圖像隱藏加密理論,算法以及程序技術(shù)報告課件

1、圖像隱藏加密理論，算法以及程序摘要圖片隱藏加密技術(shù)近年來得到了較大的發(fā)展，基于變換域的水印技術(shù)是目前研究的熱點(diǎn)。數(shù)字水印是利用數(shù)字作品中普遍存在的冗余數(shù)據(jù)和隨機(jī)性，把標(biāo)識版權(quán)的水印信息嵌入到數(shù)字作品中，從而可以起到保護(hù)數(shù)字作品的版權(quán)或其完整性的一種技術(shù)。一個有效的圖片隱藏加密系統(tǒng)至少具備以下三個最基本的特性：1.安全性：數(shù)據(jù)信息隱藏于數(shù)據(jù)圖像中，不是文件頭中，文件格式的變換不應(yīng)導(dǎo)致水印信息的丟失。2.隱蔽性：在數(shù)字圖像作品中嵌入數(shù)字水印不會引起圖像明顯的降質(zhì)，即含水印的圖像與原始圖像對人的感覺器官的刺激應(yīng)該是無差別或差別很小，主觀感覺變化很小。3.魯棒性：是指在經(jīng)歷有意或無意的信號處理過程后，

2、水印信息仍能保持完整性或仍能被準(zhǔn)確鑒別。另外還有通用性、惟一性等特性。數(shù)字水印的基本應(yīng)用領(lǐng)域是版權(quán)保護(hù)、隱藏標(biāo)識、認(rèn)證和安全不可見通信等。 本文提出了一種圖片隱藏加密的水印算法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這種算法具有較好的性能，實(shí)現(xiàn)的水印具有不可見性,而且具有較好的魯棒性。關(guān)鍵詞：數(shù)字水??； Matlab程序Abstract Image hiding and encryption technology in recent years have seen great development, based on changing domain watermark technology is being stud

3、ied. Digital watermark is the use of digital works prevailing in the redundant data and random nature of the logo copyright watermark information embedded in the digital works, so as to protect digital copyright or the integrity of a technology. An effective Digital watermark system at least the fol

4、lowing three basic characteristics: 1. Security of data and information hidden in the digital image, not document and the format of the change should not lead to watermark information is missing. 2. hidden in the digital image works that are embedded in Digital watermark there is no image clear of q

5、uality, shallow the image of Original image of the People s receptor of incentives should be no difference or very different, subjective feeling very little has changed. 3. robust, is an experienced intentionally or unintentionally signal processing, watermarks information has been able to maintain

6、integrity or continue to be accurate identification. In addition, only a general nature and characteristics. Digital watermark and applied basic areas of copyright protection, hidden identification, authentication and security cannot see communications. This article presents a based on Image hiding

7、and encryption results table this methodology with a better performance in achieving the watermark is see, and a fairly good robust.Key words: Digital watermarking; Matlab program目錄引言5第一章 圖片隱藏技術(shù)-數(shù)字水印6 1.1數(shù)字水印的概念61.2數(shù)字水印的特點(diǎn)6 1.3數(shù)字水印算法6第二章 圖片隱藏工具M(jìn)ATLAB72.1 Matlab簡介7 2.2 Matlab的應(yīng)用7第三章 圖片隱藏算法介紹73.1 離散余弦

8、葉變換的簡介73.2 離散余弦變換水印嵌入算法9 3.3 離散余弦變換水印提取算法103.4 離散余弦變換水印算法原理框圖10第四章 圖片隱藏過程124.1程序代碼124.2 圖片隱藏效果14參考文獻(xiàn)15小組分工15引言：隨著多媒體產(chǎn)品系統(tǒng)、電子出版物的快速增長和數(shù)字多媒體數(shù)據(jù)在互聯(lián)網(wǎng)上的廣泛傳播普及，信息媒體的數(shù)字化為信息的存取提供了極大的便利性，同時也顯著提高了信息表達(dá)的效率和準(zhǔn)確性；數(shù)據(jù)的交換和傳輸變成了一個相對簡單的過程，人們借助于計算機(jī)、數(shù)字掃描儀、打印機(jī)等電子設(shè)備可以方便、迅速地將數(shù)字信息傳輸?shù)饺魏蔚胤?。隨之而來的副作用是這些數(shù)字形式的數(shù)據(jù)文件或作品使另有意圖的個人和團(tuán)體有可能在沒

