通信工程毕业论文_图像数字水印技术的研究及仿真实现.doc

1、本科毕业论文（20 届）图像数字水印技术的研究及仿真实现所在学院 专业班级 通信工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I摘 要图像数字水印技术是一种数字产品版权保护和数据安全维护的技术，在实际应用中十分贴近信息隐藏技术。图像数字水印是将如序列号一类具有特定意义的标记，利用数字嵌入的方法在数字图像中隐藏，用以证明该作品创作者对其的所有权，并作为鉴定、起诉及处理非法侵权行为的证据，同时对水印的检测和分析能够保证数字信息的完整可靠性，从而成为新兴的知识产权保护和数字多媒体防伪的有效手段。目前数字水印技术的研究主要应用于判别目标文件是否受保护，因此针对数字水印的不可见隐性和鲁棒特性，

2、本课题提出了图像数字水印技术的置乱、嵌入、攻击测试，提取与恢复的研究课题。主要研究的是图像数字水印技术的置乱，嵌入，攻击测试，提取与恢复的关键技术，其中包括对二值图像数字水印进行 Arnold 变换，针对图像可由人眼视觉系统HVS 进行频率掩蔽、亮度掩蔽和对比度掩蔽等特性，提出了一种基于 Arnold 变换的于 DCT 域中频处理的数字水印算法。本课题通过算法设计步骤，在 Windows XP 操作系统实验环境下，借助 Matlab7.1 版本软件，设计并实现针对于图像数字水印的置乱、嵌入、攻击测试，提取与恢复，来检验实现数字水印的不可见隐性和鲁棒特性。首先对水印进行二值化预处理并置乱，对原始

3、载体图像进行分割、在中低频段选择嵌入位置进行嵌入，其次进行压缩、滤波、噪声及旋转等十余种攻击测试，将测试后的图像应用嵌入算法的逆过程实现提取并恢复数字水印。关键词：数字水印；Arnold 变换；中频 DCT 域；二值化；II不可见隐性和鲁棒特性ABSTRACTThe digital watermarking is a technology of digital product copyright protection and data security, and it is close to the information hiding technology in the practical

4、application.Digital image watermarking is will such as sequence numbers for a class with specific markers, using method of embedding digital hidden in the digital image, to prove ownership of the creator, and as identification, prosecution and deal with illegal acts of infringement evidence, at the

5、same time, the watermark detection and analysis to ensure the integrity of the reliability of digital information, thus becoming the new intellectual property rights protection and the digital multimedia security effective means.Current digital watermarking technology research is mainly used to disc

6、riminate the target file is protected, so for digital watermark invisible invisible and robust characteristics, this topic proposed for digital image watermarking scrambling, embedding, attack detection, extraction and recovery of the research topic.Mainly studies the digital image watermarking scra

7、mbling, embedding, attack test, extraction and recovery of key technologies, including Arnold transform of the binary image digital watermarking, according to the characteristics of the images by the human visual system (HVS) frequency masking, luminance masking and contrast masking is proposed a di

8、gital IIIwatermarking algorithm in the DCT domain if processing based on Arnold transformation.This topic through the steps of the algorithm design, under the environment of Windows XP operating system experiment, with the aid of Matlab7.1 software version, the design and implementation of needle fo

9、r digital image watermark scrambling, embedding, attack test, extraction and recovery, to test the implementation of digital watermark is not visible invisible and robust characteristics.First the watermark of binarization processing juxtaposition of chaos, of the original carrier image segmentation

10、, in low-frequency embedding position is selected to embed, followed by compression, filtering, noise and rotation of the more than ten kinds of attack testing, test image using embedded algorithms of inverse process to achieve the extraction and recovery of the digital watermarking.Keywords: Digita

11、l watermarking; Arnold transform; if DCT region; two valued; invisible implicit and robust propertiesIV目 录第 1 章 绪论 .11.1 课题研究的背景及意义 .11.2 课题发展历程及未来发展方向状 .21.2.1 数字水印技术简介 .21.2.2. 数字水印的分类 .31.2.3 数字水印技术的发展 .41.2.4 数字水印的应用 .51.2.5 数字水印数字化技术外国与中国的钻研动向 .61.2.6 对图像水印技术数字化现况的钻研分析 .81.2.6 论文结构安排 .91.3 本章小结

