數(shù)字圖像處理第0章

1、本章指導(dǎo)：MATLAB是一套高性能的數(shù)值計(jì)算和可視化軟件，其強(qiáng)大的圖形功能以及豐富的圖像處理工具函數(shù)(hnsh)，使得MATLAB特別適合于圖像處理學(xué)習(xí)和應(yīng)用。本章將結(jié)合數(shù)字水印技術(shù)，重點(diǎn)介紹如何利用MATLAB實(shí)現(xiàn)圖像處理的基本功能。第10章 基于(jy)MATLAB數(shù)字水印系統(tǒng)設(shè)計(jì) 共五十二頁第10章 基于MATLAB數(shù)字水印系統(tǒng)(xtng)設(shè)計(jì) 10.1 MATLAB簡介 10.2 數(shù)字水印概述 10.3 基于DCT域的魯棒水印 10.4 基于空域(kngy)的脆弱水印 10.5 基于DWT域的脆弱水印 共五十二頁 MATLAB是MathWork公司于1982年推出的一套高性能的數(shù)值計(jì)算

2、和可視化軟件，其強(qiáng)大的圖形功能以及豐富的圖像處理工具函數(shù)(hnsh)，使得MATLAB特別適合于圖像處理學(xué)習(xí)和應(yīng)用。 MATLAB是一個(gè)交互式系統(tǒng)，其基本數(shù)據(jù)元素是無需定義的數(shù)組。與高級語言相比，它只需極少的代碼就可以解決眾多的數(shù)值問題。因此，特別適合解決需要矩陣運(yùn)算的工程問題，在數(shù)字圖像處理領(lǐng)域有重要的用途。10.1 MATLAB簡介(jin ji) 共五十二頁10.1.1 MATLAB基礎(chǔ)(jch)MATLAB是一種面向數(shù)組(Array)的編程語言。數(shù)據(jù)類型的最大特點(diǎn)(tdin)是每一種類型都以數(shù)組為基礎(chǔ)，從數(shù)組中派生出來，MATLAB把每種類型的數(shù)據(jù)都作為數(shù)組來處理。在MATLAB ，有

3、6種基本的數(shù)據(jù)類型，即：char(字符)、double(雙精度數(shù)值)、sparse(稀疏數(shù)據(jù))、storage(存儲型)、cell(單元數(shù)組)和struct(結(jié)構(gòu))。共五十二頁數(shù)據(jù)類型間的關(guān)系(gun x)圖：數(shù)組(array)字符型(char)數(shù)值型(numeric)單元數(shù)組(cell)結(jié)構(gòu)數(shù)組(struct)雙精度(double)存儲型(storage)包括(int8,uint8,int16,uint16,Int32,uint32)稀疏數(shù)據(jù)(sparse)共五十二頁10.1.2 MATLAB的運(yùn)行(ynxng)MATLAB有兩種常用的工作(gngzu)模式： 1. 命令行輸入方式 2. M

4、文件的編程工作方式 共五十二頁1.命令行輸入(shr)方式例10-1：已知矩陣(j zhn) ，矩陣 ，求解矩陣乘以矩陣形成的新矩陣。只需在MATLAB命令窗口內(nèi)提示符號（）之后輸入如下表達(dá)式，并按下Enter鍵即可： A=2 1 -3 -1;3 1 0 7;-1 2 4 -2;1 0 -1 5; B=3 -1 0 4;2 1 5 -2;-1 0 7 5;-4 8 0 1; A*B共五十二頁2.M文件(wnjin)的編程工作方式MATLAB提供了M文件編輯器作為(zuwi)編制和調(diào)試M文件的工作界面。在MATLAB的運(yùn)行環(huán)境中，用鼠標(biāo)單擊菜單欄上的Fi1e-open命令，選擇M-file項(xiàng)，或

5、者直接單擊工具欄的新建按鈕，進(jìn)入MATLAB的M文件編輯器。M文件有兩種形式，一種是命令文件(腳本文件Script-file)；另一種是函數(shù)文件(Function-file)。共五十二頁例10-2：建立(jinl)命令文件，并繪制寶石項(xiàng)鏈圖。 (1) 進(jìn)入MATLAB的M文件編輯器 (2) 在編輯器窗口中輸入文件內(nèi)容：t=(0:0.02:2)*pi; %(0:0.02:2)表示(0,2)之間以0.02為間隔的向量x=sin(t);y=cos(t);z=cos(2*t);plot3(x,y,z,b-,x,y,z,bd)view(-80,60)box onlegend(鏈子,寶石);共五十二頁(3

