数字水印系统设计开题报告.doc

毕业设计（论文）开题报告学生姓名： 学 号： 0600103123 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 06电气1 设计（论文）题目： 基于MATLAB的数字水印系统设计 指导教师： 二级学院： 机电工程学院 2010 年03 月 19日1 选题的背景与意义基于计算机和网络的信息交换为多媒体数字作品的使用、传播提供了便利的途径,然而由于数字作品极易被非法复制和篡改的特性,使得数字作品的信息安全保护和版权保护成为迫切需要解决的实际问题。在我国,知识产权问题日益严峻,侵权事件屡屡发生,只有深入开展数字水印技术的研究,尽快制定我国的版权保护水印标准,才能解决这一问题。而Matlab在这一方面就有强大的优势。虽然市面上关于Matlab的书籍很多,但是基本上多是简单的功能介绍,几乎没有关于数字水印技术的实例,而Matlab内容非常多,牵涉到的学科很多,要在其中寻找适合自己需要的水印技术的函数和指令,会十分棘手。正因如此,本文在编程研究图像数字水印的实践基础上,详细归纳出相应的函数。最后,还给出一个基于分块DCT的盲水印算法的实例来具体说明Matlab在图像水印技术中的应用。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。2 国内外研究现状数字水印(DigitalWatermark)技术是将与多媒体内容相关或不相关的一些标示信息直接嵌入多媒体内容当中,但不影响原内容的使用价值,并不容易被人的知觉系统觉察或注意到。通过这些隐藏在多媒体内容中的信息,可以达到确认内容的创建者、购买者,或者用来鉴别多媒体内容是否真实完整。因此,数字水印是信息隐藏技术的一个重要研究方向。国内外对数字水印的研究已经比较成熟，其中比较具有代表性的有基于 DCT 域的数字水印算法，这是研究一种基于离散余弦变换(DCT)的数字图像水印算法，并借助 MATLAB编程工具，实现数字水印的嵌入、提取和攻击测试。水印嵌入就是把水印信号 W=w(k)嵌入到原始图像 X0(k)=x0(k)中。水印嵌入准则分为：加法准则：x(K)=x0(K)+a*w(k)乘法准则：x(K)=x0(K)*1+ a*w(k)a 为强度因子水印提取就是把水印精确地从系统中提取出来。而关于水印的检测，大多数时候不需要原始图像的参与。最后通过MATLAB仿真对水印进行模拟攻击测试可以看到 DCT 域的水印算法抵抗 JPEG 压缩攻击的效果是比较好的8。那么在应用DCT域算法的基础上，图像特征向量的小波包数字水印研究就对己有DCT数字水印算法进行了分析改进，实现了基于DCT和DWT混合变换域的数字水印算法。并着重介绍了一种基于小波变换的图像水印算法：首先对图像进行混沌加密，然后对原始图进行三层小波分解，最后在低、中、高频子带分别以不同的方法重复嵌入水印信息。以及另外一种基于小波包分解的图像水印算法：用小波包对宿主图像进行分解，在各频带以不同的方法嵌入水印信息.并根据一系列的实验数据得出结论：基于小波变换的图像水印算法和基于小波包分解的图像水印算法对噪声、滤波、剪切、JPEG压缩等一般图像处理都具有很好的鲁棒性，而且基于小波包分解的图像水印算法的综合鲁棒性要优于基于小波变换的图像水印算法。但此两种算法对旋转、缩放等几何攻击抵抗能力比较差，是需要改进的地方1。另外上面提到的一种基于DWT的自适应数字水印算法是一种新的基于DWT (Discrete Wavel Transform)的盲数字水印算法。为了抵抗多种攻击,水印被分别嵌入到了小波域的低频和高频;为了减小嵌水印图像的失真,每个水印比特的嵌入都是根据HVS的特点自适应地选择量化步长,通过量化调制来完成;在高频嵌入水印时利用了高频小波系数块的奇异值分解特性来提高水印对叠加噪声和直方图操作等的鲁棒性。实验结果表明该算法具有良好的不可见性和抵抗多种攻击的能力3。