水印信号加入原始数据中； 图2 4 为水印信号恢复模型，其负责从水印数据中提取出水印信号；图2 5 为 水印信号检测模型，用以判断某一数据中是否含有指定的水印信号。图2 4 、 图2 5 中的虚框部分表示在提取或判断水印信号时原始数据不是必要的。 臣一匝至 区匠厂 图2 3 水印信号嵌入 图2 4 水印信号恢复 2 6 数字水印主要应用领域 ( 1 ) 版权保护即数字作品的所有者可用密钥产生一个水印，并将其嵌入 原始数据，然后公开发布他的水印版本作品。当该作品被盗版或出现版权纠纷 时，所有者即可利用图2 4 或图2 5 的方法从盗版作品或水印版作品中获取水印 信号作为依据，从而保护所有者的权益。对这种应用领域来说，水印技术必须 有较好的鲁棒性、安全性、透明性和水印嵌入不可逆性。 ( 2 ) 加指纹为避免未经授权的拷贝制作和发行，出品人可以将不同用户 的l d 或序列号作为不同的水印( 指纹) 嵌入作品的合法拷贝中。一旦发现未经 授权的拷贝，可以根据此拷贝中恢复出的指纹来确定它的来源。对这种应用领 8 西北_ t 业大学硕上学位论文第二章图像隐藏与数字水印的基本概念 域来说，水印技术除具有版权保护应用中的特性外，还必须防止串谋攻击( 多 拷贝攻击) 等。 ( 3 ) 标题与注释将作品的标题、注释等内容以水印形式嵌入该作品中。 例如，一幅照片的拍摄时间和地点等。这种隐式注释不需要额外的带宽，且不 易丢失。 ( 4 ) 篡改提示当数字作品被用予法庭、医学、新闻及商业时，常需要确 定它们的内容是否被修改、伪造或特殊处理过。为实现该目的，通常可将原始 图像分成多个独立块，每个块加入不同的水印。为确定其完整性，通过检测每 个数据块中的水印信号，来确定作品的完整性。与其它水印不同的是，这类水 印必须是脆弱的，并且检测水印信号时，不需要原始数据。 ( 5 ) 使用控制这种应用的个典型的例子是d v d 防拷贝系统，即将水 印信息加入d v d 数据中，这样d v d 播放机即可通过检测d v d 数据中的水印 信息而判断其合法性和可拷贝性。从而保护制造商的商业利益。 r 7 数字水印的分类 由于划分的出发点不同导致数字水印的不同分类，常见分类如下： 1 可视水印与不可视水印：如果嵌入的水印强度足够大，能够用肉跟直接 观察到，则称之为可视水印。而含有不可视水印的数据通常与原始数据紧密结 合在一起，难以用肉眼观察到。本文重点论述不可视水印。 2 易损水印和鲁棒水印：易损水印很容易被破坏，主要应用于完整性验证 等应用之中，它随着对象的修改而破坏，哪怕细小的影响也会影响数字水印的 提取和检测。鲁棒水印则应该经得起一般处理操作而存留下来，应用范围更加 广泛，主要应用于版权保护中，是水印研究的重点。 3 空域水印和频域水印：直接在空域中对采样点的幅度值作出改变，嵌入 水印信息的称为空域水印；对变换域中的系数作出改变( 傅立叶系数、d c t 系 数、小波系数等) 嵌入水印信息的称为频域水印。一般来说频域算法可嵌入水 印数据量大，透明性好，安全性高，但算法复杂度也高。 4 非盲水印和盲水印：在提取或检测水印的过程中，如果需要原始数据来 提取水印信号，称为非盲水印算法；如果不需要原始数据参与，可直接根据水 印数据来提取出水印信号，称为盲水印算法。一般来说，非盲水印比盲水印更 安全，但盲水印更符合所有权验证的需要，是水印算法发展的方向。 5 私有水印和公开水印：私有水印只能被特定密钥持有人读取或检测，而 公开水印可以被公众提取或检测。通常来说，公开水印的安全性和强壮性比不 9 西北工业大学硕士学位论文 第二章图像隐藏与数字水印的基本概念 上私有水印，但公开水印在声明版权信息和预防侵权行为上无疑具有优势，是 水印发展的方向。 6 对称水印和非对称水印：当水印插入与水印提取或检测过程所使用的密 钥相同时，相应的水印( 算法) 称为对称水印( 算法) 。当水印插入与水印提取或检 测过程所使用的密钥不同时，相应的水印( 算法) 称为非对称水印( 算法) 。 各种分类方法并不是孤立的，例如一般要求公开水印是非对称盲水印。 2 8 水印系统的质量评测 数字水印算法优劣的评价标准主要有两个方面包括不可感知性和鲁棒性， 这两个方面是互相制约的，必须有一个权衡。“不可感知性”是指含水印图像的 失真，入的视觉不能够感知，既携带永印的图像与原始图像无视觉差别。