1、厦门大学本科毕业论文 1/39 基于 Matlab 的 图像数字水印系统 开发 摘要 数字水印技术是指在宿主数字媒体（图像、声音、视频）等中嵌入一 定量的数字信息， 它不同于传统的数据加密 技术 ，其目的不是限制对数据的存取， 而是保证嵌入的数据不可侵犯和可恢复， 是 当前 数字媒体版权保护的 一种 有效办法。由于数字水印技术涉及到的知识面 很 广，即使是专业人员有时也感到力不从心，那么如何选择一种有效的编程工具便成为一个亟待解决的问题。 本文针对 MATLAB 与 Visual C+ 6.0 软件的各自编程优势，提出了一种 利用 Matlab 语言 来实现数字水印算法 ， VC 环境下开发应
2、用程序界面 ， 通过编译器将二者有效结合起来 ， 从而 形成一个完整的 图像 数字水印系统 。 关键词 数字水印 Matlab Visual C+ 6.0 厦门大学本科毕业论文 2/39 program the digital watermark system with the matlab language Abstract The digital watermark is an item of technology that inserting a few of numerical information to the host numeric media (such as picture
3、, sound, video and so on). It is different from the traditional data encryption technology, its goal is not to limit the data access, but to guarantee the inserted data inviolable and resumable, it is a method which is effective protect the media copyright. Because the digital watermark technology i
4、s very difficult, even if the professional also feels very difficulty to program sometimes. So how to choose a kind of effective programming tool becomes a problem which urgently awaits to be solved. This article contrapose the MATLAB and Visual C+ softwares superiority in respective programming, an
5、d advance a kind of method that implements the digital watermark algorithm using the Matlab language. It develops the interface of application program, and uses the Matlab compiler to combine the above two kinds of compilers effectively, in order to forms a complete digital watermark demonstration s
6、ystem. keywords digital watermark matlab visual c+ 6.0 厦门大学本科毕业论文 3/39 目 录 第一章 引言 . 7 第二章 数字水印技术 . 9 2.1 数字水印技术的简介 .9 2.2 数字水印产生的历史背景 .9 2.3 数字水印的基本特性 .10 2.4 数字水印技术的复杂性 .10 2.5 数字水印技术的常用算法 .10 第三章 可实现数字水印技术的高效实用工具 MATLAB . 12 3.1 MATLAB 简介 .12 3.2 MATLAB 的语言特点 .12 3.3 用 MATLAB实现数字水印算法的优点 .13 3.4 MA
7、TLAB函数介绍 .14 3.4.1 数据输入输出函数 : .14 3.4.2 图像显示与声音播放 : .14 3.4.3 变换频函数 : .14 3.4.4 攻击函数 .15 第四章 数字水印系统模块设计与实现 . 16 4.1 数字水印系统的总体结构 .16 4.2 嵌入水印模块 .17 4.1.1 嵌入水印模块功能描述 .17 4.1.2 嵌入水印的算法基本框图 .17 4.1.3 嵌入水印算法的具体分析 .17 4.3 水印提取模块 .19 4.3.1 水印提取的功能描述 .19 4.3.2 水 印提取的算法框图 .20 厦门大学本科毕业论文 4/39 4.3.3 水印提取的算法具体分
8、析 .20 4.4 水印算法的稳健性验证模块： .21 4.4.1 水印算法稳健性 验证的功能描述 .21 4.4.2 添加噪音 .21 4.4.3 滤波 .22 4.4.4 剪切 .22 4.4.5JPEG 压缩 .22 4.4.6 旋转 .23 第五章 MATLAB 与 VC+6.0 的接口实现 . 25 5.1 集成的几种实现方法 .25 5.2 配置编译器 .26 5.2.1 对 MATLAB 的编译器进行配置 .26 5.2.2 对 VC 的编译器进行配置 .26 5.3 编写 M 函数文件 .27 5.4 将 M 函数文件转化为脱离 MATLAB 环境的动态链接 .27 第六章 总
