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信息安全文章 信息安全范文 文献综述 基于DCT系数均值盲水印算法研究及其在珠宝图像数字水印 生成与识别中的应用 学号:200908202112 姓名:凌慧泉 摘要:静态图像数字水印是利用数字水印技术在静态图像中嵌入水印，用来保护图像的版权。本文归纳了静态图像数字水印的发展背景、现状及应用前景，静态图像数字水印技术的原理(包括:水印生成、水印嵌入、水印提取检测)，算法(包括:离散余弦变换)，以及VC++、Matlab仿真软件实现静态图像数字水印系统开发技术。对静态图像数字水印算法、鲁棒性以及设计开发方面进行总结。 关键词:数 1 字水印;水印算法;鲁棒性 Abstract: static image watermarking digital watermarking technology is embedded in a static image watermark, used to protect the copyright of the image. This paper summarizes the development of the static image watermarking background, status and application prospects, the principle of the static image watermarking technology (including: watermark generation, watermark embedding watermark extraction detection) and algorithms(including: discrete cosine transform, discrete wavelet transform, discrete Fourier transform), VC + +, Matlab simulation software to achieve still image digital watermarking systems development technology. Summary of the static image watermarking algorithm, robustness, and design and development. Keywords: digital watermark; watermarking algorithm; robustness 随着信息技术和计算机网络的飞速发展，人们不但可以通 过互联网和,,,,,,方便快捷地获得多媒体信息，还可 以得到与原始数据完全相同的复制品，由此引发的盗版问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 和版权纷争已成为日益严重的社会问题。数字视频水印技术 2 的出现能够有效的解决以上问题。 本文主要介绍了静态图像数字水印技术的原理以及水印生成、嵌入和提取所用到的离散余弦变换算法，并通过对实现该系统的二种主流技术:Matlab编程、VC++编程进行了简单的介绍。 1 静态图像数字水印技术概述 静态图像数字水印技术通过一定的算法将一些标志性信息直接嵌入到多媒体内容当中，但不影响原内容的价值和使用，并且不能被人的感知系统觉察或注意到。通过这些隐藏在载体中的信息，可以达到确认内容创建者、购买者、传送隐秘信息或者判断载体是否被篡改等目的。数字水印是信息隐藏技术的一个重要研究方向。使用数字水印技术可以保证多媒体文件传播过程中的有效性，保护所有者的版权。 1.1 静态图像数字水印研究的要点 要想深入研究数字水印技术，必须要了解数字水印的几大特性: 1)水印容量:嵌入的水印信息必须足以标识多媒体内容的购买者或所有者，并且嵌入水印的过程对图像信息造成很大的影响。 2)安全性:嵌入的水印算法必须严谨，难以被人为的篡改或仿造，应做到未经授权的人员无法检测、提取或移除水印。 3 3)不可察觉性:也称为透明性，嵌入在静态图像数据中的数字水印应该不可见或不可察觉。但是为了增强鲁棒性，就需要增强水印的强度，这样往往会导致图片质量下降，因此需要折中进行。 4)鲁棒性:在不明显降低图片质量的条件下，水印很难除去。即便对图像进行压缩、格式转换等常规操作之后，水印检测系统依然能检测到水印。 5)盲检测:水印检测时不需要原始图片，也就是说即使压缩图片或转换格式，水印系统依然能够正确的检测出原有水印，该特性部分取决于鲁棒性。 