信息隱藏大作業(yè)

1、摘要：隨著多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，特別是因特網(wǎng)的飛速發(fā)展，對(duì)圖像、音頻、視頻等多媒體內(nèi)容的保護(hù)成為迫切需要解決的問題。近年來，數(shù)字水印技術(shù)開始廣泛應(yīng)用于數(shù)字圖像，音頻，視頻和多媒體產(chǎn)品的版權(quán)保護(hù)。數(shù)字水印技術(shù)為因特網(wǎng)上圖像的版權(quán)侵犯、非法復(fù)制、泄密和完整性問題提供了一種有效的解決途徑。數(shù)字水印技術(shù)作為版權(quán)保護(hù)和安全認(rèn)證的有力工具，已經(jīng)引起人們廣泛的關(guān)注。數(shù)字水印作為一種信息安全技術(shù)，是在數(shù)字信息中加入不可見的標(biāo)記。人們可以通過一定的算法提取此標(biāo)記，驗(yàn)證信息的所用權(quán)。關(guān)鍵字：數(shù)字水印；Matlab；算法隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，特別是Internet網(wǎng)絡(luò)的日益延伸，信息媒體的數(shù)字化愈趨廣泛

2、。信息的數(shù)字化表達(dá)為信息的存取提供了顯著的便利，極大地提高了信息表達(dá)的效率和準(zhǔn)確性。借助Internet人們可分布自己的作品、傳遞重要的信息、進(jìn)行學(xué)術(shù)交流以及參與電子商務(wù)等。但伴隨的安全性問題亦日趨嚴(yán)重，其中數(shù)字圖像作為一種主要媒體形式，它的安全問題尤為突出。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和多媒體技術(shù)的發(fā)展，極大地方便了信息交換和資源共享，這種迅捷的信息傳播和簡(jiǎn)易的操作帶來了許多新問題，如侵犯版權(quán)、信息篡改等。數(shù)字水?。?digitalwatermarking）技術(shù)是一種為網(wǎng)絡(luò)資源提供安全保密的有效措施，是一種新的信息隱藏技術(shù)。它是將特定的信息嵌入到圖像、音頻和視頻及文本文件等各種數(shù)字媒體中，以達(dá)到標(biāo)識(shí)、注釋及版權(quán)

3、保護(hù)等目的。同時(shí)這種信息對(duì)宿主媒體的影響不足以引起人們的注意且具有特定的恢復(fù)方法，而且非法接收者是不可見、不可覺察的。由于水印信息并不影響作品的宏觀質(zhì)量，因而它將永久地保存在多媒體作品當(dāng)中，任何試圖從作品中剔除水印都將大幅度破壞原作品。字水印嵌入算法是空域數(shù)字水印嵌入算法和變換域數(shù)字水印嵌入算法。空域水印算法就是將水印信息直接嵌入到數(shù)字媒體的空間域中，算法具有運(yùn)算量小，信息嵌入量大、嵌入方法簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是對(duì)于圖像處理的魯棒性較差。變換域水印算法就是對(duì)原始圖像進(jìn)行某種變換，在變換域中嵌入水印信息，其中最常用的變換是 DCT 和 DWT 變換11算法具有魯棒性好，而且可以和國(guó)際編碼標(biāo)準(zhǔn)很好的結(jié)

4、合等優(yōu)點(diǎn)。把 Chirp 信號(hào)作為水印信息是最近幾年提出的，Chirp 信號(hào)具有大的時(shí)間帶 Chirp 類信號(hào)的檢測(cè)技術(shù)為水印的提取奠定了理論基礎(chǔ)。文獻(xiàn) 12提出一種基于 Radon-Wigner 變換（）的空域數(shù)字圖像水印算法，該算法中嵌入的水印是二維 Chirp 信號(hào)，通過求解圖像的 RWD 來檢測(cè)水印的存在。近年來，一種新的時(shí)頻分析工具離散 Chirp-Fourier變換（Discrete Chirp-Fourier Transform,DCFT）受到越來越多Chirp-Fourier變換是2000年Xiang-Gen Xia提出的一種有效的Chirp信號(hào)檢測(cè)技術(shù)，它是離散 Fourie

