根据小波变换的数字水印技术研究.doc

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1、 泉泉 州州 师师 范范 学学 院院毕业论文（设计）毕业论文（设计）题 目 基于小波变换的数字水印技术研究 物理与信息工程 学 院 电子信息科学与技术 专 业 07 级 1 班学生姓名 朱志攀 学 号 070303033 指导教师 陈木生 职 称 讲师 完成日期 2011 年 4 月 10 日 教务处教务处 制制. .基于小波变换的数字水印技术研究基于小波变换的数字水印技术研究物理与信息工程学院物理与信息工程学院 电子信息科学与技术专业电子信息科学与技术专业 070303033070303033 朱志攀朱志攀指导教师指导教师 陈木生陈木生 讲师讲师【摘摘要要】：随着网络与多媒体技术的发展，数字

2、媒体作品版权的标识及保护问题越来越突出。数字水印技术通过：随着网络与多媒体技术的发展，数字媒体作品版权的标识及保护问题越来越突出。数字水印技术通过将水印信息嵌入原始数据中来证明数字作品的版权，是解决这个问题的一种有效方法。本文提出一种基于小波变换将水印信息嵌入原始数据中来证明数字作品的版权，是解决这个问题的一种有效方法。本文提出一种基于小波变换的图像数字水印算法，通过将低频子图分块并量化其小波系数，实现水印的嵌入和提取，并对其进行抗噪声、的图像数字水印算法，通过将低频子图分块并量化其小波系数，实现水印的嵌入和提取，并对其进行抗噪声、JPEGJPEG压缩、旋转等实验。对于旋转攻击，该算法结合了图

3、像的归一化技术。实验结果表明，该算法对常见图像处理和旋压缩、旋转等实验。对于旋转攻击，该算法结合了图像的归一化技术。实验结果表明，该算法对常见图像处理和旋转都有较好的鲁棒性。转都有较好的鲁棒性。【关键词关键词】：数字水印；小波变换；鲁棒性；量化；抗旋转：数字水印；小波变换；鲁棒性；量化；抗旋转. .目录目录第一章第一章 绪论绪论 31.1 研究背景 31.2 研究现状 31.3 研究意义 4第二章第二章 数字水印技术简介数字水印技术简介52.1 数字水印的概念 52.2 数字水印的特点 52.3 数字水印的分类 52.4 数字水印系统 62.5 数字水印的性能评估 7第三章第三章 小波变换理论

4、小波变换理论83.1 小波分析基础 83.2 小波变换简介 83.2.1 离散小波变换 83.2.2 小波域数字水印的优点 9第四章第四章 本文数字水本文数字水印印技术的实现技术的实现 104.1 水印的嵌入和提取 104.1.1 水印的嵌入过程104.1.2 水印的提取过程114.1.3 实验结果114.2 抗攻击实验 124.2.1 抗噪声实验124.2.2 抗 JPEG 压缩实验 124.2.3 滤波实验134.2.4 抗剪切实验144.2.5 抗旋转实验15第五章第五章 结论结论 17参考文献参考文献17致致 谢谢18英文翻译英文翻译19 . .第一章第一章 绪论绪论1.1 研究背景随

5、着网络和多媒体技术的发展, 数字媒体逐渐被广泛应用，各种形式的多媒体数字作品如图像、视频、音频等纷纷以网络的形式发表。人们可以通过 Internet 发布自己的多媒体作品和进行网络交易等，但随之而来的问题是：任何人都可以通过网络很轻易地获取他人的原始作品，特别是数字化的图像、音频、视频等，盗用者不仅可以通过非法手段得到电子数据，而且可以不经过作者的同意而对原始作品进行复制、修改、生产和再传输等，这些不法行为严重侵犯了作者的版权，对版权所有者造成了巨大的经济损失，对信息安全造成巨大的冲击1。版权保护已经成为一个迫切需要解决的现实问题，媒体信息的数字化和网络化给版权保护带来了新的难度。传统的加解密

6、系统已经不能有效地解决版权保护问题。因为，经过加密后只有被授权持有解密密钥的人才能够存取数据，这样自己的作品就无法向更多的人展示；而且数据一旦被解密，就完全处于解密人的控制之下，原创作者无法追踪作品的复制和再次传播。为了解决这一问题,仅仅依靠传统的加密技术已经远远的不能满足人们的要求了,而以将特定的数字标志信息隐藏在数字作品中为特征的数字水印技术却在此方面发挥了巨大的作用。作为信息隐藏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知识产权保护及其他一系列需求促使了数字水印的出现。数字水印技术被认为是解决网络化和数字化时代数字作品版权保护的一种有效方法。数字水印技

