數(shù)字圖像處理在數(shù)字水印中的應用(共11頁)

1、數(shù)字圖像處理課程報告圖像處理在數(shù)字水印中的應用姓 名： 蔣運文 學 號： 12212842 專 業(yè)：通信與信息系統(tǒng)指導老師： 沈偉 教授2013.061、 研究背景及意義數(shù)字圖像處理方法的研究源于兩個主要應用領域：其一是為了便于人們分析而對圖像信息進行改進，其二是為使機器自動理解而對圖像數(shù)據(jù)進行存儲、傳輸及顯示。數(shù)字圖像處理技術已經(jīng)在各個領域上都有了比較廣泛的應用，圖像是人類獲取和交換信息的主要來源，因此，圖像處理的應用領域必然涉及到人類生活和工作的方方面面。隨著人類活動范圍的不斷擴大，圖像處理的應用領域也將隨之不斷擴大，本文主要介紹數(shù)字圖像處理技術在信息安全領域的數(shù)字水印中的應用。在信息安全

2、領域，數(shù)字圖像還承擔著作為法庭證據(jù)的責任，其真實性和完整性直接影響到執(zhí)法結果，隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,人們越來越容易從互聯(lián)網(wǎng)上獲取數(shù)字多媒體信息,而與此同時,數(shù)字多媒體信息的版權、保密等問題也變得日益突出起來。本文在介紹數(shù)字水印技術的相關概念、特點和分類的基礎上,分析了實現(xiàn)數(shù)字水印的步驟,并對數(shù)字圖像處理技術在數(shù)字水印中的應用進行了研究。人們由于不同的應用需求造就了不同的水印技術，數(shù)字水印技術則是其中最新的一種，數(shù)字水印是把主要內容隱藏在圖像，聲音中，水印與內容結合在一起。這大大改善了傳統(tǒng)水印的肉眼即可分辨性，數(shù)字水印在不同的環(huán)境同時也具有不同的特征性質，它還能夠被特定的機器所識別，正是其具有的這些

3、優(yōu)點，越來越多的各個領域的人們開把把眼光看向它。數(shù)字圖像水印可以用于鑒別信息真?zhèn)巍⒄J證身份、圖像保護、版權保護、隱藏信息、以及做標記等等方面。數(shù)字圖像不僅包含信息量大，而且其傳輸和處理極其方便，成為人們獲得信息的一種重要來源，所以數(shù)字圖像水印也是應用得非常廣泛的一項技術。二、數(shù)字水印的衡量標準安全性：數(shù)字的信息應是安全的，難以篡改或偽造，同時，應當有較低的誤檢測率，當原內容發(fā)生變化時，數(shù)字水印應當發(fā)生變化，從而可以檢測的變更；當然數(shù)字水印同樣對重復添加有很強的抵抗性隱蔽性：數(shù)字應是不可知覺的，而且應不影響被保護數(shù)據(jù)的正常使用；不會降質；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)字仍能

4、保持部分完整性并能被準確鑒別。可能的信號處理過程包括、濾波、數(shù)/模與模/數(shù)轉換、重采樣、剪切、位移、尺度變化以及等。主要用于版權保護的數(shù)字易損（Fragile Watermarking），主要用于完整性保護，這種水印同樣是在內容數(shù)據(jù)中嵌入不可見的信息。當內容發(fā)生改變時，這些信息會發(fā)生相應的改變，從而可以鑒定是否被篡改。三、數(shù)字水印的分類 數(shù)字水印的分類方法很多，下面按主要特征對其作一簡單概述:從含水印圖象中的水印是否可見分為可見水印和不可見水印兩大類。當前學者們主要致力于研究不可見水印，即水印是不可被感知的，這也是本文的研究重點。為了保證水印嵌入引起的改變不被感知，需要對感知模型進行研究。A.

