（计算机应用技术专业论文）基于离散小波变换的数字水印算法的研究.pdf

华= | 艺电力犬学硕士学位论文摘要 摘要 隧着潮络逶信的飞速发鼹以及多媒体技术酶广泛应j 霭，数字产鑫版权的保护闯 题变得越来越重要。数字水印技术己成为解决数字多媒体版权问题的主要工具。 本文分析讨论了数字水印技术的基本原理、典型算法及数字水露的攻击方法， 提出了一种基于离散小波变换的数字水印算法。该算法使用推广的a r n o l d 变换对 水印进行置乱，提离了水印的安全性；将水印嵌入到原始图像离敖小波变换的中频 予带中，保证了算法的鲁棒牲；剩髑入类视镦系统确定水窜的嵌入强度，提高了永 印的不可感知性；实现了水印的盲提取，增强了算法的适用性。本文对所提出的算 法进行了粥+ 6 0 仿真实验，并进行了性能分橱。实验结果表骥，新提麴算法具有 良好的鲁棒性，同时也很好地保证了水印的不可感知性。 关键字：数字承印，离教小波变换，图像置乱，人类视觉特性 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p i n e n to fn e l w o r kc o m m u n i c a l i o na n db r o a da p p l i c a t i o no f l 巍u l l i 氆e d i al e e 莪藕o l o g 甄e o p y f i g 蠡lp 量o t e e l i o 程o fd i g i t a l 旌l e 矗i 瑟w o 瘫i sb e l 髓i 嚣gl 致o l 雩 a n dm o r cj m p o r t a n t d i g j t a lw a t e 珊a r k i n gi sv i e w e da sa ne f ! f e c t i v et o o lf o rc o p y r j g h t p l e c 耋 o 珏q f 难鞋l l i m e 攥鑫d 鑫毫a a tf i r s tt h ep r i n c i p l e ，t y p i c a la l g o r i t h m sa n da t t a c ka n a l y s i so fd i g i t a lw a t e r m a r ki s d e s 锚恣e d t h e 羹，a 靴镪强a 呔遗g 畦笋蛀l 囊磁b a s e 娃。珏d w t 远p 约p o s e d 瓢l ew a l e 蝴酲k i m a g ei ss 甜a m b l e db yag e n 尊r a l j z e da r n 0 1 dt r a n s f o 咖s oa st oj m p r o v et h es e c u “t yo f l h ew a e 髓a r k ；l 量l e 、a l e 珊a f ki se 堇珏b e d d e di 致l ol h el 矬i d d l e - f e q u e 珏c ys 毯b b a n dw h i c h g u a r a n t e e sl h er o b u s l n e s so fl h ea i g o r i t h m ；i no r d e rt o 薹l n p l e m e n tt h eb i j n de x f a c l i o n ， t h i sp a p e ri l l l p r o v e sa ne m b e d d i n ga l g o t h mb a s e do nh v s ，w h i c he n h a n c e st h e a p p l e 鑫b i l i l yo f 囊e 越g o f i 轰l 矬髓i sp a p e r e s l sl 纛e 窿g q f i h mb yv c 5 o ，a 嚣d 鼋毯a 蕤l i l y o fe x p e r i m e n td a t as h o w st h a ta l g o r i t h mh a sg o o dr o b u s t n e s s ，a n dt h ei m p e r c e p t i b i l i t yo f 错a l e 糯a 虫c a 曩b e 斜a 豫鼗t o e da 童l 羲es a 搬e | i m 。 w a 程gr 靼i 囊。嚣g e 奄l 建p 驻l e r 细p l i 霉琏7 l 毫c h 鞋l o g y ) d i r e c t e db yp r o f z h a n gl i ji n g k e yw o 敝d s ：d i g j t a lw a t e r l l l a r l 【，d w ti m a g 霸s c t a m b l i n g h v s 华= | 艺电力犬学硕士学位论文摘要 摘要 隧着潮络逶信的飞速发鼹以及多媒体技术酶广泛应j 霭，数字产鑫版权的保护闯 题变得越来越重要。数字水印技术己成为解决数字多媒体版权问题的主要工具。 本文分析讨论了数字水印技术的基本原理、典型算法及数字水露的攻击方法， 提出了一种基于离散小波变换的数字水印算法。