电子信息工程毕业设计：基于DCT的数字图像水印设计.doc

1、本科毕业论文（20 届）基于 DCT 的数字图像水印设计所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 本科毕业论文（设计）本科毕业论文（设计）诚信责任书本人郑重声明：本人所呈交的毕业论文（设计），是在导师的指导下独立进行研究所完成。毕业论文（设计）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。特此声明。论文（设计）作者签名： 日 期： 本科毕业论文（设计） 第 I 页目录目录 .I摘要 .IIIAbstract .IV第一章 绪论 .11.1 研究的背景及意义 .11.2 国内外的研究现状及发展趋势 .21.3 主要应用领域 .31.

2、4 仿真应用平台介绍 .41.5 本章小结 .5第二章 数字水印概论 .72.1 数字水印技术的概念 .72.2 数字水印的基本特征 .72.3 数字水印的分类 .72.4 典型算法 .82.5 应用中数字水印常见的攻击方式 .92.6 本章小结 .10第三章 基于 DCT 的变换 .113.1 离散余弦变换(DCT) .113.2 常用嵌入规则 .133.3 颜色模型的选择 .133.4 边缘算子选择 .143.5 水印系统流程 .153.6 本章小结 .17第四章 基于 DCT 的水印系统设计 .184.1 水印系统嵌入 .184.2 水印提取 .244.3 峰值信噪比和归一化系数的计算

3、.29本科毕业论文（设计） 第 II 页4.4 本章小结 .30第五章 实验结果分析 .325.1 高斯噪声 .325.2 高斯低通滤波 .345.3 椒盐噪声 .365.4 图像旋转 .385.5 图像剪切 .405.6 JPEG 压缩 .425.7 本章小结 .45结论 .46参考文献 .47致谢 .48本科毕业论文（设计） 第 III 页基于 DCT 的数字图像水印设计摘要21 世纪，我们生活在一个数字化信息的时代。计算机网络、通信技术的普遍运用给我们的生活带来了许许多多的便捷。但同时这种开放式网络数字化信息的便捷也带来一些待解决的问题，例如信息的安全性、信息的完整性等等。例如这种数字化

4、的数据使得多媒体文件可以轻易的纂改或者拷贝等。入侵者可以通过拷贝得到与原始文件一样的文件使得创作者的版权遭受到侵害以及经济带来严重的破坏，以及纂改或者拦截一些重要的信息造成信息危机。信息的隐藏技术重要性尤为突显。如何保证信息的安全性、完整性成了待解决的燃眉之急问题。而数字水印技术就是通过在数字作品的空域、变换域等到嵌入不可感知的数字水印，同时数字水印具有较好的鲁棒性和稳健性，可抗击噪声攻击、压缩、低通滤波等等一些常见的攻击。在数字作品发生争议的时候通过特定的算法提取出水印。通过水印可对版权或者信息的完整性进行认证，从而保证了信息的完整性。本论文主要介绍了数字水印的目的意义、国内外现状、基本特征

5、最后设计一个水印系统在 DCT 变换域上对载体图片嵌入一个二值水印，得到一个鲁棒性和稳健性较好的含水印的图像。关键字：信息隐藏，数字水印技术，DCT 变换，鲁棒性，稳健性本科毕业论文（设计） 第 IV 页Design of digital image watermark based on DCTAbstractIn twenty-first century, we live in a digital information era. The computer network communication technology and the widespread use of our lives

6、 to bring a lot of convenience. But at the same time the open digital information network convenience also brings some problems to be solved, such as security, information integrity etc. For example, the digital data makes multimedia files can be easily falsified or copy. Intruders can use copy as t

7、he original file as the file the creators copyright suffered abuse and economy brought serious damage and tampering or intercept some important information from the crisis information. The importance of information hiding technology is particularly prominent.How to ensure the safety and integrity of

8、 information has become the urgent problem to be solved. And digital watermarking technology is through the digital works of space domain and transform domain until into the perception of digital watermarking and digital watermark has good robustness and stability, some common attacks against noise

9、attacks, compression, low pass filtering and so on. When the dispute occurred in the digital works through a specific algorithm to extract the watermark. The watermark can verify the integrity of the copyright or information, so as to ensure the integrity of the information.This paper mainly introdu

10、ces the digital watermarking of the purpose and significance, the status quo at home and abroad, the basic characteristics of the best design a watermarking system in DCT domain to picture carrier to embed a binary watermark, a robustness and stability better watermarked image.Key words: Information

