2022年离散余弦变换算法的数字水印分析研究.docx

《2022年离散余弦变换算法的数字水印分析研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2022年离散余弦变换算法的数字水印分析研究.docx（49页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、精选学习资料 - - - - - - - - - 1 引言 1.1 数字水印技术提出的背景 数字技术的快速进展以及互联网的普及给人们的工作和生活带来了极大的 便利；人们可以通过因特网发布自己的创作成果传递重要信息 , 进行科学沟通以 及参加电子商务等；但是也正是由于数字化多媒体信息本身具有的易于加工, 复制简洁 , 传播快速的优点使其极其简洁被非法拷贝或复制 , 从而导致数字产品的版权 , 完整性 , 有效性得不到保证；严峻损害了创作者的利益；对于数字作品的创作者来说 , 他们迫切需要一种新的技术来爱护数字作品的版权、真实性和完整性以及作者的隐私、学问产权和财产安全；为明白决这一问题 , 仅仅

2、依靠传统的加密技术已经远远的不能满意人们的要求了 , 而以将特定的数字标志隐匿在数字作品中为特点的数字水印技术却在此方面发挥了庞大的作用；作为信息隐匿技术的一个重要分支, 数字水印技术可以说是信息时代特有的产物 , 正是由于数字作品的学问产权爱护及其他一系列需求导 致了数字水印的显现；它通过在原始信息中嵌入隐秘信息水印来作为版权 信息的标志；被嵌入的水印通常是不行见的,它与原始数据如图象音频视频等紧密结合并隐匿在其中成为原始数据不行分割的一部分 坏原始数据使用价值或商业价值的操作而存活下来, 而且可以经受一些不破 . 另外 , 水印的直入仅仅利用了原始数据的空间 , 并不需要增加额外的空间；数

3、字水印技术作为数字作品版权爱护的一种有效的补充手段, 已经成为了多媒体信号处理中的一个争论热点, 甚至被称为多媒体数据爱护的最终一道防线；1.2 数字水印的应用从目前的数字水印技术的进展来看 下几类：1. 数字产品学问产权的爱护, 数字水印的主要用途基本上可以分为以随着各种形式的数字作品 的对比度门限 ,HVS 就无法感到信号的存在；从数字通信的角度看,水印嵌入可理解为在一个宽带信道 载体图像 上用扩频技术传输一个窄带信号 水印信号 ；尽管水印信号具有肯定的能量,但分布到信道中任一频率上的能量是难以检测 到的；水印的检测就相当于是一个有噪声信道中弱信号的检测问题；通常,可以定义水印为如下的信号

4、：W=Wk|WkU,ko,1,2, M-1 其中, W 有时被称为原始水印,以区分与可能在嵌入或检测过程中变换处理以 后的水印； M为水印序列的长度, U 代表水印的值域；水印信号可以是二进制形 如： U=0,1）或 U = -1 ,1）,也可以是高斯噪声形式 ）,或者其本身也是一幅图像,其幅值相对要爱护的 数字产品的幅值而言应当是很小的；我们可以将数字水印系统的基本框架定义为六元体 表示；其中： 1.X 表示要被爱护的数字产品 Xw表示含水印的数字作品；2.W 为水印信号集合；3.K 是水印密钥集合；X 的集合；其中 Xo 为表示原始数字作品,4.G 表示利用密钥 K和待嵌入水印的 X共同生

5、成水印的算法,即 G:X KW,W=GX,K 5.E 表示将水印 W嵌入到数字作品 X中的嵌入算法,即4 / 26 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 26 页精选学习资料 - - - - - - - - - E:Xo WXw,Xw=EXo,W 6.D 表示水印的检测算法；D:X K0,1 DX,K=其中, H1和 H0分别表示水印的有无；2.3 数字水印的基本特性一般地,数字水印应具有如下的特点：1 稳健性 : 指经过常规的处理操作后,水印算法仍能从水印作品中检测到水印的才能；这些处理包括常见的图像处理 图像压缩、低通滤波、高通滤波和图像增强等 、几何失真变换 剪切、图像

