【毕业设计】论文-基于dwt的彩色图像水印设计

论文包含完整源程序文件，需要请联系QQ68661508基于DWT的彩色图像水印设计摘要随着信息技术的快速发展，电子商务及大量商用多媒体业务的涌现，使得数字产品的版权保护显得尤为重要。版权保护问题是现在乃至将来相当长一段时期内的研究热点之一。数字水印技术是一种有效的数字版权保护技术，而基于彩色图像的数字水印技术是当前数字水印技术的研究热点。本文在研究了基于DWT数字图像水印基本算法的基础上，重点研究了基于彩色RGB图像的水印算法,仿真实验结果表明了该设计算法的优越性。本文研究了在彩色图像中嵌入彩色图像水印，嵌入的方式为彩色图像二级小波系数奇偶量化，以保证在水印提取过程中不需要原始图像参与，而且整个提取算法简单准确。实验结果表明本算法对JPEG压缩、加噪等一般的图像处理攻击具有较强的鲁捧性。关键字数字水印，离散小波变换，RGB彩色图像，嵌入,提取DESIGNOFCOLORFULIMAGEWATERMARKINGALGORITHMBASEDONDWTABSTRACTWITHTHERAPIDDEVELOPMENTOFINFORMATIONTECHNOLOGYANDTHEEME,GENCEOFELECTRONICCOMMERCEANDCOMMERCIALMULTIMEDIASERVICE,COPYRIGHTPROTECTIONTECHNOLOGYOFMULTIMEDIADATAISTHEHOTSPOTOFTHECURRENTRESEARCHDIGITALWATERMARKINGTECHNIQUEISANEFFECTIVEMETHODTOSOLVETHEPROBLEMOFDIGITALCOPYRIGHTPROTECTIONANDDIGITALWATERMARKINGTECHNIQUEBASEDONCOLORIMAGEISTHERESEARCHHOTSPOTINTHISFIELDTHISDISSERTATIONMAKESARESEARCHONTHEALGORITHMOFIMAGEWATERMARKINGBASEDONDWTDISCRETEWAVELETTRANSFORMTHEEMPHASESISIMAGEWATERMARKINGALGORITHMBASEDONCOLORIMAGE,TWOKINDSBASICALGORITHMSWASIMPROVEDWHICHGRAYIMAGEWATERMARKINGWASEMBEDINTOCOLORIMAGE，BASEDONTHETWOMETHODS，THISDISSERTATIONMAKESAWIDEANDDEEPRESEARCHONALLIMPROVEDALGORITHMOFAPIECEDISPERSESTOEMBEDWATERMARKINGINFORMATIONBASEDONDWTTHEEXPERIMENTALRESULTSSHOWTHESUPERIORITYOFDESIGNALGORITHMTHEALGORITHMRESEARCHESTHEBILEVELIMAGEWATERMARKINGTOINSERTINTHEIMAGEOFGRADATION,THEALGORITHMOFINSERTINGINTHREELEVELOFWAVELETISODDEVENQUANTIZATIONFORGRADATIONEXPERIMENTALRESULTSSHOWTHATTHEPROPOSEDALGORITHMENSUREDTHEHIGHQUALITYOFTHEIMAGEANDROBUSTNESSAGAINSTSOMECOMMONIMAGEPROCESSING,SUCHASCUT,JPEGCOMPRESS,NOISEETCKEYWORDSDIGITALWATERMARKING,DWT,RGBIMAGE,EMBEDDING,EXTRACTION目录摘要IABSTRACTII目录III1绪论111研究的目的及意义112国内外研究现状及发展方向213论文内容及结构514本章小节52信息隐藏及数字水印技术概述621信息隐藏技术的特点622数字水印概述7221数字水印技术7222数字水印的特征7223数字水印的分类8224数字水印系统模型923数字水印的典型算法及攻击类型11231数字水印的典型算法分类11232数字水印的攻击类型1224数字水印评价标准1325本章小结143RGB彩色图像1531色彩空间概述1532RGB图像基本概念1533图像的小波分解与重构1634本章小结204数字水印工具MATLAB2141MATLAB基本介绍2142MATLAB常用函数介绍21421图像显示及数据输入输出函数21422常用变换域函数21423攻击函数22424取整函数22425图像文件输入输出函数22426图像颜色及类型转换函数2243MATLAB的应用2344本章小结255水印嵌入及提取2651嵌入算法框图及实现过程2652提取算法框图及实现过程2853本章小结296水印攻击测试3061攻击方法的分类及其相关概念30611鲁棒性30612不可见性31613安全性31614攻击方法的分类32615攻击测试3262本章小结357总结36致谢37参考文献38附录391绪论11研究的目的及意义20世纪90年代以来，计算机网络技术和多媒体信息处理技术在全世界范围内得到了迅猛发展。