9、有得到作品所有者的許可下復(fù)制和傳播有版權(quán)的信息，抵制對數(shù)字信息的非法復(fù)制傳播的保護(hù)就顯得尤為重要了。面對這種挑戰(zhàn)，很多傳統(tǒng)的加密算法提出來了。密碼技術(shù)是信息安全技術(shù)領(lǐng)域的主要傳統(tǒng)技術(shù)之一，它是基于香農(nóng)信息論及密碼學(xué)理論的技術(shù)，現(xiàn)有的數(shù)字內(nèi)容的保護(hù)多采用加密的方法來完成，即首先將多媒體數(shù)據(jù)文件加密成密文后發(fā)布，使得其在傳遞過程中出現(xiàn)的非法攻擊者無法從密文獲取機(jī)要信息，從而達(dá)到版權(quán)保護(hù)和信息安全的目的。但這并不能完全解決問題：一方面加密后的文件因其不可理解性而妨礙多媒體信息的傳播；另一方面多媒體信息經(jīng)過加密后容易引起攻擊者的好奇和注意，并有被破解的可能性，而且當(dāng)信息被接收并進(jìn)行解密后，所有加密的文

10、檔就與普通文檔一樣，將不再受到保護(hù)，無法幸免于盜版。換言之，密碼學(xué)只能保護(hù)傳輸中的內(nèi)容，而內(nèi)容一旦解密就不再有保護(hù)作用了。因此，迫切需要一種替代技術(shù)或是對密碼學(xué)進(jìn)行補(bǔ)充的技術(shù)，它應(yīng)該甚至在內(nèi)容被解密后也能夠繼續(xù)保護(hù)內(nèi)容。這樣，人們提出了一種新興的信息隱藏的概念數(shù)字水印(digital watermarking)。數(shù)字水印技術(shù)是目前信息安全技術(shù)領(lǐng)域的一個新方向，是一種可以在開放網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下保護(hù)版權(quán)和認(rèn)證來源及完整性的新型技術(shù)，創(chuàng)作者的創(chuàng)作信息和個人標(biāo)志通過數(shù)字水印系統(tǒng)以人所不可感知的水印形式嵌入在多媒體中，人們無法從表面上感知水印，只有專用的檢測器或計算機(jī)軟件才可以檢測出隱藏的數(shù)字水印。1圖片隱藏

11、技術(shù)-數(shù)字水印1.1數(shù)字水印的概念數(shù)字水印技術(shù)是將一些標(biāo)識信息（即數(shù)字水?。┲苯忧度霐?shù)字載體當(dāng)中（包括多媒體、文檔、軟件等）或是間接表示（修改特定區(qū)域的結(jié)構(gòu)），且不影響原載體的使用價值，也不容易被探知和再次修改。但可以被生產(chǎn)方識別和辨認(rèn)。通過這些隱藏在載體中的信息，可以達(dá)到確認(rèn)內(nèi)容創(chuàng)建者、購買者、傳送隱秘信息或者判斷載體是否被篡改等目的。1.2數(shù)字水印的特點(diǎn) a) 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，應(yīng)當(dāng)有較低的誤檢測率，當(dāng)原內(nèi)容發(fā)生變化時，數(shù)字水印應(yīng)當(dāng)發(fā)生變化，從而可以檢測原始數(shù)據(jù)的變更；當(dāng)然數(shù)字水印同樣對重復(fù)添加有很強(qiáng)的抵抗性 b) 隱蔽性：數(shù)字水印應(yīng)是不可知覺的，而且