综合以上的特性，可以按可见性、安全性、适应性、嵌入域等分为以下几类: 表1-1 静态图像数字水印类别对比 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 表 分类 可见性 安全性 嵌入域 类别名称 不可见水印 可见水印 鲁棒水印 脆弱水印 时域水印 变换域水印 非自适应水印 适应性 自适应性水印 4 公开水印 公开性 私有水印 类别特点 多用于需要版权保护且不能影响视频观看体验的数字视频中。 多见于宣传视频、网站流媒体视屏，用于广告宣传等。 不会被常规处理操作去除，可经受任何不至于破坏原作品的操作而保存。 弱水印对处理操作极为敏感，任何极微小的改动都会将水印破坏掉。 直接在载体数据的时间域或空间域上嵌入，其鲁棒性不高。 对载体数据进行各种变换后嵌入，具有更好的鲁棒性 独立于原始作品，可以是随机用算法生成的，也可以是事先给定的。 利用原始作品的特性而生成的，便于载体作品的自恢复。 检测时不需要原始数据并且水印是有意义的信息。公开水印更符合所有权验证的需要，是水印算法发展的方向。 在检测过程中需要原始数据。私有水印的鲁棒性比较强，但其应用受到存储 成本的限制。 1.2 静态图像数字水印的国内外研究现状 数字水印技术是解决版权保护问题的有效手段，有着良好的应用前景，它已引起国内外一些研究机构和公司的极大关注。从20世纪90年代初开始，数字水印、数字隐藏和传统的密码学 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 相结合进行知识产权保护的研究，己经成为一个非常活跃的课题。下面从2种域空间分析数字水印技术的 5 国内外研究现状。 空间域水印技术的研究现状: 空间域技术直接更改图像的数据，通常是在图像的亮度或彩色光带或者两者之上加一个调制信号嵌入数字水印。该技术属于早期研究，目前的水印技术大都基于最不显著位班LSB(least significant bit)方法。该方法将水印信息放在图像数据的最不显著位上，保证了水印的不可见性，但其鲁 棒性差，一般的图像压缩和量化即可将大部分水印去掉。Bender和Lee等在空间域上提出了一些新的水印算法，这些算法有各自的优点，但在检测水印时都需要原始图像，水印的鲁棒性不好，经JPEG压缩或其他图像处理后容易被去掉。 变换域水印技术的研究现状:变换域水印技术是先将图像变换到频率域，改变图像的频率域系数，然后进行反变换得到加人水印的图像。几种最常见的变换是离散傅立叶变换(DFT)、离散余弦变换(DCT)、离散小波变换 (DWT)等。 近十几年来，很多学者对变换域水印进行了深入研究，提出了一些新算法(例如:扩展频谱方法，基于分块DcT变换的数字图像水印算法，基于Gausian网分类器的图 像水印算法，基于DcT域的水印算法，盲图像水印检测算法，等等。 随着水印算法研究的逐渐深入，对水印的稳健性要求越来越高。因此水印算法与其他学科的结合日渐紧密，如通信与 6 信息理论、图像与语音处理、信号检测与估计、数据压缩技术、人类视觉与听 觉系统、计算机网络与应用、电波传播等。具体应用的实例也很多，Barni等人考虑人眼的视觉分布，根据Lewis等人提出的视觉掩盖模型实现水印的白适应嵌入;Kundur等人利用多尺度融合技术，结合人类视觉模型提出一种静止图像水印技术实现水印的嵌入。 从国内外对数字水印的研究现状来看，变换域数字水印技术是当前数字水印技术的主流。 1.3 静态图像数字水印技术的应用前景 静态图像数字水印的基本思想是在原始媒体数据中，如音频、视频、图像等，隐藏具有一定意义的附加信息作为标记，这些信息与原始数据紧密结合，并随之一起被传输。在接收端，通过计算机水印信号被提取出来用于各种目的，主要应用于数字签名、数字指纹、广播监视、内容认证、拷贝控制和秘密通信等。静态图像数字水印技术应用在多媒体上的防伪与版权保护具有其他防伪技术难以替代的优点，静态图像数字水印防伪技术具有安全可靠，易分辨、易识别、检测提取易操作，难以伪造，适应性强等特性,它不需增加用户的固定资产投资和使用特殊材料，仅需通过专用软件处理就可将防伪信息嵌入到多媒体文件中,也可以在普通打印机上嵌入数字水印软件，实现打印票据和文件的防伪。而且现有的高分辨率数码相机和扫描仪、彩色复印机等均不能复制、拷贝 7 (因为数字水印在载体中成离散状态)，其经济社会价值十分巨大。 2 静态图像数字水印技术的实现原理 2.1 静态图像数字水印系统流程 静态图像数字水印系统分为三个方面:水印的生成、水印的嵌入、水印的提取检测。水印的嵌入需要视具体的情况而定，再能保证水印信息足够抵御各类压缩、攻击后还能被识别的前提下，尽可能的不去破坏原有图片的品质。从信号的角度分析，水印较原始图像信号而言属于微弱信号，嵌入的过程相当于将水印的弱信号叠加到图像信号中去，当水印信号低于引起人的视觉及听觉所能感知到的 最低门限，那么嵌入水印既能保证提供数字版权信息，又能不破坏原始视频的感官质量【6】。