6、缩放、平移和旋转等 、噪声干扰、打 印和扫描等；稳健性对于水印而言极为重要,通常只要求水印在嵌入和检测之 间的信号处理操作中存在；对于不同的应用需求,要求有不同程度的稳健性；2 不行感知性 : 不行感知性包含两方面的意思,一方面指视觉上的不行感 知性,即嵌入水印后不能导致图像质量在视觉上发生明显地变化；另一方面,用统计方法是不能复原水印；3 安全性 : 指水印能够抵挡未经授权的人的攻击的才能,这些攻击指特地 为了阻碍水印发挥作用的处理行为；主要有三大类型的攻击；一类为未经授权的删除,指阻挡检测出作品中水印的攻击；另一类为未经授权的嵌入 伪造 ,指把不合法的水印嵌入到不应含有该水印的作品中的行为

7、；第三类为未经授权 的检测,依据其严峻性不同,又可以分为三种程度；第一种最严峻,指未经授权者检测并解密出嵌入水印的信息；其次种稍轻,指未经授权者检测出水印并 且可以区分不同的水印信息,但是不能解读水印的详细含义；第三种最轻,指未经授权者能够判定水印的存在,但不能解读水印信息,也不能区分嵌入信 息；4 有效性 : 指嵌入水印后紧接着检测到水印的概率；水印系统的有效性可能低于 100%,假如要尽量接近期望的100%的有效性,需要在其它特性方面付出较高的代价；在实际的应用中,为了在其它特性方面获得更好的性能,需要牺 牲一些有效性；在某些情形下,水印系统的有效性需要经分析后才能确定；2.4 数字水印系

8、统的设计 在实际应用中,一个完整水印系统的设计通常包括水印的生成、嵌入、提取 和检测四个部分；5 / 26 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 26 页精选学习资料 - - - - - - - - - 1 水印生成 : 通常基于伪随机数发生器或混沌系统来产生水印信号,从水印的 稳健性和安全性考虑,经常需要对水印进行预处理来适应水印嵌入算法 2 水印嵌入 : 尽量保证水印不行感知性的前提下,嵌入最大强度的水印,来提高水印的稳健性；水印的嵌入过程如图2-1 所示；有三种常用的水印嵌入准就；一类为加法准就Xi =Xi+aWi； Xi 为原始图像,Wi为水印信号, Xi 为含水印图

9、像； a 为水印嵌入强度,它的挑选必需考虑图像的实际情形和人类的视觉特性；加法准就是一种普遍的水印嵌入方式,嵌入水印时没有考虑到原始图像各像素之间的差异,因此,用此方法嵌入水印后图像质量在视觉上变化较大,影响了水印的稳健性；另一类为乘法准就 Xi =Xi1+aWi ,它考虑到原始图像各像素间的差异,因此,乘法准就的性能在很多方面要优于加法准就；第三类为融合准就Xi =1-aXi+aWi ,近年来,融合准就引起了人们的广泛关注,它综合考虑了原始图像和水印图像,在不影响人的视觉成效的前提下,对原始图像做了肯定程度地修改；水印嵌入框图如下：密钥水印信息嵌入算法嵌入后的图像原始图像图 2-1 水印嵌入

10、框图 3 水印提取 : 指水印可比较精确地被提取出来的过程,比如在完整性确认的应用中,必需能够精确地提取出嵌入的水印信息,并且可以通过水印的完整性 情形来确认多媒体数据的完整性；水印的提取和检测可以需要原始图像的参与,也可不需要原始图像的参加,假如没有原始图像,就提取和检测将比较困难；水印的提取过程如图 要原始图像；测试图像2-2 所示,虚框表示提取水印信号时并不肯定需原始图像提取算法水印密钥图 2-2 水印提取框图 6 / 26 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 26 页精选学习资料 - - - - - - - - - 4 水印检测 : 判定水印载体中是否存在水印的过程