7、术是将具有一定意义的标识信息嵌入原始的媒体数据中，这些信息就是水印信息，它与原始数据紧密结合，且随之一起被传输。在接收端，水印信息被提取出来，可用于广播监视、数字签名、数字指纹、内容认证和秘密通信等。因而数字水印被认为是抵抗多媒体盗版的“最后一道防线”2。在我国，现行的税务发票、增值税发票、伪造制假造成税款大量的流失。长期来，猖獗的伪造发票现象给国家造成了数目巨大的税款流失。因而从数字水印技术自身来讲，它具有巨大的经济价值和广泛的应用前景，已经成为了多媒体信号处理中的一个研究热点。1.21.2 研究现状数字水印技术是当前多媒体信息安全研究领域发展较快的热点技术之一，它涉及了不同学科领域的理论和

8、思想，如信号处理、编码理论和数字通信、算法设计等技术，还包括法律和公共策略等问题，有着良好的应用前景3。从 1993 年 Caronni 正式提出数字水印到现在的十几年时间里，它已经引起国内外很多公司、研究机构等的极大关注。在国外方面， IEEE 会报 、 IEEE 图像处理 、 IEEE 消费电子学 、 IEEE 通信选题等很多国际著名的期刊都组织了数字水印的专题新闻报道或技术专刊。在 1999 年第三届信息隐藏国际学术研讨会上，数字水印成为主要焦点，全部 33 篇文章中有 18 篇是关于数字水印的研究。以麻省理工学院媒体实验室为代表的一批美国研究机构及企业已经申请了数字水印方面的专利。美国

9、版权保护技术组织（CPTWG）也成立了专门的数据隐藏小组（DHSG）用于制定版权保护水印的技术标准。目前，已支持或开展数字水印技术研究的机构不仅有政府部门，也有知名企业和大学，它们包括美国财政部、美国空军研究院、美国版权工作组、美国陆军研究实验室、德国国家信息技术研究中心、日本 NTT 信息与通信系统研究中心、麻省理工学院、西班牙 Vigo 大学、剑桥大学、瑞士洛桑联邦工学院、朗讯公司贝尔实验室、IBM 公司 Watson 研究中心、微软公司剑桥研究院、CA 公司、Sony. .公司、NEC 研究所以及荷兰菲利浦公司等。SPIE 和 IEEE 的一些重要国际会议也相继开辟了很多相关的专题4。国

10、内方面，随着信息技术交流的加快和水印技术的迅速发展，已经有相当一批有实力的科研机构投入到这一领域的研究中来。1999 年 12 月，我国第一届信息隐藏学术研讨会由国内信息安全领域的何德全院士、蔡吉人院士、周仲义院士及有关应用研究单位联合发起召开。2000 年 1 月，中科院自动化所模式识别国家重点实验室和国家“863”智能机专家组组织召开了数字水印学术研讨会，来自中国科学院、国家信息安全测评认证中心、国家自然科学基金委员会、清华大学、北京邮电大学、国防科技大学、中国科技大学、北京电子技术应用研究所、上海交通大学、天津大学、北京大学、中山大学、北方工业大学等单位的专家学者和研究人员深入探讨了数字

11、水印的关键技术，报告了各自的研究成果，很大程度地推动了国内数字水印技术的研究与发展。从会议反应的情况可以看出，我国数字水印学术领域的研究与世界水平相差不大，而且有自己独特的研究思路14。国家对信息安全产业的健康发展也非常重视，在 2003 年的科技型中小企业技术创新基金若干重点项目指南中，明确指出了对于“数字产品产权保护（基于数字水印、信息隐藏、或者网络认证等先进技术） ”和“个性化产品（证件）的防伪（基于水印、编码、或挑战应答等技术） ”等多项防盗版和防伪技术给予重点支持。现在国内已经出现了不少生产水印产品的公司，其中比较有代表性的是由中科院自动化研究所的刘瑞祯、谭铁牛等人于 2002 年在

12、上海创办了的一家专门从事数字水印、多媒体信息和网络安全、防伪技术等软硬件开发的公司上海阿须数码技术有限公司，公司现从事数字证件、数字印章、PDF 文本、分块离散图像、视频、网络安全等多方面数字水印技术的研究。虽然数字水印在国内的应用还处在初级发展阶段，但水印公司的创办使得数字水印技术在国内不仅仅只停留在理论研究的层面上，而是走上了实用化和商业化的道路，推动了国内水印技术的蓬勃发展，为国内的信息安全产业提供有效、安全的保障。1.31.3 研究意义 数字水印技术作为一种有效的多媒体作品版权保护和数据安全维护技术，它把具有特定意义的水印信号，利用数字嵌入的方法隐藏在数字作品的空域或频域中，用来证明创

