1、本科毕业设计（20届）基于离散运算的自适应鲁棒数字图像水印算法研究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【摘要】数字媒体的版权保护一直是国内外备受关注的一大热点。数字媒体易存储、易加工、易复制和易传输的特点在使信息交流方便快捷的同时，也容易遭到非法者的恶意篡改、攻击和滥用。因此，作为解决数字媒体版权保护的一种有效手段，数字水印技术在近几年得到了人们的广泛关注。本文从基本原理、研究现状、水印特点、分类与主要用途等方面对数字水印技术作了总结和分析，在此基础上提出了一种基于离散运算的在数字图像内嵌入二值字符的鲁棒水印算法。算法利用小波变换，结合人眼视觉特性，根据所嵌入字符
2、的大小，在原始图像的小波逼近子图中选取信息包含丰富的图像子块，并通过离散修改这些子块的系数，实现水印的嵌入。仿真实验表明，嵌入的水印具有很好的不可见性，同时由于水印的嵌入与提取是基于二值离散运算，所以嵌入的水印具有较强的鲁棒性，对加噪、滤波、JPEG压缩和裁剪等常规图像处理攻击具有良好的抵抗力。【关键词】数字图像；数字水印；离散运算；小波变换；鲁棒性IIABSTRACT【ABSTRACT】COPYRIGHTPROTECTIONOFDIGITALMEDIAHASALWAYSBEENAHOTTOPICATHOMEANDABROADTHEADVANTAGEOFDIGITALMEDIAWHICHISE
3、ASYTOSTORAGE,PROCESS,COPYANDTRANSPORTFACILITATESANDACCELERATESTHEEXCHANGEOFINFORMATIONHOWEVER,ATTHESAMETIME,ITISEASILYMALICIOUSLYMODIFIED,ATTACKEDANDABUSEDBYSOMEILLEGALPERSONTHEREFORE,ASANEFFECTIVEMETHODTOSOLVETHECOPYRIGHTPROTECTIONOFDIGITALMEDIA,THEDIGITALWATERMARKINGTECHNOLOGYHASBEENOBTAINEDMUCHAT
4、TENTIONINRECENTYEARSFROMTHEWATERMARKINGBASICPRINCIPLE,STATUS,CHARACTERISTIC,CLASSIFICATIONANDMAINAPPLICATION,ETC,THEPAPERHASMADEASUMMARYANDANALYSISOFDIGITALWATERMARKINGTECHNOLOGYONTHISBASIS,ANADAPTIVEROBUSTWATERMARKINGALGORITHMINWHICHACHARACTERWATERMARKISEMBEDDEDINTOTHEDIGITALIMAGEBASEDONTHEDISCRETE
5、OPERATIONHASBEENPROPOSEDINTHISPAPERWITHUTILIZINGTHEWAVELETTRANSFORMANDHUMANVISUALMASKINGCHARACTERISTIC,THEBLOCKSWITHBESTABUNDANTTEXTUREINFORMATIONOFTHEORIGINALDIGITALIMAGEWAVELETAPPROXIMATIONSUBIMAGEINTHEWAVELETDOMAINWERESELECTEDADAPTIVELYACCORDINGTOTHESIZEOFCHARACTERWATERMARKFINALLY,THEWATERMARKWAS
6、EMBEDDEDBYADJUSTINGTHESEBLOCKCOEFFICIENTSBASEDONTHEDISCRETEOPERATIONTHESIMULATIONRESULTSINDICATETHATTHEEMBEDDEDWATERMARKNOTONLYHASGOODINVISIBILITY,BUTALSOHASGOODROBUSTNESSOWINGTOTHEEMBEDDINGANDDETECTIONPROCESSISBASEDONTHEBINARYDISCRETEOPERATIONITCANAGAINSTTHECOMMONLYIMAGEPROCESSINGSUCHASNOISEADDITIO