11、,水印的检测过程如图 2-3 所示,虚框表示判定水印信号是否存在时并不肯定需要原始图像；密钥原始图像原始水印嵌入水印的图像水印检测算法水印信息图 2-3 水印检测框图 2.5 数字水印的分类 数字水印有多种分类方法,动身点不同导致了不同的分类,它们之间既有联系又有区分；常见的分类方法有以下几种 : 1 按水印信号的意义划分: 可将水印分为无意义水印和有意义水印；无意义水印指嵌入的水印信号没有实际的含义,可以为伪随机实数序列、伪随机二值序 列和混沌序列等；有意义水印指嵌入的水印信号具有肯定的意义,能比较直观 地表示数字作品的信息,可以为数字图像、数字音频和文字等；目前有意义水 印在实际应用中更加

12、广泛,它能更有效地爱护数字作品的版权；2 按水印的可见性划分: 此类划分主要用于数字图像作品中；从人类视觉系统来看,依据数字水印在数字图像作品中是否可见分为可见水印和不行见水印；可见水印指水印在数字图像中可见；不行见水印指将水印信号嵌入到数字图 像、音频或视频中,从表面上很难察觉到这些数字作品的变化,但当发生版权 纠纷时,可以从这些数字作品中提取水印,来证明数字作品的版权,它比可见 水印应用更加广泛；3 按水印的稳健性划分: 依据嵌入的水印能多大程度地经受常见的信号处理等操作可将水印分为易损水印和稳健性水印；易损水印指当嵌入水印的载体数据 被修改后,通过水印检测,可以对载体是否进行了修改或进行

13、了何种修改进行 判定；稳健性水印指嵌入的水印能抗击肯定失真内的恶意攻击,且一般的信号 处理不影响水印的检测；4 按水印所依附的载体形式划分 水印和文本水印等；: 可将水印划分为图像水印、音频水印、视频5 按水印隐匿的位置划分 : 可将水印划分为空域数字水印和变换域数字水印；空域数字水印指水印直接嵌入到信号空间上,即通过转变载体空间的某些系数来嵌入水印；变换域数字水印指转变某些变换域系数来嵌入水印；7 / 26 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 26 页精选学习资料 - - - - - - - - - 6 按水印检测过程划分: 可将水印分为非盲水印、半盲水印和盲水印；非盲水

14、印指在检测和提取数字水印的过程中,需要原始数据和原始水印的参加；半盲 水印指不需要原始数据,但需要原始水印来进行检测；盲水印指在检测和提取 数字水印的过程中只需要密钥,既不需要原始数据,也不需要原始水印；通 常,非盲水印的稳健性比较强,但它需要储备原始数据和原始水印,其应用受 到了限制,因此,盲水印和半盲水印将成为今后的进展方向；26 几种典型的数字水印算法 今日数字水印技术己经涉及到多媒体信息的各个方面,在此,仅就在整个水 印技术争论领域中占突出位置的,也是争论最普遍的静止图像水印技术的典型算法做简要概述 : 1 空间域算法 空间域方法是指通过转变图像的灰度值来加入数字水印的,大多采纳替换法

15、,用隐秘消息位替换载体中的数据位,主要有LSBLeast Significant Bit方法、 Patchwork 方法、纹理块映射编码方法等；LSB方法是由 Tirkel等人提出的数字水印算法,是一种典型的空间域信息隐匿算法；它的主要原理就是利用人眼视觉特性在对于数字图像亮色等级辨论 率上的有限性,将水印序列的位来替换象素灰度值的最不重要位或者次不重要 位,达到传递隐秘信息的目的；这种方法简洁易行,但是抗击攻击的才能比较 差,攻击者简洁地利用信号处理技术就能完全破坏消息；因此现在的数字水印技术己经很少采纳LSB算法了；不过,作为一种大数据量的信息隐匿发放,LSB在隐匿通信中仍占据相当重要的位

