李永富的論文

1、數(shù)字圖像加密與水印技術 作者: 李永富 指導老師:蔡履中Abstract:This paper introduced a method for digital watermarking based on DCT transformation. The first one is the sequent method. Its basic principle is that the most important part of visual sense is the main ingredients image signal，in which the most energy of the imag

2、e signal concentrated, so that the image could reserve its main ingredients when the image was distorted. And also if we added some extra information to these ingredients, the visual effects changed a little, so that its possible to embed a watermark there. The second one is the random shifting meth

3、od, which basic principle is to disarrange the original image with random shifting and embed the watermark in it，and restore the original image with the contrary shifting, so that the watermark can be embedded in the image evenly. Keyword: DCT transformation digital watermarking random shifting摘要: 這

4、篇論文主要介紹了兩種基于DCT（離散余弦變換）的數(shù)字水印算法。第一種為排序法水印算法，其基本原理是，由于視覺上重要的分量是圖像信號的主要成分，圖像信號的大部分能量都集中在這些分量上，在圖像有一定失真的情況下，仍能保留主要成分，而且在這些分量上加入一定量的額外信息時，并不影響圖像的視覺效果，從而為水印嵌入提供了可能性。第二種為隨機調(diào)換水印算法，其基本原理是，利用隨機調(diào)換將原始圖像打亂，然后嵌入水印，再經(jīng)一個反調(diào)換，恢復原始圖像，以便于將水印均勻的嵌入原始圖像。關鍵詞:DCT(離散余弦變換) 數(shù)字水印 變換域 1. 水印簡介1.1水印的發(fā)展歷史及數(shù)字水印的提出傳統(tǒng)意義上的水印是指紙水印，最早的紙水

5、印于1282年在意大利出現(xiàn)。早期的水印是通過在紙模中加入細線模板制造出來的。到了18世紀在歐洲和美國的制造產(chǎn)品中，紙水印已經(jīng)變得相當實用了。水印被用作商標，記錄紙張的生產(chǎn)日期，顯示原始紙張的尺寸。大約也是在這個時候，水印開始用于紙鈔和其他文件的防偽措施。偽幣制造者發(fā)明了一種技術用來偽造紙幣上的防偽水印。魔高一尺，道高一丈。偽造促進了水印技術的發(fā)展。英國人威廉·康格里夫發(fā)明了一種制造有色水印的技術，這種水印極其難以偽造，但是由于制作工藝太復雜未得到實用。另一個英國人威廉·亨利·史密斯發(fā)明了一種更實用的技術取代了精細線模式，該技術用一種淺浮雕制造水印，并把水印嵌到紙模

6、中，由此產(chǎn)生的鑄模表面的多變性創(chuàng)造出一種具有不同灰度陰影的漂亮水印，這就是今天紙幣水印的基礎技術。數(shù)字媒體服務和網(wǎng)絡傳輸技術的飛速發(fā)展，為多媒體信息交流提供了極大的方便。與此同時，通過網(wǎng)絡傳輸?shù)臄?shù)字產(chǎn)品很容易被復制、處理、傳播和公開，信息的非法竊用和信息安全傳輸問題已變的越來越嚴重。傳統(tǒng)的加密技術已經(jīng)不足以解決問題，于是，數(shù)字水印應運而生。 1994年在一次國際重要學術會議上由T1rkel等人發(fā)表了題目為“A digital watermark”的第一篇有關數(shù)字水印的文章，當時他們已經(jīng)意識到了數(shù)字水印的重要性，提出了數(shù)字水印的概念及可能的應用，并針對灰度圖像提出了兩種向圖像最低有效位中嵌入水印

7、的算法。T1rkel還是第一個認識到可以將擴頻技術應用到數(shù)字水印中的人，他提出可以使用擴頻技術向靜止圖像中添加水印。隨后幾年國際上相繼發(fā)表了大量的關于數(shù)字水印技術的學術文章，內(nèi)容主要是數(shù)字水印的理論研究，包括數(shù)字水印的特點和分類、模型、應用、算法等。其中，Cox等人提出的基于擴頻通信的私有水印算法已經(jīng)成為數(shù)字水印技術中一個比較經(jīng)典的算法。1996年在英國劍橋牛頓研究所召開了第一屆國際信息隱藏學術研討會，標志著信息隱藏學的誕生，而作為信息隱藏學主要分支之一的數(shù)字水印技術的研究也得到了迅速的發(fā)展。到1999年第三屆國際信息隱藏學術研討會，數(shù)字水印成為主旋律，全部33篇文章中有18篇是關于數(shù)字水印的

