變換域下的數(shù)字圖像水印技術(shù)研究電子信息設(shè)計(jì)說(shuō)明

1、畢 業(yè) 論 文題 目： 變換域下的數(shù)字圖像水印技術(shù)研究 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中文摘要變換域下數(shù)字圖像水印技術(shù)研究摘要：科技進(jìn)步給我們的生活帶來(lái)極大便利的同時(shí)也帶了以前不曾出現(xiàn)的問(wèn)題。對(duì)數(shù)字產(chǎn)品保護(hù)的探求，就一直是大家廣為關(guān)注的方向?；谧儞Q域下的數(shù)字圖像水印處理技術(shù)就是圖像領(lǐng)域中的一個(gè)重要課題。本文主要基于對(duì)數(shù)字圖像水印系統(tǒng)在變換域下的實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行深入的研究與分析。研究了在離散余弦變換域下和小波變換域下分別對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行水印信息的置亂、嵌入和提取操作，以與在算法實(shí)現(xiàn)后對(duì)水印系統(tǒng)進(jìn)行包括噪聲、濾波、壓縮、剪切和旋轉(zhuǎn)的水印攻擊測(cè)試。在本文最后還分別對(duì)基于兩種算法的水印系統(tǒng)進(jìn)行定量的比較分析。關(guān)鍵詞：數(shù)

2、字水印；離散余弦變換；小波變換；圖像置亂；水印攻擊- 41 - / 47畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）外文摘要Title Research on digital image watermarking technology under the transform domainAbstractWhile we are enjoying the convenience of our life which was brought by the development of science and technologies, it also creats many problems that had never ap

3、peared before. It is been widely discussed that the exploration of the securities of digital products. And it is a important subject that the digital graphic watermark processing technique aimed at the domain of image under the tranform domain. This paper deeply studied and analysed the practical me

4、thods to creat a digital image watermarking system under the transform domain.It mainly studied the operations of correctly watermark embedding and extracting digital image under the discrete consine transform domain and the wavelet transform domain. And it studied attacked watermark tests of water

5、mark system involved in noise,filtering, compression,shear and rotation after the realization of algorithm. Besides,to ensure the security of digital watermark system,it also studied the content of scrambling algorithm,such as Arnold scrambling algorithm.Keywords：Digital watermarking;DCT;DWT;Image s

6、crambling;Watermark attack目錄1 緒論11.1課題的背景和意義11.2數(shù)字水印的起源與研究現(xiàn)狀21.3論文的主要工作和容42 數(shù)字圖像水印技術(shù)52.1數(shù)字圖像水印技術(shù)的含義與特性52.2數(shù)字圖像水印系統(tǒng)的分類52.3典型數(shù)字圖像水印算法介紹72.3.1空域水印72.3.2變換域水印算法72.3.3其他水印算法82.4水印的置亂方法82.4.1 Arnold置亂算法82.4.2 Arnold逆變換92.5水印攻擊方法92.4.1攻擊方式分類92.4.2攻擊原理分類102.6數(shù)字水印評(píng)估的常見(jiàn)標(biāo)準(zhǔn)112.7人類視覺(jué)系統(tǒng)HVS113 基于離散余弦變換（DCT）的水印系統(tǒng)算法

7、133.1離散余弦變換的基本原理133.1.1 DCT變換的定義133.1.2 DCT域系數(shù)133.2離散余弦變換算法實(shí)現(xiàn)的基本步驟153.2.1水印的置亂加密153.2.2水印的嵌入153.2.3水印的提取163.2.4水印的攻擊測(cè)試173.3離散余弦變換算法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析184 基于小波變換（DWT）的水印系統(tǒng)算法224.1小波變換的基本原理224.1.1小波變換的定義224.1.2圖像小波分解244.2離散小波變換算法實(shí)現(xiàn)的基本步驟264.2.1 Arnold置亂加密264.2.2小波基的選取274.2.3嵌入算法274.2.4提取算法284.2.5水印的攻擊測(cè)試284.3算法結(jié)果與分

8、析285.算法之間的比較分析32總結(jié)34致371.緒論進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，我們社會(huì)的發(fā)展己經(jīng)呈現(xiàn)兩個(gè)明顯的特征:數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化。數(shù)字化指的是將信息以數(shù)字的形式進(jìn)行存儲(chǔ)，從而使的信息可以大量存儲(chǔ)、更加輕易地編輯和復(fù)制。網(wǎng)絡(luò)化指的是信息的傳輸形式，在網(wǎng)絡(luò)化的模式下信息的傳輸具有速度更快、分布更廣的優(yōu)點(diǎn)。在信息技術(shù)邁入新世紀(jì)的同時(shí)，研究對(duì)信息源的保護(hù)和認(rèn)證也凸顯的日益重要。其中對(duì)圖像作品的知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)和認(rèn)證就是其中一個(gè)重要的研究方向。本課題主要便是研究在變換域下的數(shù)字圖像水印處理技術(shù)。1.1 研究的背景和意義我們通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)這一重要媒介可以去了解和認(rèn)知世界，感受新時(shí)代的多姿多彩。好比在互聯(lián)網(wǎng)上，我們可

9、以隨時(shí)的對(duì)本身感興趣的圖像進(jìn)行搜索、下載、瀏覽和觀看。對(duì)于我們的日常生活,互聯(lián)網(wǎng)為我們提供了快捷與便利的方式，然而對(duì)于侵權(quán)和仿冒者同樣可以利用如此便捷的方式對(duì)具有信息的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行非法截獲與破解，再對(duì)圖像容加以復(fù)制、拷貝、改動(dòng)和傳播，這樣就會(huì)使得圖像的仿冒和侵權(quán)變得極其簡(jiǎn)單。過(guò)去使用傳統(tǒng)方法的安全加密技術(shù)來(lái)對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，到了今天傳統(tǒng)信息安全加密技術(shù)已經(jīng)越來(lái)越顯得無(wú)力了。在盜權(quán)使用所帶來(lái)極高回報(bào)的誘惑下，侵權(quán)者的盜版方式層出不窮，盜版的方法越來(lái)越厲害。針對(duì)此種現(xiàn)象，我們只能不斷的革新防偽技術(shù)，用以保護(hù)圖像所有者的利益。以前的安全加密技術(shù)主要是基于發(fā)展多年的密碼學(xué)經(jīng)驗(yàn)，主要是將需要保護(hù)的

10、圖像文件放在一個(gè)具有復(fù)雜密碼的外殼程序里從而達(dá)到加密保護(hù)的效果，對(duì)于沒(méi)有密鑰的使用者，由于無(wú)法打開(kāi)外殼程序，從而使得圖像文件受到保護(hù)1-2。面對(duì)當(dāng)今開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境人們需要的是對(duì)圖像信息的實(shí)時(shí)傳播和實(shí)時(shí)共享，而傳統(tǒng)的加密需要一套復(fù)雜的密碼系統(tǒng)，將圖像文件放入一個(gè)外殼程序，再對(duì)外殼程序進(jìn)行加密操作，然而在現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中對(duì)圖像數(shù)據(jù)信息進(jìn)行傳統(tǒng)外殼程序加密處理需要消耗本就有限的資源帶寬，拖慢本就不快的網(wǎng)絡(luò)傳播速度，對(duì)于實(shí)時(shí)傳播和實(shí)時(shí)共享帶來(lái)挑戰(zhàn)。即使不考慮傳統(tǒng)加密帶來(lái)的硬件和資源帶寬的消耗，面對(duì)越來(lái)越高明的仿冒和破解技術(shù)，傳統(tǒng)圖像信息安全加密技術(shù)在當(dāng)今高性能處理器的時(shí)代已經(jīng)不再具有優(yōu)勢(shì)，一般對(duì)數(shù)字密鑰