该算法使用推广的a r n o l d 变换对 水印进行置乱，提离了水印的安全性；将水印嵌入到原始图像离敖小波变换的中频 予带中，保证了算法的鲁棒牲；剩髑入类视镦系统确定水窜的嵌入强度，提高了永 印的不可感知性；实现了水印的盲提取，增强了算法的适用性。本文对所提出的算 法进行了粥+ 6 0 仿真实验，并进行了性能分橱。实验结果表骥，新提麴算法具有 良好的鲁棒性，同时也很好地保证了水印的不可感知性。 关键字：数字承印，离教小波变换，图像置乱，人类视觉特性 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p i n e n to fn e l w o r kc o m m u n i c a l i o na n db r o a da p p l i c a t i o no f l 巍u l l i 氆e d i al e e 莪藕o l o g 甄e o p y f i g 蠡lp 量o t e e l i o 程o fd i g i t a l 旌l e 矗i 瑟w o 瘫i sb e l 髓i 嚣gl 致o l 雩 a n dm o r cj m p o r t a n t d i g j t a lw a t e 珊a r k i n gi sv i e w e da sa ne f ! f e c t i v et o o lf o rc o p y r j g h t p l e c 耋 o 珏q f 难鞋l l i m e 攥鑫d 鑫毫a a tf i r s tt h ep r i n c i p l e ，t y p i c a la l g o r i t h m sa n da t t a c ka n a l y s i so fd i g i t a lw a t e r m a r ki s d e s 锚恣e d t h e 羹，a 靴镪强a 呔遗g 畦笋蛀l 囊磁b a s e 娃。珏d w t 远p 约p o s e d 瓢l ew a l e 蝴酲k i m a g ei ss 甜a m b l e db yag e n 尊r a l j z e da r n 0 1 dt r a n s f o 咖s oa st oj m p r o v et h es e c u “t yo f l h ew a e 髓a r k ；l 量l e 、a l e 珊a f ki se 堇珏b e d d e di 致l ol h el 矬i d d l e - f e q u e 珏c ys 毯b b a n dw h i c h g u a r a n t e e sl h er o b u s l n e s so fl h ea i g o r i t h m ；i no r d e rt o 薹l n p l e m e n tt h eb i j n de x f a c l i o n ， t h i sp a p e ri l l l p r o v e sa ne m b e d d i n ga l g o t h mb a s e do nh v s ，w h i c he n h a n c e st h e a p p l e 鑫b i l i l yo f 囊e 越g o f i 轰l 矬髓i sp a p e r e s l sl 纛e 窿g q f i h mb yv c 5 o ，a 嚣d 鼋毯a 蕤l i l y o fe x p e r i m e n td a t as h o w st h a ta l g o r i t h mh a sg o o dr o b u s t n e s s ，a n dt h ei m p e r c e p t i b i l i t yo f 错a l e 糯a 虫c a 曩b e 斜a 豫鼗t o e da 童l 羲es a 搬e | i m 。 w a 程gr 靼i 囊。嚣g e 奄l 建p 驻l e r 细p l i 霉琏7 l 毫c h 鞋l o g y ) d i r e c t e db yp r o f z h a n gl i ji n g k e yw o 敝d s ：d i g j t a lw a t e r l l l a r l 【，d w ti m a g 霸s c t a m b l i n g h v s 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于离散小波变换的数字水印算法的 研究，是本人在华= l 艺电力大学攻读硕士学位期闻，在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学域其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均涩在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：王箍红 日 期：幽：ii ：战 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 导师签名： 华 艺电力大学硕士学位论文 1 1 论文选题的研究背景 第一章引言 网络的迅猛发展、个人计算机和各种存储设备的普遍应用极大的方便了信息的 存储和传播，同时也弓| 起了一系列的安全闻题。