系统流程图如下: 图2-1 静态图像数字水印系统实现流程 2.2 水印的生成 水印生成(Generating)，就是将待添加的水印文件，如文本、图像等经过相关的计算，转化成水印信号，大多数水印生成算法都要求将其转换为二值序列，此过程预处理素材图像为灰度图像【7】，然后通过设定门限阀值或矩阵将灰度图像 进行二值化，获取二值矩阵序列，通过密钥对二值序列进行加密，用来保护水印从一定程度上防止被攻击，提高鲁棒 8 性。 在进行图像灰度化处理中要对水印素材图像进行预处理，如果是彩色图像就要对图像进行灰度处理，如果本身就是灰度图像则对其进行阀值调整，然后获取图像直方图，通过分析直方图信息选择合适的算法获取图像的二值序列，最终获得二值图像。水印生成算法图如下(图2-12): 图2-2 水印生成图 2.3 水印的嵌入 水印的嵌入过程就是把已生成的水印与原始的图像经过叠加操作，同时也能在嵌入的过程添加密钥文件，用来控制水印插入的强度、位置等，从而增强水印的鲁棒性，嵌入水印的过程也是整个水印系统重要的环节。水印的嵌入图如下(图2-3): 图2-3 水印嵌入图 2.4 水印的提取和检测 水印的提取过程是水印嵌入的逆过程，水印的检测过程是指从已添加数字水印的图像中提取出水印信号，并经过还原算法(如果水印经过加密则需要提供水印生成时的密钥进行还原)，尽可能准确的还原出原有的水印文件，再判断是否与原水印相符【9】。水的提取检测图(图2-4): 9 图2-4 水印提取检测图 2.5 静态图像数字水印的攻击 静态图像数字水印攻击的主要作用是对现有的水印系统的算法进行检验，查看其数字水印的鲁棒性、安全性等几个方面，有助于发现问题加以改善。具体的攻击方式主要有鲁棒性攻击，表示性攻击，几何变形攻击等。 1)鲁棒性攻击 鲁棒性攻击(Robustness Attack)指在不损害载体数据使用价值的前提下减弱、移去或破坏水印，也就是前文所提及的各种信号处理操作。用于版权认证的鲁棒水印技术是一个具有相当难度的研究领域，到目前为止还没有一种算法能够经得住所有种类的攻击。典型的攻击方式有噪声攻击、椒盐攻击。 2)表示性攻击 表示性攻击(Presentation Attack)是试图破坏载体数据和水印的同步性，使得水印嵌入和水印提取这两个过程不对称，从而使得水印的恢复交得不可实现的攻击方法。又称为同步攻击(Synchronization Attack)。最典型的表示性攻击是马赛克攻击。 3)几何变形攻击 几何变形攻击(Geometrical Distortions Attack)采用的是对 10 数据施加几何变形方法，如缩放、偏移、旋转、扭曲、裁剪、像素置换、像素的插入或抽取等。一个采用几何变形攻击的应用例子就是著名的水印测试工具StirMark。 3 静态图像数字水印技术中常见算法 目前，在静态图像数字水印的算法可分为静态图像数字水印生成算法和静态图像数字水印嵌入、提取检测算法两个方面。静态图像数字水印生成算法方面主流的算法是二值图像算法，静态图像数字水印嵌入、提取检测算法中常见的变换 有DCT离散余弦变换、DFT离散傅立叶变换、DWT离散小波变换三种算法。其中DCT算法最为常见、应用最多，因此将会做详细的介绍。 3.1 水印二值图像算法 二值图像水印的算法通常采用n*m分块方式，每个区块只有两种颜色，黑色和白色，图像中所有的像素用0和1这两个数字代表。二值图像用一个由0和1组成的二维矩阵或序列表示，常见的二值化算法有灰度门限二值化算法、Dither矩阵二值化算法。二值图像操作时可以加入相应的加密算法用来控制二值图像的区块排序，从而是水印具有更高的安全性和实用性，常见的算法有MD5加密算法、AES加密算法、混沌序列加密算法。 3.1.1 二值化算法 1)灰度门限二值化算法:分析灰度图像的直方图如果有明 11 显的双峰，可以使用此算法，在峰谷取得相应的灰度级别,作为门限【12】，设f(x,y)为扫描点上二值化图像的灰度值，则: 1f(x,y) 0 景灰度级别全为0。 f(x,y) Tf(x,y) T (公式3-1) 具有双峰特征直方图的图像经过固定门限二值化之后，前景灰度级别全为1，背 2)Dither矩阵二值化算法:Dither矩阵的各个元素值成等差等差数列，相邻的元素在空间上的平均距离最大，便于计算我们一般把图片分成,*,的区块，然后将相应的矩阵元素进行比较，若像素的灰度值小于相应的矩阵元素值结果记为0，反之记为1。矩阵公式: Txy a11 a m1a1n (公式3-2) amn 3.1.2 二值序列加密算法 1)混沌序列加密算法【13】:最为成熟的混沌加密技术是Logistic映射，假设二值图像序列为,,k; k=0,1,2...,，矩阵为,,,*,，,(,,,)为元素值。