11、的解密對(duì)于性能極高的處理器只是稍稍費(fèi)點(diǎn)時(shí)間罷了。所以研究一種不需要增加文件大小的又可以對(duì)圖像的知識(shí)產(chǎn)權(quán)進(jìn)行有效保護(hù)的圖像加密技術(shù)具有十分現(xiàn)實(shí)的意義3。數(shù)字圖像水印技術(shù)就是當(dāng)前眾多圖像加密技術(shù)中的一項(xiàng)十分重要的技術(shù)，自從1993年這項(xiàng)技術(shù)提出后，就得到了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注4。數(shù)字水印技術(shù)具有其獨(dú)特的加密方法，它通過(guò)一定的嵌入算法將具有特殊意義的水印信息隱藏在目標(biāo)圖像數(shù)據(jù)中，所要求的是嵌入系統(tǒng)中的水印信息不可以將原始圖像的基本外觀和尺寸大小發(fā)生明顯的改變，也就是說(shuō)是嵌入水印不可以影響原本圖像數(shù)據(jù)的外在市場(chǎng)價(jià)值，在水印系統(tǒng)提取水印信息的階段，隱藏其中的水印信息提取后不可以無(wú)法識(shí)別。因此一個(gè)優(yōu)秀的數(shù)字圖

12、像水印系統(tǒng)會(huì)具有良好的隱蔽性、魯棒性和非常安全的特點(diǎn)?；跀?shù)字圖像水印技術(shù)的技術(shù)特點(diǎn)，侵權(quán)者在對(duì)被水印技術(shù)保護(hù)的圖像作品進(jìn)行侵權(quán)行為時(shí)，會(huì)變得異常的不簡(jiǎn)單，圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸通信時(shí)也可以變得更加便捷高效，因此在維護(hù)、出版音像、數(shù)字網(wǎng)路以與鑒別防偽數(shù)據(jù)等領(lǐng)域都可以得到極好的發(fā)展5?；谶@些原因，對(duì)數(shù)字圖像水印技術(shù)不斷的深入探索是很有價(jià)值的，這便是選擇本課題的原因。1.2 數(shù)字水印的起源與研究現(xiàn)狀在人類歷史漫長(zhǎng)的歲月中我們可以發(fā)現(xiàn)很多發(fā)明都有水印技術(shù)的影子。古希臘特殊信息刻在木板上，木板上的特殊信息用石蠟填平，這樣看起來(lái)寫(xiě)有特殊信息的木板就猶如普通的木板一般，但將看似普通的木板加熱后覆蓋其上的石蠟被

13、融化，隱藏其中的軍事信息就會(huì)顯露出來(lái)，這就和現(xiàn)在的防止偽造盜版的水印系統(tǒng)原理類似6。在中國(guó)古代傳遞信息的藏頭詩(shī)，中世紀(jì)歐洲隱藏信息的柵格技術(shù)，近代碟戰(zhàn)中出現(xiàn)的類似隱形墨水、文字密碼書(shū)信等，都可以隱約看到水印技術(shù)的影子。真正類似今天的水印技術(shù)可以追述到8世紀(jì)末或9世紀(jì)初，由中國(guó)唐代造紙工匠首創(chuàng)，他們?cè)谠旒埖闹窈熌Ｐ蜕嫌媒z線編織花紋，花紋的處理比竹簾本身突出一些，故成紙時(shí)相對(duì)應(yīng)有花紋的部位纖維交織得薄一些，則透光程度高一些，于是就可以得到類似今印的效果7；13世紀(jì)意大利工匠在抄紙網(wǎng)上編織出字母、數(shù)字或圖案，使造紙機(jī)上的修飾裩（水印裩）留有水印圖案，當(dāng)壓制濕紙頁(yè)時(shí)就可以形成水印了8。今天我們使用的人

14、民幣上用來(lái)識(shí)別真?zhèn)蔚木褪撬〖夹g(shù)，在各種防偽標(biāo)識(shí)中也都可以見(jiàn)到水印的出現(xiàn)。但是現(xiàn)代水印技術(shù)應(yīng)用時(shí)間并不是很長(zhǎng)，1993年，Tirkel等人首次使用“water mark”這個(gè)詞發(fā)表了一篇論文，在論文中對(duì)現(xiàn)代意義上的數(shù)字水印做了最早的概念性論述，提出將數(shù)字水印運(yùn)用在保護(hù)中的想法。再后來(lái)，“water mark”逐漸合并成為了“watermark"9。正式對(duì)數(shù)字水印技術(shù)進(jìn)行具體描述是在1994年的IEEE國(guó)際圖像處理會(huì)議上，Tirkel與 Van Schyndel等人發(fā)表了一篇題為"A digital watermark”的學(xué)術(shù)論文，從此數(shù)字水印技術(shù)日新月異，研究成果和技術(shù)文檔

15、不斷涌現(xiàn)。在學(xué)術(shù)界的有關(guān)電氣電信的權(quán)威雜志上有關(guān)數(shù)字水印技術(shù)的論文或?qū)ｎ}研究頻繁的出現(xiàn)例如IEEE會(huì)報(bào)，IEEE通信選題等雜志。在信息安全、密碼學(xué)和信息處理領(lǐng)域的國(guó)際會(huì)議上有關(guān)數(shù)字水印技術(shù)的討論也不斷的被提與，可見(jiàn)其研究熱度之高10。雖然相對(duì)國(guó)際上對(duì)數(shù)字水印技術(shù)研究時(shí)間來(lái)說(shuō)，國(guó)對(duì)數(shù)字水印技術(shù)開(kāi)始研究的時(shí)間是稍晚一些的。不過(guò)咱們國(guó)家對(duì)數(shù)字水印技術(shù)卻是十分的重視，引入數(shù)字水印概念后國(guó)家先后舉辦了5次信息隱藏技術(shù)研討會(huì)，具體就是討論如何將數(shù)字水印技術(shù)運(yùn)用到社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域中，造福社會(huì)11。并且不僅如此，國(guó)家自然科學(xué)基金，863、973等項(xiàng)目中數(shù)字水印技術(shù)的規(guī)劃赫然在列12。這些都足以體現(xiàn)國(guó)家對(duì)數(shù)字水印

16、技術(shù)研究的重視。如今，隨著技術(shù)的交流與不斷公關(guān)，國(guó)對(duì)于數(shù)字水印技術(shù)的研究已經(jīng)逐步與世界水平同步，并且還具有自己的算法理論。自水印技術(shù)提出以來(lái)這些年由于技術(shù)不斷的創(chuàng)新，針對(duì)不同應(yīng)用領(lǐng)域的數(shù)字水印系統(tǒng)不斷的被發(fā)明，許多新數(shù)字水印概念與水印算法亦不斷的涌現(xiàn)，國(guó)際上出現(xiàn)了各種各樣的水印方案。在空域，由Trikel等人最先提出的基于最低有效位的數(shù)字水印算法13，Bender等人提出的有關(guān)Patchwork方法與用于紋理塊映射的編碼算法。在變換域，COX等人提出了一種基于擴(kuò)頻通信思想的頻域水印方案14。Barni等人在前人基礎(chǔ)上提出了首先將圖像進(jìn)行全局DCT變換，然后將水印信息嵌入到中頻系數(shù)的水印算法15