5、 從來源來分 獨立于圖象的水?。菏请S機產(chǎn)生的也可以是事先給定的 圖象自適應的水?。豪迷紙D象的特性生成的水印。B. 從含水印圖象的抗攻擊能力即魯棒性 脆弱水印：對任何圖象變換或處理都非常敏感， 半脆弱水印：對某些特定的圖象處理方法有魯棒性而對其它的處理不具備魯棒性。 魯棒水?。簩ΤＲ姷母鞣N圖象處理方法都具備魯棒性。 水印處理算法也可以分為兩大類，即可見水印處理算法和不可見水印處理算法。不可見水印處理算法可以分為空間域、變換域和壓縮域三種。 空間域：是用各種各樣的方法直接修改圖象的像素(如直接修改最低位)。對有損壓縮和濾波有較好的魯棒性，但是   能夠嵌入的水印信

6、息不能太多，否則從視覺上會觀察到圖像的變化。 變換域：是對圖象進行某種變換后嵌入水印，如離散余弦變換，離散傅里葉變換，小波變換，線性調頻Z變換等。 壓縮域：是在壓縮后的位流中嵌入水印，如在矢量量化壓縮后的索引中或JPEG，MPEG位流中。4、 實現(xiàn)數(shù)字水印的一般步驟 可大致將實現(xiàn)一個數(shù)字水印系統(tǒng)分為三個階段:嵌入過程、傳播過程和抽取過程。其中嵌入和抽取是相互對應的,即不同的嵌入方法對應著不同的抽取方法。水印方案的提出要充分考慮到數(shù)字產(chǎn)品在傳播過程中會受到怎樣的干擾,這些干擾可能是天然的,比 如 信 道 噪 聲;也可能是人為的,比如惡意的篡改數(shù)字產(chǎn)品。這些都需要被充分估計,并設計出能夠抵抗這些干

7、擾的水印方案。在嵌入之前,要對嵌入載體進行一些預處理或變換,同樣抽取水印也需要作相對應的處理,所以一般的數(shù)字水印的實現(xiàn)流程如圖1所示圖1 數(shù)字水印的嵌入和提取流程圖五、圖像處理在數(shù)字水印上的應用A. 在DWT域嵌入水印水印信號的嵌人算法 第 1步：對圖像進行小波變換。小波變換在圖像處理中的基本思想是把圖像進行多分辨率分解成不同空間和獨立 頻帶的子圖像，然后對子圖像的系數(shù)進行處理。將圖像進行 一級分解的示意圖如圖2所示?？梢钥闯?，一幅圖像經(jīng)過一級小波分解后變成 4個四分之一大小的子圖像；左上角的LL1是平滑逼近，即低頻逼近子圖；右上角的HL1為水平分量 、左下角 LH1的為垂直分量、右下角的 H

8、H1為對角方向分 量分別表示水平、垂直和對角線方向的中高頻細節(jié)子圖。對 低頻部分繼續(xù)分解，得到 n級分解 ，產(chǎn)生 LHj、HLj 、HHj(j=1,2.n)三個高頻帶系列子圖和一個 LLn低頻帶子圖。其中低 頻帶表示對原始圖像的最佳逼近，它的統(tǒng)計特征和原圖像相似，圖像大部分能量集中在此。高頻帶部分代表圖像的邊緣及紋理。通過小波變換，可以有效的提取圖像的高、低頻成分。由于人眼對高頻信息的敏感度低于對低頻信息的敏感 度，因此水印嵌入到越高頻的區(qū)域，對原始圖像的影響越小，也就是說，水印的透明性越好。本文提出的算法是把水印嵌入到小波圖像的高頻系數(shù)C。 圖2 一級分解各分量示意圖 圖2 DWT一級分解各

9、分量示意圖第2步：將水印信號 W嵌人 C中。根據(jù)水印嵌人閾值 T1決定是否將水印信息嵌人到圖像中。在水印嵌人門限內時wi是一組服從正態(tài)分布的隨機數(shù)序列，否則 wi=0。用 c i= c i(1+aiwi)將水印信號W嵌人到 C中，得到 C。其中，ai的大小決定了水印信號修改圖像頻率的強度。 第3步：將 C進行 IDWT2逆小波變換重構圖像獲得含 有水印的圖像IW。B. 在 DCT 域嵌入水印 DCT域嵌入水印的方法是先計算圖像的離散余弦變換(DCT),然后將水印疊加到DCT域中幅值最大的前k系數(shù)上(不包括直流分量),通常為圖像的低頻分量。若DCT系數(shù)的前k個最大分量表示為D=di(i=1,2,

10、 ,k),水印服從高斯分布的隨機實數(shù)序列W=wi(i=1,2,k),那么水印的嵌入算法 為 :D=di(1+awi)式中,常數(shù)a為尺度因子,控制水印嵌入的強度。然后用新的系數(shù)做反變換得到水印圖像Iw。解碼函數(shù)則分別計算原始圖像I和水印圖像Iw的離散余弦變換,并相減得到水印估計W*,再和原始水印做相關檢驗以確定水印的存在與否。一般地,如果水印存在,相關系數(shù)應該很大,否則接近于0。由于水印是隨機高斯噪聲,嵌入前后的圖像,人眼難以區(qū)分。同理,第二種方案在DCT域嵌入水印,嵌入的是非盲、魯棒和頻域的水印。需要說明的是,由于其水印信號是隨機的高斯序列,我們只是用來判斷圖像中是否含有水印,更多的信息無法得

