【正文】 ................................................................................................27 提取算法 ....................................................................................................28 水印的攻擊測試 ........................................................................................28 算法結(jié)果與分析 ................................................................................................28 ...............................................................................................32 總結(jié) ...............................................................................................................................34 致謝 .............................................................................................................................. 37 河北工業(yè)大學 城市學院 20xx 屆 本科 畢業(yè)論文 1 進入 21 世紀 以來，我們 社會的發(fā)展己經(jīng)呈現(xiàn)兩個明顯的特征 :數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化。 其中對圖像 作品的 知識產(chǎn)權(quán)的保護 和認證就是其中一個重要的研究方向。對于我們 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 對于 侵權(quán)和 仿 冒者同樣可以利用如此便捷的方式對具有版權(quán)信息 的 圖像 數(shù)據(jù)進行非法 截獲與破解 ， 再對 圖像 內(nèi)容加以 復制、拷貝、改 動 和傳播 ， 這樣就會 使得 圖像的 仿冒 和侵權(quán)變得極其簡單 。 以前的 安全 加密 技術(shù)主要是基于 發(fā)展多年的密碼學經(jīng)驗，主要是 將需要保護的圖像文件放在一個具有 復雜密碼 的 外殼 程序 里從而達到 加密 保護 的效果 ， 對于 沒有密鑰的使用者，由于無法打開外殼程序，從而 使得圖像文件受到保護 [12]。 數(shù)字 圖像 水印技術(shù)就是 當前眾多 圖像 加密技術(shù)中的一項 十分重要的 技術(shù) ， 自 從1993 年 這項技 術(shù) 提出后，就得到了 學術(shù)界的 廣泛關(guān)注 [4]。 基于這些原因 ， 對 數(shù)字圖像水印技術(shù) 不斷的深入 探索 是很有 價值 的，這 便 是 選擇本課題 的原因 。 真正類似今天的 水印 技術(shù) 可以追述到 8 世紀末或 9 世紀初， 由 中 國唐代造紙工匠首創(chuàng)，他們 在 造紙的 竹簾 模型 上 用 絲線編織花紋 ， 花紋 的處理 比 竹 簾 本身 突出一些，故成紙時相對應 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 類似今天 水印 的 效果 [7]； 13 世紀意大利工匠在抄紙網(wǎng)上 編織出字母、數(shù)字或圖案，使 造紙機上 的 修飾裩（水印裩） 留 有水印 圖案 ， 當 壓制濕紙頁 時就可以 形成水印 了 [8]。 正式對 數(shù)字水印 技術(shù)進行具體描述是在 1994年 的 IEEE 國際圖像處理會議上 ， Tirkel 與 Van Schyndel 等人 發(fā)表了 一篇 題為 A digital watermark”的學術(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 不斷 涌現(xiàn) 。 不過 咱們 國家對數(shù)字水印技術(shù) 卻 是 十 分的 重視 ， 引入數(shù)字水印概念后 國家先后舉辦了 5 次信息隱藏技術(shù)研討會， 具體就是 討論如何 將 數(shù)字水印 技術(shù)運用 到 社會的 各個領(lǐng)域中 ， 造福社會 [11]。 