其实除了DWT算法以外还有一种叫做基于DDWT的复合型数字图像水印算法，它主要针对由于离散小波变换(DWT)存在抵抗裁剪攻击的缺点,在2006年林祝兴等提出了分散式离散小波变换(DDWT).这种方法通过使用多层的DDWT变换把图像数据从空间域变到频率域,然后把水印信息嵌入频率域并且执行多层DDWT反变换(IDDWT)获得在空间域里的这幅含水印图像.这种方法把水印信息分配在空间系数里.分配信息的目的是防止水印信息在使用DWT变换后图像的中心部分遭到恶意的破坏.不可见性和分配的信息为DDWT水印所独有的特征,这种方法对裁剪攻击有良好的鲁棒性.在图像作品中嵌入两种甚至是多种水印时,各种水印间的相互影响肯定是存在的.为了把嵌入的多个水印的相互影响降到最低,在本试验中先将鲁棒水印嵌入到原始图像中,再在嵌入了鲁棒水印后的图像中嵌入脆弱水印.另外复合型水印的提取则相对独立,通过不同的提取算法分别在嵌入了两类水印的图像中提取出鲁棒性水印和易损性水印。具体的算法暂不在此一一展开了，但实验结果表明此种算法可以成功提取好质量的鲁棒水印和准确检测出原始数据的篡改.尤其,这种算法可以嵌入大量的水印信息,在实际的数字水印领域有着很好的应用前景5。数字水印的算法何其繁多， 于DCT算法和DWT算法并列的还有一种基于DFT和曲线拟合的水印算法，这种算法提出一种新的基于双线性插值和DFT的鲁棒水印算法。该算法利用傅立叶变换较好的频域分布特性和双线性插值的拟合特性,将置乱后的水印信息利用分别嵌入到载体图像DFT频域的实数部分和虚数部分,然后作离散傅立叶逆变换,并取其实数部分重构公开图像。算法的优点在于大大增加水印的嵌入量,而且利用线性插值的拟合性使得水印找到最佳的嵌入位置。实验结果表明,本算法具有较好的鲁棒性和不可见性,达到真正意义上的统一7。由于我的方向大致是运用DCT算法的水印研究，于是我特别又关注了一种基于HVS和DCT的数字水印算法研究，它介绍到DCT变换技术是数字信号处理技术中常用的线性变换技术之一，也是图像压缩中常用的变换编码方法之一。通过对数字图像进行DCT变换可以充分利用图像的自相关性减少数据量，达到压缩数字图像的目的。同时，DCT变换后能量集中，算法复杂度适中，较易于再数字信号处理器中快速实现。当然，为了使水印具有良好的稳定性，用来嵌入水印的DCT系数也要具有一定的稳定性和较大的感觉容量。接下来该文献介绍了HVS在水印算法中的应用，简单的说，HVS特性表明水印嵌入强度存在一个界限值，高于这个值图像就会出现失真，低于这个门限，视觉系统就无法感受到信号的存在，也就是实现了水印的不可见性。而这个值受到客观因素的影响而相应地变化。了解了这些以后再通过将载体图像分块，对水印图像预处理，对载体图像块逐一进行DCT变换后再对对各子块进行DCT反变换，最后利用峰值信噪比来衡量水印嵌入的透明度，这样一步步来实现水印的嵌入。本文在实验中用MATLAB模拟图像可能遭受的各种攻击，测试水印系统的鲁棒性，并对水印图像的失真进行主观和客观的评估。从实验结果中可以看出，文中所建立的水印系统具有较强的鲁棒性，能够很好的抵抗常见信号处理(JPEG压缩、噪声干扰等)以及图像处理(图像剪切等、比例缩放)，尤其是能够很好的抵抗JPEG压缩6。了解了那么多数字水印的算法，其实数字水印的在生活中的应用也越来越广泛，当然有些应用也存在悬而未决的瓶颈，比如应用三维几何模型数字水印技术的研究，这是介绍三维模型数字水印技术是数字水印技术的一个分支，其原理是在三维模型中嵌入不可见的水印来保护模型的所有权，或用于检验模型的真实性，或嵌入可见信息来申明模型所有权。三维模型水印算法和图像水印算法相比既有相似点，也有不同之处：简单的说三维模型中的各种几何信息和外观属性的排列具有不同的方式，没有固定的标准，这使得传统的图像水印算法不能简单地照搬在三维几何模型的研究中。不过在图像嵌入水印的强背景下叠加一个弱信号（水印），只要该信号幅度不超过HVS的门限人类无法感觉到信号的存在这一原理在三维水印中也同样适用，但更加复杂化一点。