一種半色調(diào)圖像數(shù)字水印技術(shù)

word文檔可自由復(fù)制編輯目錄TOC\o"1-3"\h\u25899摘要 I27401ABSTRACT III19138前言 IV4109第1章緒論 1106181.1研究背景和研究意義 174811.2課題研究的主要內(nèi)容 319996第2章半色調(diào)和數(shù)字水印技術(shù) 4293142.1半色調(diào)技術(shù) 435372.1.1連續(xù)調(diào)圖像與半色調(diào)圖像 4228642.1.2半色調(diào)技術(shù)的發(fā)展歷史 5147812.1.3半色調(diào)技術(shù)分類(lèi) 7159152.2數(shù)字水印技術(shù) 16134252.2.1數(shù)字水印基本概念與特性 16104632.2.2數(shù)字水印的分類(lèi) 18245792.2.3數(shù)字水印的應(yīng)用 19283492.2.4數(shù)字水印模型 2045562.2.5數(shù)字水印的典型算法 21143042.2.6數(shù)字水印系統(tǒng)的性能評(píng)估 2324850第3章半色調(diào)圖像數(shù)字水印技術(shù) 27306233.1單幅圖像中信息的隱藏 2741533.2多幅圖像中信息的隱藏 2814745第4章實(shí)驗(yàn)研究 3031084.1灰度圖像的半色調(diào)化處理 30286584.2水印嵌入實(shí)驗(yàn) 3771474.3水印魯棒性攻擊測(cè)試 4253154.3.1高斯低通濾波實(shí)驗(yàn) 43274244.3.2剪切實(shí)驗(yàn) 45163354.3.3旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn) 47110444.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與結(jié)論 4968924.4.1水印嵌入實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與結(jié)論 49113734.4.2水印魯棒性攻擊測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與結(jié)論 5013007第5章結(jié)論與展望 5357985.1結(jié)論 53202505.2展望和未來(lái)的研究方向 5424328總結(jié)與體會(huì) 555073謝辭 5722123參考文獻(xiàn) 5832689附錄1（水印提取MATLAB程序） 5913524附錄2（英文文獻(xiàn)及翻譯） 60word文檔可自由復(fù)制編輯一種半色調(diào)圖像數(shù)字水印技術(shù)摘要半色調(diào)技術(shù)在低分辨率的設(shè)備上有著廣泛的應(yīng)用背景，如激光或油墨打印機(jī)、傳真機(jī)和廉價(jià)液晶顯示器等。許多移動(dòng)顯示設(shè)備上也用到了半色調(diào)技術(shù)，如蜂窩式手機(jī)和PDA。半色調(diào)圖像作為未來(lái)幾十年里傳播信息的重要手段之一，被廣泛地應(yīng)用在報(bào)紙、雜志、身份證、貨幣、支票和機(jī)密文件等工業(yè)上。由于Intemet網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)開(kāi)放式的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，數(shù)字信息傳輸?shù)陌踩夹g(shù)十分重要，如數(shù)字水印技術(shù)。數(shù)字水印技術(shù)能夠?qū)⒕哂刑囟ㄒ饬x的標(biāo)記(水印)，隱藏在數(shù)字圖像、聲音、文檔、圖書(shū)、視頻等數(shù)字產(chǎn)品中，用以證明制作者對(duì)其作品的所有權(quán)，同時(shí)通過(guò)對(duì)水印的檢測(cè)和分析來(lái)保證數(shù)字信息的完整可靠性。半色調(diào)圖像作為有著廣泛應(yīng)用背景的特殊媒介，其數(shù)字水印的研究對(duì)于保護(hù)半色調(diào)產(chǎn)品的版權(quán)，防止產(chǎn)品被非法拷貝和篡改有著切實(shí)的意義。論文用計(jì)算機(jī)仿真軟件MATLAB完成了對(duì)灰度圖像的半色調(diào)化處理和在半色調(diào)圖像中嵌入水印，并對(duì)嵌入水印后的半色調(diào)圖像進(jìn)行水印攻擊測(cè)試來(lái)檢測(cè)水印的魯棒性。關(guān)鍵詞：半色調(diào)圖像；數(shù)字水印技術(shù)；MATLAB。word文檔可自由復(fù)制編輯TheDigitalwatermarkingtechnologyofHalftoneimageABSTRACTHalftonetechnologyhasextensiveapplicationbackgroundsonlowresolutiondevices,suchaslaserandinkjetprinters,faxmachinesandlow-costliquidcrystaldisplays.Manymobiledevicesalsousethehalftonetechnique,suchascellularmobilephoneandPDA.Halftoneimageasoneoftheimportantmeansinthefuturedecadesofdisseminatinginformation,iswidelyusedinnewspapers,magazines,identitycards,thecurrency,checksandconfidentialdocumentsindustry.BecausetheIntemetnetworkisanopennetworkarchitecture,securitytechnologyofdigitalinformationtransmissionisveryimportant,suchasdigitalwatermarkingtechnology.Markerscanbedigitalwatermarkingtechnologyhasaspecificmeaning(watermark),hiddeninthedigitalimage,sound,documents,books,videoandotherdigitalproducts,toprovetheproducerownershipoftheirworks,atthesametime,thewatermarkdetectionandanalysistoensuretheintegrityofthereliabilityofdigitalinformation.Halftoneimageasaspecialmediahasawideapplicationbackground,researchofthedigitalwatermarkingforhalftoneproductcopyrightprotection,topreventtheproductfrombeingillegallycopiedandtamperedwithrealsignificance.ThecompletionofthegrayimageofthehalftoneprocessingandembeddedinthehalftoneimagewatermarkingusingcomputersimulationsoftwareMATLAB,andthewatermarkattacktesttodetecttherobustnessofwatermarkingforhalftoneimagewatermarking.Keywords:halftoneimage;digitalwatermarkingtechnology;MATLAB.

前言近年來(lái)，隨著電子信息技術(shù)和互連網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，多媒體數(shù)據(jù)（圖形圖像、音頻、視頻等）的數(shù)字化為多媒體信息的存儲(chǔ)、復(fù)制和傳播提供了極大地便利，電子信息表達(dá)的準(zhǔn)確性和效率被顯著提高，數(shù)字信息間的共享及交流達(dá)到了空前的深度和廣度，它的傳播形式更加多樣化。由于任何事物都具有兩面性，多媒體數(shù)據(jù)的數(shù)字化也不例外，它的這種便利性引起眾多安全問(wèn)題，如日常生活中，學(xué)生幾乎人人擁有一臺(tái)mp3或mp4，或手機(jī)，或筆記本等各種不同形式的電子設(shè)備，這些設(shè)備里面存儲(chǔ)的歌曲基本都是從Internet上直接下載獲得，而這種從Internet上非法復(fù)制及傳播盜版音樂(lè)作品的行為使得歌曲作者的利益受到極大的侵害。所以，數(shù)字多媒體的版權(quán)保護(hù)及內(nèi)容認(rèn)證等在內(nèi)的多媒體信息安全問(wèn)題已成為當(dāng)今數(shù)字世界中亟待解決的議題。除了與傳統(tǒng)作品版權(quán)保護(hù)相類(lèi)似的法律和管理手段外，還應(yīng)該針對(duì)多媒體數(shù)據(jù)本身的特點(diǎn)為之提供技術(shù)上的保護(hù)。密碼技術(shù)是信息安全技術(shù)領(lǐng)域的主要傳統(tǒng)技術(shù)之一，但是此方法有兩大缺點(diǎn)：一是加密后的文件因不可理解性從而妨礙信息的傳播；二是一旦被解密后，文件就不再受保護(hù)。另一種信息安全的傳統(tǒng)手段——數(shù)字簽名技術(shù)，它需要在原始數(shù)據(jù)中加入大量的數(shù)字簽名，這種方法影響了數(shù)字多媒體的適用性。因此，數(shù)字水印（DigitalWatermarking）技術(shù)的研究就是在這種應(yīng)用要求下迅速發(fā)展起來(lái)的。數(shù)字水印技術(shù)為實(shí)現(xiàn)有效的信息版權(quán)保護(hù)提供了一條嶄新的思路，成為數(shù)字信息安全研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)話題，已得到重視并逐漸形成完善的理論和技術(shù)，在實(shí)際中也得到了廣泛的應(yīng)用。半色調(diào)技術(shù)是指用少量的色彩將一幅連續(xù)色調(diào)圖像(如灰度圖像和彩色圖像)量化為一幅二值圖像或是只有少數(shù)幾種色彩的彩色圖像，并且量化后圖像的視覺(jué)效果和原始圖像相似的技術(shù)。因?yàn)槿搜劬哂械屯V波特性，所以在觀測(cè)半色調(diào)圖像時(shí)，人眼會(huì)模糊圖像像素點(diǎn)之間不連續(xù)的部分，使得半色調(diào)圖像看起來(lái)和連續(xù)色調(diào)圖像視覺(jué)效果相似。由于半色調(diào)技術(shù)中使用較少的顏色數(shù)來(lái)表現(xiàn)物體，因此存儲(chǔ)物體圖像所占用的空間不大，而且傳送圖像時(shí)速度較快。