現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理論文

現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理課程論文姓名：學(xué)號(hào)：現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理課程論文目 錄摘 要 .IIAbstract .III第 1 章 緒論 .11.1 引言 .11.2 本文研究的目的及意義 .11.3 數(shù)字水印技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 .2第 2 章 數(shù)字水印理論基礎(chǔ) .32.1 數(shù)字水印的基本概念 .32.2 數(shù)字水印的基本特征 .32.3 數(shù)字水印的基本原理 .3第 3 章 小波分析理論基礎(chǔ) .63.1 小波函數(shù)與小波變換 .63.2 離散小波變換 .8第 4 章 基于小波變換的數(shù)字水印算法 .104.1 算法描述 .104.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 .12第 5 章 總結(jié)與展望 .215.1 全文工作總結(jié) .215.2 未來(lái)工作展望 .21參考文獻(xiàn) .22現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理課程論文基于小波變換的數(shù)字水印技術(shù)摘 要伴隨著互聯(lián)網(wǎng)和數(shù)字多媒體技術(shù)的飛速發(fā)展，如何保護(hù)多媒體作品的版權(quán)和鑒別其真?zhèn)纬蔀閲?guó)際上研究的熱門課題，數(shù)字水印作為信息隱藏技術(shù)研究領(lǐng)域的重要分支，是實(shí)現(xiàn)版權(quán)保護(hù)或跟蹤侵權(quán)行為的有效方法。本文針對(duì)基于小波變換的數(shù)字水印技術(shù)，提出了一種基于小波域的二值圖像水印算法。該算法選擇了檢測(cè)結(jié)果直觀、有特殊意義的二值圖像作為原始水印，并在嵌入之前進(jìn)行圖像置亂預(yù)處理，以提高安全性和隱蔽性，兼顧了水印的不可見性和魯棒性，利用多分辨率分析思想進(jìn)行水印的嵌入與提取。通過(guò)大量的仿真實(shí)驗(yàn)，證明本文算法在保證水印不可見性的同時(shí)，對(duì)常見的圖像處理如 JPEG 壓縮、噪聲、濾波、剪切等，均有較好的魯棒性。關(guān)鍵詞：小波變換，數(shù)字水印，魯棒性，不可見性the digital watermarking technology based on the wavelet transformAbstract With the rapid development of the Internet and digital multimedia technology, how to protect the copyright of multimedia works and identify true bogus becomes the international research hot topic.As an important branch of the information hiding technology research field, digital watermarking is the effective method to realizing the protection of the copyright and tracking the infringement. In this paper, based on wavelet transform the digital watermarking technology, a wavelet domain based on the binary image watermarking algorithm. The algorithm chosen the test results intuitive, with special significance in the value of the original image as a watermark and embedded in the image scrambling prior to the pretreatment to enhance the safety and concealment; watermark does not take into account the visibility and robustness, Use of multi-resolution analysis of the thinking embedded watermark and extraction. Through the simulation experiments to prove that this algorithm can not watermark