【導(dǎo)讀】了本文的主要研究?jī)?nèi)容，最后給出了全文的結(jié)構(gòu)安排。極大地方便了人們之間的通信和交流。借助于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)所提供的強(qiáng)大的多媒體。作品)傳到世界各地，一份電子郵件可以在瞬息問傳遍全球。但同時(shí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。也成為犯罪集團(tuán)、非法組織和有惡意的個(gè)人利用的工具。從惡意傳播計(jì)算機(jī)病毒，進(jìn)行惡意攻擊的手段可謂層出不窮。失控和崩潰將導(dǎo)致整個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)癱瘓，進(jìn)而影響到國(guó)家安全。各國(guó)政府和信息產(chǎn)。業(yè)部門都非常重視網(wǎng)絡(luò)信息安全的研究和應(yīng)用。取，即將文件加密成密文，使非法用戶不能解讀。進(jìn)行破壞，使得合法的接收者也無法閱讀信息內(nèi)容。高，軟硬件技術(shù)的迅速發(fā)展，加密算法的安全性受到了嚴(yán)重挑戰(zhàn)。者或非法攔截者可通過截取密文，并對(duì)其進(jìn)行破譯，或?qū)⒚芪倪M(jìn)行破壞后再發(fā)送，傳遞機(jī)密信息，達(dá)到藏匿消息的目的。支持或開展信息隱藏研究的機(jī)構(gòu)既有政府部門，也有大學(xué)和知名企業(yè)。隱寫的安全性一直是研究者關(guān)注的重要問題。一些隱寫分析方法要求無限的

　　

【正文】 設(shè)計(jì) 第 28 頁 共 51 頁 基于離散余弦變換 (DCT)的圖像信息隱藏算法 離散余弦變換，簡(jiǎn)稱 DCT(Discrete Cosine Transform)，是指將一組光強(qiáng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成頻率數(shù)據(jù)，以便得知強(qiáng)度變化的情形。早在上世紀(jì)末， COX等人較早地提出了基于 DCT域信息隱藏方法?；?DCT域的圖像信息隱藏算法的一般步驟為，首先對(duì)載體圖像分塊進(jìn)行二維 DCT變換，然后用 秘密信息對(duì) DCT系數(shù)進(jìn)行調(diào)制，最后對(duì)新的系數(shù)作離散余弦反變換 (IDCT)，即可得到隱藏圖像，完成信息隱藏過程?；?DCT的信息隱藏算法因其具有較強(qiáng)的魯棒性，計(jì)算量較小且與國(guó)際圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn) (JPEG,MPEG, )相兼容 (這些標(biāo)準(zhǔn)中均采用 DCT變換 )，因而具有諸多的潛在優(yōu)勢(shì)，成為近年來研究最多的一種信息隱藏技術(shù)，有大量的基于 DCT變換域的信息隱藏算法涌現(xiàn)，結(jié)合 DCT和 DWT，提出將一幅秘密圖像的 DCT系數(shù)置亂后嵌入到公開圖像的 DWT系數(shù)中進(jìn)行秘密信息的隱藏。 離散余弦變換屬于正交變換圖像 編碼方法中的一種?；?DCT的圖像信息隱藏算法能夠充分利用頻域特性，將秘密信息分布到載體圖像的各像素上，以提高算法的魯棒性。 離散余弦變換 (DCT)的定義 離散余弦變換是傅立葉變換的一種特殊情況。