半色調(diào)技術(shù)在低分辨率的設(shè)備上有著廣泛的應(yīng)用背景，如激光或油墨打印機(jī)、傳真機(jī)和廉價(jià)液晶顯示器等。許多移動(dòng)顯示設(shè)備上也用到了半色調(diào)技術(shù)，如蜂窩式手機(jī)和PDA。半色調(diào)圖像作為有著廣泛應(yīng)用背景的特殊媒介，其數(shù)字水印的研究對(duì)于保護(hù)半色調(diào)產(chǎn)品的版權(quán)，防止產(chǎn)品被非法拷貝和篡改有著切實(shí)的意義。本文簡(jiǎn)要介紹了灰度圖像的半色調(diào)技術(shù)，如抖動(dòng)法、誤差擴(kuò)散法、直接二元搜索法等。同時(shí)還簡(jiǎn)要介紹了數(shù)字水印技術(shù)的相關(guān)知識(shí)，包括數(shù)字水印技術(shù)基本概念與特性、數(shù)字水印模型、數(shù)字水印的分類(lèi)及應(yīng)用和對(duì)數(shù)字水印水印系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)。論文利用計(jì)算機(jī)仿真軟件MATLAB完成了對(duì)灰度圖像的半色調(diào)化和在半色調(diào)圖像中嵌入水印，并對(duì)嵌入水印后的半色調(diào)圖像進(jìn)行水印攻擊測(cè)試來(lái)檢測(cè)水印的魯棒性。本論文在仿真實(shí)驗(yàn)中對(duì)灰度圖像的半色調(diào)化處理采用了誤差擴(kuò)散法，對(duì)水印的嵌入和提取采用了基于離散余弦變換（DiscreteCosineTransform，DCT）的水印算法。論文最后對(duì)半色調(diào)圖像數(shù)字水印技術(shù)的研究作了總結(jié)，對(duì)應(yīng)用前景和發(fā)展方向進(jìn)行了討論。word文檔可自由復(fù)制編輯緒論研究背景和研究意義數(shù)字水?。―igitalWatermarking）技術(shù)是指在數(shù)字媒體中嵌入與媒體的作者、版權(quán)和使用許可相關(guān)的信息，這些信息被稱(chēng)為數(shù)字水印，亦稱(chēng)電子水印，它通常是不可見(jiàn)或不可覺(jué)察的，并且是很難被破壞掉的。水印嵌入過(guò)程本質(zhì)是在宿主數(shù)據(jù)中（如圖像、音頻、視頻等）嵌入第二個(gè)數(shù)據(jù)信息，該過(guò)程也不會(huì)影響原始數(shù)字媒體的正常使用。含水印的數(shù)字載體通過(guò)一些計(jì)算操作可以檢測(cè)或提取出水印信息，用以進(jìn)行多媒體數(shù)據(jù)的版權(quán)保護(hù)。數(shù)字水印是信息安全及隱藏技術(shù)中一個(gè)重要研究方向。半色調(diào)技術(shù)應(yīng)用于印刷領(lǐng)域已有一個(gè)多世紀(jì)，應(yīng)用在數(shù)字輸出設(shè)備上也有40多年，數(shù)字半色調(diào)技術(shù)具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。數(shù)字半色調(diào)技術(shù)是指用少量的色彩將一幅連續(xù)色調(diào)圖像（灰度或彩色圖像）量化為一幅二值圖像或者是只有少數(shù)幾種色彩的彩色圖像，而且結(jié)果圖像的視覺(jué)效果與連續(xù)色調(diào)圖像相似的技術(shù)。該技術(shù)主要利用人眼的低通特性，當(dāng)在一定距離下觀察圖像時(shí)，人眼將圖像空間上接近的部分視為一個(gè)整體，使得半色調(diào)圖像局部平均灰度近似于原始圖像的局部平均灰度值。半色調(diào)技術(shù)是針對(duì)打印輸出的方法，而半色調(diào)數(shù)字水印技術(shù)則是在打印輸出的過(guò)程中隱藏信息編碼的技術(shù)，它與傳統(tǒng)的圖像數(shù)字水印有著不同的意義。半色調(diào)數(shù)字水印技術(shù)在打印的圖像和文檔作品中包含水印信息，這些信息以不易被察覺(jué)的形式隨圖像和文檔作品一起傳播，用以證明創(chuàng)作者對(duì)作品的所有權(quán)，并作為鑒定、起訴非法侵權(quán)的證據(jù)，同時(shí)通過(guò)對(duì)水印的檢測(cè)和分析來(lái)保證數(shù)字信息的完整可靠性，從而成為知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)和數(shù)字多媒體防偽的有效方式。半色調(diào)圖像作為有著廣泛應(yīng)用背景的特殊媒介，其數(shù)字水印的研究對(duì)于保護(hù)半色調(diào)產(chǎn)品的版權(quán)，防止產(chǎn)品被非法拷貝及篡改有著重要的意義。由于數(shù)字水印技術(shù)在數(shù)字媒體信息版權(quán)保護(hù)方面的重要作用，全球支持或開(kāi)展此項(xiàng)研究的政府機(jī)構(gòu)和研究部門(mén)很多。如包括美國(guó)財(cái)政部、美國(guó)版權(quán)工作組、美國(guó)洛斯阿莫思國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)海陸空軍研究實(shí)驗(yàn)室、歐洲電信聯(lián)盟、德國(guó)國(guó)家信息技術(shù)研究中心、日本NIT信息與通信系統(tǒng)研究中心、麻省理工學(xué)院、南加利福尼亞大學(xué)、普渡大學(xué)、劍橋大學(xué)、瑞士洛桑聯(lián)邦工學(xué)院、微軟公司、朗訊貝爾實(shí)驗(yàn)室、以公司等機(jī)構(gòu),同時(shí),BIM、日立、NEC、Pinoeer和snoy五家公司還宣布聯(lián)合研究基于信息隱藏的電子水印。1996年5月,第一屆國(guó)際信息隱藏學(xué)術(shù)研討會(huì)在英國(guó)劍橋牛頓研究所召開(kāi),至今該研討會(huì)己舉辦了四屆。另外,在EIEE和SPEI等一些重要國(guó)際會(huì)議上也開(kāi)辟了與數(shù)字水印相關(guān)的專(zhuān)題。歐洲己有幾項(xiàng)較大的工程項(xiàng)目如VIVA和ACTS中都有關(guān)于數(shù)字水印方面的專(zhuān)項(xiàng)研究。用于半色調(diào)圖像的數(shù)字水印算法，可查閱到的資料并不多。不過(guò)在國(guó)外很多政府機(jī)構(gòu)和研究部門(mén)已經(jīng)開(kāi)始這方面的研究。如美國(guó)財(cái)政部委托麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室，探究在彩色打印機(jī)和復(fù)印機(jī)輸出的圖像中加入數(shù)字水印，通過(guò)實(shí)時(shí)地從掃描票據(jù)中判斷水印的有無(wú)，快速辨識(shí)真?zhèn)?；在日本IBM東京研究室提出了用數(shù)據(jù)隱藏（DataHiding）鑒定數(shù)字化照片的來(lái)源，證實(shí)數(shù)字照片的完整性，判斷照片是否被篡改以及定位篡改的地方；瑞士AlpVision公司專(zhuān)為打印文檔設(shè)計(jì)的SafePaper軟件可嵌在MicrosoftWord軟件中，是專(zhuān)為打印文檔設(shè)計(jì)的安全產(chǎn)品，它將水印信息隱藏到紙的背面，以此來(lái)證明文檔的真?zhèn)?。該公司研究的LabelIt軟件，具有能夠在任何掃描的圖片中隱藏若干字符的技術(shù)。這些字符隱藏在掃描的圖像中，即使圖像格式被改變，字符的標(biāo)記也不會(huì)消失，而且是完全不可見(jiàn)的。目前,國(guó)內(nèi)已有不少研究機(jī)構(gòu)及大學(xué)正在從事信息隱藏和數(shù)字水印方面的研究。1999年底,第一屆全國(guó)信息隱藏學(xué)術(shù)研討會(huì)(CIHW)在北京電子技術(shù)應(yīng)用研究所召開(kāi),至今己成功的舉辦了五屆,在很大程度上推動(dòng)了國(guó)內(nèi)水印技術(shù)的研究與發(fā)展。國(guó)家“863計(jì)劃”、“973項(xiàng)目”(國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃)、國(guó)家自然科學(xué)基金等都對(duì)數(shù)字水印的研究有項(xiàng)目資金支持。但是,用于半色調(diào)圖像的數(shù)字水印技術(shù)的研究,國(guó)內(nèi)僅有成都宇飛信息工程有限公司、阿須數(shù)碼技術(shù)有限公司等單位開(kāi)始了這方面的研究,并且就研究成果來(lái)說(shuō),大多局限在初始階段,還沒(méi)有成熟的商品化軟件推出。課題研究的主要內(nèi)容本課題主要采用256×256標(biāo)準(zhǔn)大小的灰度圖像（若是彩色圖像，先進(jìn)行灰度化處理）作為研究對(duì)象，先將灰度圖片進(jìn)行半色調(diào)化處理，然后將二值水印圖像嵌入到半色調(diào)圖像中，進(jìn)行相關(guān)攻擊性檢測(cè)，再提取水印，檢測(cè)魯棒性，得出相關(guān)結(jié)論。相關(guān)實(shí)驗(yàn)在Matlab環(huán)境下進(jìn)行仿真。灰度圖像的半色調(diào)化處理采用了誤差擴(kuò)散法。對(duì)水印的嵌入和提取采用了基于離散余弦變換（DiscreteCosineTransform，DCT）的水印算法。本文中用了高斯低通濾波、剪切、旋轉(zhuǎn)3種攻擊形式。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知：基于離散余弦變換（DiscreteCosineTransform，DCT）的水印算法隱蔽性好，原宿主半色調(diào)圖像嵌入水印后，在視覺(jué)質(zhì)量上沒(méi)有改變，不影響其原有的價(jià)值和使用價(jià)值。并且該算法對(duì)高斯低通濾波攻擊和剪切攻擊具有較好的魯棒性，對(duì)旋轉(zhuǎn)攻擊的魯棒性較差。