5、r 變換的推廣，可同時(shí)匹配 Chirp 信號(hào)的中心頻率和調(diào)頻率。本文利用修正 Chirp-Fourier 變換13實(shí)現(xiàn)水印信號(hào)的檢測(cè)和參數(shù)估計(jì)。由于離散 Chirp-Fourier 變換是一維的線性變換，可借助快速傅里葉變換(實(shí)現(xiàn)，與基于 RWD 的算法相比，不僅避免了交叉項(xiàng)干擾，而且降低了計(jì)算的復(fù)雜度，在實(shí)現(xiàn)上更為簡(jiǎn)便。仿真結(jié)果表明本文提出的算法對(duì)高斯白噪聲干擾、JPEG 壓縮等常見圖像處理具有魯棒性。近年來,隨著計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)和因特網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展 ,人們可以很方便地傳播、拷貝、存儲(chǔ)和處理圖像、音頻、視頻及文本等多媒體信息。與此同時(shí),也引發(fā)了各種多媒體信息的傳輸安全問題和數(shù)字產(chǎn)品的版權(quán)保

6、護(hù)問題。為了解決數(shù)字內(nèi)容的版權(quán)保護(hù)和信息安全問題,近年來提出了加密-解密、數(shù)字簽名、數(shù)字標(biāo)簽、數(shù)字指紋和數(shù)字水印等多種技術(shù)。其中,數(shù)字水印技術(shù)是 20 世紀(jì) 90年代出現(xiàn)的一門嶄新技術(shù) ,它通過在數(shù)字產(chǎn)品中嵌入可感知或不可感知的信息來確定數(shù)字產(chǎn)品的所有權(quán)或檢驗(yàn)數(shù)字內(nèi)容的原始性。數(shù)字水印技術(shù)彌補(bǔ)了加密-解密技術(shù)不能對(duì)解密后的數(shù)據(jù)提供進(jìn)一步保護(hù)的不足 ;彌補(bǔ)了數(shù)字簽名不能在原始數(shù)據(jù)中一次性嵌入大量信息的弱點(diǎn) ;彌補(bǔ)了數(shù)字標(biāo)簽容易被修改和剔除的缺陷;彌補(bǔ)了數(shù)字指紋僅能給出版權(quán)破壞者信息的局限。數(shù)字水印技術(shù)是信息隱藏技術(shù)研究領(lǐng)域的重要分支 ,也是當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)信息安全和數(shù)字媒體版權(quán)保護(hù)研究的熱點(diǎn)。信息媒體的

7、數(shù)字化及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展為信息的存取提供了快速、高效和方便的途徑;但隨之而來的副作用也十分明顯 :作品侵權(quán)現(xiàn)象更加嚴(yán)重 ,篡改更加方便.如何順應(yīng)數(shù)字化的潮流 ,又能有效保護(hù)信息的安全和著作者的所有權(quán) ,越來越受到人們的重視.數(shù)字水印是近幾年發(fā)展起來的一種信息安全技術(shù) ,它是在數(shù)字信息(如圖象、聲音、視頻信息等)中通過一定的算法加入不可見的標(biāo)記.目前,數(shù)字水印技術(shù)主要分為空域技術(shù)和頻域技術(shù).數(shù)字水印的關(guān)鍵技術(shù)為水印選擇、驗(yàn)證和多著作權(quán)等.數(shù)字水印技術(shù)的研究開發(fā)及應(yīng)用,將越來越得到人們的重視.數(shù)字水印研究目前集中在如下幾個(gè)方面:(1)水印驗(yàn)證的可視化技術(shù);(2)如何選用具有特定含義的水印信號(hào);(3