12、應(yīng)不影響被保護(hù)數(shù)據(jù)的正常使用，不會降質(zhì)。c) 魯棒性：是指在經(jīng)歷多種無意或有意的信號處理過程后，數(shù)字水印仍能保持部分完整性并能被準(zhǔn)確鑒別。可能的信號處理過程包括信道噪聲、濾波、數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換、重采樣、剪切、位移、尺度變化以及有損壓縮編碼等。主要用于版權(quán)保護(hù)的數(shù)字水印易損水印（Fragile Watermarking），主要用于完整性保護(hù)，這種水印同樣是在內(nèi)容數(shù)據(jù)中嵌入不可見的信息。當(dāng)內(nèi)容發(fā)生改變時，這些水印信息會發(fā)生相應(yīng)的改變，從而可以鑒定原始數(shù)據(jù)是否被篡改。 1.3數(shù)字水印算法1.3.1空間域算法數(shù)字水印直接加載在原始數(shù)據(jù)上，還可以細(xì)分為如下幾種方法：(1) 最低有效位方法(LSB)這是

13、一種典型的空間域數(shù)據(jù)隱藏算法。該方法是利用原始數(shù)據(jù)的最低幾位來隱藏信息。LSB方法的優(yōu)點(diǎn)是有較大的信息隱藏量，但采用此方法實(shí)現(xiàn)的數(shù)字水印是很脆弱的，無法經(jīng)受一些無損和有損的信息處理，而且如果確切地知道水印隱藏在幾位LSB中，數(shù)字水印很容易被擦除或繞過。(2) Patchwork方法及紋理塊映射編碼方法Patchwork是一種基于統(tǒng)計的數(shù)字水印，其嵌入方法是任意選擇N對圖像點(diǎn)，在增加一點(diǎn)亮度的同時，降低另一點(diǎn)的亮度值。該算法的隱藏性較好，并且對有損的JPEG和濾波!壓縮和扭轉(zhuǎn)等操作具有抵抗能力，但僅適用于具有大量任意紋理區(qū)域的圖像，而且不能完全自動完成。1.3.2變換域算法基于變換域的技術(shù)可以嵌

14、入大量比特數(shù)據(jù)而不會導(dǎo)致可察覺的缺陷，往往采用類似擴(kuò)頻圖像的技術(shù)來隱藏數(shù)字水印信息。這類技術(shù)一般基于常用的圖像變換，基于局部或是全部的變換，這些變換包括離散余弦變換(DCT)、小波變換(WT)、傅氏變換(FT或FFT)以及哈達(dá)馬變換(Hadamardtransform)等等。1.3.3NEC算法首先以密鑰為種子來產(chǎn)生偽隨機(jī)序列，該序列具有高斯N(0,1)分布，密鑰一般由作者的標(biāo)識碼和圖像的哈希值組成，其次對圖像做DCT變換，最后用偽隨機(jī)高斯序列來調(diào)制(疊加)該圖像除直流分量外的1000個最大的DCT系數(shù)。該算法具有較強(qiáng)的魯棒性、安全性、透明性等。由于采用特殊的密鑰，故可防止IBM攻擊。1.3.

15、4其他一些水印算法目前比較流行的還有一種基于盲水印檢測的DWT算法，該算法首先對原始圖像進(jìn)行小波變換，根據(jù)人類具有的視覺掩蔽特性對低頻分量進(jìn)行一定的量化，同時可不影響視覺效果，并對作為水印的圖像進(jìn)行壓縮和二值化處理，形成一維的二值序列，根據(jù)二值序列的值對上述量化后的原始信號的低頻分量進(jìn)行視覺閾值范圍內(nèi)允許的修改，從而實(shí)現(xiàn)水印的嵌入。水印提取過程是對含有水印的圖像進(jìn)行小波變換，對低頻分量同樣進(jìn)行量化處理，為了增大算法的安全性，可以對水印形成的二值0,1序列在嵌入前進(jìn)一步進(jìn)行偽隨機(jī)序列調(diào)制，相應(yīng)的在水印提取過程需要增加用偽隨機(jī)序列解調(diào)的步驟。這樣不知道偽隨機(jī)序列的攻擊者即使推測出水印的嵌入規(guī)律，也