半色調(diào)和數(shù)字水印技術(shù)半色調(diào)技術(shù)連續(xù)調(diào)圖像與半色調(diào)圖像在我們的日常生活中，所遇到的圖像可大致分為兩大類(lèi)：連續(xù)調(diào)圖像(Continuuos-ToneImage)和半色調(diào)圖像(HaltfnoeImage)。如我們常見(jiàn)的彩色照片就是一種連續(xù)調(diào)圖像，在這種圖像上，存在著由淡到濃或由深到淺的色調(diào)變化并且濃淡或深淺是以單位面積成像物質(zhì)顆粒密度來(lái)構(gòu)成的，并且這種圖像的深淺變化有無(wú)數(shù)多級(jí)。另外印刷工藝中的照相分色底片的連續(xù)調(diào)，是由單位面積內(nèi)由金屬銀顆粒密度構(gòu)成的；而各種彩色畫(huà)稿的連續(xù)調(diào)，是由單位面積內(nèi)由各種顏料顆粒密度構(gòu)成的，單位面積內(nèi)顏料顆粒多即為深色調(diào)，否則為淺色調(diào)。半色調(diào)圖像如常見(jiàn)的印刷品圖像，其由淺到深或由淡到濃的變化，是靠網(wǎng)點(diǎn)面積大小或網(wǎng)點(diǎn)覆蓋率來(lái)表現(xiàn)的。一般用于復(fù)制諸如照片之類(lèi)的連續(xù)調(diào)原稿時(shí)，會(huì)采用這種半色調(diào)技術(shù)，它將圖像分成許多點(diǎn)，通過(guò)點(diǎn)的不同大小來(lái)表現(xiàn)顏色的深淺。在印刷品的印刷時(shí)，印刷機(jī)用有限數(shù)量的一套油墨(只有黑墨或青、品紅、黃、黑墨)來(lái)印刷數(shù)量不同、大小不同的細(xì)小點(diǎn)，印刷品畫(huà)面上色彩和濃淡就是靠這些細(xì)小的點(diǎn)來(lái)表示的，由此可以給人眼產(chǎn)生許多灰度級(jí)或許多顏色的錯(cuò)覺(jué)。當(dāng)觀察印品畫(huà)面時(shí)，網(wǎng)點(diǎn)面積大，顏色就深，稱(chēng)為暗調(diào)；網(wǎng)點(diǎn)面積小，顏色就淺，則稱(chēng)為亮調(diào)。由于網(wǎng)點(diǎn)在空間上是有一定的距離的，呈離散型分布，并且由于加網(wǎng)的線數(shù)總有一定的限制，在圖像的層次變化上不能像連續(xù)調(diào)圖像一樣實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變化，故稱(chēng)加網(wǎng)圖像為半色調(diào)圖像。如加網(wǎng)的陽(yáng)片菲林、陰片菲林、印刷圖像等都是半色調(diào)圖像。半色調(diào)技術(shù)的發(fā)展歷史在印刷工藝中，半色調(diào)技術(shù)也稱(chēng)為加網(wǎng)技術(shù)，加網(wǎng)技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在己有上百年的歷史。從早期的照相加網(wǎng)到現(xiàn)代的數(shù)字加網(wǎng)，從調(diào)幅加網(wǎng)到調(diào)頻加網(wǎng)，從粗網(wǎng)點(diǎn)到精細(xì)網(wǎng)點(diǎn)，共經(jīng)歷了三個(gè)階段：照相加網(wǎng)(即模擬加網(wǎng))、電子加網(wǎng)和計(jì)算機(jī)數(shù)字加網(wǎng)三個(gè)發(fā)展階段。1、照相加網(wǎng)照相加網(wǎng)是指利用網(wǎng)屏對(duì)光線的分割作用，將連續(xù)調(diào)圖像分解成大小不同網(wǎng)點(diǎn)的網(wǎng)目調(diào)圖像的方法。它的發(fā)展可分為玻璃網(wǎng)屏加網(wǎng)和接觸網(wǎng)屏加網(wǎng)兩個(gè)階段。網(wǎng)屏加網(wǎng)是德國(guó)的GocgrMeisnebach在1882年首創(chuàng)將連續(xù)調(diào)圖像經(jīng)加網(wǎng)分解成網(wǎng)目調(diào)圖像進(jìn)行制版印刷的加網(wǎng)技術(shù)，于1886年由美國(guó)人Ives和Ivey制造成功。投影網(wǎng)屏加網(wǎng)是加網(wǎng)技術(shù)的鼻祖，使印刷產(chǎn)品能反映圖像的層次變化，但技術(shù)要求高，操作復(fù)雜。在制作玻璃網(wǎng)屏?xí)r，選用優(yōu)質(zhì)的光學(xué)玻璃，表面涂上耐強(qiáng)酸的漆膜，在專(zhuān)門(mén)雕刻機(jī)上劃成等長(zhǎng)的平行直線，線條的疏密由網(wǎng)屏的線數(shù)來(lái)確定?？毯煤笤诓ＡП趁嬉餐可夏退岜Ｗo(hù)膜，用氫氟酸腐蝕。經(jīng)腐蝕凹下的部分涂上黑色油質(zhì)，然后洗去耐酸膜層，這樣就制成了透明與不透明相間的玻璃線條版。用兩塊這樣的線條版垂直膠合在一起，邊上鑲好金屬框，即制成玻璃網(wǎng)屏。加網(wǎng)時(shí)，光線通過(guò)網(wǎng)屏的網(wǎng)孔投射在感光版上。由于光線通過(guò)網(wǎng)孔后的衍射作用，就在濕版上產(chǎn)生大小不同的網(wǎng)點(diǎn)。通過(guò)網(wǎng)孔的光量強(qiáng)，網(wǎng)點(diǎn)就大；光量弱，網(wǎng)點(diǎn)就小。這樣，就把原稿圖像的明暗變化，映射到感光版上后轉(zhuǎn)變成網(wǎng)點(diǎn)的大小變化。這種用網(wǎng)點(diǎn)大小表現(xiàn)明暗深淺的階調(diào)，在工藝上稱(chēng)半色調(diào)(haltfone)。由于網(wǎng)屏上網(wǎng)線的寬度與透明方格的寬度相同，4條網(wǎng)線才圍出一個(gè)透光方格。所以，整個(gè)網(wǎng)屏面積中只有四分之一的面積是透光的。為了在感光版上形成足夠大小的網(wǎng)點(diǎn)，就必須有足夠的感光量。由于感光版感光性能本來(lái)就低，再加上玻璃網(wǎng)屏的透光率也低，所以加網(wǎng)必須有功率強(qiáng)大的光源和較長(zhǎng)的曝光時(shí)間。這種網(wǎng)屏在七十年代以前照相制版中用了很長(zhǎng)時(shí)間。玻璃網(wǎng)屏除有笨重、價(jià)昂等缺點(diǎn)外，使用時(shí)網(wǎng)屏與感光片之間必須有一定的距離(網(wǎng)距)，易損失圖像層次，影響畫(huà)面清晰度，所以逐漸被接觸網(wǎng)屏取代。接觸網(wǎng)屏加網(wǎng)是Kodak公司在1940年根據(jù)半影理論第一次用工業(yè)方法研究成功的第二代加網(wǎng)技術(shù)。它克服了投影網(wǎng)屏的諸多缺陷：如在高光和暗調(diào)部位，網(wǎng)點(diǎn)的表現(xiàn)效果較差；需要備用各種點(diǎn)形、反差、線數(shù)的網(wǎng)屏；耐用性較差等。德國(guó)Klimsch廠在60年代生產(chǎn)了全階調(diào)Gardar網(wǎng)屏，該網(wǎng)屏的線型是透明的，所以能把原稿上明亮部分的色調(diào)予以調(diào)節(jié)，有利于保證高調(diào)細(xì)節(jié)的完整性。這種網(wǎng)屏一般是用玻璃網(wǎng)屏作母版，在制版照相機(jī)上用硬性感光膠片制成的。接觸網(wǎng)屏為膠片狀，用放大鏡仔細(xì)觀察，上面布滿(mǎn)了網(wǎng)點(diǎn)，每個(gè)圓網(wǎng)點(diǎn)中間有一個(gè)很黑的核心，邊緣密度遞減。從整體上看網(wǎng)點(diǎn)的排列，每四個(gè)黑點(diǎn)中間有一個(gè)透明孔，或每四個(gè)透明孔中間有一個(gè)黑點(diǎn)。接觸網(wǎng)屏具有價(jià)廉、體輕，加網(wǎng)時(shí)與感光膠片密合接觸，進(jìn)行曝光，光線通過(guò)接觸網(wǎng)屏就會(huì)在感光膠片上形成大小不同的光潔網(wǎng)點(diǎn)，其加網(wǎng)效果同用玻璃網(wǎng)屏基本一樣，減少了翻拍中的層次損失，具有使用方便，提高了畫(huà)面清晰度等優(yōu)點(diǎn)。2.電子加網(wǎng)電子加網(wǎng)是指將圖像信號(hào)數(shù)字化后經(jīng)計(jì)算機(jī)計(jì)算處理并轉(zhuǎn)換成網(wǎng)點(diǎn)輸出的新型加網(wǎng)技術(shù)，這種技術(shù)產(chǎn)生于80年代初，是在電子分色機(jī)上通過(guò)電子網(wǎng)點(diǎn)發(fā)生裝置對(duì)原稿完成加網(wǎng)的過(guò)程。其原理是：經(jīng)過(guò)電子分色機(jī)處理的代表圖像不同密度級(jí)次的數(shù)字信號(hào)，送入電子分色機(jī)圖像輸出記錄系統(tǒng)的網(wǎng)點(diǎn)計(jì)算機(jī)，并通過(guò)比較回路形成網(wǎng)點(diǎn)大小、形狀、角度的地址指令，由地址指令從網(wǎng)點(diǎn)計(jì)算機(jī)中獲得控制激光記錄系統(tǒng)的控制信號(hào)，加在電光調(diào)制器上，控制各個(gè)電光調(diào)制器的輸出工作狀態(tài)，最后把由調(diào)制器控制的光信號(hào)記錄在感光材料上，就能獲得與原稿圖像信息相一致的、具有特定大小、形狀和角度的網(wǎng)點(diǎn)。由于電子加網(wǎng)是數(shù)字控制的，網(wǎng)點(diǎn)是由激光記錄所得，因此具有網(wǎng)點(diǎn)實(shí)、密度高、邊緣清晰；網(wǎng)點(diǎn)層次多，細(xì)微層次豐富并且可以根據(jù)需要在不同階調(diào)處產(chǎn)生形狀不同的網(wǎng)點(diǎn)，易于控制網(wǎng)點(diǎn)擴(kuò)大等優(yōu)點(diǎn)。3.計(jì)算機(jī)數(shù)字加網(wǎng)數(shù)字加網(wǎng)是指桌面出版系統(tǒng)中采用基于PosstcriPt框架下的網(wǎng)點(diǎn)技術(shù)。根據(jù)記錄點(diǎn)的分布狀態(tài)，可以將數(shù)字加網(wǎng)分為調(diào)幅加網(wǎng)和調(diào)頻加網(wǎng)兩大技術(shù)。（1）數(shù)字調(diào)幅加網(wǎng)技術(shù)(點(diǎn)聚集態(tài)網(wǎng)點(diǎn)技術(shù))在數(shù)字加網(wǎng)技術(shù)中，調(diào)幅加網(wǎng)是用不可見(jiàn)的、行列排列有序的網(wǎng)格分割圖像，每個(gè)網(wǎng)格按照一定的角度、加網(wǎng)線數(shù)生成面積不同的網(wǎng)點(diǎn)。在生成記錄網(wǎng)點(diǎn)的黑/白(0/l)時(shí)，總要受到加網(wǎng)角度、網(wǎng)點(diǎn)形狀和加網(wǎng)線數(shù)的限制，所以在每個(gè)位置上設(shè)置0/1的自由度相對(duì)較低。調(diào)幅加網(wǎng)技術(shù)又稱(chēng)為點(diǎn)聚集態(tài)網(wǎng)點(diǎn)技術(shù)，這種加網(wǎng)技術(shù)得到的是聚集態(tài)的記錄點(diǎn)。我們通常將聚集在一起的點(diǎn)稱(chēng)為傳統(tǒng)網(wǎng)點(diǎn)，它由圖像信息的灰度層次來(lái)控制網(wǎng)點(diǎn)的增長(zhǎng)。(2)數(shù)字調(diào)頻加網(wǎng)技術(shù)(點(diǎn)離散態(tài)網(wǎng)點(diǎn)技術(shù))調(diào)頻加網(wǎng)從某種意義上來(lái)說(shuō)又可以稱(chēng)為點(diǎn)離散態(tài)網(wǎng)點(diǎn)技術(shù)，該技術(shù)得到的是離散分布的記錄點(diǎn)。這種加網(wǎng)計(jì)算不再受網(wǎng)格的限制，直接以發(fā)散無(wú)序的記錄點(diǎn)陣象素群構(gòu)成圖像，在每個(gè)可記錄位置上設(shè)置0/l的自由度高于調(diào)幅加網(wǎng)，這使得調(diào)頻加網(wǎng)圖像具有較高的信息容量。