但是这些在给人们带来便利的同时也暴露出越来越严重的安全问题，如多媒体作品的舨权侵犯、电子商务中的非法盗用和篡改等。毫无疑问，网络中的信息安全问题是现在乃至将来相当长一段时期内的研究热点之一。上世纪90年代初，国际信息技术研究领域出现了一个新的研究方向数字东印技术。数字水印技术DIGITALWATERMARKING是一种信息隐藏技术，它的基本思想是在图像、音频和视频等数字产品中嵌入秘密信息，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加信息等。数字水印，属于信息隐藏技术的一种，与钞票水印相类似，它是将具有确定性和保密性的信息水印直接嵌入到数字纯媒体静止图像、语音、文档、图书、视频等中，使之作为原始数据的一部分而保留在其中，因而即使在解密之后仍可以对数据的复制和传输实施跟踪，从而实现隐藏传输、存储、标注、身份识别、版权保护等功能。嵌入的水印信息隐藏于宿主文件中，不影响原始文件的可视性和完整性，只有通过专用的检测器才能提取。其中的水印信息可以是公词标志、作者的序列号、有特殊意义的文本等，可用来识别文件、音像制品的来源、版本、原作者、搠有者、发行人、合法使用人对数字产品的搁有权。可见，一方面，它可以被用来证明原剖作者对其作品的所有权，作为鉴定、起诉非法侵权的证据另一方面，作者还可以通过对其数字产品中的水印进行探测和分析来实现对作品的动态跟踪，从而保证其作品的完整性，因而数字水印已经成为了知识产权保护和数字多媒体防伪的有效手段。在许多水印应用中，嵌入水印的图像在达到接收端时总要经受一些处理，这些处理可以是有损压缩、信号增强、几何变换、DA或A/D转换，水印有可能有意或无意地受到这种处理的削弱。在水印术语中，攻击指的是任何一秘可能削弱水印的检测或对水印所表达的信息传输的处理。经过这种处理盖的含水印图像称为受攻击图像。任何水印算法的一个重要方面是它对攻击的稳健性。稳健性的定义直观意义下是很清楚的如果在受到攻击的数据不会变的无法使用的前提下，水印不会受到削弱的，那么它是稳健的。永印削弱的程度可以由数据丢失概率、比特错误概率或信道容量来衡量。对于多媒体，受攻击数据的可使用性可以通过感知品质和失真来标定。因而稳健性的评估可以通过考虑水印的削弱稠受攻击数据的失真来得到。如果对水印的攻击使得水印受到的削弱超过可接受的程度，而同时保持受攻击信号的感知品质，那么攻击就是成功的。然而，数字水印算法的抗攻击能力仍然没能达到人们的预期要求，一般只能抵抗几种常见的攻击，如有损压缩、信号增强。水印同步攻击被认为是提高稳健性的关键问题，其典型的攻击是几何变换攻击，它通过图像的集合操作，如图像缩放、空间位移、旋转、图像裁减、重采样以及一些几何变形等破坏水印检测与数字水印的同步性，从而使水印检测器检测不到图像中的水印信号，进而达到攻击的目的，是一种有效的攻击方法。因此，抗各种几何攻击的数字水印图像检测技术仍然是一项富有挑战性的工作。彩色图像数字水印技术是图像处理的研究热点之一，MATLAB图像处理工具箱将彩色图像当作索引图像或RGB图像红、绿、蓝来处理，而一幅RGB图像就是彩色像素的一个MXNX3数组，其中每一个彩色像素点都是在特定空间位置的彩色图像相对应的红、绿、蓝三个分量。RGB也可以看成是一个由三幅灰度图像形成的“堆”。本文手是瞄准数字图像水印技术的研究热点，主要研究基予离散小波变换DISCRETEWAVELETTRANSFORM，D的图像水印的嵌入和检测算法，在研究灰度图像水印算法的基础上重点研究彩色RGB图像的水印算法。12国内外研究现状及发展方向数字水印技术自1993年被提出以来，由于其在信息安全和经济上的重要地位，发展较为迅速，世界各国的科研机构、大学和商业集团都积极的参与或投资支持此方面的研究。如美国财政部、美国版权工作组、美国洛斯阿莫斯国家实验室、美国海陆空研究实验室、欧洲电信联盟、德国国家信息技术研究中心、日本N玎信息与通信系统研究中心、麻省理工学院、南加利福尼亚大学、剑桥大学、瑞士洛桑联邦工学院、微软公司、朗讯贸尔实验室等都在进行这方面的研究工作。IBM公司、日立公司、NEC公司、PIONEER电子公司和SONY公司等五家公司还宣布联合研究基于信息隐藏的电子水印。国际学术界陆续发表了许多关于数字水印技术方面的文章，几个有影响的国际会议如IEEE，SPIE等及一些国际权威学术期刊如SIGNALPROCESSING等相继出版了有关数字水印技术的专题。1996年，国际第一届信息隐藏学术讨论会1QINTERNATIONALINFORMATIONHIDINGWORKSHOP在荚因剑挢牛顿研究所召开，至今该研讨会已举办了五届。在1999年第三届信息隐藏国际学术研讨会上，数字水印成为主旋律，全部33篇文章中有18篇是关于数字水印的研究。1998年的国际图像处理大会上，还开辟了两个关于数字水印的专题讨论。由MARTINKUTTER创建的WATERMARKINGWORLD已成为一个关于数字水印的著名网上论坛。在20世纪90年代末期一些公司开始正式地销售水印产品。在图像水印方面，美国的DIGIMARC公司率先推出了第一个商用数字水印软件，而后又以插件形式将该软件集成到ADOBE公司的PHOTOSHOP和CORELDRAW图像处理软件中。