9、结与展望 . 29 第七章 致 谢 . 30 第八章 参考文献 . 31 厦门大学本科毕业论文 5/39 CONTENTS CHAPTER 1 FOREWORD .7 CHAPTER 2 DIGITAL WARTERMARKING .9 2.1 INTRODUCTION .9 2.2 BACKGROUND .9 2.3 CHARACTERISTIC .10 2.4 COMPLEXITY .10 2.5 ARITHMETIC .10 CHAPTER 3 TOOL TO IMPLEMENT DIGITAL WARTERMARKING MATLAB .12 3.1 1INTRODUCTION .12
10、 3.2 MATLABS CHARACTERISTIC .12 3.3 ARITHMETICS EXCELLENCE .14 3.4 MATLABS FUNTION 1INTRODUCTION .14 3.4.1data in/out funtion .14 3.4.2picture display and voice play function .14 3.4.3 frequency conversion function.15 3.4.4 attack function.15 CHAPTER 4 WARTERMARKING SYSTEMS DESIGN AND IMPLEMENTATION
11、 .17 4.1 STRUCTURE .17 4.2 INPLAY WARTERMARKING MODULE .17 4.1.1 DESCRIBE FOR FUNCTION .17 4.1.2 arithmetic PROCESS PICTURE .19 4.1.3 arithmetic .19 4.3 WARTERMARKING DISTILL MODULE.20 4.3.1 DESCRIBE FOR FUNCTION .20 4.3.2 arithmetic PROCESS PICTURE .20 4.3.3 arithmetic .20 厦门大学本科毕业论文 6/39 4.4 WARTE
12、RMARKING ARITHMETICS STABILIZATION VALIDATE MODULE .21 4.4.1 DESCRIBE FOR FUNCTION .21 4.4.2add noise .21 4.4.3 filter .22 4.4.4cut.22 4.4.5JPEG compress.22 4.5.6 circumgyrate.23 CHAPTER 5 IMPLEMENT THE INTERFACE OF MATLAB AND VC .25 5.1THE IMPLEMENT METHOD OF INTEGRATION .25 5.2CONFIGURE THE COMPIL
13、ER.26 5.2.1 configure the compiler of MATLAB .26 5.2.2 configure the compiler of VC .26 5.3 WRITE THE FILE OF M FUNCTION .27 5.4 TRANSFER THE M FUNCTION FILE TO DYNAMIC LINK WHICH IS SEPARATED FROM MATLAB ENVIRONMENT .27 CHAPTER 6 CONCLUSIONS AND PERSPECTIVE .29 CHAPTER 7 ACKNOWLEDGES .30 CHAPTER 8
14、REFERENCES .31 厦门大学本科毕业论文 7/39 第一章 引言 随着多媒体和网络技术的迅速发展与广泛应用，数字化媒体 (如数字图像、数 字视频和音频等 )的传输和获取变得越来越便捷，一方面促进了人类信息的共享，推动了社会的进步，而另一方面由于其极易复制且复制后的媒体质量与原版几乎没有差异，因此也带来了数字多媒体的版权问题。数字水印技术作为版权保护的重要手段而得到了广泛的研究和应用。 数字水印技术不同于传统的数据加密 ，其目的不是限制对数据的存取，而是保证嵌入的数据不可侵犯和可恢复。其基本要求有：透明性，是指在宿主数字媒体中嵌入一定量的数 字水印信息后，不会引起原媒体明显的降质现象，
15、隐藏数据不易察觉，即无法人为地看见或听见；鲁棒性，是指数字水印必须对施加于宿主媒体的各种变换操作（如 有损压缩、滤波和剪切等）具有免疫性，即水印信息不能因为施加于宿主媒体的某种变换操作而丢失；安全性，是指数字水印能够抵挡各种蓄意的攻击，很难被他人 所复制和伪造，只要其不知道控制该算法的密钥。 作为传统加密系统的有效补充办法，从 1993 年 Caronni 正式提出数字水印到现在短短几年里，无论是在国内还是在国外对数字水印的研究都引起了人们极大的关注。但数字水印技术的发展还很不成熟，应用也处于初级阶段。在我国，知识产权问题是一个敏感的话题，只有深入开展数字水印技术的研究，尽快制定我国的版权保护