7、N,FILTERING,JPEGCOMPRESSIONANDGEOMETRICCUTTING【KEYWORDS】DIGITALIMAGEDIGITALWATERMARKDISCRETEOPERATIONWAVELETTRANSFORMROBUSTNESS。III目录摘要IABSTRACTII目录III1绪论111研究背景及意义112本文的主要研究内容113本文的章节安排22数字水印技术321数字水印3211信息隐藏技术3212数字水印概念3213数字水印的基本特征322数字水印研究现状4221国外数字水印的研究动态4222国内数字水印的研究动态523数字水印技术的常用术语及系统模型5231数字
8、水印技术相关术语5232典型数字水印系统模型524数字水印攻击算法63数字图像的离散小波变换731小波分析的背景732小波变换的理论分析7321小波变换基本原理7322小波变换的性质特征733小波变换与数字图像处理934小波域水印算法的特点94基于离散变换的鲁棒图像数字水印1041算法的基本思想10411数字图像的小波分解11412小波子图的分块处理1142水印的嵌入11421水印嵌入的离散算法1143水印的提取13431水印提取的离散算法1344仿真结果14441性能评价14442不同载体图像的仿真结果15443嵌入不同水印的仿真结果185数字水印算法的鲁棒性分析19IV51噪声攻击2051
9、1高斯噪声攻击2052滤波处理2253压缩处理2454几何失真26541几何切割266与其他算法的比较2761与基于DCT变换的图像数字水印算法比较27611算法简介27612结果比较2762与基于DWT高频子图嵌入水印的算法比较28621算法简介28622结果比较297总结31参考文献31致谢错误未定义书签。附录错误未定义书签。1第一章绪论11研究背景及意义随着计算机网络在这些年的迅速发展，人类社会已经进入了新的数字时代。网络技术的发展使人们的生产、生活方式和思想发生了深刻变化。现在在任何时候、任何地点人们想要获取和发布信息，都可以通过互联网来实现。目前网络在人们的生活中扮演了一个重要的角色
10、。我国的造纸术使知识、信息得到记录和保存，前人的经验通过纸张进行传播和交流，由此得以延续和发展，而互联网的迅猛发展，又使信息和知识的交流和传播更上一层楼1。计算机网络的发展推动了多媒体数字产品的产生，这使得人们所接收的信息从单一的文本数据发展到电子文本、数字图像、音频、视频等多种多媒体信息。这些数字产品易于存储，易于复制，这让信息的交流与沟通加快。而网络通讯和电脑设备的开发如打印机、扫描仪和其他输入、输出设备，使信息更加轻易就能获得，更进一步促进了了信息的流通。但是不可避免的，盗版者可以通过利用这些高新科技，恶意篡改、非法攻击、盗窃他人的劳动成果。因此，知识产权保护和数字信息产品的版权归属已成
11、为一个紧迫的问题。如何通过充分利用互联网和数字媒体的便利，来促进社会文明的发展，并且不会被盗版者乘机而入，能保护数字产品的安全，这个问题在国内外引起了广泛关注。目前对于数字产品版权保护的研究，主要是数字签名、加密和数字水印，而数字水印是其中最有效、最有应用前途的方法。所谓的数字水印，就是在数字产品中如电子文本、数字图像、音频、视频等嵌入含有标志性意义的数字信息2。嵌入的信息含有版权信息或其他重要信息，这部分添加的信息可以根据要求成为有形或无形的，但通常都要求是无形的，而且不能影响原宿主媒体的功能，只能对原来的宿主媒体起到保护作用。数字水印技术作为版权信息标记，在有版权纠纷时，能被提取出来作为解
12、决问题的证据。12本文的主要研究内容数字水印技术是一个有效解决数字产品保护的方案，本文的研究内容主要有以下几个方面1）水印基础的研究水印基本理论包括三部分研究内容3。A水印的产生即被用来嵌入宿主多媒体数据的水印信息，此水印信息可以是与原始数据相关的信息，也可以是只含有特定信息单独存在的数据。B水印的嵌入算法即在原始数字信息中选取适当的位置，将水印数据通过特定的方法隐藏在原始数字信息中。2C水印的检测算法即将宿主媒体中的水印恢复或检测水印是否存在。2）数字水印抗攻击能力的研究数字媒体传输过程中会遇到各种恶意或非恶意攻击如噪声干扰、滤波、压缩、平移、旋转、剪切等等，所以需要研究如何增强水印抵抗各种