“不可 感知性”既是评价水印算法水印隐蔽性的重要指标，也是评价水印安全性能的 重要指标之一。对水印的可感知性进行评估可以通过主观测试或者通过质量度 量来衡量。现在，在图像和视频的编码压缩领域最流行的失真度量标准是信噪 比( s n r ) ，以及峰值信噪比( p s n r ) 。它们通常以分贝( d b ) 来度量。 吒 舢“0 1 哩豇赫 q d x y m a x p ：。， p s n r = 1 0 l o g 瓢掌寿 q 2 其中p 。和p ：，分别表示原始图像和嵌入水印后的图像中点( x ，y ) 的灰度值； x 、y 分别是图像行和列的个数。由式中可以看出较高的峰值信噪比对应较高 的图像间的相似程度，也就是表示嵌入水印后的图像有较高的不可感知性。 还有用m s e 均方误差来度量图像的客观保真度的，与p s n r 相反，m s e 越小表示图像的近似程度越高，即： ( p 。一虬) 2 m s e = 土2 l 丽 ( 2 3 ) 西北工业大学颂十学位论文 第三章数字图像处理的基本方法 第三章数字图像处理的基本方法 3 1数字图像处理的主要研究内容 数字图像处理( d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g ) 又称为计算机图像处理，它是指 将图像信号转换成数字信号并利用计算机对其进行处理的过程。从其本质上说， 数字图像处理是运用计算机强大的计算能力和“记忆”能力，对离散图像阵列 作某种“运算”、“变换”、“修饰”或“处理”，最终实现对图像的“评价”、 “识别”和“理解”。数字图像处理主要研究的内容有以下几个方面： 1 ) 图像变换由于图像阵列很大，直接在空间域中进行处理，涉及计算量 很大。因此，往往采用各种图像变换的方法，如傅立叶变换、沃尔什变换、离 散余弦变换等问接处理技术，将空间域的处理转换为变换域处理，不仅可减少 计算量，而且可获得更有效的处理( 如傅立叶变换可在频域中进行数字滤波处 理) 。目前新兴研究的小波变换在时域和频域中都具有良好的局部化特性，它在 图像处理中也有着广泛而有效的应用。 2 ) 图像编码压缩图像编码压缩技术可减少描述图像的数据量( 即比特 数) ，以便节省图像传输、处理时间和减少所占用的存储器容量。压缩可以在不 失真的前提下获得，也可以在允许的失真条件下进行。编码是压缩技术中最重 要的方法，它在图像处理技术中是发展最早且比较成熟的技术。 3 ) 图像增强和复原图像增强和复原的目的是为了提高图像的质量，如去 除噪声，提高图像的清晰度等。图像增强不考虑图像降质的原因，突出图像中 所感兴趣的部分。如强化图像高频分量，可使图像中物体轮廓清晰，细节明显； 如强化低频分量可减少图像中噪声影响。图像复原要求对图像降质的原因有一 定的了解，一般讲应根据降质过程建立”降质模型”，再采用某种滤波方法，恢 复或重建原来的图像。 4 ) 图像分割图像分割是数字图像处理中的关键技术之一。图像分割是将 图像中有意义的特征部分提取出来，其有意义的特征有图像中的边缘、区域等， 这是进一步进行图像识别、分析和理解的基础。虽然目前已研究出不少边缘提 取、区域分割的方法，但还没有一种普遍适用于各种图像的有效方法。因此， 对图像分割的研究还在不断深入之中，是目前图像处理中研究的热点之。 5 1 图像描述图像描述是图像识别和理解的必要前提。作为最简单的二值 两北丁业大学硕士学位论文 第三章数字图像处理的摹本方法 图像可采用其几何特性描述物体的特性，一般图像的描述方法采用二维形状描 述，它有边界描述和区域描述两类方法。对于特殊的纹理图像可采用二维纹理 特征描述。随着图像处理研究的深入发展，已经开始进行三维物体描述的研究， 提出了体积描述、表面描述、广义圆柱体描述等方法。 6 ) 图像分类( 识别)图像分类( 识别) 属于模式识别的范畴，其主要内 容是图像经过某些预处理( 增强、复原、压缩) 后，进行图像分割和特征提取， 从而进行判决分类。图像分类常采用经典的模式识别方法，有统计模式分类和 句法( 结构) 模式分类，近年来新发展起来的模糊模式识别和人工神经网络模 式分类在图像识别中也越来越受到重视。 基于二维画面的数字图像处理方法有两大类：空间域法和变换域法。 ( 1 ) 空问域图像处理 空间域图像处理是指对量化后的图像函数在点阵平面内作一维和二维处 理。 ( 2 ) 变换域图像处理 变换域图像处理首先对空间域作正交变换( 如傅立叶变换等) ，得到变换系数 阵列，再进行离散频域图像的处理。变换域处理后再反变换至空间域，得到处 理后目标图像。频域图像处理比在空间域处理更为方便， 其计算量相对减少， 处理速度得到了提高。 3 2 空间域操作 空间域指图像象素的灰度和坐标位置。因此空间域变换就指改变图像象素 灰度和位置的各类变换，可将空间域变换分为点操作、代数操作和几何操作。 点操作：单图像输入、单图像输出的图像操作，其中输出图像各象素的灰 度只和输入图像对应象素灰度有关，以b ( x ，y ) 为输出图像，a ( x ，y ) 为输入图 像，点操作可表达为口( z ，y ) = f a ( x ，j ，) 】。点操作应用于宜方图均衡、增强对比 度、显示校正等。 代数操作：多图像输入、单图像输出的图像操作，设c ( x ，y ) 为输出图像， a ( x ，y ) 、b ( x ，y ) 为输入图像，o 为+ 、一、a - 运算，则代数操作表达 c ( x ，y ) = n ( x ，y ) o b ( x ，y ) 。代数操作中的加法可减小噪声，减法可消除背景， 乘法可用来做图像掩模。 几何操作：单图像输入、单图像输出，仅改变象素位置的图像操作，可表 示为g ( x ，y ) = ，( 一，y ) = f a ( x ，y ) ，6 0 ，y ) 】。其中g ( x ，y ) 为输出图像，f ( x ，y ) 为 输入图像，a ( x ，y ) 、b ( x ，y ) 为两空间变换。几何操作可用于几何校正、坐标币 交化、图像形式转化和图像映射等，包括图像的平移、旋转、镜象变换、转置、 西北t 啦九学硕士学位论文 第三章敬宁图像处理的基本1 疗浩 放缩等。 3 3d c t 变换 d f t 变换提供了频谱分析最重要的工具。但d f t 运算是复数域运算，在实时 处理中并不方便。但傅立叶变换的实部只含有余弦项，可以构造d c t ，这是一 种实数域的变换，是简化傅里叶变换的重要方法，在一系列视频压缩编码的国 际标准建议中，都把d c t 作为个基本处理模块，已经在图像压缩编码中得到 广泛应用。 3 3 i = 维i ) c t 变换公式 对于一个n x n 图像f ( x ，力的二维d c t 定义： j 下变换为： 脚) = 鼍等篱m 加s 笋一1 ( 2 y + 厂1 ) v r 反变换为： m y ，= 薯c 和龇岫s 簧笋c 。s 鼍笋，o y ) 2 蠢磊善c 白) c ( v 矿o ，v ) 6 。兰号；竽6 。竺i ；产 其中u ，v = 0 ，1 ，n l ；x ，y = 0 ，i ，nl r1 e 粥： 啬 纵”o h “，v ；0 令( x ，y ，u ，v ) 为变换核函数，则d c t 变换公式又可写为： f “印= ：z ( t ，b o 誓鼙+ v ) u ，v 嚣o n - ，瓴力= f 拈咄妞，一：“，心 x ，y = o ，i ，n * 1 柚v 棚 变换核函数为： 瓣艄咖吾e 蜘s 号笋一鼍笋 x y ，“p = o j 一1 x ，y ，“。p = o j 一j f 3 i ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 34 ) ( 35 ) ( 3 6 ) ( 3 6 ) 西北工业人学硕士学位论文第三章数字图像处理的基奉方法 d c t 正变换相当于将图像分解到一组不同的空间频率上，c ( u ，v ) 即为每一 个对应的空间频率成分在原图像中所占的比重：而反变换则是一个将这些不同 空间频率上的分量合成为原图像的过程，变换系数c ( u ，v ) 在这个精确、完全的 重构过程中规定了各频率成分所占分量的大小。d c t 的变换核为余弦函数，每 一个c ( u ，v ) 都是实值，因此，d c t 的计算速度快，便于图像压缩及其它处理。 3 3 2 二维d c t 变换在图像处理中的应用 离散余弦变换在图像压缩中具有广泛的应用，j p e g ( j o i n tp h o t o g r a p h i c e x p e r t sg r o u p ) 图像压缩算法即主要采用d c t 进行变换编码。