13、作者对其作品的所有权，并作为鉴定、起诉非法侵权的证据；同时通过对水印的检测和分析可以保证数字信息的完整可靠性。因而，数字水印技术被认为是知识产权保护和多媒体数字作品防伪的有效手段，它将促进隐蔽通信技术和信息安全技术的提高。目前提出的数字水印的嵌入方式大致可以分为空间域数字水印和变换域数字水印两大类。空域算法主要采用各种方法直接修改数字图像的像素, 典型的一种算法是将信息嵌入到随机选择的图像点中最不重要的像素位 (LSB)上，这可保证嵌入的水印是不可见的。但是由于它使用了图像不重要的像素位，算法的鲁棒性差，水印信息很容易因图像量化、滤波、几何变形的操作而被破坏。变换域水印算法首先对图像进行变换，

14、将空域数据变换到频域中,然后嵌入水印,如离散傅里叶变换(DFT) 、离散小波变换(DWT) 、离散余弦变换(DCT)等,其优点是嵌入的水印信息量大,嵌入效果比较好，鲁棒性较空域算法高5。变换域数字水印算法的研究使得水印能有效地抵抗剪切和旋转等几何攻击，具有较强的鲁棒性。本设计在小波变换理论的基础上提出一种算法，实现图像数字水印的嵌入和提取。并进行一些抗攻击性能的实验，以判断该算法的鲁棒性。. .第二章第二章 数字水印技术简介数字水印技术简介 2.12.1 数字水印的概念数字水印（digital watermark） ，是指通过一定的算法嵌入在数字产品中的数字信息，它可以是图像、声音、文字、符号

15、、数字等所有可以作为标记、标识的信息。它的存在不会破坏原始数据的使用价值和欣赏价值。被嵌入的标识信息通常不容易被人的视觉或听觉系统察觉到，但是通过一些计算操作可以将这些信息检测并提取出来。水印与原始数据紧密结合且隐藏在其中，成为原始数据中不可分离的一部分，并可以经历一些不破坏原始数据使用价值或商用价值的操作而留存下来。通过这些隐藏在多媒体内容中的信息，人们可以确认内容创建者、购买者的信息或者判断内容是否真实完整的。水印系统所隐藏的信息是与该产品相关的版权标志、购买者或其他相关信息6。因而，数字水印是实现版权保护的有效手段，是信息隐藏技术研究领域的重要分支。2.22.2 数字水印的特点数字水印不

16、仅要实现有效的版权保护，而且嵌入水印后的图像必须与原始图像具有同样的应用价值，也就是说数字产品不会因为嵌入水印而变得不可用。因此，数字水印主要有以下特点7：安全性：安全性表现为水印能够抵抗恶意攻击的能力，恶意攻击主要指任何意在破坏水印价值的行为。数字水印信息应该是安全的，难以伪造或篡改，同时，应当有较低的误检测率，当原始数据发生变化时，数字水印应当发生变化，从而可以检测原始数据的变更；此外，数字水印同样对重复添加有很强的抵抗性。不可见性：数字水印应是不可知觉的，而且应不影响被保护数据的使用价值。加有水印后的图像不能有视觉质量的下降，与原始图像对比，很难发现两者的差别。鲁棒性：也称稳健性，是指在

17、经过常规信号处理操作后，数字水印仍可以保持部分完整性并且被准确检测出来的能力。针对图像的常规操作主要包括：空间滤波、有损压缩、打印与复印、几何形变（平移、缩放、旋转及其他）等。水印容量：是指载体数据在不发生形变的前提下可以嵌入的水印信息量。嵌入的水印信息必须足够表示多媒体内容的创建者或所有者的标志信息，或购买者的序列号等信息，这样有助于解决版权纠纷问题，保护数字作品的产权合法拥有者的利益。特别是隐蔽通信领域的特殊性，对水印的容量需求很大17。2.32.3 数字水印的分类数字水印技术根据不同的根据有不同的分类方法，一般有以下几种分类8：(1)按水印的内容划分:可以将水印分为无意义水印和有意义水印

18、。无意义水印是指嵌入的水印信息没有实际的含义，它可以是伪随机二值序列、伪随机实数序列和混沌序列等。有意义水印指嵌入的水印信息具有一定的意义，可以较为直观地表示出数字作品的信息，它可以是数字图像、数字音频和文字等。目前在实际应用中绝大部分水印采用有意义水印，它能够更有效地保护数字作品的版权。(2)按水印的可见性划分:这种划分依据主要适用于数字图像作品中。根据人类视觉系统的特性，按照数字水印在数字图像作品中是否可见将数字水印分为可见水印和不可见水印。可见水印指水印在数字图像中可以看得出来。不可见水印指将水印信息嵌入到数字视频、音频或图像当中，从表面上. .很难察觉到水印的存在以及数字作品的变化，但

