1、毕业设计开题报告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一、选题的背景与意义当今社会的发展有两个明显的特征数字化和网络化。数字化指的是信息的存储形式，特点是信息存储量大、便于编辑和复制；网络化指的是信息的传输形式，具有速度快、分布广的优点。人们通过互联网可以快捷方便地获得数字信息和在线服务。与此同时，数字盗版和篡改也越来越严重。因此，数字作品的知识产权保护也更加受到重视。作为解决这一问题的重要手段，数字水印技术受到了广泛关注并日趋成熟。数字水印的基本思想是在原始媒体数据中，如音频、视频、图像等，通过水印嵌入算法在其中隐藏具有一定意义的附加信息作为标记，这些信息与原始数据紧密结合，并
2、随之一起被传输。在接收端，通过水印检测算法来提取或检测。数字水印技术可能的应用包括数字签名、数字指纹、广播监视、内容认证、拷贝控制和秘密通信等。数字水印被视做抵抗多媒体盗版的“最后一道防线”。因此从水印技术自身来说，它具有广泛的应用前景和巨大的经济价值。近几年来水印的嵌入大多是基于COX提出的加法或乘法两种叠加算法。然而，基于COX叠加算法建立起来的数字图像水印方案其鲁棒性并不理想，主要在于这种算法对于数字图像特征值的改变属于一种连续变化。因为当数字图像受到某种攻击（即便是微弱影响）时，数字图像的特征值将随之发生变化，从而导致基于相关检测原理的水印检测能力发生相应退化。数字通信具有较强的抗干扰
3、能力，只要影响不超过某一阈值，可以采取“整形再生”的办法将受到噪声等因素干扰的传输数据（电脉冲）重新恢复出0/1数码。因此基于二值离散运算的自适应数字图像水印嵌入和检测算法具有更好的鲁棒性。目前的离散算法有以下几种1离散傅里叶变换域DFT此算法在图像数据的数字处理中常用的是二维离散傅里叶变换,它能把空间域的图像转变到空间频域上进行研究,从而能很容易地了解到图像的各空间频域成分,并进行相应的处理。这种算法虽然能较好地描述信号的频率特性，但是不能较好地解决突变信号与非平稳信号的问题,且过程复杂，计算量大。2离散余弦变换域（DCT）此算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
4、DCT系数组成的频率块,然后再做相应的处理。DCT域算法对压缩、滤波等数字处理具有较强的稳健性,同时又与图像压缩标准JPEG兼容。此算法虽然可以实现盲检测,但是它抵御几何畸变的能力较弱。3离散小波变换域（DWT）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、隐秘性和稳健性达到一个较完美的程度。基于小波变换的数字水印技术的基本思想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。图像经变换后成四个频带水平、垂直、对角线和低频,低频部分可继续分解。水印的嵌入可以使用基于低频子带方法将水印嵌入到代表载体图像的最低分辨率近似分量系数中,也可以使用
5、细节分量方法将水印嵌入到图像细节分量系数中。现在，基于离散DWT域的水印算法已成为人们研究的热点。首先，大多数的水印嵌入方法在水印的检测过程中需要原始图像才能抽取出水印,而在许多实际应用场合下原始图像是无法获得的,并且使用原始图像进行检测,其结果也是不令人信服的。因此，在实际应用中,迫切需要检测过程中不需要原始图像信息的“盲检”水印算法。而DWT域水印算法检测过程中不需要使用任何与原始图像相关的信息,实现了“盲检”。其次，由于小波的多分辨分析与人眼视觉特性是一致的,这对根据人眼视觉系统HUMANVISIONSYSTEM,HVS选择恰当的水印嵌入位置和嵌入强度有很大的帮助。同时，随着新一代图像压
6、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，使研究基于小波变换的数字水印方案具有非常好的前景和意义。二、研究的基本内容与拟解决的主要问题本课题借鉴数字通信中可以采取“整形再生”的办法将受到噪声等因素干扰的传输数据重新恢复的思想，拟提出一种在小波变换域内基于离散运算的数字图像水印嵌入和检测算法，算法同时结合人眼视觉特性，选择一些对人眼视觉不敏感的区域自适应地嵌入水印，旨在使提出的水印算法在满足水印不可觉察性前提下，能免疫于一般数字图像处理操作的有限影响，具有较理想的鲁棒性。1研究的基本内容1）进行数字图像的小波变换研究，分析数字图像经小波分解后得到的各子图系数分