d c t 变换的基本 思路是将图像分解为8 x 8 的子块或1 6 x1 6 的子块，并对每一个子块进行单独 的d c t 变换，然后对变换结果进行量化、编码。随着子块尺寸的增加，算法的 复杂度急剧上升，因此，实用中通常采用8 x 8 的子块进行变换，但采用较大的 子块可以明显减少图像分块效应。图像压缩中，一般把图像分解为8 8 的子块， 然后对每一个子块进行d c t 变换、量化，并对量化后的数据进行h u f f m a n 编码。 d c t 变换可以消除图像的空间冗余，h u f f m a n 编码可以消除图像的信息熵冗余。 d c t 是无损的，它只将图像从空间域转换到交换域上，使之更能有效地被编码。 对一个图像子块而言，将对变换后的6 4 个系数进行量化，并对z 字顺序扫描系 数表进行编码。这种排列方法有助于将低频非0 系数置于高频系数之前，直流 系数由于包含了所有图像特征中的关键部分而被单独编码。量化后的系数经过 熵编码进一步无损压缩，通常采用的是h u f f m a n 编码。这种压缩编码方法中， 图像质量的降低主要是由于对系数的量化造成，且不可恢复。j p e g 压缩编码 的流程如下： 囱圆 圈3 1 压缩流程图 图3 2 解压缩流程图 4 两北工业人学硕士学位论文第三章数字图像处理的基本方法 3 4 小波变换 小波分析( w a v e l e ta n a l y s i s ) 是2 0 世纪8 0 年代中期发展起来的一门数学理 论和方法，由法国科学家g r o s s m a n 和m o r l e t 在进行地震信号分析时提出的， 随后迅速发展。 1 9 8 5 年m e y e r 在一维情形下证明了小波函数的存在性，并在 理论上作了深入研究。m a l l a t 基于多分辨分析思想，提出了对小波应用起重要 作用的m a l l a t 算法，它在小波分析中的地位相当子f f t 在经典f o u r i e r 分析中 的地位。小波分析理论的重要性及应用的广泛性引起了科技界的高度重视。小 波分析的出现被认为是傅立叶分析的突破性进展，在逼近论、微分方程、模识 识别、计算机视觉、图像处理、非线性科学等方面使用小波分析取得于许多突 破性进展。 小波变换的基本思想类似于f o u r i e r 变换，就是用信号在一簇基函数张成的 空间上的投影表征该信号。经典的f o u r i e r 变换把信号按三角正、余弦基展开， 将任意函数表示为具有不同频率的谐波函数的线性迭加，能较好地刻划信号的 频率特性，但它在时域或空域上无任何分辨，不能作局部分析。这在理论和应用上 都带来了许多不足。为了克服这一缺陷，提出了加窗f o u r i e r 变换。通过引入一 个时间局部化”窗函数”改进了f o u r i e r 变换的不足，但其窗口大小和形状都是 固定的，没有从根本上弥补f o u r i e r 变换的缺陷。而小波分析方法是一种窗口 大小( 即窗i ：3 面积) 固定但其形状可变，且时间窗和频率窗都可改变的时频局 部化分析方法。其思想来源于伸缩和平移，是通过小波基函数( 或小波函数) 的伸缩平移来构成一系列分辨率不同的正交( 或非正交) 投影空间及其对应的 基，所以不要求信号的平稳性。同时小波变换发展了g a b o r 加窗f o u r i e r 变换的 局部化思想，它的变换窗口随频率高低而变化，即小波变换对不同的频率成分 在时域上的取样步长是调节性的，高频者小，低频者大，它将信号或图像等分 解成交织在一起的多种尺度成分，并对于大小不同的尺度成分采用相应粗细的 时域或空域取样步长，从而能够不断的聚焦到对象的任意微小细节，符合高频 信号的分辨率较高的要求，也正是在这个意义上小波变换被誉为数学显微镜。 3 4 1 连续小波变换 小波变换的定义： 呢( 啪) = 击踟蛎( 争出= ( m 帆以) ) ( 3 7 ) 西北t 业大学硕十学位论文 第三章数字图像处理的基本方法 小波变换的基函数_ ；f ，( f ) = ( 尘兰) 是窗函数( f ) 的时间平移6 ，尺度 - q a “ 伸缩a 的结果。对于给定的窗函数v ( f ) ，若尺度参数“ 1 ，则相当于基函数将 窗函数拉伸，使窗口的时宽增大，；而口 1 相当于将窗函数的频 率特性压缩，频率带宽变小；而a 1 则相当于将窗函数的频率特性拉伸，频率 带宽增大