图像水印技术研究与实现【文献综述】.doc

1、毕业设计文献综述 计算机科学与技术 图像水印技术研究与实现 一、前言部分： 近年来 ， 随着数字化技术的进步和 Internet 的迅速发展 ， 多媒体信息的交流达到了前所未有的深度和广度 ， 其发布形式愈加丰富了 。 网络发布的形式逐渐成为一种重要的形式 ，伴随而来的是多媒体数据的版权保护问题 。 因此多媒体信息版权保护问题成了一项重要而紧迫的研究课题 。为了防止窃取信息而使用的传统加密技术，在应用于图像版权保护上却存在一些缺点，比如图像被解密后与所有者无关，使用者可以对解密后的图像进行任何形式的电子传播；密文形式的图像更加容易引 起攻击者的注意；被加密的图像未解密前无法查看，而图像的传播就

2、是为了被查看，如此将严重影响人们利用网络的效率 1。 为了解决这一难题 ，近几年国际上提出了一种新的有效的数字信息产品版权保护和数据安全维护的技术一一数字水印技术 （ digtal watermarking）。 数字水印技术通过在原始媒体数据中嵌入秘密信息 水印来证实该数据的所有权归属 。 水印可以是代表所有权的文字、产品或所有 ID、二维图像 ， 视频或音频数据、随机序列等 。 主要应用于 ： 媒体所有权的认定 。 即辨认所有权信息 ， 媒体合法用户信息 ； 媒体的传播跟算法研究 。 该子模块的研究为解决网络制造产品版权保护问题奠定了基础数字水印技术 ， 又称数字签名技术 ， 成为信息隐藏技

3、术的一种重要研究分支 ， 为实现有效的信息版权保护提供了一种重要的手 段。 二、主题部分： 1 图像水印的基本原理 从图像处理的角度看，嵌入水印信号可以视为在强背景下迭加一个弱信号，只要迭加的水印信号 强度低于人类视觉系统 ( Human Visual System ， HVS) 的对比度门限 ， HVS 就无法感到信号的存在 2。对比度门限受视觉系统的空间、时间和频率特性的影响。 因此通过对原始信号作一定的调整 ，有可能在 不改变视觉效果的情况下嵌入一些信息，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 ) 上用扩频通信技术传输一个窄带信号 (水印信号 ) 。 尽管水印信号

4、具有一定的能量 ，但分布到信道中任一频率上的能量是难以检测到的。 水印的译码 (检测 ) 即是在有噪信道 中弱信号的检测问题。 一般来说，为了使水印能有效地应用于版权保护中，水印必须满足如下特性 : 1) 隐蔽性 水印在通常的视觉条件下应该是不可见的，水印的存在不会影响作品的视觉效果。 2) 鲁棒性 水印必须很难去掉 (希望不可能去掉 ) ，当然在理论上任何水印 都可以去掉，只要对水印的嵌入过程有足够的了解，但是如果对水印的嵌入只是部分了解的话，任何破坏或消除水印的企图都应导致载体严重的降质而不可用。 3) 抗窜改性 与抗毁坏的鲁棒性不同，抗窜改性是指水印一旦嵌入到载体中，攻击者就很难改变或伪

5、造。 鲁棒性要求高的应用，通常也需要很强的抗窜改性。 在版权保护中，要达到好的抗窜改性是比较困难的。 4) 水印容量 嵌入的水印信息必须足以表示多媒体内容的创建者或所有者的标志信息，或是购买者的序列号。 这样在发生版权纠纷时，创建者或所有者的信息用于标示数据的版权所有者，而序列 号用于标示违反协议而为盗版提供多媒体数据的用户。 5) 安全性 应确保嵌入信息的保密性和较低的误检测率。 水印可以是任何形式的数据，比如数值、文本、图像等。 所有的水印都包含一个水印嵌入系统和水印恢复系统。 水印的嵌入和提取过程分别 。 6) 低错误率 即使在不受攻击或者无信号失真的情况下，也要求不能检测到水印 (漏检