8、研究。目前不論是學術界還是工業(yè)界對數(shù)字水印技術的研究熱情都很高，關于數(shù)字水印方面的文章不斷增多，有關數(shù)字水印和信息隱藏的會議也增長很多，工業(yè)界則大幅度提高了對水印研究的資助程度。當前世界上有幾大組織機構從事水印技術的研究工作，它們是：版權保護技術工作小組(CPTWG)、數(shù)字音視頻委員會(DAVIC)、安全數(shù)字音樂指引(SDMI、唱機工業(yè)國際同盟(IFH)等；世界上幾大公司都有從事水印研究開發(fā)的小組，如美國IBM和NEC的研究所、PhiliP、Digimarc Signum Technologies等；世界上著名的大學圖像研究實驗室都有研究水印的小組和項目，如：美國的南加利福尼亞大學、普林斯頓大

9、學等等，加拿大的多倫多大學，歐洲的英國、德國、法國、瑞士的許多大學。一些公司已開發(fā)出一些套裝軟件，如：Fraunhofers syscop、Highwater Fbi、Digimarc Corp、DICEs Argent Digital Watemark等。1.2 數(shù)字水印的定義及特征廣義的講,水印即不被感知地在作品中嵌入信息。數(shù)字水印（Digital Watermarking）是指將某一信號（一般稱之為簽字信號，Signature Signal）嵌入到（embedding）另一信號（一般稱之為宿主信號，Host Signal，或稱之為掩護媒體，cover-media）的過程，掩護媒體經(jīng)嵌入信

10、息后變成一個偽裝媒體（stegano-media）。簡單來講，數(shù)字水印即是向數(shù)字作品（圖像、聲音、視頻信號等）添加某些特定數(shù)字信息以達到作品真?zhèn)舞b別、版權保護、拷貝控制等目的，嵌入的水印信息隱藏在宿主文件里，不影響原始文件的可觀性和完整性。成功的水印算法應該滿足以下要求：1 不可見性。在宿主信號中嵌入一定數(shù)量的簽字信號之后，不可能引起明顯的降低品質(zhì)的現(xiàn)象，隱藏的數(shù)據(jù)不易覺察，即人們無法看見這些簽字信號。實踐中一般采用盲試驗的方法，當人們感覺器官不能區(qū)分原始宿主信號和嵌入水印之后的宿主信號時，就認為水印是透明的，不可覺察的。2 魯棒性（robust）。加入水印的圖像在傳播過程中必然會受到各種有意

11、或無意的干擾，因此，一個數(shù)字水印應該能夠承受大量的不同的物理和幾何失真，包括有意的或無意(如圖像壓縮，濾波，AD與DA轉(zhuǎn)換，噪聲污染，尺寸變化等等)的攻擊，即經(jīng)過上述攻擊后，水印算法仍能從水印圖像中提取出嵌入的水印或證明水印的存在，若攻擊者試圖刪除水印將導致載體的徹底破壞3 安全性。指隱藏算法有較強的抗攻擊能力，即它必須能夠承受一定程度的人為攻擊，而使隱藏信息不會被破壞。4 有效性。水印提取算法應高效，提取出的水印應能唯一標識版權所有者。1.3 數(shù)字水印的分類目前最常用的分類方式為按水印被嵌入方式劃分1 空間域數(shù)字水印技術通過直接改變圖像數(shù)據(jù)來加入水印，水印一般被嵌入在圖像的亮度或色度信號的強

12、度值中。主要包括：UB方法、chwork方法、紋理塊映射編碼法等。 UB方法：在像素的不重要位嵌入水印信息，利用該算法將特定標記隱藏于數(shù)字圖像內(nèi)。紋理塊映射編碼法：將一個基于紋理的水印嵌入到圖像的具有相似紋理的一部分當中。 chwork方法：將圖像分成兩個子集，一個子集的亮度增加，另一子集的亮度減少同樣的量。這個量以不可見為標準。而子集的位置作為密鑰，則水印可以很容易地由兩個子集間的差別平均而確定。 空間域水印算法具有對宿主圖像影響小、運算量小、嵌入信息量大、能夠有效地利用人類視覺系統(tǒng)特性等優(yōu)點。缺陷是對圖像尺寸變換不具魯棒性，為了使其對剪切變換具有魯棒性，空間域方法不得不重復地將同類信息內(nèi)嵌