该公司还推出了媒体桥MEDIABRIDGE技术，利用这项技术用户只要将含有DIGIMARC水印信息的图片放在网络摄像机WEBCAMERA前，媒体桥技术就可以直接将用户带到与图像内容相关联的网络站点。ALPVISION公司推出的LAVELIT软件，能够在任何扫描的图片中隐藏若干字符，这些字符标记可以作为原始文件出处的证明，也就是说，任何电子图片，无论是用于WORD文档、出版物，还是电子邮件或者网页，都可以借助于隐藏的标记知道它的原始出处。ALPVISION的SAFEPAPER是专为打印文档设计的安全产品，它将水印信息隐藏到纸的背丽，以此来证明该文档的真伪。SAFEPAPER可用予证明一份文件是否为指定的公司或组织所打印，如医疗处方、法律文书、契约等，还可以将一些重要或秘密的信息，如商标、专利、名字、金额等，隐藏到数字水印中。欧洲电子产业界和有关大学协俸开发采用数字水印技术来监视复制音像软俘的监视系统，以防止数字广播业者的不正当复制的行为。该开发计划名称为TALISMANTRACINGAUTHORSRIGHTSBYLABELINGIMAGESERVICEANDMONITORINGACCESSNETWORKS。此开发计划作为欧洲电子产业界等缀织的欧共体项霞子1995年9月开始进行，1998年8胃结束，法国、比利时、德国、殖班牙、意大利和瑞士等在内的L1个通信与广播业者、研究单位和大学参加。随着技术信息交流的加快和水印技术的迅速发展，国内一些研究单位也已逐步从技术跟踪转向深入系统研究，备大研究所和高校纷纷投入数字水印的研究，其中比较有代表性的有哈尔滨工业大学的孙圣和、牛夏牧、陆誓明等，天津大学的张春用、苏育挺等，北京邮电大学的杨义先、钮心忻等，中国科学院动化研究所的刘瑞祯、谭铁牛等，镌绷是圈内较早投入水印技术研究且取得较好成绩的科研单位。我国于1999年由北京电予技术应用研究所组织，召开了第一届信息隐藏学术研讨会，至今已成功的举办了四届，很大程度地推进了国内水印技术的研究与发展。同时，国家对信息安全产韭的健康发展也非常的重视，在2003年的科技型中小企业技术创新基金若干重点顽强指南中，明确指出了对于“数字产品产权保护基于数字水印、信息隐藏、或者网络认证等先进技术“和“个性化产品证件的防伪基于水印、编码、或挑战应答等技术“等多项防盗版和防伪技术予以重点支持。现在国内已经出现了一些生产水印产品的公司，其中比较有代表性的是由中科院自动化研究所的刘瑞祯、谭铁牛等人于2002年在上海创办了的一家专门从事数字水印、多媒体信息和网络安全、防伪技术等软硬件开发的公司上海阿须数码技术有限公司，公司现从事数字证件、数字印章、PDF文本、分块离散图像、视频、网络安全等多方面数字水印技术的研究，现在这家公司已申请了一项国际和三项国家数字水印技术专利。虽然数字水印在国内的应用还处于初级阶段，但水印公司的创办使得数字水辞技术在因内不仅仅只停留在理论研究的层面上，嚣是从此走主了实用化和商业化的道路，这样会更加推动国内水印技术的蓬勃发展，为因内的信息安全产业提供有效的、安全的保障。目前，数字水印的研究麸结构层次上可分为基础理论研究、应用基础研究、应用技术研究三个层次1基础理论研究主要针对感知理论、信息隐藏及其数字水印模型、理论框架等。2应用基础研究的主要方向是针对声音、图像、视频等多媒体信号，研究相应的数字水印隐藏算法和检测算法，以及能够抵抗仿射变换、滤波、重采样、色彩抖动、有损压缩的鲁棒的数字水印技术。3应用技术的研究良实用化为主要目的，研究各种多媒体格式的数字水印算法。数字水印领域涌现出大量的水印嵌入和检测方法，这些方法大致可以分为空间域方法和变换域方法两种。其中，变换域算法需要先对源数据进行一个变换，然后在变换域中完成水印的嵌入和检测，因而往往会需要较大的运算量。但是，由于压缩、滤波等等图象处理的过程经常也是在变换域完成，如果处理的过程和水印信号嵌入使用相同的变换域，那么这些处理对数字水印的影响将可以被大大地降低。例如，将图像进行DCTDISCRETECOSINETRANSFORM变换后再在变换域嵌入水印，就可以提高水印系统抵抗JPEG压缩处理的能力。因此，选择一个合适的变换操作，然后在该变换域嵌入水印，则可以提高水印嵌入系统的鲁棒性。虽有一些研究算法翻技术可以抵抗常见的噪声干扰、JPEG有损压缩等，僵对于抵抗剪切、缩放、旋转、最新的JPEG2000压缩标准及AD、DA变换等处理和攻击却很少，尤其是不能抵抗信号处理和几何变换的联合攻击。在进一步的应用中，迫切需要可以抵抗旋转、缩放、平移的数字水印技术以及不需原图像的意捡测，需要检测出的水印有数字、二值图、灰度图和彩色图，这些构成了第二代数字水印技术。根据数字水印技术的不可感知性和鲁棒性等特点，数字水印会在更为广阔的领域得到新的应用，如在印刷防伪中的应用。当然，这需要研究更为鲁棒的数字水印技术。在技术上除要满足第一、第二代数字水印技术的特性钤，还需要抵抗A/D和D/A变换、非线性量纯、色彩失真、仿射变换和投影变换等攻击，且必须与打印扫描原理或印刷原理及工艺相结合。这在理论上和算法设计上都提出了更富有挑战性的课题。总的说来，水印技术的研究殴经取得了相当的成绩，但是在水印技术进一步的研究和应用方面还有很多的路要走。首先，目前对鲁棒水印的研究是水印技术一个比较劣势的领域。