数字产品的信息安全阀题班及版权 保护问题已成为日益严重的社会问题。 对予解决信息安全和舨权闯题，人们首先想到的解决方案是加密和数字签名等 密码学技术，然而这种方案并不完全可行。密码学技术是信息安全领域的传统技术， 一般采用加密算法把明文加密成密文进行传输。成熟的密码学可以解决安全传递和 访问控制，但这种方式存在着一些问题n 3 ，比如密文一旦被解密其内容就完全透明， 就可以被随意的复制篡改；密文形式通常可以明确地表示攻击者哪些是重要信息。 可见单纯的密码学技术不能为数字产品提供个可靠的安全保证，采取新的方式对 数字产品进行版权保护已成为十分迫切的工作。 在这种情况下，一种交叉学科信息隐藏学产生了，信息隐藏技术是近几年 新兴的研究方向。信息隐藏技术不但隐藏了信息的内容而且隐藏了信息的存在。当 然，信息隐藏技术不可能代替密码学技术，它与密码学密切相关。 数字水印是信息隐藏技术研究领域的一个重要分支，是一种有效的数字产品版 权保护和数据安全维护技术，与数据加密有密切的关系。它将具有无意义的信号或 特定意义的标记( 如序列号，版权标志等) 利用数字嵌入的方法隐藏在图像、声音、 文档、电予图书、视频等数字产品中，用于证明作者对其作品的所有权，并作为鉴 定、起诉非法侵权的证据，同时逶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卫的有效手段1 。 数字水印技术是当前多媒体信息安全研究领域发展最快的热点技术，已经受至l 国内外学术界和企业界的高度关注。数字水印的应用范围很广，例如很多唱片公司 都在自己的作品中应用了数字承印技术，以标注自己的版权信息。 数字水印技术是国内信息安全研究的一个重要历史资料的图像文件，录入的个 人身份证、个人学历证书，一些重要的电子票据、合同文件等，如果被恶意篡改会 给囡家、社会乃至个人生活带来极大的安全隐患。数字水印技术作为信息隐藏、版 权保护及认证的有效手段，为上述问题提供了一个有效的解决方案。 1 2 选题的研究意义 扶上面的研究背景可以看出，数字水印技术可以对多媒体信息进行有效地保 华北电力大学硕士学位论文 护，但由于该技术的研究涉及了图像和信号处理、密码学、现代通信技术、编码理 论以及神经生理学等众多领域，是一门多学科交叉的学科，因此给研究工 乍带来了 一定的难度。尽管目前国内外数字水印技术的研究者正在努力建立一个相对完善 的、能够提供普遍指导意义的理论基础，僵就露前状况丽言，这项工作还远远没有 达到令人满意的地步。无论是在国内还是在国外，数字水印技术的研究都还不成熟， 从理论到鹿用都还处于发展的初级阶段，还有很多问题有待于解决。因此，不论从 理论角度还是从应用角度来看，开展数字水印技术的研究，不仅具有煎要的学术意 义，还有及其重要的经济意义。 1 3 国内外研究现状 自从v a ns c h y n d e l 任3 在9 4 上发表的题为“ad i g i t a lw a t e r m a r k 的文章以来， 对数字水印的研究兴趣在不断的增长。1 9 9 6 年在英国、1 9 9 8 年在波兰、1 9 9 9 年在德 国、2 0 0 1 年在美国、2 0 0 2 年在荷兰、2 0 0 4 年在加拿大先后6 次召开了信息隐藏学术 会议。美国c p t w g ( c o n t e n tp r o t e c t i o nt e c h n o l o g yw o r k i n gg r o u p ) 组织成立了 专门的数据隐藏小组( d 珏s g ) ，欧盟委员会的项目t 矗l i s ( 0 f f e ro fc o n t e n t t h r o u g ht r u s t e da c c e s sl i n k s ) 等也正致力于实用的水印技术研究。摄影光学仪 器工程 币学会s p 王嚣( s o e i e 专yo fp 囊。专。一o p 乇i e a 王至廷s 专r 轻l l l e 秘专鑫专i o 珏稳g i n e e r s ) 从 1 9 9 9 年开始举办专门的“多媒体内容的安全和水印坩研讨会。一些著名的大学、知 名公司和研究机构也投入了大量的入力和财力致力子数字水印技术的研究，并取得 了很多研究成果。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 等。在图像水印方面，d i g i m a r c 公司把水印的嵌入和检测同 a d 曲e 公司盹o t o s h o p 捆绑在起。现在世赛上有数十家从事数字永邵技术和软件开 发的研究机构和公司。德国人开发出来的数字水印技术已经在比利时开始商业应 用，该顼技术可以防止在线音乐的非法复制。英国的剑桥大学，美国的至b 麓研究中 心，日本的n e c 研究所，朗讯公司的贝尔实验室，麻省理工学院等都对数字水印进 行了广泛深入的磅究，国际标准组织也对数字水印技术深感兴趣。