基于离散小波变换的水印算法.docx

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1、基于离散小波变换的水印算法河南农业大学理学院本科毕业论文 本科生毕业论文 题 目 基于离散小波变换的 水印算法 学 院 专业班级 学生姓名 指导教师 撰写日期：年月日河南农业大学理学院本科毕业论文 基于离散小波变换的水印算法 栗志强 摘要 随着因特网的日益普及和多媒体技术的发展，图像、图形、音频、视频等数字媒体已经成为信息交流的一种重要方式。因特网上信息的获取达到了前所没有的深度和广度,但对多媒体作品的侵权也变得更容易，非法复制、篡改也更加方便，极大的损害了作者及版权所有者的利益。如何有效的保护多媒体信息的版权成为信息安全领域的一个热门话题。作为信息隐藏在计算机多媒体领域的一个重要应用，数字水

2、印技术使得人们能够在多媒体信息中嵌入不可见的信息。数字水印技术为多媒体版权保护提供了一个崭新的方法，近年来在国际上引起了人们极大的兴趣和注意，得到了广泛的研究和应用。 本文比较系统地研究了水印在静止图像中的应用问题，首先介绍了数字水印技术及其原理、特点、以及目前的应用状况等。然后对数字水印算法模型、分类以及典型算法进行了简要的分析。在此基础上，提出了一种基于小波水印算法，实验结果表明本算法简单并在常见的剪切、压缩、噪声等攻击下都能提取出水印信号，具有较高的鲁棒性。 关键字：数字水印；水印算法；离散小波变换；图像置乱；鲁棒性 河南农业大学理学院本科毕业论文 Research on image w

3、atermarking algorithm on discrete wavelet domain LI zhi-qiang Abstract With the popularization of Internet and the development of multimedia technique, digital multimedia has become main means of information communication. While one can acquire a wide range of multimedia data through the Internet, v

4、arious problems arises naturally that seriously harm the benefit of the author or the copyright owner. How to protect multimedia data from violation has become an important issue in information security field. As a main application of information hiding technique to multimedia copyright protection,

5、the digital watermarking technique, which embeds an invisible signal (watermark) to original multimedia data, has been proposed as a viable solution for the copyright protection and authentication of multimedia data in a networked environment since it makes it possible to identify the author ,owner,

6、 distributor or authorized consumer of multimedia data. So it has drawn extensive attention in recent years and has been widely applied. In this paper, the author first makes an overall review on the digital watermarking techniques, including the definition, characteristics, and main application dom

7、ains of digital watermarking. Then the author analyzes fundamental principles of digital watermarking algorithm in detail such as the general framework, classification, and the typical algorithm. Finally, anew image watermarking scheme is proposed by incorporating the Wavelet transform, Experimental

8、 results indicate that this method is more robust against the common signal processing attacks. Keywords: Digital Watermarking; Watermarking; Discrete Wavelet Transform; Algorithm; MATLAB; Robust 河南农业大学理学院本科毕业论文 目录 1 绪论 . 1 1.1 研究背景 . 1 1.2 数字水印的发展现状. 2 1.2.1 国外研究现状 . 2 1.2.2 国内发展状况 . 3 1.3 课题研究内容及主

9、要工作. 3 2 数字水印技术概述 . 4 2.1 数字水印定义及基本特点. 4 2.1.1 定义 . 4 2.1.2 基本特点 . 4 2.2 数字水印基本模型 . 5 2.3 数字水印的分类. 6 2.4 数字水印技术的应用. 7 2.4.1 广播监视 . 7 2.4.2 数字作品的知识产权保护 . 7 2.4.3 内容认证 . 8 2.4.4 操作追踪 . 8 2.4.5 声像数据的隐藏标识和篡改提示 . 8 2.5 数字水印攻击技术 . 8 2.6 本章小结 . 9 3 离散小波变换 . 10 3.1 小波变换的定义. 10 3.2 一维离散小波变换 .11 3.3 二维离散小波变换