13、到圖像的不同區(qū)域。空間域方法在追求簡捷、高效，但安全性要求不高的場合得到了廣泛的應用。2 變換域方法。變換域方法是一種用類似擴頻通信的技術來隱藏數(shù)據(jù)的方法，該方法先對圖像作某種正交變換，然后選擇一個頻域系數(shù)的子集進行改變，再進行逆變換得到加水印的圖像。通常，集中于頻譜的中間范圍，以利于在JPEG壓縮和其它圖像處理技術的不可見性和穩(wěn)健性之間取得折衷。與空間域方法不同的是變換城中的數(shù)字水印在逆變換時會散布在整個圖像空間中，故受修剪影響小，穩(wěn)健性較強。近年出現(xiàn)了多種基于不同變換域的方法。比如把圖像進行DCT(離散余弦變換)，然后將一個二進制序列作為水印嵌入DCT頻域。 在Ruanaidh提出的水印算

14、法中，水印被嵌入到DCT(付氏變換)的相位中，使其對竄擾有較強的穩(wěn)健性。 此外，還有一些基于離散小波變換、以及基于小波分析的多分辨率分解技術的數(shù)字水印方案。小波的多分辨率分解算法，是將水印信號和圖像進行分解，然后在相應層次上加入水印，最后還原圖像。變換域方法具有較好的安全性和不可見性，其算法抗信號處理和惡意攻擊的能力強，可與現(xiàn)有的圖像壓縮方法兼容，從而實現(xiàn)壓縮圖像的水印嵌入。缺點是嵌入信息量小且運算量大。由于變換域嵌入水印的方法在諸如有損壓縮、濾波等攻擊方面具有突出的優(yōu)越性，使得它為諸多的數(shù)字水印方案所采用。 變換域方法的優(yōu)點是：1 變換域中嵌入的水印信號能量可分布到空域的所有象素上，有利于保

15、證水印的不可見性。2 在變換域中可方便地將人類視覺系統(tǒng)的某些特性結合到水印算法中。3 變換域方法可與現(xiàn)有的圖像壓縮方法兼容。如圖示為水印處理系統(tǒng)的典型模型 數(shù) 字 水 印嵌 入 算 法 數(shù)字水印（X）原始圖像（I）密鑰（K）嵌入水印后的圖像圖（1） 數(shù)字水印的一般性嵌入框圖數(shù) 字 水 印檢 測 算 法 數(shù)字水?。╔）水印圖像（I）密鑰（K）數(shù)字水印或有或無圖（2） 數(shù)字水印檢測的一般性框圖在圖像處理的廣泛領域中，離散余弦變換起著非常重要的作用，包括圖像的效果增強，圖像分析，圖像復原和圖像壓縮等。在圖像數(shù)據(jù)處理中常用的是二維離散余弦變換，它能把空間域的圖像轉(zhuǎn)變到空間域上進行研究，從而能很容易地了

16、解到圖像的各空間頻域成分，進行相應的處理。這篇論文的以下內(nèi)容主要介紹了兩種基于DCT（離散余弦變換）的數(shù)字水印技術及其計算機模擬。第一種用排序法將一個水印信號嵌入到原始圖像DCT變換域中重要分量的幅度成分中。第二種用隨機調(diào)換的方法將水印圖像均勻的分散到原始圖像中。2. 基于DCT變換的水印算法（一）排序法嵌入水印數(shù)字水印的嵌入與檢測為了保證嵌入水印信號具有良好的魯棒性，應將圖像水印放在視覺上最重要的成分上。由于視覺上重要的分量是圖像信號的主要成分，圖像信號的大部分能量都集中在這些分量上，在圖像有一定失真的情況下，仍能保留主要成分，即視覺上重要的分量的抗干擾能力較強，因此將水印嵌入在這些分量上，