17、。Huang等人用奇異值分解技術(shù)和DCT變換相結(jié)合，創(chuàng)造了一種新的算法16。Kaewkamnerd和Kwon等人利用HVS在DCT域確定水印的嵌入位置和強(qiáng)度17。Ruanaidh最先提出將水印嵌入到圖像DFT域的水印方案。Solachidis等人提出了一種基于DFT域的盲水印數(shù)字水印算法系統(tǒng)，它的基本原理是運(yùn)用了循環(huán)對(duì)稱的方式將我們需要的水印信息嵌入到目標(biāo)載體圖像之中的18。Podilchuk等人在小波變換域進(jìn)行水印嵌入的方案。Kundur等人提出了基于小波變換的圖像融合水印算法方案。Xia等人提出一種基于小波變換的分層水印處理方案，Zhao等人提出了一種針對(duì)靜止圖像的局部小波變換混沌數(shù)字水印

18、算法19。Kang等人提出了一種DWT-DFT分解的數(shù)字水印算法。數(shù)字水印算法發(fā)展到目前為止可以分為兩代，第一代水印算法大多作用在整個(gè)圖像中，缺點(diǎn)甚多;第二代水印算法主要基于容特征的方法，局部化了水印的嵌入與提取，第二代水印技術(shù)己經(jīng)越來(lái)越受到研究者關(guān)注21。1.3 論文的主要工作和容本文的主要工作是先介紹了一些數(shù)字水印技術(shù)有關(guān)的基本知識(shí)，之后對(duì)在變換域下的數(shù)字水印技術(shù)進(jìn)行了闡述。主要介紹在離散余弦變換域下和小波變換域下分別對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行水印信息的置亂、嵌入和提取操作，以與在算法實(shí)現(xiàn)后對(duì)水印系統(tǒng)進(jìn)行包括噪聲、濾波、壓縮、剪切和旋轉(zhuǎn)的魯棒性攻擊測(cè)試，在文章最后通過(guò)對(duì)以上兩種算法進(jìn)行比較，對(duì)在變換域

19、下的數(shù)字水印技術(shù)進(jìn)行客觀分析與總結(jié)。全文5章節(jié)結(jié)構(gòu)安排如下:第一章緒論，提出本課題研究的背景和意義，敘述數(shù)字水印起源以與現(xiàn)如今研究發(fā)展的狀況。第二章數(shù)字水印的基礎(chǔ)知識(shí)，介紹有關(guān)數(shù)字水印的起點(diǎn)知識(shí)如定義、基本特性、分類、應(yīng)用領(lǐng)域、以與應(yīng)用前景等，之后對(duì)數(shù)字水印幾種經(jīng)典算法和常見(jiàn)攻擊方法進(jìn)行簡(jiǎn)要概括。第三章方案論證，對(duì)DCT域下的數(shù)字水印技術(shù)從概念定義，到嵌入、提取的流程，最后進(jìn)行攻擊測(cè)試進(jìn)行闡述。第四章方案論證，對(duì)DWT域下的數(shù)字水印技術(shù)從概念定義，到嵌入、提取的流程，最后進(jìn)行攻擊測(cè)試進(jìn)行闡述。第五章算法之間的比較，對(duì)本文所研究的兩種算法進(jìn)行定量分析，用圖表進(jìn)行直觀的比較。第六章總結(jié)，通過(guò)對(duì)兩種

20、算法的PSNR和NC系數(shù)進(jìn)行比較分析，客觀的對(duì)變換域下的數(shù)字水印技術(shù)進(jìn)行總結(jié)。2 數(shù)字圖像水印技術(shù)數(shù)字圖像水印技術(shù)隨著新時(shí)代的步伐，已經(jīng)越來(lái)越深入我們的日常生活。我們每天使用的人民幣中的防偽技術(shù)，到各種防偽標(biāo)識(shí)，再到平常我們?cè)谙嗥屑尤氲目煽匆?jiàn)的水印信息，這些都是數(shù)字圖像水印在日常生活中的技術(shù)運(yùn)用，這門(mén)技術(shù)與我們的生活密切相關(guān)，聯(lián)系頗多。2.1 數(shù)字圖像水印技術(shù)的含義與特性數(shù)字圖像水印技術(shù)通過(guò)特定的嵌入算法將具有特殊含義的水印信息掩藏在原本的目標(biāo)圖像之中，并且還要求在嵌入的水印信息之后不可以使得目標(biāo)圖像數(shù)據(jù)的外觀印象和實(shí)際大小發(fā)生破壞性的改變，不可以影響原本目標(biāo)圖像數(shù)據(jù)的現(xiàn)實(shí)使用價(jià)值，在水印信

21、息提取檢測(cè)階段，隱藏的水印信息要可以大體辨認(rèn)，不可過(guò)于失真。欲使數(shù)字圖像水印技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中作為一項(xiàng)值得信賴的技術(shù)，運(yùn)用到實(shí)際中的數(shù)字圖像水印技術(shù)最好必須具有以下技術(shù)特性22:（1）隱蔽性:對(duì)于隱蔽水印系統(tǒng)，在嵌入水印后，對(duì)于數(shù)字圖像數(shù)據(jù)本身影響不可以太大，圖像質(zhì)量不可以有明顯的下降，最大限度的不被人眼所感知。（2）安全可靠性:嵌入的水印信息與嵌入的水印位置都要進(jìn)行加密隱藏處理，使得非法侵權(quán)攔截者無(wú)法獲取相關(guān)水印信息。（3）魯棒性:當(dāng)數(shù)字圖像遭受一些非法操作或人為破壞時(shí)，水印必須要還能夠提取并分辨識(shí)別出來(lái)。（4）水印容量:在保證圖像數(shù)據(jù)質(zhì)量的前提下，盡量將更多的實(shí)用信息嵌入原始圖像數(shù)據(jù)中。（5

22、）低錯(cuò)誤率:水印檢測(cè)時(shí)出現(xiàn)檢測(cè)錯(cuò)誤的概率必須相當(dāng)?shù)停ＷC提取水印的準(zhǔn)確率。水印隱蔽性和魯棒性是數(shù)字圖像水印系統(tǒng)的兩個(gè)重要屬性，是水印系統(tǒng)性能提升的關(guān)鍵因素，同時(shí)也是設(shè)計(jì)水印系統(tǒng)時(shí)必需要考慮的因素。確保隱蔽性和魯棒性才能算是一個(gè)基本的水印系統(tǒng)。2.2數(shù)字圖像水印系統(tǒng)的分類數(shù)字圖像水印系統(tǒng)按照不同的定義可以劃分為不同的種類：2.2.1按特性劃分按水印的特性可以將數(shù)字圖像水印分為魯棒水印系統(tǒng)和易損水印系統(tǒng)兩大類。（1)魯棒水印系統(tǒng)主要特征是要求具有極強(qiáng)的魯棒性和安全性，比如除了要求在平常的圖像處理形式（例如：濾波、噪聲、旋轉(zhuǎn)、剪切、壓縮等）中水印系統(tǒng)能正常運(yùn)行外，還要能抵抗暴力攻擊，使用暴力方法直接