在傅里葉級(jí)數(shù)展開式中，如果被展開的函數(shù)是實(shí)偶函數(shù)，那么，其傅里葉級(jí)數(shù)中只包含余弦項(xiàng)，再將其離散化可導(dǎo)出離散余弦變換。在數(shù)字圖像處理中，為了同時(shí)減弱或去除數(shù)字圖像數(shù)據(jù)相關(guān)性，可應(yīng)用二維離散余弦變換 ()，將圖像從空間域轉(zhuǎn)換到 DCT變換域。定義大小為 M N的圖像 f(x,y)的二維離散余弦變換 F(u,v)為： N vyM uxyxfvCuCMNvuF Mx Nv 2 )12(c os2 )12(c os),()()(2),( 10 10 ?? ??? ? ??? ?? （ 36） 二維離散余弦反變換 (2DIDCT)f(x,y)為： N vyM uxvuFvCuCMNyxf Mu Nv 2 )12(c os2 )12(c os),()()(2),( 10 10 ?? ??? ? ??? ?? （ 37） DCT變換相當(dāng)于將圖像分解到一組不同的空間頻率上， F(u,v)即為每一個(gè)對(duì)應(yīng)的空間頻率成分在原圖像中所占的比重；而反變換則是一個(gè)將這些不同空間頻率上的分量合成為原圖像的過程，變換系數(shù) F(u， v)在這個(gè)精確、完全的重構(gòu)過程中 規(guī)定了各頻率成分所占分量的大小。在 F(u， v)系數(shù)矩陣中， F(O， O)對(duì)應(yīng)于 圖像信息隱藏技術(shù)與設(shè)計(jì) 第 29 頁 共 51 頁 圖像 f(x,y)的平均亮度，稱為直流 (DC)系數(shù)；其余的 63個(gè)系數(shù)稱為交流 (AC)系數(shù)，從左向右表示水平空間頻率增加的方向，從上向下表示垂直空間頻率增加的方向。 基于 DCT 的圖像信息隱藏算法流程 為了與 JPEG壓縮標(biāo)準(zhǔn)兼容，圖像信息隱藏技術(shù)嵌入秘密信息時(shí)采用 JPEG壓縮標(biāo)準(zhǔn)中的 DCT變換。基于圖像 DCT變換嵌入隱藏信息的流程如圖 。 圖 基于圖像 DCT變換 嵌入隱藏信息的流程圖 基于圖像 DCT變換提取隱藏信息的流程如 。其過程為上述嵌入秘密信息算法的逆運(yùn)算：先將隱密圖像分割為互不重疊的 8 8子塊；對(duì)每一個(gè)子塊進(jìn)行 DCT變換；然后對(duì) DCT變換后的系數(shù)進(jìn)行嵌入算法的相反運(yùn)算，得到提取的圖像子塊；最后將上面得到的所有圖像子塊合并成一個(gè)完整的圖像。 圖 基于圖像 DCT變換提取隱藏信息的流程圖 基于 DCT 的圖像信息隱藏嵌入?yún)^(qū)域的選取 DC分量，所示的 DCT系數(shù)之字型排列表中第 0個(gè) DCT系數(shù)。 DC分量攜帶感知 能量最大，嵌入秘密信息后，隱密圖像產(chǎn)生強(qiáng)烈的塊效應(yīng)，隱蔽性很差。然而秘密信息嵌入在這個(gè)位置，在隱密圖像受到有損壓縮等攻擊后，秘密信息受到的攻擊很小，魯棒性較好?？傊?DCT系數(shù)嵌入秘密信息時(shí)，隱蔽性和魯棒性是一對(duì)矛原始圖像 DCT 量化 嵌 入 反量化 逆 DCT 隱藏圖像 量化表 秘密信息 量化表 隱秘圖像 DCT 量化 提取 秘密信息 量化表 圖像信息隱藏技術(shù)與設(shè)計(jì) 第 30 頁 共 51 頁 盾體，為了保證圖像的質(zhì)量，一般不用 DC分量做嵌入位置。