6、、 false -negative) 以及不存在水印的情况下，检测到水印 (虚检、 false - positive) 的概率必须非常小 2。 2 小波变换历史 小波变换（ wavelet transformation） 3基本概念是 以某些特殊函数为基将数据过程或数据系列变换为级数系列以发现它的类似频谱的特征，从而实现数据处理。 法国从事石油信号处理的工程师 J.Morlet 在 1974 年首先提出的，通过物理的直观和信号处理的实际需要经验的建立了反演公式，当时未能得到数学家的认可。正如 1807 年法国的热学工程师 J.B.J.Fourier提出任 一 函数都能展开成三角函数的无穷级数的

7、创新概念未能得到认可一样。幸运的是，早在七十年代， A.Calderon 表示定理的发现、 Hardy 空间的原子分解和无条件基的深入研究为小 波变换的诞生做了理论上的准备，而且J.O.Stromberg 还构造了历史上非常类似于现在的小波基； 1986 年著名数学家Y.Meyer 偶然构造出一个真正的小波基，并与 S.Mallat 合作建立了构造小波基的统一方法 -多尺度分析之后， 小波分析才开始蓬勃发展起来 ，其中比利时女数学家I.Daubechies 撰写的 小波十讲 （ Ten Lectures on Wavelets）对小波的普及起了重要的推动作用。与 Fourier 变换、视窗 F

8、ourier 变换（ Gabor 变换）相比，具有良好的时频局部化特性，因而能有效的从信 号中提取资讯，通过伸缩和平移等运算功能对函数或信号进行多尺度细化分析（ Multiscale Analysis），解决了 Fourier 变换不能解决的许多困难问题，因而小波变化被誉为 “ 数学显微镜 ” ，它是调和分析发展史上里程碑式的进展。 3 小波变换在图像处理上的应用 小波变换是空间 (时间 )和频率的局部变换 4，因而能有效地从信号中提取信息。信号和信息处理专家认为，小波分析是时间 尺度分析和 多分辨分析 4的一种新技术 。在图像处理方面 ，小波变换 是对图像进行多分辨率分解，分解成不同空间、不

9、同频率的子图像，然后再 对子图像的系数进行处理。对系数的处理是小波变换用于图像处理的核心。根据 S.Mallat 的塔式分解算法，图像经过小波变换后被分解成 2 个部分，即低频平滑部分 (LL)和高频细节部分 (LH、 HL、 HH)，共 4 个子带。其中， LH、 HL、 HH 分别对应水平、垂直、对角线方向的边缘和细节，这个分解过程可重复地用于分解 LL 部分 4。图像经过小波分解后生成的小波图像具有与原图像不同的特性，表现在图像的能量主要集中在低频部分，即图像的主要部分，也是视觉重要部分；而图像的高频部分，即图像的细节部分能量较少。且分辨率越低，各部分中 的有用信息的比例越高 5。 4

10、应用于图像水印技术的小波变换 1）基于小波变换的图像水印算法是自适应性。这种特性 为分析图像的局部特性 (如边缘和纹理等特性 )提供了很好的空间一尺度定位 6。 小波变换所使用的基于变换域的技术可以嵌入大量比特数据而不会导致可察觉的缺陷，往往采用类似扩频图像技术来隐藏数字水印信息 7。同时 由于小波对图像的多分辨率表示，因此该方法在嵌入水印时，可根据各自的重要程度对图像进行分级处理，这一点已经在图像编码中应用得相当广泛 ,小波变换的这一特性可以实现水印的渐进编码和传输 12。将水 印信息直接叠加到图像的空间域上的算法叫做空域算法。基于小波变换的水印和基于分块 DCT 的水印不同，它具有不同的空

11、间支持区域，因而具有局部水印和全局水印的双重优点，基于局部空间支持的水印分量可以抵抗诸如剪切一类的攻击，而基于全局支持的水印则对低通滤波和图像缩放等攻击有较强的稳健性 9。 2）基于盲水印检测的 DWT 算法。该算法首先对原始图形进行小波变换，根据人类具有的视觉掩饰特性对低频分量进行一定的量化，同时可不影响视觉效果，并对水印的图像进行压缩和二值化处理，形成一维的二值序列，根据二值序列的值对上述量化后的 原始信号的低频分量进行视觉阀值范围内允许的修改，从而实现水印的嵌入 10。水印的提取过程是对含有水印的图像进行小波变换，对低频分量同样进行量化处理，为了增大算法的安全性，可以对水印形成的二值 0