另外，水印技术的研究应该和相关技术的研究保持紧密的联系，对于图片资产的水印技术而言，应该充分借鉴目前图片处理中用到的技术，例如小波分析的使用等。作为一个新兴而有具有广阔前景的领域，数字水印技术已经取得了巨大的成就，但是还有大量的问题等待解决。下面的几个方面是水印技术研究亟待解决的问题，也将会成为数字水印技术领域可预见的研究热点1水印嵌入模型中对于水印的预处理和其他优化措施。在目前的水印模型中，算法本身已经取得了大量的成果，但对于应用来说，这些预处理和优化措施已经成为应用的瓶颈。2抗几何攻击的鲁棒数字水印技术的提高。几何攻击被认为是鲁棒数字水印技术走上商用的瓶颈，提高水印技术的鲁棒性已经迫在眉睫了。3易损水印的深入研究和应用。由于易损水印能够完成认证的功能，这对于未来的电子政务、电子商务等应用的发展其有举足轻重的作用。4可信第三方的建立。水印技术需要权威的第三方机构来保存水印、提供仲裁等。当前面临的是一个飞速进步的时代，INTERNET的蔓延、数字技术的发震、生物技术的研究等等这一切都将带动整个人类社会的不断前进，这一点在IT领域体现得更加明显。最初提出数字水印的目的是为了保护版权，然而随着数字水印技术的发展，人们发现了更多更广的应用，例如广播监控、所有者鉴别、所权验证、操作跟踪、内容认证、拷贝控制和设备控制。数字水印技术还处于发展之中，上述这些应用也不可能包含其所有可能的应用领域，但可以看出数字水印技术未来的应用市场将会更加广阔，毕竟，它还是个方兴未艾的领域。在未来的日子墨，水印技术的研究一定会取褥越来越多的成果，这也必将极大的促进数字技术的进步，进而推动整个社会更大的发展。13论文内容及结构本论文分为以下几部分来介绍第一部分是绪论，在这部分里，我们主要介绍了数字水印技术的发展背景和现阶段国内外的发展情况，及本论文的主要工作任务和实现目标；第二部分是信息隐藏及数字水印技术概述，数字水印技术主要分为时/空域算法、变换域算法和压缩域算法三大类；第三部分是RGB彩色图像，主要介绍了色彩空间及其的分解过程；第四部分是MATLAB工具的介绍，MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，是我们在数学过程中较为常用的软件，也是数字水印算法较为方便和实用的软件；第五部分是水印嵌入及提取；第六部分是水印攻击，为了测试水印图像的抗攻击能力，我们在嵌入水印图像后，对其进行几何攻击和JPEG压缩攻击等测试，进而得出抗攻击能力强弱的结论；第七部分是总结。14本章小节本章主要介绍了数字水印技术的相关背景和在国内外的发展状况，并剪短的概括了本次技术的实现方法和手段。而MATLAB成为了此次数字水印嵌入和提取的技术工具，下一章将为大家详细介绍数字水印技术。图11水印嵌入通用模型2信息隐藏及数字水印技术概述数字水印技术是一种新兴的信息隐藏技术，它是为适应版权信息隐藏与跟踪需要而诞生的，该技术鼓励携带水印信息的产品被合法使用。产品中隐藏的水印信息提供随时被检测使用的数据，以此保护产品的版权所有者的利益并促进数字产品的开发与使用，尊重创作与知识版权。数字水印技术作为版权保护和安全认证的有力工具，己引起人们广泛的关注。21信息隐藏技术的特点经过近几年的研究，信息隐藏技术己经取得了很大的发展，并根据其应用目的的不同而形成了不同的特征。具体分类如图21所示。图21信息隐藏技术的主要分支信息隐藏虽有不同的分支，但每个分支都其有以下共同特征1不可感知性。对信息隐藏系统的一个最重要的要求是隐藏信息的不可感知性，它信息隐藏系统的必要条件。如果在信息嵌入过程使载体引入了人为痕迹，给图像的质量带来了可视性的下降，就会减少已嵌入信患的图像的价值，破坏信息隐藏系统的安全性。2鲁棒性。信息隐藏应该能够抵抗由标准或恶意的数据处理所引入的失真或者攻信息隐藏隐蔽通道掩密术匿名版权标记语言掩密技术演密鲁棒版权标记易碎版权标记指纹水印不可感知水印可见水印击，但是至今还没有如此完美的方法，因此，一般信息隐藏系统总是面向具体应用，在鲁棒性和其他要求之间寻找平衡。对数字图像数字水印鲁棒性的最基本的要求是能够抵抗一些基本的图像处理和操作，从反向来说，研究数字水印的攻击和及其对策，能够促进数字水印系统朝着更高的鲁棒性方向发展，具备更强的抗攻击能力。3嵌入容量和强度。在保证不可感知性和载体一定的前提下，希望在载体中传送更多的信息，这就意味着隐藏信息的数据率要高。另外，也薷望嵌入信息的强度较高，这可以增强信息隐藏系统的鲁棒性，但会减弱数字水印的不可感知性和安全性，所以要均衡考虑这个问题。掩密术对容量的要求较高，否则隐蔽通信的价值将大大降低，而数字水印则对载体的视觉质量要求较高。在信息隐藏技术的所有分类中，主要的应用是以下2个方面1数字水印。数字水印技术是指在数字产品中嵌入一些数字信息来证明数字版权的所有者、内容、版权、认证信息、完整性等。被嵌入的数字信息可以是作者的签名、产品的序列号、公司的名称和标识等信息。这些信息将长期驻留在数字产品中，在需要的时候通过水印检测算法提取出水印信息，以此来跟踪盗版和确认盗版行为。由于数字水印嵌入算法只对宿主载体做微小的改动，所以数字水印的嵌入不会影响数字产品的使用。2隐蔽通信COVERTCOMMUNICATION。信息隐蔽透信可以认为是继“数字水印”之后引发人们去研究的同类技术的另一个方面的问题。隐蔽通信主要研究如何利用公网和多媒体数字产品进行信息隐藏从而实现秘密信息的安全传递。