但大量事實(shí)證明， JPEG壓縮標(biāo)準(zhǔn)中的圖像經(jīng)過 DCT變換后再經(jīng)過量化后，之字排列的 O～ 63個(gè) DCT系數(shù)中，一般數(shù)值不為 0的值多集中于左上角， DC分量一般不為 0。低中頻帶中往往只有大約 5個(gè)系數(shù)不為 0，且對(duì)圖像能量的影響較小。中高頻帶大部分系數(shù)為 0。 因此，兼顧嵌入秘密信息的隱蔽性和魯棒性，低中頻帶可以考慮作為嵌入秘密信息的理想位置選擇。中頻帶和高頻帶分量攜帶能量較少，從保證嵌入信息的隱蔽性角度看是作為信息嵌入?yún)^(qū)域是好選擇，但隱密圖像中高頻帶中嵌入秘密信息很容易被有損壓縮等攻擊去除，魯棒性很差。若用于數(shù)字水印，由于更注重嵌入秘密信息的魯棒性，因此，可以利用低頻帶作為 DCT域信息嵌入?yún)^(qū)域。若用于保密通信，由于更注重隱藏信息的隱蔽性，以及隱藏信息容量，則可以利用低中頻帶作為 DCT域信息嵌入?yún)^(qū)域。比如選擇之字型排列的 O～ 63個(gè) DCT系數(shù)中序號(hào)為 3～ 12的用來嵌 入秘密信息。另外一種改進(jìn)的方法可以考慮減小 DCT變換后的量化步長(zhǎng)，以增加 AC分量中不為 0的系數(shù)，增大嵌入秘密信息的容量。 圖像信息隱藏技術(shù)與設(shè)計(jì) 第 31 頁 共 51 頁 4 信息隱藏實(shí)例 基于 DCT 的圖像信息隱藏實(shí)例 離散余弦 變換是一種實(shí)數(shù)域變換，基于 DCT 變換的編碼方法是 JPEG 標(biāo)準(zhǔn)算法的核心內(nèi)容，它主要包括編碼和解碼兩個(gè)過程。 在對(duì)圖像進(jìn)行編碼之前首先要對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，也就是把圖像劃分為數(shù)據(jù)單元。在對(duì)圖像進(jìn)行處理時(shí)，有損模式下，通常 DCT 算法采用將 8 8 像素塊作為一個(gè)數(shù)據(jù)單元，對(duì) 8 8 大小的圖像數(shù)據(jù)塊進(jìn)行 二維 離散余弦 變換。 在編碼器的輸入端 ， 把原始圖像分割成一系列順序排 列的由 8 8 像點(diǎn)構(gòu)成的數(shù)據(jù)子塊 。由于原始圖像的采樣數(shù)據(jù)是無符號(hào)整數(shù) ， 根據(jù)需要 ， 要把其轉(zhuǎn)換為有符號(hào)整數(shù) 。 源圖像的 8 8數(shù)據(jù)塊由 64 個(gè)像點(diǎn)構(gòu)成， 64個(gè)像點(diǎn)實(shí)質(zhì)上就是 64 個(gè)離散信號(hào)，輸入后被分成 64個(gè)正交基信號(hào)。每個(gè)正交基信號(hào)對(duì)應(yīng)于 64個(gè)獨(dú)立二維空間頻率中的一個(gè)。 FDCT 即正變換輸入 64 個(gè)基信號(hào)的幅值稱作“ DCT 系數(shù)”，即 DCT變換系數(shù)。 64 個(gè)變換系數(shù)中包括一個(gè)表示直流分量的“ DC系數(shù)”和 63 個(gè)表示交流分量的“ AC 系數(shù)”。壓縮數(shù)據(jù)的重要一步，就是對(duì) DCT 系數(shù)進(jìn)行量化，它是造成 DCT 編解碼信號(hào)損失的根源。 DCT系數(shù)量化一般根據(jù)一張量化表提供的元素進(jìn)行量化。量化表中的元素是根據(jù)人類的視覺特性制作的。 