visibility at the same time, the common image processing such as JPEG compression, noise, and so on, have a better robustness.Key words: wavelet transform,digital watermarking, robustion, visibility現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理課程論文1第 1 章 緒論1.1 引言隨著信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，數(shù)字多媒體信息包括圖像、文本音視頻、三維模型的存儲(chǔ)、復(fù)制與傳播變得非常方便。我們?cè)谕ㄟ^(guò)互聯(lián)網(wǎng)方便快捷的獲取多媒體信息的同時(shí)，還可得到與原始數(shù)據(jù)完全相同的復(fù)制品，這就帶來(lái)了對(duì)數(shù)字媒體原創(chuàng)者的版權(quán)和經(jīng)濟(jì)利益如何保護(hù)以及數(shù)字媒體信息是否安全可信等諸多問(wèn)題。由此引發(fā)的信息安全問(wèn)題、盜版問(wèn)題和版權(quán)紛爭(zhēng)問(wèn)題已成為日益嚴(yán)重的社會(huì)問(wèn)題。因此，對(duì)多媒體內(nèi)容的版權(quán)保護(hù)與內(nèi)容鑒別成為我們所處的這個(gè)信息時(shí)代所急待解決的問(wèn)題 1。數(shù)字水印技術(shù)是近幾年來(lái)國(guó)際學(xué)術(shù)界興起的一個(gè)前沿研究領(lǐng)域，是信息隱藏技術(shù)研究領(lǐng)域的重要分支，如今已成為多媒體信息安全研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。它將具有特定意義的、與載體內(nèi)容相關(guān)或不相關(guān)的標(biāo)記(水印)，利用數(shù)字嵌入的方法，隱藏在載體，即數(shù)字圖像、聲音、文檔、圖書、視頻等數(shù)字產(chǎn)品中，用以證明創(chuàng)作者對(duì)其作品的所有權(quán)，并作為鑒定、起訴非法侵權(quán)的證據(jù)。數(shù)字水印的研究涉及信息論、編碼理論、通信原理、信號(hào)處理、信息安全等多學(xué)科多門類。近年來(lái)數(shù)字水印技術(shù)在數(shù)字信息的版權(quán)保護(hù)與完整性認(rèn)證方面得到了迅猛發(fā)展，具有良好的應(yīng)用前景 2。1.2 本文研究的目的及意義數(shù)字水印技術(shù)作為一個(gè)跨多領(lǐng)域、多學(xué)科(數(shù)字信號(hào)處理、圖像處理、模式識(shí)別、數(shù)字通信、多媒體技術(shù)、密碼學(xué)、語(yǔ)音處理等)的技術(shù)體系，由于它與具體的應(yīng)用密切相關(guān)，因此每個(gè)研究人員介入的角度、采用的研究方法和設(shè)計(jì)策略也各不相同，但都是圍繞著實(shí)現(xiàn)數(shù)字水印的各種基本特征進(jìn)行設(shè)計(jì)，這也決定了數(shù)字水印技術(shù)研究成果的多樣性以及數(shù)字水印技術(shù)研究的不完善性，仍有許多技術(shù)問(wèn)題需要解決 3。同時(shí)，水印認(rèn)證體系的建立、法律保護(hù)等問(wèn)題也是影響數(shù)字水印技術(shù)邁向?qū)嵱没囊蛩?。另外，?shù)字水印技術(shù)發(fā)展到今天，還是沒(méi)有形成完整的理論體系，因而對(duì)相關(guān)研究人員來(lái)說(shuō)這是一個(gè)挑戰(zhàn)性的課題。由于目前國(guó)際上的水印技術(shù)尚未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，形成一個(gè)共同遵循的標(biāo)準(zhǔn)己成為研究水印者的共同目標(biāo)。然而，標(biāo)準(zhǔn)的算法必須有其優(yōu)越性、通用性和有現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理課程論文2效性，并要得到世界各國(guó)的認(rèn)同，所以形成標(biāo)準(zhǔn)是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。由于小波變換的優(yōu)點(diǎn)，使小波變換域研究水印處理技術(shù)是目前的熱點(diǎn)，并且在該領(lǐng)域形成水印算法標(biāo)準(zhǔn)的可能性最大，因此本論文研究基于小波變換域的數(shù)字水印算法設(shè)計(jì)與仿真實(shí)現(xiàn)具有重要意義 4。