7、布特征及其稳定性，以便确定水印的嵌入区域。小波分解后产生两部分数据，一是最低频率的子图，另一部分是剩余的高频子图。（A）低频子图表示由小波变换分解级数决定的最大尺度、最小分辨率下对原始图像的最佳逼近，称为小波逼近子图。小波逼近子图中包含了原始图像的大部分能量，在此嵌入水印鲁棒性好，但容易使原始图像降质。（B）高频子图表示了原始图像的水平边缘细节、垂直边缘细节和斜边缘细节信息，统称为小波细节子图，在此嵌入水印，不易被人所察觉，但容易被破坏，鲁棒性较差。2）进行现有算法的研究，分析各算法的优缺点除离散小波变换（DWT）外的水印算法有2种（A）傅里叶变换（DFT）是一种经典而有效的数学工具，DFT域
8、的算法有利于实现水印的仿射不变性，而且可以利用变换后的相位信息嵌入水印。但DFT域的方法计算比较复杂，效率较低，而且与国际压缩标准不兼容，限制了它的应用。（B）离散余弦变换（DCT）是目前研究最多的一种数字水印，它具有鲁棒性强、隐蔽性好的特点。其主要思想是在图像的DCT变换域上选择中低频系数叠加水印信息。但是它抵御几何畸变的能力较弱，而且攻击者在破坏水印的过程中，不可避免地会引起图像质量的严重下降。3）对于现有离散算法的比较，DFT域复杂效率低，DCT域被攻击时会导致图像降质，因此提出一种基于离散小波DWT域的算法小波变换域很好地提供了图像边缘和纹理等区域的空间一频率位置信息,这些信息对于保证
9、所嵌入水印的鲁棒性十分重要，对图像的多分辨率在进行数字水印检测时可以大量节省处理时间。而且小波的多分辨分析与人眼视觉特性是一致的。4）进行这种算法抵抗各种攻击的鲁棒性以及隐秘性的研究，并且想办法对此算法改进。5）进行本算法与现有基于离散运算的数字水印算法进行比较。6）通过验证对比，得出结论。2拟解决的主要问题1）对原始图像进行小波变换，然后经过分析验证得出将水印信息嵌入低频子图还是高频子图更加稳定。2）将子图分块，取出视觉容量大的区域3）本课题提出的算法的具体实现过程。即本算法的具体嵌入及提取过程。4）对嵌入水印后的数字图像进行鲁棒性检测。5）对实验结果进行对比，得出结论。三、研究的方法与技术
10、路线首先掌握小波域离散的数字图像水印算法，根据水印算法的基本框图，以及算法来用MATLAB程序进行仿真，模拟现实中水印可能受到的各种攻击下检测得到的结果，即无外来攻击，不同强度下的加噪处理，重复滤波处理，不同程度的JEPG压缩处理和几何失真，通过这些实验模拟，查看最后得到的原始图像和水印图像，来验证此算法的隐秘性和鲁棒性。1因为在小波细节子图中嵌入水印太容易被破坏，所以从数字水印的最基本要求鲁棒性而言，选择小波逼近子图区域来嵌入水印在小波逼近子图中选取出视觉容量大的图像子区域，采用类似空域图像处理方法，依据下式块不均匀度D对其进行分块处理21,1B,1,2,KKKIJBKFIJMMMDKNNN
11、M1其中，BK是大小为MM小波逼近子图中的子块（大小为NN），MK为该子块BK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。2数字水印取自二值字符图像，记为WI，J0/1,1IM1，1JM2。相对于常用的伪随机数序列水印，采用字符水印所含信息丰富、意义明确。原始图像记为FFI，J,1IL1,1JL2，其中I,J、FI,J分别代表字符水印和原始图像的第I行、第J列像素灰度值。（A）水印嵌入数字水印原始信息嵌入算法水印嵌入分如下几步进行1）小波变换。首先，对原始数字图像F进行L级小波分解，得到不同分辨率级下的多个细节子图FDKJ（K1
12、,2,3，J1,2,L）和一个逼近子图FAL。2）子图分块和选取。将小波逼近子图FAL分裂成互不重叠的NN大小多个子块，依据式（1）计算各子块的块不均匀度DBK。根据字符水印大小，自适应地选取那些块隐藏水印的信息密钥K不均匀度最大的子块M_FALSI,JS1,2,S。子块数目S满足被选取的子块总像素数与字符水印大小相等。3）子块系数选取。对那些块不均匀度最大的子块M_FALSI,J取其小数部分系数M_FADLSI,JM_FALSI,JFLOORM_FALSI,JS1,2,S，函数FLOOR表示取小于其自身的最大整数。将选取出来的小数部分系数分成0025,02505,05075,0751四部分，