12、， 1 序列在嵌入前进一步进行伪随机序列调制，相应的在水印提取过程需要增加伪随机序列调解的步骤 11。这样，不知道伪随机序列的攻击者即使推测出水印的嵌入规律，也无法提取水印。大大增加了水印系统的透明性和鲁棒性。 5 MATLAB简介 MATLAB 和 Mathematica、 Maple 并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在 数值计算 方面首屈一指。 MATLAB 可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程 语言的程序等，只要用于工程计算、控制设计、信号处理和通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计和分析等领域 8。 MATLAB 的基本数据单位是矩阵，它的

13、指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用 C， FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且 mathwork也吸收了像 Maple 等软件的优点 ,使 MATLAB 成为一个强大的数学软件。 三、总结部分 近年来随着 Internet 网络用户的飞速增加，以及电子商务的加速发展，各种媒体特别是图像及影音媒体的安全性要求进一步提高，应用于版权 保护和安全认证的图像水印技术更是受到了极大的重视，活跃于网络防盗版的前线，为各大网站、公司的版权保护贡献了很大的一股力量。现如今世界各地特别是中国的反盗版活动越来越多，图像水印技术越来越为广大深受盗版影响的网站公司

14、所使用。但是图像水印技术仍然不够成熟，鲁棒性和抗篡改性依旧需要得到更大的提升，还有很多问题亟待解决。图像水印技术普遍存在一些局限，例如不知道能够隐藏多少位、没有真正健壮的盲图像水印算法、所有者能去除标记等，相信随着数学家和密码学家的努力，先进的信号处理技术和密码设计思想的产生，使得图像水印技术更加 成熟，也更为广泛的得到发展应用。 四、主要参考文献 1 杨福生 . 小波变换的工程分析与应用 M.北京 :科学出版社， 2000. 2 蔺鹏， 张永， 鲁江 . 一种彩色图像处理的水印新算法 J. 兰州工业高等专科学校学报 ， 2005， (04) . 3 冉启文 .小波变换与分数傅立叶变换理论及应

15、用 M.哈尔滨 :哈尔滨工业大学出版社，2001. 4 秦前清 .实用小波分析 M.西安 :西安电子 科技出版社， 1998. 5 章毓晋 .图象分割 M.北京 :科学出版社 .2001. 6 蔺鹏 , 张永 . 基于离散小波变换的彩色图像水印算法及其 MATLAB实现 J. 兰州工业高等专科学校学报 , 2005,(01) . 7 郑宏兴 ,姚纪欢 .MATLAB5.X工具箱使用技巧与实例 M.武汉 :华中科技大学出版社 ,2001. 8 王晓丹，吴崇明 .基于 MATLAB的系统分析与设计 -图像处理 M.西安 :西安电子科技大学出版社， 2000. 9 徐祥兵 . 基于小波变换的两重图像

16、数字水印技术 J. 商丘职业技术学院学报 2006，(02). 10 周术诚 ,周明全 ,耿国华 .基于小波变换的自适应阈值三维图像分割 J.计算机应用与软件 .2006,23(10):20-22. 11 A.B.Watson.DCT quantization Matrices Visually Optimized for Individual Images M .SPIE:Human Vision， Visual Processing and Digital Display ， Vol.202 216， 1999. 12 Campbell F.W.， and Kulikowski J.J.，

17、 Orientational selectivity of the human visual 13 Lewis A.S.and Knowlets G， Image compression using the 2-d wavelet transform，IEEE Transactions on Image Processing， vol.1， April 1992 14 Stefan Katzenbcisser,Fabien A.P.Petitcolas,信息隐藏技术 -隐写术与数字水印M.北京 :人民邮电出版社 ,2001. 15Jian Ren. A cryptographic watermarking technique for multimedia signalsJ. Advances in Computational Mathematics.