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正文內(nèi)容

畢業(yè)設(shè)計(jì)-基于小波變換的數(shù)字水印算法研究(編輯修改稿)

2025-01-06 18:05 本頁(yè)面
 

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 周揚(yáng) :基于小波變換的數(shù)字水印技術(shù)研究 13 求水印信息駐留于圖像不重要的視覺(jué)信息中,通常為圖像的高頻分量。而一般圖像的主要能量均集中于低頻分量上。經(jīng)過(guò)圖像壓縮后,高頻分量被當(dāng)作冗余信息清除掉,因此有的文獻(xiàn)將水印嵌入圖像的最顯著的低頻分量中或使用帶低通特性的水印,雖然這可能會(huì)降低圖像的質(zhì)量。目前的一些水印算法對(duì)現(xiàn)有的圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)(如 JPEG 、 MPEG )具有較好的魯棒性,但對(duì)今后有更高壓縮比的壓縮算法則不能保證也具有同樣好的魯棒性 。 (2)濾波:圖像中的水印應(yīng)該具有低通特性,即低通濾波(如均值濾波和中值濾波)應(yīng)該無(wú)法刪掉圖像中的水印,事實(shí)上當(dāng)前很多針對(duì)水印的攻擊行為是用濾波完成的。 (3)圖像量化與圖像增強(qiáng):一些常規(guī)的圖像操作,如圖像在不同灰度級(jí)上的量化、亮度與對(duì)比度的變化、直方圖修正與均衡,均不應(yīng)對(duì)水印的提取和檢測(cè)有嚴(yán)重影響。 (4)幾何失真:幾何失真包括圖像尺寸大小變化、圖像旋轉(zhuǎn)、裁剪、刪除或增加圖像線條以及反射等等。很多水印算法對(duì)這些幾何操作都非常脆弱,容易被去掉。因此研究水印在圖像幾何失真的魯棒性也是人們所關(guān)注的。 數(shù)字水 印技術(shù)是用來(lái)保護(hù)多媒體信息的版權(quán)和保證多媒體信息的合法使用,在實(shí)際應(yīng)用中勢(shì)必會(huì)遭到各種各樣的攻擊。人們對(duì)新技術(shù)的好奇、盜版帶來(lái)的巨額利潤(rùn)都會(huì)成為攻擊的動(dòng)機(jī) (惡意攻擊 );數(shù)字產(chǎn)品在存儲(chǔ)、分發(fā)、打印、掃描等過(guò)程中,也會(huì)引入各種失真 (無(wú)意攻擊 )。攻擊的目的在于使相應(yīng)的圖像水印系統(tǒng)的檢測(cè)工具無(wú)法正確地恢復(fù)水印信息,或不能檢測(cè)到水印信息的存在。 常用的攻擊方法有: :也稱為波形攻擊或噪聲攻擊,是通過(guò)對(duì)水印圖像進(jìn)行一些操作以削弱或刪除嵌入的水印,而不是試圖識(shí)別或分離水印。這些攻擊方法包括線性 或非線性濾波、基于波形的圖像壓縮( JPEG、 MPEG)、添加噪聲、圖像裁剪、圖像量化、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換等。 IBM攻擊 :是針對(duì)可逆、非盲水印算法而進(jìn)行的攻擊。其原理為:設(shè)原始圖象為 I,加入水印 Wa的圖像為 Ia=I+Wa。攻擊時(shí),攻擊者首先生成自己的水印 Wb;然后創(chuàng)建一個(gè)偽造的原圖 Ib=IaWb。此后,攻擊者可聲稱他擁有 Ia的版權(quán),因?yàn)楣粽呖衫闷鋫卧煸瓐D Ib從原圖 I中測(cè)出其水印 Wb,原作者也能利用 周揚(yáng) :基于小波變換的數(shù)字水印技術(shù)研究 14 原圖從偽造原圖 Ib中檢測(cè)出其水印 Wa,這就產(chǎn)生無(wú)法分辨與解釋的情況。而防止這一攻擊的有效辦 法就是研究不可逆水印嵌入算法,如哈希過(guò)程。 StirMark攻擊:是 StirMark英國(guó)劍橋大學(xué)開(kāi)發(fā)的水 印攻擊軟件,由于它是采用軟件方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)水印載體圖像進(jìn)行的各種攻擊,從而在水印載體圖像中引入了一定的誤差,但人們可以以水印檢測(cè)器能否從遭受攻擊的水印載體中提取或檢測(cè)出水印信息來(lái)評(píng)定水印算法抗攻擊的能力。 :方法是首先把圖像分割成為許多個(gè)小圖像,然后將每個(gè)小圖像放在 HTML頁(yè)面上拼湊成一完整的圖像。