自水印技術(shù)提出以來這些年由于技術(shù) 不斷 的 創(chuàng)新，針對不同應用領(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)， 國際上出 現(xiàn)了各種各樣的 水印方案。 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]。 Podilchuk 等 人 在小波變換域進行水印嵌入的方案 。 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圖像中，缺點甚多 。 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)字水印起源以及現(xiàn)如今研究發(fā)展的狀況。 第五章 算法之間的比較， 對本文所研究的兩種算法進行定量分析，用圖表進行直觀的比較。 數(shù)字 圖像 水印 技術(shù)的 含義及特性 數(shù)字 圖像 水印技術(shù) 通過特定的嵌入算法將 具有特殊含義的 水印 信息掩藏在 原本的 目標 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 圖像 數(shù)據(jù) 的 外觀印象 和 實際大小發(fā)生破壞性的 改變，不 可以 影響 原本 目標 圖像 數(shù)據(jù)的現(xiàn)實 使用價值，在水印 信息 提取檢測 階段 ，隱藏的 水印 信息要可以大體辨認，不可過于失真 。 （ 4）水印容量 :在保證 圖像數(shù)據(jù) 質(zhì)量的前提下，盡量將 更多的實用信息嵌入原始圖像數(shù)據(jù)中。 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： 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。 （ 2） 易損水印 系統(tǒng) ， 在作用上可以說和 魯棒水印 系統(tǒng) 的 技術(shù)特點完全 相反，易損數(shù)字水印 系統(tǒng) 主要 希望在目標圖像數(shù)據(jù) 內(nèi)容發(fā)生 一定的 改變時， 嵌入其中的 水印信息 可以 發(fā)生 對應 的改變，從而 在提取時 可以鑒定原始 目標圖像 數(shù)據(jù)是否被 惡意 篡改 使用 。一般來 講 ，明文水印的魯棒性比較強，但 是在提取時會用到原始圖像，存儲圖像需要空間，而這就增加了 其應用 的 成本 ，推廣的力度 。 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。 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。 變換域水印算法 基于變換域的水印系統(tǒng)的 算法中，水印算法 的基本思維就是采用 擴展頻譜通信技術(shù) 進行水印嵌入 。 由于 高頻 部分 易于被各種信號處理方法破壞 ，而 低頻 部分 則由于人的視覺 特性， 對 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 在中頻部分編碼 [24]。 對低頻部分 繼續(xù)分解， 就可以繼續(xù) 產(chǎn)生三個高頻 子 帶系列 LH HL HH2 和一個低頻帶 LL2。這樣便可以直接節(jié)省大量的解碼和編碼過程，因此在實時通信系統(tǒng) 中 便具 有很大的實用價值。 （ 3）生理模型算法 人的生理模型包括人類視覺系統(tǒng) (HVS)和人類聽覺系統(tǒng) (HAS)。 在數(shù)字圖像水印嵌入之前 對 水印信息進行置亂加密，可以達到更加保密的效果。, 39。在數(shù)字圖像中， Arnold 變換是將原來點 ? ?,xy處像素值變換 為之 后的 ? ?39。 對圖像做 n 次 Arnold 位置變換的表達式為 ? ?39。 表 1 給出了不同 圖像大小下對 圖像進 行 Arnold置亂 變換周期的 NT 。例如 濾河北工業(yè)大學 城市學院 20xx 屆 本科 畢業(yè)論文 10 波、加噪聲、替換、壓縮等 。 典型的 魯棒性 攻擊 處理 方 法包括 日 常用的一些信號處理方法，例如：壓縮、濾波 、旋轉(zhuǎn)、剪切 、縮放、 打印和掃描等。實際上在表達攻擊中不對任何原始圖像的像素值進行 改變， 由于普通的 水印方案 一般 要求嵌入了水印的圖像 要正確地對齊 ， 但 此類 攻擊 方法便是 嵌入一個 沒有 對齊的水印 圖像。 對整個水印 系統(tǒng) 進行操作來減 弱嵌入的水印的 強 度，導致數(shù)字水印提取 時由于信息太少，從而 發(fā)生錯誤，甚至根本 難以提取嵌入的 水印信號。