調(diào)頻加網(wǎng)又稱(chēng)隨機(jī)加網(wǎng)，/隨機(jī)性0在數(shù)學(xué)中用于描述分析和預(yù)言粒子在粘稠液體中運(yùn)動(dòng)的過(guò)程，印刷中則用于描述精確擺放點(diǎn)子的方法，以產(chǎn)生隨機(jī)性并產(chǎn)生色調(diào)級(jí)的感覺(jué)。實(shí)際上，網(wǎng)點(diǎn)位置是基于/計(jì)算的隨機(jī)性0。網(wǎng)點(diǎn)的空間分布是通過(guò)算法來(lái)分配的，根據(jù)色調(diào)的統(tǒng)計(jì)估算值和圖像鄰近部分的細(xì)節(jié)來(lái)分布點(diǎn)子，不會(huì)出現(xiàn)明顯的堆積或不需要的微型點(diǎn)累積。半色調(diào)技術(shù)分類(lèi)目前半色調(diào)技術(shù)最普遍的分類(lèi)法是按照它的處理方式分為：抖動(dòng)法，誤差擴(kuò)散法，迭代法三大類(lèi)。抖動(dòng)法抖動(dòng)法是點(diǎn)處理類(lèi)方法的一種典型算法，主要分為隨機(jī)抖動(dòng)和有序抖動(dòng)兩大類(lèi)。這兩種算法都需要一個(gè)模板，也稱(chēng)為抖動(dòng)矩陣或閾值矩陣，抖動(dòng)矩陣不僅決定了當(dāng)亮度或灰度值減小時(shí)網(wǎng)點(diǎn)變成黑點(diǎn)的順序，而且也決定了半色調(diào)圖像的質(zhì)量，所以抖動(dòng)算法的關(guān)鍵是抖動(dòng)矩陣的構(gòu)造。該算法與抖動(dòng)矩陣進(jìn)行比較，矩陣中的每個(gè)閾值的取值范圍是圖像的最大灰度值和最小灰度值之間，其數(shù)學(xué)公式化如公式2-1：公式STYLEREF1\s2-SEQ公式\*ARABIC\s11式中f(i，j)代表連續(xù)色調(diào)圖像中的像素點(diǎn)灰度值，t(i，j)代表抖動(dòng)矩陣的閾值，而h(i，j)代表半色調(diào)后的圖像灰度值。隨機(jī)抖動(dòng)矩陣是通過(guò)完全隨機(jī)產(chǎn)生的，所以半色調(diào)后的圖像質(zhì)量常常很不理想，在實(shí)際中已經(jīng)基本不再使用。但有序抖動(dòng)的抖動(dòng)矩陣是有規(guī)律的，具有良好的圖像效果和高效的處理速度而被各大打印機(jī)廠商采用，有序抖動(dòng)矩陣主要有兩種類(lèi)型：分散型和聚集型。典型的分散型抖動(dòng)矩陣是Bayer有序抖動(dòng)矩陣，而點(diǎn)局部聚簇整體分散是典型的聚集型矩陣，如圖STYLEREF1\s2-2所示。(a)Bayer有序抖動(dòng)閾值矩陣(b)聚簇型抖動(dòng)閾值矩陣圖STYLEREF1\s2-SEQ圖\*ARABIC\s11有序抖動(dòng)閾值模板雖然有序抖動(dòng)算法比較簡(jiǎn)單，且具有較好的半色調(diào)圖像質(zhì)量，但其也具有致命的缺點(diǎn)，即含有明顯的周期性人工紋理。即使抖動(dòng)矩陣設(shè)計(jì)的非常完美，其輸出的半色調(diào)圖像依然存在瑕疵，且其半色調(diào)圖像質(zhì)量不如通過(guò)誤差擴(kuò)散算法獲得的半色調(diào)圖像。圖2-3是有序抖動(dòng)方法的輸出結(jié)果（a）輸入圖像（b）Bayer有序抖動(dòng)結(jié)果圖STYLEREF1\s2-SEQ圖\*ARABIC\s12輸入圖像及Bayer有序抖動(dòng)結(jié)果誤差擴(kuò)散法在有序抖動(dòng)處理中，利用了像素點(diǎn)與抖動(dòng)矩陣比較來(lái)判斷是否在一個(gè)位置放置微點(diǎn)，實(shí)質(zhì)是一種點(diǎn)處理過(guò)程。在1976年Floyd和Steinberg提出了誤差擴(kuò)散算法，它將半色調(diào)加網(wǎng)從“點(diǎn)處理”過(guò)渡到“鄰域處理”。誤差擴(kuò)散算法的提出為半色調(diào)加網(wǎng)帶來(lái)了革命性的技術(shù)變革，也是半色調(diào)技術(shù)上的里程碑，并促進(jìn)了半色調(diào)技術(shù)的飛速發(fā)展。通過(guò)誤差擴(kuò)散處理后的半色調(diào)圖像像素分布各異且無(wú)規(guī)律性，色調(diào)豐富，視覺(jué)效果較好。直到目前為止，它依然被視為易于實(shí)現(xiàn)且視覺(jué)效果較好的半色調(diào)技術(shù)之一，被廣泛應(yīng)用圖STYLEREF1\s2-SEQ圖\*ARABIC\s13Floyd-Steinberg誤差擴(kuò)散示意圖給定閾值t，設(shè)原圖像為x(i，j)，輸出為y(i，j)。對(duì)整幅圖像按從左到右、從上到下的順序逐點(diǎn)的依次執(zhí)行兩步操作：1、閾值化y（i，j）：公式STYLEREF1\s2-SEQ公式\*ARABIC\s122、把量化誤差擴(kuò)散到鄰近的未被處理過(guò)的點(diǎn)。量化誤差是指輸入與輸出之間的差：公式STYLEREF1\s2-SEQ公式\*ARABIC\s13量化誤差擴(kuò)散即改變空間上相鄰像素x(i，j+1)，x(i+l，j-1)，x(i+1，j)，x(i+l，j+1)的值，將當(dāng)前像素的量化誤差按7：3：5：1的比例轉(zhuǎn)移并疊加到鄰近的像素。公式STYLEREF1\s2-SEQ公式\*ARABIC\s14如圖STYLEREF1\s2-SEQ圖\*ARABIC\s14所示為輸入圖像與采用誤差擴(kuò)散輸出結(jié)果（a）輸入圖像（b）誤差擴(kuò)散結(jié)果圖STYLEREF1\s2-SEQ圖\*ARABIC\s15輸入圖像與誤差擴(kuò)散結(jié)果換句話說(shuō)，誤差擴(kuò)散相當(dāng)于把中值閾值法在每一個(gè)點(diǎn)上產(chǎn)生的誤差再加到周?chē)狞c(diǎn)上，從而保持局部區(qū)域的總體灰度基本不變。量化誤差擴(kuò)散的參數(shù)可以用一個(gè)矩陣描述，稱(chēng)之為誤差擴(kuò)散過(guò)濾器，設(shè)為P，P=｛Nr，s｝，(r，s)D為P中所有非零元素對(duì)應(yīng)的下標(biāo)集合。這里的下標(biāo)r，s是整數(shù)，可以為正、為負(fù)或?yàn)?。這樣公式STYLEREF1\s2-SEQ公式\*ARABIC\s15式可寫(xiě)為：(r，s)D公式STYLEREF1\s2-SEQ公式\*ARABIC\s16FloyoLSteinberg算法中的P如圖STYLEREF1\s2-4(a)。矩陣中的圓點(diǎn)代表N0，0(以下類(lèi)似)。圓點(diǎn)和空自位置的參數(shù)都為0。因?yàn)橄袼靥幚眄樞蚴菑淖蟮接摇纳系较?，所以量化誤差只能向右方、左下、下方和右下的相鄰像素?cái)U(kuò)散。閾值r的選取通常取中間值0.5。曾有人對(duì)其他閾值做過(guò)嘗試，但結(jié)果沒(méi)有明顯的優(yōu)點(diǎn)，所以大多數(shù)算法仍然簡(jiǎn)單的用0.5作為閾值?，F(xiàn)舉例說(shuō)明閾值比較和擴(kuò)散的過(guò)程：假設(shè)當(dāng)前輸入像素灰度為0.7，閾值為0.5，則該點(diǎn)輸出1。量化誤差為-0.3。Floyd-Steinberg算法的參數(shù)是7/16，3/16，5/16，1/16，即將量化誤差-0.3分別乘以7/16，3/16，5/16和1/16疊加到四個(gè)相鄰像素如圖2-4所示。過(guò)濾器有很多選擇，如，Jarvis、Stucki、Shiau-Fan等等，如圖2-6所示。它們大部分是在Floyd-Steinberg過(guò)濾器基礎(chǔ)上做的改進(jìn)。因?yàn)檎`差擴(kuò)散抖動(dòng)算法會(huì)一定程度上使圖像邊緣模糊，有的改進(jìn)過(guò)濾器可以補(bǔ)償性的增強(qiáng)邊緣，使輸出圖像更清晰。還有一些過(guò)濾器在不同程度上對(duì)誤差擴(kuò)散的速度和效果做了優(yōu)化。現(xiàn)在的過(guò)濾器結(jié)構(gòu)變得越來(lái)越復(fù)雜，但并不是過(guò)濾器越復(fù)雜，輸出圖像效果就越好。Floyd-Steinberg過(guò)濾器b、Burkers過(guò)濾器c、Sierra過(guò)濾器d、Stucki過(guò)濾器e、Jarvis過(guò)濾器f、Stevenson過(guò)濾器圖STYLEREF1\s2-6常見(jiàn)的誤差擴(kuò)散濾波器從整體上看，誤差擴(kuò)散的效果是很好的。目前已有的最好的半色調(diào)效果仍是基于誤差擴(kuò)散方法。誤差擴(kuò)散也有不足之處。從速度上看，中值閾值法對(duì)每個(gè)像素只做一次比較運(yùn)算，速度很快。而誤差擴(kuò)散要進(jìn)行大量的乘除法運(yùn)算，速度相對(duì)較慢。如圖2-7所示不同濾波器得到的誤差擴(kuò)散圖。圖STYLEREF1\s2-SEQ圖\*ARABIC\s16不同濾波器得到的誤差擴(kuò)散圖迭代法迭代法是一種搜索的方法，其思想是通過(guò)最小化原圖像與半色調(diào)圖像的誤差來(lái)尋找最佳的二值輸出。由這種算法得到的半色調(diào)圖像質(zhì)量很好，但同時(shí)也以犧牲時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)和計(jì)算量大為代價(jià)。迭代法中最具代表性的是DBS（DirectBinarySearch）算法，DBS運(yùn)用視覺(jué)模型，通過(guò)不斷地將像素取反和與相鄰8鄰域交換來(lái)減少半色調(diào)圖像與原始連續(xù)圖像的視覺(jué)誤差，原理如圖：圖STYLEREF1\s2-SEQ圖\*ARABIC\s17DBS算法框圖DBS應(yīng)用一個(gè)HVS視覺(jué)模型來(lái)減少半色調(diào)圖像和原始圖像的可見(jiàn)誤差，HVS模型用一個(gè)低通濾波函數(shù)來(lái)表示，這個(gè)濾波器的頻率響應(yīng)如下：公式STYLEREF1\s2-SEQ公式\*ARABIC\s17其中和是視網(wǎng)膜對(duì)應(yīng)角頻率，L是平均亮度，c=0.525，d=3.91。e(x,y)為半色調(diào)圖像與原始圖像的可見(jiàn)誤差，X為輸出設(shè)備的可尋址點(diǎn)柵格，phvs(x,y)為點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)也是H(,)的反傅里葉函數(shù)，[m,n]為原始圖與半色調(diào)圖之間的誤差：e[m,n]=g[m,n]-b[m,n]，那么(x,y)與視覺(jué)模型的關(guān)系如下式：公式STYLEREF1\s2-SEQ公式\*ARABIC\s18公式STYLEREF1\s2-SEQ公式\*ARABIC\s19公式STYLEREF1\s2-SEQ公式\*ARABIC\s110(x,y)為敏感度函數(shù)，dot(x,y)為打印點(diǎn)輪廓函數(shù)，且，hvs(x,y)為HVS模型的對(duì)比度敏感函數(shù)(CFS)。h(x,y)為CSF函數(shù)的反傅里葉變換，D為視覺(jué)觀測(cè)距離。