16、無法提取水印，大大增加了水印系統(tǒng)的透明性和魯棒性。2圖片隱藏的工具- MATLAB2.1 Matlab簡介Matlab是當(dāng)前在國內(nèi)外十分流行的工程設(shè)計和系統(tǒng)仿真軟件包。它是Math-Works公司于1982年推出的一套高性能的數(shù)值計算和可視化軟件，它集數(shù)值分析、矩陣運(yùn)算、信號處理和圖形顯示于一體，構(gòu)成了一人方便的、界面友好的用戶環(huán)境。2.2 Matlab的應(yīng)用MATLAB 的應(yīng)用范圍非常廣，包括信號和圖像處理、通訊、控制系統(tǒng)設(shè)計、測試和測量、財務(wù)建模和分析以及計算生物學(xué)等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。附加的工具箱（單獨(dú)提供的專用 MATLAB 函數(shù)集）擴(kuò)展了 MATLAB 環(huán)境，以解決這些應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)特定類型的

17、問題。3圖片隱藏算法介紹3.1 離散余弦葉變換的簡介DCT 變換公式因?yàn)镈CT 變換公式是這一算法的核心，有必要先了解一下DCT 正反變換公式。DCT 正反變換公式的核心是余弦變換，計算速度比較快，因圖像處理所用的是二維變換，這里只給出二維的DCT 正反變換公式，二維DCT 正變換公式為： =0,1, , M-1;=0,1, , N-1其中： 二維DCT反變換公式為： 其中x，y 為空間采樣值，u，v 為頻域采樣值。因?yàn)閿?shù)字圖像多用像素方陣來標(biāo)識，即M=N，此時，二維DCT 正反變換可以簡化為： 二維DCT的性質(zhì)離散余弦變換是圖像處理技術(shù)中幾種最基本的酉變換之一。酉變化是線性變化的一種特殊形式

18、，其基本線性運(yùn)算式是嚴(yán)格可逆的，并且滿足一定的正交條件。圖像的酉變換可以被理解為分解圖像數(shù)據(jù)為廣義的二維頻譜，變換域中每一分量對應(yīng)于原圖頻譜函數(shù)的能量。設(shè)IMN 為MN 的圖像矩陣則該圖像的二維DCT 變換可由下式表示：FDCT=其中 其中經(jīng)過二維DCT 變換得到的DCT 系數(shù)矩陣GDCT 指示了一系列頻率中每一個頻率所對應(yīng)的變化程度，即頻率的高低。其中低頻分量將集中在矩陣的左上角，高頻分量則集中在右下角。圖像的低頻分量反映圖像慢變化，即圖像整體部分；圖像的高頻分量代表圖像跳變的地方，即圖像細(xì)節(jié)部分，如輪廓、邊緣。根據(jù)人類視覺系統(tǒng)，圖像整體比細(xì)節(jié)部分更為重要，若一幅圖像經(jīng)過處理后而視覺改變不大

19、，則其低頻分量必定改變程度不大。此算法采用了將數(shù)字水印的灰度值植入DCT 域的低頻分量中的方法。二維離散余弦變換是一種嚴(yán)格可逆的酉變換。它的兩個矩陣AMM BNN 滿足以下的正交條件： 由此，易得到離散余弦逆變換（IDCT）: 正因?yàn)镈CT 是一種嚴(yán)格可逆的正交變換，才可能對基于DCT 的植入算法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的數(shù)字水印濾波。二維DCT的實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像水印算法選擇二值化灰度圖像作為水印信息，根據(jù)水印圖像的二值性選擇不同的嵌入系數(shù)，并將載體圖像進(jìn)行88的分塊，將數(shù)字水印的灰度值直接植入到載體灰度圖像的DCT變換域中，實(shí)現(xiàn)水印的嵌入。具體方法如下：設(shè)I是MN大小的原始圖像，J是水印圖像大小為PQ，M和N分