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，为视频产品增加标识和水印的方法。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等等。 我国学术界对数字水印技术的研究也方兴未艾，已经有相当一批有实力的科研 机构投入到这一领域的研究中来，有的己经取得了重要研究成果。我国也先盾在 1 9 9 9 年1 2 月、2 0 0 0 年6 月、2 0 0 1 年9 月、2 0 0 2 年8 月和2 0 0 4 年l1 月举办了5 次信息隐 藏技术研讨会，国家8 6 3 、9 7 3 等项舀也都在致力于水印研究。几个有影响的国际会 议( 如i e e ei c i p ，i e e ei 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 2 华，| 艺电力入学硕士学位论文 p r o c e e d i n g so fi e e es i g n a lp r o c e s s i n g ， i e e ej o u r n a lo fs e l e c t e da r e a so n c o 翔翔旧ic a ti o n ，e o m m u n ie a t i o n so fac 酗等) 相继灏版了数字水印的文章。国际 上还成立了一些专门的研究机构，如拷贝保护技术工作组( c p t w gc o p yp r o t e c t i o n 罩e e h n 主鸯u e 鬻o f k i n gg r o 毯p ) 从1 9 9 5 年开始致力于基于转￥0 的视频版权僳护研究，安 全数字音乐创始( s d m i ，s e c u r ed i g i t a lm u s i ci n i t i a t i v e ) 从1 9 9 9 年开始研究音 频的版权保护，数字永印就是其中的核心关键技术。2 0 0 1 年3 月，国防科技大学首 次将整数d c t 变换运用到数字水印技术上，其多维整数d c t 算法运算效率高于目前的 有效算法，并且采用h a s h 函数对图像的变换系数位置进行加密，水印图像信息嵌入 到i n t d c t 系数的中低频部分，极大的提高了安全性。2 0 0 3 年9 月份，北京邮电大学 推出了“数字水印应用系统”，该系统是利用小波理论和离散变换设计的新型水印 算法。 但是，我国在该领域的研究尚不普及，随着数字化产品在中国的广泛开展，特 别是今后凡年因特网用户将成倍增长，电子商务会加速发展，在赝络上直接销售数 字化产品将给厂家带来极大的商机，也是中圜产品走向世界的极佳途径，如何有效 保护产品的版权将成为厂商极为关心的闻题。到目前为止，数字水印从研究对象上 看主要涉及图像水印、视频水印、音频水印、文本水印和三维网格数据水印等几个 方面。其中大部分的水印研究和论文都集中在图像研究上，其原因在于图像是最基 本的多媒体数据，且互联网的发展为图像水印的应用提供了盍接大量的应用需求。 相信在不久的未来，随着需求的不断变化，数字水印技术的研究领域将会不断的拓 震。 1 4 数字水印的应用领域 1 4 1 版权保护 版权橱识水印是露前研究最多的一类数字水印。由于数字作品的拷贝、修改非 常容易，为了保护作品的版权，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，然焉公开发布水印版本作品。当该作品被盗版或_ 出现版权纠纷时， 所有者即可从盗版作品或水印作品中获取水印信号作为依据，从而保护所有者的权 簸o 1 4 2 加指纹 如果嵌入到数字媒体中的数字水印用以标记媒体的馒雳者，当漱现侵权行为 时，通过检测水印信息便可跟踪盗版，此时数字水印称之为数字指纹。它要求水印 信息具有很高的鲁棒性和较大的容量。为避免未经授权的拷贝制作和发行，出晶人 可以将不同用户的i d 或序列号作为数字指纹嵌入作品的合法拷贝中。一旦发现未 3 华i 艺电力火学硕士学位论文 经授权的拷贝，就可以根据此拷贝所恢复出的指纹来确定它的来源。例如，美国t t r 公司用d is e g u a r d 防盗版技术来保护软件出版商的知识产权、防止软件被盗敝或非 法复制。这种技术通过在c d r o m 和d v d 盘片上嵌入一个不可复制的“数字指纹”， 利翔这令“数字指纹”可以鉴别出光盘是正版还是盗叛，从而控制软件的运行，这 个“数字指纹”是在母版制作( m a s t e r in g ) 过程中，通过在现有母版制作的激光系 统上加入一个插件或者通过增强型光盘刻录枫实现的。带有“数字指纹 的母版复 制出的每一张c 卜r o m 都含有“数字指纹”，但这个“数字指纹”不能够再被复制， 非法复制的c 卜r o m 不含“数字指纹”，盗版的软件不能运行，从而保护了软件开 发者的知识产权疆_ 3 。 1 4 3 标题与注释 即将作品的标题、注释等内容( 如一幅照片的拍摄时间和地点等) 以水印形式 嵌入该作品中，这种隐式注视不需要额外的带宽，旦不易丢失。 