16、置；是五花八门,无所不用； Patchwork 算法是一种基于统计学上的方法,它是将图像分成两个了集,其中一个子集的亮度增加,另一个子集的亮度削减同样的量,这个量以不行见 为标准,整个图像的平均灰度值保持不变,在这个调整的过程中完成水印的嵌 入；子集的位置作为密钥,就水印可以很简洁地由两个子集间的差别平均而定； Patchwork 方法的隐匿性好,对JPEG压缩、 FIR 滤波以及图像裁剪有肯定的抗击力,但其缺陷是数据量较低,对多拷贝平均攻击的抗击力较弱；纹理块映射编码方法是将一个基于纹理的水印嵌入到图像的具有相像纹理 的一部分当中,这个方法是基于图像的纹理结构的,因而很难察觉水印；2变换域算

17、法日前进行水印嵌入的变换域算法主要是在傅立叶变换域DFT）、离散余弦域DCT和小波域 DWT,这类算法的隐匿和提取信息操作复杂,隐匿信息量不能 8 / 26 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 26 页精选学习资料 - - - - - - - - - 很大,但是抗攻击才能强,很适合于数字作品版权爱护的数字水印技术中；傅里叶变换 DFT是一种经典而有效的数学工具,DFT 域的算法有利于实现水印的仿射不变性,而且可以利用变换后的相位信息嵌入水印；但 DFT 域的方 法运算比较复杂,效率较低,而且与国际压缩标准不兼容,限制了它的应用；DCT 变换域数字水印是目前争论最多的一种数字

18、水印,它具有鲁棒性强、隐匿性好的特点；其主要思想是在图像的DCT变换域上挑选中低频系数叠加水印信息；之所以挑选中、低频系数,是由于人眼的感觉主要集中在这一频段,攻击者在破坏水印的过程中,不行防止地会引起图像质量的严峻下降,一般的图像处理过程也不会转变这部分数据；E. Koch 和 J.Zhao 较早提出了利用DCT分解来设计水印的算法,他们不是把水印加载到整幅图像上,而是随机地选取图像的一些区域加以改动以嵌入水印,水印所挑选的区域是由密钥来掌握 的； Cox 等人在文献中提出了基于图像全局变换的水印方法；他们重要的奉献 是明确提出加载在图像的视觉敏锐部分的数字水印才能有较强的鲁棒性；的水印方案

19、是对整个图像进行DCT变换,然后将水印加载在低频重量上；它的实现方法是第一对整幅图像进行二维 DCT变换,然后选取除直流 DC重量外的 1000个较大的低频 DCT系数并加以转变,用一个听从 N 将在新一代的压缩标准 JPEG2000,MPEG4/7等中被采纳,迎合着国际压缩标准,小波域的水印算法具有良好的进展前景；这种水印算法的优点是水印检测按子带分级扩充水印序列进行,即假如先检测出的水印序列己经满意水印存在的相像函数要求,检测就可以终止,否就连续搜寻下一子带连续扩充水印序列直至相像函数显现一个峰值或使全部子带搜寻终止；该算法的主要优点是在含水印图图像质量破坏不大的情形下,水印检测可以在搜寻

20、少数几个子带后终止,提高了水印检测的效率；由于小波具有良好9 / 26 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 26 页精选学习资料 - - - - - - - - - 的时频特性和模拟人类视觉系统的特性,因此这方面的争论文献近几年也比较多；3 MATLAB软件的简洁介绍MATLAB 语言是当今国际上科学界 特殊是自动掌握领域 最具影响力、也是最有活力的软件；它起源于矩阵运算,并已经进展成一种高度集成的运算机 语言；它供应了强大的科学运算、敏捷的程序设计流程、高质量的图形可视化与界面设计、便利的与其他程序和语言接口的功能；争论单位起着重大的作用；3.1MATLAB的语言特点MA

21、TLAB 语言在各国高校与一种语言之所以能如此快速地普及,显示出如此旺盛的生命力,是由于它有着不同于其他语言的特点,MATLAB最突出的特点就是简洁； MATLAB用更直观的,符合人们思维习惯的代码,代替了 C 和 FORTRAN语言的冗长代码；MATLAB给用户带来的是最直观,最简洁的程序开发环境；以下简洁介绍一下MATLAB的主要特点：1）语言简洁紧凑,使用便利敏捷,库函数极其丰富；MATLAB程序书写形式自由,利用起丰富的库函数躲开纷杂的子程序编程任务,压缩了一切不必要 的编程工作；由于库函数都由本事域的专家编写,用户不必担忧函数的牢靠 性；可以说,用 MATLAB进行科技开发是站在专家