19、是当发生版权纠纷时，可以从这些数字作品中提取出水印，来证明数字作品的版权归属，它比可见水印应用更加广泛。(3) 按水印的特性划分：可以将数字水印分为鲁棒数字水印和脆弱水印两种。前一种要求嵌入的水印对常用的编辑处理或恶意攻击有一定的抵抗性；而后一种则要求对信息的改动有很强的敏感性。(4)按水印所依附的载体形式划分:可以将水印划分为文本水印、图像水印、音频水印、视频水印以及用于三维网格模型的网格水印等。(5)按水印嵌入的位置划分:可以将水印划分为空域数字水印和变换域数字水印。空域水印的嵌入和提取是通过修改图像像素点的灰度值或强度来实现的，但它对常见图像处理的攻击及噪声干扰的鲁棒性较差。变换域数字水

20、印是将水印添加到原始图像的某种变换系数中，更容易与人类感知系统的某些掩蔽特性相结合。变换域数字水印对压缩和某些图像处理等攻击的鲁棒性更强。(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。非盲水印在检测数字水印的过程中，需要原始数据和原始水印的参与。半盲水印不需要原始数据，只需要原始水印来进行检测。盲水印在检测数字水印的过程中只需要密钥，而不需要原始数据和原始水印的参与。(7)按水印的用途划分：可以将数字水印划分为版权保护水印、票证防伪水印、篡改提示水印和隐蔽标识水印等15。2.42.4 数字水印系统一个完整的数字水印系统通常包括水印的嵌入、提取和检测三个部分。(1)水印嵌入：

21、将水印信息进行预处理后加入到载体中的过程，称为水印的嵌入。水印的嵌入过程如图 2-1 所示。密钥水印信息原始数据嵌入算法含水印数据图 2-1 水印嵌入框图(2)水印提取：从含水印的数据中提取出水印信息的过程，称为水印的提取。水印的提取过程如图2-2 所示。含水印数据密钥原始数据提取算法水印信息. .图 2-2 水印提取框图(3)水印检测：判断待测数据中是否存在水印信息的过程，称为水印的检测。水印的检测一般需要原始数据的参与，如果没有原始数据，则检测将比较困难。水印的检测过程如图 2-3 所示。图 2-3 水印检测框图 2.52.5 数字水印的性能评估对数字水印结果进行性能评估对于数字水印的标准

22、化以及水印走向实际应用都具有重要的意义，主要从主观上和客观上进行评估。主观上是根据人的眼睛观察图像水印的结果。即人眼的感觉对水印的不可见性。客观上通常采用峰值信噪比（PSNR）来定量评价嵌入水印的图像和原始图像的差别，用相似度（NC）来度量提取的水印与原始水印的相似程度。（1）设和分别表示原始图像和嵌入水印后的图像中点(x,y) 的灰度值，图像行和列的个, x yp, x yp数分别是X、Y，则峰值信噪比为9： （2-1）2,102,max10log()x yx yx yx yx yXYpPSNRpp由式（2-1）可以看出峰值信噪比越高，两幅图像间的相似程度越高，即表示嵌入水印后的图像有较好的

23、不可感知性。即 PSNR 值越大，水印的隐蔽性越好。(2) 设和分别表示原始水印和提取的水印中点(i,j) 的灰度值。则相似度为：, ijW, ijW （2-2） ,*,2,ijiji ji ji jNCWWW图像的相似度反映两幅图像的相似程度，由式（2-2）可知。NC 的值越大，提取出01NC的水印与原始水印的相似性越好，即数字水印的鲁棒性越好。原始数据密钥原始水印 待测数据水印检测算法水印存在与否. .第三章第三章 小波变换理论小波变换理论3.13.1 小波分析基础1981 年，法国地质学家 Jean.Morlet 第一次提出“小波分析”的概念，并建立了以自己名字命名的 Morlet 小波

24、，在地质信号处理中取得巨大的成功。此后，经过 Meyer, Daubechies 等学者的不断深入研究，奠定了小波分析的基础。由于小波分析可以使人们更好地区分信号的平坦部分和敏感变换部分，如今它已经被广泛应用于自然科学的诸多领域7。通俗地讲，小波（Wavelet）是一种在有限小区域内存在的波，是一种其函数表达式具有紧支集，即在有限范围内函数 f(x)不等于零的特殊波形7。它是由一个满足条件 （3-1）( )0Ct dt的函数通过平移和伸缩而产生一函数族。( ) t,( )a bt a,bR；a0 （3-2）12,( )()a btbtaa称为小波基函数，简称小波基。其中 a 为尺度因子（伸缩因