12、 .10第 2 章 基图像数字水印技术理论基础 .112.1 数据水印 .112.1.1 数字水印的典型算法 .112.1.2 变换域水印算法 .112.1.3 压缩域水印算法 .122.1.4 NEC 算法 .132.1.5 生理模型算法 .132.2 数字水印的评价指标 .142.2.1 不可感知性评测 .142.2.2 鲁棒性评测 .152.3 基于 Arnold 变换和 DCT 域的数字水印算法 .162.3.1Arnold 变换的基本原理 .162.3.2 Arnold 变换的特点 .172.3.3 DCT 域数字水印算法特点 .202.4 本章小结 .22第 3 章 图像数字水印技

13、术设计实现 .233.1 算法设计流程 .233.1.1 水印预处理 .233.1.2 水印嵌入 .23V3.1.3 水印攻击测试 .243.1.4 水印提取与恢复 .243.2 程序流程图 .253.3 软件编码及使用 .263.3.1 实验环境与对象 .263.3.2 软件原理简介 .273.3.3 软件实验步骤 .273. 4 本章小结 .28第 4 章 图像水印数字化技术攻击测试结果展示与分析 .294.1JPEG 压缩攻击 .294.2 噪声攻击 .314.2.1 高斯噪声攻击 .314.2.2 椒盐噪声攻击 .334.3 剪切攻击 .334.4 滤波攻击 .344.5 旋转攻击 .

14、354.6 结果差异比较 .364. 7 本章小结 .38结论 .39参 考 文 献 .40致 谢 .41图像数字水印技术的研究及仿真实现1图像数字水印技术的研究及仿真实现第 1 章 绪论1.1 课题研究的背景及意义在数字多媒体和网络技术蓬勃发展的今天，对于数字产品的创作者们而言，一种高效便捷可行的方法用以保护专属版权和知识产权被急切需要。而数字图像、音频、视频等多媒体作品不同于其他作品，其在网络环境下的流通十分迅速，通过网络环境进行传输的数据文件或作品，有可能存在侵权现象，即具有恶意的个人或团体在没有得到作品所有者或创造者允许的前提下拷贝和传播甚至非法占有该版权的内容，由此可见，通信系统的信

15、息安全问题日益暴露出来。因此，在我们身处的网络环境中，如何能够实施有效的版权保护和信息安全手段成为一个迫在眉睫，备受关注的现实问题，而本课题，作为一种数字产品版权保护和数据安全维护的信息隐藏技术，不仅新兴有效，且贴近实际应用，应运而生，为上述问题提出了一个完美简洁的解决方案,是一种即便在开放的网络环境下也能进行保护版权和认证来源及完整性的新技术。图像数字水印是将如序列号等在内的具有特定意义的标记，利用数字嵌入的方法在数字图像中隐藏起来，用以证明创作者和归属者对其作品的所有权，并作为鉴定、起诉及处理非法侵权行为的证据，同时为保证数字信息的完整可靠性，可通过对水印进行检测和分析，从而成为新兴的知识

16、产权保护和数字多媒体防伪的有效手段。图像数字水印技术的研究及仿真实现2上个世纪九十年代初，初步形成数字水印技术，与此同时，数字化信息媒体成指数发展，所以该技术在九十年代中后期逐渐汇聚成数字媒体安全领域、多媒体领域的研究热点。通常传统情况下，人们往往认为且采用通过加密（Cryptopraphy)方法来完成和实现通信系统和过程的安全。即发布密文，多媒体数据文件被加密后成为密文，使得非法攻击者即使在网络传递过程中出现拦截也无法从密文获得机密信息，进而达到目的来保护版权和信息安全。但是密码学并不能系统包揽解决全部问题，而且信息隐藏技术可以解决弥补密码技术的传统缺陷，不但隐藏信息的内同而且隐藏信息的存在