23、抹去水印信息的能力。主要用于在數(shù)字圖像作品中實(shí)現(xiàn)隱藏信息，確保作者利益。使用魯棒水印系統(tǒng)在目標(biāo)圖像數(shù)據(jù)中嵌入水印信息，當(dāng)發(fā)生數(shù)字圖像糾紛時(shí)，可以高效率的保護(hù)所有者的權(quán)益。（2）易損水印系統(tǒng)，在作用上可以說(shuō)和魯棒水印系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)完全相反，易損數(shù)字水印系統(tǒng)主要希望在目標(biāo)圖像數(shù)據(jù)容發(fā)生一定的改變時(shí)，嵌入其中的水印信息可以發(fā)生對(duì)應(yīng)的改變，從而在提取時(shí)可以鑒定原始目標(biāo)圖像數(shù)據(jù)是否被惡意篡改使用。易損水印系統(tǒng)在面對(duì)平常的圖像處理形式（例如：濾波、旋轉(zhuǎn)、噪聲、替換、壓縮等）時(shí)要有較強(qiáng)的不可丟失性，同時(shí)還要求具有對(duì)處理操作有較強(qiáng)的敏感性，即隨著原始目標(biāo)圖像數(shù)據(jù)的改變丟失，提取水印時(shí)要將發(fā)生的改變和丟失信息的

24、狀態(tài)表現(xiàn)出來(lái)，基于這種對(duì)原始信號(hào)變動(dòng)的敏感特點(diǎn)，檢測(cè)者只需根據(jù)易損水印的改變狀態(tài)就可以得出原始數(shù)據(jù)是否被惡意修改過(guò)23。2.2.2按檢測(cè)過(guò)程劃分按數(shù)字水印的提取方式可以將數(shù)字圖像水印系統(tǒng)劃分為明文水印系統(tǒng)和盲水印系統(tǒng)。明文水印在提取水印信息的過(guò)程中需要用到原始的目標(biāo)圖像，而盲水印的提取過(guò)程只需要提供密鑰，不需要原始圖像。一般來(lái)講，明文水印的魯棒性比較強(qiáng)，但是在提取時(shí)會(huì)用到原始圖像，存儲(chǔ)圖像需要空間，而這就增加了其應(yīng)用的成本，推廣的力度?；诖四壳按蠖鄶?shù)研究的數(shù)字水印都是盲水印。2.2.3按隱藏位置劃分按數(shù)字水印處理圖像數(shù)據(jù)的位置可以將數(shù)字圖像水印系統(tǒng)劃分為空間域變換下的數(shù)字水印系統(tǒng)和變換域下的

25、數(shù)字水印系統(tǒng)?？臻g域變換下的數(shù)字水印系統(tǒng)是直接在原本處理的數(shù)據(jù)空間上疊加水印信息，變換域數(shù)字水印系統(tǒng)則是在變換域下基于原始數(shù)據(jù)本身的特點(diǎn)進(jìn)行像素點(diǎn)的替換或修改，用以來(lái)添加水印信息。本文主要研究的就是基于變換域下的明文魯棒數(shù)字水印技術(shù)研究。2.3典型數(shù)字圖像水印算法介紹在數(shù)字水印系統(tǒng)中有關(guān)數(shù)字水印算法的研究成果可謂是琳瑯滿目，在大量瀏覽有關(guān)數(shù)字水印算法的參考文獻(xiàn)進(jìn)行研究閱讀后，不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前的數(shù)字水印算法一般都是在最初提出的幾種水印算法的理論基礎(chǔ)上，對(duì)算法的思想與技術(shù)方案做出的完善或改進(jìn)，對(duì)數(shù)字水印系統(tǒng)能夠繼續(xù)深入研究的關(guān)鍵點(diǎn)就在于要能夠非常熟悉傳統(tǒng)的數(shù)字水印算法。下面就對(duì)典型的幾類算法進(jìn)行分析

26、介紹。2.3.1 空域水印算法基于空域的數(shù)字水印算法的主要思想就是將水印信息嵌入到目標(biāo)圖像所有數(shù)據(jù)中最不重要的像素位上，也就是通常所說(shuō)的最低有效位（LSB）中。使用這種算法的水印系統(tǒng)嵌入后基本可以保證水印信息的隱蔽性。但是由于嵌入過(guò)程發(fā)生在圖像最低有效的像素位上，水印信息非常容易被惡意抹去，算法魯棒性不佳。平常的圖像處理（例如：濾波、旋轉(zhuǎn)、噪聲、替換、壓縮等）操作就可以將嵌入水印系統(tǒng)中的水印信息破壞掉，在水印系統(tǒng)的提取階段就難以提取出可以較清晰分辨的水印信息。另外一個(gè)常用空域水印算法便是利用像素的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)特征將水印信息根據(jù)圖像像素的亮度值嵌入其中，實(shí)現(xiàn)水印的嵌入。2.3.2 變換域水印算法基于

27、變換域的水印系統(tǒng)的算法中，水印算法的基本思維就是采用擴(kuò)展頻譜通信技術(shù)進(jìn)行水印嵌入。典型算法主要有離散余弦變換算法和離散小波變換算法。（1）離散余弦變換算法離散余弦變換算法又稱之為DCT變換算法，首次提出水印方案是出現(xiàn)于E Koch，J Zhao的文獻(xiàn)，算法核心思維就是基于圖像分塊的DCT變換。水印的具體方案是首先將原始目標(biāo)圖像分成一個(gè)個(gè)小的8×8塊，由密鑰隨機(jī)的選擇圖像的一些小分塊，在中頻域上稍微變換三元組，從而將二進(jìn)制水印信息序列進(jìn)行嵌入。由于高頻部分易于被各種信號(hào)處理方法破壞，而低頻部分則由于人的視覺(jué)特性，對(duì)圖像低頻部分很敏感，一旦改變低頻部分較容易被發(fā)現(xiàn)，為了平衡選擇在中頻部分

28、編碼24。（2）離散小波變換算法小波變換的思想是經(jīng)由傅立葉變換思想發(fā)展而來(lái)，是同時(shí)基于空間和頻率的局部變換算法，在頻域和時(shí)域同時(shí)可以表現(xiàn)出良好的局部化特征。小波變換在圖像處理中的核心思想是將目標(biāo)圖像經(jīng)過(guò)小波變換后分解成不同空間和若干獨(dú)立的頻帶子圖，然后對(duì)子圖像進(jìn)行水印嵌入，再進(jìn)行小波逆變換重構(gòu)圖像，從而實(shí)現(xiàn)水印系統(tǒng)的功能。圖像經(jīng)過(guò)小波變換后可以分解成四個(gè)頻帶子圖：水平方向LH、垂直方向HL和對(duì)角線方向HH的中高頻細(xì)節(jié)子圖和低頻逼近子圖LL。對(duì)低頻部分繼續(xù)分解，就可以繼續(xù)產(chǎn)生三個(gè)高頻子帶系列LH2、HL2、HH2和一個(gè)低頻帶LL2。然后LL2低頻子圖依舊可以繼續(xù)分解，隨著分辨率不斷的減小，圖像的