25、子） ，b 为平移因子，因为它们,( )a bt都是连续变化的值，所以称为连续变化的小波基函数。它们是由同一母小波函数经过,( )a bt( ) t伸缩和平移后得到的一组函数系列。由于小波基函数在时域和频域都具有有限的或近似有限的定义域，所以经过伸缩平移后的函数在时域仍是局部性的。3.23.2 小波变换简介小波变换是在傅立叶分析的基础上发展起来的，它相对于傅立叶分析的优点是它在空域和时域. .都是局部化的，其局部化格式随着频率自动变化，在低频处取宽的时（空）间窗，在高频处取窄的时（空）间窗，适合处理非平稳信号。小波变换是对信号时间一尺度(时间一频率)的一种分析方法，具有多分辨率分析(MRA)的

26、特点，而且在时域和频域都具有表征信号局部特征的能力。它通过伸缩和平移等运算对函数或信号进行多尺度细化分析，解决了许多傅立叶变换不能解决的困难问题。3.2.13.2.1 离散小波变换离散小波变换在实际应用中，不管是图像还是音频信息，都是经过采样量化后得到的一些离散数据。因此，我们一般采用离散小波变换（Discrete Wavelet Transform）对信号进行处理。离散小波变换是指在特定子集上采取平移和缩放的小波变换，是一种兼具时域和频域多分辨率能力的信号分析工具。此变换运用可以缩放平移的小波代替固定的窗进行计算分析，主要应用于信号编码和数据压缩。离散小波变换在图像处理中的基本思想是把图像进

27、行多分辨率分解，分解为不同的空间和独立的频率带的子图像，然后对子图像的系数进行处理。根据S. Mallat的塔式分解算法，通过一级小波变换，原始图像被分解为4个一级子图：即1个低频子图LL1（原始图像的主要部分及近似）和3 个高频子图（原始图像的细节部分）：HL1（水平方向细节） ，LH1（垂直方向细节） ，HH1（对角方向细节） 。若对低频子图LL1 再进行小波分解又得到低分辨率的4个二级子图（LL2、HL2、LH2、HH2） ，如图3-1所示。如此重复，可以对图像进行多级小波分解，其中最底层的低频子图集中了被分解图像的绝大部分信息，刻画了图像的主要特征，故称为被分解图像的近似子图；各高频子

28、图分别保持了被分解图像各方向的边缘细节，刻画了被分解图像的边缘细节特征，所以称为被分解图像的细节子图。低频子图抵抗外来影响的能力较好，高频子图的边缘细节容易受到外来噪声和常规图像处理等因素影响，稳定性差16。图3-2是woman图像经过两级小波变换后的图像。 图 3-1 图像的二级 DWT 分解 图 3-2 两级小波变换后的 woman 图3.2.23.2.2 小波域数字水印的优点小波域数字水印的优点随着小波变换理论的发展及其在数字图像处理的应用，很多学者都已经提出了基于小波域的数字图像水印技术，小波变换在数字水印中的应用也日渐成熟。小波变换的各种优点都有利于在小波域中开发图像数字水印技术：（

29、1）小波变换具有多分辨率分析的特性，它对图像的描述为分层目录结构，这样就可以直接对图像进行层次处理，而不需要对整幅图像进行水印的验证。这一特点尤其适用于需要进行大量数据处理的图像步进传输中，例如视频图像的应用。这种分层目录结构的水印算法可以为图像水印提供分级检测的方式，很大程度地减少计算量。（2）小波变换与大多数国际标准兼容，能够有效地抵抗剪切及 JEPG 有损压缩，也有利于在压缩域内实现数字水印的嵌入。. .（3）DWT 结合了人类视觉系统的特性，它把信号分解成独立的子带，并且独立地进行处理。使得人眼不能发觉含水印图与原始图像间的差别，水印的隐藏效果好，且有利于提高稳健性12。第四章第四章

30、本文数字水印技术的实现本文数字水印技术的实现4.14.1 水印的嵌入和提取由于图像经过小波分解后的低频子图集中了被分解图像的绝大部分信息，故图像经过几何攻击后，其系数幅值基本保持不变。而经过小波分解后的细节子图则变换比较大，因此我们选择将水印嵌入图像经小波分解后的低频部分。由于图像经过小波分解后的低频子图经几何攻击后纹理和边缘区的小波系数幅值变换较大，又根据人类视觉系统特性，图像的纹理和边缘区域视觉隐蔽性高可以嵌入强度较大的水印13。图像低频子图（m,n）处的纹理大小用三个细节子图对应位置上的小波系数能量和来表示，具体公式如下： (4-1),1,1,1,S m ncVm ncHm ncDm n