13、这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取值，以及那些块不均匀度最大的子块小数部分系数M_FALSI,J，按以下算法修改子块系数嵌入水印并返回一个二值逻辑表LGIFI,J1AND0M_FALSI,J025THENM_FALSI,J0125,LGI,J1IFI,J1AND025M_FALSI,J05THENM_FALSI,J0375,LGI,J1IFI,J1AND05M_FALSI,J075THENM_FALSI,J0625,LGI,J0IFI,J1AND075M_FALSI,J1THENM_FALSI,J0875,LGI,J0IFI,
14、J0AND0M_FALSI,J025THENM_FALSI,J0125,LGI,J0IFI,J0AND025M_FALSI,J05THENM_FALSI,J0375,LGI,J0IFI,J0AND05M_FALSI,J075THENM_FALSI,J0625,LGI,J1IFI,J0AND075M_FALSI,J1THENM_FALSI,J0875,LGI,J12生成的二值逻辑表用于以后水印检测，可以作为密钥向第三方申请，以获得原作品的所有权。5）组合子块及小波逆变换。将含有水印信息的子块小数部分系数M_FALSI,J重新整合成子块数据M_FALSI,JM_FADLSI,JFLOORM_FAL
15、SI,JS1,2,S，并形成小波逼近子图FAL。最后，将嵌有水印的小波逼近子图FAL结合原细节子图FDKJ（K1,2,3，J1,2,L）进行小波逆变换，得到水印图像。（B）水印检测数字水印或原始信息提取或检测水印待检测信息检测算法水印检测是水印嵌入的逆过程，分如下几步进行1）小波变换。对待测图像T_F进行L级小波分解，得到不同分辨率级下的多个细节子图和一个逼近子图T_FAL。2）子图分块及系数提取。将逼近子图T_FAL分裂成互不重叠的NN大小多个子块，根据嵌入时的二值水印位置信息，提取相应的子块T_FADLSI,J（1I,JN，S1,2,S），并提取出其小数部分系数T_FADLSI,JT_FA
16、LSI,JFLOORT_FALSI,J（S1,2,S）。3）水印恢复。根据水印嵌入时生成的二值逻辑表LG和子块小数部分系数T_FADLS，按如下算法恢复出水印IFLGI,J1AND0M_FALSI,J025THENI,J1IFLGI,J1AND025M_FALSI,J05THENI,J1IFLGI,J0AND05M_FALSI,J075THENI,J1IFLGI,J0AND075M_FALSI,J1THENI,J1IFLGI,J0AND0M_FALSI,J025THENI,J0IFLGI,J0AND025M_FALSI,J05THENI,J0IFLGI,J1AND05M_FALSI,J075T
17、HENI,J0IFLGI,J1AND075M_FALSI,J1THENI,J0（3）通过此算法使水印被嵌入在原始图像经小波变换分解所得的低频子图内，此模块具有强抗干扰能力。而利用离散算法修改原始图像内视觉容量大的区域，引入误差较小，有利于实现数字水印的隐秘性；且恢复水印时能免疫有限范围内的失真，使水印鲁棒性好。在检测和提取水印时，不需要利用原始图像，可保护原始图像的安全。3仿真中水印图像质量的客观评价采用峰值信噪比PSNRMSEPSNR2255LG10MSE是原图像与处理图像之间均方误差密钥K211,1JIFJIFNMMSENJMI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ERR
18、ORBBTTTB表示嵌入的字符水印总像素数，TERROR表示检测出的字符水印中出错的总像素数。4对本算法进行攻击处理的实验1）加噪处理对水印图像叠加GUASS噪声，噪声强度为1，4，7，10，13，16；2）滤波处理使用滤波器重复滤波，滤波次数为1，5，10，15，20，25，30；3）JPEG压缩处理使用图像质量百分数为参数进行JPEG有损压缩编码处理，压缩质量因子为90，60，40，10，7，4，1；4）几何失真对水印图像进行剪切、缩放、平移和旋转等形式的几何失真处理5总结实验结果，记录实验数据。四、研究的总体安排与进度2010年12月1日12月8日完成与本课题相关的文献资料查找，并阅读资