1.3 數(shù)字水印技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，數(shù)字作品得以有效的存儲(chǔ)和發(fā)布，同時(shí)數(shù)字作品又極易被非法拷貝、偽造或篡改，使得很多版權(quán)所有者不愿利用網(wǎng)絡(luò)公開其作品，從而阻礙其自身發(fā)展。版權(quán)保護(hù)信息必須與被保護(hù)的數(shù)據(jù)緊密結(jié)合，同時(shí)版權(quán)保護(hù)信息的鑒別過(guò)程必須具有抗各種干擾的能力，比如噪聲、壓縮等 5。國(guó)外研究機(jī)構(gòu)有諸如美國(guó)財(cái)政部、美國(guó)版權(quán)工作組、歐洲電信聯(lián)盟、德國(guó)國(guó)家信息技術(shù)研究中心、麻省理工學(xué)院的媒體實(shí)驗(yàn)室、瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)、普林斯頓大學(xué)、劍橋大學(xué)、普度大學(xué)等。此外歐洲、北美以及其他的一些關(guān)于圖像、多媒體研究方面的國(guó)際會(huì)議都有專門的數(shù)字水印討論組。在實(shí)際應(yīng)用方面,各項(xiàng)研究取得了豐碩的成果，但是，目前市場(chǎng)上的數(shù)字水印產(chǎn)品在技術(shù)上還很不成熟，距離真正的推廣使用還有很大的距離。在國(guó)外數(shù)字水印技術(shù)研究快速發(fā)展的同時(shí)，我國(guó)政府和研究機(jī)構(gòu)也加大了重視力度，數(shù)字水印技術(shù)在我國(guó)信息安全領(lǐng)域的地位和作用不斷上升，更多的專家學(xué)者投入到這一研究領(lǐng)域當(dāng)中。國(guó)家“ 863 計(jì)劃 ”、“ 973 項(xiàng)目”、國(guó)家自然科學(xué)基金等都對(duì)數(shù)字水印的研究提供專項(xiàng)資金支持。國(guó)內(nèi)從事信息隱藏技術(shù)研究的科研院所主要有：北京郵電大學(xué)信息安全中心、中國(guó)科學(xué)院軟件研究所、中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所、中科院信息安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、清華大學(xué)、浙江大學(xué)等單位。從目前的研究發(fā)展來(lái)看，我國(guó)數(shù)字水印學(xué)術(shù)領(lǐng)域的研究正在蓬勃開展，而且形成了自己獨(dú)特的研究思路，相信隨著國(guó)內(nèi)信息化程度的提高、電子政務(wù)的推廣和電子商務(wù)的普及，作為數(shù)字作品版權(quán)管理核心技術(shù)的數(shù)字水印技術(shù)將會(huì)擁有更加廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展空間 ?，F(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理課程論文3第 2 章 數(shù)字水印理論基礎(chǔ)2.1 數(shù)字水印的基本概念數(shù)字水印（Digital Watermark）技術(shù)是將與多媒體內(nèi)容相關(guān)或不相關(guān)的一些標(biāo)示信息直接嵌入多媒體內(nèi)容當(dāng)中，但不影響原內(nèi)容的使用價(jià)值，并不容易被人的知覺系統(tǒng)覺察或注意到 7。通過(guò)這些隱藏的信息，可以確認(rèn)內(nèi)容創(chuàng)建者、購(gòu)買者，或者驗(yàn)證內(nèi)容是否真實(shí)完整。與水印相近或關(guān)系密切的概念有很多，從目前出現(xiàn)的文獻(xiàn)中看，已經(jīng)有諸如信息隱藏（Information Hiding ）、信息偽裝（Steganography ）、數(shù)字水?。―igital Watermarking ）和數(shù)字指紋（Fingerprinting ）等概念。2.2 數(shù)字水印的基本特征（1）安全性：數(shù)字水印的信息應(yīng)是安全的，難以篡改或偽造，同時(shí)，應(yīng)當(dāng)有較低的誤檢測(cè)率，當(dāng)原內(nèi)容發(fā)生變化時(shí)，數(shù)字水印應(yīng)當(dāng)發(fā)生變化，從而可以檢測(cè)原始數(shù)據(jù)的變更；當(dāng)然數(shù)字水印同樣對(duì)重復(fù)添加有有強(qiáng)的抵抗性。（2）隱蔽性：數(shù)字水印應(yīng)是不可知覺的，而且應(yīng)不影響被保護(hù)數(shù)據(jù)的正常使用，不會(huì)降質(zhì)。（3）魯棒性：是指在經(jīng)歷多種無(wú)意或有意的信號(hào)處理過(guò)程后，數(shù)字水印仍能保持部分完整性并能被準(zhǔn)確鑒別。