13、攻击的能力。13本文的章节安排全文安排如下第一章，系统地论述了数字水印技术的研究背景及意义，介绍了本文的主要研究内容。第二章，从数字水印技术出发，结合国内外研究的发展趋势，阐述了与文中有关的数字图像和水印技术的基本知识。对数字水印技术的模型、分类及其攻击方法进行了介绍。第三章，介绍了小波变换的理论分析以及其与图像处理、水印算法的关系。第四章，提出了一种新的基于离散变换的小波域鲁棒数字图像水印算法，对其做仿真测试，显示测试结果。第五章，通过常见的数字图像处理手段，对本算法进行鲁棒性研究。第六章，将本算法与现有数字图像水印算法进行比较。第七章，本文的总结以及今后的几个研究方向。3第二章数字水印技术
14、21数字水印211信息隐藏技术与传统的密码学不同，信息隐藏是研究如何在公共信息中隐藏机密信息，然后通过公共信息的传输同时将机密信息的传递出去。对于用密码加密的信息，可能会被监测拦截并解码，或者销毁信息中的某些内容，从而影响机密信息的安全；而利用信息隐藏伪装的机密信息，监测者无法确定公共信息中是否含有机密信息，因此难以作出攻击，相对于传统密码学更加安全4。信息隐藏先通过嵌入算法在公共信息中嵌入秘密信息，此过程由密钥控制。隐藏了秘密信息的载体通过公共信道传输，然后拥有密钥的接收者才能从载体中读取秘密信息的内容或检测出秘密信息是否存在。信息隐藏技术由两部分组成1）信息嵌入算法它使用密钥通过特殊计算在
15、公共载体中隐藏秘密信息。2）信息提取算法它使用密钥从含有秘密信息的载体中恢复秘密信息或检验秘密信息的存在5。如果密钥未知，那么第三方就很难获得秘密信息的内容，甚至无法确定是否含有秘密信息。信息隐藏技术并不妨碍载体数据的存取和传输，但要保证嵌入其中的秘密信息不受破坏，因此，信息隐藏技术的威胁大多数来自于正常的数据操作。嵌入算法必须保证嵌入的信息对常规的信号处理具有一定的抵抗力。212数字水印概念数字水印技术是指通过特殊的算法，将水印信息嵌入到数字产品中，嵌入的信息不会影响载体信息的视听感受，而且水印信息只能通过特殊手段才能检测或提取。这些水印信息可以是作者或公司的私人信息、具有特殊意义的符号或数
16、字序列等，可以证明所有者对此数字产品的拥有权。数字水印不能像加密技术那样防止盗版，但它可以对数据的真实性进行鉴定，并能在版权出现纠纷时解决归属权问题，在法院需要时，也能够提供必要的证据。213数字水印的基本特征数字水印具有以下基本特性61）可证明性水印算法能识别嵌入于数字产品中的相关信息例如产品商标、作者名称等等，并且可以在关键时候用于版权归属的证明。有一些不是很理想的算法，攻击者可以摧毁水印图像，或复制另一份“原始作品”，这样数字产品真正的所有者就无法拿出令人信服的证据来证明所有权。4所以，一个好的水印算法，必须要能提供没有争议的版权归属。2）不可感知性不可感知性一方面是指嵌入的水印信息不会
17、导致数字载体在视听上有所变化；另一方面是指嵌入的水印除了利用本算法能提取检测之外，其他方法都不能提取水印或检测水印。3）鲁棒性嵌入水印的信息在复制、传输的过程中会受到各种故意如恶意攻击或无意的如噪声干扰、滤波、压缩等攻击。当嵌入水印的载体信息受到一些变化时，鲁棒的水印算法依然可以提取出完整的水印。在数字水印技术中，水印的隐秘性和鲁棒性是相互矛盾的7。在理想状态下，水印算法既要能隐藏大量的数据信息且不可见，又要同时可以抵抗各种图像处理的攻击。但是实际应用上，这两个方面只能倾向于其中一个。如果是隐蔽通信，那么在通信手段不易被人发现的情况下，遭受的攻击相对减弱，只需求大数据量即可，对鲁棒性要求不高。
18、而对于保证数据安全来说，传输的机密数据总是会有被攻击的危险，所以鲁棒性要求比较高；但隐藏的数据量可以较少，则对于不可见性的要求也相对降低了。22数字水印研究现状数字水印技术在人们的生活中已经越来越重要，虽然作为一门新兴技术尚未发展出完善的理论体系，但仍然引起了国内外众多知名学府、研究机构和公司的极大兴趣，对其进行各方面的研究。221国外数字水印的研究动态数字水印技术的概念最早是由CARONNI提出的，应用于图像的版权保护8。欧美的一些公司对此类用途进行了开发，并推出了版权保护的服务，但因技术尚未成熟，也就没有相应的产品问世。随着因特网开始推广和普及，数字水印的重要性不断显现。NEC研究所、IB