10、.11 3.4 数字图像小波变换 . 13 4 Arnold置乱 . 14 4.1 置乱技术简介 . 14 4.2 置乱技术的特点及优点 . 14 I 河南农业大学理学院本科毕业论文 4.3 Arnold置乱的原理 . 14 4.4 Arnold置乱算法的周期性 . 14 5 基于DWT的图像水印算法 . 16 5.1 算法描述 . 16 5.1.1 算法思路 . 16 5.1.2 水印嵌入算法 . 17 5.1.3 水印提取算法 . 17 5.2 实验结果及分析. 18 5.2.1 水印的不可见性评估 . 18 5.2.2 水印的鲁棒性评估 . 19 5.2.3 实验结果分析 . 23 6

11、总结与展望 . 24 参考文献 . 25 附录 . 26 致谢 . 32 II 河南农业大学理学院本科毕业论文 1 绪论 1.1 研究背景 信息媒体的数字化为信息的存取提供了极大的便利性，同时也显著地提高了信息表达的效率和准确度。随着网络的日益普及，多媒体信息交流达到了前所未有的深度和广度，数据的交换和传输变成了一个相对简单的过程。人们借助于计算机、数字扫描仪、打印机等电子设备可以方便、迅捷地将数字信息传达到世界各地。随之而来的副作用是通过网络传输数据文件或作品使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、传播甚至出售有版权的内容，从而极大损害了产品所有者的版权和商业利益。另外，当

12、数字作品被用于法庭、医学、新闻及商业时，常需确定它们的内容是否被篡改、伪造或特殊处理过，以保证数字作品内容的真实性和完整性。这一系列数字化技术本身特性所带来的负面效应，已成为信息产业健康持续发展的一大障碍。因此，如何在网络环境中实施有效的版权保护和信息安全手段成为数字化时代的一个迫在眉睫的现实问题。数字水印技术将是解决这类问题的一种最有效和最具有潜力的技术。 人们常常认为通信安全的实现可以通过加密来完成。即首先将多媒体数据文件加密成密文后发布，使得网络传递过程中出现的非法攻击者无法从密文获得机密信息，从而达到了版权保护和信息安全的目的，但这并不能完全解决问题。一方面加密后的文件因其不可理解性会

13、妨碍多媒体信息的传播；另一方面多媒体信息经过加密后容易引起攻击者的好奇和注意，并有被破解的可能性，而且一旦加密文件经过破解后其内容就完全透明了。密码学一直被认为是在通信研究应用领域中主要的信息安全手段并受到极大重视，直到最近几年这种情况才有了改变。人们尝试将秘密信息隐藏于普通文件中散发出去，用以跟踪侵权行为并提供法律保护的证据，这称为信息隐藏或更严格地称为信息伪装。信息伪装单词Steganography来源于古希腊，意思是将有用或重要的信息隐藏于其它信息里面以掩饰其存在。数字形式的多媒体产品由于可以方便地完全复制并在网络环境下广泛散发，大范围的侵权拷贝行为受到了音像、出版、影视和软件等行业的高

14、度关注。 数字水印是目前国际学术界研究的一个前沿热门方向，可为版权保护等问题提供一个潜在的有效解决方法。数字水印是将水印隐藏于数字化媒体(静止图像、语音、视频等)中，从而实现隐藏传输、存储、标注、身份识别、版权保护等功能。如果没有鲁棒性的要求，水印与信息伪装技术上的处理本质上是完全一致的。在绝大多数情况下我们希望添加的信息是不可感知的或不可见的；某些使用可见数字水印的特定场合，版权保护标志不要求被隐藏，并且希望攻击者在不破坏数据本身质量的情况下无法将水印去掉。发展数字水印技术的原动力是为了提供多媒体数据的版权保护，但人1 河南农业大学理学院本科毕业论文 们发现数字水印还具有一些其它的重要应用，

15、如数字文件真伪鉴别、网络的秘密通信和隐含标注等。 1.2 数字水印的发展现状 数字水印技术是一种在数字载体作品中秘密地嵌入某种信息的技术1。水印的嵌入是不可察觉的，但是可以被专门的检测器提取出来。数字水印技术建立在认知科学、通信原理、密码学等相关学科上。由于人类视觉系统(HVS)和人类听觉系统(HAS)具有局限性，人类无法辨别出所观察到和听到的信号中的微小误差，这一局限性为数字水印提供了存在的空间。只要是数字形式的作品，如果能够在不影响作品本来用途的前提下人为引入一些微小的误差，那么我们就可能通过这一误差表示水印。 1.2.1 国外研究现状 从20世纪XX年代中期开始，数字水印吸引了全球研究者