29、能量越來(lái)越集中25。小波分解的其他高頻便是代表圖像的邊緣和紋理。2.3.3 其他水印算法（1）壓縮域算法基于JPEG和MPEG標(biāo)準(zhǔn)的壓縮域數(shù)字水印系統(tǒng)直接在壓縮域數(shù)據(jù)中進(jìn)行。這樣便可以直接節(jié)省大量的解碼和編碼過(guò)程，因此在實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)中便具有很大的實(shí)用價(jià)值。（2）NEC算法NEC算法在數(shù)字水印算法中占有重要地位，因?yàn)樗哂休^強(qiáng)的魯棒性、安全性和透明性。算法實(shí)現(xiàn)方法便是由作者的信息碼和圖像的哈希值組成水印信息，將水印信息作為種子來(lái)產(chǎn)生具有高斯分布的偽隨機(jī)序列，然后對(duì)目標(biāo)圖像做DCT變換，利用偽隨機(jī)高斯序列調(diào)疊加原圖像除直流(DC)分量外的多個(gè)最大的DCT系數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)水印嵌入。該算法由NEC實(shí)驗(yàn)室

30、的Cox等人最先提出。（3）生理模型算法人的生理模型包括人類視覺(jué)系統(tǒng)(HVS)和人類聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)(HAS)?；谏砟Ｐ偷姆椒ú粌H被用于多媒體數(shù)據(jù)壓縮，數(shù)字水印系統(tǒng)亦可以利用。視覺(jué)模型的基本思想就是利用從生理模型導(dǎo)出的JND值的描述來(lái)確定在圖像的各個(gè)部分所能容忍的數(shù)字水印信號(hào)的最大強(qiáng)度，從而能避免破壞視覺(jué)質(zhì)量、。2.4 水印置亂方法圖像置亂即是通過(guò)特定的算法將一幅數(shù)字圖像的各個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行逐一改變，使原始圖像變成一幅看起來(lái)是雜亂無(wú)章的加密圖像，讓圖像的真實(shí)信息無(wú)法通過(guò)視覺(jué)直觀獲取，從而達(dá)到為原始圖像加密的效果。在數(shù)字圖像水印嵌入之前對(duì)水印信息進(jìn)行置亂加密，可以達(dá)到更加的效果。2.4.1 Arnold

31、置亂算法（1）Arnold置亂的定義Arnold變換矩陣為 (2-1)二維Arnold變換表達(dá)式為 （2-2）上面的式中，為圖像矩陣階數(shù)，為原始圖像像素位置，為置亂后圖像像素位置。在數(shù)字圖像中，Arnold變換是將原來(lái)點(diǎn)處像素值變換為之后的像素值，由于改變了圖像的像素值，圖像變隨著改變變得模糊，當(dāng)原始圖像的所有像素點(diǎn)進(jìn)行移動(dòng)置換后，就可以產(chǎn)生一幅相對(duì)原始圖像極其混亂、面目全非的新圖。每對(duì)圖像進(jìn)行一次Arnold變換，該圖就會(huì)進(jìn)行一次位置的置亂，通常過(guò)多次變換后就能達(dá)到滿意的效果了。對(duì)圖像做次Arnold位置變換的表達(dá)式為 （2-3）利用Arnold變換算法對(duì)圖像進(jìn)行置亂，使其變成看似雜亂無(wú)章的

32、無(wú)法看清容的圖像，從實(shí)現(xiàn)對(duì)本身圖像容的加密隱藏，不斷的對(duì)圖像進(jìn)行置亂，置亂次數(shù)可以作為加密時(shí)產(chǎn)生的密鑰，從而實(shí)現(xiàn)完整的對(duì)圖像的加密過(guò)程。（2）Arnold逆變換通常，不斷的對(duì)圖像進(jìn)行Arnold置亂，隨著置亂次數(shù)的增加，圖像可能被還原，而這個(gè)置亂的次數(shù)我們稱之為Arnold置亂周期，Arnold逆變換就是通過(guò)計(jì)算置亂周期，在復(fù)原圖像時(shí)可以輕松得到原圖。表1給出了不同圖像大小下對(duì)圖像進(jìn)行Arnold置亂變換周期的。表2-1 Arnold變換周期345678910114310128612305253248641001282564805125024124815096192120384根據(jù)實(shí)驗(yàn)表明Ar

33、nold變換具有周期性，也就是說(shuō)圖像每變換一個(gè)周期置亂的圖像就會(huì)復(fù)原一次，根據(jù)此種特性我們可以在復(fù)原圖像時(shí)再進(jìn)行次Arnold置亂即可復(fù)原圖像，即置亂時(shí)的次數(shù)。2.5 水印攻擊方法在實(shí)際應(yīng)用中，水印面臨各種主動(dòng)攻擊。包括一些常用的圖像處理方法。例如濾波、加噪聲、替換、壓縮等。并且各種類型的數(shù)字水印算法都有自己的弱點(diǎn)，總得來(lái)說(shuō)水印是很害怕攻擊的。2.5.1 按照攻擊方法分類按照數(shù)字水印的攻擊方法可將水印分為：魯棒性攻擊和表達(dá)攻擊。（1）魯棒性攻擊魯棒攻擊其實(shí)就是直接攻擊方法，目的在于惡意去除在原始圖像中的水印信息而不影響到原始圖像的使用，侵權(quán)者經(jīng)常使用這類方法達(dá)到盜版的目的，這類攻擊主要靠直接修

34、改圖像像素的值的方法。典型的魯棒性攻擊處理方法包括日常用的一些信號(hào)處理方法，例如：壓縮、濾波、旋轉(zhuǎn)、剪切、縮放、打印和掃描等。當(dāng)然也包括通過(guò)加上噪聲而額意修改圖像，以減弱圖像水印的強(qiáng)度。（2）表達(dá)攻擊此類攻擊它并不除去數(shù)字產(chǎn)品容中嵌入的水印信息，而是通過(guò)操縱容從而使水印檢測(cè)器無(wú)法檢測(cè)到水印的存在，達(dá)到致盲水印檢測(cè)器的目的。例如：表達(dá)攻擊可簡(jiǎn)單地通過(guò)嵌入一個(gè)沒(méi)有對(duì)齊的水印圖像來(lái)麻痹自動(dòng)水印檢測(cè)器。實(shí)際上在表達(dá)攻擊中不對(duì)任何原始圖像的像素值進(jìn)行改變，由于普通的水印方案一般要求嵌入了水印的圖像要正確地對(duì)齊，但此類攻擊方法便是嵌入一個(gè)沒(méi)有對(duì)齊的水印圖像。那么水印的檢測(cè)器就無(wú)法進(jìn)行檢測(cè)而失效26。2.4

35、.2按照攻擊原理分類按照數(shù)字水印的攻擊原理可講水印分為下面四類:簡(jiǎn)單攻擊、同步攻擊、削去攻擊和混淆攻擊。（1）簡(jiǎn)單攻擊簡(jiǎn)單攻擊又稱為波形攻擊、噪聲攻擊。對(duì)整個(gè)水印系統(tǒng)進(jìn)行操作來(lái)減弱嵌入的水印的強(qiáng)度，導(dǎo)致數(shù)字水印提取時(shí)由于信息太少，從而發(fā)生錯(cuò)誤，甚至根本難以提取嵌入的水印信號(hào)。常見(jiàn)的操作方法有線性濾波、通用非線性濾波、壓縮、加噪聲等。被簡(jiǎn)單攻擊后的水印系統(tǒng)看起來(lái)沒(méi)什么破壞，但在水印提取和校驗(yàn)過(guò)程時(shí)只會(huì)得到一個(gè)失真變形的水印信號(hào)。（2）同步攻擊同步攻擊又稱為禁止提取攻擊。這種攻擊試圖破壞載體數(shù)據(jù)和水印的同步性。被攻擊的水印系統(tǒng)中水印信息仍然存在，并且強(qiáng)度不會(huì)變化，但是水印信息會(huì)發(fā)生無(wú)法挽回的錯(cuò)位，