1 4 4 篡改提示 当数字作品被用于法庭、医学、新闻及商韭时，常需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，再将 每个块加入不同的水印。同时可通过检测每个数据块中的水印信号。来确定作品的 完整性。与其他水印不同的是，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。 1 4 5 使用控制 在媒体的录放设备的设计中应用图像数字水印技术，当录放设备工作时，检测 媒体上是否有水印的存在，以决定该媒体是否应该被录放。从而拒绝非法拷贝媒体 的流行和使用。这种应用的一个典型的例子是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。 1 。4 6 内容认证 如果数字水印不具有鲁棒性，则当数字媒体受到处理时，嵌入到其中的水印信 息不可避免被破坏；根据水印被破坏的情况可以对数字媒体进行内容认证。此时， 数字水印具有易碎性( 或是半易碎性) ，对改变媒体内容的处理不具有任何鲁棒性， 对不改变媒体内容的处理具有一定的鲁棒性，在此方面优于数字签名技术。这方面 的研究己经有很长时间了，并且己经取得了丰硕的成果。目前主要分为可逆数字水 印和不可逆数字永印。 4 华北电力人学硕士学值论文 1 4 7 商务交易中的票据防伪 随着离质量图像输入输出设备的发展，特别是高精度彩色喷墨、激光打印机和 高精度彩色复印机的出现，使得货币、支票以及其他票据的伪造变彳导更加容易。握 报道，美国、荷兰以及日本都己经开始研究用于票据防伪的数字水印技术。麻省理 工学院媒体实验室受美国财政部委托，已经开始研究在彩色打印机、复印机输出的 每幅图像中加入惟一的、不可见的数字水印，在需要时可以实时地从扫描票据中判 断水印的有无，快速辨识真伪。 1 4 8 隐蔽通信及其对抗 数字水印所依赖的信息隐藏技术提供了非密码的安全途径，实现网络情报战的 革命。网络情报战是信息战的重要组成部分，其核心内容是利用公用网络进行保密 数据传送。由于经过加密的文件往往是混乱无序的，容易引起攻击者的注意。网络 多媒体技术的广泛应用使褥利用公用网络进行保密透信有了新的思路，剥雳数字纯 声像信号相对于人的视觉、听觉冗余，可以进行各种信息隐藏，从而实现隐蔽通信。 5 本文主要工作及内容安排 数字水印技术是一个比较前治的科研项圈，本文的研究是在国内外专家学者的 研究基础之上进行的，主要对数字水印的算法进行了研究，并提出了一种基于离散 小波变换的数字水印算法。本文的主要结构如下： t 。第一章，介绍了数字水印技术的研究背景，研究意义，研究现状及其应用领域， 也提出了本论文的主要工作及要研究的内容安排。 第二章，详细鲍j 介绍了数字水印技术的基础知识，包括数字永印技术的概念和 基本原理、特点、分类和数字水印的常见攻击及其对策，还介绍了水印信息的预处 理技术。 第三章，给出了本论文中数字水印算法的总体设计思想，较为详细地对水印信 息类型的选择、水窝的嵌入位置以及承印的抗攻击能力等内容进行了分析，在经过 分析之后确定了本论文的数字水印算法。 第四章，给出了水印算法的具体实现，其孛包括了水印在嵌入和提取阶段的各 个功能模块的划分、主要系统参数的确定，并且给出了详细的嵌入过程和检测过程。 第五章，对本论文的算法进行了v c + + 6 o 实验仿真，给出了衡量水印系统效 果的几个性能指标，进行各种模拟攻击，并给出了实验和模拟攻击的结果和分析。 第六章，对论文进行了总结，同时给出了本文算法的创新点以及对数字水印技 术的前景作了展望。 5 华乾电力犬学颈士学值论文 第二章数字水印的理论研究 数字水印技术( d i 西l a lw a e f 趱羟嫒i 鞋g ) 是信息隐藏酶一个分支，韪解决多媒体 数掘版权保护问题的有效手段之一。信息隐藏( i n f o f m a t i o nh i d i n g ) 就是将保密的 信息隐藏子另一非傺密载体中，以不弓l 起检查者的注意。载体的形式可以是任何一 静数字媒体，院翔嚣像、音频、褫频等。与密码学不弱，信息隐藏技术主要研究如 何将某一机密信息隐藏于另个公开的载体中，然后通过公开的载体来传递机密信 息。可裁的检测者或非法拦截者剐难以判龋枫密售息是否存在，挟两傈证枫密信息 的安全。 数字拳印的基本思想是在数字鹭像、音频、视频等数字产晶孛嵌入秘密信息， 以便保护数字产品的版权，证明产品的真实可靠性，跟踪盗版行为或者提供产品的 附鸯瑟信息。其中秘密信息可以是舨权标志、用户的l d 或者是产品的相关信息，用 以证明原剖者对其佟品的所有权，并作为鉴定、起诉非法侵权的证据。这些信息需 要经过适当变换在嵌入到数字产品中，通常称变换后的秘密信息为数字水印。 2 1 数字水印的基本源理 麸信号处理酶焦度看，水露豹嵌入可鞋着箨是在强背景( 原始霉像) 下叠加一 个弱信号( 水印) 。由于入的视觉系统( h u m a nv i s u a ls y s t e m ，h v s ) 分辨率受到 一定的限制，只要叠加静信号低予珏v s 的对比发门限( c o n l 携s ls e 珏s i l i v i l y 弧r e s h o l d 。) ，h v s 就无法感知到信号的存在。