20、別是P和Q的偶數(shù)倍，把水印J加載到圖像I中，算法分以下幾步進(jìn)行：1. 將I分解為(M/8)(N/8)個88大小的方塊B；同時，J也分解為 (M/8)(N/8)個(8P/M)(8Q/N)大小的方塊V； 2. 對每一個B進(jìn)行DFT變換：DB=DFT(B)；3. 加載水印對每一個DB和V，s(i)為從DB的中頻選出的加載的位置 ， 1i(8P/M)(8Q/N)， t(i)為水印V的位置坐標(biāo) ， 1i(8P/M)(8Q/N)，DB(s)=AV，其中A是加權(quán)系數(shù),用DB(s)來代替DB，得到加載水印后的圖像DBC；4. 對以上得到的每一個DBC進(jìn)行逆DCT變換：IDBC=IDCT(DBC)并將各方塊ID

21、BC合并為一個整圖I，即加載了水印的新圖像。3.2 離散余弦變換水印嵌入算法 數(shù)字圖像水印算法選擇二值化灰度圖像作為水印信息，根據(jù)水印圖像的二值性選擇不同的嵌入系數(shù)，并將載體圖像進(jìn)行88的分塊，將數(shù)字水印的灰度值直接植入到載體灰度圖像的DCT變換域中，實(shí)現(xiàn)水印的嵌入。具體方法如下：設(shè)I是MN大小的原始圖像，J是水印圖像大小為PQ，M和N分別是P和Q的偶數(shù)倍，把水印J加載到圖像I中，算法分以下幾步進(jìn)行：1. 將I分解為(M/8)(N/8)個88大小的方塊B；同時，J也分解為 (M/8)(N/8)個(8P/M)(8Q/N)大小的方塊V； 2. 對每一個B進(jìn)行DCT變換：DB=DCT(B)；3. 加

22、載水印對每一個DB和V，s(i)為從DB的中頻選出的加載的位置 ， 1i(8P/M)(8Q/N)， t(i)為水印V的位置坐標(biāo) ， 1i(8P/M)(8Q/N)，DB(s)=AV，其中A是加權(quán)系數(shù),用DB(s)來代替DB，得到加載水印后的圖像DBC；4. 對以上得到的每一個DBC進(jìn)行逆DCT變換：IDBC=IDCT(DBC)并將各方塊IDBC合并為一個整圖I，即加載了水印的新圖像。3.3 離散余弦變換水印提取算法設(shè)圖像D為已經(jīng)加載了水印的載體圖像，現(xiàn)要將所加載的水印從D中提取出來,其過程為上述加載水印算法的逆運(yùn)算：1. 將D分解為(M/8)(N/8)個88大小的方塊BD；2. 對每一個BD進(jìn)行

23、二維DFT變換:DBD=DCT(BD)；3. 提取數(shù)據(jù)對每一個DBD，按照式V=1/ADBD得到V；4. 將上面得到的所有V合并成一個水印整圖J。3.4 離散余弦變換水印算法原理框圖 I J 88分塊處理 88分塊處理 通過算法改變水印信息形式 DCT變換 改變嵌入水印信息的深度 選擇加載位置 水印的嵌入 IDCT變換 嵌入水印的圖象D嵌入水印的圖象D 88分塊 DCT變換 提取每塊的水印信息 合并分塊水印得到完整水印4圖片隱藏過程4.1程序代碼4.1.1水印嵌入程序M=256;%原圖像長度N=32;%水印圖像長度K=8;%顯示原圖像subplot(3,2,1);I=imread(E:testtest.bmp,bmp);imshow(I);title(原始公開圖像);%顯示水印圖像subplot(3,2,2);J=imread(E:testwatermark.bmp,bmp);imshow(J);title(水印圖像);%水印嵌入for p=1:Nfor q=1:Nx=(p-1)*K+1;y=(q-1)*K+1;BLOCK=I(x:x+K-1,y:y+K-1);BLOCK=dct2(BLOCK);if J(p,q)=0a=-1;else a=1;endBLOCK=BL