17、，把版权信息和产品序列号等可以用于表示作品所有者版权的信息藏入到需保护的数字作品中，可表示版权归属。同时也可以作为铁一样的证据出现在侵权诉讼处理中，为追查盗版仿版者提供线索，更妥善有利地保护创作者的版权。1.2 课题发展历程及未来发展方向状1.2.1 数字水印技术简介数字水印（Digital Watermark）技术首先是在不改变和影响原数据文件内容的意义价值和使用的前提下，运用一定的算法将包括序列号在内的部分标志性信息直接嵌入到多媒体文件内容中去，并且需做到人的感知系统并不能发现觉察或注意到，提取时只能通过专业的检测仪器或阅读器。其中的水印信息可以是作者的序列号、公司标志、有特殊意义的文本等

18、，可用来识别文件、图像或音乐制品的来源、版本、原作者、拥有者、发行人、合法使用人对数字产品的拥有权。虽然数字水印技术不能阻止和抑制盗版侵权行为的产生，不图像数字水印技术的研究及仿真实现3同于加密技术，但它可以判别目标多媒体文件是否已经受到保护，除此之外，可以跟踪监视目标多媒体数据文件的传播、鉴别真伪和识别非法条件拷贝，在版权纠纷时为法庭提供依据。须具有以下特性的数字水印才可嵌入数字图像作品中：不可见隐性，即无人察觉，并且不会引起原图像明显的清晰度模糊，质量下降，即应该做到不能被发现数字水印的存在。鲁棒性，即在传输过程中存在的噪声、压缩、滤波，和图像自身的形态变换如伸缩、剪裁、平移、旋转等处理下

19、，不容易完全破坏数字水印，产生失真。安全性，即对于嵌入水印的载体图像和水印本身，没有授权的第三方对检测水印的方法一无可知而且不可轻易破解，所以，受了该保护，即使黑客检测到了目标文件也不能读出。由上述可知，图像数字水印技术中，水印的鲁棒性与数据量十分矛盾。完全理想的算法是协调满足二者，即能抗无论何种信道噪声与信号变形，同时也能隐藏大量数据。可理想效果很难实现，实际处理时，不能同时实现这两个指标，而实际应用中大部分情况只侧重其中的一方面。情况一如果要隐蔽通信效果好，数据量排位首先，该情况下通信方式十分隐蔽，遭遇拦截和篡改攻击的可能性极小，因而鲁棒性要求极小甚至不要求。但对情况二，如果要保证数据安全

20、，情况完全恰恰相反，拦截、篡改和盗取各种保密数据的危险可能随时发生，所以最重要的是鲁棒性， 这时，对要求隐藏数据量的需要就变小了。1.2.2. 数字水印的分类从外观上分类，可分为可见水印和不可见水印。在载体文件中看的到的水印，类似于可视的纸张水印一类称之为可图像数字水印技术的研究及仿真实现4见水印。而当今应用的相对广泛的是不可见水印，表面上很难察觉出来，但它实际已经加载到了视频、音频和图像中了，所以当需要验证提取时，可以从中恢复出来以证明所有者。1.2.3 数字水印技术的发展从外观上分类，该技术的初始始于 1990 年，ICIP94会议可以说是数字水印技术的真正开端，在该会上，Van Schy

21、ndel 发表了一篇题为“A digital watermark”的学术研究报告，标志着该领域的开始。1996 年至今，数字水印技术不断发展，受到更多关注，产生了很多原来没有的钻研课题和方向，并且研究界分别在 96 年、98 年和 99 年举办了三次信息不可见技术国际交流会，发表了一系列高质量论文，同时，政府介入和很多有名望企业、工厂和公司的参加及投资，使的数字图像水印几乎变成日前信息科学发展前端的新兴讨论热潮。不仅国内掀起了热潮同样的事情也发生在美国，例如当时麻省理工学院的媒体实验室，可以看成代表部分，有大批的研究所和机构完成了申请并被授予数字水印专利资格的认证。同样，我国学术界也紧随其后开始关于信息隐藏的研究。并且，国家支持下的以“863”为代表，像“973”、自然科学国家基金等部分都有着对此项研究的项目资金及资源的资助投资，各大学内知名学者专家也参加过会议，完全可以反映中国对数字图像水印领域的看重程度和大量投入。按照日前的发展展望下去，中国的数字水印技术有关部分区域也正逐步形成了自有的崭新的开放性的钻研思路，逐步追赶着世界上的与之相齐平的水平。单针对项目结果而说，大多项目的开发在起步阶段就受到了限制，也并未产生相对系统的基础理论体系，能够应用在现实情况里的部分少之又少。但随