36、難以維持正常水印提取過(guò)程所需要的同步性要求。同步攻擊通常采用幾何變形的方法，如大小縮放、空間與時(shí)間方向的平移、旋轉(zhuǎn)、剪切等。（3）削去攻擊削去攻擊試圖通過(guò)分析水印系統(tǒng)，將水印系統(tǒng)中的載體數(shù)據(jù)和水印信號(hào)分開(kāi)，然后惡意抹去嵌入其中的水印信息，從而達(dá)到非法盜用載體數(shù)據(jù)而無(wú)需支付任何費(fèi)用的目的。常見(jiàn)的攻擊方法有聯(lián)合攻擊、濾波、圖像綜合模型壓縮等方法。針對(duì)特定水印系統(tǒng)中的水印算法的設(shè)計(jì)理論，通常可以構(gòu)造出相對(duì)應(yīng)的削去攻擊對(duì)策27。（4）混淆攻擊混淆攻擊又稱為死鎖攻擊、倒置攻擊。這種攻擊試圖嵌入一個(gè)偽源數(shù)據(jù)來(lái)混淆含有真正水印的數(shù)字作品的。例如在水印系統(tǒng)中嵌入了一個(gè)或者多個(gè)偽造的水印信息通過(guò)混淆水印檢測(cè)器對(duì)

37、真正的水印信息的檢測(cè)提取，縱然真實(shí)的水印信息存在系統(tǒng)中但失去了唯一性，亦不能正確提取28。2.6 數(shù)字水印的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字水印主要有以下幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：魯棒性、隱蔽性、安全性和確定性，其中魯棒性和隱蔽性最為重要，衡量這兩個(gè)指標(biāo)，我們一般使用相關(guān)系數(shù)和峰值信噪比來(lái)定量分析。（1）相關(guān)系數(shù)（Correlation Coefficient）。主要定量的分析提取水印信息與嵌入的水印信息之間的相似性，一般用它們的歸一化相關(guān)系數(shù)來(lái)表征，對(duì)于普通的水印系統(tǒng)，一般信號(hào)有失真時(shí)，值越大越好，但對(duì)于特殊的水印系統(tǒng)，例如脆弱水印系統(tǒng)，則希望值越小越好，這樣有助于提高檢測(cè)度。采用相關(guān)系數(shù)NC評(píng)價(jià)水印的質(zhì)量時(shí)，根據(jù)前人總結(jié)一般

38、當(dāng)NC值大于等于0.75時(shí)水印信息基本可以分辨，判定此時(shí)的水印信息提取有效；小于0.5后通過(guò)人臉便無(wú)法辨認(rèn)其息。其計(jì)算方法如式（2-1）所示： （2-4）其中，表示嵌入的水印信號(hào)，表示提取的水印信號(hào)，代表水印長(zhǎng)度。（2）峰值信噪比（PSNR）。由于水印模型與通信系統(tǒng)有很多相似之處，相對(duì)于原始圖像，嵌入的數(shù)字水印信息可以近似的認(rèn)為是隨機(jī)噪聲。噪聲會(huì)影響原始圖像的品質(zhì)，峰值信噪比就是客觀描述影響程度的指標(biāo)。根據(jù)前人總結(jié)用峰值信噪比來(lái)分析水印嵌入后對(duì)原始圖像造成失真大小時(shí)，一般當(dāng)PSNR超過(guò)30dB，原始圖像和重構(gòu)圖像間的差異不大，人眼基本分辨不出是否嵌入水印。根據(jù)本人實(shí)驗(yàn)圖像PSNR值在20dB以

39、上水印的隱蔽性基本可以得到保障。峰值信噪比的計(jì)算方法如式（2-2）所示： （2-5）式中單位是dB,為宿主信號(hào)，為水印信號(hào),表示水印信號(hào)，表示像素點(diǎn)，為圖像總得像素?cái)?shù)。2.7 人類視覺(jué)系統(tǒng)HVS一幅圖像，當(dāng)人類通過(guò)視覺(jué)系統(tǒng)去觀察時(shí)，會(huì)有相應(yīng)的成像效應(yīng)，分別是:背景亮度掩蔽、頻率掩蔽和紋理掩蔽效應(yīng)。我們嵌入水印時(shí)可以根據(jù)這三種效應(yīng)來(lái)制定相應(yīng)的水印嵌入強(qiáng)度，便可以使水印系統(tǒng)更加符合現(xiàn)實(shí)需要。這三種效應(yīng)分別是：（1）當(dāng)背景亮度高時(shí)，人眼對(duì)圖像觀察時(shí)就對(duì)細(xì)節(jié)的變換就不會(huì)有太大的反映,背景亮度可以將圖像發(fā)生的微小變化進(jìn)行掩蔽。（2）在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在變換域下對(duì)所有系數(shù)中的高頻系數(shù)或?qū)蔷€系數(shù)進(jìn)行小圍修改所

40、得到的圖像，人眼觀察時(shí)不會(huì)輕易發(fā)現(xiàn)。（3）當(dāng)背景紋理極其越復(fù)雜時(shí)，人眼就不能輕易判斷出圖像是否做了修改，在紋理相對(duì)復(fù)雜的圖像中，嵌入的強(qiáng)度可以相對(duì)較高，因?yàn)閳D像紋理可以掩蔽圖像的改變。在人類視覺(jué)系統(tǒng)模型中，研究表明人眼在觀察圖像變化時(shí)從模糊圖像變化到清晰圖像再到模糊的過(guò)程中，存在能識(shí)別出此類變化的最小失真度的點(diǎn)，我們稱這個(gè)點(diǎn)叫做臨界差異值（JND）。因此原則上對(duì)圖像做出的修改必須要小于JND值29。通過(guò)上述對(duì)視覺(jué)系統(tǒng)特性的了解，針對(duì)具體圖像，我們只要分析人類視覺(jué)系統(tǒng)模型中的可見(jiàn)閥值，保證嵌入時(shí)低于此門(mén)限，那么在觀察時(shí)是不會(huì)輕易發(fā)現(xiàn)圖像修改的痕跡。因此利用人類視覺(jué)系統(tǒng)HVS計(jì)算出水印嵌入強(qiáng)度隱蔽

41、性能方面可以做出非常出色的數(shù)字水印系統(tǒng)。3.基于離散余弦變換（DCT）的水印系統(tǒng)算法自從E Koch，J Zhao在文獻(xiàn)中提出基于DCT域的數(shù)字水印算法后，便引起了學(xué)術(shù)界極大的關(guān)注30。基于DCT變換域下的數(shù)字水印系統(tǒng)具有良好的隱蔽性和出色的魯棒性，因而在當(dāng)今數(shù)字圖像變換域的處理中DCT算法占有極大的比重?；贒CT變換的數(shù)字水印即先對(duì)載體圖像進(jìn)行8×8分塊后再進(jìn)行DCT變換，得到1024個(gè)小塊，每個(gè)小塊有64個(gè)DCT系數(shù)，我們可以將這64個(gè)系數(shù)分為低頻、中頻和高頻系數(shù)，然后選擇在中頻系數(shù)中嵌入水印，結(jié)合人類的感知習(xí)慣，將水印以適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度嵌入載體圖像之中，這便是DCT算法的基本思想。