对于在本文中重点研究的数字水印技术，下文将会进行详细讨论和研究。22数字水印概述221数字水印技术数字水印它是利用数字作品中普遍存在的冗余数据与随机性把版权信息嵌入在数字作品中，从褥起到保护数字作品版权或完整性的一种技术。与信息隐藏不同的地方是它对鲁棒性要求较高。对于攻击者，即使知道水印的存在，要保证原始媒体质量的同时破坏水印也是很困难的。水印在承载媒体中可嵌入的数据量远小于信息隐藏所能嵌入的信息量。它提供了一种不可感知的修改数字作品且不必修改作品本身数据格式和数据量大小就可在其中附加安全信怠水印的合理机制。其宿主媒体可以是图像、声音、文本或者视频等各种各样的数字作品。它将信息秘密隐藏于宿主数字媒体之中，一如作者的数字签名、网期、公司的商标或随机序罗L等，用以证明作者的版权，并可作为解决舨权冲突、起诉非法侵权的证据。从信号处理的角度来看，在载体中嵌入数字水印信号可以视为在强背景原始载体下叠加一个弱信号水印。由于人的视觉系统HUMANVISUALSYSTEMHVS、听觉系统HUMANACOUSTICALSYSTEM，HAS的分辨率受到一定的限制，若叠加的水印信号幅度低于HVS或HAS的对比度门限，人的视觉和听觉系统就感觉不到信号的存在。由于对比度门限值受到空间、时问和频率特性的影响，所以只要嵌入的水印信息不明显地改变载体视觉质量，就可以在不引起入感知的情况下嵌入水印信息。222数字水印的特征数字水印基本特征可归纳如下。1不可感知性。不可感知性也称作感知透明性，指嵌入水印之后的图像在人眼视觉范围内感觉不到变化，要求有很好的不可见性。在大多数水印算法中，都要求嵌入的水印不影响宿主数据的感知质量。评价不可感知性的标准包括主观评价标准和客观评价标准。主观评价标准是观察者根据一些事先规定的评价尺度或自己经验，对测试图像按照视觉效果进行质量判断，并给出质量分数，对所有观察者给出的分数进行加权平均，所得结果即为图像的主观质量评价。这种方法只能大致地反映出图像的直观质量，无法定量的描述算法的质量。在实际应用中主观质量评价方法会受到限制，不适合某些应用场合。常用客观评价标准包括峰值信嗓比PEAKSIGNALNOISERATIO，PSNR、均方差MEANSQUAREDERROR,MSE、归一化互相关系数NORMALIZEDCORRELATIONCOEFFICIENT，NC等。2鲁棒性。鲁棒性是指一个数字水印应该能够承受大量的、不同的物理和几何失真，包括有意的如恶意攻击或无意的如图像压缩、滤波、扫描与复印、噪声污染和尺寸变化等等。当被保护的信息经过某种改动后，比如在传输、压缩、滤波，图像的几何变换如平移、伸缩、旋转和剪裁等处理下，鲁棒性强的水印算法能从水印图像中提取出嵌入的水印戏证明水印的存在。为了确定图像中是否含有水印，可采用归一化相关系数NC，对提取出韵承印和原始永印的相似性进行定量检测，NC值越大，表示提取出的水印与原始水印的相似程度越高，说明水印的鲁棒性越好。3安全性。水印认证系统的安全性依赖于密钥，这要求密钥空间必须足够大，保证难以利用其它相关信息被推导出来。不同密钥产生的水印信号间应该是不相同的，检测时必须拥有难确的密钥才能正确检测，否则检测失败，从而增强了水印认证的安全性。如果需要设计一个版权保护系统，需要考虑密钥产生、密铜分发及密铜管理等问题。因此加大密码保密力度也是认证信息安全和进行信息保密的主要保障措施。4可检测性。对于易损水印系统或者半易损水印系统，要求水印的检测必须是盲检测，否则没有任何意义，对于鲁棒水印，目前的水印方案基本上都是非盲检测水印方案，比如，当前最流行的扩频水印方案。由于盲检测水印方案公证机构不需要对原始图像注册，因而更具优越性。5无损性。水印的嵌入不应当损失载体的原有信息。上述数字水印的特征中，鲁棒性、不可感知性和安全性是最基本的特征。223数字水印的分类随着数字水印技术的应用领域的不断拓展，越来越多的行业根据各融的需求研究这一技术，得到了各种不同的数字水印系统，从不同的角度看主要有以下几种划分方法1按鲁棒性来分，可分为易脆永印、半易脆水印和鲁棒性水印。易损水印很容易被破坏，要求具有很高的图像变化敏感性，极其细小的图像变动也会影响数字水印的提取和检测，故可利用此类水印进行图像篡改的提示和图像数据完整性的检测，其主要用于信息的完整性认证和内容保护等方面。但对鲁棒的数字水印而言，则要求水印嵌入载体之后，不会因载体经过一些信号处理而丢失。此类水印对常见图像的处理操作有较强的抵抗力，适用于媒体的舨权保护及真伪鉴别等。2按水印隐藏的位置划分为时域数字水印、频域数字水印和时间/尺度域数字水印。时域数字水印是直接在信号空间上叠加水印信息，面频域数字水印和时间/尺度域数字水印则分别是在DCT变换域和小波变换域上隐藏水印。随着数字水印技术的发展，各种水印算法层出不穷，水印的隐藏位置也不再局限于上述三种。实际上只要构成一种信号变换，就有可能在其变换空问上隐藏水印。相比较与时域数字水翻，变换域数字求馨算法具有以下几个主要优点1在频率域中嵌入的水印信号，其能量可以分布到空间域的所有像素上，有利于保证不可见性。2在频率域，HVS的某些特性如视觉掩蔽特性、频率掩蔽特性可以更方便地结合到水印编码过程中，有利于鲁棒性的提高。3变换域的方法可与国际数据压缩标准兼容，对有损压缩和其他的信号处理具有较强的免疫力。