一般的 Web瀏覽器在組織這些圖像時(shí),都可以在 圖像中間不留任何縫隙,并且使這些圖像看起來(lái)整體效果和原圖一模一樣,從而使得探測(cè)器無(wú)法從中檢測(cè)到侵權(quán)行為。 :就是利用同一原始多媒體數(shù)據(jù)集合的不同水印信號(hào)版本,來(lái)生成一個(gè)近似的多媒體數(shù)據(jù)集合,以此來(lái)逼近和恢復(fù)原始數(shù)據(jù),其目的是使檢測(cè)系統(tǒng)無(wú)法在這一近似的數(shù)據(jù)集合中,檢測(cè)出水印信號(hào)的存在,其最簡(jiǎn)單的一種實(shí)現(xiàn)就是平均法。 水印系統(tǒng)的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn) 一 .主觀評(píng)價(jià) 主觀評(píng)價(jià)是從人類視覺(jué)的角度來(lái)考慮的。 要進(jìn)行公平合理的評(píng)估和比較,在評(píng)估過(guò)程中就要考慮水印的可感知性。當(dāng)使 用主觀測(cè)試包括兩個(gè)步驟: 第一步:將失真的數(shù)據(jù)集按照從最好到最壞的次序排列; 第二步:挑選的測(cè)試人員對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)集進(jìn)行評(píng)定,描述 處理對(duì)象的可感知性。 這種評(píng)定可基于 ITUR ,表 的可感知性以及質(zhì)量。 等級(jí)級(jí)別 損害 質(zhì)量 1 不可察覺(jué) 優(yōu) 2 可察覺(jué),不讓人厭煩 良 3 輕微的讓人厭煩 中 4 讓人厭煩 差 5 非常讓人厭煩 極差 周揚(yáng) :基于小波變換的數(shù)字水印技術(shù)研究 15 表 1到 5范圍的質(zhì)量等級(jí)級(jí)別 主觀測(cè)試對(duì)最終的質(zhì)量評(píng)價(jià)和測(cè)試是有實(shí)用價(jià)值的,但在研究和開(kāi)發(fā)情況下并不是很有用。 二 .客觀評(píng)價(jià) 到目前為止,仍然沒(méi)有一個(gè)良好的客觀衡量手段來(lái)對(duì)數(shù)字水印算法做出合理的評(píng)估。一種數(shù)字水印算法的隱形性如何,受到攻擊的穩(wěn)健性、安全性如何,這種算法是否實(shí)用,所有這些問(wèn)題都需要客觀的評(píng)價(jià)手段。這里根據(jù)文獻(xiàn)總結(jié)了幾個(gè)客觀衡量手段來(lái) 進(jìn)行數(shù)字水印算法的定量分析: MSE( Mean Square Error)均方差常常使用在統(tǒng)計(jì)過(guò)程中,是一種非常有用的統(tǒng)計(jì)特征指數(shù)。均方差可以直接反映出所做評(píng)估對(duì)象的改變,通過(guò)均方差可以洞察到評(píng)估對(duì)象的各種行為特征。為了衡量原始載體圖像在添加水印以后圖像的質(zhì)量變化情況,我們就可以采用均方差來(lái)對(duì)圖像質(zhì)量的變化進(jìn)行一種估計(jì),給出一種圖像質(zhì)量變化的客觀指標(biāo)。 均方差的計(jì)算見(jiàn)公式:(針對(duì)二維圖像) 21010 )),(),((*1 yxfyxfNMMSE MxNy ?? ? ????? 這里 f(x,y)是原始圖像的像素值, f′ (x,y)是添加水印后圖像的像素值, M、N分別是圖像的高、寬。 SNR( SignaltoNoise Ratio)信噪比顧名思義就是有用的信號(hào)在信號(hào)處理過(guò)程中引入的噪聲的比值。在圖像處理中,用信噪比作為衡量重建圖像質(zhì)量的尺度?;驹硎菍⒅亟▓D像跟原始圖像相比,得到的比值就是 SNR,得到的比值越大,就表示重建的圖像質(zhì)量越好,但由于個(gè)人主觀感覺(jué)的因素,事實(shí)上并不是得到的信噪比值越大,就一定表示重建的圖像質(zhì)量越好。 在計(jì)算 SNR之前,我們要先計(jì)算均方差 MSE( Mean Square Error) 信噪比 SNR的計(jì)算由公式得: ? ?? ?????????????101021010210),(*1)),((*1l o g10MxNyMxNyyxfNMYYyxfNMM S ES N R?? 