6、)單擊Fi1e -save命令，將所寫文件自動(dòng)保存在磁盤目錄D:MATLABwork上，并取名為diamond.m。(4)在MATLAB命令窗口中直接(zhji)輸入文件名diamond回車，即可得運(yùn)行結(jié)果。共五十二頁MATLAB和大多數(shù)計(jì)算機(jī)語言一樣，提供了設(shè)計(jì)程序所必須的程序結(jié)構(gòu)，即順序結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)和分支(fnzh)結(jié)構(gòu)。在MATLAB中，循環(huán)結(jié)構(gòu)由for-end循環(huán)語句和while-end循環(huán)語句實(shí)現(xiàn)，分支結(jié)構(gòu)由if-end語句和switch-case-end實(shí)現(xiàn)。共五十二頁例10-3：繪制函數(shù)(hnsh) 的圖像。其程序(chngx)為：x=-3:0.1:3;if x=1 y=8*x

7、2+1; plot(x,y)Else if -1x y=0; plot(x,y)else y=-x3; plot(x,y)end共五十二頁10.1.3 MATLAB圖像處理(t xin ch l)功能 MATLAB豐富的圖像處理函數(shù) 圖像文件輸入、輸出、顯示：imread imwrite subplot計(jì)算圖像的傅立葉變換FFT及逆變換IFFT ：fft2 ifft2 計(jì)算圖像的離散(lsn)余弦變換DCT及逆變換IDCT：dct2 idct2計(jì)算圖像的小波變換DWT及逆變換IDWT：dwt2 idwt2 共五十二頁常用的函數(shù)(hnsh)簡介(1) 函數(shù)名: uint8格式(g shi): u

8、int8 (A);功能:將數(shù)據(jù)A轉(zhuǎn)換為8位無符號整數(shù)類型數(shù)據(jù)例如：watermarked_image_uint8=uint8(watermarked_image_round);(2) 函數(shù)名: double格式: double(A); 功能: 將數(shù)據(jù)A轉(zhuǎn)換為64位雙精度浮點(diǎn)類型數(shù)據(jù)例: double(imread(lena.bmp);共五十二頁(3) 函數(shù)(hnsh)名: imread格式:imread(文件名，文件格式)功能: 讀取圖像文件數(shù)據(jù)例: Z=imread(lena.bmp) 其功能為將文件格式為bmp的圖像文件lena.bmp圖像數(shù)據(jù)讀取出來，并作為無符號8位整型數(shù)據(jù)（unit8

9、）放入二維數(shù)組變量Z中。(4) 函數(shù)名: imwrite格式: imwrite (A，文件名，文件格式)功能:保存圖像文件數(shù)據(jù)例: imwrite(ZA,watermarked.bmp,bmp)其功能為將變量ZA中的圖像數(shù)據(jù)寫入文件名為watermarked.bmp的文件中，保存格式為bmp。共五十二頁(5) 函數(shù)名: imshow格式: imshow(I,LOW HIGH)功能:顯示(xinsh)灰度圖像例: imshow(ZA,) 顯示灰度圖像ZA，并指定灰度級范圍LOW HIGH，若如不確定數(shù)據(jù)的范圍LOW HIGH，可使用空矢量作為參數(shù)顯示圖像。 (6) 函數(shù)名: subplot格式:

10、 subplot (m,n,p)功能:將一個(gè)圖形窗口劃分為多個(gè)顯示區(qū)域例: subplot(2,2,1); 將圖形窗口劃分為22個(gè)矩形顯示區(qū)域，并激活第1個(gè)顯示區(qū)域。共五十二頁(7) 函數(shù)名: fft2功能(gngnng):對矩陣A做二維快速傅立葉變換格式：B=fft2(A,M,N) A表示要變換的矩陣，M和N是可選參數(shù)，通過補(bǔ)0元素或截取多余元素，使A成為MN階矩陣，然后計(jì)算其二維FFT。B表示變換后得到的二維FFT 系數(shù)矩陣。(8) 函數(shù)名: fftshift功能:把傅立葉變換結(jié)果中的直流分量移到中間位置 格式：B= fftshift (A) 若A為向量，則fftshift將其左、右半部互