4按永印的检测过程是否需要原始图像可将水印分为明文水印和盲水印。为了不影响载体信息的使用质量，盲水印将是今后的主要发展方向。在提取或检测水印的过程中如果需要原始图像数据来提取水印信号，则称为非盲水印；否则称为盲水印。一般情况下，非盲水印比盲水印更安全，但其应用受到存储成本的限制，所以目前学术界研究的数字水印大多数是盲水印，是水印算法发展的方向。5从外观感觉上分类，可分为可见水印和不可见水印。可见水印VISIBLEDIGITALWATERMARKING，目的主要在于明确标识版权，防止非法的使用，虽然降低了资料的商业价值，却无损于所有者的使用。不可见水印INVISIBLEDIGITALWATERMARKING在视觉上是不可见的严格说是无法察觉。目的是为了将来作为起诉非法使用者的证据，从而保护原创者和所有者的版权。以上提到的变换域数字水印基本上是不可见数字水印。另外，还有其他一些分类方法按水印所附载的媒体划分图像水印、音频水印、视频水印、文本水印以及用于三维网格模型的网格水印等；按数字水印的内容可以将水印划分为有意义水印和无意义水印；按含水印图像在检测端完全还原为原始图像可以分为可逆水印和不可逆水印；按水印的用途，划分为票据防伪水印、版权保护水印、篡改提示水印和隐蔽标识水印。224数字水印系统模型纵观目前所有的水印方案，可以发现水印系统一般由两部分组成，即水印嵌入系统和永印检测系统，它可以定义为八元体M，X，W，K，G，EM，EX，D。水印嵌入和检测系统分别如图21和图22所示。而作为水印信息的重要组成部分密钥，则是每个设计方案的一个重要特色所在。图21水印信号的嵌入模型图22水印信号的提取模型图21为水印信号的嵌入模型，其功能是完成将水印信号加入原始数据中图22为水印信号提取模型，完成从水印数据中提取出东印信号，水印信号的检测用以判断某一数据中是否含有指定的水印信号。水印提取能够显示出作品的版权；而水印检测则只需要判断水印信号中是否嵌入某一水印，比如扩频水印采用的相关检测方法，如果相关值大于某一阙值，则认为水印信号中存在水印。下面图中分别给出了水印的嵌入与检测过程。1M代表所有可能原始信息的集合。2G表示利用原始信息M、密钥K和原始数字产品Z共同生成水印的预处理算法。3K代表水印密钥K的集合。4W代表所有由原始信息的集合M和水印预处理算法G生成的水印信号W的集合。秘钥K数字产品X原始信息M水印预处理算法G水印信号W水印嵌入算法EX含水印数字产品X水印信号W水印提取算法EX含水印数字产品X水印检测算法D水印有或无WGM，K215X代表所要保护的数字产品的集合。6EM表示将水印、嵌入数字产品X中的嵌入算法，为了提高安全性，有时在嵌入算法中也包含嵌入密钥。XEMX，W227歇表示水印提取算法，将水印信号W从含水印的数字产品X中完整的提取出。WEXX238移表示水印检测算法，判断含水印的数字产品X中是否有水印信号W。2423数字水印的典型算法及攻击类型231数字水印的典型算法分类目前数字水印主要有空间域和变换域两类算法。1空间域算法A最低有效位方法LEASTSIGNIFICANTBIT将水印信息嵌入到随机选择的图像像素点的最不重要比特位LEASTSIGNIFICANTBIT上，低位所代表的能量很少，改变低位对图像的质量没有太大的影响。LSB方法正是利用这一点在图像低位隐藏入水印信息。常用LSB算法有两种一是将图像的LSB用伪随机序列来代替，另一种是在LSB中加入伪随机序列。这种方法的优点是能有效地确定一幅图像在何处被改变，而且能嵌入较多的信息量，并保证嵌入的水印翻是不见的。但缺点也比较明显，意于使用了图像不重要的象素位，算法的鲁棒性差，所嵌入的数字水印信息是极为脆弱的，很容易被图像量化、滤波、图像压缩等移除攻击破坏。BPATCHWORK方法它利用图像像素的统计特征将信息嵌入到像素点的亮度值中。这种方法是通过任意选择N对图像点，增加一点亮度的同时，降低相应另一点的亮度值来加载数字水印，这样整个图像的平均亮度会保持不变。例如随机地选取一对像素（A，B，通过对A加1而同时对B减1达到隐藏LBIT的目的。该算法的优点是有不易察觉性，并且对于有损压缩编码JPEG和一些恶意攻击处理具有抵抗力；而缺点是该算法嵌入的信息量有限，宪全满足算法前提条件的图像是不普遍的，而且该算法对于几何处理也十分敏感。C纹理块映射编码方法TEXTUREBLOCKCODING通过把图像的一种纹理块复制到该图像中具有相似纹理特性的区域来完成水印的嵌入，恢复时必须计算自相关特性。这种算法的优点是稳健性高，几乎可以抵抗任何形式的攻击，这是因为如果图像所有区域都被破坏，但其自相关特性仍然存在。,XD10INXSIFOT2变换域算法变换域图像水印算法是先将图像做某种变换一般是正交变换，然后把水印嵌入到图像的变换域中，变换域水印的算法是比较坚固的方法，它是利用一个信号可以掩盖另一个较弱的信号这一频率掩盖现象，包括快速傅里叶变换FFD、离散余弦变换DCT、小波变换等。ADCT离散余弦域水印算法DCT变换域数字水印算法是目前研究最多的一种算法，它具有鲁棒性、隐藏性好的特点。其主要思想是在图像经过DCT变换后选择中低频系数叠加水印信息。之所以选择中低频系数是因为人眼的感觉主要集中在这一频段，攻击者在破坏水印的过程中，不可避免地会引起图像质量的严重下降，一般的图像处理过程也不会改变这部分数据。