那么由初始半色調(diào)圖像與原始圖像通過(guò)視覺(jué)模型產(chǎn)生的的誤差均方為：公式STYLEREF1\s2-SEQ公式\*ARABIC\s111將(2-8)代人(2-11)，則E可以按如下公式表示公式STYLEREF1\s2-SEQ公式\*ARABIC\s112公式STYLEREF1\s2-SEQ公式\*ARABIC\s113公式STYLEREF1\s2-SEQ公式\*ARABIC\s114其中，[m,n]是打印可尋址網(wǎng)格離散點(diǎn)(x,y)和(x,y)之間的交叉校正函數(shù)。DBS用一個(gè)迭代的交換程序來(lái)減少誤差E，這種算法從隨機(jī)獲得的半色調(diào)圖像開(kāi)始，按照從左到右，從上到下的順序掃描整個(gè)半色調(diào)圖像，對(duì)于每個(gè)半色調(diào)像素，評(píng)價(jià)像素取反和將其余相鄰8鄰域像素交換后的影響。如果取反和交換的任何改變能減少誤差，那么這種減少誤差的變換被保留，反復(fù)的執(zhí)行上述過(guò)程，直到整個(gè)過(guò)程沒(méi)有任何改變?yōu)橹?，算法結(jié)束。經(jīng)過(guò)DBS處理后的半色調(diào)圖像，幾乎沒(méi)有結(jié)構(gòu)性紋理，而且能夠很好的再現(xiàn)圖像的豐富色調(diào)，視覺(jué)效果令人滿(mǎn)意，如圖2-8所示。但由于它是一種迭代算法，在不斷的搜索最佳圖像二值點(diǎn)排列的過(guò)程中，時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)大，計(jì)算量過(guò)大導(dǎo)致了它很難用于實(shí)時(shí)處理場(chǎng)合，尤其在寬幅面打印機(jī)中的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)更大。針對(duì)此問(wèn)題，Lieberman和David.J提出一種分塊策略，在進(jìn)行迭代前，將最先粗糙半色調(diào)圖像分割成非疊加區(qū)域，使迭代發(fā)生在塊區(qū)域內(nèi)部，如果在某塊中出現(xiàn)兩次迭代誤差變化不大，就停止此塊的迭代，這樣相對(duì)減少了時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)。FarhanA.Baqai和JanP.Allebach指出在誤差計(jì)算過(guò)程中的自相關(guān)和互相關(guān)函數(shù)是獨(dú)立于原始圖像和半色調(diào)圖像，故可以將其預(yù)先計(jì)算出來(lái)，建立查找表，這樣做也相對(duì)減少了時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)，但算法計(jì)算量大的問(wèn)題依然沒(méi)有解決。Sagar等人提出進(jìn)行DBS算法前先對(duì)最先的粗糙半色調(diào)進(jìn)行局部分塊，對(duì)每一小塊尋求局部最小值，采用閾值優(yōu)化和搜索優(yōu)化來(lái)減少計(jì)算量，但算法是否有效還有待驗(yàn)證。圖STYLEREF1\s2-SEQ圖\*ARABIC\s18直接二元搜索法結(jié)果通過(guò)上述的三種主要半色調(diào)算法，通過(guò)表2-1來(lái)對(duì)比一下它們的優(yōu)缺點(diǎn)。表2-1方法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)抖動(dòng)法點(diǎn)聚集態(tài)能夠減弱點(diǎn)增益現(xiàn)象處理后圖像半色調(diào)視覺(jué)效果不好，色調(diào)不夠豐富點(diǎn)離散態(tài)能夠保留圖像的細(xì)節(jié)，視覺(jué)效果較好色調(diào)不豐富，點(diǎn)增益現(xiàn)象沒(méi)有克服隨機(jī)加網(wǎng)能夠減弱龜紋現(xiàn)象半色調(diào)后圖像色調(diào)不豐富誤差擴(kuò)散法得到圖像色調(diào)相對(duì)豐富，像素分布各異無(wú)規(guī)律，算法高效簡(jiǎn)單應(yīng)用廣泛有明顯的蠕蟲(chóng)和龜紋現(xiàn)象，有不連續(xù)的過(guò)度，在高光和暗調(diào)處與處理方向相關(guān)的滯后現(xiàn)象迭代法視覺(jué)效果最好，無(wú)龜紋，色調(diào)豐富計(jì)算量大，復(fù)雜度高，應(yīng)用范圍窄表STYLEREF1\s2-SEQ表\*ARABIC\s11三種半色調(diào)技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)比較數(shù)字水印技術(shù)數(shù)字水印基本概念與特性數(shù)字水?。―igitalWatermarking）技術(shù)是將一些標(biāo)識(shí)信息（即數(shù)字水印）直接嵌入數(shù)字載體當(dāng)中或是間接表示，且不影響原載體的使用價(jià)值，也不容易被探知和再次修改，從而起到保護(hù)數(shù)字產(chǎn)品版權(quán)或完整性的一種技術(shù)。理想的數(shù)字水印方案應(yīng)該是只有版權(quán)所有者才可以對(duì)其數(shù)字作品加載水印，但任何人都可以對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證的水印方案。數(shù)字水印系統(tǒng)主要包括兩個(gè)過(guò)程、三個(gè)要素：兩個(gè)過(guò)程包括水印嵌入部分和水印提取認(rèn)證部分，三個(gè)要素包括原宿主載體數(shù)據(jù)、水印和嵌入水印后的宿主載體數(shù)據(jù)。利用水印對(duì)數(shù)字產(chǎn)品進(jìn)行保護(hù)需進(jìn)行兩個(gè)操作：為保護(hù)需在數(shù)字產(chǎn)品使用前將水印信息加入到數(shù)字產(chǎn)品中，一般稱(chēng)其為水印的嵌入；為驗(yàn)證或表明版權(quán)，需將加入到數(shù)字產(chǎn)品的水印提取出來(lái)，一般稱(chēng)其為水印的檢測(cè)。數(shù)字水印技術(shù)除應(yīng)具備信息隱藏技術(shù)的一般特點(diǎn)外，還有其特有的特點(diǎn)和研究方法。從信息安全的保密角度而言，如果隱藏的信息被破壞掉，系統(tǒng)可以視為安全的，因?yàn)槊孛苄畔⒉⑽葱孤叮坏?，在?shù)字水印系統(tǒng)中，隱藏信息的丟失意味著版權(quán)信息的丟失，從而失去了版權(quán)保護(hù)的功能，所以這一系統(tǒng)是失敗的。數(shù)字水印技術(shù)同信息安全技術(shù)的差別主要體現(xiàn)在三個(gè)重要方面：第一，水印是不可感知的。與條形碼不同，它不會(huì)影響圖像的美感。第二，水印與信息載體是不可分割的。當(dāng)信息載體被轉(zhuǎn)化為其他格式時(shí)，水印不會(huì)被清除。第三，水印能夠同信息載體經(jīng)歷同樣的變換。這意味著在某些情況下可以通過(guò)觀察最終水印而獲得信息載體所經(jīng)過(guò)變換的一些信息。數(shù)字水印技術(shù)具有很多重要特性，包括嵌入有效性、顯著性、數(shù)據(jù)容量、保真度、魯棒性、安全性、復(fù)雜性、唯一性、通用性等。每一特性的重要性取決于實(shí)際應(yīng)用的需要和水印的作用。實(shí)際上，對(duì)水印特性的理解也會(huì)隨著應(yīng)用的不同而變化。在數(shù)字水印的眾多特性中，最主要的特性是顯著性、數(shù)據(jù)容量和魯棒性。下面對(duì)數(shù)字水印的顯著性、數(shù)據(jù)容量和魯棒性進(jìn)行詳細(xì)介紹。1、顯著性顯著性衡量水印的（不可）感知性或（不易）察覺(jué)性，對(duì)圖像水印而言，就是不可見(jiàn)性。主要包括兩個(gè)含義：一是水印不易被接收者或使用者察覺(jué)，二是水印的加入不影響原產(chǎn)品的視覺(jué)質(zhì)量。從人的感知角度來(lái)說(shuō)，圖像水印的嵌入應(yīng)以不使原始圖像有可察覺(jué)的失真為前提。圖像水印是一種特殊的水印，對(duì)一般的數(shù)字產(chǎn)品，可以在產(chǎn)品上加入可見(jiàn)的標(biāo)志以表明其所有權(quán)，但對(duì)圖像來(lái)說(shuō)，這樣可能影響圖像的視覺(jué)質(zhì)量和完整性。所以圖像水印常指隱形水印，即水印對(duì)版權(quán)所有者是確定的，而對(duì)一般的使用者是隱藏的。與顯著性密切相關(guān)的是保真度。一幅嵌入水印的圖像的保真度可以用它與原始（不含水印的）圖像的對(duì)比來(lái)判斷。2、數(shù)據(jù)容量數(shù)據(jù)容量（payload）指在單位時(shí)間或一幅作品中嵌入水印的比特?cái)?shù)。對(duì)照片而言，以張為單位數(shù)據(jù)容量指嵌入在照片中的比特?cái)?shù)；對(duì)視頻而言，數(shù)據(jù)容量既可以幀為單位，還可以秒為單位。換句話說(shuō)，數(shù)據(jù)容量可指幀中嵌入的比特?cái)?shù)，亦可指秒內(nèi)嵌入的比特?cái)?shù)；對(duì)音頻而言，數(shù)據(jù)容量指?jìng)鬏斶^(guò)程中在一秒內(nèi)所嵌入的比特?cái)?shù)。一個(gè)N比特編碼的水印系統(tǒng)可以嵌入2N個(gè)不同的消息，而在許多應(yīng)用中要求檢測(cè)器擁有雙重功能：首先確定水印是否存在；如果存在，則繼續(xù)確定嵌入的是2N個(gè)消息中的哪一個(gè)，則檢測(cè)器共有2N+1個(gè)可能的輸出值，即：2N個(gè)消息和“不存在水印”。3、魯棒性魯棒性（robustness）指圖像水印抵御外界干擾，在圖像產(chǎn)生失真（一般指失真并沒(méi)有超出圖像不能使用的極限）的條件下仍能保證其自身完整性和對(duì)其檢測(cè)準(zhǔn)確性的能力，即圖像水印應(yīng)能幫助以極低差錯(cuò)率來(lái)識(shí)別作品的所有權(quán)，所以魯棒性也稱(chēng)可靠性或穩(wěn)健性。對(duì)圖像的外界干擾可以有很多種，從討論水印魯棒性的角度常分成兩類(lèi)。第一類(lèi)是常規(guī)的圖像處理手段（并非針對(duì)水?。?，如采樣、量化、數(shù)/模、模/數(shù)轉(zhuǎn)換，掃描，低通濾波、幾何校正、有損壓縮編碼、打印等，圖像水印抵御這些外界干擾的能力更常用魯棒性來(lái)表示。第二類(lèi)指惡意的攻擊模式（針對(duì)水?。鐚?duì)水印的非法探測(cè)和解碼、重采樣、剪切、以及特殊的位移、尺度變化等，圖像水印抵御這些外界干擾的能力常用抗攻擊性來(lái)衡量。數(shù)字水印的分類(lèi)數(shù)字水印技術(shù)可以從不同的角度進(jìn)行分類(lèi):1.按特性劃分按水印的特性可以將數(shù)字水印分為魯棒數(shù)字水印和脆弱數(shù)字水印兩類(lèi)。