數(shù)字水印算法的實(shí)現(xiàn)基本上分為三個(gè)部分：水印的嵌入、水印的提取和相似度計(jì)算。 水印的嵌入 (1)首先對(duì)原始圖像進(jìn)行 DCT 變換。 (2)水印信號(hào)的產(chǎn)生。 Cox 等指出由高斯隨機(jī)序列構(gòu)成的水印信號(hào)具有良好的魯棒性，在許多文獻(xiàn)中也都是將高斯隨機(jī)序列作為水印信號(hào)。因此本文所采用的水印信號(hào) W為服從正態(tài)分布 N (0, 1)，長(zhǎng)度為 n 的實(shí)數(shù)隨機(jī)序列。即 :W=（ Xi， 0≦ i≦ n）。 (3)水印的嵌入。 選擇將水印信號(hào)放在宿主信號(hào)的哪些位置，才能夠更好的保證其具有良好的魯棒性。 Cox 等認(rèn)為圖像水印應(yīng)該放在視覺上最重要的分量上。由于視覺上重要 圖像信息隱藏技術(shù)與設(shè)計(jì) 第 32 頁 共 51 頁 的分量是圖像信號(hào)的主要成分，圖像信號(hào)的大部分能量都集中在這些分量上，在圖像有一定失真的情況下，仍然能保留主要成分，即視覺上重要的分量的抗干擾能力較強(qiáng)，因此將數(shù)字水印嵌入到這些分量上，可以獲得較好的魯棒性。當(dāng)水印信號(hào)相對(duì)宿主信號(hào)較小時(shí)，還可以保證不可見性。所以本算法將服從 N (0, 1)分布的隨機(jī)序列構(gòu)成的水印序列放到 DCT 變換后圖像 的重要系數(shù)的幅度中，增強(qiáng)水印的魯棒性。 水印 嵌入公式為 (41) V′=V(1+aXk) (41) 其中 V 為原始圖像信息， a 為嵌入系數(shù)， XK 為水印信息， V′為生成水印圖像信息。 (4)進(jìn)行二維離散余弦反變換，得到嵌入水印的圖像 ，如圖 所示。 圖 原始圖像與嵌入水印后的圖像對(duì)比 水印的提取 對(duì)原始圖像和嵌入水印的圖像分別進(jìn)行離散余弦變換 。利用 Xk=(V′′/V1)/a提取水印。從沒有受到攻 擊的水印圖像中提取出水印，與原始水印進(jìn)行對(duì)比，如圖 所示。 圖 未受攻擊的含水印圖像提取的水印與原始水印圖像比較 圖像信息隱藏技術(shù)與設(shè)計(jì) 第 33 頁 共 51 頁 相似度 和峰值信噪比 計(jì)算 根據(jù)相似度的值即可判斷圖像中是否含有水印信號(hào)，從而達(dá)到版權(quán)保護(hù)的目的。對(duì)被恢復(fù)出的水印信號(hào)和原始水印信號(hào)的相似程度進(jìn)行計(jì)算。 MSE 指 Mean Square Error（均方誤差，各值相差的 n 次方和的平均值的 n 次平方根）。 MSE = sum[(recpixel pixel)^2] / ImageSize (42) PSNR 是 “ Peak Signal to Noise Ratio” 的縮寫。 peak 的中文意思是頂點(diǎn)。 而radio 的意思是比率或比列的。整個(gè)意思就是到達(dá)噪音比率的頂點(diǎn)信號(hào)， PSNR 是一般是用于最大值信號(hào)和背景噪音之間的一個(gè)工程項(xiàng)目。通常在經(jīng)過影像壓縮之后，輸出的影像通常都會(huì)有某種程度與原始影像 不 一樣。為了衡量經(jīng)過處理后的影像品質(zhì)，我們通常會(huì)參考 PSNR 值來認(rèn)定某個(gè)處理程序夠不夠令人滿意。 PSNR 計(jì)算公式如 (43)所示 PSNR=10log(2552 /MSE) (43) PSNR 的單位為 dB。