31、图像纹理越丰富，式(4-1)中S值越大，且在图像经过几何变换后图像的纹理、边缘区依然能用式(4-1)来计算。因此，在水印嵌入过程中我们可增大低频子图纹理和边缘区的水印嵌入强度，以提高水印的鲁棒性。4.1.14.1.1 水印的嵌入过程水印的嵌入过程13先对载体图像进行一级Haar小波分解，将低频子图进行分块，通过量化每个子块的各个小波系数完成水印的嵌入。根据前面的分析，我们增加纹理和边缘区域的小波系数的量化步长，以提高水印的抗几何攻击能力。为提取水印的方便，纹理和边缘区小波系数量化步长取平滑区小波系数量化步长的整数倍。参考文献10的水印嵌入过程，以大小为的载体灰度图像、大小为M KN KAA的二

32、值水印图像为例，水印嵌入的具体过程如下：MNW（1）将载体图像进行一级Haar小波分解，得到cA1、cH1、cV1、cD1四个子图，并将低频子图cA1划分为个大小为的子块；MN/ 2/ 2KK（2）利用公式（4-2）计算水印嵌入的量化值 (4-2)P其中为当前待嵌入水印的低频小波系数值，为预先设定的量化步长。值越大，水印的鲁棒P性越好而不可见性越差，反之，水印的不可见性越好而鲁棒性越差。（3）定义一个阈值,具体计算公式为T. . (4-3)2(1)2(1)TmeancAstdcA其中为求二维矩阵的平均值，为求矩阵的标准方差。2mean2std判断低频部分（m,n）处的小波系数纹理表达式的S值是

33、否大于,若采用式(4-4)量化低频小TST波系数；否则水印嵌入的量化步长取，采用式(4-5)量化低频小波系数。对分块中的每个小波5*系数重复嵌入1bit水印信息，嵌入水印后的低频小波系数值为，修改公式如下：P若， (4-4)ST,0.5,mod210.5,mod20i ji jWPW否则， (4-5),2.5,mod212.5,mod20i ji jWPW（4）重复步骤（3）对每一个低频子块都进行水印嵌入；（5）对修改后的低频子图进行小波逆变换重构图像，即得到含有水印的图像。4.1.24.1.2 水印的提取过程水印的提取过程水印的提取通过判断各个低频小波系数的量化空间来确定该点嵌入的水印值，根

34、据多数原则得到每个低频子块的1bit水印信息。具体过程如下：（1）将含水印图像进行一级Haar小波分解，将分解后的低频子图划分为大小的子块；/ 2/ 2KK（2）计算量化值，公式如下： (4-6)P其中，为含水印图像分解得到的各个低频小波系数值，与嵌入过程中的值一样。P（3）根据式(4-7)计算每一个小波系数的水印嵌入值： (4-7)1,mod210,mod20C（4）根据多数原则来判断每一个子块嵌入的水印值，如果子块各个系数C值有一半及以上为1，则该子块嵌入的水印=1；否则，=0；ijWijW（5）对所有子块都执行上述操作，即得到提取出的水印。W4.1.34.1.3 实验结果实验结果实验采用

35、的原始图像为 512512 的 woman 灰度图像,采用的水印图像为 6464的有特殊标志“QZTC”的二值图像。水印的嵌入过程中值取 8，则载体图像、原始水印、嵌入水印图像及提取的水印图像如下图所示。. . 载体图 原始水印 嵌入水印图 提取的水印图 4-1 水印的嵌入和提取从上图中，我们可以看出嵌入水印的图像与载体图像没有什么差别，我们无法看出水印的存在，而且提取出的水印与原始水印完全相同，没有任何损坏。客观上，载体图像与含水印图像的峰值信噪比 PSNR 为 38.8792，原始水印与提取出的水印的相似度 NC 为 1。说明实验结果较好，嵌入的水印隐蔽性好，不会对载体图像产生影响，且水印

36、可以被正确的提取出来。此外，若增大量化步长，则水印的不可见性变差，PSNR 值变小；反之，水印的不可见性变好，PSNR 值变大。4.24.2 抗攻击实验4.2.14.2.1 抗噪声实验抗噪声实验图像在传输过程中，通常由于受到一些干扰而含有各种噪声。本次实验量化步长值取 20，对嵌入水印的图像分别添加方差为 0.05 的椒盐噪声和方差为 0.001 的高斯噪声干扰，然后通过计算提取出的水印与原始水印的相似度 NC 来观察算法的鲁棒性。含水印图加噪声后的图像及提取出的水印结果如下图所示。 含水印图加椒盐噪声 提取出的水印. . 含水印图加高斯噪声 提取出的水印图 4-2 水印的抗噪声实验从上图中提

