1、毕业设计文献综述通信工程基于离散运算的自适应鲁棒数字图像水印算法研究摘要用水印技术将某些信息隐藏在数字作品中以保护版权是近年来的一个研究热点。目前数字水印出现了许多算法思路，也已经有相应的产品和解决方案推出。本文对鲁棒数字图像水印的研究历史和研究现状进行了介绍和归纳，最后对鲁棒数字图像水印的发展动向和趋势作了简述。关键词数字水印；空间域；变换域；小波变换；鲁棒性。1背景多媒体技术和计算机网络技术的飞速发展在很多方面改变了人类的生活，人们的很多创作与生产的成果都可以借此以数字的方式存贮和传输，这也使得通过互联网发布和传播图像、语音、视频等电子数据变得更加便利1。但数字作品在网络中被非法拷贝和非法
2、传播的现象日益严重，传统意义上的版权保护在数字作品中失去了意义。为了能有效地解决信息安全与产权保护等问题，在这几年来，出现了加解密、数字签名、数字指纹、数字水印等多种技术。其中数字水印是起于上世纪90年代初一门崭新技术2，它用人眼不可觉察的方式来修改图像，嵌入数据，而且在需要时能提取或检测出嵌入信息3。数字水印是嵌入在数据中，具有抗检测、抗伪造和抗擦除的特性,并且不影响数据合法使用、具有可鉴别性的数据。数字图像水印技术利用了现代信号处理的方法，在图像中嵌入隐藏的图像标记信息。数字水印技术包括水印嵌入过程和水印提取/检测过程。其嵌入过程是选择某种数字水印技术结合密钥将水印信息嵌入到原始图像之中，
3、然后后得到嵌入水印后的图像1。2数字水印的特点数字图像水印具有如下主要特点21隐秘性即水印是不易察觉的，水印技术的首要条件是在加入水印后，图像和原始图像基本上相同，质量不能因水印的加入而出现明显的改变，水印不应明显干扰其宿主图像。2鲁棒性水印必须难以被破坏或伪造。一般来说，水印应当具有一般信号处理噪声、平滑、增强等信号滤波，D/A、A/D转换，有失真压缩等，几何变换平移、旋转、缩放、裁剪，以及欺骗攻击包括共谋攻击和伪造下的鲁棒性。3确定性即具有可证明性，水印所携带的信息能够被唯一确定，能为受保护的信息产品版权提供完全和可靠的证明。4安全性水印信息隐藏在数据中而非文件头中，文件格式的变换不会导致
4、水印数据的丢失，非授权用户不能检测和破坏水印。5数据容量水印要有相当的数据容量，以满足多样化的需要。这些特点之间是相互竞争和矛盾的，实际情况中不可能同时达到最佳,只能根据需要取得折衷或者设定可调范围。3数字水印的研究现状和发展趋势31空间域算法1LSB嵌入和扩频技术直接修改LSB平面的方法最简单，但鲁棒性差。TIRKEL等4借鉴直接序列扩频DSSS技术，采用M序列调制、加性嵌入、相关判决提取。或用多维滑动相关器MBSC和预滤波处理像素随机突变5。水印消息经压缩后不允许比特误差，扩频前需纠错编码，调制信号交织嵌入，提取时用维纳滤波估得原图再相关检测6。2PATCHWORK算法是由BENDER等人
5、7在1996年提出的，基本原理是在不影响图像质量的前提下，通过改变图像的统计特性来实现水印的嵌入。具体的算法步骤是在图像中任意选取N对象素AI，BI，用AI的亮度值增1，BI的值相应减L的方法，对AI，BI进行信息嵌入。如果图像满足一些统计性质，那么AI和BI组成的N个像素之间的总差值可由2N得到。该算法具备不易察觉性，且对有损压缩编码JPEG和一些恶意攻击处理具有抵抗力，但该算法最主要问题是嵌入的水印信息过少，而且无法对嵌入的所有水印进行提取。3其他算法为了提高基于分块的空域水印方法的性能，BRUYNDONCKX等人8提出将像素进行分类后再进行水印嵌入。而为了提高空域扩频水印技术的性能，KU
6、TTER等人9提出一种只在RGB颜色空间里的蓝色上嵌入水印的方法，此方法在保持水印最小的可见性的情况下能最大程度地提高水印强度，并且还提出对水印进行解码之前对图像进行预处理以预测嵌入的水印，这一方法提高了水印的鲁棒性并应用于所有空域扩频水印技术。32变换域算法1DCT变换基于DCT变换的水印算法由于DCT离散余弦变换变换而被认为是对语音图像信号的准最佳变换10，并且DCT算法在数字信号处理中容易快速实现，因此DCT变换是图像编码的国际标准的主要环节。其方法是首先把图像分成88的不重叠象素块，再经过分块DCT变换得到由DCT系数组成的频率块，然后再做相应的处理10。基于DCT变换的水印方法相对于
