基于MATLAB数字水印系统设计文献综述.doc

文 献 综 述前言本毕业设计(论文)题目是基于matlab的数字水印系统设计。数字水印技术（digtal watermarking）是通过一定的算法将一些标志性信息直接嵌入到多媒体内容当中，但不影响原有内容的价值和使用，并且不能被人的感知系统察觉或注意到，只有通过专用的检测仪器或阅读才能提取的一种技术。MATLAB是一套高性能的数值计算和可视化软件，其强大的图形功能以及丰富的图像处理工具函数，使得MATLAB特别适合于图像处理学习和应用。本设计将利用MATLAB，结合数字水印技术实现图像处理的基本功能。正文1. 数字水印技术基本原理数字水印是通过一定的算法，在图像、视频、音频等多媒体数据中嵌入一个可以标示其知识产权的水印信息。水印信息可以是文字、商标、印章或序列号等可以识别作品的作者、来源、版本、拥有者、发行人或合法使用人对数字产品的拥有权。值得注意的是，数字水印并不能阻止盗用或盗版，但是理论上它能识别对象的真伪，复制是否合法，或在版权出现纠纷时提供证据。说“理论上”是因为盗用者会尝试用各种方法破坏甚至去掉对象中的水印信息，如有损坏压缩、几何变形、信号处理操作（重采样、重量子化、抖动变形、线形滤波、非线形滤波、叠加噪声、数/模转换、模/数转换等）以及其他有意攻击。通常会结合密码技术来加强水印的鲁棒性。因此可以认为数字水印技术是建立在视觉识别技术、信息隐藏技术和密码技术基础上的一种技术。结合实际应用的需要，总结出优秀数字水印的特性如下：（1）不可见性。又称“知觉透明性”，首先是数字水印嵌入后应感觉不到，其次是不应影响被嵌入对象的视觉或听觉等质量的下降。（2）鲁棒性。水印信息在经过常规信号处理操作后，仍然能检测到水印的能力。（3）安全性。指水印算法具有较强的抵抗人为攻击的能力。（4）可证明性。能够为受到版权保护对象的所有权归属提供完全和可靠的证据。2 数字水印理论模型一般而言数字水印算法由3个部分组成：水印嵌入算法、水印提取算法、水印检测算法。图13图给出了数字水印系统通用模型的示意图，各部分的含义与数学模型说明如下： 水印W水印载体数据Xw原始数据X数字水印嵌入算法Em水印生成算法G水印密钥K图1 数字水印信息嵌入过程示意图图2 数字水印信息提取过程示意图水印W原始数据X水印载体数据Xw水印密钥K数字水印提算法Em图3 数字水印信息检测过程示意图原始数据X水印W水印载体数据Xw水印存在与否？水印密钥K数字水印检测算法De（1）X为原始的数据，是水印的嵌入载体。（2）W为水印信息。（3）K为水印密钥（也称为标示码）。（4）G为水印生成算法，输入为X的特征值（如Hash值）和K，输出为水印信息W，即： （5）Em是水印嵌入算法，输入为水印信息W和原始多媒体数据X，输出为加入水印的多媒体数据Xw ，即： （6） Ex是水印提取算法，其功能是从带有水印信息的多媒体数据中提取水印信息。算法输入为原始数据X、带有水印的多媒体数据Xw和水印密钥K，输出为水印信息W，即： （7） De是水印检测算法，其功能是检测对象中是否存在特定的水印信息。算法输入为特定水印信息W、X、Xw和K ，其输出为0或1，0表示不存在，1表示存在。3.数字水印典型算法由于应用需求的推动，数字水印技术的研究取得了很大的进步，出现了很多水印算法。从技术实现的角度来看，可以把水印算法分为：空间域算法、变换域算法和压缩域算法。3.1 空间域算法空间域算法的基本思想是直接将水印信息嵌入到多媒体数据中，通常这些位置不影响被嵌入对象基本属性，从而实现了水印的隐藏。该类算法实现比较简单，早期的数字水印算法基本上都属于该类。但是由于水印嵌入的位置在很大程度上相似，因此水印的鲁棒性比较差。比较典型的算法有：最低位有效算法（LSB）：将水印信息嵌入到对象数据的最低n位（实践中n的取值以人感觉不到为原则），即LSB位中；此法的优点是实现简单、隐藏信息量大，缺点是鲁棒性差；基于统计特性的Patchwork算法：随机选择N对像素点（ai，bi），然后将每个ai 的亮度值加1，每个bi 的亮度值减1。通过调整参数可以使对象的平均亮度保持不变。此法对有损JPEG压缩、滤波和图像剪裁有一定的抵抗能力，水印隐藏效果也比较好，但是隐藏的信息量有限，并且自动实现有困难；文档结构微调法：通过垂直调整行距、水平调整间距和调整字体的属性的方式来完成水印信息的编码嵌入。该法只适用于文档图像。3.2 变换域算法变换域算法的基本思想是通过修改多媒体数据的变换系数来实现水印信息的嵌入。常用的变换有离散余弦变换（DCT）、离散小波变换（DWT）、离散傅立叶变换（DFT）、矢量变换等。Cox等人提出的基于图像全局的数字水印算法有一定的代表性。算法实现过程为：先计算图像的离散余弦（DCT），将其前K个非直流最大分量表示为D=di，i=（1，2，k）；水印是服从高斯分布的随机实数序列W=wi，i=（1，2，k）；水印的嵌入算法可表示为di= di（1+wi），为常数因子，用来控制水印强度。用新系数做DCT反变换即得到载体数据XW。提取过程为分别计算X和XW 的DCT变换得到di和di， 代入嵌入算法即可得水印信息W*。检测过程为计算W与W*的相关性。变换域算法因其不可见性和鲁棒性好成为当前研究的主流，出现了较多基于DCT的优秀算法；而基于DWT产生的水印因具有良好的视觉效果和抵抗多种攻击的能力成为当前研究的热点和未来最重要的方向。3.3 压缩域算法压缩域算法是将水印信息嵌入压缩后的数据流或索引中。特别是基于JPEG和MPEG标准的压缩域数字水印系统节省了完全解码和重新编码过程，因而在数字电视广播和VOD中具有很大的实用价值。Hartung等人提出的基于扩频的MPEG-2压缩水印算法具有代表性。结论本设计将通过对数字水印基本原理研究，结合MATLAB图像处理工具，针对目前水印设计的一些经典算法，对比分析各自的优点及其存在的问题，提出新的设计思想，并进行水印的嵌入算法设计与实现，水印的提取算法设计与实现及水印的安全可靠性分析。 参考文献1 Tirkel A，Schyndel V. A digital watermark A. In: Proceeding ICTPC，1994(2)。2 Wang Huiqin，Wang Zhixiong，Li Renhou .Watermarks for copyright protection A，Proceeding of 7th Joint International Computer ConferenceC. Shan Tou，China， 2000(22)。3向辉. 基于信息重组思想的多媒体数据压缩与多媒体数据安全技术研究D. 杭州：浙江大学CAD&CG国家重点实验室，博士学位论文，1999。4 Cox I J，Killian J，