22、的肩膀上；2）运算符丰富；由于MATLAB是用 C语言编写的, MATLAB供应了和 C语言几乎一样多的运算符,敏捷使用 MATLAB的运算符将使程序变得极为简短；数据 和函数的图形可视手段包括：线的勾画、色图使用、浓谈处理、视角挑选、透 视和裁剪； MATLAB有比较完备的图形标识指令,它们可标注：图名、轴名、解 释文字和绘画图例；3）MATLAB既具有结构化的掌握语句 、掌握系统 control system、神经网络 neural network、图像处理 image processing、鲁棒掌握 robust control、非线性系统掌握设计nonlinear system con

23、trol design、系统辨识 system identification、最 优 化 optimization、 模 糊 逻 辑 fuzzy logic 、 小 波 wavelet 、 通 信communication 、统计 statistics等工具箱,这些工具箱给各个领域的争论和工程应用供应了有力的工具,借助于这些“ 巨人肩上的工具” ,各个层次的 争论人员可直观、便利地进行分析、运算及设计工作,从而大大地节约了时 间；9）源程序的开放性；开放性或许是MATLAB最受人们欢迎的特点；除内部函数以外,全部 MATLAB的核心文件和工具箱文件都是可读可改的源文件,用户可通过对源文件的修改

24、以及加入自己的文件构成新的工具箱；3.2MATLAB函数介绍由于作水印程序时,处理的图像数据是二维信号,而声音信号是一维 信号；因此这里我们仅仅简洁介绍与水印有关的函数； 数据输入输出函数imread） 和imwrite ：显示一幅图像；imfinfo：可以得到读入图像的信息；如文件的大小、格式、格式版本号、图像的高度、宽度、颜色类型 真彩色,灰度图仍是索引图）等； 变换域函数 对 信 号 采 用 不 同 的 变 换 , 是 实 现 频 域 法 水 印 的 至 关 重 要 的 一 步 ,MATLAB 中 对 一 维 信 号 和 二 维 信 号 分 别 提 供 了 各 种 变 换 和 逆 变 换

25、 函11 / 26 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 26 页精选学习资料 - - - - - - - - - 数；离散余弦变换DCT）DCT,dct2:分别实现一维信号和二维信号的换）；idct,idct2:分别实现一维信号和二维信号的IDCT 逆向离散余弦变换）；离散小波变换DWT）DWT,dwt2:分别实现一维信号和二维信号的换）idwt,idwt2:分别实现一维信号和二维信号的IDWT: 多级二维小波分解函数；waveinfo: 供应小波包中全部的小波信息； 攻击函数对算法进行攻击测试是对水印鲁棒性检测的一种重要手段,一个好的水 印 算 法 必 须 经 过 各

26、种 攻 击 测 试 才 能 对 之 做 出 客 观 的 评 价 ； MATLAB中的很多函数可以直接用来做的攻击测试；旋转： rotate 可以对图像进行任意角度的旋转；剪裁： imcrop 可以按精确定位的各点坐标进行剪裁；滤 波 ： filter 和 filter2 可 实 现 对 一 维 信 号 和 二 维 信 号 的 滤波；jpeg压缩： imwrite中 jpg和 quality参数能对图像进行可控jpg 压缩；加各种噪声：imnoise可以对图像加入各种噪声,如白噪声、椒盐噪声等,加入噪声是对水印鲁棒性考查的、种常见的攻击；3.4MATLAB争论数字水印的优点 集成了 DCT、DW