7、空域图像水印方法在对压缩、滤波等常规信号处理上具有更强的鲁棒性。典型的DCT域算法是由COX等人11提出的一种基于DCT变换的扩频水印技术。此法利用序列扩频技术和人类视觉特性HVS，将满足正态分布的伪随机序列加入到图像经过DCT变换后对视觉最重要的系数中。高志荣，陈传波12给出了一种基于离散余弦变换的数字图像水印算法，该算法在对水印图像加密的基础上作DCT变换。实验证明该方法在嵌入强度小于05时具有良好的不可见性，并能有效地抵抗JPEG压缩和高斯白噪声。此算法如下1读取原始图像和水印图像到二维数组C0和W0。2产生一个加密序列A,其维数等同于W0，并DCT变换后的水印数组加密。3将原始图像C0
8、分割为互不覆盖的图像BLOCK1，并对每个分块分别进行DCT变换，得到BLOCK2。4在每个BLOCK2中按照公式BLOCK2BLOCK2AW0嵌入水印的分量，再对每个图像块进行IDCT变换。5将4得到的每个图像块放回原来的位置,就得到嵌入了水印的图像。假设原始图像矩阵的大小为MN，则其二维离散余弦变换的定义如下NQNMPMAAABMMNNMNQPPQ212COS212COS1010，（1）P0，1，2，M1，Q0，1，2，N1式中其中BPQ称为矩阵A的DCT系数。DCT是一种可逆变换，逆变换为NQNMPMBAAAPQQPMPNQMN212COS212COS1010，（2）M0，1，2，M1，
9、N0，1，2，N1上式的含义是任何MN的矩阵A都可以表示为一系列函数的和。该算法具有很好的鲁棒性和抵抗JPEG压缩以及抗高斯白噪声的能力。2DWT变换基于DWT离散小波变换变换的水印技术因为小波理论的研究日趋完善，且小波多尺度分析方法的应用也愈来愈广泛，尤其是在信号和图像处理中有良好的时频特性，这使基于小波变换的数字水印技术成为研究热点15。在小波多分辨分析的基础上，可以充分利用人类视觉模型的一些特性,使嵌入载体的信息量、隐秘性和鲁棒性达到一个较完美的程度。基于小波变换的数字水印技术是首先对图像进行多分辨率分解，将图像分解成不同空间、不同频率的子图像。图像经分解后产生四个频带水平、垂直、对角线
10、和低频部分，低频部分可继续分解。3次小波变换后的层次就够如下3其他算法将神经网络应用于图像水印技术中，借此可以从两个方面优化水印技术在水印嵌入时使用它可对图像进行分类或产生自适应于图像的水印，从而提高水印嵌入时的信息量以及图像的保真度；检测时它可以提高水印检测的正确率1。将分形技术应用于数字水印技术就形成了基于分形图像编码的水印技术。此法特点在于嵌入过程中寻找区域的形状是完全无限制的，而对于形状进行优化可以提高水印的鲁棒性。4基于小波变换的数字水印研究现状41基于低频子图嵌入水印低频子图系数通常包含了原始图像的大多数能量，将水印信息直接嵌入到该区域会影响图像的质量，但是该类方法对压缩、滤波和一
11、些恶意攻击等通常具有很好的鲁棒性16，因而受到人们的重视。1朱晓冬，刘静，苑森淼提出了一种基于二维离散小波变换数字图像水印方案17，此算法具有较好的鲁棒性并能很好的实现水印盲检测。此算法如下1对图像进行L级小波分解，得到对应的低频区域的小波系数,21DLENDDDFFFF，LENHEIGHTWIDTH/4LHEIGHT和WIDTH分别是原图像的高度和宽度。2使用密钥产生一个长度为2N1的M序列，并通过在尾部加0进行扩展，得到长度为MHEIGHTWIDTH/（4LK2N的水印序列（K为扩频系数）YY1,，Y2，Y3，YM。3对水印序列进行扩频处理，得到扩频后的水印序列4对Y使用长度为KM的0/1
12、序列ZZ1，Z2，Z3，ZKM通过异或运算YIZIYI/K进行调制，得序列YY1,Y2,Y3,YKM5按下列规则进行嵌入其中为水印强度系数，符号表示取整。6进行L级小波重构，得到嵌入水印后的图像I。7检测算法为上述步骤的逆过程。此算法对常见信号处理方式有很好的鲁棒性，且能实现盲检测。2周熠提出了一种基于小波变换的二值图像水印嵌入与检测方案18，选择在小波变换后的低频域嵌入水印。A嵌入算法如下1对原始图像进行L级小波分解，得到不同分辨率级下的细节子图和一个逼近子图。2读取二值水印图像各个像素值1比特，基于鲁棒性考虑，希望图像水印的统计特性类似白噪声，即均值为0，所以在嵌入水印之前，首先将水印图像
13、中的0和1作以下调制WI1（IF像素值0），WI1（IF像素值0）由此得到WWI1,0ECORRN或0IFCORRNECORRN126将序列转变为大小为的矩阵VVU,V|1US,1VT,VU,VVVSU13矩阵V就是所提取的水印信息。本算法在一级小波分解的高频子带嵌入水印,并且对水印信号做扩频处理,根据水印的不同取值,向载体信号中嵌入伪随机序列,扩频使水印的抗干扰性和隐密性更好。同时在提取过程中不需要原始图像，也算是一种盲水印算法。5总结尽管数字水印技术面临种种尚待解决的难题,但这些阻挡不住它滚滚向前的发展趋势。在网络技术迅速发展的今天,水印技术的研究显得更具现实意义。随着互连网用户的快速增加