11、 hiding, digital watermarking technology, DCT transform, robustness, robustness本科毕业论文（设计） 第 1 页第 1 章 绪论 1.1 研究的背景及意义21 世纪，我们生活在一个数字化信息的时代，在这个科技飞速发展的今天我们的生活品质发生了巨大的变化。计算机网络、通信技术的普遍运用在充斥着我们生活中的每一个角落。从以前的远在千里之外的思念只能通过信件表达浓浓的相思。但这也要几天才能传达到，再到今天的万里之外也只需轻轻点下 QQ 视频或者拨下 4G 通话便可以轻轻松松的看见到对方即时的状态。再多的思念；再浓的乡愁；再

12、急的讯息都可以让你即时传达。可见在这个数字化信息时代里给我们的生活带来了许许多多的便捷。但同时这种开放式网络数字化信息的便捷也带来一些待解决的问题，例如信息的安全性、信息的完整性等等。例如这种数字化的数据使得多媒体文件可以轻易的纂改或者拷贝等。入侵者可以通过拷贝得到与原始文件一样的文件使得创作者的版权遭受到侵害以及经济带来严重的破坏，以及纂改或者拦截一些重要的信息造成信息危机。如何保证信息的安全性、完整性成了燃眉之急的问题。而数字水印技术就是通过在作品到嵌入不可感知的数字水印，同时数字水印具有较好的鲁棒性和稳健性，可抗击噪声攻击、压缩、低通滤波等等一些常见的攻击。在作品发生争议的时候通过特定的

13、算法提取出水印。通过水印可对版权或者信息的完整性进行认证，从而保证了信息的完整性。数字水印技术和传统密码学技术不同的是它可以在开放的网络环境下对数据的来源进行完整性认证以及可以对作品的版权起保护作用。数字水印技术主要是将水印信息通过嵌入系统嵌入到多媒体数据载体中，同时水印信息具有不可感知性。人们只有通过特定的检测工具对待检测作品进行提取水印信息才能得到隐藏的信息，因此在当今信息时代里是信息安全研究的另一个新的方向。而密码技术主要是对数据进行加密，即时在数字数据传输当中被黑客拦截获取，但是因为入侵者没有密钥无法对密文进行解密获取密文中的重要信息从而起到对数据信息的安全和版权保护。但是密码技术也有

14、一定的局限性，一旦加密后的数据被非法攻击者拦截并成功破译后，它将与普通的数据文档一样随便被人获取里边的重要信息。所以密码技术只能保护传输中的内容，而文件一旦破译就不再起保护作用了。本科毕业论文（设计） 第 2 页数字水印技术可以起到对载体数据的版权和完整性认证，而密码技术可以对传输中的数据内容进行保护。在当今信息时代里通过对数字水印技术与密码技术的融合使用可以使数据的安全性得到一个质的提升和更广阔的应用前景。它可以对数字数据的版权来源认证，数据的追踪和检测以及对数据纂改鉴定中起到重要的作用。1.2 国内外的研究现状及发展趋势1.2.1 空间域数字水印研究 空间域数字水印与频域数字水印不同的是直

15、接对载体数据的亮度或彩色光带上引入一个调制信号更改载体数据的信息。空间域的主要算法有 Patchwork 算法、文本水印算法、Schyndel 算法等，而在目前最常用的还是基于最不显著位的 LSB 方法。因为载体的最不显著位对载体的质量影响最微弱，所以通过对载体空间域的 LSB 替换上水印信息对载体数据的品质影响并不大。但是因为要考虑嵌入的水印信息的隐蔽性，所以对嵌入的水印强度空间局限性就比较大。空间域的数字水印鲁棒性较差，在经受压缩和量化后有可能就已经有大部分的水印信息被去掉。1.2.2 变换域数字水印研究 频域主要大体有：傅立叶域、DCT 域和 DWT 域等。傅立叶域的水印具有较强的鲁棒性

16、可以抵抗旋转、平移、缩放等一些常见的攻击。因为在傅立叶域对载体数据全局性旋转、平移、缩放变换具有不变性。 Ruanaidh 和Pun 就是利用这一特性提出在傅立叶域嵌入水印。DCT 域的嵌入主要思想是通过对水印数据进行 DCT 分块嵌入到载体数据的中频分量中。嵌入的位置选择中频是因为在数字信号处理中高频最容易遭受破坏，而人类的视觉对低频分量又比较敏感，如果在低频分量嵌入水印信息就相对容易被察觉到。最早的 DCT 分块方案的思想是由密匙在中频分量编码上随机选择数据载体分块通过改变分块的序列信息来嵌入水印。这种方案在 JEPG 有损压缩和低通滤波上有一定的稳健性。而另一种方案的思路是先通过对载体数