则混 沌序列生成公式如下: 10 f(x,y) 1Txy (公式3-3) 0～1 f(x,y) 0 12 加密的二值混沌序列即:,,(Xk); k=0,1,2..., 2)MD5加密算法:MD5加密算法源于密码学的Hash函数，可以将二值序列转换为128二进制序列，然后根据二值矩阵,,,*,与MD5序列进行异或运算，得到一个加密处理的矩阵，生成加密水印图片。 3.2 数字水印嵌入提取检测算法 3.2.1 离散余弦变换算法 离散余弦变换(DCT，Discrete Cosine Transform)是一种与傅立叶变换紧密相关的数学运算。在傅立叶级数展开式中，如果被展开的函数是实偶函数，那么其傅立叶级数中只包含余弦项，再将其离散化可导出余弦变换，因此称之为离散余弦变换。由Cox提出基于扩频技术的水印算法，使用DCT将图像转换成频域表示，对除去直流分量的DCT系数进行排序，然后服从正态分布的随机实属序列叠加到前L个DCT的系数上，再进行反DCT变换，得到已嵌入的数字水印信息。DCT变换整体运算量要比其他几种算法小，并且DCT与国际通用压缩标JPEG、MPEG-2、MPEG-4、H261、H263等变准兼容，因此该算法在水印系统中用的最多。 1)DCT算法水印信号嵌入:首先按水印信号生成算法生成水印二值信号f，其次将原宿主图像按8×8分块进行DCT变换，然后将水印信号f嵌入其部分DCT低频系数中，从而完成水印信号的叠加，最后进行分块 DCT反变换，得到 13 嵌入水印后的视频。 2)DCT算法水印信号提取:首先将原始载体图像按8×8分块进行DCT变换，再将水印载体按行8×8分块的DCT变换，然后对其求差，依据原始图像的分块信息提取出水印信息。 3)离散余弦变换的公式【18】:对于一个N*M的图像f(x,y)的二维DCT定义为: 2C(u)C(v)N～1N～1(2x,1)u (2y,1)v (公式3-4)正变换 F(u,v) f(x,y)coscos N2N2Nx 0y 0 2C(u)C(v)N～1N～1(2x,1)u (2y,1)v (公式3-5)逆变换 f(x,y) F(u,v)coscos N2N2Nx 0y 0 其中u,v=0,1, ...N-1;x,y=0,1, ...N-1; C(u),C(v)(u,v 0) (公式3-6)等效式 1(u,v 0) 3.2.2 离散傅立叶变换算法 离散傅立叶变换(DFT，Discrete Fourier Transform)是一种经典而有效的数学模型，DFT变换具有变换不变性，对图像的空间座标平移不敏感，可以利用变换后的相位信息嵌入水印。其优点在于能把信号分解为相位信息和幅度信息，缺点就是抗压缩能力比较弱，计算复杂，效率低。同时由于是数学模型无法和国际上通用的压缩算法 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 兼容，所以应用于水印方面的研究较少。 14 傅里叶变换在时域和频域上都呈离散的形式，将信号的时域采样变换为其DTFT的频域采样。在形式上，变换两端(时域和频域上)的序列是有限长的，而实际上这两组序列都应当被认为是离散周期信号的主值序列。 离散傅立叶变换的公式: 对于N点序列,x[n],0?n ] (公式3-7)正变换 其中k=0,1, ...N-1 (公式3-8)逆变换 其中n=0,1, ...N-1 3.2.3 离散小波变换算法 离散小波变换(DWT ，Discrete Wavelet Transform)是指在特定子集上采取 缩放和平移的小波变换，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。DWT是一种时间—频率信号的多尺度分析的算法，具有多频率特性，分层特性，使得水印的嵌入和检测能在某个部分或某几个部分进行。同时DWT具有复合视觉特性，与人类的视觉系统特性相吻合，同时其特征化与定位攻击能力更加强大，而且运算量要比DCT小一些。DWT与当前的图像压缩标准JPEG2000和视频压缩标准MPEG-7标准兼容，利用小波变换产生的水印在很大程度上保证了原有视频的视 15 觉效果，并提供抵抗多种攻击的能力，但是目前普及率较低，相关的应用研究较少，本文不做叙述。 小结:经过算法分析，离散余弦变换(DCT)算法与主流的JPEG编码算法相兼容，算法结构更简便，离散傅立叶变换(DFT)属于数学模型，无法和国际主流的视频压缩标准相兼容，因此应用领域狭小，而离散小波变换(DWT)兼容下一代的国际压缩标准，目前普及度较低。 