11、換，若A為矩陣，則交換A的1，3象限和2，4象限。對多維陣列，fftshift對每一維的兩個(gè)“半空間”進(jìn)行交換。fftshift常用于FFT結(jié)果的可視化。共五十二頁(9) 函數(shù)名: ifft2功能:對矩陣B做二維快速逆傅立葉逆變換格式：A=ifft2(B,M,N) B 表示要變換(binhun)的矩陣，M和N是可選參數(shù)，通過補(bǔ)0元素或截取多余元素，使B成為MN階矩陣，然后計(jì)算其二維FFT。A表示經(jīng)過二維傅立葉逆變換后的系數(shù)矩陣。共五十二頁例10-4: 計(jì)算并顯示圖像的傅立葉變換FFT及逆變換IFFT。I=imread(lena.bmp);subplot(1,3,1), imshow(uint8

12、(I); % 顯示原始圖像J=fft2(I); % 圖像FFT變換B=fftshift(J); % 顯示FFT變換結(jié)果subplot(1,3,2), imshow(log(abs(B),); H=ifft2(J); %使用(shyng)逆變換復(fù)原圖像并顯示結(jié)果subplot(1,3,3), imshow(uint8(H); 共五十二頁執(zhí)行(zhxng)結(jié)果： (a)lena原圖(yun t)(b)經(jīng)過FFT變換后的頻譜圖像(c)經(jīng)IFFT后的圖像共五十二頁 (10) 函數(shù)名: dct2功能：求矩陣A的DCT變換系數(shù)(xsh)格式：B=dct2(A,M,N) A表示要變換的矩陣，M和N是可選參數(shù)

13、，通過補(bǔ)0元素或截取多余元素，使A成為MN階矩陣，然后計(jì)算其二維離散余弦變換。B表示變換后得到的離散余弦變換系數(shù)矩陣。共五十二頁例10-5:調(diào)用dct2函數(shù)計(jì)算二維圖像的DCT系數(shù)并顯示結(jié)果。 由于離散余弦(yxin)變換DCT會產(chǎn)生負(fù)系數(shù)，為了顯示離散余弦變換DCT的系數(shù)幅值大小，可以使用絕對值函數(shù)abs(x)。程序代碼如下：I=imread(lena.bmp) ;J=dct2(I); % 計(jì)算二維圖像的DCT系數(shù)subplot(1,2,1), imshow(uint8(I);subplot(1,2,2), imshow(uint8(abs(J); % 顯示二維圖像的DCT系數(shù)的大小共五十二

14、頁執(zhí)行(zhxng)結(jié)果：(a) lena原圖 (b) 經(jīng)DCT變換(binhun)后的圖像 共五十二頁(11) 函數(shù)名: idct2 功能：計(jì)算逆DCT變換格式(g shi)：A= idct2(B,M,N) B表示要變換的矩陣，M和N是可選參數(shù)，通過補(bǔ)0元素或截取多余元素，使B成為MN階矩陣，然后計(jì)算其二維離散余弦逆變換。A表示B經(jīng)過二維離散余弦逆變換后得到的系數(shù)矩陣。共五十二頁例10-6:計(jì)算并顯示圖像的離散余弦(yxin)變換DCT及逆變換IDCT。程序代碼如下：I=imread(lena.bmp) ; subplot(1,4,1), imshow(uint8(I);)% 顯示原始圖像J

15、=dct2(I); %圖像DCT變換K=idct2(J);subplot(1,4,2),imshow(uint8(K);%使用逆變換復(fù)原圖像J(abs(J)10)=0; %將較小的系數(shù)設(shè)置為0M=idct2(J);subplot(1,4,3),imshow(uint8(M);%使用逆變換部分復(fù)原圖像J(abs(J)100)=0; %將較小的系數(shù)設(shè)置為0N=idct2(J);subplot(1,4,4),imshow(uint8(N);%使用逆變換部分復(fù)原圖像共五十二頁原始(yunsh)圖像與DCT和IDCT變換后的圖像比較(a) Lena 原圖(yun t)(b)經(jīng)過DCT和IDCT后的圖像(

16、c) =100的重構(gòu)圖像(c) =10的重構(gòu)圖像共五十二頁(12) 函數(shù)名:rand rand函數(shù)共8種，與圖像處理相關(guān)的主要有兩種。因此僅對這兩種做一個(gè)簡要的介紹。格式：rand( state,J ) ；rand( N,M ) 功能: rand( state,J ) 將隨機(jī)數(shù)生成器設(shè)置到第J個(gè)狀態(tài)，其值可以(ky)任意設(shè)定。不同的狀態(tài)J 將生成不同的隨機(jī)矩陣，而設(shè)定了相同的狀態(tài)J，就可生成相同的隨機(jī)數(shù)矩陣。rand( N,M )產(chǎn)生元素值在（0.0，1.0）內(nèi)的NM階均勻分布隨機(jī)矩陣。 通常rand( state,J )與rand( N,M )聯(lián)合使用。 共五十二頁10.2 數(shù)字水印概述(i