8、)利用人類視覺特性加入水印;(4)在視頻和音頻信號(hào)中加入水印.Matlab是Matrix Laboratory (矩陣實(shí)驗(yàn)室 )的縮寫,最初由Cleve Moler 博士在 70 年代末講授矩陣?yán)碚摵蛿?shù)據(jù)分析等課程時(shí)編寫的軟件包 Linkpack 與Eispack 組成,旨在使應(yīng)用人員免去大量經(jīng)常重復(fù)的矩陣運(yùn)算和基本數(shù)學(xué)運(yùn)算等繁瑣的編程工作.經(jīng)過多年的逐步發(fā)展現(xiàn)已推出了6.0和6.1版本.其內(nèi)容已涉及矩陣代數(shù)、微積分、應(yīng)用數(shù)學(xué)、信號(hào)與系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波分析及應(yīng)用、數(shù)字圖像處理、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、自動(dòng)控制與通信技術(shù)等諸多方面,是科學(xué)計(jì)算、系統(tǒng)仿真、信號(hào)與圖像處理的主流軟件,受到了各方面科研人員的青

9、睞.數(shù)字水印技術(shù)是通過一定的算法將一些標(biāo)志性信息(數(shù)字、序列號(hào)、文字、圖像等)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,并且不能被人的知覺系統(tǒng)覺察或注意到,同時(shí)經(jīng)過普通的圖像處理技術(shù)后水印仍然能保持在圖像中.筆者將Matlab用于數(shù)字水印技術(shù),其優(yōu)點(diǎn)在于以下幾個(gè)方面.(1)強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算功能圖像數(shù)字水印技術(shù)是針對(duì)圖像進(jìn)行研究的,而圖像是由矩陣表達(dá)的,將水印嵌入圖像中及從圖像中將水印提取出來都意味著大量的矩陣運(yùn)算.而 Matlab 強(qiáng)大的數(shù)值運(yùn)算功能是其優(yōu)于其他數(shù)學(xué)應(yīng)用軟件的重要原因 ,其中矩陣運(yùn)算更是Matlab 語言的核心,且表達(dá)自然、直接.例如 ,計(jì)算兩個(gè)矩陣、的乘積 ,可直接

10、表達(dá)為C*D,而計(jì)算兩矩陣內(nèi)元素的乘積,則可表達(dá)為C.* D.這些均可直接實(shí)現(xiàn)而不用像大多數(shù)計(jì)算機(jī)語言那樣需用戶編寫循環(huán)語句實(shí)現(xiàn)Matlab強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算功能來實(shí)現(xiàn)水印技術(shù)非常合適 .(2)方便的圖像讀取和顯示功能.因此,利用圖像嵌入水印首先要求將數(shù)據(jù)從圖像中讀取出來,最后還要將處理過的數(shù)據(jù)還原為圖像.Matlab 為用戶提供了專門的函數(shù)用以從圖像格式的文件中讀寫圖像數(shù)據(jù)和將數(shù)據(jù)顯示為圖像.這種方法不象其他編程語言那樣,需要編寫復(fù)雜的代碼,只需要簡(jiǎn)單地調(diào)用Matlab提供的函數(shù)即可.有關(guān)的函數(shù)有:imread用于讀入各種圖像文件;imwrite用于輸出圖像;image提供最原始的圖像顯示函數(shù);

11、imshow 是最常用的顯示各種圖像的函數(shù)(3 )高效的圖像變換功能數(shù)字水印嵌入算法一般分空域方法和頻域方法 ,空域方法指通過改變像素的兩度值來加入數(shù)字水印;頻域方法指圖像通過某種變換后再嵌入數(shù)字水印.與空域法相比,頻域法具有如下優(yōu)點(diǎn):在變換域中嵌入的水印信號(hào)可以分布到空域的所有像素上,有利于保證水印的不可見性.在變換域中,視覺系統(tǒng)的某些特性(如視頻特性 )可以更方便地結(jié)合到水印編碼過程中.變換域的方法可以與國(guó)際數(shù)據(jù)壓縮標(biāo)準(zhǔn)兼容,從而實(shí)現(xiàn)壓縮域內(nèi)的水印編碼.因此,變換域的方法應(yīng)是水印算法未來趨勢(shì)的主流.但是變換域的算法一般來講計(jì)算量都比較大,特別是小波變換,需復(fù)雜的編程運(yùn)算, Matlab 則