11、到,所以是無意義的水印。6、 實驗結果及分析A. 在DWT域嵌入水印1.在256×256的png格式的lena圖片中從DWT域嵌入一個32×32的帶有字母sysu的圖片，其結果如下：圖3. DWT數(shù)字水印的嵌入和提取從圖3可以看出，在DWT嵌入帶有字母的圖片后，對原圖像的視覺效果并沒有影響，且提取出來的水印與嵌入的水印是一樣的，達到了信息隱藏的目的。2. 在256×256的png格式的lena圖片中從DWT域嵌入一個128×128的帶有中山大學校微的的圖片，其結果如下：圖4. DWT數(shù)字水印的嵌入和提取從圖4可以看出，在DWT嵌入帶有字母的圖片后，對原圖

12、像的視覺效果有一定的影響，呈水印狀，但沒有完全暴露水印的信息，且提取出來的水印與嵌入的水印是一樣的，基本達到了信息隱藏的目的?？梢娝〉拇笮∫约八D案、紋理的復雜程度會影響DWT域水印嵌入的效果。B. 在 DCT 域嵌入水印1. 在256×256的png格式的lena圖片中從DWT域嵌入一個32×32的帶有字母sysu的圖片，其結果如下：圖5. DCT數(shù)字水印的嵌入和提取從圖3可以看出，在DCT嵌入帶有字母的圖片后，對原圖像的視覺效果并沒有影響，且提取出來的水印與嵌入的水印是一樣的，達到了信息隱藏的目的。2.在256×256的png格式的lena圖片中從DCT域

13、嵌入一個128×128的帶有中山大學校微的的圖片，其結果如下：圖6. DCT數(shù)字水印的嵌入和提取從圖4可以看出，在DCT嵌入帶有字母的圖片后，對原圖像的視覺效果有一定的影響，呈水印狀，但沒有完全暴露水印的信息，且提取出來的水印與嵌入的水印是一樣的，基本達到了信息隱藏的目的?？梢娝〉拇笮∫约八D案、紋理的復雜程度會影響DWT域水印嵌入的效果。綜上所述，在圖像的DWT和DCT域嵌入數(shù)字水印，可以達到一定的信息隱藏的目的，仔細觀察發(fā)現(xiàn)，在嵌入128×128的含有中山大學校微的水印時，在DWT嵌入的水印效果比在DCT域嵌入的效果要好，DCT域嵌入時水印比DWT域嵌入要明顯。七、

14、總結與體會在數(shù)字電子技術和計算機信息科技蓬勃發(fā)展的今天，信息的傳遞越來越簡潔化、明朗化、普遍化。隨著信息時代的到來，各種各樣的多媒體作品的傳播發(fā)生了驚人的變化，這在給人們帶來巨大便利的同時也讓信息的安全性也得到了極大的考驗，數(shù)字作品的版權問題日益浮出水面。如何保護創(chuàng)作者的權益，促進社會、促進經(jīng)濟的發(fā)展這已經(jīng)成為一個嚴峻的社會問題。然而原始的加密技術例如密鑰已經(jīng)不能再滿足數(shù)字圖像版權的保護。身份證、防偽商標、包裝等印刷品的防偽程度也必須要不斷提高，在這一系列問題中，圖像處理的優(yōu)勢愈加明顯化，圖像處理在數(shù)字水印中的應用也變得更加愈加重要，數(shù)字水印技術在市場上擁有很大的市場潛力。因此，它的開發(fā)和研究是很有必要的。如何提高水印的技術，如何盡最大努力不改變目標的價值和質量情況下隱藏一些機密信息，保護合法的權益是其中尤其重要的問題。圖像加密技術是一個無止境的探索過程，科技越來越發(fā)達，信息的保密性和版權問題也會節(jié)節(jié)攀升，我們應當去思考如何應用更多的新技術提高這個領域的水平。圖像處理技術不僅僅是信息安全領域的技術，也是對新時代信息的新的挑戰(zhàn)，同時還是信息安全領域具有遠大前景和