魯棒數(shù)字水印主要用于在數(shù)字作品中標(biāo)識(shí)著作權(quán)信息，如作者、作品序號(hào)等，它要求嵌入的水印能夠經(jīng)受各種常見(jiàn)的編輯處理;脆弱數(shù)字水印主要用于完整性保護(hù)，與魯棒水印的要求相反，脆弱水印必須對(duì)信號(hào)的改動(dòng)很敏感，人們根據(jù)脆弱水印的存在狀態(tài)就可以判斷數(shù)據(jù)是否被篡改及被篡改的程度。2.按水印所附載的媒體劃分按水印所附載的媒體，可以將數(shù)字水印劃分為圖像水印、音頻水印、視頻水印、文本水印以及用于三維網(wǎng)格模型的網(wǎng)格水印等。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，會(huì)有更多種類(lèi)的數(shù)字媒體出現(xiàn)，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的水印技術(shù)。3.按檢測(cè)過(guò)程劃分按水印的檢測(cè)過(guò)程可以將數(shù)字水印劃分為明文水印和盲水印。明文水印在檢測(cè)過(guò)程中需要原始數(shù)據(jù)，而盲水印的檢測(cè)只需要密鑰，不需要原始數(shù)據(jù)。一般來(lái)說(shuō)，明文水印的魯棒性比較強(qiáng)，但其應(yīng)用受到存儲(chǔ)成本的限制。目前學(xué)術(shù)界研究的數(shù)字水印大多數(shù)是盲水印。4.按內(nèi)容劃分按數(shù)字水印的內(nèi)容可以將水印劃分為有意義水印和無(wú)意義水印。有意義水印是指水印本身也是某幅數(shù)字圖像(如商標(biāo)圖像)或數(shù)字音頻片段的編碼;無(wú)意義水印則只對(duì)應(yīng)于一個(gè)序列號(hào)。有意義水印的優(yōu)勢(shì)在于，如果由于受到攻擊或其它原因致使解碼后的水印破損，人們?nèi)匀豢梢酝ㄟ^(guò)視覺(jué)觀察確認(rèn)是否有水印。但對(duì)于無(wú)意義水印來(lái)說(shuō)，如果解碼后的水印序列有若干碼元錯(cuò)誤，則只能通過(guò)統(tǒng)計(jì)決策來(lái)確定信號(hào)中是否含有水印。5.按用途劃分不同的應(yīng)用需要不同的水印技術(shù)。按水印的用途，可以將數(shù)字水印劃分為票據(jù)防偽水印、版權(quán)保護(hù)水印、篡改提示水印和隱蔽標(biāo)識(shí)水印。票據(jù)防偽水印是一類(lèi)比較特殊的水印，主要用于打印票據(jù)和電子票據(jù)的防偽。一般來(lái)說(shuō)，票據(jù)的偽造者不可能對(duì)票據(jù)圖像進(jìn)行過(guò)多的修改，所以，諸如尺度變換等信號(hào)編輯操作是不用考慮的。但另一方面，人們必須考慮票據(jù)破損、圖案模糊等情形，而且考慮到快速檢測(cè)的要求，用于票據(jù)防偽的數(shù)字水印算法不能太復(fù)雜。版權(quán)標(biāo)識(shí)水印是目前研究最多的一類(lèi)數(shù)字水印。數(shù)字作品既是商品又是知識(shí)作品，這種雙重性決定了版權(quán)標(biāo)識(shí)水印主要強(qiáng)調(diào)隱蔽性和魯棒性，而對(duì)數(shù)據(jù)量的要求相對(duì)較小。篡改提示水印是一種脆弱水印，其目的是標(biāo)識(shí)宿主信號(hào)的完整性和真實(shí)性。隱蔽標(biāo)識(shí)水印的目的是將保密數(shù)據(jù)的重要標(biāo)注隱藏起來(lái)，限制非法用戶(hù)對(duì)保密數(shù)據(jù)的使用。6.按水印隱藏的位置劃分按數(shù)字水印的隱藏位置，我們可以將其劃分為時(shí)(空)域數(shù)字水印、頻域數(shù)字水印、時(shí)/頻域數(shù)字水印和時(shí)間/尺度域數(shù)字水印。時(shí)(空)域數(shù)字水印是直接在信號(hào)空間上疊加水印信息，而頻域數(shù)字水印、時(shí)/頻域數(shù)字水印和時(shí)間/尺度域數(shù)字水印則分別是在DCI，變換域、時(shí)/頻變換域和小波變換域上隱藏水印。隨著數(shù)字水印技術(shù)的發(fā)展，各種水印算法層出不窮，水印的隱藏位置也不再局限于上述四種。在理論上，只要構(gòu)成一種信號(hào)變換，就有可能在其變換空間上隱藏水印。數(shù)字水印的應(yīng)用隨著數(shù)字水印技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字水印的應(yīng)用領(lǐng)域也得到了擴(kuò)展，主要有以下幾個(gè)方面：（1）版權(quán)保護(hù)：數(shù)字作品的所有者可用密鑰產(chǎn)生水印，并將其嵌入原始數(shù)據(jù)，當(dāng)該作品被盜版或產(chǎn)生產(chǎn)權(quán)糾紛時(shí)，所有者即可從被盜版作品中獲取水印信號(hào)作為依據(jù)，以此保護(hù)所有者的權(quán)益。（2）數(shù)字指紋：為避免未經(jīng)授權(quán)的拷貝制作和發(fā)行，版權(quán)所有人可以向分發(fā)給不同用戶(hù)的作品中嵌入不同的水印以標(biāo)識(shí)用戶(hù)信息。該水印可根據(jù)用戶(hù)的序號(hào)和相關(guān)的信息生成，一旦發(fā)現(xiàn)未經(jīng)授權(quán)的拷貝，即可根據(jù)此拷貝所恢復(fù)出的指紋來(lái)確定其來(lái)源。（3）標(biāo)題與注釋?zhuān)簩⒆髌返臉?biāo)題、注釋等內(nèi)容以水印形式嵌入該作品中。例如，一幅畫(huà)的作者和創(chuàng)作時(shí)間等。（4）訪問(wèn)控制：利用數(shù)字水印技術(shù)可以將訪問(wèn)控制信息嵌入到媒體中，在使用媒體前通過(guò)檢測(cè)嵌入到其中的訪問(wèn)控制信息達(dá)到訪問(wèn)控制目的，這種水印應(yīng)具有很強(qiáng)的魯棒性。一個(gè)典型例子就是DVD防拷貝系統(tǒng)，即將水印信息加入DVD數(shù)據(jù)中，這樣DVD播放機(jī)即可通過(guò)檢測(cè)該水印信息而判斷其合法性和可拷貝性。（5）認(rèn)證和完整性校驗(yàn)：通常采用脆弱水印。對(duì)插入了水印的數(shù)字內(nèi)容進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí)，須用唯一的與數(shù)據(jù)內(nèi)容相關(guān)的密鑰提取水印，再通過(guò)檢驗(yàn)提取出的水印的完整性來(lái)驗(yàn)證數(shù)字內(nèi)容的完整性。其優(yōu)點(diǎn)在于認(rèn)證內(nèi)容密不可分，處理過(guò)程得到了簡(jiǎn)化。數(shù)字水印模型目前，數(shù)字水印的研究共分為三個(gè)結(jié)構(gòu)層次，分別是基礎(chǔ)理論研究、應(yīng)用基礎(chǔ)研究和應(yīng)用技術(shù)研究。其中，基礎(chǔ)理論研究主要針對(duì)感知理論、信息隱藏及其數(shù)字水印模型、理論框架等；而應(yīng)用基礎(chǔ)研究的重要方向是針對(duì)圖像、音頻、視頻等載體，研究不同載體對(duì)應(yīng)的數(shù)字水印嵌入算法和檢測(cè)算法；應(yīng)用技術(shù)研究以實(shí)用化為目的，研究各種多媒體格式的數(shù)字水印在實(shí)際中的應(yīng)用。從信號(hào)處理的角度看，嵌入載體對(duì)象的數(shù)字水印可視為在強(qiáng)背景下疊加一個(gè)弱信號(hào)。其限定條件是只要疊加的水印信號(hào)強(qiáng)度低于人視覺(jué)系統(tǒng)（HVS）的對(duì)比度門(mén)限或聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)（HAS）對(duì)聲音的感知門(mén)限，則人視覺(jué)系統(tǒng)或聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)就無(wú)法感知到信號(hào)的存在。從數(shù)字通信的角度看，數(shù)字水印可以理解為在一個(gè)寬帶信道（載體）上用擴(kuò)頻等通信技術(shù)傳輸一個(gè)窄帶信號(hào)（水?。?。但是，不論何種角度，數(shù)字水印系統(tǒng)都包括兩部分：水印嵌入系統(tǒng)和水印檢測(cè)系統(tǒng)。水印的嵌入模型如圖STYLEREF1\s2-9所示，其輸入是可選的公鑰或私鑰、水印信息和載體數(shù)據(jù)。該模型使用一個(gè)或多個(gè)密鑰以確保系統(tǒng)安全，防止水印被修改和擦除。水印信息可以任何形式輸入系統(tǒng)，如隨機(jī)數(shù)字序列、圖像或文本等。圖STYLEREF1\s2-9水印信號(hào)嵌入模型水印的檢測(cè)模型如圖2-10所示，其輸入至少包含傳輸之后的電子作品。如果檢測(cè)系統(tǒng)在提取水印時(shí)需要原始載體或者原始水印，那么輸入還包括原始載體作品或原始水印，當(dāng)然這主要取決于水印的嵌入過(guò)程。圖2-10中的虛線部分表示提取水印信息時(shí)，原始載體數(shù)據(jù)不是必要的。圖STYLEREF1\s2-10水印信號(hào)檢測(cè)模型數(shù)字水印的典型算法近幾年數(shù)字水印技術(shù)研究發(fā)展很快，新算法層出不窮，最基本的就是空域算法和頻域算法（變換域算法），很多新的算法都是基于變換域的。下面介紹一些典型的算法：空域算法：空域算法是相對(duì)于變換域算法而言的。其中比較典型的水印算法有LSB和MSB。LSB是將信息嵌入圖像點(diǎn)中最不重要的像素位，以此保證嵌入水印的不可見(jiàn)性；MSB是將信息嵌入到圖像點(diǎn)中最重要位，即最高位。但他們都有其共同缺點(diǎn)，這也是時(shí)空域算法普遍存在的缺點(diǎn)：算法魯棒性差。另外一個(gè)常用方法是利用像素的統(tǒng)計(jì)特征將信息嵌入到像素的亮度值中，該算法與前面算法的區(qū)別是，它利用的是像素的統(tǒng)計(jì)特征。典型的有Patch-work算法。它是隨機(jī)選擇N對(duì)像素點(diǎn)（a，b)，每對(duì)像素點(diǎn)的差值是以0為中心的高斯分布。然后將點(diǎn)a的亮度值加1，點(diǎn)b的亮度值減1，以此改變分布的中心，并且使整個(gè)圖像的平均亮度保持不變。最后采用統(tǒng)計(jì)的方法檢測(cè)水印。為了抵抗有損壓縮等處理，它將像素點(diǎn)對(duì)擴(kuò)展成小塊像素區(qū)域(patch)，增加一個(gè)patch中所有像素點(diǎn)的亮度值，同時(shí)減少對(duì)應(yīng)的另外一個(gè)patch中所有像素點(diǎn)的亮度值。此算法對(duì)抵御有損壓縮編碼（JPEG）、剪裁攻擊和灰階校正很有效，但由于其嵌入的水印信息少，對(duì)多拷貝聯(lián)合攻擊抵抗能力脆弱。還有Schyndel算法。該算法提出了相關(guān)檢測(cè)方法。