16、水印标准，才能使我们在未来可能的国际知识产权纠纷中取得主动权。那么掌握高效的工具，便成为一个必须解决的问题。本文就针对数字水印本身的特点，介绍了一种高效的实用工具 MATLAB。 MATLAB 是 Mathworks 公司推出的针对数值计算的交互式软件，是一套高效率的数 值计算和可视化软件，具有极其强大的数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示功能；MATLAB 以其强大的数据处理能力和丰富的工具箱使得他的编程极为简单，可大幅缩短应用程序开发周期，提高编程效率。但由于其为解释性执行语言，执行效率低、速度慢，不适应实时性较高场合。而 Visual C+是 Windows 平台下强大的应用程序开发环
17、境，基于 VC几乎可以开发从底层软件到直接面向用户的各个方面的软件 MATLAB 是 Mathworks公司推出的针对数值计算的交互式软件，是一套高效率的数值计算和可视化软件，具有极其强大的数值分析 、矩阵运算、信号处理和图形显示功能； MATLAB 以其强大的数据处理能力和丰富的工具箱使得他的编程极为简单，可大幅缩短应用程序开发周期，提高编程效率。但由于其为解释性执行语言，执行效率低、速度慢，不适应实时性较高场合。厦门大学本科毕业论文 8/39 而 Visual C +是 Windows 平台下强大的应用程序开发环境，基于 VC 几乎可以开发从底层软件到直接面向用户的各个方面的软件。 MAT
18、LAB 的应用程序界面开发功能远不如 VC方便强大， VC 在工程计算方面则要比 MATLAB 繁琐得多。因此实现 MATLAB 与 VC 的混合编程，可以为科研工作和工程开发 提供强大的技术支持。 要实现 VC、 MATLAB 混合编程必须解决两方面的问题：一是接口的问题，包括 VC语言程序对 MATLAB 函数的调用及数据的互传；二是数据组织问题。 厦门大学本科毕业论文 9/39 第二章 数字水印技术 2.1 数字水印技术的 简介 数字水印技术是指在宿主数字媒体（图像、声音、视频）等中嵌入一 定量的数字信息，它不同于传统的数据加密技术，其目的不是限制对数据的存取，而是保证嵌入的数据不可侵犯
19、和可恢复，是当前 数字媒体版权保护的 一种 有效办法 。 2.2 数字水印产生的历史背景 随着多媒体技术和数字传输的迅 猛发展，因特网和 CD-ROM 上的数字媒体应用正在呈爆炸式的增长。数字信号处理和网络传输技术可以对数字媒体（数字声音、文本、图像和视频）的原版进行无限制的任意编辑、修改、拷贝和散布，造成数字媒体作品的原创者巨大的经济损失，并对数字媒体的安全权限提出了挑战，促使数字媒体的知识产权保护和信息安全问题日益突出，并已成为数字世界的一个非常重要和紧迫的议题。 目前的信息安全技术基本上以密码学理论为基础的，采用的传统方法是将文件加密成密文的密钥系统或公钥系统，提高加密、解密系统密级的方
20、法是不断增加密钥的长度。这种将文件 加密成密文的方法，在将密文解开后就失去了保密意义；加密的密文还容易引起许多好事者的兴趣，触发他们积极破译的激情。数字签名技术是一种较新的技术。已用于检验短信息的正式可靠性，虽然数字签名的标准已被许多国家采纳，可以通过私有密钥对数字产品进行签名，检测算法可用来检测产品的内容是否符合相应的签名，但因对多媒体中需要大量的签名，因而对多媒体保护的不适用也不方便。由此可见目前的保密方法在当今广泛应用的 Internet 多媒体信息安全中难以起到全面保障的作用。数字水印技术是九十年代中期信息安全领域的一个新方向。它是指用信 号处理的方法 在数字化的多媒体数据中嵌入隐蔽的
21、水印标记，并使人的感知系统察觉不出来，隐藏的水印标记只有通过专用的检测器才能提取出来的一种最新的多媒体保密技术。 数字水印技术源于是在开放的网络环境下保护多媒体版权的新型技术，它可验证数字产品的版权拥有者、识别销售商、购买者或提供关于数字产品内容的其他附加信息，并将这些信息以人眼不可见的形式嵌入在数字图像或视频序列中，用于确认数字产品的厦门大学本科毕业论文 10/39 所有权和跟踪侵权行为。除此之外，它在证据篡改鉴定，数据的分级访问，数据产品的跟踪和检测，商业视频广播和因特网数字媒体的服务付费， 电子商务的认证鉴定，商务活动中的票据防伪等方面也具有十分广阔的应用前景。自 93 年尤其是 95/
22、96 年以来引起工业界的浓厚兴趣，已成为国际上非常活跃的研究领域。 2.3 数字水印的基本特性 数字水印应用在数字作品的版权保护中必须满足以下基本条件： （ 1） 图像在加入水印后不能改变图像的视觉效果，水印在通常的视觉条件下不可见。（ 2） 加过水印的图像通过普通的图像处理技术和标准压缩后水印仍保持在图像之中并能被检测出来。 （ 3） 未经授权者不能伪造水印或检测出水印。 （ 4） 水印的图像在经受印刷、打印、扫描等模数和数模转换后仍能 检测出水印 。 2.4 数字水印技术的复杂性 数字水印技 术涉及到通信理论、编码理论、噪声理论、视听觉感知理论、扩频技术信号处理技术、数字图像处理技术、多媒
23、体技术、模式识别技术、算法设计等理论，用到经典的 DFT（ Discrete Fourier Transform）、 DCT(Discrete Cosine Transform)变换和近代最先进的数学工具 -小波 (Wavelet)。 数字水印 又 是一个横跨计算机科学、密码学、数字、数字通信等多门学科，并与Internet 的发展密切相关的交叉科学。数字水印的 多学科性导致数字水印技术研究的难度和复杂性。所以，针对数字水印技术本身的跨学科特点，找出一种合适的编程工具，往往可以起到事半功倍的效果。 2.5 数字水印技术的常用算法 数字水印算法一般可分为两种空域法和频域法 。 频域法加入数字水印的原理是首先将原始信号（语音一维信号、图像二维信号）变换到频域，常用的变换一般有 DWT、 DCT、