因此，通过对原始图像作一定的调整， 可以在不改变视觉效果的情况下嵌入一些信患。 从数字通信的角度看，水印嵌入可理解为在一个宽带信号( 原始豳像) 上用扩 频通信技术传输一个窄带信号( 水印) 。尽管水印信号具有一定的能量，但分布到 铸道孛任意频率上酌能量是难以捡溪到豹。 一般来说，数字图像水印系统3 主体包括三部分：水印的产生、水印的嵌入 ( 嚣m b e d 或n g ) 和水印鳃检测或提取 值来生成水印。为了蠖予隐藏，水印酶体积当 然越小越好。水印生成算法应保证水印的唯一性、有效性、不可逆性样属性。 2 ， 2 水印的嵌入 水印的嵌入过程如图2 l 所示。该系统的输入是水印信息w ，原始图像，和一 个可选静密锈公钥和私钥) 爱。数字求帮算法i 萋常都要与加密，解密算法褶结会， 密钥k 可以用来加强安全性，利用密钥可禁止水印的非法提取。水印嵌入系统可以 使用一个密镪，也可骐使用几个密绸的组合。这样，群使菲授权用户麓够提取出水 印，但是在没有密钥的情况下，也无法读出水印信息，从而可以为原始图像提供双 层的保护。 水印的嵌入算法很多，佩大致可以分为空间域算法和变换域算法。由图2 1 可 以定义水印嵌入过程的通用公式为： j 。；f ( ，k ) 公式( 2 1 ) 其中，f 表示水印嵌入算法。羔，表示嵌入水印后的图像( 即水印图像) ，l 袭示 原始图像，w 表示求印集合，k 表示密锈集合。 最常用的鼹种水印嵌入规则如下： 力霸法准煲：并。) z 茗# ) + 露张) 乘法准则：石。a ) 一石( f ) “+ 8 w a ) ) 公式( 2 2 ) 公式( 2 3 ) 其孛，x 国和x 。国分别表示原始图像像素和嵌入水窜嚣韵强橡像豢；w 为水 印信号分量，o 扛p ) ，y ( t ) ) 2p o ) y ( f ) 幽 公式( 3 6 ) 其中吼j 8 ) 。 妒( 尘三) 是摹本小波的位移和尺度伸缩。 、口 n 连续小波是一襻线性变换，具有叠热性、 合内积定理，其逆变换表达式为： 垌2 审。缸弧如k 蝴p ) 时移不变牲、霹进行尺度转换，虽符 公式( 3 7 ) 但是在实际应用串连续小波交换擐难得刘有效的应溺，因为尺度因子和位移因 子是连续变换的，它表示的信息冗余度很高，计算量大，其重构算法很难用计算机 实现，只是应属在理论上的推导、证明与性质讨论。为了满足实际应用的需要，大 多数采用离散小波变换，将4 和f 离散化来计算小波变换。通常取口= 盘。， f m 据。囔吒。其中j f ，豇z 。因，院 d 峨( 口。，打。) 。p o ) 伊枷籼 ) 疵 遂常称为离散小波交换( 矜孵) 。其中：咒扭h 囊) = 瘁。 妒墨。j ，乏z 。】 若离教小波| 孛列构成一个框架，设其上、下界分别为矗和b ， 时框架为紧框架) ，离散小波变换的逆变换( i d 鬻t ) 公式为： 瑚。责善d 瞩珏更如鼬鳓 3 7 离散小波变换层数的选取 公式( 3 8 ) 则警a = b 时( 此 公式( 3 9 ) 离散小波变换用于图像编码的基本思想是把图像进行多分辨分解，分解成不同 空阚、不露频率的子墨像，群对子图像进行系数编码。蚕像经过离散小波分解薅， 数据的总量并没有发生变化。只不过按照频率信息的不同，重新进行了分组和排列， 便于信号的处理。对二维图像进行离数夺波变换，首先对图像进行辜亍变换，然籍再 进行列变换，图3 1 给出了离散小波变换的静态图像的金字塔式多分辨率分解示意 图。l 表示低频，壬重表示高频，下标裘示变换屡数。健分解后小波匿像具有与原鬻 像不同的特性，表现在低频逼近子图l l 中集中了原始图像的绝大部分信息，中高 频细节子鹰l h ，h l 和h h 保持了原始图像的垂直边缘细节、水平边缘细节和对角 边缘细节，它稚刻藏了募始图像的纹理稻边缘细节特锤。 华l 乏宅力大学顼士学德论文 - _ - - _ p 行变换 b憋h k 攒l腿l 列变换 l l ， h l 2 韩b l l 瓣， 籽h ： l 科l 董勰i 蓬3 一l = 维毫数小波变换豹繁二层变挨示意窭 为了更好的选取小波分解的层数，本论文对原始图像进行了三级离散小波分解， 并对分解螽各图屡的小渡系数俸了统计分褥，统诗结果冕表3 2 。 表3 2 小波分解系数统计表 子图最大值最小值吝子图麓量层麓量 l h l1 4 0 0 0一1 4 0 0 0o 2 9 4 h l i王l i ，0 08 2 ，0 0 o 王4 5唼8 9 h h l5 0 。0 04 5 0 0o 0 5 0 l 珏23 2 5 2 52 5 9 5 0o 5 5 2 h l 2 2 5 2 5 0一2 0 5 o oo 2 2 9o 。8 8 0 h h 2王2 9 2 5一量5 7 0o 0 9 9 l h 36 7 9 7 54 8 4 2 5o 9 2 5 黝 4 i 碡0 04 6 7 1 20 3 5 6i 。4 嚣2 h h 3 2 4 4 2 53 1 7 o oo 1 7 l 幽1 7 5 4 6 08 0 8 89 7 1 7 99 7 1 7 9 通过分析数据可以德出：随着分解级数的增加，小波分解系数的范匿增大，说 翡高级的小波系数较重要。