16、的注意力，开始进入快速发展期。许多大学、公司以及研究机构开展了专门的数字水印研究，主要集中于电子文档、视频、图片、音乐、高清晰电视等数字内容提供有效的保护和控制2。从XX年开始，国际学术界陆续发表有关数字水印的文章，而且文章数量呈快速增长趋势。由于有大公司的介入，该技术研究的发展速度非常快。XX年5月，第一届国际信息隐藏学术研讨会(IHW)在英国剑桥牛顿研究所召开，会议的一个主要议题就是数字水印技术，至今该研讨会己经举办了多届。此后，数字水印成为越来越多其它国际会议的重要内容，包括IEEE举办的图像处理、信号处理、电路与系统等方面的国际会议、欧洲信号处理国际会议(EUSIPCO)和其它专门的多

17、媒体领域内的国际会议。相关的论文也从XX年的2篇，增长到了XX年的250多篇，研究内容涉及水印基础理论、嵌入和检测技术、应用技术等方面。同时，IEEE图像处理、IEEE信号处理、IEEE会报、IEEE通信选题、IEEE消费电子等许多国际重要期刊都组织了数字水印技术专题3。 在美国，以麻省理工学院媒体实验室为代表的一批研究机构和企业已经申请了数字水印方面的专利。XX年，美国*报告中出现了第一份有关图像数据隐藏的AD报告4。目前，已支持或开展数字水印研究的机构既有*部门，也有大学和知名企业，它们包括美国财政部、美国版权工作组、美国空军研究院、美国陆军研究实验室、德国国家信息技术研究中心、信息与通信

18、系统研究中心、麻省理工学院、剑桥大学、瑞士洛桑联邦工学院、Watson研究中心、微软公司剑桥研究院、朗讯公司贝尔实验室、CA公司、Sony公司、以及荷兰菲利浦公司等。 2 河南农业大学理学院本科毕业论文 1.2.2 国内发展状况 我国学术界对数字水印技术的研究也很积极。XX年12月，我国信息安全领域的蔡吉人院士、何德全院士、周仲义院士与有关应用研究单位联合发起召开了第一届信息隐藏学术研讨会。XX年1月，由国家“863”智能机专家组和中国科学研究院自动化所模式国家重点组织召开了数字水印学术研讨会，国内很多大学都加入了对数字水印技术的研究。目前，我国在这个领域的研究与世界水平相差不大，而且有着自己

19、独特的研究方向和思路，不过现如今的研究，大多数的研究还是处于初始阶段，尚未形成一个完整的理论知识结构和完整的检测评估指导结构，所以在实际应用领域的研究还是十分有限的。但是随着数字水印技术的研究和发展，其将拥有更加广阔的发展前景6。 在数字水印算法方面，早起的研究主要集中在空域上，水印信息直接加载在图像数据上，这种方法抵抗图像几何变形、噪声和图像压缩的能力较差。但空域算法运算速度快，隐藏信息量大。近期研究主要集中在变换域中实现，在变换域中嵌入水印，信号能量课扩展到空间域所有像素上，有利于水印的不可见性，同时可以与现有数据压缩标准兼容。小波变换的时频局部化特性和众多的小波基供选择，使得小波域的数字

20、水印算法有美好的发展前景。 1.3 课题研究内容及主要工作 数字树印技术是一个比较前沿的科研项目，本课题采用的是bmp格式的标准测试图像“woman”作为原始载体图像。采用了一种基于DWT的数字水印加密技术，对水印图像进行了Arnold置乱，通过水印的嵌入、提取和攻击实验，对算法的不可见性、鲁棒性进行测试。 第1章 主要介绍了数字水印技术的发展背景、意义以及国内外发展状况。 第2章 主要介绍了数字水印技术的定义、算法、基本模型、分类、应用以及抗攻击性。 第3章 离散小波的定义、算法和图像离散小波变换。 第4章Arnold置乱介绍、特点、原理。 第5章 基于离散小波的数字水印技术的算法、水印的嵌

21、入与提取、以及不可见性评估和鲁棒性能分析。 第6章 总结了本实验的实验结果和结论，并对数字水印技术的发展进行了展望。 3 河南农业大学理学院本科毕业论文 2数字水印技术概述 2.1 数字水印定义及基本特点 2.1.1 定义 数字水印技术7是一种信息隐藏技术，它的基本思想是在数字图像、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。通常，可以定义水印为如下信号： 水印不仅可以为一维信号，可以是二维、三维或者高维，音频对应一维，静态图像对应二维，动态图像对应三维。 数字水印技术是指一种利用图像及声音等媒体的冗余性，将水印标识信息