42、3.1離散余弦變換的基本原理3.1.1DCT變換的定義DCT變換具有很多種類，鑒于一般圖像都是二維圖像而我們研究基于DCT變換域下的數(shù)字水印算法，所以本文主要介紹二維DCT和IDCT變換。設(shè)一幅圖像的大小為N×N，它的二維 DCT 變換公式可以如式(3-1)所示： （3-1）同樣，反變換(IDCT)定義如式(3-2)所示：（3-2）其中函數(shù)如式(3-3)所示： （3-3）直流系數(shù)DC如式(3-4)所示：（3-4）3.1.2 DCT域系數(shù)圖3-1是通過(guò)對(duì)一副512×512像素大小的圖像進(jìn)行8×8分塊并進(jìn)行DCT變化后的部分頻率系數(shù)，觀察圖像可以看出每64個(gè)系數(shù)的左上

43、角第一個(gè)系數(shù)(如圖3-1圓圈部分)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他系數(shù)，因此我們稱其為直流系數(shù)DC，其他63個(gè)我們稱其為交流系數(shù)AC。根據(jù)頻域特性我們知道，DC直流系數(shù)所攜帶的能量遠(yuǎn)大于交流系數(shù)AC所攜帶的，但是實(shí)際實(shí)驗(yàn)表明如果將水印嵌入直流系數(shù)中會(huì)帶來(lái)塊狀效應(yīng)，所以為了使圖像不影響使用一般將水印嵌入交流系數(shù)之中。圖3-1 圖像經(jīng)過(guò)DCT變換后的系數(shù)圖3-2 經(jīng)DCT變換后得到圖像系數(shù)的走勢(shì)圖像在經(jīng)過(guò)DCT正變換后，已經(jīng)打亂并分散為不同的空間頻域，正因?yàn)槿绱嗽趫D3-2中可以看出從左上往右下看去系數(shù)的絕對(duì)值大體逐漸變小，以對(duì)角線為分割可以將系數(shù)頻域空間劃分為三個(gè)區(qū)域，對(duì)角線右下區(qū)域?yàn)楦哳l區(qū)，對(duì)角線和對(duì)角線左上半部分

44、為中頻區(qū)，直流系數(shù)附近的系數(shù)為低頻區(qū)。劃分理由如下：通過(guò)對(duì)DCT變換公式并且結(jié)合觀察圖3-1和圖3-2圖像經(jīng)過(guò)DCT變換后由于函數(shù)與不斷的改變，余弦函數(shù)的頻率會(huì)伴隨著值不斷增大而減小，其系數(shù)認(rèn)為是原始圖像在余弦函數(shù)上的投影，由于頻率變化，系數(shù)就會(huì)隨之變化，根據(jù)系數(shù)的大小變化故我們可以將系數(shù)依次劃分為低頻，中頻和高頻區(qū)域。3.2 DCT變換算法實(shí)現(xiàn)基本步驟水印信息載體圖像置亂加密提取水印嵌入水印水印復(fù)原DCT變換也叫離散余弦變換，是選擇在中頻分量編碼，選擇特殊的區(qū)域的系數(shù)進(jìn)行嵌入的一種算法。未經(jīng)授權(quán)者由于不知道水印嵌入的區(qū)域，因此是很難提取出水印的。DCT變換由于頻率選擇不是基于最顯著分量所以對(duì)

45、有損壓縮和低通濾波是具有很強(qiáng)魯棒性的。但正因此它的頻率系數(shù)的方差較小，對(duì)噪聲、幾何變形比較敏感。攻擊圖3-3DCT變換算法3.2.1水印的置亂加密將水印圖像進(jìn)行置亂處理就是將原本圖像打亂，使原本帶有一定信息的圖像在沒(méi)有復(fù)原之前無(wú)法看懂，無(wú)法體現(xiàn)圖像需要表現(xiàn)的價(jià)值。圖像置亂的本質(zhì)就是按一定的規(guī)則移動(dòng)各個(gè)像素點(diǎn)的位置，破壞圖像的基本組成部分。它作為一種加密處理方式，有多種多樣的選擇和參數(shù)的設(shè)置都可以是可以自由控制。因此，即使侵權(quán)者破解了提取程序，卻無(wú)法得到水印信號(hào)，提取信息。3.2.2水印的嵌入本算法采用像素大小的灰度圖像作為載體圖像I，將M×M大小的二值圖像作為水印圖像。第一步，將原始

46、載體圖像I分成大小8×8一共是個(gè)大小互不重疊的圖像塊，在此基礎(chǔ)上對(duì)每一個(gè)大小的圖像塊進(jìn)行DCT變換。第二步，采用兩個(gè)8位隨機(jī)序列作為水印因子亦可作為嵌入水印的密鑰。第三步，選取8×8總共64個(gè)DCT系數(shù)中對(duì)角線上得8個(gè)中頻系數(shù)進(jìn)行水印因子的替換嵌入。第四步，按照公式3-5進(jìn)行DCT系數(shù)嵌入： （3-5）其中是替換后的系數(shù)，替換前的圖像系數(shù)，是嵌入強(qiáng)度因子，是水印因子。第五步，對(duì)替換后的系數(shù)進(jìn)行IDCT變換得到嵌入水印后的圖像；開(kāi)始確定目標(biāo)圖像與水印結(jié)束對(duì)替換后的系數(shù)進(jìn)行IDCT運(yùn)算得到嵌入水印后的圖像對(duì)目標(biāo)圖像分塊并DCT運(yùn)算水印Mark=1NYWi=隨機(jī)序列K1Wi=隨機(jī)

47、序列K2其中程序流程圖如圖3-4所示；圖3-4水印嵌入的流程圖3.2.3水印的提取第一步，對(duì)嵌入水印后的圖像進(jìn)行8×8分塊并DCT變換，得到64個(gè)DCT系數(shù)；第二步，取出64個(gè)系數(shù)中對(duì)角線上得8個(gè)中頻系數(shù)；第三步，將8個(gè)系數(shù)分別與水印因子k1和k2進(jìn)行取余運(yùn)算，得到返回值；第四步，比較返回值，將水印圖像還原；其中程序流程圖如圖3-5所示；Mark1=1Mark1=0結(jié)束得到水印圖像Mark=Mark1P1>P2取出替換的8個(gè)系數(shù)，將每個(gè)系數(shù)分別對(duì)k1和k2取余，得到p1，p2進(jìn)行DCT變換嵌入水印后的圖像開(kāi)始NY圖3-5水印提取的流程圖3.2.4水印的攻擊測(cè)試（1）添加白噪聲對(duì)