37、取的水印可以看出，该算法抗高斯噪声干扰的能力相对于椒盐噪声干扰的略差一点，但从视觉上我们还是可以很清楚地识别出水印图像。此时提取出的水印的相似度值 NC 分别为 1 和0.9839。适当加大噪声的强度，当椒盐噪声和高斯噪声的方差分别为 0.3 和 0.003 时，提取出的水印才无法识别出来，可见该算法对噪声干扰具有较强的鲁棒性。4.2.24.2.2 抗抗 JPEGJPEG 压缩实验压缩实验JPEG 压缩是嵌入水印的图像最经常受到的图像处理。目前网络上存在的图像绝大多数都是JPEG 格式的，因此数字水印对于 JPEG 有损压缩是否具有较强的鲁棒性是衡量一种水印算法是否成功的重要标准。有损压缩会引

38、起图像质量的下降，且压缩因子越小，压缩后的图像质量越差。我们对嵌入水印图像进行 JPEG 有损压缩，压缩因子分别取 50、30，然后进行水印的提取，结果如下图所示。 压缩因子为 50 的含水印图 提取出的水印 . .压缩因子为 30 的含水印图 提取出的水印图 4-3 水印的抗压缩实验上图中提取出的水印，从视觉上我们还是可以较为清楚地识别出水印图像，此时提取出的水印的相似度值 NC 分别为 0.9942 和 0.9211。即使对嵌入水印的图像进行压缩因子为 30 的 JPEG 压缩，提取出的水印依然可以清楚地识别出来，可见该算法对 JPEG 有损压缩具有较强的鲁棒性。4.2.34.2.3 滤波

39、实验滤波实验图像滤波在滤除噪声的同时可以很好的保护信号的细节信息（如边缘、锐角等） ，因此它被看做是对水印的无意攻击。常见的有高斯滤波、均值滤波、中值滤波等。我们对嵌入水印的图像进行分别进行高斯低通滤波和中值滤波处理，然后进行水印的提取，结果如下图所示。 含水印图进行高斯低通滤波 提取出的水印 含水印图进行中值滤波 提取出的水印图 4-4 水印的滤波实验从上图中我们可以看出，提取出的水印虽然不完整，但是从视觉上还是可以辨认出来。此时提取出的水印的相似度值 NC 分别为 0.6083 和 0.6486，说明该算法对滤波处理还是有一定的抵抗能力。4.2.44.2.4 抗剪切实验抗剪切实验本实验利用

40、剪切图像的处理方式对含水印图像进行攻击来模拟图像受损后的情况，并且在实验中结合了 Arnold 置乱处理。在水印嵌入前对水印进行置乱，在水印提取后，对水印进行反置乱，这样可以提高水印的抗剪切性能。我们进行了多种情况的剪切实验，结果如下图所示。. . 含水印图剪切 1/4 提取的水印 含水印图剪切 1/3 提取的水印 含水印图剪切左上角 1/4 提取的水印图 4-5 水印的剪切实验从上图中我们可以看出含水印图像经过不同程度的剪切后，水印仍然可以正确的提取出来，而且从视觉上还是可以很清楚地识别出水印图像。这表明该算法对剪切攻击有较好的鲁棒性。4.2.54.2.5 抗旋转实验抗旋转实验旋转攻击是一种

41、比较常见的几何攻击，由于小波变换不具有旋转不变的特性，所以它抗旋转的能力较差。因此我们采用小波变换与图像的归一化结合，来进行数字水印的抗旋转实验。图像的归一化就是利用图像的不变矩寻找一组能够使其消除其他变换函数对图像变换的影响的参数，并将待处理的原始图像转换成相应的唯一标准形式，这种标准形式的图像对旋转、平移、缩. .放等仿射变换具有不变的特性11。图像的归一化使得图像可以抵抗几何变换的攻击，它能够找出图像中的那些不变量，从而得知这些图像原本就是一样的。Woman 图像的归一化图像如下图所示。 原始图像 归一化图像 图 4-6 Woman 的归一化图像 基于小波变换和图像归一化结合的抗旋转水印

42、算法的嵌入过程为：首先，对载体图像进行图像归一化，得到其归一化图像，然后按照 4.1 节中水印嵌入的方法将水印嵌入归一化图像中，最后，对归一化含水印图像进行逆归一化，得到含水印图像。其提取过程为：先对含水印图进行旋转攻击，即利用 MATLAB 自带的旋转函数 imrotate()对含水印图进行角度旋转，然后对被旋转的含水印图像进行归一化，最后采用 4.1 节中水印提取的方法进行水印的提取。本次实验我们对嵌入水印的图像分别进行 30、60、90的旋转，然后进行水印的提取，结果如下图所示。 含水印图旋转 30 提取的水印 含水印图旋转 60 提取的水印 . . 含水印图旋转 90 提取的水印图 4