17、 sh) 定義： 數(shù)字水印技術(shù)(Digital Watermarking)是通過一定的算法將一些標(biāo)志性信息直接嵌入到多媒體內(nèi)容當(dāng)中，但不影響原內(nèi)容的價(jià)值和使用，并且不能被人的感知(gnzh)系統(tǒng)覺察或注意到，只有通過專用的檢測器或閱讀器才能提取。共五十二頁(a) 原始(yunsh)圖像 (b) 水印圖像 (c) 嵌入水印后的圖像 圖像(t xin)中嵌入數(shù)字水印共五十二頁數(shù)字水印常見的分類：1. 根據(jù)數(shù)字水印(shuyn)是否可見可以分為：可見水印(shuyn)、不可見 水印(shuyn)2. 根據(jù)數(shù)字水印的作用可以將數(shù)字水印分為：魯棒水印、 脆弱水印、半脆弱水印3. 根據(jù)水印實(shí)現(xiàn)的方法不同又

18、可分為：時(shí)（空）域數(shù)字水印、頻域數(shù)字水印 共五十二頁 數(shù)字水印系統(tǒng)(xtng)的組成：嵌入和提取（檢測）水印生成算法（G）數(shù)字水?。╓）原始載體數(shù)據(jù)（I）水印嵌入算法（E）加入水印后的數(shù)據(jù)（ ）私鑰/公鑰（K）數(shù)字水印嵌入(qin r)的一般過程基本框架示意圖共五十二頁 數(shù)字水印系統(tǒng)的組成：嵌入(qin r)和提取（檢測）數(shù)字水印提?。z測）的一般(ybn)過程基本框架示意圖共五十二頁10.3 基于(jy)DCT域的魯棒水印 10.3.1水印(shuyn)的嵌入原始圖象分塊選擇方差最大的前n塊DCT 變換DCT域中頻嵌入水印含水印圖象pn_sequence_zeroKDCT逆變換基于DCT的魯

19、棒水印嵌入流程圖共五十二頁具體步驟： 原始圖像的分塊DCT變換(binhun)將原始圖像分割為互不覆蓋的88子塊，再對每個(gè)子 塊進(jìn)行DCT變換?；诩y理掩蔽特性的塊分類將水印信號盡可能嵌入到圖像中紋理較復(fù)雜的子塊。水印的產(chǎn)生和嵌入將二值水印圖像組成一維行向量，作為水印信息。采用折衷辦法,將水印信息嵌入到宿主圖像的中頻部分。 分塊DCT反變換。 圖 10-13 88塊DCT系數(shù)嵌入(qin r)水印的中頻位置分塊DCT反變換。 共五十二頁 基于DCT的魯棒水印(shuyn)嵌入效果圖： （a）原始(yunsh)圖像 (b)水印圖像 （c）嵌入水印后的圖像共五十二頁10.3.2 水印(shuyn)

20、的提取基于DCT的數(shù)字水印提取過程如下： 原始圖像和待測圖像在DCT域進(jìn)行求差運(yùn)算，比較相關(guān)性，確定序列message_vector。 根據(jù)圖像塊的方差值的大小，確定紋理塊，從而確定水印曾經(jīng)的嵌入位置。根據(jù)序列message_vector以及紋理塊復(fù)雜度的次序形成(xngchng)一維水印序列。 將水印序列重新組成二維水印恢復(fù)圖像。 共五十二頁 基于DCT的魯棒水印(shuyn)提取效果圖： (a) 嵌入水印后的圖像(t xin) (b) 提取的水印 共五十二頁水印嵌入(qin r)步驟： (1)將原始圖最低有效位(LSB)清0，并分為互不覆蓋的88圖像塊 (2)計(jì)算每個(gè)88塊分解（如基于LU分解）后矩陣u的跡，并將其作為嵌入的水印信息 (3)使用mean2( ) 函數(shù)計(jì)算每個(gè)88塊相鄰近1616圖像塊的均值，并嵌入到該88圖像塊特定的LSB位。 10.4 基于(jy)空域的脆弱水印 10.4.1水印的嵌入共五十二頁(4)再將步驟（2）中計(jì)算的水印信息 嵌入到由位置矩陣B決定的88圖像(t xin)塊 中的相應(yīng)LSB位，嵌入判別公式為： (5)生成并顯示含水印的圖像共五十二頁10.4.2水印(shuyn)的提取及篡改檢測 將待檢測圖像分為互不覆蓋(fgi)的88圖像塊。 與水印嵌入過程類