19、M研究所、英国的剑桥大学、德国的ERLANGEN大学、美国的麻省理工学院、PURDEU大学等都投入了大量资源用于对数字水印的研究，并取得了不错的成果。美国的DIGIMARC公司最早推出了拥有专利权的水印制作技术，并在PHOTOSHOP40和COREDRAW70中得到了广泛应用，但该方法制作的水印鲁棒性不强。其后该公司又推出了水印阅读软件READMARC，利用它可以发现图像中是否含有水印并将水印内容显示出来。日本等其他国家也在90代初相继开始对数字水印技术的研究，对数字水印技术的发展起到了巨大的推动作用。虽然数字水印技术的研究时间不长，但国际上对它的重视无用多言。IEEE电气和电子工程师协会的T
20、RANSACTION和许多国际重要期刊都安排了数字水印的技术专刊，而SPIE国际光学工程学会和IEEE的一些重要会议还开辟了与数字水印相关的专题讨论。这些会议的举行，大大促进了数字水印技术的不断发展。5222国内数字水印的研究动态随着国内IT业的发展，多媒体信息安全问题也得到了我国科研人员的高度重视，因此，数字水印技术在我国数字领域中的地位正在上升，我国科研人员从各个方面对数字水印技术进行了广泛深入的研究，并得到了许多高水平的研究成果。目前国内有许多高等院校如清华大学、北京大学、北京邮电大学、浙江大学、同济大学、国防科技大学等等都对这项技术进行了深入的研究，己经取得了很多成就9。此外，我国的科
21、研人员对学术交流非常重视。1999年，第一次数字水印技术会议在北京电子技术应用研究所举行。2000年1月，数字水印技术研讨会在北京主持召开。2000年6月，全国第二届信息隐藏学术研讨会CIHW2000在北京举行，来自全国各地24所高校或研究所的学者参加了此次会议。2001年9月，全国第三届信息隐藏学术研讨会CIHW2001在西安举行，百余位从事信息隐藏的专家和学者前来参加会议。这些会议的举行，让大家有了交流学习的平台，大大促进了我国对数字水印技术的研究。23数字水印技术的常用术语及系统模型231数字水印技术相关术语数字水印技术的主要相关术语如下1）数字水印指被嵌入被保护信息中用来证明被保护信息
22、的来源、归属权等内容的信息。2）含水印信息被嵌入了水印的数据。3）水印密钥控制水印嵌入和提取过程的密钥。在水印嵌入时加入密钥，这样做攻击者就会因为没有密钥而无法将破坏或提取水印10。4）攻击者数字水印攻击者的目的一般为盗版，先破坏或修改水印信息，然后在作品中加入自己的水印信息。5）冗余使用不同的多媒体方法表示同一个数字信息，数据量是不一样的，那么有些数据必然是无用或重复信息，这就是冗余。可以利用在数字媒体中普遍存在的冗余来隐藏信息。232典型数字水印系统模型数字水印系统一般有两部分组成水印的嵌入和水印的提取系统，如下图21所示A数字水印原始信息密钥K嵌入算法隐藏水印的信息6B图21水印嵌入A与
23、提取B的系统模型图21A中，输入端为数字水印和原始图像以及可选的公钥或私钥。水印可以是序列号、文本或图像等。密钥用来增强系统安全性，只有授权用户才能正确解读水印内容。输出端即嵌入了水印的图像。图21B中，输入端为待测图像和密钥，在有需要时会有原始图像或水印，输出端为提取水印或检测水印是否存在和被破坏。24数字水印攻击算法实际应用中，嵌入水印的信息经常会受到各种攻击。鉴于此，人们不断地提出攻击方法来验证水印系统的安全性。目前常见的水印攻击有1）水印去除攻击这种攻击方法通过常见的图像处理如JPEG压缩、高斯噪声、中值滤波等等来使水印受到破损，让检测者难以检测到水印或只能提取残缺不全的水印。2）马赛
24、克攻击这种攻击方法首先把图像分成若干小图，再用WEB浏览器将这些小图组合，这样原始图像不会改变，而水印信号却会受到影响，从而达到攻击目的。3）几何变换攻击这种方法是通过几何变换来更改载体图像，同时改变其中的水印图像，如缩放、平移、剪切、旋转等。4）跳跃攻击这种攻击应用于对音频作品的攻击。将原始音频信号均分成N个数据块，然后在每个数据块之中都随机添加或删除几个采样点，然后再将数据块组合，这样人耳无法察觉出有何区别，但水印信息已被破坏11。水印或原始图像待测图像密钥K检测算法水印提取或存在与否的判定7第三章数字图像的离散小波变换31小波分析的背景小波分析是继傅立叶分析之后的一个重大突破，并被迅速运
25、用到图像处理等领域中。经过几十年的努力，小波分析的应用已经十分广泛，它涵盖了数学领域的多数学科、信息通信以及图像分析等各方面。与傅里叶变换还相比，小波变换对提取和分析局部信号更加有效，因为小波变换是时间和频率的局域变换。随着对小波理论研究更加深入，小波变换的应用领域也会更加宽广。32小波变换的理论分析321小波变换基本原理对2RL，如果T的傅里叶变换满足条件DC22|31则称T是一个小波母函数或基本小波，而称|1,ATBATBA0A，RB32为由T生成的关于参数A和B的连续小波，并得到小波变换对DTABTTFATTFBAWBAF|1,33ADADBTBAWACTFBAFW,11,233B对于任