該算法首先把一個(gè)密鑰輸入一個(gè)m-序列發(fā)生器來(lái)產(chǎn)生水印信號(hào)，m-序列的自相關(guān)函數(shù)和頻譜分布的特點(diǎn)類(lèi)似于隨機(jī)高斯噪聲，此后這個(gè)序列被重新排列成二維水印信號(hào)，并按像素點(diǎn)依次插入到原始圖像像素值的最低位。但該算法嵌入碼低，且對(duì)串謀攻擊抵抗力弱。變換域算法：基于時(shí)空域算法存在的固有缺點(diǎn)，當(dāng)前對(duì)數(shù)字水印算法的研究主要集中在變換域，它的基本思想是通過(guò)離散傅里葉變換（DFT）、離散余弦變換（DCT）或離散小波變換（DWT）等把數(shù)字圖像的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)頻域的系數(shù)，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)水印嵌入。在此算法中，首先要對(duì)載體進(jìn)行某種特定的正交變換，嵌入空間是載體的某個(gè)或某些頻帶，這些頻帶所對(duì)應(yīng)的變換系數(shù)要遵循一定的規(guī)則進(jìn)行修改。載體的低頻系數(shù)反映載體的主要輪廓，集中載體的絕大部分能量，是載體的主要信息；載體的高頻系數(shù)則反映載體的細(xì)節(jié)，不易被人眼察覺(jué)。其特點(diǎn)是數(shù)據(jù)改變幅度小，水印的穩(wěn)健性強(qiáng)且物理意義清晰，與壓縮標(biāo)準(zhǔn)兼容可直接在壓縮域中進(jìn)行處理，且透明性好。缺點(diǎn)就是其抵抗幾何變換等攻擊的能力比較弱。壓縮域算法：基于JPEG、MPEG標(biāo)準(zhǔn)的壓縮域數(shù)字水印系統(tǒng)，由于其水印檢測(cè)與提取可直接在壓縮域數(shù)據(jù)中進(jìn)行，這樣就簡(jiǎn)化了完全解碼與重新編碼的過(guò)程，因此在數(shù)字電視廣播及VOD中有很高的實(shí)用價(jià)值。輸入的MPEG-2數(shù)據(jù)流可分為數(shù)據(jù)頭信息、DCT編碼信號(hào)塊和運(yùn)動(dòng)向量3部分，一般的方法都是主要改變DCT編碼信號(hào)塊。相應(yīng)的，水印的檢測(cè)與提取也可以直接進(jìn)行于壓縮域數(shù)據(jù)中。NEC算法：它的工作原理是，首先由作者的標(biāo)識(shí)碼和圖像的hash值等組成密鑰，該密鑰就做為種子產(chǎn)生偽隨機(jī)序列，此序列滿(mǎn)足高斯N（0，1）分布。再對(duì)圖像做DCT變換，同時(shí)用這個(gè)偽隨機(jī)序列調(diào)制圖像除直流（DC）分量外的1000個(gè)最大的DCT系數(shù)。此算法可以防止IBM攻擊，同時(shí)提出了一個(gè)重要原則，即水印信號(hào)應(yīng)嵌入原數(shù)據(jù)中對(duì)人感覺(jué)最重要的部分，這大大增強(qiáng)了水印的魯棒性和抗攻擊能力。隨后Podilchuk利用人類(lèi)視覺(jué)模型改進(jìn)了此算法，進(jìn)一步提高了算法的魯棒性與透明性等特性。該算法在數(shù)字水印算法中占有重要地位。（5）基于分形圖像的編碼方法：數(shù)學(xué)家M.F.Barnsley在論文中提出分形圖像編碼的概念，并且將迭代函數(shù)系統(tǒng)理論應(yīng)用于圖像編碼，效果明顯。此方法新穎有效，伴隨著分形壓縮技術(shù)的逐步完善，它的應(yīng)用前景也會(huì)愈加廣闊。生理模型算法：人的生理模型包括人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)（HVS)和人類(lèi)聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)（HAS)。其思想均是利用從模型導(dǎo)出的JND（justnoticeabledifference）描述來(lái)確定在圖像或聲音的各部分所能容忍的數(shù)字水印信號(hào)的最大強(qiáng)度，以此避免破壞視覺(jué)或聽(tīng)覺(jué)的質(zhì)量。實(shí)質(zhì)就是，利用此模型確定與數(shù)據(jù)相關(guān)的調(diào)制掩模，再利用其嵌入水印。此方法同時(shí)具備好的透明性與魯棒性。數(shù)字水印系統(tǒng)的性能評(píng)估主觀性評(píng)估主觀評(píng)估主要是利用人眼視覺(jué)特性來(lái)完成，通常是讓觀察者們?cè)谑孪纫?guī)定的評(píng)價(jià)環(huán)境和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行，并根據(jù)觀察者們的經(jīng)驗(yàn)對(duì)圖像提出質(zhì)量評(píng)估，并給出評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)，最后將所有觀察者的分?jǐn)?shù)進(jìn)行加權(quán)平均，所得結(jié)果即為即為主觀評(píng)估分?jǐn)?shù)。主觀質(zhì)量評(píng)價(jià)方法包括相對(duì)性尺度和絕對(duì)性尺度，一般常用的主觀評(píng)估指標(biāo)如表2-1所示：表STYLEREF1\s2-SEQ表\*ARABIC\s12常用的主觀評(píng)估指標(biāo)相對(duì)性尺度標(biāo)準(zhǔn)絕對(duì)性尺度標(biāo)準(zhǔn)5分觀察不出圖像質(zhì)量變化4分圖像質(zhì)量有變化，但不影響觀察圖像內(nèi)容3分圖像質(zhì)量有變化，對(duì)觀察圖像內(nèi)容稍有影響2分對(duì)觀察圖像內(nèi)容有影響1分嚴(yán)重影響觀察圖像內(nèi)容5分非常好4分好3分一般2分差1分非常差但是其結(jié)果會(huì)受到觀察人的主觀心理要求、文化素養(yǎng)、使用目的、觀察環(huán)境等條件的約束，因此這種主觀感性認(rèn)識(shí)不能作為質(zhì)量評(píng)估的唯一標(biāo)準(zhǔn)。故有人提出了一些定量的計(jì)算方法來(lái)客觀評(píng)定數(shù)字水印系統(tǒng)性能。客觀性評(píng)估客觀性評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)主要包括對(duì)隱蔽性和魯棒性的性能評(píng)估。(1)隱蔽性評(píng)估，隱蔽性是對(duì)數(shù)字水印系統(tǒng)性能的最基本要求，為的是保證原宿主圖像嵌入水印后，在視覺(jué)質(zhì)量上不能夠有改變，不能影響其原有的價(jià)值和使用價(jià)值。主要是檢測(cè)嵌入全息水印前后宿主圖像之間的差異。隱蔽性的客觀評(píng)估本文采用峰值信噪比（PeakSignaltoNoiseRatio，PSNR）和通用圖像質(zhì)量指數(shù)（UniversalImageQualityIndex，UIQI）來(lái)衡量。(a)峰值信噪比PSNR是基于誤差理論提出的，表示整個(gè)圖像的失真程度，在一定程度上反映了圖像變化前后各點(diǎn)像素誤差的統(tǒng)計(jì)特性。令I(lǐng)(x，y)表示原宿主圖像，Iw(x，y)表示含水印圖像，峰值信噪比可定義為：（STYLEREF1\s2-SEQ公式\*ARABIC\s115）其中，M、N表示圖像的行數(shù)和列數(shù)。單位用dB表示，數(shù)值通常在20dB和45dB之間，PSNR值越大，圖像的保真度就越好，兩圖像完全相同時(shí)，值則是無(wú)窮大。PSNR是對(duì)錯(cuò)誤的能源敏感，將圖像看成孤立的點(diǎn)集合，而不是真正的信息丟失，缺點(diǎn)是不符合人眼的視覺(jué)特性。在彩色圖像的質(zhì)量評(píng)價(jià)中，例如RGB色彩模式的圖像是由R、G、B3個(gè)色彩通道組成的，每一個(gè)顏色分量都需用一個(gè)字節(jié)表示，因此可以用三個(gè)色彩通道的峰值信噪比的平均值來(lái)表示其圖像質(zhì)量，算法如公式(2-8)所示：公式STYLEREF1\s2-SEQ公式\*ARABIC\s116其中PSNR(R)，PSNR(G)，PSNR(B)分別表示彩色圖像的R、G、B3個(gè)色彩通道的峰值信噪比。(b)通用圖像質(zhì)量指數(shù)UIQI適用于各種圖像處理，圖像質(zhì)量測(cè)量的方法不依賴(lài)于測(cè)試圖像，觀察條件以及觀察者本身，測(cè)量得到的數(shù)值更符合人類(lèi)視覺(jué)特性。令分別表示原宿主圖像和含水印圖像的信號(hào)，則通用圖像質(zhì)量指數(shù)可定義為：公式STYLEREF1\s2-SEQ公式\*ARABIC\s117其中由于此圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)方法是將圖像的相關(guān)性失真、亮度失真和對(duì)比度失真三個(gè)失真因素相結(jié)合進(jìn)行建模的，為方便可以將公式2-10表示為：公式STYLEREF1\s2-SEQ公式\*ARABIC\s118其中第一項(xiàng)表示兩幅圖像之間的相關(guān)性關(guān)系，取值范圍[-1，1]；第二項(xiàng)表示兩幅圖像之間的亮度關(guān)系，取值范圍[0，1]；第三項(xiàng)表示兩幅圖像之間的對(duì)比度關(guān)系，取值范圍[0，1]。故可得知UIQI值范圍為[-1，1]，數(shù)值越大表明圖像質(zhì)量越好，僅當(dāng)測(cè)試圖像與原圖像相同，即yi=xi，(i=1，2，...，N)時(shí)，UIQI才能取到最大值1。UIQI是目前較先進(jìn)的圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)。通用圖像質(zhì)量指數(shù)同樣的可以應(yīng)用在彩色圖像的質(zhì)量評(píng)價(jià)中，用R、G、B3個(gè)色彩通道的通用圖像質(zhì)量指數(shù)的平均值來(lái)表示其圖像質(zhì)量，算法如下：公式STYLEREF1\s2-SEQ公式\*ARABIC\s119其中UIQI（R），UIQI（G），UIQI（B）分別表示彩色圖像的R、G、B3個(gè)色彩通道的通用圖像質(zhì)量指數(shù)。（c）魯棒性評(píng)估數(shù)字水印系統(tǒng)的魯棒性是指含水印的載體數(shù)據(jù)受到外界干擾，由于自然和人為等原因遭到攻擊使得載體數(shù)據(jù)遭到一定程度的破壞的情況下，水印信息仍能被提取識(shí)別的性能。魯棒性是衡量數(shù)字水印系統(tǒng)質(zhì)量好壞的關(guān)鍵指標(biāo)。本文用歸一化相關(guān)系數(shù)（NormalizedCorrelation，NC）來(lái)衡量數(shù)字水印系統(tǒng)的魯棒性。歸一化相關(guān)系數(shù)定義如公式2-10所示：公式STYLEREF1\s2-SEQ公式\*ARABIC\s120其中w（x，y）表示提取水印信息，w'（x，y）表示原水印信息。歸一化相關(guān)系數(shù)根據(jù)水印信息圖像的相似度來(lái)評(píng)價(jià)提取水印的質(zhì)量。NC數(shù)值范圍為[0，1]，數(shù)值越大，兩圖相似性越好，表示提取水印的質(zhì)量越好，即數(shù)字水印系統(tǒng)的魯棒性越好。