17、据进行 DCT 分块，然后把水印信息加载到预先预定的去除 DC 分量的低频上。水印信息由一组高斯分布的实数序列组成，并且嵌入在人类视觉最敏感的低频 DCT 系数上。这种水印嵌入方法嵌入后的水印信息可以经受有损压缩、低通滤波、模数、数模转换等攻击后仍然有着较好的鲁棒性，同时隐蔽性也很好。这种方案也就是由 COX 提出的一种基于 DCT 变换方法是典型的水印算法。但是也并非十全十美，主要缺陷是提取水印的时候必须要有原始水印图像。在 2004 年，一本科毕业论文（设计） 第 3 页种 DCT 域自适应彩色图像二维数字水印算法被王向阳提出。该方案主要是将灰度图像嵌入到原始彩色图像中。DCT 分块的研究

18、中，国内研究人员大部分都是采用 8*8 的分块方案。在目前实际商业应用中需要有严格的性能规定，所有基于图像特征方法的研究还是很有探索性和发展价值空间的。在这种开放网络环境下如何保证信息的完整性在各个领域中体现出更广阔的应用价值和开发前景。因为数字水印技术可以实现对信息的隐藏和追踪在当今许多商业产业化的道路上已经犹如刚学会走路的小孩在蹒跚着驰骋向远方。多种技术融合已经在互联网、智能体、大型商业化中呈现势不可挡的发展趋势。自 1993 年以来，国内外就已经开始在研究将秘密的内容隐藏在文件中通过互联网来传送。目前进行数字水印研究的机构不乏有政府部门，也有大学和知名企业。 在国外，它们包括美国财政部、

19、美国版权工作组、美国空军研究院、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、伊利诺斯大学等 1。在国内也有一部分知识渊博的科学家、相关研究机构、高等院校投身到这个有着广阔应用前景价值的数字水印技术研究热潮中。从总体上看，我国在数字水印技术的相关研究领域也是投入了大量的人力物力。在这个崭新的方向面前我们的科研人员也有自己独特的研究思路和见解。但是现有的研究大多也只是基于基础理论研究和初级的应用开发阶段。1.3 主要应用领域数字水印在版权保护中可以通过对数字作品嵌入水印信息从而保证版权得唯一性；在电子商务票据防伪中可以通过对电子票据提取嵌入的水

20、印信息来辨别票据真伪；也可以在多媒体数据中通过嵌入水印作为标识或者注释；或者在数字数据中通过嵌入易损水印来判断数据是否经过纂改；而在隐蔽通信及对抗领域中是利用水印信息具有的隐蔽性在公共网络环境中传输数据，通过特定的算法提取才能获得数据中隐藏的水印信息；在数字指纹领域中可以在不同的数字指纹中嵌入不同的水印信息来设置不同指纹的权限等。在当今数字化信息时代里数字化的数据非常容易进行拷贝修改，如何在当今这种本科毕业论文（设计） 第 4 页开放的网络环境下保证信息的完整性在各大应用领域的作用都尤为突显重要。例如数字数据都非常容易进行拷贝、修改，对其嵌入水印信息就可以对数据来源进行认证从而起到保护版权及信

21、息完整性认证的作用。1.4 仿真应用平台介绍本设计采用的仿真平台是 MATLAB 2010b 版。MATLAB 是美国 MathWorks 公司出品的商业数学软件，同时也称矩阵工厂。MATLAB 软件在图像处理工具箱中提供了丰富的处理函数， 可以满足一些图像常规的操作处理等等。但是有些函数对图像类型要求也有一定的局限性，我们可以将它们进行相关转换到真彩色、灰度、索引、二值等图像类型。由于 MATLAB 软件简学易懂的特定，使用者可以在相对较短的时间内熟练上手。同时 MATLAB 也具有强大的计算能力可以提供高效率的工作环境。另一方面 MATLAB 可以使用在高级技术计算语言和交互式环境下可以提

22、供丰富的功能和广阔的扩展空间。同时提供的数据可视化效果和数据分析、计算使得使用起来对数据结果更加直观。也正是这些优点被广泛应用于数字图像领域中。而且 MATLAB 中图像处理工具箱中提供的丰富函数在日常处理使用中都是非常便利的。图像处理工具箱主要的函数有：1. 文件读写显示imread 函数主要功能用于从图形文件中读出图像。格式 A=imread(图像名称.图像格式);imwrite 函数主要功能用于把图像写入图形文件中。格式 imwrite(A,filename.fmt);其中 A 为图像名 filename 为文件存储路径，fmt 为文件格式类型。image()、imshow()函数主要功能是为显示图像。而 subimage 函数主要功能为在一张图中显示多幅图像。2. 几何变换 imcrop 函数主要功能用于把一幅图像经过裁剪后放入指定的矩形中。imrotate 函数主要功能用于图像旋转。3.像素统计coor2 函数主要功能是用于计算二维相关系数。imhist 函数主要功能是用于计算图像