43、-7 水印的抗旋转实验从上图中我们可以看出，提取出的水印虽然不是很完整，但是从视觉上还是可以清楚地辨认出来。此时提取出的水印的相似度值 NC 分别为 0.8471、0.8240 和 0.8542，说明小波变换和图像归一化结合的算法对旋转攻击还是有较好的鲁棒性的。由于载体图像进行归一化后的图像带有黑边，如果将数字水印直接嵌入到整个归一化图像中，则逆归一化过程会导致部分水印的信息丢失。因而上述算法中提取的水印不是很完整，这也是该算法的不足之处。如果从归一化图像中提取出重要区域，并将水印嵌入重要区域中，则可以减小归一化处理对载体图像的影响，提取出的水印效果会更好，这些可以作为进一步研究的内容。第五章

44、第五章 结论结论本文对数字水印技术和小波变换理论进行了比较全面的研究。首先通过查阅许多关于水印技术的书籍和文献，对当前数字水印技术的研究状况，以及数字水印的基本特征、分类和数字水印系统进行了详细介绍。然后简要的介绍了小波分析的基础和小波变换理论。最后，本文提出一种基于小波变换的数字水印算法，该算法通过对载体图像小波分解后的低频子图进行分块，并量化其小波系数，实现数字水印的嵌入和提取。并对嵌入水印图像进行抗噪声、JPEG 压缩、旋转等实验。对于旋转攻击，该算法结合了图像的归一化技术。实验结果表明，该算法对噪声、滤波等常见图像处理都有较好的鲁棒性，结合图像归一化的算法对旋转攻击有一定的抵抗能力。怎

45、样使数字水印能更有效地抵抗旋转等几何攻击，是需要进一步改进的地方。参考文献1 钟环，廖晓峰一种抗几何攻击的数字水印算法 J通信技术，2009，08(42)：62642 朱新山. 数字版权的最后一道防线数字水印J .北京大学计算机科学技术研究所.http:/ 数字水印技术及应用M.北京：科学出版社，2004. .4孙锐，孙洪，姚天任.多媒体水印技术的研究进展与应用J.系统土程与电子技术，2003，25(6): 772-7765张晓威，郑雄波.基于聚类分析的小波域数字水印算法J.2008,29（2）: 194-1976王丙锡，陈琦，邓峰森.数字水印技术M，西安：西安电子科技大学出版社，20037

46、王丽娜，郭迟，李鹏. 信息隐藏技术实验教程M.武汉：武汉大学出版社，2004.8 章毓晋. 图像工程（上册）图像处理M.北京：清华大学出版社，2006.9郭宝龙，郭磊.小波域数字图像水印算法的研究J.计算机工程与应用，2002 ，38(13):45-48.10李旭东.抗几何攻击的空间域图像数字水印算法J.自动化学报，2008,34（7）: 832-83711孟岚，杨红颖，王向阳.基于图像归一化的 DFT 域数字水印嵌入算法J.小型微型计算机系统，2008,29（11）: 2153-215612赵健，谢红梅，彭进业等. 一种基于 Logistic 混沌序列的小波域数字水印算法J.西北大学学报，2

47、003,9（3）.13李军，陈康.一种抗几何攻击的小波域盲图像水印算法J.江西理工大学学报，2010,31（3）: 51-5514中国人工智能网.数字水印技术：概念、应用及现状J. http:/www.chinaai.org/ip/image-hiding/watermarking.html，201015中国人民大学信息资源管理学院.电子文件管理百科数字水印. http:/ DWT 和 SVD 相结合的图像水印算法J.计算机仿真，2008,25（4）: 87-9017数字水印-百度百科. http:/ 谢谢在为期一个多月的毕业设计和毕业论文就要结束之际,首先要感谢我的指导老师陈木生老师。陈老师

48、从一开始的毕业设计（论文）方向的选定，到最后的整篇论文的完成，都非常耐心地对我进行指导。给我提供了很多参考资料和建议，告诉我应该注意的细节问题，细心的给我指出错误，修改论文。经过这段时间的学习，我对MATLAB软件和数字水印技术有了更多的了解。 另外，感谢大学四年里所有教育过我们的老师们，谢谢你们这四年来对我们的培养和帮助。同时我也感谢我的同学们，这四年里大家互相帮助，互相学习。. .英文翻译英文翻译ResearchResearch ofof digitaldigital watermarkingwatermarking technologytechnology basedbased onon

49、 waveletwavelet transformtransformPhysicsPhysics andand informationinformation engineeringengineering collegecollegeElectronicElectronic informationinformation sciencescience andand technologytechnology majormajor 070303033070303033 ZhipanZhipan ZhuZhufacultyfaculty adviseradviser MushengMusheng Che

50、nChen lecturerlecturer【Abstract】:【Abstract】: WithWith thethe developmentdevelopment ofof networknetwork andand multimediamultimedia technology,technology, thethe copyrightcopyright identificationidentification andand protectionprotection problemproblem ofof digitaldigital mediamedia worksworks isis