27、T等函数有丰富的小波函数和处理函数,这不仅便利了争论人员,而且使源程序简洁明白、易实现； 强大的数学运算功能；能够便利、高效地实现音频、视频中的大量矩阵运算； 供应了图像处理工具箱、小波分析工具箱、数字信号处理工具箱；用来编制跨数字图像处理技术、数字信号处理等多学科的数字水印技术是非12 / 26 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 26 页精选学习资料 - - - - - - - - - 常好的挑选； MATLA与目前最强大的编程工具Visual C+ 具有良好的接口；4. 基于 DCT域的数字水印算法 DCT 变换域数字水印算法的主要思想是在DCT变换域上挑选中、低频

28、系数叠加水印信息,由于人眼的感觉主要集中在中、低频段,攻击者破坏水印时,小可防止地会引起图像质量的严峻卜降,而且一般的图像处理也不会转变这部分数据；再者,由于JPEG, MPEG等压缩算法的核心是在DCT变换域上进行量化,故通过奇妙的融合水印和量化过程,可以使水印抵挡肯定的有损压缩；此 外, DCT变换域系数的统计分布有比较好的数学模型,可以从理论上估量水印 的信息量；基于 DCT变换的数字水印在逆变换时会散布在整个图像空间中,故 水印小像空间域技术那样易受到裁剪、低通滤波等攻击的影响,具有鲁棒性高、隐匿性好的特点；由于以上的种种优点,目前基于 印算法是目前国内外争论的热门方向之一；4.1 D

29、CT 变换理论基础DCT变换得图像数字水离散余弦变换 Discrete Cosine Transform 简称 DCT是简化傅立叶变换的重要方法,从傅立叶变换的性质可以知道当连续的实函数fx 或 fxy 为偶函数时,变换的运算只有余弦项,因此余弦变换和傅立叶变换一样有明确的物理意义,可以说余弦变换是傅立叶变换的特例；DCT变换防止了傅立叶变换中的复数运算,它是基于实数的正交变换；DCT变换矩阵的基向量很近似于 Toeplitz矩阵 系数矩阵对称且沿着与主对角线平行的任一对角线上的元素都相等 的特征向量,而 Toeplitz 矩阵又表达了人类语言及图像信号的相关特性,故 DCT变换经常被认为是对

30、语音和图像信号的准正确变换,同时DCT算法较易于在数字信号处理器中快速实现,因此它目前在图像编码中占有重要的位置,成为一系列有关图像编码的国际标准JPEG,MPEG, H.261等的主要环节；基于 DCT域的数字水印算法,依据对宿主图像 DCT 的运算方法分为两大类,一类是直接对整幅图像进行DCT运算,选取合适频段的系数,嵌入水印；另一类是,第一将整幅图像分成块,对每一块分别进行 DCT运算,在每一块中选取合适频段的系数,将水印信息分散嵌入到每一块所选取的 DCT系数中；这种方法称为分块 DCT；通常块的大小采纳 gxg 像素点；由于后者是 JPEG压缩标准中采纳的方法,而且分块 DCT运算速

31、度要比全局 DCT运算速度快得多,因此13 / 26 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页,共 26 页精选学习资料 - - - - - - - - - 目前 DCT域的水印方法大多数是采纳分块 DCT方法；利用 DCT域作为水印嵌入域的优点是 : 1. 图像被 DCT分成伪频率段,水印可以很简洁地嵌入到中频段；2. 基于 DCT变换域的算法可以更好的结合 以很简洁地加进去,进一步改进算法性能；3. 分块 DCT被广泛地应用在压缩方法中如HVS模型,图像失真度的约束可JPEG；通过猜测哪些系数在压缩过程中会被减弱,可以把水印嵌入到非损系数中,增强水印对图像压缩的鲁棒 性；4. 可以嵌入较多的信息；5. 将水印嵌入到 DCT域的某一个频段,经过反变换后,水印分散到整幅图 像中,对于剪切等图像处理有肯定的鲁棒性；6. 二维 DCT是一种可分别变换, DCT是一种准最优变换；但是, DCT 算法也有其缺点,利用 两点 : DCT 域作为水印嵌入的缺点主要有以下1. DCT 对于图像在空域上的平移和位置交换具有敏锐性；对于几