26、意函数FT，其小波变换为二元函数。对于小波变换，如果采样间隔满足尼奎斯特采样定理，那么在实际应用中一般采用二进制离散形式，如果取A02，B01，则式32变为12222,NTTMMNM34式33可离散化为DTTTFNMWNMF,35A,TNMWTFNMZNMF35B322小波变换的性质特征8小波变换是一种线性变换，对于任意FT，F1T，F2TL2R，它具有以下性质131）线性,1121BABWBAAWTBFTAFFF36A，B是任意实常数，且WF1A，B，WF2A，B为F1A，B，F2A，B的小波变换。2）移位不变性,00BBAWBTFF37在任何平移之下，连续的小波变换都是共变或协变的。3）尺
27、度变换性,110000BBAAWAFAF38其中0RA，因子01A保持信号能量的不变性。尺度变换性说明信号在时间域的伸缩扩展到小波变换域时，会在平移和尺度两个方向都产生相同的伸缩14。4）能量定律222|,|1|ADADBBAWCDTTFF39如果有另一个信号GTL2R以及其连续小波变换WGA，B，那么2,1ADADBBAWBAWCDTTGTFGF3105）相似性与消失矩每个小波都可以通过平移参数B和伸缩参数A获得一个小波族，其具有自相似性，而且要求小波有消失矩的性质150T0K,0DTTTK时，有当这表明T是一个迅速衰减的、平均值为零的波。6）冗余度与再生核小波变换是将一维信号映射到二维空间
28、，因此在连续小波变换中会存在内在信息的冗余度。可以用小波TAB所确定的再生核函数来度量二维小波空间的AL，B1与两点之间的性质，定义如下16DTABTAABTACBBAAK,222121121112121311可以看出再生核就是小波变换本身的小波变换，它是刻画二维小波空间两点A1，B1与A2，B29之间关联程度的自相关函数17。33小波变换与数字图像处理小波变换应用到数字图像处理中就是将数字图像进行多分辨率变换，分解成多个子图，再对每个子图进行研究。图像的二级小波分解示意如下图31二级小波分解示意图一幅512512大小的WOMAN图像二级小波分解后如图32所示AB图32WOMAN图像A和二级小
29、波分解图像B每次小波分解都会把原始图像分解为4个子图水平信息HL、垂直信息LH、对角信息HH和低频子图LL，其中低频部分可以继续分解。低频部分集中了图像大部分的能量，人体的视觉感官大部分基于这里；高频部分则是图像细节部分的能量。34小波域水印算法的特点基于小波域的水印算法是将水印信息嵌入在数字图像经小波分解后产生的子图中。低频子图包含的能量多，携带的信息量大，可以嵌入更多的数据。但是这个子图是人体视觉敏感部分，在这里嵌入水印信息可能导致图像质量下降，使算法的隐秘性不好。高频子图包含原始图像的细节信息，LL2HL2HL1LH2HH2LL1HH110人眼对此部分信息不敏感，所以在这里嵌入水印隐秘性
30、良好；但是图像细节部分的信息在处理过程中总是先被破坏，因此鲁棒性不强18。目前许多算法都结合人类视觉特性HVS以达到最大限度的水印信息嵌入同时又能使原始图像的改变不被人眼所察觉。在JPEG2000压缩标准中己经采用小波变换作为变换方法，因此基于小波域的水印算法也更加有意义。第四章基于离散变换的鲁棒图像数字水印41算法的基本思想11411数字图像的小波分解人类视觉的研究表明人眼视觉将图像分成几个不同的频带，每个频带中的信号是相互独立的。同样，小波变换的多分辨率分析将图像分解为大致相同的频带。因此，可以利用小波变换来独立的处理各个频带而且不会让它们之间的关系受到影响。SHAPIRO指出，一般的图像
31、处理改变的主要是小波分解时产生的高频系数。这样，如果将水印信息加入在高频部分，则其鲁棒性相对较差。图像经过小波变换后的低频子图包含图像的基本特征，在图像重构中起主导作用，即使经过各种攻击，低频部分依然会保留大部分信息，因此从鲁棒性角度考虑，将水印嵌入在低频部分更好；同时如果载体图像具有较大的视觉容量，那么在主观效果不变的情况下可以加入更多的水印信息，且具备更大的改变余度19。根据以上分析，当水印信息嵌入到小波分解后的低频子图时鲁棒性更强，因此本文算法低频部分来嵌入水印信息。412小波子图的分块处理为了减少算法的复杂度，并增强算法的隐秘性，在嵌入水印信息之前先对小波逼近子图进行分块处理。在小波逼