周揚(yáng) :基于小波變換的數(shù)字水印技術(shù)研究 16 這里 Y是添加水印后圖像像素值的平均值。 PSNR( Peak SignaltoNoise Ratio)在具體的實(shí)際應(yīng)用中,一般最后所采用的是計(jì)算峰值信噪比。 SNR可以作為衡量重建圖像的質(zhì)量尺度,但計(jì)算要稍微難些,所以一般采用 PSNR作為衡量尺度,針對(duì)普通圖像格式,其灰度級(jí)別是 0255, 0代表黑色, 255代表白色,因此 PSNR的計(jì)算見(jiàn)公式 : MS EMS EP SN R21010 255l og10255l og10 ?? 或者 PSNR的值典型范圍在 20到 40分貝( dB)之間,一般以精確到小數(shù)點(diǎn)后兩位,PSNR實(shí)際的值并沒(méi)有多少意義,但通過(guò)比較兩幅圖像計(jì)算而得到的 PSNR,就可以給出一個(gè)圖像質(zhì)量的尺度。 不可否認(rèn),以上所給出的衡量公式都是客觀的,并且簡(jiǎn)單易行,但這幾個(gè)衡量公式的缺點(diǎn)也非常明顯,由于圖像信息的最終接受者是人,而這幾個(gè)衡量公式?jīng)]有與人類視覺(jué)系統(tǒng)的感知特性相結(jié)合,甚至在一定情況下還會(huì)給評(píng)測(cè)過(guò)程帶來(lái)誤導(dǎo),在這種情況下,有研究人 員尋找了新的度量方法。 MPSNR( Masked Peak SignaltoNoise Ratio)掩膜峰值信噪比綜合考慮多種因素對(duì)圖像的影響,結(jié)合人類視覺(jué)特性而形成的度量方法,它充分利用人類視覺(jué)系統(tǒng)的敏感度對(duì)比特性和掩膜現(xiàn)象,將評(píng)估方式建立在人類視覺(jué)系統(tǒng)的多信道模型基礎(chǔ)之上,掩膜峰值信噪比可由公式求得: ???????????? ?????dsdsMxNyTxxTxxL UNyxfyxfL UTNML UTL UTM P S N R2101039。100)()),(),((*1255l o g10 NC(Normalized Correlation)數(shù)字水印按檢 測(cè)方式可分為基于提取的水印方法、基于檢測(cè)的水印方法。所謂水印檢測(cè),指不用進(jìn)行水印提取,而直接從可能還有水印信息的特征集中進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析以判斷是否具有制定水印?;跈z測(cè)的數(shù)字水印方法應(yīng)用范圍有限。主要是針對(duì)數(shù)字媒體的版權(quán)保護(hù)來(lái)進(jìn)行數(shù)字水印的算法設(shè)計(jì)。 所謂水印提取法,是指按照嵌入水印時(shí)的相反過(guò)程從數(shù)據(jù)中提取出水印信 周揚(yáng) :基于小波變換的數(shù)字水印技術(shù)研究 17 息,真實(shí)再現(xiàn)所嵌入的水印。這種方法不僅可以檢測(cè)出圖像中是否存在有水印,而且更能將水印從圖像中提取出來(lái)。 數(shù)字水印從待檢測(cè)圖像中提取出來(lái)后,對(duì)各個(gè)觀察者而言,所提取出來(lái)的水印的逼真度好壞取決于各自主觀上 的看法,這跟觀察者多方面的因素有關(guān),如經(jīng)驗(yàn)、對(duì)圖像的敏感性等,是很具有隨意性的,因此對(duì)于提取出來(lái)的水印和原始水印,這二者相似到哪一種程度,需要客觀地衡量方式,而不能通過(guò)主觀因素來(lái)進(jìn)行評(píng)測(cè),在數(shù)字水印方法中通常使用 NC系數(shù)( Normalized Correlation),即相似性測(cè)量,衡量提取出來(lái)的水印與原水印的相似性程度。這里用 W代表原始水印圖像, W′是提取出來(lái)的水印圖像。 }00),({}00),({2,139。39。2,1 MjMijiwW MjMijiwW ????? ????? M,M是原始水印圖像和提取出來(lái)的水印圖像的寬、高 。 相似性計(jì)算見(jiàn)公式( NC,Normalized Correction): ? ?? ?? ??????????? ??101039。39。101010 039。1 21 21 2),(*),(*).