三维几何模型数字水印较图像数字水印有不可替代的优势但由于它是数字水印技术中一个比较新的分支，有许多悬而未决的问日有待解决，具有较大的研究空间2。我们经常考虑对图像的水印形成，但同时我们如何将图像的水印恢复处理呢？有一种高定位精度的可恢复水印算法就针对现有可恢复水印算法定位精度低和虚警概率高的问题, 提出一种高定位精度的可恢复脆弱水印算法, 分别推导给出了随机篡改与区域篡改条件下算法的虚警概率和漏警概率, 并定义了衡量篡改恢复图像质量的 4 个指标：漏检率和虚检率、检测率、误恢复率，及其与虚警概率和漏警概率的关系，为定量地分析可恢复水印算法的性能提出了一种客观的评价指标.与现有可恢复水印算法相比,不仅提高了可恢复水印算法的定位精度和对随机噪声的鲁棒性，而且有效解决了可恢复水印算法的篡改定位问题从而大大提高了被测图像中有水印信息篡改时的篡改恢复图像的质量。如何提高可恢复水印算法对JPEG压缩的鲁棒性是该文还未解决的问题4。纵观上述那么多算法和应用，本文采用在编程研究图像数字水印的实践基础上,详细归纳出相应的函数。以及对水印的生成、水印的嵌入和水印的提取或检测进行具体分析。最后,还给出一个基于分块DCT的盲水印算法的实例来具体说明Matlab在图像水印技术中的应用。并通过MATLAB的仿真对水印的模拟攻击测试对水印的图像隐蔽性和鲁棒性进行综合评估。待添加的隐藏文字内容33.研究方法本文在编程研究图像数字水印的实践基础上,详细归纳出相应的函数。以及对水印的生成、水印的嵌入和水印的提取或检测进行具体分析。最后,还给出一个基于分块DCT的盲水印算法的实例来具体说明Matlab在图像水印技术中的应用。并通过MATLAB的仿真对水印的模拟攻击测试对水印的图像隐蔽性和鲁棒性进行综合评估。4.计划第一周到第三周：完成开题报告第四周到第八周：做毕业设计，期中验收第九周到十二周：基本完成毕业设计，期末验收第十三周到十五周：完成毕业论文第十六周：指导老师对论文进行质量评分，以及分院的论文评阅第十七周：答辩以及对成绩的综合评定5.参考文献1 孙新凤 基于DCT图像特征向量的小波包数字水印研究 燕山大学硕士学位论文 200704152 杨柳 三维几何模型数字水印技术研究 武汉理工大学硕士学位论文 2007053 付春平 一种基于HVS和DCT的数字水印算法的研究 苏州大学硕士专业学位论文2008104 和红杰; 张家树; 陈帆; 一种高定位精度的可恢复水印算法 中国科学(E辑:信息科学) , Science in China(Series E:Information Sciences), 2008年 04期  5 张亭; 杨会成; 基于DDWT的复合型数字图像水印算法A new algorithm of compound image watermarking based on DDWT 安徽工程科技学院学报(自然科学版) , Journal of Anhui University of Technology and Science(Natural Science), 编辑部邮箱 2009年 02期  6 黄松; 张伟; 陈军; 杨华千; 一个基于DWT的自适应数字水印算法An Adaptive Digital Watermarking Algorithm Based on DWT 计算机科学 , Computer Science, 编辑部邮箱 2006年 07期7 王树梅; 蔡键; 一种基于DFT和曲线拟合的水印算法A Novel Watermark Algorithm Based on DFT and Curve Fitting 计算技术与自动化 , Computing Technology and Automation, 编辑部邮箱 2009年 02期  8 高玉娜; 杨忠根; 基于DCT域的数字水印算法A Digital Watermarking Algorithm Based on DCT Domain 电脑知识与技术 , Computer Knowledge and Technology, 编辑部邮箱 2009年 04期