17、可獲得良好的魯棒性。當水印信號相對宿主信號較小時，還可以保證不可見性。本算法將水印信號構成的水印序列放在圖像DCT的重要系數(shù)的幅度中，增強水印的魯棒性。1 數(shù)字水印的嵌入過程：（1） 對原始圖像進行二維DCT變換。DCT變換使得原始圖像的各象素分布被打亂從而有利于水印信號的均勻分布。對DCT變換后的圖像按象素幅值大小進行排列。（2） 讀入水印圖像。對水印圖像也按象素幅值大小進行排列。（3） 水印嵌入。通常選取幅值較大的n個系數(shù)作為重要分量，將變化后的水印信號依次嵌入其中。嵌入公式為： 其中,為DCT變換圖像某象素的幅值, 為對應的DCT變換圖像該象素嵌入水印信號后的幅值,為水印信號某象素的幅值

18、, a為一個系數(shù), 用以確定嵌入水印信號的量,同時可作為密鑰.（4） 進行二維離散余弦反變換，再對變換圖像進行逆排序得到嵌入水印的圖像。此時，水印信號已經(jīng)比較均勻的分散到整幅圖像當中。2 水印的提取。對原圖像和嵌入水印的圖像分別進行離散余弦變換。用公式進行提取： 對提取出的水印信號進行排序即提取出水印. 數(shù)字水印算法的計算機模擬 1水印的嵌入與提取圖1中，我們將原始圖像（a）進行二維DCT變換，要嵌入的水印圖像如圖（c）所示。我們用前面所述的水印嵌入算法將（c）嵌入（a）的DCT變換圖像中，再進行逆DCT變換得到嵌入水印后的加密圖像（b）。比較（a），（b）兩圖，可以看出二者精確相同。圖（d）

19、為用逆算法從（b）中提取出的水印信號，（c），（d）也精確相同。由此可見水印良好的嵌入了原始圖像當中。 圖（a） 圖（b） 圖（c） 圖（d）圖1 圖像加密隱藏和數(shù)字水印技術的加密和恢復效果:（a）載體圖像(512512)； （b）加密后的傳輸圖像(512512)；（c）要嵌入的保密圖像(512×512); （e）從(b)中提取的隱秘圖像(512512)； 圖（a） 圖（b） 圖（c） 圖（d） 圖2 換另一幅圖片作載體圖像時圖像加密隱藏和數(shù)字水印技術的加密和恢復效果:（a）載體圖像(512512)； （b）加密后的傳輸圖像(512512)；（c）要嵌入的保密圖像(512×

20、512); （e）從(b)中提取的隱秘圖像(512512)；圖2是與圖1類似的另一例子，只是將載體圖像做了變化，可見加密及恢復的效果同樣是非常好的。為了說明該方法的抗干擾能力, 在圖3及圖4中我們分別用兩幅圖片作載體圖像考察圖像的噪聲對隱秘圖像恢復的影響。其中每圖中，（a）、（c）加密后的載體圖像，保密圖像;（b）是將（a）加噪聲后的圖像，（d）是從（b）中恢復的保密圖像，可見圖像加噪聲對保密圖像的恢復產(chǎn)生了一定影響，但保密圖像中的文字信息仍未丟失。 圖（a） 圖(b) 圖（c） 圖（d） 圖3 水印圖像中引入噪聲對保秘圖像恢復的影響（a）嵌入水印后得到的水印圖像； （b）在（a）中加入噪聲后

21、的水印圖像;（c）原始水??； （d）從（b）中恢復的保密圖像。 圖（a） 圖(b) 圖（c） 圖（d）圖4 換圖像后水印圖像中引入噪聲對隱秘圖像恢復的影響 （a）嵌入水印后得到的水印圖像； （b）在（a）中加入噪聲后的水印圖像;（c）原始水??； （d）從（b）中恢復的保密圖像。為了說明該方法的抗破壞能力, 在圖5及圖6中我們分別用兩幅圖片作為載體圖像考察了在水印圖像中引入剪切對隱秘圖像恢復的影響。其中每圖中，（a）、（b）是加密后的載體圖像，剪切后的圖像; （c）是保密圖像;（d）是從（b）中恢復的保密圖像，可見在水印圖像中引入剪切使所恢復的保密圖像中也攙入了一定的噪聲，但保密圖像中的文字信息