所以 PSNR 值越大，就代表失真越少。 PSNR 是最普遍，最廣泛使用的評(píng)鑒畫質(zhì)的客觀量測(cè)法，不過許多實(shí)驗(yàn)結(jié)果都顯示， PSNR 的分?jǐn)?shù)無法和人眼看到的視覺品質(zhì)完全一致，有可能 PSNR 較高者看起來反而比 PSNR 較低者差。這是因?yàn)槿搜鄣囊曈X對(duì)于誤差的敏感度并不是絕對(duì)的，其感知結(jié)果會(huì)受到許多因素的影響而產(chǎn)生變化（例如：人眼對(duì)空間頻率較低的對(duì)比差異敏感度較高，人眼對(duì)亮度對(duì)比差異的敏感度較色度高，人眼對(duì)一個(gè)區(qū)域的感知結(jié)果會(huì)受到其周圍鄰近區(qū)域的影響）。 離散余弦變換閾的嵌入水印 攻擊實(shí)驗(yàn) 攻擊實(shí)驗(yàn)類型及效果 數(shù)字水印技術(shù)的另一項(xiàng)重要指標(biāo)就是考察對(duì)于已經(jīng)實(shí)現(xiàn)水印嵌入的圖象未檢測(cè)時(shí)，看其對(duì)于原始的載體圖象實(shí)行攻擊后，水印的可承受度和載體圖象以及提取水印的效果如何。就此指標(biāo)，設(shè)計(jì)了如下的實(shí)驗(yàn)，在水印嵌入圖象上，以不同的類型攻擊，分析其性能。 對(duì)嵌入水印的圖像進(jìn)行攻擊實(shí)驗(yàn)的菜單效果圖如圖 ： 圖像信息隱藏技術(shù)與設(shè)計(jì) 第 34 頁 共 51 頁 圖 菜單效果圖 添加白噪聲 對(duì)水印圖像進(jìn)行攻擊時(shí)，添加白噪聲時(shí)很經(jīng)常的一種攻擊方式，從實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以看出， 提取的水印圖像很清晰，這說明水印對(duì)這種的攻擊的魯棒性很強(qiáng) ，攻擊試驗(yàn)效果如圖 所示。 圖 加入白噪聲之后的圖像提取出來的水印與原始水印比較 高斯低通濾波 對(duì)水印圖像進(jìn)行高斯低通濾波，圖像 依然清晰 ，這說明水印對(duì)這種攻擊 的魯棒性比較強(qiáng)，攻擊試驗(yàn)效果如圖 所示。 圖像信息隱藏技術(shù)與設(shè)計(jì) 第 35 頁 共 51 頁 圖 經(jīng)高斯低通濾波后的圖像提取出的水印和原始水印比較 圖像剪切 圖像處理中，一個(gè)圖像的不重要部分經(jīng)常被剪切掉， 對(duì)圖像的上方進(jìn)行剪切，如圖 ，圖像剪切后依然清晰， 圖 為提取出來的水印圖像，依然清晰可見，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出， 說明水印 抵抗剪切的能力非常強(qiáng)， 對(duì) 這種攻擊有著較強(qiáng)的魯棒性。 圖 部分被剪切過的水印圖像 圖像信息隱藏技術(shù)與設(shè)計(jì) 第 36 頁 共 51 頁 圖 從部分被剪切過的水印圖像中提取出的水印與原始水印對(duì)比圖 旋轉(zhuǎn) 10 度 對(duì)圖像進(jìn)行旋轉(zhuǎn) 10 度，得到圖 ， 提取的水印圖像與原始水印圖像對(duì)比圖如圖 ，提取的水印圖像完全變的模糊不清，可見水印對(duì)這種攻擊有很差 的 魯棒性。 圖 經(jīng)過旋轉(zhuǎn)的水印圖像 圖 從被旋轉(zhuǎn)過的水印圖像中提取出水印圖像與原始圖像對(duì)比圖