（4）水印容量：嵌入的水印信息必須足以表示多媒體內(nèi)容的創(chuàng)建者或所有者的標(biāo)志信息，或購(gòu)買者的序列號(hào)，這樣有利于解決版權(quán)糾紛，保護(hù)數(shù)字產(chǎn)權(quán)合法擁有者的利益。尤其是隱蔽通信領(lǐng)域的特殊性，對(duì)水印的容量需求很大。2.3 數(shù)字水印的基本原理水印的基本原理是嵌入某些標(biāo)志數(shù)據(jù)到宿主數(shù)字中作為水印，使得水印在宿主數(shù)據(jù)中不可感知和足夠安全。為了保證由于水印的嵌入而導(dǎo)致宿主數(shù)據(jù)失真不被察覺到，必須應(yīng)用某種感知準(zhǔn)則，不管是隱性還是顯形。水印算法要結(jié)合加密方法以提供其安全性，通過(guò)的水印算法包含兩個(gè)基本方面：水印的嵌入和水印的提取。水印可以由多種模型構(gòu)成，如隨機(jī)數(shù)字序列、數(shù)字標(biāo)識(shí)、文本現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理課程論文4以及圖像等。數(shù)字水印的嵌入過(guò)程如圖所示：水印信號(hào)原始信號(hào)嵌入過(guò)程 含水印的信號(hào)圖 2.1 數(shù)字水印嵌入過(guò)程頻域法加入數(shù)字水印的原理是首先將原始信號(hào)（語(yǔ)音一維信號(hào)、圖像二維信號(hào)）變換到頻域，常用的變換一般有 DWT、DCT、DFT、WP 和分形。然后，對(duì)加入了水印信息的信號(hào)進(jìn)行頻域反變換（IDWT、IDCT、DFT、WP），得到含有水印信息的信號(hào)。數(shù)字水印的檢測(cè)過(guò)程如圖所示：原始的信號(hào)帶檢測(cè)的信號(hào)抽取/檢測(cè)過(guò)程 抽取的水印 水印信息有/無(wú)水印結(jié)束結(jié)束圖 2.2 數(shù)字水印的檢測(cè)過(guò)程頻域法檢測(cè)水印的原理是將原始信號(hào)與待檢測(cè)信號(hào)同時(shí)進(jìn)行變換域變換，進(jìn)行嵌入水印的逆運(yùn)算，得出水印信息。如果是可讀的水印，那么就此結(jié)束，如果是不可讀水印，如高斯噪聲，就將得出的水印與已知水印作比較，由相關(guān)性判斷，待檢測(cè)信號(hào)含不含水印，故水印的檢測(cè)有兩個(gè)結(jié)束點(diǎn)。下面介紹一種基于小波變換的數(shù)字水印方法。（1）第一步，將水印圖象作時(shí)域上的變換，目的是對(duì)水印信息進(jìn)行亂序，達(dá)到加密的效果。采用函數(shù)： ： = mod N)(KANyxk1yx其中 k 是一個(gè)控制參數(shù)，N 是矩陣的大小，（x,y）和（x ,y ）表示像素點(diǎn)在變換前后的位置。假設(shè) P 表示由二值水印信息組成的一個(gè) m n 的矩陣,對(duì)每現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理課程論文5一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)作 變換之后，這個(gè) m 的矩陣將變成一個(gè) N 的矩陣，)(KANM矩陣的每個(gè)元素為 0 或 18。（2）第二步，對(duì)圖像作小波變換，對(duì)于變換后得到的小波系數(shù)，選出一個(gè)起始位置在（p1,p2），大小為 N N 的系數(shù)矩陣。這個(gè)矩陣的大小與水印圖像作時(shí)域變換后形成的矩陣大小是一致的。（3）第三步，在選出的系數(shù)矩陣中嵌入水印信息，即將兩個(gè) N N 的矩陣進(jìn)行信息疊加，其中含有水印信息的矩陣元素為 0 或 1。TCY 提出一種信息疊加的方案： A水印信息進(jìn)行時(shí)域變換后得到的大小為 N N 的矩陣；U在矩陣 A 中含有水印信息的位置的集合；B圖象經(jīng)過(guò)小波變換后得到的系數(shù)矩陣（N N）；S模；CB 和 U 的交集； =c(i,j)modS;),(ji),(ji對(duì)于所有屬于 U 和 A 交集的點(diǎn) c(i,j):如果 A(i,j)=1,并且 B(i,j) ;則 c(i,j)=c(i,j)- +T ;0),(ji1如果 A(i,j)=0,并且 B(i,j) ;則 c(i,j)=c(i,j)- +T ;2如果 A(i,j)=1,并且 B(i,j)0 ;則 c(i,j)=c(i,j)+ -T ;),(ji1如果 A(i,j)=0,并且 B(i,j)0;則 c(i,j)=c(i,j)+ -T ;2這里 T ，T 是水印嵌入的門限，安全系數(shù)包括 n,k ,p ,p ,m,N,S, T , T 。12 112水印的提取過(guò)程如下：假設(shè) y 是從小波變換域抽取的一個(gè) N N 的系數(shù)矩陣，起始位置為（p ,p ）； 滿足： =Y（i,j）modS, D 是一個(gè) N N 的矩陣。對(duì) Y12),(ji),(ji中的所有點(diǎn)（i,j）,定義如果 /2，則 D（i，j）=1;)()21Tji如果 /2，則 D