32、近子图中选取出视觉容量大的图像子区域，依据下式块不均匀度D对其进行分块21,1B,1,2,KKKIJBKFIJMMMDKNNNM41其中，KB是大小为MM小波逼近子图中的子块大小为NN，KM为该子块KB的均值，为加权修正因子0607。块不均匀度D值大，意味着该子块均匀性差，纹理信息就相对丰富，视觉容量就大。42水印的嵌入421水印嵌入的离散算法数字水印取自二值字符图像，记为WI，J0/1，1IM1，1JM2。则I，J代表字符水印第I行、第J列的像素灰度值。在嵌入水印之前，先对水印进行置乱操作后再嵌入到数字图像中。当该数字图像有一部分遭受破坏时，嵌入的水印的也会有一部分遭到破坏，但是通过置乱在恢
33、复受损水印的过程中，受损的部分会分散开来，减少了对人眼视觉的影响，也相应地提高了水印的鲁棒性，且能增加非法破译的难度。记原始图像为FFI，J，1IL1，1JL2，则FI，J代表原始图像第I行、第J列像素灰度值。水印嵌入分如下几步进行121）图像进行小波变换。先对原始图像F进行L级小波分解，得到不同分解级数下的细节子图FDKJK1，2，3，J1，2，L和逼近子图FAL。2）选取子块。将逼近子图FAL分成NN大小的子块，依据式41计算子块的块不均匀度KBD。然后自适应地选取块不均匀度最大的子块M_FALSI，JS1，2，S，子块数目S满足选取的子块加起来总像素数与字符水印的像素相等。3）计算子块系
34、数。对选取出的子块M_FALSI，J取小数部分系数M_FADLSI，JM_FALSI，JFLOORM_FALSI，JS1，2，S42函数FLOOR的作用是取小于其自身的最大整数。将这些系数分成0025，02505，05075，0751四部分，四部分系数均值分别趋于0125，0375，0625，0875。4）水印嵌入。根据字符水印像素I，J和小数部分系数M_FALSI，J，按以下算法将水印信息嵌入并得到一个二值逻辑表LGIFI，J1IFM_FALSI，J025M_FALSI，J0125LGI，J1ELSEIF025M_FALSI，JLGI，J0ELSEIF05M_FALSI，JLGI，J0ELS
35、EIF075M_FALSI，JLGI，J1ENDELSEIFM_FALSI，J025M_FALSI，J0125LGI，J0ELSEIF025M_FALSI，JLGI，J1ELSEIF05M_FALSI，JLGI，J1ELSEIF075M_FALSI，JLGI，J0ENDEND嵌入水印同时生成LG作为密钥，用于水印检测和证明作品的版权。5）组合子块及小波逆变换。将经过变换的系数M_FALSI，J重新组合成子块数据M_FALSI，JM_FADLSI，JFLOORM_FALSI，JS1，2，S43将以上数据重新整合成小波逼近子图FAL。最后，将重新形成的小波逼近子图FAL结合原细节子图FDKJK1，
36、2，3，J1，2，L进行小波逆变换，即可得到水印图像。43水印的提取431水印提取的离散算法水印检测是水印嵌入的逆过程，分如下几步进行1）水印图像的小波变换。对待测图像T_F进行L级小波分解，得到不同分解级数下的多个细节子图和逼近子图T_FAL。2）子图分块及系数提取。将逼近子图T_FAL分成NN大小的子块，根据嵌入时的信息，提取对应的子块T_FADLSI，J1I，JN，S1，2，S，并计算子块小数部分系数T_FADLSI，JT_FALSI，JFLOORT_FALSI，JS1，2，S443）提取水印。结合水印嵌入时生成的二值逻辑表LG和小数部分系数T_FADLS，按以下算法提取水印IFLGI，
37、J1IFT_FADLSI，J025I，J114ELSEIF025T_FADLSI，JELSEIF05T_FADLSI，JELSEIF075T_FADLSI，JENDELSEIFT_FADLSI，J025I，J0ELSEIF025T_FADLSI，JELSEIF05T_FADLSI，JELSEIF075T_FADLSI，JENDEND通过本文算法将水印信息嵌入到数字图像经小波分解后产生的低频子图中，此部分包含有图像的大部分能量，是图像的重点保护对象，常规图像处理不会对此部分进行大量的修改，抗干扰能力较强。而且使用离散算法修改原始图像中视觉容量大的区域，引入的误差比较小，不容易引起图像降质，有助于