48、圖像進(jìn)行添加噪聲是對(duì)水印算法的一種常見(jiàn)的攻擊,所謂白噪聲是指功率譜密度在整個(gè)頻域均勻分布且所有頻率具有一樣能量密度的隨機(jī)噪聲,實(shí)驗(yàn)中對(duì)離散余弦算法水印系統(tǒng)進(jìn)行添加水印圖像大小的隨機(jī)序列高斯白噪聲作為攻擊手段,用以檢測(cè)水印的抗噪聲性能。（2）高斯低通濾波廣義的來(lái)說(shuō)向圖像中加入水印信息就可以看成是向圖像中添加噪聲, 因此濾波操作會(huì)對(duì)水印造成很大威脅,實(shí)驗(yàn)采用8×8的檢驗(yàn)矩陣和標(biāo)準(zhǔn)差為0.5的高斯低通濾波器，對(duì)離散余弦算法水印系統(tǒng)進(jìn)行濾波處理。（3）JPEG壓縮圖像壓縮算法是的目的就是把圖像中多余的數(shù)據(jù)或者說(shuō)是不重要的數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除,一般來(lái)說(shuō)經(jīng)過(guò)壓縮后的圖像,圖像中的高頻分量作為多余信息舍棄

49、,實(shí)驗(yàn)中我采用JPEG壓縮方式，壓縮率為80%來(lái)檢驗(yàn)離散余弦算法水印系統(tǒng)的抗有損壓縮的能力。（4）圖像裁剪剪切操作就是將原始圖像去除一部分，由于部分圖像信息的丟失,嵌入其中的水印信息也會(huì)有相應(yīng)的信息丟失，因此對(duì)水印系統(tǒng)也存在威脅。本實(shí)驗(yàn)裁剪掉了圖像上部64×512像素大小的區(qū)域，來(lái)檢測(cè)離散余弦算法水印系統(tǒng)對(duì)裁剪的抵抗性能。（5）旋轉(zhuǎn)對(duì)圖像進(jìn)行旋轉(zhuǎn)從數(shù)學(xué)角度觀點(diǎn)來(lái)看圖像，實(shí)際就是圖像部像素點(diǎn)的位置信息發(fā)生大規(guī)模改變，而水印信息嵌入是對(duì)稱性的因此在提取時(shí)會(huì)發(fā)生無(wú)法找到目標(biāo)信息的現(xiàn)象。本實(shí)驗(yàn)采用imrotate函數(shù)對(duì)圖像進(jìn)行30°的旋轉(zhuǎn)，對(duì)離散余弦算法水印系統(tǒng)進(jìn)行抵抗旋轉(zhuǎn)操作的測(cè)

50、試。3.3 離散余弦變換算法結(jié)果與分析（1）對(duì)水印的嵌入（2）嵌入水印后的圖像（1）載體圖像圖3-6水印的嵌入結(jié)果結(jié)果分析如下：根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果做出分析經(jīng)過(guò)離散余弦算法水印系統(tǒng)的圖像與原始載體圖像通過(guò)人眼觀察沒(méi)有發(fā)生明顯的失真和顯而易見(jiàn)的改變說(shuō)明此水印系統(tǒng)不攻擊的情況下嵌入效果良好，具有很好的隱蔽性能。（2）水印的提取（1）提取的水印圖像（2）與原水印比較圖3-7水印的提取結(jié)果結(jié)果分析如下：根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果做出分析經(jīng)過(guò)離散余弦算法水印系統(tǒng)的水印和原嵌入水印進(jìn)行人眼比較，水印基本被還原，所以本水印系統(tǒng)的嵌入是穩(wěn)定的提取是可行的。（3）對(duì)水印的攻擊測(cè)試1）加入白噪聲（3）與原水印比較（2）加入白噪聲后提取

51、的水印圖像（1）加入白噪聲的圖像圖3-8白噪聲攻擊結(jié)果結(jié)果分析如下：根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果做出分析經(jīng)過(guò)噪聲攻擊后的圖像其圖像質(zhì)量有所降低，從離散余弦算法水印系統(tǒng)中提取的水印與原始水印相比沒(méi)有人眼可見(jiàn)的變化，說(shuō)明該算法對(duì)于噪聲攻擊適應(yīng)性比較強(qiáng)。2）高斯低通濾波（3）與原水印比較（1）高斯低通濾波后圖像（2）高斯低通濾波后提取的水印圖3-9高斯低通濾波的結(jié)果結(jié)果分析如下：根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果做出分析嵌入水印后的圖像經(jīng)過(guò)高斯低通濾波后，圖像沒(méi)有明顯變化，經(jīng)過(guò)離散余弦算法水印系統(tǒng)的水印出現(xiàn)大圍的模糊現(xiàn)象，但依舊可以看出水印的原始信息，說(shuō)明該系統(tǒng)對(duì)低通濾波抵抗性能一般，存在威脅。3）經(jīng)過(guò)JPEG壓縮（3）與原水印比較（2

52、）經(jīng)過(guò)JPEG壓縮后提取的水印（1）經(jīng)過(guò)JPEG壓縮的圖片圖3-10 JPEG壓縮后的處理結(jié)果結(jié)果分析如下：根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果做出分析由于JPEG壓縮采取的是對(duì)圖像高頻分量進(jìn)行處理，而本算法采用中頻嵌入，所以我們可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)壓縮攻擊后的圖像以與經(jīng)過(guò)離散余弦算法水印系統(tǒng)提取出來(lái)的水印,從視覺(jué)上能清楚的辨別水印信息。可以看出,本算法對(duì)于基于JPEG壓縮攻擊有著異常強(qiáng)大的抵抗性能。4）圖像剪切（3）2與原水印比較（2）經(jīng)過(guò)裁剪后提取的水印圖像（1）經(jīng)過(guò)裁剪后的圖像圖3-11圖像剪切后的結(jié)果結(jié)果分析如下：根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果做出分析經(jīng)過(guò)裁剪后圖像尺寸明顯變小，會(huì)丟失一部分圖像信息，但是經(jīng)過(guò)離散余弦算法水印系統(tǒng)提取的

53、水印依然可以清晰的辨認(rèn)出水印信息，說(shuō)明該系統(tǒng)對(duì)裁剪攻擊具有很好的魯棒性。5）旋轉(zhuǎn)（3）與原水印比較（2）經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)30度后提取的水印圖像（1）經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)30度后的圖像圖3-12旋轉(zhuǎn)后的結(jié)果結(jié)果分析如下：根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果做出分析圖像經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)30度后圖像位置發(fā)生明顯的改變，而經(jīng)過(guò)離散余弦算法水印系統(tǒng)提取出來(lái)的水印，已完無(wú)法辨認(rèn)原水印信息，水印圖像失真明顯，故此算法對(duì)于圖像的旋轉(zhuǎn)操作基本沒(méi)有抵抗能力。4.基于小波變換（DWT）的水印系統(tǒng)算法自1986年由Y.MeyeL ,SMattat與I.Daubechies等人提出小波分析以后，小波分析便在各種領(lǐng)域得到廣泛的運(yùn)用。小波變換的思想來(lái)源于傅里葉變換的思想，即局部化變化思想。由于小波變換是時(shí)間窗和頻率窗都可改變的時(shí)頻局部化分析方法，因此小波變換在高頻部分具有較高的時(shí)間分辨率和較低的頻率分辨率，在低頻部分具有較低的時(shí)間分辨率和較高的頻率分辨率，將小波變換融入到數(shù)字水印系統(tǒng)中就可以廣泛使適應(yīng)基于低頻和高頻的攻擊，魯棒性較好31。4.