14、,电子商务的发展和数字产品的普及,以及人们对数字产品产权保护的关注,数字水印作为信息安全领域中的新生事物,孕育着巨大的商机1。由于小波变换具有与人类视觉系统极其相符的变换机制，目前已经成为数字水印技术中人们研究的热点。同时，随着新一代图像压缩标准JPEG2000和视频压缩标准MPEG4中小波变换的采用并占据重要地位，使得DWT域水印算法具有广阔的应用研究前景20。基于小波变换的数字水印技术在未来数字作品版权保护、篡改提示、隐蔽通信及电子商务等领域将具有更大的作用。主要参考文献1刘勍,张少刚,王三福数字图像水印技术研究J天水师范学院学报,2006,26540422周利军,周源华,支铮数字图像水印
15、技术J高技术通讯,2001,11041073胡荣,陈健数字图像的水印技术J上海交通大学学报,2001,3569519544TIRKELAZ,RANKINGA,SCHYNDELRM,ETALELECTRONICWATERMARKADIGITALIMAGECOMPUT,TECHNOLAPPCSIDNEY,19936666735SUJK,HARTUNGF,GIRODBACHANNELMODELFORAWATERMARKATTACKAPROCOFSPIECUSA,1999,36571591706MARVELLM,BONCELETCG,RETTERCTRELIABLEBLINDINFORMATIONHI
16、DINGFORIMAGESDB/OL2NDINTWORKSHOPONINFOHIDINGC19987BENDERWTECHNIQUESFORDATAHIDINGJIBMSYSTEMSJOURNAL,1996,35343133368BRUYNDONCKXO,JQUISQUATERJ,MACQBSPATIALMETHODFORCOPYRIGHTLABELINGOFDIGITALIMAGESJINPROCIEEEWORKSHOPNONLINEARSIGNALANDIMAGEPROCESSING,HALKIDIKI,GREECE,JUNE19959KUTTERM,JORDANF,BOSSENFDIGI
17、TALSIGNATUREOFCOLORIMAGESUSINGAMPLITUDEMODULATIONJINPROCELECTRONICIMAGING1997,EI97,SANJOSE,CA,FEB199710桑晓青,任志国变换域数字图像水印技术的研究J现代电子技术,2005,217911COXIJASECUREROBUSTWATERMARKFORMULTIMEDIARWORKSHOPONINFORMATIONHIDING,CAMBRIDGE,UK,1996,NUMBER1174INLECTURENOTESINCOMPUTERSCIENCESPRINGERVERLAG,18520612高志荣,陈传
18、波一种基于水印DCT变换的数字图像水印算法J计算机与现代化,2004,121314,3213ORUANAIDHJJK,BOLANDFM,SINNENOWATERMARKINGDIGITALIMAGESFORCOPYRIGHTPROTECTION,INPROCJELECTRONICIMAGINGANDTHEVISUALARTS,FLORENCE,ITALY,FEB199614ORUANAIDHJJK,DOWLINGWJ,BOLANDFMPHASEWATERMARKINGOFDIGITALIMAGES,INPROCINTCONFJIMAGEPROCESSINGICIP,VOL3,SEPT199623924215颜健毅一种基于小波变换的数字图像水印算法J软件导刊,2008,7514414616王相海基于小波的图像水印研究进展J计算机科学,2005,32120220717朱晓冬,刘静,苑森淼基于二维离散小波变换数字图像水印方案J仪器仪表学报,2003,24441641718周熠基于小波变换的二值图像水印嵌入与检测方案J成都信息工程学院学报,2004,19219419719李鑫,余生晨,薛阳基于小波变换域的数字图像水印算法的研究J贵州工业大学学报自然科学版,2004,3315962,7120向德生,熊岳山基于DWT的图像水印算法研究J计算机工程与设计,2005,263611613,643