22、，利用数字内嵌的方法隐藏在图像、声音、视频等数字产品中9。这些嵌入的信息可以是版权信息或用户信息等等，借此来保护信息内容的版权并用以证明原创作者对其作品的所有权，作为鉴定、起诉非法侵权的证据，同时通过对数字产品的探测和分析保证数字信息完整可靠性，从而成为知识产权保护和数字多媒体防伪的有效手段。以达到确认内容创建者，购买者或判断内容是否真实完整的目的。数字水印技术与信息隐藏学中密写术并不完全相同，水印技术往往需要增加鲁棒性要求，以对抗各种可能的攻击。 2.1.2 基本特点 通常意义上用于版权保护的水印算法应具有以下特点： 安全性8：数字水印的信息应是安全的，难以篡改或伪造，同时，应当有较低的误检

23、测率，当原内容发生变化时，数字水印应当发生变化，从而可以检测原始数据的变更；当然数字水印同样对重复添加有很强的抵抗性。 隐蔽性：数字水印应具有不可感知性，嵌入水印后的图像的变化对观察者的视觉系统应该是不可感知的，即不应引起数字产品可感知的质量退化。 鲁棒性9：是指加入的水印不仅能抵抗非恶意的攻击，而且还能抵抗一定失真的恶意攻击，并不影响一般数据处理的水印检测。可能的信号处理过程包括信道噪声、滤波、数/模与模/数转换、重采样、剪切、位移、尺度变化以及有损压缩编码等。主要用于版权保护的数字水印易损水印，主要用于完整性保护，这种水印同样是在内容数据中嵌入不可见的信息。当内容发4 河南农业大学理学院本

24、科毕业论文 生改变时，这些水印信息会发生相应的改变，从而可以鉴定原始数据是否被篡改。 可证明性：水印应该能为数字产品的版权的保护提供完全和可靠的证据，水印算法可以识别嵌入到数字产品中的所有者的有关信息，并能在需要的时候提取出来。水印可以用来判别对象是否受到保护，并能监视数据传播，进行真伪鉴别以及非法拷贝等。 2.2 数字水印基本模型 所有水印系统都包括两个基本的构造模块：水印嵌入模块和水印提取或检测模块。数字水印技术实际上是通过对水印载体媒质的分析、嵌入信息的预处理、信息嵌入点的选择、嵌入方式的设计、嵌入调制的控制等几个相关技术环节进行合理优化，寻求满足不可感知性、安全可靠性、稳健性等条件约束

25、下的最优化设计问题。而作为水印信息的重要组成部分一一密钥，则是每个设计方案的一个重要特色所在。往往可以在信息预处理、嵌入点的选择和调制控制等不同环节入手完成密钥的嵌入10。 图2.1是数字水印嵌入模块，为我们展示了水印的嵌入过程。该系统的输入是水印信息W、原始载体数据I和一个可选的私钥/公钥K。其中水印信息可以是任何形式的数据，比如数值、文本、图像等。水印生成算法E应保证水印的唯一性、有效性、不可逆性等属性。水印信息W可由伪随机数发生器生成，另外基于混沌的水印生成方法也具有很好的保密特性。密钥K可用来加强安全性，以避免未授权的恢复和修复水印。所有的实用系统必须使用一个密钥，有的甚至使用几个密钥

26、的组合。 密钥 数字水印 原始图像 水印嵌入算法 图2.1 水印嵌入模型 含水印图像 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。水印嵌入过程如图2.1所示。 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，为了保证在水印不可见的前提下，尽可能提高嵌入水印的强度。a的选择必须考虑图像的性质和视觉系统的特性。 水印提取模块：在某些水印系统中，水印可以被精确地提取出来，这一过程被称作水印提取。5 河南农业大学理学院本科毕业论文 例如在完整性确认的应用中。必须能够精确地提取出嵌入的水印，