在第三级的l 己3 予带的小波分解系数数值院别的予圈都 大，能量为9 7 1 7 9 ，说明l l 3 子带最爨要。雀相同的分辨率下，l h ，h l 子带比h h 予带酶分解系数和能量都大。 3 l 华l 艺电力大学硕| = 学位论文 3 。8 抗攻击能力方法的分析 以版权保护为应用目的的数字水印要求有很强的鲁棒性，因此水印算法设计必 须考虑到抵抗各种攻击酌畿力，在本论文孛通过以下些技术来增强水印酶挠攻击 能力。 3 。8 。l 滤波 滤波器实质上是一些函数，这些函数具有这样的特点：在经过该函数的处理或 者变换后会抑制菜些频率毽箕拖频率不受影响。滤波嚣大俸上可以分为离逶滤波器 和低通滤波器。高通滤波器允许高频通过而使低频衰减，低通滤波器具有相反的特 性，它允许低频透过焉使高频衰减。高透滤波器和低遴滤波器的频率范围都有个 用来控制通过的频率的阀值。 姨上面酶图像小波系数分辑可以知道，低频小波系数聚集了图像镌大部分麓 量，若在低频小波系数中嵌入水印，将使得在高通滤波中丢失水印信息，从而影响 水印的提取。对角线小波系数所占能量虽然不大，但是，若在这些系数中嵌入水印 蓿患，将使褥水印信息在滤波操作串丢失丽造成鲁捧性得不到保证。丽水平和垂直 小波系数则一般不会被滤波器滤掉，因此，若在这两种系数中嵌入水印，将可以有 效的抵藐滤波攻击。 3 8 2 压缩 图像嚣缩所解决的问题是尽量减少表示数字图像时所需要的数据量。减少数据 量的基本原理是除去其中多余的数据。图像在经过小波变换后，并没有实现压缩， 只是对整幅鎏像酶缝量进行了重薪分配。事实土，变换看费嚣像数据具有更宽的范 围，从表3 2 可以看出，宽范围的大数据被集中在一个较小的区域内而在很大的区 域中数据的动态范豳禳夺。因此高频部分的大多鼗系数裁被分配较小的比特数以达 到压缩的目的。 因此，数据酌蘧缩经常导致高频系数中麴信惠流失，若在高频系数中嵌入水簿， 也将使得水印信息在图像压缩中丢失，从而导致水印的鲁棒性减弱。因此，不能选 择在高频系数中嵌入水印信息。 3 。8 3 抗剪切等几何攻击和抗破密码攻击 露酋，在数字求印技术中，大量的凡 莓操佟帮处理知旋转和羹切也是常霓的。 对水印的攻击除了普通的图像处理操作如压缩、剪切等以外，还有对密钥的攻击。 攻击者通过备种办法试巨破解水印的密锈，并希望瑷鼗来移除数字产熬中的水露丽 非法获得产品的版权。因此在设计水印算法时，除了要考虑到水印对于几何攻击的 华i 艺电力大学颈七学位论文 鲁棒性外，还要考虑到水印的抗破密攻击的能力。在本论文的算法中刹用图像器乱 来增强抗剪切等几何攻击的戆力，增强抗酸密的能力。 数字图像置乱本身是一种常见的图像加密算法，在信息隐藏与伪浆技术中的应 髑非常广泛。数字图像置乱就是将幅给定的图爨按照一定鹣变换规刘在空域或频 域将其变换为一幅杂乱无章的图像，从而隐臧图像本巍的真实信息。幽于在变换中 可以设置不弱的参数和采雳复杂度高的算法，因此可保证鹜像信息具有较高的安全 性。对水印进行置乱可以消除水印像素的空间相关性，因此能提高水印抗图像剪切 操佟翡强壮性。 3 9 小波系数选择 根据上述小渡交换在图像应用串的基本恩恕可翔，水锑既可以嵌入到低频部 分，也可以嵌入到高频部分。在低频系数中嵌入水印，鲁棒性可以得到保证，但是 这种方法只能嵌入较少信息量携东印，并且它的改变很容易影响嵌入东印焉图像的 质量；而在高频系数即对角线系数嵌入水印，人眼不易察觉，但是容易在图像压缩 和去噪等图像处理中丢失信惠，使得水印信息减弱，降低了鲁棒性。因此，本文提 出的这种水印算法是选择小波系数的水平和垂直系数作为嵌入点，也可以称这两种 系数为中频系数。在算法中，在小波变换域的中频系数嵌入水印图像鲍中频系数， 丽将水印的其袍系数作为密镅傈存，供含有永印图豫的求印检测时使用，这样既能 够保证图像嵌入水印后的质量，即保证了水印的不可见性，叉能够使得水印信息不 会在滤波和压缩中丢失，扶蔼增强了水露瓣抗压缩攻击帮抗滤波攻击的麓力。 3 10 算法总体方案 在参考了相关的文献和书籍，学习和借鉴了目前的一些主要的数字水印算法的 基础上，并且在经过上述讨论昶分柝之后，设计了本论文中的基于离散小波变换的 数字水印算法。该算法选择了将水印信息嵌入在原始图像的小波中频系数中。先利 用图像置乱技术将原始水印图像置乱成一幅杂乱无章的图像，再进行二层离散小波 变换，然爱将原始图豫分块并进行三层离散小波变换，剥雳嵌入算法将东窖匿像随 机地嵌入到原始图像中，从而完成嵌入过程。水印的提取和检测过程不需要原始图 像的参与，基本土是嵌入过糕浆逆过程，将求舞图像分块并进行离教小波变换匿将 其反置乱变换最后提取到水印。水印提取和检测算法在下一章的算法实现中将有详 缨皱叙述，因此在此不再赘述。 华l 艺电力大学硕士学位论文 第四章基于离散小波变换的数字水印算法的实现 在前面章节中，介绍了数字水印技术的基本知识，阐述了本论文中数字水印算 法的设计愚想，也详细地分析和设计了数字水印的算法。本章主要是实现该算法。 4 1 水印平台的搭建 一个完整的水印平台应该提供图像的读取和修改、水印性能的评价等功能，实 现对水印方案的验证。本论文在w i 藏纛o w s 平台下，利用v c + 6 ，0 编程实现了水印 方案。