(*),(),(*),(MiMjMiMjMiMjjiwjiwjiwjiwjiwjiwNC 對(duì)水印圖像進(jìn)行多種惡意攻擊后,通過(guò)比較 NC稀疏的值,可以得到數(shù)字水印算法抗惡意攻擊的能力,由 NC系數(shù)值的變化給出一個(gè)比較客觀的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則。 數(shù)字水印系統(tǒng)應(yīng)用模型 在前面提過(guò)數(shù)字水印系統(tǒng)最主要的應(yīng)用是作為版權(quán)保護(hù)、防偽和認(rèn)證等方面,這些應(yīng)用都離不開(kāi)網(wǎng)絡(luò)。數(shù)字水印應(yīng)用模型見(jiàn)圖 。 周揚(yáng) :基于小波變換的數(shù)字水印技術(shù)研究 18 圖 數(shù)字水印應(yīng)用模型 數(shù)字水印的應(yīng)用過(guò)程是:供應(yīng)商在原始產(chǎn)品中嵌入水印,并將含水印的產(chǎn)品通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)給用戶。含水印產(chǎn)品在網(wǎng)絡(luò)傳輸過(guò)程中,可能受到盜版者的攻擊。盜版者將含水印產(chǎn)品進(jìn)行處理后,作為自己的產(chǎn)品提供給用戶,由此就產(chǎn)生了版權(quán)爭(zhēng)議。為了證明版權(quán),供應(yīng)商通過(guò)水印的提取、檢測(cè),確定了版權(quán)歸屬問(wèn)題,保護(hù)了自己的利益。 典型數(shù)字水印算法分析 數(shù)字水印技術(shù)是一門交叉學(xué)科,數(shù)字水印技術(shù)的學(xué)科特點(diǎn)在于它橫跨圖像處理和分析、多媒體技術(shù)、數(shù)字通信、密碼學(xué)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等多科領(lǐng)域,以這些領(lǐng)域的算法、思想和概念為 基礎(chǔ)。各個(gè)領(lǐng)域的最新進(jìn)展都可以為其所用,是一個(gè)真正快速發(fā)展的技術(shù)。學(xué)者們用各自學(xué)科的獨(dú)特視角來(lái)研究數(shù)字水印,相繼出現(xiàn)了多種數(shù)字水印算法,下面介紹數(shù)字水印系統(tǒng)的典型算法。 空間域算法 空間域算法是使用各種各樣的方法直接修改圖像的像素值,將數(shù)字水印直接加載在載體數(shù)據(jù)上,這種方法嵌入的信息量大,具有較好的抗幾何失真能力,最大弱點(diǎn)就在于抗信號(hào)失真、圖像的幾何變形、噪聲和圖像壓縮的能力普遍較差。 供應(yīng)商 水印嵌入 水印提取、檢測(cè) 網(wǎng)絡(luò) 用戶戶 原始產(chǎn)品 含水印產(chǎn)品 X X 或 39。X X 盜版者 A X 盜版者 B X 或 39。X 版權(quán)證明 39。X 39。X 周揚(yáng) :基于小波變換的數(shù)字水印技術(shù)研究 19 (1)最低有效位算法 (LSB) LSB算法使用特定的密鑰通過(guò) m序列發(fā)生器產(chǎn)生隨機(jī)信號(hào),然后按一定的規(guī)則排列成二 維水印信號(hào),并逐一插入到原始圖像相應(yīng)像素值的最低幾位。由于水印信號(hào)隱藏在圖像點(diǎn)中像素最不重要的最低位,相當(dāng)于疊加了一個(gè)能量微弱的信號(hào),因而在視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)上很難察覺(jué)。 LSB水印的檢測(cè)是通過(guò)待測(cè)圖像與水印圖像的相關(guān)運(yùn)算和統(tǒng)計(jì)決策實(shí)現(xiàn)的。 LSB算法雖然可以隱藏較多的信息,但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,無(wú)法滿足數(shù)字水印的魯棒性要求,因此現(xiàn)在的數(shù)字水印技術(shù)中己經(jīng)很少采用 LSB算法了。不過(guò),作為一種大數(shù)據(jù)量的信息隱藏方法, LSB在隱蔽通信中仍占據(jù)著相 當(dāng)重要的地位。 (2)patchw
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