B基于扩频技术的算法最其代表意义的当属COX基于扩展频谱通信SPREADSPECTRUMCOMMUNICATION的思想在DCT域向载体图像中添加水印的算法，该水印方案兼顾水印信息的透明性和鲁棒性，把水印放在对视觉最重要的低频部分，即利用离散余弦变换技术将水印嵌入图像信号感知上最重要的频域因子中，以提高对JPEG压缩的稳健性。C小波WAVELET变换域方法小波变换将图像在独立的频带和不同空间方囱上进行分解，将空域与变换域技术结合起来，能更好地与人类视觉系统相结合，小波变换具有多分辨特性，水印的嵌入变得很灵活。因此，该方法是一种很有潜力的方法。算法按视觉重要性搜索系数，依次嵌入水印。采取了两种嵌入方案，一种在提取水印时需要原图，一种不需要原图。该算法公开时，很容易去除水印，因为算法公开了嵌入水印的地点即按视觉重要性顺序嵌入，攻击者用同样的方法就可去掉水印。这种水印算法可用于注释水印。DEEPAKUNDUR等人分别提出了一种基于小波变换的私有水印和公开水印算法。前者将图像和嵌入的水印信息分别像小波分解，根据视觉特性嵌入水印，提取水印时需要原始图像；后者将小波系数进行特殊的量化以嵌入水印，提取水印时不需要原始图像。SWANSON等利用时域小波变换和频率掩蔽特性结合，实现多分辨率视频水印。D基于分形的水印算法该算法是与分形压缩结合在一起的，最早由PUATE等人提出，一般的，在进行分形压缩时，需要搜索相似块，搜索范围是整个图像。我们要考虑在压缩的同时嵌入水印，算法变为将图像分为相等的俩块A，B。当对应的本印为1时，在A块内搜索相似块；当对应的水印为O时，在B块内搜索相似块。232数字水印的攻击类型数字水印技术和密码技术一样，是在不断的“攻”与“防中发展起来的，因此，研究数字水印的攻击方法对于数字水印的发展具有重要的作用。对数字水印一般是针IWAI2对水印的稳健性提出的要求，稳健性好的水印庞该能够抵抗各种攻击行为。按照攻击原理可以分为以下几类1简单攻击简单攻击是试图对整个水印化数据嵌入水印后的载体数据进行操作，减弱嵌入的永印的幅度而不是试图谈别水印或分离水印，导致数字水印提取产生错误，甚至根本提取不出水印信号。常见的操作有线性滤波、通用非线滤波、压缩JPEG,MPEG、添加噪声、漂移、像素域量化、数模转换、GAMMA修正等。2统计攻击统计攻击COLLUSIONATTACK也称共谋攻击，当采用同一密钥在不同内容的图像上嵌入相同的水印信息时，攻击者可能会对大量的水印图像进行统计分析，从中寻找出水印存在的规律，对图像进行保持水印信息的篡改而通过认证。防止这种攻击的有效办法有二种第一种不同的图像使用不同的密钥嵌入水印，第二种使图像内的每一个认证单元所嵌入的水印信息依赖于其它认证单元的内容；有时也可以把这两种方法结合起来。3几何攻击几何攻击是指水印图像经历诸如旋转、缩放、裁剪和平移等几何操作，几何攻击是最为严厉和最难解决的水印攻击方法，它的可怕之处在于其改变了像素灰度值与其坐标之间的对应关系，通过轻微的几何变换，可以严重地破坏图像数据的同步性，同时也极大地影响了图像数据的质量和可靠性，造成了可怕的数据畸变，水印的可检测性大幅度降低，几何攻击非常容易进行，简单的几何攻击往往就能造成水印的丢失，甚至图像的损坏，对很多水印算法构成了难以估量的威胁，极大地影响着永印技术的有效性，是目前国际数字图像水印技术研究的重点和难点问题。4模型攻击模型攻击方法是基于东印嵌入模型的，这种攻击方法具有极大的破坏性，并且攻击后的水印图像比嵌入水印的图像质量效果反而更好，现举例说明一下。设I为原始图像，嵌入时采用下述公式25其中I表示嵌入水印后的水印图像，AA1是水印嵌入强度。令26将式25代入式26，整理得（27）将乘上2并减去I，可受攻击水印图像I28由此可见，受攻击水印图像的信噪比反而比水印图像的要高，但是水印己经检测AWIIII211,22IWINIIWNCWW不出来了。24数字水印评价标准从用户的观点来看，数字水印有以下四个标准鲁棒性、不可见性、安全性和确定性，其中鲁棒性和不可见性最为重要，这些标准前面已经讨论过。基予以上四个标准，通常在研究中还会使用一些常用的参数来定量说明数字水印的性能指标1相关系数CORRELATIONCOEFFICIENT。为了检查提取的水印信号与嵌入的水印信号之间的相似性，一般可以通过计算它们的归一化相关系数，计算方法如式29所示。（29）2峰值信噪比PSNR。由予水印模型是与通信系统紧密联系在一起的，相对于原始图像，数字水印信号可以认为是随机噪声。有噪声就会影响原始图像的品质，也自然存在峰值信噪比这个客观指标。这是把嵌入信号看作是烟载到主图像上的噪声，观察其峰值信嗓比，尽管这一引用不是很精确，但是在某种程度上，它还是能够很好地比较水印的稳健性。峰值信噪比的计算公式如式210所示。（210）式中单位为DB，I为宿主信号，W为水印信号，表示含水印信号，M，N表示WI像素点，为图像总的像素数。IN3归一化汉弱距离NORMALIZEDHAMMINGDISTANCE。若水印信号是二进制序列，W以计算提取水印信号与嵌入水印信号间的归一化汉明距离来检测其相似性，计算方法如式211所示。211其中，与分别表示嵌入的水印信号与提取的水印信号，代表水印长度，IWIWN为异或运算XOR。