该系统的总框架图如图4 1 。 l 密钥 歪常的图像处理 i i | 原始图像卜叫永印嵌入算法h 含水印图像卜_霹络卜叫各种恶意攻击 i 水印图像 待检测图像 i 广一提取的水印h 水印提取算法卜一 密钥 一 相h i 7 y 、 否 r 证明舨权 图像被篡改 4 2 嵌入葬法的实现 图4 1 系统总框架图 4 。2 。 主要模块的设计与实现 在嵌入过程中需要用到离散小波变换、图像置乱等，因此将该嵌入算法细化到 这几个模块，分别实现不同的功能。 4 2 1 1 图像置乱 该模块圭要用于水印图像的预处理。经过置乱后水印图像可以使图像信息分布 更均匀，避免在嵌入水印后的图像中出现人眼可以分辨的水印图像轮廓；降低嵌入 永窝对载体图像空闽上的过多依赖，以抵抗诸如剪切之类的攻击；防止水印损害时 集中到一块，从而造成提取到的水印信息明显降质，以提高水印的鲁棒性。 3 4 华北电力太学砸仁竽位论文 本文所采用的置乱矩阵为“2 k 印图像及其经过k 次置乱后的效果： 7 1 ，其变换周期为6 4 。图4 2 为采用的水 1 1j 差劳羹黧鬻 誊簿华北 簿簿电力 图4 2 水印置乱 4212 图像的分块 该模块主要用于将原始图像分块，本算法中将大小为m n 图像分成1 6 1 6 的块，该图像可以分成( 1 6 ) ( _ v 1 6 ) 块，每一块也用一个矩形表示，并且该小块 的坐标与图像的坐标对应起来。该模块的输入为一幅完整的图像，输出则是一个矩 阵。这个矩阵式是三维的，一维表明图像分块的每一个小块的编号，另外两维是某 块图像的横坐标和纵坐标。算法过程如下： 第一步：获得图像的大小，并获得各个小块在原图像中的行r 和列c 的位置； 第二步：判断标记量l 与r c 的大小，若标记量小，则跳到第三步，否则调 到第五步； 第三步：判断该小块是否在图像的最右边，若是在最右边，则对参数x - 、x ：、 y 。和y 2 分别赋值：x = 1 6 ( i r _ 1 ) + l ，x z = 1 6 ( 1 r ) ，y = 1 6 ( c 一1 ) + 1 ，y 产1 6 c i 否则，对参数x 。、x 2 、y 。和y ：分别赋值：x = 1 6 ( i c ) + 1 ，x z = 1 6 ( i c + 1 ) ，y - 2 1 6 ( i m o dr1 ) 十1 ，y 2 = 1 6 ( 1m o dr ) ； 第四步：得到图像的一个小块，并将标记量i 的值增加1 ，跳回到第二步； 第五步：程序结束，得到该图像的各个小块。 4 213 小波分解 限模块l 要用于将图像分解，能够很好地实现人眼视觉对图像多分辨率的描 述，并且能够实现图像中平稳成分和非平稳成分的分离，具有与人眼视觉特性相结 合的特点。对原始图像进行离散小波分解后的效果如下图4 3 。 华j 匕一b 力 芋硕卜 亿皓文 。 尹r ； 。l a 原幽 c 二级分解d 三级分解 眭l4 3e l a l n e 图像白勺离散小波分解 离散小波变换是该论文中水印嵌入与检测算法的一个重要环节。具体分解过程 如下： 第一步：获得图像分块的数目； 第二步：判断迭代因子是否小于图像分块的数目n ： 第三步：如果小于图像x 的分块的数目n ，则对该小块进行三级离散小波变换， 并且跳转到第二步； 第四步：否则，跳出循环，程序结束。 该模块的输出是个有四个元素的数组，分别是低频小波系数ll ，中额小波 系数l h 、h l 和高频小波系数h h 。 4 2l4 排序分组 该模块用于将原图小波分解的小波系数进行排序分组，根据人眼的视觉特性， 对小波系数排序分组对水印图的小波系数重复嵌入，并根据亮度掩膜特征采取不同 誊妒、 华i 艺电力_ 灭学硕士学谴论文 的调制因子，这样可以既有较强的鲁棒性又满足了水印的不可感知性。 4 2 ，1 5 小波重建 该模块主要是予将各令分块经避小波分解的匿像进行重建。该模块与分块小波 分解模块是功能相逆的模块。因此其过程与分解模块的过程基本上相似，只是小波 分解的时候是进行离教小波分解d w t ，而在小波重建的时候是进行离散小波薰建 l d w t 。该模块韵主要步骤翔下： 第一步：判断迭代因子是否小于图像x 的分块的数目n ； 第二步：魏栗小子委像x 酶分块豹数露l l ，刘对该，j 、块进彳亍离敖小波重建，并 且跳转到第二步； 第三步：否墨l j ，跳窭循环，程亭结束。 该模块是用来对分块后并经多小波分解得图像进行重建，它的输入是各个小波 系数鞠分块的块数，输窭失重建后酶各个小块。 4 2 1 6 图像合成 透为在该算法孛剩蔫了图像分块，所以最嚣还要对蚕像进霉亍合成，使之戒为一 个完整的图像。这个过程是图像分块的逆过程，在进行图像分块时是将每一块的坐 标与整个图像酶坐标对应起来，面在鹜像合成时是将整个霉像的坐标与每一块的坐 标对应起来。 4 2 2 嵌入过程 设原始图像为m n 的灰度图像j ，水印图像为m n 的灰度图像彤，嵌入过 程鹃流程图必匿毒4 ，具体的嵌天步骤如下； s t e pl 将水印图像w 进行a m o l d 变换，并把变换次数作为密钥k e y 。将鼹乱 嚣的水印圈像为矽剩用行扫描形残一维向量，得