12、改變了這種現(xiàn)狀.在Matlab 圖像處理工具箱中,提供了常用的圖像變換函數(shù).(4)豐富的圖像攻擊函數(shù)水印技術(shù)要求嵌入的水印不可見且有較強(qiáng)的魯棒性 .不可見性可通過視覺效果和計(jì)算圖像的峰值信噪比來比較優(yōu)劣 ,而魯棒性則要對(duì)水印后圖像進(jìn)行各種攻擊,通過比較攻擊后圖像提取出的水印情況來說明問題.Matlab有各種圖像處理函數(shù),可實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的各種攻擊 .有關(guān)的函數(shù)有:imnoise 可對(duì)圖像加入各種噪聲,如椒鹽噪聲,高斯噪聲等;filter2可對(duì)二維圖像進(jìn)行濾波;imcrop可對(duì)二維圖像進(jìn)行剪裁;rotate可對(duì)二維圖像進(jìn)行旋轉(zhuǎn);imresize 可用插值法對(duì)圖像進(jìn)行放大和縮小下面對(duì)一些典型的算法進(jìn)行

13、了分析，除特別指明外，這些算法主要針對(duì)圖像數(shù)據(jù)(某些算法也適合視頻和音頻數(shù)據(jù))。空域算法該類算法中典型的水印算法是將信息嵌入到隨機(jī)選擇的圖像點(diǎn)中最不重要的像素位 (LSB:least significant bits)上，這可保證嵌入的水印是不可見的。但是由于使用了圖像不重要的像素位，算法的魯棒性差，水印信息很容易為濾波、圖像量化、幾何變形的操作破壞。另外一個(gè)常用方法是利用像素的統(tǒng)計(jì)特征將信息嵌入像素的亮度值中。Patchwork算法該方法是隨機(jī)選擇N對(duì)像素點(diǎn) ，bi) ，然后將每個(gè)ai點(diǎn)的亮度值加 1 ，每個(gè)bi點(diǎn)的亮度值減 Patchwork方法對(duì)JPEG 壓縮、FIR濾波以及圖像裁剪有一

14、定的抵抗力，但該方法嵌入的信息量有限。為了嵌入更多的水印信息，可以將圖像分塊，然后對(duì)每一個(gè)圖像塊進(jìn)行嵌入操作。變換域算法該類算法中，大部分水印算法采用了擴(kuò)展頻譜通信 (spread spectrumcommunication)技術(shù)。算法實(shí)現(xiàn)過程為：先計(jì)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(gè)最大分量表示為i=1 k，水印是服從高斯分布的隨機(jī)實(shí)數(shù)序列W =，i=1 ， ，k，那么水印的嵌入算法為di = di(1 + ，其中常數(shù)a為尺度因子，控制水印添加的強(qiáng)度。然后用新的系數(shù)做反變換得到水印

15、圖像。解碼函數(shù)則分別計(jì)算原始圖像I和水印圖像的W 以確定水印的存在與否。該方法即使當(dāng)水印圖像經(jīng)過一些通用的幾何變形和信號(hào)處理操作而產(chǎn)生比較明顯的變形后仍然能夠提取出一個(gè)可信賴的水印拷貝。一個(gè)簡(jiǎn)單改進(jìn)是不將水印嵌入到DCT 域的低頻分量上，而是嵌入到中頻分量上以調(diào)節(jié)水印的頑健性與不可見性之間的矛盾。另外，還可以將數(shù)字圖像的空間域數(shù)據(jù)通過離散傅里葉變換(DFT)或離散小波變換(DWT)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的頻域系數(shù)；其次，根據(jù)待隱藏的信息類型，對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)編碼或變形；再次，根據(jù)隱藏信息量的大小和其相應(yīng)的安全目標(biāo)，選擇某些類型的頻域系數(shù)序列（如高頻或中頻或低頻）；再次，確定某種規(guī)則或算法，用待隱藏的信息的相應(yīng)