22、仍清晰可見。 圖 （a） 圖（b） 圖（c） 圖(d)圖5 水印圖像中引入剪切對隱秘圖像恢復的影響（a）嵌入水印后的圖像; （b）將（a）剪切后得到的水印圖像；（c）原始水印圖像； （d）從（b）中恢復的保密圖像。 圖（a） 圖（b） 圖（c） 圖 (d)圖6 水印圖像中引入剪切對隱秘圖像恢復的影響（a）嵌入水印后的圖像;（b）將（a）剪切后得到的水印圖像；（c）原始水印圖像； （d）從（b）中恢復的保密圖像。圖3-圖6令人信服地表明了該方法具有從部分水印圖像或有噪聲污染的水印圖像中恢復原隱秘圖像的能力。盡管水印圖像的部分缺失和噪聲污染可使得所恢復的隱秘圖像中攙雜一些噪聲，但是，部分噪聲并不妨

23、礙文字的判讀。（二）隨機調(diào)換法嵌入水印 數(shù)字水印的嵌入與檢測上述方法有一個缺陷，就是水印不是被均勻嵌入，而是被嵌入圖像DCT的重要系數(shù)的幅度中。這樣，如果對圖像中的幅值較大的地方加入噪聲，就會嚴重影響水印的提取。因此我們提出改進方案，即將利用隨機調(diào)換將原始圖像打亂，然后嵌入水印，再經(jīng)一個反調(diào)換，恢復原始圖像，以便于將水印均勻的嵌入原始圖像，從而減小噪聲的影響。1 數(shù)字水印的嵌入過程：（1） 對原始圖像進行二維DCT變換。DCT變換使得原始圖像的各象素分布被打亂從而有利于水印信號的均勻分布。對DCT變換后的圖像分別按行列進行隨機調(diào)換。（2） 讀入水印圖像。（3） 水印嵌入。將水印信號依次嵌入隨機

24、調(diào)換后的圖像中。嵌入公式為： 其中,為DCT變換圖像某象素的幅值, 為對應的DCT變換圖像該象素嵌入水印信號后的幅值,為水印信號某象素的幅值, a為一個系數(shù), 用以確定嵌入水印信號的量,同時可作為密鑰.（4） 進行二維離散余弦反變換，再對變換圖像進行逆隨機調(diào)換得到嵌入水印的圖像。2 水印的提?。簩υ瓐D像和嵌入水印的圖像分別進行離散余弦變換。用公式進行提?。?對提取出的水印信號進行排序即提取出水印。 數(shù)字水印算法的計算機模擬1 水印的嵌入與提取圖（a）為原始圖像，圖（b）為加入水印信號的加密圖像,圖（c）為水印圖像，圖（d）為從圖（b）中解出的水印信息。比較(a) (b)可知二者精確相同，由此可

25、見，水印信號良好的嵌入到了原始圖像當中。 圖(a) 圖(b) 圖(c) 圖(d)圖7 圖像加密隱藏與數(shù)字水印技術的加密與恢復為了說明該方法的抗破壞能力，圖8對加密圖像進行剪切處理來引入躁聲，圖(a)為加密圖像，圖(a)為剪切后的圖像，圖(c)為水印圖像，圖(d)為從(b)中恢復到的水印圖像。 圖(a) 圖(b) 圖(c) 圖(d)圖8 加密圖像引入剪切后對圖像恢復的影響為了說明該方法的抗干擾能力，圖9對加密圖像加入躁聲，圖(a)為加密圖像，圖(b)為加入躁聲的圖像，圖(c)為水印圖像，圖(d)為從(b)中恢復到的水印。 圖(a) 圖(b) 圖(c) 圖(d) 圖9 加密圖像引入躁聲后對水印圖像

26、恢復的影響由于圖8、圖9可知新的加密方法也具有對良好的從部分圖像中或從有躁聲污染的圖像中恢復隱秘圖像的能力。并且由于水印信號嵌入的更均勻，更能良好的抵御干擾破壞。 3. 結論 本文提出了兩種基于DCT變換的數(shù)字水印算法，第一種方法中，水印被嵌入到載體圖像DCT的重要幅值中，對于人的視覺系統(tǒng)來說，嵌入信息的幅值對原始圖像的幅值影響很小，而且由于該算法的解密為明解密，水印嵌入時可以以很小的量加入，對圖像的視覺效果影響很小，特別適合用以版權保護。第二種方法針對第一種方法做了改進，將圖像更均勻的嵌入原始圖像中，大大提高了水印的魯棒性。參考文獻1 Luzhong Cai, Mingzhao He ,Qing Liu and Xiulun yang,“Digital image encryption and watermarking by phase-shifting inter