25本章小结本章首先分析了数字水印的一般原理、分类及数字水印算法的通用设计模型，在此基础上分别讨论了目前数字水印技术中所使用的各种典型算法，并对各自的性能迸,1MAXLOG0,2,2,NNNMIIPSRN1,IWINWNW行了分析。接着讨论了常见的数字水印的攻击方式，最后给如了数字水印的性能评价指标，在文章后磁关于算法仿真实验的章节中将用来评价本文所提出算法的性能。3RGB彩色图像31色彩空间概述颜色是人的视觉系统对光谱中可见区域的感知效果。它仅存在于人的眼睛和大脑中。为了准确地描述颜色，必须引入色彩空间的概念。正如几何上用坐标空间来描述坐标集合，色彩空间用数学方式来描述颜色集合。1RGB色彩空间RGB是计算机中最常见的色彩空间，它面向彩色显示器或打印机之类的硬件设备的常见模型。该模型基于笛卡尔坐标系统，三轴对应RED红色、GREEN绿色、BLUE蓝色，它通过红、绿、蓝3基色豹相加来产生其它的颜色。由于其设备的独立性，它被广泛应用于计算机图形、成像系统和彩色电视之中。在RGB模型中，每个象素点需要8X324个比特的空间来保存。2CMYK色彩空间CMYK色彩空间CYAN，MAGENTA，YELLOW，BLACK是通过颜色相减来产生其他的颜色，实现方便，它被广泛应用于印刷工业。3YCBCR色彩空间YCBCR色彩空间是视频图像和数字图像常觅豹色彩模型。JPEG采用的就是YCBCR色彩空间，其中的Y指颜色的明视度，即亮度，它提供图像的亮度表示CB和CR分量称为色差，它们提供彩色图像转换为灰度图像时的额外色彩信息。JPEG标准中就采用YCBCR颜色模型，每个相素点仅平均需要12比特的空间来保存，因此YCBCR模型更适合图像压缩。32RGB图像基本概念一幅RGB图像就是彩色像素的一个MN3数组，其中每一个彩色像素点都是在特定空闻位置的彩色图像相对应的红、绿、蓝三个分量。RGB也可以看成是一个由三幅灰度图像形成的“堆”，当将其送到彩色箍视器的红、绿、蓝输入端时，便在屏幕上产生了一幅彩色图像。按照惯例，形成一幅RGB彩色图像的三个图像常称为红、绿或蓝分量图像。分量图像的数据类决定了他们的取值范围。若一幅RGB图像的数据类是DOUBLE，则它的取值范围就是L0,1L，类似地，UNIT8类或者UNITL6类RGB图像的取值范围分别是10，255L或L0,65535L。用来代表这些分量图像像数值的比特数决定了一幅RGB图像的比特深度。例如，若每个分量图像都是8比特的图像，则对应的RGB图像的深度就是24比特。一般来讲，所有分量图像的比特数都是相同的。在这种情况下，一幅RGB图像可能有的色彩数就是，其中B是每个分量图像的比特数。对于8比特的例子，颜色32B数即为16777216。令分别代表三种RGB分量图像。一幅RGB图像就是利用CAT级联操律BGRF,符将这些分量图像合成的彩色图像31若所有的分量图像都是一样的，则结果是一幅灰度图像，令RGBIMAGE代表一幅RGB图像，下面的命令可以提取出三幅分量图像1,_IMAGERBFR323,IFBRGB彩色空间常常用一个RGB彩色立方体加以图解展示，如图52所示。这个立方体的顶点是光的原色红、绿、蓝和合成色青、品红、黄。在顶点显示光的原色和合成的RGB彩色立方体示意图。沿主对角线的点从原点的黑色到点1,1，1的白色的灰度值。图31彩色立方体示意图,3BGRFCTIERG2G33图像的小波分解与重构小波变换是一种非平稳信号的分析方法，它通过一个基本小波函数的平移和伸X缩构成一族小波函数系去表示或逼近某一函数。二进小波是由单一函数经伸缩和平移两产生的一组函数，如式320所示。对于任意平方可积函数来说，其小波TF变换如式3_21所示。当小波函数满足条件时，即可从分解信号中完全重12JJW构原始信号，即FT由所有尺度下的小波信号经线性叠加而恢复，这一逆过程表示为线性叠加而恢复，这一逆过程表示为（33）KJJKJFWTF,在小波多尺度分析中，引入尺度函数数，其伸缩与平移系T构成矢量空间的正交基，归构成空间2,/,ZKJJKJNTTZJVZJV2RL在分辨率上组成逼近空间。尺度函数具有低通滤波作用，并满足双尺度方程ZJ34ZKKTHT2与尺度函数相对应的小波函数平移与伸缩构成矢量空间的正交补空间。小波函数JVJW具有高通滤波的作用，并满足方程35ZKKZKKTGTHT221以上所阐述的分析方法可以推广至二维情况。当用一个低通滤波器H和高通滤波器G分别对图像的每一行进行滤波，并作隔点抽样，然后再用它们分别对图像的每一列作滤波并作隔点抽样，最后得到图像的第一层分解，其结果是产生一近似图像和三个细节图像，K1,2,3其中2FADJ2FDKJ36ZNMJJDYNXYFAJJ,222,代表了图像的低频成分。低频图像还可以进一步分解为四个子带，设分解层数为K，则总的子带数为3K1，其中37ZNMJJYNXYFDJJ,12122,38ZJJJJ,39ZNMJJYNXYFDJJ,12322,式中，分别代表了图像的垂直高频成份水平边界、水平12FDJ2FJ32FJ高频成份垂直边界）和对角线高频成份水平边界。若分析时选定滤波器组H,J时，图像的小波分解公式为310ZMNDDNLHMKLFAFAJJ2,22311ZNDLGLFFDJJ,1212312ZMNDNLHKLFAFJJ2,122313ZNDLMG