半色調(diào)圖像數(shù)字水印技術(shù)現(xiàn)已提出的半色調(diào)圖像水印算法可分為兩類(lèi)：一類(lèi)是把水印加入到一幅半色調(diào)圖像中，檢測(cè)時(shí)把待檢測(cè)圖像掃描到計(jì)算機(jī)，利用提取算法看能否提取出水印信息，從而判斷該圖像的來(lái)源或真?zhèn)?；另一?lèi)方法是把同一水印加入到兩幅或多幅圖像中，至少同時(shí)擁有兩幅圖像，才能提取出水印信息，檢測(cè)時(shí)把兩幅或多幅圖像疊加在一塊，就可看到清晰的水印標(biāo)識(shí)。單幅圖像中信息的隱藏該類(lèi)方法與普通的水印方法類(lèi)似，只不過(guò)處理的是半色調(diào)圖像。根據(jù)隱藏信息過(guò)程中原始多色調(diào)圖像的需要與否，該類(lèi)方法又可分為兩類(lèi)：第一類(lèi)直接在半色調(diào)化的圖像中加水印；第二類(lèi)是在圖像半色調(diào)化的過(guò)程中將信息隱藏其中。Z.Baharav，D.Shaked利用圖像的有序抖動(dòng)過(guò)程，通過(guò)采用不同的抖動(dòng)矩陣將信息加入其中，抖動(dòng)矩陣的序列代表了要加入的信息。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)采用兩個(gè)抖動(dòng)矩陣，分別用來(lái)代表嵌入的信息位是0或l。但文章是在假設(shè)不涉及到打印掃描過(guò)程的情況下來(lái)實(shí)現(xiàn)這種方法的。HagitZ.HeI-or把上述方法改進(jìn)并運(yùn)用于印刷品的版權(quán)保護(hù)，還給出了具體的實(shí)現(xiàn)步驟。首先把要加入的信息編碼為一二進(jìn)制序列，然后將其排列為一二進(jìn)制矩陣，根據(jù)矩陣中的元素值把抖動(dòng)矩陣排列為閾值模板，用該模板處理原始圖像，即可得到含有水印信息的半色調(diào)圖像。檢測(cè)時(shí)，通過(guò)判斷抖動(dòng)矩陣的序列來(lái)確定加入的二進(jìn)制序列，從而提取出水印信息。Soo-changPei，Jing-mingGuo提出的方法與以上方法類(lèi)似，但利用的是誤差擴(kuò)散過(guò)程。當(dāng)采用不同的過(guò)濾器對(duì)圖像進(jìn)行處理時(shí)，所得半色調(diào)圖像的紋理會(huì)有差別，這種差別在圖像的空域和頻域均有反映。因此，可以用兩個(gè)過(guò)濾器對(duì)圖像的不同部分進(jìn)行處理，同樣，它們的順序代表了要嵌入的信息。檢測(cè)時(shí)，在空域和頻域均能得到水印信息。Shen-GeWang等用兩個(gè)共軛抖動(dòng)矩陣（conjugateScreen）對(duì)圖像進(jìn)行處理，在把所得半色調(diào)圖像錯(cuò)位疊加后，即可看到水印信息。當(dāng)兩個(gè)抖動(dòng)矩陣大小相等，對(duì)應(yīng)元素值滿(mǎn)足Tl（i，j）=255-T2（i，j）時(shí)，就稱(chēng)這兩個(gè)矩陣為共軛抖動(dòng)矩陣。由于兩個(gè)共軛抖動(dòng)矩陣的高度相關(guān)性，當(dāng)用它們處理圖像時(shí)，所得半色調(diào)圖像也是高度相關(guān)的。因此，對(duì)于已設(shè)計(jì)好的抖動(dòng)矩陣，對(duì)應(yīng)于水印信息的背景部分元素值不變，而對(duì)應(yīng)于水印信息的有效信息部分，元素值取它們共軛抖動(dòng)矩陣中對(duì)應(yīng)的值。當(dāng)錯(cuò)位疊加處理后的圖像時(shí)，水印信息便可清晰地顯現(xiàn)出來(lái)。多幅圖像中信息的隱藏該類(lèi)方法把同一水印信息隱藏到兩幅或多幅半色調(diào)圖像中，提取水印信息至少需要兩幅圖像。與前面介紹的方法相比，該類(lèi)方法檢測(cè)過(guò)程比較簡(jiǎn)單，直接疊加兩幅圖像即可。mingSunFu，oscarc.Au提出的隨機(jī)誤差擴(kuò)散（StochasticErrorDiffusion）方法中產(chǎn)生的第一幅圖像是普通的半色調(diào)圖像，而第二幅圖像是根據(jù)水印標(biāo)識(shí)通過(guò)隨機(jī)誤差擴(kuò)散產(chǎn)生的。與Shen-GeWang用共軛抖動(dòng)矩陣對(duì)圖像處理的結(jié)果相似，兩幅圖像中水印背景部分像素值相等，而在水印的有效信息部分，誤差擴(kuò)散的紋理具有不同的相位信息。當(dāng)兩幅圖疊加在一塊時(shí)，同樣可看到水印標(biāo)識(shí)。圖STYLEREF1\s3-1所示分別是第一、第二幅圖及它們疊加后的效果。Soo-changPei，Jing-mingGuo提出的噪聲平衡的誤差擴(kuò)散方法（Noise-BaIancedErrorDiffusion）與上述方法類(lèi)似，但引入的噪聲不同，并且可以產(chǎn)生多幅圖像，任意兩幅疊加，均可監(jiān)測(cè)到水印。與上述兩種方法不同，TadahikoKimoto提出的方法是在使用模板法對(duì)圖像半色調(diào)處理的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)的。該方法采用兩個(gè)序列模板，所加水印同樣是人眼可識(shí)別的標(biāo)識(shí)。實(shí)現(xiàn)時(shí)，隨機(jī)選取單元模板產(chǎn)生第一幅圖像；對(duì)于第二幅，如果處理的像素位于水印背景區(qū)，則與第一幅圖使用相同的模板，否則使用另一序列模板中的單元模板。檢測(cè)時(shí)，原理與前述方法類(lèi)似，不再重復(fù)。圖STYLEREF1\s3-SEQ圖\*ARABIC\s11為本方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果。（a）普通半色調(diào)圖像（b）根據(jù)水印產(chǎn)生的半色調(diào)圖像（c）疊加后的圖像圖STYLEREF1\s3-1隨機(jī)誤差擴(kuò)散法示例（a）第一幅半色調(diào)圖像（b）第二幅半色調(diào)圖像（c）疊加后的圖像圖STYLEREF1\s3-2利用模板法在半色調(diào)圖像中隱藏信息示例

實(shí)驗(yàn)研究本次實(shí)驗(yàn)中，在Matlab環(huán)境下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，采用256×256標(biāo)準(zhǔn)大小的灰度圖像（若是彩色圖像，先進(jìn)行灰度化處理）作為實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)圖像，水印圖像采用32×32標(biāo)準(zhǔn)大小的灰度圖像作為實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)圖像。首先將原圖像信息讀取后，對(duì)圖像進(jìn)行半色調(diào)化處理，然后嵌入水印，得到含水印的半色調(diào)圖像，再?gòu)暮〉陌肷{(diào)圖像中提取出水印，最后檢測(cè)其魯棒性。實(shí)驗(yàn)中對(duì)灰度圖像的半色調(diào)化處理采用了誤差擴(kuò)散法。對(duì)水印的嵌入和提取采用了基于離散余弦變換（DiscreteCosineTransform，DCT）的水印算法。本次實(shí)驗(yàn)對(duì)四種圖像進(jìn)行了處理：分別是人物圖像、風(fēng)景圖像、指紋和地圖圖像，具體處理方法及效果如下文所述。灰度圖像的半色調(diào)化處理實(shí)驗(yàn)中的圖片有五張。1、試驗(yàn)中用到的原圖像如下所示：圖STYLEREF1\s4-SEQ圖\*ARABIC\s11lenna圖STYLEREF1\s4-SEQ圖\*ARABIC\s12goldhill圖STYLEREF1\s4-SEQ圖\*ARABIC\s13finger圖STYLEREF1\s4-SEQ圖\*ARABIC\s14aerial2、實(shí)驗(yàn)中選定二值圖像“俊”作為水印圖像，大小為32×32像素，如圖STYLEREF1\s4-SEQ圖\*ARABIC\s15所示：圖STYLEREF1\s4-SEQ圖\*ARABIC\s16水印圖像選定圖片后，先對(duì)最初選定圖片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前的處理，包括彩色圖片灰度化和將圖片裁剪成256×256的標(biāo)準(zhǔn)圖片，然后再進(jìn)行半色調(diào)化處理，本次實(shí)驗(yàn)采用誤差擴(kuò)散法對(duì)圖像進(jìn)行半色調(diào)化處理。誤差擴(kuò)散法MATLAB程序如下：X=imread('F:\image.jpg');A=rgb2gray(X);B=imcrop(A,[150,150,256,256]);%在圖像的（150,150）處截?。?56,256)大的圖像B=double(B)/255;%把矩陣由UNIT8轉(zhuǎn)換為實(shí)型I=zeros(256,256);%給數(shù)組B賦初值subplot(121);imshow(B,[0,1]);%顯示圖像Ba=7/16;b=3/16;c=5/16;d=1/16;%定義誤差分配規(guī)則fori=1:256%對(duì)每行進(jìn)行處理forj=2:256%對(duì)每列進(jìn)行處理ifB(i,j)<1/2%進(jìn)行閾值比較I(i,j)=0;elseI(i,j)=1;endwc=(B(i,j)-I(i,j));%定義誤差B(i,j+1)=B(i,j+1)+wc*a;B(i+1,j-1)=B(i+1,j-1)+wc*b;B(i+1,j)=B(i+1,j)+wc*c;B(i+1,j+1)=B(i+1,j+1)+wc*d;%誤差分配endendsubplot(122);imshow(I,[0,1]);圖片效果如圖STYLEREF1\s4-7、STYLEREF1\s4-8、STYLEREF1\s4-9、STYLEREF1\s4-10所示：（a）、Lenna灰度圖像（b）、Lenna半色調(diào)圖像圖STYLEREF1\s4-SEQ圖\*ARABIC\s17Lenna灰度圖像和所得半色調(diào)圖像（a）、goldhill灰度圖像（b）、goldhill半色調(diào)圖像圖STYLEREF1\s4-SEQ圖\*ARABIC\s18goldhill灰度圖像和所得半色調(diào)圖像（a）、finger灰度圖像（b）、fingerl半色調(diào)圖像圖STYLEREF1\s4-SEQ圖\*ARABIC\s19finger灰度圖像和所得半色調(diào)圖像（a）、Aeriall灰度圖像（b）、Aerial半色調(diào)圖像圖STYLEREF1\s4-SEQ圖\*ARABIC\s110Aerial灰度圖像和所得半色調(diào)圖像水印圖像二