38、实现水印算法的隐秘性，在提取水印时又能免疫一定程度的失真，有助于提高水印算法的鲁棒性。本文算法在提取水印时，不需要原始图像，这有利于保护原始图像的安全。44仿真结果441性能评价1）仿真中水印图像质量的客观评价采用峰值信噪比PSNRMSEPSNR2255LG104515MSE是原图像与处理图像之间均方误差211,1JIFJIFNMMSENJMI462）水印检测结果的客观评价采用类似数字通信系统中定义的误码率ERRORBBTT47BT表示嵌入的字符水印总像素数，ERORT表示检测出的字符水印中出错的总像素数。442不同载体图像的仿真结果对本文提出的水印算法进行了隐秘性和鲁棒性的仿真实验。实验采用
39、了MATLAB软件作为仿真平台，选取四幅512512大小的灰度图像作为载体图像，分别是WOMAN、DETAIL、DETFINGR和MANDRILL图像，如图41A、42A、43A和44A所示。而所嵌入的数字水印为一幅1632大小的二值字符图像，如图41C所示。水印提取是在没有任何攻击条件的情况下进行的。1）当载体图像为WOMAN时，嵌入水印后的WOMAN图像和提取的水印如图41B和图41D所示。可以看到，这时水印WOMAN图像的主、客观质量非常好，与原始图像相比感觉不到有任何变化，而峰值信噪比PSNR达到了501DB，提取的水印没有任何差错，误码率B0，归一化相关系数为1。AB16CD图41原
40、始WOMAN图像A、水印WOMAN图像B、原始水印C和提取的水印D2）当载体图像为DETAIL时，嵌入水印后的DETAIL图像和提取的水印如图42B和图42D所示。此时水印DETAIL图像与原始图像相比，感觉不到有任何变化，峰值信噪比PSNR498DB，而且提取的水印也没有任何差错，误码率B0，归一化相关系数为1。ABCD图42原始DETAIL图像A、水印DETAIL图像B、原始水印C和提取的水印D3）当载体图像为DETFINGR时，嵌入水印后的DETFINGR图像和提取的水印如图43B和图43D所示。此时水印DETFINGR图像质量很好，与原始图像相比没有有任何变化，峰值信噪比PSNR500
41、DB，提取的水印也与原水印相同，误码率B0，归一化相关系数为1。17ABCD图43原始DETFINGR图像A、水印DETFINGR图像B、原始水印C和提取的水印D4）当载体图像为MANDRILL时，嵌入水印后的MANDRILL图像和提取的水印如图44B和图44D所示。此时水印DETFINGR图像主、客观质量很好，与原始图像相比没有有任何变化，峰值信噪比PSNR501DB，提取的水印没有差错，误码率B0，归一化相关系数为1。ABCD图44原始MANDRILL图像A、水印MANDRILL图像B、原始水印C和提取的水印D将以上结果统计入下表表41无攻击条件下的PSNR，归一化相关度和误码率18由此表
42、可见，使用本文嵌入算法的嵌入水印图像峰值信噪比都可保持在较高值，且提取算法在无攻击条件下可实现准确提取。443嵌入不同水印的仿真结果在使用同一水印嵌入不同载体图像做仿真实验的基础上，同时使用不同的水印图像嵌入同一载体图像来验证本文算法的隐秘性和鲁棒性。使用MATLAB软件作为仿真平台，载体图像使用MANDRILL，如图45A所示，测试使用水印图像为GX和SZ，如图45C和46C，不采用任何攻击条件。1）当嵌入的原始水印图像为GX时，水印MANDRILL图像如图45B所示，可见其质量良好，与原始图像相比难以察觉有何区别，峰值信噪比PSNR501DB，由此可见，算法的隐秘性良好。提取的水印如图45
43、D所示，误码率B0，归一化相关系数为1，提取时没有出现任何差错，即在无攻击条件下时本文算法鲁棒性良好。ABCD图45原始MANDRILL图像A、水印MANDRILL图像B、原始水印C和提取的水印D原始图像PSNR无攻击DB归一化相关度误码率WOMAN50110DETAIL49810DETFINGR50010MANDRILL50110192）当嵌入的原始水印图像为SZ时，水印MANDRILL图像如图46B所示，此时图像峰值信噪比PSNR501DB，主、客观质量良好，与原始图像相比难以察觉到区别，算法的隐秘性良好。提取的水印如图46D所示，误码率B0，归一化相关系数为1，提取时无任何差错，即在无攻