19、料，掌握与本课题相关的知识，主要了解一些最基本的概念知识；2010年12月9日12月15日研究将水印信息嵌入位置，即低频子带还是高频子带，比较哪种方法更加稳定；2010年12月16日12月19日研究现有的基于离散变换域内数字图像水印算法；2010年12月20日12月26日基于现有的算法，提出一种新的基于离散小波变换的图像盲水印算法，并且完成开题答辩工作；2011年1月1日1月5日将子图分块，取出视觉容量大的区域2011年1月6日1月10日对水印嵌入算法进行仿真并优化；2011年1月10日1月15日对水印检测算法进行仿真并优化；2011年1月16日1月30日对提出的算法进行各种攻击处理，研究其鲁
20、棒性；2011年2月1日2月15日通过攻击仿真发现算法的不足，并加以改进；2011年2月16日2月28日运用MATLAB进行仿真，通过一些攻击处理与现有变换域内的算法进行水印图像鲁棒性比较；2011年3月1日3月15日主要完成翻译外文文献；2011年3月15日3月30日主要解决本课题最后的总结工作，实验数据得出的结论。2011年4月1日4月30日开始毕业设计（论文）的资料整理，撰写毕业论文；2011年5月审查毕业论文，提交毕业设计（论文），准备毕业答辩。五、主要参考文献1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,2008,751441462路毅,李谦,刘本鲁,刘欣欣,刘芳现代数字水印
21、技术的发展与应用J2008,20126,1283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,2005,263611613,6434徐奔基于MATLAB的DCT域数字图像水印技术J计算机安全,2003,835375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,2003,2444164176周亚训,叶庆卫,徐铁峰基于二值运算的数字图像水印嵌入与检测算法J计算机辅助设计与图形学学报,2002,1421481527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,2004,1921941978张晓峰,段会龙基于小波变换的图像水印嵌入方法J计
22、算机工程与应用,2004,1164,65,2049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,2004,3315962,7110王相海基于小波的图像水印研究进展J计算机科学,2005,32120220711王万良,管秋,杨旭东小波域数字图像水印改进算法及其性能分析J计算机辅助设计与图形学学报,2004,1691235123912赵梁红,陈赣,章伟辉一种基于小波变换的自适应图像水印算法J浙江工业大学学报,2005,33549249513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,2005,217914王晓蕾,蔡希彪,阚哲关于数字图像的水印技
23、术J现代电子技术,2005,19474815胡荣,陈健数字图像的水印技术J上海交通大学学报,2001,35695195416周利军,周源华,支琤数字图像水印技术J高技术通讯,2001,110410717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,2006,265404218TAMORNRAKSA,KJANTHAWONGWILAIENHANCEDIMAGESWATERMARKINGBASEDONAMPLITUDEMODULATIONJIMAGEANDVISIONCOMPUTING,2006,2411111919ALEXANDREHPAQUET,RABABKWARD,IOANNIS
24、PITASWAVELETPACKETSBASEDDIGITALWATERMARKINGFORIMAGEVERIFICATIONANDAUTHENTICATIONJSIGNALPROCESSING,2003,832117213220JOSEPHORUANAIDH,HOLGERPETERSEN,ALEXANDERHERRIGEL,SHELBYPEREIRA,THIERRYPUNCRYPTOGRAPHICCOPYRIGHTPROTECTIONFORDIGITALIMAGESBASEDONWATERMARKINGTECHNIQUESJTHEORETICALCOMPUTERSCIENCE1999,226117142