這種攻擊試圖破壞載體數(shù)據(jù)和水印的同步性。常見的 攻擊方法有聯(lián)合攻擊、濾波 、圖像綜合模型壓縮 等方法 。 例如 在水印系統(tǒng)中 嵌入了一個或者多個偽造的水印 信息通過混淆水印檢測器對真正的 水印 信息的檢測提取，縱然真實的水印信息 存在 系統(tǒng)中但 失去了唯一性 ，亦不能正確提取 [28]。)NC ww 值越大越好， 但 對于 特殊的水印系統(tǒng)，例如 脆弱水印系統(tǒng)，則希望 ( , 39。( )( , 39。 （ 2） 峰值信噪比（ PSNR） 。根據(jù)本人實驗 圖像 PSNR值在 20dB以上水印的隱蔽性基本可以得到保障 。這三種效應分別是： （ 1）當背景 亮 度高時 ，人眼對圖像觀察時就 對細節(jié)的變換就 不 會有太大的反映 ,背景亮度 可以 將圖像發(fā)生的 微小變化進行掩蔽。因此原則上對 圖像 做出的修改必須 要小于 JND 值 [29]。 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 今 數(shù)字圖像 變換域的處理中 DCT 算法 占有極大的比重 。根據(jù)頻域特性我 們知道 ， DC 直流 系數(shù)所攜帶的能量遠大于交流系數(shù) AC 所攜帶的 ，但是實際實驗表明 如果將水印嵌入 直流系數(shù) 中 會帶來塊狀效應，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。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。圖像置亂的本質(zhì)就是按一定的規(guī)則移動各個像素點的位置，破壞圖像的基本組成部分。 第一步， 將原始 載體 圖像 I 分成 大小 8 8 一共是 88NN? 個大小 互不重疊的圖像塊 ，在此基礎(chǔ)上 對每一個大小的圖像塊進行 DCT 變換 。( , ) ( , )k k iF u v F u v w??? （ 35） 其中 39。 （ 2）高斯低通濾波 廣義的來說 向圖像中加入水印 信息就 可以看成 是 向圖像中添加噪聲 , 因此濾波操作會對水印造成很大威脅 ,實驗采用 8 8的檢驗矩陣和標準差為 低通濾波器，對 離散余弦 算法 水印系統(tǒng) 進行濾波處理。 （ 5）旋轉(zhuǎn) 對圖像進行旋轉(zhuǎn) 從數(shù)學角度觀點來看 圖像 ，實際就是圖像 內(nèi)部 像素 點的位置信息發(fā)生大規(guī)模改變， 而 水印 信息嵌入是對稱性 的 因此在提取時 會發(fā)生無法找到目標信息的現(xiàn)象 。 （ 1） 載體圖像 （ 2） 嵌入水印后的圖像 河北工業(yè)大學 城市學院 20xx 屆 本科 畢業(yè)論文 19 （ 2）水印的提取 圖 37 水印的提取結(jié)果 結(jié)果分析如下： 根據(jù)實驗結(jié)果做出分析 經(jīng)過 離散余弦 算法 水印系統(tǒng)的 水印和原 嵌入 水印進行 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。 可以看出 ,本算法對于 基于JPEG壓縮攻擊有著 異常強大的抵抗性能 。 小波變換 的思想來源于 傅里葉變換的 思想，即 局部化 變化 思想 。 上文介紹的是基于一維小波變換系數(shù)，在二維變換情況下，可以把各個系數(shù)分別擴展 到二維函數(shù)即可，二維小波變換是根據(jù)二維小波 ( ) , ( ) , ( )H V DM x M x M x函數(shù)和尺度函數(shù) ()x? 定義，其中 ()HMx表示垂直方向的變化函數(shù)， ()VMx表示水平方向的變化函數(shù)， ()DMx表示對角線方向的變化函數(shù) 。 其中二維小波變化三級分解可以用下圖 41 表示： （ 1）原始 圖 像 （ 2）一級分解 （ 3）二級分解 （ 4）三級分解 圖 41 小波變換過程圖 經(jīng)過 小波三級分解后 ，圖像被分成多個頻帶圖塊，其中各個圖塊相互獨立，且對于不同層有不同的頻率和分辨率，每一層 都有水平，垂直和對角線這三個頻帶圖塊。 實驗使用 512 512 的經(jīng)典 Lena 作為處理圖像對其進行三級小波分解，得到結(jié)果如下圖所示： （ 1） LL1 (2)LH1 (3)HL1 (4)HH1 圖 42 小波一級分解子圖 （ 1） LL2 (2)LH2 (3)HL2 (4)HH2 圖 43 小波二級分解子圖 （ 1） LL3 (2)LH3 (3)HL3 (4)HH3 圖 44 小波三級分解子圖 分別對每個低頻子圖進行直方圖 ，比較四個圖像塊分別頻率和能量變化，如下 分析 ： （ 1） 對 LL3 進行畫直方圖操作 ，可以看到 該