4 静态图像数字水印技术实现的方式 目前数字视频水印研究在代码实现方面主要有种途径一是采用MathWorks公司的Matlab，第二种是VC++编程 4.1 MATLAB实现静态图像数字水印技术 4.1.1 MATLAB简介 Matlab是当前在国内外十分流行的工程设计和系统仿真软件包。它是MathWorks公司于1982年推出的一套高性能的数值计算和可视化软件，它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，构成了一人方便的、界面友好的用户环境。 Matlab的推出得到了各个领域专家、学者的广泛关注，其强大的扩展功能为各个领域的应用提供了基础。由各个专家学者相继推出了MATLAB工具箱，其中的信号处理(signal 16 processing)、控制系统(control system)、神经网络(neural network)、图像处理(image processing)、鲁棒控制(robust control)、非线性系统控制设计(nonlinear system control 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研究和工程应用提供了有力的工具，借助于这些“巨人肩上的工具”，各个层次的研究人员可直观、方便地进行分析、计算及设计工作，从而大大地节省了时间。 4.1.2 MATLAB函数简介 对原始图像获取信息后，采用不同的变换，是实现频域法水印的至关重要的一步，MATLAB中对数据读写、一维信号和二维信号分别提供了各种变换和逆变换函数。调用dct(),idct()函数可对信号进行DCT变换与逆变换，调用dwt(),idwt()可对信号进行DWT变换与逆变换，用于信号的嵌入算法。调用Imread(),Iminfo()函数可以提取水印，用于水印提取。调用Imnosie,Imresize,Imwrite函数可以对图像进行噪声、裁剪、压缩操作，用于水印的攻击。 4.1.3 MATLAB(DCT算法)实现代码 1)生成嵌入水印(可嵌入密匙): 4.2 VC++ 和MATLAB混合编程实现数字视频水印技术 4.2.1 VC++ 简介 17 VC++ 全称是Microsoft Visual C++，由Microsoft公司在1998年推出的开发Win32环境程序，面向对象的可视化集成编程系统。它不但具有程序框架自动生成、灵活方便的类管理、代码编写 和界面设计集成交互操作、可开发多种程序等优点，而且通过简单的设置就可使其生成的程序框架支持数据库接口、OLE2，WinSock网络、3D控制界面。允许用户在调试期间重新编译被修改的代码，而不必重新启动正在调试的程序。其编译及建置系统以预编译头文件、最小重建功能及累加连结著称。这些特征明显缩短程式编辑、编译及连结的时间花费，在大型软件 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 上尤其显著。 5 结论 综上所述，本文介绍了数字水印在静态图像领域的应用，对数字水印的产生、发展及实现算法等方面做了相应的介绍，重点介绍了数字水印的离散余弦变换(DCT)，目前国内静态图像水印技术的研究主要集中在数字水印算法比较，数字水印加密技术和数字水印应用领域等方面，如何将数字水印技术应用于静态图像 方面的研究较少，有关静态图形数字水印系统的开发实现技术研究文献较少，而针对静态图像数字水印技术在静态图像版权保护方面的有着重要的意义，需要进一步的研究。 参考文献: 18 [1]求是科技，《Visual C++数字图像处理典型算法及实现》人民邮电出版社 2006.1 [2]北京图像图形学学会，《图像图形技术研究与应用(2010)》北京交通大学出版社2010.4 [3]胡小锋等，《Visual C++/Matlab 图像处理与识别实用案例精选》人民邮电出版社2004.9 [4]刘维:《精通Matlab与C/C++混合程序设计》北京航空航天大学出版社2008.1 [5]秦襄培 郑贤中等编《Matlab图像处理宝典》电子工业出版社 2011.9 [6] 李昊等，”基于正负量化的DCT域数字图像盲水印算法”，计算机工程与应用,2011.Vol 47 (5) [7] 赵伟等，”基于ICA和DCT的标准水印盲提取算法”，电子测量技术,2011.06 [8] 刘晓光等，”一种基于DCT域颜色分量的数字盲水印算法”，航空计算技术,2010.09 [9] 潘陆益，”一种基于DCT系数均值的盲水印算法”，计算机系统应用,2008.08 [10] 谭秀湖等，”一种非对称鲁棒性盲水印算法”，海军工程大学学报,2007.02 技术论坛: 数字图像处理及数字水印研究相关论坛 19 百度搜索“就爱阅读”,专业资料,生活学习,尽在就爱阅读网 92to.com,您的在线图书馆 20