16、數(shù)據(jù)去修改前面選定的頻域系數(shù)序列；最后，將數(shù)字圖像的頻域系數(shù)經(jīng)相應(yīng)的反變換轉(zhuǎn)化為空間域數(shù)據(jù)。該類算法的隱藏和提取信息操作復(fù)雜，隱藏信息量不能很大，但抗攻擊能力強(qiáng)，很適合于數(shù)字作品版權(quán)保護(hù)的數(shù)字水印技術(shù)中。壓縮域算法基于JPEG 標(biāo)準(zhǔn)的壓縮域數(shù)字水印系統(tǒng)不僅節(jié)省了大量的完全解碼和重新編碼過程，而且在數(shù)字電視廣播及VOD(Video on Demand)中有很大的實(shí)用價(jià)值。相應(yīng)地，水印檢測(cè)與提取也可直接在壓縮域數(shù)據(jù)中進(jìn)行。下面介紹一種針對(duì)MPEG-2 壓縮視頻數(shù)據(jù)流的數(shù)字水印方案。雖然MPEG-2 數(shù)據(jù)流語法允許把用戶數(shù)據(jù)加到數(shù)據(jù)流中，但是這種方案并不適合數(shù)字水印技術(shù)，因?yàn)橛脩魯?shù)據(jù)可以簡(jiǎn)單地從數(shù)據(jù)

17、流中去掉，同時(shí)，在MPEG-2 編碼視頻數(shù)據(jù)流中增加用戶數(shù)據(jù)會(huì)加大位率，使之不適于固定帶寬的應(yīng)用，所以關(guān)鍵是如何把水印信號(hào)加到數(shù)據(jù)信號(hào)中，即加入到表示視頻幀的數(shù)據(jù)流中。對(duì)于輸入的MPEG-2 數(shù)據(jù)DCT 編碼信號(hào)塊3部分，在方案中只有MPEG-2 數(shù)據(jù)流最后一部分?jǐn)?shù)據(jù)被改變，其原理是，首先對(duì)DCT 編碼數(shù)據(jù)塊中每一輸入的Huffman據(jù)塊的一個(gè)DCT 水印疊加的DCT 系數(shù)，再重新進(jìn)行量化和Huffman編碼，最后對(duì)新的Huffman碼字的位數(shù)n1與原來的無水印系數(shù)的碼字n0進(jìn)行比較，只在n1不大于n0的時(shí)候，才能傳輸水印碼字，否則傳輸原碼字，這就保證了不增加視頻數(shù)據(jù)流位率。該方法有一個(gè)問題值

18、得考慮，即水印信號(hào)的引入是一種引起降質(zhì)的誤差信號(hào)，而基于運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)木幋a方案會(huì)將一個(gè)誤差擴(kuò)散和累積起來，為解決此問題，該算法采取了漂移補(bǔ)償?shù)姆桨竵淼窒蛩⌒盘?hào)的引入所引起的視覺變形。NEC 算法該算法由NEC 實(shí)驗(yàn)室的Cox地位，其實(shí)現(xiàn)方法是，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DCT1000個(gè)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，因此可防止IBM 攻擊，而且該算法還提出了增強(qiáng)水印魯棒性和抗攻擊算法的重要原則，即水印信號(hào)應(yīng)該嵌入源數(shù)據(jù)中對(duì)人感覺最重要的部分，這種水印信號(hào)由獨(dú)立同分布隨機(jī)實(shí)數(shù)序列構(gòu)成，且該實(shí)數(shù)序列應(yīng)該具有高斯分布，的特征。生理模型算法人的生理模型包括人類視 HVS(HumanVisualSystem)和人類聽覺系統(tǒng) HAS。該模型不僅被多媒體數(shù)據(jù)壓縮系統(tǒng)利用，同樣可以供數(shù)字水印系統(tǒng)利用。利用視覺模型的基本思想均是利用從視覺模型導(dǎo)出的 JND(Just Noticeable Difference)描述來確定在圖像的各個(gè)部