44、击条件下时本文算法鲁棒性良好。ABCD图46原始MANDRILL图像A、水印MANDRILL图像B、原始水印C和提取的水印D第五章数字水印算法的鲁棒性分析在图像传输过程中，会受到各种图像处理的干扰甚至恶意的攻击，在本章通过MATLAB仿真平台，从常用的图像处理方法来查看本算法的鲁棒性。采用的原始载体图像为一副512512大小的灰度WOMAN图像，如图51A所示；原始水印图像为一副1632大小的二值字符图像，如图51B所示20AB图51原始WOMAN图像A和原始水印B51噪声攻击数字图像在传输过程中，不可避免会受到噪声的干扰，因此需要对水印图像加入噪声来模拟干扰，本文分别对水印图像加入不同程度的
45、高斯噪声，对比检验本算法在噪声干扰下的鲁棒性。511高斯噪声攻击1）利用MATLAB软件对水印图像加入方差为0001的高斯噪声，此时水印WOMAN图像如图511A所示，水印WOMAN图像受噪声干扰不明显，与原始图像几乎没有区别，峰值信噪比PSNR值为299DB，而提取的水印毫无差错，如图511B所示，误码率B0，归一化相关度为1。AB图511水印WOMAN图像A和提取水印B2）利用MATLAB软件对水印图像加入方差为0005的高斯噪声，此时水印WOMAN图像如图512A所示，与原始图像相比，噪声干扰的效果非常明显，水印WOMAN图像比较模糊，峰值信噪比PSNR为231DB，而提取的水印依然清晰
46、，如图512B所示，误码率B29，归一化相关度为092。21AB图512水印WOMAN图像A和提取水印B3）利用MATLAB软件对水印图像加入方差为001的高斯噪声，此时水印WOMAN图像如图513A所示，与原始图像相比，噪声干扰的效果明显可见，水印图像主、客观质量不是很好，峰值信噪比PSNR为202DB，而提取的水印虽然有所模糊，但仍然可以轻易辨认，如图513B所示，误码率B135，归一化相关度为066。AB图513水印WOMAN图像A和提取水印B将加入高斯噪声处理的结果统计入下表，可见在加入方差小于001的高斯噪声时，即使载体图像的主客观质量严重下降，但是提取的水印依然让人满意，表明本文算
47、法对于高斯噪声具有良好的抗性表51不同方差的高斯噪声处理后提取水印结果高斯噪声方差PSNRDB归一化相关度误码率000129910000228409903400032520970980005231092292200072160817000092090759900120206613500217304224400315603628552滤波处理图像传输过程中受到噪声攻击后容易失真，需要对其进行滤波处理，本文使用MATLAB软件对水印MANDRILL图像进行滤波仿真，使用的滤波器为不同窗口大小的中值滤波器。1）用33滤波窗口对水印WOMAN图像进行滤波，滤波后图像如图521A所示，此时水印WOMAN
48、图像与原始图像相比无变化，峰值信噪比PSNR436DB，提取的水印无任何差错，如图521B所示，误码率B0，归一化相关度为1。AB图521水印WOMAN图像A和提取水印B2）用55滤波窗口对嵌入水印的图像进行滤波，滤波后图像如图522A所示，此时的水印WOMAN图像细节部分与原始图像稍微有所不同，峰值信噪比PSNR361DB，提取的水印基本上与原始水印相同，如图522B所示，误码率B078，归一化相关度为097。23AB图522水印WOMAN图像A和提取水印B3）用77滤波窗口对嵌入水印的图像进行滤波，滤波后图像如图523A所示，此时的水印WOMAN图像与原始图像相比已经可见质量下降，峰值信噪
49、比PSNR315DB，但提取的水印依然可以轻易辨认，如图523B所示，误码率B56，归一化相关度为083。AB图523水印WOMAN图像A和提取水印B将以上结果统计入下表，如表52所示，即使载体图像已经模糊，但提取的水印依然误码率不高，表明本文算法对于中值滤波有良好的抗性表52滤波处理后提取的水印结果滤波器窗口大小PSNRDB归一化相关度误码率33436105536109707877315083569928206712111112660551802453压缩处理图像的保存和传输过程中经常要用到压缩处理，本文使用MATLAB软件对水印WOMAN图像进行JPEG压缩仿真，利用不同程度的压缩对比，来检验本算法的鲁棒性。1）当压缩程度为90时，水印WOMAN图像如图531A所示，图像无失真，峰值信噪比P