27、 并且通过水印的完整性来确认多媒体数据的完整性。如果提取出的水印发生了部分的变化，最好还能够通过变化的水印的位置来确定原始数据被篡改的位置。水印在提取时可 以需要原始图像的参与，也可以不需要原始图像的参与。图2.2是水印提取的框图。虚线部分表示在提取或判断水印信号时原始图像不是必需的。 密钥 含水印的图像 水印提取算法 图2.2 水印提取模块 水印信息 原始图像 水印检测模块：水印在检测时可以需要原始图像的参与，也可以不需要原始图像的参与。但将水印技术用于图像的网络发布和传播时。如果检测时需要使用原始图像则是个缺陷，因此，当前大多数的水印检测算法不需要原始图像的参与。图2.3是水印检测的框图。

28、虚线部分表示在提取或判断水印信号时原始图像不是必需的。 密钥 含水印图像 水印检测算法 图2.3 水印检测的模块 是否含有水印 原始图像 原始水印 2.3 数字水印的分类 随着数字水印技术研究的不断发展，数字水印技术的不断拓展，越来越多的行业开始研究这一技术，因此，产生各种不同的数字水印系统。从不同角度，可以讲数字谁又能系统分为以下种类： 按照水印特性划分 易损水印、半脆弱水印、和鲁棒水印。易损水印很容易被破坏,随着对象的修改而被破坏，要求很高的图像变化敏感性，因此，极其细小的图像变动也会影响图像变化。半脆弱性水印对于某些处理(如JPEG压缩、MP3压缩等)具有一定的鲁棒性，对于其它处理则视为

29、恶意攻击，保持高度敏感性。鲁棒的数字水印算法，要求水印嵌入载体之后，不会因载体经过一些处理而丢失。 根据水印可见性划分 可见水印与不可见水印，这是基于人的主观感觉来划分的。当嵌入水印强度足够强时，可以用肉眼看到。对于大多数用于版权保护的数字水印更需要不可见性，以利于水印信息的安全。可见性不仅仅字视觉上，还包括听觉上和触觉上。 6 河南农业大学理学院本科毕业论文 根据水印载体分类 我们可以将数字水印划分为图像水印、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。随着数字技术的发展，会有更多种类的数字媒体出现，同时也会产生相应的水印技术。 根据检测过程分类 按水印的检测过程可以将数字

30、水印划分为明文水印和盲水印11。明文水印在检测过程中需要原始数据，而盲水印的检测只需要密钥，不需要原始数据。一般来说，明文水印的鲁棒性比较强，但其应用受到存储成本的限制。目前学术界研究的数字水印大多数是盲水印。 根据水印嵌入的位置分类 按水印的嵌入位置，我们可以将其划分为时(空)域数字水印、频域数字水印、时/频域数字水印和时间/尺度域数字水印。 时(空)域数字水印是直接在信号空间上叠加水印信息，而频域数字水印、时/频域数字水印和时间/尺度域数字水印则分别是在离散余弦变换域、时/频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四种。 2

31、.4 数字水印技术的应用 数字水印的应用领域非常广泛，涉及的媒体包括图像、视频、语音等。 主要包括以下几个方面： 2.4.1 广播监视 所谓广播监视就是通过识别嵌入到作品中的水印来鉴别作品是何时何地被广播的。同时也可以在不同的时间段内的广告加入不同的信息，以此来监视他们的行动是否受到非法使用等。主要缺点是嵌入过程比在VBI或文件头中安放数据更复杂，而且人们担心水印可能降低作品的视觉或者听觉质量。 2.4.2 数字作品的知识产权保护 数字作品的版权保护是当前的热点问题。由于数字作品的拷贝、修改非常容易，而且可以做到与原作完全相同，所以需加上版权保护标志。“数字水印”利用数据隐藏原理使版权标志不可见或不可听，既不损害原作品，又达到了版权保护的目的。 7 河南农业大学理学院本科毕业论文 2.4.3 内容认证 内容认证就是将签名信息加入到内容中以待日后检验内容是否被篡改。如以数字形式记录的事故现场照片、犯罪现场记录等，由于这些数据本身有容易修改的特点，常常需要确定内容是否被修改、伪造或特殊处理。 2.4.4 操作追踪 操作追踪就是用水印来鉴别合法获得内容但非法重新发送内容的人。这种应用主要是用来追踪创作者或购买人的某种备份。在市场上出现有未经授权的拷贝出现时，发行者可以根据其中隐藏